JP5982305B2

JP5982305B2 - 排気ガス処理装置

Info

Publication number: JP5982305B2
Application number: JP2013047265A
Authority: JP
Inventors: 正俊鈴木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2013-03-08
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2033-03-08
Also published as: JP2014173503A

Description

本発明の実施形態は、排気ガス処理装置に関する。

エンジンなどからの排気ガスを浄化して大気汚染を低減することが要求されている。特にディーゼルエンジンの排気ガス規制は厳しくなっている。

排気ガス中に含まれる未燃炭化水素、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）、一酸化炭素、硫酸塩混合物などの有害物質を熱分解すると、無害物質とすることができる。

たとえば、マイクロ波加熱装置を用い微粒子捕集フィルタを加熱すると、堆積した有害物質を短い時間で分解できる。

微粒子捕集フィルタは排気管内に設けられる。このため、加熱された空気がマイクロ波伝送路である導波管内を通過しマイクロ波発生源を構成する電子部品などを劣化させる場合がある。

特開２００５−１０８４４９号公報

排気ガスの熱によるマイクロ波発生源の温度上昇を抑制可能な排気ガス処理装置を提供する。

実施形態の排気ガス処理装置は、マイクロ波発生源と、リッジ導波管と、保持金属管と、微粒子捕集フィルタと、を有する。前記リッジ導波管は、マイクロ波発生源から発生されたマイクロ波を伝搬する。前記リッジ導波管は、前記マイクロ波の伝搬方向に沿って設けられた内部フィンを複数含み金属からなる。前記保持金属管は、前記リッジ導波管の出射部と連結された開口部を側面に有し、エンジン側排気管と連結される。前記微粒子捕集フィルタは、前記保持金属管の内部に保持され、前記エンジン側排気管から流入した排気ガス中の微粒子を捕集する多孔質体からなる。前記微粒捕集フィルタに捕集された前記微粒子は、前記出射部から出射した前記マイクロ波により加熱された前記多孔質体により熱分解されて外部に排出される。

図１（ａ）は本発明の第１の実施形態にかかる排気ガス処理装置の模式斜視図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。微粒子捕集フィルタの模式断面図である。比較例にかかる排気ガス処理装置の部分模式斜視図である。図４（ａ）は第２の実施形態にかかる排気ガス処理装置のリッジ導波管、図４（ｂ）は第２の実施形態の変形例のリッジ導波管、の模式断面図、である。第３の実施形態にかかる排気ガス処理装置のリッジ導波管の模式断面図である。微粒子捕集フィルタの変形例の模式断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図１（ａ）は本発明の第１の実施形態にかかる排気ガス処理装置の模式斜視図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
図１（ａ）に表すように、排気ガス処理装置１０は、マイクロ波発生源２２と、リッジ導波管３０と、保持金属管２２と、微粒子捕集フィルタ２４と、を有する。

エンジン側排気管２０に連結された保持金属管２２の一方の端部には、エンジンからの排気ガスＦ１が流入する。また、マフラー側排気管２６からは、浄化された排気ガスＦ２が外部へ排出される。

マイクロ波発生源２２は、マイクロ波加熱装置に割り当てられた周波数（たとえば、０．９ＧＨｚ近傍、２．４５ＧＨｚ近傍）のマイクロ波を発生する。発生源としては、マグネトロン、クライストロン、ＧａＮＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）などからなる半導体発振器などとすることができる。

リッジ導波管３０は、その内部断面の長辺（幅Ｗ）の中央部近傍に、金属からなる複数の内部フィンを含むリッジ部３２を有し、マイクロ波発生源２２から発生されたマイクロ波を負荷まで伝搬する。

保持金属管２２の側面には、開口部２２ａが設けられる。リッジ導波管３０は、保持金属管２２の側面と連結される。リッジ導波管３０の出射部３０ａから出射したマイクロ波は、開口部２２ａから保持金属管２２に入射する。

微粒子捕集フィルタ２４は、保持金属管２２の内部に保持され、排気管２０から流入した排気ガスＦ１中の微粒子を捕集する多孔質体からなる。保持金属管２２の開口部２２ａから入射したマイクロ波は、多孔質体の側面を照射したのち、広がりつつ多孔質体に吸収され多孔質体を加熱する。すなわち、リッジ導波管２２の出射部２２ａから、保持金属管２２に囲まれた微粒子捕集フィルタをみたとき、共振器のように動作するとマイクロ波が効率よく微粒子捕集フィルタを加熱できる。

また、微粒子捕集フィルタ２４とエンジン側排気管２０との間、および微粒子捕集フィルタ２４とマフラー側排気管２６との間、に金属メッシュなどからなるマイクロ波遮断手段２２ａ、２２ｂを保持金属管２２と接続するように設けることができる。マイクロ波遮断手段２２ａ、２２ｂを設けると、マイクロ波が外部へ漏れることが抑制され、安全も確保される。

図１（ｂ）に表すように、リッジ導波管３０は、複数の内部フィンからなるリッジ部３２を有する。内部フィンは、マイクロ波の伝搬方向に沿った複数のフィンを含む。伝搬方向と平行であると、加熱された空気から効率よく熱を奪うことができるのでより好ましい。もし、内部フィンの間隔Ｇをリッジ導波管３０の幅Ｗの４分の１以下とすると、内部フィンの連結板３２ａを設けなくともリッジ部３２として機能する。図１（ｂ）は、ＴＥ_１０モードを表す。電界は矢印の方向であり、その強度Ｅは中央部で最大となる。

排気ガスは、未燃炭化水素、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）、一酸化炭素、硫黄酸化物などの微粒子からなる有害物質を含んでいる。これらの微粒子は、多孔質体を通過するときに捕集される。しかしながら、長く使用を続けると、多孔質体の捕集効果が低下し、そのまま外部に排出されるようになる。このため、定期的に、有害な微粒子を除去することが好ましい。これらの微粒子は、たとえば、６００℃以上とすると効率よく熱分解を生じ、短い時間で有害物質を無害化できる。

なお、マイクロ波による加熱を行わない状態でも、高温の排気ガスが通過するため、微粒子捕集フィルタ２４を構成する多孔質体は、数百℃以上となる。対流熱または輻射熱は、保持金属管２２の開口部２２ａから導波管３０の内部に流入し、マイクロ波発生源２２の内部温度を上昇させる。マイクロ波発生源２２は、電子部品などを含んでいるので、たとえば、１００℃以下であることが好ましい。

第１の実施形態では、リッジ導波管３０に、リッジ部３２が設けられている。リッジ部３２を構成する複数の内部フィンは、対流熱または輻射熱を奪い、リッジ導波管３０の外壁から外部へ放出する。このため、冷却効果が高まり、マイクロ波発生源２２の温度上昇を抑制できる。

図２は、微粒子捕集フィルタ２４の模式断面図である。
微粒子捕集フィルタ２４を構成する多孔質体は、炭化シリコン（ＳｉＣ）、炭素（Ｃ）、金属などを含む複合酸化物、セラミックなどからなる材料とすることができる。これらの材料は、マイクロ波吸収体として作用する。なお、多孔質体は、ハニカム構造体を含むものとずる。微粒子捕集フィルタ２４の断面が円形状であるとき、その直径Ｄ２４は、たとえば、３〜１０ｃｍなどとすることができる。

多孔質体をハニカム構造体とする場合、アルミナ、ジルコニアなどの材料とすることができる。また、電波吸収体は、亜鉛、銅、マンガン、コバルトなどの酸化物や、複合酸化物などとし、ハニカム構造体の内部表面に設けることができる。

リッジ導波管３０の出射部３０ａから放出されたマイクロ波が多孔質体に効率良く吸収されるように、保持金属管２２のサイズを適正に選択することができる。

通常のエンジン動作時、微粒子捕集フィルタ２４にはマイクロ波が照射されていない。しかし、エンジン始動時以外はマイクロ波の非照射状態でも、排気ガスは高温である。リッジ導波管３０の出射部３０ａと、リッジ部３２と、の間に、排気ガス遮断部３４を設けると、高温排気ガスの流入を阻止できる。

図３は、比較例にかかる排気ガス処理装置の部分模式斜視図である。
排気ガス処理装置は、微粒子捕集フィルタ１２４と、マイクロ波発生源１２２と、導波管１３０と、空洞共振器１３１と、保持金属管１２２と、微粒子捕集フィルタ１２４と、を有する。空洞共振器１３１は、可動短絡板１３１ａおよび可変結合窓１３１ｂなどにより定在波を制御することができる。

微粒子捕集フィルタ１２４は、空洞共振器１３１を貫通するように設けられる。空洞共振器１３１と、マイクロ波発生源１２２と、は、導波管１３０により接続されている。このため、排気ガスで加熱された空気（ドット線）は、導波管１３０の内部を流路としてマイクロ波発生源１２２の内部の電子部品を高温にさらす。たとえば、マグネトロンの耐熱温度は２００℃程度と低く、電源回路を構成する電子部品の最大定格温度は２００℃以下と低い。

ところで、高い出力が得られ、燃費がよい軽油を使用するディーゼルエンジンは、自動車、鉄道用気動車、船舶などに用いられる。ディーゼルエンジンからの排気ガスに含まれる微粒子成分は、ディーゼル排気微粒子（Diesel Particulate Matter：ＤＰＭ）と呼ばれ、濃度が高いと黒煙となる。この成分は、房状に連なった炭素の微粒子、可溶性有機成分である高分子炭化水素、硫黄が酸化した硫酸塩（サルフェート）の混合物、などを含む。

ディーゼル排気微粒子が、排気ガス処理に用いられる三元触媒の表面を覆うように付着すると、排気ガス処理性能が低下する。このため、排気流路にディーゼル排気微粒子を捕集するフィルターを設け、ガソリンエンジンのフィルタよりも高い頻度でクリーニングをすることが必要である。

比較例にかかる排気ガス処理装置では、ディーゼル捕集フィルター（Diesel Particulate Filter：ＤＰＦ）を高い頻度でクリーニングする度に、マイクロ波発生源１２２の電子部品が高温下で動作を強いられるのでその寿命を低下させやすい。

これに対して、第１の実施形態の排ガス処理装置の微粒子捕集フィルター２４は、クリーニング期間内で、マイクロ波発生源２２の電子部品の動作温度は低く保たれている。このため、高い頻度でクリーニングを行っても、排気ガス処理装置の寿命を長く保つことが容易である。

また、多孔質体の内部表面に、金属（白金、パラジウム、ロジウム）などからなる三元触媒や、酸化物（銅、マンガン、コバルト）などからなる触媒を設けることができる。これらの触媒を設けると、ＮＯ_Ｘ、一酸化炭素などの有害物質を、窒素、二酸化炭素、水蒸気などに変換させることができる。すなわち、ガソリンエンジンからの排気ガスの浄化を行うこともできる。

図４（ａ）は第２の実施形態にかかる排気ガス処理装置のリッジ導波管、図４（ｂ）は第２の実施形態の変形例のリッジ導波管、の模式断面図、である。
導波管３０は、ダブルリッジ構造であってもよい。図４（ａ）に表すように、２つのリッジ部３２ａ、３２ｂは、リッジ導波管３０の内側で互いに対向する側に設けられる。このため、リッジ部３２ａ、３２ｂは、対流熱および輻射熱を奪い、リッジ導波管３０の外壁から３０ｂ、３０ｃから外部へそれぞれ放出する。放熱路が２つとなるため、マイクロ波発生源２２の温度上昇は、さらに低減できる。

また、図４（ｂ）に表すように、内部フィンの間隔Ｇをリッジ導波管３０の内部長辺の幅Ｗの４分の１以下とすると、複数のフィンの上部を横方向に接続しなくてもリッジ部３２として機能する。このようにすると、構造を簡素にできる。

図５は、第３の実施形態にかかる排気ガス処理装置のリッジ導波管の模式断面図である。
第３の実施形態では、外部冷却フィン３３が、リッジ導波管３０の外壁にそれぞれ設けられる。このため、内部フィンにより奪われた熱は、リッジ導波管３０の外部冷却フィン３３からさらに放熱される。このため、マイクロ波発生源２２の温度がさらに低減される。

図６は、微粒子捕集フィルタの変形例の模式断面図である。
微粒子捕集フィルタ２５は、多孔質体２５ａと、多孔質部２５ａを取り囲むバルク部２５ｂと、を有する。バルク部２５は多孔質ではないので排出ガスの流出を抑制できる。排気ガスが導波管３０の出射部３０ａからマイクロ波発生源２２へ流入しないので、マイクロ波発生源２２の寿命を長く保つことができる。

第１〜第３の実施形態にかかる排気ガス処理装置は、排気ガスの熱によるマイクロ波発生源の温度上昇を抑制可能である。このため、微粒子捕集フィルタを高い頻度で使用してもマイクロ波発生源を構成する電子部品などの寿命を長く保つことができる。この結果、たとえば、ディーゼルエンジンから排出されるディーゼル微粒子を確実に捕集し排気ガスを浄化できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０排気ガス処理装置、２０エンジン側排気管、２２保持金属管、２２ａ開口部、２４、２５微粒子捕集フィルタ、３０リッジ導波管、３０ａ出射部、３２、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄリッジ部、３３外部冷却フィン、３４排気ガス遮断部

Claims

マイクロ波発生源と、
前記マイクロ波発生源から発生されたマイクロ波を伝搬するリッジ導波管であって、前記マイクロ波の伝搬方向に沿って設けられた内部フィンを複数含み、金属からなるリッジ部を有する、リッジ導波管と、
前記リッジ導波管の出射部と連結された開口部が側面に設けられ、エンジン側排気管と連結される保持金属管と、
前記保持金属管の内部に保持され、前記エンジン側排気管から流入した排気ガス中の微粒子を捕集する多孔質体からなる微粒子捕集フィルタと、
を備え、
前記微粒捕集フィルタに捕集された前記微粒子は、前記出射部から出射した前記マイクロ波により加熱された前記多孔質体により熱分解されて外部に排出される排気ガス処理装置。
前記マイクロ波の前記伝搬方向と、前記内部フィンと、は、平行である請求項１記載の排気ガス処理装置。
前記リッジ導波管は、ダブルリッジ構造である請求項１または２に記載の排気ガス処理装置。
前記リッジ部の前記内部フィンの間隔は、前記リッジ導波管の断面幅の４分の１以下である請求項１〜３のいずれか１つに記載の排気ガス処理装置。
前記微粒子捕集フィルタは、前記多孔質体に分散された触媒をさらに有する請求項１〜４のいずれか１つに記載の排気ガス処理装置。
前記微粒子捕集フィルタは、前記多孔質体に分散された電波吸収体をさらに有する請求項１〜５のいずれか１つに記載の排気ガス処理装置。
前記導波管は、前記排気ガスを遮断するが前記マイクロ波を通す排気ガス遮断板を有する請求項１〜６のいずれか１つに記載の排気ガス処理装置。