JP6290824B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、粒子状物質を含むガスが流れる通路において、その粒子状物質を処理する排気浄化装置に関する。

工場ガス、自動車、機械（内燃機関を含む）等の排気に含まれる粒子状物質（パティキュレート・マター（ＰＭ））を処理するための排気浄化装置の一例が特許文献１に開示されている。特許文献１の排気浄化装置は、筒形状をなす外殻と、外殻の内側に沿って配置される集塵極と集塵フィルタ層とから構成されている集塵フィルタ装置と、この集塵フィルタ装置の内側に設けられて粒子状物質を含む排気の流路の中央部に配置される放電極とを有する。放電極は、外殻の中心軸線に沿って延在する主部と、この主部から各々が外殻のその中心軸線に直交する方向に突き出る複数の突出部とを有している。また、集塵極は導電性であり、外殻を介してアースに接するように構成されている。特許文献１の記載によれば、放電極に高電圧を印加することで、放電極の突出部の周りにコロナ放電が生じ、このコロナ放電により排気中の粒子状物質は帯電される。帯電された粒子状物質はクーロン力により対向する電極である集塵極に向けて流れることができる。その結果、排気の流れ方向に直交する方向にイオン風が形成され、集塵フィルタ装置で粒子状物質が捕集される。なお、特許文献１の一実施形態では、集塵フィルタ装置を蛇腹形状とし、それにより、集塵極の表面積を増して粒子状物質の捕集率を高めている。

特開２００９−１１２９１６号公報

上記特許文献１の排気浄化装置では、排気中の粒子状物質の捕集量がある程度以上にまで達すると、集塵フィルタ装置で捕集した粒子状物質を外殻の外に取り除く必要がある。しかし、機械的に粒子状物質を外殻の外に取り除くのは手間がかかり、外殻内で粒子状物質を処理することが望まれる。

本発明は、外殻内で粒子状物質を処理することができる排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、外殻内に電極を配置して電圧を印加することにより外殻内で粒子状物質を処理することができることを見出し、本発明を完成させるに至った。

本発明の一態様によれば、
粒子状物質を含む排気が流通する流路を形成する筒状の外殻の内側に配置される放電用電極を備え、該放電用電極に対する電圧印加により、該放電用電極側から前記外殻側への粒子状物質の流れを生じさせるように構成されている、流れ発生装置と、
前記放電用電極と前記外殻との間に配置されて該外郭との間に処理用空間を定めると共に該処理用空間への粒子状物質の流入を許容するように構成された空間画成部材と、該処理用空間に配置された処理用電極とを備え、粒子状物質を処理するとき、該処理用電極に対して電圧印加を行う、処理装置と
を備えた排気浄化装置
が提供される。

好ましくは、前記外殻および前記空間画成部材の少なくとも一部は導電性であり、前記流れ発生装置は、電圧印加により、前記放電用電極と、前記外殻および前記空間画成部材の少なくとも一方との間に電位差を生じさせるように構成される。

好ましくは、前記外殻の少なくとも一部は導電性であり、前記処理装置は、電圧印加により、前記処理用電極と前記外殻との間に電位差を生じさせるように構成される。

好ましくは、前記処理装置は、前記粒子状物質を処理するとき、第１電圧の電圧印加を行い、前記処理用空間への粒子状物質の流入を促すとき、前記第１電圧よりも低い第２電圧の電圧印加を行う。

好ましくは、前記空間画成部材は、前記流路の排気の流れ方向において上流側の端部で前記外殻との間を塞ぐように設けられるとともに、複数の穴を有し、該穴の各々は、前記流路を前記処理用空間に連通させる。

好ましくは、前記空間画成部材は、複数の穴を有し、該穴の各々は、前記流路を前記処理用空間に連通させ、前記放電用電極側の該穴の開口断面積は前記外殻側の該穴の開口断面積よりも大きい。

好ましくは、上記排気浄化装置は、前記処理用空間を冷却するように構成された冷却装置をさらに備える。

好ましくは、前記処理装置は、粒子状物質を処理するときに前記処理用空間の外へ粒子状物質が流出することを抑制するための流出抑制部材をさらに備える。

好ましくは、前記空間画成部材は複数の穴を有し、該穴の各々は前記流路を前記処理用空間に連通させ、前記流出抑制部材は、前記空間画成部材の前記複数の穴を開く開状態と、該複数の穴を閉じる閉状態とを選択的に有する。

例えば、前記処理装置は、電圧印加により、前処理用記空間においてプラズマを発生させることができ、前記処理用空間の概ね全ては前記処理装置の作用によりプラズマ状態になり得る。

本発明の上記一態様によれば、流れ発生装置の作用により外殻側に粒子状物質を方向付けて集めることができ、処理装置において、処理用電極に対する電圧印加で処理用空間において酸化促進成分またはプラズマを生じさせることができ、それにより上記処理用空間に至った粒子状物質を処理することができる。さらに、空間画成部材により、排気の流路から粒子状物質の処理用空間を分け、処理装置による粒子状物質の処理環境を整えることができる。したがって、本発明の上記一態様の排気浄化装置によれば、粒子状物質を、より好適に外殻内で処理することができる、という優れた効果が発揮される。

本発明の第１実施形態に係る排気浄化装置の概略構成図であり、図２のＩ−Ｉ線に沿った断面模式図である。 図１の排気浄化装置の、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面模式図である。 図１の排気浄化装置のうちの処理装置における、図２のＩＩＩ領域の模式図である。 図１の排気浄化装置のうちの処理装置における、図１のＩＶ領域の模式図である。 （ａ）は図３の１つの放電部材およびその周囲の断面模式図であり、（ｂ）はその放電部材の周囲に水分が保持されているところを模式的に表した図である。 図１の排気浄化装置における、ＰＭの挙動を模式的に表した図である。 本発明の第２実施形態に係る排気浄化装置の概略構成図であり、内燃機関に適用された図である。 ＰＭ量の変化を概念的に表したグラフである。 第２実施形態における、処理装置の電圧印加制御用フローチャートである。 ＰＭ捕集効率とＰＭ量との関係を表したグラフである。 第２実施形態における、処理装置での電圧印加による、ＰＭの処理用空間への引き込みを説明するための図である。 本発明の第３実施形態に係る排気浄化装置の断面模式図であり、（ａ）は開口部が開状態にあるところを示し、（ｂ）は開口部が閉状態にあるところを示す。 第３実施形態における、処理装置の電圧印加制御用フローチャートである。 第３実施形態に係る排気浄化装置における、流出抑制部材の変形例を示す模式図であり、図１のＩＶ領域に対応する部分の図であり、（ａ）は開口部が開状態にあるところを示し、（ｂ）は開口部が閉状態にあるところを示す。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき説明する。

まず、本発明の第１実施形態における排気浄化装置１０に関して説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る排気浄化装置１０の模式的な断面図である。排気浄化装置１０は、工場設備の排気処理に適用されている。図１中左側が排気の流れ方向において上流側であり、図１中右側が排気の流れ方向において下流側である。排気の流れが図１において矢印Ｆ１、Ｆ２により表されている。

図１において、排気浄化装置１０は、筒状の外殻１２によって区画形成され排気が流れる流路となる排気通路１４に対して適用されている。排気は、粒子状物質（以下、ＰＭ、という。）を含み得る。排気浄化装置１０は、流れ発生装置１６と、処理装置１８とを備える。

流れ発生装置１６は、排気からＰＭを捕集するように設けられているので、捕集装置と称されてもよい。流れ発生装置１６は、放電用電極２０を備える。放電用電極２０は、ここでは、排気通路１４の長手方向に沿って延びるように配置された主部２０ａと、該主部２０ａから径方向（排気通路の長手方向に直交する方向）に延びるように各々が突き出る複数の放電突出部２０ｂとを有する。複数の放電突出部２０ｂは、図１に示すように、排気の流れ方向において上流側から下流側にかけて、主部２０ａの軸線方向に沿って略一定の間隔をおいて設けられている。また、主部２０ａの軸線方向に沿って同一位置では、突出部２０ｂは複数（ここでは４つ）設けられ、略等間隔（ここでは略９０°間隔）で設けられている。なお、主部２０ａの軸線方向に沿った同一位置での突出部２０ｂの数は１つでも、２つでも、３つでも、５つより多くてもよい。

流れ発生装置１６は、放電用電極２０と対になる電極２２として、ここでは、排気管としての外殻１２を含む。外殻１２は導電性であり、電極２２の機能を担う。ここでは、外殻１２の全体が導電性であり、電極２２として機能し得る。しかし、外殻１２のうちの一部のみが導電性であってもよい。外殻１２はその少なくとも一部が導電性であるとよく、導電性部分は放電用電極２０の突出部２０ｂの先端が方向付けられた位置、または、同位置よりも排気下流に位置するとよい。なお、外殻１２のうちの一部のみを導電性として電極２２とする場合、電極２２に相当する部分は外殻１２の鉛直方向下方の部分に少なくとも位置するとよい。

流れ発生装置１６は、放電用電極２０と外殻１２との間に電圧を印加するために、第１電圧発生装置２４をさらに有する。第１電圧発生装置２４は、ここでは、直流電圧を発生するように構成されている。なお、電圧の大きさは、実験により定められる。例えば、第１電圧発生装置２４による電圧は、排気中のＰＭを負に帯電させるように設定され、その大きさは７．５ｋＶ以上であるとよい（つまり、好ましくは−７．５ｋＶ以下）。しかし、本発明は、この範囲に限定されない。

第１電圧発生装置２４は、導線２４ａおよび碍子２４ｂを介して放電用電極２０に接続され、一方で（図示しないが）アースされている。なお、図１では、シリコーン栓２４ｃで碍子２４ｂは外殻１２に固定されている。しかし、シリコーン栓以外の種々の絶縁性部材によって碍子２４ｂは固定されることができる。また、碍子２４ｂはセラミックまたはガラス製であり、種々の絶縁材で構成されることができる。

第１電圧発生装置２４がアースされている一方で、外殻１２もアースされている。したがって、第１電圧発生装置２４による高電圧印加で、放電用電極２０と外殻１２との間に電位差を確実に生じさせることができる。なお、放電用電極２０と外殻１２との間に、（外殻１２の内面に接してあるいは外殻１２から離れて）電極２２が設けられてもよい。この場合、電極２２に第１電圧発生装置２４の一方の接続部が接続されてもよく、あるいは、第１電圧発生装置２４の一方の接続部は上記のごとくアースされてもよい。

処理装置１８は、処理装置１８に至ったＰＭを処理することを可能にするように構成されている。ここでは、処理装置１８は、外殻１２のうちの、その内面に沿って、全周に亘って設けられている。処理装置１８は、排気通路１４の長手方向に沿った方向において、前述の複数の突出部２０ｂが配置された領域を少なくともカバーするように設けられている。ここでは、排気通路１４の長手方向に沿った方向において、放電用電極２０の突出部２０ｂの先端が方向付けられた箇所の概ね全体に亘って処理装置１８は設けられている。なお、処理装置１８に至るＰＭは排気の流れの影響を受けて下流側に流される傾向を有し得るので、処理装置１８は最下流側の突出部２０ｂ´よりもさらに下流側にまで延長されるとよい。

処理装置１８は、外殻１２内に配置された複数の放電部材３０と、同放電部材３０と放電用電極２０との間に配置された空間画成部材４０とを有する。複数の放電部材３０は外殻１２の内周面に沿って、互いに重ならないように配置されている。そして、外殻１２の内側に配置された放電部材３０と放電用電極２０との間に延在するように、空間画成部材４０が配置されている。

まず、放電部材３０を有するＰＭ処理機構つまりＰＭ処理部３２について説明する。ＰＭ処理部３２は、外殻１２内に配置された放電部材３０と外殻１２とからなる。

各放電部材３０は、細長く、略円形断面を有し、本実施形態では概ね真っ直ぐ（主部２０ａの軸線方向に平行）に延びるように配置されかつ構成されている。放電部材３０は種々の大きさを有することができ、その断面直径は数ｍｍ〜数ｃｍまでの範囲にあり得る。放電部材３０は、第１電極（処理用電極）としての中心電極３０ｄと、中心電極３０ｄを覆う誘電体３０ｅとを備える。中心電極３０ｄは、放電部材３０の中心軸線に沿って延び、導線部材であり、上記第１電圧発生装置２４とは別に備えられた第２電圧発生装置３４につながれている。誘電体３０ｅはここではセラミックであり、後述する電圧が印加されていないとき絶縁体としてふるまう。放電部材３０は、その中心電極３０ｄの軸線方向が排気通路１４の長手方向（つまり主部２０ａの軸線方向）に概ね平行になるように配置されている。なお、放電部材３０の配置位置は、放電用電極２０の最下流側の突出部２０ｂ´よりもさらに下流側にまで延長されるとよい。

ここで、処理装置１８のうちの、互いに隣り合う放電部材３０の断面模式図を図３に示す。図３は、図２のＩＩＩ線で囲った領域の断面模式図であり、３つの放電部材３０の断面を含む。

放電部材３０は、上記中心電極３０ｄおよび上記誘電体３０ｅに加えて、さらに誘電体３０ｅの外側の繊維状体３０ｆを備える。繊維状体３０ｆは、複数の繊維を有して構成され、各繊維はセラミック・ウィスカーからなり、ここでは、ＳｉＣウィスカーであるが、他の材料から構成されてもよい。繊維状体３０ｆは、水分保持機能を有し、水分保持機能部として機能し得る。また、繊維状体３０ｆは、そこに至ったＰＭを捕捉するＰＭ捕捉機能を有し、ＰＭ捕捉機能部としても機能し得る。なお、繊維状体３０ｆは、種々の繊維を材料に用いて形成されることができるが、外殻１２内を流れ得る排気の温度、ガス成分に耐え得る材料から作られる。これは、放電部材３０の他の構成要素および上記放電用電極２０に関しても同様である。

繊維状体３０ｆは、中心電極３０ｄを有する誘電体３０ｅの表面（外面）に、所謂静電植毛装置を用いて、方向付けられて取り付けられることができる。図示しないが、電極板上に付着させたい繊維をおき、対象物（つまり誘電体３０ｅ）と電極板との間に高電圧をかける。これにより繊維を静電吸引力により飛昇させ、接着剤を塗布した対象物上に付着させる。これにより、ある程度の方向性を有しつつ、繊維を、誘電体３０ｅの表面に付着させることができ、繊維状体３０ｆが形成される。なお、図３では、ある程度の方向性を有して繊維状体３０ｆが設けられているところを模式的に示している。なお、繊維状体は他の方法で設けられてよく、例えば１本または複数本の繊維を一度に手であるいは機械で所定位置に埋設する方法が採用されてもよい。

上記構成を有する放電部材３０は、その誘電体３０ｅが、外殻１２の内面に接して配置される。外殻１２は上述のごとく導電性であり、処理装置１８の（第１電極と対になる）第２電極３０ｄ´として機能する。このように、処理装置１８の第２電極３０ｄ´としての外殻１２は、誘電体３０ｅを介して第１電極である中心電極３０ｄに対して配置されている。このように、本実施形態では、外殻１２は流れ発生装置１６の電極２２でもあり、処理装置１８の第２電極３０ｄ´でもある。しかし、流れ発生装置１６の電極２２と、処理装置１８の第２電極３０ｄ´とは互いに対して独立してもよい。

処理装置１８は、第２電圧発生装置３４を有する。図１に示すように、第２電圧発生装置３４は、導線３４ａおよび碍子３４ｂを介して中心電極３０ｄに接続されている。特に、ここでは、第２電圧発生装置３４は、全ての放電部材３０の中心電極３０ｄに接続されている。なお、例えば、複数の放電部材３０が互いに対して連結されて１つの放電部材３０として構成されているとき、第２電圧発生装置３４は、その１つの放電部材３０の１つの中心電極３０ｄにのみ接続されるとよい。なお、図１では、シリコーン栓３４ｃで碍子３４ｂは外殻１２に固定されている。しかし、シリコーン栓以外の種々の絶縁性部材によって碍子３４ｂは固定されることができる。また、碍子３４ｂはセラミックまたはガラス製であり、種々の絶縁材で構成されることができる。

第２電圧発生装置３４は、ここでは、交流電圧を発生するように構成されている。なお、電圧の大きさは、実験により定められる。例えば、第２電圧発生装置３４による電圧は、交流電圧の場合、約１２ｋＶ、周波数１ｋＨｚであり得るが、本発明はこの範囲に限定されない。なお、第２電圧発生装置３４が発生する第２電圧は、上記交流電圧に限らず、パルスなどの電圧の極性が反転する交番電圧であってもよい。放電部材３０の構成によっては、第２電圧発生装置３４は、直流電圧を発生してもよく、それは例えばパルス直流電圧であってもよい。

第２電圧発生装置３４は、このように放電部材３０の中心電極３０ｄに接続される一方で、アースされている（図示しない）。また、上記のごとく、外殻１２もアースされている。したがって、第２電圧発生装置３４による電圧印加で、放電部材３０の中心電極３０ｄと外殻１２との間に電位差を生じさせることができる。なお、放電部材３０の誘電体３０ｅと外殻１２との間に、（外殻１２の内面に接してあるいは外殻１２から離れて）第２電極が設けられてもよい。この場合、第２電極に第２電圧発生装置３４の一方の接続部が接続されてもよく、あるいは、第２電圧発生装置３４の一方の接続部は上記のごとくアースされてもよい。

そして、空間画成部材４０は、放電部材３０（つまり処理用電極としての中心電極３０ｄ）と放電用電極２０との間に延在するように配置されている。空間画成部材４０は、排気通路１４に対して、放電部材３０が配置されているＰＭの処理用の空間（処理用空間）４０ｓを実質的に分けるように設けられている。以下では、主に、空間４０ｓを除いた外殻１２内の領域を排気通路１４と称し得るが、空間４０ｓが排気通路１４の一部とみなされることを本発明は排除しない。なお、空間画成部材４０は、支持部材４２によって外殻１２内に固定されている。図１において１つの支持部材４２のみを示すが、支持部材４２の個数は幾つであっても、また、どのような構成を有してもよい。なお、空間画成部材４０は前述の電極２２として機能してもよい。

空間画成部材４０は略円筒状の部材であり、複数の穴（開口部）４０ａを有する。各穴４０ａは、排気通路１４と、空間４０ｓとを互いに対して連通させる。複数の穴４０ａは、排気通路１４の長手方向に並んで配置されると共に、その周りの周方向においても並んで配置されている。なお、各穴４０ａは排気通路の長手方向に細長く延びて、排気通路の長手方向に並ばなくてもよく、あるいは、排気通路の周方向に長く延びて、排気通路の周方向に並ばなくてもよい。

各穴４０ａは、排気通路１４から空間４０ｓへのＰＭの流入を許容するように構成されている。そして、さらに、各穴４０ａは、該空間４０ｓから、該穴４０ａを介しての、排気通路１４へのＰＭの流出を抑制するように構成されている。具体的には、各穴４０ａは、空間４０ｓ側ほど（つまり放電用電極２０から外郭側に離れるにしたがって）、その開口断面積が減少するように形成されている。つまり、穴４０ａの各々では、放電用電極２０側の穴４０ａの開口断面積は、外殻１２側の穴４０ａの開口断面積よりも大きい。このような穴４０ａの形状は、図２および図４に示される。排気通路１４の長手方向に直交する方向での図２の断面模式図では、穴４０ａは、外殻１２に近くなるほど、狭まるように形成されている。また、排気通路１４の長手方向に平行な方向での図４の断面模式図では、穴４０ａは、外殻１２に近くなるほど、狭まるように形成されていて、かつ、排気の流れに沿ったＰＭの空間４０ｓへの流入を考慮して、外殻１２側に近づくほど排気の流れ方向下流側に位置するように傾くように形成されている。このように、穴４０ａは、放電用電極２０側の開口断面積は外殻１２側の開口断面積よりも大きく、かつ、排気の流れに乗ったＰＭの流れに平行な向きに近づくように傾いて形成されている。しかし、例えば、放電用電極２０側の穴４０ａの開口断面積が外殻１２側の穴４０ａの開口断面積よりも小さい、またはそれらが等しいような変形も可能である。

空間画成部材４０は、放電部材３０の中心電極３０ｄに対する電圧印加により、空間４０ｓでＰＭが酸化（燃焼）して処理されように、外殻１２からの距離が規定されている。電圧印加による放電部材３０における放電現象（後述する酸化促進成分の発生現象やプラズマ状態発生を含む。）により、空間４０ｓ内の概ね全てで、ＰＭを処理できるように、空間画成部材４０は、放電用電極２０よりも放電部材３０寄りに配置されている。なお、空間画成部材４０の配置位置は、放電部材３０の大きさ、第２電圧発生装置３４による印加電圧および外殻１２の大きさなどを考慮して設計されるとよい。

そして、排気の流れ方向において空間画成部材４０の上流側端部４０ｕで、空間画成部材４０は外殻１２との間を塞ぐように外殻１２に直接的につながっている。これにより、空間４０ｓの上流側の端部は閉じた状態になる。一方、空間画成部材４０は排気の流れ方向下流側において外殻１２との間を塞がず、空間４０ｓは排気の流路つまり排気通路１４に開放する。しかし、これは、空間４０ｓがその下流側端部で閉じることを排除するものではない。

上記構成を有する排気浄化装置１０の作用に関して以下説明する。

外殻１２内の排気通路１４にＰＭを含む排気が流れているとき、流れ発生装置１６において、第１電圧発生装置２４からの高電圧が、放電用電極２０に印加される。これにより、放電用電極２０、好ましくは突出部２０ｂから外殻１２（あるいは導電性である空間画成部材４０）に向けてイオンが飛び出し、ＰＭが負に帯電する。そして、該イオンに誘起されたイオン風（不図示）が生じ、放電用電極２０側から外殻１２側への流れが生じる。これによって、外殻１２側へのＰＭの流れが生じ、排気中に含まれるＰＭの大部分は排気通路１４において径方向外周側つまり外殻側に向けられて導かれる。なお、この原理は、特許文献１に示される通りである。

また、空間画成部材４０は、その上流側端部４０ｕで外殻１２との間を塞ぐように外殻１２に直接的につながっていて、かつ、排気の流れ方向下流側において外殻１２との間を塞がず、空間４０ｓは排気通路に開放する。したがって、概して、排気通路１４よりも、空間４０ｓは低圧になる。よって、ＰＭは、穴４０ａを通じて、空間４０ｓへと流入し易い。

このようにして放電用電極２０側から外殻１２側に向けられたＰＭは、空間画成部材４０の穴４０ａを介して、空間４０ｓに至ることができる。空間４０ｓに至ったＰＭは、放電部材３０の周囲に至ることができる。これにより、ＰＭの一部は、上記繊維状体３０ｆによって捕捉または保持されることができる。

一方、排気中には、（燃料の燃焼などによる）水分が含まれ得る。この水分は、繊維状体３０ｆに毛細管現象により保持され、誘電体３０ｅの表面に広がり得る。ここで、図３の３つの放電部材３０の断面のうちの１つを表す図５を参照する。図５（ａ）は放電部材３０に関する１つの断面を表し、図５（ｂ）は放電部材３０の周囲に水分があるところを模式的に示す。図５（ｂ）では、水分存在領域Ｗが概念的に示されている。

ここで第２電圧発生装置３４から放電部材３０に交流高電圧が印加され、放電部材３０と外殻１２との間で、特に誘電体３０ｅと外殻１２との接触部近傍において放電現象が生じる。ここで、上で述べたように誘電体３０ｅの周囲には水分があるので、誘電体３０ｅと外殻１２との接触部近傍だけでなく、水分存在領域Ｗに沿ってより広い範囲で放電現象が生じ得るであろう。つまり、水分により、放電領域の拡大がもたらされるであろう。この放電作用により、外殻１２内において誘電体３０ｅ周囲のより広い範囲でオゾンや活性酸素などを生じさせることができる。これらオゾンや活性酸素は酸化を促す酸化促進成分であり、それによりＰＭの酸化（燃焼を含む）が促される。したがって、ＰＭが酸化処理（燃焼処理）される。

さらに、このような放電では、イオン流が生じ、図５（ｂ）に矢印で模式的に示すように、放電部材３０から離れる方向にイオン流が生じ得る。本実施形態では、放電部材に繊維状体３０ｆが設けられているので、その繊維状体に沿った方向にイオン流の流れが生じやすく、図５（ｂ）に示すように、外殻１２の内面に沿ってイオン流が生じやすい。このイオン流に乗って、一部のＰＭは充分に酸化されずに、放電部材３０ｆから離れる様々な方向に浮遊し、飛散する可能性がある。しかし、上記のごとく、空間画成部材４０が設けられているので、空間４０ｓから排気通路側へのＰＭの飛散を抑制できる。よって、ＰＭの酸化処理を、空間４０ｓにおいて、好適に実行することができる。

このような空間４０ｓへのＰＭの捕集および空間４０ｓでのＰＭの処理を図６に模式的に示す。図６では、放電用電極２０、空間画成部材４０、放電部材３０および外殻１２が相対的な位置関係のみに着目して示されている。放電用電極２０への電圧印加により、ＰＭの外殻１２側への流れが生じ、上記のごとく空間４０ｓにＰＭは至ることができる（矢印Ａ１１〜Ａ１４参照）。そして、放電部材３０の中心電極３０ｄへの電圧印加により、空間４０ｓにおいて、ＰＭを処理することができる。このＰＭの処理の際に、ＰＭは、矢印Ａ２１〜Ａ２６に示すように空間４０ｓにおいて飛散し得るが、空間画成部材４０を飛散防止部材として、空間４０ｓ内に滞留させられる。よって、ＰＭをより効果的に処理することができる。

本第１実施形態では、第１電圧発生装置２４の作動および第２電圧発生装置３４の作動は任意に行われることができる。例えば、上記第１電圧発生装置２４の作動は、排気が流れているときには絶えず行われることができる。しかし、所望のときのみに、第１電圧発生装置２４を作動させてもよい。これは、上記第２電圧発生装置３４に関しても同様である。

以上、本発明の第１実施形態を説明したが、種々の変更が可能である。例えば、第１実施形態では、図３に示すように、繊維状体３０ｆは、誘電体３０ｅの周囲の一部において外殻１２の内面に略平行な方向にのみその繊維が延びるように設けられたが、中心電極３０ｄを概ね覆うように取り囲む誘電体３０ｅのほぼ全周に亘って設けられてもよい。ただし、好ましくは、誘電体３０ｅの一部は電極としての外殻１２に直接的に接する。繊維状体３０ｆは、好ましくは、図３に示すように、誘電体から略直立するように設けられる。しかし、例えば繊維状体３０ｆは不織布のように所定の方向性を有さず、水分保持機能を発揮してもよい。また、繊維状体はメッシュ状部材で代替されてもよい。メッシュ状部材は、水分保持機能を発揮するように構成されてもよく、それに加えてあるいはそれに代えて、イオン流の流れを所定方向に指向するように構成されてもよい。

さらに、本発明の第１実施形態では、処理装置１８は（全放電部材３０を含む）１つの処理部３２を有したが、それは２つ以上の処理部に分けられてもよい。つまり、電圧が印加される放電部材と、電圧が印加されない放電部材とを選択的に切り替え、電圧が印加された放電部材から飛散したＰＭを、電圧が印加されない放電部材周囲に溜まるようにしてもよい。

本発明の第１実施形態の排気浄化装置１０は、工場の排気浄化に適用されていたが、種々の自動車、機械、トンネルなどの排気浄化にそのまま用いられることもできる。特に、排気浄化装置１０は、内燃機関の排気処理に用いられるとよい。なお、上で述べたような第１実施形態の排気浄化装置１０に対する変更は、同様に、以下の他の実施形態の排気浄化装置にも適用可能である。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。本第２実施形態の排気浄化装置１１０は、内燃機関に適用されている。排気浄化装置１１０は、上記第１実施形態の排気浄化装置１０と概ね同じ構成を有するが、第１および第２電圧発生装置２４、３４の各々による電圧印加に関して特に特徴を有する。以下では、第２実施形態における第１実施形態に対する相違点を主に説明し、既に説明した構成要素と同じ（または同等の）構成要素に関しては上で既に用いた符号を用い、それらのさらなる詳細な説明を省略する。

図７に示すように、排気浄化装置１１０は、内燃機関（以下、エンジン）１５０の本体１５０Ａに接続された排気通路１４に適用されている。排気通路１４は、外殻１２としての排気管によって区画形成されていて、排気管１２は導電性材料で形成されている。エンジン１５０は火花点火式内燃機関であってもよいが、ここでは圧縮着火式内燃機関（つまりディーゼルエンジン）である。

排気浄化装置１１０では、より効果的に、空間４０ｓの圧力を、排気通路１４の圧力よりも下げるように、空間４０ｓの径方向外側に冷却装置４０ｃが設けられている。冷却装置４０ｃは、エンジン１５０の冷却水が循環して流れるように構成されている。したがって、この冷却装置４０ｃの冷却作用により、より好適に、ＰＭを空間４０ｓに導き入れることができる。

エンジン１５０は、制御装置１５２を有する。制御装置１５２は、所謂電子制御ユニット（ＥＣＵ）であり、種々のセンサが接続されている。制御装置１５２は、演算処理装置（例えばＣＰＵ）、記憶装置（例えばＲＯＭ、ＲＡＭ）、Ａ／Ｄ変換器、入力インタフェース、出力インタフェース等を含むコンピュータで実質的に構成されている。入力インタフェースには、種々のセンサが電気的に接続されている。これら各種センサからの信号に基づき、予め設定されたプログラム等にしたがって円滑なエンジン１５０の運転ないし作動がなされるように、制御装置１５２は出力インタフェースから電気的に作動信号または駆動信号を出力する。こうして、図示しない燃料噴射弁の作動、第１電圧発生装置２４の作動、第２電圧発生装置３４の作動などが制御される。

ここで、センサの内のいくつかを具体的に説明する。エンジン回転速度を検出するためのエンジン回転速度センサ１５４が備えられている。また、エンジン負荷を検出するためのエンジン負荷センサ１５６が備えられている。なお、エンジン負荷センサ１５６として、スロットル開度センサ、アクセル開度センサ、エアフローメーター、吸気圧センサ等が使用可能である。

エンジン１５０では、エンジン１５０が始動されてから停止されるまで、原則、絶えず、流れ発生装置１６において、放電用電極２０に電圧が印加され続ける。この電圧印加は、制御装置１５２の制御部１５２ａが第１電圧発生装置２４を制御することで実行される。これにより、排気中のＰＭは排気管１２の内面側に方向付けられ、上で述べたように処理装置１８における空間４０ｓに至ることができる。

一方、排気通路１４には、排気浄化装置１１０の下流側に酸化装置（酸化触媒を含む）１６０が配置されている。酸化装置１６０は、排気が所定温度以上のとき、ＰＭを酸化燃焼させることができる。そこで、エンジン回転速度センサ１５４およびエンジン負荷センサ１５６の各出力に基づいて検出される運転状態が高温の排気を生じ得る状態であるとき、流れ発生装置１６の制御部１５２ａは、放電用電極２０への電圧印加を停止するが、停止しなくてもよい。なお、所定の運転状態のとき、制御部１５２ａは、放電用電極２０への電圧印加を停止してもよい。例えば、燃料カット状態が所定時間を越えたとき、放電用電極への電圧印加は停止され得る。

処理装置１８は、ＰＭ量が所定量ａを超えたとき、ＰＭを酸化処理するように作動する。なお、ここでいうＰＭ量は、流れ発生装置１６の作用により排気管１２の内側（空間４０ｓを含む）に集まったＰＭの量に相当する。図８に概念的に示すように、時間の経過とともに、ＰＭ量は通常増す。そして、見積もられるＰＭ量が所定量ａを超えたとき、制御装置１５２の制御部１５２ｂは第２電圧発生装置３４を作動させ、放電部材３０の中心電極３０ｄに対して電圧を印加する。これにより、ＰＭを酸化処理することができる。図８では、このＰＭ酸化処理によるＰＭ量の増減が表されている。

このＰＭ酸化処理を図９に基づいてさらに説明する。

ステップＳ９０１では、ＰＭ量（積算量）が所定量ａを超えているか否かが判定される。ＰＭ量は、エンジン回転速度センサ１５４およびエンジン負荷センサ１５６の各出力に基づいて検出される運転状態の履歴に基づいて見積もられる（検出される）。この見積もりは、制御装置１５２の制御部１５２ｂの見積もり部に相当する部分により実行される。制御部１５２ｂは、図８に示したような傾向に基づいてＰＭ堆積量を見積もる。より具体的には、制御部１５２ｂは、図８に示したような傾向を示すデータまたは演算式を有していて、それらの少なくとも一方と、エンジン回転速度センサ１５４およびエンジン負荷センサ１５６の各出力に基づきＰＭ堆積量を見積もることができる。そして、後述するステップＳ９０７での電圧印加によるＰＭ量の減量をも考慮してＰＭ堆積量は見積もられる。また、所定量ａは、図１０に概念的に示すように、ＰＭ量と、ＰＭ捕集効率との関係から定められる。ＰＭ量とＰＭ捕集効率との関係は予め実験に基づいて定められていて、一般にＰＭ量の増加にしたがいＰＭ捕集効率は低下する。なお、ＰＭ捕集効率が高いとき、流れ発生装置１６の作用により、排気管１２の内面または空間４０ｓに向けてＰＭを好適に至らせることができる。流れ発生装置１６によるＰＭ捕集効率が所定効率ｂを下回らないように、所定効率ｂとの関係で所定量ａは定められる。なお、他の方法により、ＰＭ堆積量は見積もられてもよい。ステップＳ９０１でＰＭ量が所定量ａを超えているので肯定判定されると、ステップＳ９０３に進む。一方、ステップＳ９０１で否定判定されると、ステップＳ９０５に進み、処理装置１８でのＰＭ酸化用の電圧印加は行われない。

ステップＳ９０３では、ＰＭの酸化処理前の下準備が行われる。この下準備では、次ぎのステップＳ９０７で処理装置１８において印加される電圧（第１電圧）よりも低い電圧（第２電圧）が、処理装置１８において印加される。例えば、７ｋＶの交流電圧が処理装置１８において印加される。処理装置１８での電圧印加は、所定時間行われる。この所定時間は、可変とされても、固定とされてもよい。ここでは、所定時間は、実験に基づいて定められていて、固定されている。

ステップＳ９０３での下準備について、図１１に基づいて説明する。図１１（ａ）では、流れ発生装置１６の作用により、空間画成部材４０の表面（放電用電極２０側の面）にＰＭが堆積した様子が模式的に示されている（なお空間４０ｓに既に溜まっているＰＭはその図示を省略している）。ＰＭは流れ発生装置１６の作用により負に帯電し得るが、空間画成部材４０は導電性であり、アースされている排気管１２につながるので、その帯電状態が解消される。この状態で、放電部材３０の中心電極３０ｄに対して第２電圧を印加すると、放電部材３０周囲に電界の強い領域が生じ、空間画成部材４０の表面のＰＭは空間４０ｓへ向けた吸引力（グレディエント力（gradient force））を受けるようになる。その結果、図１１（ｂ）に模式的に示すように、空間画成部材４０の表面のＰＭは空間４０ｓに至ることができる。

ＰＭの引き込み作用について、一例としてさらに説明する。グレディエント力により、電界強度のより高い方向に、堆積したＰＭは引き込まれる。放電用電極２０に電圧印加した際に空間画成部材４０の表面で電界強度（Ｅ１とする）が形成される。この電圧印加でコロナ放電が発生し、ＰＭは荷電され、静電気力で空間画成部材４０の表面に付着する。つぎに放電部材３０の中心電極３０ｄに交番電圧を印加すると、空間画成部材４０と放電部材３０との間の空間４０ｓに電界Ｅ２が形成される。Ｅ２がＥ１より大きい場合に、グレディエント力で、堆積したＰＭは空間４０ｓに引き込まれる。

なお、空間画成部材４０は、このＰＭの吸引力が好適に生じるような距離に位置付けられていて、処理装置１８での電圧印加はこのＰＭの吸引力が好適に生じるように行われる。なお、図１１（ｂ）は、ステップＳ９０３での下準備の途中の状態を示すものである。

そして、次ぐステップＳ９０７で、上記のごとく処理装置１８でのＰＭ酸化用の電圧印加、すなわち第１電圧の印加が実行される。これにより、堆積したＰＭを処理することができる。なお、電圧印加実行は、制御装置１５２の制御部１５２ｂの実行部に相当する部分により実行される。このように、本実施形態では、ＰＭ量が所定量ａを超えたとき、ＰＭの空間４０ｓへの流入を促した後、空間４０ｓでＰＭの処理が実行される。よって、より効果的にＰＭを排気管１２内で処理することができる。なお、ステップＳ９０７での処理装置１８での電圧印加は所定時間行われる。この所定時間は、可変とされても、固定とされてもよい。ここでは、ステップＳ９０７での所定時間は、実験に基づいて定められていて、固定されている。

なお、このようなＰＭの処理は、エンジン運転状態が低負荷領域にあるときに、実行されるとよい。エンジン運転状態が低負荷領域にあるとき、放電部材３０の中心電極３０ｄに対する電圧印加により放電作用（プラズマ生成など）が生じ易いからである。また、このようなＰＭの処理は、排気中の窒素成分（Ｎ₂）が相対的に少ない運転状態のときに行われるとよい。排気中の窒素成分（Ｎ₂）が相対的に多くなるほど、放電部材３０への電圧印加により放電作用が生じにくくなるからである。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。本第３実施形態の排気浄化装置２１０は、第２実施形態の排気浄化装置１１０と同様に、内燃機関に適用されている。排気浄化装置２１０は、上記第２実施形態の排気浄化装置１１０の構成に加えて、空間４０ｓの外へＰＭが流出することを抑制するための流出抑制部材をさらに備える。以下では、第３実施形態における第２実施形態に対する相違点を主に説明し、既に説明した構成要素と同じ（または同等の）構成要素に関しては上で既に用いた符号を用い、それらのさらなる詳細な説明を省略する。

排気浄化装置２１０の断面模式図を図１２に示す。図１２は、排気通路１４の長手方向に直交する面での断面図であり、第１実施形態の排気浄化装置１０の図２の断面図に対応する。図１２に示すように、空間画成部材４０の径方向外側かつ放電部材３０が配置されている領域よりも径方向内側に流出抑制部材２７０が設けられている。流出抑制部材２７０はベース部材２７２とこのベース部材２７２に対して可動である可動部材２７４とを備える。制御装置１５２の制御部１５２ｃ（図１２（ａ）にのみ示す。）がアクチュエータ２７６を作動させることにより、可動部材２７４は、排気通路１４の軸線周りの周方向に動くことができる。アクチュエータ２７６はモータであり、アクチュエータ２７６の回転力は歯車（ピニオン）を介してラックに伝達され、これにより、ラックに接続された可動部材２７４は動くことができる。図１２（ａ）は、可動部材２７４が空間画成部材４０の複数の穴４０ａを開く開状態にあるところを示す。図１２（ｂ）は、可動部材２７４が、複数の穴４０ａを閉じる閉状態にあるところを示す。可動部材２７４は図１２（ａ）の開状態と図１２（ｂ）の閉状態との間で双方向に選択的に動かされることができ、それら開状態と閉状態とに位置付けられることができる。なお、可動部材２７４をベース部材２７２に対して動かすために、種々のリンク機構が採用されてもよい。

この流出抑制部材２７０の可動制御について、図１３に基づいて説明する。なお、ステップＳ１３０１、Ｓ１３０３、Ｓ１３０５、Ｓ１３１１は、図９のステップＳＳ９０１〜Ｓ９０７のそれぞれに対応する。したがって、ステップＳ１３０１、Ｓ１３０３、Ｓ１３０５、Ｓ１３１１の詳細な説明は省略する。

ステップＳ１３０１で、ＰＭ量が所定量ａを超えているか否かが判定される。ＰＭ量が所定量ａを超えているのでステップＳ１３０１で肯定判定されると、ステップＳ１３０３に進み、処理装置１８に第２電圧が印加される。ＰＭ量が所定量ａを超えていないのでステップＳ１３０１で否定判定されると、ステップＳ１３０５に進み、処理装置１８での電圧印加は行われない。

ステップＳ１３０３で処理装置１８において電圧印加が実行された後、ステップＳ１３０７で流出抑制部材２７０の可動部材２７４が動かされて、穴４０ａの開口部は閉じられる。そして、ステップＳ１３０９で処理装置１８において電圧印加が実行される。これにより、ＰＭの酸化処理が行われる。このＰＭの酸化処理時、穴４０ａの開口部が閉じられているので、空間４０ｓにおいてＰＭが例えば舞い上がっても、穴４０ａを介してＰＭが排気通路１４に流出することを防ぐことができる。よって、ＰＭをより好適に処理することができる。

そして、ステップＳ１３０９の処理後（電圧印加の終了後）、ステップＳ１３１１で流出抑制部材２７０の可動部材２７４が動かされて、穴４０ａの開口部は開けられる。これにより、該ルーチンは終了する。流出抑制部材２７０は、初期状態で、開口部４０ａを開く開状態にある。

流出抑制部材２７０の可動部材２７４は、他の構成を有してもよい。例えば、流出抑制部材は、バイメタルの部材（バイメタル部材）２８０とされていてもよい。この場合、バイメタル部材２８０は、空間画成部材４０の穴４０ａのそれぞれに設けられ、エンジン停止時（つまり排気通路１４の温度が所定温度よりも低いとき）に穴４０ａを閉じ（図１４（ｂ）参照）、エンジン作動中に穴４０ａを開くように（図１４（ａ）参照）、設計されるとよい。したがって、この場合、ＰＭの空間４０ｓへの流入を促すための処理（ステップＳ１３０３）およびＰＭの酸化処理（ステップＳ１３０９）はエンジン停止時（アイドルストップ時を含む）に実行されるとよい。あるいは、流出抑制部材２７０の開口部４０ａの周囲に、（磁歪効果を生じることができる）磁性体を含む部材を配置することができる。この磁歪効果により、（空間４０ｓにＰＭが出入りできない）穴４０ａの実質的な閉状態と、（ＰＭが出入りできる）穴４０ｓの開状態とを作り出すことも可能である。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はさらなる他の実施形態も可能である。例えば、上記の各実施形態および各構成は、矛盾が生じない限り任意に組み合わせることが可能である。また、上記放電部材３０は断面略円形であったが、平面状に構成されてもよい。例えば、空間４０ｓに第１電極を配置し、平板状の誘電体を介して第１電極に対になる第２電極を空間４０ｓの外部に配置し、それら第１および第２電極間に電圧印加を行ってもよい。このように、本発明は、空間画成部材４０と外殻１２との間の空間４０ｓで放電作用により、ＰＭを処理可能な種々の構成を許容する。なお、処理装置１８は、電圧印加により、空間４０ｓにおいてプラズマを積極的に発生させてもよく、この場合、空間４０ｓの概ね全ては処理装置１８の作用によりプラズマ状態になり得るとよい。例えば、空間４０ｓに放電用電極２０の如き電極を配置し、この電極に対して電圧を印加することでプラズマを空間４０ｓにおいて生じさせてＰＭを処理することが可能である。この場合、繊維状体３０ｆに補足されたＰＭのみならず、空間４０ｓに流入して空間４０ｓを浮遊するＰＭ、または、繊維状体３０ｆから流出して空間４０ｓを浮遊するＰＭも、処理することができる。

本発明の実施形態には、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が含まれる。したがって本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１０、１１０、２１０ 排気浄化装置
１２ 外殻（または排気管）
１４ 排気通路
１６ 流れ発生装置
１８ 処理装置
２０ 放電用電極
２４ 第１電圧発生装置
３０ 放電部材
３０ｄ 中心電極
３０ｅ 誘電体
３０ｆ 繊維状体
３２ 処理部
３４ 第２電圧発生装置
４０ 空間画成部材
４０ａ 穴
４０ｓ 空間
２７０ 流出抑制部材
２８０ バイメタル部材

Claims (8)

1. 粒子状物質を含む排気が流通する流路を形成する筒状の外殻の内側に配置される放電用電極を備え、該放電用電極に対する電圧印加により、該放電用電極側から前記外殻側への粒子状物質の流れを生じさせるように構成されている、流れ発生装置と、
   前記放電用電極と前記外殻との間に配置されて該外郭との間に処理用空間を定めると共に該処理用空間への粒子状物質の流入を許容するように構成された空間画成部材と、該処理用空間に配置された処理用電極とを備え、粒子状物質を処理するとき、該処理用電極に対して電圧印加を行う、処理装置と
   を備え、
   前記処理装置は、
   前記粒子状物質を処理するとき、第１電圧の電圧印加を行い、
   前記処理用空間への粒子状物質の流入を促すとき、前記第１電圧よりも低い第２電圧の電圧印加を行う、
   排気浄化装置。
2. 前記外殻および前記空間画成部材の少なくとも一部は導電性であり、
   前記流れ発生装置は、電圧印加により、前記放電用電極と、前記外殻および前記空間画成部材の少なくとも一方との間に電位差を生じさせるように構成されている、
   請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 前記外殻の少なくとも一部は導電性であり、
   前記処理装置は、電圧印加により、前記処理用電極と前記外殻との間に電位差を生じさせるように構成されている、
   請求項１または２に記載の排気浄化装置。
4. 前記空間画成部材は、前記流路の排気の流れ方向において上流側の端部で前記外殻との間を塞ぐように設けられるとともに、複数の穴を有し、該穴の各々は、前記流路を前記処理用空間に連通させる、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
5. 前記空間画成部材は、複数の穴を有し、
   該穴の各々は、前記流路を前記処理用空間に連通させ、前記放電用電極側の該穴の開口断面積は前記外殻側の該穴の開口断面積よりも大きい、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
6. 前記処理用空間を冷却するように構成された冷却装置をさらに備える、
   請求項１から５のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
7. 前記処理装置は、粒子状物質を処理するときに前記処理用空間の外へ粒子状物質が流出することを抑制するための流出抑制部材をさらに備える、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
8. 前記空間画成部材は複数の穴を有し、該穴の各々は前記流路を前記処理用空間に連通させ、
   前記流出抑制部材は、前記空間画成部材の前記複数の穴を開く開状態と、該複数の穴を閉じる閉状態とを選択的に有する、
   請求項７に記載の排気浄化装置。