JPH04300661A - 排気微粒子処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、燃焼ガスに含まれる
排気微粒子を捕集して処理する排気微粒子処理装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、石油及び石炭などの化石燃料を
使用する内燃機関，ガスタービン，産業用ボイラ，発電
用ボイラ，湯沸かし器及び高温ガス炉などにおける燃焼
ガスや、アルコール燃料及びバイオマス燃料を燃焼させ
た場合の燃焼ガスの、排気中に含まれる煤や不純物（ダ
スト）などの排気微粒子をそのまま大気中に放出すると
、環境汚染を招き好ましくない。

【０００３】従来、大気中に放出する煤及び不純物など
の排気微粒子の量は、定置用の燃焼装置については厳し
く規制されている。その規制対策としては、電気集塵法
及びバグフィルタを用いる方法などがある。電気集塵法
は高電圧（６０００〜１００００Ｖ）を用いたコロナ放
電を利用して排気微粒子に電荷を与え、これを電界の作
用（クーロン力）により排気中から電気的に分離して捕
集するもので、静電的凝集作用によって排気微粒子の捕
集ができる。

【０００４】一方、バグフィルタを利用したものは、排
気通路に設置したバグフィルタを排気が通過するときに
排気微粒子を捕集するものであるが、最近ではバグフィ
ルタの上流側に静電チャージを配置し、コロナ放電を利
用して排気中の煤やダストに電荷を与え、後段のバグフ
ィルタで吸着捕集する方法も採用されている。このとき
のコロナ放電には、４０００Ｖ／ｃｍ程度の高電圧が印
加される。

【０００５】これら定置用に対し、移動用の自動車にお
けるディーゼル機関などでは、上記したような高電圧装
置とその電源を設置することは、取扱い上不便であり、
また経済的でないため、排気通路中にセラミックフィル
タを排気流れと直角になるよう設置し、このフィルタに
より排気微粒子を捕集するようにしたものがある。この
場合、排気中に含まれる排気微粒子がフィルタにおける
炭素繊維や微小炭素粒子の隙間を通過する際に、ここに
吸着または付着し、捕集した排気微粒子が所定量に達す
ると、電気ヒータなどで排気微粒子を燃焼させフィルタ
を再生する開発研究が行われている（特開昭６３−６５
１１３号公報参照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記定
置用における電気集塵法、及びバグフィルタ上流にコロ
ナ放電を発生させる方法では、高電圧を利用するので、
装置が大掛かりとなって取扱いが不便となる上、コスト
高を招き好ましくなく、またバグフィルタ自体は安定し
た集塵性能が得られるが、排気微粒子の堆積が進むこと
による圧力損失と、寿命及び交換作業などのメンテナン
スに問題がある。また、セラミックフィルタを用いたも
のでは、再生時に使用する電気ヒータなどに大電力を必
要とし、また排圧の上昇による燃費悪化が問題となるほ
か、排気微粒子が局所的に捕集されるなど捕集量が多く
なると、ヒータによる燃焼熱が過大となりフィルタ寿命
を低下させ、また逆に少ないと燃焼に至らず再生できな
くなる虞がある。

【０００７】そこでこの発明は、高電圧を用いることな
く、排気微粒子の捕集を良好に確保することを目的とし
ている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
にこの発明は、燃焼ガスが通過する排気通路に、燃焼ガ
スに含まれる排気微粒子を捕集する導電性の捕集部材を
設け、この捕集部材の上流側の排気通路に、前記排気微
粒子を含む燃焼ガスが排気微粒子とともに通過可能な導
電性部材を設け、この導電性部材と前記捕集部材とに互
いに極性の異なる電荷を帯電させる電圧印加手段を設け
たものである。

【０００９】

【作用】電圧印加手段により、例えば導電性部材に負の
電荷を与える一方、捕集部材に正の電荷を与えると、排
気微粒子は排気とともに導電性部材を通過する際に負の
電荷を帯び、この負の電荷を帯びた排気微粒子が後段の
正の電荷を帯びた捕集部材に達すると、排気微粒子は捕
集部材に吸着され捕集される。

【００１０】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面に基づき説明
する。

【００１１】図１及び図２はこの発明の原理を示す説明
図である。燃焼ガスが通過する排気通路１には、排気中
の煤やダストなどの排気微粒子を捕集する捕集部材であ
る炭素繊維フェルトなどの導電性吸着フィルタ３が設け
られている。導電性吸着フィルタ３は、石炭及び石油の
ピッチ系、ポリアクリルニトリル（ＰＡＮ）系及びフェ
ノール系の炭素繊維、並びに金属及び非鉄性金属繊維を
用い、またその形状は、原綿、フェルト、マット、クロ
ス、ヤーン、シート及びチョップ状などでよい。ピッチ
系炭素繊維は、等方性ピッチや光学的異方性のメソフェ
ーズピッチなどを原料としている。炭化焼成処理は通常
６００〜１５００℃程度であるため耐熱性があるが、特
に８００〜１０００℃程度が望ましく、この場合直毛ま
たはカル状のピッチ系炭素繊維を用いる。炭素繊維の比
重は約２．５、線径は１〜１５μｍ、嵩密度が２０〜１
２０ｋｇ／ｍ３　程度がよい。

【００１２】このような導電性吸着フィルタ３の上流側
の排気通路１には、図２に示すように前記排気微粒子を
含むを燃焼ガスが排気微粒子とともに通過可能な導電性
部材としての金網５が設けられている。この金網５と前
記導電性吸着フィルタ３とは、これら相互に極性の異な
る電荷を帯電させる電圧印加手段としての、１２Ｖある
いは２４Ｖの直流電源７が接続されている。

【００１３】導電性吸着フィルタ３と金網５との間にお
ける排気通路１の下部には、排気微粒子を受け入れる煤
トレイ９が設置され、煤トレイ９における導電性吸着フ
ィルタ３の近傍には排気微粒子を燃焼させる電熱ヒータ
１１が設けられている。この電熱ヒータ１１は煤トレイ
９に落した煤自体を燃焼させるだけであるので、供給さ
れる電力は小さくてよい。

【００１４】このような構成の排気微粒子処理装置にお
いて、直流電源７により導電性吸着フィルタ３に正の電
荷を与え、金網５に負の電荷を与える。この状態で、こ
の装置上流側で燃焼ガスが発生し、図中で矢印Ａのよう
にその排気が流れてくると、排気は負に帯電した金網５
を通過しこれに接触することで、電気的に中性な煤やダ
ストなどの排気微粒子は負に帯電する。負に帯電した排
気微粒子が正に帯電している導電性吸着フィルタ３に達
すると、排気微粒子はこのフィルタ３の表面に電気的に
吸着して捕集され、その後付着表面で電気的に中性に戻
る。

【００１５】このようにして排気微粒子の捕集量が増大
し、導電性吸着フィルタ３を再生する必要が生じると、
前記とは逆に導電性吸着フィルタ３に負の電荷を与え、
金網５に正の電荷を与える。これにより、導電性吸着フ
ィルタ３に付着している中性の排気微粒子は、負の電荷
を帯び、正電荷を帯びた金網５に吸い寄せられて移動し
、導電性吸着フィルタ３近傍の煤トレイ９に落下する。 煤トレイ９に落下した排気微粒子は、電熱ヒータ１１に
より焼却される。導電性吸着フィルタ３に付着している
煤を煤トレイ９に落下させるためには、導電性吸着フィ
ルタ３と金網５との間隔を、電源７の電圧に応じて適宜
設定すればよい。

【００１６】上記のような排気微粒子処理装置によれば
、市販常用の１００Ｖ、あるいは自動車用の１２〜２４
Ｖの低電圧電源を用い、高電圧を利用する必要がないの
で、装置が簡略化され、取扱い上も有利となってコスト
低下が達成される。また、排気微粒子は導電性吸着フィ
ルタ３の表面、あるいは表面付近に電気的に吸着し始め
るので、この状態で再生するようにすれば、排気微粒子
は導電性吸着フィルタ３の内部に入り込みにくくなり、
排気微粒子の堆積による排気圧力の上昇を防止でき、燃
料消費量の増加などによる機関性能の低下は防止される
。このように、排気微粒子は導電性吸着フィルタ３の内
部に入り込みにくいことからここを通過しにくくなり、
このため導電性吸着フィルタ３自体の目を荒くしたり、
排気流れ方向の厚さを薄くすることができ、これによっ
ても排気圧力の上昇を防止できる。また、導電性吸着フ
ィルタ３を再生させる際には、このフィルタ３に吸着し
た状態の排気微粒子を燃焼させるのではなく、逆極性の
電圧を導電性吸着フィルタ３と金網５との間に印加させ
て離脱させ落下させるので、導電性吸着フィルタ３の寿
命低下は回避され、フィルタ３の再生も良好に行われる
。

【００１７】次に、この発明を自動車用ディーゼル機関
に適用した例を図３に示す。機関本体１３に接続される
排気マニホールド１５に排気管１７が接続され、この排
気管１７の途中に排気微粒子処理装置１９が設けられて
いる。排気微粒子処理装置１９はフィルタ箱２１を有し
、このフィルタ箱２１には、フィルタ箱２１の内部空間
を上流側空間２３と下流側空間２５とに分割する捕集部
材としての炭素繊維フェルトからなる導電性のフィルタ
２７が収納されている。フィルタ２７とフィルタ箱２１
との間には、耐熱性が高く電気的に高抵抗の例えばセラ
ミックなどからなる絶縁物２９が介装されている。フィ
ルタ箱２１の排気流に直交する面の断面積は、排気管１
７の同断面積より大きく形成し、排気管１７からフィル
タ箱２１に流出する排気の流速を低下させている。

【００１８】上流側空間２３には上流側排気管１７ａの
端部が挿入されて接続され、下流側空間２５には下流側
排気管１７ｂが連通接続されている。上流側空間２３内
に位置する上流側排気管１７ａ内には、導電性部材とし
ての金網３１が設けられている。この金網３１と上流側
排気管１７ａとの間には、セラミックなどからなる絶縁
物３３が介装されている。金網３１と前記フィルタ２７
とは、１２Ｖあるいは２４Ｖの直流電源３５が接続され
てる。フィルタ２７と金網３１との間におけるフィルタ
箱２１の下部には煤トレイ３７が設置され、煤トレイ３
７のフィルタ２７の近傍には排気微粒子を燃焼させる電
熱ヒータ３９が設けられている。

【００１９】金網３１が設けられた部位付近の詳細を図
４に示す。金網３１は絶縁物３３の上下流両端部付近の
内面にそれぞれ設けられ、２つの金網３１，３１相互間
には金網３１，３１に接触した状態で導電性の一対のス
ペーサ４１が介装され、スペーサ４１に電源３５の負極
側が接続されている。

【００２０】このように構成することで、フィルタ２７
に正の電荷を与える一方、金網３１に負の電荷を与え、
この状態で排気中の電気的に中性の排気微粒子は、金網
３１を通過するときこれに接触して負の電荷を帯びる。 ここでは、金網３１は直列に２つ配置されているので、
上流側の金網３１で負に帯電できなかった排気微粒子も
下流側の金網３１で負に帯電させることが可能となる。 排気は、この負に帯電した排気微粒子とともに上流側空
間２３に流出し、ここで膨脹して流速が低下し、この状
態で排気微粒子はフィルタ２７の表面に電気的に効率よ
く吸着し、吸着後中性に戻る。その後、フィルタ２７及
び金網３１に、それぞれ前記とは逆極性の電荷を帯電さ
せることで、排気微粒子を煤トレイ３７上に落下させ燃
焼させる。　　図５は、フィルタ箱２１内の導電性のフ
ィルタ２７直前に、金網４３を絶縁物４５を介して装着
したものである。この場合、金網４３を上流側排気管１
７ａ内に設置せず、フィルタ２７とともにフィルタ箱２
１内に設けてあるので、排気微粒子処理装置を一つのユ
ニットとして作成でき、取扱い上有利となる。

【００２１】図６は、フィルタ箱４７内の下流側部位に
、導電性のフィルタ４９を絶縁物５０を介して設けてい
る。このフィルタ４９は、下流側端面４９ａ及び円筒部
４９ｂからなるカップ状を呈し、絶縁物５０もフィルタ
４９と同形状を呈している。上流側排気管５１は、その
下流側端部がフィルタ箱４７内におけるフィルタ４９内
の空間５３に臨んでおり、下流側排気管５５の上流側端
部もこの空間５３に臨んでいる。フィルタ箱４７内にお
ける上流側排気管５１の空間５３より上流側部分には、
導電性部材としての金網５７が介装されている。金網５
７は、セラミックからなる一対の絶縁物５９，５９を介
してフランジ６１，６１間に挟持固定され、フィルタ箱
４７内にも外周部が露出している。下流側排気管５５と
フィルタ４９との間には、セラミック製の絶縁物６３が
介装されている。

【００２２】このような構成によれば、直流電源３５に
よりフィルタ４９を正の電荷に、金網５７を負の電荷に
それぞれ帯電させる。この状態で、上流側排気管５１に
排気が流れてくると、排気は負に帯電した金網５７を通
過しこれに接触することで、電気的に中性な煤やダスト
などの排気微粒子は負に帯電する。負に帯電した排気微
粒子がフィルタ４９内の空間５３に達すると、正に帯電
しているフィルタ４９に電気的に吸着し、付着表面で電
気的に中性に戻る。

【００２３】排気微粒子の捕集量が増大しフィルタ４９
を再生する必要が生じると、前記とは逆にフィルタ４９
を負の電荷に帯電させ、金網５７を正の電荷に帯電させ
る。これにより、フィルタ４９に付着している中性の排
気微粒子は、負の電荷を帯び、正電荷を帯びた金網５７
の外周部に吸い寄せられて移動し、煤トレイ３７に落下
する。煤トレイ３７に落下した排気微粒子は、電熱ヒー
タ３９により焼却される。

【００２４】この場合には、排気は排気上流管５１から
フィルタ箱４７内に一旦流出した後排気下流管５５に流
入し、フィルタ４９を通過することがないので、圧力損
失を低く抑えることができ、排気圧力も排気がフィルタ
４９を通過するものに比べて小さく、燃料消費量も少な
くて済み機関出力も向上する。また、上流側排気管５１
を流れる排気が一旦フィルタ箱４７内に流出して拡張す
るので、排気消音効果も得られる。

【００２５】図７は、フィルタ箱６３内に、導電性のフ
ィルタ６５をその嵩密度を考慮して排気流れに直角に配
置したもので、これによりフィルタ箱６３内は上流側空
間６７と下流側空間６９とに分割される。符号６４は絶
縁物である。そして、上流側空間６７に図６と同様な上
流側排気管５１を、また下流側空間６９には下流側排気
管５５をそれぞれ臨ませている。この例では、図６と同
様に排気消音効果が得られるほか、排気がフィルタ６５
を通過するので、図６のものに比べ排気圧力は高まるが
、排気微粒子の除去効果は向上する。

【００２６】図８は、フィルタ箱７１内の金網４３の下
流に設置する導電性のフィルタ７３を排気流れと平行に
複数設けたものである。フィルタ７３を排気流れと平行
に設けることで、図６の例と同様に排気圧力を低くを抑
えることができる。

【００２７】次に、５００ｃｃ単気筒４サイクルディー
ゼル機関（直接噴射式）にこの発明を適用した場合の試
験結果を図９に示す。図９は、フィルタ箱の入口と出口
とにおける排気中の煤濃度の変化率（％）と、機関出力
（ＰＳ）との関係を、機関回転数が２６００ｒｐｍの状
態で印加電圧の違いにより示したものである。ここで、
実線が０Ｖ，破線が１２Ｖ，一点鎖線が２４Ｖ，二点鎖
線が５０Ｖをそれぞれ印加したとき濃度変化率である。 また、フィルタ箱の形式は、図６のものを使用した。こ
れによれば、１２Ｖ，２４Ｖ，５０Ｖと各電圧を印加し
た場合には、電圧を印加せず、単にフィルタを設置した
場合に比べてフィルタ箱入口に対する同出口の濃度変化
が大きく、煤がより多く除去されていることがわかる。

【００２８】図１０は、機関始動時におけるフィルタ箱
出口での煤濃度（％）と、印加電圧（Ｖ）との関係を示
している。これによれば、単にフィルタを設置した場合
の煤濃度が８９％に対し、電圧を１２Ｖ印加した場合に
は７２％と大きく低下し、さらに印加電圧を２４Ｖ，５
０Ｖと大きくするに従い、煤濃度は６８％，６５％と徐
々に低下している。なお、このときのフィルタ箱入口の
煤濃度は９６％である。　　これらの試験結果からも明
らかなように、排気微粒子に負の電荷を与えてこれを正
の電荷を帯びているフィルタに吸着させることで、効果
的に排気微粒子を除去することができる。

【００２９】なお、上記実施例では、排気微粒子に金網
を通過せる際に負の電荷を与えているが、これとは逆に
このとき排気微粒子に正の電荷を与えるよう金網に正の
電荷を、フィルタに負の電荷を与えるようにし、排気微
粒子がフィルタに付着した後に、金網に負の電荷を、フ
ィルタに正の電荷を与える構成としてもよい。また、具
体例としてディーゼル機関を用いて説明したが、これに
限ることはなく、石油及び石炭などの化石燃料を使用す
るガスタービン，産業用ボイラ，発電用ボイラ，湯沸か
し器及び高温ガス炉や、アルコール燃料及びバイオマス
燃料を燃焼させるシステムに、この発明を適用してもよ
い。

【００３０】

【発明の効果】以上説明してきたようにこの発明によれ
ば、排気通路に設けた排気微粒子を捕集する導電性の捕
集部材の上流側に、燃焼ガスが通過可能な導電性部材を
設け、これら捕集部材及び導電性部材間に電圧を印加し
、電荷を帯びた導電性部材を通過する排気微粒子を帯電
させ、その下流の捕集部材に電気的に吸着させて捕集す
るようにしたので、使用電圧は低電圧のもので済み、装
置が簡略化でき、取扱い上も有利となってコスト低下を
達成することができる。また、捕集部材に吸着する排気
微粒子は、捕集部材の表面から付着し始めるので、捕集
部材の内部には入りにくく、この状態で捕集部材及び導
電性部材間に上記とは逆極性の電荷を帯電させることで
排気微粒子を落下させれば、排気圧力の上昇が最小限に
抑えられ、捕集部材の再生をその寿命を低下させること
なく良好に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の排気微粒子処理装置の原理を示す説
明図である。

【図２】図１のＢ−Ｂ断面図である。

【図３】この発明の第１の実施例を示す全体構成図であ
る。

【図４】図３の金網部分の拡大された断面図である。

【図５】この発明の第２の実施例を示す排気微粒子処理
装置の断面図である。

【図６】この発明の第３の実施例を示す排気微粒子処理
装置の断面図である。

【図７】この発明の第４の実施例を示す排気微粒子処理
装置の断面図である。

【図８】この発明の第５の実施例を示す排気微粒子処理
装置の断面図である。

【図９】この発明の試験結果を示すフィルタ箱入口に対
する同出口の濃度変化率を、機関出力に応じて示した説
明図である。

【図１０】この発明の試験結果を示す煤濃度を印加電圧
に応じて示した説明図である。

【符号の説明】

１　　排気通路 ３　　導電性吸着フィルタ（捕集部材）５　　金網（導
電性部材） ７　　直流電源（電圧印加手段）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　燃焼ガスが通過する排気通路に、燃焼
   ガスに含まれる排気微粒子を捕集する導電性の捕集部材
   を設け、この捕集部材の上流側の排気通路に、前記排気
   微粒子を含む燃焼ガスが排気微粒子とともに通過可能な
   導電性部材を設け、この導電性部材と前記捕集部材とに
   互いに極性の異なる電荷を帯電させる電圧印加手段を設
   けたことを特徴とする排気微粒子処理装置。