(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のマイクロチャネルから誘電体により絶縁されている電極であって、前記電極に適切な電圧を印加した際に前記複数のマイクロチャネルでのプラズマ生成を刺激するように前記複数のマイクロチャネルに対して配置されている電極を含む複数のマイクロチャネルプラズマ装置のマイクロチャネルアレイと、
前記複数のマイクロチャネルへの気体入口と、
前記複数のマイクロチャネルからの気体生成物出口と、
前記気体入口及び前記気体生成物出口を封止するシールと、
を備え、
前記気体入口と前記気体生成物出口との間の前記複数のマイクロチャネルの部分はカバーにより覆われており、
前記シールは、前記気体入口及び／又は前記気体生成物出口と別のマイクロチャネル反応装置との間に流体連通をもたらし、
前記カバーと前記装置は追加の反応装置と接続するようにモジュール式に構造化されていることを特徴とする、モジュール式マイクロプラズママイクロチャネル反応装置。
【請求項２】
前記電極の一つは、前記気体入口と前記気体生成物出口との間の前記複数のマイクロチャネルを封止する前記カバーを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のモジュール式マイクロプラズママイクロチャネル反応装置を複数備え、前記反応装置の間に気密シールをもたらすように前記反応装置が筐体によりまとめて保持されていることを特徴とする、小型マイクロプラズマ反応モジュール。
【請求項４】
前記マイクロチャネルアレイの全ては互いに流体連通している、請求項３に記載のモジュール。
【請求項５】
小型マイクロプラズマ反応装置のアレイにおいて他のモジュールと流体連通して配置された請求項３に記載のモジュールを複数備えることを特徴とする、マイクロプラズマ反応システム。
【請求項６】
前記小型マイクロプラズマ反応装置のアレイのカラムを相互接続するフローチャネルを有する底板を含み、前記モジュールは他のモジュール及び前記底板と接続する構造を含み、前記底板はモジュールを整列させ、該モジュールと接続する構造を含む、請求項５に記載の反応システム。
【請求項７】
接続のための前記構造は、相補的な隆起と溝の構造、相補的な雄雌コネクターの気体ポート、及び／又は、前記アレイ中の複数のマイクロプラズマ反応装置からの出口を提供する出口プレナムを含む、請求項６に記載の反応システム。
【請求項８】
フレーム内に保持されたファンをさらに備え、前記反応装置の全寸法は１０×１０×２０ｃｍ以下である、請求項３に記載の反応モジュール。
【請求項９】
請求項１に記載のモジュール式マイクロプラズママイクロチャネル反応装置を複数備える小型マイクロプラズマ反応モジュールであって、前記反応装置は平面フレーム上に隣接して実装されるとともに封止されており、前記モジュールはさらに、複数の前記反応装置の前記気体入口に原料を供給するための原料チャネルと、複数の前記反応装置の前記気体生成物出口から気体生成物を受け入れるための出力チャネルと、を備えることを特徴とする、小型マイクロプラズマ反応モジュール。
【請求項１０】
請求項１に記載のモジュール式マイクロプラズママイクロチャネル反応装置を複数備える小型マイクロプラズマ反応モジュールであって、前記反応装置は前記反応装置の間に気密シールをもたらすように筐体によりまとめて保持されており、前記小型反応装置からの出力を受容する噴霧器板をさらに備え、前記噴霧器板は、所定のパターンで前記小型反応装置の出力を前記反応装置から遠ざける方向に向ける複数のマイクロチャネルを含み、前記反応モジュールは、プラスチック型内に保持され、前記マイクロチャネルの長さが数分の一インチであることにより個別の食料包装内に適合する寸法をしていることを特徴とする、小型マイクロプラズマ反応モジュール。
【請求項１１】
前記電極の１つが、前記複数のマイクロチャネルを介したフローを刺激するプラズマアクチュエータ効果をもたらすように前記複数のマイクロチャネルに対してずらして配置されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記マイクロチャネルアレイは、前記複数のマイクロチャネルを該マイクロチャネルの反対を向いた端の間で互いに接続する１つ以上のクロスチャネルを有するラダー構造を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
請求項１に記載の小型反応装置と、
前記小型反応器に酸素を供給するためのポンプ及び酸素濃縮器と、
処理水を水出口から出力する前に前記小型反応装置からのオゾン出力を水入口からの水と混合するミキサー及び水入口と、
を備える、オゾン射出装置。
【請求項１４】
前記反応装置を前記気体入口及び前記気体生成物出口の周りで互いに封止するＯリングとともに積層された複数の請求項１に記載の反応装置。
【請求項１５】
小型反応器を形成するために、前記反応装置の前記気体入口及び前記気体生成物出口と気体連通する入口及び出口を有するフレーム又は筐体内に保持された複数の請求項１に記載の反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロディスチャージ型又はマイクロキャビティ型プラズマ装置としても知られるマイクロチャネルマイクロプラズマ装置の分野に関する。本発明の関わる分野としては、プラズマ化学反応器、オゾン発生、及びプラズマ化学が挙げられる。本発明の例示的応用例としては、二酸化炭素や酸素などの気体の電離、オゾンによる水の消毒、食品保存のためのオゾン生成及び散布、商売としての洗濯及び家庭での洗濯（冷水での服、タオルなどの洗濯）、並びに、表面、傷、及び医療機器の消毒が挙げられる。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ化学反応器及び処理では、望ましい化学反応を開始するためにプラズマを用いる。プラズマは、液体中、気体中、及び固体表面での化学反応を促進するために用いることができる。現在の商用プラズマシステムは、印刷、水質処理、表面殺菌などに用いられている。従来の大気圧プラズマ技術の規模や費用のため、商用プラズマ化学反応器の幅広い応用は阻害されている。典型的なプラズマ化学反応器の価格、寸法、重量、及び高電圧特性のせいで、従来のプラズマ反応器技術の可能性は大きく制限されている。オゾン処理はプラズマ化学技術の特に魅力的な用途ではあるが、様々な商業用途について、大多数の既存システムでは、その価格、寸法、及び重量のせいで、有用性が限定的にならざるを負えない。
【０００３】
既存システムとしては、電子ビームシステムや、パルスコロナ又は誘電体バリア放電（ＤＢＤ）反応器などの放電型システムが挙げられる。電子ビーム型システムは、自由電子を生成し、それらを真空条件で高エネルギーに加速する必要がある。この過程は、典型的には、高電圧を必要とする（数十から数百ｋＶ）。電子は、気体反応室に導入され、一種の気体又は複数種の気体の混合物に衝突させられる。これにより、気体又は気体混合物からの分子の分解（電離）を引き起こすことができる。反応室の電子ビーム進入点（しばしば、電子が通過する金属箔）は、反応容器内で生じた圧力や熱を受けるため、頑丈である必要がある。電子が反応室に進入できるように電子を加速するためには、通常、百ｋＶ（又はこれ以上）の高電圧が必要となる。高電圧と真空装置が必要であるため、こうしたシステムの価格や複雑さは、それらの用途を制限するほどまでに高まってしまう。
【０００４】
放電型システムは、局所的強電界を印加することで処理気体体積内に高エネルギー電子を直接生成する。こうしたプラズマ化学反応器としては、誘電体バリア及びコロナ放電システムが挙げられる。放電型システムは、しばしば、数百トールの圧力から１気圧を超える圧力で作動し、少なくとも数ｋＶ、典型的には、１０ｋＶを超える電圧を必要とする。誘電体バリアシステムとコロナ放電システムは、共に、ストリーマを特徴とする不均一なプラズマを作る傾向がある。これらのシステムの反応器の体積は大きくなる（数ミリリットルから数百リットルまで）傾向があり、これにより、プラズマ化学における反応器壁の影響は制限される。
【０００５】
酸素（Ｏ２）分子をエネルギー源で酸素原子に電離すると、オゾンを作ることができる。自由酸素原子と酸素分子の衝突によりオゾン（Ｏ３）が作られる。大気圧でのＯ３の寿命は数分単位なので、オゾンは処理する場所で生成する必要がある。オゾンは、市販の酸化剤及び消毒剤の中でも最も強力なものである。オゾンを用いた消毒の機序としては、細菌細胞壁の直接的酸化／分解、オゾンの分解に伴うラジカル副生成物との反応、核酸成分へのダメージが挙げられる。上水処理のためにオゾンを大規模に製造するための具体的な市販のＤＢＤシステムとしては、例えば、大きく（１０−１５フィートの長さで）、電源条件が厳しいもの（１５０−２００ｋＶＡ）が挙げられる。さらに、原料気体からＯ３への変換は通常非効率的である。大規模なＯ３の製造のための既存の商業処理では、通常、酸素（Ｏ２）原料の１５％から１８％がＯ３に変換される。原料気体からオゾンへの変換効率が低いのは、ＤＢＤシステムにより空気又は酸素中で作られたストリーマ内でのみ、又は、その近傍でのみ、オゾンが作られるためである。また、セラミック製の部分が多いことや、硝酸により装置部品が汚れるため、こうしたシステムのメンテナンスは困難であった。また、既存の誘電体バリア放電技術は、酸素原料気体中の有機不純物のレベルに影響を受けやすい。
【０００６】
既存の商用プラズマ化学装置及びシステムにはさらなる欠点もある。誘電体バリア放電構造は、現在最も一般的に普及した商用システムである。これらの簡単な装置は、誘電体（多くの場合、ガラス又は石英）により隔てられた電極に高電圧を掛ける。典型的な巨視的反応器は、ほんの１００μｍほどの直径で、時空間に統計的に分布しているマイクロディスチャージストリーマに依拠している。変換効率が低いので、十分な量のＯ３を生成するために多量の酸素（又は空気）を必要とする。従来のオゾン生成システムでは、反応器壁や真空部品に堆積した硝酸により、汚れが生じ、効率が低下し、又は、故障しかねないため、原料気体中の水分や有機不純物も問題である。
【０００７】
発明者及びイリノイ大学の同僚達の幾人かの研究により、新規のマイクロキャビティ及びマイクロチャネルプラズマ装置構造、並びに、新規用途が得られた。特に有望な類のマイクロキャビティプラズマ装置アレイは金属及び金属酸化物中に形成されるものである。柔軟性を有し得る、大規模、低価格な、マイクロプラズマ装置のアレイが、金属酸化物にカプセル化された金属電極を用いた安価な処理工程により形成される。
【０００８】
発明者及び同僚等の数名による以前の特許出願及び公報に、マイクロチャネルでのオゾン生成について、記載されている。具体的には、Ｐａｒｋ等の特許文献１（米国特許第８４４２０９１号明細書）には、マイクロプラズマ利得媒体を有するマイクロチャネルレーザーが開示されている。この特許では、マイクロプラズマは利得媒体として働き、電極はマイクロチャネル中にプラズマを維持する。広い原子種及び分子種にわたって本発明に係る装置でマイクロプラズマ媒体中での光フィードバック及びレージングを得るために、マイクロチャネルと組み合わせて反射体を用いることができる。原子及び分子利得媒体の数種は、反射体（鏡）が不要である十分に高い利得係数を実現するだろう。また、この特許の図４は、利用可能な、プラズマのチャネル長及び大電力負荷（単位体積当たりに蓄積されたワット数）のおかげで空気浄化及びオゾン生成に適したマイクロ化学反応器を開示する。しかし、チャネルの長さを延長することに伴う製造コストが、オゾン生成の利益を受ける用途に向けたこの技術の商業化を阻んでいる。
【０００９】
発明者及び同僚等の幾人かが、マイクロチャネルで高品質なプラズマを作る装置を開発した。例えば、２５−２００μｍ幅のチャネルのリニアアレイが、レプリカ成形及びマイクロパウダーブラスト加工によりガラス中に形成され、低温非平衡マイクロプラズマを生成することができることが示されている。非特許文献１（Ｓｕｎｇ、Ｈｗａｎｇ、Ｐａｒｋ、及びＥｄｅｎの『Ｉｎｔｅｒｃｈａｎｎｅｌ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｗｉｔｈｉｎ  ａｒｒａｙｓ  ｏｆ  ｌｉｎｅａｒ  ｍｉｃｒｏｐｌａｓｍａｓ  ｇｅｎｅｒａｔｅｄ  ｉｎ  ２５−２００  μｍ  ｗｉｄｅ  ｇｌａｓｓ  ｃｈａｎｎｅｌｓ』（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、２０１０年、９７巻、２３１５０２頁））を参照のこと。また、平行なマイクロチャネルが、ナノパウダーブラスト加工処理によりナノ構造アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）中に形成され、低温非平衡プラズマのフロー、パケットの経路指定や制御の能力を提供することが示されている。非特許文献２（Ｃｈｏ、Ｐａｒｋ、及びＥｄｅｎの『Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｄｅｃａｙ  ｏｆ  ｌｏｗ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｐｌａｓｍａ  ｐａｃｋｅｔｓ  ｉｎ  ａｒｒａｙｓ  ｏｆ  ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌｓ』（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、２０１２年、１０１巻、２５３５０８頁））を参照のこと。これらのマイクロチャネル構造やさらなるマイクロチャネル構造についての発明者及び同僚等の幾人かによるさらなる開発と研究により、オゾンの生成やガス分子の分解を可能とするオゾンマイクロ反応器が作られた。Ｅｄｅｎ等が共同して権利を有する特許文献２（米国特許出願公開第２０１３／００７１２９７号明細書）（２０１３年３月２１日公開）の［００６２］から［００６６］を参照のこと。この出願のオゾンマイクロ反応器は、０．５標準リットル／分の流速と１５０ｇ／ｋＷｈ超の生成効率を支える１２本のマイクロチャネルを含んでいる。
【００１０】
現在のオゾン生成技術は、一般的に、必要とされるオゾン製造規模と一致していない。反応器は、個別の用途ごとに特別に設計される傾向がある。例えば、上水処理やパルプ処理での高生産性用途のオゾン生成用商用反応器は、生産率単位がより少ないものと比べて、著しく異なる技術及びシステム設計を採用する。商用設備は、しばしば、特別に設計され、規模の調節が困難であり、多量の電力を必要とし、そして、一般的に、非効率的であり、且つ、原料気体フローストリーム中の不純物に影響を受けやすい。
【００１１】
現在、数社の製造業者が、多くの上水処理施設で一般的なキログラム／時間のオゾン生産率で設計された反応器を提供している。典型的な反応器は、個別にヒューズの付いた多数の円筒状ＤＢＤプラズマ管を含む。各管で作られたプラズマは空間的に不均一であり、オゾン生成は主にストリーマの近傍で生じる。一方、より少ない生産性（例えば、１００ｇ／時間未満）が必要とされる小規模用途では、しばしば、コロナ反応器が採用される。
【００１２】
携帯式オゾン生成器が特許文献３（米国特許第７１５７７２１号明細書）に記載されている。この装置では、ガラス製又はセラミック製の板の両面が導電材料で覆われ、面積が異なる電極が形成されている。こうした装置では、２つの電極のうち小さい方の外面の領域でコロナ放電が生じる。このコロナ放電に基づくオゾン装置では、プラスチック内に形成されたフローチャネル内でオゾンと水が混合される。オゾン製造反応器内にはマイクロチャネルは存在しない。コロナ放電セルに基づくオゾン生成へのモジュール式アプローチを提供する別の製造業者もある。しかし、コロナ放電反応器は平坦ではないし、プラズマも微視的チャネルに局限されているわけでもないので、これらの反応器は、容易に又は簡単には組み合わせることはできず、特に、積層には適していない。さらに、コロナ放電システムに必要な電圧は高く（数ｋＶ）、変換効率（酸素又は空気からオゾン）は低い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許第８４４２０９１号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１３／００７１２９７号明細書
【特許文献３】米国特許第７１５７７２１号明細書
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】『Ｉｎｔｅｒｃｈａｎｎｅｌ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｗｉｔｈｉｎ  ａｒｒａｙｓ  ｏｆ  ｌｉｎｅａｒ  ｍｉｃｒｏｐｌａｓｍａｓ  ｇｅｎｅｒａｔｅｄ  ｉｎ  ２５−２００  μｍ  ｗｉｄｅ  ｇｌａｓｓ  ｃｈａｎｎｅｌｓ』、Ｓｕｎｇ、Ｈｗａｎｇ、Ｐａｒｋ、及びＥｄｅｎ著、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、２０１０年、９７巻、２３１５０２頁
【非特許文献２】『Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｄｅｃａｙ  ｏｆ  ｌｏｗ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｐｌａｓｍａ  ｐａｃｋｅｔｓ  ｉｎ  ａｒｒａｙｓ  ｏｆ  ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌｓ』、Ｃｈｏ、Ｐａｒｋ、及びＥｄｅｎ著、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、２０１２年、１０１巻、２５３５０８頁
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１５】
好ましいモジュール式マイクロプラズママイクロチャネル反応装置は、複数のマイクロチャネルプラズマ装置のマイクロチャネルアレイを含む。プラズマ装置は、電極に適切な電圧を印加してプラズマ生成を刺激するよう複数のマイクロチャネルについて配置された電極を含む。電極は、誘電体によりマイクロチャネルから絶縁されている。マイクロチャネルへの気体入口が設けられている。マイクロチャネルからの気体生成物出口が設けられている。気体入口から気体生成物出口までの間のマイクロチャネルの部分はカバーにより覆われている。カバーと装置は、追加の反応装置と接続できるようモジュール式に構成されている。
【００１６】
好ましいモジュール式マイクロプラズママイクロチャネル反応装置は、プラズマの生成のための電極について配置され、電極から誘電体により絶縁されているマイクロチャネルアレイを含む。カバーは、マイクロチャネルアレイの中央部を覆うが、マイクロチャネルアレイの端部は剥き出しのまま残される。気体入口及び生成物出口は、マイクロチャネルアレイへの、マイクロチャネルアレイを介した、及び、マイクロチャネルアレイからのフローを許容するように配置されている。
【００１７】
本発明に係る反応モジュールは、複数のモジュール式反応装置を含む。反応装置は、他の反応装置と流体（気体）連通することになる筐体又はフレームにより配置することができる。本発明に係るシステムは、複数のモジュールを配置する。好ましいモジュール筐体、フレーム、及び反応器は、配列及び接続をなす構造的特徴を含む。好ましいモジュールは、原料及び反応生成物を循環させるファンを含む。他の反応装置はフローのためのプラズマアクチュエーションを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る好ましい実施形態の反応モジュールの一単位を形成する好ましい実施形態のマイクロチャネルプラズマ装置反応器の切り取り断面斜視図。
【図２Ａ】向かい合う面上にマイクロチャネルを持つマイクロチャネルプラズマ装置の斜視図。
【図２Ｂ】一方の面上にのみマイクロチャネルを持つマイクロチャネルプラズマ装置の斜視図。
【図３Ａ】本発明の好ましい実施形態の反応モジュールの斜視図。
【図３Ｂ】本発明の好ましい実施形態の反応モジュールの透視図。
【図３Ｃ】本発明の好ましい実施形態の反応モジュールの部分拡大図。
【図３Ｄ】本発明の好ましい実施形態の反応モジュールの部分図。
【図４Ａ】ファンが組み込まれた筐体に保持される複数のマイクロチャネルプラズマ反応器を持つ好ましい実施形態の小型反応モジュールの斜視図。
【図４Ｂ】図４Ａの好ましい実施形態の小型反応モジュールの個別のマイクロチャネルプラズマ反応器の斜視図。
【図５】別の好ましい実施形態の小型反応モジュール。
【図６】別の好ましい実施形態の小型反応モジュール。
【図７】本発明に係る小型反応モジュールの三次元アレイから形成された好ましい実施形態の反応器を部分的に組み立てたものの斜視図。
【図８Ａ】反応性気体フローパターン特徴を持つ本発明に係る好ましい実施形態の反応システムの模式図。
【図８Ｂ】反応性気体フローパターン特徴を持つ本発明に係る好ましい実施形態の反応システムの斜視図。
【図９Ａ】異なる気体フローパターン特徴を持つ本発明に係る別の好ましい実施形態の反応モジュールの部分透視図。
【図９Ｂ】異なる気体フローパターン特徴を持つ本発明に係る別の好ましい実施形態の反応モジュールの横断面図。
【図１０】本発明に係る好ましい実施形態の射出反応システムの斜視図。
【図１１】本発明に係る別の好ましい実施形態の射出反応システムの斜視図。
【図１２Ａ】本発明に係る好ましい実施形態のラダーマイクロチャネル反応モジュールの模式図。
【図１２Ｂ】本発明に係る好ましい実施形態のラダーマイクロチャネル反応モジュールの模式図。
【図１３】図１２Ａ及び図１２Ｂで示した本発明に係る実験的なラダー反応器に関するデータ。
【図１４Ａ】反応モジュールの出力を噴霧器に向けるための空気ガイド漏斗を含む好ましい実施形態の小型反応モジュールの斜視図。
【図１４Ｂ】反応モジュールの出力を噴霧器に向けるための空気ガイド漏斗を含む好ましい実施形態の小型反応モジュールの斜視図。
【図１５】本発明に係る好ましい実施形態の反応モジュール用のオゾン散布噴霧器板の斜視図。
【図１６】本発明に係る好ましい実施形態の反応モジュール用のオゾン散布噴霧器板の斜視図。
【図１７Ａ】プラズマアクチュエーションを持つ好ましい実施形態のマイクロチャネルマイクロプラズマアレイ反応モジュールを示す図。
【図１７Ｂ】プラズマアクチュエーションを持つ好ましい実施形態のマイクロチャネルマイクロプラズマアレイ反応モジュールを示す図。
【図１７Ｃ】プラズマアクチュエーションを持つ好ましい実施形態のマイクロチャネルマイクロプラズマアレイ反応モジュールを示す図。
【図１７Ｄ】プラズマアクチュエーションを持つ好ましい実施形態のマイクロチャネルマイクロプラズマアレイ反応モジュールを示す図。
【図１８Ａ】本発明に係る好ましい実施形態のプロトタイプのマイクロチャネルマイクロプラズマ反応器を示す図。
【図１８Ｂ】本発明に係る好ましい実施形態のプロトタイプのマイクロチャネルマイクロプラズマ反応器を示す図。
【図１８Ｃ】本発明に係る好ましい実施形態のプロトタイプのマイクロチャネルマイクロプラズマ反応器を示す図。
【図１９】本発明に係る好ましい実施形態の封止マイクロチャネルアレイ反応器の部分透視図。
【図２０Ａ】本発明に係る好ましい実施形態の反応モジュールの部分透視図。
【図２０Ｂ】本発明に係る好ましい実施形態の反応器の部分透視図。
【図２０Ｃ】本発明に係る好ましい実施形態の反応器の部分透視図。
【図２１】図２０Ａから図２０Ｃに係る実験的反応器の試験データ。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、モジュール式マイクロチャネルマイクロプラズマ反応器、反応モジュール（ｒｅａｃｔｏｒ  ｍｏｄｕｌｅ）、並びに、複数のモジュール式マイクロチャネルマイクロプラズマ反応器及び反応モジュールを含むモジュール式反応システム（ｒｅａｃｔｏｒ  ｓｙｓｔｅｍ）を提供する。反応器、反応モジュール、及びモジュール式システムは、容易に組み合わせることができ、規模を調節して大規模システムにできる。反応器、反応モジュール、及びモジュール式反応システムは、それぞれ、独自に所定の生産性、例えば、一時間当たりの生成物のグラム数を提供できる。反応器は、例示的な生成物としては、オゾンを生成できる。好ましい実施形態のオゾン生成モジュール及びシステムでは、各モジュール及び各モジュール式システムは、それぞれ、所定の一時間当たりのグラム数のオゾンを提供する。好ましい個別反応モジュールは、積層、直線配置などで組み合わせることができ、本マイクロプラズマ技術は容易にオゾン出力の規模を調節できる。
【００２０】
例えば、好ましい反応モジュールは、モジュールシステムの入力や出力ももうけられている気密シールを有する好ましい実施形態のモジュール式システムのフレーム構造中で積層されるとき共に封止されるように構成される。また、モジュールは、モジュール内の個別のマイクロチャネルマイクロプラズマ反応装置（ｒｅａｃｔｏｒ  ｄｅｖｉｃｅ）の電極への電気コンタクトを提供するように構成されている。反応モジュール及びシステムフレーム構造は、好ましくは、原料気体入力の所定のレジストレーション（ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ）と、モジュール内のマイクロチャネルアレイへの出力（生成物出力）とを提供するように構成されている。レジストレーションは、例えば、各反応器内のマイクロプラズマチャネルの軸に平行であってもよいし又は横断してもよい。例示的実施形態では、各反応器は、平行なマイクロチャネルを持つマイクロチャネルマイクロプラズマアレイを含む。好ましい実施例でのチャネルの数は１０−５０である。別の実施形態では、各反応器は放射状又は螺旋状に配置されたマイクロチャネルを含む。マイクロチャネルアレイの製造法は、ジグザグやカーブ（例えば、正弦波）状などの、他の広範なチャネル形状を可能にする。
【００２１】
好ましい、反応器、モジュール、及びシステムは、高度に規模の調節が可能であり、安価なオゾン生成手段を提供する。これは、また、優れた寿命（実験的システムで、例えば、２５００時間超）をもたらすことも明らかとなった。本発明に係るシステムは、安価な誘電体バリア放電ユニットをはじめとする多くの市販のオゾン生成ユニットよりも補修が簡単である。本発明に係るモジュール及びモジュールシステムにより実現されるパラダイムは、特定の用途の要求を満たす時間当たりのグラム数で測った特定の所望出力を安価に提供する。これにより、現在の商用システムの価格や非効率性のため現在の商用技術では提供されない用途までオゾン処理の魅力を広げる。しかし、また、本発明に係るシステムは、既存のオゾン生成技術により現在提供される大規模オゾン出力用途を満足するよう規模を調節できる。本発明に係るシステムのモジュール式の性質は、特定の所望出力を満たすようシステムの規模を安価に調節する能力をもたらす。
【００２２】
本発明に係る好ましいモジュール式マイクロチャネルマイクロプラズマ反応器は、励起電極が、マイクロチャネルの壁の中に埋設され、酸化物内にカプセル化され、及び、チャネルの長さの多く又は全体に渡ってチャネルを挟む、高品質金属酸化物中に形成されたマイクロチャネルプラズマ装置のアレイを含む。入力は処理対象の気体原料（例えば、酸素又は空気）を供給し、出力は反応生成物（例えば、オゾン）を供給する。本発明に係る反応器で用いるマイクロチャネルプラズマ装置の好ましい金属及び金属酸化物アレイの形成法は、Ｅｄｅｎ等が共同して権利を有する２０１３年３月２１日に公開された米国特許出願公開第２０１３／００７１２９７号明細書に開示されている。この特許出願に従うマイクロチャネルアレイは、欠損のない酸化物から実質的になる厚い金属酸化物層内に少なくとも部分的に画定される複数のマイクロチャネルを含む。電極は、適切な時変電圧を掛けた際にマイクロチャネル中でのプラズマ生成を刺激するよう、また、少なくとも１つの電極が厚い酸化物層内にカプセル化された状態で、マイクロチャネルに対して配置されている。大規模アレイを形成することもでき、酸化物中にマイクロクラックがほとんど存在しないことが絶縁破壊の防止に役立つので、これは高度に堅牢である。本発明に係るマイクロキャビティ又はマイクロチャネルプラズマ装置の製造法は、平坦な又は緩やかに湾曲した又は緩やかに傾斜した金属基板を、金属基板の表面と直角な方向に向けて実質的にナノ細孔からなる厚い（数十から数百マイクロメートルの）金属層を形成するために、陽極処理することを含む。金属酸化物の厚い層中にマイクロキャビティ又はマイクロチャネルが形成されるよう、空間選択的な材料除去により金属酸化物表面の特定領域の金属酸化物材料を除去する。マイクロパウダー研磨は、好ましくは、酸化物の品質を保持しつつ望ましい横断面のマイクロチャネルを製造する効率的な除去処理として用いられる。他の形成技術としては、化学エッチング法が挙げられる。
【００２３】
薄い金属電極及び金属酸化物の好ましい材料はアルミニウム及び酸化アルミニウム（Ａｌ／Ａｌ２Ｏ３）である。別の例示的金属／金属酸化物材料システムはチタン及び酸化チタン（Ｔｉ／Ｔｉ２Ｏ２）である。他の例示的金属／金属酸化物材料システムは当業者にとって明らかであろう。好ましい材料システムは、ロールツーロール式又はバッチ式の化学処理などの安価な大量生産技術により、本発明に係るマイクロキャビティプラズマ装置の形成も可能にする。
【００２４】
本発明に係る追加の好ましいモジュール式マイクロチャネルマイクロプラズマ反応モジュールは、励起電極がポリマー中に埋設され且つカプセル化されており、該ポリマー中に形成されたマイクロチャネルプラズマ装置のアレイを含む。このマイクロチャネルプラズマ装置アレイのアレイの形成法は、Ｅｄｅｎ等が共同して権利を有する米国特許第第８４９７６３１号明細書に開示されている。レプリカ成形処理によりポリマー中にマイクロチャネルが作られる。ポリマー又は金属／金属酸化物マイクロチャネルアレイのいずれかは、特定の形状に最適化されたマイクロチャネル横断面を有し得る。
【００２５】
本発明に係る個別の反応器は、マイクロチャネルプラズマのアレイを持つコンパクトで軽量なマイクロプラズマ化学反応器を提供し、生産性（単位時間当たりの生成物出力）の規模を調節することができる。個別のモジュール式反応器を組み合わせてモジュール及びシステムとすることで、反応システムサイズ（例えば、生成物生成率）が異なる範囲でも同じ技術を用いて、規模の調節可能な、気体及び蒸気の超並列処理を提供することができる。こうして、本発明は、所望の化学生成物（オゾンなど）を数百又は数千のマイクロチャネルで製造する気体（又は蒸気）のプラズマ処理のための規模調節可能なパラダイムを提供する。特定の用途に必要な数の反応モジュールを組み込むことで、実質的に任意の大きさ（単位時間当たりの生成物出力）の反応システムが実現される。こうして、オゾン生成のコストを、飲用水の消毒、商用洗濯での服やタオルなどの洗濯、住宅の水泳プール及び商業水泳プールでの水処理など、多くの用途で減らすことができる。原料気体として酸素又は空気をマイクロチャネルに導入することで、オゾン生成は実現される。
【００２６】
また、マイクロチャネルプラズマ反応器、反応モジュール、及び反応システムは、オゾン以外の化学生成物を効率的に製造する能力も有している。例えば、二酸化炭素（又は、環境に優しくない又は有害なその他の気体）を、マイクロチャネルプラズマのアレイで効率的に電離（分解）させることができる。また、ギ酸、合成ガス、又はメタノールなどの価値ある商品を製造するために、二酸化炭素の電離を水又はメタンなどの原料化学物質と組み合わせて行うこともできる。
【００２７】
別の好ましい実施形態のモジュール設計小型反応器は、組み合わせて反応モジュールとしたときコンパクトなパッケージにできる薄型で平坦な反応シートを提供する。別の好ましいプラズマ小型反応器は、平行なチャネルのみを有する対照反応器よりも効率的にオゾンを製造する、実験で例示したラダー配置のマイクロチャネルプラズマネットワークを提供する。
【００２８】
また、本発明は、オゾンの製造及び散布のためのモジュール式マイクロチャネルプラズマシステムを提供する。本発明の例示的なオゾン製造及び散布システムは、反応モジュールに接続し、噴霧器板内のマイクロチャネルにより画定されたパターンと方向にオゾンを散布するマイクロチャネル噴霧器板を含み得る。こうした散布／噴霧オゾンシステムは、食料の保存及び流通産業で特に有益である。本発明に係るシステムは、本発明のオゾン生成器の幾つかをサポートし得る小型携帯用電源により、例えば、例示的実施形態では、小型バッテリー（例えば、９−１２Ｖのバッテリー）と、アップコンバート変圧器を備えた直流交流変換器を用いて、給電できる。本発明に係る小型反応器／オゾンモジュールも、食料包装（例えば、興味のある高価値食料製品を包むプラスチックバッグなど）の内部に付けることができるよう十分に小さく製造できる。実験的反応器は、食料包装では、バッテリーと電圧倍増器により給電された。こうした用途では、小型反応器は、包装に囲まれた気体体積中の僅かな酸素をオゾンに変換し、食料製品の表面上を殺菌することで、食料製品の保存寿命を伸ばす。反応器は、短時間定期的に作動させるだけでよく、所要総電力は少ない。実施例の実験的食料包装実施形態は、１から２ワットの電力で動かした。
【００２９】
本発明に係る小型モジュール及びシステムは、その筐体に組み込まれたファンを有してもよく、そして、反応システムのアレイは、生成物気体（オゾンなど）の所望のフローを提供する自己完結的なパッケージを提供し得る。別の実施形態では、マイクロプラズマ反応器アレイは、プラズマ自体が、周囲の空気を反応器内に引き込み、反応器から空気／オゾン生成物を噴射するよう働く、アクチュエータ配置に構成されている。こうした実施形態では、ファンが不要となるので、小型反応システム又は小型反応システムのアレイの価格や重量がさらに削減される。
【００３０】
本発明に係る小型オゾンシステムは、食料保存に加えて、例えば、温水浴槽の水の消毒、空気清浄機、及び、要求されるオゾン生成量が少ないその他の用途に良く適している。
【００３１】
本発明に係る反応システムは、オゾンを生成するための既存の技術に典型的なものよりも著しく電圧要求が低い。また、本発明の実施形態は重量と価格の低い反応器を提供する。
【００３２】
好ましい実施形態について、図面を参照しつつ、説明する。図面は、縮尺通りでない模式図や部分図を含むが、当業者であれば付随する説明を参照してその内容を完全に理解できるだろう。図解のため、特徴を誇張して描いている場合もある。好ましい実施形態から、当業者は本発明のより広い態様を認識できるだろう。
【００３３】
好ましい実施形態を、好ましいＡｌ／Ａｌ２Ｏ３材料システムと、実験的装置で実施した実験について説明する。上述したように、他の金属及び金属酸化物システムを用いることもでき、マイクロチャネルアレイに適した他の材料としては、ポリマー、ガラス、及びセラミックが挙げられる。
【００３４】
図１は、本発明に係る好ましい反応モジュールの基本単位であるマイクロチャネルプラズマ反応装置１０の切り取り断面部分を示す。２つのマイクロチャネル１２のみの部分が図示されているが、典型的な個別の反応装置は１２−５０のマイクロチャネルを有するだろう。マイクロチャネル１２は、２層の金属酸化物（好ましくは、例示の実施形態のようなナノ多孔性アルミナ）からできている高品質金属酸化物１４中に形成される。アルミニウム電極１６、１８が、これらの層の中に埋め込まれており、マイクロチャネル１２中での低温プラズマ生成に関与している。これらの層の一つがマイクロチャネル１２を含んでもよいし、マイクロチャネル１２を、金属酸化物埋設電極１６、１８のシートがマイクロチャネル１２の上下にくるような追加層中に形成してもよい。別の実施形態では、Ａｌ電極１６、１８を金属酸化物１４内に（電気化学処理により）埋設し、マイクロチャネル１２と平行に走る向きとしてもよい。製造がより困難にはなるが、マイクロチャネル壁内に埋設された電極を有するマイクロチャネルプラズマ装置は、図１の平行シート構造よりも低い電気容量を示す。図１の反応器１０は所定の所望の長さを有してもよい。マイクロチャネルの長さを規定する例示的長さは１から５インチである。食品包装用途などの別の実施形態では、マイクロチャネルの長さは、数分の一インチ、例えば、０．５インチ、又は、米国の２５セント硬貨や１ユーロ硬貨の大きさ程度である。
【００３５】
電極１６、１８に供給される電圧は、マイクロチャネル内で生成されるプラズマは物理的及び電気的に両電極から絶縁されるため、時変でなければならない。原料気体（所望の生成物がオゾンである場合空気又は酸素）は、マイクロチャネルアレイの一方の気体入口端２０に導入され、所望の生成物は、他方の生成物出口端２２から放出される。入口２０と出口２２は、マイクロチャネル２０に出入りする気体のフローを供給する。金属酸化物１４の上部はフローを封じ込めるためのカバーを形成する。カバーは、モジュール式で他の反応器とともに配置できるように構造的に構成されている。また、変換処理の効率に依存するが、マイクロチャネルアレイからの流出物は未反応の原料気体を含んでいるかもしれない。マイクロプラズマ反応器チップの長さは、上述したように、典型的には０．５−５インチであるが、具体的なプラズマ生成生成物毎により短くしてもまたより長くしてもよい。電極１６、１８への接触は、図１では概念的に示している。電極１６、１８及び酸化物１４の特徴は、好ましい実施形態の反応装置での積層接続を可能にする。即ち、装置を積層し又はその他に物理的接触をなすようよう配置したとき、装置間に電気接続が確立される。
【００３６】
図２Ａ及び２Ｂは、マイクロチャネルマイクロプラズマアレイを、平面電極の一面（図２Ａ）又は両面（図２Ｂ）上に形成してもよいことを示している。本発明に係る実験的マイクロチャネルプラズマアレイモジュール及び小型反応器は、パウダーブラスト加工により金属酸化物誘電体１４中に形成されており、結果としてできたチャネルは、典型的には、台形の横断面を有しており、また、開口部のチャネルの幅は、典型的には、５０−９００μｍの範囲である。
【００３７】
背景技術の項で触れたＥｄｅｎ等の米国特許出願公開第２０１３／００７１２９７号明細書に記載されているパウダーブラスト加工技術により、マイクロチャネル１２が実質的に欠損のない金属酸化物１４中に形成される場合、チャネル形成処理は、楕円、台形、又は半円をはじめとして、マイクロチャネルの横断面の形状を幅広く製造できるよう制御され得る。また、マイクロチャネルは、マイクロマシン、レーザー研磨、化学エッチング、及び、その他の技術により、金属／金属酸化物誘電体層中に形成することもできる。Ｅｄｅｎ等の米国特許第７５７３２０２号明細書を参照。また、ポリマーマイクロチャネルは、様々な、先細形、三角形、長方形、及び丸形横断面を有し得る。Ｅｄｅｎ等の米国特許第８４９７６３１号明細書を参照。
【００３８】
図３Ａ−３Ｄは、図２Ｂの金属／金属酸化物マイクロチャネルアレイを用いて形成することができる本発明に係る好ましい実施形態のマイクロチャネルプラズマ反応器を示す。反応器は、高度にモジュール化された薄いウエハーとして構成されている。図３Ａは反応器３０の裏面を示している。これは、一つのウエハー層３２であり、第１の電極層を画定している。金属酸化物３４の第２ウエハー層がウエハー層３２に接続されている。ウエハー３４と３２は位置合わせタブ４０を画定しており、ウエハー３４には、気体原料の入力と生成物の出力を促進するための入力端と出力端が露出しているマイクロチャネル３８が乗っている。位置合わせタブ４０は露出した電気コンタクトをもっていてもよい。実施例のモジュールの実施形態では、タブ４０の露出した電気コンタクトは、モジュール筐体に差し込まれたとき、クリップ、ピン、スプリング、又はフィンガーストックコンタクトと接触する。モジュール筐体は、それを介して電極コンタクトに電力を伝える。ウエハー３６は、モジュールのフレームと簡単に組み合わさることを許容するタブ４０を具備するよう構造的に構成されている。気体口４１は、方形のスロットだが、他の形状でもよく、マイクロチャネル３８へのアクセスを提供する。
【００３９】
図３Ｂは、マイクロチャネルを持つマイクロプラズマアレイ４４、反応器４２の前面図を示す。入力口４６と出力口４８は、横断面が円形であり、Ｏリング５０とカバー５２と５４により封止されている。カバー５２と５４は、それぞれ、露出電気コンタクトである位置合わせタブ５６を画定している。カバー５２と５４の一方又は両方には駆動電極が乗っていてもよく、駆動電極は、代替的に又は追加的に、アレイ４４の金属酸化物中に埋設された隣接するマイクロチャネルであってもよい。
【００４０】
図３Ｃ及び図３Ｄは図３Ａのウエハー３４の細部を示している。気体の入出力口を提供するスロット４１を残して、ウエハー３４上に、マイクロチャネル装置３８のアレイが乗っている。好ましい実施形態では、各ウエハーは隣接するウエハーと接続されたときに完全となる。即ち、第２ウエハーが、第１ウエハーのマイクロチャネルを封止し、入出力口（ｉｎｐｕｔ  ａｎｄ  ｏｕｔｐｕｔ  ｐｏｓｔｓ）を画定するものであってもよい。
【００４１】
図３Ａから３Ｄのウエハー又はチップ型反応器は、入力原料気体と気体生成物の出力のプラズマ処理を可能とするために必要な電気接続と気体フローチャネルを提供しつつ、小型反応モジュール及びシステムの組み立てを可能とするように構成されている。図４Ａは個別のマイクロチャネルプラズマ反応装置６２を複数備える反応モジュール６０を示している。この装置は筐体６４に保持されている。この筐体にはファン６６も組み込まれている。図４Ｂは、反応モジュール６０の筐体に差し込む前の好ましい個別の反応装置６２を示している。図４Ｂでは、マイクロチャネルは頂部電極６８により覆われている。この頂部電極は、図１に詳細に示されているようにナノ多孔性金属酸化物の層によりカプセル化されている金属箔である。また、この頂部層６８はその下のマイクロチャネルを封止する。また、図４Ｂでは、頂部電極６８の形状が、個別のアレイの全ての原料入力口７０と出力（生成物）口７２を整列させる調整（位置決め）機能を提供できることが示されている。円形のシール（Ｏリングなど）は、アレイの全てが筐体６４内で互いに固定された時、それらの間の密閉（真空）シールを提供する。筐体６４は、反応器６２に適合する形状を画定する。その取付はぴったりである。内部に、筐体６４は、（タブなどにある）反応装置６２の個別の電気コンタクトへの電気コンタクト（ピン、クリップ、スプリング、フィンガーストックなど）を含む。反応装置６２は、シール７４から離れたその端で若干隙間が空いている。前面開口７６は、底部電極７０を超えて延びる頂部電極６８の一部の大きさに適合する。頂部板は、反応器６２を固定し、封止を維持するための下向きの圧力を提供する。シール７４及び周囲の区域を封止することもできる。
【００４２】
筐体６４内に位置しているファン６６は、シール７４により若干隔てられている個別の反応装置６２の間での周囲の空気の循環をもたらす。筐体６４内で個別の反応装置６２が積層していることにより、各マイクロチャネルプラズマアレイを空冷することが可能となり、また、マイクロプラズマアレイの全ての同じ端に原料気体を導入し、反応装置６２の全ての反対の端から所望のプラズマ反応生成物を流出させることが可能となる。例示的モジュールは、４から１０個の反応ウエハー装置に適合するよう設計されており、４個のチップモジュールの幅（Ｗ）、長さ（Ｌ）、高さ（Ｗ）の代表値は、それぞれ、２”×３”×３”である。
【００４３】
実験で製造されたアレイは、幅が１００−５００ミクロンで長さが２−５ｃｍのチャネルを複数有する。しかし、幅が５ミクロン未満のチャネルや長さが少なくとも数十ｃｍのチャネルを製造することもできる。また、数百から数千のマイクロプラズマ装置を備えたアレイを、１つのアレイとして製造することもできる。
【００４４】
図５及び６は、図４に示した小型反応モジュールの追加図を示す。図５では、フレーム内の反応装置ウエハーの積層体を封止する頂部板を省略している。これは、筐体６４内に形成されている気体入口８０と出口８２を図示するため、また、筐体６４が、各ウエハーとその隣との間の真空密封を得られるよう、モジュールの積層体をまとめて固定していることを示すためである。小型反応モジュールは、複数の反応モジュールにより形成されるより大きな反応システムのための組み立てブロックである。
【００４５】
図７は、モジュール６０のアレイから形成される好ましい実施形態の反応システム８８の一部を示す。このシステムは、モジュール６０の配置と気体フローに寄与する特徴を示すため、部分的に組み立てた状態で示されている。モジュール６０は、より大きな反応システム８８に組み立てることができるように互いに連結するよう構成されており、実質的に任意の大きさのプラズマ化学反応システムを実現するために用いることができる。各マイクロチャネルプラズマモジュール６０は、その底面と頂面上に形成された溝９０を含む。また、底板９２は、モジュール６０を整列させる役割を果たす溝９０を含む。この板９２の上とモジュール６０の頂部の上にある気体口９６は、雄コネクタとして形成されている。モジュール６０の底部は、溝９０と相互作用し、ロックする凸部と、気体口９６と係合する雌コネクタ気体口（図示せず）とを有している。また、底板９２は、入力口９８と出力口１００のセットを含む。また、電極コンタクト１０２が、モジュール６０の頂部上に存在しており、結合するモジュール６０の底部上のコンタクトと相互作用する。これらの特徴により、モジュール間での真空密閉接続を維持しつつモジュールを連結することが可能となる。全てのモジュールは底板９２上に実装され、原料気体の流入とプラズマ化学生成物（この場合、オゾン）の流出とのために、この底板の中に向けて、底板９２とモジュール６０の反応器を通るフローチャネルが形成されている。
【００４６】
図８Ａ及び８Ｂに示すように、様々なフローパターンを形成することができる。こうしたフローパターンでは、気体フローストリームが気体生成物を集める出口プレナムに入る前に、少数のモジュール（例えば、図８Ａ及び８Ｂで提示した実施例では２つ）により、原料気体が処理される。図８Ａ及び８Ｂの配置は、ある原料気体が反応器を離れるまでに通過するプラズマチャネルの最適合計長さを容易に決定し設定することを可能にする。原料気体分子が通過する合計マイクロチャネル経路が最適値を超える場合、電力が無駄になり、生成物分子（即ち、所望の反応器出力）の一部がプラズマ中で又はマイクロチャネル壁で化学的に破壊されかねない。本発明に係る反応器によりもたらされるモジュール式アプローチの主な利点は、特定の（最適な）処理長さをもたらすように反応器を手早く構成することができ、生成物出力を高レベルにするため新しい反応器を設計するする必要なく、低価格で信頼性のある反応器を手早く構成することができるという点である。実際、個別のアレイモジュールは、より大きな反応器を形成するため直列又は並列配置に容易に構成でき、これにより、特定の時間当りの生成物のグラム数、及び／又は、原料（入力）気体の特定の処理時間が実現される。従来のオゾン生成技術では、反応器の規模を調節するとき、反応器の設計を根本的に変えることがしばしばあった。
【００４７】
また、図８Ａ及び８Ｂは、原料気体が１つ以上の小型反応モジュールにより処理され、その後、第１の反応モジュール内で生成された気体生成物と反応させるため、図８Ａでは「反応性気体」として示される別の原料気体が導入される領域１１２に、原料／生成物フローストリームが進入する本発明の別の応用例を示す。こうした配置が望ましい処理の例としては、二酸化炭素を、ギ酸、メタノール、又は合成ガスなどの工業的に価値ある商品にプラズマ変換する場合が挙げられる。これら三種の商品は、全て、ＣＯ２を、水蒸気又は水素などの第２の原料気体を気体フローストリームに加えて、プラズマ中で電離（分解）したときに形成され得る。図８Ａ及び８Ｂの実施形態は、原料気体の最初のプラズマ処理に続いて、第２段階のプラズマ処理で別の気体（又は蒸気）との反応を行うというより複雑な反応に役立つ。
【００４８】
一列に並んだマイクロチャネルプラズマ反応器チップ１２２を動かすための代替的な幾何学的配置の反応モジュール１２０を図９Ａ及び図９Ｂに示す。この実施形態では、個別のマイクロチャネルアレイ反応器チップ／ウエハー１２２は、単純な平面フレーム１２４上に隣り合って実装されており、このフレーム中にＯリング１２６又はその他の真空シールが埋め込まれている。この配置では、（図９Ｂにおいて平面システムの断面図で示されるように）原料気体を各マイクロチャネルプラズマウエハーの同じ端に導入する狭いチャネル１２８に沿って原料気体は流れる。出力気体（オゾン）は、全てのチップ１２２の反対の端に接続されている第２のチャネル１３０により集められる。このシステムは、チャネル１２８と１３０の端に入力口１３２と出力口１３４を備える。図９Ａ及び図９Ｂの反応器の設計は、平坦な外形が有利な用途に良く適した薄型形状因子を備えている。図９Ａ及び図９Ｂのモジュール実施形態の製造は、単純であり、他の実施形態よりも経済的であるかもしれない。
【００４９】
図１０は、水の消毒又はクリーニングランドリーのためにオゾンを冷水に射出するために設計された本発明に係る射出反応システム１４０を示す。このシステムは、パルス発生器１４１を備えた５つの反応システム（例えば、大型モジュール１４としての図９Ａのシステム）を含む。原料酸素は、空気ポンプ１４４と濃縮器１４６により生成される。数種の濃縮器が市販されており、全てが本発明のアレイモジュールに対応している。ウォーターバブルミキサー１４８は、バブラー又はベンチュリ弁などの混合器１５０のオゾン、オゾン出力１５２から受け取ったオゾンと混合する水を含む。入力１５２はモジュール１４２からのオゾンを受け取る。バブルミキサー１４８への水入力は、水入口１５４からであり、出力は水出口１５５である。この射出システム１４０は、筐体１５６に包含されており、水入口１５４と水出口１５５で普通の家庭用配管又は商用の配管との接続を有するよう構成できる。このシステムは、家庭又は商用の水道に簡単に取り付けることができる。
【００５０】
図１０のシステムは、一つの水入口及び出口を含み、図９Ａ及び図９Ｂの反応モジュールを使う。図１１は、代替的なオゾン生成器１６０を示す。主な差異は水出口１５５が複数あることである。別の差異は、反応モジュール１４２が、水出口の数に対応した複数のオゾン入力１５２毎に設けられていることである。反応モジュールは図４Ａのものである。他の特徴は、図１０の対応する部分と同様の番号を付した。制御器１６２は、様々な部品を、作動、停止、又は監視することができる。図１１の反応器は、オゾンを複数点で射出させることを採用している。図１０−１１では、４又は５個の小型反応モジュール１４２のそれぞれに、酸素濃縮器１４６により周囲の空気から作られた酸素が供給される。図１０の反応器の設計では、５つのモジュール１４２により作られたオゾンは、バブラー１５０により集められ、水流に射出される。射出器は、本技術分野で周知であり、望まれるなら、各マイクロプラズマ反応モジュールに別々の射出器を専用に取っておくこともできる。図１１では、入ってくる水流は、４つの配管に分けられ、それぞれが、１つ（又は複数）の専用反応モジュール１４２により作られたオゾンで処理される。
【００５１】
図１２Ａ及び１２Ｂは、単純な平行マイクロチャネルよりも効率的にオゾンを製造できることが分かった『ラダー』マイクロチャネル反応器の設計を示している。図１２Ａ及び図１２Ｂの設計では、クロスチャネル１７０が一定周期でメインマイクロチャネル１７２に割り込んでいる。主なマイクロチャネル１７２とクロスマイクロチャネル１７０との交差が直角である必要はなく、２種のチャネルの寸法は異なってもよい。このラダー構造マイクロチャネルアレイを、７６０トールの圧力下、純酸素中で、広く試験した。図１３のデータは、図１２Ａ及び図１２Ｂのラダーマイクロチャネル反応モジュールが、クロスチャネルが存在しない場合の値と比べて５０％超も高い効率（キロワット時当たりのグラム数、ｇ／ｋＷｈ）で酸素からオゾンを作り出すことを示す。気体フローシミュレーションによれば、この予想外に高い効率の理由は、原料気体分子がクロスチャネルのおかげでマイクロチャネルアレイ中に長時間滞在する結果となることが示唆されている。
【００５２】
また、オゾン散布システムも本発明により提供される。好ましい散布システムは、モジュールの生産率への要求が低いオゾンの商用用途で特に役に立つ。重量と体積は常に優先事項であり、本発明に係る軽量散布システムは、食料貯蔵や空気の消臭消毒に格別に良く適している。小型反応モジュールのファン１８０（図１４Ａ及び図１４Ｂに図示）は、オゾン反応器１８２に室内の空気を引き込む。ファンの位置する場所とは反対のユニットアレイの側面で、平坦なオゾン分散器又は噴霧器がユニットアレイに取り付けられている（又はユニットアレイ内に埋め込まれている）。
【００５３】
図１４Ａ（分解図）及び図１４Ｂ（組立図）は、反応モジュールの出力を噴霧器１８６に向ける空気ガイドファネル１８４を備えた小型オゾン生成器を示す。噴霧器１８６は、オゾン（反応モジュール１８２から出る）を、反応モジュール１８２の出口から、全方向性のパターンで、散布する。特定の用途では、オゾンの散布パターンをより指向性にすることが望ましいこともある。多くの用途では、方位角的に均等な散布パターンが最良である。実験的生成器ユニットビルトの例示的厚さｔは２ｃｍ未満である。オゾン噴霧器板の２つの実施形態を図１５及び１６に示す。１つ目（図１５）は、放射状に配向したチャネル１９０の間に存在するフローレートの差を改善する１つ以上の円形マイクロチャネル１８８を備える放射状配置１８６を有する。図１６には、噴霧器板用の湾曲したマイクロチャネル１９６を備えた螺旋又は風車の意匠が開示されている。
【００５４】
噴霧器板のマイクロチャネルは、マイクロチャネルプラズマアレイウエハーのマイクロチャネルと同じように形成することができる。例えば、チャネルは、マイクロパウダー研磨によりアルミナや他の材料に微細機械加工され、典型的なチャネルの深さ及び幅は、それぞれ、３０−２５０μｍ及び２００−８００μｍである。図１から４の直線チャネルアレイの場合と同様に、低温プラズマがチャネル中に作られる。マイクロプラズマは、原料気体中のＯ２の極一部をオゾンに変換する。
【００５５】
図１４Ａ及び図１４Ｂのダイアグラムで示したように、小型オゾン反応モジュールの全体は、モジュール中の個別の反応器アレイ装置の間の気密を維持するためピッタリ合うように成型された柔軟なプラスチックブロック１９８を含み、その中に保持されている。実施例のモジュールでは、プラスチック構造の厚さは、２ｃｍ未満であり、最終的な生成器集合体は軽量である。『保存寿命』の延長について、図１４Ａ及び図１４Ｂのシステムの効率を示す一連の食料保存試験を行った。例えば、（様々な種類の）パンは、２、３日以上室温で保存されると完全に食用に適さなくなる。しかし、図１４の小型反応モジュールユニットの一つを、室温の容器にパンとともに置き、毎日２分間生成器を稼働させるだけで、パンを二週間保存後も元の状態に維持できる。１から２ワットの電力しか必要ないので、電力を、直流交流変換器及び変圧器を用いて、９又は１２Ｖのバッテリーにより供給した。実施した別の実験では、サバや（アジア圏で有名な）黒豚などの高価値食品の有効寿命が、本発明に係る小型反応器により１週間まで延びることが示される。黒豚は通常室温では急激に駄目になる。輸送や流通過程での製品維持が困難な黒豚の冷却コストは極めて高いが、黒豚や他の食品を本発明に係るオゾン生成器を組み込んだ封をしたプラスチックバッグにつめて室温で輸送することにより、劇的に輸送コストを減らす機会が提供される。
【００５６】
上で議論した小型反応モジュールの唯一の電気機械的部品はファンである。追加の実施形態では、ファンを、必要なフローを生成するマイクロプラズマアクチュエータと置き換えてもよい。図１７Ａ−図１７Ｄは、マイクロチャネル２０２を介した僅かな気体フローを作るプラズマアクチュエーションを伴うマイクロチャネルマイクロプラズマアレイ反応器２００を示す。かつては大規模なプラズマアクチュエータが使われていたが、図１７Ａ−１７Ｂに示すマイクロプラズマアクチュエータは、比較的低電圧のマイクロチャネルプラズマを用いて稼働部品の必要なしでアレイを通して空気を引き込む。アクチュエータの作動原理は、まず、頂部電極２０４と底部電極２０６との間の空間的オフセット（電極間距離）からはじまる。プラズマがマイクロチャネル中で発火したとき、マイクロチャネルアレイが頂部電極２０４に突き出る場所で圧力勾配が生じる。これによりアレイを通して空気を引き込むという望ましい結果が得られる。図１７Ａ−１７Ｄのアクチュエータによる気体速度はファンによるものほどではないが、実験室の試験では、小型オゾン反応器において、プラズマアクチュエータがファンの代替としてよく機能することが示されている。可動部品の排除に加え、アクチュエータのさらなる利点としては、マイクロチャネルプラズマアレイに容易に組み込むことができる点が挙げられる。さらに、プラズマアクチュエータを備えたモジュールはファンを備えたものよりも軽く薄いものとなる。
【００５７】
図１８Ａ−１８Ｃは、プロトタイプが形成された追加の実施形態の反応器２１０を示す。この実施形態は、プロトタイプの特徴に沿って説明している。当業者であれば、この実施形態がプロトタイプの詳細に限定されるものではなく、プロトタイプの詳細は好ましい例示的実施形態を提供するものであることを理解できるだろう。
【００５８】
カプセル化された金属電極２１２は、プロトタイプでは、底部Ａｌ／Ａｌ２Ｏ３板を用いて実装される。プロトタイプは、５００μｍ厚のＡｌ箔から作られた。酸化アルミニウムを成長させた後の板の厚さは約〜６００μｍであった。チャネル２１４が、マイクロマシン加工によりこの板中に形成された。典型的なチャネルは、〜２００μｍから８００μｍの幅で、〜３０μｍから２５０μｍの深さである。チャネルは好ましくは誘電体で被覆されている。例示的誘電体は、シリコーンの薄い層、例えば、２５μｍの層である。頂部カプセル化Ａｌ／Ａｌ２Ｏ３板電極２１０は、底板の電極２１５の頂部上にある。プロトタイプでは、頂部板は、実質的に正方形（４×４ｃｍ）だが、小さなタブ２１８を備えており、これは、反応モジュールを形成するためにマイクロチャネルを積層する際に位置合わせの補助として機能する。プロトタイプでは、頂部板は、２５０μｍ厚のＡｌ箔から形成され、３００μｍ（±１５μｍ）の厚さを有する。頂部板では、マイクロチャネルの端が露出するようギャップが残されている。プロトタイプでは、マイクロチャネルの〜５ｍｍが各端で露出しており、モジュール内の他のアレイに連通するマイクロチャネルへの気体の流入出を可能としている。典型的なマイクロチャネルは〜５ｃｍの長さで、典型的な底部板の寸法は〜７ｃｍの長さで〜４ｃｍの幅である。
【００５９】
図１９は、本発明に係る封止マイクロチャネルアレイ反応ウエハー２３０を示す。反応ウエハーは図３Ｂと同様であるが個別に封止されている。セラミック板２３０により、マイクロチャネルプラズマウエハーは完成する。封止材、例えば、ガラスフリット又は真空グレード高温エポキシにより、ユニットの全体が封止されている。板は、気体フローが可能となるようマイクロチャネル２３６の露出した端と位置合わせされる２つの孔２３４を含む。  一方の孔は入口として、他方の孔は出口として機能し、モジュールは、原料気体フローを受け入れ、所望のプラズマ化学生成物を出力するよう構成されている。
【００６０】
図２０Ａから図２０Ｃは、図１９の反応ウエハーから形成される別の反応モジュール２４０を示している。図２０Ａの反応モジュール２４０は６つのウエハー反応器を含む。こうしたモジュールを多数製造し、広く試験した。隣接するマイクロプラズマチャネル反応ウエハーの間に位置合わせタブ２１８の位置と真空シール（つまり、Ｏリング２４２）を見ることができる。左下のねじ山の付いたポート２４４は、原料気体入力とモジュール２４０で生成されたオゾンの排出のためのものである。入力及び出力の気体ポートが円形である、一揃いのマイクロチャネル反応ウエハーの略図を図２０Ｂに示す。ウエハーのタブが１つであるものを図２０Ｃに示す。入力及び出力の気体ポート２３４（円形、方形など）は、図２０Ｃに示すように、モジュールの反応装置ウエハー内のマイクロチャネルの全てへ（又は全てからの）のアクセスを提供する。モジュール筐体２４６は３つの側面で開いており、ファン２４８を保持している。頂部カバー２５０は、位置合わせと封止をなすよう、下向きの圧力を反応器にかけている。
【００６１】
試験結果を図２１に示す。図２１は５ウエハーモジュールの試験データを示す。各実験的ウエハーには番号が割り振られた（例えば、ＥＰ１６３）。各ウエハーを個別に試験し、その後、図２０Ａと一致する５ウエハーモジュール反応器構造を試験した。図２１では、個別のモジュール（＃１−５）が１時間当たり１．２−１．６ｇのオゾンを製造することが分かった。５モジュール反応器は５．５−７ｇ／時間の割合でオゾンを製造した。試験中に印加した電圧は、７２５〜７７０ＶＲＭＳ（２．８〜３．０６ｋＶｐｐ）であり、波形は２０ｋＨｚの正弦曲線であった。これらの試験では、原料気体は〜５ｐｓｉの圧力と４リットル毎分の流速の酸素であった。
【００６２】
また、試験により、この実施形態でのオゾン生成のための最適チャネル幅は２００μｍから８００μｍであることが示された。１ｍｍ幅のマイクロチャネルを有する装置は、最適範囲に収まる装置よりも、生産性が低かった。最適チャネル深さは３０μｍから２５０μｍである。他の実施例としては、幅が２００μｍから４００μｍの範囲にあり、深さが１５０μｍから２５０μｍの範囲にあるマイクロチャネルが挙げられる。しかし、本発明者等の先行特許、特許出願、及び刊行物に支持されるように、ポリマー、セラミック、ガラス、及び金属／金属酸化物の実施形態の全てにおいて、広範なチャネルの深さ、幅、及び長さが可能である。
【００６３】
本発明に係る小型反応器の広範な試験により、それらが効率的なオゾン生成を示すことが明らかとなった。別の試験では、それぞれが１２本のマイクロチャネルを有する１０−１２個のユニットマイクロチャネルプラズマウエハーを有するオゾンモジュールが製造された。これらのモジュールはそれぞれ１時間当たり２−３グラムのオゾンを作ったが、モジュールの各チップのマイクロチャネルの数を２４本に増やすと、オゾン生成速度は１時間当たり１０グラムとなった。この値は、商用洗濯の８０ポンド洗濯機の要求によく適合している。
【００６４】
本発明のさまざまな実施形態を示し説明したが、当業者にとって他の修正例、置換例、及び代替例が明らかであることは理解されたい。こうした修正例、置換例、及び代替例は、本発明の趣旨と範囲を離れることなくなし得、特許請求の範囲の記載から決定されるべきものである。
【００６５】
（政府資金援助）
本発明は、米国空軍科学研究局の助成金番号ＦＡ９５５０−１０−１−００４８及びＦＡ９５５０−１２−１−０４８７に基づくアメリカ合衆国連邦政府支援によりなされたものである。政府は本発明について一定の権利を有する。
【００６６】
（関連出願の相互参照）
本出願は、合衆国法典第３５編第１１９条（ｅ）に基づき、２０１３年９月２４日に出願された米国仮出願第６１／８８１７４１号の優先権の利益を主張する。当該仮出願の内容を参照により本明細書で援用する。
【００６７】
本発明の種々の特徴を以下の付記で示す。
［付記］
［付記１］
複数のマイクロチャネルから誘電体により絶縁されている電極であって、前記電極に適切な電圧を印加した際に前記複数のマイクロチャネルでのプラズマ生成を刺激するように前記複数のマイクロチャネルに対して配置されている電極を含む複数のマイクロチャネルプラズマ装置のマイクロチャネルアレイと、
前記複数のマイクロチャネルへの気体入口と、
前記複数のマイクロチャネルからの気体生成物出口と、
を備え、
前記気体入口と前記気体生成物出口との間の前記複数のマイクロチャネルの部分はカバーにより覆われており、前記カバーと前記装置は追加の反応装置と接続するようにモジュール式に構造化されていることを特徴とする、モジュール式マイクロプラズママイクロチャネル反応装置。
【００６８】
［付記２］
前記電極の一つは、前記気体入口と前記気体生成物出口との間の前記複数のマイクロチャネルを封止する前記カバーを備える、付記１に記載の装置。
【００６９】
［付記３］
前記気体入口及び／又は前記気体生成物出口と別のマイクロチャネル反応装置との間に流体連通をもたらすように前記気体入口及び前記気体生成物出口を封止するシールをさらに備える、付記１に記載の装置。
【００７０】
［付記４］
付記３に記載のモジュール式マイクロプラズママイクロチャネル反応装置を複数備え、前記反応装置の間に気密シールをもたらすように前記反応装置が筐体によりまとめて保持されていることを特徴とする、小型マイクロプラズマ反応モジュール。
【００７１】
［付記５］
前記マイクロチャネルアレイの全ては互いに流体（気体）連通している、付記４に記載のモジュール。
【００７２】
［付記６］
小型マイクロプラズマ反応装置のアレイにおいて他のモジュールと流体連通して配置された付記４に記載のモジュールを複数備えることを特徴とする、マイクロプラズマ反応システム。
【００７３】
［付記７］
前記小型マイクロプラズマ反応装置のアレイのカラムを相互接続するフローチャネルを有する底板を備える、付記６に記載の反応システム。
【００７４】
［付記８］
前記モジュールは他のモジュール及び前記底板と接続する構造を含み、並びに、前記底板はモジュールを整列させ、該モジュールと接続する構造を含む、付記７に記載の反応システム。
【００７５】
［付記９］
接続のための前記構造は相補的な隆起と溝の構造を含む、付記８に記載の反応システム。
【００７６】
［付記１０］
接続のための前記構造は相補的な雄雌コネクターの気体ポートを含む、付記８に記載の反応システム。
【００７７】
［付記１１］
前記アレイ中の複数のマイクロプラズマ反応装置からの出口を提供する出口プレナムを備える、付記８に記載の反応システム。
【００７８】
［付記１２］
フレーム内に保持されたファンをさらに備える、付記４の反応モジュール。
【００７９】
［付記１３］
前記反応装置の全寸法は１０×１０×２０ｃｍ以下である、付記１２に記載の反応モジュール。
【００８０】
［付記１４］
付記１に記載のモジュール式マイクロプラズママイクロチャネル反応装置を複数備える小型マイクロプラズマ反応モジュールであって、前記反応装置は平面フレーム上に隣接して実装されるとともに封止されており、前記モジュールはさらに、複数の前記反応装置の前記気体入口に原料を供給するための原料チャネルと、複数の前記反応装置の前記気体生成物出口から気体生成物を受け入れるための出力チャネルと、を備えることを特徴とする、小型マイクロプラズマ反応モジュール。
【００８１】
［付記１５］
付記１に記載のモジュール式マイクロプラズママイクロチャネル反応装置を複数備える小型マイクロプラズマ反応モジュールであって、前記反応装置は前記反応装置の間に気密シールをもたらすように筐体によりまとめて保持されており、前記小型反応装置からの出力を受容する噴霧器板をさらに備え、前記噴霧器板は、所定のパターンで前記小型反応装置の出力を前記反応装置から遠ざける方向に向ける複数のマイクロチャネルを含むことを特徴とする、小型マイクロプラズマ反応モジュール。
【００８２】
［付記１６］
プラスチック型内に保持され、個別の食料包装内に適合する寸法をしている、付記１５に記載の小型反応モジュール。
【００８３】
［付記１７］
前記電極の１つが、前記複数のマイクロチャネルを介したフローを刺激するプラズマアクチュエータ効果をもたらすように前記複数のマイクロチャネルに対してずらして配置されている、付記１に記載の装置。
【００８４】
［付記１８］
前記マイクロチャネルアレイは、前記複数のマイクロチャネルを該マイクロチャネルの反対を向いた端の間で互いに接続する１つ以上のクロスチャネルを有するラダー構造を有する、付記１に記載の装置。
【００８５】
［付記１９］
付記１に記載の小型反応装置と、
前記小型反応器に酸素を供給するためのポンプ及び酸素濃縮器と、
処理水を水出口から出力する前に前記小型反応装置からのオゾン出力を水入口からの水と混合するミキサー及び水入口と、
を備える、オゾン射出装置。
【００８６】
［付記２０］
前記複数のマイクロチャネルから絶縁されるように前記電極が金属酸化物層内にカプセル化されている、付記１に記載の装置。
【００８７】
［付記２１］
前記複数のマイクロチャネルは平坦な底のマイクロチャネルを含む、付記１に記載の装置。
【００８８】
［付記２２］
前記複数のマイクロチャネルアレイはポリマー中に形成されてる、付記１に記載の装置。
【００８９】
［付記２３］
プラズマ生成のため、電極から誘電体により絶縁されている、前記電極に対して配置されたマイクロチャネルアレイと、
前記マイクロチャネルアレイの端部を露出したまま前記マイクロチャネルアレイの中央部を覆うカバーと、
前記マイクロチャネルアレイに入り、通過し、そして出るフローを可能とするように配置された気体入口及び気体生成物出口とを備え、
前記カバーと前記装置は追加の反応装置と接続するようモジュール式に構造化されていることを特徴とする、モジュール式マイクロプラズママイクロチャネル反応装置。
【００９０】
［付記２４］
前記反応装置を前記気体入口及び前記気体生成物出口の周りで互いに封止するＯリングとともに積層された複数の付記２３に記載の反応装置。
【００９１】
［付記２５］
小型反応器を形成するために、前記反応装置の前記気体入口及び前記気体生成物出口と気体連通する入口及び出口を有するフレーム又は筐体内に保持された複数の付記２３に記載の反応装置。
【図１】
0006425716.tif 000002
【図２Ａ−２Ｂ】
0006425716.tif 000003
【図３Ａ】
0006425716.tif 000004
【図３Ｂ】
0006425716.tif 000005
【図３Ｃ−３Ｄ】
0006425716.tif 000006
【図４Ａ】
0006425716.tif 000007
【図４Ｂ】
0006425716.tif 000008
【図５】
0006425716.tif 000009
【図６】
0006425716.tif 000010
【図７】
0006425716.tif 000011
【図８Ａ】
0006425716.tif 000012
【図８Ｂ】
0006425716.tif 000013
【図９Ａ】
0006425716.tif 000014
【図９Ｂ】
0006425716.tif 000015
【図１０】
0006425716.tif 000016
【図１１】
0006425716.tif 000017
【図１２Ａ】
0006425716.tif 000018
【図１２Ｂ】
0006425716.tif 000019
【図１３】
0006425716.tif 000020
【図１４Ａ】
0006425716.tif 000021
【図１４Ｂ】
0006425716.tif 000022
【図１５】
0006425716.tif 000023
【図１６】
0006425716.tif 000024
【図１７Ａ】
0006425716.tif 000025
【図１７Ｂ】
0006425716.tif 000026
【図１７Ｃ】
0006425716.tif 000027
【図１７Ｄ】
0006425716.tif 000028
【図１８Ａ−１８Ｃ】
0006425716.tif 000029
【図１９】
0006425716.tif 000030
【図２０Ａ−２０Ｃ】
0006425716.tif 000031
【図２１】
0006425716.tif 000032