JP2004506849A - プラズマで補助する気体反応器 - Google Patents

Abstract

【課題】気体状媒体をプラズマで補助して処理するための円筒状の形態にある改良された形態の反応器を提供すること。
【解決手段】二つの同軸の電極間に含まれる気体透過性誘電材料から成る円筒状の反応器床を含む、プラズマで補助して気体媒体を処理する反応器であって、内部電極が放射方向に突出する羽根又はディスクを有し、これらの羽根又はディスクが反応器床の材料の誘電率より大きい誘電率を有する誘電材料で製造する、反応器。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体状媒体をプラズマで補助して処理する反応器に関し、より特定的には一又は複数の窒素酸化物、炭素含有粒状物を含む粒状物、多芳香族炭化水素を含む炭化水素、一酸化炭素及び内燃機関の排気からの規制されているか又はされていない燃焼生成物の放出物を処理する反応器に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
内燃機関の開発及び使用に伴う主要な問題の一つは、これらのエンジンからの有害な排気放出物である。特にジーゼルエンジンの場合の二つの最も有害な物質は、粒状物（第１に炭素）及び窒素の酸化物、例えば一酸化窒素及び二酸化窒素であり、ＮＯ_ｘと呼ばれることが多い。ＮＯ_ｘの過剰な値は、“燃費の良い燃焼”モードとして知られている作動を行うスパーク−点火エンジンによっても生成し、このモードでは、空気：燃料の比率は化学量論的な燃焼で必要なものより大きい。代替燃料及びハイブリッド型の燃焼エンジン、例えばジーゼル燃料及び／又は天然ガスを燃焼できるものも、同様の問題を有している可能性がある。放出物の制御規制の厳しさが増すにつれて、内燃機関及び自動車の製造業者は、これらの物質、特に内燃機関の排気放出物からこれらの物質を除去するより効率的な方法を見出さざるを得なくなっている。
放出物を減少させる一つの方法はエンジンにおける燃焼過程を変化させることである。この変化は、噴射のタイミングを変えること、エンジンの設計、公共鉄道システム及び排気ガスの再循環（ＥＧＲ）を含むが、これらの全てには実際のエンジンの作動に関して何らかの限界がある。しかしながら、実際、内燃機関の排気放出物の上記の構成の一つに関する状況を改良する燃焼技術は、他の構成に関して状況をさらに悪化させることが分かっている。
【０００３】
しかしながら、内燃機関の排気放出物及び他の排ガス源からの排気ガスからＮＯ_ｘ放出物を除去するために多くの後処理技術が開発されている。これらの後処理技術は非−熱プラズマを含み、触媒と組み合わせることも多い。気体状媒体をプラズマで補助して処理する反応器の形態は、気体透過性の絶縁材料の反応床を含み、床の間を気体状媒体が通過させられる。反応床は二つの電極の間に含まれ、これによって反応床を横切って十分な電位を供給して、反応器床物質の隙間において気体媒体中でプラズマを励起させることができる。このような反応器は本出願人の以前の特許ＧＢ ２，２７４，４１２、ＥＰ １ ０１７ ４７７ Ｂ及びＵＳ特許３，９８３，０２１、４，９５４，３２０及び５，６０９，７３６に記載されている。反応器床材料が強磁性材料、例えばバリウムチタネートを含む場合、床材料をＷＯ００／７８６９１に記載された方法で製造することができる。プラズマで補助して気体状媒体を処理する他の型は誘電障壁又は無声放電反応器であり、これらの反応器では少なくとも一つの絶縁材料で電極が分離されており、かつ電極間の空間を気体透過性材料の床で充填することができる。誘電障壁反応器の電極は平板状、球形又は同軸円筒状であることができる。誘電障壁反応器はＷＯ ００／７１８６６及びＷＯ ００／５１７４４に記載されている。
【０００４】
一般に、所与のいずれの型の反応器床及び／又は処理される気体状媒体には、反応器床内の電場について最適値が存在する。しかしながら、電極の一方が他方に入っている同軸の円筒状の形態を有している場合は、電場の放射状分散は均一ではなく、反応器の軸からの距離に逆比例して変化し、反応器床のある領域は最適値より低い電場となる一方、他の領域の電場は最適値より高くなる。実際には、気流パターンが均一でないことをも考慮すると、反応器の効率はその最大値の１／４より低くなる可能性がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、気体状媒体をプラズマで補助して処理するための円筒状の形態にある改良された形態の反応器を提供することである。
本発明によると、気体状媒体をプラズマで補助して処理するための反応器であって、二つの同軸円筒状の電極の間に含まれた気体透過性誘電性材料から成る反応器床を含み、これによって反応器床の隙間において気体状媒体中でプラズマを生成するのに十分な電位を反応器床を横切って供給することができ、床の少なくとも一部において放射状の位置の減少に伴って有効誘電率の増加が提供されるように床内の物質の組成及びその分配が配置され、これによって床の該部分における電場の放射状の変化を減少させる反応器が提供される。
有効誘電率という用語は、床の誘電材料及びそれに伴う材料の間の隙間の組合せから生じる誘電率を意味する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
床の放射方向に広がる電場を正確に均一にするために、材料の組成及びその分配を半径に逆比例して変化させなければならない。このことの達成は実際上困難であるが、反応床の材料を段階付けした複数の領域にし、最も内側の領域から離れるに従って半径の小さい隣接領域より低い有効誘電率を有し、かつ最も外側の領域から離れるに従って半径の大きい隣接領域より高い有効誘電率を有する領域とすることによって近似的に達成することができる。
所与の放射方向に広がる床について、領域の数が増加すると床の放射方向に広がる電場はより均一に近似することができる。
半径の減少に伴って有効誘電率を増加させる他の方法は、反応器床の有効誘電率とは異なる誘電率の誘電材料から成る放射状に広がる複数の放射状物を取り入れることであり、放射状に広がる放射状物の構造は内部電極に隣接する電場における放射方向の変化を減少させるものである。
【０００７】
放射状の突出物は放射状に長手方向に延びた羽根又は一連の規則的に間隔をあけたディスクであることができる。好ましくは放射状の放射物の厚さは、内部電極の外部表面からの放射方向の距離に逆比例している。粒状物、例えば炭素含有粒状物の強化された静電的な補足は、放射状の突出物の存在によって起こすことができる。
気体透過性の誘電材料の床は、プラズマ領域中で、例えば酸化による炭素含有粒状物の除去又は例えば選択的な接触還元によって窒素酸化物を還元する触媒としての性質を有し、又は触媒としての性質を出現させることができる。
本発明の特定の態様を例として添付の図面を参照しながら説明する。
【０００８】
図面の図１を参照すると、内燃機関からの排気ガスを処理する反応器アセンブリー１は反応器の床２を含み、床は本出願人の先の特許ＧＢ ２ ２７４ ４１２又はＥＰ １ ０１７ ４７７ Ｂに記載されたようなセラミック誘電材料のペレット４の床３より成り、これはそれぞれ穴のあいたステンレス鋼の内部電極５と外部電極６の間に含まれている。誘電材料の形はペレットに限定されるものではなく、球体、押し出し成形物、繊維、シート、ウエハ、フリット、メッシュ、コイル、発泡体、膜、セラミックハニカムモノリス又は顆粒又は英国の優先日が２０００年６月３０日である２００１年２月２に出願されたＰＣＴ／ＧＢ０１／００４４２に記載されている材料に被覆されているか又はその中に含まれているものであってもよい。内部電極５はステンレス鋼のシンブル７で閉鎖されており、これは高電圧供給装置８に直接結合している。プラズマの励起に適切な電圧は、数キロボルトから数十キロボルトで繰り返し周波数が５０〜５０００Ｈｚの電圧であるが数十キロヘルツの高い周波数の電圧も使用できる。自動車用にはパルス化した直流が適切であるが、交流電圧、例えば同様の性質を有する三相交流又はサイン波を使用することができる。反応器床２は２枚のそれぞれセラミック末端板９及び１０で閉鎖されこれらは支持板としても作用する。反応器床２のシンブル７と同じ末端にある末端板９はその周辺に一連の軸方向の孔１１を有している。電極５及び６の末端にもステンレス鋼のリング１２、１３及び１４があり、これらは電極５及び６とそれらのそれぞれの末端板９及び１０との間に実際に生じるアークができるだけ減少する形をしている。アセンブリー全体は気密のステンレス鋼の室１５に密封されている。反応器床２の熱の拡散は支持体９及び１０とそれぞれの接合部１７及び１８との間に配置した拡散リング１６によって行われ、これらは室１５の一部を形成する。動力供給源８は孔の開いた板又はスパイダー１９によって室１５内に配置され、熱障壁表面被覆で保護されている。室１５はそれぞれ入口及び出口ノズル２０及び２１を有し、これによって図には示されていない内燃機関の排気システムの残部にこれを取り付けることができる。
【０００９】
反応器アセンブリー１の冷却器末端に配置されている動力供給源８は、自動車の動力供給源からの直流入力２２をパルス又は交流の形に変換し、かつ反応器床２の内部電極５に変換する変換器を含む。この例では、動力供給源をＷＯ９９／０５４００に記載されたように反応器に隣接させる。
図２は、反応器床２における電場の放射方向成分が変化する様子を示す。反応器室１の軸からの距離と電場との間の非直線的な逆比例関係がただちに明らかである。本明細書の導入において説明したように、放射方向の電場のこの変化は反応器の有効性に対してかなりの影響を有することができる。例えば、気体状媒体に生じる反応が反応器床２において約０．５ＭＶ ｍ^−１より大きい電場の存在を必要とする場合、６０％より大きい反応器床２の容量がこの値より小さい電場を受けることを図２から読み取ることができる。その結果反応器床２の４０％より小さい容量が、気体状媒体の処理で役割を果たすことになる。さらに、気体状媒体の処理の有効性は気体状媒体が反応器１を通過する時間の関数になるであろう。図１に示す反応器における全質量フローレートは一定であるから、速度は反応器の軸からの距離に逆比例して変化する。（実際、内部電極５において外部電極６におけるよりほぼ２倍早い）。その結果、気体状媒体の処理の有効性は他の約４０％まで低下する。結果は全体として、反応器の有効性は名目値の２０％より下まで低下する。
【００１０】
反応器床２の外部領域における電場の強さが増加すると高度に有益な効果があることは明らかである。
図３は図１と同様の反応器の横断面図であるが、本発明に従う電場分散装置を含む。図２を参照して、図１の反応器の対応する構造と同様な構造には同じ参照番号が付いている。しかしながら、誘電材料のペレット４は省いてある。内部電極５には１６の等間隔でかつ放射方向に羽根２０１が取り付けてある。反応器床２の長さ方向に伸びる羽根２０１は、反応器床２の有効誘電率より高い誘電率（すなわち、誘電性ペレット４とそれらの間の隙間との組合せから生じる誘電率）を有する。
図４は、反応器１の軸からの羽根２０１の異なる半径に対する、羽根２０１のいずれかの対の間の領域の中間における電場の放射方向の変化を示す。全ての場合において、反応器床３の有効誘電率と羽根２０１の誘電率の間の比率は５でありかつ羽根２０１は一定の方位角広さを有する。（実際、このことは羽根の実際の幅はその根元から先端に向けて広くなっていることを意味する）。
【００１１】
いずれの二つの羽根２０１の間の領域においても電場は減少すること及び反応器床２の外部領域においては増加することが分かる。しかしながら、電場のかなりの変化が、特に羽根２０１の先端において依然として生じている。この作用を羽根２０１を先細にすることによって減少させることができ、図５、６及び７は半径及び方位角で表したテーパーが異なる羽根２０１に対する電場の放射方向の変化を示す。反応器床２の物理的条件は、内部半径が３５ｍｍ、外部半径が７５ｍｍ、羽根２０１の最適の寸法は、長さ２５．５ｍｍ、先端の幅１．６ｍｍ、根元の幅３．６ｍｍである。
反応器床２の有効誘電率と羽根２０１の誘電率との間の比率も放射方向の電場の分散に影響し、図８は同じ断面を有するが誘電率が異なる一連の羽根２０１の放射方向の電場の変化を示す。この特定の形態については、この比率が５に近付くと電場が漸進的により均一となることが分かる。異なる形態では、異なる最適な比率が得られるであろう。
【００１２】
図９は、気体状媒体をプラズマで補助して処理する反応器であって本発明の第２の態様を取り入れたもののある部分の断面図を示す。再度反応器２を形成するペレット４は示されていない。この場合、内部電極５はその上に一連の規則的に間隔をあけたディスク３０１を取り付けて放射状の放射物を形成する。
図１０は、厚さと半径が異なる二つのディスク３０１、及び二つの異なる型の先細ディスク３０１についての、放射方向における電場の変化を示す。ディスク３０１の作用は羽根２０１の作用に類似していることが分かる。曲線は示していないが、床の有効誘電率の羽根の誘電率対する比率は同様な作用を有する。
一般に本発明では、羽根／ディスクの誘電率の反応器床の有効誘電率の比率は４より大きい必要がある。
内部電極５上の放射状放射物は他の形態でもよい。例えば規則的に間隔をあけたらせん状の羽根でもよい。
【００１３】
図１１は、本発明の第３の態様を示し、内部電極５と外部電極６の間に５個の分離した領域４０１から４０５の分割した反応器床の区分を模式的に断面図で示す。各領域における有効誘電率には段階があり、例えばペレットの組成を変化させることにより、又はペレット及び／又はその大きさを変化させることにより段階付けられている。この例では、各領域の有効誘電率は以下のとおりである：
４０１では３．７８
４０２では３．２０
４０３では２．７３
４０４では２．３８
４０５では２．１１
放射方向の電場の変化に対する作用が図１２に示されており、曲線４０６は誘電率が均一な床についての半径に対する電場の変化を示し、曲線４０７は図１１に示すような領域で段階付けした誘電率を有する床についての半径に対する電場の変化を示している。
より多くの領域を使用すれば電場の均一性が良くなり、領域の数を無限の極限にすれば、すなわち誘電率の放射方向の変化が連続的になれば、完全に均一になることが理解できる。
【００１４】
放射状に広がる放射物を誘電障壁反応器又は無声放電反応器においても使用することができ、これらの反応器では電極は円筒状又は球状の形態をしている。これらの例に記載された態様は、酸化添加物又は還元添加物のような添加物の添加を必要とする可能性がある触媒成分を含むことができ、又は触媒を使用する放出物の制御システムの一部として又は内燃機関例えば静止タービン（これに限定されない）からの排気ガスをプラズマで補助して処理する他の放出物制御装置に取り付けることができる。炭素含有物質及び窒素酸化物を処理する触媒材料がＷＯ ００／７１８６６、ＷＯ ００／４３１０２に記載され、英国の優先権主張が２０００年６月３０日で２００１年２月２日に出願したＰＣＴ／ＧＢ０１／００４４２、英国の優先権が２０００年４月１１日及び８月１８日で２００１年４月１１に出願されたＰＣＴ／ＧＢ０１／０１５７１、２０００年８月１７日に英国に出願されたＧＢ ００ ２０２８７．９及びＥＰ １ ０１７ ４７７ Ｂに記載されている。誘電性床材料は、ＷＯ ０１／３０４８５に記載されたように予め定めた化学物質種を選択的に補足し又は吸着するように作用し、一方ＷＯ ００／５０７４６に記載されている自動車の動力供給システムと組み合わせることができる。他の放出物制御装置は、排気ガス再循環（ＥＧＲ）、点火時期の変化、燃料の噴射時期及び燃料の噴射パルス比の成形を含むが、これに限定されない。これらの例の反応器を、出願ＷＯ ００／５０７４６の明細書に記載した動力供給源及びエンジン管理システムと組み合わせて使用することができる。Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｄｅｓｉｇｎ， ４月， １９９８年， ｐｐ．２４−２６の論文“Ｓｔｏｐ ｇｏ ｓｙｓｔｅｍｓ ｇｅｔ ｔｈｅ ｇｒｅｅｎ ｌｉｇｈｔ”は統合スターターオルタネーターダンパーシステム（ＩＳＡＤ）の例を記載している。これらのＩＳＡＤを動力供給システムの一部として使用して、本明細書に記載した反応器がその一部であるプラズマで補助する放出物制御システムに動力を供給する。さらに、他の動力源、例えば一重／多重出力１２／１４Ｖ交流電源の技術、例えば１４Ｖ／４２Ｖ、燃料電池、ガスタービン、太陽電池及び熱交換機（これに限定されない）は起電力源の主要な又は部分的な供給源であることができ、これらをさらに反応器の動力供給システムへ動力を供給するのに使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、気体状媒体をプラズマで補助して処理する反応器の長手方向の断面図を示す。
【図２】図２は、図１のプラズマで補助する気体反応器について半径に対して変化する放射状の電場を示す。
【図３】図３は、本発明を実施化する電場の分散装置の形態を示す。
【図４】図４は、図２の電場−分散装置の種々の形態について電場が変化する曲線を示す。
【図５】図５は、図２の電場−分散装置の種々の形態について電場が変化する曲線を示す。
【図６】図６は、図２の電場−分散装置の種々の形態について電場が変化する曲線を示す。
【図７】図７は、図２の電場−分散装置の種々の形態について電場が変化する曲線を示す。
【図８】図８は、図２の電場−分散装置の種々の形態について電場が変化する曲線を示す。
【図９】図９は、本発明の第２の態様を取り込んだ、気体状の媒体をプラズマで補助して処理するための反応器の部分の長手方向の断面図である。
【図１０】図１０は、第２の電場−分散装置の二つの形態について電場の変化曲線を示す。
【図１１】図１１は、本発明の第３の態様を模式的に示す。
【図１２】図１２は、図１１に示した態様について、均一な誘電率を有する反応器の床における電場の変化と比較した電場の放射方向の変化を図示する。

Claims (10)

1. 気体状媒体をプラズマで補助して処理する反応器であって、該反応器が二つの同軸の円筒状電極の間に含まれた気体透過性誘電材料から成る反応器床を含み、このことによって、反応器床内の隙間において気体状媒体中でプラズマが生成するのに十分な電位を反応器床を横切って供給することができ、ここで、床内の材料組成及びその配分を、放射状の位置の減少に伴って有効誘電率を増加させる配置を少なくとも床の一部に対して行い、このことによって床の該部分における放射方向の電場の変化を減少させる、反応器。
2. 複数の放射状の領域において段階付けした実行的な誘電率の値を提供するように反応器床の材料を配置して、各領域が、最も内側の領域から離れるに従って半径の小さい隣接領域より低い有効誘電率を有し、かつ最も外側の領域から離れるに従って半径の大きい隣接領域より高い有効誘電率を有するようにする、請求項１に記載の反応器。
3. 反応器床の有効誘電率とは異なる誘電率の誘電材料から成る複数の放射状に広がる放射物が提供され、該放射状に広がる突出物の構造が内部電極に隣接する電場における放射状の変化を減少させる構造である、請求項１に記載の反応器。
4. 放射状の放射物を製造する材料の誘電率と反応器床の有効誘電率の比率が少なくとも４である、請求項３に記載の反応器。
5. 放射状の突出物の厚さが反応器の長手方向の軸からの距離に逆比例して変化する、請求項３又は４に記載の反応器。
6. 放射状の放射物が２度１５分の含まれる半角で先細になる、請求項５に記載の反応器。
7. 放射状の放射物が反応器床の放射方向の幅の約半分に広がる、請求項３ないし６のいずれかに記載の反応器。
8. 放射状の放射物が規則的に間隔をあけた放射状に方向付けた長い羽根を含む、請求項３ないし７のいずれかに記載の反応器。
9. 放射状の放射物が反応器床の長さに沿って規則的に間隔をあけた一連の横向きのディスクを含む、請求項３ないし７のいずれかに記載の反応器。
10. 内燃機関の排気システムの一部を形成するように適合させた、先の請求項１ないし９のいずれかに記載の反応器。

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