JP2003275541A

JP2003275541A - プラズマ装置およびその制御方法

Info

Publication number: JP2003275541A
Application number: JP2002078130A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Ito; 猪頭　　敏彦; Miyao Arakawa; 宮男荒川
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-03-20
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2003-09-30

Abstract

(57)【要約】【課題】プラズマ電極における電圧降下を低減し、気
体浄化効果を維持するプラズマ装置を提供する。【解決手段】プラズマ装置１０の流路部材１２内に、
網状に形成された電極２１、２２、２３、３１、３２、
３３、４１、４２、４３、４４、４５、４６が排気ガス
の流れ方向に沿って平行に設置されている。電極２１、
２２、２３および電極３１、３２、３３は陽電極であ
り、電極４１、４２、４３、４４、４５、４６は陰電極
である。陽電極２１、２２、２３は陽電極群２０を構成
し、陽電極３１、３２、３３は陽電極群３０を構成して
いる。電極４１、４２、４３、４４、４５、４６は陰電
極群４０を構成している。陰電極群４０は金属部である
排気管やエンジンと接続され接地されている。陽電極群
２０と陰電極群４０とが構成する電極群と、陽電極群３
０と陰電極群４０とが構成する電極群にはそれぞれ異な
るタイミングおよび頻度で高電圧パルスが印加される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、放電プラズマによ
り気体を浄化するプラズマ装置およびその制御方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】有害物質で汚染された気体、例えば車両
等の排気ガス中の有害物質であるＮＯｘ、ＳＯｘ等を放
電プラズマにより無害な物質に分解したり、放電プラズ
マにより有害物質をイオン化して活性化し触媒での還元
率を向上することにより気体を浄化するプラズマ装置と
して、特開平１１−１２８６７４号公報、特開２００１
−８７６２０公報、特開２００１−１６４９２７公報に
開示されるものが知られている。放電プラズマを発生す
るためには、その浄化効果とエネルギー効率から、プラ
ズマ電極に数１０ｋＶ以上、かつ１００ｎｓ以下の超短
な高電圧パルスを印加する必要がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、パルス
生成回路からプラズマ電極に高電圧パルスを印加しエネ
ルギーを供給すると、プラズマ電極が有する静電容量に
より印加電圧が降下する。プラズマ電極に印加するパル
ス電圧が降下すると、気体浄化効果が低減することがあ
る。所望の浄化効果を得るために電圧降下分を含んだ高
電圧パルスを生成すると、回路の耐電圧性を高める必要
が生じる。プラズマ電極での電圧降下を低減するためプ
ラズマ電極の電極面積を減少し静電容量を低減すると、
気体を浄化するプラズマ電極の領域が狭くなる。

【０００４】また、超短パルスを発生するために特殊な
スイッチング素子が必要になるという問題がある。ま
た、高電圧パルスを生成するためにコンデンサに高電圧
を蓄積するパルス生成回路の構成では、コンデンサに常
時高電圧が加わっているので感電する恐れがある。

【０００５】本発明の目的は、プラズマ電極における電
圧降下を低減し、気体浄化効果を維持するプラズマ装置
を提供することにある。本発明の他の目的は、プラズマ
電極に印加する高電圧パルスを生成するために特殊なス
イッチング素子が不要であり、安価なプラズマ装置を提
供することにある。本発明の他の目的は、高電圧パルス
を生成するときだけ２次コイル側に高電圧を発生させ、
感電する可能性を低減するプラズマ装置およびその制御
方法を提供することにある。本発明の他の目的は、気体
の汚れ程度または流量に応じプラズマ装置に効率よく電
力を供給し電力消費量を低減するプラズマ装置の制御方
法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１記載の
プラズマ装置によると、電気的に並列に接続された複数
の電極群によりプラズマ電極を構成し、パルス生成回路
と各電極群との電気的接続を各電極群毎に設置されてい
るパルス生成スイッチが断続する。同時に高電圧パルス
を印加する電極群を選択できるので、同時に高電圧パル
スを印加する電極群の電極面積をプラズマ電極全体の電
極面積よりも小さくすることができる。電極群毎の電圧
降下が小さくなり所望の放電プラズマが発生するので、
気体を良好に浄化できる。また、電極群毎の電圧降下が
小さいので、パルス生成回路が生成するパルス電圧を電
圧降下分を含んでさらに高電圧化する必要がない。した
がって、パルス生成回路の耐電圧性の確保が容易であ
る。

【０００７】本発明の請求項２または４記載のプラズマ
装置によると、ダイオードに逆方向電流が流れるときに
生じるフライバック電圧を高電圧パルスとするので、高
電圧パルスを生成するために特殊なスイッチング素子が
不要である。本発明の請求項３、５または６記載のプラ
ズマ装置、あるいは請求項１１記載のプラズマ装置の制
御方法によると、高電圧パルスを生成するときだけ電源
スイッチをオン、オフして２次コイル側、つまりパルス
生成回路に高電圧を発生するので、高電圧パルスを生成
するためにパルス生成回路に常時高電圧を蓄積しておく
必要がない。したがって、感電の恐れが低減する。

【０００８】本発明の請求項８記載のプラズマ装置の制
御方法によると、複数の電極群のうち同時に一つの電極
群にだけ高電圧パルスを印加するので、電力消費量を低
減できる。本発明の請求項９記載のプラズマ装置の制御
方法によると、流路において流速の遅い位置、つまり流
量の少ない位置に設置されている電極群よりも流速の速
い位置、つまり流量の多い位置に設置されている電極群
に高い頻度で高電圧パルスを印加する。プラズマ装置に
効率よく電力を供給し気体を効果的に浄化できる。

【０００９】本発明の請求項１０記載のプラズマ装置の
制御方法によると、気体の汚れ程度に応じ、高電圧パル
スを印加する電極群の数を増減するので、プラズマ装置
に効率よく電力を供給し電力消費量を低減できる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を示す
実施例を図に基づいて説明する。本発明の一実施例によ
るプラズマ装置を図１に示す。図１に示すプラズマ装置
１０は、例えば内燃機関（以下、「内燃機関」をエンジ
ンという）の排気ガス処理装置に用いられ、還元触媒の
上流側近傍に設置されている。プラズマ装置１０は、排
気ガス中のＮＯｘ、ＳＯｘ等の有害物質を無害な物質に
分解するか、有害物質を放電プラズマによりイオン化し
て活性化し、還元触媒における還元効果を高める。

【００１１】プラズマ装置１０は、セラミックにより円
形状または楕円状に形成された流路部材１２を有してお
り、流路部材１２内に形成された流路を排気ガスが通過
する。網状に形成された電極２１、２２、２３、３１、
３２、３３、４１、４２、４３、４４、４５、４６は排
気ガスの流れ方向に沿って流路部材１２内に平行に設置
されている。電極２１、２２、２３および電極３１、３
２、３３は陽電極であり、電極４１、４２、４３、４
４、４５、４６は陰電極である。陽電極２１、２２、２
３は陽電極群２０を構成し、陽電極３１、３２、３３は
陽電極群３０を構成している。陽電極群２０と陽電極群
３０とは電気的に並列に接続されている。陽電極群２０
は流路部材１２内において流速の速い、つまり流量の多
い中央部に設置されている。陽電極群３０は、陽電極群
２０が設置されている中央部の両側、つまり流路部材１
２内において中央部よりも流速が遅く流量が少ない位置
に設置されている。電極４１、４２、４３、４４、４
５、４６は陰電極群４０を構成している。陰電極群４０
は金属部である排気管やエンジンと接続され接地されて
いる。陽電極群２０と陰電極群４０とは図２に示す電極
群１２０を構成し、陽電極群３０と陰電極群４０とは図
２に示す電極群１４０を構成している。電極群１２０お
よび電極群１４０はプラズマ電極を構成している。本実
施例では、電極群１２０、１４０にはそれぞれ異なるタ
イミングおよび頻度で高電圧パルスが印加される。つま
り、電極群１２０、１４０には同時に高電圧パルスは印
加されない。

【００１２】図２に示す回路は、電極群１２０、１４０
に印加する高電圧パルスを生成するプラズマ装置１０の
パルス生成回路１００である。電極群１２０は、コンデ
ンサ成分（Ｃ３）１２２および抵抗成分（Ｒ３）１２４
で示されており、電極群１４０は、コンデンサ成分（Ｃ
４）１４２および抵抗成分（Ｒ４）１４４で示されてい
る。

【００１３】パルス生成回路１００は、電源１０２、１
次コイル（Ｌ１）１０４、２次コイル（Ｌ２）１０６、
電源スイッチ（ＳＷ１）１０８、共振コンデンサ（Ｃ
１）１１０、ダイオード（Ｄ１）１１２、サイリスタ
（ＳＷ２）１１６、コイル（Ｌ３）１１８、共振コンデ
ンサ（Ｃ２）１３０およびダイオード（Ｄ２）１３２を
有している。パルス生成スイッチ１１４はパルス生成回
路１００と電極群１２０との電気的接続を断続するスイ
ッチである。パルス生成スイッチ１３４はパルス生成回
路１００と電極群１４０との電気的接続を断続するスイ
ッチである。

【００１４】電源１０２は、車両搭載のバッテリであ
る。１次コイル（Ｌ１）１０４と共振コイルとしての２
次コイル（Ｌ２）１０６とはトランスを構成している。
電源スイッチ（ＳＷ１）１０８は１次コイル（Ｌ１）１
０４に流れる電流を断続する。２次コイル（Ｌ２）１０
６、共振コンデンサ（Ｃ１）１１０およびダイオード
（Ｄ１）１１２は電極群１２０用の共振回路を構成して
いる。２次コイル（Ｌ２）１０６、共振コンデンサ（Ｃ
２）１３０およびダイオード（Ｄ２）１３２は電極群１
４０用の共振回路を構成している。

【００１５】サイリスタ（ＳＷ２）１１６はダイオード
（Ｄ１）１１２またはダイオード（Ｄ２）１３２にフラ
イバック電圧を発生させるためのスイッチである。コイ
ル（Ｌ３）１１８のインダクタンスは２次コイル（Ｌ
２）１０６のインダクタンスよりも十分に小さい。

【００１６】次に、図２に示すパルス生成回路１００の
作動について、図３に示すタイムチャートを用いて説明
する。パルス生成スイッチ（ＳＷ３）１１４をオンにし
ている状態で、電源スイッチ（ＳＷ１）１０８をパルス
状にオン、オフし１次コイル（Ｌ１）１０４に流れる電
流を断続すると、２次コイル（Ｌ２）１０６に高電圧の
誘導電圧が発生する。パルス生成スイッチ（ＳＷ３）１
１４がオンの状態において、この誘導電圧によりダイオ
ード（Ｄ１）１１２、共振コンデンサ（Ｃ１）１１０、
パルス生成スイッチ（ＳＷ３）１１４および２次コイル
（Ｌ２）１０６にダイオード（Ｄ１）１１２の順方向に
電流が流れる（Ｌ２電流）。

【００１７】２次コイル（Ｌ２）１０６、共振コンデン
サ（Ｃ１）１１０およびダイオード（Ｄ１）１１２で構
成される共振回路に流れる電流が反転するのと同時か反
転の前にサイリスタ（ＳＷ２）１１６をオンにすると、
サイリスタ（ＳＷ２）１１６、コイル（Ｌ３）１１８、
パルス生成スイッチ（ＳＷ３）１１４、共振コンデンサ
（Ｃ１）１１０およびダイオード（Ｄ１）１１２にダイ
オードの逆方向にやや急峻な電流が流れる（ＳＷ３電
流）。コイル（Ｌ３）１１８のインダクタンスは２次コ
イル（Ｌ２）１０６のインダクタンスよりも十分に小さ
いので、２次コイル（Ｌ２）１０６に流れる電流は無視
できる程度に小さい。電極群１２０の抵抗成分１２４の
抵抗値は非常に大きいので、電極群１２０に流れる電流
も無視できる程度に小さい。

【００１８】ダイオード（Ｄ１）１１２を逆方向に流れ
ようとする逆方向電流をダイオード（Ｄ１）１１２が遮
断するまで、数１００ナノ秒の間逆方向電流が流れる。
この逆方向電流をダイオード（Ｄ１）１１２が１０ナノ
秒程度で急激に遮断するとき、数１０ｋＶ程度のフライ
バック電圧が発生する。このフライバック電圧が高電圧
パルスとして電極群１２０に印加され（Ｃ３電圧）、電
極群１２０に放電プラズマが発生する。

【００１９】電極群１４０においても、パルス生成スイ
ッチ（ＳＷ４）１３４をオンにしている状態で電源スイ
ッチ（ＳＷ１）１０８、サイリスタ（ＳＷ２）１１６を
オン、オフすることにより、ダイオード（Ｄ２）１３２
にフライバック電圧を発生させ、高電圧パルスとして電
極群１４０に印加することができる（Ｃ４電圧）。パル
ス生成スイッチ（ＳＷ３）１２４をオンにし電極群１２
０に高電圧パルスを印加する頻度は、パルス生成スイッ
チ（ＳＷ４）１３４をオンにし電極群１４０に高電圧パ
ルスを印加する頻度の２倍である。

【００２０】以上説明した上記実施例では、プラズマ電
極を複数の電極群１２０、１４０で構成し、電極群１２
０および電極群１４０の両方に同時に高電圧パルスを印
加しない。したがって、同時に高電圧パルスを印加する
電極群の静電容量はプラズマ電極全体の静電容量よりも
小さい。電極群１２０、１４０における電圧降下が小さ
くなるので、排気ガスの浄化に必要な放電プラズマを発
生する高電圧パルスを電極群１２０、１４０に印加でき
る。

【００２１】本実施例では、陽電極群２０は流路部材１
２内において流量の多い中央部に設置されており、陽電
極群３０は流路部材１２内において中央部よりも流量が
少ない中央部の両側に設置されている。そして、電極群
１２０に印加する高電圧パルスの頻度を電極群１４０に
印加する高電圧パルスの頻度の２倍にしている。流量の
多い中央部に設置されている電極群１２０に印加する高
電圧パルスの頻度を高めることにより、排気ガスを浄化
するためにプラズマ装置１０に供給する電力を効果的に
使用し排気ガスを効果的に浄化できる。

【００２２】また、電源スイッチ（ＳＷ１）１０８をオ
ン、オフし２次コイル（Ｌ２）１０６に誘導電圧を発生
する頻度は、流路部材１２を流れる排気ガス量に応じて
増減することが望ましい。例えば、排気ガス量に相当す
る１回当たりの燃料噴射量、吸入空気量などに比例して
誘導電圧を発生する頻度を増やすことにより、排気ガス
を浄化する量に応じて最適な頻度を設定できる。これに
より、プラズマ装置１０の電力消費を効果的に制御し電
力消費を低減することができる。

【００２３】また、電源スイッチ（ＳＷ１）１０８をオ
ン、オフすることにより高電圧パルスを電極群１２０、
１４０に印加するタイミングだけ２次コイル（Ｌ２）１
０６に誘導電圧を発生させ、この誘導電圧によりダイオ
ード（Ｄ１）１１２、ダイオード（Ｄ２）１３２に電流
を流す。必要なときだけ２次コイル（Ｌ２）１０６に誘
導電圧を発生させるので、コンデンサに高電圧を蓄積す
るパルス生成回路の構成に比べ感電する恐れが小さくな
る。

【００２４】本実施例では、各電極群に印加する高電圧
パルスをダイオード（Ｄ１）１１２およびダイオード
（Ｄ２）１３２が逆方向電流遮断時に発生するフライバ
ック電圧で生成している。したがって、高電圧パルスを
生成するために特殊なスイッチング素子が不要であり、
パルス生成回路を低コストで構成できる。

【００２５】本実施例では、１次コイル（Ｌ１）１０４
および２次コイル（Ｌ２）１０６からなるトランスによ
り高電圧を発生し、ダイオード１１２（Ｄ１）およびダ
イオード（Ｄ２）１３２が発生するフライバック電圧を
電極群１２０、１４０に印加する高電圧パルスとした。
これに対し、１次コイル（Ｌ１）１０４および２次コイ
ル（Ｌ２）１０６からなるトランスを用いずに高電圧を
発生してもよい。また、ダイオード（Ｄ１）１１２およ
びダイオード（Ｄ２）１３２を用いずにスイッチングに
素子により高電圧パルスを生成してもよい。

【００２６】本実施例では、電極群１２０および電極群
１４０に同時に高電圧パルスを加えない制御を行ってい
るが、排気ガス量が多い場合、電極群１２０および電極
群１４０の両方に同時に高電圧パルスを印加し、排気ガ
ス量が少ない場合、電極群１２０または電極群１４０の
一方にだけ高電圧パルスを印加する制御を行うことは可
能である。

【００２７】本実施例では、２個の電極群１２０および
電極群１４０を電気的に並列に接続しプラズマ電極を構
成したが、３個以上の電極群を電気的に並列に接続しプ
ラズマ電極を構成してもよい。また本実施例では、車両
の排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置に本発明のプラ
ズマ装置を用いたが、排気ガスに限らず気体の汚れを浄
化する浄化装置に本発明のプラズマ装置を使用可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本発明の一実施例によるプラズマ装置
を排気ガス流れと直交する面で切断した断面図であり、
（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

【図２】本実施例のパルス生成回路を示す回路図であ
る。

【図３】パルス生成回路の作動を示すタイミングチャー
トである。

【符号の説明】

１０プラズマ装置１２流路部材２０、３０陽電極群２１、２２、２３、３１、３２、３３陽電極４０陰電極群４１、４２、４３、４４、４５、４６陰電極１００パルス生成回路１０４１次コイル１０６２次コイル（共振コイル）１０８電源スイッチ１１０、１３０共振コンデンサ１１２、１３２ダイオード１１４、１３４パルス生成スイッチ１２０、１４０電極群

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０５Ｈ 1/24 Ｆターム(参考） 3G091 AA02 AB04 AB14 BA01 BA14 BA20 BA39 HA07 4D002 AA02 AA12 AC10 BA07 GA03 GB20 HA01 4G075 AA03 AA37 AA62 BA05 BD12 CA47 DA03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】放電プラズマにより気体を浄化するプラ
ズマ装置であって、気体が流れる流路を形成する流路部材と、前記流路に設置され、電気的に並列に接続された複数の
電極群を有し、放電プラズマを発生するプラズマ電極
と、前記プラズマ電極に印加する高電圧パルスを生成するパ
ルス生成回路と、前記各電極群毎に設置され、前記パルス生成回路と各電
極群との電気的接続を断続するパルス生成スイッチと、
を備えることを特徴とするプラズマ装置。
【請求項２】前記パルス生成回路は、共振コイルと共
振コンデンサとダイオードとにより共振回路を構成し、
前記ダイオードに順方向電流が流れた後、前記ダイオー
ドに逆方向電流が流れるときに生じるフライバック電圧
を高電圧パルスとすることを特徴とする請求項１記載の
プラズマ装置。
【請求項３】前記パルス生成回路は、前記共振コイル
とトランスを構成する１次コイルと、前記１次コイルを
流れる電流を断続する電源スイッチとを有していること
を特徴とする請求項１または２記載のプラズマ装置。
【請求項４】放電プラズマにより気体を浄化するプラ
ズマ装置であって、気体が流れる流路を形成する流路部材と、前記流路に設
置されているプラズマ電極と、前記プラズマ電極に印加
する高電圧パルスを生成するパルス生成回路とを備え、前記パルス生成回路は、共振コイルと共振コンデンサと
ダイオードとにより共振回路を構成し、前記ダイオード
に順方向電流が流れた後、前記ダイオードに逆方向電流
が流れるときに生じるフライバック電圧を高電圧パルス
とすることを特徴とするプラズマ装置。
【請求項５】前記パルス生成回路は、前記共振コイル
とトランスを構成する１次コイルと、前記１次コイルを
流れる電流を断続する電源スイッチとを有していること
を特徴とする請求項４記載のプラズマ装置。
【請求項６】放電プラズマにより気体を浄化するプラ
ズマ装置であって、気体が流れる流路を形成する流路部材と、前記流路に設
置されているプラズマ電極と、前記プラズマ電極に印加
する高電圧パルスを生成するパルス生成回路とを備え、前記パルス生成回路は、１次コイルと、前記１次コイル
とトランスを構成する２次コイルと、前記１次コイルを
流れる電流を断続する電源スイッチとを有し、前記２次
コイルに発生する誘導電圧を前記プラズマ電極に印加す
る高電圧パルスの元圧とすることを特徴とするプラズマ
装置。
【請求項７】車両に搭載され、内燃機関の排気ガスを
浄化することを特徴とする請求項１から６のいずれか一
項記載のプラズマ装置。
【請求項８】請求項１、２または３記載のプラズマ装
置の制御方法であって、前記複数の電極群のうち同時に一つの電極群にだけ高電
圧パルスを印加することを特徴とするプラズマ装置の制
御方法。
【請求項９】前記流路において流速の遅い位置に設置
されている電極群よりも流速の速い位置に設置されてい
る電極群に高い頻度で高電圧パルスを印加することを特
徴とする請求項８記載のプラズマ装置の制御方法。
【請求項１０】請求項１、２または３記載のプラズマ
装置の制御方法であって、気体の汚れ程度に応じ、高電圧パルスを印加する電極群
の数を増減することを特徴とするプラズマ装置の制御方
法。
【請求項１1】請求項３、５または６記載のプラズマ
装置の制御方法であって、高電圧パルスを発生するとき
だけ前記電源スイッチをオン、オフし前記２次コイルに
誘導電圧を発生させることを特徴とするプラズマ装置の
制御方法。