(57)【要約】ガスを処理するためのシステムおよび方法が提供される。この方法は、誘電体部によって画定された複数の放電チャンバを設けるステップを含み、放電チャンバのそれぞれが、放電チャンバ内で電界を生成するための電極のセットを備え、誘電体部および電極のセットが、ボリューム・ストリーマの形成を抑制する空間を画定するように構成され、放電チャンバが、隣接放電チャンバ内で生成されるパルス状の電界が実質的に相互作用しないようにするように構成される。この方法はさらに、放電チャンバにガスを導くステップと、放電チャンバ内の第１および第２の電極のセットそれぞれによって生成されるパルス状の電界によって生成されるコロナ放電を、放電チャンバ内で使用してガスを処理するステップとを含み、パルス状の電界が、コロナ放電を生成して沿面ストリーマおよびボリューム・ストリーマを有するように構成される。
2013544633.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを処理するためのシステムであって、
処理に先立って、前記ガスを受けるためのガス入口と、
前記ガス入口に連結された、２つ以上の放電チャンバを画定する複数の誘電体部と、
前記放電チャンバのそれぞれに配置された第１および第２の電極と、
前記放電チャンバの隣接チャンバ間に配置された導電性シールド部分と、
前記放電チャンバに連結されたガス出口と、
前記放電チャンバ内の前記シールド部分ならびに前記第１および前記第２の電極と連通している回路とを備え、
前記回路は、前記第１および第２の電極間にパルス状の電界を生成し、かつ前記シールド部分に基準電圧を印加するように構成されており、
前記複数の誘電体部ならびに前記第１および第２の電極は、前記放電チャンバ内のコロナ放電の全エネルギー密度の大部分が沿面ストリーマに起因するように構成されるシステム。
【請求項２】
前記放電チャンバの前記隣接チャンバが、前記複数の誘電体部のうちの１つによって分離され、前記シールド部分が、前記複数の誘電体部のうちの前記１つに埋め込まれる、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記放電チャンバの前記隣接チャンバが、前記複数の誘電体部のうちの２つによって分離され、前記シールド部分が、前記複数の誘電体部のうちの前記２つの間に配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記複数の誘電体部のうちの前記２つが、隣接する誘電体部であり、前記シールド部分が、
前記隣接する誘電体部の第１の部分の表面上に配置された少なくとも第１のシールド部分と、
前記隣接する誘電体部の第２の部分の表面上に配置された少なくとも第２のシールド部分と、
をさらに備え、
前記第１および第２のシールド部分が物理的かつ電気的に接触している、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記シールド部分が、前記第２の電極に電気的に結合している、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記シールド部分が、導電性シートおよび導電性メッシュのうちの少なくとも１つを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記第１の電極がワイヤである、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記第２の電極が、導電性シートおよび導電性メッシュのうちの１つを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記第１および前記第２の電極がワイヤ−板またはワイヤ−ワイヤの関係にある、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記放電チャンバの少なくとも一部分が、前記ガス入口および前記ガス出口に対して直列に結合される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記放電チャンバの少なくとも一部分が、前記ガス入口および前記ガス出口に対して並列に結合される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
ガスを処理するためのシステムであって、
処理に先立って、前記ガスを受けるためのガス入口と、
前記ガス入口に連結された、２つ以上の放電チャンバを画定する複数の誘電体部と、
前記放電チャンバのそれぞれに配置された第１および第２の電極の１つまたは複数のセットと、
前記放電チャンバに連結されたガス出口と、
前記放電チャンバ内の前記第１および前記第２の電極の前記セットと連通している回路と
を備え、
前記回路は、前記第１および第２の電極の前記セットのそれぞれにおいて、パルス状の電界を生成するように構成され、
前記複数の誘電体部、ならびに第１および第２の電極の前記セットは、前記放電チャンバ内のコロナ放電の全エネルギー密度の大部分が沿面ストリーマに起因するように構成され、
前記放電チャンバの隣接チャンバに関連する第１および第２の電極の前記セットは、前記放電チャンバの前記隣接チャンバのうち第１のチャンバ内のパルス状電界が放電チャンバの前記隣接チャンバのうち第２のチャンバ内のパルス状電界と実質的に相互作用しないように、千鳥構成で配置されるシステム。
【請求項１３】
前記第１の電極がワイヤである、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記第２の電極が、導電性シートおよび導電性メッシュのうちの１つを備える、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記セットのそれぞれにおける前記第１および第２の電極が、実質上同軸の関係にある、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１６】
前記放電チャンバの少なくとも一部分が、前記ガス入口および前記ガス出口に対して直列に結合される、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１７】
前記放電チャンバの少なくとも一部分が、前記ガス入口および前記ガス出口に対して並列に結合される、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１８】
ガスを処理するための方法であって、前記方法は、
複数の誘電体部によって画定された２つ以上の放電チャンバを設けるステップであって、前記放電チャンバのそれぞれが、前記放電チャンバ内で電界を生成するための、第１および第２の電極の１つまたは複数のセットを備え、前記複数の誘電体部ならびに第１および第２の電極の前記セットが、ボリューム・ストリーマの形成を抑制する空間であって放電チャンバのそれぞれにおける空間を画定するように構成され、かつ前記放電チャンバは、同放電チャンバの隣接チャンバ内で生成されるパルス状の電界が実質的に相互作用することを回避するように構成される、ステップと、
前記ガスを前記放電チャンバに導くステップと、
前記放電チャンバ内の前記第１および第２の電極の前記セットのそれぞれによって生成されるパルス状の電界によって生成される、同放電チャンバ内のコロナ放電を使用して、前記ガスを処理するステップと
を含む方法。
【請求項１９】
前記設けるステップは、前記放電チャンバの前記隣接チャンバ間に導電性シールド部分を挿入するステップをさらに含み、前記処理するステップは、前記シールド部分に基準電圧を印加するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記挿入するステップは、導電性シート部分と導電性メッシュ部分から少なくとも１つを備えるよう前記シールド部分を選択するステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記設けるステップは、前記シールド部分を前記第２の電極に電気的に結合するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記設けるステップは、前記放電チャンバの前記隣接チャンバ内の第１および第２の電極の前記セットを千鳥構成に配置するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
ガスを処理するためのシステムであって、
処理に先立って、前記ガスを受けるためのガス入口と、
前記ガス入口に連結された、２つ以上の隣接放電チャンバを画定する複数の誘電体部と、
前記放電チャンバのそれぞれに配置された第１および第２の電極と、
前記放電チャンバに連結されたガス出口と、
前記放電チャンバ内の前記シールド部分ならびに前記第１および前記第２の電極と連通している回路と
を備え、
前記回路は、前記第１及び第２の電極間にパルス状の電界を生成するように構成され、前記複数の誘電体部ならびに前記第１および第２の電極は、前記放電チャンバ内のコロナ放電からの全エネルギー密度の大部分が沿面ストリーマに起因するように構成され、前記放電チャンバのうち第１のチャンバ内の前記第１および第２の電極、ならびに、前記放電チャンバのうち前記第１のチャンバに隣接する、前記放電チャンバのうち第２のチャンバ内の前記第１および第２の電極が、千鳥構成で配置される、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学処理のための装置および方法に関する。より具体的には、本発明は、効率的なコロナ放電プラズマ反応器を用いた排気ガス内の汚染軽減など、ガス内の化合物の分解を含む、ガスを処理するためのエネルギー効率の高い装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス状放出物内の汚染物質を分解するのに通常利用されるプラズマは、典型的には高電圧放電によって生成される。このようなプラズマは通常、２つの電極間の気相中を伝搬する細いプラズマ・チャネル（ストリーマ）を含む。これらのストリーマすなわちプラズマ・チャネルは一般に、「ボリューム・ストリーマ（ｖｏｌｕｍｅ−ｓｔｒｅａｍｅｒｓ）」または「ボリューム・プラズマ」と呼ばれる。しかしながら、ストリーマは固気界面においても伝搬する。このようなストリーマは一般に、表面フラッシュオーバとして発生し、高電圧の機器および伝送線における絶縁体が部分的に破壊する際に通常観察される。これらのタイプのプラズマ・ストリーマは一般に、沿面ストリーマまたは表面プラズマと呼ばれる。一般に、プラズマと固体表面との間の沿面ストリーマにおいては相互作用がより強いので、沿面ストリーマは多くの点でボリューム・ストリーマと異なる。たとえば、沿面ストリーマは、ボリューム・ストリーマよりも速く伝搬するが、このことは、ストリーマ・ヘッドの前方での衝突イオン化に寄与する表面からの光電子抽出が原因と考えられる。
【０００３】
一般に、ボリューム・プラズマと比較して、表面プラズマの場合と同様に、プラズマと接触している固体表面上での、化学活性種の吸収および安定化がより改善されることが予想できる。これは、通常観察される正電荷および遊離基の滞留によって示すことができる。表面プラズマにおいては、気相から吸収される汚染物質と表面を介して反応する際に、吸収された活性基を利用することができる。次いで、生成物を気相中に放出することができる。次いで、この吸収と再生のサイクルを繰り返すことができる。一般に、表面を介した反応の歩留まりは気相反応よりも高いが、それというのも、表面を介した反応の場合には、不要な副産物への逆反応および変換を最小限に抑えることができるからである。
【０００４】
ボリューム・ストリーマ放電と比較した、沿面ストリーマ放電の潜在的な利点は、有毒な揮発性有機化合物（ＶＣＯ：ｖｏｌａｔｉｌｅ  ｏｒｇａｎｉｃ  ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ）の分解に関する研究において示されてきた。一般に、ＶＣＯの分解におけるエネルギー・コストは、沿面ストリーマ放電においては、ボリューム・ストリーマ放電と比較して１／５〜１／７の低さであることが分かっていた。プラズマでのＶＣＯの分解は、有機分子を部分的に酸化することで開始する。空気中で希釈されたディーゼル燃料がプラズマ反応器に供給されると、燃料を含む炭化水素をプラズマ中で部分的に酸化することができる。次いで、部分的に酸化された炭化水素は、ディーゼル・エンジン排気からのＮＯｘの炭化水素支援選択接触還元（Ｈ−ＳＣＲ）のプロセス中での、効率的な還元剤のオンボード・ソースとして利用することができる。次いで、炭化水素の部分的な酸化が、プラズマ反応器内でＮＯからＮＯ２への変換と結合し、このことはまた、Ｈ−ＳＣＲプロセスでのＮＯｘのより効率的な分解にとって望ましい。以前の研究から、沿面ストリーマ・プラズマ反応器は、ボリューム・ストリーマ・プラズマ反応器と比較して、ＮＯｘからＮＯ２への変換において著しくエネルギー効率がよいことが分かっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、化学処理のための装置および方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態は、化学処理についてのシステムおよび方法に関する。第１の実施形態では、ガスを処理するための一システムが提供される。このシステムは、処理に先立ってガスを受けるためのガス入口、およびこのガス入口に連結された２つ以上の放電チャンバを画定する複数の誘電体部を備える。このシステムはさらに、放電チャンバのそれぞれに配置された第１および第２の電極、ならびに放電チャンバのうち隣接するチャンバ間に配置された導電性シールド部分を備える。このシステムはまた、放電チャンバに連結されたガス出口、ならびに、放電チャンバ内のシールド部分と第１および第２の電極とに連通する回路を備える。システムにおいて、この回路は、放電チャンバのそれぞれにおいて、沿面ストリーマおよびボリューム・ストリーマを有するコロナ放電を放電チャンバ内に生成することができるパルス状の電界を、第１の電極と第２の電極の間に生成するように、またシールド部分に基準電圧を印加するように構成される。さらに、この複数の電極部分、ならびに第１および第２の電極は、放電チャンバ内の全エネルギー密度の大部分が沿面ストリーマに起因するように構成される。
【０００７】
本発明の第２の実施形態では、ガスを処理するための一システムが提供される。このシステムは、処理に先立ってガスを受けるためのガス入口、およびこのガス入口に連結された２つ以上の放電チャンバを画定する複数の誘電体部を備える。このシステムはまた、放電チャンバのそれぞれに配置された１組または複数組の、第１および第２の電極、ならびに放電チャンバに連結されたガス出口を備える。システムはさらに、放電チャンバ内の第１および第２の電極のセットと連通している回路を備える。システムにおいて、この回路は、沿面ストリーマおよびボリューム・ストリーマを有するコロナ放電を放電チャンバのうち対応するチャンバ内で生成することができるパルス状の電界を、第１および第２の電極のセットのうちのそれぞれにおいて生成するように構成される。したがって、この複数の電極部、ならびに第１および第２の電極のセットは、放電チャンバ内の全エネルギー密度の大部分が沿面ストリーマに起因するように構成される。さらに、放電チャンバのうち隣接するチャンバに関連する第１および第２の電極のセットは、放電チャンバの隣接チャンバのうち第１のチャンバ内のパルス状電界が、放電チャンバの隣接チャンバのうち第２のチャンバ内のパルス状電界と実質的に相互作用しないように、千鳥構成（ｓｔａｇｇｅｒｅｄ  ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）で配置される。
【０００８】
本発明の第３の実施形態では、ガスを処理するための一方法が提供される。この方法は、複数の誘電体部によって画定された２つ以上の放電チャンバを設けるステップを含み、放電チャンバのそれぞれが、放電チャンバ内で電界を生成するための、第１および第２の電極の、１つまたは複数のセットを備え、複数の誘電体部ならびに第１および第２の電極のセットが、ボリューム・ストリーマの形成を抑制する空間を、放電チャンバのそれぞれにおいて画定するように構成され、放電チャンバが、放電チャンバのうち隣接するチャンバ内で生成されるパルス状の電界が実質的に相互作用しないようにするように構成される。この方法は、放電チャンバにガスを導くステップをも含む。この方法はさらに、放電チャンバ内の第１および第２の電極のセットの各々によって生成されるパルス状の電界によって生成されるコロナ放電を放電チャンバ内で使用してガスを処理するステップを含み、パルス状の電界は、沿面ストリーマおよびボリューム・ストリーマを有するよう、コロナ放電を生成するように構成される。
【０００９】
本発明の第４の実施形態では、ガスを処理するための一システムが提供される。このシステムは、処理に先立ってガスを受けるためのガス入口、およびこのガス入口に連結された２つ以上の隣接する放電チャンバを画定する複数の誘電体部を備える。このシステムはまた、放電チャンバのそれぞれに配置された第１および第２の電極、ならびに放電チャンバに連結されたガス出口を備える。システムはさらに、放電チャンバ内のシールド部分ならびに第１および第２の電極と連通している回路を備える。システムにおいて、この回路は、沿面ストリーマおよびボリューム・ストリーマを有するコロナ放電を放電チャンバ内に生成することができるパルス状の電界を、放電チャンバのそれぞれにおいて、第１の電極と第２の電極の間に生成するように構成される。さらに、この複数の電極部分、ならびに第１および第２の電極は、放電チャンバ内の全エネルギー密度の大部分が沿面ストリーマに起因するように構成される。最後に、放電チャンバのうち第１のチャンバ内の第１および第２の電極、ならびに、放電チャンバのうち第１のチャンバに隣接する、放電チャンバのうち第２のチャンバ内の第１および第２の電極が、千鳥構成で配置される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】本発明の様々な実施形態を説明するのに有用な、沿面ストリーマ・ベースのプラズマ反応器の上面図である。
【図１Ｂ】本発明の様々な実施形態を説明するのに有用な、沿面ストリーマ・ベースのプラズマ反応器の側面図である。
【図１Ｃ】本発明の様々な実施形態を説明するのに有用な、沿面ストリーマ・ベースのプラズマ反応器の断面図である。
【図２】本発明の一実施形態によるガス処理装置のための、第１の例示的な構成の部分断面図である。
【図３】ＡおよびＢは、本発明の一実施形態によるガス処理装置のための、例示的な一構成の、それぞれ部分的な分解図および組立図である。
【図４】本発明の一実施形態によるガス処理装置のための、別の例示的な構成の部分断面図である。
【図５】ギャップ幅が２ｍｍ、かつ単一のチャンバが動作しているときはギャップ幅が１４ｍｍである、図３に従って構成されたガス処理装置における、ＮＯ変換％の関数としてのエネルギー・コスト（ｅＶ／分子）のｘ−ｙグラフである。
【図６】単一チャンバおよびデュアル・チャンバの動作においてギャップ幅が２ｍｍである、図３に従って構成されたガス処理装置における、ＮＯ変換％の関数としてのエネルギー・コスト（ｅＶ／分子）のｘ−ｙグラフである。
【図７】沿面ストリーマと、ボリューム・ストリーマ動作モード用の従来の同軸プラズマ反応器と、における、ギャップ幅が２ｍｍの２つのチャンバを利用する、図３に従って構成されたガス処理装置における、ＮＯ変換％の関数としてのエネルギー・コスト（ｅＶ／分子）のｘ−ｙグラフである。
【図８】本発明の一実施形態によって構成されたガス処理装置と、支援する電気回路と、を備えるシステムを示す図である。
【図９】制御システムとして実装することができるコンピューティング装置の詳細ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
添付図を参照して本発明を説明する。同様のまたは均等の要素を指すために、図面全体を通して同じ参照番号を使用する。各図は、正確な拡縮比率で描かれてはおらず、単に本発明を例示するために示したものである。説明するための例示的な用途を参照しながら、本発明のいくつかの態様を以下に説明する。数多くの具体的な詳細、関係、および方法は、本発明を完全に理解するために説明されていることを理解されたい。しかしながら、本発明は、具体的な詳細のうち１つまたは複数がなくても、または他の方法を用いても、実施できることが、当業者には容易に理解されよう。場合によっては、本発明が分かりにくくならないよう、よく知られた構造または動作は詳細に示していない。本発明は、例示された順序の動作または事象に限定されるものではなく、動作によっては、様々な順序で発生してもよく、かつ／または他の動作もしくは事象と同時に発生してもよい。さらに、例示された動作または事象の全てに、本発明による方法を実施する必要があるものでもない。
【００１２】
図１Ａおよび１Ｂには、主に沿面ストリーマを促進するように構成された、プラズマ反応器すなわちプラズマ・システム１００の、上面図および側面図がそれぞれ示してあり、本発明を説明するのに有用である。図１Ｃには、図１Ａの切断線Ｃ−Ｃに沿ったシステム１００の断面図が示してある。図１Ａ〜１Ｃに示すように、システム１００は、放電空間すなわちチャンバ１０２を画定する格納装置である。放電チャンバ１０２は、一群の表面によって画定されている。たとえば、図１Ａ〜１Ｃに示すように、放電チャンバ１０２は、対向する上部誘電体部および下部誘電体部すなわち面１０４、対向する誘電体端部１０６、ならびに横方向の部分すなわち側部１０８によって画定されている。
【００１３】
システム１００はまた、放電チャンバ１０２との間でガスを入れたり出したりするための、それぞれ入口１１４および出口１１６を備える。図１Ａ〜１Ｃに示す構成では、システム１００は、対向する端部１０６において単一の入口１１４および単一の出口１１６を備えるものとして示してある。しかしながら、様々な実施形態において、入口および出口の数と配置を変更することができる。
【００１４】
放電チャンバ１０２はさらに、高電圧パルスを使用して放電チャンバ１０２内でプラズマを生成するための電極１１０および１１２を備える。パルスを使用すると、アーク放電が防止される。図１Ａに示すように、システム１００はアノード電極１１０を備える。図１では、アノード電極１１０は、放電チャンバ１０２に挿入され、放電チャンバ１０２の長さ方向にわたって延在するワイヤとして示してある。しかしながら、この点に関して、様々な実施形態は限定されない。たとえば、電極１１０はまた、これだけには限らないが、ストリーマを生成することのできるねじ棒、鋭利な縁部、または任意の他の局所的な構成の電極でもよい。
【００１５】
システム１００はまた、１つまたは複数のカソード電極１１２を備える。図１Ａ〜１Ｃに示した構成では、第２の電極は、横方向の側部１０８の内面に配置された固体導電体として示してある。しかしながら、横方向の側部１０８と電極１１２は、一体形成することができる。さらに、カソード電極１１２はまた、ワイヤ・メッシュ、板、ワイヤ、または当技術分野で知られている他の導電性電極構成とすることができる。さらに、横方向の側部１０８および電極１１２は、カソード電極１１２を通ってガス放電チャンバ１０２との間でのガスの流れが可能になるよう構成することができる。たとえば、カソード電極１１２を、横方向の側部１０８に沿ってガス入口１１４からシステム１００まで配置し、サイズ調整すなわち構成して、カソード電極１１２を通って放電チャンバ１０２中にガスが流れるようにすることによってこれが実現する。処理後、ガスは、カソード電極１１２のうちもう一方および側部１０８を通って、ガス出口１１６から出る。
【００１６】
図１Ａ〜１Ｃに示すように、システム１００は、電極１１０および１１２の実質的なワイヤ−板構成を示している。図１Ｃに示すように、アノード電極１１０は、この場合にはワイヤであり、２つのカソード電極１１２に対して等しい距離に配置される。しかしながら、本発明の様々な実施形態は、反応器についてのこの例示的な構成には限定されない。たとえば、アノード電極１１０の位置を変更することができ、電極１１２間で正確に等距離である必要はない。さらに、電極１１０は、誘電体部１０４のうち第１の誘電体部上、またはその近くに配置されているものとして図１Ｃに示してある。しかしながら、この点に関して、様々な実施形態は限定されず、誘電体部１０４に対する電極１１０の位置を変更することができる。すなわち、システム１００内で沿面ストリーマが主として生成されるほどワイヤとシートの距離が十分に短い限り、電極１１０は、誘電体部１０４のいずれかの上、もしくはその近くに、２つの表面１０４の間で等距離に、またはその間の任意の位置に配置することができる。
【００１７】
さらに、様々な実施形態は、ワイヤ−板構成に限定はされない。すなわち、いくつかの例を挙げると、アノード電極およびカソード電極は、ワイヤ−ワイヤ構成、ポイント−ワイヤ構成、またはポイント−板構成で配置することができる。さらに、様々な実施形態での電極の役割は、逆にすることができる。すなわち、電極１１０および電極１１２を切り替えて、それぞれカソードおよびアノードにすることができる。
【００１８】
システム１００の例示的な一構成では、誘電体表面１０４としてガラス、アクリル、もしくは他の誘電体材料からなるシートまたは膜を使用し、アノード電極１１０として直径が１５０マイクロメートルのステンレス鋼ワイヤを使用し、カソード電極１１２として厚さが６ｍｍのアルミニウム・ストリップを使用し、端部１０６としてテフロン（登録商標）またはプレキシガラスまたはシリコンを使用して、システム１００を構成することができる。しかしながら、様々な実施形態は、上記の例示的な材料には限定されない。たとえば、いくつか例を挙げると、誘電体表面１０４は、コーディエライト、炭化ケイ素、アルミナなどのセラミック・シートから製造することができる。さらに、電極１１０および１１２は、任意の導電性材料または半導電性材料から製造することができる。しかしながら、ステンレス鋼、銅、銀、タングステン、またはそれらの合金などの金属では、優れた性能を実現できる。
【００１９】
このような材料を使用する反応器の例示的な寸法、および通常実現可能な１パルス当たりのエネルギーを表１に挙げる。
【００２０】
【表１】
2013544633.tif 000003
【００２１】
表１において、反応器４は従来の同軸反応器（図示せず）であり、放電ギャップが円筒の直径によって画定されており、ボリューム・ストリーマ・モードで動作する。反応器１、２、および３は、図１Ａおよび１Ｂに従って構成され、沿面ストリーマ・モードで動作する反応器である。反応器４における各寸法および実現可能な１パルス当たりのエネルギーが、比較のために示してある。
【００２２】
上記構成に加えて、放電チャンバ１０２内の第１の電極１１０の端部を絶縁して、端部１０６での沿面ストリーマをなくすことができる。たとえば、電極の各端部での２．５ｃｍの部分を使用して、端部取付け具での沿面ストリーマをなくすために電極１１０および１１２を絶縁することができる。したがって、電極の有効な長さは、上記の長さよりも５ｃｍ短くなるはずである。
【００２３】
放電チャンバ、ガス、および電極の構成によって有効な長さが変化することになり、その長さにおいて、ストリーマの形成が効果的に抑制され、その結果エネルギー密度において沿面ストリーマが主要な役割を演じることが当業者には理解されよう。たとえば、誘電体表面１０４間の間隔を使用して、放電チャンバ１０２の寸法を低減させて、上記電極構成の場合のボリューム・ストリーマの形成を抑制してもよい。図１の実施形態では、誘電体表面１０４間の１０ｍｍの距離は、ボリューム・ストリーマの形成を著しく低減させるか、またはそれをなくすのに有効であることが示された。対応するエネルギー密度の増大とともに沿面ストリーマの役割を大きくするという点で、より短い距離が好ましい。沿面ストリーマが支配的な、放電チャンバを有するプラズマ反応器の設計が、２００７年１１月２０日発行のマーリク（Ｍａｌｉｋ）らの米国特許第７，２９８，０９２号明細書に記載されており、その内容全体を本明細書に援用する。
【００２４】
上記プラズマ反応器は、十分な量の沿面ストリーマを生成して、有効な処理を実現することができるが、これらの反応器をいくつか組み合わせて小さい空間にすることは難しくなり得る。たとえば、図１Ａおよび１Ｂに示した反応器のうち２つが、直接重ねて配置される場合、または誘電体部１０４のうち共通部分を使用して構成され、共通の電源を使用して並列に動作する場合、プラズマは通常、１つのチャンバのみで観察されることになる。これは、プラズマと接触している誘電体表面上に沿面ストリーマが残す、正の表面電荷によるものと考えられる。誘電体の片側にあるこの電荷は、もう一方の側に逆の電荷を誘起し、これが、隣接する放電チャンバ内での電界分布を変化させ、またはそれと相互作用するように思われる。その結果、相互作用の結果として、プラズマ形成にとって好ましくない電界分布が生じる。さらに、このような構成では、ＮＯからＮＯ２への変換におけるエネルギー効率が著しく低下することになる。すなわち、２つの表面プラズマ反応器は、互いに隣接して動作するとき、互いに電気的に結合できるようになる。通常、反応器のうち１つの反応器の電界が十分に強く、それにより、反対の誘電体表面に電荷が蓄積する場合、これが起きる可能性がある。結果として、１つの反応器のみでプラズマ形成が生じることになり、処理効率が低下する。結果として、自動車の排気処理システムなどにおいて、小さい空間でこのような反応器をいくつか組み合わせることでは、ガス処理の改善にはつながらない。
【００２５】
反応器をこのように組み合わせることの限界に鑑みて、本発明の様々な実施形態により、複数の隣接するプラズマ反応器を使用する、ガス処理用のシステムおよび方法が実現する。具体的には、本発明の様々な実施形態により、並列または直列に動作している隣接する表面プラズマ反応器をデカップリングするための方法および構成が実現する。具体的には、本発明の様々な実施形態により、隣接するチャンバでの表面プラズマ放電によって１つの反応器で逆電荷が誘起されることを防止するよう、シールド部分を有する隣接する表面プラズマ反応器を構成するステップが実現する。すなわち、複数の反応器を並列または直列に動作させることにより、表面プラズマ反応器をスケールアップすることによってガス処理装置を形成することができ、基準電圧で保持されたシールド部分で複数の反応器を分離することによって互いに隣接して配置することができる。すなわち、エネルギー効率、流量、または汚染物質の変換に影響を与えることなく、相対的に小さい空間の放電チャンバを使用して、ガス処理装置を形成することができる。
【００２６】
図２は、本発明の一実施形態によるガス処理装置２００のための、第１の例示的な構成の部分断面図である。具体的には、図２は、システム１００（反応器１００Ａおよび１００Ｂ）の２つの積重ね構成であり、図２で示した断面図は、反応器１００Ａおよび１００Ｂのそれぞれについての、図１の切断線２−２に沿った断面図の一部分である。すなわち、反応器１００Ａおよび１００Ｂのそれぞれは、図１のシステム１００と実質上同様になるように構成される。
【００２７】
装置２００の部分断面図により、システム１００Ａおよび１００Ｂのそれぞれにおける、それぞれ上部および下部の、誘電体部１０４Ａおよび１００Ｂが示してある。装置２００では、反応器１００Ａと１００Ｂの間に導電性のシールド部分２０２を設けることにより、反応器１００Ａと１００Ｂの間のデカップリングが実現する。特に、シールド部分２０２は、誘電体部１０４Ａおよび１０４Ｂの接触部分の間に配置される。したがって、このシールド部分２０２は、隣接する反応器の一部分である誘電体上への電荷の誘起を防止する導電媒体を設けることにより、２つの反応器１００Ａおよび１００Ｂをデカップリングすることができる。
【００２８】
動作にあたっては、シールド部分２０２は、システム１００Ａおよび１００Ｂのそれぞれの電極の電圧と同じかそれよりも低い基準電圧に接続することができる。たとえば、シールド部分２０２は、アースに結合することができる。結果として、放電チャンバ１０２Ａの第１のチャンバで生成される電界は、放電チャンバ１０２Ｂの第２のチャンバに入ることが効果的に阻止される。誘電体表面に誘起される電荷は、導電性シールドによって運ばれる。したがって、誘起される電荷がなくなると、結果として、隣接している放電チャンバ１０２Ａおよび１０２Ｂの両方においてプラズマを生成できるようになる。
【００２９】
本発明の実施形態によっては、反応器１００Ａおよび１００Ｂ内のシールド部分２０２と各電極を、上記の通り別々にバイアスすることができる。しかしながら、構成によっては、反応器１００Ａおよび１００Ｂ内のシールド部分２０２とカソード電極をバイアスすることができ、かつ／または電気的に結合することができる。このような構成により、動作装置２００に必要となる回路が簡略になる。すなわち、反応器１００Ａおよび１００Ｂ内のシールド部分２０２およびカソード電極をバイアスするのに、別々の回路は必要としない。さらに、これらの部分は実質上互いに隣接しているので、これらの部分ではより簡略に配線することができる。
【００３０】
図２に示した構成では、シールド部分で分離された２つの別々の反応器チャンバが示してある。しかしながら、この点に関して、本発明の様々な実施形態は限定されない。他の実施形態では、反応器は、共通の誘電体部を共用することができ、そこで、誘電体部は、この共通の誘電体部内に埋め込まれた、または他の方法で一体形成されたシールド部分を備える。
【００３１】
さらに、シールド部分は、いくつかの方式で形成することができる。たとえば、本発明の実施形態によっては、シールド部分は、導電性材料のシートまたはホイルを使用して形成することができる。たとえば、シートまたはホイルは、金属または金属合金から構成することができる。しかしながら、本発明の様々な実施形態は、金属導体からなるシールド部分に限定されない。むしろ、非金属導体を使用することもできるがこれだけには限らない。さらに、様々な実施形態は、もっぱらシート・タイプまたはホイル・タイプのシールド部分に限定されない。構成によっては、穿孔されたシートまたはホイルを使用して、シールド部分を設けることもできる。さらに他の構成では、シールド部分の導電性材料は、メッシュまたはスクリーンを形成するよう構成することができる。さらに他の構成では、複数のシールド部分を使用することができ、それぞれが基準電圧に結合される。
【００３２】
次に図３Ａおよび３Ｂを参照すると、本発明の一実施形態に従って構成された、ガス処理装置３００の例示的な一構成が示してある。図３Ａは、装置３００の部分分解図である。図３Ｂは、装置３００の組立て図である。図３Ａおよび３Ｂに示すように、装置３００は、第１の反応器３０２および第２の反応器３０４を備える。反応器３０２および３０４のそれぞれは、積み重ねた層によって画定された放電チャンバ３０６を備える。具体的には、この積み重ねた層は、第１の誘電体層３０８、第２の誘電体層３１０、および誘電体層３０８と３１０の間に配置されたスペーサ層３１２を備える。
【００３３】
図３Ａおよび３Ｂに示す構成では、図１に関して前述したように、積み重ねた層３０８〜３１２は、誘電体材料のシートの層を使用して形成することができる。しかしながら、本発明の様々な実施形態は、この点に関しては限定されず、層３０８〜３１２を形成するのに他の任意の誘電体材料を使用することができる。放電チャンバ３０６を画定するために、層３０８〜３１２は、格納装置を設けるように構成される。具体的には、誘電体層３０８および３１０は、このような格納装置の上面および下面を提供するため、実質上固体になるように構成される。スペーサ層３１２によって、格納装置の側面が設けられる。具体的には、スペーサ層３１２は、層３０８と３１２の間に放電チャンバ３０６を画定するための開口を備える。したがって、スペーサ層３１２内の開口のサイズ、およびスペーサ層３１２の厚さを調節することにより、放電チャンバ３０６の空間を変更することができる。したがって、前述の通り、この開口のサイズおよび厚さを選択して、放電チャンバ用の沿面ストリーマおよびボリューム・ストリーマの量を調節することができる。
【００３４】
入口３１４および出口３１６を使用して、放電チャンバ３０６へのガス・フローを実現することができる。図３Ａおよび３Ｂでは、第１の誘電体層３０８に組み込まれたものとして入口３１４および出口３１６が示してある。しかしながら、この点に関して、本発明の様々な実施形態は限定されない。むしろ、層３０８〜３１２のいずれかにおいて、入口３１４および出口３１６を形成することができる。さらに、反応器３０２および３０４のそれぞれの入口３１４および出口３１６を結合して、反応器３０２と３０４の間でガスがそれぞれ直列または並列に通じるようにすることができる。導管または管状部分（図示せず）を使用して、このように通じるようにすることができる。
【００３５】
しかしながら、反応器３０２と３０４の間のガス伝達は、導管または管状部分を使用することに限定されない。たとえば、図３Ａおよび３Ｂに示すように、反応器３０２および３０４は積み重ねた構成になっており、反応器３０２の第２の誘電体層３１０は、反応器３０４の第２の誘電体層３１０に向き合っている。したがって、反応器３０２および３０４は、誘電体層３１０のそれぞれの層を介してガス伝達が可能になるよう構成することができる。具体的には、反応器３０２および３０４が互いに積み重ねられているとき、反応器３０２および３０４の放電チャンバ３０６がガスを伝達するように、反応器３０２および３０４のそれぞれでの誘電体層３１０は任意の構成の開口を備えることができる。したがって、装置３００との間でガスをやり取りするために、導管の使用を制限することができる。
【００３６】
反応器３０２および３０４においては、対応する放電チャンバ３０６内のプラズマ・ストリーマが、アノード電極３１８およびカソード電極３２０を介して形成される。電極３１８および３２０は、それぞれアノード電極およびカソード電極と呼ばれるが、これは説明する目的のためだけである。本発明の様々な実施形態では、図１Ａおよび１Ｂに関して前述したように、これらの役割を逆にすることができる。図３Ａに示すように、カソード電極３２０は、放電チャンバ３０６の向き合った２つ側面に沿って導電性表面を設けることによって形成される。具体的には、導電性材料をスペーサ層３１２上に配置し、その結果、向き合う２つの実質上平行な電極が放電チャンバ３０６内に形成される。次いで、アノード電極３１８は、図３Ａに示すように、スペーサ層３１２内の開口を横切って延在するワイヤを使用して形成される。具体的には、アノード電極３１８用のワイヤは、放電チャンバ３０６内に配置され、その結果、実質上平行に、スペーサ層３１２上に形成されたカソード電極３２０間を延在する。さらに、ワイヤは、放電チャンバ３０６内に配置されて、電極が、カソード電極３２０のそれぞれから実質上等距離になる。すなわち、実質上ワイヤ−板の関係にある。しかしながら、図１Ａおよび１Ｂに関して前述したように、本発明の様々な実施形態において他の関係を使用することができる。
【００３７】
図３には、アノード電極３１８を形成するためのワイヤが示してあるが、図１に関して前述したように、本発明の様々な実施形態は、この点に関して限定されない。様々な実施形態において、アノード電極３１８用の構造を変更することができる。むしろ、本発明の様々な実施形態において、カソード電極３２０と比較して、アノード電極３１８において、またはその近くで、結果として電界密度が高くなる任意の構成を使用することができる。したがって、１つまたは複数のピンまたはブレードのような構造を設けて、アノード電極３１８を形成することもできる。さらに、アノード電極３１８を形成するワイヤは、スペーサ層３１２内の開口の全幅または全長に沿って延在するものとして示してあるが、様々な実施形態は、この点に関して限定されない。他の構成では、アノード電極３１８用のワイヤ・タイプまたはブレード・タイプの構造は、開口の一部分に沿ってのみ延在することができる。さらに他の構成では、スペーサ層３１２内の開口の一部分または全長もしくは全幅にわたって、一連のワイヤ、ピン・タイプの構造、またはブレード・タイプの構造を使用することができる。
【００３８】
動作にあたっては、スペーサ層３１２を通って延在するアノード電極を形成するワイヤの一部分を介して、アノード電極３１８に電圧を印加することができる。しかしながら、別法として、またはこのようなワイヤ部分に加えて、反応器３０２および３０４の、スペーサ層３１２または他の部分は、アノード電極３１８に電圧を供給するための任意のタイプのコネクタ構造を備えるよう構成することができる。したがって、このような構造物は、層３０８、３１０、および３１２のうち任意の層の１つまたは複数の部分に配置することも、それらの部分を通って延在することもできる。同様に、スペーサ層３１２の外面にまで延在する導電性表面の一部分を介して、カソード電極３２０に電圧を印加することができる。したがって、別法として、またはこのような部分に加えて、反応器３０２および３０４の、スペーサ層３１２または他の部分は、カソード電極３２０に電圧を供給するための任意のタイプのコネクタ構造を備えるよう構成することができる。反応器３０２および３０４用のアノード電極３１８間に、絶縁層分離を実現することができることが好ましい。たとえば、図３Ａおよび３Ｂに示すように、誘電体層３１０の各部分は、放電チャンバ３０６の外側のアノードの長さ方向に沿って延在することができる。したがって、このような構造物は、層３０８、３１０、および３１２のうち任意の層の１つまたは複数の部分に配置することも、それらの部分を通って延在することもできる。
【００３９】
前述の通り、反応器３０２と３０４の間でデカップリングを実現するために、内部誘電体層３１０の間に導電性部分を設け、その後、このシールド部分を基準電圧またはアース電圧に接続することにより、装置３００におけるシールド部分を形成することができる。しかしながら、図３Ａおよび３Ｂに示すように、反応器３０２および３０４のそれぞれにおいて、各反応器のうち対応する反応器のカソード電極３２０に電気的に接続されたシールド部分３２２が設けられる。したがって、装置３００内の反応器３０２および３０４において、シールド部分３２２およびカソード電極３２０に単一の電圧を供給することができる。したがって、装置３００に電力を供給する回路についての要求事項および複雑さが低減する。
【００４０】
さらに、装置３００の配線要求をさらに低減させるために、装置３００の組立てにより、反応器３０２および３０４におけるこれらの部分を自動的に電気接続するように、反応器３０２および３０４のそれぞれにおいてシールド部分３２２およびカソード電極３２０を構成することができる。たとえば、図３Ａに示すように、シールド部分３２２は、反応器３０２および３０４のそれぞれにおける第２の誘電体層３１０の外面に配置される。したがって、図３Ｂに示すように装置３１０が組み立てられるとき、反応器３０２のシールド部分３２２は、反応器３０４のシールド部分３２２と物理的かつ電気的に接触して配置される。したがって、シールド部分３２２、または反応器３０２もしくは反応器３０４内のカソード電極３２０のいずれかに基準アース電圧が印加される場合、反応器３０２および３０４の両方におけるこれらの部分の全てが、同じ基準電圧にバイアスされる。本発明の実施形態によっては、基準電圧をアース電位とすることができる。しかしながら、本発明は、この点に関して限定されず、基準電圧は、電極３２０にとって適切な任意の電圧とすることができる。すなわち、少なくとも電極３１８と３２０の間に生じる電圧差は、電極３１８とシールド部分３２２との間に生じなければならない。
【００４１】
様々な実施形態では、シールド部分３２２とカソード電極３２０の間の接続を、様々な方式で実現することができる。構成によっては、導電性ワイヤおよび／または他の任意のタイプの導電性素子もしくは構造を使用して、接続を実現することができる。図３Ａおよび３Ｂに示す構成では、導電性のホイルまたはシートなど連続的な導電性部分を使用してシールド部分３２２およびカソード電極３２０を形成することによって、この接続が実現される。このような構成では、ホイルまたはシートを以下のように構成することができる。まず、ホイルまたはシートには、少なくとも放電チャンバ３０６に対応する第２の誘電体層３１０の外面に沿って延在する第１および第２の端部を設けることができる。ホイルまたはシートの第１の端部を、スペーサ層３１２の第１の側部の周りに巻き付けることができ、第２の端部を、第１の側部に向き合うスペーサ層３１２の第２の側部の周りに巻き付けることができる。結果として、反応器３０２および３０４のそれぞれの外面に沿って延在する単一の導電性部分が、シールド部分３２２およびカソード電極３２０の両方を画定する。
【００４２】
構成によっては、シールド部分３２２は、任意選択で反応器３０２および３０４のぞれぞれの周りに延在することができる。たとえば、構成によっては、外部誘電体層３０８の外面上に、追加のシールド部分３２４を形成することができる。動作にあたっては、次いで、追加のシールド部分３２４を、カソード電極３２０およびシールド部分３２２に結合することができる。別の構成では、組み立てられたチャンバの周り、すなわち層３０８の外側ならびにチャンバの側面の周りに別のホイルまたはシートを巻き付けることにより、反応器３０２および３０４用の追加のシールド部分３２４を形成することができる。このような構成では、追加のシールド部分３２４を画定するホイルを巻き付けて、チャンバ３０２および３０４の側面の電極３２０と電気的に接触することができ、したがって、シールド部分３２２をシールド部分３２４に電気的に結合することができる。
【００４３】
このような構成により、具体的には、図１Ａおよび１Ｂに示した反応器システムなど、単一の反応器システムと比較して性能が改善される。具体的には、図３Ａおよび３Ｂに従って試験反応器が構成された場合、かつ反応器３０２および３０４用の追加のシールド部分３２４を用いる場合、本発明者には、このようなシステムにおいてプラズマで消費される電力は０．３３Ｗであったことが分かっている。対照的に、本発明者には、図１Ａおよび１Ｂに示した、同様の寸法を有する単一反応器構成に従って構成された清浄装置の場合、プラズマ内で消費される電力は０．０２８Ｗであったことが分かっており、約１０倍の増大となる。電力（Ｐ）は以下の式によって計算された、すなわち、Ｐ＝（∫ＶＩ  ｄｔ）ｆ。電圧パルスは２つの場合で同じであり、ピーク電圧値が約３０ｋＶであり、パルス周波数が約１０Ｈｚで同じであった。したがって、電力の増大は、放電チャンバの周りにシールド部分が延在するときパルス期間中に放電ギャップを通って流れる電流が対応して増大することによる。結果としてプラズマ内で分解される汚染物質の量が増えるので、高出力の方が有利である。
【００４４】
上記の例示的な実施形態では、第１の反応器と第２の反応器の間にシールド部分を設けることにより、それらの間の結合が低減するか、またはなくなる。しかしながら、この点に関して、本発明の様々な実施形態は限定されない。前述の通り、２つの隣接チャンバ内でプラズマを生成する際の主な難しさは、内部でプラズマが形成されている別の反応器に隣接する反応器の誘電体表面での電荷の誘起である。したがって、本発明の別の実施形態は、隣接する誘電体層に電荷を誘起することのないシールド部分を間に挟むことなく、隣接するチャンバ内でプラズマを形成することを伴う。したがって、本発明の別の態様では、千鳥構成の放電手法を使用してプラズマ形成を実現する。すなわち、隣接する反応器は、第１の反応器内でプラズマを形成するための放電、および第２の隣接チャンバ内でプラズマを形成するための放電が、オーバラップしない部分で発生するように構成される。図４について、これが概念的に示してある。
【００４５】
図４は、本発明の一実施形態によるガス処理装置４００のための、別の例示的な構成の部分断面図である。具体的には、図４は、システム１００（反応器１００Ａおよび１００Ｂ）の２つの積重ね構成であり、図４で示した断面図は、反応器１００Ａおよび１００Ｂのそれぞれについての、図１の切断線２−２に沿った断面図の一部分である。反応器１００Ａおよび１００Ｂのそれぞれは、図１のシステム１００と実質上同様になるように構成される。したがって、装置４００の部分断面図には、反応器１００Ａおよび１００Ｂのそれぞれにおける、上部および下部の誘電体部１０４Ａおよび１０４Ｂがそれぞれ示してあり、放電チャンバ１０２Ａおよび１０２Ｂのそれぞれのチャンバを画定する。装置４００では、放電されることになる装置４００内の各放電チャンバの各部分を千鳥構成にすることにより、反応器１００の間のデカップリングが実現する。
【００４６】
この千鳥構成は、いくつかの方式で実現することができる。たとえば、一構成において、各放電チャンバ１０２内の電極１１０および１１２は、装置２００が組み立てられるとき、バイアスされている各電極が同時に実質上オーバラップしないように構成することができる。たとえば、図４に示すように、第１のシステム１００内の上側部分４０２に関連する電極、および第２のシステム１００内の下側部分４０４に関連する電極のみが、装置２００内の部分「Ａ」および「Ｂ」においてプラズマを生成するように構成される。したがって、隣接放電チャンバ内に誘起される任意の電荷は、プラズマの生成に関連する放電チャンバの一部分には誘起されない。すなわち、第１のシステム１００の一部分「Ａ」内のプラズマによって、第２のシステム１００の一部分「Ｃ」内に誘起される電荷は取るに足らないが、それというのも、第２のシステム１００内のプラズマが、一部分「Ｂ」に制限されているからである。同様に、第２のシステム１００の一部分「Ｂ」内のプラズマによって、第１のシステム１００の一部分「Ｄ」内に誘起される電荷は取るに足らないが、それというのも、第１のシステム１００内のプラズマが、一部分「Ａ」に制限されているからである。しかしながら、このような構成では、各放電チャンバの空間の一部分のみが使用されるので、清浄効率が低減することがある。
【００４７】
構成によっては、装置４００内での放電のタイミングを制御することにより、オーバラップする部分を設けることができる。具体的には、これらの部分における電極のバイアスに関連するタイミングは、オーバラップしていない部分のみが同時にバイアスされるよう制御することができる。したがって、いつの時点でも、オーバラップしていない部分に関連する１組の電極のみが、同時にバイアスされる。このような構成が有利であるが、それというのも、オーバラップしていない電極部分の互いに異なるセット間での切替えにより、装置４００内の各放電チャンバ１０２の空間の大部分を使用できるようになるからである。したがって、より高い清浄効率を達成することができる。
【実施例】
【００４８】
以下の非限定的な実施例は、本発明の選択された実施形態を説明する働きをする。比率のばらつきおよび図示した各構成部品の要素の選択肢は、当業者には明らかになり、本発明の実施形態の範囲内であることが理解されよう。
【００４９】
図２に示す２つのプラズマ反応器の並列動作を、単一反応器に対して評価した。これらの反応器は、図３に示した実施形態と実質上同様に構成された。これらの反応器は以下のように構成された、すなわち、
外部誘電体層−アクリル・シート（２１．６ｃｍ×１２．７ｃｍ×０．６ｃｍ）、
内部誘電体層−アクリル・シート（２４．１ｃｍ×１２．７ｃｍ×０．６ｃｍ）、
スペーサ層−開口（１６．５ｃｍ×７．６ｃｍ）付きのアクリル・シート（２１．６ｃｍ×１２．７ｃｍ）、
アノード電極−ステンレス鋼ワイヤ（直径１５０μｍ×長さ１２．７ｃｍ）、
カソード電極／シールド部分−アルミニウム・ホイル（幅１２．７ｃｍ）、
ピーク電圧−約１０Ｈｚで３０ｋＶ、
ガス流量−約１リットル／分。
【００５０】
発明者が実行する様々な試験では、スペーサ層の厚さは２ｍｍ〜１４ｍｍの間で変化した。
前述の通り構成された反応器の試験に基づいて、本発明者には、図３と同様に２つの反応器構成において、チャンバのそれぞれにおいてプラズマが容易に生成されたので、このような構成によって必要なデカップリングが実現することが分かった。入力パワーはまた、単一反応器と比較して１．５倍〜２倍に増大することが分かった。シールディング３２２がない場合の図３と同様に、２つの反応器構成において、入力パワーは単一反応器動作とほとんど同じであり、入力パワーはシールディング３２２が存在する場合と比較して約１／１０の低さになる。前述の通り、パワーが増大することは、清浄効率が高くなることと相関がある。
【００５１】
次に図５を参照すると、図３に従って構成された上記寸法のガス処理装置における、ＮＯ変換％の関数としてのエネルギー・コスト（ｅＶ／分子）のｘ−ｙグラフ５００が示してある。図５のデータには、２つの反応器のうちの１つが動作し、プラズマを閉じ込める２つの誘電体層間のギャップ幅が変化したときの、ＮＯからＮＯ２への変換が示してある。ギャップ幅が２ｍｍのときのデータが曲線５０２（「Ｘ」）で示してあり、ギャップ幅が１４ｍｍのときのデータが曲線５０４（「Ｏ」）で示してある。これらの曲線に関連するデータが、以下の表２に示してある。
【００５２】
【表２】
2013544633.tif 000004
【００５３】
表２および図５のデータを生成するのに使用されるバイアス条件および入力流量について、入力パワーは２つの場合で同じであることが分かった。さらに、同じ流量の処理済みガスが利用された。表２および図５に示すように、ＮＯからＮＯ２への変換におけるエネルギー・コストは、ギャップ幅を変化させても、ほぼ同じであった。したがって、これらの結果から、処理済みガス内の汚染物質の流量または変換に影響を及ぼすことなく誘電体層間のギャップ幅を低減させることにより、プラズマ反応器のサイズを低減できることが示してある。プラズマ反応器の商業用途、具体的には、自動車からのＮＯｘ排出など、汚染ガスの移動発生源において、プラズマ反応器でのこのようなコンパクトなサイズが望ましい。
【００５４】
次に図６を参照すると、図３に従って構成された、ギャップ幅が２ｍｍで上記寸法のガス処理装置における、ＮＯ変換％の関数としてのエネルギー・コスト（ｅＶ／分子）のｘ−ｙグラフ６００が示してある。図６のデータには、１つまたは複数の反応器が動作したときの、ＮＯからＮＯ２への変換が示してある。単一の反応器の動作に関連するデータが曲線６０２（「Ｘ」）で示してあり、２つの反応器の動作に関するデータが曲線６０４（「Ｏ」）で示してある。２つの反応器の構成では、この２つの反応器は直列に動作した。すなわち、第１の反応器からの処理済みガスが、さらに処理するために第２の反応器に供給された。これらの曲線に関連するデータが、以下の表３に示してある。
【００５５】
【表３】
2013544633.tif 000005
【００５６】
ここでも、その前のデータ・セットと同様に、同様のバイアス条件および入力流量が利用された。しかしながら、図６および表３には、２つの反応器構成において、ＮＯからＮＯ２への変換での総エネルギー・コストが著しく低下したことが示してある。たとえば、約５０％ＮＯの変換において、エネルギー・コストの低減率は約３０％であった。２つの反応器構成の場合でのエネルギー・コストの低減は、第１の反応器で利用できなかった反応種のいくらかが活性化され、第２の反応器で利用された事実によるものであることが分かっている。たとえば、第１の反応器からの余剰のＯ３が分解し、第２の反応器内にさらに活性酸素ラジカルを生成し得る。したがって、実質上同様のエネルギー・コストにおいて、ＮＯ変換に４０％〜５０％の改善が見られる。したがって、２つのチャンバ・システムを利用する利点が、明らかに示してある。
【００５７】
次に図７を参照すると、ボリューム・ストリーマ・モードで動作するように構成された装置と比較された、沿面ストリーマ・モードで動作するように構成されたガス処理装置における、ＮＯ変換％の関数としてのエネルギー・コスト（ｅＶ／分子）のｘ−ｙグラフ７００が示してある。沿面ストリーマ・モードで動作した装置は、図３に従って構成され、ギャップ幅が２ｍｍで上記寸法であった。装置ボリューム・ストリーマ・モードで動作した装置は、表１の反応器番号４に示した寸法に従って構成された。すなわち、円筒形または同軸のプラズマ反応器である。図７のデータには、５：９５の酸素／窒素混合物からの、ＮＯからＮＯ２への変換が示してある。沿面ストリーマ・モードでの動作に関連するデータが曲線７０２（「Ｘ」）で示してあり、ボリューム・ストリーマ・モードでの動作に関するデータが曲線７０４（「Ｏ」）で示してある。沿面ストリーマ・モードでの動作用に図３Ａおよび３Ｂに従って構成された装置、すなわち２つの反応器は、直列に動作した。すなわち、第１の反応器からの処理済みガスが、さらに処理するために第２の反応器に供給された。これらの曲線に関連するデータが、以下の表４に示してある。
【００５８】
【表４】
2013544633.tif 000006
【００５９】
ここでも、その前のデータ・セットと同様に、同様のバイアス条件および入力流量が利用された。表４および図７に示すように、ＮＯからＮＯ２への変換においては、沿面ストリーマ放電を使用する反応器構成は、ボリューム・ストリーマ放電を使用する反応器構成よりも著しくエネルギー効率が高い。具体的には、実質的に同量のＮＯ変換においては、少なくとも３５％のエネルギー・コストの低減が見られる。
【００６０】
本発明はまた、上記の原理を使用して、プラズマ反応器放電チャンバ内でガスを処理する方法を含む。この方法は、放電チャンバにガスを加えるステップを含み、ボリューム・ストリーマの形成が抑制される場合には、この放電チャンバ内でパルス状のコロナ放電が生成され、その結果、放電チャンバ内でのエネルギー密度において沿面ストリーマの役割が増大する。
【００６１】
図８には、本発明の一実施形態によって構成されたガス処理装置８０２と、支援する電気回路と、を備えるシステムが示してある。動作にあたっては、高電圧パルスを装置８０２に印加することができる。様々な実施形態では、このパルスは、トリガ発生器８５１、スパーク・ギャップ・スイッチ８５２、キャパシタ８５６、および高電圧直流電源８５０とともに、Ｌ−Ｃ反転回路を使用して形成することができる。このパルスは、高電圧電極ノード８５７（すなわち、アノード電極）に印加される一方で、対向電極ノード８５８（すなわち、カソード電極および／またはシールド部分）は接地された（すなわち、アース・ノード８５３に結合された）。制御システム８６０を設けて、システム８００内の様々な要素を監視し、制御することができる。電圧測定用の電圧分割器を設けるための抵抗器８５４など、他の構成部品を設けることもできる。パルス持続時間は、ストリーマからアークへの移行の発生を防止できるほど十分に短いことが好ましい。様々な回路を使用してもよく、様々な特性を有するパルスを容易に実現してもよいことが、当業者には容易に理解されよう。
【００６２】
次に図９を参照すると、制御システム８６０として実装することができるコンピューティング装置９００の詳細ブロック図が示してある。様々な構成部品が図９に示してあるが、コンピューティング装置９００には、おおよそ図９に示した構成部品が含まれ得る。しかしながら、図示した構成部品は、本発明の例示的な一実施形態を開示するのに十分である。図９のハードウェア・アーキテクチャは、接続された機械装置を制御するための代表的なコンピューティング装置のほんの一実施形態を表すにすぎない。
【００６３】
図９に示すように、コンピューティング装置９００は、システム・インターフェース９２２、中央処理装置（ＣＰＵ）９０６、システム・バス９１０、システム・バス９１０を介してコンピューティング装置９００の他の部分に接続され、そこからアクセス可能なメモリ９１６、およびシステム・バス９１０に接続されたハードウェア構成要素９１４を備える。ハードウェア構成要素９１４のうち少なくともいくつかは、メモリ９１６へのアクセスとその使用を含む動作を実行する。このメモリは、任意のタイプの揮発性または不揮発性のメモリ・デバイスでよい。このようなメモリは、たとえば、磁気的、光学的、または半導体をベースにしたメモリ装置を含むことができる。しかしながら、この点に関して、本発明の様々な実施形態は限定されない。
【００６４】
実施形態によっては、コンピューティング・システムは、ユーザ・インターフェース９０２を備えることができる。ユーザ・インターフェース９０２は、コンピューティング・システム９００の内部構成部品または外部構成部品とすることができる。ユーザ・インターフェース９０２は、入力装置、出力装置、および、ユーザがコンピューティング装置９００にインストールされたソフトウェア・アプリケーションと対話し、それを制御するように構成されたソフトウェア・ルーチンを備えることができる。このような入力装置および出力装置は、表示スクリーン９０４、スピーカ（図示せず）、キーボード（図示せず）、十字キー（図示せず）、十字ノブ（図示せず）、およびマイクロホン（図示せず）を備えるがこれだけには限らない。したがって、ユーザ・インターフェース９０２は、コンピューティング装置９００にインストールされたソフトウェア開発アプリケーションおよび他のタイプのアプリケーションを立ち上げるための、ユーザとソフトウェアの対話を容易にすることができる。
【００６５】
システム・インターフェース９２２により、コンピューティング装置９００は、外部ユーザ・インターフェースまたは他のコンピューティング装置など、他の装置と直接または間接に通信することが可能になる。さらに、コンピューティング装置は、マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、他のハードウェアなど、ハードウェア構成要素９１４を備えることができる。図９に示すように、ハードウェア構成要素９１４はまた、取外し可能なメモリ・ユニット９１６を備えることができ、このメモリ・ユニットは、コンピュータ読取り可能な記憶媒体９１８を備え、この媒体上に、本明細書に記載の方法、手順、または機能のうち１つまたは複数を実施するように構成された１組または複数組の命令９２０（たとえば、ソフトウェア・コード）が記憶される。命令９２０はまた、コンピューティング装置９００によって実行されている間、完全にまたは少なくとも部分的に、メモリ９１６内および／またはＣＰＵ９０６内に常駐することができる。メモリ９１６およびＣＰＵ９０６はまた、機械読取り可能な媒体を構成することができる。
【００６６】
例示的な一実施形態では、コンピュータ読取り可能な記憶媒体９１８が単一の記憶媒体として示してあるが、「コンピュータ読取り可能な記憶媒体」という用語は、１つまたは複数の命令セットを記憶する、単一の媒体または複数の媒体（たとえば、集中データベースもしくは分散データベース、ならびに／または関連するキャッシュおよびサーバ）を含むものと考えるべきである。「コンピュータ読取り可能な記憶媒体」という用語はまた、この開示の方法のうち１つまたは複数の任意の方法をマシンが実行できるようにする、マシンが実行するための１組の命令を記憶し、符号化し、運ぶことのできる任意の媒体を含むものと考えるべきである。
【００６７】
したがって、「コンピュータ読取り可能な記憶媒体」という用語は、固体メモリ（メモリ・カード、または、１つもしくは複数のリードオンリ（不揮発性）メモリ、ランダム・アクセス・メモリ、もしくは他の書換え可能な（揮発性）メモリを収容する他のパッケージ）、磁気光媒体もしくは光媒体（ディスクもしくはテープ）を含むものと考えるべきであるが、ただしそれだけに限定されない。したがって、本開示は、本明細書に挙げたコンピュータ読取り可能な記憶媒体または配布媒体の任意の１つ以上を含むものと考えられ、本明細書におけるソフトウェア実装が格納される、認められた均等物および後継媒体を含むものと考えられる。
【００６８】
システム・インターフェース９２２は、１つまたは複数の外部装置との通信ネットワーク上での通信を容易にするように構成された、ネットワーク・インターフェース・ユニットを備えることができる。したがって、ＩＰプロトコルを含む様々な通信プロトコルとともに使用するための、ネットワーク・インターフェース・ユニットを設けることができる。ネットワーク・インターフェース・ユニットは、それだけには限定されないが、送受信機、送受信装置、およびネットワーク・インターフェース・カード（ＮＩＣ）を備えることができる。
【００６９】
前述の通り、このようなプラズマ反応器は、従来のガス処理で使用され得るだけでなく、汚染除去、臭気制御などのために使用され得ることが、当業者には理解されよう。上記説明は、本発明の具体的な実施形態に関するが、本発明の範囲から逸脱することなく多くの修正を行ってもよいことが理解されよう。添付の特許請求の範囲は、本発明の真の範囲および精神に収まることになる、このような修正形態を包含するものである。
【００７０】
出願人は、正確であると考えられ、本発明の実施形態に関してなされた観察を説明すると考えられる、ある一定の理論的な態様を以下に提示する。しかしながら、本発明の各実施形態は、提示された理論的な態様を用いることなく実施してもよい。さらに、これら理論的な態様は、出願人は提示された理論によって束縛されるつもりはないという理解の下で提示される。
【００７１】
本発明の様々な実施形態を以上で説明してきたが、それらは、ほんの一例として提示されたものであって、限定的なものではないことを理解されたい。本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書における開示に従って、開示された実施形態に数多くの変更を加えることができる。したがって、本発明の幅および範囲は、前述の実施形態のいずれによっても限定されるべきではない。むしろ、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲およびその均等物に従って定義すべきである。
【００７２】
本発明を、１つまたは複数の実装形態に関して図示し、説明してきたが、この明細書および添付図面を読み、理解すれば、均等な変更形態および修正形態が、当業者には思いつくことになる。さらに、本発明の特定の特徴が、いくつかの実装形態のうちのほんの１つに関して開示され得てきたが、こうした特徴は、必要に応じて、また任意の所与のまたは特定の用途にとって有利になるよう、１つまたは複数の他の特徴と組み合わせてもよい。
【００７３】
本明細書において使用される専門用語は、具体的な実施形態を説明するためだけのものであり、本発明を限定するものではない。本明細書では、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈から明らかにそうでない場合を除き、複数形をも含むものである。さらに、用語「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「有している（ｈａｖｉｎｇ）」、「有する（ｈａｓ）」、「備える（ｗｉｔｈ）」、またはそれらの変化形が、詳細な説明および／または特許請求の範囲のいずれかにおいて使用される限りにおいて、このような用語は、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」と同様に包含的であることを意図している。
【００７４】
特に別の定義のない限り、本明細書において使用されている全ての用語（技術用語および科学用語を含む）は、本発明が属する当業者によって一般的に理解されているものと同じ意味を有する。一般的に使用される辞書に定義されているものなどの用語は、関連技術との関連におけるその意味と矛盾のない意味を有するものとして解釈すべきであり、本明細書で明示的にそう定義されない限り、理想化されたまたは過度に形式的な判断で解釈されるものではないことがさらに理解されよう。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図８】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【国際調査報告】
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