JP7307023B2 - 排気ガス浄化用プラズマリアクタ - Google Patents

Description

本発明は、自動車用等のエンジンに付設して排気ガスからＰＭ（粒子状物質）を除去することに使用するプラズマリアクタに関するものである。

エンジンから排出される排気ガスには、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘと並んでＰＭ（Particulate Matter：粒子状物質）が含まれている。このＰＭはディーゼルエンジンにおいて多く発生しており、そこで、ディーゼルエンジンではＰＭの除去手段としてＤＰＦが使用されているが、ＰＭを燃焼させるための燃料噴射制御を要する点や、ＤＰＦ内に堆積したＰＭやアッシュ（燃料中の硫黄成分による未燃灰分）による圧損増大等、課題が多い。

他方、ガソリンエンジンはディーゼルエンジンに比べてＰＭの発生量は少ないため、排気ガスの浄化手段として従来は、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘを対象にした三元触媒が使用されてきたが、ＰＭの規制が強化されて個数管理（ＰＮ）に移行するに至り、ガソリンエンジンにおいてもＧＰＦを採用するなどＰＭの除去は重要な課題として浮上している。しかし、ＧＰＦについてもＤＰＦと同様の問題が懸念される。

そこで、ＤＰＦやＧＰＦに代わるＰＭの除去手段が要請されているのであるが、このＰＭ除去手段としてプラズマリアクタが注目されている。プラズマリアクタは、ケーシング内に、多数枚の放電パネルが放電ギャップを介して並列配置されたもので、隣り合った放電パネルの電極に高電圧を印加して放電ギャップにプラズマを発生させることにより、放電ギャップを流れる排気ガスに含まれているＰＭを酸化して（燃焼させて）無害化している（例えば特許文献１）。

特開２０１８－３６０４号公報

プラズマリアクタによるＰＭの除去効果は実証されているが、実用化を促進するための条件として、単位電力当たりのＰＭ除去効率が挙げられる。つまり、放電パネルの全面に帯状の電極を設けて、放電ギャップの全体にプラズマを発生させるとＰＭの除去性能は格段に高くなるが、使用する電力は電極の面積に比例するため、消費電力が増大して燃費を低下させてしまうことになり、さりとて、電極の面積を小さくすると、消費電力は低減できてもＰＭを除去しきれずにＰＭが放電パネルの表面に徐々に堆積していく問題がある。

そして、ＰＭが放電パネルの表面に堆積していくと、電流がＰＭに漏洩して放電性能が低下したり、過電流によって電源が破損したりする問題や、放電ギャップの容積低下による排気ガスの流れ抵抗増大によってエンジンの出力低下を招くといった問題がある。

従って、消費電力を抑制しつつＰＭ除去性能に優れたプラズマリアクタが要請されているが、かかる要請に応える方策として、電極を格子状に形成することが考えられる。すなわち、電極を、排気ガスの流れ方向に長い縦電極線と、排気ガスの流れ方向と直交した方向に長い横電極線との群で構成するものである。

電極を格子構造に形成すると、縦電極線と横電極線とが交叉した角部が多数現れるが、電流は縦電極線と横電極線とが交叉した角部に集中する傾向を呈することから、電極の総面積を大きくすることなく強いプラズマを生成してＰＭの除去性能を向上できる。

本願発明はかかる知見を基礎に成されたものであり、放電パネルの電極を格子状に形成するにおいて、消費電力を抑制しつつプラズマ生成機能を更に向上させようとするものである。

本願発明の排気ガス用プラズマリアクタは、
「排気ガスが一方から他方に流れるケーシング内に、電極を設けた多数枚の放電パネルが放電ギャップを介して交互に並列配置されており、
前記各放電パネルの電極は、格子状に形成されて多数の角部を有していると共に、排気ガスの流れ方向と直交した方向に向いた一端部から電流が印加される」
という構成において、
「前記電極には、排気ガスの流れ方向に向いた突起又は凹部若しくは凹凸が形成されている」
という特徴を備えている。

プラズマリアクタにおいて、電流はマイナス電極にその一端から他端に向けて流れつつ、プラス電極に向けて放電する。そして、本願発明では、電極が格子状であることにより、多数の角部に電流が集中して強いプラズマを生成できるが、排気ガスの流れ方向に向いて凹部又は凸若しくは凹凸が形成されているため、電極は、縦電極線及び横電極線の長さの総和を過剰に大きくすることなく、全体として排気ガスの流れ方向の幅を広げてプラズマの発生面積を増大できる。従って、消費電力を抑制しつつＰＭ除去性能を向上できる。

第１実施形態を示す図で、（Ａ）は第１実施形態に係るプラズマリアクタの概略縦断側面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ－Ｂ視拡大断面図、（Ｃ）は（Ｂ）のＣ－Ｃ視断面図、（Ｄ）は（Ｂ）のＤ－Ｄ視断面図である。 第２実施形態の平面図である。 第３実施形態の平面図である。 第４実施形態の平面図である。 （Ａ）は第５実施形態の模式的な平面図、（Ｂ）は放電態様を示す模式的な平面図である。 第６実施形態の平面図である。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、自動車用エンジンの付属品として使用されている。

(1).第１実施形態の構造
まず、図１に示す第１実施形態を説明する。図１のうち（Ａ）ではプラズマリアクタ１の全体を表示している。このプラズマリアクタ１は、自動車のエンジンから排出される排ガスからＰＭを除去するために排気管２の中途部に介挿されており、例えば、触媒式浄化装置の下流側に配置されている。

プラズマリアクタ１は、フロントコーン部３ａ及びリアコーン部３ｂを備えたケーシング（ハウジング）３と、ケーシング３のストレート部３ｃに配置された多数枚の負極放電パネル４及び正極放電パネル５の群とを備えている。負極放電パネル４及び正極放電パネル５は、排気ガスの流れ方向に直交した横方向に長い長方形の形態であり、負極放電パネル４と正極放電パネル５とが放電ギャップ（排気ガス通過空間）６を介して交互に並列配置されている。

ケーシング３はステンレス鋼板等の金属板で作られており、排気ガスの流れ方向から見て四角形になっている。従って、コーン部３ａ，３ｂは、角錐状の形態になっている。

放電パネル４，５は、誘電体製の基板７に電極８，９を埋設した構造になっている。基板７は例えばアルミナ等のセラミック製である一方、電極８，９はタングステン等の電気抵抗が小さい金属膜から成っており、基板７の長手方向に長い帯状の形態を成している。なお、基板７は、製造段階では表層と裏層との積層構造になっており、一方の層に電極８，９を印刷してから重ね合わせて焼成することにより、内部に電極８，９が埋設された１枚板製品と成している。

基板７は、既述のとおり、排気ガスの流れ方向と直交した横方向に長いため、排気ガスの流れ方向である縦方向は幅方向になっている。そして、電極８，９は、排気ガスの流れ方向に長い縦電極線１０の群と、排気ガスの流れ方向と直交した横方向に長い横電極線１１の群とを交叉させた格子状の基本形態であるが、排気ガスの流れ方向の下流側と上流側とに向いて突起１２と凹部１３とが交互に連続した凹凸形状になっている。前向きの突起・凹部と後ろ向きの突起・凹部とは、横方向に交互にずらして千鳥配列されている。

放電パネル４，５は排気ガスの流れ方向と直交した横方向に長いため、図１（Ｂ）～（Ｄ）に示すように、基板７は、排気ガスの流れ方向と平行な一対の短手側面７ａ，７ｂを有するが、本実施形態では、マイナス電極８には基板７の短手一側面７ａに露出した引き出し線８ａを設けている一方、プラス電極９には基板７の短手他側面７ｂに露出した引き出し線８ａを設けている。

そして、ケーシング３の一方の側板と放電パネル４，５との間に負極用側面電極板１４を介挿し、負極用側面電極板１４に設けたマイナス側面電極１４ａと各負極放電パネル４におけるマイナス電極８の引き出し線８ａとを導通させている一方、ケーシング２の他方の側板と放電パネル４，５との間に正極用側面電極板１５を介挿し、正極用側面電極板１５に設けたプラス側面電極１５ａと正極放電パネル５における各プラス電極９の引き出し線９ａとを導通させており、側面電極１４ａ，１５ａを電源装置（図示せず）に接続している。

放電パネル４，５を構成する基板７は、強度維持の点からある程度の厚さ（例えば０．５～２ｍｍ程度）が必要である一方、放電ギャップ６の間隔は０．１～２ｍｍ程度である。従って、放電ギャップ６の断面積の総和が排気管２の断面積と同じ程度になるように設定している。なお、放電ギャップ６の断面積の総和を排気管２の断面積よりも大きく設定してもよい。

(2).第１実施形態のまとめ
図示しない電源装置により、横電極線１１にパルス電流を通電してマイナス電極８とプラス電極９との間に数ｋＶの高電圧を印加すると、放電ギャップ６にプラズマが発生して、排気ガスに含まれているＰＭを酸化し除去（分解する）ことができる。

そして、電極８，９の格子の基本形態は６本の横電極線１１と多数本の縦電極線１０とで構成されており、この場合は、単なる格子構造であると、図１（Ｃ）に示すように、横幅Ｗ１は３つの枡目１６を並べた横幅に過ぎないが、本実施形態では排気ガスの流れ方向（縦方向）に向いた凹凸が横方向に交互に並んでいることにより、縦電極線１０と横電極線１１との長さの総和は変えることなく、電極８，９を５つの枡目１６を並べた横幅Ｗ２に形成できるため、プラズマの発生面積を大幅に増大できる。

他方、電流は縦電極線１０と横電極線１１とが交叉した角部１７，１８に集中する傾向を呈することにより、マイナス電極８においては、角部１７が送信アンテナの役割を果たす一方、プラス電極９では角部１８が受信アンテナの役割を果たすが、マイナス電極８の角部１７から放出された電子流は拡散しながらプラス電極９に向かう性質を有するため、マイナス電極８における１つの角部１７で発生した放電は、その近くに位置したプラス電極９の角部１８にも向かう。このため、電極８，９が配置されているＷ２×Ｌの面積全体をプラズマ発生エリアと成して、ＰＭを酸化・除去することができる。

従って、消費電力を増大させることなくＰＭの酸化・除去性能を向上できる。その結果、堆積したＰＭに電流が漏洩して除去性能が低下したり電源が破損したりする問題や、放電ギャップ６の容積減少による排気ガスの流れ抵抗増大といった問題を、エンジン（バッテリ）の負担を軽減した状態で実現できる。

プラズマ生成機能だけを見ると、電極８，９は基板７の表面に露出させることも可能であるが、この場合は、電極８，９の間の間隔のバラツキ等に起因して電流が一部に集中して異常放電を発生させやすい問題や、ＰＭが電極８，９に付着して漏電が発生しやすい問題があるが、本実施形態のように電極８，９を基板７に埋設すると、ＰＭが電極８，９に付着することは皆無になるため、漏電による放電低下の問題を皆無にして異常放電を防止できる。

本実施形態では、２本の横電極線１１が電極８，９の全長に亙って延びており、２本の横電極線１１から突起１２が枝状に分岐しているため、電流の分散性に優れている。

(3).他の実施形態
次に、図２～４に示す他の実施形態を説明する。図２に示す第２実施形態では、突起１２及び凹部１３は１枡ずつの間隔で形成されており、かつ、前向きの突起１２，凹部１３と、後ろ向きの突起１２，凹部１３とが横方向の同じ位置に位置している。従って、電極８，９は前後対称に形成されている。この実施形態では、隣り合った突起１２の間隔が第１実施形態よりも小さいため、放電の広がりを助長してプラズマ生成面積の増大効果を助長できる。

図３に示す第３実施形態は第２実施形態の変形例であり、前向きの突起１２の群と後ろ向きの突起１２の群とを横方向にずらして千鳥配列している。これら第２実施形態及び第３実施形態では、２本の横電極線１１が電極８，９の全長に亙って延びるため、電流の分散機能に優れている。

図４に示す第３実施形態では、縦電極線１０と横電極線１１とで形成された枡目１６の群がジグザグ状に並んだ態様になっている。この例も、縦電極線１０及び横電極線１１の総和を抑制しつつ、プラズマの生成エリアを増大できる。

図５に示す第５実施形態は第４実施形態の変形例であり、マイナス電極８及びプラス電極９をジグザグ状に形成した場合において、マイナス電極８とプラス電極９とを枡目１６の半分の寸法だけ横方向にずらしている。この実施形態では、マイナス電極８の角部１７とプラス電極９の角部１８との多くが横方向に枡目１６の半分の寸法だけずれるため、図５（Ｂ）の模式図から理解できるように、放電の拡散性を高めてプラズマ生成面積の増大を確実化できる利点がある。

図６に示す第６実施形態では、電極８，９の内部に凹部１９を形成することにより、電極８，９を構成する縦電極線１０及び横電極線１１の総和を抑制し、電極８，９の縦幅を広げている。凹部１９は周囲が枡目１６の群で囲われて穴状に形成されているが、凹部１９の両横は枡目１６の群で挟まれているため、凹部１９は縦方向に向いていると云える。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えば、各放電パネルの表面又は裏面にＨＣ等の有害ガスを補集する吸着層を設けることも可能である。

本願発明は、排気ガス用のプラズマリアクタに具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ プラズマリアクタ
２ 排気管
３ ケーシング
４ 負極放電パネル
５ 正極放電パネル
６ 放電ギャップ（排気ガス通過空間）
７ 基板
８ マイナス電極
８ａ，９ａ 引き出し線
９ プラス電極
１０ 縦電極線
１１ 横電極線
１２ 突起
１３，１９ 凹部
１６ 縦電極線と横電極線とで構成された枡目
１７，１８ 角部

Claims (1)

1. 排気ガスが一方から他方に流れるケーシング内に、電極を設けた多数枚の放電パネルが放電ギャップを介して交互に並列配置されており、
   前記各放電パネルの電極は、格子状に形成されて多数の角部を有していると共に、排気ガスの流れ方向と直交した方向に向いた一端部から電流が印加される構成であって、
   前記電極には、排気ガスの流れ方向に向いた突起又は凹部若しくは凹凸が形成されている、
   排気ガス浄化用プラズマリアクタ。

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