JP5705461B2 - 電気集塵装置 - Google Patents

Description

本発明は、粒子状物質（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）を含有する例えば内燃機関の排気ガス等の粒子状物含有ガス中から粒子状物質を除去するようにした電気集塵装置に関する。

内燃機関から排出される排気ガスには、ＮＯｘ、ＳＯｘの他、炭素を主成分とする粒子状物質などの有害物質が含まれている。人間が呼吸により粒子状物質を体内に吸い込むと様々な健康被害が発生することが知られており、粒子状物質を効率良く除去する粒子状物質除去装置の開発が望まれている。
このような粒子状物質除去装置として、排気ダクト中に、フィルタを設置する方向があるが、フィルタは目詰まりし易く、圧力損失が大きいなどの課題がある。これに対して電気集塵装置は、目詰まりせず、圧力損失が小さいため、内燃機関の排気ダクトに取り付けるには有効である。

このような電気集塵方式の粒子状物質除去装置としては、例えば図８に示すように、粒子状物質を含むガス流れの中に放電電極１０１と、この放電電極１０１と対向して設けられたろ過装置１０２と、放電電極１０１及びろ過装置１０２間に高電圧を印加する高圧電源１０３と、ろ過装置１０２を通過するガス流を調節する抽気用送風機１０４と、排気ガスを吸引する主送風機１０５とを備えた除じん装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。同様に、図９に示すように、抽気用送風機１０４を省略し、これに代えてガス出口を２つに分流させて、各ガス出口に圧損調整用のダンパ１１０を設けるようにした除じん装置も知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、図１０及び図１１に示すように、粒子状物質を含むガス流れの中に放電電極１０１と、この放電電極１０１と対向して設けられた対向電極１０７をもつろ過装置１０２と、放電電極１０１及びろ過装置１０２間に高電圧を印加する高圧電源１０３と、ろ過手段１０２内又はその背面に閉鎖された閉鎖空間１０８を備えた除じん装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開平２−６３５６０号公報 特開平２−１８４３５７号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の図８に示す従来例にあっては、抽気用送風機１０４によりろ過装置１０２を通るガスの排気量を調整するが、ろ過装置１０２はサブミクロンオーダーの大きさである粒子状物質をろ過するためには十分に目が細かいものを使用する必要があるので、ろ過装置１０２による圧損が大きくなり、抽気用送風機１０４として、容量が大きなものが必要となる。この場合には、ある程度の時間運転すると、図１２に示すように、ろ過装置１０２に粒子状物質１０９が詰まって目詰まりが生じて、集塵不可能となるため、ろ過装置１０２の交換が頻繁に必要となるという未解決の課題がある。逆に、抽気用送風機１０４の容量が小さい場合には、ろ過装置１０２を通過する風量が小さいため、図１３に示すように、粒子状物質１０９がろ過装置１０２の表面付近に集中して補集されることになり、その場合、補集された粒子状物質１０９が主ガス流に晒されてしまうために、主ガス流の風速が高い条件化では、主ガス流の抗力によってろ過装置１０２の表面に補集された粒子状物質が引き剥がされて再飛散してしまうという未解決の課題がある。

同様に、特許文献１に記載されている図９に示す従来例にあっても、抽気用送風機を省略することができるが、圧損調整ダンパ１１０によりろ過装置１０２の抽気量を調整するので、ろ過装置１０２としてはサブミクロンオーダーの大きさである粒子状物質をろ過するためには十分に目が細かいものを使用する必要があるので、ろ過装置１０２による圧損が大きくなり、圧損調整ダンパ１１０を大きく閉じた状態にする必要がある。この場合、圧損調整ダンパ１１０による主ガス流の圧損が大きくなるため、送風機１０５に容量の大きなものが必要となる。また、図１２に示すように、ある程度の時間運転すると、ろ過装置１０２に目詰まりが生じて、集塵不可能となるという未解決の課題がある。逆に、圧損調整ダンパ１１０の閉じ量が小さい場合には、送風機１０５の容量は小さくてよいが、ろ過装置１０２を通過する風量が小さいために、図１３に示すように、ろ過装置１０２の表面に補集された粒子状物質１０９が引き剥がされ、再飛散が生じてしまうという未解決の課題がある。また、圧損調整ダンパ１１０のような可動機構は、高温の排ガス中においては、故障の危険性が非常に高いという未解決の課題もある。

また、特許文献２に記載された図１０に示す従来例にあっては、放電電極１０１と対向電極１０７との間に生じるイオン風による二次流れは、最大風速２ｍ／ｓ程度である。ろ過装置１０２はサブミクロンオーダーの大きさである粒子状物質をろ過するためには十分目が細かいものを使用する必要があり、ろ過装置１０２による圧損が大きいため、イオン風による二次流れのみで、ろ過装置１０２をガスが十分に通過することが困難であり、図１４に示すように、粒子状物質１０９はろ過装置１０２の表面付近に集中して補集される。この場合、補集された粒子状物質が主ガス流に晒されてしまうために、主ガス流の風速が高い条件化では主ガス流の抗力によってろ過装置１０２の表面に補集された粒子状物質１０９が引き剥がされ、再飛散が生じてしまうという未解決の課題がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、容量の大きな抽気装置を必要とすることなく、目詰まりせずに、高風速条件下でも再飛散しにくく、高い集塵性能を発揮し、故障の可能性が低い電気集塵装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の一の形態に係る電気集塵装置は、筒状電極と、該筒状電極の中央部に配置される放電電極とを備え、前記筒状電極の内部に集塵対象ガスを通流させた状態で前記筒状電極と前記放電電極間に電圧を印加してコロナ放電を発生させることにより、前記集塵対象ガス中の粒子状物質を帯電させて前記筒状電極側で吸引して捕集する電気集塵装置である。そして、前記筒状電極に前記粒子物質を通過させる貫通孔を複数形成するとともに、前記筒状電極を当該筒状電極より大きな筒状のケーシング電極の内部に配置し、前記筒状電極の外面と前記ケーシング電極の内面との間に、前記粒子状物質を捕集する補集空間が形成され、当該補集空間に複数の補助電極を配置し、前記筒状電極、前記ケーシング電極及び前記補助電極を同一電位としている。

この構成によると、放電電極と筒状電極間に発生するコロナ放電によって、集塵対象ガス中の粒子状物質を帯電させ、クーロン力によって貫通孔を通じて前記筒状電極の外面と前記ケーシング電極の内面との間に形成される補集空間内に移動させて補集空間内に補集させる。
また、補集空間内に補助電極が配置されているので、粒子状物質の補集領域を拡大して粒子状物質を補集する許容限界量を大幅に増加させることができる。

また、本発明の他の形態に係る電気集塵装置は、前記補集空間に、液体を噴霧するノズルが配置され、当該ノズルから前記補集空間に補集された粒子状物質に液体が噴霧される。
この構成によると、補集空間内においてノズルから液体を噴霧して粒子状物質を湿らせ、液体の表面張力によって粒子状物質の電極との吸着力を増加させて、再飛散を抑制する。

本発明によれば、内部に放電電極を配置した筒状電極に複数の貫通孔を形成するとともに、筒状電極をケーシング電極で覆うことにより、補集空間を形成したので、放電電極及び筒状電極間にコロナ放電を発生させて、粒子状物質を負に帯電させ、クーロン力によって貫通孔を通じて補集空間内に移動させて、補集空間内で粒子状物質を補集することができ、容量の大きな抽出用送風機を設ける必要がないとともに、貫通孔を粒子状物質に比較して大きな径とすることにより、目詰まりを生じることがなく、さらに高風速条件下でも再飛散しにくく、高い集塵性能を発揮することができ、故障が発生しにくい電気集塵装置を提供することができる。

本発明に係る電気集塵装置の第１の実施形態を示す中央部を断面とした斜視図である。 粒子状物質の補集状態を示す模式図である。 本発明に係る電気集塵装置の第２の実施形態を示す要部を断面とした斜視図である。 図３のＡ−Ａ線上の断面図である。 本発明に係る電気集塵装置の第３の実施形態を示す縦断面図である。 本発明に係る電気集塵装置の第４の実施形態を示す縦断面図である。 本発明に係る電気集塵装置の第５の実施形態を示す横断面図である。 従来例を示す説明図である。 他の従来例を示す説明図である。 さらに他の従来例を示す説明図である。 図１０のろ過装置の詳細構成図である。 ろ過装置における粒子状物質の補集状態を示す模式図である。 ろ過装置における粒子状物質の再飛散状態を示す模式図である。 ろ過装置における粒子状物質の再飛散状態を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の第１の実施形態を示す中央部を断面とした斜視図である。
図中、１は例えば内燃機関特にディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれる炭素を主成分とする粒子径が１００μｍ以下の粒子状物質（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）、特に粒子径が１０μｍ以下の浮遊粒子状物質（ＳＰＭ：Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）を補集可能な電気集塵装置である。

この電気集塵装置１は、中心部に放電電極２を配置し、この放電電極２と同軸的に例えば円筒状の筒状電極３が配設され、この筒状電極３が例えば方形角筒状のケーシング電極４によって囲まれた構成を有する。そして、放電電極２と筒状電極３との間の空間が粒子状物質５を含む排気ガス６を通過させるガス流路７とされている。
放電電極２は、断面円形の棒状導体２ａを有する。この棒状導体２ａの外周面には、軸方向に所定間隔を保ち、且つ円周方向に所定間隔（例えば９０°）を保って多数の針状電極部２ｂが突出形成されている。

筒状電極３は、放電電極２の針状電極部２ｂと所定間隔を保って対向するように例えば円筒状のステンレスパイプ３ａで構成されている。このステンレスパイプ３ａは、放電電極２の針状電極部２ｂと対向する位置に、粒子状物質４の粒子径より十分に大きい直径（例えば数ｍｍ程度）を有する多数の貫通孔３ｂが形成されたパンチングパイプが適用されている。

ケーシング電極４は、筒状電極３の外周側に筒状電極３の外周面に対して所定距離離れて対向する導電性を有する角枠板部４ａと、この角枠板部４ａの軸方向両端面と筒状電極３の軸方向両端面との間を連結する端板部４ｂとで構成されている。そして、筒状電極３の外周面とケーシング電極４の角枠板部４ａ及び端板部４ｂの内周面とで補集空間としての半閉空間８が形成されている。この半閉空間８は、筒状電極３の貫通孔３ａを介してガス流路７と連通されている。
また、放電電極２とケーシング電極４との間には、ケーシング電極４に正極を接続し、放電電極２に負極を接続した例えば１０³〜１０⁵ボルト程度の高電圧を印加する高圧電源９が接続され、この高圧電源９の正極側が接地されている。

次に、上記第１の実施形態の動作を説明する。
高圧電源９から放電電極２と筒状電極３及びケーシング電極４との間に高電圧を印加することにより、放電電極２の針状電極部２ｂの先端から筒状電極３に向けてガス流路７を横切るコロナ放電が生じる。
この状態で、ガス流路７に内燃機関等から排出される粒子状物質５を含む粒子状物質含有ガスとしての排気ガスを流すと、粒子状物質５はコロナ放電を浴びて帯電する。そして、放電電極２と筒状電極３間の電界により粒子状物質５にクーロン力が働き、筒状電極３へ向けて運動を始める。粒子状物質５は質量を持つために、慣性力によってそのまま筒状電極３の貫通孔３ｂを通過して半閉空間（補集空間）８に導かれる。

この半閉空間８では、流れ場は非常に緩やかなため、粒子状物質５は流れ場の影響を受けにくく、粒子状物質５は自分自身の電荷と筒状電極３及びケーシング電極４間の電位差による電気影像力を受けて、図２に模式的に示すように、筒状電極３の外周面及びケーシング電極４の内周面に移動付着して補集される。なお、数値解析によれば、ガス流路７における排気ガス主流の流速に比べ、半閉空間８の大部分で約１／２０〜１／１０程度、局所的に１／４程度の流速となることが確認されている。

このように、上記第１の実施形態によれば、単に放電電極２及び筒状電極３間のガス流路７に排気ガスを通流させるだけで、抽気手段としての送風機等を設ける必要がない。また、排気ガスの流れを妨げるダンパ等を設ける必要もないので、排気ガスの圧力損失を少なくすることができる。さらに、筒状電極３に形成した貫通孔３ｂの径を粒子状物質５の粒子径にかかわらず大きな径に形成することができるので、この分の圧力損失も小さく抑制することができる。さらに、粒子状物質５が半閉空間８を構成する筒状電極３の外周面やケーシング電極４の内周面で補集するので、両電極３及び４の表面積に応じた多量の粒子状物質５の補集を許容することができるとともに、貫通孔３ｂは極めて目詰まりしにくく、目詰まりによる補集障害を生じることを確実に防止することができる。さらにまた、半閉空間８の流れ場が小さいために、一度補集した粒子状物質５の再飛散が生じにくい。また、ダンパや送風機等の可動部が存在しないために、故障の可能性が極めて低いという種々の効果を得ることができる。

次に、本発明の第２の実施形態を図３及び図４について説明する。
この第２の実施形態では、排気ガス流量を増大させることが可能としたものである。
すなわち、第２の実施形態では、図３及び図４に示すように、前述した第１の実施形態における図１の構成において、複数例えば２つの放電電極２Ａ及び２Ｂを個別に内装した２つの筒状電極３Ａ及び３Ｂを軸直角方向に両者間に所定の半閉空間８を形成するように同一平面状に並行配置されている。そして、各筒状電極３Ａ及び３Ｂの外周側を、所定間隔を保って角筒状のケーシング電極４で覆うようにしている。この図３の構成において、図１との対応部分には同一符号を付し、その詳細説明はこれを省略する。

この第２の実施形態においては、放電電極２Ａ及び２Ｂと筒状電極３Ａ及び３Ｂとで２つのガス流路７Ａ及び７Ｂが形成されるので、排気ガスの通流面積を増加させて、排気ガスの流速を抑制することができる。大流量の排気ガスでも粒子状物質５の良好な補集機能を発揮することができる。この場合、粒子状物質５を補集すべき排気ガス流量が多いときには、排気ガス流量に応じて放電電極２及び筒状電極３の組数を増加させればよく、ガス流路７の排気ガス流速を適正に制御して、良好な集塵性能を発揮することができる。

次に、本発明の第３の実施形態を図５について説明する。
この第３の実施形態においては、半閉空間８内における粒子状物質５の補集性能を向上させるようにしたものである。
すなわち、第３の実施形態では、図５に示すように、筒状電極３及びケーシング電極４で構成される半閉空間８内に筒状電極３の貫通孔３ｂを除く外周面とケーシング電極４の四隅との間に例えば４つの補助電極１１を放射状に設けるようにしている。
この第３の実施形態によると、半閉空間８内に４つの補助電極１１が付加されているので、これら補助電極１１の表面積分だけ粒子状物質５の補集面積を増加させることができる。このため、粒子状物質５の補集許容量を前述した第１の実施形態に比較して大幅に増加させることができる。

次に、本発明の第４の実施形態を図６について説明する。
この第４の実施形態でも、前述した第３の実施形態と同様に、半閉空間８内における粒子状物質５の補集性能を向上させたものである。
すなわち、第４の実施形態では、図６に示すように、筒状電極３及びケーシング電極４で構成される半閉空間８内に筒状電極３と同軸的に４つの断面円弧状の補助電極１２が形成されている。これら補助電極１２は軸方向の両端がそれぞれケーシング電極４の端板部４ｂに連結され、ケーシング電極４を介して高圧電源９の正極側に接続されている。

この第４の実施形態によると、前述した第３の実施形態と同様に半閉空間８内に４つの補助電極１２が形成されているので、これら補助電極１１の表面積分だけ粒子状物質５の補集面積を増加させることができる。このため、粒子状物質５の補集許容量を前述した第１の実施形態に比較して大幅に増加させることができる。
なお、上記第３及び第４の実施形態においては、補助電極１１及び１２を設けた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、補助電極１１の半径方向の中間部に補助電極１２を形成して、さらに粒子状物質５の補集面積を増加させるようにしてもよい。

次に、本発明の第５の実施形態を図７について説明する。
この第５の実施形態では、半閉空間８内に粒子状物質５をより確実に補集するようにしたものである。
すなわち、第５の実施形態では、図７に示すように、ケーシング電極４の軸方向両端の端板部４ｂにそれぞれ液体をミスト状に噴出するノズル１５を配設したことを除いては前述した第１の実施形態における図１と同様の構成を有する。したがって、図７において、図１との対応部分には同一符号を付し、その詳細説明はこれを省略する。ここで、ノズル１５から噴霧する液体としては、排気ガス温度が低い場合には、水を使用し、排気ガス温度が高い場合には、融点の高いオイルなどを使用する。

この第５の実施形態によると、半閉空間８内にノズル１５から液体をミスト状にして噴霧するので、コロナ放電によって帯電されて、クーロン力によって半閉空間８内に導入されて筒状電極３の外周面及びケーシング電極４の内周面に補集された粒子状物質５が液体ミストを浴びることによって湿る。このため、液体の表面張力によって粒子状物質５の筒状電極３又はケーシング電極４との吸着力が増加し、粒子状物質５が筒状電極３又はケーシング電極４の補集面から剥離して再飛散することに対して大きな抑制効果を発揮することができる。

なお、上記第５の実施形態においては、前述した第１の実施形態にノズル１５を付加した場合について説明したが、前述した第２〜第４の実施形態にノズル１５を付加するようにしてもよい。
また、上記第１〜第５の実施形態においては、内燃機関から排出される排気ガスに含まれる粒子状物質５を除去する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、任意の粒子状物質含有ガスから粒子状物質を除去することができる。
また、上記第１〜第５の実施形態においては、ケーシング電極４が角筒状である場合について説明したが、これに限定されるものではなく、筒状電極３を、半閉空間８を形成して覆うことができればよく、円筒状、多角筒状等の任意の形状とすることができる。

同様に、筒状電極３についても円筒状に限定されるものではなく、放電電極２の針状電極部２ｂと対向する内周面と針状電極部２ｂとの間の距離を等しくすれば任意の形状とすることができる。すなわち、例えば棒状導体２ａに針状電極部２ｂを円周方向に６０°（又は４５°）間隔で６本（又は８本）形成する場合には、筒状電極３を６角筒状（又は８角筒状）に形成するようにしてもよい。
また、上記第１〜第５の実施形態においては、放電電極２の針状電極部２ｂを軸方向で全て同一方向に突出させる場合について説明したが、これに限定されるものではなく、針状電極部２ｂの突出位置が軸方向の各部で円周方向にずらして配置するようにしてもよい。

１…電気集塵装置、２…放電電極，２ａ…棒状導体、２ｂ…針状電極部、３…筒状電極、３ａ…ステンレスパイプ、３ｂ…貫通孔、４…ケーシング電極、４ａ…角枠板部、４ｂ…端板部、５…粒子状物質、６…排気ガス、７…ガス流路、８…半閉空間（補集空間）、９…高圧電源、１１，１２…補助電極、１５…ノズル

Claims (2)

1. 筒状電極と、該筒状電極の中央部に配置される放電電極とを備え、前記筒状電極の内部に集塵対象ガスを通流させた状態で前記筒状電極と前記放電電極間に電圧を印加してコロナ放電を発生させることにより、前記集塵対象ガス中の粒子状物質を帯電させて前記筒状電極側で吸引して捕集する電気集塵装置であって、
   前記筒状電極に前記粒子物質を通過させる貫通孔を複数形成するとともに、前記筒状電極を当該筒状電極より大きな筒状のケーシング電極の内部に配置し、
   前記筒状電極の外面と前記ケーシング電極の内面との間に、前記粒子状物質を捕集する補集空間が形成され、
   当該補集空間に複数の補助電極を配置し、
   前記筒状電極、前記ケーシング電極及び前記補助電極を同一電位としたことを特徴とする電気集塵装置。
2. 前記補集空間に、液体を噴霧するノズルを配置し、当該ノズルから前記補集空間に補集された粒子状物質に液体を噴霧することを特徴とする請求項１に記載の電気集塵装置。

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