(57)【要約】筒状外側電極２０と、筒状外側電極２０内に挿入されて、その筒状外側電極内周面との間に環状間隙を形成する外周面を持つ筒状誘電体２３と、筒状誘電体２３を挟んで前記筒状外側電極２０に対向する内側電極２５と、外側電極２０および内側電極２５間に放電電圧を印加する電源とからなる放電式ガス浄化装置である。筒状誘電体２３はセラミックスよりなっている。内側電極２５は放電電圧印加時に筒状誘電体２３内周面全周に亘って接触する誘電体と、この導電体と電源とを接続する接続手段とからなっている。そして、導電体は放電電圧印加時にその導電体の熱膨張によって前記セラミックスの内周面に加えられる圧力を緩和するように調整可能に構成されている。
2003067046.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状外側電極と、
前記筒状外側電極内に挿入されて、その筒状外側電極内周面との間に環状間隙を形成する外周面を持つ筒状誘電体と、
前記筒状誘電体を挾んで前記筒状外側電極に対向する内側電極と、
前記外側電極および内側電極間に放電電圧を印加する電源と、
からなる放電式ガス浄化装置において、
前記筒状誘電体はセラミックスよりなり、
前記内側電極は放電電圧印加時に前記筒状誘電体内周面全周に亘って接触する導電体と、前記導電体と前記電源とを接続する接続手段とからなり、前記導電体は放電電圧印加時に前記導電体の熱膨張によって前記セラミックスの内周面に加えられる圧力を緩和するように調整可能に構成されてなることを特徴とする放電式ガス浄化装置。
【請求項２】
前記内側電極の前記導電体は径方向に圧縮可能な炭素繊維体からなり、前記炭素繊維体は前記筒状誘電体の軸線に沿って配設された前記接続手段を構成する金属製軸状部材と前記筒状誘電体との間に介装されてなることを特徴とする請求項１記載の放電式ガス浄化装置。
【請求項３】
前記炭素繊維体を炭素繊維からなる不織布から構成し、この不織布を前記金属製軸状部材に渦巻状に巻き付けてなることを特徴とする請求項２記載の放電式ガス浄化装置。
【請求項４】
前記内側電極の前記導電体が水などの導電性液体からなり、前記導電性液体が前記内側電極の前記筒状誘電体内に充填されるとともに前記筒状誘電体の外部との間で循環されるように構成されてなることを特徴とする請求項１記載の放電式ガス浄化装置。
【請求項５】
前記筒状誘電体の外周面は、軸線方向に伸びる稜線を持つ複数の山形凸面を、相隣る両山形凸面の対向する両斜面によって谷形凹面が形成されるように、周方向に沿って配列することによって、前記軸線方向に直交する断面が環状の波形に形成されてなることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の放電式ガス浄化装置。
【請求項６】
前記筒状セラミックスの外周面をガラス層で被覆してなることを特徴とする請求項１または５記載の放電式ガス浄化装置。
【請求項７】
前記筒状セラミックスの内周面をガラス層で被覆してなることを特徴とする請求項１または５記載の放電式ガス浄化装置。
【請求項８】
前記筒状外側電極の内周面が円筒形であり、前記筒状誘電体の山形凸面の頂点と前記筒状外側電極の内周面との間の間隙が４〜６ｍｍで、前記筒状誘電体の谷形凹面の底部と前記筒状外側電極の内周面との間の間隙が７〜９ｍｍ、前記頂部と前記底部との間隙が２〜４ｍｍであることを特徴とする請求項５記載の放電式ガス浄化装置。
【請求項９】
前記放電電圧が前記外側電極と前記筒状誘電体との間の環状空隙においてグロー放電からアーク放電に至る直前の遷移域の放電が生じるように設定されてなることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の放電式ガス浄化装置。
【請求項１０】
ガソリンエンジンの排気系において、前記環状空隙が触媒コンバータよりも排気ガスの流通方向上流側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の放電式ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は放電式ガス浄化装置、特にＮＯｘなどの自動車用排気ガスの浄化に好適な装置に関する。
背景技術
従来の放電式ガス浄化装置としては特開平５−１２５９２８号公報、または特開平７−１９７８０６公報に示すものが公知となっている。
前者の特開平５−１２５９２８号公報に係る放電式ガス浄化装置では、棒状の導電性金属からなる第１電極の外周を有機ガラスやセラミックなどの誘電体で被覆し、その外周を比較的大きな間隔をあけて筒状の導電性金属からなる第２電極で包囲し、第２電極の内壁に雌ねじ状のスパイラル溝を形成し、コロナ放電を用いて排気ガスを浄化する装置である。
この装置では棒状の導電性金属の外周を誘電体で密着被覆している。しかしながら、導電性金属と誘電体の熱膨張率は大きく異なるため、棒状の導電性金属に高電圧をかけて放電すると、その放電に伴って導電性金属が高温になり、誘電体との熱膨張率の差により誘電体が内側から大きな応力を受けて破壊する現象が起きる。従って、この装置は棒状の導電性金属にアーク放電またはグロー放電からアーク放電に至る直前の遷移域の高電圧をかける放電装置には適用することができない。
また、後者の特開平７−１９７８０６公報に示す放電式ガス浄化装置は、中心に位置する棒状電極を芯線とその芯線と筒状誘電体との間に充填した多数の粒状導電体から構成し、棒状電極の外周を円筒状電極で包囲し、円筒状電極と筒状誘電体との間でプラズマ放電を起こす排ガス浄化装置である。
この装置も筒状誘電体内に砂の粒子程度の細かな導電性粒子を密着充填して芯線と密着させているから、前記従来例の場合と同様に芯線に例えばグロー放電からアーク放電へ移行する直前の遷移域の高放電電圧を印加して放電すると、その放電に伴って導電性粒子が高温になり、誘電体との熱膨張率の差により誘電体が内側から大きな応力を受けて破壊する現象が起きる。
本発明は上記のような従来の問題点を解決するもので、その目的は外周を誘電体で包囲した金属製の電極に前記遷移域の高放電電圧を印加して高温下において放電しても誘電体が金属製の電極の熱膨張によって破損することのない放電式ガス浄化装置を提供することにある。
発明の開示
上記の目的を達成するため、本発明は、筒状外側電極と、前記筒状外側電極内に挿入されて前記筒状外側電極内周面との間に環状間隙を形成する外周面を持つ筒状誘電体と、前記筒状誘電体を挾んで前記筒状外側電極に対向する内側電極と、前記外側電極および内側電極間に放電電圧を印加する電源とからなる放電式ガス浄化装置において、前記筒状誘電体はセラミックスよりなり、前記内側電極は放電電圧印加時に前記筒状誘電体内周面全周に亘って接触する導電体と、前記導電体と前記電源とを接続する接続手段とからなり、前記導電体は放電電圧印加時に前記導電体の熱膨張によって前記セラミックスの内周面に加えられる圧力を緩和するように調整可能に構成されてなるのである。
このような構成により、内側電極に高電圧を印加して外側電極との間においてアーク放電またはアーク放電に至る直前のグロー放電からアーク放電への遷移域の放電を行い内側電極が高温に加熱されてもセラミックに大きな応力がかかることが無く、長期間の放電によっても誘電体が破損することなく効率よい放電を維持することができる。
好ましくは、前記調整可能な構成とするために、前記内側電極の前記導電体を径方向に圧縮可能な炭素繊維体から形成し、前記炭素繊維体を前記筒状誘電体の軸線に沿って配設された金属製軸状部材と前記筒状誘電体との間に介装することである。
更に好ましくは、前記炭素繊維体を炭素繊維からなる不織布から構成し、この不織布を前記金属製軸状部材に渦巻状に巻き付けることである。そして好ましくは、この不織布のカサ密度を約９０〜１８０ｇ／ｍ３とすることである。
また好ましくは、前記調整可能な構成とするために、前記内側電極の前記導電体が水などの導電性液体からなり、前記導電性液体が前記内側電極の前記筒状誘電体内に充填されるとともに前記筒状誘電体の外部との間で循環されるように構成することである。
また、本発明の好ましい形態では、前記筒状誘電体の外周面を、軸線方向に伸びる稜線を持つ複数の山形凸面と、相隣る両山形凸面の対向する両斜面によって谷形凹面とが形成されるように周方向に沿って配列することによって、前記軸線方向に直交する断面が環状の波形となるように形成することである。
これによって、例えば山形凸面の頂部と外側電極の内周面との間隔が５ｍｍ程度の場合、自動車の排気ガスの初期の放電処理時において排気ガス中に多量の水分が含まれていても、その水分が山形凸面に集中することなく谷形凹面を通ることによって両電極間の短絡が防止されて良好な放電処理が可能となる。また、環状の波形形状により、山形凸面を環状に結んで形成される滑らかな筒状内側電極の場合と比べて谷形凹面の存在により環状空隙の断面積が増大し、そのぶん単位時間内に処理されるガスの流量を増大させることができる。
発明を実施するための好適な形態
第１図は本発明の好適な実施例に係る放電式排気ガス浄化装置を示し、この装置１は、放電器２と、その放電器２の近傍に配置された電源としての交流電源３とを備えている。放電器２は、ステンレス鋼（例えば、ＪＩＳ  ＳＵＳ３０４）より構成されたハウジング４を有し、そのハウジング４は、横断面四角形で、且つ両端に四角形のフランジ５、６を有する筒状ハウジング本体７と、一方のフランジ５に四角形のポリアミド１２製絶縁パッキン８を介して四角形のフランジ９を取付けられたガス入口形成体１０と、他方のフランジ６に四角形のポリアミド１２製絶縁パッキン１１を介して四角形のフランジ１２を取付けられたガス出口形成体１３とを有する。
ガス入口形成体１０は四角錐台形中空部１４を有し、その中空部１４の大開口縁側に前記四角形のフランジ９が連設され、また中空部１０の小開口縁側に横断面円形の入口筒１５が連設される。ガス出口形成体１３は四角錐台形中空部１６を有し、その中空部１６の大開口縁側に前記四角形のフランジ１２が連設され、また中空部１６の小開口縁側に横断面円形の出口筒１７が連設される。
ガス入口形成体１０のフランジ９内周縁に、中央に貫通孔１８を有する四角形の板状支持部１９が連設され、その貫通孔１８の内周縁に、ステンレス鋼（例えば、ＪＩＳ  ＳＵＳ３０４）より構成された横断面円形の筒状外側電極２０の一端外周縁が固着され、その外側電極２０はハウジング本体７内に配置される。その外側電極２０の長さはハウジング本体７の長さの２分の１よりも短い。
第２図にも示すように、ハウジング本体７内において、ガス出口形成体１３と外側電極２０の端面との間に、ステンレス鋼（例えば、ＪＩＳ  ＳＵＳ３０４）よりなる支持部材２１が底壁上に設置され、その支持部材２１の短円筒形保持部２２に横断面ほぼ円形の筒状誘電体２３の一端部側が支持される。誘電体２３の他端部側は外側電極２０内に挿入され、その誘電体２３の挿入長さは外側電極２０の長さの３分の２程度である。これにより外側電極２０内に存する誘電体２３の外周面と外側電極２０の内周面との間には環状間隙２４が形成される。
誘電体２３内に、内側電極２５が配置され、その内側電極２５は誘電体２３を挟んで外側電極２０に対向し、且つその誘電体２３内周面全周に亘って接触する。
第３図に明示するように誘電体２３は、セラミックス（例えば、２ＭｇＯ・２Ａｌ２Ｏ３．５ＳｉＯ２）よりなる筒状セラミックス本体２６と、前記環状間隙２４を形成すべく、筒状セラミックス本体２６の外周面を被覆する筒状外側ガラス層（例えば、うわぐすり）２７とを有し、また筒状セラミックス本体２６の内周面に、内側電極２５との接触面を形成する筒状内側ガラス層（例えば、うわぐすり）２８を有する。筒状セラミックス本体２６の筒状外側ガラス層２７により被覆される外周面は、軸線方向に延びる稜線を持つ複数の山形凸面２９を、相隣る両山形凸面２９の対向する両斜面によって谷形凹面３０が形成されるように、周方向に沿って配列することによって形成され、前記軸線方向に直交する断面が環状の波形に形成されている。
前記山形凸面の頂点と前記筒状外側電極２０の内周面との間の間隙は４〜６ｍｍ、好ましくは５ｍｍで、前記谷形凹面の底部と前記筒状外側電極２０の内周面との間の間隙は７〜９ｍｍ、好ましくは８ｍｍで、前記頂部と前記底部との間隙は２〜４ｍｍ、好ましくは３ｍｍである。
内側電極２５は、金属（例えば、ＪＩＳ  ＳＵＳ３０４）よりなる軸状部材３１と、その軸状部材３１および誘電体２３間に充填された導電性の炭素繊維集合体３２とよりなる。炭素繊維集合体３２は、実施例では炭素繊維（商品名カイノール）よりなる不織布を軸状部材３１外周面に渦巻状に巻付けて形成されており、そのカサ密度は約９０〜１８０ｇ／ｍ３である。軸状部材３１の両端部は、誘電体２３両端の開口を閉鎖する、セラミックス（例えば、２ＭｇＯ・２Ａｌ２Ｏ３・５ＳｉＯ２）よりなる蓋板３３に支持されており、その軸状部材３３の、ガス出口側の端部は蓋板３３より突出する。
交流電源３の一方の端子に接続されたリード線３４がハウジング本体７の天井壁に設けられた絶縁筒３５を通されて、軸状部材３１の端部に接続され、また他方の端子はアース線３６を介して接地される。また外側電極２０と電気的に接続されたガス入口形成体１０がアース線３７を介して接地されている。これにより外側、内側電極２０、２５間に放電電圧を印加することができる。
ガス出口形成体１３の中空部１６周壁にガス分析器３８の採取管３９が貫通保持されている。ガス分析器３８としては、ＨＯＲＩＢＡ  ＰＯＲＴＡＢＬＥ  ＧＡＳ  ＡＮＡＬＹＺＥＲ型番ＰＧ−２４０が用いられている。
以下、ガソリンエンジンから排出された排気ガス中に含まれるＮＯｘの浄化について説明する。
［例−Ｉ］
第４図に示すように、排気量６６０ｃｃのガソリンエンジン４０の排気管４１に、１つの放電器２におけるハウジング４の入口筒１５を導入管４２を介して接続した。次いで、ガソリンエンジン４０をエンジン回転数１０００ｒｐｍにて運転して、排気管４１、放電器２の前記環状間隙２４等を流通した排気ガス中のＮＯｘ濃度をガス分析器３８により測定した。このＮＯｘ濃度を放電処理前ＮＯｘ濃度とする。
その後、交流電源３により内、外側電極２０、２５間に、２０ｋＶ、１ｋＨｚの高放電電圧を印加した。これにより環状間隙２４に放電（グロー放電）が発生し、その放電は、環状間隙２４を形成する外側電極２０内周面ほぼ全体および誘電体２３外周面ほぼ全体、つまり各山形凸面２９の表面ほぼ全体に亘って発生しており、面放電を呈しており、この放電状態は環状間隙の入口側から出口側に向かって螺旋状に旋回した。このような放電を約１０分間行い、その間に排気ガス中のＮＯｘ濃度をガス分析器３８により測定した。このＮＯｘ濃度を放電処理後ＮＯｘ濃度とする。
交流電源３による高放電電圧の印加を中断し、次いでガソリンエンジン４０をエンジン回転数１５００ｒｐｍ、全負荷の条件で運転すると共に前記同様に放電処理前ＮＯｘ濃度の測定を行い、その後交流電源３による前記と同一条件での高放電電圧の印加を行うと共に前記同様に放電処理後ＮＯｘ濃度の測定を行った。これをエンジン回転数２４００ｒｐｍについても行った。表１は測定結果を示す。
【表１】
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表１から明らかなように、エンジン回転数の上昇に伴いＮＯｘ濃度が高くなり、それに応じてＮＯｘ除去率は低下するが、それでもエンジン回転数２４００ｒｐｍにてＮＯｘ除去率４４％は実用レベルであることが判る。
［例−ＩＩ］
第５図に示す大型放電器２は、１つの入口筒１５および１つの出口筒１７を有するハウジング４内に、外側電極２０、誘電体２３および内側電極２５よりなる複数、実施例では３つの放電ユニット４３を水平面上において並列に配置し、相隣る両放電ユニット４３間に隔壁４４を設けたものである。ガソリンエンジン４０から排出される排気ガスは三分割されて各放電ユニット４３により放電処理され、各放電ユニット４３を経た処理済排気ガスの合計ＮＯｘ濃度がガス分析器３８によって測定される。
ＮＯｘ濃度測定を行うべく、排気量２５００ｃｃのガソリンエンジン４０の排気管４１に大型放電器２におけるハウジング４の入口筒１５を導入管４２を介して接続した。そして、ガソリンエンジン４０を運転してエンジン回転数１６００ｒｐｍ、全負荷およびエンジン回転数２０００ｒｐｍ、全負荷について前記同様の方法でＮＯｘ濃度測定を行った。表２は測定結果を示す。
【表２】
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表２から明らかなように、大型放電器２はその浄化処理能力が大であることから、大量のＮＯｘが効率良く除去されることが判る。
なお、３つの放電ユニット４３を直列に連結した大型放電器２はＮＯｘ浄化能が低い。これは、放電処理経路が長いことから、ＮＯｘの分解だけでなくその合成が行われているものと考えられる。
［例−ＩＩＩ］
第６図に示すように、排気量６６０ｃｃのガソリンエンジン４０の排気管４１に、１つの放電器２におけるハウジング４の入口筒１５を導入管４２を介して接続し、また出口筒１７に３元触媒式触媒コンバータ４５を導入管４６を介して接続した。次いで、ガソリンエンジン４０をエンジン回転数２０００ｒｐｍにて運転して、排気管４１、放電器２の前記環状間隙２４等を流通してガス出口形成体１３内に到った排気ガス中のＮＯｘ濃度をガス分析器３８により測定した。このＮＯｘ濃度を放電処理前ＮＯｘ濃度とする。
その後、交流電源３により内、外側電極２０、２５間に、２０ｋＶ、１ｋＨｚの高放電電圧を印加した。これにより、前記同様に環状間隙２４に放電が発生した。この放電を約１０分間行い、その間にガス出口形成体１３内の排気ガス中のＮＯｘ濃度をガス分析器３８により測定した。このＮＯｘ濃度を放電処理後ＮＯｘ濃度とする。同時に、触媒コンバータ４５を通過した排気ガス中のＮＯｘ濃度をガス分析器３８により測定した。このＮＯｘ濃度を触媒作用後ＮＯｘ濃度とする。このような測定を２回行って表３の結果を得た。
【表３】
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表３において、「放電」の欄のＮＯｘ除去率は放電処理前および放電処理後の両ＮＯｘ濃度を用いて求められたものであり、また「触媒」の欄の最終ＮＯｘ除去率は放電処理前ＮＯｘ濃度および触媒作用後ＮＯｘ濃度を用いて求められたものである。
表３から明らかなように、放電式排気ガス浄化装置１を用いることによって排気ガス中のＮＯｘを５４％以上除去することができ、また触媒コンバータ４５を併用することによって排気ガス中のＮＯｘを９７％以上除去することができる。
なお、本発明における好適な放電状態は、前記外側電極と前記筒状誘電体との間の環状空隙において単なるグロー放電をさせることではなく、グロー放電からアーク放電に至る直前の遷移域の放電状態とすることである。
本発明は上記の実施例以外にも種々の変更が可能であり、例えば、筒状セラミックス本体２６を耐熱高強度セラミックスである９４．７７ｗｔ％のＡｌ２Ｏ３と１．７２ｗｔ％のＣａＯと３．５１ｗｔ％のＳｉＯ２とよりなるアルミナ系セラミックス、或いはＡｌ２Ｏ３を９２ｗｔ％含有した碍子用セラミックスを用いれば筒状セラミックス本体２６の外側および内側のガラス層２７，２８を被覆しないでもよい。
さらに内側電極２５の炭素繊維集合体３２の代わりに、筒状セラミックス本体２６内に水などの導電性液体を充填し、その水を筒状セラミックス本体の内外に循環するようにし、この循環する導電性液体の量を調整することによって軸状部材３１等の熱膨張により筒状セラミックス本体２６の内面に加えられる応力を緩和することができる。
以上、本発明の好適な実施形態に基づいて説明してきたが、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。
産業上の利用可能性
本発明によれば、前記のように構成することによって、内側電極に高電圧を印加して外側電極との間においてアーク放電またはアーク放電に至る直前のグロー放電からアーク放電への遷移域の放電を行い内側電極が高温に加熱されてもセラミックに大きな応力がかかることが無く、長期間の放電によっても誘電体が破損することがなく、自動車の排気ガスのような被処理ガス中の有害成分を効率よく除去することが可能な放電式ガス浄化装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の実施例に係る放電式ガス浄化装置の要部破断正面図である。
第２図は第１図の装置において内部電極を構成する筒状誘電体およびその支持構造を示す斜視図である。
第３図は第１図の３−３線拡大断面図である。
第４図は本発明の実施例に係る放電式ガス浄化装置をガソリンエンジンの排気系に接続した状態を示す説明図である。
第５図は本発明の実施例に係る放電式排気ガス浄化装置をガソリンエンジンの排気系に接続した第２例を示す説明図である。
第６図は本発明の実施例に係る放電式排気ガス浄化装置をガソリンエンジンの排気系に接続した第３例を示す説明図である。
【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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【国際調査報告】
2003067046.tif 000013
2003067046.tif 000014
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