JP2020118125A

JP2020118125A - プラズマリアクター

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Publication number: JP2020118125A
Application number: JP2019011485A
Authority: JP
Inventors: 千尋松田; Chihiro Matsuda; 谷口　昌司; Masashi Taniguchi; 昌司谷口; 一哉内藤; Kazuya Naito; 和彦間所; Kazuhiko Madokoro
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2019-01-25
Filing date: 2019-01-25
Publication date: 2020-08-06
Anticipated expiration: 2039-01-25
Also published as: JP7258577B2

Abstract

【課題】吸着層が湿潤する場合にも、電極パネル間の放電性能に優れ、ＨＣ分解性能に優れるプラズマリアクターを提供する。【解決手段】排ガスが流入する入口２Ａ、および、排ガスが流出する出口２Ｂとを有するケーシング２と、ケーシング２内に配置され、入口２Ａから出口２Ｂに向かう第１方向に延び、第１方向と直交する第２方向において互いに間隔を隔てて並ぶ複数の電極パネル３とを備えるプラズマリアクター１であり、第２方向において互いに対向する一対の電極パネル３において、一方側の電極パネル３は、他方側の電極パネル３との対向面に、炭化水素を吸着する吸着層６を備える吸着領域αを有し、他方側の電極パネル３は、一方側の電極パネル３との対向面に、吸着層６を備えない露出領域βを有し、電極パネル３は、吸着領域αと露出領域βとが互いに対向するように配置される。【選択図】図２

Description

本発明は、プラズマリアクターに関する。

従来、排気ガスに含まれる炭化水素（ＨＣ）などの有害成分を分解する装置として、プラズマリアクターが知られている。また、プラズマリアクターとしては、ＨＣ分解効率の向上が要求されている。

そこで、プラズマリアクター内に、ゼオライトなどのＨＣ吸着材と、貴金属などの触媒活性成分とを含むＨＣ吸着触媒を備えることが、提案されている。このようなＨＣ吸着触媒は、例えば、プラズマリアクター中で互いに対向配置される絶縁性担体の表面などに担持される。そして、排ガス中のＨＣは、ＨＣ吸着材に吸着されて触媒浄化されるとともに、絶縁性担体（電極パネル）間の放電で生じるプラズマによっても浄化される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−９０４００号公報

しかしながら、プラズマリアクターでは、内部温度の低下などによって水蒸気の凝縮が生じる場合があり、これにより生じた水分が、吸湿性のＨＣ吸着材（吸着層）を湿潤させて、導電性を上昇させる場合がある。

そして、ＨＣ吸着材（吸着層）の導電性が上昇すると、絶縁性担体（電極パネル）間の電子授受が発生し難くなるため、絶縁性担体（電極パネル）間で放電が発生し難くなり、プラズマによるＨＣ分解性能が低下するという不具合がある。

本発明は、吸着層が湿潤する場合にも、電極パネル間の放電性能に優れ、ＨＣ分解性能に優れるプラズマリアクターである。

本発明［１］は、排ガスが流入する入口、および、排ガスが流出する出口を有するケーシングと、前記ケーシング内に配置され、前記入口から前記出口に向かう第１方向に延び、前記第１方向と直交する第２方向において互いに間隔を隔てて並ぶ複数の電極パネルと
を備え、第２方向において互いに対向する一対の前記電極パネルにおいて、一方側の前記電極パネルは、他方側の前記電極パネルとの対向面に、炭化水素を吸着する吸着層を備える吸着領域を有し、他方側の前記電極パネルは、一方側の前記電極パネルとの対向面に、前記吸着層を備えない露出領域を有し、前記電極パネルは、前記吸着領域と前記露出領域とが互いに対向するように配置される、プラズマリアクターを含んでいる。

本発明のプラズマリアクターでは、互いに対向する電極パネルのうち、一方側の電極パネルは吸着層を有する吸着領域を有し、他方側の電極パネルは吸着層を有しない露出領域を有する。そして、電極パネルは、吸着領域と露出領域とが互いに対向するように、配置される。

一方側の電極パネルの吸着領域と、他方側の電極パネルの露出領域とが互いに対向していれば、一方側の電極パネルの吸着層が湿潤する場合にも、その吸着層は、他方側の電極パネルの露出面と対向するため、それらの間において電子を良好に授受することができる。

その結果、本発明のプラズマリアクターは、吸着層が湿潤する場合にも、電極パネル間の放電性に優れ、優れたＨＣ分解性能を得ることができる。

図１は、本発明のプラズマリアクターの第１実施形態を備える車両の概略構成図である。図２は、プラズマリアクターの第１実施形態（正極パネルが両面に吸着層を備える形態）の電極パネルを示す側面図である。図３は、プラズマリアクターの第２実施形態（正極パネルおよび負極パネルが一方面に吸着層を備える形態）の電極パネルを示す側面図である。図４は、プラズマリアクターの第３実施形態（正極パネルおよび負極パネルが他方面に吸着層を備える形態）の電極パネルを示す側面図である。図５は、プラズマリアクターの第４実施形態（正極パネルが上流側一方面と下流側他方面とに吸着層を備え、負極パネルが上流側他方面と下流側一方面とに吸着層を備える形態）の電極パネルを示す側面図である。図６は、プラズマリアクターの第５実施形態（正極パネルおよび負極パネルにおいて、吸着層がパターン成形される形態）の電極パネルを示す側面図である。図７は、実施例１のプラズマリアクターの放電状態を示す写真であり、図７Ａは、乾燥時における放電状態を示し、図７Ｂは、湿潤時における放電状態を示す。図８は、比較例１のプラズマリアクターの放電状態を示す写真であり、図８Ａは、乾燥時における放電状態を示し、図８Ｂは、湿潤時における放電状態を示す。

１．プラズマリアクターの概略
本発明のプラズマリアクターの第１実施形態について、図１および図２を参照して詳述する。

図１に示すように、プラズマリアクター１は、車両１００の排気システム１０３に含まれる。

車両１００は、エンジン１０１と、バッテリー１０２を含む電気システムと、エンジン１０１に吸気するための図示しない吸気システムと、エンジン１０１に燃料を供給するための図示しない燃料噴射システムと、エンジン１０１から排気するための排気システム１０３とを備える。

排気システム１０３は、排気管１０４と、プラズマリアクター１とを備える。

排気管１０４は、エンジン１０１から排出される排ガスを排気するための配管である。排気管１０４は、エンジン１０１に接続される。

プラズマリアクター１は、排気管１０４の途中に介在される。プラズマリアクター１は、電源配線１０５を介して、バッテリー１０２に電気的に接続される。プラズマリアクター１は、後で詳しく説明するが、バッテリー１０２から電源配線１０５を介して電力が供給されることにより、プラズマを発生させ、排ガスに含まれる有害成分を分解する。プラズマリアクター１を通過した排ガスは、排気管１０４を介して、車外に排出される。

２．プラズマリアクターの詳細
図１に示すように、プラズマリアクター１は、ケーシング２と、複数の電極パネル３とを備える。

（１）ケーシング
ケーシング２は、中空の筒形状を有する。ケーシング２は、入口２Ａと、出口２Ｂとを有する。エンジン１０１から排出された排ガスは、排気管１０４を通って、入口２Ａからケーシング２の内部に流入する。ケーシング２の内部を通過した排ガスは、出口２Ｂから排出される。

（２）電極パネル
複数の電極パネル３は、ケーシング２内に配置される。

複数の電極パネル３のそれぞれは、入口２Ａから出口２Ｂに向かう第１方向に延びる。複数の電極パネル３のそれぞれは、平板形状を有する。複数の電極パネル３は、第１方向と直交する第２方向において互いに間隔を隔てて並ぶ。

互いに隣接する２つの電極パネル３の間隔は、例えば、０．１０ｍｍ以上、好ましくは、０．３０ｍｍ以上であり、例えば、１．００ｍｍ以下、好ましくは、０．８０ｍｍ以下である。

図２に示すように、複数の電極パネル３は、正極パネル３Ａと、負極パネル３Ｂとを含む。正極パネル３Ａは、バッテリー１０２（図１参照）の正極に電気的に接続される電極パネル３である。負極パネル３Ｂは、バッテリー１０２の負極に電気的に接続される電極パネル３である。正極パネル３Ａと負極パネル３Ｂとは、第２方向において対向配置される。正極パネル３Ａと負極パネル３Ｂとは、交互に並ぶ。正極パネル３Ａと負極パネル３Ｂとは、同じ構造を有する。すなわち、複数の電極パネル３のそれぞれは、同じ構造を有する。詳しくは、複数の電極パネル３のそれぞれは、誘電体層４と、導体層５とを備えており、また、後述する所定の領域に、吸着層６を備えている。

誘電体層４は、第１方向に延びる。誘電体層４は、平板形状を有する。誘電体層４は、例えば、酸化アルミニウムなどのセラミックスからなる。誘電体層４は、第１表面Ｓ１と、第２表面Ｓ２とを有する。第１表面Ｓ１は、第２方向における一方側の表面である。第２表面Ｓ２は、第２方向における他方側の表面である。

誘電体層４の厚み（第２方向における長さ）は、例えば、０．２０ｍｍ以上、好ましくは、０．３０ｍｍ以上であり、例えば、３．００ｍｍ以下、好ましくは、２．００ｍｍ以下である。

導体層５は、例えば、タングステンなどの金属からなり、電源配線１０５（図１参照）に電気的に接続されている。

導体層５は、第１方向に延びるシート形状を有する。また、導体層５は、第１方向における誘電体層４の全体において、誘電体層４の内部に配置される。

具体的には、導体層５は、第１方向における誘電体層４の全体において、誘電体層４の第２方向略中央に配置される。これにより、誘電体層４による導体層５の被覆厚み（導体層５から誘電体層４の表面までの厚み）を確保して、電極パネル３の耐久性を確保することができる。

吸着層６は、炭化水素（ＨＣ）を吸着するための無機層であって、ＨＣ吸着材から構成されている。ＨＣ吸着材としては、例えば、アルミナ、ゼオライトなどの無機材料などが挙げられる。これらＨＣ吸着材は、単独使用または２種類以上併用することができる。ＨＣ吸着材として、好ましくは、ゼオライトが挙げられる。

吸着層６の形成方法としては、特に制限されないが、例えば、ＨＣ吸着材（ゼオライトなど）を含むスラリーを、電極パネル３の誘電体層４の表面に塗布し、乾燥させ、必要により焼成すればよい。これにより、誘電体層４を被覆する吸着層６が形成される。

吸着層６の厚みは、例えば、０．０１ｍｍ以上、好ましくは、０．０５ｍｍ以上であり、例えば、０．２ｍｍ以下、好ましくは、０．１ｍｍ以下である。

このような吸着層６は、第２方向において互いに対向する一対の電極パネル３の対向方向の内側において、一方側の電極パネル３の表面の少なくとも一部に配置され、誘電体層４を被覆する。これにより、吸着層６が形成された領域としての吸着領域αが区画される。また、吸着層６は、他方側の電極パネル３の表面の少なくとも一部には配置されず、誘電体層４を露出させる。これにより、誘電体層４が露出された領域としての露出領域βが区画される。

より具体的には、図２では、正極パネル３Ａと、紙面上側の負極パネル３Ｂとが、第２方向において互いに対向している。そして、それらの対向方向の内側において、一方側の電極パネル３としての正極パネル３Ａの表面（第１表面Ｓ１）全体に、吸着層６が形成されている。つまり、正極パネル３Ａの表面（第１表面Ｓ１）全体が、吸着領域αとされている。

また、他方側の電極パネル３としての負極パネル３Ｂの裏面（第２表面Ｓ２）には、吸着層６が形成されず、誘電体層４が露出している。つまり、紙面上側の負極パネル３Ｂの裏面（第２表面Ｓ２）全体が、露出領域βとされている。

また、図２では、正極パネル３Ａと、紙面下側の負極パネル３Ｂとが、第２方向において互いに対向している。そして、それらの対向方向の内側において、一方側の電極パネル３としての正極パネル３Ａの裏面（第２表面Ｓ２）全体に、吸着層６が形成されている。つまり、正極パネル３Ａの裏面（第２表面Ｓ２）全体が、吸着領域αとされている。

また、他方側の電極パネル３としての負極パネル３Ｂの表面（第１表面Ｓ１）には、吸着層６が形成されず、誘電体層４が露出している。つまり、紙面下側の負極パネル３Ｂの表面（第１表面Ｓ１）全体が、露出領域βとされている。

このように、プラズマリアクター１では、第２方向において互いに対向する一対の電極パネル３において、一方側の電極パネル３（正極パネル３Ａ）は、他方側の電極パネル３（負極パネル３Ｂ）との対向面に、吸着層６を備える吸着領域αを有する。また、他方側の電極パネル３（負極パネル３Ｂ）は、一方側の電極パネル３（正極パネル３Ａ）との対向面に、吸着層６を備えない露出領域βを有する。

そして、これら電極パネル３は、正極パネル３Ａの吸着領域αと、負極パネル３Ｂの露出領域βとが、第２方向において互いに対向するように、ケーシング２内に配置されている。

すなわち、正極パネル３Ａおよび負極パネル３Ｂは、それらを厚み方向に投影した投影面において、正極パネル３Ａの吸着領域αの投影面と、負極パネル３Ｂの露出領域βの投影面とが互いに重複するように、配置される。これにより、吸着領域αと露出領域βとが、第２方向において対向する。

３．排ガス浄化
車両１００では、エンジン１０１から排出される排ガスが、排気管１０４を通過し、プラズマリアクター１に供給される。

このとき、図１に示すように、バッテリー１０２から電源配線１０５を介してプラズマリアクター１に電力が供給されると、各電極パネル３の第１表面Ｓ１と第２表面Ｓ２との間に、放電が生じる。

これにより、各電極パネル３の間の気体が、プラズマ状態となる。すなわち、プラズマリアクター１内にプラズマが発生する。

すると、プラズマリアクター１に流入した排ガスに含まれる有害成分（例えば、炭化水素（ＨＣ）など）は、プラズマリアクター１内のプラズマにより分解（プラズマ分解）される。

４．作用・効果
通常、プラズマリアクター１では、内部温度の低下などによって水蒸気の凝縮が生じる場合があり、これにより生じた水分が、吸着層６を湿潤させて、導電性を上昇させる場合がある。そして、吸着層６の導電性が上昇すると、電極パネル３間の電子授受が発生し難くなるため、電極パネル３間で放電が発生し難くなり、プラズマによるＨＣ分解性能が低下するという不具合がある。

これに対して、上記のプラズマリアクター１では、互いに対向する電極パネル３のうち、一方側の電極パネル３は吸着層６を有する吸着領域αを有し、他方側の電極パネル３は吸着層６を有しない露出領域βを有する。そして、電極パネル３は、吸着領域αと露出領域βとが互いに対向するように、配置される。

このように、一方側の電極パネル３の吸着領域αと、他方側の電極パネル３の露出領域βとが互いに対向していれば、一方側の電極パネル３の吸着層６が湿潤する場合にも、その吸着層６は、他方側の電極パネル３の誘電体層４の露出面と対向するため、それらの間において電子を良好に授受することができる。

その結果、上記のプラズマリアクター１は、吸着層６が湿潤する場合にも、電極パネル３間の放電性に優れ、優れたＨＣ分解性能を得ることができる。

５．変形例
上記の第１実施形態では、図２が参照されるように、第２方向において互いに対向する一対の電極パネル３のうち、正極パネル３Ａにのみ吸着層６が形成され、負極パネル３Ｂには吸着層６が形成されていないが、吸着層６が形成される部分は、上記に限定されない。

つまり、第２方向において互いに対向する一対の電極パネル３のうち、少なくともいずれか一方の電極パネル３の表面に、吸着層６が形成され、吸着領域αが区画されており、また、他方の電極パネル３の表面に、吸着層６が備えられない露出領域βが区画されており、それらが対向するように電極パネル３が配置されていればよい。

より具体的には、例えば、図３に第２実施形態として示されるように、正極パネル３Ａおよび負極パネル３Ｂの両方が、第１表面Ｓ１の全体に吸着層６を備えることもできる。このような場合、正極パネル３Ａおよび負極パネル３Ｂの両方において、第２表面Ｓ２には吸着層６が備えられず、誘電体層４が露出される。つまり、正極パネル３Ａおよび負極パネル３Ｂの第１表面Ｓ１全体が吸着領域αとされ、また、正極パネル３Ａおよび負極パネル３Ｂの第２表面Ｓ２全体が露出領域βとされ、それらが互いに対向するように電極パネル３が配置される。

また、例えば、図４に第３実施形態として示されるように、正極パネル３Ａおよび負極パネル３Ｂの両方が、第２表面Ｓ２の全体に吸着層６を備えることもできる。このような場合、正極パネル３Ａおよび負極パネル３Ｂの両方において、第１表面Ｓ１には吸着層６が備えられず、誘電体層４が露出される。つまり、正極パネル３Ａおよび負極パネル３Ｂの第２表面Ｓ２全体が吸着領域αとされ、また、正極パネル３Ａおよび負極パネル３Ｂの第１表面Ｓ１全体が露出領域βとされ、それらが互いに対向するように電極パネル３が配置される。

さらに、例えば、図５に第４実施形態として示されるように、正極パネル３Ａおよび負極パネル３Ｂが、第１方向上流側部分の第１表面Ｓ１と、第１方向下流側部分の第２表面Ｓ２とにおいて、吸着層６を備えることもできる。このような場合、正極パネル３Ａおよび負極パネル３Ｂは、第１方向上流側部分の第２表面Ｓ２と、第１方向下流側部分の第１表面Ｓ１とには、吸着層６が備えられず、誘電体層４が露出される。つまり、正極パネル３Ａおよび負極パネル３Ｂの、第１方向上流側部分の第１表面Ｓ１、および、第１方向下流側部分の第２表面Ｓ２とが吸着領域αとされ、また、第１方向上流側部分の第２表面Ｓ２、および、第１方向下流側部分の第１表面Ｓ１が露出領域βとされ、それらが互いに対向するように電極パネル３が配置される。

なお、図示しないが、上記とは逆に、正極パネル３Ａおよび負極パネル３Ｂの、第１方向上流側部分の第１表面Ｓ１、および、第１方向下流側部分の第２表面Ｓ２とが露出領域βとされ、また、第１方向上流側部分の第２表面Ｓ２、および、第１方向下流側部分の第１表面Ｓ１が吸着領域αとされ、それらが互いに対向するように配置されていてもよい。

加えて、例えば、図６に第５実施形態として示されるように、正極パネル３Ａおよび負極パネル３Ｂのそれぞれにおいて、吸着層６がパターン成形されていてもよい。

より具体的には、この第５実施形態では、吸着層６が、第１方向および第２方向に直交する方向（紙面奥行き方向）に沿って、所定パターンとしての適宜の幅の縞模様を形成するように、正極パネル３Ａおよび負極パネル３Ｂの両面に形成される。

これにより、正極パネル３Ａおよび負極パネル３Ｂの両面において、縞状の吸着領域αが区画されるとともに、スリット状の露出領域βが区画され、それらが互いに対向するように電極パネル３が配置される。なお、吸着層６のパターンとしては、上記に限定されず、例えば、ドットパターン、チェックパターンなど、任意のパターンを採用することができる。

以上のような第２実施形態〜第６実施形態においても、一方側の電極パネル３の吸着領域αと、他方側の電極パネル３の露出領域βとが互いに対向している。そのため、一方側の電極パネル３の吸着層６が湿潤する場合にも、その吸着層６は、他方側の電極パネル３の誘電体層４の露出面と対向するため、それらの間において電子を良好に授受することができる。

以下に実施例および比較例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は、何ら実施例および比較例に限定されない。また、以下の記載において用いられる配合割合（含有割合）、物性値、パラメータなどの具体的数値は、上記の「発明を実施するための形態」において記載されている、それらに対応する配合割合（含有割合）、物性値、パラメータなど該当記載の上限値（「以下」、「未満」として定義されている数値）または下限値（「以上」、「超過」として定義されている数値）に代替することができる。

なお、「部」および「％」は、特に言及がない限り、質量基準である。

実施例１
プラズマリアクターの正極パネルの両面に、ゼオライトのスラリー（乾燥重量としてゼオライト９０質量％、バインダー１０質量％）を塗布し、４５０℃で１時間焼成することにより、ゼオライトからなる吸着層（厚み０．０７５μｍ）を形成した。一方、負極パネルには、吸着層を形成しなかった。

次いで、プラズマリアクターのケーシング内において、正極パネルおよび負極パネルを交互に０．５ｍｍの間隔を隔てて積層配置した。その後、プラズマリアクターを作動させ、乾燥時の放電状態を確認した。

また、プラズマリアクターの入口方向から出口方向に向かって、水道水を霧吹きで３０回噴霧し、１５分放置した。その後、プラズマリアクターを作動させ、湿潤時の放電状態を確認した。

乾燥時の放電状態の写真を、図７Ａに示し、湿潤時の放電状態の写真を、図７Ｂに示す。なお、図７は、プラズマリアクターの側面図であり、白色部分が放電による発光を示している。

比較例１
正極パネルの両面に吸着層を形成し、かつ、負極パネルの両面に吸着層を形成した以外は、実施例１と同じ方法で、プラズマリアクターを作動させ、放電状態を確認した。

乾燥時の放電状態の写真を、図８Ａに示し、湿潤時の放電状態の写真を、図８Ｂに示す。なお、図８も、プラズマリアクターの側面図であり、白色部分が放電による発光を示している。

１プラズマリアクター
２ケーシング
２Ａ入口
２Ｂ出口
３電極パネル
４誘電体層
５導体層
６吸着層
α 吸着領域
β 露出領域

Claims

排ガスが流入する入口、および、排ガスが流出する出口を有するケーシングと、
前記ケーシング内に配置され、前記入口から前記出口に向かう第１方向に延び、前記第１方向と直交する第２方向において互いに間隔を隔てて並ぶ複数の電極パネルと
を備え、
第２方向において互いに対向する一対の前記電極パネルにおいて、
一方側の前記電極パネルは、他方側の前記電極パネルとの対向面に、炭化水素を吸着する吸着層を備える吸着領域を有し、
他方側の前記電極パネルは、一方側の前記電極パネルとの対向面に、前記吸着層を備えない露出領域を有し、
前記電極パネルは、前記吸着領域と前記露出領域とが互いに対向するように配置される
ことを特徴とする、プラズマリアクター。