WO2011034189A1 - ガス処理装置、及び内燃機関 - Google Patents

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ionization
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池田　裕二
茂夫 三宅
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イマジニアリング株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a gas processing apparatus using plasma and an internal combustion engine to which the gas processing apparatus is applied.
  • VOC volatile organic compounds
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 The inventors have proposed a gas processing apparatus that uses both discharge and microwave irradiation (Patent Document 1 and Patent Document 2).
  • a small-scale plasma is generated by spark discharge, and the plasma is irradiated with a microwave pulse.
  • the energy of microwave pulses is supplied to charged particles in the plasma. Thereby, the plasma expands and grows.
  • the temperature and pressure of the region where the plasma is formed (hereinafter referred to as plasma forming region) is higher than the surroundings. Therefore, the gas to be processed tries to avoid plasma.
  • the plasma position is constant. Therefore, it is difficult to react many gases using plasma.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to increase the gas in contact with the plasma in the gas processing apparatus that generates plasma by ionizing the gas and irradiating the electromagnetic wave, thereby processing the gas. It is to improve efficiency.
  • an ionization unit that ionizes a gas in a target space, an electromagnetic wave oscillator that oscillates an electromagnetic wave irradiated to the target space, and a gas ionization region in which a gas ionized by the ionization unit exists.
  • a gas processing apparatus comprising moving means for changing the position of the plasma by changing the position of the gas ionization region by moving the gas.
  • plasma is generated in the gas ionization region.
  • the position of the gas ionization region changes and the position of the plasma changes.
  • the ionization means includes a discharger that generates a discharge in a discharge gap between a moving electrode moved by the moving means and a fixed electrode.
  • the electric device includes a plurality of the fixed electrodes, and moves the moving electrodes by the moving means so that the moving electrodes are sequentially approached to the plurality of fixed electrodes, and generates a discharge between the adjacent moving electrodes and the fixed electrodes.
  • the ionization means includes a discharger that generates discharge in a discharge gap between a pair of electrodes, and discharges in the discharge gap while moving the discharger by the moving means.
  • the moving means is a fan for sending gas
  • the ionizing means is a position where the pressure of the gas is increased by the blowing of the fan. Is arranged to be the gas ionization region.
  • 5th invention is equipped with the gas processing apparatus of any one of 1st thru
  • the said gas processing apparatus is gas before flowing in into the said combustor.
  • An internal combustion engine that generates plasma in a flow path through which the gas flows or a flow path through which the gas flowing out of the combustor flows.
  • the compressor includes a compressor that compresses the gas flowing into the combustor, and a turbine that rotates in response to the pressure of the gas flowing out from the combustor.
  • the compressor is provided with a rotating mechanism of the compressor as the moving means.
  • the compressor includes a compressor that compresses the gas flowing into the combustor, and a turbine that rotates in response to the pressure of the gas flowing out from the combustor.
  • the turbine is provided with a rotating mechanism of the turbine as the moving means.
  • an ionization unit that ionizes a gas in a target space, an electromagnetic wave oscillator that oscillates an electromagnetic wave applied to the target space, and a gas ionization region in which a gas ionized by the ionization unit exists.
  • an antenna for irradiating the supplied electromagnetic wave, the gas is ionized by the ionization means, and the plasma is formed in a gas processing apparatus that generates plasma by irradiating the electromagnetic wave from the antenna.
  • a gas processing apparatus comprising compression means for feeding compressed gas into the region.
  • an ionization unit that ionizes a gas in a target space, an electromagnetic wave oscillator that oscillates an electromagnetic wave irradiated to the target space, and a gas ionization region in which a gas ionized by the ionization unit exists.
  • a gas processing apparatus that moves the plasma by continuously changing the position of a strong electric field formed by electromagnetic waves by changing the frequency of the plasma.
  • the ninth aspect after a plurality of electromagnetic wave oscillators are connected to one antenna and the plasma is generated, the wavelength of the electromagnetic wave oscillated from at least one of the plurality of electromagnetic wave oscillators is changed.
  • a gas processing apparatus characterized in that the plasma is moved by continuously changing the position of the strong electric field region.
  • the position of the plasma is changed by providing a moving means for moving at least a part of the ionizing means. For this reason, it is possible to avoid a situation where only the local area is always at high temperature and high pressure, and it is possible to disperse the high temperature and high pressure region. Therefore, the amount of gas that comes into contact with the plasma is increased, and many gases can be chemically reacted.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a gas processing apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing the arrangement of electrodes and antennas.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram of the gas processing apparatus viewed from the direction of flow of the gas flow path.
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a gas processing apparatus according to Modification 1 of the first embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating another connection structure of an electromagnetic wave oscillator of the gas processing apparatus according to the first modification of the first embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a gas processing apparatus according to Modification 2 of the first embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a gas processing apparatus according to Modification 3 of the first embodiment.
  • FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a gas processing apparatus according to Modification 4 of the first embodiment.
  • FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a gas processing apparatus according to the second embodiment.
  • FIG. 10 is a block diagram of a gas turbine described in the third embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the internal combustion engine described in the fourth embodiment.
  • the 1st Embodiment is the gas processing apparatus 100 comprised by the gas processing apparatus of this invention.
  • 1, 2, and 3 show a gas processing apparatus 100 according to the first embodiment.
  • the gas processing apparatus 100 is disposed in a gas passage 110 having a substantially circular cross section through which a gas to be processed flows.
  • the gas processing apparatus 100 includes a discharger 156, a power source 160 (DC power source), an electromagnetic wave oscillator 180, an antenna 170, and a fan 120.
  • the discharger 156 constitutes ionization means for ionizing the gas in the target space.
  • the electromagnetic wave oscillator 180 oscillates an electromagnetic wave irradiated to the target space.
  • the electromagnetic wave supplied from the electromagnetic wave oscillator 180 is irradiated to the gas ionization region where the gas ionized by the ionizing means exists.
  • the gas processing apparatus 100 generates plasma by ionizing gas by ionizing means and irradiating electromagnetic waves from the antenna 170.
  • the fan 120 constitutes moving means for changing the position of the plasma by changing the position of the gas ionization region by moving at least a part of the ionizing means.
  • the fan 120 is an axial flow type fan.
  • the fan 120 is disposed in the gas flow path 110 formed by a cylindrical member.
  • the fan 120 includes a fan blade 128, a pivot shaft 126 joined to the center of the fan blade 128, a bearing 124 that rotatably supports the pivot shaft 126, and a support member 122 that supports the bearing 124.
  • a power source (motor) 130 that provides power for rotating the turning shaft 126.
  • the support member 122 is joined to the inner wall surface of the gas flow path 110.
  • the swivel shaft 126 is disposed coaxially with the gas flow path 110.
  • a plurality of fan blades 128 are joined to the turning shaft 126.
  • the plurality of fan blades 128 are joined at equal intervals on the outer peripheral surface of the turning shaft 126.
  • a plurality of protruding portions 140 (A,..., K) close to the inner wall surface of the gas flow path 110 are provided on the outer edge of each fan blade 128.
  • the fan 120 receives the power generated by the power source 130 by the swivel shaft 126, and the swivel shaft 126 and the fan blade 128 rotate, so that the gas in the gas passage 110 flows in one direction (for example, from the left in FIG. 1). Transport to the right).
  • the pivot shaft 126 and the fan blade 128 are both made of a conductor. Each protruding portion 140 is electrically connected to the pivot shaft 126. Note that both the pivot shaft 126 and the fan blade 128 may be integrated.
  • the turning shaft 126 is always electrically grounded via the bearing 124 and the support member 122. Each projecting portion 140 is grounded via a pivot shaft 126. Note that the pivot shaft 126 may always be electrically grounded via the member of the power source 130.
  • the discharger 156 includes a plurality of high voltage electrodes 150 (A,..., L), a plurality of ground electrodes 140 (A,..., K), and a plurality of DC electric circuits 152 (A,..., L).
  • the plurality of high voltage electrodes 150 are provided at equiangular intervals at positions facing the outer edge of the fan blade 128 on the inner wall surface of the gas flow path 110.
  • Each high voltage electrode 150 is connected to a power source 160 via a DC circuit 152.
  • the discharger 156 is disposed so that the position where the gas pressure increases due to the blowing of the fan 120 is the gas ionization region.
  • each protruding portion 140 is a ground electrode 140.
  • the high voltage electrode 150 that is opposed to and close to the circumferential direction changes in accordance with the rotation of the fan blade 128.
  • the number of the high voltage electrodes 150 and the protruding portions 140 is not necessarily the same, and the number of the high voltage electrodes 150 may be larger than that of the protruding portions 140.
  • the high voltage electrode 150 is connected to the power source 160 via the DC circuit 152. In FIG. 3, only some of the high voltage electrodes 150 are connected to the power source 160, but only the description is omitted, and all the high voltage electrodes 150 are connected to the power source 160.
  • the gas processing apparatus 100 is provided with a control device 105 that controls the timing of applying a high voltage to the high voltage electrode 150 by the power supply 160.
  • the protruding portion 140 is close to the high voltage electrode 150 in which the angle formed by the line connecting the high voltage electrode 150 and the center of the gas flow path 110 is 90 degrees among the plurality of high voltage electrodes 150. Since the timing is the same, a high voltage from the power supply 160 is applied at the same timing.
  • the control device 105 includes a plurality of high-voltage electrodes 150, and the high-voltage electrodes 150 are adjacent to each other (adjacent high-voltage electrodes) having an angle formed by a line connecting the high-voltage electrode 150 and the center of the gas flow path 110. 150), the high voltage from the power supply 160 is applied at different timings because the timing at which the protruding portions 140 approach is different.
  • the voltage applied by the power supply 160 may be such that the gas between the high voltage electrode 150 and the projecting portion 140 is in the closest state so that the gas between them is broken down.
  • a boost coil or the like may be used.
  • the power supply 160 may apply a voltage continuously or intermittently (for example, a voltage having a pulse waveform).
  • the control device 105 performs synchronous control with rotation control of the fan blade 128.
  • the DC electric paths 152 may be connected in series or in parallel, or may be switched. However, when switching is performed, the control device 105 performs synchronous control with rotation control of the fan blade 128.
  • the voltage applied by the power supply 160 may be set to a value at which the gas between the high voltage electrode 150 and the projecting portion 140 is dielectrically broken when the distance between the high voltage electrode 150 and the protruding portion 140 becomes a predetermined value or less. In that case, the power supply 160 continuously applies a voltage.
  • the plurality of antennas 170 are provided at equiangular intervals at positions facing the outer edge of the fan blade 128 on the inner wall surface of the gas flow path 110.
  • Each antenna 170 is exposed to the gas flow path 110 in the middle of the two high-voltage electrodes 150 when viewed in the circumferential direction of the inner wall surface of the gas flow path 110.
  • Each antenna 170 is slightly shifted from the high voltage electrode 150 in the axial direction of the gas flow path 110.
  • Each antenna 170 is connected to an electromagnetic wave oscillator 180 via an electromagnetic wave transmission path 172 (A,..., M). Note that the position of the antenna 170 in the axial direction of the gas flow path 110 may be aligned with the high voltage electrode 150.
  • the number of antennas 170 is not necessarily the same as the number of high-voltage electrodes 150, and electromagnetic wave energy is applied to the vicinity of the high-voltage electrodes 150 on both sides in the circumferential direction by irradiation of electromagnetic waves from one of the antennas 170. If you can. That is, one antenna 170 is responsible for the irradiation of electromagnetic waves in the vicinity of the two high voltage electrodes.
  • the antenna 170 having a number of electromagnetic wave irradiation positions with one element such as a slot antenna or a leaky coaxial cable
  • the number of the antennas 170 may be one. Further, the number of antennas 170 may be larger than that of the high voltage electrode 150.
  • the electromagnetic wave oscillator 180 is a 2.4 GHz band magnetron, for example.
  • the electromagnetic wave oscillator 180 supplies energy to charged particles (including electrons and ions) generated by gas breakdown by the discharger 156.
  • the electromagnetic wave oscillator 180 supplies energy to charged particles in the gas ionization region.
  • the electromagnetic wave oscillator 180 oscillates an electromagnetic wave having such an energy that ionization is newly generated when charged particles collide with gas molecules.
  • the frequency of the electromagnetic wave oscillated by the electromagnetic wave oscillator 180 may be selected as appropriate. For example, a frequency band that can be used industrially, such as an IMS band, may be selected.
  • the control device 105 controls the electromagnetic wave oscillator 180 so as to oscillate an electromagnetic wave pulse when a small-scale plasma is generated by the discharge between the high voltage electrode 150 and the ground electrode 140.
  • the control device 105 controls the electromagnetic wave oscillator 180 so as to irradiate the electromagnetic wave from the antenna 170 located closest to the high voltage electrode 150 that forms the small-scale plasma.
  • the timing at which the electromagnetic wave is oscillated from the electromagnetic wave oscillator 180 may be just before the small-scale plasma is formed or just after the small-scale plasma is formed.
  • the electromagnetic wave oscillator 180 may be other than the magnetron, and a klystron, an LC resonance circuit, a semiconductor oscillator, and other various known ones can be selected, and these may be appropriately selected. Note that a 2.4 GHz band magnetron is suitable for the electromagnetic wave oscillator 180 because it is used in a general microwave oven and is inexpensive.
  • the connection between the electromagnetic wave transmission paths 152 may be a serial system, a parallel system, or a switching system. However, when switching is performed, the control device 105 performs synchronous control with rotation control of the fan blade 128.
  • the swivel shaft 126 and the fan blade 128 rotate in the gas flow path 110 while being supported by the bearings 124. Since the gas flow path 110 has a circular cross section, the plurality of projecting portions 140 approach each high voltage electrode 150 in order as the fan blade 128 rotates.
  • the power supply 160 applies a voltage to the high-voltage electrode 150 in which the protruding portion 140 is close, gas breakdown occurs in the discharge gap between the protruding portion 140 and the high-voltage electrode 150, and plasma is generated.
  • an electromagnetic wave is supplied from the electromagnetic wave oscillator 180 to the antenna 170 closest to the plasma in accordance with the timing at which the plasma is generated, the electromagnetic wave is radiated from the antenna 170 and the energy of the electromagnetic wave is supplied to the plasma.
  • the charged particles in the plasma are accelerated by receiving the energy of electromagnetic waves, and collide with gas molecules around the plasma to be ionized. As a result, the gas surrounding the plasma is also turned into plasma, and the plasma region is expanded.
  • Reducing substances eg, hydrocarbons, organic compounds, etc.
  • Reducing substances eg, hydrocarbons, organic compounds, etc.
  • radicals eg, hydroxyl radicals
  • molecules eg, hydrogen peroxide
  • each ground electrode 140 is moved by the fan 120 (moving means) so that each ground electrode 140 (moving electrode) is sequentially approached to the plurality of high voltage electrodes 150 (fixed electrodes), and the adjacent ground electrodes 140 are moved. And a high voltage electrode 150 cause a discharge. Then, an electromagnetic wave is irradiated to a discharge region (ionization region) where discharge occurs.
  • the plasma formation region where the plasma is formed becomes high temperature and high pressure. Therefore, although the gas flowing through the gas flow path 110 chemically reacts by the action of the plasma, it tends to flow avoiding the plasma. For this reason, when generating plasma at a certain position, there are many gases that do not react to avoid plasma.
  • the fan blade 128 can be rotated to move the plasma formation position or to change the plasma position.
  • the fan blade 128 can be rotated to move the plasma formation position or to change the plasma position.
  • the rotating fan blade 128 causes the gas flow path 110 to be partially partitioned, so that the gas does not easily flow to the center of the gas flow path 110. Further, the rotating fan blade 128 blows gas to the inner wall surface side (the side where plasma is generated) of the gas flow path 110. Therefore, the amount of gas that contacts the plasma is further increased, and many gases can be chemically reacted.
  • the rotation of the fan blade 128 promotes the stirring and dispersion of radicals generated due to plasma.
  • treatment of the gas with radicals is promoted, and gas passage (a phenomenon in which gas passes without reacting) can be reduced.
  • the gas is forcibly transported from the upstream side to the downstream side by the rotation of the fan blade 128.
  • the rotation of the fan blade 128 can compensate for the amount of gas flow hindered by the plasma. Therefore, it is possible to perform gas processing using plasma while suppressing reduction in the gas flow rate.
  • the mesh antenna 175 is disposed so as to face the fan blade 128.
  • a plurality of electromagnetic wave oscillators 180 (four electromagnetic wave oscillators of the first oscillator 180a, the second oscillator 180b, the third oscillator 180c, and the fourth oscillator 180d in this modification 1) are connected to the mesh antenna 175.
  • the control device 105 may change the position of the strong electric field by changing the number of electromagnetic wave oscillators 180 that irradiate the electromagnetic wave at the same timing. Further, when the frequency of the electromagnetic wave oscillated by the electromagnetic wave oscillator 180 can be adjusted, the control device 105 may change the position of the strong electric field by changing the oscillation frequency of any one of the electromagnetic wave oscillators 180. The control device 105 changes the position of the strong electric field by electrical control.
  • the plurality of electromagnetic wave oscillators 180 are connected to different positions with respect to the mesh antenna 175. However, as shown in FIG. 5, the electromagnetic waves from the plurality of electromagnetic wave oscillators 180 are transmitted through one transmission line. The transmission path may be connected to the mesh antenna 175. As shown in FIGS. 4 and 5, a protection isolator 181 is provided for each electromagnetic wave oscillator 180.
  • a plurality of antennas 170 are also provided on the inner wall surface of the gas flow path 110 as in the first embodiment.
  • the plurality of antennas 170 are connected to an electromagnetic wave oscillator different from the mesh antenna 175.
  • the electromagnetic wave may be oscillated only from the mesh antenna 175 without providing the plurality of antennas 170 on the inner wall surface of the gas flow path 110.
  • the axial flow fan as shown in FIGS. 1 and 2 is exemplified as the fan 120 forcibly transporting the gas to send the gas to the plasma side.
  • a centrifugal fan is illustrated.
  • a fan, a mixed flow fan, a cross flow fan, or the like can also be used.
  • a mechanism for forcibly transporting gas for example, a fan shaped like a centrifugal compressor provided in a turbocharger for an internal combustion engine or a centrifugal gas turbine engine may be used, or a roots type, a risholum type, a scroll type, etc.
  • Various types of compressors such as a rotary type can be used in place of the fan 120.
  • a discharger 156 is provided on the impeller 65 of the centrifugal fan.
  • the antenna 170 is located on the outer peripheral side of the impeller 65 and is exposed to the outer peripheral space 61 where the dynamic pressure of the gas is recovered.
  • plasma is generated at a position where the compressed gas sucked from the suction flow path 60 of the compression mechanism flows. And the position of plasma changes. Therefore, many gases can be brought into contact with the plasma to promote the chemical reaction of the gases.
  • the gas in contact with the plasma flows through the discharge channel 62.
  • the ionization means includes a discharger 156 that generates discharge in the discharge gap between the pair of electrodes, and generates discharge in the discharge gap while moving the discharger 156 by the moving means.
  • the compression mechanism constitutes the moving means.
  • Both the discharge electrode and the ground electrode of the discharger 156 are provided on the impeller 65 to which the rotary shaft 50 is connected.
  • the timing for discharging by the discharger 156 can be set regardless of the rotational speed of the impeller 65. However, only one of the discharge electrode and the ground electrode may be provided on the impeller 65 as in the first embodiment.
  • a gas processing device is provided in the cylindrical gas flow path 110.
  • the cylindrical gas flow path 110 is formed between the inner columnar member 30 and the outer cylindrical member.
  • a plurality of dischargers 156 are provided on the outer peripheral surface of the columnar member 30 along the circumferential direction.
  • the dischargers 156 are provided in a plurality of rows in the axial direction of the columnar member 30.
  • the cylindrical member is provided with an antenna 170 exposed to the gas flow path 170.
  • the columnar member 30 is rotated by receiving power from a motor (not shown). Therefore, since the position of the plasma changes, a lot of gases can be brought into contact with the plasma to promote the chemical reaction of the gases.
  • a pair of rotating devices 41a and 41b provided so that the rotating disks 42a and 42b face each other are provided.
  • Each of the rotating disks 42a and 42b is connected to a motor (not shown) via rotating shafts 43a and 43b.
  • a plurality of discharge electrodes 44a are provided on one of the rotating disks 42a and 42b.
  • the other rotating disks 42a and 42b are provided with a plurality of ground electrodes 44b.
  • the discharge electrode 44a and the ground electrode 44b are close to each other at various positions in the rotation direction.
  • the control device 105 controls the power supply 60 so that a high voltage is applied to the discharge electrode 44a facing the ground electrode 44b. As a result, discharge occurs between the ground electrode 44b and the discharge electrode 44a facing each other.
  • the control device 105 controls the electromagnetic wave oscillator so that the discharge region is irradiated with the electromagnetic wave, as in the first embodiment. In FIG. 8, the description of the antenna 170 is omitted. -Other variations of the first embodiment-
  • the high voltage electrode 150 and the antenna 170 are both installed on the members constituting the gas flow path 110, but can be installed on the fan blade 128.
  • a mechanism for supplying a voltage and electromagnetic waves for dielectric breakdown to the rotating member is separately provided.
  • transmission of electromagnetic waves to the rotating member can be performed by a non-contact transmission method such as a wireless method, a capacitive coupling method, and an inductive coupling method.
  • a non-contact transmission method such as a wireless method, a capacitive coupling method, and an inductive coupling method.
  • the voltage for dielectric breakdown an appropriate voltage may be applied at an appropriate timing, and it is not necessarily required to be a direct current. Therefore, energy can be transmitted in a non-contact manner by setting the voltage for dielectric breakdown to alternating current or electromagnetic waves.
  • the position of the part that causes dielectric breakdown in the gas and the position of the part that radiates electromagnetic waves can be selected, and may be appropriately selected as necessary.
  • the gas processing apparatus 100 of the second embodiment includes a discharger 156, a power source 160, an electromagnetic wave oscillator 180, and a compressor 165 (in FIG. 9, the power source and the electromagnetic wave oscillator are illustrated. Omitted).
  • the discharge electrode 156a of the discharger 156 also serves as an antenna.
  • the discharge electrode 156a is connected to the power supply 160 and the electromagnetic wave oscillator 180 through a mixing circuit that mixes the high voltage pulse and the electromagnetic wave pulse.
  • a high voltage pulse and an electromagnetic wave pulse are supplied to the discharge electrode 156a, a small-scale plasma is generated by discharge in the discharge gap between the discharge electrode 156a and the ground electrode 156b, and the plasma absorbs the energy of the electromagnetic wave. Expanding.
  • the compressor 165 sucks a part of the gas flowing through the gas flow path 110 from the suction port 165a, compresses the suction gas, and blows it out from the discharge port 165b toward the plasma generation region. Therefore, most of the compressed gas can be brought into contact with the plasma, and the chemical reaction of the gas can be promoted.
  • the compressor 165 constitutes a compression unit that sends compressed gas into a region where plasma is formed. In addition, you may provide the gas processing apparatus 100 so that plasma may be formed in the position where a negative pressure produces by an ejector effect.
  • the gas flow into the plasma is forcibly created.
  • the temperature rise and pressure rise accompanying the plasma formation for gas expansion downstream of the plasma formation region. is there.
  • the energy input to the plasma formation is used for increasing the temperature pressure of the gas, and the expansion of the gas is assisted by the increase of the temperature pressure of the gas.
  • the chemical reaction of the gas is promoted by the action of the plasma, the molecular weight of the gas increases if the gas component to be processed has a component structure in which the number of molecules increases due to the oxidation reaction. This has an effect similar to increasing combustion efficiency in an internal combustion engine. Therefore, it becomes possible to improve combustion efficiency by incorporating the gas processing apparatus according to the first embodiment into a combustion apparatus such as an internal combustion engine.
  • the third embodiment will be described by taking the case where the internal combustion engine is a gas turbine 205 as an example.
  • the gas turbine 205 includes a compressor 201 that compresses intake gas, a combustor 202 that combusts the gas compressed by the compressor 201, and a turbine 203 that rotates by the gas combusted in the combustor 202.
  • the power recovered by the turbine 203 is applied to the compressor 201 via the rotating shaft of the turbine 203.
  • the gas processing apparatus 100 of the first embodiment is provided in the compressor 201, for example.
  • radicals are generated by the plasma generated by the gas processing apparatus 100, and combustion in the combustor 202 can be promoted by the radicals.
  • the pressure increase caused by the plasma is added to the exhaust pressure. If this exhaust pressure is recovered downstream, the energy efficiency of the internal combustion engine can be improved.
  • the gas processing apparatus is located at the most downstream position of the compressor impeller, and if the internal combustion engine is an axial flow type gas turbine, at the most downstream position of the rotor blade or stator vane. 100 is preferably provided.
  • the gas processing apparatus 100 of the first embodiment may be provided in the turbine 203, for example.
  • the unburned gas that has passed through the combustor 202 can be reacted and converted into power.
  • the pressure increase generated due to the plasma can be recovered and utilized by a turbine impeller or a turbine blade (not shown) provided downstream of the turbine 203. The pressure increase can be recovered and used as kinetic energy of the exhaust itself.
  • the gas processing device 100 of the first embodiment is provided at the most upstream position of the turbine impeller, and if the internal combustion engine is an axial flow gas turbine, the gas processing apparatus 100 of the first embodiment is provided at the most upstream position of the turbine blade. Is preferred.
  • the gas processing apparatus 100 of the fourth embodiment is provided in a reciprocating type internal combustion engine in which a piston 23 reciprocates.
  • the internal combustion engine includes a cylinder block 21, a cylinder head 22, and a piston 23.
  • a plurality of cylinders 24 having a circular cross section are formed in the cylinder block 21.
  • a piston 23 is slidably provided in each cylinder 24.
  • the piston 23 is connected to the crankshaft via a connecting rod (not shown).
  • the crankshaft is rotatably supported by the cylinder block 21.
  • the cylinder head 22 is placed on the cylinder block 21 with the gasket 18 in between.
  • the cylinder head 22 partitions the combustion chamber 10 together with the cylinder 24 and the piston 23.
  • the cylinder head 22 is provided with one spark plug 4 for each cylinder 24.
  • one or a plurality of intake ports 25 and exhaust ports 26 are formed for each cylinder 24.
  • the intake port 25 is provided with an intake valve that opens and closes the intake port 25 and an injector (fuel injection device) that injects fuel.
  • the exhaust port 26 is provided with an exhaust valve for opening and closing the exhaust port 26.
  • the spark plug 4 constitutes an ionization means for ionizing the gas in the combustion chamber 10 serving as a target space.
  • the spark plug 4 is provided with an electromagnetic wave transmission path 1 connected to an electromagnetic wave oscillator (not shown).
  • the electromagnetic wave transmission path 1 is connected to an antenna 2 provided on a surface of the cylinder head 22 exposed to the combustion chamber 10.
  • the antenna 2 extends in the radial direction of the combustion chamber 10 and passes between the intake port 25 and the exhaust port 26.
  • the antenna 2 is insulated from the cylinder head 22 by the insulating member 3. From the antenna 2, the electromagnetic wave supplied from the electromagnetic wave oscillator is irradiated to the combustion chamber 10 where the gas ionized by the spark plug 4 exists.
  • the gas processing device generates a plasma in the air-fuel mixture by igniting an electromagnetic wave from the antenna 2 while causing a discharge in the air-fuel mixture by the spark plug 4.
  • the gas processing apparatus moves the plasma by continuously changing the position of the strong electric field formed by the electromagnetic wave by changing the frequency of the electromagnetic wave irradiated from the antenna 2 after the plasma is generated.
  • the plasma is moved from the center side to the outside by moving the position of the strong electric field from the center side toward the outside in the antenna 2 after ignition by the spark plug 4.
  • a plurality of electromagnetic wave oscillators may be connected to the antenna 2.
  • the plasma can be moved by continuously changing the position of the strong electric field region by changing the wavelength of the electromagnetic wave oscillated from at least one of the plurality of electromagnetic wave oscillators. Is possible. [Other Embodiments]
  • the above embodiment may be configured as follows.
  • the ionization means may shift the timing for turning the gas into plasma among the plurality of dischargers 156.
  • the plurality of dischargers 156 may turn the gas into plasma in order at a predetermined cycle. In that case, since the energy of the electromagnetic wave absorbed by one plasma becomes larger than when the plurality of dischargers 156 simultaneously convert the gas into plasma, the plasma can be further expanded.
  • the present invention is useful for a gas processing apparatus using plasma and an internal combustion engine to which the gas processing apparatus is applied.

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Abstract

　ガス処理装置は、放電器と電磁波発振器とアンテナとファンとを備えている。放電器は、対象空間のガスを電離させる。電磁波発振器は、対象空間に照射される電磁波を発振する。電磁波は、放電器により電離したガスが存在するガス電離領域にアンテナから照射される。放電器によりガスを電離させると共に、アンテナから電磁波を照射することにより、プラズマが生成される。そして、ファンが、放電器の少なくとも一部を移動させることにより、ガス電離領域の位置が変化し、プラズマの位置が変化する。

Description

ガス処理装置、及び内燃機関
　本発明は、プラズマを用いたガス処理装置、及びそのガス処理装置が適用された内燃機関に関する。
　従来から、プラズマを用いたガス処理装置が知られている。この種のガス処理装置は、揮発性有機化合物（Ｖｏｌａｔｉｌｅ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ：ＶＯＣ）をはじめとする種々の大気汚染物質の分解や無害化のために用いられる。
　発明者らは、放電とマイクロ波照射を併用するガス処理装置を提案している（後掲の特許文献１及び特許文献２）。例えば、特許文献２のガス処理システムでは、スパーク放電により小規模のプラズマが生成され、そのプラズマにマイクロ波パルスが照射される。プラズマ中の荷電粒子には、マイクロ波パルスのエネルギーが供給される。これにより、プラズマが拡大成長する。
特開２００７－１１３５７０号公報 特開２００９－０３４６７４号公報
　ところで、プラズマが形成されている領域（以下、プラズマ形成領域）は、周囲に比べて温度及び圧力が高くなる。そのため、処理対象のガスがプラズマを避けようとする。従来のガス処理装置は、プラズマの位置が一定である。従って、プラズマを利用して多くのガスを反応させることが困難である。
　本発明は上述の実情に鑑みなされたものであって、その目的は、ガスを電離させると共に電磁波を照射することによりプラズマを生成するガス処理装置において、プラズマに接触するガスを増やし、ガスの処理効率を向上させることにある。
　第１の発明は、対象空間のガスを電離させる電離手段と、上記対象空間に照射される電磁波を発振する電磁波発振器と、上記電離手段により電離したガスが存在するガス電離領域に上記電磁波発振器から供給された電磁波を照射するためのアンテナとを備え、上記電離手段によりガスを電離させると共に、上記アンテナから電磁波を照射することにより、プラズマを生成するガス処理装置において、上記電離手段の少なくとも一部を移動させることにより、上記ガス電離領域の位置を変化させて上記プラズマの位置を変化させる移動手段を備えているガス処理装置。
　第１の発明では、ガス電離領域にプラズマが生成される。移動手段により電離手段の少なくとも一部を移動させると、ガス電離領域の位置が変化し、プラズマの位置が変化する。
　第２の発明は、第１の発明において、上記電離手段は、上記移動手段により動かされる移動電極と、固定された固定電極との間の放電ギャップで放電を生じさせる放電器を備え、上記放電器は、上記固定電極を複数備え、上記移動電極が複数の固定電極に順番に近接するように上記移動手段により上記移動電極を動かし、近接する移動電極と固定電極との間で放電を生じさせる。
　第３の発明は、第１の発明において、上記電離手段は、一対の電極の間の放電ギャップで放電を生じさせる放電器を備え、上記移動手段により上記放電器を動かしながら上記放電ギャップで放電を生じさせる。
　第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、上記移動手段は、ガスを送るためのファンであり、上記電離手段は、上記ファンの送風によりガスの圧力が上昇する位置が上記ガス電離領域になるように配置されている。
　第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明のガス処理装置と、導入したガスを燃焼させる燃焼器とを備え、上記ガス処理装置は、上記燃焼器に流入する前のガスが流れる流路、又は上記燃焼器から流出したガスが流れる流路においてプラズマを生成する内燃機関。
　第６の発明は、第５の発明において、上記燃焼器に流入するガスを圧縮する圧縮機と、上記燃焼器から流出したガスの圧力を受けて回転するタービンとを備え、上記ガス処理装置は、上記圧縮機に設けられ、該圧縮機の回転機構が上記移動手段となっている。
　第７の発明は、第５の発明において、上記燃焼器に流入するガスを圧縮する圧縮機と、上記燃焼器から流出したガスの圧力を受けて回転するタービンとを備え、上記ガス処理装置は、上記タービンに設けられ、該タービンの回転機構が上記移動手段となっている。
　第８の発明は、対象空間のガスを電離させる電離手段と、上記対象空間に照射される電磁波を発振する電磁波発振器と、上記電離手段により電離したガスが存在するガス電離領域に上記電磁波発振器から供給された電磁波を照射するためのアンテナとを備え、上記電離手段によりガスを電離させると共に、上記アンテナから電磁波を照射することにより、プラズマを生成するガス処理装置において、上記プラズマが形成されている領域に圧縮したガスを送り込む圧縮手段を備えているガス処理装置。
　第９の発明は、対象空間のガスを電離させる電離手段と、上記対象空間に照射される電磁波を発振する電磁波発振器と、上記電離手段により電離したガスが存在するガス電離領域に上記電磁波発振器から供給された電磁波を照射するためのアンテナとを備え、上記電離手段によりガスを電離させると共に、上記アンテナから電磁波を照射することにより、プラズマを生成するガス処理装置において、上記アンテナから照射される電磁波の周波数を変化させることにより、電磁波により形成される強電場の位置を連続的に変化させて上記プラズマを移動させるガス処理装置。
　第１０の発明は、第９の発明において、１つのアンテナに複数の電磁波発振器が接続され、上記プラズマが生成された後に、複数の電磁波発振器の少なくとも１つから発振される電磁波の波長を変化させて、上記強電場領域の位置を連続的に変化させて上記プラズマを移動させることを特徴とするガス処理装置。
　本発明では、電離手段の少なくとも一部を移動させる移動手段を設けることにより、プラズマの位置が変化するようにしている。そのため、局所のみが常に高温高圧となる状況を回避でき、高温高圧の領域を分散させることが可能になる。従って、プラズマに接触するガスの量が増大し、多くのガスを化学反応させることができる。
図１は、第１の実施形態に係るガス処理装置の概略構成図である。 図２は、電極及びアンテナの配置を示す図である。 図３は、ガス流路の流れる向きから見たガス処理装置の概略構成図である。 図４は、第１の実施形態の変形例１に係るガス処理装置の概略構成図である。 図５は、第１の実施形態の変形例１に係るガス処理装置の別の電磁波発振器の接続構造を示す図である。 図６は、第１の実施形態の変形例２に係るガス処理装置の概略構成図である。 図７は、第１の実施形態の変形例３に係るガス処理装置の概略構成図である。 図８は、第１の実施形態の変形例４に係るガス処理装置の概略構成図である。 図９は、第２の実施形態に係るガス処理装置の概略構成図である。 図１０は、第３の実施形態に記載のガスタービンのブロックである。 図１１は、第４の実施形態に記載の内燃機関の断面図である。
　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
　〔第１の実施形態〕
　第１の実施形態を図面に基づいて具体的に説明する。
　第１の実施形態は、本発明のガス処理装置により構成されたガス処理装置１００である。図１、図２、及び図３に、第１の実施形態のガス処理装置１００を示す。ガス処理装置１００は、処理対象のガスが流通する概ね円形断面のガス流路１１０に配置されている。ガス処理装置１００は、放電器１５６と電源１６０（直流電源）と電磁波発振器１８０とアンテナ１７０とファン１２０とを備えている。放電器１５６は、対象空間のガスを電離させる電離手段を構成している。電磁波発振器１８０は、対象空間に照射される電磁波を発振する。アンテナ１７０からは、電離手段により電離したガスが存在するガス電離領域に電磁波発振器１８０から供給された電磁波が照射される。ガス処理装置１００は、電離手段によりガスを電離させると共に、アンテナ１７０から電磁波を照射することにより、プラズマを生成する。
　ファン１２０は、電離手段の少なくとも一部を移動させることにより、ガス電離領域の位置を変化させてプラズマの位置を変化させる移動手段を構成している。ファン１２０は、軸流形式のファンである。ファン１２０は、筒状部材により形成されたガス流路１１０に配置されている。ファン１２０は、ファンブレード１２８と、該ファンブレード１２８の中央部に接合された旋回軸１２６と、該旋回軸１２６を回転自在に支持する軸受け１２４と、該軸受け１２４を支持する支持部材１２２と、旋回軸１２６が回転する動力を与える動力源（モータ）１３０とを備えている。支持部材１２２は、ガス流路１１０の内壁面に接合されている。旋回軸１２６は、ガス流路１１０と同軸に配置されている。
　ファンブレード１２８は、旋回軸１２６に複数接合されている。複数のファンブレード１２８は、旋回軸１２６の外周面において等間隔に接合されている。各ファンブレード１２８の外縁には、ガス流路１１０の内壁面に近接する複数の突出部分１４０（Ａ，…,Ｋ）が設けられている。
　このファン１２０は、動力源１３０が発生する動力を旋回軸１２６が受けて、旋回軸１２６及びファンブレード１２８が回転することにより、ガス流路１１０のガスを一方向（例えば、図１において左から右へ）に輸送する。旋回軸１２６とファンブレード１２８とは、共に導電体からなる。各突出部分１４０は、旋回軸１２６に電気的に接続されている。なお、共に導電体の旋回軸１２６及びファンブレード１２８を一体化してもよい。
　旋回軸１２６は、軸受け１２４及び支持部材１２２を介して、常に電気的に接地されている。各突出部分１４０は、旋回軸１２６を介して接地されている。なお、動力源１３０の部材を介して、旋回軸１２６を常に電気的に接地してもよい。
　放電器１５６は、複数の高電圧電極１５０（Ａ，…,Ｌ）、複数の接地電極１４０（Ａ，…,Ｋ）、及び複数の直流電路１５２（Ａ，…,Ｌ）を備えている。複数の高電圧電極１５０は、ガス流路１１０の内壁面のうち、ファンブレード１２８の外縁に臨む位置において等角度間隔に設けられている。各高電圧電極１５０は、直流電路１５２を介して電源１６０に接続されている。放電器１５６は、ファン１２０の送風によりガスの圧力が上昇する位置がガス電離領域になるように配置されている。
　本実施形態では、各突出部分１４０が、接地電極１４０となっている。各突出部分１４０は、ファンブレード１２８の回転に伴って、対向して近接する高電圧電極１５０が周方向に変わっていく。なお、高電圧電極１５０と突出部分１４０は、同数であることを要せず、高電圧電極１５０の数を突出部分１４０より多くてもよい。
　高電圧電極１５０は、直流電路１５２を介して電源１６０に接続されている。なお、図３では、一部の高電圧電極１５０だけが電源１６０に接続されているが、記載を省略しているだけであり、全ての高電圧電極１５０が電源１６０に接続されている。
　ガス処理装置１００には、電源１６０により高電圧電極１５０に高電圧を印加するタイミングを制御する制御装置１０５が設けられている。制御装置１０５は、複数の高電圧電極１５０のうち、高電圧電極１５０とガス流路１１０の中心とを結ぶ線のなす角度が９０度となる高電圧電極１５０については、突出部分１４０が近接するタイミングが同じであるため、同じタイミングで電源１６０からの高電圧を印加する。また、制御装置１０５は、複数の高電圧電極１５０のうち、高電圧電極１５０とガス流路１１０の中心とを結ぶ線のなす角度が４５度となる高電圧電極１５０同士（隣り合う高電圧電極１５０同士）については、突出部分１４０が近接するタイミングが異なるため、異なるタイミングで電源１６０からの高電圧を印加する。
　電源１６０が印加する電圧は、高電圧電極１５０と突出部分１４０が最も近接した状態で、両者の間のガスが絶縁破壊される程度の電圧があればよい。そのための電圧を得るために昇圧コイル等を用いても良い。電源１６０は、連続的に電圧を印加してもよいし、断続的に電圧を印加してもよい（例えば、パルス波形の電圧）。電源１６０が断続的に電圧を印加する場合は、ファンブレード１２８の回転制御との同期制御を上記制御装置１０５が行う。直流電路１５２同士の接続は、直列方式であっても並列方式であってもよく、また、スイッチングを行うものであってもよい。但し、スイッチングを行う場合は、ファンブレード１２８の回転制御との同期制御を上記制御装置１０５が行う。
　また、電源１６０が印加する電圧は、高電圧電極１５０と突出部分１４０の距離が所定値以下になると、両者の間のガスが絶縁破壊される値に設定してもよい。その場合は、電源１６０が連続的に電圧を印加する。
　複数のアンテナ１７０（Ａ,…,Ｍ）は、ガス流路１１０の内壁面のうち、ファンブレード１２８の外縁に臨む位置において等角度間隔に設けられている。各アンテナ１７０は、ガス流路１１０の内壁面の周方向で見た場合に、２つの高電圧電極１５０の真ん中においてガス流路１１０に露出している。各アンテナ１７０は、高電圧電極１５０に対して、ガス流路１１０の軸方向に少しだけずれている。各アンテナ１７０は、電磁波伝送路１７２（Ａ,…,Ｍ）を介して、電磁波発振器１８０に接続されている。なお、ガス流路１１０の軸方向におけるアンテナ１７０の位置を、高電圧電極１５０に合わせてもよい。
　なお、アンテナ１７０は、高電圧電極１５０と同数であることを要せず、いずれかのアンテナ１７０からの電磁波の照射により、周方向において両側の高電圧電極１５０の近傍に電磁波のエネルギーを与えることができればよい。つまり、１つのアンテナ１７０は、２つの高電圧電極の近傍への電磁波の照射を受け持っている。また、スロットアンテナや、漏洩同軸ケーブルのように１エレメントで多数の電磁波の照射位置を有するアンテナ１７０を使用する場合は、アンテナ１７０の数を１つにしてもよい。また、アンテナ１７０の数は、高電圧電極１５０より多くしてもよい。
　電磁波発振器１８０は、例えば２．４ＧＨｚ帯のマグネトロンである。電磁波発振器１８０は、放電器１５６によるガスの絶縁破壊で生じる荷電粒子（電子、イオンを含む）に対してエネルギーを供給する。電磁波発振器１８０は、ガス電離領域の荷電粒子にエネルギーを供給する。電磁波発振器１８０は、荷電粒子がガスの分子と衝突することにより新たに電離が生じる程度のエネルギーの電磁波を発振する。なお、電磁波発振器１８０が発振する電磁波の周波数は、適宜選択すればよく、例えば、ＩＭＳバンド等工業的に利用しやすい周波数帯を選択してもよい。
　制御装置１０５は、高電圧電極１５０と接地電極１４０との間の放電により小規模のプラズマが生成されているときに、電磁波パルスを発振するように電磁波発振器１８０を制御する。制御装置１０５は、小規模プラズマを形成する高電圧電極１５０の最も近くにあるアンテナ１７０から電磁波を照射するように、電磁波発振器１８０を制御する。電磁波発振器１８０から電磁波を発振するタイミングは、小規模のプラズマが形成される直前でもよいし、小規模のプラズマが形成される直後でもよい。
　電磁波発振器１８０は、マグネトロン以外のものでもよく、クライストロン、ＬＣ共振回路、半導体発振器、その他公知の種々のものが選択可能であり、それらを適宜選択すればよい。なお、２．４ＧＨｚ帯のマグネトロンは、一般的な電子レンジに用いられており安価なため、電磁波発振器１８０として好適である。電磁波伝送路１５２同士の接続は、直列方式であっても並列方式であってもよく、また、スイッチングを行うものであってもよい。但し、スイッチングを行う場合は、ファンブレード１２８の回転制御との同期制御を上記制御装置１０５が行う。
　ガス処理装置１００の動作について説明する。
　動力源１３０が旋回軸１２６に動力を与えると、旋回軸１２６及びファンブレード１２８は、軸受け１２４に支持された状態で、ガス流路１１０で回転する。ガス流路１１０が円形断面のため、ファンブレード１２８の回転に伴って、各高電圧電極１５０に対して、複数の突起部分１４０が順番に近接する。
　突起部分１４０が近接する高電圧電極１５０に対して、電源１６０が電圧を印加すると、突起部分１４０と高電圧電極１５０との間の放電ギャップにおいて、ガスの絶縁破壊が生じ、プラズマが発生する。さらに、プラズマが生成されるタイミングに合わせて、プラズマに最も近いアンテナ１７０に電磁波発振器１８０から電磁波を供給すると、そのアンテナ１７０から電磁波が放射され、そのプラズマに電磁波のエネルギーが供給される。プラズマ内の荷電粒子は、電磁波のエネルギーを受けて加速され、プラズマの周囲のガス分子と衝突して電離させる。その結果、プラズマの周囲のガスもプラズマ化し、プラズマの領域が拡大する。このプラズマ及びプラズマ中の反応性の高いラジカル（例えば、ヒドロキシラジカル等）や分子（過酸化水素等）により、ガス中の還元性の物質（例えば、炭化水素、有機化合物等）は酸化され、分解する。
　－第１の実施形態の効果－
　本実施形態では、各接地電極１４０（移動電極）が複数の高電圧電極１５０（固定電極）に順番に近接するようにファン１２０（移動手段）により各接地電極１４０を動かし、近接する接地電極１４０と高電圧電極１５０との間で放電を生じさせる。そして、放電が生じる放電領域（電離領域）に電磁波が照射される。
　ところで、プラズマが拡大すると、プラズマが形成されているプラズマ形成領域は高温高圧となる。そのため、ガス流路１１０を流通するガスは、プラズマの作用により化学反応するものの、プラズマを避けて流れようとする。このため、一定の位置でプラズマを生成する場合は、プラズマを避けて反応しないガスが多くなる、
　それに対して、本実施形態では、ファンブレード１２８が回転することにより、プラズマの形成位置を移動させることができる、又は、プラズマの位置を変化させることができる。その結果、局所のみが常に高温高圧となる状況を回避でき、高温高圧の領域を分散させることが可能になる。従って、プラズマに接触するガスの量が増大し、多くのガスを化学反応させることができる。
　また、本実施形態では、回転するファンブレード１２８により、ガス流路１１０が部分的に区画されたような状態になり、ガス流路１１０の中央部にガスが流れにくくなる。また、回転するファンブレード１２８により、ガスはガス流路１１０の内壁面側（プラズマが生成されている側）に吹き付けられる。従って、プラズマに接触するガスの量がさらに増大し、多くのガスを化学反応させることができる。
　また、本実施形態では、ファンブレード１２８の回転により、プラズマに起因して生成されたラジカルの攪拌分散が促進される。その結果、ラジカルによるガスの処理が促進され、ガスの素通り（反応することなくガスが通過する現象）を低減できる。
　また、本実施形態では、ファンブレード１２８の回転により、ガスを強制的に上流側から下流側へ輸送される。ここで、プラズマ形成領域は高温高圧になるため、プラズマによりガスの流れが阻害されるおそれがある。本実施形態では、ファンブレード１２８の回転により、プラズマによりガスの流れが阻害される分を補うことができる。従って、ガスの流量の低減を抑制しつつ、プラズマを利用したガス処理が可能になる。
　－第１の実施形態の変形例１－
　変形例１では、図４に示すように、網状アンテナ１７５がファンブレード１２８に対面するように配置されている。網状アンテナ１７５には、複数の電磁波発振器１８０（この変形例１では、第１発振器１８０ａ，第２発振器１８０ｂ，第３発振器１８０ｃ，及び第４発振器１８０ｄの４つの電磁波発振器）が接続されている。
　変形例１では、複数の電磁波発振器１８０から電磁波が発振されると、網状アンテナ１７５の複数の位置が強電場になる。そのため、網状アンテナ１７５における複数の強電場でもプラズマを生成することができる。従って、ファンブレード１２８の中央付近を通過したガスを反応させることが可能になる。なお、電磁波のエネルギーの大きさを適切に設定することで、網状アンテナ１７５において強電場となる位置が放電領域（ガス電離領域）から離れていたとしても、その強電場付近にはプラズマが生成される。
　変形例１において、制御装置１０５が、同じタイミングで電磁波を照射する電磁波発振器１８０の数を変化させることにより、強電場の位置を変化させてもよい。また、電磁波発振器１８０が発振する電磁波の周波数を調節できる場合に、制御装置１０５は、いずれかの電磁波発振器１８０の発振周波数を変化させることにより、強電場の位置を変化させてもよい。制御装置１０５は、電気的な制御により強電場の位置を変化させる。なお、変形例１では、網状アンテナ１７５に対して、複数の電磁波発振器１８０が異なる位置に接続されているが、図５に示すように、複数の電磁波発振器１８０からの電磁波を１本の伝送路に合流させて、その伝送路を網状アンテナ１７５に接続してもよい。図４及び図５に示すように、各電磁波発振器１８０に対しては、保護用のアイソレータ１８１が設けられている。
　また、変形例１では、上記第１の実施形態と同様に、ガス流路１１０の内壁面にも複数のアンテナ１７０が設けられている。複数のアンテナ１７０は、網状アンテナ１７５とは別の電磁波発振器に接続されている。しかし、ガス流路１１０の内壁面の複数のアンテナ１７０を設けずに、網状アンテナ１７５だけから電磁波を発振するようにしてもよい。
　また、変形例１では、ガス流路１１０の内壁面の近傍に網状アンテナ１７５がない領域が存在しているが、ガス流路１１０の横断面の全領域に網状アンテナ１７５が延びていてもよい。
　－第１の実施形態の変形例２－
　上記第１の実施形態では、プラズマ側にガスを送るためにガスを強制輸送するファン１２０として、図１及び図２に示すような軸流ファンを例示したが、軸流ファンに代えて、遠心ファン、斜流ファン、クロスフローファンなどを用いることも可能である。また、ガスの強制輸送する機構として、例えば、内燃機関用ターボチャージャや遠心式ガスタービンエンジンが備える遠心式圧縮機のような形状のファンを用いてもよいし、ルーツ式、リショルム式、スクロール式、ロータリ式など種々の形式のコンプレッサをファン１２０に代えて用いることもできる。
　図６では、遠心ファンの羽根車６５に放電器１５６が設けられている。アンテナ１７０は、例えば、羽根車６５の外周側に位置して、ガスの動圧が回収される外周側空間６１に露出している。
　変形例２では、圧縮機構の吸入流路６０から吸入されて圧縮されたガスが流れる位置にプラズマが生成される。そして、プラズマの位置が変化する。従って、多くのガスをプラズマに接触させて、ガスの化学反応を促進させることができる。プラズマに接触したガスは、吐出流路６２を流れる。
　なお、変形例２では、電離手段が、一対の電極の間の放電ギャップで放電を生じさせる放電器１５６を備え、移動手段により放電器１５６を動かしながら放電ギャップで放電を生じさせる。圧縮機構が移動手段を構成している。放電器１５６の放電電極と接地電極の両方が、回転軸５０が連結された羽根車６５に設けられている。この変形例２では、放電器１５６で放電させるタイミングを、羽根車６５の回転速度とは無関係に設定することができる。但し、上記第１の実施形態のように、放電電極と接地電極のうち片方だけを羽根車６５に設けても良い。
　－第１の実施形態の変形例３－
　変形例３では、図７に示すように、筒状のガス流路１１０にガス処理装置が設けられている。筒状のガス流路１１０は、内側の柱状部材３０と、外側の筒状部材との間に形成されている。柱状部材３０の外周面には、周方向に沿って複数の放電器１５６が設けられている。放電器１５６は、柱状部材３０の軸方向に複数列設けられている。また、筒状部材には、ガス流路１７０に露出するアンテナ１７０が設けられている。
　変形例３では、柱状部材３０が、モータ（図示省略）から動力を付与されて回転する。従って、プラズマの位置が変化するので、多くのガスをプラズマに接触させて、ガスの化学反応を促進させることができる。
　－第１の実施形態の変形例４－
　変形例４では、図８に示すように、回転円盤４２ａ，４２ｂが互いに対面するように設けられた一対の回転装置４１ａ，４１ｂが設けられている。各回転円盤４２ａ，４２ｂは、回転軸４３ａ，４３ｂを介してそれぞれモータ（図示省略）に接続されている。
　片方の回転円盤４２ａ，４２ｂには、複数の放電電極４４ａが設けられている。もう片方の回転円盤４２ａ，４２ｂには、複数の接地電極４４ｂが設けられている。放電電極４４ａと接地電極４４ｂとは、回転方向において、様々な位置で対面して近接する。制御装置１０５は、接地電極４４ｂと対面する放電電極４４ａに高電圧が印加されるように電源６０を制御する。その結果、対面する接地電極４４ｂと放電電極４４ａの間で放電が生じる。また、制御装置１０５は、上記第１の実施形態と同様に、放電領域に電磁波が照射されるように電磁波発振器を制御する。なお、図８においてアンテナ１７０の記載は省略している。
　－第１の実施形態のその他の変形例－
　上記第１の実施形態では、高電圧電極１５０及びアンテナ１７０をいずれもガス流路１１０を構成する部材に設置したが、ファンブレード１２８に設置することも可能である。この場合、絶縁破壊のための電圧及び電磁波を、回転する部材に給電するための機構を別途設ける。また、回転する部材への電磁波の伝送は、無線方式、容量結合方式、誘導結合方式などの非接触な伝送方式で行うことが可能である。また、絶縁破壊のための電圧については、適切なタイミングで適切な電圧が印加されればよく、必ずしも直流であることを要しない。従って、絶縁破壊のための電圧を交流または電磁波とすることにより、非接触でのエネルギーの伝送が可能になる。
　また、ガスに絶縁破壊を生じさせる部分と電磁波を放射させる部分の位置については、選択が可能であり、必要に応じて適宜選択すればよい。
　〔第２の実施形態〕
　第２の実施形態のガス処理装置１００は、図９に示すように、放電器１５６と電源１６０と電磁波発振器１８０と圧縮機１６５とを備えている（図９において、電源と電磁波発振器の図示は省略している）。この第２の実施形態では、放電器１５６の放電電極１５６ａがアンテナを兼ねている。放電電極１５６ａは、高電圧パルスと電磁波パルスとを混合する混合回路を介して、電源１６０と電磁波発振器１８０とに接続されている。放電電極１５６ａに、高電圧パルスと電磁波パルスが供給されると、放電電極１５６ａと接地電極１５６ｂの間の放電ギャップで放電により小規模のプラズマが生成され、そのプラズマが電磁波のエネルギーを吸収して拡大する。
　また、圧縮機１６５は、ガス流路１１０を流れるガスの一部を吸入口１６５ａから吸入し、吸入ガスを圧縮して吐出口１６５ｂからプラズマ生成領域へ向けて吹き出す。従って、圧縮されたガスの多くをプラズマに接触させることができ、ガスの化学反応を促進させることができる。圧縮機１６５は、プラズマが形成されている領域に圧縮したガスを送り込む圧縮手段を構成している。
　なお、エジェクター効果により負圧が生じる位置においてプラズマが形成されるように、ガス処理装置１００を設けてもよい。
　〔第３の実施形態〕
　第１の実施形態においては、プラズマへのガスの流れを強制的につくりだしたが、プラズマの形成に伴う温度上昇及び圧力上昇をプラズマ形成領域よりも下流におけるガスの膨張に利用することも可能である。プラズマ形成に投入されたエネルギーは、ガスの温度圧力の上昇に使用され、ガスの温度圧力の上昇によりガスの膨張が助けられる。また、プラズマの作用によりガスの化学反応が促進されるため、処理対象のガス成分が、酸化反応により分子数が増加するような成分構成であれば、ガスの分子量が増加する。これは、ちょうど内燃機関において燃焼効率を高めるのに似た作用をもたらす。
　そのため、第１の実施形態に係るガス処理装置を内燃機関等の燃焼装置に組み込むことにより、燃焼効率を向上させることが可能になる。
　図１０に基づいて、内燃機関がガスタービン２０５の場合を例に第３の実施形態を説明する。ガスタービン２０５は、吸入ガスを圧縮する圧縮機２０１と、圧縮機２０１により圧縮されたガスを燃焼させる燃焼器２０２と、燃焼器２０２で燃焼したガスにより回転するタービン２０３とを備えている。ガスタービンでは、タービン２０３の回転軸を介して、タービン２０３で回収された動力が圧縮機２０１に付与される。
　第１の実施形態のガス処理装置１００は、例えば圧縮機２０１に設けられる。その場合は、ガス処理装置１００が生成するプラズマによりラジカルが生成され、そのラジカルにより燃焼器２０２における燃焼を促進させることができる。加えて、プラズマに起因し発生する圧力上昇分が、排気圧に上乗せされる。この排気圧を下流側で回収すれば、内燃機関のエネルギー効率を向上させることができる。
　なお、内燃機関が遠心式ガスタービンであればコンプレッサインペラの最下流の位置において、軸流式ガスタービンであればロータブレードまたはステータベーンの最下流の位置において、第１の実施形態のガス処理装置１００を設けると好適である。
　また、第１の実施形態のガス処理装置１００は、例えばタービン２０３に設けてもよい。その場合は、燃焼器２０２を通過した未燃ガスを反応させて動力に変換させることができる。加えて、プラズマに起因し発生する圧力上昇分を、タービン２０３の下流に設けたタービンインペラ又はタービンブレード（図示省略）において回収利用することが可能になる。圧力上昇分は、排気自体の運動エネルギーとして回収・利用することもできる。
　なお、内燃機関が遠心式ガスタービンであればタービンインペラの最も上流の位置において、軸流式ガスタービンであればタービンブレードの最も上流の位置において第１の実施形態のガス処理装置１００を設けると好適である。
　〔第４の実施形態〕
　第４の実施形態のガス処理装置１００は、図１１に示すように、ピストン２３が往復動するレシプロタイプの内燃機関に設けられている。内燃機関は、シリンダブロック２１とシリンダヘッド２２とピストン２３とを備えている。シリンダブロック２１には、横断面が円形のシリンダ２４が複数形成されている。各シリンダ２４内には、ピストン２３が摺動自在に設けられている。ピストン２３は、コンロッドを介して、クランクシャフトに連結されている（図示省略）。クランクシャフトは、シリンダブロック２１に回転自在に支持されている。
　シリンダヘッド２２は、ガスケット１８を挟んで、シリンダブロック２１上に載置されている。シリンダヘッド２２は、シリンダ２４及びピストン２３と共に、燃焼室１０を区画している。シリンダヘッド２２には、各シリンダ２４に対して、点火プラグ４が１つ設けられている。シリンダヘッド２２には、各シリンダ２４に対して、吸気ポート２５及び排気ポート２６が１つ又は複数形成されている。吸気ポート２５には、該吸気ポート２５を開閉する吸気バルブと、燃料を噴射するインジェクター（燃料噴射装置）とが設けられている。一方、排気ポート２６には、該排気ポート２６を開閉する排気バルブが設けられている。
　第４の実施形態では、点火プラグ４が、対象空間となる燃焼室１０のガスを電離させる電離手段を構成している。点火プラグ４には、電磁波発振器（図示省略）に接続された電磁波伝送路１が設けられている。電磁波伝送路１は、シリンダヘッド２２において燃焼室１０に露出する面に設けられたアンテナ２に接続されている。アンテナ２は、燃焼室１０の半径方向に延び、吸気ポート２５と排気ポート２６の間を通っている。アンテナ２は、絶縁部材３によりシリンダヘッド２２に対して絶縁されている。アンテナ２からは、点火プラグ４により電離したガスが存在する燃焼室１０に電磁波発振器から供給された電磁波が照射される。ガス処理装置は、点火プラグ４により混合気中で放電を生じさせると共に、アンテナ２から電磁波を照射することによりプラズマを生成する。
　ガス処理装置は、プラズマが生成された後に、アンテナ２から照射される電磁波の周波数を変化させることにより、電磁波により形成される強電場の位置を連続的に変化させてプラズマを移動させる。例えば、点火プラグ４による点火後に、アンテナ２において中心側から外側へ向かって強電場の位置を移動させることにより、プラズマを中心側から外側へ移動させる。
　なお、アンテナ２に複数の電磁波発振器を接続してもよい。その場合は、プラズマが生成された後に、複数の電磁波発振器の少なくとも１つから発振される電磁波の波長を変化させることで、強電場領域の位置を連続的に変化させてプラズマを移動させることが可能である。
　〔その他の実施形態〕
　上記実施形態は、以下のように構成してもよい。
　上記実施形態において、電離手段は、複数の放電器１５６の間で、ガスをプラズマ化させるタイミングをずらしてもよい。例えば、複数の放電器１５６が、所定の周期で順番にガスをプラズマ化させてもよい。その場合は、複数の放電器１５６が同時にガスをプラズマ化する場合に比べて、１つのプラズマが吸収する電磁波のエネルギーが大きくなるので、プラズマをより拡大することができる。
　以上説明したように、本発明は、プラズマを用いたガス処理装置、及びそのガス処理装置が適用された内燃機関について有用である。
　１００　　ガス処理装置
　１１０　　ガス流路
　１２０　　ファン（移動手段）
　１４０　　突起部分（移動電極、放電器）
　１５０　　高電圧電極（固定電極、放電器）
　１６０　　直流電源
　１７０　　アンテナ
　１８０　　電磁波発振器
 
 

Claims (10)

  1. 　対象空間のガスを電離させる電離手段と、
    　上記対象空間に照射される電磁波を発振する電磁波発振器と、
    　上記電離手段により電離したガスが存在するガス電離領域に上記電磁波発振器から供給された電磁波を照射するためのアンテナとを備え、
    　上記電離手段によりガスを電離させると共に、上記アンテナから電磁波を照射することにより、プラズマを生成するガス処理装置において、
    　上記電離手段の少なくとも一部を移動させることにより、上記ガス電離領域の位置を変化させて上記プラズマの位置を変化させる移動手段を備えている
    ことを特徴とするガス処理装置。
  2. 　請求項１において、
    　上記電離手段は、上記移動手段により動かされる移動電極と、固定された固定電極との間の放電ギャップで放電を生じさせる放電器を備え、
    　上記放電器は、上記固定電極を複数備え、
    　上記移動電極が複数の固定電極に順番に近接するように上記移動手段により上記移動電極を動かし、近接する移動電極と固定電極との間で放電を生じさせる
    ことを特徴とするガス処理装置。
  3. 　請求項１において、
    　上記電離手段は、一対の電極の間の放電ギャップで放電を生じさせる放電器を備え、
    　上記移動手段により上記放電器を動かしながら上記放電ギャップで放電を生じさせる
    ことを特徴とするガス処理装置。
  4. 　請求項１乃至３の何れか１つにおいて、
    　上記移動手段は、ガスを送るためのファンであり、
    　上記電離手段は、上記ファンの送風によりガスの圧力が上昇する位置が上記ガス電離領域になるように配置されている
    ことを特徴とするガス処理装置。
  5. 　請求項１乃至４の何れか１つに記載のガス処理装置と、
    　導入したガスを燃焼させる燃焼器とを備え、
    　上記ガス処理装置は、上記燃焼器に流入する前のガスが流れる流路、又は上記燃焼器から流出したガスが流れる流路においてプラズマを生成する
    ことを特徴とする内燃機関。
  6. 　請求項５において、
    　上記燃焼器に流入するガスを圧縮する圧縮機と、
    　上記燃焼器から流出したガスの圧力を受けて回転するタービンとを備え、
    　上記ガス処理装置は、上記圧縮機に設けられ、該圧縮機の回転機構が上記移動手段となっている
    ことを特徴とする内燃機関。
  7. 　請求項５において、
    　上記燃焼器に流入するガスを圧縮する圧縮機と、
    　上記燃焼器から流出したガスの圧力を受けて回転するタービンとを備え、
    　上記ガス処理装置は、上記タービンに設けられ、該タービンの回転機構が上記移動手段となっている
    ことを特徴とする内燃機関。
  8. 　対象空間のガスを電離させる電離手段と、
    　上記対象空間に照射される電磁波を発振する電磁波発振器と、
    　上記電離手段により電離したガスが存在するガス電離領域に上記電磁波発振器から供給された電磁波を照射するためのアンテナとを備え、
    　上記電離手段によりガスを電離させると共に、上記アンテナから電磁波を照射することにより、プラズマを生成するガス処理装置において、
    　上記プラズマが形成されている領域に圧縮したガスを送り込む圧縮手段を備えている
    ことを特徴とするガス処理装置。
  9. 　対象空間のガスを電離させる電離手段と、
    　上記対象空間に照射される電磁波を発振する電磁波発振器と、
    　上記電離手段により電離したガスが存在するガス電離領域に上記電磁波発振器から供給された電磁波を照射するためのアンテナとを備え、
    　上記電離手段によりガスを電離させると共に、上記アンテナから電磁波を照射することにより、プラズマを生成するガス処理装置において、
    　上記プラズマが生成された後に、上記アンテナから照射される電磁波の周波数を変化させることにより、電磁波により形成される強電場の位置を連続的に変化させて上記プラズマを移動させる
    ことを特徴とするガス処理装置。
  10. 　請求項９において、
    　１つのアンテナに複数の電磁波発振器が接続され、
    　上記プラズマが生成された後に、複数の電磁波発振器の少なくとも１つから発振される電磁波の波長を変化させて、上記強電場領域の位置を連続的に変化させて上記プラズマを移動させる
    ことを特徴とするガス処理装置。
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