(57)【要約】【課題】内燃機関等の排ガス中に存在する粒子状物質を放電によって浄化する方法において、放電による粒子状物質の集塵と、集塵した粒子状物質の酸化とを効果的に行う。【解決手段】一対の電極２０１および２０２の間に粒子状物質を含んだガスを流し、電極間で放電を行うことで、粒子状物質を酸化分解する。この際、第１放電期間（Ｔ１）において、相対的に低電圧Ｖ１の放電を行い、粒子状物質２０３ａを電極２０２表面に集塵し、第２放電期間（Ｔ２）において、相対的に高電圧Ｖ２の放電を行い、電極２０２上に集塵された粒子状物質２０３ｂを酸化分解する。また、放電が行われない未放電期間（Ｔ３）を設けることで、低消費電力を追求し、また放電ロスを抑える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス中の粒子状物質を浄化する方法であって、
前記粒子状物質を集塵するための第１の電圧を前記ガスに対して加える第１放電期間と、
集塵した前記粒子状物質を酸化するための第２の電圧を前記ガスに対して加える第２放電期間と、
前記ガスに対して電圧を加えない未放電期間と
を含むことを特徴とするガス浄化方法。
【請求項２】
前記第１の電圧の電位差に比較して前記第２の電圧の電位差の方が大きいことを特徴とする請求項１に記載のガス浄化方法。
【請求項３】
前記第１の電圧の波形と前記第２の電圧の波形とが異なることを特徴とする請求項１に記載のガス浄化方法。
【請求項４】
前記第１放電期間、前記第２放電期間、および前記未放電期間を含んだバースト周期を有し、
前記バースト周期が繰り返されることを特徴とする請求項１に記載のガス浄化方法。
【請求項５】
前記第１放電期間および前記第２放電期間における放電は、極性の同じＤＣ電圧波形であることを特徴とする請求項１に記載のガス浄化方法。
【請求項６】
前記第１放電期間および／または前記第２放電期間における放電は、ＡＣ電圧波形であることを特徴とする請求項１に記載のガス浄化方法。
【請求項７】
前記第１放電期間および前記第２放電期間における放電は、互いに極性が逆のＤＣ電圧波形であることを特徴とする請求項１に記載のガス浄化方法。
【請求項８】
前記第１の電圧および前記第２の電圧は、対向した一対の電極間において加えられ、
前記第１の電圧が加えられることで、前記一対の電極の一方の表面において前記粒子状物質の集塵が行われ、
前記第２の電圧が加えられることで、前記集塵された前記粒子状物質の酸化が行われることを特徴とする請求項１に記載のガス浄化方法。
【請求項９】
前記ガスの流量、前記ガスに含まれる粒子状物質の量、および前記粒子状物質の浄化効率から選ばれた１または複数の値を取得するステップと、
前記取得した値に基づいて、前記第１の電圧の値、前記第２の電圧の値、前記第１放電期間の長さ、前記第２放電期間の長さ、前記未放電期間の長さ、前記第１の電圧の電圧波形、および前記第２の電圧の電圧波形から選ばれた１または複数を調整するステップとを備えることを特徴とする請求項１に記載のガス浄化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば内燃機関、燃焼炉、焼却炉あるいはプラント等から排出される排ガス中に含まれる粒子状物質（ＰＭ（Particulate Matter）：代表的にはスス）を、放電を利用して分解し浄化する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関等からの排ガス中に含まれる粒子状物質を浄化する方法として、放電を利用する方法が知られている。この技術において、粒子状物質を電界の作用で捕捉集塵し、一方でその捕捉した粒子状物質を放電の作用により酸化（燃焼）し分解する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−２６１７１７号公報（要約書）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述したような従来の技術においては、粒子状物質の集塵に適した放電条件と粒子状物質の酸化に適した放電条件とが異なるため、期待される程の浄化効率を得ることは困難であった。すなわち、集塵を優先すれば、酸化効率（燃焼効率）が低くなるので、粒子状物質の浄化効率はそれ程高くならず、逆に酸化効率を優先すれば、集塵効果が低くなるので、やはり浄化効率はそれ程高くならなかった。この問題に対しては、集塵作用と酸化作用とをバランスさせた条件を設定する方法があるが、集塵と酸化の作用が中途半端にならざるを得ず、やはり浄化効率を高めることは困難であった。
【０００４】
そこで、本発明は、粒子状物質を含んだガスに対する放電により、ガス中に含まれる粒子状物質を除去する技術において、粒子状物質の捕捉と、この捕捉した粒子状物質の効果的な酸化とを追求できる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のガス浄化方法は、ガス中の粒子状物質を浄化する方法であって、ガス中に含まれる粒子状物質を集塵するための第１の電圧を前記ガスに対して加える第１放電期間と、集塵した前記粒子状物質を酸化するための第２の電圧を前記ガスに対して加える第２放電期間と、ガスに対して電圧を加えない未放電期間とを含むことを特徴とする。
【０００６】
本発明におけるガスとしては、内燃機関、外燃機関、焼却炉あるいはプラント等から排出される排ガスが挙げられるが、必ずしもそれに限定されるものではない。すなわち、排ガスでなくても粒子状物質を含んだガスであれば、本発明を適用することができる。また、本発明は、流れているガスに対して浄化を行う場合、流れていないガスに対して浄化を行う場合の両方に適用可能である。
【０００７】
粒子状物質というのは、ＰＭ（Particulate Matter）のことであり、代表的にはススを挙げることができる。本発明は、酸化することが可能な粒子状物質を浄化の対象とする。集塵というのは、粒子状物質を集めることをいう。集塵する場所としては、空間中の所定の領域や所定の材質の表面（例えば電極）を挙げることができる。電圧は、放電波形のピークの値（波高値）あるいは平均値として把握される。酸化という概念には、燃焼も含まれるが、本発明においては、放電プラズマのエネルギーを用いて、粒子状物質を酸化するので、普通の燃焼のような高温を伴わずに、粒子状物質を酸化分解することができる。例えば、粒子状物質が主にスス（炭素を主成分とする粉）である場合、放電によりススの酸化が進行し、それによりススが炭酸ガス（ＣＯやＣＯ２）に分解され、ススの浄化が行われる。放電波形は、特に限定されないが、例えば正弦波、正弦波の半波形、矩形波、三角波、パルス波、これらの組み合わせ等を採用することができる。
【０００８】
本発明によれば、第１放電期間において、放電により生じる電界の作用によって粒子状物質を集め、その集めた粒子状物質を第２放電期間において放電のエネルギーにより酸化分解する。この際、第１放電期間における放電電圧（あるいは放電波形）を粒子状物質の集塵に適した値（波形の形）に設定し、第２放電期間における放電電圧（あるいは放電波形）を集塵された粒子状物質の酸化分解に適した値（あるいは波形の形）に設定する。こうすることで、ガス中の粒子状物質を集塵し、それを効果的に酸化分解することができる。
【０００９】
また、第１および第２放電期間に加えて、放電を行わない未放電期間を設けることで、浄化に寄与しない放電エネルギー（エネルギーロス）を減らして消費電力を抑え、さらに電極の劣化を抑えることができる。また、未放電期間を設けることで、残存した粒子状物質の集塵作用を得ることもできる。すなわち、放電プラズマ中の電子とイオン（主に正に帯電した粒子状物質）の挙動を考えると、電極間の電子の移動速度（１０８ｃｍ／ｓｅｃ程度）に対し、イオンの移動速度（１０５ｃｍ／ｓｅｃ程度）が遅いため、電子が対極に到達した後も電極間にイオンが残留している状態が存在する。特に第２放電期間は、集塵された粒子状物質の酸化分解に適した放電電圧が印加されているため、比較的多くのイオンが電極間に存在する。したがって、第２放電期間の後に未放電期間を設けることで、電極間には電圧が印加されていないにもかかわらずイオンが残留しているため、電極間に電位差が生じ、このためにイオンが電極に移動し、電極に第２放電期間で帯電した粒子状物質を集塵することができる。このように流れているガスに対して放電を行う場合において、第１放電期間→第２放電期間→未放電期間というサイクルを繰り返す処理を行った場合、まず第１放電期間において粒子状物質を帯電および集塵し、次に第２放電期間において粒子状物質を酸化分解し、放電空間内の粒子状物質の密度を減少させ、かつ放電空間内に残留している粒子状物質を帯電させる。そして、未放電期間において、この帯電した粒子状物質が電極に集塵し、この時同時に放電空間内（例えば一対の電極間の空間）に粒子状物質を含んだ未処理のガスが流れ込む。その後、放電空間に対して、粒子状物質を集めるための放電（第１放電期間における放電）が再び開始される。このサイクルによれば、粒子状物質の集塵と酸化分解を効果的および効率的に行うことができる。仮に未放電期間が存在せず、第１放電期間と第２放電期間とを順に繰り返した場合、第２放電期間が終了した直後に、次のサイクルの第１放電期間における放電が開始されることになる。この場合、第２放電期間終了時に放電空間内に残留している帯電した粒子状物質が、第１放電期間に発生した電子により電気的に中和され、上述したような集塵が効果的に行われないばかりか、放電空間に粒子状物質を含んだ未浄化処理段階のガスが行き渡らない段階（充満しない段階）で第１放電期間が始まるため、粒子状物質の集塵を効果的に行うことができない。このため、無駄になる放電エネルギーが多くなる。また、未放電期間を設けることで、電極に電位が加わらない期間が設けられ、電極の汚れや劣化が進行するスピードを抑えることができる。これにより、放電装置の長寿命化を図ることができる。
【００１０】
本発明において、第１の電圧の電位差に比較して第２の電圧の電位差の方を大きくすることは好ましい。後述するように、粒子状物質の集塵に効果的な放電電圧（放電電極間の電位差）は、その酸化に効果的な放電電圧に比較して相対的に低いことが判っている。したがって、粒子状物質の集塵と、その集塵された粒子状物質の酸化を効果的に行う場合、第１の電圧の電位差を相対的に低く設定し、第２の電圧の電位差を相対的に高く設定することが効果的となる。
【００１１】
図１は、放電電圧と粒子状物質の集塵量との関係を概念的に示したグラフである。図１において（Ａ１）は、時間経過に従う放電電圧（放電波形）を示し、（Ａ２）は、（Ａ１）の放電波形に対応した集塵量の時間推移を示す。また（Ｂ１）は、時間経過に従う放電電圧を示し、（Ｂ２）は、（Ｂ１）の放電波形に対応した集塵量の時間推移を示す。なお、図１における横軸および縦軸の単位は相対値である。
【００１２】
図１の（Ａ１）に示される波形は、集塵を優先した場合の例である。一方、図１の（Ｂ１）は、粒子状物質の酸化を優先した場合の例である。以下説明するように、粒子状物質の集塵を追及する場合は、比較的低電圧の放電が有利であり、粒子状物質の酸化を優先する場合は、集塵の場合に比較して高電圧の放電が有利となる。
【００１３】
図２は、放電電圧と集塵される粒子状物質（ＰＭ）との関係を実測したグラフである。図２示すデータは、ステンレス製の平行平板型電極を０．５ｍｍの間隔をおいて対向配置し、その間に粒子状物質（すす）を含んだ空気を一定流量で流し、２０分間に粒子状物質のトータル流入量が１０ｍｇとなる条件において、電極間に印加したＤＣ電圧の値を振り、その際における負極側の表面に集塵（付着）した粒子状物質の量（質量）を計測した結果である。
【００１４】
図２に示されるように、放電電圧が略２ｋＶを超えると集塵量が急激に増加し、２．５ｋＶ付近で集塵量が最大となり、さらに放電電圧が増加し３ｋＶ付近になると、集塵量が減少する傾向が得られる。この傾向は、３ｋＶ付近では、酸化作用が顕著になり、それが集塵量の減少として現れていることを示している。このことは、図２に示すデータを得た場合の実験条件と同じ実験条件において、放電電圧と粒子状物質の浄化量とのデータを採取し、横軸に放電電圧、縦軸に浄化量のグラフを作成した際に、２．５ｋＶ以上の放電電圧の領域において、浄化量が増大する傾向が得られることからも裏づけられる。
【００１５】
このように、集塵を優先した場合（図１（Ａ１）の場合）、比較的放電電圧が低い方が有利であるが、（Ａ２）に示されるように、放電を続ける内にＰＭ浄化率（粒子状物質の浄化効率）が低下する。これは、粒子状物質が放電電極の負極側に集まる現象が進行する結果、負極が粒子状物質で覆われてしまうことに関係があると考えられる。
【００１６】
また酸化を優先した場合、集塵を優先した場合（図１（Ａ１）の場合）に比較して放電電圧が高い方が有利となるが、図１（Ｂ２）に示されるように、ＰＭ浄化率は、時間が経過しても減少しない。しかしながら、酸化を優先した場合は、図１（Ｂ１）に示す集塵を優先した場合に比較して、浄化効率のピーク値は小さなものとなる。これは、粒子状物質の酸化を優先させた場合、電極表面上における集塵が進行しないので、電極表面が粒子状物質で覆われることがなく、時間経過に伴う粒子状物質の酸化分解能力の低下が発生し難いが、他方において、集塵作用が働かない（あるいは弱い）ので、広い領域に散在する粒子状物質を酸化しなくてはならず、酸化が効果的に行われないからであると考えられる。
【００１７】
つまり、図１の（Ａ１）および（Ａ２）に示されるように、粒子状物質の集塵を優先した場合、短期間に大きな浄化率を得ることができるが、それは長続きせず、他方において、粒子状物質の酸化を優先した場合、浄化率は低いが、その値を持続させることができる。そこで本発明においては、浄化対象ガスに対する放電処理に際して、まず第１放電期間において、集塵能力を追求できる相対的に低い電圧を加え、次の第２放電期間において、酸化能力を追及できる相対的に高い電圧を加える。あるいは、第１放電期間において、集塵能力を追求できる放電波形を選択し、次の第２放電期間において、酸化能力を追及できる放電波形を選択する。この構成によれば、第１放電期間において集塵を高効率に行い、その集塵された粒子状物質を次の第２放電期間において効果的に酸化することができる。このため、上述した集塵を優先した場合のデメリットと酸化を優先した場合のデメリットが顕在化せず、高浄化効率を長時間維持する能力を得ることができる。
【００１８】
以下、実際の放電波形の例を説明する。図３は、本発明における放電波形の一例と浄化原理を示す概念図である。図３（Ａ）には、第１放電期間Ｔ１において第１の電圧Ｖ１による放電が行われ、次に第２放電期間Ｔ２において第２の電圧Ｖ２による放電が行われ、次に未放電期間Ｔ３があるサイクルが繰り返される例が示されている。なお、この例においては、第１放電期間Ｔ１、第２放電期間Ｔ２、および未放電期間Ｔ３によって、後述するバースト周期が構成される。
【００１９】
図３（Ｂ）〜（Ｄ）には、このような放電形態が平行平板型電極で実行された場合における粒子状物質の振る舞いが概念的に示されている。以下、粒子状物質が浄化されるメカニズムを図３に示す概念図を用いて説明する。この場合、正電極２０１と負電極２０２との間に、粒子状物質２０３ａを含んだガス（例えばディーゼルエンジンの排ガス）が流され、その状態において、両電極間に図３（Ａ）に示されるようなＤＣ波形が印加される。
【００２０】
この際、まず図３（Ｂ）に示すように、第１の電圧Ｖ１が印加される第１放電期間（期間：Ｔ１）において、ガス中の粒子状物質２０３ａは、電界Ｅ＝Ｖ１／ｄ（ｄ：電極間間隔）の作用によって電離（電子が脱離）することで正に帯電する。その結果、正電極２０１に対して負電位の負電極２０２の表面に引き寄せられ、その表面に粒子状物質２０３ｂとして集塵される。
【００２１】
次に図３（Ｃ）に示すように、第２の電圧Ｖ２が印加される第２放電期間（期間：Ｔ２）において、ガス中の酸素分子、水分子、炭化水素分子から酸素イオン（Ｏ−）、酸素ラジカル、オゾン、ＯＨラジカル等が効果的に生成され、それらが集塵された粒子状物質２０３ｂと結合することで、集塵された粒子状物質２０３ｂが酸化される。また、第２放電期間中に流れる電子が電極に流入する際に発生する熱（オーミック熱）でも、集塵された粒子状物質２０３ｂが酸化される。この結果、粒子状物質が二酸化炭素（ＣＯ２）（あるいは一酸化炭素（ＣＯ））に気化分解され、生成したＣＯ２（あるいはＣＯ）は、ガス中に放出される。こうして、粒子状物質が炭酸ガスに分解され、粒子状物質の浄化が行われる。また、図３（Ｃ’）に示すように、第２放電期間終了時点で放電空間内には、正に帯電した粒子状物質２０４が残留した状態となっている。
【００２２】
次に図３（Ｄ）に示すように、放電が行われない未放電期間（期間：Ｔ３）に切り替わり、残留している帯電した粒子状物質２０４は徐々に電極に移動し集塵されると同時に、電極間に存在する粒子状物質が浄化されたガスは、電極間におけるガスの流れに応じて電極間から排出され、同時に未浄化状態のガスが電極間に流入する。そして、次のサイクルのバースト周期（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３で構成される）における第１放電期間が始まり、同じ処理が再度行われる。こうして、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３で構成されるバースト周期が繰り返し行われてガス中に存在する粒子状物質の浄化が行われる。
【００２３】
図３（Ａ）には、電圧波形の一例が示されているが、多様なバリエーションが可能である。また、Ｔ１、Ｔ２およびＴ３の大小関係も任意に設定可能である。具体的な値の設定は、実験的に求めればよい。
【００２４】
図４は、電圧波形の他の一例を示す概念図である。図４（Ａ）に示すのは、第１の電圧および第２の電圧を２パルスで構成した例である。また図４（Ｂ）に示すのは、図４（Ａ）における２パルスを１パルスにした例である。図４（Ｃ）に示すのは、第１放電期間を段階的に電圧が増加する２パルスで構成した例である。図４において、Ｖ１は第１の電圧、Ｖ２は第２の電圧、Ｔ１は第１放電期間の長さ、Ｔ２は第２放電期間の長さ、Ｔ３は未放電期間の長さである。また、Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３がバースト周期の長さである。なお、図４（Ｃ）には、第１放電期間において、１パルス目をＶ１よりやや小さい値とし、２パルス目をＶ１とした例が示されている。１パルスの電圧波形は、図４に示す形状に限定されるものではなく、矩形波や三角波であってもよい。
【００２５】
本発明において、第１の電圧の波形と第２の電圧の波形とを異なる構成としてもよい。この場合、第１の電圧の波形を粒子状物質の集塵に適した波形とし、第２の電圧の波形を粒子状物質の酸化分解に適した波形とする。こうすることで、粒子状物質の集塵とその分解とを、それぞれ最適な放電条件とすることができ、ガス中の粒子状物質の浄化を効果的に行うことができる。なお、電圧の波形が異なるという意味には、オシロスコープ等で観察されるその波形の形そのものが異なる場合、波形の形は同じであるが、そのピークの値が異なる場合の両方が含まれる。
【００２６】
本発明において、第１放電期間、第２放電期間、および未放電期間を含んだバースト周期を有し、このバースト周期が繰り返される動作を行うことは好ましい。この態様によれば、第１放電期間→第２放電期間→未放電期間→第１放電期間→・・・というサイクルが繰り返され、ガス中に含まれる粒子状物質の除去を連続的に行うことができる。図３（Ａ）に示す例においては、第１放電期間（Ｔ１）、第２放電期間（Ｔ２）、および未放電期間Ｔ３）によって、バースト周期が構成される。図３（Ａ）の例においては、このバースト周期が繰り返される。
【００２７】
本発明において、第１放電期間および第２放電期間における放電は、極性の同じＤＣ電圧波形である構成とすることは好ましい。この態様によれば、第１放電期間における放電によって集めた粒子状物質に対して、その集められた状態を維持した状態において第２放電期間の酸化を行うことができる。つまり、第１放電期間において行われる集塵作用を損なわずに、第２放電期間における粒子状物質の酸化を行うことができる。
【００２８】
以下、この態様を採用した場合における作用について説明する。まず、第１放電期間において、ＤＣ（直流）放電を行うことで、粒子状物質を＋に帯電させ、負電極（グランド電位側の電極）に集め集塵する。この時、放電電圧の極性を反転させないことで、負電極表面における粒子状物質の集塵状態を維持することができる。そして、続く第２放電期間においても第１放電期間と同じ極性のＤＣ放電を行うことで、先の集塵状態が維持された状態で粒子状物質の酸化分解を行う。つまり、粒子状物質を集め、それをまとめて酸化する。こうすることで、効果的な粒子状物質の浄化を行うことができる。
【００２９】
なお、この態様においては、上記の作用から明らかなように、１つのバースト周期内における第１の電圧と第２の電圧の極性を揃えることが重要となる。よって、バースト周期が異なれば、印加電圧の極性を反転させることは可能である。
【００３０】
本発明において、第１放電期間および／または第２放電期間における放電を、ＡＣ電圧波形とすることもできる。この場合、特定の電極に粒子状物質が固着し、粒子状物質の酸化分解が阻害されてしまう問題を回避することができる。また、各放電期間における放電波形としてＡＣ波形を採用した場合において、±が非対称な（上下非対称な）放電波形を採用することもできる。この場合、一方の電極上に粒子状物質を集めるＤＣ放電の作用をある程度得ることができる。このため、粒子状物質の効果的な捕集と粒子状物質の電極表面の固着防止とを同時に追求することができる。
【００３１】
また、本発明において、第１放電期間および第２放電期間における放電を、互いに極性が逆のＤＣ電圧波形とすることもできる。この場合、第１放電期間において負電位の電極表面に集塵された粒子状物質が第２放電期間において飛散する傾向が発生するが、粒子状物質を電極表面から剥がす作用が得られるので、粒子状物質が電極に固着することによる浄化効率の低下を抑えることができる。
【００３２】
上述した極性の同じＤＣ波形のみを採用する場合、ＡＣ波形を採用する場合、第１放電期間と第２放電期間とにおいてＤＣ波形を採用し、その波形を反転させる場合のそれぞれに個別の優位性があるが、各態様の作用効果は、粒子状物質の大きさや組成、排ガス中における他の不純物の存在、排ガスの種類、粒子状物質の量（密度）等によって影響を受ける。従って、これらの条件を勘案して、何れかの態様を選択すればよい。勿論これらの態様を適宜切り換えて使用することも可能である。
【００３３】
本発明において、第１の電圧および第２の電圧が、対向した一対の電極間において加えられる構成とすることは好ましい。この態様によれば、第１の電圧が加えられることで、一対の電極の一方の表面において粒子状物質の集塵が行われ、第２の電圧が加えられることで、この集塵された粒子状物質の酸化が行われる。一対の電極としては、平行平板型や同軸型を挙げることができる。また、放電空間の長さを稼ぐために、放電経路を屈曲させる、放電空間を並列に複数配置する、といった工夫を行ってもよい。
【００３４】
本発明において、ガスの流量、ガスに含まれる粒子状物質の量、および粒子状物質の浄化効率から選ばれた１または複数の値を取得するステップと、この取得した値に基づいて、第１の電圧の値、第２の電圧の値、第１放電期間の長さ、第２放電期間の長さ、未放電期間の長さ、第１の電圧の電圧波形、および第２の電圧の電圧波形から選ばれた１または複数を調整するステップとを備えることは好ましい。
【００３５】
ガスの流量が一定で、そこに含まれる粒子状物質の濃度も一定であれば、それに応じた処理条件を選択し、その条件での処理を行えばよい。しかしながら、例えば、内燃機関の排ガス処理を考えた場合、エンジンの運転状態によって排ガスの流量や含まれる粒子状物質の量は変化する。この場合、その変化に応じて処理条件を制御することが、浄化効率や低消費電力を追求する上で好ましいものとなる。上記の態様によれば、ガスの状態の変化（流量や含まれる粒子状物質の量の変化）に応じて、放電電圧や未放電期間の長さを調整し、それにより浄化効率や低消費電力を追求することができる。なお、ガスの状態を監視するためのパラメータとしては、ガスの温度、ガス中の水分含有量、ガスに含まれる所定の不純物濃度、ガスの組成、ガスの圧力、ガスの光透過率、およびガスの電気伝導度等を利用することもできる。
【００３６】
ガス中における粒子状物質の量を計測する方法としては、吸着式センサや光学式センサによって、直接粒子状物質を検知する例を挙げることができる。また、粒子状物質の発生源の情報に基づいて、間接的に粒子状物質の量を得ても良い。この方法の例としては、ガスがエンジンの排ガスである場合において、エンジンの負荷や燃焼温度等から間接的に粒子状物質の量を推し量る方法や、焼却炉の燃焼温度から排ガス中の粒子状物質の量を推し量る方法等を挙げることができる。なお、粒子状物質の量としては、例えば、単位時間内に単位面積内を通過する粒子状物質の数や質量を把握の対象として挙げることができる。
【００３７】
以上、本発明を浄化の方法として把握し、説明を加えたが、本発明は、装置の発明として把握することもできる。この場合、本発明および上記各態様の動作（あるいは制御内容や処理内容）を実行する機能を備えた装置として発明を把握すればよい。例えば、請求項１の発明は、ガス中の粒子状物質を浄化する装置であって、第１放電期間において前記粒子状物質を集塵するための第１の電圧を前記ガスに対して加え、且つ第２放電期間において前記集塵した前記粒子状物質を酸化するための第２の電圧を前記ガスに対して加える放電手段を備え、前記放電手段から前記ガスに対して電圧を加えない未放電期間を有することを特徴とするガス浄化装置として把握することができる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、放電によりガス中の粒子状物質を浄化する技術において、集塵に適した放電を加えた後に、酸化に適した放電を加えることで、粒子状物質の捕捉と、この捕捉した粒子状物質の効果的な酸化とを追求することができ、高い浄化効率を得ることができる。また、酸化のための放電の後に、放電を行わない期間を設けることで、低消費電力化、エネルギーロスの抑制、電極の長寿命化を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
１．第１の実施形態
（１）第１の実施形態の構成
図５は、本実施形態における放電装置の概要を示す概念図である。図５には、放電装置５０１が示されている。この放電装置５０１は、ガス流入口５０２ａおよびガス排出口５０２ｂが形成された反応容器５０２を備え、この反応容器内５０２内には、平行平板式の正電極５０３および５０５、さらにその間に負電極５０４が配置されている。正電極５０３および５０５には、ＤＣ電源装置５０８が接続され、負電極５０４はグランド電位に接続されている。ＤＣ電源装置は、図３（Ａ）や図４に例示するような波形の電圧を正電極５０３と負電極５０４との間、および正電極５０５と負電極５０４との間に加え、それにより、正電極５０３と負電極５０４との間、および正電極５０５と負電極５０４との間に放電が行われる。この放電は、ガスの流入口５０２ａから矢印５０６の向きで粒子状物質を含有するガスが反応容器５０２内に流入し、ガス排出口５０２ｂから矢印５０７の向き排出されている状態、つまりガスが反応容器５０２内を通過している状態において行われる。各電極の放電面は、高誘電体（例えばアルミナ）によって覆われており、放電がアーク放電に移行しないようにされている。なお、本実施形態においては、反応容器５０２内の圧力は特に制御せず、放電は常圧雰囲気中において行われる。
【００４０】
図６は、図５に示す放電装置を含んだ浄化システムの構成を示すブロック図である。図６に示す浄化システムにおいては、ガス発生源６０１から排出される粒子状物質を含んだガスが、流量計測装置６０２、粒子状物質計測装置６０３、放電装置５０１、粒子状物質計測装置６０４の順に流れ、システム外に排気される。この過程において、ガス発生源６０１から排出されるガスの流量が流量計測装置６０２において計測され、さらにその中に含まれる粒子状物質の量が粒子状物質計測装置６０３において計測される。粒子状物質の量は、その質量を計測することが好ましく、その検出手段としては、吸着式センサを挙げることができる。粒子状物質の量として検出する対象は、単位時間に単位面積内を通過する粒子状物質の質量であることが好ましい。
【００４１】
ガス発生源６０１としては、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、ガスタービン等の内燃機関を挙げることができる。また、ガス発生源６０１として、熱処理や熱量発生を目的とする燃焼炉、ゴミ等の焼却炉、各種のプラント、粉塵をその雰囲気中に含む環境等を挙げることもできる。
【００４２】
流量計測装置６０２において計測されたガスの流量に関する計測データ、粒子状物質計測装置６０３および６０４において計測された粒子状物質の量に関する計測データは、制御装置６０５に送られる。制御装置６０５は、これらデータに基づいて、浄化効率等を算出し、またＤＣ電源装置５０８を制御する。
【００４３】
制御装置６０５は、入力インターフェース、ＣＰＵ、メモリ、出力インターフェースを備えている。入力インターフェースは、流量計測装置６０２からの出力信号、粒子状物質計測装置６０３および６０４からの出力信号を制御装置６０５に受け入れる機能を有する。ＣＰＵは、前記計測装置群からの計測データを処理する機能、および後述する浄化処理の動作を制御する機能を有する。メモリは、後述する浄化処理の処理手順を決める制御プログラム、およびこの処理手順を実行する際に利用されるデータを記憶し、さらに浄化処理を実行する際に各種のデータ等を一時的に保持するワーキングエリアとしての機能を有する。
【００４４】
（２）第１の実施形態の動作
図７は、上記第１の実施形態の浄化システムの動作の一例を示すフローチャートである。ここでは、図６に示すガス発生源６０１がディーゼルエンジンであり、浄化対象のガスがその排ガスである場合の例を説明する。
【００４５】
まず、この例においては、排ガスの流量に応じた適切な処理条件を実験的に求めておき、その相関データのデータテーブルを制御装置（図６参照）内のメモリに記憶させておく。すなわち、ガス流量に応じた放電条件（図３や図４におけるＶ１、Ｖ２、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の値、および放電波形の形から選ばれたパラメータ）は、予め実験的に求めておき、それを制御装置６０５内のメモリに記憶させておく。この例においては、図３（Ａ）に示す放電波形を採用し、制御の対象は、第１放電期間の長さ（Ｔ１）と、第２放電期間の長さ（Ｔ２）とする。制御の傾向としては、排ガスの流量が多い場合に、Ｔ１およびＴ２を共に同じ割合で増加させ、排ガスの流量が少ない場合に、Ｔ１およびＴ２を逆に短く設定する傾向とする。
【００４６】
ガス発生源（図６の符号６０１）であるディーゼルエンジンが始動すると、浄化処理がスタートし（ステップＳ７０１）、まずディーゼルエンジンから排気される排ガスの流量が計測される（ステップＳ７０２）。次にこのディーゼルエンジンからの排ガス流量の値に基づいて、処理条件（浄化処理の条件）が制御装置６０５内のメモリから検索され、その処理条件が設定される（ステップＳ７０３）。この設定にしたがって、ＤＣ電源装置５０８は、所定波形の電圧を発生し、その波形の電圧の放電が放電装置５０２内に流れる排ガスに対して行われる（ステップＳ７０４）。
【００４７】
浄化終了の指示がある場合、あるいはディーゼルエンジンが停止した場合には、ステップＳ７０５の判断がＹＥＳとなり、ＤＣ電源装置５０８は動作を停止し、浄化処理が終了する（ステップＳ７０６）。一方、ディーゼルエンジンが停止せず、また浄化終了の指示がない場合、ステップＳ７０５の判断はＮＯとなり、ステップＳ７０２以下の処理を繰り返す。なお、一旦放電が開始された後は、ステップＳ７０４において、新たに設定（修正）された放電条件での放電が行われる（修正された条件での放電）。また、一旦放電が開始された後の制御において、ガス流量の計測値に変化がない場合、あるいはガス流量の計測値に変化があっても、新たな条件の設定が必要ない場合は、ステップＳ７０３およびＳ７０４での新たな処理は行われず、ステップＳ７０２の次にステップＳ７０５が実行される。こうして、排ガスの流量に応じた放電が行われる。
【００４８】
２．第２の実施形態
図８は、図５および図６に示すシステムの他の動作の一例を示すフローチャートである。ガス発生源６０１（この例ではディーゼルエンジン）が始動すると、浄化処理がスタートし（ステップＳ８０１）、まず予め定めておいた初期放電条件が設定される（ステップＳ８０２）。初期放電条件というのは、放電開始時の初期条件であり、まずこの初期放電条件から放電がスタートする。なお、放電波形は、図３（Ａ）に示すものを採用する。
【００４９】
ステップＳ８０２において、初期放電条件が設定されたら、一対の電極５０３と５０４との間、および一対の電極５０５および５０４との間において、放電が開始され（ステップＳ８０３）、次いで放電装置５０１における浄化効率が算出される（ステップＳ８０４）。浄化効率の算出は、粒子状物質計測装置６０３において計測される放電装置５０１に流入する前段階におけるガス中に含まれる粒子状物質の量（Ｓ１）と、粒子状物質計測装置６０３において計測される放電装置５０１から流出するガス中に含まれる粒子状物質の量（Ｓ２）とを利用して行われる。すなわち、Ｓ１とＳ２のデータ信号は、制御装置６０５に送られ、そこで浄化効率の算出が行われる（ステップＳ８０４）。浄化効率（％）は、１００×（Ｓ１−Ｓ２）／Ｓ１によって算出される。
【００５０】
ステップＳ８０４において、浄化効率を算出したら、それが予め定めておいた所定の値以上であるか否かを判断し（ステップＳ８０５）、浄化効率が所定の値以上であれば、ステップＳ８０７に進み、浄化効率が所定の値未満である場合、ステップＳ８０６に進む。ステップＳ８０６においては、浄化効率を高める処理が実行され、その後ステップＳ８０７に進む。ステップＳ８０６においては、図３（Ａ）における放電波形のＴ１およびＴ２を共に同じ所定の割合で増加させる制御が実行される。
【００５１】
ステップＳ８０７では、浄化処理が終了か否かが判断され、ディーゼルエンジンが停止あるいは浄化終了の指示がある場合、放電を停止して浄化を終了し（ステップＳ８０８）、そうでなければステップＳ８０４の前段階に戻る。
【００５２】
この動作例によれば、放電による粒子状物質の浄化効率を監視し、その値が所定のレベルを下回った場合に、浄化効率を高める制御を行う。こうして、ガス発生源からのガスに含まれる粒子状物質の量が変動する等しても、浄化効率を所定のレベルに維持することができる。また、電極の汚れ等により、浄化効率が低下した場合等に、それが浄化効率の低下として検出され、浄化効率の低下を抑える制御を行うことができる。
【００５３】
３．第３の実施形態
図９は、図５および図６に示すシステムの他の動作の一例を示すフローチャートである。ガス発生源６０１（この例ではディーゼルエンジン）が始動すると、浄化処理がスタートし（ステップＳ９０１）、まず粒子状物質計測装置６０３において、ガス発生源６０１からの排ガスに含まれる粒子状物質の量が計測される（ステップＳ９０２）。次いで計測された粒子状物質の量に対応した放電条件が設定される（ステップＳ９０３）。この放電条件は、第１の実施形態の場合と同様に、予め粒子状物質の量との対応関係を調べておいたものを利用する。
【００５４】
ステップＳ９０３において、放電条件の設定が行われたら、放電を開始する（ステップＳ９０４）。そして、エンジンが停止あるいは浄化終了の指示があれば、ステップＳ９０５の判断がＹＥＳとなり、浄化処理を終了し（ステップＳ９０５）、浄化終了の要件が整わなければステップＳ９０２以下の処理が繰り返えされる。こうして、未処理段階のガス中に含まれる粒子状物質の量に応じて、放電条件を適宜修正し、最適な浄化環境を維持することができる。
【００５５】
４．第４の実施形態
図５に示す放電装置５０１は、ガスを連続的にその内部に通過させ、その通過するガスに対して放電を利用した浄化処理を施す動作形態を有するが、バッチ処理式にガスの浄化を行うことも可能である。この場合、反応容器５０２内に一旦ガスを閉じこめた状態として放電を行い、その後にガスの入れ替えを行う動作が基本単位となり、この基本単位が繰り返される。
【００５６】
５．第５の実施形態
以上の実施形態においては、第１放電期間と第２放電期間とにおいて、極性の同じＤＣ放電を行う例を説明した。しかしながら、放電波形として、第１放電期間と第２放電期間において、ＡＣ波形を採用することもできる。この場合、ＡＣ波形は、正弦波、矩形波、三角波を利用することができる。図１０は、この態様における波形の一例を示す概念図である。図１０における符号の示す意味は、図３（Ａ）と同じである。ＡＣ放電を行うには、図５に示す放電装置において、ＤＣ電源装置５０８をＡＣ電源装置に変更すればよい。この例において、＋側と−側の振幅を異ならせ、ＤＣ放電の要素を与えることもできる。なお、第１放電期間と第２放電期間の一方において、ＡＣ波形を採用し、他方にＤＣ波形を採用することもできる。
【００５７】
６．第６の実施形態  
第１放電期間と第２放電期間とにおいて、極性の反転したＤＣ放電波形を採用することもできる。図１１は、この態様における波形の一例を示す概念図である。図１１における符号の示す意味は、図３（Ａ）と同じである。この例においては、第１の放電期間Ｔ１および第２の放電期間Ｔ２のそれぞれにおいては、ＤＣ放電であるが、２つの放電期間を比較すると、極性が反転した波形となる。
【００５８】
７．第７の実施形態
一つのバースト周期内では、極性の同じＤＣ波形を採用し、異なるバースト周期において放電の極性を反転させることもできる。図１２は、この態様における波形の一例を示す概念図である。図１２における符号の示す意味は、図３（Ａ）と同じである。この例においては、バースト周期毎に極性が反転するので、特定の電極の表面に粒子状物質が固着することによる電極表面の汚れや表面状態の劣化を抑えることができる。なお、極性を反転させる周期は、複数バースト周期毎であってもよい。
【００５９】
８．第８の実施形態
図１３は、放電波形の他の一例を示す概念図である。図１３における符号の示す意味は、図３（Ａ）と同じである。この例においては、直角三角形形状の三角波を採用し、波形の前半を第１放電期間、波形の後半を第２放電期間としている。この放電波形においては、相対的に低電圧が加えられるＴ１の期間に主に粒子状物質の集塵が行われ、相対的に高電圧が加えられるＴ２の期間に、集められた粒子状物質の酸化分解が行われる。なお、波形の立ち上がりは、線形に限定されず非線形であってもよい。
【００６０】
９．他の実施形態
ステップＳ７０３、ステップＳ８０６およびＳ９０３における制御対象としては、多様なバリエーションを挙げることができる。以下、この制御対象のバリエーションについて、図３（Ａ）の波形を例に挙げて説明を加える。
【００６１】
第１〜第３の実施形態においては、第１放電期間の長さＴ１と第２放電期間の長さＴ２とを制御対象とし、その調整の幅をＴ１とＴ２とで同じにしているが、Ｔ１とＴ２の制御幅を違う値にしてもよい。
【００６２】
第１〜第３の実施形態において、Ｔ１およびＴ２に加えて、未放電期間の長さＴ３を調整してもよい。また、Ｔ１およびＴ２を固定し、未放電期間の長さＴ３をだけを調整してもよい。いずれも場合も、流量が増加した場合、粒子状物質の量が増加した場合、および浄化効率が低下した場合に、Ｔ３を短くする方向で調整し、流量が減少した場合、粒子状物質の量が減少した場合に、Ｔ３を長くする方向で調整を行う。
【００６３】
第１〜第３の実施形態において、Ｖ１および/またはＶ２の値を制御してもよい。この場合、流量が増加した場合、粒子状物質の量が増加した場合、および浄化効率が低下した場合に、Ｖ１および/またはＶ２の値を大きくし、流量が低下した場合、粒子状物質の量が減少した場合に、Ｖ１および／またはＶ２の値を小さくする方向で調整を行う。
【００６４】
また、上述したＴ１〜Ｔ３の制御に加えて、Ｖ１およびＶ２の値を制御してもよい。もちろん、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｖ１およびＶ２の中から選ばれる２以上のパラメータを組み合わせて制御対象とすることもできる。この場合、流量が増加した場合、粒子状物質の量が増加した場合、および浄化効率が低下した場合に、放電エネルギーの平均値が多くなる方向で調整を行い、流量が低下した場合、粒子状物質の量が減少した場合に、逆の調整を行う傾向の制御を行えばよい。
【００６５】
また、第１放電期間および／または第２放電期間中における放電を複数のパルスで構成し、この放電のパルス数を制御することで、第１放電期間および／または第２放電期間の長さを調整してもよい。この場合、例えば第１の電圧のパルスの数を増やすことで、第１放電期間の長さを増やすことができる。
【００６６】
また、以上の実施形態は、常圧での放電を前提としているが、放電によるプラズマ状態の発生をより容易にするために、ガスを減圧状態にして放電を行っても良い。また、放電エネルギーのガスへの吸収を助けるために、電離しやすいガス（例えばヘリウムガス等）を補助ガスとして導入してもよい。また、粒子状物質の酸化を助けるために酸化剤として機能するガスを補助ガスとして導入してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明は、内燃機関、燃焼炉、焼却炉あるいはプラント等から排出される排ガス中に含まれる粒子状物質（ＰＭ（Particulate Matter）を除去する技術に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】放電電圧と粒子状物質の集塵量との関係を概念的に示した概念図である。
【図２】放電電圧と集塵される粒子状物質との関係を示すグラフである。
【図３】本発明における放電波形の一例と浄化原理を示す概念図である。
【図４】放電波形の他の一例を示す概念図である。
【図５】実施形態における放電装置の概要を示す概念図である。
【図６】放電装置を含んだ浄化システムの構成を示すブロック図である。
【図７】実施形態の浄化システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図８】実施形態の浄化システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図９】実施形態の浄化システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図１０】放電波形の他の一例を示す概念図である。
【図１１】放電波形の他の一例を示す概念図である。
【図１２】放電波形の他の一例を示す概念図である。
【図１３】放電波形の他の一例を示す概念図である。
【符号の説明】
【００６９】
２０１…正電極、２０２…負電極、２０３ａ…放電を受ける前段階の粒子状物質（ＰＭ）、２０３ｂ…集塵状態の粒子状物質（ＰＭ）、２０４…正に帯電した粒子状物質、５０１…放電装置、５０２…放電容器、５０２ａ…ガス流入口、５０２ｂ…ガス排出口、５０３…正電極、５０４…負電極、５０５…正電極、５０６…流入するガスの流れる向き、５０７…排出されるガスの流れる向き、５０８…ＤＣ電源装置、６０１…ガス発生源、６０２…流量計測装置、６０３…粒子状物質計測装置、６０４…粒子状物質計測装置、６０５…制御装置。
【図１】
2007152201.tif 000003
【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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【図１３】
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