揮発性有機化合物処理装置
【課題】小型化が可能で低ランニングコストであり安全性が高く、処理効率が高い揮発性有機化合物処理装置を提供する。
【解決手段】揮発性有機化合物処理装置１は、ガスを流通させる連通孔部が形成された導電性発熱体２０、及び、導電性発熱体へ通電するための電極２１ａ，２１ｂを備え、通電による導電性発熱体の発熱によって連通孔部を流通するガスを加熱する加熱部２と、揮発性有機化合物の酸化分解温度を低下させる触媒体を備え、加熱部よりガス流通の下流側に設けられ加熱部で加熱されたガスに含まれる揮発性有機化合物を酸化分解させる触媒部とを具備し、加熱部は、溶融金属の固化により電極側の導電性発熱体の端面に一体化し積層された金属層２３、及び、金属層と電極との間に設けられた導電性弾性体層としてのスチールウール層２２を備える。
【解決手段】揮発性有機化合物処理装置１は、ガスを流通させる連通孔部が形成された導電性発熱体２０、及び、導電性発熱体へ通電するための電極２１ａ，２１ｂを備え、通電による導電性発熱体の発熱によって連通孔部を流通するガスを加熱する加熱部２と、揮発性有機化合物の酸化分解温度を低下させる触媒体を備え、加熱部よりガス流通の下流側に設けられ加熱部で加熱されたガスに含まれる揮発性有機化合物を酸化分解させる触媒部とを具備し、加熱部は、溶融金属の固化により電極側の導電性発熱体の端面に一体化し積層された金属層２３、及び、金属層と電極との間に設けられた導電性弾性体層としてのスチールウール層２２を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、揮発性有機化合物処理装置に関するものであり、特に、工場や事業所から排出されるガス中の揮発性有機化合物を分解し、処理済みのガスを大気中に放出するために使用される揮発性有機化合物処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
揮発性有機化合物（ＶＯＣ）は、浮遊粒子状物質や光化学オキシダントの原因物質の一つであり、一定規模以上の工場や事業所はＶＯＣの排出規制の対象となると共に、規制対象外の中小規模事業所に対しても自主的にＶＯＣの排出を抑制することが求められている。出願人らが所在する東海地方は、他地方に比べてＶＯＣの排出量が多いという統計があり、中小規模の事業所の割合も高い。そこで、中小規模の事業所のＶＯＣ排出の抑制に対する自主的な取り組みを進めるために、中小規模の事業所でも導入し易い、小型で低ランニングコストのＶＯＣ処理装置が望まれている。
【０００３】
従来のＶＯＣ処理装置は、吸着法、薬液吸収法、生物分解法、プラズマ分解法、燃焼酸化法（直接燃焼式、蓄熱燃焼式、触媒燃焼式）を用いた装置に大別される。そのうち、燃焼酸化法では、加熱の手段としてバーナを使用した装置（例えば、特許文献１参照）や、電気ヒータを使用した装置（例えば、特許文献２参照）が一般的である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、吸着材や薬液の交換が必要でランニングコストがかかる吸着法や薬液吸収法、生物の維持管理に手間や経費がかかる生物分解法、装置が大型でコスト高のプラズマ分解法を用いた装置は、中小規模の事業所には不向きであった。また、加熱する手段としてバーナを用いる装置では、可燃性のＶＯＣに引火するおそれがあった。加えて、電気ヒータを用いる装置では、熱効率が悪く加熱に時間がかかるという問題があった。
【０００５】
そこで、出願人らは、上記の実情に鑑み、小型化が可能で低ランニングコストであると共に安全性が高く、処理効率の高い揮発性有機化合物処理装置の開発を進め、提案している（上記提案の発明にかかる特許出願は出願公開前であるため、公知文献に該当しない）。本発明は上記提案の揮発性有機化合物処理装置の改良にかかるものであり、処理効率をより高めることを課題とする。
【０００６】
すなわち、本発明は、小型化が可能で低ランニングコストであり安全性が高く、処理効率が高い揮発性有機化合物処理装置の提供を課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するため、本発明にかかる揮発性有機化合物処理装置は、「ガスを流通させる連通孔部が形成された導電性発熱体、及び、該導電性発熱体へ通電するための電極を備え、通電による前記導電性発熱体の発熱によって前記連通孔部を流通するガスを加熱する加熱部と、揮発性有機化合物の酸化分解温度を低下させる触媒体を備え、前記加熱部よりガス流通の下流側に設けられ前記加熱部で加熱されたガスに含まれる揮発性有機化合物を酸化分解させる触媒部とを具備し、前記加熱部は、溶融金属の固化により前記電極側の前記導電性発熱体の端面に一体化し積層された金属層、及び、該金属層と前記電極との間に設けられた導電性弾性体層を備える」ものである。
【０００８】
「導電性発熱体」としては、導電性セラミックス、半導体セラミックス、金属を使用することができる。
【０００９】
「ガスを流通させる連通孔部」は、例えば、導電性発熱体に設けた貫通孔、導電性発熱体を多孔質構造とした場合の連続気孔、後述のように導電性発熱体をハニカム構造を有するものにした場合のセル、によって構成させることができる。
【００１０】
「揮発性有機化合物」（以下、単に「ＶＯＣ」と称することがある）は、大気中に排出され又は飛散した時に気体である有機化合物であって、浮遊粒子状物質及びオキシダントの生成の原因とならない物質として政令で定める物質を除いたものであり、トルエン、キシレン、ジクロロメタン、エチルベンゼン、ベンゼン、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、メタノール、イソプロピルアルコール、酢酸エチル、酢酸ブチル等を挙げることができる。特に、トルエンやキシレンは、印刷や塗装関係の工場や事業所で溶剤として多用されており、排出量が多い。
【００１１】
「揮発性有機化合物の酸化分解温度を低下させる触媒体」の触媒としては、白金、パラジウム、ロジウム、金、イリジウム、ルテニウム等の金属触媒や、酸化セリウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化スズ、酸化マンガン、酸化タンタル等の金属酸化物触媒を使用することができる。或いは、複数の金属触媒、複数の金属酸化物触媒、または金属触媒と金属酸化物触媒を組み合わせた複合触媒を使用することもできる。なお、ＶＯＣの酸化分解温度は６５０〜８００℃であるが、上記の触媒の作用により２００〜４００℃で酸化分解させることができる。
【００１２】
「触媒体」の構成としては、ガスが流通可能な多孔質体に触媒を担持させた構成、触媒自体に連続気孔や貫通孔を設けてガスを流通させる構成、ガスを流通させる管状や筒状のガス流通路の内部にガスが流通可能な空隙を残しつつ触媒が充填された構成、を例示することができる。
【００１３】
「触媒部」は「加熱部よりガス流通の下流側に設けられる」ものであり、加熱部と触媒部とは別個の構成である。
【００１４】
「溶融金属の固化により前記導電性発熱体の端面に一体化し積層された金属層」は、例えば、導電性発熱体の端面に金属を溶射し、或いは、導電性発熱体の端部を溶融した金属に一部浸漬した後、金属を冷却することにより形成することができる。
【００１５】
「導電性弾性体層」における「導電性弾性体」としては、スチールウール、マグネシウムリボンや金リボンなどリボン状に加工された金属材料、炭素繊維、コイル状や波型に曲げられた細い金属製の線材など、高い弾性を有する導電性材料を使用可能である。
【００１６】
上記構成の本発明では、通電によって導電性発熱体を発熱させた状態で、導電性発熱体の連通孔部に、工場や事業所から排出されたＶＯＣを含有する未処理ガスを流通させることにより、未処理ガスを加熱することができる。ここで、電極側の導電性発熱体の端面には金属層が形成されており、金属層と電極との間には導電性弾性体層が設けられている。そのため、導電性弾性体層の有する弾性により、金属層と電極との電気的な接続が良好なものとなる。そして、金属層は溶融金属の固化により形成されており、導電性発熱体の端面において導電性発熱体と一体化している。換言すれば、電極側の導電性発熱体の端面は、全体的に金属皮膜が形成された状態である。これにより、金属層を介して導電性発熱体の全体に通電させ易い。従って、本発明によれば、導電性弾性体層及び金属層を介して、電極間で導電性発熱体に良好に通電し、導電性発熱体を効率良く加熱することができる。
【００１７】
そして、導電性発熱体を備える加熱部で加熱された未処理ガスは、その下流側に設けられた触媒部に流入し、触媒の作用を受ける。従って、予め加熱部において、未処理ガスの温度を触媒存在下でのＶＯＣの酸化分解温度まで高めてから、触媒部に導入することにより、直接燃焼によって酸化分解させる場合より低温でＶＯＣを分解させることができる。そして、本発明では、ガスを流通させる構成自体を通電により自己発熱させるため、ヒータやバーナ等の外部熱源によって外部から加熱する場合とは異なり、局所的な加熱により極めて高温となって溶損するおそれや、大きな温度勾配に起因して亀裂が発生するおそれが低減されている。また、自己発熱型であることにより、電気エネルギーを未処理ガスの加熱に効率良く利用することができる。
【００１８】
ここで、触媒体の構成を、導電性発熱体の連通孔部に触媒を担持させた構成とすることも想定し得る。しかしながら、この場合は、未処理ガスが充分に加熱される前に触媒体を通過してしまい、ＶＯＣの酸化分解が不充分となるおそれがある。これに対し、本発明では、加熱部と触媒部は別個の構成であり、加熱部で予め未処理ガスの温度を充分に高めてから、下流側の触媒部に導入することができるため、触媒を充分に作用させ、低温でＶＯＣを確実に酸化分解することが可能となる。
【００１９】
加えて、従来、ヒータやバーナ等の外部熱源によってガスを加熱し、直接燃焼によってＶＯＣを酸化分解させる場合は、燃焼室にガスを溜めおいて燃焼温度までガスを加熱するため、燃焼室のためにある程度のスペースが必要であり、装置全体を小型化することは困難であった。これに対し、本発明では、ガスを加熱させるためには、連通孔部が形成された導電性発熱体にガスを連続的に通過させれば足りるため、装置全体を小型化することが可能である。
【００２０】
また、本発明では、バーナを使用する従来装置のようにＶＯＣに引火するおそれがないため、安全性の高い装置となっている。更に、吸着法や、薬液吸収法を用いた従来装置のように定期的に交換すべき部材がなく、生物分解法を用いた従来装置のように生物の維持管理の問題もないため、ランニングコストが低廉で、取り扱いの容易な装置となる。
【００２１】
本発明にかかる揮発性有機化合物処理装置は、上記構成に加え、「前記導電性弾性体層は、ステンレススチールウールによって形成されている」ものとすることができる。
【００２２】
上記構成の本発明では、導電性弾性体がスチールウールであることにより、電極と金属層とを多くの接触点で電気的に接続させることができる。
【００２３】
また、加熱部では、空気を含む未処理ガスが加熱された状態で流通するため、導電性弾性体層のスチールウールが酸化し、導電性弾性体層を介した良好な通電が酸化膜によって妨げられると共に、酸化膜による絶縁が破れた際にスパークが発生するおそれがあるところ、本発明では、ステンレススチールウールを使用している。ステンレススチールは含有されるクロムの酸化により表面に薄い不動態皮膜を有し、それ以上酸化され難い。これにより、導電性弾性体層を介した良好な通電が妨げられるおそれを低減して、未処理ガスを効率良く加熱できると共に、スパークの発生に伴い局所的に高温となるおそれを低減して、加熱部の耐久性を高めることができる。
【００２４】
本発明にかかる揮発性有機化合物処理装置は、上記構成において、「前記導電性発熱体は、導電性セラミックス焼結体で形成され、単一の軸方向に延びて列設された複数の隔壁により区画された複数のセルを備えるハニカム構造を有する複数のハニカム構造部、及び、該ハニカム構造部と一体化している導電性セラミックス焼結体で形成され、隣接する前記ハニカム構造部を前記軸方向に直交する方向に連結している連結部を備える」ものとすることができる。
【００２５】
「ハニカム構造部」の隔壁は多孔質であっても緻密質であっても良いが、多孔質であれば、隔壁に開口した気孔によって未処理ガス中に含まれる微小な塵や粒子状物質が捕集・除去されるフィルタリング作用に優れ、好適である。
【００２６】
ハニカム構造部を形成している「導電性セラミックス焼結体」と連結部を形成している「導電性セラミックス焼結体」とは、セラミックスの種類や組成が同一であっても異なっていても良いが、熱膨張率が同一または同程度であれば、加熱に伴い熱応力が発生しにくく望ましい。
【００２７】
ハニカム構造部における「セル」が上記の「連通孔部」に相当する。ハニカム構造を有するセラミックス焼結体では、形状及び大きさの制御されたセルを多数列設させることが可能であるため、かかるセルにガスを流通させることにより、未処理ガスの流通抵抗を抑えつつ効率良く加熱することができる。また、一般的に、ハニカム構造のセラミックス焼結体は、押出成形による成形体を焼成して得られ、押出成形によって大きな断面積の成形体を成形することは困難であるところ、本発明では複数のハニカム構造部を軸方向に直交する方向に連結することにより、導電性発熱体の断面積を大きくしている。これにより、未処理ガスの処理量の多い揮発性有機化合物処理装置を提供することができる。
【００２８】
また、複数のハニカム構造部を連結している連結部は、セラミックスの焼結によってハニカム構造部と強固に一体化している。そして、セラミックスの焼結体は一般的に高温下での機械的強度が高い。これにより、高温下で使用されても連結部に亀裂などが発生するおそれが低く、導電性発熱体が耐久性に優れたものとなるため、加熱部における未処理ガスの効率的な加熱を、長期にわたり継続的に行うことができる。
【発明の効果】
【００２９】
以上のように、本発明の効果として、小型化が可能で低ランニングコストであり安全性が高く、処理効率及び耐久性がより高い揮発性有機化合物処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本実施形態の揮発性有機化合物処理装置の概略構成を示す構成図である。
【図２】図１の揮発性有機化合物処理装置の主要部の正面図（加熱部側から見た図）である。
【図３】図１の揮発性有機化合物処理装置の主要部の背面図（触媒部側から見た図）である。
【図４】図２におけるＸ−Ｘ線断面図である。
【図５】図２におけるＹ−Ｙ線断面図である。
【図６】ガスの分散を説明する説明図である。
【図７】ハニカム構造部の（ａ）斜視図（ｂ）軸方向に直交する断面図である。
【図８】ハニカム構造部及び連結部を備える導電性発熱体の製造方法を説明する図である。
【図９】他の実施形態の揮発性有機化合物処理装置の（ａ）正面図（加熱部側から見た図）、及び（ｂ）Ｙ２−Ｙ２線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の一実施形態である揮発性有機化合物処理装置（以下、単に「ＶＯＣ処理装置」と称する）について、図１乃至図７に基づいて説明する。本実施形態のＶＯＣ処理装置１は、ガスを流通させる連通孔部が形成された導電性発熱体２０（以下、単に「発熱体２０」と称する）、及び発熱体２０へ通電するための正負一対の電極２１ａ，２１ｂを備え、通電による発熱体２０の発熱によって連通孔部を流通するガスを加熱する加熱部２と、揮発性有機化合物の酸化分解温度を低下させる触媒体３１を備え、加熱部２よりガス流通の下流側に設けられ加熱部２で加熱されたガスに含まれる揮発性有機化合物を酸化分解させる触媒部３とを具備し、加熱部２は、溶融金属の固化により電極２１ａ，２１ｂ側の発熱体２０の端面に一体化し積層された金属層２３、及び、金属層２３及び電極２１ａ，２１ｂとの間に導電性弾性体層としてそれぞれ設けられたスチールウール層２２を備えている。
【００３２】
また、ＶＯＣ処理装置１は、図１に示すように、ガスを吸引口６から加熱部２に導くガス導入路８と、触媒部３から排出口７までガスを導くガス排出路９と、ガス導入路８を流通するガスとガス排出路９を流通するガスとの間で熱交換を行う熱交換器４とを具備している。更に、吸引口６には、モータ（図示しない）の駆動によりガスを吸引するファン１８が取り付けられている。なお、詳細な図示は省略しているが、熱交換器４はガス導入路８にガス排出路９を巻回させた構成となっている。
【００３３】
加熱部２では、主に図４に示すように、ガスの流通方向（図示、紙面下から上に向かう方向）に発熱体２０が二列設けられており、ガス流通方向に直交する方向に発熱体２０が三列設けられている。そして、それぞれの発熱体２０は、主に図２に示すように、三つのハニカム構造部１０を備えている。ここで、ハニカム構造部１０は、導電性炭化珪素質セラミックス焼結体で形成され、図７に示すように、単一の軸方向Ｚに延びて列設された複数の隔壁１２により区画された複数のセル１１を備えている。
【００３４】
また、それぞれの発熱体２０において、三つのハニカム構造部１０は、連結部１５を介して軸方向に直交する方向（図２における紙面上下方向）に連結されている。そして、連結部１５は、導電性炭化珪素質セラミックス焼結体で形成され、ハニカム構造部１０と焼結により一体化している。なお、図２では、構成を明確に示すためにセル１１の大きさ及び隔壁１２の厚さを誇張して図示しており、ハニカム構造部１０におけるセル１１の数も実際より少なく図示している。
【００３５】
このような構成の発熱体２０を製造するためには、例えば図８に示すように、導電性セラミックス焼結体となるセラミックス材料の押出成形により、ハニカム構造に成形された押出成形体１０ｇを複数作製する。そして、隣接する押出成形体１０ｇ間に、導電性セラミックス焼結体となるセラミックス材料でシート状に形成されたシート状未焼成体１５ｇを挟み、貼り合わせる。そして、押出成形体１０ｇとシート状未焼成体１５ｇとが貼り合わされた状態で焼成することにより、押出成形体１０ｇとシート状未焼成体１５ｇとが焼結し、両者が一体となった発熱体２０が得られる。ここで、一つの発熱体２０において、ハニカム構造部１０の軸方向Ｚの長さと、同方向の連結部１５の長さは同一である。
【００３６】
本実施形態では、押出成形体１０ｇとシート状未焼成体１５ｇとを同組成の炭化珪素質セラミックス原料を用いて形成しており、その結果、ハニカム構造部１０の隔壁１２と連結部１５とは、気孔率、熱伝導率、及び、電気伝導率がほぼ等しい多孔質焼結体となっている。なお、炭化珪素は高純度の場合は絶縁体に近いが、微量の不純物を含有することにより半導体となる。
【００３７】
上記のようにハニカム構造部１０が連結部１５により連結されて形成された発熱体２０は、その一端が金属層２３及びスチールウール層２２を介して電極２１ａに接続されていると共に、他端が金属層２３及びスチールウール層２２を介して電極２１ｂに接続されている。なお、以下では、電極２１ａ及び電極２１ｂを区別する必要がない場合は、電極２１と総称して説明する。ここで、金属層２３はアルミニウムの溶射により形成されている。また、スチールウール層２２は、ステンレススチールによって形成されている。
【００３８】
それぞれの発熱体２０は、加熱部２のケーシング２９内に収容されており、ケーシング２９の天板２９ｔ及び底板２９ｂには貫通孔が穿設されている。これらの貫通孔には、電極２１を押圧して発熱体２０に対して固定するためのボルト２５が挿通されている。更に、天板２９ｔ及び底板２９ｂには、共に略コ字状の支持板２６が開口側をそれぞれ天板２９ｔ及び底板２９ｂに向けて取り付けられており、支持板２６の内側の空間には、ボルト２５の軸部を挿通させたコイル状のバネ部材２７が収容されている。この状態で、バネ部材２７は、ボルト２５の軸部の外周に沿って設けられたフランジ部と支持板２６との間で圧縮された状態にあり、ボルト２５を介して電極２１を発熱体２０に向かう方向に付勢している。なお、異なる列の発熱体２０に接続された電極２１が、ボルト２５及びケーシング２９を介して短絡することを防止するために、ボルト２５と電極２１との間には断熱絶縁層２４を介在させている。
【００３９】
また、主に図４に示すように、発熱体２０とケーシング２９との間、及び、ガス流通方向に直交する方向に隣接する発熱体２０の間には、断熱絶縁層２４が充填されている。一方、ガス流通方向では、発熱体２０と発熱体２０の間には断熱絶縁層は充填されておらず、空間２８が形成されている。
【００４０】
触媒部３では、主に図５に示すように、触媒体３１がケーシング３９の内部に収納されており、ガスを流通させる断面を除いた触媒体３１の外表面が、断熱材３４で被覆されている。本実施形態の触媒体３１は、多孔質のコージェライトセラミックスのハニカム構造体に、貴金属触媒が担持されて形成されている。
【００４１】
次に、本実施形態のＶＯＣ処理装置１におけるガスの処理について説明する。まず、工場や事業所から排出されたＶＯＣを含有する未処理ガスは、ファン１８によって吸引口６から吸引された後、ガス導入路８を流通し加熱部２に導入される。このとき加熱部２では、電極２１ａ及び電極２１ｂに通電することによって発熱体２０が発熱している。そのため、未処理ガスは発熱体２０を通過する際に加熱される。ここで、それぞれの発熱体２０は多数のセル１１が列設されたハニカム構造部１０を備えるため、ガスはセル１１内を流通する際に効率良く加熱される。
【００４２】
加えて、ハニカム構造部１０の隔壁１２は多孔質であるため、ガス中に存在する微小な塵や粒子状物質は、隔壁１２に開口している気孔によって捕集される。
【００４３】
本実施形態の加熱部２では発電体２がガス流通方向に二列に設けられており、その間に空間２８が形成されているため、上流側の列の発熱体２０を通過したガスは、下流側の列の発熱体２０に流入する前にその前面に当たり、空間２８内で拡散し易い（図６参照）。これにより、ガス導入路８の端部から加熱部２に導入されたガスが、発熱体２０のごく一部のみを通過することが防止される。なお、本実施形態では発熱体２０が約３００℃に保持されるよう、発熱体２０への通電を調整している。
【００４４】
発熱体２０を通過することによって加熱された未処理ガスは、次に、触媒部３に流入し、触媒が担持されたハニカム構造体である触媒体３１を通過する。この際、未処理ガスは既に加熱部３０において、触媒存在下でＶＯＣが酸化分解可能な約３００℃まで加熱されているため、触媒体３１を通過する際に触媒と接触することにより、ガス中のＶＯＣは直接燃焼により酸化分解する場合より低温で酸化分解される。
【００４５】
そして、ＶＯＣが酸化分解された後の処理済みガスは、ガス排出路９を流通して熱交換器４に入り、そこでガス導入路８を流通する未処理ガスに熱を与えて低温となり、排出口７から外気中に排出される。
【００４６】
上記のように、本実施形態のＶＯＣ処理装置１によれば、ガスを流通させる構成をヒータやバーナ等の外部熱源によって外部から加熱するのではなく、ガスを流通させる構成である発熱体２０自体が自己発熱するため、通電により効率良くガスを加熱することができる。また、ガスを加熱するためには、発熱体２０のセル１１にガスを連続的に通過させれば足りるため、ガスを燃焼室内に溜めおいて外部加熱する従来の装置に比べて、装置全体を小型化することが可能である。
【００４７】
加えて、発熱体２０と触媒体３１とを主な構成とする簡易な構成であり、且つ、触媒部３が加熱部２の直後に設けられているため、装置全体を小型化することが可能となる。
【００４８】
また、本実施形態では、発熱体２０である多孔質の炭化珪素質セラミックスに触媒が担持されているのではなく、加熱部２とは別個の構成として、加熱部２より下流側に触媒部３が設けられている。そのため、触媒存在下でのＶＯＣの酸化分解に充分な３００℃まで、未処理ガスの温度を予め加熱部２で高めてから触媒部３に導入することができる。これにより、触媒の作用を充分に発揮させて、ＶＯＣを低温で確実に酸化分解することが可能となる。
【００４９】
加えて、ハニカム構造部１０におけるフィルタリング作用により、未処理ガス中に含まれる微小な塵や粒子状物質が捕集される。本実施形態では、触媒体３１と発熱体２０とは別個の構成であるため、発熱体に触媒が担持されている場合とは異なり、捕集された物質によって触媒が被覆されてしまうことがない。これにより、触媒体３１を長期にわたって使用することができる。
【００５０】
また、電極２１と発熱体２０との間に金属層２３及びスチールウール層２２を介在させており、金属層２３はアルミニウムの溶射により発熱体２０の電極２１側の端面全体に一体化して積層されている。これにより、スチールウールによって電極２１と金属層２３とを多くの接触点で電気的に接続することができると共に、金属層２３を介して発熱体の全体に通電させることができる。
【００５１】
更に、バネ部材２７の付勢によって、スチールウール層２２及び金属層２３を介した電極２１と発熱体２０との密着度を高めることができるため、発熱体２０に通電させ易い。また、バネ部材２７の付勢によって、スチールウールが圧縮され、スチールウール層２２と金属層２３との接触点が増加し、両層間の通電がより良好なものとなる。加えて、バネ部材２７の弾性変形により、発熱体２０の熱膨張を吸収することができるため、加熱部２において熱応力に起因する歪みや亀裂等の発生が有効に防止される。
【００５２】
加えて、スチールウール層２２はステンレススチールウールによって形成されているため、表面の不動体性皮膜によってそれ以上の酸化が抑制されており、加熱されたガスが流通する加熱部２の耐久性が高いものとなっている。
【００５３】
また、ハニカム構造部１０及び連結部１５は共に炭化珪素質セラミックス焼結体で形成されており、炭化珪素質セラミックス焼結体は、高強度であると共に、熱伝導率が高く熱膨張率が小さいことから耐熱衝撃性に優れる。そのため、使用に伴って加熱と冷却が繰り返される発熱体２０として適しており、発熱体２０全体の耐久性が高いものとなっている。加えて、熱伝導率が高いことにより、通電により発熱体２０の温度が速やかに上昇するため、効率良く未処理ガスを加熱することができる。更に、炭化珪素質セラミックス焼結体は、耐酸化性、耐食性にも優れるため、種々のＶＯＣを含有する未処理ガスを加熱する発熱体２０として適している。
【００５４】
加えて、複数のハニカム構造部１０を連結している連結部１５は、焼結によりハニカム構造部１０と一体化しているため、発熱体２０全体の強度が高く、連結部１５における亀裂等の発生も抑制されている。また、本実施形態では、ハニカム構造部１０及び連結部１５は同組成の炭化珪素質セラミックス焼結体であるため、熱膨張率が等しく、加熱に伴う熱応力の発生が抑制されている。更に、連結部１５も導電性のセラミックス焼結体であるため、複数のハニカム構造部１０のそれぞれに電極を設ける必要がなく、複数のハニカム構造部１０が連結されて形成された発熱体２０の両端に電極２１を設ければ足りる。これにより、ＶＯＣ処理装置１を簡易な構成とすることができる。
【００５５】
また、押出成形では大きな断面積のハニカム構造体を成形するのは困難であるところ、本実施形態では、複数のハニカム構造部１０を軸方向に直交する方向に連結して発熱体２０の断面積を増加させることにより、多量の未処理ガスの処理が可能となっている。
【００５６】
更に、本実施形態では複数のハニカム構造部１０が軸方向に直交する方向に連結されて形成された発熱体２０の両端に、それぞれ電極２１ａ，２１ｂが接続されていることにより、ハニカム構造部１０が電気的に直列に接続されている。従って、ハニカム構造部１０の数を加減することにより、電極２１ａ，２１ｂ間の距離を調整し、電気抵抗の大きさを調整することができる。これにより、炭化珪素質セラミックスは温度の上昇に伴って電気抵抗が減少するＮＴＣ特性を有するところ、電極２１ａ，２１ｂ間の電気抵抗値を調整することにより、電流値が過大となることを防止しつつ、商用電源を利用して大きな発熱量を得ることが可能となる。すなわち、特別な設備を要さず、中小規模の事業所にとっても導入し易い揮発性有機化合物処理装置を提供することができる。
【００５７】
また、本実施形態のＶＯＣ処理装置１は熱交換機４を備えているため、処理済みガスの排熱を有効に利用し、予め未処理ガスを加熱してから加熱部３０に導入することができる。これにより、発熱体２０への通電量を低減することができ、ランニングコストを抑えることができる。加えて、処理済みガスが高温状態のまま大気中に排出され、環境に悪影響を及ぼすことを防止することができる。
【００５８】
本実施形態のＶＯＣ処理装置１は、上記の構成に加え、加熱部２において発熱体２０よりガス流通の上流側に、ガスの流路を分散させるガス流路分散部材を備えた構成とすることができる。例えば、図６に示すように、ガス導入路８の末端の近傍に、多数の小さな貫通孔が穿設された分散プレート４１を設けることができる。そして、更に下流側の発熱体２０の前面近傍に、断面円錐形の基体の外表面に複数枚の羽根が設けられた分散羽根４２を設けることができる。ここで、分散プレート４１及び分散羽根４２は、共に「ガス流路分散部材」に相当する。
【００５９】
上記のような構成にすることにより、ガス導入路８の末端から流出したガスは、まず分散プレート４１の多数の貫通孔を通過することによって、種々の方向に分散する。そして、分散したガスは次に分散羽根４２にガイドされて流通し、ガスの流通路が拡径する。これにより、複数個が列設された発熱体２０の全断面積がガス導入路８の断面積に対して大きい場合であっても、発熱体２０全体に満遍なくガスを通過させ、発熱体２０全体の発熱を有効に活用してガスを加熱することができる。
【００６０】
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。
【００６１】
例えば、上記の実施形態では、ガス流通方向の二列の発熱体２のそれぞれに一対の電極２１ａ，２１ｂが接続されている場合を例示したが、これに限定されるものではなく、発熱体の接続の仕方は発熱体の種類（電気抵抗値）、サイズ等によって適宜変更することができる。例えば、図９に示すように、ガス流通方向の二列の発熱体２０それぞれの一端を、導電性の導通部２８で連結することにより、ガス流通方向の二列の発熱体２が電気的に直列に接続されている構成とすることができる。このような構成とすることにより、一つの発熱体２０におけるハニカム構造部１０の数を変えることなく、一対の電極２１ａ，２１ｂ間で発熱体２０を電流が流れる距離を長くすることができる。
【００６２】
また、複数のハニカム構造部１０がセラミックス焼結体である連結部１５によって連結されている場合を例示したが、複数のハニカム構造部１０の連結する構成はこれに限定されない。例えば、ハニカム構造部１０において連結される端面に、金属の溶射により金属層を設け、隣接するハニカム構造部１０のそれぞれの金属層の間に、スチールウール層を設けることができる。すなわち、隣接するハニカム構造部１０にそれぞれ設けられた金属層の二つと、その間のスチールウール層によって連結部を構成した形態である。このような構成とすることにより、金属層及びスチールウール層を介して隣接するハニカム構造部１０間で良好に通電させることができる。そして、ステンレススチールウールを使用してスチールウール層を形成すれば、耐久性を高めることができる。
【００６３】
更に、触媒部に触媒体を一層設けた場合を例示したが、これに限定されず、ガス流通方向に複数の触媒体が列設された構成とすることができる。その場合、触媒の種類は同一であっても異なっていても良い。
【００６４】
加えて、触媒体として多孔質体に触媒を担持させたものを例示したが、これに限定されず、例えば、発泡金属など触媒自体を多孔質構造として用いることができる。
【符号の説明】
【００６５】
１ ＶＯＣ処理装置（揮発性有機化合物処理装置）
２ 加熱部
３ 触媒部
１０ ハニカム構造部
１１ セル
１２ 隔壁
１５ 連結部
２０ 発熱体（導電性発熱体）
２１，２１ａ，２１ｂ 電極
２２ スチールウール層
２３ 金属層
２７ バネ部材
３１ 触媒体
【先行技術文献】
【特許文献】
【００６６】
【特許文献１】特開平１１−２２１４３０号公報
【特許文献２】特開２００５−２７９５７０号公報
【技術分野】
【０００１】
本発明は、揮発性有機化合物処理装置に関するものであり、特に、工場や事業所から排出されるガス中の揮発性有機化合物を分解し、処理済みのガスを大気中に放出するために使用される揮発性有機化合物処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
揮発性有機化合物（ＶＯＣ）は、浮遊粒子状物質や光化学オキシダントの原因物質の一つであり、一定規模以上の工場や事業所はＶＯＣの排出規制の対象となると共に、規制対象外の中小規模事業所に対しても自主的にＶＯＣの排出を抑制することが求められている。出願人らが所在する東海地方は、他地方に比べてＶＯＣの排出量が多いという統計があり、中小規模の事業所の割合も高い。そこで、中小規模の事業所のＶＯＣ排出の抑制に対する自主的な取り組みを進めるために、中小規模の事業所でも導入し易い、小型で低ランニングコストのＶＯＣ処理装置が望まれている。
【０００３】
従来のＶＯＣ処理装置は、吸着法、薬液吸収法、生物分解法、プラズマ分解法、燃焼酸化法（直接燃焼式、蓄熱燃焼式、触媒燃焼式）を用いた装置に大別される。そのうち、燃焼酸化法では、加熱の手段としてバーナを使用した装置（例えば、特許文献１参照）や、電気ヒータを使用した装置（例えば、特許文献２参照）が一般的である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、吸着材や薬液の交換が必要でランニングコストがかかる吸着法や薬液吸収法、生物の維持管理に手間や経費がかかる生物分解法、装置が大型でコスト高のプラズマ分解法を用いた装置は、中小規模の事業所には不向きであった。また、加熱する手段としてバーナを用いる装置では、可燃性のＶＯＣに引火するおそれがあった。加えて、電気ヒータを用いる装置では、熱効率が悪く加熱に時間がかかるという問題があった。
【０００５】
そこで、出願人らは、上記の実情に鑑み、小型化が可能で低ランニングコストであると共に安全性が高く、処理効率の高い揮発性有機化合物処理装置の開発を進め、提案している（上記提案の発明にかかる特許出願は出願公開前であるため、公知文献に該当しない）。本発明は上記提案の揮発性有機化合物処理装置の改良にかかるものであり、処理効率をより高めることを課題とする。
【０００６】
すなわち、本発明は、小型化が可能で低ランニングコストであり安全性が高く、処理効率が高い揮発性有機化合物処理装置の提供を課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するため、本発明にかかる揮発性有機化合物処理装置は、「ガスを流通させる連通孔部が形成された導電性発熱体、及び、該導電性発熱体へ通電するための電極を備え、通電による前記導電性発熱体の発熱によって前記連通孔部を流通するガスを加熱する加熱部と、揮発性有機化合物の酸化分解温度を低下させる触媒体を備え、前記加熱部よりガス流通の下流側に設けられ前記加熱部で加熱されたガスに含まれる揮発性有機化合物を酸化分解させる触媒部とを具備し、前記加熱部は、溶融金属の固化により前記電極側の前記導電性発熱体の端面に一体化し積層された金属層、及び、該金属層と前記電極との間に設けられた導電性弾性体層を備える」ものである。
【０００８】
「導電性発熱体」としては、導電性セラミックス、半導体セラミックス、金属を使用することができる。
【０００９】
「ガスを流通させる連通孔部」は、例えば、導電性発熱体に設けた貫通孔、導電性発熱体を多孔質構造とした場合の連続気孔、後述のように導電性発熱体をハニカム構造を有するものにした場合のセル、によって構成させることができる。
【００１０】
「揮発性有機化合物」（以下、単に「ＶＯＣ」と称することがある）は、大気中に排出され又は飛散した時に気体である有機化合物であって、浮遊粒子状物質及びオキシダントの生成の原因とならない物質として政令で定める物質を除いたものであり、トルエン、キシレン、ジクロロメタン、エチルベンゼン、ベンゼン、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、メタノール、イソプロピルアルコール、酢酸エチル、酢酸ブチル等を挙げることができる。特に、トルエンやキシレンは、印刷や塗装関係の工場や事業所で溶剤として多用されており、排出量が多い。
【００１１】
「揮発性有機化合物の酸化分解温度を低下させる触媒体」の触媒としては、白金、パラジウム、ロジウム、金、イリジウム、ルテニウム等の金属触媒や、酸化セリウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化スズ、酸化マンガン、酸化タンタル等の金属酸化物触媒を使用することができる。或いは、複数の金属触媒、複数の金属酸化物触媒、または金属触媒と金属酸化物触媒を組み合わせた複合触媒を使用することもできる。なお、ＶＯＣの酸化分解温度は６５０〜８００℃であるが、上記の触媒の作用により２００〜４００℃で酸化分解させることができる。
【００１２】
「触媒体」の構成としては、ガスが流通可能な多孔質体に触媒を担持させた構成、触媒自体に連続気孔や貫通孔を設けてガスを流通させる構成、ガスを流通させる管状や筒状のガス流通路の内部にガスが流通可能な空隙を残しつつ触媒が充填された構成、を例示することができる。
【００１３】
「触媒部」は「加熱部よりガス流通の下流側に設けられる」ものであり、加熱部と触媒部とは別個の構成である。
【００１４】
「溶融金属の固化により前記導電性発熱体の端面に一体化し積層された金属層」は、例えば、導電性発熱体の端面に金属を溶射し、或いは、導電性発熱体の端部を溶融した金属に一部浸漬した後、金属を冷却することにより形成することができる。
【００１５】
「導電性弾性体層」における「導電性弾性体」としては、スチールウール、マグネシウムリボンや金リボンなどリボン状に加工された金属材料、炭素繊維、コイル状や波型に曲げられた細い金属製の線材など、高い弾性を有する導電性材料を使用可能である。
【００１６】
上記構成の本発明では、通電によって導電性発熱体を発熱させた状態で、導電性発熱体の連通孔部に、工場や事業所から排出されたＶＯＣを含有する未処理ガスを流通させることにより、未処理ガスを加熱することができる。ここで、電極側の導電性発熱体の端面には金属層が形成されており、金属層と電極との間には導電性弾性体層が設けられている。そのため、導電性弾性体層の有する弾性により、金属層と電極との電気的な接続が良好なものとなる。そして、金属層は溶融金属の固化により形成されており、導電性発熱体の端面において導電性発熱体と一体化している。換言すれば、電極側の導電性発熱体の端面は、全体的に金属皮膜が形成された状態である。これにより、金属層を介して導電性発熱体の全体に通電させ易い。従って、本発明によれば、導電性弾性体層及び金属層を介して、電極間で導電性発熱体に良好に通電し、導電性発熱体を効率良く加熱することができる。
【００１７】
そして、導電性発熱体を備える加熱部で加熱された未処理ガスは、その下流側に設けられた触媒部に流入し、触媒の作用を受ける。従って、予め加熱部において、未処理ガスの温度を触媒存在下でのＶＯＣの酸化分解温度まで高めてから、触媒部に導入することにより、直接燃焼によって酸化分解させる場合より低温でＶＯＣを分解させることができる。そして、本発明では、ガスを流通させる構成自体を通電により自己発熱させるため、ヒータやバーナ等の外部熱源によって外部から加熱する場合とは異なり、局所的な加熱により極めて高温となって溶損するおそれや、大きな温度勾配に起因して亀裂が発生するおそれが低減されている。また、自己発熱型であることにより、電気エネルギーを未処理ガスの加熱に効率良く利用することができる。
【００１８】
ここで、触媒体の構成を、導電性発熱体の連通孔部に触媒を担持させた構成とすることも想定し得る。しかしながら、この場合は、未処理ガスが充分に加熱される前に触媒体を通過してしまい、ＶＯＣの酸化分解が不充分となるおそれがある。これに対し、本発明では、加熱部と触媒部は別個の構成であり、加熱部で予め未処理ガスの温度を充分に高めてから、下流側の触媒部に導入することができるため、触媒を充分に作用させ、低温でＶＯＣを確実に酸化分解することが可能となる。
【００１９】
加えて、従来、ヒータやバーナ等の外部熱源によってガスを加熱し、直接燃焼によってＶＯＣを酸化分解させる場合は、燃焼室にガスを溜めおいて燃焼温度までガスを加熱するため、燃焼室のためにある程度のスペースが必要であり、装置全体を小型化することは困難であった。これに対し、本発明では、ガスを加熱させるためには、連通孔部が形成された導電性発熱体にガスを連続的に通過させれば足りるため、装置全体を小型化することが可能である。
【００２０】
また、本発明では、バーナを使用する従来装置のようにＶＯＣに引火するおそれがないため、安全性の高い装置となっている。更に、吸着法や、薬液吸収法を用いた従来装置のように定期的に交換すべき部材がなく、生物分解法を用いた従来装置のように生物の維持管理の問題もないため、ランニングコストが低廉で、取り扱いの容易な装置となる。
【００２１】
本発明にかかる揮発性有機化合物処理装置は、上記構成に加え、「前記導電性弾性体層は、ステンレススチールウールによって形成されている」ものとすることができる。
【００２２】
上記構成の本発明では、導電性弾性体がスチールウールであることにより、電極と金属層とを多くの接触点で電気的に接続させることができる。
【００２３】
また、加熱部では、空気を含む未処理ガスが加熱された状態で流通するため、導電性弾性体層のスチールウールが酸化し、導電性弾性体層を介した良好な通電が酸化膜によって妨げられると共に、酸化膜による絶縁が破れた際にスパークが発生するおそれがあるところ、本発明では、ステンレススチールウールを使用している。ステンレススチールは含有されるクロムの酸化により表面に薄い不動態皮膜を有し、それ以上酸化され難い。これにより、導電性弾性体層を介した良好な通電が妨げられるおそれを低減して、未処理ガスを効率良く加熱できると共に、スパークの発生に伴い局所的に高温となるおそれを低減して、加熱部の耐久性を高めることができる。
【００２４】
本発明にかかる揮発性有機化合物処理装置は、上記構成において、「前記導電性発熱体は、導電性セラミックス焼結体で形成され、単一の軸方向に延びて列設された複数の隔壁により区画された複数のセルを備えるハニカム構造を有する複数のハニカム構造部、及び、該ハニカム構造部と一体化している導電性セラミックス焼結体で形成され、隣接する前記ハニカム構造部を前記軸方向に直交する方向に連結している連結部を備える」ものとすることができる。
【００２５】
「ハニカム構造部」の隔壁は多孔質であっても緻密質であっても良いが、多孔質であれば、隔壁に開口した気孔によって未処理ガス中に含まれる微小な塵や粒子状物質が捕集・除去されるフィルタリング作用に優れ、好適である。
【００２６】
ハニカム構造部を形成している「導電性セラミックス焼結体」と連結部を形成している「導電性セラミックス焼結体」とは、セラミックスの種類や組成が同一であっても異なっていても良いが、熱膨張率が同一または同程度であれば、加熱に伴い熱応力が発生しにくく望ましい。
【００２７】
ハニカム構造部における「セル」が上記の「連通孔部」に相当する。ハニカム構造を有するセラミックス焼結体では、形状及び大きさの制御されたセルを多数列設させることが可能であるため、かかるセルにガスを流通させることにより、未処理ガスの流通抵抗を抑えつつ効率良く加熱することができる。また、一般的に、ハニカム構造のセラミックス焼結体は、押出成形による成形体を焼成して得られ、押出成形によって大きな断面積の成形体を成形することは困難であるところ、本発明では複数のハニカム構造部を軸方向に直交する方向に連結することにより、導電性発熱体の断面積を大きくしている。これにより、未処理ガスの処理量の多い揮発性有機化合物処理装置を提供することができる。
【００２８】
また、複数のハニカム構造部を連結している連結部は、セラミックスの焼結によってハニカム構造部と強固に一体化している。そして、セラミックスの焼結体は一般的に高温下での機械的強度が高い。これにより、高温下で使用されても連結部に亀裂などが発生するおそれが低く、導電性発熱体が耐久性に優れたものとなるため、加熱部における未処理ガスの効率的な加熱を、長期にわたり継続的に行うことができる。
【発明の効果】
【００２９】
以上のように、本発明の効果として、小型化が可能で低ランニングコストであり安全性が高く、処理効率及び耐久性がより高い揮発性有機化合物処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本実施形態の揮発性有機化合物処理装置の概略構成を示す構成図である。
【図２】図１の揮発性有機化合物処理装置の主要部の正面図（加熱部側から見た図）である。
【図３】図１の揮発性有機化合物処理装置の主要部の背面図（触媒部側から見た図）である。
【図４】図２におけるＸ−Ｘ線断面図である。
【図５】図２におけるＹ−Ｙ線断面図である。
【図６】ガスの分散を説明する説明図である。
【図７】ハニカム構造部の（ａ）斜視図（ｂ）軸方向に直交する断面図である。
【図８】ハニカム構造部及び連結部を備える導電性発熱体の製造方法を説明する図である。
【図９】他の実施形態の揮発性有機化合物処理装置の（ａ）正面図（加熱部側から見た図）、及び（ｂ）Ｙ２−Ｙ２線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の一実施形態である揮発性有機化合物処理装置（以下、単に「ＶＯＣ処理装置」と称する）について、図１乃至図７に基づいて説明する。本実施形態のＶＯＣ処理装置１は、ガスを流通させる連通孔部が形成された導電性発熱体２０（以下、単に「発熱体２０」と称する）、及び発熱体２０へ通電するための正負一対の電極２１ａ，２１ｂを備え、通電による発熱体２０の発熱によって連通孔部を流通するガスを加熱する加熱部２と、揮発性有機化合物の酸化分解温度を低下させる触媒体３１を備え、加熱部２よりガス流通の下流側に設けられ加熱部２で加熱されたガスに含まれる揮発性有機化合物を酸化分解させる触媒部３とを具備し、加熱部２は、溶融金属の固化により電極２１ａ，２１ｂ側の発熱体２０の端面に一体化し積層された金属層２３、及び、金属層２３及び電極２１ａ，２１ｂとの間に導電性弾性体層としてそれぞれ設けられたスチールウール層２２を備えている。
【００３２】
また、ＶＯＣ処理装置１は、図１に示すように、ガスを吸引口６から加熱部２に導くガス導入路８と、触媒部３から排出口７までガスを導くガス排出路９と、ガス導入路８を流通するガスとガス排出路９を流通するガスとの間で熱交換を行う熱交換器４とを具備している。更に、吸引口６には、モータ（図示しない）の駆動によりガスを吸引するファン１８が取り付けられている。なお、詳細な図示は省略しているが、熱交換器４はガス導入路８にガス排出路９を巻回させた構成となっている。
【００３３】
加熱部２では、主に図４に示すように、ガスの流通方向（図示、紙面下から上に向かう方向）に発熱体２０が二列設けられており、ガス流通方向に直交する方向に発熱体２０が三列設けられている。そして、それぞれの発熱体２０は、主に図２に示すように、三つのハニカム構造部１０を備えている。ここで、ハニカム構造部１０は、導電性炭化珪素質セラミックス焼結体で形成され、図７に示すように、単一の軸方向Ｚに延びて列設された複数の隔壁１２により区画された複数のセル１１を備えている。
【００３４】
また、それぞれの発熱体２０において、三つのハニカム構造部１０は、連結部１５を介して軸方向に直交する方向（図２における紙面上下方向）に連結されている。そして、連結部１５は、導電性炭化珪素質セラミックス焼結体で形成され、ハニカム構造部１０と焼結により一体化している。なお、図２では、構成を明確に示すためにセル１１の大きさ及び隔壁１２の厚さを誇張して図示しており、ハニカム構造部１０におけるセル１１の数も実際より少なく図示している。
【００３５】
このような構成の発熱体２０を製造するためには、例えば図８に示すように、導電性セラミックス焼結体となるセラミックス材料の押出成形により、ハニカム構造に成形された押出成形体１０ｇを複数作製する。そして、隣接する押出成形体１０ｇ間に、導電性セラミックス焼結体となるセラミックス材料でシート状に形成されたシート状未焼成体１５ｇを挟み、貼り合わせる。そして、押出成形体１０ｇとシート状未焼成体１５ｇとが貼り合わされた状態で焼成することにより、押出成形体１０ｇとシート状未焼成体１５ｇとが焼結し、両者が一体となった発熱体２０が得られる。ここで、一つの発熱体２０において、ハニカム構造部１０の軸方向Ｚの長さと、同方向の連結部１５の長さは同一である。
【００３６】
本実施形態では、押出成形体１０ｇとシート状未焼成体１５ｇとを同組成の炭化珪素質セラミックス原料を用いて形成しており、その結果、ハニカム構造部１０の隔壁１２と連結部１５とは、気孔率、熱伝導率、及び、電気伝導率がほぼ等しい多孔質焼結体となっている。なお、炭化珪素は高純度の場合は絶縁体に近いが、微量の不純物を含有することにより半導体となる。
【００３７】
上記のようにハニカム構造部１０が連結部１５により連結されて形成された発熱体２０は、その一端が金属層２３及びスチールウール層２２を介して電極２１ａに接続されていると共に、他端が金属層２３及びスチールウール層２２を介して電極２１ｂに接続されている。なお、以下では、電極２１ａ及び電極２１ｂを区別する必要がない場合は、電極２１と総称して説明する。ここで、金属層２３はアルミニウムの溶射により形成されている。また、スチールウール層２２は、ステンレススチールによって形成されている。
【００３８】
それぞれの発熱体２０は、加熱部２のケーシング２９内に収容されており、ケーシング２９の天板２９ｔ及び底板２９ｂには貫通孔が穿設されている。これらの貫通孔には、電極２１を押圧して発熱体２０に対して固定するためのボルト２５が挿通されている。更に、天板２９ｔ及び底板２９ｂには、共に略コ字状の支持板２６が開口側をそれぞれ天板２９ｔ及び底板２９ｂに向けて取り付けられており、支持板２６の内側の空間には、ボルト２５の軸部を挿通させたコイル状のバネ部材２７が収容されている。この状態で、バネ部材２７は、ボルト２５の軸部の外周に沿って設けられたフランジ部と支持板２６との間で圧縮された状態にあり、ボルト２５を介して電極２１を発熱体２０に向かう方向に付勢している。なお、異なる列の発熱体２０に接続された電極２１が、ボルト２５及びケーシング２９を介して短絡することを防止するために、ボルト２５と電極２１との間には断熱絶縁層２４を介在させている。
【００３９】
また、主に図４に示すように、発熱体２０とケーシング２９との間、及び、ガス流通方向に直交する方向に隣接する発熱体２０の間には、断熱絶縁層２４が充填されている。一方、ガス流通方向では、発熱体２０と発熱体２０の間には断熱絶縁層は充填されておらず、空間２８が形成されている。
【００４０】
触媒部３では、主に図５に示すように、触媒体３１がケーシング３９の内部に収納されており、ガスを流通させる断面を除いた触媒体３１の外表面が、断熱材３４で被覆されている。本実施形態の触媒体３１は、多孔質のコージェライトセラミックスのハニカム構造体に、貴金属触媒が担持されて形成されている。
【００４１】
次に、本実施形態のＶＯＣ処理装置１におけるガスの処理について説明する。まず、工場や事業所から排出されたＶＯＣを含有する未処理ガスは、ファン１８によって吸引口６から吸引された後、ガス導入路８を流通し加熱部２に導入される。このとき加熱部２では、電極２１ａ及び電極２１ｂに通電することによって発熱体２０が発熱している。そのため、未処理ガスは発熱体２０を通過する際に加熱される。ここで、それぞれの発熱体２０は多数のセル１１が列設されたハニカム構造部１０を備えるため、ガスはセル１１内を流通する際に効率良く加熱される。
【００４２】
加えて、ハニカム構造部１０の隔壁１２は多孔質であるため、ガス中に存在する微小な塵や粒子状物質は、隔壁１２に開口している気孔によって捕集される。
【００４３】
本実施形態の加熱部２では発電体２がガス流通方向に二列に設けられており、その間に空間２８が形成されているため、上流側の列の発熱体２０を通過したガスは、下流側の列の発熱体２０に流入する前にその前面に当たり、空間２８内で拡散し易い（図６参照）。これにより、ガス導入路８の端部から加熱部２に導入されたガスが、発熱体２０のごく一部のみを通過することが防止される。なお、本実施形態では発熱体２０が約３００℃に保持されるよう、発熱体２０への通電を調整している。
【００４４】
発熱体２０を通過することによって加熱された未処理ガスは、次に、触媒部３に流入し、触媒が担持されたハニカム構造体である触媒体３１を通過する。この際、未処理ガスは既に加熱部３０において、触媒存在下でＶＯＣが酸化分解可能な約３００℃まで加熱されているため、触媒体３１を通過する際に触媒と接触することにより、ガス中のＶＯＣは直接燃焼により酸化分解する場合より低温で酸化分解される。
【００４５】
そして、ＶＯＣが酸化分解された後の処理済みガスは、ガス排出路９を流通して熱交換器４に入り、そこでガス導入路８を流通する未処理ガスに熱を与えて低温となり、排出口７から外気中に排出される。
【００４６】
上記のように、本実施形態のＶＯＣ処理装置１によれば、ガスを流通させる構成をヒータやバーナ等の外部熱源によって外部から加熱するのではなく、ガスを流通させる構成である発熱体２０自体が自己発熱するため、通電により効率良くガスを加熱することができる。また、ガスを加熱するためには、発熱体２０のセル１１にガスを連続的に通過させれば足りるため、ガスを燃焼室内に溜めおいて外部加熱する従来の装置に比べて、装置全体を小型化することが可能である。
【００４７】
加えて、発熱体２０と触媒体３１とを主な構成とする簡易な構成であり、且つ、触媒部３が加熱部２の直後に設けられているため、装置全体を小型化することが可能となる。
【００４８】
また、本実施形態では、発熱体２０である多孔質の炭化珪素質セラミックスに触媒が担持されているのではなく、加熱部２とは別個の構成として、加熱部２より下流側に触媒部３が設けられている。そのため、触媒存在下でのＶＯＣの酸化分解に充分な３００℃まで、未処理ガスの温度を予め加熱部２で高めてから触媒部３に導入することができる。これにより、触媒の作用を充分に発揮させて、ＶＯＣを低温で確実に酸化分解することが可能となる。
【００４９】
加えて、ハニカム構造部１０におけるフィルタリング作用により、未処理ガス中に含まれる微小な塵や粒子状物質が捕集される。本実施形態では、触媒体３１と発熱体２０とは別個の構成であるため、発熱体に触媒が担持されている場合とは異なり、捕集された物質によって触媒が被覆されてしまうことがない。これにより、触媒体３１を長期にわたって使用することができる。
【００５０】
また、電極２１と発熱体２０との間に金属層２３及びスチールウール層２２を介在させており、金属層２３はアルミニウムの溶射により発熱体２０の電極２１側の端面全体に一体化して積層されている。これにより、スチールウールによって電極２１と金属層２３とを多くの接触点で電気的に接続することができると共に、金属層２３を介して発熱体の全体に通電させることができる。
【００５１】
更に、バネ部材２７の付勢によって、スチールウール層２２及び金属層２３を介した電極２１と発熱体２０との密着度を高めることができるため、発熱体２０に通電させ易い。また、バネ部材２７の付勢によって、スチールウールが圧縮され、スチールウール層２２と金属層２３との接触点が増加し、両層間の通電がより良好なものとなる。加えて、バネ部材２７の弾性変形により、発熱体２０の熱膨張を吸収することができるため、加熱部２において熱応力に起因する歪みや亀裂等の発生が有効に防止される。
【００５２】
加えて、スチールウール層２２はステンレススチールウールによって形成されているため、表面の不動体性皮膜によってそれ以上の酸化が抑制されており、加熱されたガスが流通する加熱部２の耐久性が高いものとなっている。
【００５３】
また、ハニカム構造部１０及び連結部１５は共に炭化珪素質セラミックス焼結体で形成されており、炭化珪素質セラミックス焼結体は、高強度であると共に、熱伝導率が高く熱膨張率が小さいことから耐熱衝撃性に優れる。そのため、使用に伴って加熱と冷却が繰り返される発熱体２０として適しており、発熱体２０全体の耐久性が高いものとなっている。加えて、熱伝導率が高いことにより、通電により発熱体２０の温度が速やかに上昇するため、効率良く未処理ガスを加熱することができる。更に、炭化珪素質セラミックス焼結体は、耐酸化性、耐食性にも優れるため、種々のＶＯＣを含有する未処理ガスを加熱する発熱体２０として適している。
【００５４】
加えて、複数のハニカム構造部１０を連結している連結部１５は、焼結によりハニカム構造部１０と一体化しているため、発熱体２０全体の強度が高く、連結部１５における亀裂等の発生も抑制されている。また、本実施形態では、ハニカム構造部１０及び連結部１５は同組成の炭化珪素質セラミックス焼結体であるため、熱膨張率が等しく、加熱に伴う熱応力の発生が抑制されている。更に、連結部１５も導電性のセラミックス焼結体であるため、複数のハニカム構造部１０のそれぞれに電極を設ける必要がなく、複数のハニカム構造部１０が連結されて形成された発熱体２０の両端に電極２１を設ければ足りる。これにより、ＶＯＣ処理装置１を簡易な構成とすることができる。
【００５５】
また、押出成形では大きな断面積のハニカム構造体を成形するのは困難であるところ、本実施形態では、複数のハニカム構造部１０を軸方向に直交する方向に連結して発熱体２０の断面積を増加させることにより、多量の未処理ガスの処理が可能となっている。
【００５６】
更に、本実施形態では複数のハニカム構造部１０が軸方向に直交する方向に連結されて形成された発熱体２０の両端に、それぞれ電極２１ａ，２１ｂが接続されていることにより、ハニカム構造部１０が電気的に直列に接続されている。従って、ハニカム構造部１０の数を加減することにより、電極２１ａ，２１ｂ間の距離を調整し、電気抵抗の大きさを調整することができる。これにより、炭化珪素質セラミックスは温度の上昇に伴って電気抵抗が減少するＮＴＣ特性を有するところ、電極２１ａ，２１ｂ間の電気抵抗値を調整することにより、電流値が過大となることを防止しつつ、商用電源を利用して大きな発熱量を得ることが可能となる。すなわち、特別な設備を要さず、中小規模の事業所にとっても導入し易い揮発性有機化合物処理装置を提供することができる。
【００５７】
また、本実施形態のＶＯＣ処理装置１は熱交換機４を備えているため、処理済みガスの排熱を有効に利用し、予め未処理ガスを加熱してから加熱部３０に導入することができる。これにより、発熱体２０への通電量を低減することができ、ランニングコストを抑えることができる。加えて、処理済みガスが高温状態のまま大気中に排出され、環境に悪影響を及ぼすことを防止することができる。
【００５８】
本実施形態のＶＯＣ処理装置１は、上記の構成に加え、加熱部２において発熱体２０よりガス流通の上流側に、ガスの流路を分散させるガス流路分散部材を備えた構成とすることができる。例えば、図６に示すように、ガス導入路８の末端の近傍に、多数の小さな貫通孔が穿設された分散プレート４１を設けることができる。そして、更に下流側の発熱体２０の前面近傍に、断面円錐形の基体の外表面に複数枚の羽根が設けられた分散羽根４２を設けることができる。ここで、分散プレート４１及び分散羽根４２は、共に「ガス流路分散部材」に相当する。
【００５９】
上記のような構成にすることにより、ガス導入路８の末端から流出したガスは、まず分散プレート４１の多数の貫通孔を通過することによって、種々の方向に分散する。そして、分散したガスは次に分散羽根４２にガイドされて流通し、ガスの流通路が拡径する。これにより、複数個が列設された発熱体２０の全断面積がガス導入路８の断面積に対して大きい場合であっても、発熱体２０全体に満遍なくガスを通過させ、発熱体２０全体の発熱を有効に活用してガスを加熱することができる。
【００６０】
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。
【００６１】
例えば、上記の実施形態では、ガス流通方向の二列の発熱体２のそれぞれに一対の電極２１ａ，２１ｂが接続されている場合を例示したが、これに限定されるものではなく、発熱体の接続の仕方は発熱体の種類（電気抵抗値）、サイズ等によって適宜変更することができる。例えば、図９に示すように、ガス流通方向の二列の発熱体２０それぞれの一端を、導電性の導通部２８で連結することにより、ガス流通方向の二列の発熱体２が電気的に直列に接続されている構成とすることができる。このような構成とすることにより、一つの発熱体２０におけるハニカム構造部１０の数を変えることなく、一対の電極２１ａ，２１ｂ間で発熱体２０を電流が流れる距離を長くすることができる。
【００６２】
また、複数のハニカム構造部１０がセラミックス焼結体である連結部１５によって連結されている場合を例示したが、複数のハニカム構造部１０の連結する構成はこれに限定されない。例えば、ハニカム構造部１０において連結される端面に、金属の溶射により金属層を設け、隣接するハニカム構造部１０のそれぞれの金属層の間に、スチールウール層を設けることができる。すなわち、隣接するハニカム構造部１０にそれぞれ設けられた金属層の二つと、その間のスチールウール層によって連結部を構成した形態である。このような構成とすることにより、金属層及びスチールウール層を介して隣接するハニカム構造部１０間で良好に通電させることができる。そして、ステンレススチールウールを使用してスチールウール層を形成すれば、耐久性を高めることができる。
【００６３】
更に、触媒部に触媒体を一層設けた場合を例示したが、これに限定されず、ガス流通方向に複数の触媒体が列設された構成とすることができる。その場合、触媒の種類は同一であっても異なっていても良い。
【００６４】
加えて、触媒体として多孔質体に触媒を担持させたものを例示したが、これに限定されず、例えば、発泡金属など触媒自体を多孔質構造として用いることができる。
【符号の説明】
【００６５】
１ ＶＯＣ処理装置（揮発性有機化合物処理装置）
２ 加熱部
３ 触媒部
１０ ハニカム構造部
１１ セル
１２ 隔壁
１５ 連結部
２０ 発熱体（導電性発熱体）
２１，２１ａ，２１ｂ 電極
２２ スチールウール層
２３ 金属層
２７ バネ部材
３１ 触媒体
【先行技術文献】
【特許文献】
【００６６】
【特許文献１】特開平１１−２２１４３０号公報
【特許文献２】特開２００５−２７９５７０号公報
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを流通させる連通孔部が形成された導電性発熱体、及び、該導電性発熱体へ通電するための電極を備え、通電による前記導電性発熱体の発熱によって前記連通孔部を流通するガスを加熱する加熱部と、
揮発性有機化合物の酸化分解温度を低下させる触媒体を備え、前記加熱部よりガス流通の下流側に設けられ前記加熱部で加熱されたガスに含まれる揮発性有機化合物を酸化分解させる触媒部とを具備し、
前記加熱部は、溶融金属の固化により前記電極側の前記導電性発熱体の端面に一体化し積層された金属層、及び、該金属層と前記電極との間に設けられた導電性弾性体層を備える
ことを特徴とする揮発性有機化合物処理装置。
【請求項２】
前記導電性弾性体層は、ステンレススチールウールによって形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の揮発性有機化合物処理装置。
【請求項３】
前記導電性発熱体は、導電性セラミックス焼結体で形成され、単一の軸方向に延びて列設された複数の隔壁により区画された複数のセルを備えるハニカム構造を有する複数のハニカム構造部、及び、該ハニカム構造部と一体化している導電性セラミックス焼結体で形成され、隣接する前記ハニカム構造部を前記軸方向に直交する方向に連結している連結部を備える
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の揮発性有機化合物処理装置。
【請求項１】
ガスを流通させる連通孔部が形成された導電性発熱体、及び、該導電性発熱体へ通電するための電極を備え、通電による前記導電性発熱体の発熱によって前記連通孔部を流通するガスを加熱する加熱部と、
揮発性有機化合物の酸化分解温度を低下させる触媒体を備え、前記加熱部よりガス流通の下流側に設けられ前記加熱部で加熱されたガスに含まれる揮発性有機化合物を酸化分解させる触媒部とを具備し、
前記加熱部は、溶融金属の固化により前記電極側の前記導電性発熱体の端面に一体化し積層された金属層、及び、該金属層と前記電極との間に設けられた導電性弾性体層を備える
ことを特徴とする揮発性有機化合物処理装置。
【請求項２】
前記導電性弾性体層は、ステンレススチールウールによって形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の揮発性有機化合物処理装置。
【請求項３】
前記導電性発熱体は、導電性セラミックス焼結体で形成され、単一の軸方向に延びて列設された複数の隔壁により区画された複数のセルを備えるハニカム構造を有する複数のハニカム構造部、及び、該ハニカム構造部と一体化している導電性セラミックス焼結体で形成され、隣接する前記ハニカム構造部を前記軸方向に直交する方向に連結している連結部を備える
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の揮発性有機化合物処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−９８３０６（Ｐ２０１１−９８３０６Ａ）
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５５４４０（Ｐ２００９−２５５４４０）
【出願日】平成２１年１１月６日（２００９．１１．６）
【出願人】（３０４０１９３９９）国立大学法人岐阜大学 (289)
【出願人】（３９１０１６８４２）岐阜県 (70)
【出願人】（０００２２０７６７）東京窯業株式会社 (211)
【出願人】（３０７０４４２８６）加藤電気炉材製造有限会社 (2)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月６日（２００９．１１．６）
【出願人】（３０４０１９３９９）国立大学法人岐阜大学 (289)
【出願人】（３９１０１６８４２）岐阜県 (70)
【出願人】（０００２２０７６７）東京窯業株式会社 (211)
【出願人】（３０７０４４２８６）加藤電気炉材製造有限会社 (2)
【Ｆターム（参考）】
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