JP7421793B2 - 粒子状物質除去装置 - Google Patents
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Description
本発明は、粒子状物質除去装置に関する。
ディーゼルエンジンは、発電機用エンジン、船舶用エンジン、大型自動車用エンジンなどとして広く使用されている。このディーゼルエンジンでは、燃料を液滴のまま燃やす噴霧燃焼を利用するため、燃料の燃え残りとして粒子状物質（ＰＭ）が発生する。また、火力発電所の燃焼ボイラ、民間の燃焼装置などでもＰＭが発生する。排ガス中のＰＭは、フィルタにより捕らえられ、フィルタに付着した触媒により二酸化炭素などへ酸化される。
しかし、排ガス中のＰＭをフィルタで集塵する方式では、フィルタの圧力損失が大きい。さらに、触媒活性の低下や目詰まりが生じるため、フィルタの定期的な交換が必要となる。
しかし、排ガス中のＰＭをフィルタで集塵する方式では、フィルタの圧力損失が大きい。さらに、触媒活性の低下や目詰まりが生じるため、フィルタの定期的な交換が必要となる。
また、電極間にパルス電圧を印加することにより空間放電プラズマを発生させて排ガス中のＰＭを酸化除去するプラズマリアクタが知られている（例えば、特許文献１参照）。プラズマを利用して排ガス中のＰＭを酸化除去することにより、圧力損失を小さくすることができる。さらにフィルタの定期的な交換や再生が不要になる。
しかし、空間放電プラズマを発生させるためには、電極間に大きな電圧を印加する必要がある。このため、出力の大きい電源装置が必要となる。また、プラズマリアクタの消費電力も大きくなる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、消費電力を小さくすることができ、かつ、出力が比較的小さい電力供給部を利用することができ、気中で粒子状物質を除去できる粒子状物質除去装置を提供する。またフィルタを使用しないため，さらにフィルタの定期的な交換や再生が不要になる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、消費電力を小さくすることができ、かつ、出力が比較的小さい電力供給部を利用することができ、気中で粒子状物質を除去できる粒子状物質除去装置を提供する。またフィルタを使用しないため，さらにフィルタの定期的な交換や再生が不要になる。
本発明は、プラズマリアクタと、電力供給部とを備え、前記プラズマリアクタは、内部流路と、第１電極と、第２電極と、絶縁層と、酸素ガス及び粒子状物質を含む気体を前記内部流路に注入するように設けられた注入口とを含み、第１電極及び第２電極は、前記内部流路を囲むように配置され、第１電極は、前記絶縁層により第２電極から電気的に分離され、前記電力供給部は、第１電極又は第２電極に電気的に接続され、第１及び第２電極並びに前記電力供給部は、前記電力供給部により第１又は第２電極に電圧を印加することにより前記内部流路を囲む内壁面に沿って沿面放電プラズマを発生させるように設けられたことを特徴とする粒子状物質除去装置を提供する。
本発明の粒子状物質除去装置に含まれる第１電極及び第２電極は、プラズマリアクタの内部流路を囲むように配置される。また、第１及び第２電極並びに電力供給部は、電力供給部により第１又は第２電極に電圧を印加することにより内部流路を囲む内壁面に沿って沿面放電プラズマを発生させるように設けられる。このため、プラズマリアクタの内部流路を流れる酸素ガスなどからオゾン、OH、O2
-、HO2、Oなどのラジカルなどの酸化活性種を生成することができ、内部流路を流れる粒子状物質を酸化除去することができる。
第１電極及び第２電極が内部流路を囲むように配置されるため、第１電極と第２電極との間隔を狭くすることができる。また、沿面放電プラズマを利用して酸化活性種を生成する。このため、第１電極と第２電極との間に印加する電圧を小さくすることができ、消費電力を小さくすることができる。また、出力が比較的小さい電力供給部を利用することが可能になる。
第１電極及び第２電極が内部流路を囲むように配置されるため、第１電極と第２電極との間隔を狭くすることができる。また、沿面放電プラズマを利用して酸化活性種を生成する。このため、第１電極と第２電極との間に印加する電圧を小さくすることができ、消費電力を小さくすることができる。また、出力が比較的小さい電力供給部を利用することが可能になる。
本発明の粒子状物質除去装置は、プラズマリアクタと、電力供給部とを備え、前記プラズマリアクタは、内部流路と、第１電極と、第２電極と、誘電体による絶縁層と、酸素ガス及び粒子状物質を含む気体を前記内部流路に注入するように設けられた注入口とを含み、第１電極及び第２電極は、前記内部流路を囲むように配置され、第１電極は、前記絶縁層により第２電極から電気的に分離され、前記電力供給部は、第１電極又は第２電極に電気的に接続され、第１及び第２電極並びに前記電力供給部は、前記電力供給部により第１又は第２電極に電圧を印加することにより前記内部流路を囲む内壁面に沿って沿面放電プラズマを発生させるように設けられたことを特徴とする。
前記注入口は、内部流路を囲む内壁面に沿って旋回する旋回流が生じるように酸素ガス及び粒子状物質を含む気体を内部流路に吹き込むように設けられることが好ましい。この旋回流により粒子状物質に遠心力がかかり、粒子状物質を旋回流の外側、すなわち内壁面に向かって移動させることができる。この内壁面に向かって移動した粒子状物質は、内壁面に沿って発生させた沿面放電プラズマで生じた酸化活性種により酸化除去される。このように、旋回流を発生させることにより、粒子状物質の除去効率を向上させることができる。また，粒子のプラズマリアクタ内での滞留時間を大きくすることができ、より効率の高い粒子除去効果を気中で実現することができる。
本発明の粒子状物質除去装置は、プラズマリアクタの内部に配置された第３電極を備えることが好ましい。前記電力供給部は、内部流路を囲む内壁面と第３電極との間の空間に電界が形成されるように第１、第２又は第３電極に電圧を印加するように設けられることが好ましく、前記電界は、帯電した粒子状物質が第３電極側から内壁面側へ移動し電気集塵効果を実現するような電界であることが好ましい。このような電界により帯電した粒子状物質を内部流路を囲む内壁面に向かって移動させることができる。この内壁面に向かって移動した粒子状物質は、内壁面に沿って発生させた沿面放電プラズマで生じた酸化活性種により酸化除去される。このように、内壁面と、第３電極との間に電界を形成することにより、粒子状物質の除去効率を向上させることができる。
第１電極は内部流路を囲む内壁面に配置されることが好ましく、第２電極は内部流路を囲む壁の内部に配置されることが好ましく、前記絶縁層は第１電極と第２電極との間に配置されることが好ましい。このような構成により、内部流路を囲む内壁面に沿って沿面放電プラズマを発生させることができる。また第３電極により、プラズマが発生する領域を流路内にさらに拡張することができる。
以下、複数の実施形態を参照して本発明をより詳細に説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
第１実施形態
図１は本実施形態の粒子状物質除去装置の概略断面図であり、図２は図１の破線Ａ－Ａにおける粒子状物質除去装置の概略断面図である。また、図３は、粒子状物質除去装置の部分断面図である。
本実施形態の粒子状物質除去装置２５は、プラズマリアクタ２０と、電力供給部５とを備え、プラズマリアクタ２０は、内部流路３と、第１電極６と、第２電極７と、絶縁層８と、酸素ガス及び粒子状物質を含む気体を内部流路３に注入するように設けられた注入口４とを含み、第１電極６及び第２電極７は、内部流路３を囲むように配置され、第１電極６は、絶縁層８により第２電極７から電気的に分離され、電力供給部５は、第１電極６又は第２電極７に電気的に接続され、第１電極６、第２電極７及び電力供給部５は、電力供給部５により第１電極６又は第２電極７に電圧を印加することにより内部流路３を囲む内壁面１０に沿って沿面放電プラズマを発生させるように設けられたことを特徴とする。
図１は本実施形態の粒子状物質除去装置の概略断面図であり、図２は図１の破線Ａ－Ａにおける粒子状物質除去装置の概略断面図である。また、図３は、粒子状物質除去装置の部分断面図である。
本実施形態の粒子状物質除去装置２５は、プラズマリアクタ２０と、電力供給部５とを備え、プラズマリアクタ２０は、内部流路３と、第１電極６と、第２電極７と、絶縁層８と、酸素ガス及び粒子状物質を含む気体を内部流路３に注入するように設けられた注入口４とを含み、第１電極６及び第２電極７は、内部流路３を囲むように配置され、第１電極６は、絶縁層８により第２電極７から電気的に分離され、電力供給部５は、第１電極６又は第２電極７に電気的に接続され、第１電極６、第２電極７及び電力供給部５は、電力供給部５により第１電極６又は第２電極７に電圧を印加することにより内部流路３を囲む内壁面１０に沿って沿面放電プラズマを発生させるように設けられたことを特徴とする。
粒子状物質除去装置２５は、燃焼で生じた煤（粒子状物質、ＰＭ）を除去する装置である。粒子状物質（可燃性粒子状物質）は、例えばディーゼルエンジン、燃焼ボイラ、燃焼装置などにおける燃焼に伴い生じる。粒子状物質除去装置２５は、燃焼排ガスの処理装置に組み込まれてもよい。また、粒子状物質除去装置２５は、大気中を浮遊する粒子状物質を吸い込んで除去する装置であってもよい。
プラズマリアクタ２０は、その内部に発生させたプラズマを利用して粒子状物質を気相から除去するための部材である。プラズマリアクタ２０は、内部流路３と、第１電極６と、第２電極７と、絶縁層８とを含む。
プラズマリアクタ２０は、内部流路３を有する流路管２（内部流路３の管壁）を含むことができる。流路管２は、円管であってもよく、矩形管であってもよい。また、プラズマリアクタ２０は、二重管構造を有してもよい。また、流路管２は、第１電極６と、第２電極７と、絶縁層８とを含んでもよい。
第１電極６及び第２電極７は、電極となりうる導電性材料から構成される。絶縁層８は、絶縁性物質から構成される。絶縁層８の材料は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、ガラス、窒化アルミニウム、フッ素樹脂などである。
プラズマリアクタ２０は、内部流路３を有する流路管２（内部流路３の管壁）を含むことができる。流路管２は、円管であってもよく、矩形管であってもよい。また、プラズマリアクタ２０は、二重管構造を有してもよい。また、流路管２は、第１電極６と、第２電極７と、絶縁層８とを含んでもよい。
第１電極６及び第２電極７は、電極となりうる導電性材料から構成される。絶縁層８は、絶縁性物質から構成される。絶縁層８の材料は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、ガラス、窒化アルミニウム、フッ素樹脂などである。
電力供給部５は、プラズマリアクタ２０へ電力を供給する部分又は装置である。電力供給部５は、直流電源部であってもよく、低周波電源部であってもよく、高周波電源部であってもよい。
電力供給部５は、第１電極６及び第２電極７の少なくとも一方に電気的に接続し、電圧を印加することができる。このことにより第１電極６と第２電極７との間に電位差を生じさせることができる。電力供給部５を用いて第１電極６と第２電極７との間に電位差を生じさせる場合、第１電極６及び第２電極７のうち一方を接地接続し、電力供給部５により他方と接地接続との間に電圧を印加してもよい。また、電力供給部５により第１電極６と第２電極７との間に直接電圧を印加してもよい。
電力供給部５は、第１電極６及び第２電極７の少なくとも一方に電気的に接続し、電圧を印加することができる。このことにより第１電極６と第２電極７との間に電位差を生じさせることができる。電力供給部５を用いて第１電極６と第２電極７との間に電位差を生じさせる場合、第１電極６及び第２電極７のうち一方を接地接続し、電力供給部５により他方と接地接続との間に電圧を印加してもよい。また、電力供給部５により第１電極６と第２電極７との間に直接電圧を印加してもよい。
第１電極６は、絶縁層８により第２電極７から電気的に分離される。このため、電力供給部５を用いて第１電極６と第２電極７との間に電位差を生じさせることにより、第１電極６と第２電極７との間に沿面放電プラズマを発生させることができる。
沿面放電プラズマとは、第１電極６と第２電極７との電位差により誘電体（絶縁層８又はコーティング層９）の表面に沿って生じる放電現象である。沿面放電プラズマは、空間放電プラズマよりも低い電圧で発生させることができる。
沿面放電プラズマとは、第１電極６と第２電極７との電位差により誘電体（絶縁層８又はコーティング層９）の表面に沿って生じる放電現象である。沿面放電プラズマは、空間放電プラズマよりも低い電圧で発生させることができる。
第１電極６及び第２電極７は、内部流路３を囲むように配置される。また、第１電極６、第２電極７及び電力供給部５は、電力供給部５により第１電極６又は第２電極７に電圧を印加することにより内部流路３を囲む内壁面１０に沿って沿面放電プラズマを発生させるように設けられる。
例えば、第２電極７は、流路管２を構成する絶縁層８に埋め込まれた埋め込み電極とすることができ、内部流路３を囲むチューブ状の電極とすることができる。
第１電極６は、内部流路３を囲む内壁面１０（流路管２の内側表面）に配置することができる。また、第１電極６は、内部流路３の流れの方向に沿った細長い形状を有することができる。また、複数の第１電極６が内部流路３を囲むように複数の第１電極６を配置することができる。また、第１電極６の長さは、第２電極７の長さと実質的に同じにすることができる。また、第１電極６は、コーティング層９で覆われていてもよい。コーティング層９は、絶縁体層であってもよい。コーティング層９は、第１電極６を覆うように設けられてもよく、内部流路３の内壁面の全体を覆うように設けられてもよい。
第１電極６は、内部流路３を囲む内壁面１０（流路管２の内側表面）に配置することができる。また、第１電極６は、内部流路３の流れの方向に沿った細長い形状を有することができる。また、複数の第１電極６が内部流路３を囲むように複数の第１電極６を配置することができる。また、第１電極６の長さは、第２電極７の長さと実質的に同じにすることができる。また、第１電極６は、コーティング層９で覆われていてもよい。コーティング層９は、絶縁体層であってもよい。コーティング層９は、第１電極６を覆うように設けられてもよく、内部流路３の内壁面の全体を覆うように設けられてもよい。
例えば、図１、２に示した粒子状物質除去装置２５のように、第１電極６、第２電極７及び絶縁層８を配置することができる。この粒子状物質除去装置２５では、内部流路３の内壁面１０に細長い形状を有する第１電極６ａ～６ｐが設けられ、内部流路３を囲む壁内部にチューブ状の第２電極７が設けられている。また、絶縁層８は、第１電極６と第２電極７との間に配置される。
このような粒子状物質除去装置２５において、電力供給部５を用いて第１電極６と第２電極７との間に電位差を生じさせると、第１電極６と第２電極７との間に電界が生じる。この電界により電界中の電荷が加速され気体分子の電離が生じ、気体イオンと電子とを含む沿面放電プラズマ１１が生じる。沿面放電プラズマ１１は、例えば、図３に示したように、内部流路３を囲む内壁面１０に沿って生じる。内壁面１０は、絶縁層８の表面であってもよく、コーティング層９の表面であってもよい。
また、電力供給部５により第１電極６又は第２電極７、或いは第１電極６と第２電極７との間に高周波電圧を印加することにより沿面放電プラズマ１１を発生させることが好ましい。このことにより、沿面放電プラズマ１１が発生しやすくなる。
また、電力供給部５により第１電極６又は第２電極７、或いは第１電極６と第２電極７との間に高周波電圧を印加することにより沿面放電プラズマ１１を発生させることが好ましい。このことにより、沿面放電プラズマ１１が発生しやすくなる。
このような沿面放電プラズマ１１を発生させると、内部流路３を流れる酸素ガスからオゾン、OH、O2
-、HO2、Oなどのラジカルなどの酸化活性種を生成することができる。そして、この酸化活性種により内部流路３を流れる粒子状物質を酸化除去することができる。また、内部流路３を囲むように沿面放電プラズマ１１を発生させることができるため、粒子状物質が酸化活性種により酸化除去される確率を高くすることができる。
プラズマリアクタ２０は、酸素ガス及び粒子状物質を含む気体を内部流路３に注入するように設けられた注入口４と、内部流路３が流れた後の気体がプラズマリアクタ２０から排出される排出口１７とを有することができる。このことにより、酸素ガス及び粒子状物質を含む気体を内部流路３に流すことができ、沿面放電プラズマ１１により発生させた酸化活性種により粒子状物質を酸化除去することができる。
注入口４は、内部流路３を囲む内壁面１０に沿って旋回する旋回流が生じるように酸素ガス及び粒子状物質を含む気体を内部流路３に吹き込むように設けることができる。この旋回流により粒子状物質に遠心力がかかり、粒子状物質を旋回流の外側、すなわち内壁面１０に向かって移動させることができる。また、粒子のプラズマリアクタ内での滞留時間を大きくすることができ、より効率の高い粒子除去効果を気中で実現することができる。この内壁面１０に向かって移動した粒子状物質は、内壁面１０に沿って発生させた沿面放電プラズマ１１で生じた酸化活性種により酸化除去される。このように、旋回流を発生させることにより、粒子状物質の除去効率を向上させることができる。また、内壁面１０に向かって移動した粒子状物質は、沿面放電プラズマにより帯電する。
内部流路３は、円形の流路断面を有することができ、注入口４は内部流路３の円周方向に気体を吹き込むように設けることができる。このことにより、内部流路３を囲む内壁面１０に沿って旋回する旋回流を生じさせることができる。この旋回流は、旋回しながら内部流路３の軸方向に向かって流れ、プラズマリアクタ２０の端に近づくと反転し排出口１７に向かって流れる。
プラズマリアクタ２０は、二重管構造を有することができ、内管を排出管１９とすることができる。この場合、内部流路３を流れる気体の旋回流は、排出管１９の周りを回るように旋回する。
また、排出口１７は、注入口４を配置した端と逆側の端に円周方向に沿うように設けてもよい。
プラズマリアクタ２０は、二重管構造を有することができ、内管を排出管１９とすることができる。この場合、内部流路３を流れる気体の旋回流は、排出管１９の周りを回るように旋回する。
また、排出口１７は、注入口４を配置した端と逆側の端に円周方向に沿うように設けてもよい。
図１、２に示したプラズマリアクタ２０では、内部流路３の軸方向を横向きにしているが、内部流路３の軸方向を縦向きにしてもよい。このことにより、比較的大きな粒子状物質を重力を利用して分離することができる。
また、プラズマリアクタ２０は、内部流路３の内壁の半径が旋回流の進行方向（軸方向）に向かうにつれ徐々に小さくなるように設けることができる。このことにより、気体の流速を速くすることができる。また、反転流が生じる箇所を調節することができる。
また、プラズマリアクタ２０は、内部流路３の内壁の半径が旋回流の進行方向（軸方向）に向かうにつれ徐々に小さくなるように設けることができる。このことにより、気体の流速を速くすることができる。また、反転流が生じる箇所を調節することができる。
プラズマリアクタ２０は、プラズマリアクタ２０の内部に配置された第３電極１２を備えることができる。また、電力供給部５は、内部流路３を囲む内壁面１０と第３電極１２との間の空間に電界が形成されるように第１電極６、第２電極７又は第３電極１２に電圧を印加するように設けられる。この電界は、帯電した粒子状物質が第３電極１２側から内壁面１０側へ移動するような電界である。第３電極１２は、内部流路３を囲むように設けられた複数の第１電極６から第３電極１２までの距離が実質的に等しくなるように設けることができる。
第３電極１２は、例えば、図１、２に示したプラズマリアクタ２０のように、流路管２中の排出管１９とすることができる。この場合、排出管１９の材料は金属などの導電性物質とすることができる。
第３電極１２は、例えば、図１、２に示したプラズマリアクタ２０のように、流路管２中の排出管１９とすることができる。この場合、排出管１９の材料は金属などの導電性物質とすることができる。
例えば、粒子状物質が沿面放電プラズマによりプラスに帯電する場合、電力供給部５は、第３電極１２の電位が第１電極６及び第２電極７の電位よりも高くなるように、第１電極６、第２電極７又は第３電極１２に電圧を印加するように設けられる。この電圧印加により第１電極６及び第２電極７と、第３電極１２との間に電位勾配を形成することができ、この電位勾配により粒子状物質を内部流路３を囲む内壁面１０（第１電極６及び第２電極７）に向かって移動させることができる。この内壁面１０に向かって移動した粒子状物質は、内壁面１０に沿って発生させた沿面放電プラズマ１１で生じた酸化活性種により酸化除去される。
このように、第１電極６及び第２電極７と、第３電極１２との間に電位勾配を形成することにより、粒子状物質の除去効率を向上させることができる。また第３電極１２により，プラズマが発生する領域を流路内にさらに拡張することができる。
このように、第１電極６及び第２電極７と、第３電極１２との間に電位勾配を形成することにより、粒子状物質の除去効率を向上させることができる。また第３電極１２により，プラズマが発生する領域を流路内にさらに拡張することができる。
第２実施形態
図４は、第２実施形態の粒子状物質除去装置２５に含まれるプラズマリアクタ２０の概略断面図である。図４の断面図は、図２に示した第１実施形態の粒子状物質除去装置２５の断面図に相当する。
第２実施形態では、プラズマリアクタ２０は、複数の第１電極６ａ～６ｈと複数の第２電極７ａ～７ｈとを有する。第１電極６ａ～６ｈと第２電極７ａ～７ｈの両方は、内部流路３を囲む内壁面１０（流路管２の内側表面）に配置することができる。また、第１電極６ａ～６ｈと第２電極７ａ～７ｈのそれぞれは、内部流路３の流れの進行方向（旋回流の軸方向）に沿った細長い形状を有することができる。このような第１電極６ａ～６ｈと第２電極７ａ～７ｈとが内部流路３を囲み交互に並ぶように内壁面１０に配置される。また、第１電極６ａ～６ｈ及び第２電極７ａ～７ｈのそれぞれは、絶縁性物質からなるコーティング層９で覆われていてもよい。
図４は、第２実施形態の粒子状物質除去装置２５に含まれるプラズマリアクタ２０の概略断面図である。図４の断面図は、図２に示した第１実施形態の粒子状物質除去装置２５の断面図に相当する。
第２実施形態では、プラズマリアクタ２０は、複数の第１電極６ａ～６ｈと複数の第２電極７ａ～７ｈとを有する。第１電極６ａ～６ｈと第２電極７ａ～７ｈの両方は、内部流路３を囲む内壁面１０（流路管２の内側表面）に配置することができる。また、第１電極６ａ～６ｈと第２電極７ａ～７ｈのそれぞれは、内部流路３の流れの進行方向（旋回流の軸方向）に沿った細長い形状を有することができる。このような第１電極６ａ～６ｈと第２電極７ａ～７ｈとが内部流路３を囲み交互に並ぶように内壁面１０に配置される。また、第１電極６ａ～６ｈ及び第２電極７ａ～７ｈのそれぞれは、絶縁性物質からなるコーティング層９で覆われていてもよい。
電力供給部５を用いて第１電極６ａ～６ｈと第２電極７ａ～７ｈとの間に電位差を生じさせることにより、第１電極６ａ～６ｈと第２電極７ａ～７ｈとの間の絶縁層８上（又はコーティング層９上）に沿面放電プラズマを発生させることができる。
プラズマリアクタ２０がこのような構成を有することにより、構成が単純になり製造コストを低減することができる。
その他の構成は第１実施形態と同様である。また、第１実施形態についての記載は矛盾がない限り第２実施形態についても当てはまる。
プラズマリアクタ２０がこのような構成を有することにより、構成が単純になり製造コストを低減することができる。
その他の構成は第１実施形態と同様である。また、第１実施形態についての記載は矛盾がない限り第２実施形態についても当てはまる。
第３実施形態
図５は第３実施形態の粒子状物質除去装置２５の概略断面図であり、図６は図５の破線Ｂ－Ｂにおけるプラズマリアクタ２０の概略断面図である。
第３実施形態では、プラズマリアクタ２０は、内部流路３の中心部にワイヤ電極（又は棒電極）である第３電極１２を有している。第３電極１２は、内部流路３を囲むように設けられた複数の第１電極６ａ～６ｐから第３電極１２までの距離が実質的に等しくなるように設けることができる。
図５は第３実施形態の粒子状物質除去装置２５の概略断面図であり、図６は図５の破線Ｂ－Ｂにおけるプラズマリアクタ２０の概略断面図である。
第３実施形態では、プラズマリアクタ２０は、内部流路３の中心部にワイヤ電極（又は棒電極）である第３電極１２を有している。第３電極１２は、内部流路３を囲むように設けられた複数の第１電極６ａ～６ｐから第３電極１２までの距離が実質的に等しくなるように設けることができる。
例えば、粒子状物質が沿面放電プラズマによりプラスに帯電する場合、電力供給部５は、第３電極１２の電位が第１電極６及び第２電極７の電位よりも高くなるように、第１電極６、第２電極７又は第３電極１２に電圧を印加するように設けられる。この電圧印加により第１電極６及び第２電極７と、第３電極１２との間に電位勾配を形成することができ、この電位勾配により粒子状物質を内部流路３を囲む内壁面１０（第１電極６及び第２電極７）に向かって移動させることができる。この内壁面１０に向かって移動した粒子状物質は、内壁面１０に沿って発生させた沿面放電プラズマ１１で生じた酸化活性種により酸化除去される。また第３電極１２により，プラズマが発生する領域を流路内にさらに拡張することができる。
図５、６では、第１電極６及び第２電極７を第１実施形態の粒子状物質除去装置２５と同様に設けているが、第３実施形態では、第１電極６及び第２電極７を第２実施形態の粒子状物質除去装置２５と同様に設けてもよい。
また、図５、６に示した粒子状物質除去装置２５では、内部流路３に旋回流は生じさせていないが、第１実施形態と同様に内部流路３に旋回流を生じさせてもよい。
その他の構成は第１又は第２実施形態と同様である。また、第１又は第２実施形態についての記載は矛盾がない限り第３実施形態についても当てはまる。
また、図５、６に示した粒子状物質除去装置２５では、内部流路３に旋回流は生じさせていないが、第１実施形態と同様に内部流路３に旋回流を生じさせてもよい。
その他の構成は第１又は第２実施形態と同様である。また、第１又は第２実施形態についての記載は矛盾がない限り第３実施形態についても当てはまる。
粒子状物質（ＰＭ）除去実験
図７は実験装置の概略構成図である。ＰＭの発生源にはディーゼルエンジン３０を用いた。実験ではディーゼルエンジンへの負荷を０％とした。ディーゼルエンジン３０の排ガスをサンプリングバルブ３２ａでサンプリングし（０．５Ｌ／min）、サンプリングガスを窒素ガス９０％、酸素ガス１０％の合成空気（最大４．５Ｌ／min）で希釈し（最大１０倍希釈）、ＰＭを含む処理対象ガス（５．０Ｌ／min）とした。この処理対象ガスをプラズマリアクタ２０中に注入した。
プラズマリアクタ２０には、株式会社増田研究所製の沿面放電発生装置（HCII-OC70x12x2）を用いた。この装置では、高純度アルミナ基板（絶縁層８）中に第２電極７（誘導電極）が埋め込まれており、内部流路３の内壁面に細長い第１電極６（放電極）が複数配置されている。また、電力供給部５には、株式会社増田研究所製の高電圧高周波電源（HCII-70/2）を用いた。なお、内部流路３内では旋回流は生じさせていない。
実験では、プラズマリアクタ２０への入力電力を、０Ｗ（未処理）、１００Ｗ、２００Ｗ、３００Ｗ又は４００Ｗとして、それぞれ実験を行った。
図７は実験装置の概略構成図である。ＰＭの発生源にはディーゼルエンジン３０を用いた。実験ではディーゼルエンジンへの負荷を０％とした。ディーゼルエンジン３０の排ガスをサンプリングバルブ３２ａでサンプリングし（０．５Ｌ／min）、サンプリングガスを窒素ガス９０％、酸素ガス１０％の合成空気（最大４．５Ｌ／min）で希釈し（最大１０倍希釈）、ＰＭを含む処理対象ガス（５．０Ｌ／min）とした。この処理対象ガスをプラズマリアクタ２０中に注入した。
プラズマリアクタ２０には、株式会社増田研究所製の沿面放電発生装置（HCII-OC70x12x2）を用いた。この装置では、高純度アルミナ基板（絶縁層８）中に第２電極７（誘導電極）が埋め込まれており、内部流路３の内壁面に細長い第１電極６（放電極）が複数配置されている。また、電力供給部５には、株式会社増田研究所製の高電圧高周波電源（HCII-70/2）を用いた。なお、内部流路３内では旋回流は生じさせていない。
実験では、プラズマリアクタ２０への入力電力を、０Ｗ（未処理）、１００Ｗ、２００Ｗ、３００Ｗ又は４００Ｗとして、それぞれ実験を行った。
プラズマリアクタ２０の排出口１７から排出された排出ガスを、オゾンガスを熱分解するためのヒーター４０を通過させた後、その一部を分析対象ガスとしてサンプリングした（０．５Ｌ／min）。サンプリングした分析対象ガスを窒素ガス（４．５Ｌ／min）で希釈した後（１０倍希釈）、微分型静電分級器(differential mobility analyzer, DMA)と凝縮粒子カウンタ(condensation particle counter, CPC)を組み合わせたSMPS (scanning mobility particle sizer)を用いて粒子濃度(dN/dlogDp，ここでNは粒子個数，Dpは粒径)を測定した。また、測定された粒子濃度からＰＭの除去効率を算出した。また、ガス分析器４１を用いて、プラズマリアクタ２０の排出口１７から排出された排出ガスに含まれるＮＯｘ、ＮＯ、ＣＯ、Ｏ2、ＣＯ2の濃度を測定した。
図８は各実験におけるＳＭＰＳの測定結果を示すグラフであり、図９は各実験におけるＳＭＰＳの測定結果から算出したＰＭの除去効率を示すグラフである。プラズマリアクタ２０でプラズマ処理を施していない場合（未処理）、約７０ｎｍの粒径において粒子濃度dN/dlogDpの値が２．５×１０5となった。プラズマリアクタ２０への入力電力を２００Ｗ以上とすると、粒子濃度dN/dlogDpは約０．２×１０5以下となり、除去効率は約９０％以上となった。
図１０及び図１１は、各実験におけるガス分析結果を示すグラフである。ＣＯ2濃度及びＯ2濃度はほぼ一定であった。これは、排出ガスのＣＯ2濃度及びＯ2濃度は高いためと考えられる。ＮＯｘ濃度及びＮＯ濃度は、入力電力が２００Ｗ以下の場合、約１００ppm以下と低かったが、入力電力が３００Ｗを超えるとＮＯｘ濃度及びＮＯ濃度は高くなった。これは、プラズマリアクタ２０で発生させた沿面放電プラズマにより窒素ガス及び酸素ガスからＮＯｘが合成されるためと考えられる。このＮＯｘは粒子を燃焼除去する効果を有する。
ＣＯ濃度は、入力電力が１００Ｗ以下であると約４００ppm程度であったが、入力電力が２００Ｗを超えるとＣＯ濃度は徐々に高くなった。また、図９に示したように、入力電力が２００Ｗを超えると粒子除去効率が８８％以上となる。これらの結果から、このＣＯ濃度の上昇は、プラズマリアクタ２０おいて沿面放電プラズマにより発生したOH、O2
-、HO2、Oなどのラジカルあるいは、NO2などの酸化活性種によるＰＭの酸化に起因していると考えられる。
２：流路管 ３：内部流路 ４：注入口 ５：電力供給部 ６、６ａ～６ｐ：第１電極 ７、７ａ～７ｈ：第２電極 ８：絶縁層 ９：コーティング層 １０：内部流路を囲む内壁面（流路管の内側表面） １１：沿面放電プラズマ １２：第３電極 １５：流路部材 １６：注入管 １７：排出口 １９：排出管 ２０：プラズマリアクタ ２５：粒子状物質除去装置
３０：ディーゼルエンジン ３１：温度計 ３２ａ、３２ｂ：サンプリングバルブ ３３ａ～３３ｄ：バルブ ３４：ポンプ ３５ａ～３５ｅ：流量計 ３６ａ、３６ｂ：ガスボンベ ３７：電流プローブ ３８：高電圧プローブ ３９：オシロスコープ ４０：ヒーター ４１：ガス分析器
３０：ディーゼルエンジン ３１：温度計 ３２ａ、３２ｂ：サンプリングバルブ ３３ａ～３３ｄ：バルブ ３４：ポンプ ３５ａ～３５ｅ：流量計 ３６ａ、３６ｂ：ガスボンベ ３７：電流プローブ ３８：高電圧プローブ ３９：オシロスコープ ４０：ヒーター ４１：ガス分析器
Claims (3)
- プラズマリアクタと、電力供給部とを備え、
前記プラズマリアクタは、内部流路と、複数の第１電極と、第２電極と、絶縁層と、酸素ガス及び粒子状物質を含む気体を前記内部流路に注入するように設けられた注入口とを含み、
第１電極及び第２電極は、前記内部流路を囲むように配置され、
第１電極は、前記絶縁層により第２電極から電気的に分離され、
前記電力供給部は、第１電極又は第２電極に電気的に接続され、
第２電極は、前記内部流路を囲むチューブ状の電極であり、
前記絶縁層は、第２電極の内側の面を覆うように設けられ、
各第１電極は、前記絶縁層の内側の面上において前記内部流路の流路方向に沿って伸びるように配置され、
第１及び第２電極並びに前記電力供給部は、前記電力供給部により第１又は第２電極に電圧を印加することにより前記内部流路を囲む内壁面に沿って沿面放電プラズマを発生させるように設けられ、
前記注入口は、前記内部流路を囲む内壁面に沿って旋回する旋回流が生じるように酸素ガス及び粒子状物質を含む気体を前記内部流路に吹き込むように設けられたことを特徴とする粒子状物質除去装置。 - 前記プラズマリアクタの内部に配置された第３電極をさらに備え、
前記電力供給部は、前記内部流路を囲む内壁面と第３電極との間の空間に電界が形成されるように第１、第２又は第３電極に電圧を印加するように設けられ、
前記電界は、帯電した粒子状物質が第３電極側から前記内壁面側へ移動するような電界である請求項１に記載の粒子状物質除去装置。 - 第１電極は、前記内部流路を囲む内壁面に配置され、
第２電極は、前記内部流路を囲む壁の内部に配置され、
前記絶縁層は、第１電極と第２電極との間に配置された請求項１又は２に記載の粒子状物質除去装置。
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