(57)【要約】対向する電極間に被処理気体を流通させるとともに該電極間に所定の電圧を印加し、該電極間にグロー放電からアーク放電への遷移域の放電状態を維持してなるガス分解用放電方法。被処理気体を流通させる空間を画成する相対向する電極と、該電極間に所定の電圧を印加する電源と、該電極間にグロー放電からアーク放電への遷移域の放電状態を維持させるために該電源の電圧または周波数の調整手段を備えてなることを特徴とするガス分解用放電装置。
2003053550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する電極間に被処理気体を流通させるとともに該電極間に所定の電圧を印加し、該電極間にグロー放電からアーク放電への遷移域の放電状態を維持してなることを特徴とするガス分解用放電方法。
【請求項２】
前記遷移域の放電状態において、前記両電極間における不規則な糸状の発光が狭幅の錐状発光に成長してなることを特徴とする請求項１記載のガス分解用放電方法。
【請求項３】
前記電極間に被処理気体を流通させる環状の空間が形成され、該被処理気体を該環状の空間に螺旋状に旋回させながら流通させてなることを特徴とする請求項１または２記載のガス分解用放電方法。
【請求項４】
前記電極間に交流電源を接続し、該交流電源の電圧を調整することによって前記遷移域の放電を維持してなることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のガス分解用放電方法。
【請求項５】
前記電極間に交流電源を接続し、該交流電源の電圧を高電圧に維持するとともにその周波数を調整することによって前記遷移域の放電を維持してなることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のガス分解用放電方法。
【請求項６】
前記放電電極間の間隔が一定であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のガス分解用放電方法。
【請求項７】
前記電極間の交流放電電流の各周期の波形は、時間幅の小さい高電流部と、該高電流部に引き続いて現れる、該高電流部よりも時間幅の大きい低電流部とからなる台形波形であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載のガス分解用放電方法。
【請求項８】
前記被処理気体が、Ｎ２Ｏ、ＮＯ、Ｎ２Ｏ３、ＮＯ２、及びＮ２Ｏ５の化学式で表される窒素酸化物又は該２つ以上の窒素酸化物の組み合わせを含む気体であることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載のガス分解用放電方法。
【請求項９】
前記被処理気体が有害な揮発性有機化合物を含有する気体であることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載のガス分解用放電方法。
【請求項１０】
前記各々の電極は電気的に活性な表面を１つ以上有し、前記遷移域の放電が、前記電極間において該活性な表面の略全面で発生することを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載のガス分解用放電方法。
【請求項１１】
被処理気体を流通させる空間を画成する相対向する電極と、該電極間に所定の電圧を印加する電源と、該電極間にグロー放電からアーク放電への遷移域の放電状態を維持させるために該電源の電圧または周波数の調整手段を備えてなることを特徴とするガス分解用放電装置。
【請求項１２】
前記相対向する電極の間隙が一定であることを特徴とする請求項１１記載のガス分解用放電装置。
【請求項１３】
前記相対向する電極が同心上に配設された内外一対の円筒状電極によって形成されてなることを特徴とする請求項１１または１２記載のガス分解用放電装置。
【請求項１４】
前記相対向する電極の被処理気体流入側が該流入側に向けて徐々に断面積が減少する環状流入路として形成してなることを特徴とする請求項１１乃至１３の何れか１項に記載のガス分解用放電装置。
【請求項１５】
前記相対向する電極の間隔が３ｍｍ〜８ｍｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１１乃至１４の何れか１項に記載のガス分解用放電装置。
【請求項１６】
前記各々の電極は電気的に活性な表面を１つ以上有し、該各々の活性な表面は、炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、炭素、炭素繊維、セラミックス、ガラス、並びにこれらの素材のうちの１つ又は２つ以上の素材を組み合わせた素材のいずれかを含んでなることを特徴とする請求項１１乃至１５の何れか１項に記載のガス分解用放電装置。
【請求項１７】
前記電極のうちの一方の電極の電気的に活性な表面の素材は、他方の電極の電気的に活性な表面の素材とは異なることを特徴とする請求項１６に記載のガス分解用放電装置。
【請求項１８】
前記相対向する電極は互いに平行に配置された平板形状を有する第１電極と、同じく平板形状を有する第２電極とから形成されてなることを特徴とする請求項１１−１２，１５−１７の何れか１項に記載のガス分解用放電装置。
【請求項１９】
前記相対向する電極は０°を越え約９０°以内の内角を有して配置された、前記平板形状を有する第１電極と、同じく平板形状を有する第２電極との間に形成されてなることを特徴とする請求項１１−１２，１５−１７の何れか１項に記載のガス分解用放電装置。
【請求項２０】
前記相対向する内外一対の円筒状電極を約５ｍｍ間隔で分離し、該電極に約３０ｋＶ、約７ｋＨｚの交流電流を印加して該電極間にグロー放電からアーク放電への遷移域の放電状態を維持させるようにしてなることを特徴とする請求項１１乃至１７の何れか１項に記載のガス分解用放電装置。
【請求項２１】
前記相対向する電極を内外一対の円筒状電極から形成した放電ユニットを複数ユニット揃え、これらの放電ユニットをハウジング内に並列に配設し、該ハウジングには被処理気体の１個の流入口と１個の流出口とを設け、該複数のユニットを単一の交流電源に接続し、該交流電源からは各放電ユニットの該電極間にグロー放電からアーク放電への遷移域の放電状態を維持させるための電圧を印加するようにしてなることを特徴とする請求項１１乃至１７の何れか１項に記載のガス分解用放電装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、有害ガス等を放電により分解する方法及びその方法に使用する装置に関する。
背景技術
近年、ＮＯｘ、ダイオキシン類等を含む燃焼排ガス、あるいはトリクロロエチレン、アルデヒド等の揮発性有機化合物を含むプロセス排ガス等を放電により分解するガス分解用放電方法及びその装置に対する社会的ニーズが高まっている。
従来より、ＮＯｘ（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、Ｎ２Ｏ３、ＮＯ２、Ｎ２Ｏ５を含む）を分解する技術として、例えば、特開平６−１７８９１４号公報に示されているようなグロー放電プラズマを用いて排ガス中の窒素酸化物を無害化することを目的とした排ガス処理装置が公知である。この公知の装置では、筒状の第１電極の内面に筒状の誘電体を接触して配置し、誘電体の中心部に小径の筒状の第２電極を配設し、第２電極には側面に複数の孔を穿設してアルゴンガス供給手段と連結し、第１電極及び第２電極を電源手段と接続している。この公知の装置では処理対象の排ガスを筒状誘電体と第２電極間の比較的広い環状空間に軸方向の層流として供給し、第１電極と第２電極間でグロー放電を発生させ、排気ガス中の窒素酸化物を分解する。このとき第２電極の複数の孔からアルゴンガスを噴出してグロー放電プラズマを安定させ、電力供給手段の電圧調整範囲を広範囲なものとしている。
しかしながらこの従来の装置ではＮＯｘ等の有害ガスを無害化する程度に十分分解することができず、またアルゴンガスは希少な気体であるから高価な排ガス処理方法となるため実用化されていない。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ＮＯｘ等の有害ガスを極めて効率的に分解することができ、アルゴンガス等の希少ガスを使用することなく安価にして実用的なガス分解用放電方法及びガス分解用放電装置を実現することにある。
発明の開示
上記の目的を達成するために、本発明のガス分解方法は対向する電極間に被処理気体を流通させるとともに該電極間に所定の電圧を印加し、該電極間にグロー放電からアーク放電への遷移域の放電状態を維持してなることを特徴とする。
両電極間に電圧を印加し、この印加電圧を増大していくと、ある電圧値で両電極間にグロー放電が始まる。このグロー放電の開始は空気中においては両電極間に青色の光が発光することによって確認することができる。この状態から更に電圧を徐々に高めていくと青色の発光状態が安定し、次いで電圧を更に上昇するとこの青色の発光中にこれより明るい不規則な糸状の発光が両電極間に多数発生し、更に印加電圧を高めるとこの糸状発光が成長して多数の狭幅の錐状発光が一方の電極から他方の電極に向けて流れるように発生する。この状態よりも電圧を高めると、クラッキング音を発して１本の太い紐状放電体が両電極間に走り、アーク放電状態となる。
本発明においてグロー放電からアーク放電への遷移域の放電状態とは、グロー放電からアーク放電に移る間に両電極間に多数の糸状の発光体が発生する状態と、次いで錐状の発光体が発生する状態である。但し、本発明において好ましい遷移状態は錐状の発光体が発生する状態である。電極間の放電状態をグロー放電からアーク放電へ遷移させるには、交流電源の場合には周波数を一定にして電圧を変化させる以外に、電圧を一定にして周波数を変化させる方法がある。
また、正弦波の交流電源を用いて電圧を上昇させ、３〜８ｍｍ、好ましくは５ｍｍの間隔で分離した両電極間に流れる電流波形をオシロスコープで観察すると、グロー放電状態では先端が鋭角な山と谷が連続した電流波形となり、アーク放電状態では上端部が崩れた台形波形が連続した波形となり、グロー放電からアーク放電への遷移状態では上記台形波形の始端が針状に尖った波形となっている。
本発明では好ましくは円筒状に内側電極とその内側電極を同心上に囲繞する円筒状の外側電極で両電極を形成し、該内側電極と該外側電極との間に電圧を印加して該電極間にグロー放電からアーク放電への遷移域の放電状態を維持するとともに、前記両電極間の環状空間に被処理気体を螺旋状に旋回させながら移動させることである。
これにより被処理気体は両電極間でグロー放電からアーク放電への遷移域の放電に長距離に亘って曝され、ガス分解効率を向上させることができる。
上記のように被処理気体を内側電極と外側電極との間の環状空間を螺旋状に旋回させながら移行させるには、その環状空間へのガス流入路を環状空間へ向けて徐々に断面積が減少する環状流入路とすることが好ましい。
また、前記被処理気体としてはＮ２Ｏ、ＮＯ、Ｎ２Ｏ３、ＮＯ２、及びＮ２Ｏ５の化学式で表される窒素酸化物またはこれらの１つ又は２つ以上の窒素酸化物の組み合わせを含む気体または揮発性有機化合物の場合にその分解効率が顕著である。
発明を実施するための最良の形態
（第一の実施の形態）
＜ガス分解のための装置構成＞
図１は、本発明によりＮＯｘ等のガスを分解させる放電装置の好適な一実施形態を示す。本実施形態の放電装置は外側電極１０及び内側電極２０と、両電極間に形成されたガスを分解空間としての環状空間３０と、電極１０、２０の間に電圧を印加する交流電源装置４０とを主たる構成要素としている。
外側電極１０および内側電極２０は、夫々、同心上に配設した円筒状の電極であり、外側電極１０は内側電極２０の図１中右側約半分を取り囲むように配置されている。外側電極１０は、例えばＪＩＳ  ＳＵＳ３０４のようなステンレス鋼により構成されており、その内側表面は、研磨されて光沢のある電気的に活性な表面とされている。
一方、内側電極２０は次のような構成を有する。即ち、電極２０の中心部を軸方向に延びる中心軸２４の周囲に例えばカイノール（商品名）のような炭素繊維２３が巻きつけられ、炭素繊維２３の表面には、例えば上薬のようなガラス層２６を介して、２ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３・５ＳｉＯ２等の化学組成で表されるセラミックス層２２が設けられている。さらに、そのセラミックス層２２の表面には、例えば上薬のようなガラス層２１が設けられている。内側電極２０の両端は、例えば２ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３・５ＳｉＯ２といった化学組成で表されるセラミックスからなる蓋２７で閉じられており、上記中心軸２４は図１中左側の蓋２７を同図中左向きに突出している。
外側電極１０と内側電極２０は３〜８ｍｍ、好ましくは５ｍｍの間隔を置いて分離し、その間に環状空間３０を画成している。
両電極を収容するハウジング６０は円筒状のハウジング本体６２と、当該ハウジング本体６２に対してポリイミドからなる絶縁材６４で絶縁されて連結される円錐台形状のガス入口部６６及びガス出口部６８とを含んでいる。円錐台形状のガス入口部６６にはフランジ７０が連設されており、さらにこのフランジ７０に外側電極１０が固着され、外側電極１０はハウジング６０内部に固定されている。一方、内側電極２０は、例えばＪＩＳ  ＳＵＳ３０４のようなステンレス鋼からなる支持部材８０によって、ハウジング６０内部に固定されている。
交流電源装置４０の一方の端子に接続されたリード線９０は、ハウジング本体６２に設けられた絶縁筒１００を通って、内側電極２０を構成する軸２４の端部に電気的に接続されている。一方、交流電源装置４０の他方の端子及びガス入口部６６はアース線９５によって接地されている。
交流電源装置４０はトランス回路を備え、電流計４１及び過電流遮断装置４２を備えている。電流計４１により交流電源装置４０の出力電流が所定値を超えたことが検出されると、過電流遮断装置４２により、交流電源装置４０から電極１０、２０への電圧印加が遮断される。尚、本実施の形態における交流電源装置４０の最大出力電圧は約３０ｋＶであり、最大周波数は約５０ｋＨｚであり、最大出力電力は約２ｋＷである。
ガス出口部６８には、ガス分析器１１０及びガス採取管１２０が貫通保持されている。ガス分析器１１０としては、例えばＨＯＲＩＢＡ  ＰＯＲＴＡＢＬＥ  ＧＡＳ  ＡＮＡＬＹＺＥＲ  型番ＰＧ−２４０が用いられる。また、簡易なガス分析手段としてガステック検知器及びガス検知管を使用してもよい。
本発明の上記第１の実施形態によりＮＯｘ等の有害ガスを分解するには、交流電源装置により外部電極１０及び内部電極２０に所定の電圧及び周波数の電圧を印加するとともにガス入口部から被処理ガスを圧送する。この時、外部電極１０及び内部電極２０に印加する電圧及び周波数は、両電極間にグロー放電域とアーク放電域の間（遷移域）の放電状態となるように設定する。このように交流電源を調整し、前記有害ガス等を例えば自動車の排気管から、上記入口部６６の円錐台形の空間を通って両電極間の環状空間３０内に圧送すると、その有害ガスは環状空間３０に於いて出口側に向かって環状空間３０を螺旋状に旋回し、長距離に亘って上記遷移域の放電に曝され極めて効率的に分解される。
＜放電状態の検証＞
本願発明者は、放電によるガス分解実験を繰り返して検討を重ねた結果、上記遷移域における放電状態に於いて、高い効率でＮＯｘ等のガスを分解できることを見出した。
ここで、遷移域における放電の検証のために行った実験について説明する。図２は、かかる実験に用いた放電装置１５０の構成を示す。同図に示すように、放電装置１５０は、円筒状のハウジング１７０の内周面に固定された外側電極１３０とハウジング内部に設置した保持ブロックの外周に固定された内側電極１４０とを備え、両電極間に環状の空間１６０が形成されている。この環状空間の間隙部の幅（軸方向と直交方法の幅）は５ｍｍとした。電極１３０、１４０は、例えばＪＩＳ  ＳＵＳ３０４から構成されており、外側電極１３０の内側表面は、好ましくは、研磨されて光沢のある電気的に活性な面とされる。保持ブロックはその両側が円錐台形状に形成され、その端部には外周部に複数の透孔１７３を穿設した保持端板１７１を介してハウジング１７０に螺子１７２によって固定されている。ハウジングの一端にはガス入口導入管１８０が、またハウジングの他端にはガス排出管１９０が取り付けられている。
かかる構成により、ガス導入管１８０から流入した被処理ガスは、一方の端板１７１の透孔１７３を通って環状空間１６０を通過し、さらに、他方の端板１７１の透孔１７３を通って、ガス排出管１９０から流出できるようになっている。
電極１３０、１４０には、それぞれ、端子１３１、１４１がハウジング及び保持ブロックを介して電気的に接続され、端子１３１、１４１には交流電源装置が接続されている。この交流電源装置は、端子１３１、１４１を介して、電極１３０、１４０間に電圧を調整自在とし、周波数を３３ｋＨｚに固定した正弦波状の交流電圧が印加できるようになっている。こうして電極１３０、１４０間に交流電圧を印加しながらその電圧を徐々に上昇していくと、内側電極１４０と外側電極１３０との間の環状空間１６０に放電が発生する。
同時に、ガスこの放電状態をガス出口側の外側から内側電極の保持端板１７１の外周部に穿設した透孔１７３を通して目視観察できるようにした。さらに、ガス排出管１９０から、放電電流波形を検出する不図示のプローブを挿入して、外側電極１３０に接触させ、電極１３０、１４０間に印加される電流の時間変化を測定した。
内側電極１４０に、周波数３３ｋＨｚの交流電圧を印加しながらその電圧を０ボルトから徐々に増加させていき、両電極１３０，１４０間の放電状態を目視したところ、約０．７ｋＶ未満では、放電空間１６０内部に可視的な変化はなかった。
約０．７ｋＶになるとグロー放電が始まり、引き続いて電圧を上昇させるとそのグロー放電は安定し環状空間１６０全体に広がる青い発光が認められ、この状態は３．８５ｋＶまで続いた。次いで電圧が４．００ｋＶになるとグロー放電が変化して青色の発光中にこれより明るい不規則な糸状の発光が多数両電極間に発生するのが認められ、更に電圧を上昇させると４．０６ｋＶ付近で、図６に示すように、この糸状発光が成長して多数の狭幅の錐状発光が内側電極から外側電極に向けて発生するようになり、外側電極１３０側（接地側）の端部が橙色となる状態が確認できた、この状態は４．１３ｋＶまで続いた。そして、電圧を４．２０Ｖにした途端に大きなクラッキング音ともに内部電極と外部電極との間に１本の紐状の放電が発生しアーク放電状態となり、この状態は更に電圧を上げていったときにも持続した。以上のような目視から、０．７０ｋＶ〜３．８５ｋＶまではグロー放電域で、４．２０ｋＶからはアーク放電域となり、４．００ｋＶ〜４．２０ｋＶ未満の狭い範囲はグロー放電からアーク放電への遷移域と観察された。
そして、電流波形をオシロスコープで観察するとグロー放電域では、図３（Ａ）に示すように、先端が鋭角な山と谷が連続した電流波形となり、アーク放電域では、図３（Ｃ）に示すように、上端部が崩れた台形波形が連続した波形となり、グロー放電からアーク放電への遷移域では、図３（Ｂ）に示すように、上記台形波形の始端が針状に尖った波形となっている
そしてまた、上記の印加電圧が４．０６ｋＶの時に、送風ファンを作動させて放電空間１６０内に空気を送り込むと、錐状の強い光が両電極間の環状空間１６０内を出口側に向けて旋回する状態が確認できた。この放電状態で、プローブにて検出された電流波形は、前記の場合と同様に図３（Ｂ）に示すような波形を有していた。この波形は、時間幅の小さいピーク状の高電流部と、その後に続く、時間幅の大きい低電流部とから構成された歪んだ方形波である。
次に、第２図における放電状態の観察の結果をふまえて、各放電域におけるガソリンエンジンの排気ガスからのＮＯｘの除去効率について検証した。
ガソリンエンジンの排気ガスを不図示のゴムパックに捕集して、これを送風ファンを介して放電装置１５０のガス導入管１８０に連結し、放電装置１５０内に排気ガスを流入させた。そして、ガス排出管１９０より、ガス採取用のテドラバック（登録商標）に放電処理されたガスを捕集し、この捕集したガスのＮＯｘ濃度をガステック検知器及び検知管にて検出した。
内側電極及び外側電極に電圧を印加せず、放電を発生させない場合に、排気ガス内で検出されたＮＯの濃度は２００ｐｐｍであり、ＮＯ２の濃度は０ｐｐｍ（検出限界以下）であった。これに対して、内側電極及び外側電極に各種電圧を印加した場合の、ガス排出管１９０で採取されたガスのＮＯ及びＮＯ２の濃度を表１及び図４に示す。表１及び図４によれば、印加電圧が４．０６ｋＶ以下では、印加電圧の上昇に応じて、排気ガス中のＮＯの濃度が減少する。一方、４．２ｋＶ以上の印加電圧ではＮＯの濃度が印加電圧の上昇に応じて急峻に増大する。さらに、４．２ｋＶ以上の印加電圧では、排気ガス中では検出限界以下であったＮＯ２の濃度が急峻に増大し始める。このようなＮＯ２濃度の上昇は、アーク放電によってＮＯ２が生成されることによるものと考えられる。また、電圧が４．０ｋＶ以上４．２ｋＶ未満の遷移域グロー放電域に比べてＮＯの減少は顕著である。
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以上のように、遷移域では放電電流が、立ち上がり時に鋭いピークを含む歪んだ方形波になり、この遷移域においてＮＯとＮＯｘの両方を効率的に分解できることが分かった。そこで、本発明者は、図１に示す放電装置において、立ち上がり時に鋭いピークを含む図３（Ｂ）に示すような方形波状の電流を出力する交流電源装置４０を作成して、出力電圧を例えば３０ｋＶと一定に維持しながら周波数を調整することによりグロー放電域からアーク放電域への遷移域を見出すことができた。
＜ガソリンエンジン排気ガスの分解実験＞
本実験では、図５に示すように、図１に示す放電装置の内部放電ユニット、即ち外側電極１０と内側電極２０と両電極間に形成されガスを分解するための環状空間３０とを含む放電ユニット５０ａ、を３個並列に並べた放電装置２１０を用いた。放電装置２１０は、１つのガス入口部２２０及び１つのガス出口部２３０を有するハウジング２４０内に、図１に示される放電ユニット５０ａを３つ水平面上において並列に配置し、隣接する放電ユニット５０ａ間に隔壁２４５を設けたものである。かかる放電装置２１０において、排気量２５００ｃｃのガソリンエンジン２００から排出される排気ガスを各放電ユニット５０ａに供給して放電を行った。
ガソリンエンジン２００から排出される排気ガスは、ガス入口部２２０にて三分割されて、各放電ユニット５０ａ毎に放電処理される。上記したように、交流電源装置４０から、立ち上がり時に鋭いピークを含む歪んだ方形波状の電圧を印加して、放電の前記遷移域を維持するようにした。こうして放電を維持した状態で、環状空間３０を通過した処理済の排気ガスに含まれるＮＯｘの濃度をガス分析器１１０により測定した。
実験条件は以下の通りである。
排気量２５００ｃｃのガソリンエンジン２００の排気管２５０に、導入管２６０を介して放電装置２１０のガス入口管２２０を接続し、ガソリンエンジン２００を運転して、エンジン回転数を１６００ｒｐｍ及び２０００ｒｐｍとした。本実施の形態においては、印加電圧が３０ｋＶ、周波数７ｋＨｚでグロー放電からアーク放電の遷移域に達した。かかる条件下では、３つの環状空間３０内全てにおいて、図６の写真に示されるような、錐状の強い光が複数本存在する放電状態が確認された。なお、本実施の形態の場合、ガソリンエンジン２００の回転数の上昇にともなって排気ガスがガソリンエンジン２００から勢いよく排出されるので、当該排気ガスを電極間の環状空間に３０内に送り込むために、上記した送風ファンを特に必要としない。表２は、各エンジン回転数における残留ＮＯｘ濃度の測定結果、及びＮＯｘの除去率を示す。
表２から、放電ユニット５０ａを３つ並列に連結して、全てに遷移域の放電が発生するような印加電圧及び周波数を設定すれば、普段使用される自動車からの排気ガスに対して、高いＮＯｘ除去率を維持できることが判った。
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＜Ｎ２Ｏの分解＞
本発明の他の実施形態を図７及び図８に示す。図７に示すアーク放電式反応設備６０１において、筒形をなす放電反応器６０２の一端部に存するガス受入口６０３に導管６０４を介して被反応ガス用ガス供給装置６０５が接続され、また放電反応器６０２の他端部に存するガス排出口６０６に導管６０７が接続される。ガス受入口６０３側の導管６０４に放電反応器６０２側より順次、第１開閉弁６８１及び第１三方弁６０９が装置され、またガス排出口６０６側の導管６０７に放電反応器６０２側より順次、第２開閉弁６８２及びガス濃度測定器６１０が装置される。
さらに放電反応器６０２にはガス循環装置６１１が付設される。その装置６１１は、放電反応器６０２の外周部一端側の存するガス入口６１２と、その外周部他端側に存するガス出口６１３とを接続する導管６１４を有し、その導管６１４に、中間部にファン６１５を配置した透明ボックス６１６が装置される。透明ボックス６１６には、合成樹脂、例えばポリメタクリル酸メチルより構成されている。ガス入口６１２及び透明ボックス６１６間において導管６１４にバイパス６１７が第２、第３三方弁６１８、６１９を介して接続され、そのバイパス６１７にガス吸着器６２０が設置される。さらにまた放電反応器６０２の外周部及び一方の外端面に存する両接続端子６２１、６２２に、電源装置としての交流電源装置６２３が導線６２４、６２５を介して接続される。
図８に示す放電反応器６０２において、円筒状をなす外側電極６２６が、その両端の開口部を一対の端板６２７、６２８によりそれぞれ閉鎖されて、それらの端板６２７、６２８に支持されている。円筒状外側電極６２６の内周面は鏡面仕上げ加工を施されていて、その略全体が放電面６２９として機能する。
両端板６２７、６２８は円筒状外側電極６２６の軸線と同軸の貫通孔６３０、６３１を有し、それらの貫通孔６３０、６３１に中空支持管６３２の両端部がそれぞれ嵌着される。その中空支持管６３２は、円筒状をなす内側電極６３３がその両端面と両端板６２７、６２８内面との間に間隔を存して嵌着され、支持される。円筒状外側電極６２６の放電面６２９と間隙（反応体積）６３４を存して対向する、円筒状内側電極６３３の外周面は、鏡面仕上げ加工が施されていて、その略全体が放電面６３５として機能する。
中空支持管６３２はその一端部に端板６２７に当接するフランジ部６３６を有する。そのフランジ部６３６にガス受入口６０３が在り、また中空支持管６３２の他端部にガス排出口６０６が在る。中空支持管６３２の周壁において、一方の端板６２７内面と円筒状内側電極６３３の一方の端面との間及び他方の端板６２８内面と円筒状内側電極６３３の他方の端面との間にそれぞれ複数の入口孔６３７が形成される。入口孔６３７と出口孔６３８の間の中空支持管６３２内において、入り、出口孔６３７、６３８間及び中空支持管６３２を通して、ガスの連通を遮断する隔壁６３９、６４０が設けられている。
図８に略図して示すように、ガス循環装置６１１の導管６１４に接続されるガス入口６１２は、円筒状外側電極６２６の一端部において、またガス出口６１３はその電極６２６の他端部においてそれぞれ円筒状外側電極６２６の軸線を含む鉛直面の片側に配置されている。また交流電源装置６３３の一方の導線６２４に接続される一方の接続端子６２１は円筒状外側電極６２６の一端部にあり、他方の導線６２５に接続される他方の接続端子６２２はフランジ部６３６の外端面にある。
円筒状外側電極６２６、中空支持管６０２及び各隔壁６３９、６４０はステンレス鋼、例えばＪＩＳ  ＳＵＳ３０４より構成され、また各端板６２７、６２８は合成樹脂、例えばベークライトより構成されている。さらに円筒状外側電極６３３はＡＩ合金、例えばＪＩＳ  Ａ５０５６より構成されている。ガス吸着器２０は、吸着剤としてカサ密度１８０ｇ／ｍ３の活性炭素繊維フィルタ（商品名カイノール）を有する。このガス吸着器６２０における活性炭素繊維フィルタのカサ密度は９０〜１８０ｇ／ｍ３が適当である。
ガス供給装置６０５は、笑気ボンベ６４１と酸素ボンベ６４２を有し、それら６４１、６４２から延出する各導管６４３、６４４が、放電反応器６０２のガス受入口６０３に連なる導管６０４に接続される。この導管６０４は放電反応器６０２のガス受入口６０３に接続される。また両導管６４３、６４４にはそれぞれフローメータ６４５、６４６が装置される。
図７及び図８に示した装置は笑気ガスの処理に使用した。第１、第２開閉弁６８１、６８２を開き、また第１三方弁６０９の切換えによりガス供給装置６０５と放電反応器６０２とを連通させた。さらに、第２、第３三方弁６１８、６１９の切換えにより導管６１４を、その全長に亘り連通状態にすると共にバイパス６１７の両端を閉じた。
笑気ボンベ６４１から放電反応器６０２に１００ｖｏｌ％笑気を供給し（１００ｖｏｌ％未満の笑気を使用できる点に留意されたい。例えば、一実施例では、笑気はガスの約１５ｖｏｌ％を含んでいる）、その笑気濃度がガス濃度測定器６１０にて最高測定値に達し、その後供給を続けても測定値が増加しなくなったとき笑気ボンベ６４１から笑気の供給を止め、また第１、第２開閉弁６８１、６８２を閉じた。この場合、放電反応器６０２及びガス循環装置６１１からなる経路内充填ガスは、９５．６ｖｏｌ％の笑気、０．８ｖｏｌ％の酸素及び残部窒素（３．６ｖｏｌ％）よりなる混合物であった。反応経路内に残留した酸素と窒素により、反応経路で１００ｖｏｌ％笑気にならなかった。
ファン６１５を送風量１．１ｍ３／ｍｉｎにて作動させ、放電反応器６０２から透明ボックス６１６へ、そして透明ボックス６１６から放電反応器６０２への経路で循環させた。また放電反応器６０２内において、ガス入、出口６１２、６１３の特定配置に起因し、両放電面６２９、６３５間の間隙（反応体積）６３４にガスを流通させた。前記遷移域の放電前には、透明ボックス６１６内は無色透明であった。またこの循環中に、導管６１４における透明ボックス６１６の入口上流側Ｘ（図７に示す）にてガスの採取を行った。その採取方法は次の通りである。先ず、注射器により５０ｃｃのガスを採取し、次いで飼料ビン中の２０ｃｃのイオン交換水に注射器の針先を挿入し採取ガスをイオン交換水に注入し、これを合計６回行って、前部で３００ｃｃの採取ガスを２０ｃｃのイオン交換水に注入した。この採取ガスを放電開始前ガスとする。
次に、交流電源装置６２３により円筒状内、外側電極６２６、６３３に３３ｋＨｚの周波数を有する、７ｋＶ、３０ｍＡの高放電電圧を印加した。これにより、両放電面２９、３５間に、ガス流通下において前記遷移域の放電が発生した。
放電開始１０分経過後透明ボックス６１６内が略赤褐色に変色した。そこで、前記同様に透明ボックス６１６の入口上流側Ｘにて、前記同様の方法で、ガスの採取を行った。この採取ガスを、放電開始１０分経過後のガス吸着器未通過変色ガスとする。
第２、第３三方弁６１８、６１９の切換えによりバイパス６１７の両端を開いてガス吸着器６２０を放電反応器６２０及び透明ボックス６１６に並べて連通させた。そして、放電開始２０分経過後及び放電開始３０分経過後において、ガス吸着器６２０の出口と第２三方弁６１８との間（図７に示す）、つまり出口下流側Ｙにおいて、ガス吸着器６２０通過後のガスを採取した。ガスは前記同様の方法で採取した。これらの採取ガスをそれぞれ放電開始後のガス吸着器通過ガスとする。
遷移域における放電開始４０分経過後において、交流電源装置６２３から両円筒状内、外側電極６２６、６３３への通電を停止し、またファン６１５の作動を止めた。そして、透明ボックス６１６の入口上流側Ｘにて前記同様の方法でガスの採取を行った。この採取ガスを放電終了時のガス吸着器通過変色ガスとする。
イオン交換水に入れた採取ガスの各資料を超純粋により希釈して試料を調製し、イオンクロマトグラフ法の適用下で各試料についてＮＯ３−、ＮＯ２−、ＮＨ４＋の３種の基の定量を行った。分析機としては、横河電気社製、ＩＣ７０００Ｓ型イオンクロマトグラフを使用した。表３は分析結果を示す。
表３において、「＜０．０５μｇ／ｍｌ」とは、使用分析機器の測定下限値が＜０．０５μｇ／ｍｌであることを意味する。
表３から明らかなように、前記遷移域の放電開始前ガスを注入した試料にはＮＯ３−は含まれておらず、またＮＯ２−が若干含まれているが、これは、笑気がイオン交換水に溶解後若干イオン解離したことに因るものと考えられる。
一方、遷移域の放電開始１０分経過後のガス吸着器未通過変色ガスを注入した試料にはＮＯ３−とＮＯ２−が比較的多くふくまれている。したがって、この試料にはＮＯ３−とＮＯ２−とが存在しているもので、これは、２ＮＯ２＋Ｈ２Ｏ→ＨＮＯ３＋ＨＮＯ２の反応が生じたと考えられる。
ＮＯ２は、放電装置における４Ｎ２Ｏ→２ＮＯ２＋３Ｎ２反応によって起こる笑気分解がもとで、赤褐色のガスＮＯ２を発生する。これは放電終了時のガス吸着器通過変色ガスを注入したガスについても同様の結果が見られる。放電開始２０分経過後のガス吸着器通過ガスを注入した試料ではＮＯ３−量が前記放電開始１０分経過後の場合よりも大幅に減少している。これはＮＯ２がガス吸着器６２０の活性炭素繊維フィルタに吸着されたことによる。放電開始３０分経過後のガス吸着器通過ガスを注入した試料においてはＮＯ３−量が前記放電開始２０分経過後の場合よりも増加しているが、これは、経時的にガス吸着器６２０の吸着量が増加したことにより、そのＮＯ２吸着能が減退したことに原因する。
前記ガス（笑気濃度９５．６ｖｏｌ％）を第１充填ガスとし、そのガス及び第２〜第４ガスを用いて前記同様の放電処理を行い、また透明ボックス６１６の入口上流側Ｘにて前記同様の方法でガスの採取を行い、さらに前記同様の方法で採取ガス中の笑気及び酸素の定量を行ったところ、表３の結果を得た。表中、第２〜第４ガスにおいて、残部は窒素である。
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表３に基づいて笑気除去曲線を推定したところ、図９の結果を得た。表３および図９から明らかなように、前記遷移域の放電式反応設備６０１によれば、笑気を経時的に減少させることができるものである。
表３において、特に、第１ガスの場合、酸素が経時的に増加しており、これは活性酸素フィルタから生じた炭素ラジカルによるＮＯ２の一部分解、即ち、２ＮＯ２＋２Ｃ→２（Ｃ、Ｎ、Ｏ含有化合物）＋Ｏ２の反応が生じたものと推定される。
＜揮発性有機化合物の分解＞
図７に示した放電分解システムに圧縮機で空気を送り込んで排出ガスを測定する実験を行い、空気に含まれる有機物質の分解における放電分解システムの性能を観察・調査した。
サンプリングは以下の通りである。即ち、放電分解システムの入口側で採取した空気、及びシステムが動作中に放出側で採取した空気の合計２点を使用した。サンプリングの日時は、２００１年７月２５日（水）１４：００〜１５：３０である。
吸着剤を用いた空気中の有機物質の測定において、測定した品目は、決定の最小限を超えた素材と、上記の総合揮発性有機化合物（ＴＶＯＣ）とである。
測定の準備として、空気中に含まれる有機物質測定に使用する吸収チューブＴＥＮＡＸ−ＧＲを２５０℃で５時間加熱した。空気中の有機物質は、この吸収チューブを空気ポンプにつなぎ、試料を１分当たり１．０リットルで２５分間抽出して採取した。
測定は、ガスクロマトグラフ質量分析計（ＧＣ−ＭＳ）を使用して、空気中有機物質の定性及び定量測定を行った。
調査の結果を表４に示す。
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上記の結果に示したように、有機素材の分析は、総合揮発性有機化合物（ＴＶＯＣ）の＞３０４．４μｇ／ｍ３から２７．５μｇ／ｍ３へという急激な低下を示した。ＴＶＯＣの分解率は９０％以上、トルエンの分解率は９９％以上であった。増加はアセトアルデヒドとその他いくつかの物質で認められたが、これは装置自体の排気ガス又は分解済み生成物であると推定される。サイクリッドシロキサンは装置に使用した珪素から生成されたと考えられる。
（発明の変形例）
上記した第１の実施の形態における電極間の空間構造においては、図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）に示されるように、両電極間の間隙３０、３００は、被分解ガスの流れの上流側と下流側とで対称であるが、図１０（Ｃ）のように非対称であってもよい。このような電極においても、上記第１の実施形態と同様に、立ち上がり時に鋭いピークを含む方形波の波形を有する印加電圧を用いてその電圧値及び／又は周波数を適切に調節し、前記遷移域の放電を維持して、ガス分解を効率的に行うことができる。
また、上記した実施の形態における１対の電極は、同軸な円筒形状を有していたが、図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）に示されるように、１対の平板電極４００を対向させて放電させてもよい。図１１（Ａ）は、１対の平板が平行であり、図１１（Ｂ）は、平板の一片どうしが他片に比べてより接近し、２枚の平板に角度が付いている。この角度は、好ましくは０°より大きく９０°以下である。図１１（Ｂ）のような電極の場合、被分解ガスは、両辺が接近した側から導入される。以上のような電極においても、立ち上がり時に鋭いピークを含む方形波の波形を有する印加電圧を用いてその電圧値及び／又は周波数を適切に調節し、遷移域の放電を維持して、ガス分解を効率的に行うことができる。
上記実施の形態においては、１対の電極は、電極どうしが互いの表面部にて対向していたが、これに限定されるものではなく、図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）に示されるように、一方の電極５００の表面に対して、棒状の電極５１０の拡大頭部が対向していてもよい。このような電極においても、立ち上がり時に鋭いピークを含む方形波の波形を有する印加電圧を用いてその電圧値及び／又は周波数を適切に調節し、重複放電を維持して、ガス分解を効率的に行うことができる。
以上、本発明の好適な実施の形態に基づき本発明に係るガス分解用放電方法及びガス分解用放電装置等を説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の第一の実施形態におけるガス分解用放電装置の要部破断縦断面図である。
図２は本発明の効果の検証に用いたガス分解用放電装置の要部破断縦断面図である。
図３は放電電流の時間変化を示すグラフである。
図４は印加電圧に対するＮＯｘの濃度をプロットしたグラフである。
図５はガス分解用放電装置をガソリンエンジンに接続した状態を示す説明図である。
図６は本発明の放電状態を撮影した写真である。
図７は笑気ガス（Ｎ２Ｏ）の放電放電分解反応設備の系統図である。
図８は図７に示した機器に使用した放電装置を示す縦断面図である。
図９は笑気ガス（Ｎ２Ｏ）の残留濃度の時間変化を示すグラフである。
図１０は第本発明の変形例に係る電極の形状を示す図である。
図１１は本発明に適用可能な平板形状の電極を示す図である。
図１２は本発明に適用可能な平面電極に対向して配置した拡大頭部を有する棒状電極を示す図である。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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