JPWO2009019998A1 - プラズマ発生用電極 - Google Patents

Abstract

本発明のプラズマ発生用電極は、処理される気体の流れ方向に気流に対面して間隔をあけて配置される、複数の貫通孔を有してなる複数の捕集部を備えてなり、自動車の排気ガス浄化装置、プラントなど煙を出す施設における排煙処理装置など、ＰＭを含んだ排煙を排出するものに対して設置される処理装置のプラズマ反応器に適用するものである。

Description

本発明は、プラズマ発生用電極に関し、特には、工場、プラント、内燃機関などから排出される排煙に含まれて環境に悪影響を及ぼす成分を除去するための装置などに適用されるものに関する。

従来、例えば自動車のエンジン特にはディーゼルエンジンから排出される排気ガスに含まれるＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）、及びＰＭ（粒子状物質）の排出量を低減するために、触媒及びＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）が用いられている。しかしながら、ＤＰＦの場合、ＰＭを捕集することにより内部のＰＭが増加すると、排気ガスの流通が悪くなり、ディーゼルエンジンの排気抵抗が増加し、その結果、燃費と出力が低下することになる。

このような状況に鑑みて、近年では捕集したＰＭを酸化させてガス化（ＣＯ₂）にして除去することや、排気ガスを改質してＰＭなどの排出量を低減することが試みられている。このような試みの一つとして、触媒を含む排出ガス浄化装置において、プラズマ反応器を用いるものが知られている。例えば、特許文献１に記載の内燃機関の排気浄化装置にあっては、少なくとも一対の放電電極を備え、その放電電極間に排気ガスを流し、放電により排気ガスを浄化する排気浄化装置において、排気ガスの流路を確保するとともに放電効率を高めるために、波板状の補助電極を、その凹凸部が排気ガスの流れる方向に沿って延びるように、放電電極間に配置したものである。
特開２００１‐９２３２号公報

ところで、このようなプラズマ反応器を使用する排気ガス浄化装置においては、放電電極間にＰＭを捕集し、プラズマにより捕集したＰＭを燃焼して除去するものが一般的である。しかしながら、上述のものでは、放電電極間における放電が補助電極により均一化されるものの、ＰＭは放電電極間を通過してしまうので、ＰＭに対しての放電電極のフィルタ機能は低い。つまり補助電極を使用することにより、放電性を改善するものではあるが、同時に放電電極間に排気ガスを流す流路を拡大しているので、ＰＭを捕集する構造にはしにくい。このため、放電により発生するプラズマを用いてＰＭを燃焼させる場合、ＰＭの大半が燃焼する前に放電電極間を通過することが考えられ、よって補助電極がＰＭの除去に貢献するものとはなりにくかった。

そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。

すなわち、本発明のプラズマ発生用電極は、処理される気体の流れ方向に気流に対面して間隔をあけて配置される、複数の貫通孔を有してなる複数の捕集部を備えてなることを特徴とする。

このような構成によれば、プラズマ反応器において使用して、処理される気体が貫通孔を通過する場合に、気体に含まれるＰＭがその貫通孔に物理的及び静電的に付着する。貫通孔に付着しているＰＭは、プラズマにより連続的に燃焼する。したがって、プラズマ反応器を通過した気体は、ほぼＰＭが含まれない状態となる。また、ＰＭは、プラズマにより燃焼するので、貫通孔にＰＭが残って、プラズマ反応器の気体の通路が縮小されることがない。これにより、効率よくＰＭを気体から除去することが可能になる。

気体に含まれるＰＭの捕集効率を高めるためには、複数の捕集部が、一枚の網状材を気体の流れ方向及びその流れ方向にほぼ直交する方向に波状に折り曲げることにより連続して形成されてなるものが好ましい。

網状材とは、網及び網同様に開口部分である多数の貫通孔を備える板材を含むものである。つまり、網状材は、金属の細い線材を編むことにより作製される網、金属の平板に多数の貫通孔をあけて、網同様に構成した板材などである。この場合に、貫通孔の形状は、円形、楕円形、多角形、不定形のいずれであってもよく、捕捉したい粒子の大きさや形状に基づいて設定されるものであってよい。

また、放電の強さとＰＭの捕捉度合いとを気体の流れ方向に沿って変えることにより、ＰＭの除去効率を高めるためには、気体の流れ方向の上流における捕集部の粗さを、その下流における捕集部の粗さより粗くするものが好ましい。

本発明は、以上説明したような構成であり、ＰＭの捕捉効率を向上させることができるので、プラズマ反応器に使用した場合に、処理される気体を効率よく浄化することができる。

施設などに対して設置される処理装置のプラズマ反応器が挙げられる。

本発明の第一実施形態の使用状態を示す斜視図。 同第一実施形態におけるプラズマ発光の状態を示す写真。 本発明の第二実施形態を示す斜視図。 本発明の第一実施形態のプラズマ発生用電極の変形例を示す斜視図。 本発明の第一実施形態の電極を使用するプラズマ反応器におけるＰＭ等の除去率の試験結果を示すグラフ。 本発明の第一実施形態の電極を使用するプラズマ反応器における圧力損失の試験結果を示すグラフ。

符号の説明

１…プラズマ発生用電極
３…捕集部
４…貫通孔
１００…プラズマ反応器

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

この第一実施形態のプラズマ発生用電極（以下、電極と略称する）１は、ディーゼルエンジンから排出されるＰＭを含む排気ガスなどを処理するためのプラズマ反応器１００に組み込まれて、放電電極として機能するものである。この場合、電極１は、図１に示すように、平板形状の誘電体２と組み合わせて使用するものである。

電極１は、例えばステンレス鋼製の線材を編んで形成した網状材である金属網をほぼ三角波状に折り曲げて、捕集部３が間隔をあけて連続するように形成してある。すなわち、電極１を構成する金属網は、所定の太さの線材を縦横に走らせて編むことにより形成される多数の貫通孔（網目）４を有するものである。この場合、線材を編むとは、布などと同様に、間隔をあけて複数の縦の線材を整列しておき、その縦の線材の間に横の線材を交わるようにして通すことや、間隔をあけて配列した複数の縦の線材と間隔をあけて配列した複数の横の線材との交点を、溶接や接着剤などで固定して網目を形成することを含むものである。網目の形状は、正方形、長方形、菱形などであってよく、縦の線材と横の線材以外の線材を加えることで、多角形にするものであってもよい。このような金属網を、一方の方向例えば金属網つまり電極１の長手方向に向かって、山折りと谷折りとがほぼ等間隔で繰り返すように折り曲げて、ほぼ三角波状の形状に形成するものである。

このように、金属網をほぼ三角波状にほぼ等間隔で折り曲げることにより、金属網の長手方向に向かって、所定の高さで金属網の部分が連続して傾斜して立ち上がるものである。したがって、この傾斜して立ち上がった部分が、捕集部３となる。そして、これらの捕集部３は、金属網の部分であるので、長手方向の線材と幅方向の線材とにより形成された貫通孔４が、多数存在するものである。これらの貫通孔４は、ＰＭの大きさに対応するもので、排気ガス内に存在するＰＭを捕捉する大きさに形成されている。

このような形状に形成された電極１は、平板形状の誘電体２の背向する両面に配置されて、プラズマ反応器１００に使用されるものである。この場合に、それぞれの電極１は、波形状が連続する方向つまり金属網の長手方向を、プラズマ反応器１００における排気ガスの流れ方向５（図１において矢印により示す）に一致させて配置する。つまり、電極１の捕集部３の連続する方向が、排気ガスの流れ方向５に一致させて配置される。したがって、排気ガスの流れ方向５には、電極１を構成する金属網の網目、貫通孔４が整列するものとなり、貫通孔４以外による排気ガスの流路は形成されていない。

このプラズマ反応器１００において、電極１間に電圧を印加すると、電極１間及びそれぞれの電極１の貫通孔４内にプラズマが発生する。電圧の印加により、電極１の捕集部３の上端及び下端、つまり三角波形状の山折り部６及び谷折り部７それぞれの折り線部分に、電荷が集中することになる。そして、電荷の集中した部分から電子が排気ガス中に放出されて効率よくプラズマが生成される。すなわち、排気ガス中に電子等が放出され、その排気ガス自体が様々な活性種を含むプラズマとなるものである。そしてこれらの活性種とＰＭすなわちカーボンが反応してＣＯ₂となり、ＰＭを除去した浄化された排気ガスとするものである。これによりそれらの折り線部分を中心にしてプラズマ放電の効率が高くなる。この結果、電極１の全域においてプラズマが発生して高いプラズマ発光輝度を示し、広範な放電空間を形成するものとなる。なお、プラズマ発光輝度は、一般的に、印加する最大電圧（ＭＡＸ電圧）にほぼ比例するものであり、電圧が高くなるほど輝度も高くなる。この実施形態にあっては、具体的には、例えば８ｋＶ、周波数２００Ｈｚの電圧を印加することで、電極１のほぼ全域に対してほぼ均一にプラズマが発生することが確認された。

このように、プラズマを強く発生させることができるので、プラズマ反応器１００をディーゼルエンジンの排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置（もしくは排気ガス後処理装置）に適用すると、排気ガス中のＰＭは電極１の貫通孔４に捕捉される。又、貫通孔４より小径のＰＭは、静電的に貫通孔４に付着する。つまり、貫通孔４より小径のＰＭは、静電吸着により電極１に捕捉されるものである。このようにして貫通孔４に捕捉及び付着したＰＭは、プラズマにより燃焼して、排気ガス浄化装置から排出される排気ガス中から除去される。したがって、排気ガスの浄化能力を向上させることができる。また、貫通孔４に物理的及び静電的に捕捉されたＰＭは、順次燃焼するので、電極１が目詰まりすることがなく、連続して排気ガスがプラズマ反応器に供給されても電極１のフィルタとしての機能が低下することがない。したがって、排気ガスの流路となる貫通孔４の開口率の低下を防止することができる。これにより、排気ガス浄化装置における圧力損失が低いため、ディーゼルエンジンの燃費と出力の低下を防止することができる。

加えて、この第一実施形態においては、電極１を構成する金属網をステンレス鋼の金属線を編んだものを使用したので、本発明の発明者が先に発明したニッケル製の多孔質電極よりも高い耐久性能を発揮させることができる。また、入手の容易な材料であるので、安価にしかも容易に作製することができる。

上述の第一実施形態においては、三角波形状に折り曲げた金属網からなる電極１を説明したが、図２に示すように、電極１０１は、例えばステンレス鋼製の金属網の長手方向に、その断面形状が例えばほぼ半円形の波状にほぼ等間隔で折り曲げるとともに、金属網の幅方向にも同様の波状にほぼ等間隔で折り曲げるものであってもよい。すなわち、この第二実施形態の電極は、プラズマ反応器において、排気ガスの流れ方向５及びその流れ方向５にほぼ直交する方向８に波状に折り曲げることにより、複数の捕集部１０３を連続して形成するものである。なお、図２にあっては電極１０１の全体を図示したものではないが、電極１０１は捕集部１０３が規則的に連続するものであるので、部分を図示することで電極１０１全体を十分に理解することができるものである。

このように、金属網を金属網の長手方向と幅方向とにおいて波状に折り曲げると、電極１０１を排気ガスの流れ方向５から見た場合に、凸部１０６と凹部１０７とが交互に幅方向において存在し、かつ凸部１０６と凹部１０７とが奥行き方向に交互に存在する形状となる。このため、電極１０１の相互に隣接する凸部１０６間及び凹部１０７間に空間が存在し、排気ガスの流通をよくするものとなる。つまり、排気ガスを流した場合に、仮に排気ガスの上流側でＰＭが大量に貫通孔１０４に捕捉され、即座に燃焼されなかった、つまり貫通孔１０４が詰まった状態になったとしても、それ以降の下流側の凸部１０６と凹部１０７からなる捕集部１０３に捕捉されるものである。

このように、この実施形態の電極１０１にあっては、排気ガス中のＰＭが、電極１０１の全域において、広範囲に捕捉されるものである。つまり、凸部１０６と凸部１０６との間及び凹部１０７と凹部１０７との間に、貫通孔１０４以上の大きさの空間が存在するため、排気ガスは上流において捕集部１０３に衝突するとともにそれらの空間に流れ込んで、捕集部１０３を回避した状態で下流に向かうことになる。そして、下流に存在する捕集部１０３に衝突することで、下流にある捕集部１０３においても上流と同様にＰＭを捕捉するものとなる。したがって、ＰＭの捕捉効率が向上し、よってＰＭの除去率を高くすることができる。

なお、上述の二つの実施形態においては、電極１，１０１はほぼ等間隔に捕集部３，１０３を備えるものを説明したが、排気ガスの流れ方向５の捕集部３，１０３間の間隔を、電極１，１０１の上流側と下流側とで変えるものであってよい。すなわち、金属網から電極に加工するに際して、プラズマ反応器内で排気ガスが導入される側に近い上流側の部分にあっては、捕集部３，１０３間の間隔を大きく設定し、排気ガスが排出される側に近い下流側の部分にあって、捕集部３，１０３の間隔を小さく設定するものである。言い換えれば、電極１，１０１は、排気ガスの流れ方向の上流側において、粗く形成された捕集部３，１０３を有し、かつその下流側において上流側より密に形成された捕集部３，１０３を有するものである。

この場合、例えば電極１，１０１の排気ガスの流れ方向５の約１／２の領域で捕集部３，１０３の間隔を変えるもであってもよいし、上流から下流（下流から上流）に向かって連続的に捕集部３，１０３の間隔を変えるものであってもよい。いずれの場合にあっても、排気ガスの流れ方向５の上流における捕集部３，１０３の粗さ、つまり単位距離又は面積当たりの捕集部３，１０３の数が、その下流部における捕集部３，１０３の粗さ、つまり単位距離又は面積当たりの捕集部３，１０３の数よりも小であるように、設定して電極１，１０１を作製するものである。図３に、第一実施形態の変形例として、上流の捕集部３の粗さが、下流側のものより粗い例の電極２０１を、図示する。同図において、電極２０１の上流領域２１１は下流領域２２１より折り曲げの間隔が短く、したがって上流領域２１１の捕集部３は下流領域２２１より粗になっている。

このように、電極１，１０１の捕集部３，１０３の粗さを、排気ガスの流れ方向における上流領域と下流領域とにおいて変えることにより、排気ガス中のＰＭの捕捉率を変えてＰＭによる目詰まりを防止することができる。しかも、排気ガスの流れ方向の下流領域において、捕集部３，１０３の粗さを上流領域に比して密にすることにより、下流領域における放電力とＰＭの物理的及び静電的吸着率とを高くして、ＰＭの除去効率、言い換えれば排気ガスの浄化効率を向上させることができる。すなわち、捕集部３，１０３が密になることにより、排気ガスが捕集部３，１０３と接触する機会が増加する。これにより、ＰＭは、物理的にも静電的にも、上流領域に比較してより多く捕捉される。そして、上流領域で発生した活性種と反応することにより、捕捉されたＰＭが除去されるものであるので、ＰＭの除去効率が向上するものである。

上述の各実施形態にあっては、電極の素材として金属網を示したが、複数の貫通孔を有する板厚の薄い例えばステンレス鋼製の平板であってもよい。つまり、金属網のように、細い線材を編むことなく、多数の貫通孔を有する網状の金属部材であれば、電極の素材（材料）となり得るものである。この場合、貫通孔の形状は、円、三角形、多角形、任意の形状などのいずれであってもよい。そして、貫通孔間の金属部分はできるだけ小面積に設定し、平板の面積に対する貫通孔の合計面積を最大にするものが好ましい。

また、貫通孔の大きさは、処理される気体に含まれるＰＭやその他の粒子径に対応して設定するものであってよい。さらには、電極の上流領域と下流領域とにおいて、貫通孔の大きさを相違させるものであってもよい。具体的には、電極の上流領域においては、貫通孔径を大きく設定し、その下流領域においては貫通孔径を小さく設定するものである。

さらに、網状材の折り曲げ方は、ほぼ三角波形やサイン波形状以外に、連続する複数の放物線波形状、さらには連続する複数の多角形波形状などであってもよい。これらの形状は、加工の容易性に押して選択するものであってよい。この場合に、折り曲げの高さ及び間隔は、使用するプラズマ反応器の処理能力に応じて設定すればよい。

加えて、それぞれの捕集部は、上述の第一実施形態のように平面であるもの以外に、捕集部自体が波状の面により、あるいは規則的又は不規則に配置される複数の凹部と複数の凸部とを備える面により形成されるものであってよい。すなわち、捕集部が平面で構成されるのではなく、三次元曲面により構成されるものである。このような構成にすることにより、捕集部の見かけ上の表面積を増やし、それによって捕集部の貫通孔の数を増加させるものである。

さらに、誘電体としては、上述の実施形態においては平板形状のものを説明したが、表面及びその内部に多数の空隙、孔を有する多孔質な材質のものを用いるものであってもよい。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

最後に、第一実施形態において説明した、二枚の電極１及び電極１，１間に配置される誘電体２例えばアルミナの平板を組み合わせた電極アセンブリを２４個組み合わせてなるプラズマ反応器ＰＷを、２サイクルディーゼルエンジンと組み合わせて行った試験の結果を、図５及び図６に示して説明する。２サイクルディーゼルエンジンは、シミュレーション動力計において、１０・１５モード（日本の国土交通省により制定された自動車の排出ガス試験測定モード）による走行を行った場合、及び時速４０ｋｍで走行する場合の運転とした。図５及び図６において、ＰＷは、第一実施形態のプラズマ反応器を示し、Ｈ／Ｈは以下に説明する比較例のプラズマ反応器を示す。

比較例は、例えばニッケル製の多孔質平板からなる多孔質電極二枚と、上述の電極アセンブリにおける誘電体と同じ材質の平板形状の誘電体とを組み合わせた電極アセンブリを２４個組み合わせてなるプラズマ反応器Ｈ／Ｈである。この比較例のプラズマ反応器Ｈ／Ｈの多孔質電極は、孔の形状については特に言及しないが、ディーゼルエンジンの排気ガスが導入される上流側において孔密度が低く、下流側において上流側より孔密度が高くなる構造を有している。

以上の構成において、ディーゼルエンジンを１０・１５モードによる走行において排出される排気ガスに含まれるＰＭ、及びＰＭの個々の成分、具体的にはＳＯＦ（可溶有機成分）及び煤の除去率を測定した。各プラズマ反応器ＰＷ，Ｈ／Ｈのそれぞれの電極に上述の各成分が物理的及び静電的に吸着することにより排気ガス中から除去されるそれぞれの成分の量（以下、物理／静電吸着分と称する）と、プラズマが発生することにより排気ガス中から除去されるそれぞれの成分の量（以下、プラズマ除去分と称する）とを測定して、物理／静電吸着分とプラズマ除去分との除去率を測定した。

その結果、第一実施形態の電極を用いたプラズマ反応器ＰＷは、比較例のプラズマ反応器Ｈ／Ｈに比較して、プラズマ除去分の除去率が高く、全体として比較例のプラズマ反応器Ｈ／Ｈを上回る除去率を呈した。したがって、ＰＭを構成するＳＯＦ及び煤の除去率にあっても、プラズマ反応器ＰＷが比較例のプラズマ反応器Ｈ／Ｈを上回った。特に煤に関しては、プラズマが効率よく発生する本発明の電極を用いたプラズマ反応器ＰＷにおいて、プラズマ除去分が比較例のプラズマ反応器Ｈ／Ｈに比較して顕著に除去できた。

このように、プラズマによるＰＭの除去率が高いので、電極に残留するＰＭが少なく、その結果、プラズマ反応器ＰＷにおける圧力損失を小さくすることができる。すなわち、車両を時速４０ｋｍの一定速度で走行させる場合の運転状態にディーゼルエンジンを保ち、その時のプラズマ反応器の入口側の圧力と出口側の圧力との差圧により、圧力損失を測定した。その結果、第一実施形態の電極を用いたプラズマ反応器ＰＷでは、プラズマ除去分の除去率が低い比較例における圧力損失のほぼ１／２の圧力損失となった。それゆえ、プラズマ反応器ＰＷにあっては、基本的に捕集部が、比較例より排気ガスの流通が容易な構造であること、及び比較例に比べて放電空間を広くとれることにより、物理的及び静電的に捕捉したＰＭを効率よく除去することができることから、電極が目詰まりしにくく、長期にわたってＰＭの除去性能を維持することが期待できる。

本発明の活用例として、自動車の排気ガス浄化装置、プラントなど煙を出す施設における排煙処理装置など、ＰＭを含んだ排煙を排出するものに対して設置される処理装置のプラズマ反応器が挙げられる。

Claims (3)

1. 処理される気体の流れ方向に気流に対面して間隔をあけて配置される、複数の貫通孔を有してなる複数の捕集部を備えてなるプラズマ発生用電極。
2. 複数の捕集部が、一枚の網状材を気体の流れ方向及びその流れ方向にほぼ直交する方向に波状に折り曲げることにより連続して形成されてなる請求項１記載のプラズマ発生用電極。
3. 気体の流れ方向の上流における捕集部の粗さを、その下流における捕集部の粗さより粗くする請求項１又は２記載のプラズマ発生用電極。

Images