JP5782591B2 - ガス処理装置、及び内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマを用いたガス処理装置、及びそのガス処理装置が適用された内燃機関に関する。

従来から、プラズマを用いたガス処理装置が知られている。この種のガス処理装置は、揮発性有機化合物（Ｖｏｌａｔｉｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ：ＶＯＣ）をはじめとする種々の大気汚染物質の分解や無害化のために用いられる。

発明者らは、放電とマイクロ波照射を併用するガス処理装置を提案している（後掲の特許文献１及び特許文献２）。例えば、特許文献２のガス処理システムでは、スパーク放電により小規模のプラズマが生成され、そのプラズマにマイクロ波パルスが照射される。プラズマ中の荷電粒子には、マイクロ波パルスのエネルギーが供給される。これにより、プラズマが拡大成長する。

特開２００７−１１３５７０号公報 特開２００９−０３４６７４号公報

ところで、プラズマが形成されている領域（以下、プラズマ形成領域）は、周囲に比べて温度及び圧力が高くなる。そのため、処理対象のガスがプラズマを避けようとする。従来のガス処理装置は、プラズマの位置が一定である。従って、プラズマを利用して多くのガスを反応させることが困難である。

本発明は上述の実情に鑑みなされたものであって、その目的は、ガスを電離させると共に電磁波を照射することによりプラズマを生成するガス処理装置において、プラズマに接触するガスを増やし、ガスの処理効率を向上させることにある。

第１の発明は、対象空間のガスを電離させる電離手段と、上記対象空間に照射される電磁波を発振する電磁波発振器と、上記電離手段により電離したガスが存在するガス電離領域に上記電磁波発振器から供給された電磁波を照射するためのアンテナとを備え、上記電離手段によりガスを電離させると共に、上記アンテナから電磁波を照射することにより、プラズマを生成するガス処理装置において、上記電離手段の少なくとも一部を移動させることにより、上記ガス電離領域の位置を変化させて上記プラズマの位置を変化させる移動手段を備えているガス処理装置。

第１の発明では、ガス電離領域にプラズマが生成される。移動手段により電離手段の少なくとも一部を移動させると、ガス電離領域の位置が変化し、プラズマの位置が変化する。

第２の発明は、第１の発明において、上記電離手段は、上記移動手段により動かされる移動電極と、固定された固定電極との間の放電ギャップで放電を生じさせる放電器を備え、上記放電器は、上記固定電極を複数備え、上記移動電極が複数の固定電極に順番に近接するように上記移動手段により上記移動電極を動かし、近接する移動電極と固定電極との間で放電を生じさせる。

第３の発明は、第１の発明において、上記電離手段は、一対の電極の間の放電ギャップで放電を生じさせる放電器を備え、上記移動手段により上記放電器を動かしながら上記放電ギャップで放電を生じさせる。

第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、上記移動手段は、ガスを送るためのファンであり、上記電離手段は、上記ファンの送風によりガスの圧力が上昇する位置が上記ガス電離領域になるように配置されている。

第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明のガス処理装置と、導入したガスを燃焼させる燃焼器とを備え、上記ガス処理装置は、上記燃焼器に流入する前のガスが流れる流路、又は上記燃焼器から流出したガスが流れる流路においてプラズマを生成する内燃機関。

第６の発明は、第５の発明において、上記燃焼器に流入するガスを圧縮する圧縮機と、上記燃焼器から流出したガスの圧力を受けて回転するタービンとを備え、上記ガス処理装置は、上記圧縮機に設けられ、該圧縮機の回転機構が上記移動手段となっている。

第７の発明は、第５の発明において、上記燃焼器に流入するガスを圧縮する圧縮機と、上記燃焼器から流出したガスの圧力を受けて回転するタービンとを備え、上記ガス処理装置は、上記タービンに設けられ、該タービンの回転機構が上記移動手段となっている。

第８の発明は、対象空間のガスを電離させる電離手段と、上記対象空間に照射される電磁波を発振する電磁波発振器と、上記電離手段により電離したガスが存在するガス電離領域に上記電磁波発振器から供給された電磁波を照射するためのアンテナとを備え、上記電離手段によりガスを電離させると共に、上記アンテナから電磁波を照射することにより、プラズマを生成するガス処理装置において、上記プラズマが形成されている領域に圧縮したガスを送り込む圧縮手段を備えているガス処理装置。

第９の発明は、対象空間のガスを電離させる電離手段と、上記対象空間に照射される電磁波を発振する電磁波発振器と、上記電離手段により電離したガスが存在するガス電離領域に上記電磁波発振器から供給された電磁波を照射するためのアンテナとを備え、上記電離手段によりガスを電離させると共に、上記アンテナから電磁波を照射することにより、プラズマを生成するガス処理装置において、上記アンテナから照射される電磁波の周波数を変化させることにより、電磁波により形成される強電場の位置を連続的に変化させて上記プラズマを移動させるガス処理装置。

第１０の発明は、第９の発明において、１つのアンテナに複数の電磁波発振器が接続され、上記プラズマが生成された後に、複数の電磁波発振器の少なくとも１つから発振される電磁波の波長を変化させて、上記強電場領域の位置を連続的に変化させて上記プラズマを移動させることを特徴とするガス処理装置。

本発明では、電離手段の少なくとも一部を移動させる移動手段を設けることにより、プラズマの位置が変化するようにしている。そのため、局所のみが常に高温高圧となる状況を回避でき、高温高圧の領域を分散させることが可能になる。従って、プラズマに接触するガスの量が増大し、多くのガスを化学反応させることができる。

図１は、第１の実施形態に係るガス処理装置の概略構成図である。 図２は、電極及びアンテナの配置を示す図である。 図３は、ガス流路の流れる向きから見たガス処理装置の概略構成図である。 図４は、第１の実施形態の変形例１に係るガス処理装置の概略構成図である。 図５は、第１の実施形態の変形例１に係るガス処理装置の別の電磁波発振器の接続構造を示す図である。 図６は、第１の実施形態の変形例２に係るガス処理装置の概略構成図である。 図７は、第１の実施形態の変形例３に係るガス処理装置の概略構成図である。 図８は、第１の実施形態の変形例４に係るガス処理装置の概略構成図である。 図９は、第２の実施形態に係るガス処理装置の概略構成図である。 図１０は、第３の実施形態に記載のガスタービンのブロックである。 図１１は、第４の実施形態に記載の内燃機関の断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
〔第１の実施形態〕

第１の実施形態を図面に基づいて具体的に説明する。

第１の実施形態は、本発明のガス処理装置により構成されたガス処理装置１００である。図１、図２、及び図３に、第１の実施形態のガス処理装置１００を示す。ガス処理装置１００は、処理対象のガスが流通する概ね円形断面のガス流路１１０に配置されている。ガス処理装置１００は、放電器１５６と電源１６０（直流電源）と電磁波発振器１８０とアンテナ１７０とファン１２０とを備えている。放電器１５６は、対象空間のガスを電離させる電離手段を構成している。電磁波発振器１８０は、対象空間に照射される電磁波を発振する。アンテナ１７０からは、電離手段により電離したガスが存在するガス電離領域に電磁波発振器１８０から供給された電磁波が照射される。ガス処理装置１００は、電離手段によりガスを電離させると共に、アンテナ１７０から電磁波を照射することにより、プラズマを生成する。

ファン１２０は、電離手段の少なくとも一部を移動させることにより、ガス電離領域の位置を変化させてプラズマの位置を変化させる移動手段を構成している。ファン１２０は、軸流形式のファンである。ファン１２０は、筒状部材により形成されたガス流路１１０に配置されている。ファン１２０は、ファンブレード１２８と、該ファンブレード１２８の中央部に接合された旋回軸１２６と、該旋回軸１２６を回転自在に支持する軸受け１２４と、該軸受け１２４を支持する支持部材１２２と、旋回軸１２６が回転する動力を与える動力源（モータ）１３０とを備えている。支持部材１２２は、ガス流路１１０の内壁面に接合されている。旋回軸１２６は、ガス流路１１０と同軸に配置されている。

ファンブレード１２８は、旋回軸１２６に複数接合されている。複数のファンブレード１２８は、旋回軸１２６の外周面において等間隔に接合されている。各ファンブレード１２８の外縁には、ガス流路１１０の内壁面に近接する複数の突出部分１４０（Ａ，…,Ｋ）が設けられている。

このファン１２０は、動力源１３０が発生する動力を旋回軸１２６が受けて、旋回軸１２６及びファンブレード１２８が回転することにより、ガス流路１１０のガスを一方向（例えば、図１において左から右へ）に輸送する。旋回軸１２６とファンブレード１２８とは、共に導電体からなる。各突出部分１４０は、旋回軸１２６に電気的に接続されている。なお、共に導電体の旋回軸１２６及びファンブレード１２８を一体化してもよい。

旋回軸１２６は、軸受け１２４及び支持部材１２２を介して、常に電気的に接地されている。各突出部分１４０は、旋回軸１２６を介して接地されている。なお、動力源１３０の部材を介して、旋回軸１２６を常に電気的に接地してもよい。

放電器１５６は、複数の高電圧電極１５０（Ａ，…,Ｌ）、複数の接地電極１４０（Ａ，…,Ｋ）、及び複数の直流電路１５２（Ａ，…,Ｌ）を備えている。複数の高電圧電極１５０は、ガス流路１１０の内壁面のうち、ファンブレード１２８の外縁に臨む位置において等角度間隔に設けられている。各高電圧電極１５０は、直流電路１５２を介して電源１６０に接続されている。放電器１５６は、ファン１２０の送風によりガスの圧力が上昇する位置がガス電離領域になるように配置されている。

本実施形態では、各突出部分１４０が、接地電極１４０となっている。各突出部分１４０は、ファンブレード１２８の回転に伴って、対向して近接する高電圧電極１５０が周方向に変わっていく。なお、高電圧電極１５０と突出部分１４０は、同数であることを要せず、高電圧電極１５０の数を突出部分１４０より多くてもよい。

高電圧電極１５０は、直流電路１５２を介して電源１６０に接続されている。なお、図３では、一部の高電圧電極１５０だけが電源１６０に接続されているが、記載を省略しているだけであり、全ての高電圧電極１５０が電源１６０に接続されている。

ガス処理装置１００には、電源１６０により高電圧電極１５０に高電圧を印加するタイミングを制御する制御装置１０５が設けられている。制御装置１０５は、複数の高電圧電極１５０のうち、高電圧電極１５０とガス流路１１０の中心とを結ぶ線のなす角度が９０度となる高電圧電極１５０については、突出部分１４０が近接するタイミングが同じであるため、同じタイミングで電源１６０からの高電圧を印加する。また、制御装置１０５は、複数の高電圧電極１５０のうち、高電圧電極１５０とガス流路１１０の中心とを結ぶ線のなす角度が４５度となる高電圧電極１５０同士（隣り合う高電圧電極１５０同士）については、突出部分１４０が近接するタイミングが異なるため、異なるタイミングで電源１６０からの高電圧を印加する。

電源１６０が印加する電圧は、高電圧電極１５０と突出部分１４０が最も近接した状態で、両者の間のガスが絶縁破壊される程度の電圧があればよい。そのための電圧を得るために昇圧コイル等を用いても良い。電源１６０は、連続的に電圧を印加してもよいし、断続的に電圧を印加してもよい（例えば、パルス波形の電圧）。電源１６０が断続的に電圧を印加する場合は、ファンブレード１２８の回転制御との同期制御を上記制御装置１０５が行う。直流電路１５２同士の接続は、直列方式であっても並列方式であってもよく、また、スイッチングを行うものであってもよい。但し、スイッチングを行う場合は、ファンブレード１２８の回転制御との同期制御を上記制御装置１０５が行う。

また、電源１６０が印加する電圧は、高電圧電極１５０と突出部分１４０の距離が所定値以下になると、両者の間のガスが絶縁破壊される値に設定してもよい。その場合は、電源１６０が連続的に電圧を印加する。

複数のアンテナ１７０（Ａ,…,Ｍ）は、ガス流路１１０の内壁面のうち、ファンブレード１２８の外縁に臨む位置において等角度間隔に設けられている。各アンテナ１７０は、ガス流路１１０の内壁面の周方向で見た場合に、２つの高電圧電極１５０の真ん中においてガス流路１１０に露出している。各アンテナ１７０は、高電圧電極１５０に対して、ガス流路１１０の軸方向に少しだけずれている。各アンテナ１７０は、電磁波伝送路１７２（Ａ,…,Ｍ）を介して、電磁波発振器１８０に接続されている。なお、ガス流路１１０の軸方向におけるアンテナ１７０の位置を、高電圧電極１５０に合わせてもよい。

なお、アンテナ１７０は、高電圧電極１５０と同数であることを要せず、いずれかのアンテナ１７０からの電磁波の照射により、周方向において両側の高電圧電極１５０の近傍に電磁波のエネルギーを与えることができればよい。つまり、１つのアンテナ１７０は、２つの高電圧電極の近傍への電磁波の照射を受け持っている。また、スロットアンテナや、漏洩同軸ケーブルのように１エレメントで多数の電磁波の照射位置を有するアンテナ１７０を使用する場合は、アンテナ１７０の数を１つにしてもよい。また、アンテナ１７０の数は、高電圧電極１５０より多くしてもよい。

電磁波発振器１８０は、例えば２．４ＧＨｚ帯のマグネトロンである。電磁波発振器１８０は、放電器１５６によるガスの絶縁破壊で生じる荷電粒子（電子、イオンを含む）に対してエネルギーを供給する。電磁波発振器１８０は、ガス電離領域の荷電粒子にエネルギーを供給する。電磁波発振器１８０は、荷電粒子がガスの分子と衝突することにより新たに電離が生じる程度のエネルギーの電磁波を発振する。なお、電磁波発振器１８０が発振する電磁波の周波数は、適宜選択すればよく、例えば、ＩＭＳバンド等工業的に利用しやすい周波数帯を選択してもよい。

制御装置１０５は、高電圧電極１５０と接地電極１４０との間の放電により小規模のプラズマが生成されているときに、電磁波パルスを発振するように電磁波発振器１８０を制御する。制御装置１０５は、小規模プラズマを形成する高電圧電極１５０の最も近くにあるアンテナ１７０から電磁波を照射するように、電磁波発振器１８０を制御する。電磁波発振器１８０から電磁波を発振するタイミングは、小規模のプラズマが形成される直前でもよいし、小規模のプラズマが形成される直後でもよい。

電磁波発振器１８０は、マグネトロン以外のものでもよく、クライストロン、ＬＣ共振回路、半導体発振器、その他公知の種々のものが選択可能であり、それらを適宜選択すればよい。なお、２．４ＧＨｚ帯のマグネトロンは、一般的な電子レンジに用いられており安価なため、電磁波発振器１８０として好適である。電磁波伝送路１５２同士の接続は、直列方式であっても並列方式であってもよく、また、スイッチングを行うものであってもよい。但し、スイッチングを行う場合は、ファンブレード１２８の回転制御との同期制御を上記制御装置１０５が行う。

ガス処理装置１００の動作について説明する。

動力源１３０が旋回軸１２６に動力を与えると、旋回軸１２６及びファンブレード１２８は、軸受け１２４に支持された状態で、ガス流路１１０で回転する。ガス流路１１０が円形断面のため、ファンブレード１２８の回転に伴って、各高電圧電極１５０に対して、複数の突起部分１４０が順番に近接する。

突起部分１４０が近接する高電圧電極１５０に対して、電源１６０が電圧を印加すると、突起部分１４０と高電圧電極１５０との間の放電ギャップにおいて、ガスの絶縁破壊が生じ、プラズマが発生する。さらに、プラズマが生成されるタイミングに合わせて、プラズマに最も近いアンテナ１７０に電磁波発振器１８０から電磁波を供給すると、そのアンテナ１７０から電磁波が放射され、そのプラズマに電磁波のエネルギーが供給される。プラズマ内の荷電粒子は、電磁波のエネルギーを受けて加速され、プラズマの周囲のガス分子と衝突して電離させる。その結果、プラズマの周囲のガスもプラズマ化し、プラズマの領域が拡大する。このプラズマ及びプラズマ中の反応性の高いラジカル（例えば、ヒドロキシラジカル等）や分子（過酸化水素等）により、ガス中の還元性の物質（例えば、炭化水素、有機化合物等）は酸化され、分解する。
−第１の実施形態の効果−

本実施形態では、各接地電極１４０（移動電極）が複数の高電圧電極１５０（固定電極）に順番に近接するようにファン１２０（移動手段）により各接地電極１４０を動かし、近接する接地電極１４０と高電圧電極１５０との間で放電を生じさせる。そして、放電が生じる放電領域（電離領域）に電磁波が照射される。

ところで、プラズマが拡大すると、プラズマが形成されているプラズマ形成領域は高温高圧となる。そのため、ガス流路１１０を流通するガスは、プラズマの作用により化学反応するものの、プラズマを避けて流れようとする。このため、一定の位置でプラズマを生成する場合は、プラズマを避けて反応しないガスが多くなる、

それに対して、本実施形態では、ファンブレード１２８が回転することにより、プラズマの形成位置を移動させることができる、又は、プラズマの位置を変化させることができる。その結果、局所のみが常に高温高圧となる状況を回避でき、高温高圧の領域を分散させることが可能になる。従って、プラズマに接触するガスの量が増大し、多くのガスを化学反応させることができる。

また、本実施形態では、回転するファンブレード１２８により、ガス流路１１０が部分的に区画されたような状態になり、ガス流路１１０の中央部にガスが流れにくくなる。また、回転するファンブレード１２８により、ガスはガス流路１１０の内壁面側（プラズマが生成されている側）に吹き付けられる。従って、プラズマに接触するガスの量がさらに増大し、多くのガスを化学反応させることができる。

また、本実施形態では、ファンブレード１２８の回転により、プラズマに起因して生成されたラジカルの攪拌分散が促進される。その結果、ラジカルによるガスの処理が促進され、ガスの素通り（反応することなくガスが通過する現象）を低減できる。

また、本実施形態では、ファンブレード１２８の回転により、ガスを強制的に上流側から下流側へ輸送される。ここで、プラズマ形成領域は高温高圧になるため、プラズマによりガスの流れが阻害されるおそれがある。本実施形態では、ファンブレード１２８の回転により、プラズマによりガスの流れが阻害される分を補うことができる。従って、ガスの流量の低減を抑制しつつ、プラズマを利用したガス処理が可能になる。
−第１の実施形態の変形例１−

変形例１では、図４に示すように、網状アンテナ１７５がファンブレード１２８に対面するように配置されている。網状アンテナ１７５には、複数の電磁波発振器１８０（この変形例１では、第１発振器１８０ａ，第２発振器１８０ｂ，第３発振器１８０ｃ，及び第４発振器１８０ｄの４つの電磁波発振器）が接続されている。

変形例１では、複数の電磁波発振器１８０から電磁波が発振されると、網状アンテナ１７５の複数の位置が強電場になる。そのため、網状アンテナ１７５における複数の強電場でもプラズマを生成することができる。従って、ファンブレード１２８の中央付近を通過したガスを反応させることが可能になる。なお、電磁波のエネルギーの大きさを適切に設定することで、網状アンテナ１７５において強電場となる位置が放電領域（ガス電離領域）から離れていたとしても、その強電場付近にはプラズマが生成される。

変形例１において、制御装置１０５が、同じタイミングで電磁波を照射する電磁波発振器１８０の数を変化させることにより、強電場の位置を変化させてもよい。また、電磁波発振器１８０が発振する電磁波の周波数を調節できる場合に、制御装置１０５は、いずれかの電磁波発振器１８０の発振周波数を変化させることにより、強電場の位置を変化させてもよい。制御装置１０５は、電気的な制御により強電場の位置を変化させる。なお、変形例１では、網状アンテナ１７５に対して、複数の電磁波発振器１８０が異なる位置に接続されているが、図５に示すように、複数の電磁波発振器１８０からの電磁波を１本の伝送路に合流させて、その伝送路を網状アンテナ１７５に接続してもよい。図４及び図５に示すように、各電磁波発振器１８０に対しては、保護用のアイソレータ１８１が設けられている。

また、変形例１では、上記第１の実施形態と同様に、ガス流路１１０の内壁面にも複数のアンテナ１７０が設けられている。複数のアンテナ１７０は、網状アンテナ１７５とは別の電磁波発振器に接続されている。しかし、ガス流路１１０の内壁面の複数のアンテナ１７０を設けずに、網状アンテナ１７５だけから電磁波を発振するようにしてもよい。

また、変形例１では、ガス流路１１０の内壁面の近傍に網状アンテナ１７５がない領域が存在しているが、ガス流路１１０の横断面の全領域に網状アンテナ１７５が延びていてもよい。
−第１の実施形態の変形例２−

上記第１の実施形態では、プラズマ側にガスを送るためにガスを強制輸送するファン１２０として、図１及び図２に示すような軸流ファンを例示したが、軸流ファンに代えて、遠心ファン、斜流ファン、クロスフローファンなどを用いることも可能である。また、ガスの強制輸送する機構として、例えば、内燃機関用ターボチャージャや遠心式ガスタービンエンジンが備える遠心式圧縮機のような形状のファンを用いてもよいし、ルーツ式、リショルム式、スクロール式、ロータリ式など種々の形式のコンプレッサをファン１２０に代えて用いることもできる。

図６では、遠心ファンの羽根車６５に放電器１５６が設けられている。アンテナ１７０は、例えば、羽根車６５の外周側に位置して、ガスの動圧が回収される外周側空間６１に露出している。

変形例２では、圧縮機構の吸入流路６０から吸入されて圧縮されたガスが流れる位置にプラズマが生成される。そして、プラズマの位置が変化する。従って、多くのガスをプラズマに接触させて、ガスの化学反応を促進させることができる。プラズマに接触したガスは、吐出流路６２を流れる。

なお、変形例２では、電離手段が、一対の電極の間の放電ギャップで放電を生じさせる放電器１５６を備え、移動手段により放電器１５６を動かしながら放電ギャップで放電を生じさせる。圧縮機構が移動手段を構成している。放電器１５６の放電電極と接地電極の両方が、回転軸５０が連結された羽根車６５に設けられている。この変形例２では、放電器１５６で放電させるタイミングを、羽根車６５の回転速度とは無関係に設定することができる。但し、上記第１の実施形態のように、放電電極と接地電極のうち片方だけを羽根車６５に設けても良い。
−第１の実施形態の変形例３−

変形例３では、図７に示すように、筒状のガス流路１１０にガス処理装置が設けられている。筒状のガス流路１１０は、内側の柱状部材３０と、外側の筒状部材との間に形成されている。柱状部材３０の外周面には、周方向に沿って複数の放電器１５６が設けられている。放電器１５６は、柱状部材３０の軸方向に複数列設けられている。また、筒状部材には、ガス流路１７０に露出するアンテナ１７０が設けられている。

変形例３では、柱状部材３０が、モータ（図示省略）から動力を付与されて回転する。従って、プラズマの位置が変化するので、多くのガスをプラズマに接触させて、ガスの化学反応を促進させることができる。
−第１の実施形態の変形例４−

変形例４では、図８に示すように、回転円盤４２ａ，４２ｂが互いに対面するように設けられた一対の回転装置４１ａ，４１ｂが設けられている。各回転円盤４２ａ，４２ｂは、回転軸４３ａ，４３ｂを介してそれぞれモータ（図示省略）に接続されている。

片方の回転円盤４２ａ，４２ｂには、複数の放電電極４４ａが設けられている。もう片方の回転円盤４２ａ，４２ｂには、複数の接地電極４４ｂが設けられている。放電電極４４ａと接地電極４４ｂとは、回転方向において、様々な位置で対面して近接する。制御装置１０５は、接地電極４４ｂと対面する放電電極４４ａに高電圧が印加されるように電源６０を制御する。その結果、対面する接地電極４４ｂと放電電極４４ａの間で放電が生じる。また、制御装置１０５は、上記第１の実施形態と同様に、放電領域に電磁波が照射されるように電磁波発振器を制御する。なお、図８においてアンテナ１７０の記載は省略している。
−第１の実施形態のその他の変形例−

上記第１の実施形態では、高電圧電極１５０及びアンテナ１７０をいずれもガス流路１１０を構成する部材に設置したが、ファンブレード１２８に設置することも可能である。この場合、絶縁破壊のための電圧及び電磁波を、回転する部材に給電するための機構を別途設ける。また、回転する部材への電磁波の伝送は、無線方式、容量結合方式、誘導結合方式などの非接触な伝送方式で行うことが可能である。また、絶縁破壊のための電圧については、適切なタイミングで適切な電圧が印加されればよく、必ずしも直流であることを要しない。従って、絶縁破壊のための電圧を交流または電磁波とすることにより、非接触でのエネルギーの伝送が可能になる。

また、ガスに絶縁破壊を生じさせる部分と電磁波を放射させる部分の位置については、選択が可能であり、必要に応じて適宜選択すればよい。
〔第２の実施形態〕

第２の実施形態のガス処理装置１００は、図９に示すように、放電器１５６と電源１６０と電磁波発振器１８０と圧縮機１６５とを備えている（図９において、電源と電磁波発振器の図示は省略している）。この第２の実施形態では、放電器１５６の放電電極１５６ａがアンテナを兼ねている。放電電極１５６ａは、高電圧パルスと電磁波パルスとを混合する混合回路を介して、電源１６０と電磁波発振器１８０とに接続されている。放電電極１５６ａに、高電圧パルスと電磁波パルスが供給されると、放電電極１５６ａと接地電極１５６ｂの間の放電ギャップで放電により小規模のプラズマが生成され、そのプラズマが電磁波のエネルギーを吸収して拡大する。

また、圧縮機１６５は、ガス流路１１０を流れるガスの一部を吸入口１６５ａから吸入し、吸入ガスを圧縮して吐出口１６５ｂからプラズマ生成領域へ向けて吹き出す。従って、圧縮されたガスの多くをプラズマに接触させることができ、ガスの化学反応を促進させることができる。圧縮機１６５は、プラズマが形成されている領域に圧縮したガスを送り込む圧縮手段を構成している。
なお、エジェクター効果により負圧が生じる位置においてプラズマが形成されるように、ガス処理装置１００を設けてもよい。
〔第３の実施形態〕

第１の実施形態においては、プラズマへのガスの流れを強制的につくりだしたが、プラズマの形成に伴う温度上昇及び圧力上昇をプラズマ形成領域よりも下流におけるガスの膨張に利用することも可能である。プラズマ形成に投入されたエネルギーは、ガスの温度圧力の上昇に使用され、ガスの温度圧力の上昇によりガスの膨張が助けられる。また、プラズマの作用によりガスの化学反応が促進されるため、処理対象のガス成分が、酸化反応により分子数が増加するような成分構成であれば、ガスの分子量が増加する。これは、ちょうど内燃機関において燃焼効率を高めるのに似た作用をもたらす。
そのため、第１の実施形態に係るガス処理装置を内燃機関等の燃焼装置に組み込むことにより、燃焼効率を向上させることが可能になる。

図１０に基づいて、内燃機関がガスタービン２０５の場合を例に第３の実施形態を説明する。ガスタービン２０５は、吸入ガスを圧縮する圧縮機２０１と、圧縮機２０１により圧縮されたガスを燃焼させる燃焼器２０２と、燃焼器２０２で燃焼したガスにより回転するタービン２０３とを備えている。ガスタービンでは、タービン２０３の回転軸を介して、タービン２０３で回収された動力が圧縮機２０１に付与される。

第１の実施形態のガス処理装置１００は、例えば圧縮機２０１に設けられる。その場合は、ガス処理装置１００が生成するプラズマによりラジカルが生成され、そのラジカルにより燃焼器２０２における燃焼を促進させることができる。加えて、プラズマに起因し発生する圧力上昇分が、排気圧に上乗せされる。この排気圧を下流側で回収すれば、内燃機関のエネルギー効率を向上させることができる。

なお、内燃機関が遠心式ガスタービンであればコンプレッサインペラの最下流の位置において、軸流式ガスタービンであればロータブレードまたはステータベーンの最下流の位置において、第１の実施形態のガス処理装置１００を設けると好適である。

また、第１の実施形態のガス処理装置１００は、例えばタービン２０３に設けてもよい。その場合は、燃焼器２０２を通過した未燃ガスを反応させて動力に変換させることができる。加えて、プラズマに起因し発生する圧力上昇分を、タービン２０３の下流に設けたタービンインペラ又はタービンブレード（図示省略）において回収利用することが可能になる。圧力上昇分は、排気自体の運動エネルギーとして回収・利用することもできる。

なお、内燃機関が遠心式ガスタービンであればタービンインペラの最も上流の位置において、軸流式ガスタービンであればタービンブレードの最も上流の位置において第１の実施形態のガス処理装置１００を設けると好適である。
〔第４の実施形態〕

第４の実施形態のガス処理装置１００は、図１１に示すように、ピストン２３が往復動するレシプロタイプの内燃機関に設けられている。内燃機関は、シリンダブロック２１とシリンダヘッド２２とピストン２３とを備えている。シリンダブロック２１には、横断面が円形のシリンダ２４が複数形成されている。各シリンダ２４内には、ピストン２３が摺動自在に設けられている。ピストン２３は、コンロッドを介して、クランクシャフトに連結されている（図示省略）。クランクシャフトは、シリンダブロック２１に回転自在に支持されている。

シリンダヘッド２２は、ガスケット１８を挟んで、シリンダブロック２１上に載置されている。シリンダヘッド２２は、シリンダ２４及びピストン２３と共に、燃焼室１０を区画している。シリンダヘッド２２には、各シリンダ２４に対して、点火プラグ４が１つ設けられている。シリンダヘッド２２には、各シリンダ２４に対して、吸気ポート２５及び排気ポート２６が１つ又は複数形成されている。吸気ポート２５には、該吸気ポート２５を開閉する吸気バルブと、燃料を噴射するインジェクター（燃料噴射装置）とが設けられている。一方、排気ポート２６には、該排気ポート２６を開閉する排気バルブが設けられている。

第４の実施形態では、点火プラグ４が、対象空間となる燃焼室１０のガスを電離させる電離手段を構成している。点火プラグ４には、電磁波発振器（図示省略）に接続された電磁波伝送路１が設けられている。電磁波伝送路１は、シリンダヘッド２２において燃焼室１０に露出する面に設けられたアンテナ２に接続されている。アンテナ２は、燃焼室１０の半径方向に延び、吸気ポート２５と排気ポート２６の間を通っている。アンテナ２は、絶縁部材３によりシリンダヘッド２２に対して絶縁されている。アンテナ２からは、点火プラグ４により電離したガスが存在する燃焼室１０に電磁波発振器から供給された電磁波が照射される。ガス処理装置は、点火プラグ４により混合気中で放電を生じさせると共に、アンテナ２から電磁波を照射することによりプラズマを生成する。

ガス処理装置は、プラズマが生成された後に、アンテナ２から照射される電磁波の周波数を変化させることにより、電磁波により形成される強電場の位置を連続的に変化させてプラズマを移動させる。例えば、点火プラグ４による点火後に、アンテナ２において中心側から外側へ向かって強電場の位置を移動させることにより、プラズマを中心側から外側へ移動させる。

なお、アンテナ２に複数の電磁波発振器を接続してもよい。その場合は、プラズマが生成された後に、複数の電磁波発振器の少なくとも１つから発振される電磁波の波長を変化させることで、強電場領域の位置を連続的に変化させてプラズマを移動させることが可能である。
〔その他の実施形態〕

上記実施形態は、以下のように構成してもよい。

上記実施形態において、電離手段は、複数の放電器１５６の間で、ガスをプラズマ化させるタイミングをずらしてもよい。例えば、複数の放電器１５６が、所定の周期で順番にガスをプラズマ化させてもよい。その場合は、複数の放電器１５６が同時にガスをプラズマ化する場合に比べて、１つのプラズマが吸収する電磁波のエネルギーが大きくなるので、プラズマをより拡大することができる。

以上説明したように、本発明は、プラズマを用いたガス処理装置、及びそのガス処理装置が適用された内燃機関について有用である。

１００ ガス処理装置
１１０ ガス流路
１２０ ファン（移動手段）
１４０ 突起部分（移動電極、放電器）
１５０ 高電圧電極（固定電極、放電器）
１６０ 直流電源
１７０ アンテナ
１８０ 電磁波発振器

Claims (10)

1. 対象空間のガスを電離させる電離手段と、
   上記対象空間に照射される電磁波を発振する電磁波発振器と、
   上記電離手段により電離したガスが存在するガス電離領域に上記電磁波発振器から供給された電磁波を照射するためのアンテナとを備え、
   上記電離手段によりガスを電離させると共に、上記アンテナから電磁波を照射することにより、プラズマを生成するガス処理装置において、
   上記電離手段の少なくとも一部を移動させることにより、上記ガス電離領域の位置を変化させて上記プラズマの位置を変化させる移動手段を備え、
   上記アンテナは、電離手段に対面するように設けた網状アンテナである
   ことを特徴とするガス処理装置。
2. 請求項１において、
   上記電離手段は、上記移動手段により動かされる移動電極と、固定された固定電極との間の放電ギャップで放電を生じさせる放電器を備え、
   上記放電器は、上記固定電極を複数備え、
   上記移動電極が複数の固定電極に順番に近接するように上記移動手段により上記移動電極を動かし、近接する移動電極と固定電極との間で放電を生じさせる
   ことを特徴とするガス処理装置。
3. 請求項１において、
   上記電離手段は、一対の電極の間の放電ギャップで放電を生じさせる放電器を備え、
   上記移動手段により上記放電器を動かしながら上記放電ギャップで放電を生じさせる
   ことを特徴とするガス処理装置。
4. 請求項１乃至３の何れか１つにおいて、
   上記移動手段は、ガスを送るためのファンであり、
   上記電離手段は、上記ファンの送風によりガスの圧力が上昇する位置が上記ガス電離領域になるように配置されている
   ことを特徴とするガス処理装置。
5. 請求項１乃至４の何れか１つに記載のガス処理装置と、
   導入したガスを燃焼させる燃焼器とを備え、
   上記ガス処理装置は、上記燃焼器に流入する前のガスが流れる流路、又は上記燃焼器から流出したガスが流れる流路においてプラズマを生成する
   ことを特徴とする内燃機関。
6. 請求項５において、
   上記燃焼器に流入するガスを圧縮する圧縮機と、
   上記燃焼器から流出したガスの圧力を受けて回転するタービンとを備え、
   上記ガス処理装置は、上記圧縮機に設けられ、該圧縮機の回転機構が上記移動手段となっている
   ことを特徴とする内燃機関。
7. 請求項５において、
   上記燃焼器に流入するガスを圧縮する圧縮機と、
   上記燃焼器から流出したガスの圧力を受けて回転するタービンとを備え、
   上記ガス処理装置は、上記タービンに設けられ、該タービンの回転機構が上記移動手段となっている
   ことを特徴とする内燃機関。
8. 対象空間のガスを電離させる電離手段と、
   上記対象空間に照射される電磁波を発振する電磁波発振器と、
   上記電離手段により電離したガスが存在するガス電離領域に上記電磁波発振器から供給された電磁波を照射するためのアンテナとを備え、
   上記電離手段によりガスを電離させると共に、上記アンテナから電磁波を照射することにより、プラズマを生成するガス処理装置において、
   上記プラズマが形成されている領域に圧縮したガスを送り込む圧縮手段を備え、
   上記アンテナは、電離手段に対面するように設けた網状アンテナである
   ことを特徴とするガス処理装置。
9. 対象空間のガスを電離させる電離手段と、
   上記対象空間に照射される電磁波を発振する電磁波発振器と、
   上記電離手段により電離したガスが存在するガス電離領域に上記電磁波発振器から供給された電磁波を照射するためのアンテナとを備え、
   上記電離手段によりガスを電離させると共に、上記アンテナから電磁波を照射することにより、プラズマを生成するガス処理装置において、
   上記アンテナは、電離手段に対面するように設けた網状アンテナであって
   上記プラズマが生成された後に、上記アンテナから照射される電磁波の周波数を変化させることにより、電磁波により形成される強電場の位置を連続的に変化させて上記プラズマを移動させる
   ことを特徴とするガス処理装置。
10. 請求項９において、
    １つのアンテナに複数の電磁波発振器が接続され、
    上記プラズマが生成された後に、複数の電磁波発振器の少なくとも１つから発振される電磁波の波長を変化させて、上記強電場領域の位置を連続的に変化させて上記プラズマを移動させる
    ことを特徴とするガス処理装置。