(57)【要約】【課題】ガス流路を通過するガスに含まれる所定の成分を効率的に反応させることが可能なプラズマ反応器を提供する。【解決手段】本発明のプラズマ反応器１は、プラズマ発生電極２を二つ以上備え、二つ以上のプラズマ発生電極２が、ケース体５のガス流路６の内部に、それぞれ独立して電気的に制御された状態で直列的に配設されるとともに、ガス流路６の上流側１２に配設されたプラズマ発生電極２ａを構成するそれぞれの単位電極８ａの導電体３ａの表面の面積が、ガス流路６の下流側１３に配設されたプラズマ発生電極２ｂを構成する単位電極８ｂの導電体３ｂの表面の面積よりも小であり、それぞれのプラズマ発生電極２ａ，２ｂに、独立して制御された電力を投入することにより、それぞれの単位電極８の相互間にプラズマを発生させることできる。【選択図】図１
2006261040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の導電体と前記導電体の少なくとも一方の表面に配設されたセラミック誘電体とを有する複数の単位電極が所定の間隔を隔てて対向配置されたプラズマ発生電極、及び所定の成分を含むガスの流路（ガス流路）を内部に有するケース体を備えたプラズマ反応器であって、
前記プラズマ発生電極を二つ以上備え、二つ以上の前記プラズマ発生電極が、前記ケース体の前記ガス流路の内部に、それぞれ独立して電気的に制御された状態で直列的に配設されるとともに、
前記ガス流路の上流側に配設された前記プラズマ発生電極を構成するそれぞれの前記単位電極の前記導電体の表面の面積が、前記ガス流路の下流側に配設された前記プラズマ発生電極を構成する前記単位電極の前記導電体の表面の面積よりも小であり、
それぞれの前記プラズマ発生電極に、独立して制御された電力を投入することにより、それぞれの前記単位電極の相互間にプラズマを発生させることが可能なプラズマ反応器。
【請求項２】
二つ以上の前記プラズマ発生電極が、前記ケース体の前記ガス流路の内部に、直線状且つ直列的に配設された請求項１に記載のプラズマ反応器。
【請求項３】
前記ガス流路の下流側に配設された前記プラズマ発生電極を構成するそれぞれの前記単位電極の前記導電体の前記ガスの流れ方向における長さが、前記ガス流路の上流側に配設された前記プラズマ発生電極を構成する前記単位電極の前記ガスの流れ方向における長さよりも大である請求項１又は２に記載のプラズマ反応器。
【請求項４】
前記単位電極の前記セラミック誘電体が、前記導電体の両方の表面を覆うように配設されたものである請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ反応器。
【請求項５】
二つ以上の電源をさらに備え、それぞれの前記プラズマ発生電極が、前記二つ以上の電源のいずれか一つに接続されて、電気的に独立して制御された請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ反応器。
【請求項６】
前記二つ以上の電源が、それぞれパルス電源である請求項５に記載のプラズマ反応器。
【請求項７】
それぞれの前記プラズマ発生電極に投入する電力の量（Ｗ）が、前記導電体の単位面積当たりに投入する電力の量（Ｗ／ｍｍ2）が前記ガス流路の上流側に配設された前記プラズマ発生電極から下流側に配設された前記プラズマ発生電極に向って漸減するように構成された請求項１〜６のいずれかに記載のプラズマ反応器。
【請求項８】
前記二つ以上の電源を集中制御可能な制御手段をさらに備えた請求項５〜７のいずれかに記載のプラズマ反応器。
【請求項９】
前記制御手段が行う前記集中制御が、前記二つ以上の電源におけるそれぞれのパルスエネルギー制御、及び／又は前記二つ以上の電源におけるそれぞれのパルスの繰り返し周期の制御を含む請求項８に記載のプラズマ反応器。
【請求項１０】
前記制御手段が、前記ガス流路の上流側と下流側との圧力差を軽減するように、前記二つ以上の電源を集中制御する請求項８又は９に記載のプラズマ反応器。
【請求項１１】
前記ケース体の前記ガス流路の内部に配設されたそれぞれの前記プラズマ発生電極が、それぞれ独立して取り外し可能な請求項１〜１０のいずれかに記載のプラズマ反応器。
【請求項１２】
前記二つ以上の電源が、それぞれの内部に少なくとも一つのＳＩサイリスタを有する請求項５〜１１のいずれかに記載のプラズマ反応器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ反応器に関する。さらに詳しくは、プラズマを発生させる際に投入する電力を軽減し、ガス流路を通過するガスに含まれる所定の成分を効率的に反応させることが可能なプラズマ反応器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンの排気ガス等に含まれるＰＭ（粒子状浮遊物質）の除去や、一酸化窒素（ＮＯ）を酸化して二酸化窒素（ＮＯ2）に変換することにより処理するために、例えば、平行平板型、同軸円筒型、パックドベット型等のプラズマ発生電極を備えたプラズマ反応器（プラズマリアクタ）が用いられている（例えば、特許文献１〜３参照）。従来、このようなプラズマ反応器は、その内部に配設されたプラズマ発生電極に対して一台の電源、例えば、パルス電源に接続して用いられている。
【０００３】
このようなプラズマ反応器を構成するプラズマ発生電極は、対向する電極（導電体）間にセラミック誘電体を配置したものであり、この対向する電極間に交流又は周期パルス電圧を印可して無声放電を生じさせてプラズマを発生させることができる。例えば、特許文献２には、１又は複数に分割した反応板（電極）を有するプラズマ反応器（プラズマリアクタ）について開示されており、具体的には、一つのセラミック誘電体の表面に複数の反応板（電極）が配設されたものが図示されている。また、特許文献３には、反応容器を複数段直列に連ね、各段の反応容器への注入エネルギーを下流側ほど低減した多段式の反応装置が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−１９３４４１号公報
【特許文献２】米国特許第６４８２３６８号明細書
【特許文献３】特許第３０８９２１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このようなプラズマ反応器においては、一般的な燃焼排気ガスに含まれるＰＭの除去やＮＯの変換を行う際には、極めて多くの電力が必要となり問題となっていた。特に、平行平板型のプラズマ発生電極は、同程度の大きさの空間にプラズマを発生させることが可能な同軸円筒型のプラズマ発生電極と比較して、その静電容量が大きくなり、例えば、所定の電源（パルス電源）から供給する１パルス当たりのエネルギーを同一に設定したとしても、パルスの幅（半値幅）が大きくなってしまう。このようにパルスの幅（半値幅）が大きくなると、プラズマが発生する空間中の電子に加えイオンの移動にプラズマのエネルギーが消費されるようになり、上述したＰＭの除去やＮＯの変換の効率がさらに低下するという問題があった。また、特許文献３に示すような多段式の反応装置においては、電極線と円筒電極、又は電極線と平板電極のような構造の反応容器を複数段直列に連ね、各段の反応容器への注入エネルギーを下流側ほど低減したものであるが、上述したような構成の反応容器については、実効的な電極面積が小さくＰＭのような粒子状物質等の除去には効率が低く問題となっていた。具体的には、特許文献３に示すような多段式の反応装置は、それぞれの反応容器を構成する円筒電極や平板電極における静電集塵効率が低く、この静電集塵と連続的に起きる各種ラジカル等による酸化反応（燃焼）が促進されないため、粒子状物質等を除去する効率が低い。
【０００５】
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、プラズマを発生させる際に投入する電力を軽減し、効率的に被処理流体を処理することが可能なプラズマ反応器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
即ち、本発明は、以下のプラズマ反応器を提供するものである。
【０００７】
［１］板状の導電体と前記導電体の少なくとも一方の表面に配設されたセラミック誘電体とを有する複数の単位電極が所定の間隔を隔てて対向配置されたプラズマ発生電極、及び所定の成分を含むガスの流路（ガス流路）を内部に有するケース体を備えたプラズマ反応器であって、前記プラズマ発生電極を二つ以上備え、二つ以上の前記プラズマ発生電極が、前記ケース体の前記ガス流路の内部に、それぞれ独立して電気的に制御された状態で直列的に配設されるとともに、前記ガス流路の上流側に配設された前記プラズマ発生電極を構成するそれぞれの前記単位電極の前記導電体の表面の面積が、前記ガス流路の下流側に配設された前記プラズマ発生電極を構成する前記単位電極の前記導電体の表面の面積よりも小であり、それぞれの前記プラズマ発生電極に、独立して制御された電力を投入することにより、それぞれの前記単位電極の相互間にプラズマを発生させることが可能なプラズマ反応器。
【０００８】
［２］二つ以上の前記プラズマ発生電極が、前記ケース体の前記ガス流路の内部に、直線状且つ直列的に配設された前記［１］に記載のプラズマ反応器。
【０００９】
［３］前記ガス流路の下流側に配設された前記プラズマ発生電極を構成するそれぞれの前記単位電極の前記導電体の前記ガスの流れ方向における長さが、前記ガス流路の上流側に配設された前記プラズマ発生電極を構成する前記単位電極の前記ガスの流れ方向における長さよりも大である前記［１］又は［２］に記載のプラズマ反応器。
【００１０】
［４］前記単位電極の前記セラミック誘電体が、前記導電体の両方の表面を覆うように配設されたものである前記［１］〜［３］のいずれかに記載のプラズマ反応器。
【００１１】
［５］二つ以上の電源をさらに備え、それぞれの前記プラズマ発生電極が、前記二つ以上の電源のいずれか一つに接続されて、電気的に独立して制御された前記［１］〜［４］のいずれかに記載のプラズマ反応器。
【００１２】
［６］前記二つ以上の電源が、それぞれパルス電源である前記［５］に記載のプラズマ反応器。
【００１３】
［７］それぞれの前記プラズマ発生電極に投入する電力の量（Ｗ）が、前記導電体の単位面積当たりに投入する電力の量（Ｗ／ｍｍ2）が前記ガス流路の上流側に配設された前記プラズマ発生電極から下流側に配設された前記プラズマ発生電極に向って漸減するように構成された前記［１］〜［６］のいずれかに記載のプラズマ反応器。
【００１４】
［８］前記二つ以上の電源を集中制御可能な制御手段をさらに備えた前記［５］〜［７］のいずれかに記載のプラズマ反応器。
【００１５】
［９］前記制御手段が行う前記集中制御が、前記二つ以上の電源におけるそれぞれのパルスエネルギー制御、及び／又は前記二つ以上の電源におけるそれぞれのパルスの繰り返し周期の制御を含む前記［８］に記載のプラズマ反応器。
【００１６】
［１０］前記制御手段が、前記ガス流路の上流側と下流側との圧力差を軽減するように、前記二つ以上の電源を集中制御する前記［８］又は［９］に記載のプラズマ反応器。
【００１７】
［１１］前記ケース体の前記ガス流路の内部に配設されたそれぞれの前記プラズマ発生電極が、それぞれ独立して取り外し可能な前記［１］〜［１０］のいずれかに記載のプラズマ反応器。
【００１８】
［１２］前記二つ以上の電源が、それぞれの内部に少なくとも一つのＳＩサイリスタを有する前記［５］〜［１１］のいずれかに記載のプラズマ反応器。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のプラズマ反応器は、二つ以上のプラズマ発生電極が、ケース体のガス流路の内部に、それぞれ独立して電気的に制御された状態で直列的に配設されるとともに、ガス流路の上流側に配設されたプラズマ発生電極を構成するそれぞれの単位電極の導電体の表面の面積が、ガス流路の下流側に配設されたプラズマ発生電極を構成する単位電極の導電体の表面の面積よりも小であることから、プラズマを発生させる際に投入する電力を軽減し、ガス流路を通過するガスに含まれる所定の成分を効率的に反応させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、本発明のプラズマ反応器の実施の形態について詳細に説明するが、本発明は、これに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。
【００２１】
図１は、本発明のプラズマ反応器の一の実施の形態を模式的に示す斜視図である。図１に示すように、本実施の形態のプラズマ反応器１は、板状の導電体３と導電体３の少なくとも一方の表面に配設されたセラミック誘電体４とを有する複数の単位電極８が所定の間隔を隔てて対向配置されたプラズマ発生電極２、及び所定の成分を含むガスの流路（ガス流路６）を内部に有するケース体５を備えたプラズマ反応器１であって、上述したようなプラズマ発生電極２を二つ以上備え、二つ以上のプラズマ発生電極２が、ケース体５のガス流路６の内部に、それぞれ独立して電気的に制御された状態で直列的に配設されるとともに、ガス流路６の上流側１２に配設されたプラズマ発生電極２ａを構成するそれぞれの単位電極８ａの導電体３ａの表面の面積が、ガス流路６の下流側１３に配設されたプラズマ発生電極２ｂを構成する単位電極８ｂの導電体３ｂの表面の面積よりも小であり、それぞれのプラズマ発生電極２ａ，２ｂに、独立して制御された電力を投入することにより、それぞれの単位電極８ａ，８ｂの相互間にプラズマを発生させることが可能なものである。
【００２２】
このように、本実施の形態のプラズマ反応器１は、ケース体５のガス流路６の内部に、電気的に独立して制御された二つ以上のプラズマ発生電極２が直列的に配設されており、それぞれのプラズマ発生電極２の静電容量を小さくして、プラズマを発生させる際に投入する電力（投入電力）を軽減し、ガス流路６を通過するガスに含まれる所定の成分を効率的に反応させることが可能となる。さらに、本実施の形態のプラズマ反応器１は、ガス流路６の上流側１２に配設されたプラズマ発生電極２ａを構成するそれぞれの単位電極８ａの導電体３ａの表面の面積が、ガス流路６の下流側１３に配設されたプラズマ発生電極２ｂを構成する単位電極８ｂの導電体３ｂの表面の面積よりも小であることから、各プラズマ発生電極２ａ，２ｂに対して同程度の大きさの電力を投入したとしても、上流側１２に配設されたプラズマ発生電極２ａを構成する単位電極８ａの導電体３ａの静電容量は小さくなり、ＰＭの除去効率や一酸化窒素の変換効率等の高いプラズマを発生させることができる。逆に、下流側１３に配設されたプラズマ発生電極２ｂを構成する単位電極８ｂの導電体３ｂの静電容量は大きくなり、必要以上に反応効率等が高まることを回避することができる。
【００２３】
一般的に、プラズマ反応器のガス流路の内部にプラズマを発生させた場合、プラズマが発生した空間で生成される解離酸素原子や水酸化（ＯＨ）ラジカルによって、ガスに含まれる所定の成分の化学反応が促進される。例えば、上述した所定の成分として一酸化窒素（ＮＯ）を含む燃焼排気ガスをケース体のガス流路に通過させた場合には、ガス流路の上流側から下流側に進むにつれて、徐々に一酸化窒素（ＮＯ）が酸化されて二酸化窒素（ＮＯ2）へと変換され、燃焼排気ガスに含まれる一酸化窒素（ＮＯ）等の濃度は、ガス流路の上流側から下流側に進行するに従って低下する。このため、従来のプラズマ反応器のように、ガス流路の内部に配設された全ての導電体に対し、同一に制御された均一な電圧を印可してプラズマを発生させたとすると、ガス流路の下流側においは、反応させるべき成分の濃度に対して投入する電力が過剰となり、プラズマ反応器全体としての反応効率が低下してしまった。
【００２４】
例えば、図１に示すような本実施の形態のプラズマ反応器１のガス流路６に、一酸化窒素（ＮＯ）を含む燃焼排気ガスを通過させる場合には、一酸化窒素（ＮＯ）の濃度が比較的高いガス流路６の上流側１２においては、変換効率の高いプラズマを発生させ、一方、ガス流路６内の一酸化窒素（ＮＯ）の濃度が比較的低くなったガス流路６の下流側１３においては、上流側１２にて反応しきらなかった一酸化窒素（ＮＯ）やその副生成物を有効に反応させることができるように、上流側１２よりも変換効率の低いプラズマを、上流側１２よりも広い範囲において発生させる。
【００２５】
また、本実施の形態のプラズマ反応器１においては、それぞれのプラズマ発生電極２ａ，２ｂを構成する単位電極８ａ，８ｂが板状の導電体３ａ，３ｂを有していることから、実効的な単位電極８ａ，８ｂの面積を大きくすることができる。このため、排気ガスに含まれるＰＭ（粒子状浮遊物質）のような粒子状物質等を単位電極８ａ，８ｂに静電集塵する効率が高く、この静電集塵と連続的に起きる各種ラジカル等による酸化反応（燃焼）が促進されるため、ＰＭのような粒子状物質を除去する排気ガス処理装置等としても良好に用いることができる。
【００２６】
また、このプラズマ反応器１は、二つ以上のプラズマ発生電極２ａ，２ｂが電気的に独立して制御されていることから、ガス流路６内の一酸化窒素（ＮＯ）の濃度に合わせて、それぞれのプラズマ発生電極２ａ，２ｂに投入する電力の大きさを調整することができる。例えば、ガス流路６の一酸化窒素（ＮＯ）の濃度が比較的高い上流側１２に配設されたプラズマ発生電極２ａに対しては、投入する電力を比較的に大きくし、一方、ガス流路６内の一酸化窒素（ＮＯ）の濃度が比較的低い下流側１３に配設されたプラズマ発生電極２ｂに対しては、投入する電力を比較的に小さくする。このように構成することによって、プラズマ反応器１全体としての反応効率を低下させることなく、プラズマ発生電極２に投入する電力を軽減することができる。
【００２７】
通常、プラズマを発生させる導電体の表面の面積が大きくなるに従って、その導電体の静電容量が大きくなる。このため、従来のプラズマ反応器のように、一つのプラズマ発生電極を用いてプラズマ反応器における全てのプラズマを発生させる場合には、プラズマ反応器の消費電力が大きくなり、エネルギー効率が悪くなってしまう。本実施の形態のプラズマ反応器１においては、二つ以上のプラズマ発生電極２（図１においては二つのプラズマ発生電極２ａ，２ｂ）を備えていることから、それぞれの導電体３の表面の面積は従来の半分程度となる。このため、それぞれの導電体３の静電容量が小さくなり、これに伴い、発生させるプラズマのパルスの幅（半値幅）も小さくなり、ＰＭの除去効率や一酸化窒素の変換効率等の反応効率を向上させることが可能となる。
【００２８】
なお、図１においては、二つのプラズマ発生電極２ａ，２ｂがケース体５のガス流路６の内部に配設されたプラズマ反応器１を示しているが、プラズマ発生電極２の数については特に制限はなく、例えば、図２に示すように、三つ以上のプラズマ発生電極２が直列的に配設されていてもよい。また、例えば、図３に示すように、少なくとも二つのプラズマ発生電極２（図３においては、三つのプラズマ発生電極２）がガスの流れ方向に対して直列的に配置されるとともに、このように直列的に配置された少なくとも二つのプラズマ発生電極２に対して、さらに別のプラズマ発生電極２が並列的に配置されてケース体５のガス流路６の内部に配設されていてもよい。図３に示すように、ガスの流れ方向に対して、直列的且つ並列的に複数のプラズマ発生電極２が配置されることにより、ガス流路６を通過するガスの状況に応じてそれぞれのプラズマ発生電極２に投入する電力を制御し、導電体３に印可する電圧を調整することができる。例えば、排気ガスに含まれる一酸化窒素（ＮＯ）やＰＭ等の濃度は、ガスの流れ方向に対して垂直な方向に対しても、ガス流速やガス流路６内の温度変化によって分布が発生するため、このようにガスの流れ方向に対して並列的に配置することによって、効率的にガスに含まれる成分を反応させることができる。なお、図２に示すように、三つ以上のプラズマ発生電極２が直列的に配設されている場合には、そのうちの少なくとの二つのプラズマ発生電極２が電気的に独立して制御されていればよい。
【００２９】
なお、本実施の形態のプラズマ反応器１においては、二つ以上のプラズマ発生電極２ａ，２ｂが、ケース体５のガス流路６の内部に、直線状且つ直列的に配設されたもの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、プラズマ反応器１のガス流路６の内部の圧力損失を低減することができる。このため、例えば、圧力損失に伴う燃料消費率の悪化が懸案される自動車の排気ガス浄化装置等として、本実施の形態のプラズマ反応器１を良好に用いることができる。
【００３０】
また、本実施の形態のプラズマ反応器１は、ガス流路６の上流側１２に配設されたプラズマ発生電極２ａを構成するそれぞれの単位電極８ａの導電体３ａの表面の面積が、ガス流路６の下流側１３に配設されたプラズマ発生電極２ｂを構成する単位電極８ｂの導電体３ｂの表面の面積よりも小であるならば、それぞれの単位電極８ａ，８ｂの形状及び導電体３ａ，３ｂの形状については特に制限はないが、本実施の形態のプラズマ反応器１においては、ガス流路６の下流側１３に配設されたプラズマ発生電極２ｂを構成するそれぞれの単位電極８ｂの導電体３ｂのガスの流れ方向における長さが、ガス流路６の上流側１２に配設されたプラズマ発生電極２ａを構成する単位電極８ａのガスの流れ方向における長さよりも大であることが好ましい。導電体３ｂのガス流れ方向の長さを３ａと同一もしくは短くした場合には、単位電極８ａで構成されるプラズマ発生電極２ａに比較して、単位電極８ｂで構成されるプラズマ発生電極２ｂの開口部（互いに対向する単位電極８相互間の空間にガスが流入する開口部分）の面積が大きくなり、このような二つ以上のプラズマ発生電極を直列にした場合に開口部の面積の不連続性が生じる。特に、このような二つ以上のプラズマ発生電極を近接して直列に設置した場合には、ガスに乱流が発生したり、プラズマを発生させる空間にガスが滞留するデッドスペースができ、反応のエネルギー効率が低下する。これを回避するためには、二つ以上のプラズマ発生電極を所定の距離だけ離して設置したり、二つ以上のプラズマ発生電極間をテーパー状の配管で結ぶ必要があり、大きなスペースを必要とする。
【００３１】
また、本実施の形態のプラズマ反応器１は、図４及び図５に示すように、少なくとも一つのプラズマ発生電極２を構成する単位電極８の導電体３に、膜厚方向に貫通した複数の貫通孔９が形成されたものであってもよい。このように貫通孔９を形成することにより、導電膜３の静電容量を変化させることができる。なお、図４及び図５においては、プラズマ反応器１を構成する全てプラズマ発生電極２において、単位電極８の導電体３に貫通孔９が形成されているが、導電膜３に貫通孔９を形成する場合には、少なくとも一つのプラズマ発生電極２の導電膜３に貫通孔９を形成すればよい。ここで、図４及び図５は、本発明のプラズマ反応器の他の実施の形態を模式的に示す斜視図であり、図４及び図５において、図１に示すプラズマ反応器１と同様に構成されている各要素については、同一の符号を付して説明を省略する。なお、この貫通孔９の大きさや配列パターンについては特に制限はなく、ガス流路６を通過させる流体、例えば、排気ガス等に含まれる成分の種類や濃度によってい適宜選択することができる。
【００３２】
また、図１に示すように、本実施の形態のプラズマ反応器１は、二つ以上の電源１１をさらに備え、それぞれのプラズマ発生電極２が、二つ以上の電源１１の少なくともいずれか一つに接続されて、電気的に独立して制御されたもの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、一つの電源１１に対して必要とされる最大出力電力等の各種性能値を軽減させることが可能となり、電源１１の小型化や低コスト化を実現することができる。
【００３３】
本実施の形態のプラズマ反応器１においては、このような二つ以上の電源１１をさらに備えている場合には、この二つ以上の電源１１が、それぞれパルス電源であることが好ましい。このパルス電源は、プラズマ発生電極２を構成する単位電極８相互間に効率よくプラズマを発生させることができる。さらに、より効率よくプラズマを発生させることができるように、この二つ以上の電源１１が、それぞれの内部に少なくとも一つのＳＩサイリスタを有することが好ましい。
【００３４】
また、例えば、本実施の形態のプラズマ反応器１が二つ以上の電源１１をさらに備えている場合には、それぞれのプラズマ発生電極２ａ，２ｂに投入する電力の量（Ｗ）が、導電体３ａ，３ｂの単位面積当たりの電力量（Ｗ／ｍｍ2）が、ガス流路６の上流側１２に配設されたプラズマ発生電極２ａから下流側１３に配設されたプラズマ発生電極２ｂに向って漸減するように構成されていることが好ましい。このように構成することによって、上流側１２のプラズマ発生電極２ａにおける反応効率を向上又は低下させることなく、下流側１３のプラズマ発生電極２ｂにおける反応効率を必要十分な大きさに抑制することが可能となり、プラズマ反応器１全体としてプラズマを発生させる際に投入する電力を軽減し、ガス流路６を通過するガスに含まれる所定の成分を効率的に処理することができる。
【００３５】
また、本実施の形態のプラズマ反応器１においては、二つ以上の電源１１を集中制御可能な制御手段をさらに備えたものであることが好ましい。上述したように、ガス流路６の内部に配設されたそれぞれのプラズマ発生電極２には、それぞれの位置において最適な投入電力があり、さらに、時間的な変化により、その最適な投入電力は変化する。このため、二つ以上の電源１１を集中制御可能な制御手段をさらに備えたものすることで、反応効率をさらに向上させることができる。
【００３６】
この制御手段が行う集中制御は、二つ以上の電源１１におけるパルスエネルギー制御、及び／又は二つ以上の電源１１におけるパルスの繰り返し周期の制御であることが好ましい。このような制御手段としては、例えば、各プラズマ発生電極２ａ，２ｂの後段部分に設けた温度センサ、ＮＯXセンサ、スート（ｓｏｏｔ）センサ等の出力をエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）に送り、あらかじめインプットされているプログラムに従い、二つ以上の各電源１１の投入エネルギーとパルス周波数を独立に制御して、最小の投入電力で最大のＮＯ改質効果及びＰＭ除去効果が得られるように構成したものを好適例として挙げることができる。
【００３７】
また、本実施の形態のプラズマ反応器１においては、この制御手段が、ガス流路６の上流側１２と下流側１３との圧力差、即ち、ガス流路６の圧力損失を軽減するように、二つ以上の電源１１を集中制御することが好ましい。例えば、ＰＭ等を含む燃焼排気ガスをガス流路６の内部に通過させた場合、燃焼排気ガスに含まれるＰＭは、単位電極８相互間の空間に堆積して、ガス流路６に圧力差（圧力損失）を生じさせている。この際、燃焼排気ガスに含まれるＰＭはガス流路６の上流側１２に配設されたプラズマ発生電極２ａに比較的多く堆積するため、上流側１２に配設されたプラズマ発生電極２ａに対しては、この比較的多く堆積したＰＭを除去することが可能なように、比較的大きな電力を投入するように電源１１ａを制御し、下流側１３に配設されたプラズマ発生電極２ｂに対しては、下流側１３に堆積したＰＭを除去することができる程度の電力、即ち、上流側１２のプラズマ発生電極２ａに投入する電力よりも小さい電力となるように電源１１ｂを制御する。なお、ガス流路６の圧力差（圧力損失）は、例えば、それぞれのプラズマ発生電極２を構成する単位電極８相互間に圧力計を配設することによって測定することができる。
【００３８】
また、本実施の形態のプラズマ反応器１においては、ガスに含まれる所定の成分が一酸化窒素（ＮＯ）の場合に、この制御手段が、ガス流路６の下流側１３における一酸化窒素（ＮＯ）の量が減少するように、二つ以上の電源１１を集中制御することが好ましい。このように構成することによって、本実施の形態のプラズマ反応器１を、自動車の排気ガスを処理する排気ガス処理装置等に好適に用いることができる。
【００３９】
なお、上述した一酸化窒素（ＮＯ）の変換効率やＰＭの除去効率といった反応効率は、それぞれのプラズマ発生電極２における導電体３の単位面積当たりに投入する電力の量（Ｗ／ｍｍ2）によって制御することが可能であり、例えば、導電体３の単位面積当たりに投入する電力の量（Ｗ／ｍｍ2）を変化させながら、ガス流路６のそれぞれの位置における一酸化窒素（ＮＯ）の濃度やＰＭの量、また、それぞれの位置における圧力差（圧力損失）等を連続的に測定し、一酸化窒素（ＮＯ）の変換効率やＰＭの除去効率がより高くなるように、導電体３の単位面積当たりに投入する電力の量（Ｗ／ｍｍ2）を変化させることによって制御を行うことが好ましい。
【００４０】
また、本実施の形態のプラズマ反応器１においては、ケース体５のガス流路６の内部に配設されたそれぞれのプラズマ発生電極２が、それぞれ独立して取り外し可能なもの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、例えば、一つのプラズマ発生電極２が故障した場合でも、そのプラズマ発生電極２のみを交換して修理することが可能となり、メンテナンス性に優れたものとなる。
【００４１】
なお、本実施の形態のプラズマ反応器１に用いられるプラズマ発生電極２は、電極の基本単位となる二つ以上の単位電極８が対向配置されて構成されたものである。この単位電極８は、板状の導電体３と、導電体３の少なくとも一方の表面に配設されたセラミック誘電体４と有したものである。なお、図１に示すセラミック誘電体４は、導電体３の両方の表面を覆うように配設されたものである。また、図１に示す単位電極８は、セラミック誘電体４に覆われた導電体３と電源１１との電気的な接続を行うための導電端子７を有している。
【００４２】
セラミック誘電体４は、誘電体として好適に用いることができるものであればよく、特に限定されることはないが、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、ムライト、コージェライト、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、及びバリウム−チタン系酸化物からなる群から選ばれる少なくとも一種の化合物を含むものであることが好ましい。このような化合物を含むものを用いることにより、耐熱衝撃性に優れたセラミック誘電体４とすることができる。このセラミック誘電体４は、例えば、テープ状のセラミックグリーンシートや、押出成形で得られたシートを用いて形成することができる。また、粉末乾式プレスで作製した平板を用いても形成することができる。なお、セラミック誘電体４の大きさは特に制限はなく、使用目的に応じて適宜決定することができる。
【００４３】
導電体３は、対向する相互間に有効に放電を起させることが可能なものであればよく、特に限定されることはないが、例えば、タングステン、モリブデン、マンガン、クロム、チタン、ジルコニウム、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含むことが好ましい。
【００４４】
また、導電体３は薄膜状であることが好ましく、例えば、上述した金属を含むペーストを、シート状のセラミック誘電体４に塗工して形成されたものであることが好ましい。具体的な塗工の方法としては、例えば、スクリーン印刷、カレンダーロール、スプレー、静電塗装、ディップ、ナイフコータ、インクジェット、化学蒸着、物理蒸着等を好適例として挙げることができる。このような方法によれば、表面の平滑性に優れ、且つ厚さの薄い導電体３を容易に形成することができる。
【００４５】
また、本実施の形態のプラズマ反応器１に用いられるプラズマ発生電極２は、対向する単位電極８相互間の空間が所定の間隔に保たれるように、少なくとも一方の端部が保持されていることが好ましい。
【００４６】
ケース体５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、軽量且つ安価であり、熱膨張による変形の少ないフェライト系ステンレス等であることが好ましい。
【００４７】
プラズマ反応器１に用いられる電源１１の容量については特に制限はないが、例えば、プラズマ反応器１を自動車の排気系中に設置する場合には、プラズマ発生電極２に供給する電流１１が、電圧が１ｋＶ以上の直流電流、ピーク電圧が１ｋＶ以上且つ１秒当たりのパルス数が１００以上（１００Ｈｚ以上）であるパルス電流、ピーク電圧が１ｋＶ以上且つ周波数が１００以上（１００Ｈｚ以上）である交流電流、又はこれらのいずれか二つを重畳してなる電流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、効率よくプラズマを発生させることができる。
【００４８】
以上説明したように、本実施の形態のプラズマ反応器１は、二つ以上のプラズマ発生電極２ａ，２ｂが、ケース体５のガス流路６の内部に、それぞれ独立して電気的に制御された状態で直列的に配設されるとともに、ガス流路６の上流側１２に配設されたプラズマ発生電極２ａを構成するそれぞれの単位電極８ａの導電体３の表面の面積が、ガス流路６の下流側１３に配設されたプラズマ発生電極２ｂを構成する単位電極８ｂの導電体３ｂの表面の面積よりも小であることから、プラズマを発生させる際に投入する電力を軽減し、ガス流路を通過するガスに含まれる所定の成分を効率的に反応させることができる。また、二つ以上の電源１１をさらに備えている場合には、これらを制御することにより、さらに反応の効率を向上させることができる。
【実施例】
【００４９】
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。
【００５０】
（実施例１）
三つのプラズマ発生電極が、ケース体のガス流路の内部に、ガスの流れ方向に対して直列的に配置されて配設されたプラズマ反応器（実施例１）を製造した。最も上流側に配置されたプラズマ発生電極（以下、第１のプラズマ発生電極という）は、四角形の板状の導電体にセラミック誘電体が配設された四十枚の単位電極を対向配置して作製した。この単位電極は、ガスが流入する側の一辺の長さ（幅）が８４ｍｍ、ガスの流れ方向の長さ（奥行き）が１５ｍｍであり、それぞれ対向する単位電極が０．５ｍｍの間隔を空けるように構成されている。また、ガスの流れ方向に対して中間の位置に配設されたプラズマ発生電極（以下、第２のプラズマ発生電極という）は、四角形の板状の導電体にセラミック誘電体が配設された四十枚の単位電極を対向配置したものであり、この単位電極のガスの流れ方向の長さ（奥行き）が３５ｍｍとした以外は、第１のプラズマ発生電極と同様に構成されている。さらに、最も下流側に配設されたプラズマ発生電極（以下、第３のプラズマ発生電極という）は、四角形の板状の導電体にセラミック誘電体が配設された四十枚の単位電極を対向配置したものであり、この単位電極のガスの流れ方向の長さ（奥行き）５０ｍｍとした以外は、第１のプラズマ発生電極と同様に構成されている。
【００５１】
このプラズマ反応器の第１〜第３のプラズマ発生電極に、それぞれ異なる電源から、それぞれ１５０Ｗ（合計で４５０Ｗ）の電力を投入して、それぞれの単位電極の相互間にプラズマを発生させた。そして、このプラズマ反応器のガス流路に、ＰＭ（粒子状浮遊物質）が２．３ｇ／ｈ含まれる、２２０℃の排気ガスを、流量が１ｍ3／分となるように通気して、この排気ガスに含まれるＰＭの除去効率を測定した。このＰＭの除去効率は、単位電極の相互間にプラズマを発生させない状態でガス流路の下流側から排出されたＰＭの量（以下、全ＰＭの量という）からプラズマ発生時にガス流路の下流側から排出されたＰＭの量（以下、未処理ＰＭの量という）を減算した値を、上述した全ＰＭの量で除算した割合（％）を示すものである。なお、ガス流路の下流側から排出されたＰＭの量は、ガス流路の下流側にろ紙を配設し、配設したろ紙に捕集されたＰＭの質量を測定することによって求めた。本実施例においては、ＰＭの除去効率は、８５％であり、この効率で総試験時間の２４時間の保持が可能であった。
【００５２】
（比較例１）
導電体にセラミック誘電体が配設された四十枚の単位電極を対向配置してプラズマ発生電極を作成し、このプラズマ発生電極をケース体の内部に配設してプラズマ反応器（比較例１）を製造した。このプラズマ発生電極の単位電極は、ガスが流入する側の一辺の長さ（幅）が８４ｍｍ、ガスの流れ方向の長さ（奥行き）が１００ｍｍであり、それぞれ対向する単位電極が０．５ｍｍの間隔を空けるように構成されている。このプラズマ反応器（比較例１）は、実施例１のプラズマ反応器と略同一の大きさの領域にプラズマを発生させることが可能なものである。
【００５３】
比較例１のプラズマ反応器において、プラズマ発生電極に投入する電力を変化させながら、実施例１のプラズマ反応器と同様の方法でＰＭ除去効率を測定したところ、実施例１と略同一の８５％の除去効率を得るためには、６００Ｗの電力が必要であったものの、この効率で総試験時間の２４時間の保持が可能であった。
【００５４】
また比較例１のプラズマ反応器に４５０Ｗの電力を投入した場合には、３０分間８５％のＰＭ除去効率を維持したものの、以降低下し８時間後には１０％となったので途中で試験を中止した。試験後にこのプラズマ反応器の内部を観察したところ、電極がＰＭでほとんど埋め尽くされている状態になっていた。
【００５５】
また、実施例１のプラズマ反応器の第１〜第３のプラズマ発生電極に、それぞれ１５０Ｗ（合計で４５０Ｗ）の電力を投入してプラズマを発生させた後、このプラズマ反応器に、窒素（Ｎ2）をベースガスとし、酸素（Ｏ2）が１５体積％、二酸化炭素（ＣＯ2）が４．２体積％、一酸化炭素（ＣＯ）が１３００ｐｐｍ、一酸化窒素（ＮＯ）が１９０ｐｐｍ、窒素酸化物（ＮＯX）が２００ｐｐｍ、プロピレン（Ｃ3Ｈ6）が２５０ｐｐｍ、及び水分（Ｈ2Ｏ）が４．５体積％含まれる、２１３℃の排気ガスを、その流量が０．５ｍ3／分となるように通気して、一酸化窒素（ＮＯ）の二酸化窒素（ＮＯ2）の変換効率（以下、単に、一酸化窒素（ＮＯ）の変換効率ということがある）を測定した。この一酸化窒素（ＮＯ）の変換効率は、単位電極相互間にプラズマを発生させない状態でガス流路の下流側から排出されたＮＯの量（以下、全ＮＯの量という）からプラズマ発生時にガス流路の下流側から排出されたＮＯの量（以下、未変換ＮＯの量という）を減算した値を、上述した全ＮＯの量で除算した割合（％）を示すものである。なお、ガス流路の下流側から排出されたＮＯの量は、化学蛍光法によって測定した。実施例１のプラズマ反応器における一酸化窒素（ＮＯ）の変換効率は、８０％であった。
【００５６】
同様に、比較例１のプラズマ反応器のプラズマ発生電極に、６００Ｗの電力を投入してプラズマを発生させた後、窒素（Ｎ2）をベースガスとし、酸素（Ｏ2）が１５体積％、二酸化炭素（ＣＯ2）が４．２体積％、一酸化炭素（ＣＯ）が１３００ｐｐｍ、一酸化窒素（ＮＯ）が１９０ｐｐｍ、窒素酸化物（ＮＯX）が２００ｐｐｍ、プロピレン（Ｃ3Ｈ6）が２５０ｐｐｍ、及び水分（Ｈ2Ｏ）が４．５体積％含まれる、２１３℃の排気ガスを、その流量が０．５ｍ3／分となるように通気して、一酸化窒素（ＮＯ）の二酸化窒素（ＮＯ2）の変換効率を測定したところ、８０％であり、４５０Ｗの電力を投入した場合には６８％であった。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明のプラズマ反応器は、プラズマを発生させる際に投入する電力を軽減し、効率的に被処理流体を処理することができることから、例えば、排気ガス等に含まれる所定の成分を処理する排気ガス処理装置等に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明のプラズマ反応器の一の実施の形態を模式的に示す斜視図である。
【図２】本発明のプラズマ反応器の他の実施の形態を模式的に示す斜視図である。
【図３】本発明のプラズマ反応器の他の実施の形態を模式的に示す斜視図である。
【図４】本発明のプラズマ反応器の他の実施の形態を模式的に示す斜視図である。
【図５】本発明のプラズマ反応器の他の実施の形態を模式的に示す斜視図である。
【符号の説明】
【００５９】
１…プラズマ反応器、２，２ａ，２ｂ…プラズマ発生電極、３，３ａ，３ｂ…導電体、４…セラミック誘電体、５…ケース体、６…ガス流路、７…導電端子、８，８ａ，８ｂ…単位電極、９…貫通孔、１１，１１ａ，１１ｂ…電源、１２…上流側、１３…下流側。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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