專利名稱：氣體分解設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及氣體分解設備，其可利用等離子體分解方法使有害的氣體等變成無害的或無危險的，或者變成容易捕獲的。這些氣體含有作為執(zhí)行各種工業(yè)處理的結果而排出的揮發(fā)有機化合物(VOC)。
背景技術：
諸如甲苯、二甲苯和甲基乙基酮(MEK)的VOC是有害的化學物質(zhì)，這些有害化學物質(zhì)在使用有機溶劑的油漆過程等中產(chǎn)生。在過去實際上把VOC排放到大氣或環(huán)境空氣中。但是，近年來正在強制執(zhí)行污染排放和轉(zhuǎn)換注冊(PRTR)系統(tǒng)，并且社會上要求減少危害環(huán)境的VOC。因此，廣泛地研究和開發(fā)使VOC變成無害或無危險的技術。
在這些技術中，對使得VOC變成無危險的使用放電的技術受到密切的關注。尤其是，電介質(zhì)加載(dielectric-loading)方法吸引了眾多注意。在電介質(zhì)加載型技術中，在大氣壓力(例如常壓)下通過電極對裝在腔內(nèi)的電介質(zhì)材料施加電壓。從而在電介質(zhì)材料之間的空間間隙中引起等離子體放電例如輝光放電，并且產(chǎn)生等離子體。把要分解的VOC或氣體引入到產(chǎn)生等離子體的空間間隙中，從而可以利用等離子體的氧化作用把它們分解成二氧化碳、水等。
在等離子體處理設備中陶瓷材料最常被用作為電介質(zhì)。在此情況下，和電極接觸的電介質(zhì)的表面由于放電期間出現(xiàn)的振動可能被磨損。尤其在其中把多孔性陶瓷用作為電介質(zhì)，并且把金屬板、金屬棒、金屬網(wǎng)等用作為電極的情況，電介質(zhì)由于它的泡沫型結構而強度低，導致由于應力而使泡沫電介質(zhì)極有可能破裂、斷開或磨損。從而，電介質(zhì)加載方法的關鍵是防止或減少電介質(zhì)材料的損壞。已經(jīng)提出各種實現(xiàn)這種防止或減少的技術。
日本專利申請公開2002-253658號公開了一種空氣凈化設備，其中在一對電極之間插入涂覆著光催化劑(以下稱為“光催化過濾器”)的多孔性陶瓷材料，并且在電極和光催化過濾器之間設置緩沖材料。按照該技術，由于存在緩沖材料，因此可以防止光催化過濾器磨損。
但是，在上面的把緩沖材料設置在電極和光催化過濾器之間的結構中，由于電介質(zhì)材料的表面非常粗糙，電極和電介質(zhì)材料(即多孔性陶瓷)彼此不能精確接觸。從而難以建立穩(wěn)定的電場。另外，不穩(wěn)定的放電導致放電合成的物質(zhì)例如氮氧化物的增加，從而造成分解效率的下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種具有相對高的氣體分解效率的氣體分解設備或氣體處理盒，其中使用用彈性或撓性導電材料做成的電極以防止或減少電介質(zhì)材料因應力而受到的損壞，并且由于電極和電介質(zhì)材料之間改進的緊密接觸而建立穩(wěn)定的電場。
依據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種氣體分解設備，其包括至少一組高壓電極和接地電極；電源，用于在該高壓電極和該接地電極之間施加電壓以在它們之間引起等離子體放電；電介質(zhì)物質(zhì)，其放置在該高壓電極和該接地電極之間并且能允許要分解的氣體從其通過；以及，在其中設置該高壓電極、該接地電極以及該電介質(zhì)物質(zhì)的等離子體處理單元。該高壓電極和該接地電極中的至少一個由彈性導電材料構成，并且能和該電介質(zhì)物質(zhì)的表面輪廓匹配。
根據(jù)下面參照附圖對本發(fā)明的實施方案和例子的詳細說明，會更容易理解本發(fā)明的特征。


圖1是示意性示出依據(jù)本發(fā)明的一實施方案的氣體分解設備的結構的剖面圖。
圖2是說明圖1所示的包括高壓電極、接地電極和電介質(zhì)材料的氣體處理盒的結構的示意透視圖。
圖3是示意示出在本發(fā)明的每個例子中以及在比較例子中使用的氣體分解設備的結構的剖面圖。
圖4是示出本發(fā)明的每個例子和比較例子的主要(chief)條件和結果的表格。
具體實施例方式
下面參照

依據(jù)本發(fā)明的氣體分解設備或盒的優(yōu)選實施方案。
在示出氣體分解設備的一實施方案的圖1中，氣體分解設備1包括氣體入口部分1a，等離子體處理單元1b和氣體出口部分1c。氣體入口部分1a包括用于從其引入要分解的氣體G1的進氣端口2。等離子體處理單元1b用于對經(jīng)氣體入口部分1a引入的要分解的氣體G1進行等離子體處理。氣體出口部分1c包括用于把分解后的氣體G2排出到系統(tǒng)之外的排氣端口3，當要分解的氣體G1在等離子體處理單元1b中經(jīng)受等離子體處理時產(chǎn)生分解后的氣體G2。在氣體入口部分1a的上游沿著氣流方向設置把要分解的氣體G1引導到氣體入口部分1a的風扇11。
在等離子體處理單元1b中，從氣流上游端開始的排列順序如下第一接地電極4a、第一電介質(zhì)物質(zhì)6a、第一高壓電極5a、第二電介質(zhì)物質(zhì)6b、第二接地電極4b、第三電介質(zhì)物質(zhì)6c、第二高壓電極5b、第四電介質(zhì)物質(zhì)6d以及第三接地電極4c。在高壓電極5a或5b與電介質(zhì)物質(zhì)6a、6b或6c、6d之間設置空間間隙。盡管能在不形成空間間隙的情況下形成等離子體，但是最好提供這樣的空間間隙，從而能在大氣濕度不影響或影響很小的情況下形成穩(wěn)定的等離子體。
可根據(jù)施加的電壓以及要分解的氣體G1的濕度條件適當?shù)卦O定該空間間隙。當該間隙小于0.5mm時，可能在高濕度下放電變得不穩(wěn)定。相反，當間隙大于1.6mm時，為了形成等離子體需要施加高電壓。從而，該空間間隙最好在約0.5mm和約1.5mm之間。
上面討論的各個部件設置成在支持這些部件的支持部20內(nèi)覆蓋等離子體處理部分1b的整個剖面(橫貫于氣流的剖面)，從而來自進氣端口2的所有要分解的氣體G1的全部經(jīng)過這些件。換言之，在要把待分解的氣體G1引入到其中的氣體分解設備1的等離子體處理單元1b內(nèi)設置這些部件，從而例如在大氣壓力下于電極之間通過等離子感應放電例如輝光放電形成等離子體。在等離子體處理單元1b中這些部件被設置成使得基本上要分解的氣體G1的全部可經(jīng)過電介質(zhì)物質(zhì)6a到6d中的每一個。每個部件都可拆卸地或固定地設置在等離子體處理單元1b中。
分別用允許氣體通過(透氣性)的相同或不同的彈性導電材料形成接地電極4a、4b和4c。不需要使整個接地電極是彈性的或撓性的。可以只是使接地電極的一部分是彈性的或撓性的。用彈性導電材料做成的每個接地電極的表面對著每一電介質(zhì)物質(zhì)的表面并且與該表面緊密地接觸。
例如，在用大約2mm厚的彈性導電材料形成接地電極的情況下，即使移位與接地電極接觸的電介質(zhì)物質(zhì)的表面輪廓(移位量約為0.5mm)，接地電極的表面也跟隨該移位，并且保持與電介質(zhì)物質(zhì)接觸而不用移動接地電極。
依據(jù)本發(fā)明的另一種優(yōu)選結構如下。在該結構下，接地電極和高壓電極都用彈性導電材料形成。在這種結構下，分別在電介質(zhì)物質(zhì)和高壓電極之間以及在電介質(zhì)物質(zhì)和接地電極之間，建立不具有任何空間間隔的接觸條件。作為可替代方案，也可在電介質(zhì)物質(zhì)和高壓電極之間或者在電介質(zhì)物質(zhì)和接地電極之間形成空間間隙。
高壓電極5a和5b分別由多個涂覆有電介質(zhì)材料14的金屬電極13構成(參見圖2)。在高壓電極5a和5b的每個中，以大致平行的方式彼此間隔地設置多個金屬電極13。相應地，每個高壓電極在多個金屬電極13之間具有透氣孔，要分解的氣體G1可以通過這些孔。如上面說明那樣，具有透氣特性的彈性導電材料不僅可用于接地電極，還可以用于高壓電極。即，這種材料可以用于接地電極和高壓電壓中的至少一個。
接地電極4a、4b和4c分別通過適當?shù)难b置接地。例如，接地電極通過鋁帶等與接地布線連接。高壓電極5a和5b分別與AC(交流)高壓電源12連接。第一接地電極4a和第一高壓電極5a、第二接地電極4b和第一高壓電極5a、第二接地電極4b和第二高壓電極5b、以及第三接地電極4c和第二高壓電極5b設置成分別彼此相對。
一旦通過高壓電源12向高壓電極5a和5b施加高壓交流(AC)，在大氣壓力下于這些電極對之間引起放電例如輝光放電，并且形成等離子體。通過相對高的電壓引起的輝光放電是優(yōu)選的，因為它產(chǎn)生高的氣體處理速率。
從而，設置在這些電極對之間的電介質(zhì)物質(zhì)6a到6d分別經(jīng)受在它們之間形成的等離子體。高壓電源12可以按從商用電力頻率50赫和60赫到兆赫級的高頻的范圍內(nèi)的頻率提供電力。通常使用電壓輸出從幾千伏到幾萬伏的電源。但是，對于能在該實施方案的氣體分解設備1中使用的高壓電源沒有限制。
圖2是說明具有圖1中示出的接地電極、高壓電極以及電介質(zhì)物質(zhì)的盒的示意透視圖。盒7是其中集成地裝配接地電極、高壓電極和電介質(zhì)物質(zhì)的封裝。能夠可拆卸地把盒7安裝到氣體分解設備1的等離子體處理單元1b中。這樣，在預定的使用時間周期之后或者如果它的性能退化到低于可接受極限時，盒7可以由另一個盒替代。
在氣體分解設備1的等離子體處理單元1b中設置用于可拆卸地支持盒7的支持部(例如，和圖1中示出的支持部20類似的部件)。代替這種盒系統(tǒng)，可以固定該結構中的各構件。
每個高壓電極5a和5b例如由多個涂覆有電介質(zhì)材料14的棒狀金屬電極13構成。金屬電極13的外徑最好在約1mm到約2mm的范圍。金屬電極13的直徑是考慮到它的耐用性、電阻等確定的。例如，如果電極過細，則存在著和耐用性相關的問題。相反，如果電極過粗，則產(chǎn)生放電變得較困難。
可以用導電材料，例如不銹鋼、銅、黃銅、鋁、鐵和鎢，做成金屬電極13。覆蓋著金屬電極13的電介質(zhì)材料14最好是介電常數(shù)相對大的陶瓷材料。該電介質(zhì)材料例如可以是礬土、氧化鋯、氧化硅和鈦酸鋇?？梢赃m當選擇電介質(zhì)材料14的厚度，以使得不會導致由于施加電壓而引起的電介質(zhì)擊穿。電介質(zhì)材料14的厚度最好在約100微米到約500微米，從而可降低激發(fā)放電的電壓。
可以利用各種方法使電介質(zhì)材料14覆蓋金屬電極13，其中包括把金屬電極13插到管狀陶瓷中，用陶瓷材料涂覆金屬電極13，等等。涂覆方法最好使電力消耗效率的下降為最小，當在金屬電極13和電介質(zhì)材料14之間的空間間隙中出現(xiàn)放電時可能產(chǎn)生這種效率下降。涂覆有電介質(zhì)材料14的金屬電極13的輪廓(即樣本(pattern)的剖面形狀)可以考慮以下因素適當設定可容納電介質(zhì)物質(zhì)6a到6d，對電介質(zhì)物質(zhì)6a到6d中的每一個施加均勻電壓，在不經(jīng)歷任何明顯的壓力損失的情況下要分解的氣體G1可以經(jīng)過多個金屬電極13。
如前面說明的那樣，每個接地電極4a到4c由具有透氣性的彈性導電材料構成。這種彈性導電材料例如可以從金屬、毛織品、鋁泡沫體(包含足夠薄的骨架結構從而可以獲得上述彈性特性)、以及碳素纖維。為了進一步改進氣體分解效率，最好提供活性碳素纖維，其能在電極表面上吸收和捕獲處理物質(zhì)。另外，用促進分解過程的催化劑覆蓋活性碳素纖維更好。該催化劑的適當材料例如可以從諸如鉑、銀、鈀和銠的貴金屬、諸如鎳的金屬、以及二氧化錳中選擇。
下面說明電介質(zhì)物質(zhì)6a到6d的結構。每一電介質(zhì)物質(zhì)6a至6d是由多孔電介質(zhì)基底形成的。更具體地說，該基底可以是電介質(zhì)基底，例如蜂窩狀陶瓷和粒狀陶瓷的燒結體。特別地，考慮到強度相對高并且要分解的氣體的壓力損失相對小，最好采用具有陶瓷的電介質(zhì)骨架結構并且其中形成三維網(wǎng)狀流徑結構的基底。
最好用相對介電常數(shù)比電介質(zhì)基底的相對介電常數(shù)要高的鐵電膜覆蓋電介質(zhì)基底，這樣可以通過施加相對低的電壓生成等離子體而且可以減小電介質(zhì)材料生成的熱量。電介質(zhì)基底的材料最好具有低于50的相對介電常數(shù)，例如礬土、氧化鋯等。鐵電膜的材料最好具有超過1000的相對介電常數(shù)，例如鈦酸鋇、鈦酸鍶等。
為了進一步改進氣體分解效率，鐵電膜的表面最好覆蓋能吸收和捕獲處理物質(zhì)的吸附劑。另外，對該吸附劑覆蓋促進分解過程的催化劑則更佳。適于用作吸附劑的材料包括沸石、伽馬礬土等。適于用作催化劑的材料包括諸如鉑、銀、鈀和銠的貴金屬，諸如鎳的金屬，二氧化錳等等。
下面說明該實施方案的氣體分解設備1的操作。如圖1中所示，借助于風扇11，經(jīng)由氣體入口部分1a把含有VOC的要分解的氣體G1引導到等離子體處理單元1b中的電介質(zhì)物質(zhì)6a至6d。通過高壓電源12分別在接地電極4a至4c與高壓電極5a和5b之間施加電壓。夾在這些電極之間的電介質(zhì)物質(zhì)6a至6d的表面和孔處出現(xiàn)放電，并且在大氣壓力(例如常壓)下產(chǎn)生等離子體。引入到電介質(zhì)物質(zhì)6a至6d的孔中的要分解的氣體G1與等離子體接觸并且通過等離子氧化和分解。從而，要分解的氣體G1經(jīng)受處理以使它變成非危險的等等。這樣分解后的氣體G2被引導到氣體出口部分1c，并且經(jīng)由排氣端口3排出到氣體分解設備1的外部。
如上面說明的那樣，該實施方案的氣體分解設備的每個接地電極4a至4c是由彈性導電材料構成的。從而，電介質(zhì)物質(zhì)6a至6d最好分別與接地電極4a至4c緊密接觸，以便可以在電介質(zhì)物質(zhì)6a至6d的表面上建立高強度的均勻電場。這樣，就可以非常有效地進行氣體處理。另外，由于彈性導電接地電極4a至4c的彈性位移跟隨特性，能減小電介質(zhì)物質(zhì)的表面上由振動引起的磨損等等。
此外，在依據(jù)本實施方案的設備結構中，當接地電極4a至4c分別由活性碳素纖維構成時，以及當該活性碳素纖維還涂覆有用來提高分解速率的催化劑時，可以進一步改善氣體分解效率。
在下面的例子中更具體地說明依據(jù)本發(fā)明的氣體處理的有益效果。應理解，這些樣子只是出于說明目的給出的而不是意圖用來限制本發(fā)明。
圖3示意性地示出例1和2以及比較例中使用的氣體分解設備的結構。在例1和2以及比較例子中，裝載著要分解的氣體的氣體容器114通過流量控制器115與氣體分解設備101的氣體引入端口連接。氣體分解設備101的等離子體處理單元117的凈體積是60.5cm3。氣體分解設備101的排氣端口與分析儀116(Skimazu Seisakusho K.K.公司制造的氣相色譜儀)通過一條管子連接。要分解的氣體是濃度為1ppm的甲苯氣體。流量控制器115把要分解的氣體的流量調(diào)節(jié)到350升/分鐘。
在例1中，每個電極以及每一電介質(zhì)物質(zhì)的結構略比上述實施方案中的結構簡單。外部尺寸為110mm×110mm×5mm的電介質(zhì)物質(zhì)106夾在接地電極104和與高壓電源112連接的高壓電極105之間。接地電極104是用尚未經(jīng)過活化處理的無紡或非紡織彈性碳素纖維制成的。接地電極104的厚度為3mm并且篩粗糙度(roughness)為50g/m2。高壓電極105由多個鎢棒構成，每個鎢棒的直徑為1mm，并且用外徑為2mm，內(nèi)徑為1mm的礬土管包覆。
在電介質(zhì)物質(zhì)106和高壓電極105之間形成0.5mm的空間間隙，并使接地電極104和電介質(zhì)物質(zhì)106接觸。通過對多孔礬土基底涂覆相對介電常數(shù)為4000的鈦酸鋇鐵電材料并且在攝氏1250度下燒結該涂覆著鈦酸鋇的多孔礬土基底來制造電介質(zhì)物質(zhì)106。鐵電膜的厚度為20微米。電介質(zhì)物質(zhì)106中流徑之間的平均間隔為1mm，并且它的氣孔率為80％。
在例2中，接地電極104由無紡或非紡織的彈性活性碳素纖維構成。例2中的其它條件和例1相同。
在比較例中，接地電極104由直徑為1mm的不銹鋼棒構成。在該比較例中，高壓電極105和接地電極104都分別與電介質(zhì)物質(zhì)106接觸。由此電介質(zhì)物質(zhì)和電極之間不存在間隙。比較例中的其它條件和例1中的條件相同。
利用例1、例2和比較例的氣體分解設備執(zhí)行使要分解的氣體變成非危險的或無害的處理。圖4中的表格示出各個例子的主要條件和結果。如圖4的表格中說明那樣，分解效率定義為等于(1-(引出端口處的濃度)/(引入端口處的濃度))×100。
在比較例中，由于不銹鋼棒用作接地電極104，因此不可能在電介質(zhì)物質(zhì)106的表面上穩(wěn)定地建立均勻電場。從而，在該比較例中，處理能力或分解效率比例1和例2差，并且合成的氮氧化物的濃度高于例1和2。
如上面說明的那樣，在本發(fā)明的氣體分解設備或方法中，至少一對電極是用彈性導電材料制成的，從而能使電極和電介質(zhì)物質(zhì)緊密接觸并且均勻地形成高強度電場。結果，可以相對高的效率處理要分解的氣體。另外，可以減小或防止損壞，例如由于振動造成的電介質(zhì)材料表面的磨損。
當電極由活性碳素纖維構成時，并且當該活性碳素纖維還涂覆有用來提高分解速率的催化劑時，可以進一步改善處理效率或分解效率。
本發(fā)明的氣體分解設備和氣體處理盒可處理VOC、發(fā)出惡臭的材料等等。從而，可以按個人、商用或工業(yè)規(guī)模廣泛地利用本發(fā)明來處理材料。難聞氣味例如是由各種空間，諸如人聚集和生活的房間的污物發(fā)出的，以及是由機動車等排出的污染氣體發(fā)出的。
除了本文在此公開的內(nèi)容之外，各圖中示出的各個構件分別是周知的，并且它們的內(nèi)部結構和操作對于完成和使用本發(fā)明或者對于優(yōu)選實施方案的說明都不是關鍵性的。
盡管針對目前認為是實施方案和例子的內(nèi)容說明了本發(fā)明，應理解本發(fā)明不受公開的實施方案和例子的限制。本發(fā)明意圖覆蓋附后權利要求書的精神和范圍所包含的各種修改和等同結構。
本申請要求2005年9月6日申請的日本專利申請2005-258589號的優(yōu)先權，該申請的內(nèi)容收錄在此作為參考。
權利要求
1.一種氣體分解設備，包括至少一組高壓電極和接地電極；電源，用于在該高壓電極和該接地電極之間施加電壓以在它們之間引起等離子體放電；電介質(zhì)物質(zhì)，其放置在該高壓電極和該接地電極之間，并且能允許要分解的氣體從其通過；以及在其中設置該高壓電極、該接地電極以及該電介質(zhì)物質(zhì)的等離子體處理單元，其中該高壓電極和該接地電極中的至少一個由彈性導電材料構成并且能和該電介質(zhì)物質(zhì)的表面輪廓匹配。
2.依據(jù)權利要求1的氣體分解設備，其中高壓電極和接地電極中至少之一包含催化劑和吸附劑中至少之一。
3.依據(jù)權利要求1的氣體分解設備，其中彈性導電材料是從活性碳素纖維、碳素纖維、金屬棉或鋁泡沫體中選擇的。
4.依據(jù)權利要求1的氣體分解設備，其中把高壓電極和接地電極組以及電介質(zhì)物質(zhì)集成地裝配在盒內(nèi)，并且該盒經(jīng)支持部被可拆卸地安裝在等離子體處理單元中。
5.依據(jù)權利要求1的氣體分解設備，其中在高壓電極和電介質(zhì)物質(zhì)之間存在間隙。
6.依據(jù)權利要求5的氣體分解設備，其中該間隙約從0.5mm到約1.5mm。
全文摘要
一種氣體分解設備，包括至少一組高壓電極和接地電極；用于在該高壓電極和該接地電極之間施加電壓以在它們之間引起等離子體放電的電源；電介質(zhì)物質(zhì)以及等離子體處理單元。電介質(zhì)物質(zhì)設置在高壓電極和接地電極之間，并且可允許要分解的氣體穿過。高壓電極、接地電極和電介質(zhì)物質(zhì)設置在等離子體處理單元中。高壓電極和接地電極中至少之一由彈性導電材料構成，并且能和電介質(zhì)物質(zhì)的表面輪廓匹配。
文檔編號B01D53/72GK1935325SQ20061012819
公開日2007年3月28日 申請日期2006年9月6日 優(yōu)先權日2005年9月6日
發(fā)明者金子芳昭, 西口敏司, 巖間秀男, 田村順一 申請人:佳能株式會社