(57)【要約】【課題】  消費エネルギーやコストの上昇を抑制しつつ、排気ガスを良好に浄化することのできるプラズマ反応器を提供すること。【解決手段】  誘電体１２と、この誘電体１２を挟んで対向する１対の電極１３（高電圧極４３および接地極３３）とを備えるプラズマ反応器３において、相対的に比誘電率が高い高誘電板１６と相対的に比誘電率が低い低誘電板１７とを、誘電体１２の電極１３との対向方向に沿って配置することにより、全体として誘電体１２を形成する。そして、高誘電板１６の配置される側が、排気ガスの流れ方向上流側になるように、プラズマ反応器３を設置する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体と、
前記誘電体を挟んで対向配置される１対の電極とを備え、
前記誘電体は、前記電極との対向方向に直交する方向に沿って、相対的に比誘電率が高い高比誘電率部と、相対的に比誘電率が低い低比誘電率部とを有していることを特徴とする、プラズマ反応器。
【請求項２】
前記低比誘電率部の機械的特性が、前記高比誘電率部の機械的特性よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ反応器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ反応器、詳しくは、放電によりプラズマを発生させるプラズマ反応器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車などに搭載されるディーゼル機関から排出される排気ガスには、ＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｍａｔｔｅｒ：粒子状物質）などが含まれており、これらを浄化するためのプラズマ反応器が提案されている。
例えば、アルミナ板（誘電体）と、このアルミナ板の両面に取り付けられた１対のスチール製の板状金属電極とを備えるプラズマ反応放電器が提案されている（特許文献１参照。）。アルミナ板の両面には、排気ガスの流れ方向に直交する溝が複数本形成されている。一方、金属電極の両面には、排気ガスの流れ方向に沿う溝が複数本形成されている。
【０００３】
このプラズマ反応放電器では、一方の金属電極を高電圧極とし、他方の金属電極を接地極として、両電極間にパルス電圧が印加されてプラズマが生じる。そして、プラズマ中の荷電粒子（イオンや電子）や遊離基（ラジカル）などの活性種により、排気ガス中の黒煙に含まれるＰＭが酸化されて、排気ガスが浄化される。
【特許文献１】特開２００５−２６８１２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかるに、金属電極で挟まれるアルミナが常誘電体であるため、パルス電圧のピーク電圧を高くしないと、排気ガスの浄化に十分な有効量のプラズマを発生させることが困難である。その結果、排気ガスの浄化に要するエネルギー（電力）が大きくなるという課題がある。
その一方で、チタン酸バリウムなどの強誘電体は、比較的低電圧からプラズマを発生させることができるので、アルミナに代替させることが検討される。しかし、強誘電体は高価であるため、コストの上昇が不可避となる。
【０００５】
本発明の目的は、消費エネルギーやコストの上昇を抑制しつつ、排気ガスを良好に浄化することのできるプラズマ反応器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明のプラズマ反応器は、誘電体と、前記誘電体を挟んで対向配置される１対の電極とを備え、前記誘電体は、前記電極との対向方向に直交する方向に沿って、相対的に比誘電率が高い高比誘電率部と、相対的に比誘電率が低い低比誘電率部とを有していることを特徴としている。
この構成によれば、高比誘電率部および低比誘電率部が、誘電体の電極との対向方向に直交する方向に沿って配置されている。そして、プラズマ反応器を、排気ガスの流路に設置するときに、高比誘電率部がその上流側、低比誘電率部がその下流側に配置されるように設置して、１対の電極に電圧を印加すれば、高比誘電率部が配置される上流側において、相対的に強いプラズマが発生し、低比誘電率部が配置される下流側において、相対的に弱いプラズマが発生する。そして、上流側で発生するプラズマ中の荷電粒子（イオンや電子）や遊離基（ラジカル）などの活性種は、排気ガスの流れによって、下流側に流される。
【０００７】
そのため、プラズマ反応器の上流側では、相対的に強く発生するプラズマによって、排気ガスを効率よく浄化できるとともに、プラズマ反応器の下流側では、上流側に比べてプラズマは相対的に弱いものの、上流側で発生したプラズマ中の活性種が流れてくるので、その活性種により、排気ガスを良好に浄化することができる。
その結果、誘電体全体が低比誘電率材料である場合に比べて、印加電圧を低くしても、プラズマ反応器全体として排気ガスを良好に浄化でき、それに要する消費エネルギーを抑制することができる。さらに、誘電体全体を高価な高比誘電率部にするのではなく、その一部を高比誘電率部にするだけでよいため、コストの上昇を抑制することもできる。
【０００８】
また、本発明のプラズマ反応器では、前記低比誘電率部の機械的特性が、前記高比誘電率部の機械的特性よりも大きいことが好適である。
下流側の低比誘電率部に機械的特性が比較的高い材料を設けることにより、高比誘電率部の機械的特性を低比誘電率部で補うことができる。そのため、例えば、高比誘電率部の機械的特性が低く、高比誘電率部のみでは十分な耐久性を確保することが困難な場合でも、低比誘電率部によりその耐久性を補って、プラズマ反応器全体として良好な耐久性を確保することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のプラズマ反応器によれば、印加電圧を低くしても、プラズマ反応器全体として排気ガスを良好に浄化でき、それに要する消費エネルギーを抑制することができる。
さらに、誘電体全体を高価な高比誘電率部にするのではなく、その一部を高比誘電率部にするだけでよいため、コストの上昇を抑制することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマ反応器を備える排気ガス浄化装置の概略断面図である。
排気ガス浄化装置１は、例えば、自動車などに搭載されるディーゼル機関などから排出される、ＰＭ（Particulate Matter：粒子状物質）が含有される排気ガスを浄化する装置であって、排気ガスが流れる浄化管２と、浄化管２の内部に設置され、排気ガスを浄化するためのプラズマ反応器３と、プラズマ反応器３に電力を供給する電源４とを備えている。
【００１１】
浄化管２は、例えば、ステンレス鋼を用いて形成されており、誘電体１２と電極１３との積層構造体（後述）を収容する反応管５と、反応管５の上流側に接続される上流側接続管６と、反応管５の下流側に接続される下流側接続管７とを備えている。
反応管５は、対向する１対の面が開放された略直方体の筐体であり、その開放された面の対向方向が排気ガスの流れ方向とされる。
【００１２】
上流側接続管６は、排気ガスの流れ方向を軸方向とする円筒管８と、円筒管８よりも下流側に配置され、排気ガスの流れ方向に直交する断面が上流側から下流側へ向けて広がる略錐形の錐管９とを一体的に備えている。
円筒管８は、その径が反応管５の径よりも小さく形成されている。円筒管８は、その上流側端部が、例えば、ディーゼル機関の排気口に連通する排気管（図示せず）に接続され、その下流側端部が、後述する錐管９の上流側端部に接続される。
【００１３】
錐管９は、その上流側端部が、円筒管８の径と略同じ大きさの円形に形成され、その下流側端部が、反応管５の開放された上流側の矩形面と略同じ矩形状に形成されている。そして、錐管９は、その上流側端部が、円筒管８の下流側端部に接続され、その下流側端部が、反応管５の上流側端部に接続されている。
下流側接続管７は、排気ガスの流れ方向に直交する断面が上流側から下流側へ向けて狭まる略錐形の錐管１０と、錐管１０よりも下流側に配置され、排気ガスの流れ方向を軸方向とする円筒管１１とを一体的に備えている。
【００１４】
錐管１０は、その上流側端部が、反応管５の開放された下流側の矩形面と略同じ矩形状に形成されており、その下流側端部が、円筒管１１の径と略同じ大きさの円形に形成されている。そして、錐管１０は、その上流側端部が反応管５の下流側端部に接続され、その下流側端部が、後述する円筒管１１の上流側端部に接続される。
円筒管１１は、その径が反応管５の径よりも小さく、例えば、円筒管８と同径に形成されている。円筒管１１は、その上流側端部が、錐管１０の下流側端部に接続され、その下流側端部が、例えば、自動車のマフラー（消音器）に連通する排気管（図示せず）に接続される。
【００１５】
プラズマ反応器３は、図１では、簡略化しているが、例えば、３４枚の誘電体１２と、３５枚の電極１３とを備えており、これら誘電体１２および電極１３は、電極１３が最下層および最上層となるように、交互に積層されている。そして、誘電体１２と電極１３との積層構造体は、例えば、積層構造体の積層界面が排気ガスの流れ方向に沿うように、反応管５内に設置されている。
【００１６】
誘電体１２を介して積層された電極１３には、下層から順に接地配線１４と高電圧配線１５とが交互に接続されている。これにより、電極１３は、接地配線１４が接続された一方の電極１３（以下、この電極１３を接地極３３ということがある。）と、高電圧配線１５が接続された他方の電極１３（以下、この電極１３を高電圧極４３ということがある。）とに区別され、これら１対の電極１３が誘電体１２を挟んで対向配置されている。
【００１７】
接地配線１４は、その一端が、１８枚の接地極３３にそれぞれ接続され、その他端が、１本に集約され、電源４を介して接地されている。
高電圧配線１５は、その一端が、１７枚の高電圧極４３にそれぞれ接続され、その他端が、１本に集約され、電源４の高電圧極（図示せず）に接続されている。なお、図１では図示を省略しているが、高電圧配線１５は、浄化管２を貫通する部分（浄化管２と接触する部分）において、例えば、Ａｌ２Ｏ３などの絶縁体により被覆されている。これにより、高電圧配線１５と浄化管２とは互いに絶縁されている。
【００１８】
電源４は、例えば、ディーゼル機関などの動作を制御する制御ユニット（図示せず）に電気的に接続されており、当該ディーゼル機関の動作とリンクしてその動作が制御される。電源４としては、例えば、公知のパルス電源などが挙げられ、好ましくは、パルス電圧、パルス幅およびパルス繰返し周波数を任意の値に調節可能なパルス電源が挙げられる。
図２は、図１に示す誘電体１２および誘電体１２を挟んで対向配置される１対の電極１３（接地極３３および高電圧極４３）の拡大図である。
【００１９】
図２において、誘電体１２は、電極１３と対向する上下方向に直交する方向に沿って、高比誘電率部としての高誘電板１６と低比誘電率部としての低誘電板１７とを別体的に備えている。誘電体１２は、反応管５（図１参照。）内において、高誘電板１６が排気ガスの流れ方向上流側、低誘電板１７が排気ガスの流れ方向下流側に位置するように配置される。
【００２０】
高誘電板１６は、低誘電板１７よりも排気ガスの流れ方向の上流側に配置され、その厚み方向が排気ガスの流れ方向に直交するように、排気ガスの流れ方向に沿って延びる略矩形板状に形成されている。また、高誘電板１６は、低誘電板１７との比較において相対的に比誘電率が高い材料で形成されている。
高誘電板１６を形成する材料としては、例えば、比誘電率εｒ１が５０以上の材料が挙げられる。
【００２１】
具体的な材料としては、例えば、ＢａＴｉＯ３（チタン酸バリウム  比誘電率εｒ１＝１２００）、ＳｒＴｉＯ３（チタン酸ストロンチウム  比誘電率εｒ１＝３００〜３５０）、などが挙げられ、その他、Ｂａ（Ｓｒ）ＴｉＯ３（チタン酸バリウムストロンチウム）、ＣａＴｉＯ３（チタン酸カルシウム）、ＣａＺｒＯ３（ジルコニウム酸カルシウム）、ＳｒＺｒＯ３（ジルコニウム酸ストロンチウム）、ＢａＣｅＯ３（セリウム酸バリウム）、ＰｂＴｉＯ３（チタン酸鉛）、（Ｐｂ、Ｌａ）ＴｉＯ３（チタン酸鉛ランタン）、Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３（チタンジルコニウム酸鉛）ＰｂＮｂ２Ｏ６（ニオブ酸鉛）、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２（チタン酸ビスマス）、Ｂｉ（Ｎｉ、Ｔｉ）Ｏ３（ニッケルチタン酸ビスマス）などが挙げられる。なお、上記例示した比誘電率は、常温のバルク材としての数値であり、その数値は、温度、周波数、密度などにより変化する場合がある。
【００２２】
また、高誘電板１６は、その機械的特性、具体的には、ＪＩＳ  Ｒ１６４８に準拠して測定される破壊強度、ＪＩＳ  Ｒ１６０７、もしくはＪＩＳ  Ｒ１６１７に準拠して測定される破壊靭性、ＪＩＳ  Ｒ１６１０、もしくはＪＩＳ  Ｒ１６２３に準拠して測定される硬度が、低誘電板１７よりも小さく、例えば、その破壊強度が、３００ＭＰａ未満である。
【００２３】
また、高誘電板１６の厚みは、例えば、低誘電板１７と同じ厚みである。
低誘電板１７は、高誘電板１６よりも排気ガスの流れ方向の下流側に配置され、排気ガスの流れ方向に沿って延びる略矩形板状に形成されている。また、低誘電板１７は、高誘電板１６との比較において相対的に比誘電率が低い材料で形成されている。
低誘電板１７を形成する材料としては、例えば、比誘電率εｒ２が５０未満の材料が挙げられる。
【００２４】
具体的な材料としては、例えば、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム  比誘電率εｒ２＝８〜１０）、ＺｒＯ２（酸化ジルコニウム  比誘電率εｒ２＝３０〜５０）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム  比誘電率εｒ２＝８．８〜１０）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素  比誘電率εｒ２＝８〜１０）などが挙げられ、その他、ＳｉＯ２（酸化ケイ素）などが挙げられる。なお、上記例示した比誘電率は、常温のバルク材としての数値であり、その数値は、温度、周波数、密度などにより変化する場合がある。
【００２５】
高誘電板１６と低誘電板１７との組み合わせがこのような組み合わせであれば、電源４による印加電圧を低くしても、プラズマ反応器３全体として排気ガスを良好に浄化することができ、消費エネルギーを抑制することができる。
また、低誘電板１７は、上記した機械的特性が高誘電板１６よりも大きく、例えば、その破壊強度が、３００ＭＰａ以上である。これにより、高誘電板１６の破壊強度が３００ＭＰａ未満であっても、プラズマ反応器３全体として優れた耐久性を確保することができる。
【００２６】
また、低誘電板１７の厚みは、例えば、低誘電板１７と同じ厚みである。
そして、高誘電板１６および低誘電板１７は、例えば、電極１３と対向する１対の表面が略面一になるように、高誘電板１６の排気ガスの流れ方向下流側の端部と、低誘電板１７の排気ガスの流れ方向上流側の端部とが互いに突き合わされて接合されることにより、全体として排気ガスの流れ方向を長手方向とする略矩形板状の誘電体１２とされる。
【００２７】
略矩形板状の誘電体１２は、高誘電板１６と低誘電板１７とが突き合わされた状態で、例えば、電極１３との対向面に沿う方向に、長手方向一方側および他方側（排気ガスの流れ方向上流側および下流側）から１対のスペーサ部材（図示せず）あるいはガスケット部材（図示せず）で挟持される。これにより、高誘電板１６と低誘電板１７との接合状態が保持される。
【００２８】
接地極３３および高電圧極４３は、誘電体１２と対向する上下方向に直交する方向（排気ガスの流れ方向）を長手方向とする、誘電体１２よりも小さい相似形の略矩形板状に形成されている。また、接地極３３および高電圧極４３は、例えば、その両表面が排気ガスの流れ方向に沿って起伏するとともに、厚み方向に多数の貫通孔が形成された波形メッシュ状に形成されている。これにより、各誘電体１２と各電極１３（接地極３３および高電圧極４３）との積層状態において、各電極１３の凸部分２１が誘電体１２の表面に当接するので、各誘電体１２と各電極１３との間には、その積層界面に沿って排気ガスが流通可能なギャップ２２が形成される。
【００２９】
また、接地極３３および高電圧極４３を形成する材料としては、例えば、ニッケル、銅、ステンレス鋼、タングステンなどが挙げられる。
また、高誘電板１６と接地極３３および高電圧極４３との接触界面の排気ガスの流れ方向の長さＬ１は、例えば、接地極３３および高電圧極４３の長手方向（排気ガスの流れ方向）の長さＬ０に対して、１／４〜１／２である。
【００３０】
一方、接地極３３および高電圧極４３と低誘電板１７との接触界面の排気ガスの流れ方向の長さＬ２は、長さＬ１と同じもしくはＬ２よりも長く、例えば、接地極３３および高電圧極４３の長手方向（排気ガスの流れ方向）の長さＬ０に対して、１／２〜３／４である。
以上説明した排気ガス浄化装置１では、ディーゼル機関などの稼動にともない、接地極３３を基準電位として、高電圧極４３に対して、電源４によりパルス電圧が印加される。
【００３１】
印加されるパルス電圧の条件は、排出される排気ガスの圧力により異なるが、パルスピーク電圧Ｖｐが、例えば、２〜３０ｋＶである。また、パルス繰返し周波数ｆｐが、例えば、１０〜５０００Ｈｚである。
そして、ディーゼル機関などの稼動により排出される排気ガスは、上流側接続管６から反応管５に流入し、反応管５内においては、誘電体１２および電極１３からなる積層構造体のギャップ２２を積層界面に沿って下流側へと流れる。ギャップ２２を流れるときに、排気ガスに含有されるＰＭは、例えば、電極１３（高電圧極４３および／または接地極３３）のメッシュ部分に一時的に引っ掛かって捕捉されることで滞留時間を稼げる。
【００３２】
そして、誘電体１２において相対的に比誘電率が高い上流側の高誘電板１６を挟んで対向する高電圧極４３と接地極３３との間では、低誘電板１７を挟んで対向する高電圧極４３と接地極３３との間よりも、相対的に強いプラズマが発生する。
一方、誘電体１２おいて相対的に比誘電率が低い下流側の低誘電板１７を挟んで対向する高電圧極４３と接地極３３との間では、高誘電板１６を挟んで対向する高電圧極４３と接地極３３との間よりも、相対的に弱いプラズマが発生する。
【００３３】
そして、上流側で発生するプラズマ中の荷電粒子（イオンや電子）や遊離基（ラジカル）などの活性種は、排気ガスの流れによって、下流側へ流される。
そのため、プラズマ反応器３の上流側では、相対的に強く発生するプラズマによって、電極１３に引っ掛かって捕捉されたＰＭを酸化分解して排気ガスを効率よく浄化できるとともに、プラズマ反応器３の下流側では、上流側に比べてプラズマは相対的に弱いものの、上流側で発生したプラズマ中の活性種が流れてくるので、その活性種により、電極１３に引っ掛かって捕捉されたＰＭを酸化分解して排気ガスを良好に浄化することができる。
【００３４】
その結果、パルスピーク電圧Ｖｐを低くしても、プラズマ反応器３全体として排気ガスを良好に浄化することができ、それに要する消費エネルギーを抑制することができる。
また、高誘電板１６を形成する材料として挙げられるＢａＴｉＯ３などは、低誘電板１７を形成する材料として挙げられるＡｌ２Ｏ３などよりも高価な材料であるが、このプラズマ反応器３では、誘電体１２全体を高価な高誘電板１６にするのではなく、高価な高誘電板１６と安価な低誘電板１７とを突き合わせて接合することにより、１つの誘電体１２とするので、コストの上昇を抑制することもできる。
【００３５】
さらに、高誘電板１６は、その機械的特性が比較的低い場合があるが、破壊強度３００ＭＰａ以上の低誘電板１７を用いることにより、低誘電板１７よりも機械的特性の低い高誘電板１６を、低誘電板１７で補うことができる。
そのため、例えば、高誘電板１６のみで誘電体１２が形成されていると、十分な耐久性を確保することが困難な場合でも、低誘電板１７によりその耐久性を補って、プラズマ反応器３全体として良好な耐久性を確保することができる。
【００３６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施形態は、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で、適宜設計を変形することができる。
本発明のプラズマ反応器の用途としては、例えば、ディーゼル機関から排出される排気ガスの浄化、化学プラントから排出される排気ガスの浄化などが挙げられる。
また、前述の実施形態では、高誘電板１６および低誘電板１７は、それぞれ適切な比誘電率εｒ１，εｒ２の材料を用いて略矩形板状に形成されていたが、これらは、例えば、略矩形板状の金属板（例えば、ニッケル板など）に、それぞれ適切な比誘電率εｒ１，εｒ２の材料がコーティングされて誘電体とされている構成であってもよい。また、低誘電板１７の上流側のみに比誘電率の高い材料がコーティングされた構成であってもよい。
【００３７】
また、前述の実施形態では、電極１３（高電圧極４３および接地極３３）は、波形メッシュ状で形成されているとしたが、排気ガスが通過でき、さらに排気ガスに含有されるＰＭの滞留時間を稼げることが可能な形状であれば、特に制限されない。
また、前述の実施形態では、高誘電板１６および低誘電板１７は、別体的に形成されているとしたが、これらは、一体的に形成されていてもよい。
【００３８】
また、前述の実施形態では、高誘電板１６および低誘電板１７は、１対のスペーサ部材により挟持されて接合されているとしたが、これらは、隣り合って配置されているだけでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態に係るプラズマ反応器を備える排気ガス浄化装置の概略断面図である。
【図２】図１に示す誘電体および誘電体を挟んで対向配置される１対の電極（陰極および陽極）の拡大図である。
【符号の説明】
【００４０】
３    プラズマ反応器
１２  誘電体
１３  電極
１６  高誘電板
１７  低誘電板
３３  接地極
４３  高電圧極
【図１】
2009226292.tif 000003
【図２】
2009226292.tif 000004