JP7307015B2 - 排気ガス浄化用プラズマリアクタ - Google Patents

Description

本発明は、自動車用等のエンジンに付設して排気ガスからＰＭ（粒子状物質）を除去することに使用するプラズマリアクタに関するものである。

エンジンから排出される排気ガスには、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘと並んでＰＭ（Particulate Matter：粒子状物質）が含まれている。このＰＭはディーゼルエンジンにおいて多く発生しており、そこで、ディーゼルエンジンではＰＭの除去手段としてＤＰＦが使用されているが、PＭを燃焼させるための燃料噴射制御を要する点や、ＤＰＦ内に堆積したＰＭやアッシュ（燃料中の硫黄成分による未燃灰分）による圧損増大等、課題が多い。

他方、ガソリンエンジンはディーゼルエンジンに比べてＰＭの発生量は少ないため、排気ガスの浄化手段として従来は、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘを対象にした三元触媒が使用されてきたが、ＰＭの規制が強化されて個数管理（ＰＮ）に移行するに至り、ガソリンエンジンにおいてもＧＰＦを採用するなど、ＰＭの除去は重要な課題として浮上している。しかし、ＧＰＦもＤＰＦと同様の問題が懸念される。

そこで、ＰＭ除去手段としてプラズマリアクタが注目されている。プラズマリアクタは、ケーシング内に、多数枚の放電パネルが放電ギャップを介して並列配置されたもので、隣り合った放電パネルの電極に高電圧を印加して放電ギャップにプラズマを発生させることにより、排気ガスに含まれているＰＭを酸化して（燃焼させて）無害化している。

そして、プラズマリアクタはＰＭの除去に有益であるが、プラズマリアクタにＨＣ等の有害成分を除去する機能を併有させてハイブリッド化することが提案されており、その例として特許文献１には、各放電パネルの表面に、放電パネルの積層方向から見て電極と重なるように酸化触媒層を設けることが開示されている。

特開２０１８－７１４０４号公報

プラズマリアクタをハイブリッド化することは排気ガス浄化の点で好ましい展開であると云えるが、特許文献１のように電極と酸化触媒層とが重なって放電パネルの積層方向に重複していると、電流は酸化触媒層を介して放電ギャップに放電されるため、例えば、酸化触媒層にＨＣや凝縮水が付着すると、これらが抵抗になって放電が不安定化したり放電不能になったりすることが懸念される。

また、プラズマリアクタでは、放電電流の周波数を高くするとＰＭの分解性能は高くなるが、特許文献１のように電極と酸化触媒層とが同じ面積で広がっていると、単に電流の周波数を高くしただけでは、必要以上に電力が消費されて燃費を悪化させるおそれもある。

本願発明はこのような現状を背景に成されたものであり、プラズマリアクタをハイブリッド化することは特許文献１と軌を一にしつつ、放電の安定性や有害物質の除去性能向上、消費電力の抑制等を図ろうとするものである。

本願発明は、請求項１のとおり、
「排気ガスが一方から他方に流れるケーシング内に、マイナス電極を設けた負極放電パネルとプラス電極を設けた正極放電パネルとが、排気ガスが流れる放電ギャップを介して交互に積層されており、前記正極放電パネルと負極放電パネルとのうちいずれか一方又は両方に、排気ガスの有害成分を非プラズマにて処理する補助処理層が設けられている」
という基本構成において、
「前記マイナス電極及びプラス電極のうち少なくとも一方と前記補助処理層とは、前記マイナス電極及びプラス電極のうち少なくとも一方が排気ガスの流れの上流側に位置して補助処理層が下流側に位置するように分離して配置されている」
という特徴を備えている。

本願発明は、様々に展開できる。その例として請求項２では、
「前記負極放電パネルを、排気ガスの流れ方向の上流側に偏位した幅狭に形成することにより、隣り合った正極放電パネルで挟まれた空間のうち前記負極放電パネルの下流側に前記放電ギャップよりも大きい間隔の逃がし空間が形成されており、
前記正極放電パネルの表裏両面又は片面に、前記逃がし空間に露出するように前記補助処理層が設けられており、かつ、前記正極放電パネルに設けたプラス電極は、前記負極放電パネルのマイナス電極よりも広幅に形成されている」
という構成を採用している。

本願発明において、補助処理層には様々な機能を持たせることができる。例えば、ゼオライトのような無機多孔質材で構成して、ＨＣ等の炭素化合物を補集又は分解する吸着層と成すことができるし、特許文献１に開示されているように、アルミナ系等のセラミック層に触媒金属を担持させた触媒層と成すこともできる。

また、幅狭に形成された放電パネルでは電極の幅も小さくなるが、幅広の放電パネルに設けた電極は、幅狭の放電パネルに設けた電極に合わせた幅寸法に設定してもよいし、幅狭の電極よりも広幅に形成してもよい。電極は基板の表面に露出させることも可能であるが、基板の内部に埋設するのが好ましい。

本願発明では、補助処理層は電極の下流側に分離して配置されているため、電極間の放電が補助処理層によって阻害されることは皆無になる。従って、放電ギャップに安定したプラズマを生成させて、ＰＭの酸化除去性能を安定化させることができる。

さて、ＰＭの除去能力は電極間に放電される電流の周波数に比例する。従って、電極間に印加される電流の周波数を、例えば通常の１ＫＨｚから２０ＫＨｚ程度にアップさせると、ＰＭ除去性能を格段に向上できるといえる。しかし、電流の周波数が高くなると消費電力も増大するという問題がある。この点、本願発明では、電極（マイナス電極）の幅寸法を小さくしつつ放電電圧を高くすることにより、消費電力の増大を抑制しつつ高いＰＭ除去効果を得ることができる。

そして、電極を幅狭に形成すると、放電パネルの面積に余裕を作ることができるため、放電領域を狭くしつつその下流側にＨＣ吸着層のような補助処理層を設けることにより、プラズマリアクタを大型化することなく、ＰＭの除去とＨＣ等のガス状成分の除去の確実性を向上できる。

請求項２の発明では、負極放電パネルの下流側に放電ギャップよりも遥かに大きい間隔の逃がし空間ができるため、圧損の増大を招くことなく補助処理層の面積を増大させＨＣ等のガス成分浄化を確実化できる。

（Ａ）は第１実施形態に係るプラズマリアクタの概略縦断側面図、（Ｂ）は（Ａ）の部分拡大図、（Ｃ）は（Ｂ）のＣ－Ｃ視断面図、（Ｄ）は（Ｂ）のＤ－Ｄ視断面図である。 第２実施形態の部分的な縦断側面図である。 第３実施形態の部分的な縦断側面図である。 第４実施形態の部分的な縦断側面図である。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、自動車用エンジンの付属品として使用されている。

(1).第１実施形態の構造
まず、図１に示す第１実施形態を説明する。図１のうち（Ａ）ではプラズマリアクタ１の全体を概略表示している。このプラズマリアクタ１は、自動車のエンジンから排出される排気ガスからＰＭ等を除去するために排気管２の中途部（例えば触媒式浄化装置の下流側）に配置されている。

プラズマリアクタ１は、フロントコーン部３ａ及びリアコーン部３ｂを備えたケーシング（ハウジング）３と、ケーシング３のストレート部３ｃに並列配置された多数枚の負極放電パネル４及び正極放電パネル５の群とを備えている。負極放電パネル４及び正極放電パネル５は、放電ギャップ（排気ガス通過空間）６を介して交互に配置されている。

なお、放電パネル４，５は、排気ガスの流れ方向に長い長方形に形成したり、排気ガスの流れ方向の長さと排気ガスの流れ方向と直交した横幅とが同じ正方形に形成したりすることも可能である。ケーシング３はステンレス鋼板等の金属板で作られており、排気ガスの流れ方向から見て四角形になっている。従って、コーン部３ａ，３ｂは、角錐状の形態になっている。

放電パネル４，５は、誘電体製の基板７に電極８，９を埋設した構造になっている。基板７は例えばアルミナ等のセラミック製である一方、電極８，９はタングステン等の電気抵抗が小さい金属膜から成っている。なお、基板７は、製造段階では表層と裏層との積層構造になっており、一方の層に電極８，９を印刷してから両層を重ね合わせて全体を焼成することにより、内部に電極８，９が埋設された１枚板製品と成している。

負極放電パネル４及び正極放電パネル５は、排気ガスの流れ方向に直交した方向（紙面と直交した方向）に長い長方形の形態であり、負極放電パネル４と正極放電パネル５とが、放電ギャップ（排気ガス通過空間）６を介して排気ガスの流れ方向と直交した方向に交互に並列配置されている。

負極放電パネル４及び正極放電パネル５は、積層方向から見て四角形に形成されており、従って、それぞれ排気ガスの流れ方向の幅を有しているが、負極放電パネル４の幅寸法Ｗ１は、正極放電パネル５の幅寸法Ｗ２の数分の一になっている。従って、負極放電パネル４は排気ガスの流れ方向と直交した方向に細長い長方形になっている。

他方、正極放電パネル５は、幅寸法Ｗ２が排気ガスの流れ方向と直交した方向の長さより大きい長方形に形成することもできるし、幅寸法Ｗ２と長さとが等しい正方形に形成することもできるし、更に、幅寸法Ｗ２が長さよりも大きい長方形に形成することもできる。

負極放電パネル４のマイナス電極８は、排気ガスの流れ方向に向いて前端と後端とをそれぞれ基板７の端面に露出させている。従って、マイナス電極８の幅寸法は負極放電パネル４の幅寸法Ｗ１と同じ横幅になっている。

他方、正極放電パネル５のプラス電極９はマイナス電極８と同じ幅寸法であり、従って、排気ガスの流れ方向を向いて後端は基板７の端面に露出しているが、排気ガスの流れ方向を向いて前端は基板７に埋設されている。マイナス電極８及びプラス電極９とも、その全体を基板７に埋設することも可能である。

排気ガスの流れ方向から見て、負極放電パネル４の後端と正極放電パネル５の後端とは位置が揃っている。従って、負極放電パネル４の下流側に、放電ギャップ６よりも遥かに大きい間隔の逃がし空間１０が形成されている。負極放電パネル４の横幅Ｗ１は正極放電パネル５の横幅Ｗ２の数分の一しかないため、逃がし空間１０の横幅は、負極放電パネル４の横幅Ｗ１の数倍になっている。なお、負極放電パネル４の上流端を正極放電パネル５の上流端よりも下流側にずらすことは可能である。

各正極放電パネル５の表裏両面には、請求項に記載した補助処理層の一例として、ゼオライトから成る吸着層１１を逃がし空間１０に露出するように設けている。従って、基板７は負極放電パネル４の下流側に配置されている。吸着層１１は、主としてＨＣを吸着するためのもので、パネルに塗布し、必要により焼成することで基板７に一体化されている。

放電パネル４，５は排気ガスの流れ方向と直交した横方向に長いため、図１（Ｃ）に部分的に示すように、基板７は、排気ガスの流れ方向と平行な一側面７ａと他側面（図示せず）とを有するが、本実施形態では、マイナス電極８は基板７の一側面７ａに露出させている一方、プラス電極９は基板７の他側面に露出させている。

そして、ケーシング３におけるストレート部３ｃの一方の側板と放電パネル４，５との間に負極用側面電極板１２を介挿し、負極用側面電極板１２に設けたマイナス側面電極１３と各負極放電パネル４のマイナス電極８とを導通させている一方、ケーシング３の他方の側板と放電パネル４，５との間に正極用側面電極板（図示せず）を介挿し、正極用側面電極板に設けたプラス側面電極（図示せず）と正極放電パネル５の各プラス電極９とを導通させており、側面電極１３を電源装置（図示せず）に接続している。図１（Ｃ）（Ｄ）に示す符号１４，１５は、隣り合った放電パネル４，５の間隔を保持するスペーサである。

放電パネル４，５を構成する基板７は、強度維持の点からある程度の厚さ（例えば０．３～２ｍｍ程度）が必要である一方、放電ギャップ６の間隔は０．1～２mm程度である。従って、放電ギャップ６の断面積の総和が排気管２の断面積と同じ程度になるように設定している。なお、放電ギャップ６の断面積の総和を排気管２の断面積よりも大きく設定してもよい。

(2).第１実施形態のまとめ
図示しない電源装置により、マイナス側面電極１３にバルス電流を通電してマイナス電極８とプラス電極９との間に数ＫＶの高圧電流を印加すると、放電ギャップ６にプラズマが発生して、排気ガスに含まれているＰＭを酸化し除去（分解する）ことができる。

この場合、例えば数十kHzの高周波電流を使用することにより、電極８，９の幅寸法を小さくしつつ、ＰＭの酸化除去性能を格段に向上できる。そして、正極放電パネル５には、逃がし空間１０に露出した吸着層１１が形成されているため、放電ギャップ６を通過してきたＨＣなどの有害ガスを吸着して排気ガスの浄化性能を格段に向上できる。

そして、吸着層１１はマイナス電極８の下流側に配置されているため、吸着層１１が放電に悪影響を及ぼすことは皆無で、ＰＭの酸化除去性能を安定化できる。また、排気ガスが吸着層１１の箇所を通過するに当たって圧損は発生しないため、排気ガスの流れをスムース化してエンジンの出力低下を防止できる。

また、プラズマ生成のために数十kHzの高周波電流を使用すると、電極８，９の幅寸法を小さくして消費電力を抑制しつつＰＭをしっかりと除去できるため、プラズマリアクタ１を大型化することなく、逃がし空間１０に負極放電パネル４の数倍の面積を確保してＨＣの除去を確実化できる。

プラズマ生成機能だけを見ると、電極８，９は基板７の表面に露出させることも可能であるが、この場合は、電極８，９の間の間隔のバラツキ等に起因して電流が一部に集中して異常放電を発生させやすい問題や、ＰＭが電極８，９に付着して漏電が発生しやすい問題が懸念される。これに対して、本実施形態のように電極８，９を基板７に埋設すると、ＰＭが電極８，９に付着することは皆無になるため、漏電による放電低下の問題は皆無になると共に、電極８，９の間の間隔が大きく広がることにより、電極８，９の間の間隔にバラツキがあっても電流の集中が無くなって異常放電を防止できる。

(3).他の実施形態
次に、図２～４に示す他の実施形態を説明する。図２に示すのは第１実施形態の変形例であり、正極放電パネル５のプラス電極９を基板７の下流端近くまで延長している。この実施形態では、網かけ表示で示すように、放電エリアがマイナス電極８の下流側に広がるため、消費電流を増大させることなくＰＭの酸化除去性能を向上できる。

プラス電極９のうちマイナス電極８よりも下流側にはみ出た部分の大半は放電に寄与しないが、放電によってプラス電極９の全体が加熱されるため、ＨＣの分解を促進できる利点がある。

図３に示す第３実施形態では逃がし空間１０は備えておらず、負極放電パネル４と正極放電パネル５とは同じ横幅に設定している。そして、各放電パネル４，５の表裏両面に、マイナス電極８の下流側に位置した吸着層１１を形成している。この場合、吸着層１１は正極放電パネル５のみに形成したり、負極放電パネル４のみに形成したりすることも可能である。或いは、負極放電パネル４及び正極放電パネル５の片面のみに形成して、放電ギャップ６の下流側に１つの吸着層１１を配置することも可能である。

既述のとおり、放電パネル４，５は、製造段階では表層と裏層との２層の中間材が使用されており、一方の層に電極８，９を印刷して全体を焼成して１枚板に形成しているが、図４に示す第４実施形態では、一方の層の幅を小さくしておくことにより、放電パネル４，５を、電極８，９が埋設されて上流側に位置した幅狭の厚肉部と、吸着層１１が形成されて下流側に位置した幅広の薄肉部との不等厚構造に形成している。

この第４実施形態では、薄肉部の箇所に準逃がし空間１６が形成されるため、圧損を無くして排気ガスの流れをスムース化できる。また、第１実施形態とは異なって負極放電パネル４にも吸着層１１が形成されているため、吸着層１１の総面積を倍増させてＨＣ等の補集・分解性能を倍増できる利点もある。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えば、補助処理層としては触媒層も採用可能であるし、吸着層を採用する場合、ゼオライト以外の材料を配置することも可能である。更に、排気ガスが殆ど抵抗なく通過するポーラス構造の吸着層又は触媒層を、逃がし空間の全体に広がるように配置することも可能である。

本願発明は、排気ガス用のプラズマリアクタに具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ プラズマリアクタ
２ 排気管
３ ケーシング
４ 負極放電パネル
５ 正極放電パネル
６ 放電ギャップ（排気ガス通過空間）
７ 基板
８ マイナス電極
９ プラス電極
１０ 逃がし空間
１１ 補助処理層の一例としての吸着層（ＨＣ吸着層）

Claims (2)

1. 排気ガスが一方から他方に流れるケーシング内に、マイナス電極を設けた負極放電パネルとプラス電極を設けた正極放電パネルとが、排気ガスが流れる放電ギャップを介して交互に積層されており、前記正極放電パネルと負極放電パネルとのうちいずれか一方又は両方に、排気ガスの有害成分を非プラズマにて処理する補助処理層が設けられている構成であって、
   前記マイナス電極及びプラス電極のうち少なくとも一方と前記補助処理層とは、前記マイナス電極及びプラス電極のうち少なくとも一方が排気ガスの流れの上流側に位置して補助処理層が下流側に位置するように分離して配置されている、
   排気ガス浄化用プラズマリアクタ。
2. 前記負極放電パネルを、排気ガスの流れ方向の上流側に偏位した幅狭に形成することにより、隣り合った正極放電パネルで挟まれた空間のうち前記負極放電パネルの下流側に前記放電ギャップよりも大きい間隔の逃がし空間が形成されており、
   前記正極放電パネルの表裏両面又は片面に、前記逃がし空間に露出するように前記補助処理層が設けられており、かつ、前記正極放電パネルに設けたプラス電極は、前記負極放電パネルのマイナス電極よりも広幅に形成されている、
   請求項１に記載した排気ガス浄化用プラズマリアクタ。

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