JP6712507B2 - 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。排ガス浄化用のプラズマリアクタは、複数の電極パネルを備えている。電極パネルは、たとえば、図５に示されるように、平板状の誘電体（誘電体平板）に電極を内蔵した構成であり、複数の電極パネルは、排ガスの流れ方向と直交する積層方向に間隔を空けて対向配置される。積層方向に互いに隣り合う内蔵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、電極パネル間に低温プラズマ（非平衡プラズマ）が発生し、電極パネル間を流れる排ガス中のＰＭが酸化により除去される。

誘電体バリア放電を均一に生じさせるには、誘電体平板に対して内蔵電極の面積を小さくして、内蔵電極同士での直接放電を避ける必要がある。そのため、従来のプラズマリアクタでは、誘電体平板の端面と内蔵電極の端縁との間に十分な距離Ｄ’（たとえば、３ｍｍ）が確保されており、電極パネル間で誘電体バリア放電を均一に生じさせることができる。

特開２００２−２１３２２８号公報

ところが、プラズマリアクタを流通する排ガスからＰＭをリアルタイムで１００％除去することは難しく、電極パネルの表面にＰＭが付着する。

本願発明者らが従来のプラズマリアクタを実エンジンベンチに搭載して評価試験を行ったところ、電極パネルの周縁部、とりわけ排ガスの流通方向の上流側（排ガス入口側）の端部にＰＭが多く付着して堆積することが判った。そして、図６に示されるように、車両の走行距離が増すにつれて、電極パネルの表面に堆積するＰＭ量が増加し、電極パネル間と電極パネルを取り囲むケース（ボディ）との間の抵抗値（絶縁抵抗）が低下することが判った。また、図７に示されるように、車両の走行距離が増すにつれて、プラズマリアクタにおける圧力損失が増大することが判った。プラズマリアクタにおける圧損が増大すると、排ガスの抜けが悪くなるため、エンジンの燃焼状態が悪化し、エンジン出力の低下や排ガス中のＰＭ量の増加などの不具合を招く。

本発明の目的は、電極パネルの排ガス入口側の端部におけるＰＭの堆積を抑制できる、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、本発明の一の局面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を浄化するためのプラズマリアクタであって、誘電体からなる平板状の誘電体平板に内蔵電極が厚さ方向に挟み込まれた構成を有し、排ガスの流通方向と直交する積層方向に間隔を空けて、互いに平行をなして配置される複数の電極パネルを含み、積層方向に互いに隣り合う２つの電極パネルの少なくとも一方では、流通方向において、誘電体平板の上流側の端面と内蔵電極の上流側の端縁との間の距離が、誘電体平板に絶縁破壊が生じない０．０５〜０．１０ｍｍ／ｋＶに設定されている。

この構成によれば、複数の電極パネルが積層方向に間隔を空けて互いに平行をなして配置されており、エンジンから排出される排ガスは、各電極パネル間を積層方向と直交する方向に流通する。各電極パネルは、平板状の誘電体である誘電体平板と、誘電体平板に内蔵された内蔵電極とを備えている。

そして、積層方向に互いに隣り合う２つの電極パネルの少なくとも一方では、排ガスの流通方向において、誘電体平板の上流側の端面と内蔵電極の上流側の端縁との間の距離が誘電体平板に絶縁破壊が生じない０．０５〜０．１０ｍｍ／ｋＶに設定されている。これにより、互いに隣り合う２つの電極パネル間に電圧が印加されたときに、誘電体平板の絶縁破壊を生じずに、電極パネル間に誘電体バリア放電によるプラズマを均一に発生させることができる。また、電極パネルの排ガス入口側（排ガスの流通方向の上流側）の端部において、誘電体平板のみが積層方向に対向する部分（内蔵電極が積層方向に対向していない部分）、すなわち誘電体バリア放電が生じない部分の面積が最小に抑えられるので、電極パネルの表面でのＰＭの堆積を抑制することができる。その結果、プラズマリアクタにおける絶縁抵抗の低下および圧力損失の増大を抑制することができる。

積層方向に互いに隣り合う２つの電極パネルの一方では、流通方向において、誘電体平板の上流側の端面と内蔵電極の上流側の端縁との間の距離が、誘電体平板に絶縁破壊が生じない０．０５〜０．１０ｍｍ／ｋＶに設定され、その他方では、誘電体平板における流通方向の上流側の端面で内蔵電極が露出していてもよい。

この構成であっても、電極パネルの排ガス入口側の端部の表面におけるＰＭの堆積を抑制できながら、誘電体平板の絶縁破壊を生じずに、電極パネル間に誘電体バリア放電によるプラズマを均一に発生させることができる。

誘電体平板における流通方向の上流側の端面で内蔵電極が露出する構成では、その内蔵電極の露出部分に内蔵電極の酸化を防止するためのコーティングが施されていることが好ましい。これにより、内蔵電極の酸化による劣化を抑制することができる。

また、本発明の他の局面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を浄化するためのプラズマリアクタであって、誘電体からなる平板状の誘電体平板に内蔵電極が厚さ方向に挟み込まれた構成を有し、排ガスの流通方向と直交する積層方向に間隔を空けて、互いに平行をなして配置される複数の電極パネルを含み、誘電体平板は、流通方向の上流側の端部において、流通方向と直交する面で切断したときの断面積が流通方向の上流側に向かうほど小さくなる先細り形状に形成されている。

この構成によれば、複数の電極パネルが積層方向に間隔を空けて互いに平行をなして配置されており、エンジンから排出される排ガスは、各電極パネル間を積層方向と直交する方向に流通する。各電極パネルは、平板状の誘電体である誘電体平板と、誘電体平板に内蔵された内蔵電極とを備えている。

誘電体平板内に内蔵電極が内蔵されているので、互いに隣り合う２つの電極パネル間に電圧が印加されたときに、誘電体平板の絶縁破壊を生じずに、電極パネル間に誘電体バリア放電によるプラズマを均一に発生させることができる。

また、誘電体平板の排ガス入口側（排ガスの流通方向の上流側）の端部において、排ガスの流通方向と直交する面で切断したときの断面積が流通方向の上流側に向かうほど小さくなる先細り形状、言い換えれば、流通方向の上流側に先細りとなる形状に形成されている。これにより、電極パネルの排ガス入口側の端部において、電極パネル間の積層方向の間隔が排ガスの流通方向の下流側ほど小さくなるので、排ガスが流通方向の下流側に進むにつれて排ガスの流速が上昇する。そのため、電極パネルの排ガス入口側の端部の表面におけるＰＭの堆積を抑制することができる。その結果、プラズマリアクタにおける絶縁抵抗の低下および圧力損失の増大を抑制することができる。

誘電体平板における先細り形状に形成されている部分は、内蔵電極が内蔵されていない部分、言い換えれば、内蔵電極と積層方向に重なっていない部分であることが好ましい。

これにより、誘電体平板における先細り形状に形成されている部分においても、誘電体平板の外表面と内蔵電極との間に、誘電体平板に絶縁破壊が生じない必要かつ十分な距離が確保される。そのため、誘電体平板に絶縁破壊が生じることを抑制できる。

本発明によれば、電極パネルの排ガス入口側の端部の表面におけるＰＭの堆積を抑制できながら、誘電体平板の絶縁破壊を生じずに、電極パネル間に誘電体バリア放電によるプラズマを均一に発生させることができる。

プラズマリアクタの構成を図解的に示す断面図である。 電極パネルの排ガス入口側の端部の構造を図解的に示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る電極パネルの排ガス入口側の端部の構造を図解的に示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係る電極パネルの排ガス入口側の端部の構造を図解的に示す断面図である。 従来の電極パネルの排ガス入口側の端部の構造を図解的に示す断面図である。 従来の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。 従来のプラズマリアクタにおける圧力損失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＞
図１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、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は、ケース（ボディ）３と、ケース３内に収容された複数の電極パネル４とを備えている。

ケース３は、金属製であり、管状（筒状）に形成されている。ケース３の一方の開口は、排ガスを流入させる流入口１１であり、他方の開口は、排ガスを流出させる流出口１２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１１からケース３内に流入して、ケース３内を流通し、流出口１２から流出する。

電極パネル４は、誘電体からなる平板状の誘電体平板２１に内蔵電極２２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４は、誘電体からなる平板状の誘電体平板２１を厚さ方向に２分割した各分割部分で内蔵電極２２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２１の材料である誘電体としては、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）を例示することができる。内蔵電極２２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２２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４は、たとえば、ケース３の中心軸線と直交する方向に間隔を空けて、互いに平行をなして（それぞれケース３の中心軸線方向に延びるように）配置されている。各電極パネル４の内蔵電極２２は、積層方向と直交する平面に沿う方向で同じ位置に配置され、それらの周縁は、積層方向に互いに対向している（積層方向に重なり合っている）。

電極パネル４の内蔵電極２２には、電極パネル４の積層方向の一方側から順に、プラス配線２３およびマイナス配線２４が交互に接続されている。プラス配線２３およびマイナス配線２４は、それぞれパルス発生電源５のプラス端子およびマイナス端子と電気的に接続されている。

積層方向に互いに隣り合う電極パネル４の内蔵電極２２間には、パルス発生電源５から出力されるパルス波状の高電圧が印加される。この高電圧が内蔵電極２２間に印加されることにより、電極パネル４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４間には、流入口１１側の端部から排ガスが流入し、その排ガスが流出口１２側の端部に向けて流通する。電極パネル４間におけるプラズマの発生によって、電極パネル４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。

＜電極パネル＞
図２は、電極パネル４の排ガス入口側の端部の構造を図解的に示す断面図である。

積層方向に互いに隣り合う電極パネル４における流入口１１（図１参照）側の端縁間は、それらの電極パネル４間に排ガスを流入させる排ガス入口である。

電極パネル４の排ガス入口側の端部において、誘電体平板２１は、電極パネル４間における排ガスの流通方向（ケース３の中心軸線方向）と直交する端面３１を有している。各電極パネル４では、排ガスの流通方向において、誘電体平板２１の端面３１と内蔵電極２２の上流側の端縁との間の距離Ｄが、誘電体平板２１に絶縁破壊が生じない必要かつ十分な距離を含む範囲内、具体的には、０．０５〜０．１０ｍｍ／ｋＶの範囲内に設定されている。誘電体平板２１に絶縁破壊が生じない必要かつ十分な距離は、誘電体平板２１の材料である誘電体の種類、電極パネル４の形状、および互いに隣り合う電極パネル４の内蔵電極２２間に印加される電圧によって定まる。

たとえば、誘電体平板２１の材料がＡｌ_２Ｏ_３であり、内蔵電極２２間に印加される電圧が５ｋＶである場合、誘電体平板２１に絶縁破壊が生じない必要かつ十分な距離は、０．３５ｍｍである。また、誘電体平板２１の材料がＡｌ_２Ｏ_３であり、内蔵電極２２間に印加される電圧が１０ｋＶである場合、誘電体平板２１に絶縁破壊が生じない必要かつ十分な距離は、０．７ｍｍである。誘電体平板２１の材料がコージェライトであり、内蔵電極２２間に印加される電圧が５ｋＶである場合、誘電体平板２１に絶縁破壊が生じない必要かつ十分な距離は、０．２５ｍｍである。

＜作用効果＞
以上のように、複数の電極パネル４が積層方向に間隔を空けて互いに平行をなして配置されており、エンジンから排出される排ガスは、各電極パネル４間を積層方向と直交する方向に流通する。各電極パネル４は、平板状の誘電体である誘電体平板２１と、誘電体平板２１に内蔵された内蔵電極２２とを備えている。

そして、電極パネル４では、排ガスの流通方向において、誘電体平板２１の端面３１と内蔵電極２２の上流側の端縁との間の距離Ｄが、誘電体平板２１に絶縁破壊が生じない０．０５〜０．１０ｍｍ／ｋＶに設定されている。これにより、互いに隣り合う２つの電極パネル４間に電圧が印加されたときに、誘電体平板２１の絶縁破壊を生じずに、電極パネル４間に誘電体バリア放電によるプラズマを均一に発生させることができる。また、電極パネル４の排ガス入口側（排ガスの流通方向の上流側）の端部において、誘電体平板２１のみが積層方向に対向する部分（内蔵電極２２が積層方向に対向していない部分）、すなわち誘電体バリア放電が生じない部分の面積が最小に抑えられるので、電極パネル４の表面でのＰＭの堆積を抑制することができる。その結果、プラズマリアクタ１における絶縁抵抗の低下および圧力損失の増大を抑制することができる。

また、複数の電極パネル４は、各電極パネル４の内蔵電極２２が積層方向と直交する平面に沿う方向で同じ位置となるように配置されている。これにより、内蔵電極２２同士で積層方向に対向する面積を最大にすることができる。その結果、電極パネル４間で均一な誘電体バリア放電が生じる領域を広く確保することができ、その広い領域で誘電体バリア放電による均一なプラズマを発生させることができる。よって、電極パネル４の排ガス入口側の端部におけるＰＭの堆積を抑制できながら、電極パネル４間を流通する排ガスからＰＭを良好に除去することができる。

＜第２実施形態＞
図３は、本発明の第２実施形態に係る電極パネル４Ａ，４Ｂの排ガス入口側の端部の構造を図解的に示す断面図である。なお、図３において、図２に示される各部に相当する部分には、それらの各部と同一の参照符号が付されている。また、以下では、その同一の参照符号が付された部分の説明を省略する。

図３に示される電極パネル４Ａ，４Ｂは、図１に示される電極パネル４に代えて、プラズマリアクタ１に用いることができる。

電極パネル４Ａは、誘電体からなる平板状の誘電体平板２１に内蔵電極２２が厚さ方向に挟み込まれた構成を有している。電極パネル４Ａでは、排ガスの流通方向において、誘電体平板２１の端面３１と内蔵電極２２の上流側の端縁との間の距離Ｄが、誘電体平板２１に絶縁破壊が生じない必要かつ十分な距離を含む範囲内、具体的には、０．０５〜０．１０ｍｍ／ｋＶの範囲内に設定されている。

電極パネル４Ｂは、誘電体からなる平板状の誘電体平板２１に内蔵電極２２が厚さ方向に挟み込まれた構成を有している。電極パネル４Ｂでは、誘電体平板２１の端面３１において、内蔵電極２２が誘電体平板２１から露出している。そして、内蔵電極２２における誘電体平板２１から露出した部分には、内蔵電極の酸化を防止するために、Ａｌ_２Ｏ_３等の誘電体粉末（金属酸化物）によるコーティングが施されている。

電極パネル４Ａ，４Ｂは、たとえば、ケース３の中心軸線と直交する方向に間隔を空けて、互いに平行をなして（それぞれケース３の中心軸線方向に延びるように）交互に並び、電極パネル４Ａ，４Ｂの各内蔵電極２２が積層方向と直交する平面に沿う方向で同じ位置となるように配置されている。

＜作用効果＞
かかる電極パネル４Ａ，４Ｂを採用したプラズマリアクタ１では、互いに隣り合う２つの電極パネル４Ａ，４Ｂ間に電圧が印加されたときに、誘電体平板２１の絶縁破壊を生じずに、電極パネル４Ａ，４Ｂ間に誘電体バリア放電によるプラズマを均一に発生させることができる。また、電極パネル４Ａの排ガス入口側（排ガスの流通方向の上流側）の端部において、誘電体平板２１のみが存在する部分（内蔵電極２２が存在していない部分）が最小に抑えられる。さらに、電極パネル４Ｂでは、排ガス入口側の端部において、誘電体平板２１のみが存在する部分（内蔵電極２２が存在していない部分）が存在しない。そのため、図２に示される電極パネル４を用いた構成と比較して、電極パネル４Ａ，４Ｂの排ガス入口側の端部におけるＰＭの堆積を一層抑制することができる。その結果、プラズマリアクタ１における絶縁抵抗の低下および圧力損失の増大をより効果的に抑制することができる。

また、電極パネル４Ａ，４Ｂは、電極パネル４Ａ，４Ｂの各内蔵電極２２が積層方向と直交する平面に沿う方向で同じ位置となるように配置されている。これにより、内蔵電極２２同士で積層方向に対向する面積を最大にすることができる。その結果、電極パネル４Ａ，４Ｂ間で均一な誘電体バリア放電が生じる領域を広く確保することができ、その広い領域で誘電体バリア放電による均一なプラズマを発生させることができる。よって、電極パネル４Ａ，４Ｂの排ガス入口側の端部におけるＰＭの堆積を抑制できながら、電極パネル４Ａ，４Ｂ間を流通する排ガスからＰＭを良好に除去することができる。

さらに、電極パネル４Ｂの内蔵電極２２における誘電体平板２１の端面３１で露出した部分には、内蔵電極２２の酸化を防止するためのコーティングが施されている。これにより、内蔵電極２２の酸化による劣化を抑制することができる。

＜第３実施形態＞
図４は、本発明の第３実施形態に係る電極パネル４Ｃの排ガス入口側の端部の構造を図解的に示す断面図である。なお、図４において、図２に示される各部に相当する部分には、それらの各部と同一の参照符号が付されている。また、以下では、その同一の参照符号が付された部分の説明を省略する。

図４に示される電極パネル４Ｃは、図１に示される電極パネル４に代えて、プラズマリアクタ１に用いることができる。

電極パネル４Ｃは、誘電体からなる平板状の誘電体平板２１に内蔵電極２２が厚さ方向に挟み込まれた構成を有している。電極パネル４Ｃでは、誘電体平板２１における排ガス入口側の端部（排ガスの流通方向の上流側の端部）において、排ガスの流通方向と直交する面で切断したときの断面積が流通方向の上流側に向かうほど小さくなる先細り形状に形成されている。この誘電体平板２１における先細り形状に形成されている部分には、内蔵電極２２が内蔵されていない（誘電体平板２１と内蔵電極２２とが積層方向に重なっていない）。

複数の電極パネル４Ｃは、たとえば、ケース３の中心軸線と直交する方向に間隔を空けて、内蔵電極２２が内蔵されている部分が互いに平行をなし、電極パネル４Ｃの各内蔵電極２２が積層方向と直交する平面に沿う方向で同じ位置となるように配置されている。

＜作用効果＞
かかる電極パネル４Ｃを採用したプラズマリアクタ１では、電極パネル４Ｃの排ガス入口側の端部において、電極パネル４Ｃ間の積層方向の間隔が排ガスの流通方向の下流側ほど小さくなるので、排ガスが流通方向の下流側に進むにつれて排ガスの流速が上昇する。そのため、電極パネル４Ｃの排ガス入口側の端部の表面におけるＰＭの堆積を抑制することができる。その結果、プラズマリアクタ１における絶縁抵抗の低下および圧力損失の増大を抑制することができる。

また、誘電体平板２１における先細り形状に形成されている部分には、内蔵電極２２が内蔵されていない。これにより、誘電体平板２１における先細り形状に形成されている部分においても、誘電体平板２１の外表面と内蔵電極２２との間に、誘電体平板２１に絶縁破壊が生じない必要かつ十分な距離が確保される。そのため、誘電体平板２１に絶縁破壊が生じることを抑制できる。

＜変形例＞
以上、本発明のいくつかの実施形態について説明したが、本発明は、さらに他の形態で実施することもできる。

たとえば、図４では、誘電体平板２１の排ガス入口側の端部の先細り形状として、排ガスの流通方向の上流側に先細りとなる断面三角形状が示されているが、その先細り形状の先端が尖っている必要はなく、円弧状に湾曲していてもよい。

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
４ 電極パネル
４Ａ 電極パネル
４Ｂ 電極パネル
４Ｃ 電極パネル
２１ 誘電体平板
２２ 内蔵電極
３１ 端面
Ｄ 距離

Claims (2)

1. エンジンから排出される排ガスを浄化するためのプラズマリアクタであって、
   誘電体からなる平板状の誘電体平板に内蔵電極が厚さ方向に挟み込まれた構成を有し、排ガスの流通方向と直交する積層方向に間隔を空けて、互いに平行をなして配置される複数の電極パネルを含み、
   前記積層方向に互いに隣り合う２つの前記電極パネルの少なくとも一方では、前記誘電体が酸化アルミニウムまたはコージェライトからなり、前記内蔵電極が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、前記流通方向において、前記誘電体平板の上流側の端面と前記内蔵電極の上流側の端縁との間の距離が、前記誘電体平板に絶縁破壊が生じない０．０５〜０．１０ｍｍ／ｋＶに設定されている、プラズマリアクタ。
2. 前記積層方向に互いに隣り合う２つの前記電極パネルの一方では、前記流通方向において、前記誘電体平板の上流側の端面と前記内蔵電極の上流側の端縁との間の距離が、前記誘電体平板に絶縁破壊が生じない０．０５〜０．１０ｍｍ／ｋＶに設定され、その他方では、前記誘電体平板における前記流通方向の上流側の端面で前記内蔵電極が露出している、請求項１に記載のプラズマリアクタ。

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