(57)【要約】【課題】  誘電体に付着するＰＭ（粒子状物質）を効率よく除去し、優れた排気ガス浄化性能を長期にわたって実現することのできる排気ガス浄化装置を提供すること。【解決手段】  排気ガス浄化装置１において、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（浄化時高電圧極４３および浄化時接地極３３）とを備えるプラズマ反応器３と、プラズマ反応器３よりも排気ガスの流れ方向上流側に、清掃用電極２４を配置する。そして、電極１３と清掃用電極２４との間で放電させることによりプラズマを発生させ、このプラズマ中の活性種により誘電体１２の清掃処理を行なう。【選択図】図１
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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、プラズマを発生させて排気ガスを浄化する１対の第１電極とを備えるプラズマ反応ユニットと、
前記プラズマ反応ユニットよりも排気ガスの流れ方向上流側に配置された第２電極とを備えることを特徴とする、排気ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガス浄化装置、詳しくは、放電によりプラズマを発生させて排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガスに含有される有害物質などを、プラズマにより浄化することが知られており、プラズマによりガスを処理するガス処理装置が種々知られている。
例えば、プラズマを発生させるための放電セルと、この放電セルに電力を供給する電源装置とを備えるガス処理装置が知られている（特許文献１参照。）。
放電セルには、処理対象ガスを流動させるガス処理流路を形成する筒状放電極と、この筒状放電極の軸芯上に位置する線状放電極とが備えられている。電源装置には、筒状放電極と線状放電極との間に印加される電圧の極性を適宜切り換えることのできる機械式スイッチが備えられている。
【０００３】
このガス処理装置では、線状放電極をプラス極とし、筒状放電極をマイナス極として、両電極間にパルス電圧を印加することにより、ガス処理流路にコールド（低温）プラズマ状態のストリーマが生じ、処理対象ガスが活性化されて浄化処理される（ガス処理用放電状態）。そして、定期的または任意に機械式スイッチを切り換えることにより、各電極に対して、ガス処理用放電状態とは反対極性の電圧が印加されて、例えば、ガス処理時に線状放電極に堆積・凝集したダストが電気的な反発力で除去される（掃除用放電状態）。
【特許文献１】特開平７−１５５５２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一方、近年、自動車などに搭載されるディーゼル機関からの排気ガスに含まれるＰＭ（Particulate Matter：粒子状物質）を、例えば、アルミナからなる板状の誘電体と、誘電体の両面に取り付けられた１対の金属製の板状電極とを備えるプラズマ反応器により浄化することが提案されている。
この種のプラズマ反応器を備える排気ガス浄化装置では、一方の電極を高電圧極とし、他方の電極を接地極として、パルス電圧が印加されることによりプラズマが生じる。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、排気ガスに含まれるＰＭが酸化されて、排気ガスが浄化される。
【０００５】
ところが、プラズマ反応器による浄化処理が長期にわたって行なわれると、プラズマ反応器における排気ガスの上流側では、誘電体にＰＭが吸着し、それによって排気ガスの浄化性能が低下する不具合がある。
吸着したＰＭを誘電体から除去すべく、特許文献１に記載されているように、各電極に印加される電圧の極性を切り換えることが検討されるが、極性を切り換えても、誘電体とＰＭとの間に電気的な反発力を発生させることにならないため、吸着したＰＭを除去することが困難である。
【０００６】
本発明の目的は、誘電体に付着するＰＭ（粒子状物質）を効率よく除去し、優れた排気ガス浄化性能を長期にわたって実現することのできる排気ガス浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の排気ガス浄化装置は、誘電体と、前記誘電体を挟んで対向配置され、プラズマを発生させて排気ガスを浄化する１対の第１電極とを備えるプラズマ反応ユニットと、前記プラズマ反応ユニットよりも排気ガスの流れ方向上流側に配置された第２電極とを備えることを特徴としている。
この排気ガス浄化装置では、プラズマ反応ユニットにおいて、１対の第１電極が誘電体を挟んで対向配置されているため、１対の第１電極間に一定値以上の電圧を印加すれば、１対の第１電極とこれらに挟まれた誘電体間で放電してプラズマが発生する。そして、プラズマ反応ユニットを流れる排気ガスは、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、浄化される。
【０００８】
さらに、プラズマ反応ユニットよりも排気ガスの流れ方向上流側に第２電極が配置されているため、排気ガスの浄化処理により、誘電体における排気ガスの流れ方向上流側に、排気ガスに含まれるＰＭ（粒子状物質）が吸着しても、第１電極と第２電極との間に一定値以上の電圧を印加することにより、第１電極と第２電極との間で放電させて、プラズマ反応器の上流側にプラズマを発生させることができる。そして、このプラズマ中の活性種により、誘電体に吸着されたＰＭを酸化して除去することができる。その結果、長期にわたって優れた排気ガスの浄化性能を実現することができる。なお、第２電極は、例えば、その表面が、露出した構成であってもよいし、誘電体材料で被覆された構成であってもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の排気ガス浄化装置によれば、第１電極と第２電極との間で放電させて、プラズマ反応器の上流側にプラズマを発生させることができ、このプラズマ中の活性種により、誘電体に吸着されたＰＭを酸化して除去することができる。その結果、長期にわたって優れた排気ガスの浄化性能を実現することができる。
【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ユニットとしてのプラズマ反応器３と、浄化管２の内部におけるプラズマ反応器３の排気ガスの流れ方向上流側に設置された第２電極としての清掃用電極２４と、浄化管２の内部におけるプラズマ反応器３の排気ガスの流れ方向下流側に設置された清掃用電極２８と、プラズマ反応器３、上流側の清掃用電極２４および下流側の清掃用電極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、プラズマ反応器３を収容する反応管５と、反応管５の上流側に接続され、清掃用電極２４を収容する上流側接続管６と、反応管５の下流側に接続され、清掃用電極２８を収容する下流側接続管７とを一体的に備えている。
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。また、反応管５には、図示しない圧力センサが備えられている。
【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は、略矩形板状に形成され、その長手方向が排気ガスの流れ方向に沿うように配置されている。誘電体１２を形成する材料としては、例えば、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＺｒＯ２（酸化ジルコニウム）、ＳｉＯ２（酸化ケイ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）などが挙げられる。
電極１３は、誘電体１２よりも小さい相似形の略矩形板状に形成され、その長手方向が誘電体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）に沿うように配置されている。また、電極１３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。電極１３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。
【００１７】
また、電極１３は、その凸部分２１の高さを含めた厚みが、例えば、１〜３ｍｍである。
そして、誘電体１２を介して積層された電極１３には、下層から順に配線１４と配線１５とが交互に接続されている。これにより、電極１３は、配線１４が接続され、排気ガスの浄化処理時に接地極とされる一方の電極１３（以下、この電極１３を浄化時接地極３３ということがある。）と、配線１５が接続され、排気ガスの浄化処理時に高電圧極としてパルス電圧が印加される他方の電極１３（以下、この電極１３を浄化時高電圧極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。
【００１８】
配線１４は、その一端が、１８枚の浄化時接地極３３にそれぞれ接続され、その他端が、１本に集約され、後述する電源４の第１の電極４４に接続されている。
配線１５は、その一端が、１７枚の浄化時高電圧極４３にそれぞれ接続され、その他端が、１本に集約され、後述する電源４の第２の電極４５に接続されている。なお、図１では図示を省略しているが、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、配線１５と浄化管２とは互いに絶縁されている。
【００１９】
上流側の清掃用電極２４は、例えば、電極１３との間で低温プラズマ（熱的非平衡プラズマ）を発生させる電極であって、上流側接続管６において、錐管９の軸方向略中間に配置されている。なお、低温プラズマ（熱的非平衡プラズマ）とは、プラズマを構成するイオンや電子、分子、ラジカルなどのうち、電子のみが高温であり、全体の温度が、高温の電子の温度によって変わらないプラズマのことをいう。
【００２０】
また、清掃用電極２４は、誘電体１２および電極１３の積層方向に延びる略柱状に形成されており、排気ガスの流れ方向において誘電体１２および電極１３に対向している。清掃用電極２４と電極１３における排気ガスの流れ方向上流側の一方端との距離は、排気ガスの特性（流量、圧力など）によって異なり、例えば、清掃用電極２４と積層方向中央（１８層目）の電極１３（浄化時高電圧極４３）との距離（最小距離）や、清掃用電極２４と積層方向最上層あるいは最下層の電極１３（浄化時接地極３３）との距離（最大距離）が、適宜適切な距離に設計される。また、清掃用電極２４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。なお、清掃用電極２４は、例えば、その表面が、露出した構成であってもよいし、誘電体材料で被覆された構成であってもよい。
【００２１】
清掃用電極２４には、配線２６が接続されている。配線２６は、その一端が清掃用電極２４に接続され、その他端が後述する配線３０の他端と集約され、１本の配線３１として後述する電源４の第３の電極４６に接続されている。
下流側の清掃用電極２８は、例えば、上流側の清掃用電極２４と同様に、電極１３との間で低温プラズマ（熱的非平衡プラズマ）を発生させる電極であって、下流側接続管７において、錐管１０の軸方向略中間に配置されている。また、清掃用電極２８は、誘電体１２および電極１３の積層方向に延びる略柱状に形成されており、排気ガスの流れ方向において誘電体１２および電極１３に対向している。清掃用電極２８と電極１３における排気ガスの流れ方向上流側の一方端との距離は、排気ガスの特性（流量、圧力など）によって異なり、例えば、清掃用電極２８と積層方向中央（１８層目）の電極１３（浄化時高電圧極４３）との距離（最小距離）や、清掃用電極２８と積層方向最上層あるいは最下層の電極１３（浄化時接地極３３）との距離（最大距離）が、適宜適切な距離に設計される。また、清掃用電極２８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。なお、清掃用電極２８は、例えば、その表面が、露出した構成であってもよいし、誘電体材料で被覆された構成であってもよい。
【００２２】
清掃用電極２８には、配線３０が接続されている。配線３０は、その一端が清掃用電極２８に接続され、その他端が配線２６の他端と集約され、１本の配線３１として後述する電源４の第３の電極４６に接続されている。
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。電源４には、配線１４が接続された第１の電極４４と、配線１５が接続された第２の電極４５と、配線３１が接続された第３の電極４６とが備えられており、これら電極の極性は、制御ユニット（図示せず）の制御により、適宜変更される。
【００２３】
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、排気ガスの浄化処理が実行される。
通常の排気ガス浄化処理時は、浄化時接地極３３を基準電位とし、浄化時高電圧極４３に電源４から高電圧を印加することにより、反応管５内にプラズマを発生させる。
通常の排気ガス処理時に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Ｖｐ１が、例えば、２〜１５ｋＶである。また、パルス繰返し周波数ｆｐ１が、例えば、１０〜５０００Ｈｚである。
【００２４】
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（浄化時高電圧極４３および／または浄化時接地極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。
【００２５】
そして、反応器５内に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）などの活性種によって、電極１３に引っ掛かって捕捉されたＰＭが酸化分解されて排気ガスが浄化される。
さらに、この排気ガス浄化装置１では、排気ガスの浄化処理の実行開始後、プラズマ反応器３の内部圧力を測定し、一定圧力を超えた場合に、誘電体１２の清掃処理が実行されるように制御する。
【００２６】
誘電体１２の清掃処理では、電極１３（浄化時接地極３３および浄化時高電圧極４３）を基準電位とし（接地）、清掃用電極２４および清掃用電極２８にパルス電圧が印加される。つまり、誘電体１２の清掃処理では、電極１３（浄化時接地極３３および浄化時高電圧極４３）が接地極として、清掃用電極２４および清掃用電極２８が高電圧極としてパルス電圧が印加される。
【００２７】
清掃処理時に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Ｖｐ２が、通常の排気ガス処理時に印加されるパルスピーク電圧Ｖｐ１よりも大きく、例えば、５〜３０ｋＶである。また、パルス繰返し周波数ｆｐ２が、例えば、１０〜５０００Ｈｚである。
そのため、排気ガスの浄化処理において、誘電体１２における排気ガスの流れ方向上流側の一方端部や下流側の他方端部に、排気ガスに含まれるＰＭ（粒子状物質）が吸着しても、清掃用電極２４および清掃用電極２８と電極１３との間に発生するプラズマ中の活性種により、誘電体１２に吸着されたＰＭを酸化して除去することができる。その結果、誘電体１２にＰＭが吸着することによる排気ガスの浄化性能の低下を抑制できるので、長期にわたって優れた排気ガスの浄化性能を実現することができる。
【００２８】
また、この排気ガス浄化装置１では、清掃用電極２４がプラズマ反応器３よりも上流側に設置されているので、誘電体１２の清掃処理中に清掃用電極２４と電極１３との間に発生するプラズマ中の活性種を、排気ガスの流れにより誘電体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すことができる。その結果、この活性種により排気ガスの浄化処理を行なうこともできる。すなわち、誘電体１２の清掃処理と並行して排気ガスの浄化処理を行なうことができる。
【００２９】
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、プラズマ反応器３の下流側に清掃用電極２８を設置することにより、プラズマ反応器３の上流側および下流側のいずれの側にも清掃用電極を設置したが、下流側の清掃用電極２８の設置を省略することもできる。
【００３０】
また、前述の実施形態では、誘電体１２の清掃処理は、排気ガスの浄化処理中に実行されるとしたが、例えば、ディーゼル機関などが稼動されておらず、排気ガスの浄化処理が実行されていないときに実行することもできる。
また、前述の実施形態では、清掃用電極２４および清掃用電極２８は、積層された複数の電極１３に対して１つのみ設けられていたが、各電極１３それぞれに対向するように、複数個設けられてもよい。
【００３１】
また、前述の実施形態では、電極１３（浄化時高電圧極４３および浄化時接地極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、誘電体１２の清掃処理時、電極１３（浄化時接地極３３および浄化時高電圧極４３）が接地極として、清掃用電極２４および清掃用電極２８が高電圧極としてパルス電圧が印加されたが、これらの電極の極性は、逆であってもよい。つまり、電極１３（浄化時接地極３３および浄化時高電圧極４３）が高電圧極、清掃用電極２４および清掃用電極２８が接地極となるようにパルス電圧が印加されてもよい。
【００３２】
さらに、誘電体１２の清掃処理のためにプラズマを発生させるものとして、清掃用電極２４および清掃用電極２８に代えて、公知のプラズマトーチなどを浄化管２内に設置することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態に係る排気ガス浄化装置の概略断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１    排気ガス浄化装置
３    プラズマ反応器
１２  誘電体
１３  電極
２４  清掃用電極
３３  浄化時接地極
４３  浄化時高電圧極
【図１】
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