JPH0456646B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ イオン化電場の強さより低い電場の強さＥに
おいて粒子または滴１２を凝結器として使用され
る貫流装置１０，１１，１７，１８内で誘導また
は分極によつて電気的ダイポールにし、これを分
極の影響下に大きい凝集体２３に凝結させて凝結
器を去り、凝結器１７，１８から出た後、遠心力
を使用して機械的に分離する、高圧電場の使用下
に粒子または滴を除去する内燃機関の排ガスの浄
化方法において、排ガスに含まれている粒子の凝
結核を形成するため、該ガスの一部を凝結器の出
口から凝結器の入口へ還流させることを特徴とす
る内燃機関の排ガスを浄化する方法。

２ 凝集速度を上昇するため電場Ｅに、電場に対
し平行している電場を重畳させる請求の範囲第１
項記載の方法。

３ 高圧電源と結合している少なくとも２つの同
心の中空円筒１７，１６を有する凝結器２９を有
し、凝結器２９は、中空円筒１６，１７間に形成
した、粒子および／または滴を含有する排ガス用
空間の一端にガス案内管の入口１８を有し、他端
に凝結した粒子および／または滴を含有する排ガ
スの出口１９を有し、これに機械的分離器２２が
後接されている内燃機械の排ガスを浄化する装置
において、出口１９から排ガス還流管３２がガス
供給管の局所的直径縮小部３０の範囲内に案内さ
れていることを特徴とする内燃機関の排ガスを浄
化する装置。

４ 排ガス還流管３２内にポンプ３３が配置され
ている請求の範囲第３項記載の装置。

技術水準 本発明は請求の範囲第１項の上位概念によるガ
スを浄化する方法および装置に関する。この種の
方法はすでに提案されている。この場合カーボン
含有ガスはまず静電除塵機に、次に機械的除塵機
に送られる。静電除塵機内のコロナ放電領域に電
荷キヤリアが発生し、このキヤリアがカーボン粒
子に付着し、この粒子をアースした室壁に沈着さ
る。それから大きいカーボンフレークが再び剥離
され、第２過程で機械的カーボン分離機に送られ
る。この方法はコロナ放電発生のための高い電場
の強さを必要とし、コロナ放電維持のため著しい
電力を消費する欠点を有する。高圧電場内のこの
電力の供給は大きい工業的費用を必要とする。さ
らにこの古い方法の場合、実際には連続的作業が
達成されない。それは静電除塵装置の壁に発生し
た沈着物を、接続する機械的分離法でこの沈着物
を最終的に除去する前に、まず再び剥離しなけれ
ばならないからである。

本発明の利点 請求の範囲第１項記載の特徴を有する本発明の
方法は技術水準に比して、小さい電気的および機
械的費用をもつて連続的作業を可能にし、微細に
分布する小粒子を大きい凝集物に凝結させ、この
凝集物を特殊な条件下にこの形のままでその無害
性のため排気とともに排出することができ、また
は自動的に沈積する利点を有する。他面発生した
凝集物はその質量が比較的大きいため機械的分離
で容易に分離できるので、装置費用が小さく、後
置の機械的分離機を通る排ガス流れがあまり妨害
されない。

さらに浄化するガスを均一な定常電場を通して
導くのが有利である。というのはこの場合粒子ダ
イポールが転極せず、凝集物が妨げられずに通過
するからである。しかし定常電場の代りに低周波
交流電場または脈流電場を粒子分極のため使用す
ることもできる。

浄化するガス中の粒子濃度が低い場合、凝集速
度は低くなる。この場合電場の強さを粒子または
滴の発生量の減少に対し反比例的に変化させ、ま
たは有利に電場にとくに電場と平行の音場を重畳
させることによつて凝集速度上昇を達成すること
ができる。前者の場合粒子または滴の表面に高い
誘導電荷または分極が発生するので、引力が大き
くなり、後者の場合粒子は装置通過の際振動する
ので、長い通路を通過し、それによつて衝突頻度
したがつて凝集速度が上昇する。

凝集速度を上昇するもう１つの方法は凝結核を
発生させるため、一部のガスを凝結器出口からそ
の入口へ還流させることである。この場合大きい
核が利用できるので、ガス中の粒子濃度が小さい
場合も十分に大きい凝集物が形成される。

凝結過程後の機械的分離にはとくに遠心力分離
機の使用が有利なことが明らかになつた。それは
この装置内では粒子サイズが十分大きい場合、小
さい背圧および小さい装置費用をもつてガスと不
純物の有効な分離が可能であるからである。

本発明の方法を実施する装置としてはとくに鋼
からなる電導性の２つの同心中空円筒を有する装
置がとくに適することが明らかになつた。電場の
強さが不変の場合、多数の電極面を電気的に並列
接続し、または多数な電源に、存在する電圧が短
い距離で印加されるように接続することができ
る。凝集速度を上昇する排ガス還流に関しては凝
結器入口のベンチユリノズルによつてガスを輸送
することによりとくに簡単な装置が得られる。す
なわち付加的可動部材ないし排ガス還流管内の排
ガス輸送に必要な圧力が得られる。

図 面 本発明の実施例は添付図面に示され、以下の記載
で詳細に説明される。第１図は凝集効果を説明す
る図、第２図は凝結装置の原理図、第３図はサイ
クロンの構造、第４図は並列接続した３つの中空
円筒電極を有する凝結器の構造、第５図は平面電
極を有する凝結装置、第６図は排ガス還流系を示
す図である。

実施例の説明 第１図には本発明の方法に使用するような凝結
の原理が示される。２つの電極１０と１１の間に
粒子または滴（以下には粒子１２と称する。）が
存在し、この粒子１２は存在するガス圧のため矢
印１３の方向に動く。電極１０は図示されていな
い高圧直流電源の正極と結合し、電極１１は負極
と結合し、矢印１４に相当する電場の強さＥの電
場が発生する。

電場の強さＥは装置のイオン化電場の強さより
低いので、実際には放電が発生しない。第２図に
より後述する実験装置の場合、この電場の強さは
たとえば10KV／cmより低く、この実験装置の最
低電場の強さ1KV／cmより高い。電場の強さＥ
のため電導性粒子１２に誘導電荷が発生し、誘電
性粒子１２に図示の正および負の電荷に相当する
粒子１２の分極が発生するので、この粒子１２は
矢印１５で示すように互いに引力をおよぼし、大
きい凝集物に凝結する。粒子１２の誘導または分
極現象は粒子の誘電率が大きいほど、または電導
度が高いほどおよび電場の強さＥが高いほど大き
く現れる。低い誘電率および低い電導度はこの場
合イオン化電場の強さに達するまでの高い電場の
強さによつて補償されるので、たとえば誘電率
DK80のきわめて小さい水蒸気滴も発生する分
極によつて大きい凝集物に凝結する。それゆえこ
の方法は粒子のダイポール形成が十分に大きけれ
ば固体粒子の凝結のためにも滴の凝結のためにも
適する。

本発明の方法は粒子をガスとくにたとえばデイ
ーゼルエンジンまたは発電および加熱装置のよう
な化石燃料の排ガスからまず大きい凝集物に凝結
するために使用され、この凝集物はその粒子サイ
ズのため無害であり、もしくは危険がなく、かつ
とくに注意する必要がなく、またはその質量のた
め自動的に沈降し、たとえば粒子１２は本発明に
より形成した煙突内で付加的手段なしに自然に沈
積する。他面このような大きい凝集物は貫流装置
を去つた後、機能的に問題のないとくに簡単な機
械的分離装置で容易に分離しうる利点が生ずる。
本発明の方法はほぼ電力なしで作動する。という
のは常用法の場合粒子へ結合するためおよび輸送
力発生のため常用されるような電荷を供給する必
要がないからである。

第１図の装置によれば粒子１２は均一の電場Ｅ
を通して導かれる。しかしその代りに低周波交流
電場または脈流電場を使用することもできる。と
いうのはこの場合も所要の誘電および分極現象が
発生し、ガスから分離すべき初め微細に分布して
いた粒子が凝集するからである。所要の高圧はた
とえば電気的直列発振回路のインダクタンスで取
出し、整流器によつて整流し、キヤパシタンスに
よつて平滑化される。凝集効果は粒子１２の濃
度、電場の強さが大きいほど、装置内の滞留時間
が長いほど、かつ温度が高いほど大きい。粒子濃
度が低い場合たとえばデイーゼルエンジンの部分
負荷運転の場合、それゆえ電場の強さの上昇によ
つて補償することができる。凝集効果を増大する
他の方法は第２および６図により後述するように
粒子１２の通路の延長または一部のガスを凝結器
出口からその入口へ還流することによつて凝結核
の数を増大することである。還流の場合、凝集物
とともに還流するガスによつて大きい凝結核が利
用でき、この核に微細粒子１２が多量に付着す
る。

本発明の方法はとくにデイーゼルエンジンの排
ガス浄化に有効なことが実証された。エンジン排
ガス中には平均直径約0.2μｍの多数の微細な黒鉛
状炭素粒子１２が発生する。とくに使用装置を通
る粒子の全通路に沿つて印加した電場Ｅによる粒
子の凝集の後、凝集物は約30μｍの平均直径を有
する。この比較的大きい重い凝集物は容易に機械
的に分離することができ、場合により分離作業を
必要としない。というのは粒子は重力のため自然
に沈積し、もはや拡がらないからである。場合に
より粒子のこの自然沈積をすでに分離作業として
利用することができる。

第２図は本発明の方法を実施する装置を略示す
る。電極１０および１１として２つの電導性中空
円筒とくに直径５cmまたは20cmおよび長さ100cm
の２つの特殊鋼中空円筒１６および１７が使用さ
れる。内側中空円筒１６は直流高圧電源の正極
と、他の中空円筒１７は負極と結合される。高圧
は中心の内側中空円筒１６にかかり、外側中空円
筒１７は接地される。浄化するガス１８はガス入
口１８′から装置へ入り、ガス出口１９から装置
を去る。ガスはしたがつて全長にわたつて電場Ｅ
内にある装置を長さ方向に通過する。

外側中空円筒１７に電場Ｅと同方向の音場Ｓを
発生させる音響装置を簡単に表わす拡声器２０が
配置される。この音場は所要の場合すなわちガス
中に存在する粒子１２が少ない場合に電場Ｅに重
畳することができるので、個々の粒子１２は装置
を通る途中で付加的に振動運動し、それによつて
凝集速度が同様上昇する。振動運動によつて粒子
の衝突頻度が増大するので、濃度が低い場合も十
分に大きい凝集物が装置のガス出口１９から出
る。

ガス出口１９の後方に機械的分離装置２１が配
置され、この中で大きい凝集物はその質量および
それによつて発生する大きい遠心力または粗粒の
ためとくに容易に分離することができる。機械的
分離器２１の実施例として第３図にサイクロン２
２が示される。２３で示す凝集物は可変入口孔２
４を通つてサイクロン２２の内部へ入り、そこで
その質量および進入速度に応じて大きいまたは小
さい直径のら線を画く。凝集物２３はその際サイ
クロン２２の下縁に沿つて図示されていない分離
室へ落下し、浄化されたガス２５は中心管からサ
イクロン２２を去る。しかし遠心力原理で動作す
るサイクロン２２の代りに機械的分離装置２１と
してたとえば慣性分離器またはフイルタ装置を使
用することもできる。慣性分離器は大きい凝集物
の高い衝突力のため同様非常によく動作し、フイ
ルタの場合目の開きを適当に大きく選択しうるの
で、比較的小さい背圧しか発生しない。凝結器の
構造も第２図に示す中空円筒構造に制限されな
い。他の有利な構造は第５図に示すように平行平
面金属板２６を使用して得られる。低電圧で電場
を上昇するために、第４および５図に示すように
多数の電極面を電気的に並列に接続することがで
きる。第４図は同心中空円筒１６および１７が並
列接続され、第５図では金属平板２６が使用さ
れ、電場の強さは印加する直流電圧と電極距離の
商から得られる。種々の電極の間の接続導線は２
７および２８で示される。

第６図は排ガス還流の原理を示し、これによつ
て凝結器２９へ大きい凝結核が導入される。凝結
器の前にベンチユノズル３０が支持され、凝結器
の出口にフラツプ３１が配置され、それによつて
凝結器出口から分流が分岐し、還流導管３２を介
して凝結器入口へ還流する。多数の矢印１３によ
つて示すガス輸送はベンチユリノズル３０の範囲
の高い流速または選択的に、場合により付加的
に、破線で示すポンプ３３によつても行われる。
排ガス還流により凝集速度を上昇することができ
る。というのは凝結器２９内に大きい核が供給さ
れ、この核に微細な粒子が容易に付着しうるから
である。この方法で除去すべき粒子の発生が少な
い場合にも、凝結器の出口または後置の機械的分
離装置の入口に十分大きい凝集物が得られる。

提案の方法は電場により十分なダイポールが形
成する粒子すなわち誘電率１より著しく大きい粒
子をガスから除去するために適する。とくに良好
な結果がデーイゼルエンジン排ガス浄化の際達成
された。同様の排ガス組成が他の化石燃料燃焼過
程からの排ガスにも予測されるので、すべてこの
種排ガスに同様適することが予測される。しかし
さらに水蒸気すなわち誘電率DK80の粒子１２
を提案の方法で分離することができたので、本発
明の方法は蒸気の分離のためにも同様に使用する
ことができる。

従来の機械的および電気的分離法に比して重要
な利点から得られる。純機械的分離器たとえばサ
イクロンの場合、粒子１２は回転する流れの中で
粒子１２へ作用する遠心力によつてキヤリアガス
から分離される。しかしこの場合分離度1μｍよ
り大きい直径の粒子に対してしか満足できない。
さらに小粒子に適する機械的分離器の場合大きい
圧損が発生するので、このような装置はすべての
場合には使用できず、たとえば乗物の排ガス系の
場合大きい困難を伴う。同様の利点がセラミツク
フイルタに比しても本発明の方法の際の粒子凝集
によつて達成される。というのはセラミツクフイ
ルタはその孔が小さいため比較的早く閉塞し、排
ガス系内の圧力が上昇する。これはフイルタ交換
またはフイルタの比較的高価な空焼によらなけれ
ば救済できない。常用電気集塵機の場合キヤリヤ
ガスから粒子１２を分離するため、電場内の帯電
粒子への力の作用を利用している。浄化するガス
はこの場合室を通して導かれ、この中で多くはい
わゆるコロナ放電ワイヤによりイオンが発生し、
このイオンはアースした室壁へ向つて動く。イオ
ンは電気集塵機内の行路で一部除去すべき粒子に
付着し、この粒子が帯電し、したがつて電場内で
力の作用を受ける。放電維持のため、供給に困難
を伴う著しい大電力を必要とする。さらに分離し
た粒子は室壁に沈着し、この壁から再び剥離して
除去しなければならない。この工程は連続作業装
置では実施が困難である。

本発明の方法によれば電荷キヤリヤを製造する
必要がなく、放電を維持する必要がないので、ほ
とんど電力を消費しない。十分に大きい誘電率を
有する粒子１２には粒子の相対する側に電場の作
用下に十分な量の電荷が発生するので、ダイポー
ル効果により凝結して凝集物となる。この凝集物
は十分に安定であり、引続く機械的分離法の間も
その結合が維持される。均一電場の場合、粒子は
電気力線に沿つてとくに有効に整列するので、急
速に所望の凝結および凝集が行われる。臨界距離
を下回ると、粒子はクーロンの法則に従つて互い
に接近し、大きい単位に凝結する。凝結速度はこ
の場合粒子１２の幾何学的衝突断面積によつて決
定されるけど、粒子１２の端部に電荷の集積また
は形成によつて生ずるいわゆる電気的衝突断面積
によつても著しく大きく決定される。カーボン粒
子の場合電気的衝突断面積は電荷集中によつて発
生する引力のため、幾何学的衝突断面積より10⁵
〜10⁸倍大きい。したがつて電気的引力が著しく
有効になるので、粒子１２の大きい凝集物が急速
に形成される。