JP6795735B2 - プラズマリアクタ - Google Patents

Description

本発明は、プラズマリアクタに関し、とくに、エンジンから排出される排ガスの浄化に用いられるプラズマリアクタに関する。

エンジン、とくにディーゼルエンジンから排出される排ガスには、ＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）およびＰＭ（Particulate Matter：粒子状物質）などが含まれる。

排ガスに含まれるＰＭを除去する手法として、プラズマリアクタを用いて、排ガスに含まれるＰＭを除去する手法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。この提案に係るプラズマリアクタでは、筒状の金属製ケースに絶縁性ハニカム担体が保持されて、絶縁性ハニカム担体が排ガスの流路に配置される。絶縁性ハニカム担体における排ガス流通方向の上流側端部および下流側端部には、メッシュ状の電極が設けられており、電極間に高電圧を印加して放電プラズマを発生させることにより、排ガス中のＰＭがプラズマの酸化作用によって除去される。

特開２００５−３０２５４号公報 特許５０７８７９２号公報 特許３５８０２９４号公報

本願発明者らもプラズマリアクタを用いて排ガス中のＰＭを除去する技術を開発している。その技術に係るプラズマリアクタ９１は、図４に示されるように、複数の電極パネル９２を備えている。複数の電極パネル９２は、排ガスが流通する筒状のリアクタボディ９３内において、排ガスの流れ方向と直交する方向に間隔を空けて積層されて、リアクタボディ９３との間に介在される絶縁性の保持マット９４に保持されている。各電極パネル９２は、誘電体９５に電極９６を内蔵した構成であり、互いに対向する電極９６間に電圧が印加されると、誘電体バリア放電が生じて、電極パネル９２間に低温プラズマ（非平衡プラズマ）が発生し、電極パネル９２間を流れる排ガス中のＰＭが除去される。

かかるプラズマリアクタ９１をエンジンベンチに組み込んで評価試験を行ったところ、電極パネル９２の表面における排ガスの流れ方向の上流側の部分および電極パネル９２の積層体とリアクタボディ９３との間の保持マット９４の端面にＰＭが付着して堆積することが判った。そして、図５に示されるように、走行距離が増すにつれて、電極パネル９２の表面および保持マット９４の端面に堆積するＰＭ量が増加し、電極パネル９２の電極９６に電圧を印加するための端子とリアクタボディ９３との間にＰＭによる導電パスが形成されることにより、電極パネル９２とリアクタボディ９３との間の絶縁抵抗が低下することが判った。

本発明の目的は、電極パネルとリアクタボディとの間の絶縁抵抗の低下を抑制できる、プラズマリアクタを提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明に係るプラズマリアクタは、エンジンから排出される排ガスの浄化に用いられるプラズマリアクタであって、排ガスが流通する筒状のリアクタボディと、リアクタボディの内面に沿って設けられ、排ガスの流通方向の上流側および下流側にそれぞれ環状の端面を有する保持マットと、保持マットに一括して取り囲まれて、保持マットに流通方向と直交する方向に間隔を空けて積層された状態に保持され、平板状の誘電体内に電極が内蔵された構成をそれぞれ有する複数の電極パネルと、保持マットの上流側の端面または上流側および下流側の各端面上に設けられ、環状の誘電体内およびその外表面上にそれぞれ排ガスの流通方向に見た形状が複数の電極パネルの外側を取り囲む環状の電極が配設された構成を有する沿面放電パネルとを含む。

この構成によれば、排ガスが流通する筒状のリアクタボディ内に、複数の電極パネルが排ガスの流通方向と直交する方向に間隔を空けて積層された状態に設けられている。各電極パネルは、平板状の誘電体に電極を内蔵した構成を有している。

互いに対向する電極間に電圧が印加されると、誘電体バリア放電が生じて、電極パネル間にプラズマが発生し、電極パネル間を流れる排ガスに含まれるＰＭがプラズマの酸化作用により除去される。

複数の電極パネルは、保持マットに一括して取り囲まれて保持されている。保持マットは、リアクタボディの内面に沿って設けられ、排ガスの流通方向の上流側および下流側にそれぞれ環状の端面を有している。保持マットの上流側の端面または上流側および下流側の各端面上には、沿面放電パネルが設けられている。沿面放電パネルは、誘電体内および誘電体の外表面上にそれぞれ電極が配設された構成を有している。各電極は、排ガスの流通方向に見た形状が複数の電極パネルの外側を取り囲む環状をなしている。言い換えれば、排ガスの流通方向と直交する平面に対する流通方向の投影において、各電極が複数の電極パネルの外側を取り囲む。

沿面放電パネルの電極間に電圧が印加されると、誘電体の外表面上の電極からの放電が生じ、沿面放電パネル上にプラズマが発生（沿面放電）する。このプラズマの酸化作用により、排ガスに含まれるＰＭが除去され、プラズマが発生する部分へのＰＭの堆積が抑制される。これにより、電極パネル（電極に電圧を印加するための端子）とリアクタボディとの間にＰＭによる導電パスが形成されることを抑制でき、電極パネルとリアクタボディとの間の絶縁抵抗の低下を抑制できる。その結果、電極パネルからリアクタボディへの電流のリークを抑制でき、プラズマリアクタの性能および安全性の向上を達成できる。

電極パネルの積層体における互いに対向する電極の一方および他方は、それぞれ沿面放電パネルの誘電体内の電極および誘電体の外表面上の電極と電気的に接続されていてもよい。

この構成により、電極パネルの積層体における互いに対向する電極間に電圧が印加されると、その電圧が沿面放電パネルの電極間にも印加されるので、電極パネル間でプラズマが発生するときに、沿面放電パネル上にプラズマを発生させることができる。そのため、沿面放電パネル上のプラズマが発生する部分へのＰＭの堆積を良好に抑制でき、電極パネルとリアクタボディとの間の絶縁抵抗の低下を一層抑制できる。

本発明によれば、電極パネルとリアクタボディとの間の絶縁抵抗の低下を抑制でき、プラズマリアクタの性能および安全性の向上を達成できる。

本発明の一実施形態に係るプラズマリアクタの使用態様を図解的に示す断面図である。 図１に示されるプラズマリアクタを排ガスの流通方向の上流側から見た図であり、そのプラズマリアクタの構成を図解的に示す。 図１に示されるプラズマリアクタの構成を図解的に示す断面図である。 本願発明者らが先行して開発したプラズマリアクタを排ガスの流通方向の上流側から見た図であり、そのプラズマリアクタの構成を図解的に示す。 図４に示されるプラズマリアクタにおける絶縁抵抗の変化を示すグラフである。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

＜プラズマリアクタの使用態様＞
図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマリアクタ１の使用態様を図解的に示す断面図である。

プラズマリアクタ１は、車両のエンジン（図示せず）から排出される排ガスからＰＭ（Particulate Matter：粒子状物質）を除去して、排ガスを浄化するために、たとえば、エキゾーストパイプなどの排気管２の途中部に介装される。プラズマリアクタ１には、パルス発生電源３が接続されている。

＜プラズマリアクタの基本構成＞
図２は、プラズマリアクタ１を排ガスの流通方向の上流側から見た図であり、プラズマリアクタ１の構成を図解的に示す。図３は、プラズマリアクタ１の構成を図解的に示す断面図である。

プラズマリアクタ１は、リアクタボディ１１と、リアクタボディ１１の内面に沿って設けられる保持マット１２と、保持マット１２に一括して保持される複数の電極パネル１３とを備えている。

リアクタボディ１１は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などの金属からなり、四角筒状を有している。リアクタボディ１１の一端の開口は、排気管２から排ガスを流入させる流入口２１であり、他端の開口は、排気管２に排ガスを流出させる流出口２２である。エンジンから排気管２に排出される排ガスは、排気管２を流通する途中で、流入口２１からリアクタボディ１１内に流入して、リアクタボディ１１内を流通し、流出口２２から流出する。

保持マット１２は、リアクタボディ１１の内面に密着する四角筒状をなし、排ガスの流通方向（以下、単に「流通方向」という。）の上流側および下流側の各端に流通方向と直交する四角環状の端面３１，３２を有している。また、保持マット１２は、同一の絶縁性材料（たとえば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）繊維、シリカ繊維、アルミナ−シリカ繊維などの無機繊維を含むことが好ましい。）からなる内周部３３および外周部３４の間に別の絶縁性材料（たとえば、アルミナ、マイカなどのセラミック材料が好ましい。）からなる固定部３５を挟み込んだ３層構造を有している。

電極パネル１３は、誘電体からなる平板状の誘電体平板４１に内蔵電極４２が厚さ方向に挟み込まれた構成を有している。言い換えれば、電極パネル１３は、誘電体からなる平板状の誘電体平板４１を厚さ方向に２分割した各分割部分で内蔵電極４２をその両面から挟み込んだ構成を有している。誘電体平板４１の材料である誘電体としては、アルミナを例示することができる。内蔵電極４２の材料としては、タングステンを例示することができる。内蔵電極４２は、たとえば、縦方向に延びる複数の線状部および縦方向と直交する横方向に延びる複数の線状部からなる格子状をなし、四角形状の網目を多数有している。

複数の電極パネル１３は、保持マット１２に取り囲まれる空間内に、流通方向と直交する積層方向に等間隔を開けて積層され、互いに平行をなして、それぞれ流通方向に延びている。積層方向の一方側の端に配置される電極パネル１３は、その一方側の表面が保持マット１２に密着し、他方側の各端に配置される電極パネル１３は、その他方側の表面が保持マット１２に密着している。各電極パネル１３は、流通方向および積層方向と直交する幅方向の両側から保持マット１２に挟持されている。各電極パネル１３の流通方向上流側の端面４３は、保持マット１２の流通方向上流側の端面３１と面一をなしている（同一平面上に位置にする）。

プラズマリアクタ１には、プラス端子４４およびマイナス端子４５が設けられている。積層方向の一方側から奇数番目の電極パネル１３の内蔵電極４２は、プラス端子４４と電気的に接続（導通）され、積層方向の一方側から偶数番目の電極パネル１３の内蔵電極４２は、マイナス端子４５と電気的に接続されている。プラス端子４４およびマイナス端子４５には、パルス発生電源３からパルス波状の高電圧が印加される。この高電圧の印加により、その高電圧が積層方向に互いに隣り合う電極パネル１３の内蔵電極４２間に印加される。この高電圧が内蔵電極４２間に印加されることにより、電極パネル１３間に誘電体バリア放電が生じ、その誘電体バリア放電によるプラズマが発生する。一方、電極パネル１３間には、流入口２１側の端部から排ガスが流入し、その排ガスが流出口２２側の端部に向けて流通する。電極パネル１３間に発生するプラズマの酸化作用により、電極パネル１３間を流通する排ガスに含まれるＰＭが酸化（燃焼）されて除去される。

＜沿面放電パネル＞
プラズマリアクタ１は、沿面放電パネル５１をさらに備えている。

沿面放電パネル５１は、保持マット１２の端面３１上に設けられている。沿面放電パネル５１は、保持マット１２の端面３１の形状に沿った四角環状の環状体５２と、環状体５２の内部および外表面（流通方向の上流側の端面）５３上にそれぞれ配設された電極５４，５５とを備えている。電極５５の酸化を防止するために、電極５５の表面を被覆するコート層を有していることが好ましい。コート層の材料は、耐熱性、耐食性の理由から、アルミナなどの誘電体を用いるのが好ましいが、電極５５の酸化を防止可能な材料であれば、たとえば、ガラスが用いられてもよい。電極５４，５５は、流通方向に見た形状が複数の電極パネル１３の外側を取り囲む四角環状をなしている。環状体５２は、誘電体からなり、誘電体としては、アルミナを例示することができる。電極５４，５５の材料としては、タングステンを例示することができる。

環状体５２の外表面５３と反対側の端面５６は、保持マット１２の端面３１に密着し、その一部は、電極パネル１３の端面４３にも跨がって密着している。沿面放電パネル５１は、複数のボルト５７を流通方向の上流側から環状体５２を貫通させて保持マット１２の固定部３５にねじ込むことにより、保持マット１２に対して固定されている。

端面５６における電極パネル１３の端面４３と密着する部分には、接続端子５８，５９が設けられている。接続端子５８，５９は、それぞれ電極５４，５５と電気的に接続されている。一方、電極パネル１３の端面４３には、接続端子５９，５８にそれぞれ接続される接続端子６１，６２が形成されている。接続端子６１，６２は、内蔵電極４２を介して、それぞれプラス端子４４およびマイナス端子４５と電気的に接続されている。これにより、電極５４，５５は、それぞれマイナス端子４５およびプラス端子４４と電気的に接続されている。

＜作用効果＞
以上のように、複数の電極パネル１３は、保持マット１２に一括して取り囲まれて保持されている。保持マット１２は、リアクタボディ１１の内面に沿って設けられ、流通方向の上流側および下流側にそれぞれ環状の端面３１，３２を有している。保持マット１２の上流側の端面３１上には、沿面放電パネル５１が設けられている。沿面放電パネル５１は、環状体５２内および環状体５２の外表面５３上にそれぞれ電極５４，５５が配設された構成を有している。電極５４，５５は、流通方向に見た形状が複数の電極パネル１３の外側を取り囲む環状をなしている。言い換えれば、流通方向と直交する平面に対する流通方向の投影において、電極５４，５５が複数の電極パネル１３の外側を取り囲む。

電極５４，５５は、それぞれマイナス端子４５およびプラス端子４４と電気的に接続されている。パルス発生電源３からプラス端子４４およびマイナス端子４５にパルス波状の高電圧が印加されると、その高電圧が積層方向に互いに隣り合う電極パネル１３の内蔵電極４２間に印加されるとともに電極５４，５５間に印加される。高電圧が内蔵電極４２間に印加されることにより、電極パネル１３間に誘電体バリア放電が生じ、その誘電体バリア放電によるプラズマが発生して、電極パネル１３間を流通する排ガスに含まれるＰＭが除去される。一方、高電圧が電極５４，５５間に印加されることにより、環状体５２の外表面５３上の電極５５からの放電が生じ、沿面放電パネル５１上にプラズマが発生して、そのプラズマが発生する部分でＰＭが除去され、プラズマが発生する部分へのＰＭの堆積が抑制される。

よって、電極パネル１３に電圧を印加するための端子とリアクタボディ１１との間にＰＭによる導電パスが形成されることを抑制でき、電極パネル１３とリアクタボディ１１との間の絶縁抵抗の低下を抑制できる。その結果、電極パネル１３からリアクタボディ１１への電流のリークを抑制でき、プラズマリアクタ１の性能および安全性の向上を達成できる。

＜変形例＞
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。

たとえば、保持マット１２の端面３１上に沿面放電パネル５１が設けられた構成を取り上げたが、保持マット１２の端面３１のみならず、その反対側の端面３２上にも、沿面放電パネル５１と同様に構成された沿面放電パネルが設けられてもよい。

また、沿面放電パネル５１（環状体５２）の端面５６に設けられた接続端子５８，５９がそれぞれ電極パネル１３の端面４３に設けられた接続端子６２，６１に接続されることにより、電極５４，５５がそれぞれマイナス端子４５およびプラス端子４４と電気的に接続される構成を取り上げた。この構成に限らず、電極５４，５５とそれぞれ導通する端子が沿面放電パネル５１の端面５６以外の表面に設けられ、それらの端子とマイナス端子４５およびプラス端子４４とが沿面放電パネル５１の外部で電気的に接続されてもよい。その場合、端面５６の一部を電極パネル１３の端面４３に密着させる必要はなく、電極パネル１３間の流通方向上流側への開口面積を拡大することができ、電極パネル１３間に流入する排ガスの流通抵抗を下げることができる。

その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１：プラズマリアクタ
１１：リアクタボディ
１２：保持マット
１３：電極パネル
３１，３２：端面
４１：誘電体平板
４２：内蔵電極
５１：沿面放電パネル
５２：環状体（環状の誘電体）
５３：外表面
５４，５５：電極

Claims (1)

1. エンジンから排出される排ガスの浄化に用いられるプラズマリアクタであって、
   排ガスが流通する筒状のリアクタボディと、
   前記リアクタボディの内面に沿って設けられ、排ガスの流通方向の上流側および下流側にそれぞれ環状の端面を有する保持マットと、
   前記保持マットに一括して取り囲まれて、前記保持マットに前記流通方向と直交する方向に間隔を空けて積層された状態に保持され、平板状の誘電体内に電極が内蔵された構成をそれぞれ有する複数の電極パネルと、
   前記保持マットの上流側の端面または上流側および下流側の各端面上に設けられ、環状の誘電体内およびその外表面上にそれぞれ前記流通方向に見た形状が前記複数の電極パネルの外側を取り囲む環状の電極が配設された構成を有する沿面放電パネルとを含む、プラズマリアクタ。

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