(57)【要約】【課題】レシプロエンジン、ロータリーエンジン、ジェットエンジンやガスタービンなどの熱機関等からの酸素を含む排気ガス中の粒子状物質を、高効率、かつ、低コストで、また、アンモニアや尿素を使用しない乾式により、触媒を使用しない場合であっても低温で処理を行うことができ、装置構成が小型化された排ガスの物質浄化装置を提供する。また、排ガス中のＮＯｘ及び煤や炭化水素の同時除去も可能とする。【解決手段】排気通路から排ガスが導入されるキャビティ７と、マイクロ波吸収体材料４を添加した耐熱性材料で形成されキャビティ７内に収納された微粒子捕集用フィルタ２と、ＧＨｚ帯域の周波数の電磁波を出力するパルス電磁放射供給源９と、パルス電磁放射供給源９からの電磁波を供給されキャビティ７内にマイクロ波を放射するマイクロ波アンテナ８とを備え、キャビティ７は、マイクロ波アンテナ８から放射されるマイクロ波を共振させ閉じこめる。【選択図】図１
2009036199.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガスの排気通路に設けられる排ガスの物質浄化装置において、
前記排気通路から前記排ガスが導入される一または複数のキャビティと、
所定帯域の周波数の電磁波を出力する一または複数のパルス電磁放射供給源と、
前記パルス電磁放射供給源からの電磁波を供給され、前記キャビティ内に電磁波を放射する一または複数の電磁波アンテナと
を備え、
前記キャビティ内に放射する電磁波を用いて所定のエネルギ分布を形成させる
ことを特徴とする排ガスの物質浄化装置。
【請求項２】
さらに、電磁波吸収体材料を添加した耐熱性材料で形成され、前記キャビティ内に収納された微粒子捕集用フィルタを備えることを特徴とする請求項１記載の排ガスの物質浄化装置。
【請求項３】
前記電磁波吸収体材料は、炭素繊維、炭化珪素、金属酸化物、メタロイド酸化物または窒化珪素である
ことを特徴とする請求項２記載の排ガスの物質浄化装置。
【請求項４】
前記キャビティ内にプラズマ生成を行う点火またはプラズマ発生装置を有する
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の排ガスの物質浄化装置。
【請求項５】
前記点火またはプラズマ発生装置は、放電、光の照射、及び熱の放射のうち、少なくとも一のエネルギ放射によりプラズマを生成する装置である
ことを特徴とする請求項４記載の排ガスの物質浄化装置。
【請求項６】
前記電磁波アンテナから放射される電磁波は、ＭＨｚ帯またはＧＨｚ帯の帯域の周波数の電磁波であることを特徴とする請求項１記載の排ガスの物質浄化装置。
【請求項７】
前記電磁波アンテナから放射される電磁波は、一又は複数の周波数成分を有している
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一に記載の排ガスの物質浄化装置。
【請求項８】
前記周波数成分は、２．４ＧＨｚ乃至２．５帯域及び５ＧＨｚ帯域の周波数成分である
ことを特徴とする請求項７記載の排ガスの物質浄化装置。
【請求項９】
排気通路内に排ガス中の水分を調整するための調湿手段を有する
ことを特徴とする請求項４乃至請求項８のいずれか一に記載の排ガスの物質浄化装置。
【請求項１０】
前記調湿手段は、水を添加するための手段を有する
ことを特徴とする請求項９記載の排ガスの物質浄化装置。
【請求項１１】
前記調湿手段は、水を除去するための手段を有する
ことを特徴とする請求項９記載の排ガスの物質浄化装置。
【請求項１２】
前記除去するための手段により排ガス中より除去された水を貯留する容器を備え、
前記容器内の水分を用いてキャビティ内を洗浄することを特徴とする請求項１１記載の排ガスの物質浄化装置。
【請求項１３】
前記調湿手段は、水を除去するための手段と、除去するための手段により除去された水を貯留する容器と、前記容器に貯留された水を添加するための手段とを備える
こと特徴とする請求項９記載の排ガスの物質浄化装置。
【請求項１４】
排気通路内に排ガスの温度を調整するための調温手段を有する
ことを特徴とする請求項４乃至請求項１３のいずれか一に記載の排ガスの物質浄化装置。
【請求項１５】
排気通路内の排ガスに燃料を添加する燃料添加手段を有する
ことを特徴とする請求項４乃至請求項８のいずれか一に記載の排ガスの物質浄化装置。
【請求項１６】
前記パルス電磁放射供給源から出力される電磁波は、一又は複数の導波管、同軸導波管及び同軸ケーブルを介して、前記電磁波アンテナに導かれる
ことを特徴とする請求項１乃至請求項１５のいずれか一に記載の排ガスの物質浄化装置。
【請求項１７】
前記電磁波吸収体材料の添加密度の粗密分布を有した微粒子捕集用フィルタの構成を有する
ことを特徴とする請求項２乃至請求項１６のいずれか一に記載の排ガスの物質浄化装置。
【請求項１８】
前記電磁波吸収体材料の添加位置を、排気通路に向かって密から疎へ分布させて配した構成を有する
ことを特徴とする請求項１７記載の排ガスの物質浄化装置。
【請求項１９】
前記電磁波吸収体材料の添加位置を、微粒子捕集用フィルタの排ガス流れ断面に対して均一に配した構成を有する
ことを特徴とする請求項１７記載の排ガスの物質浄化装置。
【請求項２０】
前記電磁波吸収体材料の添加位置を、微粒子捕集用フィルタの排ガス流れ断面に対して粗密分布を有するよう配した構成を有する
ことを特徴とする請求項１７に記載の排ガスの物質浄化装置。
【請求項２１】
前記電磁波吸収体材料の添加位置を、微粒子捕集用フィルタの排ガス流れ方向に対して同心状に配した構成を有する
ことを特徴とする請求項１７記載の排ガスの物質浄化装置。
【請求項２２】
前記電磁波吸収体材料の添加位置を、微粒子捕集用フィルタの排ガス流れ断面に対してクロス状に配した構成を有する
ことを特徴とする請求項１７記載の排ガスの物質浄化装置。
【請求項２３】
前記電磁波アンテナと、電磁波を共振するキャビティとを、排気通路の下流方向に向かって複数段設ける
ことを特徴とする請求項１記載の排ガスの物質浄化装置。
【請求項２４】
前記電磁波アンテナと、電磁波を共振するキャビティとを、排気通路の下流方向に向かって並列に複数設ける
ことを特徴とする請求項１記載の排ガスの物質浄化装置。
【請求項２５】
前記パルス電磁放射供給源において、電磁波発振を制御する回路、電磁波を分配する分配器を設け、選択的に電磁波を発振させる
ことを特徴とする請求項２３または請求項２４記載の排ガスの物質浄化装置。
【請求項２６】
前記キャビティは、前記電磁波アンテナから放射される電磁波を共振させ閉じこめる
ことを特徴とする請求項１乃至請求項２４のいずれか一に記載の排ガスの物質浄化装置。
【請求項２７】
前記キャビティは、前記電磁波アンテナから放射される電磁波を吸収し、該キャビティ外の空間へ透過する電磁波を減衰させる
ことを特徴とする請求項１乃至請求項２４のいずれか一に記載の排ガスの物質浄化装置。
【請求項２８】
前記アンテナの配置または形状を変化させることにより、前記キャビティ内の電場の空間分布を変動させる
ことを特徴とする請求項１乃至請求項２６のいずれか一に記載の排ガスの物質浄化装置。
【請求項２９】
インプラントで使用される
ことを特徴とする請求項１乃至請求項２８のいずれか一に記載の排ガスの物質浄化装置。
【請求項３０】
エンドオブパイプで使用される
ことを特徴とする請求項１乃至請求項２８のいずれか一に記載の排ガスの物質浄化装置。
【請求項３１】
浄化する物質は、粒子状物質であって、粒子状物質浄化装置として構成されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３０のいずれか一に記載の排ガスの物質浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、レシプロ（ガソリン、ディーゼル）エンジン、ロータリーエンジン、ジェットエンジンやガスタービンなどの熱機関、並びに発電所、ごみ焼却炉、火炉、ガス炉等の各種炉に用いる排気ガスの物質浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱機関や各種炉の排気ガスには、気体状成分、パティキュレート（Particulate  Mater：粒子状物質）、未燃炭化水素（ＵＢＣまたはＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、酸化窒素（ＮＯｘ）、二酸化炭素（ＣＯ２）、水蒸気（Ｈ２Ｏ）、酸素（Ｏ２）、窒素（Ｎ２）などが含まれている。
【０００３】
熱機関、例えば、ディーゼルエンジンなどのレシプロエンジンからの排気ガスに含まれるパティキュレートは、一般に、炭素質からなる煤と、高沸点炭化水素成分からなる可燃性の有機成分、ミスト状の硫酸成分を含んだ固体または液体の粒で直径が１０μｍを超えるものを指す。
【０００４】
従来、この種のパティキュレートの低減対策としては、排気ガスが流通する排気通路の途中に、パティキュレートフィルタを装備することが行われている。特に、ディーゼルエンジンからの排気ガス中には粒子状物質が多いことから、この除去フィルタをＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）と称している。
【０００５】
また、従来、この種の排気ガスの物質浄化装置においては、ＤＰＦとプラズマ装置と組み合わせたものが複数提案されている。
【０００６】
例えば、特許文献１及び特許文献２には、ＤＰＦの前段またはＤＰＦと一体に、プラズマ発生装置を配置した装置が記載されている。この装置においては、プラズマ発生装置により後処理装置の上流側で排気ガス中に放電してプラズマを発生させ、排気ガスを励起することにより、未燃の炭化水素を活性化してラジカルに、酸素をオゾンに、ＮＯをＮＯ２とする。これらの排気ガス励起成分が活性化状態となっていることから、低い排気温度領域において、従来の後処理装置による、排気浄化の効果が得られる。
【０００７】
また、特許文献３には、非熱プラズマを用いたオゾネータをＤＰＦの前段に設けた装置が記載されている。この装置においては、フィルタ表面に堆積させた粒子状物質を低温プラズマによって酸化させ、フィルタを再生させるようになっている。
【０００８】
さらに、特許文献４には、触媒を担持しないフィルタにパティキュレートを保持させ、プラズマで浄化することにより、排気温度が５０°Ｃ乃至１００°Ｃでも、排気浄化することができる浄化装置が記載されている。
【０００９】
このほか、特許文献５には、吸着フィルタの後段にプラズマリアクタを備えた排気処理装置が記載されている。特許文献６には、プラズマを発生させ、ＮＯ２とＯ３とを生成して、それらによってパティキュレートを酸化させる装置が記載されている。
【００１０】
さらに、特許文献７には、マイクロ波発信装置と、所定のマイクロ波帯域を共振するマイクロ波共振空洞と、マイクロ波を放射するマイクロ波放射手段と、混合気に対し放電させ着火する着火手段とを備えたプラズマ装置、排ガス分解装置が開示されている。この特許文献７においては、マイクロ波を伝送する手段として、同軸ケーブル、導波管を用いている。
【００１１】
【特許文献１】特開２００２−２７６３３３公報
【特許文献２】特開２００４−３５３５９６公報
【特許文献３】特表２００５−５０２８２３公報
【特許文献４】特開２００４−２９３５２２公報
【特許文献５】特開２００６−１３２４８３公報
【特許文献６】特開２００４−１６９６４３公報
【特許文献７】特開２００７−１１３５７０公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、前述した従来のフィルタや触媒を用いた除去装置においては、フィルタや触媒の再生処理を行う必要があり、装置が大型化し、また、白金やロジウムなどの貴金属添加を施した３元触媒など極めて高価な材料が必要となるという問題がある。そこで、高効率、かつ、低コストで、メンテナンス性に優れた除去装置が望まれている。
【００１３】
また、触媒やプラズマと併用して、通常、アンモニア等をＮＯｘ処理に使用するＳＣＲ（乾式選択触媒還元処理）方式及びＰＰＣＰ（パルスコロナ励起プラズマ化学プロセス）方式の装置が提案されている。このような装置においては、アンモニアの取扱いが困難であり、人体に有害であり、装置からの漏れや未反応分のアンモニアが大気中に放出される危険性があるという不都合を有している。さらに、可燃性の硫酸アンモニウムの微粒子が大量に発生するので、自動車など移動燃焼装置に適用する場合には、その回収処理インフラ対策が必要となる。
【００１４】
一方、ディーゼルエンジンなど拡散燃焼を利用する内燃機関からの排気ガス中には、通常数％乃至十数％程度の体積濃度の酸素が含まれている。このような排ガスに対しては、三元触媒の利用が困難である。
【００１５】
しかし、近年において盛んに検討が行われているプラズマを利用した排ガス浄化法においては、この種の酸素を含む排ガスをプラズマリアクタに流して熱プラズマを印加するだけでは、燃焼ガス中に含まれるＮＯがＮＯ２へ酸化されるだけで、ＮＯｘ（＝ＮＯ＋ＮＯ２）自体はほとんど減少せず、公害の処理にはならない。したがって、発生したＮＯ２を除去するためには、付加的な処理が必要となる。また、多くのプラズマ発生装置においては、高電圧放電形式を用いるためエネルギ効率が低く、コストがかかるなどの不都合があった。
【００１６】
非熱平衡プラズマを利用した排ガス分解技術は、パルス的にマイクロ波を発振して、連続的に排ガスを分解処理できるものの、まだ開発の端を発したばかりであり、マイクロ波発振機器の耐久性、プラズマの安定発生特性、機器信頼性など、装置開発において技術的課題が残っている。プラズマが発生できない場合には、排ガスが無処理状態で大気中に放出されるため、安全対策の多重化を講じる必要がある。
【００１７】
このほか、排気ガス中の煤をセラミックフィルタで捕集し、捕集された煤を酸化触媒により低温で燃焼除去処理するＣＲＴ（連続再生捕集処理）方式が有力な方法として提案されている。しかし、この方式においては、３００°Ｃ以上の高温を必要とし、触媒自体に貴金属、あるいは、有害な重金属を含んでおり、高額な処理装置となっている。また、この方式における処理効率は、５０％程度の場合が多い。
【００１８】
捕集された煤をプラズマを用いて低温で燃焼除去処理する方法は、無触媒で効率も高く、これらの不都合を回避できるが、煤の燃焼により新たなＮＯが発生してしまい、その後処理装置を別個に設置しなければならないという問題があった。
【００１９】
そこで、本発明は、前述の実情に鑑みて提案されるものであって、熱機関等からの酸素を含む排気ガス中の粒子状物質を、高効率、かつ、低コストで、また、アンモニアや尿素を使用しない乾式により、触媒を使用しない場合であっても低温で処理を行うことができ、装置構成が小型化された排ガスの物質浄化装置を提供することを目的とする。また、本発明は、排ガス中のＮＯｘ及び煤や炭化水素の同時除去も可能とする排ガスの物質浄化装置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】
【００２０】
前述の課題を解決し、前記目的を達成するため、本発明に係る排ガスの物質浄化装置は、以下のいずれか一の構成を有するものである。
【００２１】
〔構成１〕
排ガスの排気通路に設けられる排ガスの物質浄化装置において、排気通路から前記排ガスが導入される一または複数のキャビティと、ＭＨｚ帯域またはＧＨｚ帯域の所定周波数の電磁波を出力する一または複数のパルス電磁放射供給源と、パルス電磁放射供給源からの電磁波を供給され、前記キャビティ内に電磁波を放射する一または複数の電磁波アンテナとを備え、キャビティ内に放射する電磁波を用いて所定のエネルギ分布を形成させることを特徴とするものである。
【００２２】
〔構成２〕
構成１を有する排ガスの物質浄化装置であって、さらに、電磁波吸収体材料を添加した耐熱性材料で形成され、前記キャビティ内に収納された微粒子捕集用フィルタを備えることを特徴とするものである。
【００２３】
〔構成３〕
構成１を有する排ガスの物質浄化装置において、電磁波吸収体材料は、炭素繊維、炭化珪素または窒化珪素であることを特徴とするものである。
【００２４】
〔構成４〕
構成１または構成２を有する排ガスの物質浄化装置において、キャビティ内にプラズマ生成を行う点火またはプラズマ発生装置を有することを特徴とするものである。
【００２５】
〔構成５〕
構成４を有する排ガスの物質浄化装置において、点火またはプラズマ発生装置は、光の照射、及び熱の放射のうち、少なくとも一のエネルギ放射によりプラズマを生成する装置であることを特徴とするものである。
【００２６】
〔構成６〕
構成１を有する排ガスの物質浄化装置において、電磁波アンテナから放射される電磁波は、ＭＨｚ帯またはＧＨｚ帯の帯域の周波数の電磁波であることを特徴とするものである。
【００２７】
〔構成７〕
構成１乃至構成４のいずれか一を有する排ガスの物質浄化装置において、電磁波アンテナから放射される電磁波は、一又は複数の周波数成分を有していることを特徴とするものである。
【００２８】
〔構成８〕
構成７を有する排ガスの物質浄化装置において、周波数成分は、２．４ＧＨｚ乃至２．５ＧＨｚ帯域及び５ＧＨｚ帯域の周波数成分であることを特徴とするものである。
【００２９】
〔構成９〕
構成４乃至構成８のいずれか一を有する排ガスの物質浄化装置において、排気通路内に排ガス中の水分を調整するための調湿手段を有することを特徴とするものである。
【００３０】
〔構成１０〕
構成９を有する排ガスの物質浄化装置において、調湿手段は、水を添加するための手段を有することを特徴とするものである。
【００３１】
〔構成１１〕
構成９を有する排ガスの物質浄化装置において、調湿手段は、水を除去するための手段を有することを特徴とするものである。
【００３２】
〔構成１２〕
構成１１を有する排ガスの物質浄化装置において、除去するための手段により排ガス中より除去された水を貯留する容器を備え、容器内の水分を用いてキャビティ内を洗浄することを特徴とするものである。
【００３３】
〔構成１３〕
構成９を有する排ガスの物質浄化装置において、調湿手段は、水を除去するための手段と、除去するための手段により除去された水を貯留する容器と、容器に貯留された水を添加するための手段とを備えること特徴とするものである。
【００３４】
〔構成１４〕
構成４乃至構成１４のいずれか一を有する排ガスの物質浄化装置において、排気通路内に排ガスの温度を調整するための調温手段を有することを特徴とするものである。
【００３５】
〔構成１５〕
構成４乃至構成１４のいずれか一を有する排ガスの物質浄化装置において、排気通路内の排ガスに水を添加する水添加手段を有することを特徴とするものである。
【００３６】
〔構成１６〕
構成４乃至構成７のいずれか一を有する排ガスの物質浄化装置において、排気通路内の排ガスに燃料を添加する燃料添加手段を有することを特徴とするものである。
【００３７】
〔構成１７〕
構成１乃至構成９のいずれか一を有する排ガスの物質浄化装置において、パルス電磁放射供給源から出力される電磁波は、一又は複数の導波管、同軸導波管及び同軸ケーブルを介して、電磁波アンテナに導かれることを特徴とするものである。
【００３８】
〔構成１８〕
構成１乃至構成８のいずれか一を有する排ガスの物質浄化装置において、電磁波吸収体材料の添加密度の粗密分布を有した微粒子捕集用フィルタの構成を有することを特徴とするものである。
【００３９】
〔構成１９〕
構成１７を有する排ガスの物質浄化装置において、前記電磁波吸収体材料の添加位置を、排気通路に向かって密から疎へ分布させて配した構成を有することを特徴とするものである。
【００４０】
〔構成２０〕
構成１７を有する排ガスの物質浄化装置において、電磁波吸収体材料の添加位置を、微粒子捕集用フィルタの排ガス流れ断面に対して均一に配した構成を有することを特徴とするものである。
【００４１】
〔構成２１〕
構成１７を有する排ガスの物質浄化装置において、電磁波吸収体材料の添加位置を、微粒子捕集用フィルタの排ガス流れ断面に対して粗密分布を有するよう配した構成を有することを特徴とするものである。
【００４２】
〔構成２２〕
構成１７を有する排ガスの物質浄化装置において、電磁波吸収体材料の添加位置を、微粒子捕集用フィルタの排ガス流れ方向に対して同心状に配した構成を有することを特徴とするものである。
【００４３】
〔構成２３〕
構成１７を有する排ガスの物質浄化装置において、電磁波吸収体材料の添加位置を、微粒子捕集用フィルタの排ガス流れ断面に対してクロス状に配した構成を有することを特徴とするものである。
【００４４】
〔構成２４〕
構成１を有する排ガスの物質浄化装置において、電磁波アンテナと、電磁波を共振するキャビティとを、排気通路の下流方向に向かって複数段設けることを特徴とするものである。
【００４５】
〔構成２５〕
構成１９を有する排ガスの物質浄化装置において、前記パルス電磁放射供給源において、電磁波発振を制御する回路、電磁波を分配する分配器を設け、選択的に電磁波を発振させることを特徴とするものである。
【００４６】
〔構成２６〕
構成１乃至構成２５のいずれか一を有する排ガスの物質浄化装置において、前記キャビティは、前記電磁波アンテナから放射される電磁波を共振させ閉じこめることを特徴とするものである。
【００４７】
〔構成２７〕
構成１乃至構成２６のいずれか一を有する排ガスの物質浄化装置において、キャビティは、電磁波アンテナから放射される電磁波を吸収し、該キャビティ外の空間へ透過する電磁波を減衰させることを特徴とするものである。
【００４８】
〔構成２８〕
構成１乃至構成２０のいずれか一を有する排ガスの物質浄化装置において、前記キャビティ内の電場の空間分布を変動させることを特徴とするものである。
【００４９】
〔構成２９〕
構成１乃至構成２１のいずれか一を有する排ガスの物質浄化装置において、インプラントで使用されることを特徴とするものである。
【００５０】
〔構成３０〕
構成１乃至構成２０のいずれか一を有する排ガスの物質浄化装置において、エンドオブパイプで使用されることを特徴とするものである。
【００５１】
〔構成３１〕
構成１乃至構成３０のいずれか一を有する排ガスの物質浄化装置において、浄化する物質は粒子状物質であって、粒子状物質浄化装置として構成されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００５２】
本発明に係る排ガスの除去装置においては、従来のプラズマ法に比べ、低消費電力、低コストで高効率の、プラズマ生成による活性なＯＨラジカルの多量発生により、排ガスの粒子状物質、およびＮＯｘと煤の同時除去処理が可能である。また、ＮＯｘを還元する際に発生する活性酸素などにより、煤を化学的に酸化除去するので、煤の燃焼により新たなＮＯが発生してしまうという問題点がない。さらに、ハイブリッド法などの湿式の付加的な処理を必要としない。
【００５３】
本発明により、熱機関、特に、ディーゼルエンジンなどの内燃機関等から排出される排気ガスの処理を、吸着、脱着、非熱平衡プラズマ処理を組み合わせた方法により、簡単な装置により、原則として触媒や付加的な処理を行わず低コストで高効率に行うことができる。
【００５４】
また、ＤＰＦとプラズマ発生機能及びＤＰＦ再生装置が一体となっているため、選択的に排ガスの粒子状物質の除去ができる。プラズマ発生機能を動作せずに、ＤＰＦの機能を用いる場合には、ＰＭの除去ができる。一方、プラズマ発生機能を動作させる場合には、非平衡プラズマによりＮＯｘの還元を行うことができる。ＤＰＦでの煤、ＰＭ等の捕集においては、間欠的にマイクロ波を発振することにより、ＤＰＦ自体を急速に加熱して、付着した捕集物を完全に燃焼し、分解処理することができる。このため、フィルタの再生を同時に行うことができ、フィルタ交換、再生作業が不要となる。
【００５５】
また、活性なＯＨラジカルの多量発生により、結合力の強い炭素間結合の物質でも、強酸化力により化学的に連鎖を切断し、排ガスの粒子状物質、ＮＯｘ及び煤を分解し除去することができる。このため、粒子状物質、ＮＯｘ、煤及びＣＯ等の濃度が少ない排ガスについては、ＤＰＦや触媒を使用しなくてもよい。
【００５６】
また、水分準器を備えることにより、熱機関始動時に発生する多量の水蒸気への電磁波吸収を抑制し、効率的な非平衡プラズマの生成を可能とし、排ガスの処理を行うことができる。
【００５７】
本発明に係る排ガスの除去装置は、乾式法のため、水を必要とせず、装置を小型化、かつ、低コストで製造することができる。また、本発明に係る排ガスの除去装置は、貴金属や重金属触媒を使用する必要がないので、地球環境に対する影響が少なく、燃料中の硫黄による被毒の問題も生じない。また、処理時の排ガス温度は３００°Ｃ以下の低温でよいので、ディーゼルエンジン自動車などに適用した場合には、アイドリング中や坂道を下っている場合などの排ガスをも処理することができる。
【００５８】
さらに、アンモニアなどの有害なガスを使用せず、硫酸アンモニウムなどの可燃性微粒子を新たに発生させることもない。
【００５９】
また、マイクロ波吸収体材料の分布を、排ガス流れ断面に対して、均一、クロス状に、また排ガス流れ方向に対して同心状に、あるいは分布密度を密から粗に配することで、微粒子捕集用フィルタ２の空間領域を部分選択的に任意に、かつ瞬時に昇温することができる。
【００６０】
また、マイクロ波アンテナと、マイクロ波を共振するキャビティとを、排気通路の下流方向に向かって複数段設けることにより、また、分配器によってマイクロ波の分配を行うことにより、マイクロ波の伝送をそれぞれ空間的、時間的に変化させて行うことができる。
【００６１】
すなわち、本発明は、熱機関等からの酸素を含む排気ガス中の粒子状物質を、高効率、かつ、低コストで、また、アンモニアや尿素を使用しない乾式により、触媒を使用しない場合であっても低温で処理を行うことができ、装置構成が小型化された排ガスの物質浄化装置を提供することができるものである。
【００６２】
また、本発明は、排ガス中のＮＯｘ及び煤や炭化水素の同時除去も可能とする排ガスの除去装置を提供することができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６３】
図１は、本発明に係る排ガスの物質浄化装置の第１の実施の形態における構成を示す側面図である。
【００６４】
本発明に係る排ガスの物質浄化装置においては、図１に示すように、図中左側の矢印で示すように、キャビティ（共振空洞）７をなす筒状の装置筐体に導入された排ガスの粒子状物質は、上流の排気通路３から、キャビティ７内に複数収納された微粒子捕集用フィルタ２の間を経て、下流の排気通路５へと流通する。各微粒子捕集用フィルタ２には、マイクロ波吸収体材料４が添加されている。微粒子捕集用フィルタ２に添加するマイクロ波吸収体材料４としては、例えば、炭素繊維、炭化珪素、窒化珪素などを用いることができる。また、セラミックスに代表される金属酸化物や、メタロイド酸化物もまた、電磁波吸収材料４として用いることができる。
【００６５】
そして、この排ガスの物質浄化装置１は、パルス電磁放射供給源９を有している。このパルス電磁放射供給源９は、マイクロ波（ＧＨｚ帯域の周波数の電磁波）を伝送する導波管１１及び図示しない同軸導波管変換器を介し、さらに、同軸ケーブル１０を介して、マイクロ波アンテナを有する非熱平衡プラズマ発生器本体８に電気的に接続されている。この非熱平衡プラズマ発生器本体８のマイクロ波アンテナは、微粒子捕集用フィルタ２が収納されたキャビティ７内に臨んでおり、このキャビティ７内にマイクロ波エネルギを放射する。
【００６６】
この排ガスの物質浄化装置１において、排気通路３から導入される排ガスの粒子状物質は、一般に、炭素質からなる煤と、高沸点炭化水素成分からなる可燃性の有機成分と、ミスト状の硫酸成分を含んだ固体または液体の粒とを含んでいる。これら粒子状物質は、微粒子捕集用フィルタ２により捕捉される。
【００６７】
そして、非熱平衡プラズマ発生器本体８によりマイクロ波アンテナからマイクロ波エネルギを放射し、微粒子捕集用フィルタ２に添加したマイクロ波吸収体材料４に、マイクロ波エネルギを吸収させる。すると、微粒子捕集用フィルタ２が瞬時に加熱され、高温状態となる。これにより、微粒子捕集用フィルタ２に吸着された排ガス中の粒子状物質、煤などが完全に除去され、微粒子捕集用フィルタ２が自己再生される。完全にクリーンとなった排ガスは、下流側に配置した排気通路５を流通して大気へと放出、拡散される。
【００６８】
この排ガスの物質浄化装置１において、マイクロ波吸収体材料４として、例えば、炭素繊維をコイル状にしたカーボンマイクロコイル（http://www.cmctd.co.jp/）を用いることにより、効率よく、瞬時に微粒子捕集用フィルタ２を加熱し高温状態にすることができる。これにより、微粒子捕集用フィルタ２に捕捉した煤、ＰＭ等を瞬時に燃焼させ、分解し、微粒子捕集用フィルタ２を自己再生させながら用いることができる。
【００６９】
なお、微粒子捕集用フィルタ２に添加するマイクロ波吸収体材料４の分布を、排ガス流れ断面に対して、均一、クロス状に、また排ガス流れ方向に対して同心状に、あるいは分布密度を密から粗に配することで、微粒子捕集用フィルタ２の空間領域を部分選択的に任意に、かつ瞬時に昇温することができる。
【００７０】
〔第２の実施の形態〕
本発明に係る排ガスの物質浄化装置１においては、図１に示すように、キャビティ７中の各微粒子捕集用フィルタ２の間に、点火装置６を配置してもよい。点火装置６は、例えば、高電圧放電形式の装置（高圧放電を行うスパークプラグ等）である。
【００７１】
図２は、本発明に係る排ガスの物質浄化装置の第２の実施の形態における構成を示す側面図である。
【００７２】
また、この排ガスの物質浄化装置は、図２に示すように、キャビティ７内において、非熱平衡プラズマ発生器本体８の複数のマイクロ波アンテナと、点火装置６とが、排ガスの流通方向に直交する方向に対向するように配置して構成してもよい。
【００７３】
この排ガスの物質浄化装置１においては、図１及び図２中左側の矢印で示すように、キャビティ７に導入された排ガスの粒子状物質は、上流の排気通路３から、キャビティ７内に複数収納された微粒子捕集用フィルタ２の間を経て、下流の排気通路５へと流通する。
【００７４】
この排ガスの物質浄化装置１においては、点火装置６を有することにより、マイクロ波アンテナから放射されるマイクロ波をキャビティ７内において共振させて閉じこめ、微粒子捕集用フィルタ２に非熱平衡プラズマを生成することができる。具体的には、点火装置６を用いて局所のプラズマを生成し、この局所プラズマにマイクロ波エネルギを吸収させることにより、局所的に電子温度のみ高い非熱平衡プラズマを生成させることができる。
【００７５】
パルス電磁放射供給源９としては、例えば、家庭用電子レンジで使用されている２．４５ＧＨｚ帯域の電磁波を発振するマグネトロンをパルス制御運転することにより用いることができる。
【００７６】
また、パルス電磁放射供給源９から放射される電磁波を効率良く伝送するには、導波管１１、同軸導波管変換器、同軸ケーブル１０を用いることが望ましい。これらを用いることにより、８０％以上の高効率で、電磁波をマイクロ波アンテナへと伝送し、点火装置６により生成された局所プラズマに向けてマイクロ波を放射することができる。放射されたマイクロ波は、このマイクロ波を共振させて閉じこめるキャビティ７の中で反射され、点火装置６により生成された局所プラズマに集中し、非熱平衡プラズマの成長、維持に供される。
【００７７】
この非熱平衡プラズマは、熱平衡に達していない状態であり、電子のみが励起され、まわりのガス温度は常温のままで、電子温度のみが高温となった状態である。この非熱平衡プラズマにより、空気中や排ガス中のＨ２ＯをＨ＋＋ＯＨ−に乖離させ、活性で酸化力の強いＯＨラジカルを多量に生成することができる。
【００７８】
また、Ｏ２とＯが反応して酸化力の強いＯ３も生成される。これら化学的に強酸化力を有するＯＨラジカルやＯ３を使用して、前述した粒子状物質の炭素質や炭化水素成分等の酸化を促進することにより、煤や粒子状物質を除去することができる。
【００７９】
また、排ガス中のＮＯは、下記の式（１）及び式（２）に示すように、反応非熱平衡プラズマによって生成されたＯ３によって酸化されてＮＯ２となり、さらに、活性なＯＨラジカルによって切断されたＣと反応して無害なＮ２とＣＯ２になる。
【００８０】
２ＮＯ＋２Ｏ３→２ＮＯ２＋２Ｏ２  ・・・・式（１）
２ＮＯ２＋２Ｃ→Ｎ２＋２ＣＯ２    ・・・・式（２）
なお、マイクロ波を伝送する導波管１１、図示していない同軸導波管変換器を介して、同軸ケーブル１０の間に、マイクロ波を分配することのできる分配器を設けてもよい。分配器によってマイクロ波の分配を行うことにより、マイクロ波の伝送をそれぞれ空間的、時間的に変化させて行うことができる。
【００８１】
〔第３の実施の形態〕
本発明に係る排ガスの物質浄化装置１においては、図１に示すように、上流の排気通路３に、排ガスに水を添加する水添加装置１２を設けてもよい。水添加装置１２を設けることにより、排ガス中の水蒸気量を調整し、活性なＯＨラジカルの多量発生を促進することができる。添加する水は、排ガス中の化学成分から化学反応により生成してもよく、また、予め排ガス中に含まれる水分を調整するものであってもよい。また、外部から直接的に水を導入するものであってもよい。
【００８２】
また、水添加手段１２により、点火装置６の加熱を抑制し、非熱平衡プラズマ生成の抑制を行ったり、非熱平衡プラズマ中での酸素存在量を調整したりすることにより、有機化合物やＮＯｘの副生を抑えることが可能となる。
【００８３】
〔第４の実施の形態〕
本発明に係る排ガスの物質浄化装置１においては、排ガスに燃料を添加するための燃料添加手段を設けてもよい。燃料添加手段を設けることにより、非熱平衡プラズマ発生による排ガスの再燃効果を促進し、煤や粒子状物質の除去を行うことができる。
【００８４】
なお、前述の各実施の形態において、点火装置６としては、高圧放電型のものに限定されず、マイクロ波を吸収する電磁波吸収体を排ガス中に散布する装置であってもよい。熱機関から排出される排ガスは３００°Ｃ以上の温度となっており、この排ガス中に電磁波吸収体を散布する装置により微粉化した電磁波吸収体を散布すると、マイクロ波によるエネルギ吸収が行われ、非熱平衡プラズマが発生し、前述の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００８５】
また、パルス電磁放射供給源９は、排ガスの成分に応じて、パルス制御を可変運転するようにしてもよい。さらに、マイクロ波アンテナ、点火装置６及びキャビティ７の組み合わせにより決定されるプラズマ生成領域が、排ガスの流れ方向に沿って上流側から下流側へと多段に移動するようにすれば、分解処理数を任意に選択することができる。この場合には、炭素間結合の少ない物質から、炭素間結合の多い物質への分解を選択的に処理することができる。
【００８６】
また、マイクロ波は、ＭＨｚ帯またはＧＨｚ帯より選ばれた一または複数の周波数成分からなるもののであってよい。２．４５ＧＨｚ帯以外にも、小規模の機器間無線通信に用いられている２．４２ＧＨｚ乃至２．４８ＧＨｚ帯、民生用レーダに用いられる５ＧＨｚ帯を用いてもよい。周波数帯域については、排ガスの性状、成分等に応じて適宜選択すればよい。
【００８７】
アンテナは、必ずしも位置および形状が固定される必要はなく、所望の電場強度分布をキャビティ内に生成するために移動、回転、変形等をするものであってもよい。
【００８８】
〔第５の実施形態〕
本発明に係る排ガスの物質浄化装置１においては、排ガス中の水蒸気を除去するための水分除去器を設けてもよい。水分除去器を設けることにより、非平衡プラズマの効率的な生成を行い、より効果的な煤や粒子状物質の除去を行うことができる。
【００８９】
水分の除去は、フィルタによって行われてもよく、また温度調節によって凝縮して除去を行うようにしてもよい。除去した水分は、廃棄してもよく、また、別途容器に貯留し、水分添加に利用してもよい。また、貯留した水分を用いてキャビティ内を洗浄するようにしてもよい。洗浄は、単純に水をキャビティ内に流入させるようにしてもよいし、電磁波による加熱を利用して水蒸気爆発を生じさせその衝撃でキャビティ内の汚れを吹き飛ばすようにしてもよい。
【００９０】
以上に示した本実施形態の排ガスの物質浄化装置は、インプラント、エンドオブパイプのいずれでも使用できる。
【００９１】
なお、上述の実施形態では、排気ガスの粒子状物質を浄化したが、本発明はこのような実施形態には限定されない。例えば、内燃機関等からの排気に含まれるＨＣ、ＣＯ等の浄化も、上述の実施形態と同様の形態の装置で実現できる。例えば、ＨＣ、ＣＯについては、電磁波による電場強度分布の形成により、または電磁波を電磁波吸収材に吸収により排ガスを加熱し、分解浄化することができる。また、上述の微粒子捕集用フィルタと同様に電磁波吸収材を配した触媒フィルタをキャビティ内に配置してもよい。触媒の加熱が促進され、触媒反応の開始を早期化することが可能になる。また、上述した方式でプラズマを形成し、そのプラズマを用いてＨＣ、ＣＯ等を分解浄化してもよい。
【００９２】
また、電磁波の照射に用いるアンテナは、例えば、ホーンアンテナに代表される開口アンテナであってもよい。ガスの流路の形状及び材質について許容されるならば、ガスの流路自体が導波管、または、開口アンテナを兼ねる構成となってもよい。また、アンテナは、電磁波の発生源に接続されたエレメントからなる輻射器と、輻射器からの電磁波を反射する反射器とを有する構成であってもよい。また、アンテナは、輻射器と輻射器から輻射される電磁波の拠りしろとなるベインまたは共振エレメントを有する構成であってもよい。
【００９３】
電磁波の照射目標となる領域の数と、アンテナの数との関係については、種々の組合せが想定される。電磁波の照射目標となる一の領域の対し、複数アンテナまたはアンテナの複数のエレメントから電磁波を照射するようにしてもよい。また、例えば３／４波長以上の電気長を有するエレメントを備えたアンテナのように空間上に複数の強電場の領域を形成するものであれば、アンテナに対し電磁波の照射目標となる領域を強電場の領域の数に応じて複数設定してもよい。さらに、プラズマの契機となる荷電粒子をそれら設定された複数の領域において準備するようにし、複数の領域で同時にプラズマを形成するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明に係る排ガスの物質浄化装置の第１の実施の形態における構成を示す側面図である。
【図２】本発明に係る排ガスの物質浄化装置の第２の実施の形態における構成を示す側面図である。
【符号の説明】
【００９５】
１    排ガスの物質浄化装置
２    微粒子捕集用フィルタ
３    排気通路
４    マイクロ波吸収体材料
５    排気通路
６    点火装置
７    キャビティ
８    非熱平衡プラズマ発生器本体
９    パルス電磁放射供給源
１０  同軸ケーブル
１１  導波管
１２  水添加手段
１３  水分補準手段(水分補準器）
【図１】
2009036199.tif 000003
【図２】
2009036199.tif 000004