(57)【要約】筒状外側電極（７），筒状外側電極（７）内に挿入されて，その筒状外側電極（７）内周面との間に筒状間隙（５１）を形成する外周面を持ち，且つ耐熱高強度セラミックスよりなる筒状誘電体（２８）および筒状誘電体（２８）を挟んで筒状外側電極（７）に対向し，且つその筒状誘電体（２８）内周面に接触する内側電極（５２）を有する少なくとも１つの放電ユニット（７４）と，筒状間隙（５１）に排気ガスを流通させた状態において外側および内側電極（７，５２）間に放電電圧を印加する電源（３）とを備えていることを特徴とする放電式排気ガス浄化装置。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状外側電極（７），前記筒状外側電極（７）内に挿入されて，その筒状外側電極（７）内周面との間に筒状間隙（５１）を形成する外周面を持ち，且つ耐熱高強度セラミックスよりなる筒状誘電体（２８）および前記筒状誘電体（２８）を挟んで前記筒状外側電極（７）に対向し，且つその筒状誘電体（２８）内周面に接触する内側電極（５２）を有する少なくとも１つの放電ユニット（７４）と，前記筒状間隙（５１）に排気ガスを流通させた状態において前記外側および内側電極（７，５２）間に放電電圧を印加する電源（３）とを備えていることを特徴とする放電式排気ガス浄化装置。
【請求項２】
前記耐熱高強度セラミックスは，９４．７７ｗｔ％のＡｌ２Ｏ３と，１．７２ｗｔ％のＣａＯと，３．５１ｗｔ％のＳｉＯ２とよりなる，請求項１記載の放電式排気ガス浄化装置。
【請求項３】
前記内側電極（５２）は，筒状に丸められた平板状金属体（５３）が前記筒状誘電体（２８）内で自己の弾性により拡径して，その筒状誘電体（２８）内周面に密着してなる請求項１または２記載の放電式排気ガス浄化装置。
【請求項４】
前記内側電極（５２）の前記平板状金属体（５３）の周方向両端部が，相互に摺動し得るように重ね合せられている，請求項３記載の放電式排気ガス浄化装置。
【請求項５】
複数の前記放電ユニット（７４）よりなる複数のユニット群（７５，７６）を備え，１つのガス入口（２３）および１つのガス出口（２６）を有するハウジング（４）内において，複数の前記ユニット群（７５，７６）は，前記ガス入口（２３）から前記ガス出口（２６）に向かう排気ガス流通方向（Ａ）に沿って直列配置され，各ユニット群（７５，７６）の複数の前記放電ユニット（７４）は，前記外側電極（７）の軸線（ａ）を前記排気ガス流通方向（Ａ）と平行にして並列配置されている，請求項１乃至４の何れか１項に記載の放電式排気ガス浄化装置。
【請求項６】
ガソリンエンジン（７１）の排気系において，触媒コンバータよりも排気ガス流通方向上流側に配置される，請求項１乃至５の何れか１項に記載の放電式排気ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は，放電式排気ガス浄化装置，特に，ＮＯｘの浄化に好適な装置に関する。
背景技術
従来，放電式排気ガス浄化装置としては，特開平５−１２５９２８号公報，特開平７−１９７８０６号公報等に開示されたものが公知である。
しかしながら現在のところ，自動車等のガソリンエンジンから排出されるＮＯｘ等の排気ガスを放電処理によって効果的に浄化する装置は実施化されていない。
本発明は優れた排気ガス浄化能を有し，実用性のある前記放電式排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。
発明の開示
前記目的を達成するため本発明によれば，筒状外側電極，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筒状間隙を形成する外周面を持ち，且つ耐熱高強度セラミックスよりなる筒状誘電体および前記筒状誘電体を挟んで前記筒状外側電極に対向し，且つその筒状誘電体内周面に接触する内側電極を有する少なくとも１つの放電ユニットと，前記筒状間隙に排気ガスを流通させた状態において前記外側および内側電極間に放電電圧を印加する電源とを備えている放電式排気ガス浄化装置が提供される。
前記のように構成すると，筒状間隙を形成する筒状外側電極内周面および筒状誘電体外周面間に，それらの全面に亘って放電が発生し，この面放電によって排気ガス，特に，ＮＯｘの分解が行われ，そのＮＯｘ除去率を大いに高めることがきる。
筒状誘電体を構成する耐熱高強度セラミックスとしては，９４．７７ｗｔ％のＡｌ２Ｏ３と，１．７２ｗｔ％のＣａＯと，３．５１ｗｔ％のＳｉＯ２とよりなるものが好適である。このセラミックスの耐熱温度は約１６５０℃である。
内側電極としては，筒状に丸められた平板状金属体を筒状誘電体内で自己の弾性により拡径させて，その筒状誘電体内周面に，その全体（ほぼ全体）に亘って密着させたものが用いられる。そして、好ましくは、その平板状金属体の周方向両端縁部は，相互に摺動し得るように重ね合わせられることである。
このような内側電極は，その通電による加熱膨張を両端部の摺動により吸収して，その加熱膨張による筒状誘電体の破損を防止することができる。
また，複数の放電ユニットよりなる複数のユニット群を備え，１つのガス入口および１つのガス出口を有するハウジング内において，複数のユニット群を，ガス入口からガス出口に向かう排気ガス流通方向に沿って直列配置し，各ユニット群の複数の放電ユニットを，外側電極の軸線を排気ガス流通方向と平行にして並列配置すると，ＮＯｘ濃度の高い排気ガスに対して優れた排気浄化能を発揮する装置を提供することができる。
さらに，ガソリンエンジンの排気系において，触媒コンバータよりも排気ガス流通方向上流側に放電式排気ガス浄化装置を配置すると，触媒コンバータから排出されるＮＯｘ濃度を大いに低減することができる。
発明を実施するための好適な形態
〔実施例Ｉ〕
図１，２において，放電式排気ガス浄化装置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，横断面円形で，且つ両端に円形のフランジ５，６を有する中央筒状体７と，一方のフランジ５に円形のポリアミド１２製絶縁パッキン８を介して円形のフランジ９が取付けられ，且つ中央筒状体７よりも大径の第１中間筒状体１０と，他方のフランジ６に円形のポリアミド１２製絶縁パッキン１１を介して円形のフランジ１２が取付けられ，且つ第１中間筒状体１０と同一形状の第２中間筒状体１３と，第１中間筒状体１０の他方のフランジ１４に円形のポリアミド１２製絶縁パッキン１５を介して円形のフランジ１６が取付けられたガス入口用筒状体１７と，第２中間筒状体１３の他方のフランジ１８に円形のポリアミド１２製絶縁パッキン１９を介して円形のフランジ２０が取付けられたガス出口用筒状体２１とを有する。フランジ相互の取付けにはボルト，ナットが用いられているが図面には省略した。これは以下同じである。
ガス入口用筒状体１７は円錐台形中空部２２を有し，その中空部２２の大開口縁側に前記円形のフランジ１６が連接され，また中空部２２の小開口縁側に横断面円形で，且つガス入口２３を有する入口筒２４が連設される。ガス出口用筒状体２１は円錐台形中空部２５を有し，その中空部２５の大開口縁側に前記円形のフランジ２０が連設され，また中空部２５の小開口縁側に横断面円形で，且つガス出口２６を有する出口筒２７が連設される。
中央筒状体７は，実施例では，横断面円形の筒状外側電極を兼ねているもので，以後，中央筒状体を筒状外側電極７と称す。その外側電極７内に，それよりも長い横断面円形の筒状誘電体２８が挿入される。筒状誘電体２８は耐熱高強度セラミックスより単層構造に構成されている。耐熱高強度セラミックスとしては，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が用いられているが，Ａｌ２Ｏ３を９２ｗｔ％含有した碍子用セラミックス，人工水晶等も使用可能である。筒状誘電体２８の両端に存する開口は，セラミックス（例えば，前記アルミナ系セラミックス）よりなる第１，第２蓋体２９，３０により閉鎖される。
入口筒２４側の第１蓋体２９は筒体３１と，その一端を閉鎖する端壁３２とを有し，その筒体３１の，一端側に在る中径部３３が筒状誘電体２８の開口に嵌着され，また中間に在る大径部３４端面が筒状誘電体２８の開口端面に当接し，さらに他端側に在る小径部３５に，図３にも示すように，筒状誘電体２８を支持する支持金具３６の環状部３７が嵌合される。支持金具３６はステンレス鋼（例えば，ＪＩＳ  ＳＵＳ３０４）より構成されており，環状部３７の直径延長線上に在って互に逆方向に突出する２つの取付部３８を有し，それら取付部３８のボルト孔に挿通された２つの六角孔付ボルト３９が，外側電極７の一方のフランジ５に溶接された２つのナット４０にそれぞれねじ込まれている。
出口筒２７側の第２蓋体３０は筒体４１と，その一端を閉鎖する端壁４２とを有し，その筒体４１の，一端側に在る中径部４３が筒状誘電体２８の開口に嵌着され，また中間に在る大径部４４端面が筒状誘電体２８の開口端面に当接し，さらに他端側に在る小径部４５に筒状誘電体２８を支持する支持金具４６の環状部４７が嵌合される。支持金具４６は前記同様のステンレス鋼より構成されており，前記同様に環状部４７の直径延長線上に在って互に逆方向に突出する２つの取付部４８を有し，それら取付部４８のボルト孔に挿通された２つの六角孔付ボルト４９が，外側電極７の他方のフランジ６に溶接された２つのナット５０にそれぞれねじ込まれている。
このように外側電極７に関して筒状誘電体２８を支持させることにより外側電極７内に存する筒状誘電体２８の外周面と外側電極７の内周面との間に筒状間隙５１が形成される。この筒状間隙５１の半径方向幅ｗは，例えば，３ｍｍ≦ｗ≦５ｍｍ，実施例では，ｗ＝３ｍｍに設定されている。
筒状誘電体２８内に，筒状をなす内側電極５２が配置され，その内側電極５２は筒状誘電体２８を挟んで外側電極７に対向し，且つその筒状誘電体２８内周面に，その全体（またはほぼ全体）に亘って接触する。図４に示すように，内側電極５２は，筒状に丸められた平板状金属体５３が筒状誘電体２８内で自己の弾性により拡径して，その筒状誘電体２８内周面に密着したものであり，平板状金属体５３の周方向両端部は，相互に摺動し得るように重ね合せられている。平板状金属体５３としては，例えば，厚さ０．２ｍｍのＣｕ板が用いられているが，ステンレス鋼板，ステンレス鋼製網，Ａｌ板，Ａｌ合金板等も使用可能である。
図２に明示するように，第１蓋体２９の端壁３２に存する貫通孔５４に，全長に亘り雄ねじを有する接続棒５５が挿通され，その接続棒５５にねじ込まれた１つのナット５６が端壁３２外面に当接する。筒体３１内において，接続棒５５にピン状接触子５７の一端に存する環状体５８が嵌められてナット５９および端壁３２間に挟着され，そのピン状接触子５７の他端側に在る折曲げ部が内側電極５２の内周面に弾性的に接触している。ピン状接触子５７は，例えば直径１．６ｍｍのステンレス鋼線（例えば，ＪＩＳ  ＳＵＳ３０４）より構成されている。端壁３２外面において，接続棒５５にリード線６０の一端に存する環状体６１が嵌められて両ナット５６，６２間に挟着される。リード線６０は，第１中間筒状体１０に設けられた絶縁筒６３を通されて交流電源３の一方の端子に接続され，その他方の端子はアース線６５を介して接地されている。また外側電極７の一方のフランジ５がアース線６５を介して接地されている。これにより，外側，内側電極７，５２間に放電電圧を印加することができる。
入口筒２４内に，ねじ羽根６６を有する軸部材６７が挿入され，このねじ羽根６６により排気ガスの流れが螺旋状の流れとなる。第１蓋体２９において，その小径部３５に，セラミックス（例えば，前記アルミナ系セラミックス）より構成されたカラー６８が嵌着されており，一方の環状端面は支持金具３６の環状部３７に当接し，また他方の環状端面は端壁３２外面と同一平面上に位置する。カラー６８の外径と，筒状誘電体２８，大径部３４および環状部３７の各外径は等しい。これにより入口筒２４からの排気ガスが筒状間隙５１内にスムーズに導入される。一方，第２蓋体３０における大径部４４の外径は，筒状誘電体２８の外径とほぼ同一である。これにより筒状間隙５１から排気ガスがスムーズに排出される。
ガス出口用筒状体２１の中空部２５周壁にガス分析器６９の採取管７０が貫通保持されている。ガス分析器６９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。
図５に示すように，排気量２５００ｃｃのガソリンエンジン７１の排気管７２に，ハウジング４の入口筒２４を導入管７３を介して接続した。次いで，ガソリンエンジン７１をエンジン回転数６００ｒｐｍ，無負荷にて運転して，排気管７２，放電器２の筒状間隙５１等を流通した排気ガス中のＮＯｘ濃度をガス分析器６９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により外側，内側電極７，５２間に，３０ｋＶ，１０．５ｋＨｚの高放電電圧を印加した。これにより筒状間隙５１に放電（グロー放電）が発生し，その放電は，筒状間隙５１を形成する外側電極７内周面ほぼ全体および筒状誘電体２８外周面ほぼ全体に亘って発生しており，面放電を呈していた。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６９により測定した。このＮＯｘ濃度を放電処理後ＮＯｘ濃度とする。この測定を３回行って放電処理前ＮＯｘ濃度および放電処理後ＮＯｘ濃度の平均値を求めた。
次に，エンジン回転数６００ｒｐｍ，高負荷の条件下およびエンジン回転数１６００ｒｐｍ，無負荷の条件下でそれぞれ前記同様のＮＯｘ濃度測定を行った。表１は測定結果を示す。
【表１】
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表１より，前記装置１は３種の運転条件の平均で約３５％のＮＯｘ除去率を示すことが判る。よって，この装置１を，排気管７２において，触媒コンバータよりも排気ガス流通方向上流側に配置すると，触媒コンバータ排出側のＮＯｘ除去率を９０％以上に高めることが可能である。
表２は，筒状誘電体２８を構成する前記３種の材料に関する周波数測定値を示す。これは消費電力を０．５ｋＷに，また印加電圧を３０ｋＶにそれぞれ固定して測定されたものである。
【表２】
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前記周波数測定値が小さいもの程ＮＯｘ除去率が高くなる，ということが判明した。
〔実施例ＩＩ〕
筒状外側電極７，筒状外側電極７内に挿入されて，その筒状外側電極７内周面との間に筒状間隙５１を形成する外周面を持ち，且つ耐熱高強度セラミックスよりなる単層構造の筒状誘電体２８および筒状誘電体２８を挟んで筒状外側電極７に対向し，且つその筒状誘電体２８内周面全体に亘って接触する内側電極５２は放電ユニット７４を構成する。
図６，７に示す放電式排気ガス浄化装置１は，複数，実施例では３つの放電ユニット７４よりなる複数，実施例では第１，第２ユニット群７５，７６を備えている。１つのガス入口２３および１つのガス出口２６を有するハウジング４内において，第１，第２ユニット群７５，７６は，ガス入口２３からガス出口２６に向かう排気ガス流通方向Ａに沿って直列配置されている。また各ユニット群７５，７６の３つの放電ユニット７４は，外側電極７の軸線ａを排気ガス流通方向Ａと平行にして並列配置されている。この場合，各放電ユニット７４における筒状間隙５１の半径方向幅ｗはｗ＝５ｍｍに設定されている。
図７を図５と比較すると明らかなように，この実施例のハウジング４は，第１ユニット群７５を収容する第１ハウジング半体７７の第２中間筒状体１３に，第２ユニット群７６を収容する第２ハウジング半体７８の第１中間筒状体１０を連結したように構成されている。
第１ハウジング半体７７において，図８にも示すように，３つの中央筒状体，つまり筒状外側電極７は２つの楕円形をなすフランジ５，６を共有し，また図９にも示すように第１，第２中間筒状体１０，１３は断面楕円形をなすと共にその２つのフランジ９，１４；１２，１８も楕円形をなす。さらにガス入，出口用筒状体１７，２１のフランジ１６，２０も楕円形をなし，また中空部２２，２５はフード形をなす。この場合の放電器２は６つの外側電極７，６つの筒状誘電体２８，６つの内側電極５２等を有する。
交流電源３は，第１，第２ユニット群７５，７６に対応して２つ用いられており，各交流電源３のリード線６０は３つに分岐されて３つの内側電極５２にそれぞれ接続される。また第１，第２ユニット群７５，７６の各外側電極７の一方の共通フランジ５がアース線６５を介して接地される。
ガス出口用筒状体２１の中空部２５周壁にガス分析器６９の採取管７０が貫通保持されている。ガス分析器６９としては，実施例Ｉ同様に，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。
図６，７に示すように，排気量２５００ｃｃのガソリンエンジン７１の排気管７２に，ハウジング４の入口筒２４を導入管７３を介して接続した。次いで，ガソリンエンジン７１をエンジン回転数６００ｒｐｍ，無負荷にて運転して，排気管７２，放電器２の各筒状間隙５１等を流通した排気ガス中のＮＯｘ濃度をガス分析器６９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，一方の交流電源３により第１ユニット群７５の外側，内側電極７，５２間に，３０ｋＶ，４．５ｋＨｚの高放電電圧を，また他方の交流電源３により第２ユニット群７６の外側，内側電極７，５２間に，５０ｋＶ，６ｋＨｚの高放電電圧をそれぞれ印加した。これにより各筒状間隙５１に放電（グロー放電）が発生し，その放電は，各筒状間隙５１を形成する外側電極７内周面ほぼ全体および筒状誘電体２８外周面ほぼ全体に亘って発生しており，面放電を呈していた。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６９により測定した。このＮＯｘ濃度を放電処理後ＮＯｘ濃度とする。この測定を３回行って放電処理前ＮＯｘ濃度および放電処理後ＮＯｘ濃度の平均値を求めた。
次に各種条件下でガソリンエンジン７１を運転し，前記同様のＮＯｘ濃度測定を行った。表３は測定結果を示す。
【表３】
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表３より，前記装置１は６種の運転条件の平均で約４３％のＮＯｘ除去率を示すことが判る。この装置１もまた，前記同様に触媒コンバータと組合せることが可能である。
前記装置１により排気ガス中のＴＨＣを４３〜４５％低減することも可能である。
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排気ガス中のＮＯｘを効率良く除去することが可能な放電式排気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、放電式排気ガス浄化装置の要部破断正面図である。
第２図は、筒状誘電体と外側電極，内側電極，接触子等との関係を示す断面図である。
第３図は、第１図の３−３線拡大断面図である。
第４図は、筒状誘電体への内側電極の取付け方を示す説明図である。
第５図は、放電式排気ガス浄化装置とガソリンエンジンとの関係を示す側面図である。
第６図は、放電式排気ガス浄化装置の他例とガソリンエンジンとの関係を示す平面図である。
第７図は、放電式排気ガス浄化装置の他例とガソリンエンジンとの関係を示す側面図である。
第８図は、第７図の８−８線端面図である。
第９図は、第７図の９−９線端面図である。
【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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【国際調査報告】
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