(57)【要約】      （修正有）【課題】簡易な構成で高周波エネルギを効率よく利用し被処理ガス中に含まれる特定成分の分解が可能で搭載性にすぐれた排気浄化装置の提供する。【解決手段】少なくとも、高周波ＲＦを発振する高周波発振手段３０と、高周波発生手段３０から発振された高周波ＲＦを伝送する導波管１０とを具備し、被処理排気の流れる排気流路の流路方向１１、１２と導波管１０の伝送方向とを一致させて排気流路１１、１２に導波管１０を介装し、処理前の被排気が流れる処理前排気流路１１に連通する導波管１０の入口側開口と、処理済の被排気が流れる処理済排気流路１２に連通する導波管１０の出口側開口とに、被処理排気は透過し、高周波発生手段３０から発振された高周波ＲＦは反射する気体透過性高周波反射壁２０、２１を設けると共に、導波管１０を導波管１０の両端に設けた気体透過性高周波反射壁２０、２１の間で高周波ＲＦの定在波が形成される長さに設定する。【選択図】図１
2011122526.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理排気中に含まれる特定成分に高周波を照射し、分解する排気浄化装置であって、
少なくとも、高周波を発振する高周波発振手段と、該高周波発振手段から発振された高周波を伝送する導波管とを具備し、
被処理排気の流れる排気流路の流路方向と上記導波管の伝送方向とを一致させて上記排気流路に上記導波管を介装し、
処理前の被排気が流れる処理前排気流路に連通する上記導波管の入口側開口と、処理済の被排気が流れる処理済排気流路に連通する上記導波管の出口側開口とに、被処理排気は透過し、上記高周波発振手段から発振された高周波は反射する気体透過性高周波反射壁を設けると共に、
上記導波管を上記導波管の両端に設けた上記気体透過性高周波反射壁の間で上記高周波の定在波が形成される長さに設定したことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
高電圧を発生する高電圧発生手段と、該高電圧発生手段からの高電圧の印加により上記導波管内に放電を行う放電手段を具備する請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項３】
上記放電手段は、上記定在波の腹となる位置で放電可能となるように配設した請求項１又は２に記載の排気浄化装置。
【請求項４】
上記放電手段を複数設けた請求項１ないし３のいずれか１項に記載の排気浄化装置。
【請求項５】
上記高周波発振手段から上記導波管に高周波を発振するアンテナを上記導波管の出口側開口から上記定在波の１／４波長又は３／４波長の距離に設けた請求項１ないし４のいずれか１項に記載の排気浄化装置。
【請求項６】
上記高周波が、周波数１ＧＨｚから１０ＧＨｚのマイクロ波である請求項１ないし５のいずれか１項に記載の排気浄化装置。
【請求項７】
上記被処理排気が、内燃機関、焼成炉、焼却炉、燃焼炉、火力発電機から排出される燃焼排気のいずれかであり、上記特定成分が、未燃焼炭化水素、カーボン、粒子状物質、可溶性有機成分（ＳＯＦ）、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）のいずれかである請求項１ないし６のいずれか１項に記載の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関、焼却炉、燃焼炉、火力発電機等から排出される燃焼排気中に含まれる未燃燃料、粒子状物質、ＮＯｘ、ＳＯＦ、ＶＯＣ等の特定成分をマイクロ波プラズマによって分解除去する排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の燃焼排気流路にハニカム構造体からなる多孔質フィルタや触媒担持フィルタを配設し、燃焼排気中に含まれる粒子状物質、ＮＯｘ等の有害物質を、多孔質フィルタへの吸着や触媒による分解によって除去する排気浄化装置が広く用いられている。
【０００３】
しかし、従来のフィルタを介した排気浄化装置では、フィルタの目詰まりによる流路抵抗の増加や、触媒の経年劣化によって排気浄化能力が低下する虞がある。
【０００４】
このような問題に対して、特許文献１には、内燃機関の排気ガスを排出する排気管の途中に設けられた加熱室と、前記加熱室に高周波エネルギを発生し供給する高周波発生手段と、前記加熱室に収納され、高周波エネルギを吸収して発熱する高周波発熱体と、前記加熱室に収納され、内燃機関から排出される排気ガスの流れに対し、前記高周波発熱体の後方に配置され、前記排気ガスの熱と前記高周波発熱体より発生する熱で加熱される排気ガス中に含まれる有害物質を分解する浄化手段とを備えた内燃機関用排気ガス浄化装置が開示されている。
【０００５】
特許文献２には、排気通路の一部にセラミック又はセラミック内張りの反応管を介装し、これに直交する導波管又は空洞共振器からマイクロ波電界を反応管内に流れる排ガスに印加するに当たり、導波管又は空洞共振管の上流側において排気ガスを予備電離することによりマイクロ波プラズマの安定生成を促し、このプラズマ中で排気微粒子や未燃焼炭化水素等を排気中の過剰酸素と反応させることにより内燃機関排気微粒子を燃焼除去する方法が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、特許文献１にあるような、高周波発生手段から供給された高周波エネルギを直接排気中に含まれる有害物質の分解に用いるのではなく、高周波エネルギを高周波発熱体に吸収させ、高周波発熱体の熱によって排気中の有害物質の分解を間接的に行う排気浄化装置では、高周波発生手段に極めて高い出力が要求されるため、電源容量の限られた自動車等に搭載する場合、供給可能なエネルギが不足し十分な浄化能力を発揮できない虞がある。
【０００７】
また、特許文献１の排気ガス浄化装置では、高周波発生手段で発生した高周波は導波管を介して排気管内に導入されている。このとき、排気ガスの流入側には、高周波が遮断される開口部が設けられ、下流側には、高周波発熱体へ給電するための開口部が設けられ、高周波発熱体の下流側で高周波の漏れを防止する高周波遮断手段が設けられているため、排気管内に導入された高周波の伝送方向が変わるだけでなく、導波管と排気管との管径が大きく異なるため、共振状態を維持することができず高周波が分散し、エネルギ効率が低下する虞がある。
【０００８】
加えて、高周波の伝送方向が変わっても共振状態を維持するためにはスタブチューナやＥＨチューナ等の調整手段を設ける必要があり、装置の体格が大きくなるので、車両等の限られた空間には、搭載が困難となる虞もある。
【０００９】
一方、特許文献２にあるような、導波管又は空洞共振管の上流側において排気ガスを予備電離することによりマイクロ波プラズマの安定生成を図ろうとした場合、予備電離した排気ガスが空洞共振管に到達するまでの距離によっては電離状態が維持されず放電エネルギが無駄となる虞もある。
【００１０】
そこで、本発明は、かかる実情に鑑み、簡易な構成で高周波エネルギを効率よく利用し被処理ガス中に含まれる特定成分の分解が可能で搭載性にすぐれた排気浄化装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の発明では、被処理排気中に含まれる特定成分に高周波を照射し、分解する排気浄化装置であって、少なくとも、高周波を発振する高周波発振手段と、該高周波発生手段から発振された高周波を伝送する導波管とを具備し、被処理排気の流れる排気流路の流路方向と上記導波管の伝送方向とを一致させて上記排気流路に上記導波管を介装し、処理前の被排気が流れる処理前排気流路に連通する上記導波管の入口側開口と、処理済の被排気が流れる処理済排気流路に連通する上記導波管の出口側開口とに、被処理排気は透過し、上記高周波発生手段から発振された高周波は反射する気体透過性高周波反射壁を設けると共に、上記導波管を上記導波管の両端に設けた上記気体透過性高周波反射壁の間で上記高周波の定在波が形成される長さに設定する（請求項１）。
【００１２】
第１の発明によれば、導波管内に高周波発生手段から発振された高周波が定在波を形成し、導波管内に電界強度の高い定在波の腹に当たる領域と電界強度の低い定在波の節に当たる領域とが流路方向に一定周期で形成され、処理前排気流路から導波管内に導入された被処理排気は、必ず電界強度の高い領域を通過することになり、このとき、被処理排気中に含まれる特定成分が直接的に高周波エネルギを吸収し、電離されプラズマ状態となって分解され、処理済排気流路へ排出される。
【００１３】
また、被処理排気中の特定成分に対して強電界領域において高周波エネルギを直接的にしかも集中的に作用させるので効果的に被処理排気の浄化を行うことができる。
【００１４】
第２の発明では、高電圧を発生する高電圧発生手段と、該高電圧発生手段からの高電圧の印加により上記導波管内に放電を行う放電手段を具備する（請求項２）。
【００１５】
第２の発明によれば、高周波エネルギのみならず、放電エネルギが加わることでより効果的に被処理排気中の特定成分のプラズマ化を促進し、被処理排気の浄化が進む。また、高周波エネルギと放電エネルギとの相乗効果により、それぞれに供給するエネルギは、同様の効果を発揮するために、単独で供給する場合に比して少なくすることができる。
【００１６】
第３の発明では、上記放電手段は、上記定在波の腹となる位置で放電可能となるように配設する（請求項３）。
【００１７】
第３の発明によれば、電界強度の高い位置で、高周波エネルギと放電エネルギとが同時に被処理排気中の特定成分に供給されるので、さらに、効果的に被処理排気中の特定成分のプラズマ化を促進し、被処理排気の浄化が進む。
【００１８】
第４の発明では、上記放電手段を複数設ける（請求項４）。
【００１９】
第４の発明によれば、被処理排気が導波管内を移動する際に、高周波エネルギのみならず、放電エネルギが複数回に渡って繰り返し供給されるので、より確実に被処理排気中の特定成分のプラズマ化を促進し、被処理排気の浄化が進む。
【００２０】
具体的には、第５の発明のように、上記高周波発振手段から上記導波管に高周波を発振するアンテナを上記導波管の出口側開口から上記定在波の１／４波長又は３／４波長の距離に設ける（請求項５）。
【００２１】
第５の発明によれば、導波管内に高周波の定在波を確実に形成することができ、効果的に被処理排気中の特定成分のプラズマ化を促進し、被処理排気を浄化する排気浄化装置が実現できる。
【００２２】
具体的には、第６の発明のように、上記高周波は、周波数１ＧＨｚから１０ＧＨｚのマイクロ波であるのが望ましい。
【００２３】
第７の発明では、上記被処理排気が、内燃機関、焼成炉、焼却炉、燃焼炉、火力発電機から排出される燃焼排気のいずれかであり、上記特定成分が、未燃焼炭化水素、カーボン、粒子状物質（ＰＭ）、可溶性有機成分（ＳＯＦ）、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）のいずれかである（請求項７）。
【００２４】
第７の発明によれば、排気流路の流路抵抗が変化せず、内燃機関等の燃焼効率に影響を与えることなく、ＰＭ等の特定成分を、プラズマ化し、若しくは酸化し、無害化して処理済排気として排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施形態における排気浄化装置の概要を示す構成図。
【図２】本発明の第１の実施形態における排気浄化装置における導波管内に発生する定在波の様子を示し、（ａ）は、磁界と電流とを示す平面図、（ｂ）は、磁界と電流とを示す側面図、（ｃ）は、電界を示す縦断面図、（ｄ）は、電界を示す横断面図、(ｅ)は、流路方向の電界分布を示す特性図、（ｆ）は、横断面方向の電界分布を示す特性図。
【図３】本発明の第２の実施形態における排気浄化装置における導波管内に発生する定在波の様子を示し、（ａ）は、磁界と電流とを示す平面図、（ｂ）は、電界を示す縦断面図、（ｃ）は、流路方向の電界分布を示し、定在波の状態を表す特性図、（ｄ）は、電界と磁界を示す横断面図、（ｅ）は、横断面方向の電界分布を示す特性図。
【図４】発明の第３の実施形態における排気浄化装置の概要を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明は、被処理排気として、内燃機関、焼成炉、焼却炉、燃焼炉、火力発電機から排出される燃焼排気のいずれかであり、被処理排気中に含まれる特定成分が、未燃焼炭化水素、カーボン、粒子状物質（ＰＭ）、可溶性有機成分（ＳＯＦ）、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）のいずれかである場合に、目詰まり等によって燃焼排気の流れる排気流路の流路抵抗が変化することがないので、内燃機関等の燃焼効率に影響を与えることなく、ＰＭ等の特定成分を、プラズマ化し、若しくは酸化し、無害化して処理済排気として排出することができる排気浄化装置であり、特に、自動車エンジンの始動時における排気中のＰＭやＮＯｘの低減に好適なものである。
【００２７】
図１を参照して、本発明の第１の実施形態における排気処理装置１の概要について説明する。
排気処理装置１は、被処理排気中に含まれるＰＭ等の特定成分に高周波ＲＦを照射し、分解する排気浄化装置であって、マイクロ波等の高周波ＲＦを発振する高周波発振手段３０と、高周波発振手段３０から発振された高周波ＲＦを伝送する導波管１０とを具備し、被処理排気の流れる排気流路１１、１２の流路方向と導波管１０の伝送方向とを一致させて排気流路１１、１２に導波管を介装し、処理前の被排気が流れる処理前排気流路１１に連通する導波管１０の入口側開口と、処理済の被排気が流れる処理済排気流路１２に連通する導波管の出口側開口とに、被処理排気は透過し、高周波発振手段３０から発振された高周波ＲＦは反射する気体透過性高周波反射壁２０、２１を設けると共に、導波管１０を導波管１０の両端に設けた気体透過性高周波反射壁２０、２１の間で高周波ＲＦの定在波が形成される長さに設定してある。
具体的には、高周波発振手段３０として、周波数１ＧＨｚから１０ＧＨｚのマイクロ波、特に２．５４ＧＨｚのマイクロ波を発振するマグネトロンが好適である。また、マグネトロンの発振出力は、例えば、１００Ｗ〜３００Ｗのものを用いることができる。
気体透過性高周波反射壁２０、２１としては、使用する高周波ＲＦの遮断波長に応じた開口を有する、パンチングメタル、金網等を用いることができる。
【００２８】
高周波発振手段３０からアンテナ３１を介して発振された高周波ＲＦは、導波管１０内で定在波を形成し、導波管１０内に電界強度の高い定在波の腹に当たる領域と電界強度の低い定在波の節に当たる領域とが流路方向に一定周期で形成され、処理前排気流路から導波管内に導入された被処理排気は、必ず電界強度の高い領域を通過することになり、このとき、被処理排気中に含まれる特定成分が高周波エネルギを直接吸収し、電離されプラズマ状態となって、分解され、処理済排気流路へ排出される。
また、被処理排気中の特定成分に対して強電界領域において高周波エネルギを直接的に、かつ、集中的に作用させるので、効果的に被処理排気の浄化を行うことができる。
【００２９】
さらに、本実施形態においては、高電圧を発生する高電圧発生手段５０と、高電圧発生手段５０からの高電圧の印加により導波管１０内に放電を行う放電手段４０が設けられており、高周波エネルギのみならず、放電エネルギが加わることができる構成となっている。
また、放電手段４０は、定在波の腹となる位置で放電可能となるように配設され、定在波の１／２波長毎に放電手段を複数設けるのが望ましい。
【００３０】
なお、本発明において、放電手段４０の具体的な構成としては、少なくとも絶縁体４１を介して導波管１０の壁面に固定され、高電圧を印加したときに導波管１０内に放電できる放電電極４２を具備するものであれば、コロナ放電、アーク放電、無声放電、延面放電、気中放電、プラズマ放電、イオン放電など如何なる形式のものであっても良い。
また、高電圧発生装置３０は、連続的に高電圧を印加するものでも、パルス的に高電圧を印加するものでも良い。
このような構成とすることにより、電界強度の高い位置で、高周波エネルギと放電エネルギとが同時に被処理排気中の特定成分に供給され、さらに、複数の放電手段４０を設けることにより被処理排気が導波管１０内を移動する際に、高周波エネルギのみならず、放電エネルギが複数回に渡って繰り返し供給されるので、より確実に被処理排気中の特定成分のプラズマ化を促進し、被処理排気の浄化が進む。
【００３１】
具体的には、高周波発振手段３０から導波管１０に高周波ＲＦを発振するアンテナ３１は導波管１０の出口側開口から電界の変化よって形成される定在波の１／４波長又は３／４波長の距離に設けてあり、導波管１０の両端の気体透過性高周波反射壁２０、２１の位置に定在波の節が発生するように、導波管１０の長さが調整されている。    
このような構成とすることによって導波管１０内に高周波の定在波を確実に形成することができ、効果的に被処理排気中の特定成分のプラズマ化を促進し、被処理排気を浄化する排気浄化装置が実現できる。
【００３２】
さらに具体的には、導波管１０として、（社）日本電子情報技術産業協会（旧称（社）日本電子機会工業会）発行のＪＥＩＴＡ規格（旧称ＥＩＡＪ規格）ＴＴ３００１Ａ〜ＴＴ３０１１Ａにある方形導波管ＷＲＩ−２２、２６（国際電気標準会議ＩＥＣ規格：Ｒ２２、２６相当）、円形導波管ＷＣＩ−２２、２５、３０（ＩＥＣ規格：Ｃ２２相当）等をモードに併せて適宜用いることができる。
【００３３】
図２を参照して、導波管１０として、方形導波管（ＷＲＩ−２６）を用いた場合の基本モード（Ｈ１０）における電磁界分布について説明する。
本図（ａ）は、磁界Ｈと電流Ｉとを示す平面図、（ｂ）は、磁界Ｈと電流Ｉとを示す側面図、（ｃ）は、電界Ｅを示す縦断面図、（ｄ）は、電界Ｅを示す横断面図、(ｅ)は、流路方向の電界分布を示し、定在波を表す特性図、（ｆ）は、横断面方向の電界分布を示す特性図である。
【００３４】
本実施例において、導波管１０の開口は、ａ＝８６．４ｍｍ、ｂ＝４３．２ｍｍに設定してある。
例えば、高周波ＲＦの周波数が２．４５ＧＨｚのマイクロ波であるとき、波長は、約１２２．４ｍｍであるので、気体透過性高周波反射壁２０、２１としては、１／２波長、即ち、開口径約６ｃｍより小さい開口径の格子を有する金網が設けてある。
本実施形態では、出口側開口から３／４波長、即ち、約９１．８ｍｍの位置に、アンテナ３１が設けられている。
【００３５】
アンテナ３１から発振されたマイクロ波は、導波管１０内に伝播し、気体透過性高周波反射壁２０、２１を透過することなく反射され、導波管１０内に定在波を形成する。
このとき、管内波長λｇは、約１７．３５ｃｍの周期で、電界強度の高い領域と電界強度の低い領域とが繰り返し表れる。図中に、電界をＥ、磁界をＨ、電流をＩで示した。
遮断波長  ：λｃ＝２ａ＝１７．２８（ｃｍ）
遮断周波数：ｆｃ＝Ｖｃ／２ａ＝１７．３６（ＧＨｚ）
管内波長  ：λｇ＝λ０／√{〔１−（λ０／１．７２８）２〕}
＝１７．３５ｃｍ
ａ：導波管長辺（ｃｍ）
λ０：自由空間波長（ｃｍ）
したがって、定在波の腹に合わせるように、約１７．３５ｃｍ毎に、放電手段４０を設ければ、マイクロ波の強電界領域と放電場とを一致させ、極めて効率よく、被処理排気中のＰＭ、ＮＯｘ等の特定成分をプラズマ化し、分解できる。
【００３６】
ＰＭ、Ｎｏｘ等の特定成分を含む被処理排気が、導波管１０内を通過するときに電界強度の高い定在波の腹に当たる領域を複数回繰り返して通過するので、この間に特定成分が効率よくプラズマ化される。
【００３７】
図３を参照して、本発明の第２の実施形態として、円形導波管１０ａ（ＷＣＩ２２）を用いた場合の基本モード（Ｈ１１）における電磁界分布について説明する。円形導波管１０ａを用いた場合のＨ１１モードは、方形導波管１０を用いた場合のＨ１０モードに対応するものである。本図（ａ）は、磁界Ｈと電流Ｉとを示す平面図、（ｂ）は、電界Ｅを示す縦断面図、（ｃ）は、流路方向の電界分布を示し、定在波の状態を表す特性図、（ｄ）は、電界Ｅと磁界Ｈを示す横断面図、（ｅ）は、横断面方向の電界分布を示す特性図である。
【００３８】
本実施形態においては、約１８ｃｍ毎に、放電手段４０を設ければ、マイクロ波の強電界領域と放電場とを一致させ、極めて効率よく、被処理排気中のＰＭ、ＮＯｘ等の特定成分をプラズマ化し、分解できる。  
遮断波長  ：λｃ＝２ａ＝１．７０６ｄ（ｃｍ）
遮断周波数：ｆｃ＝Ｖｃ／２ａ＝１７．５９（ＧＨｚ）
管内波長  ：λｇ＝λ０／√{〔１−（λ０／１．７０６ｄ）２〕}
＝１７．９７（ｃｍ）
ｄ：導波管内径（ｃｍ）
λ０：自由空間波長（ｃｍ）
【００３９】
図４を参照して、本発明の第３の実施形態における排気浄化装置１ｂについて説明する。上記実施形態においては、放電手段４０として、高電圧発生装置５０から高電圧を印加したときに、放電電極４１と、導波管１０との間若しくは、被処理排気中への放電が行われるものを使用した例を示したが、本実施形態のように、放電電極４１ａとこれに対向する接地電極４１ｂとの間で、放電するようなものを用いても良い。
【００４０】
なお、放電電極４１、４１ａ、４１ｂの形状は、図１、図４に示したような、棒状又は針状のものに限定するものではなく、平板状でも良いし、軸の先端に球状の放電部を設けたものでも良いし、一般に点火プラグとして用いられるような、絶縁体を介して対向する中心電極と接地電極とに間でアーク放電を発生するものでも良いし、長軸状の中心電極を覆う筒状の絶縁体と同心に配設した環状の接地電極とによって、絶縁体の内側に放電空間を区画したプラズマ点火プラグを用いても良い。
【００４１】
また、本発明は上記実施形態に限定するものではなく、被処理排気流路の一部に両端に被処理排気は透過し、高周波は反射する導波管を気体透過性高周波反射壁を設けて、導波管内に高周波の定在波を形成して、被処理排気中の特定成分をプラズマ化する本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて適宜変更し得るものであり、複数の高周波を発信するアンテナを並べて配設したり、二つのアンテナの軸方向が直交するように配設したりする構成として、被処理排気中の特定成分がプラズマ化される機会を増やすようにしても良い。
【００４２】
さらに、本発明の排気浄化装置は、単独の使用により上述の効果を発揮し得るものであるが、従来のフィルタを用いた排気浄化装置の上流側又は下流側に設けて、補助排気浄化装置として用いても良い。
【符号の説明】
【００４３】
１  排気浄化装置
１０  導波管
１１  処理前排気流路
１２  処理済排気流路
２０  入口側高周波反射壁
２１  出口側高周波反射壁
３０  高周波発振手段（マグネトロン）
３１  高周波発振アンテナ
４０  放電手段
４１  絶縁部
４２  放電部
５０  高電圧電源
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４４】
【特許文献１】特開平６−２５３５号公報
【特許文献２】特開２００３−１７６７１０号公報
【図１】
2011122526.tif 000003
【図２】
2011122526.tif 000004
【図３】
2011122526.tif 000005
【図４】
2011122526.tif 000006