JPWO2007116668A1

JPWO2007116668A1 - 排気ガス浄化装置

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Publication number: JPWO2007116668A1
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Inventors: 佐久間　健; 健佐久間; 近藤　厚男; 厚男近藤; 健児堂坂; 雅信三木
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Priority date: 2006-03-30
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Abstract

複数の単位電極２が積層されてなるプラズマ発生電極１を有し、これらの単位電極２間にパルス電圧を印加して空間にプラズマを発生させ、排ガスを反応処理することが可能なプラズマ反応器１０と、パルス電圧を発生させる電源とを備えた排気ガス浄化装置１００であって、単位電極２が、導電膜４と、導電膜４の少なくとも一方の面に配設される誘電体３とを有し、複数の単位電極２が、互いに対向する面の少なくとも一方に誘電体３が位置するようにそれぞれ積層され、パルス電圧の、パルス幅が１μｍ〜１ｍｍであり、電界強度が５ｋＶ／ｃｍ以上であり、パルス電圧を印加するときのエネルギー投入量が、被処理物質に対して１０Ｊ／μｇ以下である排気ガス浄化装置１００。粒子状物質を含有する被処理流体を導入したときに、粒子状物質を効率的に反応除去することが可能な排気ガス浄化装置を提供する。

Description

本発明は、排気ガス浄化装置に関する。さらに詳しくは、粒子状物質を含有する被処理流体を導入したときに、粒子状物質を効率的に反応除去することが可能な排気ガス浄化装置に関する。

二枚の電極間に誘電体を配置し高電圧の交流、あるいは周期パルス電圧をかけることにより、無声放電が発生し、これによりできるプラズマ場では活性種、ラジカル、イオンが生成され、気体、粒子状物質等の反応、分解を促進することが知られている。そして、これをエンジン排気ガスや各種の焼却炉排気ガスに含まれる有害成分の除去に利用できることが知られている。

例えば、エンジン排気ガスや各種の焼却炉排気ガスを、プラズマ場内を通過させることによって、このエンジン排気ガスや各種の焼却炉排気ガス中に含有される、例えば、ＮＯ_ｘ、カーボン微粒子、ＨＣ、ＣＯ等を処理する、プラズマ反応器等が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

排気ガス中に含有される成分をこのようなプラズマを利用して処理する場合、カーボン微粒子等の粒子状物質（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ：ＰＭ）の処理には、排気ガス中の他の化学物質の処理と比較すると、処理のためにより大きなエネルギーを要していた。

特開２００１−１６４９２５号公報

さらに、ＰＭの処理には、大きなエネルギーを要する割に除去率が低いという問題もあった。すなわち、排気ガス浄化装置のエネルギー投入量を増やしても、ＰＭの除去性能は上がり難いという問題があった。

単位電極間にプラズマを発生させてＰＭを反応処理する排気ガス浄化装置により排気ガスを処理する場合には、通常、排気ガスが単位電極間に導入されたときに、ＰＭがプラズマにより帯電する。そして、単位電極間に発生する電界の力を受けて、その帯電したＰＭが、電極表面まで移動し、付着する。このようにして、ＰＭは単位電極表面に集塵される。そして、集塵されたＰＭは、プラズマの作用により生成したオゾン等の酸化活性種により酸化処理されることにより排気ガスから除去される。

このように、プラズマを利用した排気ガス浄化装置によるＰＭの酸化処理工程は、集塵段階と酸化段階との２段階の工程を含むものであるが、上述のようにエネルギー投入量を増やしてもＰＭの除去性能が向上しないことより、ＰＭ除去処理の律速段階は集塵段階であると考えられる。例えば、６０％程度のＰＭ除去率の排ガス浄化装置について、単位電極の全面積を増加して集塵性能を向上させようとした場合には、仮に、下記ドイッチェ式を適用して計算すると、面積を２倍にするとＰＭ除去率が２０％程度増加し、面積を３倍にするとＰＭ除去率が３０％程度増加すると推定することができる。

ドイッチェの式：
集塵効率（ＰＭ除去効率）＝１００×（１−Ｅｘｐ（−Ｇ×Ａ／Ｑ））
Ｑ：ガス流量
Ａ：有効（集塵）電極面積
Ｇ：分離速度（ダストを電極に分離する速度）

このように、単位電極の面積を増大させると集塵能力が向上し、ＰＭ除去率が向上する傾向にあると考えられるが、単位電極の面積を２倍、３倍とすると、排気ガス浄化装置のプラズマ反応器が大きくなり過ぎ、また、電源を大型化する必要がある等の問題があった。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、粒子状物質を含有する被処理流体を導入したときに、粒子状物質を効率的に反応除去することが可能な排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、以下の排気ガス浄化装置を提供するものである。

［１］複数の単位電極が所定間隔を隔てて階層的に積層されてなるプラズマ発生電極を有し、これらの単位電極間にパルス電圧を印加することによって前記単位電極間に形成される空間にプラズマを発生させ、前記空間内に導入された排ガスを反応処理することが可能なプラズマ反応器と、前記パルス電圧を発生させる電源とを備えた排気ガス浄化装置であって、前記単位電極が、導電膜と、前記導電膜の少なくとも一方の面に配設される誘電体とを有し、複数の前記単位電極が、互いに対向する面の少なくとも一方に前記誘電体が位置するようにそれぞれ積層され、前記パルス電圧の、パルス幅が１μｓ〜１ｍｓであり、電界強度が５ｋＶ／ｃｍ以上であり、前記パルス電圧を印加するときのエネルギー投入量が、被処理物質に対して１０Ｊ／μｇ以下である排気ガス浄化装置。

［２］前記パルス電圧の、パルス幅が２０〜５０μｓであり、電界強度が１０〜２００ｋＶ／ｃｍであり、前記エネルギー投入量が、被処理物質に対して０．０５〜１０Ｊ／μｇである［１］に記載の排気ガス浄化装置。

［３］隣接する前記単位電極間の距離が２ｍｍ以下である［１］又は［２］に記載の排気ガス浄化装置。

［４］前記パルス電圧印加におけるパルス周期が、１０μｓ〜１０ｍｓである［１］〜［３］のいずれかに記載の排気ガス浄化装置。

［５］前記パルス電圧の立ち上がり時間が１００μｓ以下である［１］〜［４］のいずれかに記載の排気ガス浄化装置。

本発明の排気ガス浄化装置によれば、単位電極に印加されるパルス電圧の、パルス幅が１μｓ〜１ｍｓと長いため、ＰＭの集塵能力を向上することができる。そして、電界強度が５ｋＶ／ｃｍ以上であるため、安定した放電が可能であり帯電したＰＭの移動も効果的に行われる。さらに、パルス電圧を印加するときのエネルギー投入量が、被処理物質（ＰＭ）に対して１０Ｊ／μｇ以下であるため、エネルギー投入量を抑え、最小限のエネルギー投入量でＰＭを酸化処理することができる。

本発明の排気ガス浄化装置の一の実施形態を構成するプラズマ反応器を模式的に示し、一の方向（ガス流通方向）に垂直な平面で切断した断面図である。図１Ａに記載の排ガス浄化装置のＡ−Ａ’断面図である。本発明の排気ガス浄化装置の一の実施形態を模式的に示す断面図である。パルス電圧の１パルスを示し、時間と電圧との関係を示したグラフである。パルス電圧の１パルスを示し、時間と電圧との関係を示したグラフである。実施例１及び実施例２の排ガス浄化装置についてのパルス電圧の１パルスを示し、時間と電圧との関係を示したグラフである。

符号の説明

１：プラズマ発生電極、２：単位電極、３：誘電体、４：導電膜、１０：プラズマ反応器、１１：電源、１２：導電線、２１：ケース体、２２：流入口、２３：流出口、３１，３２：波形、Ｐ：一の方向（ガス流通方向）、Ｑ：他の方向、Ｖ：空間、Ｗ：単位電極間の距離、１００：排気ガス浄化装置。

次に本発明の実施形態を図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。また、各図面において、同一の符号を付したものは、同一の構成要素を示すものとする。

図１Ａは、本発明の排気ガス浄化装置の一の実施形態を構成するプラズマ反応器１０を模式的に示すものであり、一の方向（ガス流通方向）に垂直な平面で切断した断面図である。また、図１Ｂは、図１Ａに記載の排ガス浄化装置のＡ−Ａ’断面図である。図２は、本発明の排気ガス浄化装置の一の実施形態を模式的に示した断面図である。図２に示す排気ガス浄化装置１００は、図１Ａに示すプラズマ反応器１０の断面図の場合と同様の平面で切断した断面図である。

本実施形態の排気ガス浄化装置を構成するプラズマ反応器１０は、図１Ａ、図１Ｂに示すように、複数の単位電極２が所定間隔を隔てて階層的に積層されてなるプラズマ発生電極１を有し、これらの単位電極２間にパルス電圧を印加することによって単位電極２間に形成される空間Ｖにプラズマを発生させ、空間Ｖ内に導入された排ガス（排気ガス）を反応処理することが可能なプラズマ反応器１０である。そして、本実施形態においては、プラズマ反応器１０は、上記プラズマ発生電極１と、プラズマ発生電極１を、それを構成する複数の単位電極２間に立体的に配列された空間Ｖ内にＰＭを含有するガス（被処理流体）が導入され得る状態で収納したケース体２１とを備えている。このケース体２１は、被処理流体が流入する流入口２２と、流入した被処理流体が単位電極間を通過して処理された処理流体（処理済のガス）を流出する流出口２３とを有している。単位電極２は、導電膜４と、導電膜４の少なくとも一方の面に配設される誘電体３とを有し、複数の単位電極２が、互いに対向する面の少なくとも一方に誘電体３が位置するようにそれぞれ積層されている。そして、本実施形態の排気ガス浄化装置１００は、図２に示すように、プラズマ反応器１０と、パルス電圧を発生させる電源１１とを備えたものである。プラズマ発生電極１の積層された単位電極２が、導電線１２により、交互に電源１１の正極と負極とに接続されている。

本実施形態の排気ガス浄化装置１００は、単位電極２間に印加するパルス電圧の、パルス幅が１μｓ（マイクロ秒）〜１ｍｓ（ミリ秒）であり、電界強度が５ｋＶ／ｃｍ以上であり、パルス電圧を印加するときのエネルギー投入量が、被処理物質に対して１０Ｊ／μｇ以下である。

パルス電圧の、パルス幅は１μｓ〜１ｍｓであり、５〜５０μｓがさらに好ましい。ここで、パルス電圧の「パルス幅」とは、図３に示すパルス電圧において、電圧の立ち上がり部分における波高値の１０％の位置から、電圧の降下部分における波高値の１０％の位置までの時間（パルス幅）をいう。図３は、パルス電圧の１パルスを示し、時間と電圧との関係を示したグラフである。このように、パルス幅を大きくすると、ＰＭの集塵性能が向上し、ＰＭの除去率を向上させることが可能となる。プラズマにより帯電したＰＭは、単位電極間に発生する電界からの力を受けて移動するため、単位電極にパルス電圧が印加され電界が発生している間だけ電界からの力を受けて単位電極に移動し集塵される。そのために、パルス電圧の一パルス当りの電圧印加時間であるパルス幅が大きいと、ＰＭに力を与える電界が長時間発生することになり、ＰＭが単位電極まで移動するのに十分な時間を確保することができ、ＰＭの集塵性能が向上する。それにより、ＰＭの除去率を向上させることが可能となる。ここで、ＰＭが帯電するというときは、プラズマの電子や、プラズマによりイオン化された物質等が、ＰＭに付着して、ＰＭが荷電を有するようになる（イオン化される）ことをいう。

パルス幅が１μｓより短いと、ＰＭの集塵性能を向上させることができず、１ｍｓより長いと、ＰＭ酸化反応に要するエネルギー投入量を過大にする必要が生じるため好ましくない。

パルス電圧を印加したときの電界強度は、５ｋＶ／ｃｍ以上であり、１０〜２００ｋＶ／ｃｍであることが好ましく、２０〜１５０ｋＶ／ｃｍであることがさらに好ましい。電界強度を５ｋＶ／ｃｍ以上とすることにより、安定したプラズマ放電が可能となる。また強い電界強度により、帯電したＰＭに強い力が作用し、その移動も効果的に行われるようになる。電界強度が５ｋＶ／ｃｍより小さいと、プラズマを安定的に発生できず、また、帯電したＰＭに十分強い力を作用させることができないため好ましくない。

パルス電圧を印加するときのエネルギー投入量が、被処理物質であるＰＭに対して１０Ｊ／μｇ以下であり、０．０５〜１０Ｊ／μｇであることが好ましく、０．１〜２Ｊ／μｇであることが特に好ましい。エネルギー投入量を大きくし過ぎても、ＰＭの除去効率は向上しないため、エネルギー投入量は、ＰＭを酸化処理できる範囲で少なくすることが、エネルギー使用量削減及びエネルギーコストの削減という面で好ましい。そのため、エネルギー投入量が１０Ｊ／μｇより多いと、エネルギーを余分に使用し、エネルギーコストが増大するという点より好ましくない。また、ＰＭの酸化処理工程における酸化段階において、確実にＰＭを酸化処理するために、エネルギー投入量は０．０５Ｊ／μｇ以上であることが好ましい。集塵されたＰＭを十分に酸化処理できなければ、ＰＭの集塵が十分になされても、単位電極表面にＰＭが堆積し、これが導電体としての役割を果たすことにより、単位電極間にプラズマが発生しなくなることがある。

本実施形態の排気ガス浄化装置においては、隣接する単位電極２，２間の距離Ｗが３ｍｍ以下であることが好ましく、０．１〜２．０ｍｍであることがさらに好ましい。単位電極２，２間の距離を２ｍｍ以下と短くすることにより、電界強度を大きくし易くなり、また、ＰＭが電界の力を受けて移動するときの単位電極までの移動距離が短くなるため、ＰＭの集塵性能を向上することができる。単位電極間の距離が２ｍｍより長いと、ＰＭの、電界の力を受けての移動距離が長くなるため、ＰＭ集塵性能が低下することがある。また、単位電極間の距離が長いと、所望の電界強度を得るための電圧が高くなり、また、ＰＭの酸化力も維持する必要があるため、投入エネルギーが大きくなり過ぎることがある。ここで、隣接する単位電極２，２間の距離Ｗは、隣接する単位電極２，２のそれぞれの対向する表面間の距離であり、これは、それぞれの単位電極２，２の、互いに対向する誘電体３，３の表面間の距離である。

本実施形態の排気ガス浄化装置においては、パルス電圧印加におけるパルス周期が、１０μｓ〜１０ｍｓで設定される。ここで、「パルス周期」というときは、一のパルスの立ち上がり始めの位置（波高値の０％の位置）から、その次のパルスの立ち上がり始めの位置（波高値の０％の位置）までの時間をいう。一のパルスの立ち上がり始めの位置（波高値の０％の位置）から、その次のパルスの立ち上がり始めの位置（波高値の０％の位置）までの時間をいう。従って、パルス周期は、パルス幅より大きく、隣接するパルス同士が重ならないことが好ましい。

本実施形態の排気ガス浄化装置においては、パルス電圧の立ち上がり時間が１００μｓ以下であることが好ましく、５μｓ以下であることがさらに好ましい。パルス電圧の立ち上がり時間を１００μｓ以下とすることは、プラズマ発生空間中に効率よく酸化励起種を生成することができ、ＰＭの酸化性能が向上するという点で好ましい。１００μｓより長いと、集塵したＰＭの酸化性能が低いため、集塵した電極表面のＰＭが処理できずに堆積していき、電極ギャップ間の放電が不安定になる。その結果、ＰＭ除去性能が大きく悪化することがあるここで、パルス電圧の「立ち上がり時間」とは、図４に示すパルス電圧において、電圧の立ち上がり部分における、波高値の１０％の位置から９０％の位置になるまでの時間をいう。図４は、パルス電圧の１パルスを示し、時間と電圧との関係を示したグラフである。

図１Ａ、図１Ｂに示す、プラズマ反応器１０を構成するプラズマ発生電極１は、単位電極２相互間に形成される空間Ｖが、一の方向（ガス流通方向）Ｐの両端が開放されるとともに他の方向Ｑの両端が閉鎖された空間Ｖが形成されている。

プラズマ発生電極１を構成する単位電極２は、図１Ａ、図１Ｂに示すように、板状の誘電体３と、誘電体３の内部に配設された、導電膜４とからそれぞれ形成される。本実施形態においては、各導電膜４の両面に誘電体３が配設されているが、導電膜４の少なくとも一方の面に誘電体３が配設されていればよい。そして、複数の単位電極２が、互いに対向する面の少なくとも一方の面に誘電体３が位置するようにそれぞれ積層されていればよい。このように、一対の対向する導電膜のいずれか一方の表面に誘電体が配設されていることにより、導電膜４単独で放電を行う場合と比較して、スパーク等の片寄った放電を減少させ、小さな放電を複数の箇所で生じさせることが可能となる。このような複数の小さな放電は、スパーク等の放電に比して流れる電流が少ないために、消費電力を削減することができ、さらに、誘電体が存在することにより、単位電極２間に流れる電流が制限されて、温度上昇を伴わない消費エネルギーの少ないノンサーマルプラズマを発生させることができる。

本実施の形態において、単位電極２を構成する導電膜４の厚さとしては、プラズマ発生電極１の小型化及び、排ガス等を処理する場合に単位電極２，２間を通過させる被処理流体の抵抗を低減させる等の理由から、０．００１〜０．１ｍｍであることが好ましく、さらに、０．００５〜０．０５ｍｍであることが好ましい。

また、本実施形態に用いられる導電膜４は、導電性に優れた金属を主成分とすることが好ましく、例えば、導電膜４の主成分としては、タングステン、モリブデン、マンガン、クロム、チタン、ジルコニア、ニッケル、鉄、銀、銅、白金、及びパラジウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属を好適例として挙げることができる。なお、本実施形態において、主成分とは、成分の６０質量％以上を占めるものをいう。

単位電極２において、導電膜４は、誘電体３に塗工されて配設されたものであることが好ましく、具体的な塗工の方法としては、例えば、印刷、ローラ、スプレー、静電塗装、ディップ、ナイフコータ等を好適例としてあげることができる。このような方法によれば、塗工後の表面の平滑性に優れ、且つ厚さの薄い導電膜４を容易に形成することができる。この場合、誘電体３としては、以下に示すように、板状のセラミック体を使用することが好ましい。

導電膜４を誘電体に塗工する際には、導電膜４の主成分として挙げた金属の粉末と、有機バインダーと、テルピネオール等の溶剤とを混合して導体ペーストを調製し、上述した方法で誘電体３に塗工することで形成することができる。また、誘電体３を板状のセラミック体とした場合、導電膜４と板状のセラミック体との密着性及び焼結性を向上させるべく、必要に応じて上述した導体ペーストに添加剤を加えてもよい。

本実施の形態において、単位電極２を構成する誘電体３は、誘電率の高い材料を主成分として形成された板状のセラミック体であることが好ましい。その材料としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化珪素、ムライト、コージェライト、チタン−バリウム系酸化物、マグネシウム−カルシウム−チタン系酸化物、バリウム−チタン−亜鉛系酸化物、窒化珪素、窒化アルミニウム等を好適に用いることができる。これらの材料の中から、ＰＭの反応に適したプラズマを発生させるのに適した材料を適宜選択して誘電体３を形成することが好ましいまた、耐熱衝撃性にも優れた材料を主成分とすることによって、プラズマ発生電極を高温条件下においても運用することが可能となる。

例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）にガラス成分を添加した低温焼成基板材料（ＬＴＣＣ）に導体として銅メタライズを用いることができる。銅メタライズを用いるため、抵抗が低く、放電効率の高い電極が造られるため、電極の大きさを小さくできる。そして、熱応力を回避した設計が可能となり、強度が低い問題が解消される。また、チタン酸バリウム、マグネシウム−カルシウム−チタン系酸化物、バリウム−チタン−亜鉛系酸化物等の誘電率の高い材料で電極を造る場合、放電効率が高いため、電極の大きさを小さくすることができる。そのため、熱膨脹が高いことによる熱応力の発生を小さくするような、構造体設計が可能である。

誘電体３の比誘電率は、発生させようとするプラズマにより適宜決定することができるが、通常、２〜１０の範囲で選択することが好ましい。

また、誘電体３の厚さについては、特に限定されることはないが、０．１〜３ｍｍであることが好ましい。誘電体３の厚さが、０．１ｍｍ未満であると、隣接する一対の単位電極２間の電気絶縁性を確保することができないことがある。また、誘電体の厚さが３ｍｍを超えると、排気ガス浄化装置としたときに省スペース化の妨げになるとともに、電極間距離が長くなることによる負荷電圧の増大につながり効率が低下することがある。

誘電体３を板状のセラミック体とする場合には、セラミック基板用のセラミックグリーンシートを焼成して板状のセラミック体とすることが好ましい。このセラミックグリーンシートは、グリーンシート製作用のスラリー又はペーストを、ドクターブレード法、カレンダー法、印刷法、リバースロールコータ法等の従来公知の手法に従って、所定の厚さとなるように成形して形成することができる。このようにして形成されたセラミックグリーンシートは、切断、切削、打ち抜き、連通孔の形成等の加工を施してもよいし、複数枚のグリーンシートを積層した状態で熱圧着等によって一体的な積層物として用いてもよい。

上述したグリーンシート製作用のスラリー又はペーストは、所定のセラミック粉末に適当なバインダ、焼結助剤、可塑剤、分散剤、有機溶媒等を配合して調整したものを好適に用いることができ、例えば、このセラミック粉末としては、アルミナ、ムライト、コージェライト、ジルコニア、シリカ、窒化珪素、窒化アルミニウム、セラミックガラス、ガラス等の粉末を好適例として挙げることができる。また、焼結助剤としては、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム等を好適例として挙げることができる。なお、焼結助剤は、セラミック粉末１００質量部に対して、３〜１０質量部加えることが好ましい。可塑剤、分散剤及び有機溶媒については、従来公知の方法に用いられている可塑剤、分散剤及び有機溶媒を好適に用いることができる。

また、板状のセラミック体の気孔率は、０．１〜３５％であることが好ましく、さらに０．１〜１０％であることが好ましい。このように構成することによって、板状のセラミック体を備えた単位電極２間に効率よくプラズマを発生させることが可能となり、省エネルギー化を実現することができる。

図１Ａ、図１Ｂに示す、プラズマ反応器１０を構成するケース体２１は、内部にプラズマ発生電極を入れて、自動車等に装着して排気ガスの浄化ができれば特に限定されるものではない。例えば、図１Ａ、図１Ｂに示すように、ガスの流入口２２及び流出口２３を有し、プラズマ発生電極１を内部に配設できる構造であることが好ましい。そして、プラズマ反応器１０が、流入口２２から流入した排気ガスが、プラズマ発生電極１の空間Ｖ内に流入し、空間Ｖを通過しながらＰＭが処理され、空間Ｖから流出した排気ガスが流出口２３から外部に流出するように形成されていることが好ましい。ケース体２１にプラズマ発生電極１を配設するときには、破損を防止するため、ケース体２１とプラズマ発生電極１との間に絶縁性で耐熱性の緩衝剤を介在させることが好ましい。

本実施形態に用いられるケース体２１の材料としては、特に制限はないが、例えば、優れた導電性を有するとともに、軽量かつ安価であり、熱膨張による変形の少ないフェライト系ステンレススチール等であることが好ましい。

本実施形態の排気ガス浄化装置１００は、図２に示すように、上述したプラズマ反応器１０と、パルス電圧を発生させる電源１１とを備えたものであり、プラズマ発生電極１の積層された単位電極２が、交互に導電線１２により電源１１の正極と負極とに接続されている。

電源１１としては、上述した特定のパルス電圧を発生することができれば特に限定されるものではない。例えば、高電圧スイッチをオンオフさせてパルス電圧を発生させる電源として、株式会社ハイデン研究所型式ＨＶＰ−１０Ｋ等を挙げることができる。

このように構成された本実施形態の排気ガス浄化装置１００は、例えば、自動車の排気系中に設置して用いることができ、排気ガスを単位電極間に形成される空間Ｖ内に発生させたプラズマの中を通過させて、排気ガスに含まれるＰＭを効率的に酸化処理することができる。

以下、本発明の排気ガス浄化装置の一の実施形態の製造方法について具体的に説明する。

排気ガス浄化装置を構成するプラズマ発生電極を作成する。上述した板状のセラミック体となるセラミックグリーンシートを成形する。例えば、アルミナ、ムライト、コージェライト、ムライト、窒化珪素、窒化アルミニウム、セラミックガラス、及びガラス群から選ばれる少なくとも一種の材料に、上述した焼結助剤や、ブチラール系樹脂やセルロース系樹脂等のバインダ、ＤＯＰやＤＢＰ等の可塑剤、トルエンやブタジエン等の有機溶媒等を加え、アルミナ製ポット及びアルミナ玉石を用いて十分に混合してグリーンシート製作用のスラリーを作製する。また、これらの材料を、モノボールによりボールミル混合して作製してもよい。

次に、得られた各グリーンシート製作用のスラリーを、減圧下で撹拌して脱泡し、さらに所定の粘度となるように調製する。このように調製したそれぞれのグリーンシート製作用のスラリーをドクターブレード法等のテープ成形法によってテープ状に成形して複数種類の未焼成セラミック体を形成する。

一方、得られた未焼成セラミック体の一方の表面に配設する導電膜を形成するための導体ペーストを調製する。この導体ペーストは、例えば、銀粉末にバインダ及びテルピネオール等の溶剤を加え、トリロールミルを用いて十分に混錬して調製することができる。

このようにして形成した導体ペーストを、一の未焼成セラミック体の表面にスクリーン印刷等を用いて印刷して、所定の形状の導電膜を形成し、導電膜配設未焼成セラミック体を作製する。このとき、導電膜をセラミック体で挟持して単位電極を形成した後に、単位電極の外部から導電膜に電気を供給することができるように、導電膜が未焼成セラミック体の外周部にまで延設するように印刷することが好ましい。

次に、導電膜配設未焼成セラミック体と、他の未焼成セラミック体とを、印刷した導電膜を覆うようにして積層する。未焼成セラミック体を積層する際には、温度１００℃、圧力１０ＭＰａで押圧しながら積層することが好ましい。次に、導電膜を挟持した状態で積層した未焼成セラミック体を焼成して、板状のセラミック体と、導電膜とを有してなる単位電極を形成する。

次に、形成された複数の単位電極を積層する。このとき、各単位電極間に所定の間隔を開けるために、上記セラミック体と同様の原料により四角柱状のセラミック棒を形成し、各単位電極の間に挟むようにする。このときの、セラミック棒の厚さが各単位電極間の距離となる。セラミック棒を各単位電極の間に挟むときには、それぞれが略平行になるようにし、排ガス等を処理するときのガスの流路を確保する。セラミック棒は四角柱状である必要はなく、円柱状、多角柱状、その他の柱状であってもよい。また、上記セラミック体の一の面に複数の突条を形成し、この突条を挟んで単位電極を挟むことにより空間を形成してもよい。さらに、セラミック体に凹凸を形成し、それを重ね合わせることにより空間を形成してもよい。このように、複数の単位電極を、上記セラミック棒を介して階層的に積層することにより、本実施形態の排気ガス浄化装置を構成するプラズマ発生電極を得ることができる。

本実施形態の排気ガス浄化装置を構成するケース体２１は、例えば、フェライト系ステンレス等を、図１Ａ，図１Ｂに示すような、ガスの流入口２２と流出口２３とを両端部に有する筒状に形成して得ることができる。ケース体２１は、内部にプラズマ発生電極を入れるため、２以上に分割できるように形成することが好ましい。

上記プラズマ発生電極を上記ケース体内に装着し、所定の電源を接続することにより、図２に示すように、本実施形態の排気ガス浄化装置１００とすることができる。

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
図１に示すような構成で、単位電極の枚数を増やしたプラズマ反応器を製造し、これをパルス電源に接続して排気ガス浄化装置として用いて、ＰＭを含有する排気ガスの処理を行い、ＰＭ除去率を測定した。

本実施例の排気ガス浄化装置に用いられるプラズマ発生電極は、以下のようにして作製した。まず、二枚積層して焼成後の厚さが１．０ｍｍとなる未焼成のアルミナテープ基板の内側に、タングステンペーストを用いて、導電膜を、その厚さが１０μｍとなるようにスクリーン印刷して単位電極を作製した。単位電極の大きさは外形９０ｍｍ×５０ｍｍであり、印刷された導電膜は８４ｍｍ×４６ｍｍとした。そして、このような単位電極を３８枚作製し、単位電極を３８段積み重ねたプラズマ発生電極を作製した。単位電極間の距離は０．５ｍｍとした。得られたプラズマ発生電極を、耐熱マットで外周を保持した後、ＳＵＳ４３０で作製した容器に納め、プラズマ反応器とした。そして、得られたプラズマ反応器にパルス電源を接続して排気ガス浄化装置とした。パルス電源としてはパルス幅を長くすることが可能な高電圧パルス電源を使用した。電気的接続としては、３８段の単位電極に、交互にパルス電源と接地側とを接続した。

この排気ガス浄化装置に、２１．６ｍｇ／Ｎｍ^３の粒子状物質（ＰＭ）が混入した、２００℃、１Ｎｍ^３／ｍｉｎの試験用排気ガスを用いて、排気ガス処理試験を行い、ＰＭ除去率の測定を行った。パルス電圧の印加条件としては、パルス幅を３０μｓｅｃ（マイクロ秒）、電界強度を３１．７ｋＶ／ｃｍ、エネルギー投入量を被処理物質に対して１．４Ｊ／μｇとした。ここで、「ＰＭ除去率（％）」は、「排気ガス浄化装置から流出するガス中のＰＭ含有量（ｇ／ｍ^３）」を「排気ガス浄化装置に流入するガス中のＰＭ含有量（ｇ／ｍ^３）」で除した値を１００倍した値（％）とした。結果を表１に示す。また、印加したパルス電圧の波形を図５に示す。図５は、実施例１及び実施例２の排ガス浄化装置のパルス電圧の１パルスを示し、時間と電圧との関係を示したグラフである。図５において、波形３１が実施例１の排ガス浄化装置についてのパルス電圧の波形である。

（実施例２）
実施例１と同様にして排気ガス浄化装置を作製した。パルス電圧の印加条件を、パルス幅を４．７μｓｅｃ、電界強度を３５．２ｋＶ／ｃｍ、エネルギー投入量を被処理物質に対して１．７８Ｊ／μｇとした以外は、実施例１の場合と同様にして排気ガス処理試験を行い、ＰＭ除去率の測定を行った。結果を表１に示す。また、印加したパルス電圧の波形を図５に示す。図５において、波形３２が実施例２の排ガス浄化装置についてのパルス電圧の波形である。

（比較例１）
実施例１の場合と同様にしてプラズマ反応器を作製し、パルス電源としては短いパルス幅の電圧を印加する高電圧パルス電源を使用して、排気ガス浄化装置を作製した。この排気ガス浄化装置を使用して、パルス電圧の印加条件を、パルス幅を０．９μｓ、電界強度を３０ｋＶ／ｃｍ、エネルギー投入量を被処理物質に対して２．０Ｊ／μｇとした以外は、実施例１の場合と同様にして排気ガス処理試験を行い、ＰＭ除去率の測定を行った。結果を表１に示す。

表１より、実施例１，２の排気ガス処理装置は、パルス幅が大きいため、ＰＭ除去率に優れていることが分かる。

エンジン排気ガスや各種の焼却炉排気ガスに含まれる粒子状物質の除去に利用することができる。特に、設備費がかからず、エネルギーロスが少なく、高効率に粒子状物質を除去することが可能な排気ガス処理装置として好適に利用することができる。

Claims

複数の単位電極が所定間隔を隔てて階層的に積層されてなるプラズマ発生電極を有し、これらの単位電極間にパルス電圧を印加することによって前記単位電極間に形成される空間にプラズマを発生させ、前記空間内に導入された排ガスを反応処理することが可能なプラズマ反応器と、
前記パルス電圧を発生させる電源とを備えた排気ガス浄化装置であって、
前記単位電極が、導電膜と、前記導電膜の少なくとも一方の面に配設される誘電体とを有し、
複数の前記単位電極が、互いに対向する面の少なくとも一方に前記誘電体が位置するようにそれぞれ積層され、
前記パルス電圧の、パルス幅が１μｓ〜１ｍｓであり、電界強度が５ｋＶ／ｃｍ以上であり、
前記パルス電圧を印加するときのエネルギー投入量が、被処理物質に対して１０Ｊ／μｇ以下である排気ガス浄化装置。
前記パルス電圧の、パルス幅が２０〜５０μｓであり、電界強度が１０〜２００ｋＶ／ｃｍであり、
前記エネルギー投入量が、被処理物質に対して０．０５〜１０Ｊ／μｇである請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
隣接する前記単位電極間の距離が２ｍｍ以下である請求項１又は２に記載の排気ガス浄化装置。
前記パルス電圧印加におけるパルス周期が、１０μｓ〜１０ｍｓである請求項１〜３のいずれかに記載の排気ガス浄化装置。
前記パルス電圧の立ち上がり時間が１００μｓ以下である請求項１〜４のいずれかに記載の排気ガス浄化装置。