(57)【要約】空気から汚染物質を除去する汚染物質吸着材と、汚染物質を脱離して酸化する非熱プラズマとを使用して空気汚染を減少する方法および装置。上記吸着材は、ゼオライトと、高誘電値を有する材料との独特な組み合わせから成り得る。非熱プラズマ反応器に対する電源は、システム共振周波数を探索して該周波数にて動作すべく設計される。一実施例において、上記吸着材料は上記非熱プラズマ反応器から分離される。この実施例において、脱離／再生段階の間に上記吸着材料に対しては熱が付与されて汚染物質が熱的に脱離される。空気は上記システム内を再循環されることで、脱離した汚染物質を上記吸着材料から、分解のために上記非熱プラズマ反応器へと移動させる。再循環空気は、汚染物質が破壊されまたは脱離／再生段階が完了するまで、上記反応器を通して汚染物質を反復的に移動させる。
2006503609.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
取入口と、吐出口と、上記取入口および上記吐出口を接続する空気流路とを有するハウジングと、
上記流路に沿い配設された吸着材料と、
上記流路に沿い配設された非熱プラズマ反応器と、
周囲環境から、上記取入口を介し、上記流路に沿い、且つ、上記吐出口を介して上記周囲環境へと戻すべく空気を移動させる手段と、
上記流路の少なくとも一部を上記周囲環境から遮断し、上記吸着材料および上記反応器を上記周囲環境から隔離する手段と、
上記周囲環境からの空気が処理のために当該空気処理システムを通過して移動される吸着段階と、上記遮断手段が起動されて上記吸着材料および上記反応器が上記周囲環境から隔離され且つ上記反応器手段が起動されて上記ハウジング内の汚染物質が処理されるという脱離／再生段階とにおいて当該空気処理システムを操作する制御手段とを備えて成る、
周囲環境における空気を処理する空気処理システム。
【請求項２】
前記脱離／再生段階の間において前記吸着材料および前記反応器を通して空気を再循環させる再循環手段を更に備えて成る、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記吸着材料は前記反応器から分離され、且つ、
上記吸着材料および上記反応器を通り循環する空気は上記吸着材料から上記反応器まで処理のために汚染物質を担持する、請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記再循環手段は、当該システムを通して空気を再循環させる空気流路を画成する空気戻りラインを含む、請求項３記載のシステム。
【請求項５】
前記再循環手段は、前記吸着段階の間に前記空気戻りラインを閉成する手段であって前記脱離／再生段階の間に上記空気戻りラインを開成する手段を含む、請求項４記載のシステム。
【請求項６】
前記吸着材料は活性炭素繊維織物を含む、請求項５記載のシステム。
【請求項７】
前記反応器は離間された一対のメッシュ電極を含む、請求項５記載のシステム。
【請求項８】
前記反応器は前記各電極間に配設された誘電物質を含む、請求項７記載のシステム。
【請求項９】
前記反応器は前記各電極間に配設された触媒を含む、請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
空気を移動させる前記手段は、前記脱離／再生段階の間において給電停止される第1ファンを含み、且つ、
前記再循環手段は、上記脱離／再生段階の間において当該システムを通る空気を再循環させる第2ファンを含む、請求項５記載のシステム。
【請求項１１】
前記流路に沿い配設されたHEPAフィルタを更に備えて成る、請求項１０記載のシステム。
【請求項１２】
前記脱離／再生段階の間において前記吸着材料に熱的脱離を行わせる熱源を更に備えて成る、請求項５記載のシステム。
【請求項１３】
前記誘電物質はアルミニウム・ビーズを含む、請求項１１記載のシステム。
【請求項１４】
前記触媒は二酸化マンガンである、請求項１３記載のシステム。
【請求項１５】
前記熱源は加熱ランプを含む、請求項１２記載のシステム。
【請求項１６】
前記制御手段は、前記脱離／再生段階の間において前記加熱ランプを作動させる手段を含む、請求項１５記載のシステム。
【請求項１７】
前記吸着材料は前記反応器内に配設される、請求項１記載のシステム。
【請求項１８】
空気を移動させる前記手段は、前記脱離／再生段階の間において起動解除される、請求項１７記載のシステム。
【請求項１９】
前記吸着材料は複数個のゼオライトを含む、請求項１８記載のシステム。
【請求項２０】
前記ゼオライト上に被覆された誘電物質を更に備えて成る、請求項１９記載のシステム。
【請求項２１】
ハウジングと、
上記ハウジング内に配設された吸着材料と、
上記ハウジング内に配設された非熱プラズマ反応器と、
少なくとも上記吸着材料を通過する吸着流路と、
少なくとも上記吸着材料および上記反応器を通過する脱離／再生流路と、
当該システムを吸着段階および脱離／再生段階にて操作する制御手段であって、上記吸着段階の間において当該制御手段は周囲環境からの空気を、上記吸着材料が上記空気中に担持された汚染物質を吸着するという上記吸着流路を通して移動させ、上記脱離／再生段階の間において当該制御手段は上記空気を、上記吸着材料から放出された汚染物質を上記反応器が破壊するという上記脱離／再生流路を通して移動させるという制御手段とを備えて成る、
空気処理システム。
【請求項２２】
前記吸着流路は少なくとも部分的に前記脱離／再生流路と共通に延びている、請求項２１記載のシステム。
【請求項２３】
前記吸着流路は取入口および吐出口を含み、且つ、
制御手段は、前記脱離／再生段階の間に上記取入口および上記吐出口を閉成する手段であって前記吸着段階の間に上記取入口および上記吐出口を開成する手段を含む、請求項２２記載のシステム。
【請求項２４】
前記制御手段は、前記脱離／再生段階の間に前記脱離／再生流路を通して空気を再循環させる手段を含む、請求項２３記載のシステム。
【請求項２５】
前記脱離／再生流路は、前記吸着材料および前記反応器の下流の箇所を上記吸着材料および上記反応器の上流の箇所へと接続する空気戻りラインを含む、請求項２４記載のシステム。
【請求項２６】
前記制御手段は、前記吸着段階の間において前記空気戻りラインを閉成する手段であって前記吸着段階の間において上記空気戻りラインを開成する手段を含む、請求項２５記載のシステム。
【請求項２７】
前記反応器は離間された一対の電極を含む、請求項２６記載のシステム。
【請求項２８】
前記誘電物質は前記各電極間に配設される、請求項２７記載のシステム。
【請求項２９】
前記誘電物質は複数のアルミニウム・ビーズを含む、請求項２８記載のシステム。
【請求項３０】
前記脱離／再生流路内に配設された触媒を更に備えて成る、請求項２８記載のシステム。
【請求項３１】
前記触媒は前記反応器内に配設される、請求項３０記載のシステム。
【請求項３２】
前記アルミニウム・ビーズ上に被覆された触媒を更に備えて成る、請求項２９記載のシステム。
【請求項３３】
前記吸着材料の近傍に配設された熱源を更に備え、且つ、
前記制御手段は前記脱離／再生段階の間において上記熱源を起動する手段を含む、請求項２１記載のシステム。
【請求項３４】
前記熱源は加熱ランプを含む、請求項３３記載のシステム。
【請求項３５】
前記吸着材料は吸着繊維織物を含む、請求項３４記載のシステム。
【請求項３６】
前記吸着材料は活性炭素繊維織物である、請求項３５記載のシステム。
【請求項３７】
ハウジング内に吸着材料と非熱プラズマ反応器とを有する空気処理システムを配備する段階と、
吸着段階の間の期間においては周囲環境からの空気を少なくとも上記吸着材料を通して移動させ且つ該空気を上記周囲環境に戻す段階と、
脱離／再生段階の間の期間においては上記吸着材料および上記反応器を上記周囲環境から隔離して上記反応器を起動する段階と、
上記吸着段階と上記脱離／再生段階との間で当該システムの動作を交互変化させる段階とを備えて成る、
周囲環境における空気を処理する方法。
【請求項３８】
前記脱離／再生段階の間において前記吸着材料および前記反応器を通して空気を再循環させる段階を更に備えて成る、請求項３７記載の方法。
【請求項３９】
前記再循環段階は、前記吸着材料および前記反応器の下流の箇所から、空気戻りラインを通り、上記吸着材料および上記反応器の上流の箇所へと空気を移動させる段階を含む、請求項３８記載の方法。
【請求項４０】
前記脱離／再生段階の間において前記空気戻りラインを開成し且つ前記吸着段階の間において上記空気戻りラインを閉成する段階を更に備えて成る、請求項３９記載の方法。
【請求項４１】
前記脱離／再生段階の間において前記吸着材料に熱を付与する段階を更に備えて成る、請求項４０記載の方法。
【請求項４２】
前記熱付与段階は、前記吸着材料の近傍に配置された加熱ランプを起動する段階を含む、請求項４１記載の方法。
【請求項４３】
前記反応器に対し、離間された一対の電極と、該各電極間に配設された誘電物質とを配備する段階を更に備えて成る、請求項４２記載の方法。
【請求項４４】
前記脱離／再生段階の間において前記空気を触媒を通して移動させる段階を更に備えて成る、請求項４３記載の方法。
【請求項４５】
前記触媒は前記誘電物質により被覆される、請求項４４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、2002年8月7日に出願された米国仮出願第60/401,665号の特典を主張する。
発明の分野
本発明は、屋内空気を処理して汚染物質を減少する空気濾過システムと併せて非熱プラズマを使用する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
多くの空気浄化システムが文献に記され且つ市場において入手可能である。これらのシステムは、以下においては汚染物質(contaminant)と称される廃ガス、揮発性有機化合物、臭気、窒素酸化物、硫黄酸化物、有毒ガスなどを除去して毒性緩和する種々の技術に依っている。またこれらのシステムは、空気中汚染物質を除去すべく燃焼、吸着、触媒もしくは非熱的プラズマによるプロセスなどの種々の方法に依っている。
【０００３】
上記燃焼システムは基本的に最も簡素であり、且つ、主として、空気を加熱する段階と、空気中汚染物質の熱分解もしくは燃焼を引き起こす段階とを備える。しかしこの方法は不経済である、と言うのも、空気から汚染物質を効率的に除去するために大量のエネルギを必要とするからである。この方法はまた、大量の温排水(thermal pollution)も生成し得る。
【０００４】
上記吸着方法は、空気中汚染物質を捕捉する吸着材料の使用に頼っている。しかしこの方法では上記吸着材料を頻繁に交換もしくは再生する必要があり、該システムに対する操業コストが高くなる。
【０００５】
上記触媒的方法は、空気中汚染物質を無害な化学化合物へと変換する化学反応を促進する触媒の使用に依っている。しかし上記触媒的方法は概略的に、汚染物質の濃度が低いときには非実用的な高いエネルギを必要とする。更に、これらのシステムにより使用される触媒は汚染物質による被毒(poisoning)を蒙り、触媒機能が低下するかまたは完全に喪失する。
【０００６】
典型的な非熱プラズマ・システムは、汚染物質を包含する空気流を処理すべく非熱プラズマの使用に依っている。非熱プラズマとは、２つの電極間における高電圧の放電である。この放電は空気中に高エネルギの電子を生成し、これは気体分子と衝突してフリー・ラジカルを生成する。これらのフリー・ラジカルは空気流中の汚染物質を酸化する。反応物質の殆どは酸素から生成され、異なる数の酸素種を生成する。しかしフリー・ラジカルはまた、空気流中に存在し得る窒素および水蒸気からも形成される。非熱プラズマ・システムにより消費されるエネルギの殆どは高エネルギ電子の生成に使用されることから、該システムにより処理されつつある空気流の温度は本質的に不変のままである。プラズマにエネルギ供給を行う高電圧は、交流、直流、または、最大の効率を有するパルス電流において急激に上昇する時的パルスとされ得る。
《Ｐ２》
概略的に非熱プラズマ式空気処理システムは、非熱プラズマ反応器と、該反応器を通して空気を移動させる手段とを備える。上記非熱プラズマ反応器は、複数の対向電極を備えると共に、概略的には、コロナ放電(corona discharge)および誘電体バリア放電(dielectric barrier discharge)という２つの形態の一方に従い製造される。コロナ放電反応器は剥き出しの複数の電極を使用すると共に、非熱プラズマはそれらの間において生成される。誘電体バリア反応器は、一方もしくは両方の電極上に誘電体被覆を有するか、または、各電極間に誘電物質を収容する充填層を有する。
【０００７】
非熱プラズマ・システムは、酸化副生成物、オゾン発生、および、高い電気エネルギを必要とすることなどの幾つかの欠点が問題であり得る。酸化副生成物は不完全な酸化の結果であると共に空気流中には新たな汚染物質が形成されて当該システムの目的を阻害し得る。オゾンは有害と考えられることから、オゾンの生成もまたこれらのシステムの目的を阻害し得る。最後に、多くの非熱プラズマ・システムには高エネルギを必要とするため、これらシステムは非実用的となる。
【０００８】
上述の如く、非熱プラズマは典型的にはプラズマ反応器に対して高電力を印加することで生成される。従来の幾つかの非熱反応器は、１リットルの空気を処理するために数百ジュールの電気エネルギを必要とする。この様に大量の電気エネルギを必要とすることから、従来の非熱プラズマ・システムでは相当の問題が呈される。電力供給の問題は、非熱プラズマを有効化して制御するために必要なパラメータが反応器毎にだけでなく同一の反応器においても経時的に劇的に変動し得る、という事実により更に複雑とされる。たとえば、各電極間に誘電物質の充填層を含む非熱プラズマ・システムに対し、上記誘電物質層は、処理されつつある空気中の湿度の変化、および、該層内の汚染物質の量および種類の変化の結果として変化し得る。これらの変化はまた、上記層のインピーダンスの相当の変化を生じ得る。上記層の導電率およびインピーダンスが変化するにつれ、非熱プラズマの発生および維持に必要な電力の量も変化する。
【０００９】
非熱プラズマ反応器に伴う別の公知の問題は、反応器内で形成され得る“ストリーマ(streamer)”により引き起こされる。ストリーマは本質的に自己伝播性の電子流であり、これを阻止しなければ、アークへと遷移し、且つ／又は、非熱プラズマを熱プラズマ状態へと遷移させ得る。これは、上記層および上記システムの性能に対して相当の悪影響を有し得る。アーク発生、または、熱プラズマ状態への遷移を回避するために、ストリーマは形成された直後に終結もしくは消滅せねばならない。この機能を達成するために従来の非熱プラズマ反応器は、比較的に複雑な外部のもしくは自己消滅式のメカニズムを含むことが必要とされる。
【発明の開示】
【００１０】
故に本発明の目的は、上述の各システムに見られる欠点の幾つかもしくは全てを克服する空気処理システムを提供するに在る。
【００１１】
発明の要約
本発明は、空気中汚染物質を実効的かつ効率的に除去して破壊する一方で酸化副生成物の放出を最小限とする方法および装置を提供する。本発明はまた、非熱プラズマ式空気処理システムと併せて使用される非熱プラズマ反応器の設計態様も提供する。更なる見地において本発明は、非熱プラズマ反応器に対する電源であって、バラスト回路(ballast circuit)からの電力を、非熱プラズマ反応器を包含する二次回路へと伝達する誘導結合を含む電源を提供する。
【００１２】
本発明の一実施例においては、複数の対向電極を備えると共に、上記各電極間において比較的に高い誘電率を有する材料の一個以上の充填層を備えた非熱プラズマ反応器が提供される。本発明の別実施例においては、複数の対向電極を備えると共に、上記各電極間に一個以上の材料充填層を備え、上記充填層は、吸収材料と、比較的に高い誘電率を有する材料とを更に備えるという非熱反応器が提供される。本発明の別実施例においては、複数の対向電極を備えると共に、上記各電極間に一個以上の材料充填層を備え、上記充填層は、吸収材料と、比較的に高い誘電率を有する材料と、オゾンの破壊もしくは毒性緩和を助力しまたは酸化反応を促進すべく使用される触媒とを更に備えるという非熱反応器が提供される。
【００１３】
代替実施例において、上記吸着材料は上記非熱プラズマ反応器から分離される。この実施例においては、上記吸着材の熱的脱離を行うべく加熱デバイスが配備され、且つ、上記反応器を通して空気を反復的に循環させるべくファンが配備される。上記別体的な加熱デバイスは、上記非熱プラズマ反応器よりも更に迅速な温度上昇時間および更に高い動作温度を提供し得る。故に別体的な上記ヒータは、脱離／再生段階に対して必要な時間を短くし得る。更に、上記吸着材料から上記非熱プラズマ反応器を分離することで、上記プラズマ反応器のサイズは減少され得る。上記吸着材料と本質的に同一サイズである非熱プラズマ反応器を含める代わりに、相当に小型の反応器が配備され得る。更に小型の反応器は、更に小型の電源を必要とし、且つ、動作の間における電力消費量が少ない。上記反応器のコストも減少され得る。
《Ｐ４》
別実施例において、上記電源と上記非熱プラズマ反応器との間の誘導結合は、バラスト回路と二次回路との間における所定度合いの分離を提供するエアギャップにより分離された一次コイルおよび二次コイルを含む。このエアギャップは、上記層におけるストリーマの形成を制限する電流制限機能を提供すべく選択され得る。
【００１４】
本発明の別実施例において、上記バラスト回路の一次コイルは共振タンク回路内に電気的に接続され、且つ、上記バラスト回路は上記一次コイルに印加された電流を監視する電流検知回路を含む。上記バラスト回路は、測定された電流の関数として、上記共振タンク回路に印加される信号の周波数を変更する。実施例において上記電流検知回路は、上記共振タンク回路に電気的に接続された少なくとも一個の一次コイルと、上記バラスト回路内に配置された二次コイルとを備えたトランスを含む。上記電流検知回路は、反応器の特性の範囲に亙り共振を探索すべく当該動的電源の周波数を変更し得る動的電源を提供する。上記バラスト回路は上記反応器の特性の変化にも関わらずに共振を提供すべく自己調整し得ることから、該回路によれば更に小型で更に効率的な電源が使用され得る。
【００１５】
別実施例において上記電源は、上記層の特性を監視する負荷検知回路であって、上記非熱プラズマ反応器に対して供給される電力を、監視された該特性に基づき調節する負荷検知回路も含む。一実施例において上記負荷検知回路は、上記層のインピーダンスを測定し、且つ、上記非熱プラズマ反応器に対して供給される電力を、測定された該インピーダンスに基づき調節する。これにより上記バラスト回路は、上記層の特性の変化、最も代表的には、該層内におけるプラズマの生成および維持に重要な影響を有し得る湿度の変化を調節し得る。
【００１６】
本発明のこれらのおよび他の目的、利点および特徴は、好適実施例の詳細な説明および図面を参照すれば容易に理解して評価されよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図示実施例の詳細な説明
図１は、本発明の一実施例を示している。空気処理システム10は、ハウジング11と、対向する２つの電極24および26間に配置された吸着材料層22を備える非熱プラズマ反応器20とを備える。オプションとして、空気処理システム10は、ファン12、一群の取入口翼板16、一群の吐出口翼板18、前置フィルタ14およびHEPAフィルタ29を備える。
【００１８】
空気処理システム10の代表的な動作サイクルは、吸着段階および脱離／再生段階という２つの動作段階を備える。吸着段階の間において翼板群16および18は開成され且つファン12は起動され、空気は最初に開成翼板群16を通り、次に前置フィルタ14を通り非熱プラズマ反応器20内へと移動される。当業者であれば、ファン12は、ブロワ、または、業界公知の他の空気移動機構により容易に置き換えられ得ることを理解し得よう。電力は、電力と公知のパワースイッチングシステムを用いるファン12ならびに翼板群16および18に対して供給される。空気中汚染物質は、充填層22内の吸着材料により捕捉される。最後に、空気はHEPAフィルタ29を通り、翼板群18を通りシステム10外へ移動する。当業者であれば、上記で特定された各構成要素は空気処理システム10内で再配置し得ることを理解し得よう。たとえばHEPAフィルタ29は、ファン12と反応器20との間に載置し得る。
【００１９】
吸着段階の完了時に、空気処理システム10は脱離／再生段階に入る。この動作段階の間において翼板群16および18は閉成され且つファン12は作動停止されることで、空気処理システム10の内部は周囲環境から効率的に遮断され得る。次に電極24および26が励起され、非熱プラズマが生成される。この非熱プラズマは、吸着材料充填層22内のエアギャップ内に捕捉された汚染物質を酸化もしくは毒性緩和する。これらの汚染物質が酸化または毒性緩和されるにつれ、汚染物質は上記吸着材層から脱離される。これらの汚染物質もまた、非熱プラズマにより酸化もしくは毒性緩和される。上記非熱プラズマは上記吸着材層の温度を上昇させ、汚染物質の脱離を更に促進する。脱離／再生段階の間において空気処理システム10は周囲環境から遮断されることから、この段階の間に生成された酸化副生成物の殆どは、空気処理システム10内で捕捉されて非熱プラズマにより毒性緩和される。吸着材層は更に、オゾンの破壊もしくは毒性緩和を促進する触媒を含み得る。ファン12は脱離／再生段階の間に作動されることで、空気処理システム10および反応器20内の空気を循環させる。
《Ｐ７》
図１８には、代替的な空気処理システム10'の概略が示される。システム10'は概略的に、ハウジング11'、非熱プラズマ反応器20'、吸着材料22'、熱源23'およびファン12'を含む。システム10'はまた、脱離／再生段階の間において該システム10'の内部を環境から選択的に遮断する構造、および、脱離／再生段階の間において該システムに空気を再循環させる空気再循環システム21'も含む。図示実施例においてこの構造は、システム10'の取入口および吐出口を開閉すべく枢動され得る翼板群16'および18'を含む。翼板群16'および18'は、摺動もしくは枢動ドアなどの他の同様の機能構造により置き換えられ得る。更なる代替例は隣り合う一対の有孔プレートを含み得るものであり、その場合に２枚のプレートの少なくとも一方は該２枚のプレートの各孔を選択的に整列および整列解除すべく移動可能とされる。このシステム10'は選択的に、HEPAフィルタ29'、および／または、他の従来の空気処理構成要素を含み得る。
【００２０】
このシステム10'において吸着材料22'は、非熱プラズマ反応器20'から分離されている。吸着材料22'は、反応器20'の上流(図１８を参照)もしくは下流(不図示)に配置され得る。図示実施例において吸着材料22'は、概略的に従来の様式で汚染物質を吸着する概略的に従来の活性炭素繊維織物である。該繊維織物には、大きな表面積を提供すべくひだをつけることができる。上記炭素繊維織物は、(不図示の)活性炭の充填層または(不図示の)加圧成形された活性炭フィルタなどの他の吸着材料により置き換えられ得る。非熱プラズマ反応器20'は上記吸着材料から分離されることから、システム10'は、脱離／再生段階の間において炭素繊維織物22'の熱的脱離を引き起こす熱を選択的に生成する熱源23'を含む。該熱源23'は、図１８に概略的に示された赤外線加熱ランプ23'などの従来の加熱ランプのアレイであって良い。代替的に上記熱源は、繊維織物22'に沿いもしくはそれを貫通して延在する(不図示の)熱生成ワイヤ、(不図示の)蒸気生成器、(不図示の)電気もしくはガス・ヒータ、または、他の従来の熱源とされ得る。更なる代替策として上記熱源は単に、繊維織物22'に対して電流を印加する電気回路を含み得る。
【００２１】
空気再循環システム21'は概略的に、再循環ファン35'と、脱離／再生段階の間においてシステム10'内で空気を循環させる空気戻りライン31'と、吸着段階の間において空気戻りライン31'を遮断する翼板群19'とを含む。図示実施例においてファン35'はファン12'から分離されている。代替的に、たとえば吸着段階の間にシステム10'を貫通して空気を移動させ且つ脱離／再生段階の間にはシステム10'内で空気を循環させるという両機能を実施する単一のファンを配備し得る。空気戻りライン31'は、非熱プラズマ反応器20'の下流の箇所から、吸着材料22'の上流の箇所に至る流路を提供する。図示実施例において空気戻りライン31'は、翼板群18'の直上流の箇所から、翼板群16'の直下流の箇所に至る流路を提供する。空気戻りライン31'の構成により、空気は空気処理用の全ての内部構成要素を通過して再循環される。但しこれは必須ではなく、空気戻りライン31'の構成は、再循環流路から前置フィルタ14'およびHEPAフィルタ29'などの一定の構成要素を省略すべく変更され得る。翼板群19'は、翼板群16'および18'に関して上述された如く従来の様式にて作用する。翼板群19'は、空気戻りライン31'を開閉する他の構造により置き換えられ得る。
《Ｐ８》
空気処理システム10と同様に、空気処理システム10'は２段階サイクルで動作する。吸着段階の間、翼板群16'および18'は開成され且つファン12'は励起され、空気は環境からシステム10'を通して移動される。この段階の間、翼板群19'は閉成されて空気戻りライン31'は遮断され且つファン35'は給電停止される。これにより、システム10内での空気の再循環が阻止される。空気は、前置フィルタ14'、HEPAフィルタ29'および炭素繊維織物吸着材22'における種々の処理レベルを通過する。適切な時点にて、システム10'は吸着段階から脱離／再生段階へと切換わる。
【００２２】
脱離／再生段階の間において翼板群16'および18'は閉成され、システム10'の内部を環境から遮断する。同様に、翼板群19'は開成されてファン35'は励起されて空気を空気戻りライン31'を通して移動させることで、システム10'内における再循環空気流が確立される。付加的に、熱源23'および非熱プラズマ反応器20'が起動される。熱源23'は、炭素繊維織物22'から汚染物質を熱的に脱離させる熱を生成する。ファン35'は、前置フィルタ14'、HEPAフィルタ29'を、次に炭素繊維織物22'を通して空気を移動させる。空気は炭素繊維織物22'を通過するにつれ、脱離した汚染物質を引き離す。移動する空気は次に、反応器20'により生成されたプラズマを通過し、汚染物質が破壊される。最後に、ファン35'は空気戻りライン31'を介して空気を上記空気処理システムの最初の部分に戻すべく移動させ、前置フィルタ14'、HEPAフィルタ29'、炭素繊維織物22'および非熱プラズマ反応器20を通して空気を再循環させる。この様にして空気は、炭素繊維織物22'から脱離した汚染物質をプラズマ反応器20'まで移動し、そこで汚染物質は破壊される。空気はシステム10'を連続的に循環することから、単一通過では破壊されない汚染物質はシステム10'を再循環し、プラズマ反応器20'に戻る。脱離／再生段階のタイミングに依り、汚染物質は反応器20'を多数回通過し得る。脱離／再生段階のタイミングは、脱離／再生の所望レベルを提供するに必要な時間量を事前設定してからそのタイミングを制御器内にプログラムすることで制御され得る。代替的にシステム10'は、該システム10'を通過して移動する空気内の汚染物質のレベルを連続的に監視する(不図示の)従来のセンサを含み得る。(不図示の)上記センサにより提供された情報は、たとえば、空気出力中の汚染物質レベルが所定閾値を超えたときに脱離／再生段階をトリガし、且つ、たとえば循環空気中の汚染物質レベルが所定閾値よりも低下したときにその段階が完了したことを決定すべく使用され得る。
《Ｐ９》
反応器
吸着材
図２に示された如く図示実施例の上記反応器は、中間に吸着材料層を有する対向電極24および26を備える。図示実施例の吸着材は、比較的に大きな表面積／体積比を提供すべく設計され、且つ、疎水性ゼオライト、および、特定の誘電値を有する材料から成る。ゼオライトは、所定の孔構造を備えた微孔質結晶性固体である天然物および合成化合物である。最も一般的なゼオライトは、有機化合物が吸着され得る空隙を備えた３次元構造を形成するケイ素、アルミニウムおよび酸素の各原子から成る。但し、上記構造内には他の多数の元素が取入れられ得る。アルミニウムに対するケイ素の比率を異なるものとし且つ他の要素を包含すると、空隙の形状および寸法を決定するゼオライト中の結合力が変化する。アルミニウムの量との関係においてケイ素の量が増加すると、ゼオライトは更に疎水性となる傾向がある。これらのゼオライトは湿度が高まるにつれて水蒸気の吸着が少なくなり、VOCに対する更に良好な吸着材である。
【００２３】
誘電物質は、電流に関しては不十分な導体であるが静電界の効率的な保持体である。概略的に、金属酸化物は高い誘電値を有する。高い誘電値を有する材料の例は、チタン酸バリウムである。本発明の吸着材層は、ゼオライト、および、チタン酸バリウムなどの高い誘電値を有する材料などの吸着材を包含する。本発明の一実施例において、チタン酸バリウム粉末はベーマイト・アルミナなどの結合剤と混合され、水中に分散され、且つ、押出し成形されたゼオライト・ペレット上へと噴射される。これにより、乾燥後において、高誘電物質により被覆された吸着材ペレットが形成される。本発明の別実施例において吸着材は、高誘電値の材料と配合されたゼオライトであって、小寸のビーズ、球体、押出しペレット、粉末へと押出し成形され且つ種々の粒子サイズへと粉砕もしくは破砕されたゼオライトから成る。高誘電値の材料をゼオライトに対して付着させる適切な結合剤としては、ケイ酸ナトリウム、アルミニウム、コロイド・アルミナ、およびコロイド状シリカが挙げられる。
《Ｐ１０》
本発明の別実施例において活性炭などの吸着材は、適切な形態へと押出し成形されてから、チタン酸バリウムなどの高誘電値を有する材料により被覆され得る。上記被覆は、炭素細粒を絶縁材料により被覆するに十分であり、上記層を貫通するアーク発生を阻止せねばならない。活性炭はゼオライトよりも高い吸着容量の利点を有するが、性能は完全に湿度に依存し得る。
【００２４】
図３は、３個の電極32、34および36の間に挟持された２つの吸着材料層38および39を備えた多層式反応器を示している。上記各電極は、中央電極34が２つの外側電極32および36と対向する如く構成される。この構成において、反応器を通り流れる空気は上記各電極に直交する方向に流れる。当業者であれば、上記反応器は対向電極間に配置された複数の吸着材層により構成され得ることを容易に理解し得よう。
【００２５】
図４は、対向する電極42、43、44および45間に挟持された３つの吸着材料層46、47および48を備えた多層式反応器を示している。この構成において空気は、電極42、43、44および45に平行な方向において上記反応器を通り流れる。当業者であれば、上記反応器は対向電極間に配置された複数の吸着材層により構成され得ることを容易に理解し得よう。
【００２６】
図５は、円筒の中心に載置された第1電極52と、当該円筒の外側面を画成する第2電極54とを備え、中心と外側面との間の体積は上述された如き吸着材料56により少なくとも部分的に充填されるという円筒状反応器を示している。
【００２７】
上述された如き吸着材により空気透過性物質を被覆することで、代替的な反応器設計態様が提供される。適切な構造によれば、空気の通過が許容されると共に、当該媒体を通る空気の経路によれば空気は依然として吸着材と接触される。可能的な空気透過性物質の形態としては以下のものが挙げられる：
・セラミクス、無機繊維、金属もしくはプラスチックで作成されたハニカム一体構造；
・繊維質材料；
・網状発泡体；
・金属メッシュもしくはエキスパンドメタル；
・波形材料から作成された一体構造。
【００２８】
当業者であれば、他の構造が使用され得ることは明らかであろう。
《Ｐ１１》
代替的な空気処理システム10'において吸着材料22'は反応器20'から分離される。故に反応器20'は、吸着材料を含む必要はない。図示実施例において反応器20'は、吸着段階の間において空気の流路に沿って吸着材料22'の下流に配設される。反応器20'は代替的に、脱離／再生段階の間に空気の流路に沿って本質的に任意の箇所に配設し得る。図１９を参照するとシステム10'の反応器20'は概略的に、スペーサ25'の両側に夫々配設された一対の対向電極24'および26'を含む。図示実施例において電極24'および26'は従来のステンレス鋼メッシュから製造される。該メッシュのピッチは主として、任意の誘電物質もしくは触媒が反応器20'から溢れるのを阻止すべく選択される。反応器20'は代替的に、本質的に任意の従来構成の電極を含み得る。この実施例のスペーサ25'は、たとえば図１９に示された如く矩形フレームであるセラミクス周縁フレームである。スペーサ25'は、反応器20'の内部37'に対するアクセスを許容する着脱可能プラグ27'を含み得る。この実施例においてプラグ27'は着脱可能とされることで、反応器20'の内部37'内に誘電物質33'および／または触媒が充填されるのを許容する。上記誘電物質はプラズマの作用を改善すると共に、多様な従来の誘電物質の内の任意のものを含み得る。この実施例において誘電物質33'は複数のアルミニウム・ビーズを含むことで、多くの用途に対してコストと誘電率との間の合理的なバランスを提供する。上記ビーズは典型的には電極24'および26'における開孔よりも大径とされることで、該ビーズは反応器20'内に捕捉される。誘電ビーズ33'は、プラグ27'を取り外すことで反応器20'内に注入される。誘電ビーズ33'が充填された後、プラグ27'が戻されることで誘電ビーズ33'を囲繞する。プラグ27'は、接着剤もしくは機械的締着構造によりスペーサ25'に固定し得る。たとえばプラグ27'は、スペーサ25'内に摩擦的に嵌合し得るか、または、該プラグ27'が所定位置に弾性嵌合されるのを許容する(不図示の)留め金を含み得るか、または、(不図示の)ネジもしくは他の留め具により固定し得る。代替的に、たとえばスペーサ25'に対して最後の電極24'もしくは26'を取付ける前に、反応器20'の組立ての間においてプラグ27'が取り外されて誘電物質を付加し得る。以下において更に詳細に記述される如く、反応器20'は汚染物質の分解を促進するひとつ以上の触媒も含み得る。上記誘電物質と共に内部37'に対しては別体の触媒を付加し得るか、または、所望の触媒特性を有する誘電物質を選択し得る。反応器20'は矩形ボックスとして示されるが、電極24'、26'およびスペーサ25'を含め反応器20'のサイズ、形状および形態は所望に応じて用途毎に変更し得る。たとえば、電極24'、26'およびスペーサ25'を含めて反応器20'のサイズおよび形状は、対応する空気処理システムのハウジングのサイズ制約に対処すべく変更し得る。
《Ｐ１２》
触媒
触媒は、非熱プラズマにおける有機汚染物質の分解の速度を高め得る。上記非熱プラズマ内にはオゾンが形成されることから、上記反応器においてはオゾンの分解を助力する触媒が有用である。故にこの種類の製品において使用される吸着材は、触媒の付加を含み得る。可能的な触媒は、白金およびパラジウムなどの貴金属、酸化スズ、酸化タングステン、酸化マンガン、酸化銅、酸化鉄、酸化セリウム、酸化バナジウム、または、それらの混合物が挙げられる。当業者であれば、他の触媒を使用し得ることは明らかであろう。
【００２９】
上記吸着材に対して触媒を付加することの代替策は、上記反応器内において、網状発泡体、または、大表面積を有する他の物質などの別体の媒体上に触媒を含ませることである。
【００３０】
オゾンの分解に対しては活性炭も非常に有効であるが、活性炭は触媒ではなく反応物質である。活性炭は、活性炭素繊維織物の形態、大きな表面積を有する媒体上に支持された小寸粒子の形態、または、大寸粒子の充填層の形態で使用され得る。
【００３１】
空気処理システム10'においては、汚染物質の分解を改善するために触媒を付加し得る。上記触媒は、吸着材料22'上、プラズマ反応器20'内、または、空気再循環流路に沿う他の箇所に配設し得る。図１８および図１９に示された実施例においては、プラズマ反応器20'に対して(不図示の)触媒が付加される。より詳細には該触媒は、誘電ビーズ33'の表面上に被覆される。触媒により被覆された誘電ビーズ33'は、反応器20'の内部37'に配設される。上記ビーズは、チタン酸バリウム、二酸化チタン、二酸化マンガン、または、他の金属酸化物などの他の触媒により被覆されることで、オゾンおよび他の汚染物質に対する優れた分解速度を提供し得る。
【００３２】
電極の設計態様
本発明の電極は、上記電極の表面を離脱する多数のストリーマ、または、多数の高エネルギ電子群を生成すべく設計される。本発明の一実施例において上記反応器は誘電体バリア放電反応器として設計され、その場合に少なくともひとつの電極は誘電物質により被覆され、または、各電極間に誘電物質が在る。上記各電極に対しては、高電圧ACまたはパルス化電力が印加される。上記誘電物質の表面上には電荷が蓄積し、該電荷は空気中に放電される。上記表面上の電荷は、放電の箇所において再充電するために所定の時間を要する。この種類の誘電体バリアシステムは、２つの電極間にアーク・ストライクが発生しにくいという点に利点を有する。誘電体バリア放電の不都合は、所定量の空気を処理するために更なる電力を要することである。
《Ｐ１３》
本発明の別実施例において上記反応器は、剥き出しの電極を使用し、誘電体バリアを含まない。この種類の設計態様は更に効率的であるが、アークが生成されないことを確実とすべく制御が必要である。当業者であれば、他の反応器設計態様を使用し得ることは明らかであろう。
【００３３】
図６は、金属メッシュ、エキスパンドメタルもしくはパンチ・メタルから作成された２つの電極62および64を利用する反応器60の一実施例を示している。この設計態様によれば空気は、各電極を貫通し得る。上記各電極間のスペース内には、吸着材66を包含する非導電性の多孔性物質が在る。通常動作において、空気は上記反応器を通過して汚染物質が吸着される。この設計態様は、各電極間の多孔質媒体の設計態様と、各電極が誘電物質により被覆されるか否かとに依存し、誘電体バリア放電またはコロナ放電と見做され得る。
【００３４】
図７は、非電導性多孔質媒体76が吸着材料を包含し空気流の中で２つの電極72および74の後に載置されることを除き、図６に示された反応器と同様の反応器70の実施例を示している。この設計態様において空気は電極72および74を通過して流れ、高エネルギの電子が生成され、且つ、イオン化された空気分子は多孔質媒体76を通過する。空気中のフリー・ラジカルは、多孔質媒体76内に保持された吸着材上に捕捉された汚染物質を脱離させて酸化する。この設計態様は、各電極の設計態様に依存して誘電体バリア放電またはコロナ放電とされ得る。脱離／再生モードの間にこの設計態様は、多孔質媒体76内へとフリー・ラジカルを移動させるために一定の空気移動を必要とする。
【００３５】
図８は、各電極の一方として多孔質媒体84を利用する別の反応器実施例80を示している。放電は、導電性メッシュ電極82と、導電性の多孔質媒体84の内の最も近い表面との間で生ずる。この反応器は図７に示された反応器と同様に機能する、と言うのも、イオンおよびフリー・ラジカルが生成されて上記多孔質媒体を通過するからである。この反応器は、上記導電性メッシュ電極の設計態様に依存して誘電体バリア放電またはコロナ放電として設計され得る。
【００３６】
図９は、吸着材96により被覆されると共に交互的な極性を有する平行なプレート95を利用する反応器設計態様90を示している。吸着材被覆96の組成は、この反応器設計態様がコロナ放電であるか誘電体バリア放電であるかを決定し得る。
《Ｐ１４》
図１０は、プレート102の全てが同一の極性を有すること以外、図９に示された反応器と同様の反応器設計態様100を示している。他方の極性104を有する電極は、上記プレート間のワイヤもしくはロッドから成る。該電極はまた、吸着材106により被覆された上記プレート間のプレートもしくはメッシュともし得る。もし吸着材被覆106が誘電体バリアとして作用し得るなら、上記反応器をそのような設計態様とすることができる。この種類の反応器は、吸着材被覆に依存してコロナ放電としても操作され得る。
【００３７】
図１１には、更なる電極設計態様が示される。図中に示されたような実線に沿ってまたは同様のパターンでシートメタルが打ち抜かれ、該メタルに対して多数の三角形が切り込まれる。三角形の各辺は鋸歯形式の刃により打ち抜かれ、所定箇所の個数が増加される。上記三角形態は次に点線上で90°折畳まれ、高エネルギ電子が空気中へと通過するのを助力する複数の箇所を有し得る孔性電極が形成される。これらの図は電極の一部のみを示すことが意図されている、と言うのも、理想的な電極は自身上に多数の所定箇所を有するからである。
【００３８】
上述の如く図１９は、空気処理システム10'の反応器20'を示している。図示実施例において反応器20'は概略的に、一対のメッシュ電極24'および26'を含む。上記電極は、腐食に抗して比較的に長い寿命を提供するために、ステンレス鋼で製造し得る。電極24'および26'間には誘電物質および／または分解用触媒を付加し得るが、反応器20'の作用に対して厳密に必要ではない。
【００３９】
電源
上記層の変化する特性に直面しても効率的で適切な動作を提供するために、本発明は記述された実施例において、非熱プラズマ反応器の動作パラメータの変化に対して順応する動的電源(dynamic power supply)を含み得る。該電源は好適には、誘導結合により相互に結合された一次回路および二次回路を含む。第1の見地において上記電源は負荷に対して整合して共振を維持すべく電力出力を調節する能力を有するが、これは以下において更に詳細に記述される。これにより、更に小寸で更に効率的な電源が許容される。従来の電源によると、電源は一定の予め選択された特性における負荷に整合すべく調節される。結果として、該電源が調節された上記予め選択された特性に対して負荷が整合しないときには、効率(および可能的には適切な動作)が阻害される。予め調節された電源を使用し得るが、以下に記述される電源の如き動的電源は顕著な利点を提供する。この設計態様は、予め定められた周波数の範囲に亙り且つシステムを自動的に共振周波数に維持すべく使用し得る。付加的な利点として、上記誘導結合は好適には、当該エアギャップに亙る電流を制限することで非熱プラズマ反応器内における熱的ストリーマの形成を制限すべく設計し得るエアギャップを含む。熱的ストリーマが形成されたとしても、電流はスパイクを開始して直ちに制限される。ストリーマとして公知の過渡的放電は、電子付着が支配的となる点まで電界が減少されたときに、停止し得る。これは、ストリーマもしくは過渡的放電から熱的ストリーマへの転換と認められる。熱的ストリーマを維持すべく使用される電流は相当に大きく、且つ、炭化を引き起こすことで上記層に悪影響を有し得る。低コストのシステムに対しては、ストリーマ電位の実効的かつ効率的な制御を維持し乍ら種々の動作条件下で上記反応器を通る熱的ストリーマを制限することが非常に重要となる。反応器が変動するときの電位を制限し且つ種々の動作条件に対して共振を調節するシステムを実現すれば、動態の制御が更に容易になり且つ小型で低コストのシステムに対して有用である。上記電力制限機能はまた、共振中央(resonant center)の効率と、負荷と比較して供給がどれだけ中央から離間しているかとによっても影響される。負荷は、駆動方法に依存して直列もしくは並列にて、負荷側において適切なインピーダンスに対して設計し且つ整合コンデンサを選択することで、最適な周波数および動作点に対して予め整合し得る。上記電源は、高電圧コンデンサを充電するACを生成すべく使用し得る。それは、ACコンデンサを充電し、且つ、高電圧DCに重畳されたAC信号を制御すべく使用し得る。この電源は、AC電源として使用し得る。駆動の周波数は、上記層の設計態様と、予測される動作範囲に亙り共振を補正する能力とに依存する。
《Ｐ１５》
実施例において上記電源はまた、上記非熱プラズマ反応器に対して供給される電力を、上記吸着材層のインピーダンスもしくは上記反応器のインピーダンスなどの動作特性に基づいて調節する制御システムも含む。たとえば上記反応器インピーダンスは、上記層を高電圧パルスに委ね乍ら電力消費量を監視することで決定され得る。更に高い湿度を有する層は更なる電力を消費すると共に、更に低い湿度を有する層とは異なる周波数にて動作する。上記反応器インピーダンスは低い電位により測定され得るが、高電圧パルスによれば負荷の更に完全な分析が許容される。この付加された電力は熱に変わり、引き続き湿気を排除すべく使用される。湿気および空気は協働して気体を生成する。空気中にO2およびH2Oが存在すると、上記反応器層の回りにおける空気もしくは気体は電気陰性とされる。上記層により吸収された湿気を排除する上記熱は特に、この効果を増進する。本実施例の制御シーケンスは、上記層を試験し、且つ、該層を損傷しない安全範囲にて湿気を排除する電力レベルにて始動すべく設計される。上記電力は、上記電源に対して電流帰還トランスを使用することで容易に監視され得る。また、先に論じられた自己探索的共振用電源(self seeking resonant supply)の動作範囲は、反応器インピーダンスの範囲をカバーすべく設計され得ることも言及せねばならない。電力はまた、上記層の乾燥プロセスを制限するためにも選択され得る。電圧は、この実施例において制御を行う上で最も容易なパラメータであり得る。印加される電圧は、上記反応器内の湿度に反比例する曲線に沿い変更される。すなわち、湿度が低いほど非熱プラズマを生成するために更なる高電圧が必要とされ、且つ、湿度が更に高い状況では非熱プラズマは確立されずに、層が再生されるまで湿気を排除するに十分な熱が生成され得る。上記設計態様によれば共振が許容される一方、層インピーダンスが監視され且つ湿気が排除されて最適な非熱プラズマが達成され得る。
《Ｐ１６》
上述の電源制御方法は、幾つかの形式の非熱プラズマおよび駆動技術に対して適用可能である。以下の段落は、これらの制御方法と共に使用され得る駆動およびスイッチング方法の幾つかに対するものである。
【００４０】
Ａ．パルス化AC
記述されたAC電源は、パルス制御において非常に効率的となる。周波数およびパルス制御もしくは立ち上がり時間は、層インピーダンスにより制御し得る。更に高速の立ち上がり時間を達成するために、上記層の設計態様は更に高い共振周波数を許容すべく調節される。これは、層のキャパシタンスおよび抵抗を変更することで達成される。共振に対する調節は、複数の層を使用し、または、直列の層もしくは並列の層もしくは任意の組み合わせを使用し、選択された材料の物理的性質内で周波数が選択されるのを許容すべく実施される。層の厚みは、たとえば直列とされた２台もしくは２０台の異なる個数の層を必要とし得る。層を更に薄寸もしくは厚寸とすることで、キャパシタンスおよび抵抗の制御を助力し得る。電極面積の平方インチを制御すると、抵抗およびキャパシタンスも制御される。これらの特性の組み合わせは主として、特定の駆動条件および層条件において層の共振周波数を決定するものである。
【００４１】
Ｂ．パルス化DC
この設計態様においてAC自己共振電源は、整流されて高電圧コンデンサを充電する。同一の制御方法論が使用されるが、スイッチングもまた層の共振に対して制御される。これは機能のためには必要でながい、上記システムの効率を改善し得る。またDCを生成すべく同一形式の自己共振電源が使用され、その場合にDCは共振周波数にて切換えられる。
《Ｐ１７》
Ｃ．パルス化ACによるDC
ACリプルを有するDCは相乗的結果を非常に助長する。DCはDCコロナを提供すると推測される一方、ACもまたACコロナ放電を許容する。DC放電を生成する点におけるDC電圧レベルと、このDC電圧に付加されるストリーマを生成するAC放電とによれば、両方の放電が生成される。このことは、同一結果を得る上でACは更に短い立ち上がり時間を有し得ることを意味する、と言うのも、電位はすでにDCレベルであり且つストリーマを生成する点まで増大されることのみが必要だからである。
【００４２】
次に、図１２乃至図１７を参照して上記電源の実施例が詳細に記述される。図１および図１２を参照すると、誘導的に結合されたバラスト回路140は、高周波にて作動する自己発振的な半ブリッジ・スイッチング設計態様(half-bridge switching design)である。誘導結合されたバラスト回路140は、共振が達成されたならば自己発振し、スィッチング素子としてMOSFETトランジスタを使用し、且つ、非熱プラズマ反応器アセンブリ20の設計態様を簡素化する空心トランス(air-core transformer)の結合配置に適応すべく設計される。非熱プラズマ反応器アセンブリ20は、誘導結合されたバラスト回路140により生成される空心トランスの結合配置の故に、容易に交換され得る。
【００４３】
図１３に示された如く、記述された実施例にて誘導結合されたバラスト回路140は概略的に、制御ユニット102、制御回路142、発振器144、駆動器146、半ブリッジ・スイッチング回路148、直列共振タンク回路150を含む。非熱プラズマ反応器アセンブリ14は概略的に、二次コイル52、二次回路152および非熱プラズマ反応器20(図１参照)を含む。発振器144は、制御回路142に対して電気信号を提供することで発振器144を励起する制御回路142に対して電気的に接続される。動作の間、発振器144は駆動器146に対して電気信号を提供して該駆動器を操作し、次に該駆動器は半ブリッジ・スイッチング回路148を励起する。半ブリッジ・スイッチング回路148は直列共振タンク回路150を励起し、該タンク回路は非熱プラズマ反応器20を誘導的に励起する。
【００４４】
上述の如く且つ図１３に更に示された如く、非熱プラズマ反応器アセンブリ14は二次コイル52、共振二次回路152および非熱プラズマ反応器20を含む一方、電子的アセンブリ44は制御回路142、発振器144、駆動器146、半ブリッジ・スイッチング回路148および直列共振タンク回路150を収容する。先に示された如く、直列共振タンク回路150が励起されたなら、非熱プラズマ反応器アセンブリ14における二次コイル52は誘導的に励起されるが、これは図１３において共振タンク回路150と二次コイル52との間のラインにより示される。上記バラスト回路が作動する周波数の範囲は、予見される層の特性範囲に基づいて変更され得る。当業者には公知の如く、共振周波数は、直列共振タンク回路150と非熱プラズマ反応器アセンブリ14とにおける構成要素選択の関数として選択された任意の所望の周波数とされ得る。
《Ｐ１８》
図１４を参照すると、制御回路142は制御ユニット102および発振器144に対して電気的に接続される。制御回路142は、複数の抵抗156、158、160、162、164、166、複数のコンデンサ168、170、172、ダイオード174、第1演算増幅器176および第2演算増幅器178を含む。図示された如く抵抗156は、第1直流(“DC”)電源180と、制御ユニット102の出力と、抵抗158とに対して接続される。抵抗158は更に、ダイオード174、抵抗160およびコンデンサ168に接続される。第1DC電源180は、これもまたダイオード174に接続されたコンデンサ168に接続される。当業者であれば理解される如く、ダイオード174は更にアース接続182に接続される。抵抗160は、演算増幅器176の負入力と演算増幅器178の正入力とに接続されることで、制御ユニット102から演算増幅器176、178までの電流経路を完成する。
【００４５】
図１４に示された制御回路142を再び参照すると、抵抗162は第2DC電源184に接続されると共に抵抗164および166に対して直列に接続される。抵抗166はアース接続182およびコンデンサ170に接続され、該コンデンサは第1DC電源180および抵抗164に接続される。演算増幅器176の正入力は抵抗162および164の間に電気的に接続されることで、動作の間において演算増幅器176に対するDC基準電圧を提供する。演算増幅器178の負入力は抵抗164および166の間に電気的に接続されることで、動作の間において演算増幅器178に対するDC基準電圧を提供する。演算増幅器176および178の出力は、以下において詳細に示される如く発振器144に接続される。
【００４６】
動作の間において制御回路142は、制御ユニット102から電気信号を受信し、制御ユニット102により生成される入力電圧が一定の電圧ウィンドウ内に在るときにのみスイッチングを行うウィンドウ比較器として作用する。制御ユニット102からの好適な信号はAC信号であり、これはそのデューティ・サイクルと協働して、以下に示される如く誘導結合されたバラスト回路140の他の構成要素を通して制御ユニット102が非熱プラズマ反応器20の作動を開始および停止するのを許容する。制御回路142はまた、不正確なトリガ実施を阻止すると共に、制御ユニット102が不首尾であれば積極的制御(positive control)を許容する。
《Ｐ１９》
図１４に示された如く、第1DC電源180および第2DC電源184は、図１４に示された回路に対して電力を提供する。電子機器に関する当業者であればDC電源回路は業界公知であり且つ本発明の有効範囲外であることを理解し得よう。本発明の目的に対しては、斯かる回路が存在し且つ所定のACまたはDC電源から種々のDC電圧値を生成すべく設計され得ることを銘記することが重要である。当業者であれば、図５に開示された回路は所望に応じて種々のDC電圧レベルで作用すべく設計され得ると共に、本発明は何らかの特定のDC電圧レベルに限定されるべきでないことを理解し得よう。
【００４７】
図１４に示された実施例において、制御回路142の出力はインターロック回路190に対して接続されることから、もし空気処理システム10が適切に組立てられなければ非熱プラズマ反応器60の励起が防止される。インターロック回路190は、磁気的インターロック・センサ192、複数の抵抗193、194、196、198、200、202、204、トランジスタ206およびダイオード208を含む。磁気的インターロック・センサ192は、空気処理システム10に対する囲い板もしくはカバーが確実に位置決めされなければ空気処理システム10は非熱プラズマ反応器20を励起しない様に位置される。当業者であれば、磁気的インターロック・センサ192は空気処理システム10の任意の好都合な箇所に載置され得ることを理解し得よう。
【００４８】
図１４を参照すると、上記に示された如く空気処理システム10が適切に組立てられていないことを磁気的インターロック・センサ192が検出したならば、磁気的インターロック回路190は制御回路142の出力をトランジスタ206を介してアース接続182に導向すべく作用する。当業者であれば、もし空気処理システム10が適切に組立てられなければ磁気的インターロック・センサ192の出力は抵抗194、196および198を流れる電流によりトランジスタ206のゲートを励起し、故に該トランジスタは制御回路142の出力信号をアース接続182へと短絡させることを理解し得よう。磁気的インターロック・センサ192は、抵抗193を介して第2DC電源184により給電され、且つ、アース接続182に対しても接続される。これに加えて磁気的インターロック・センサ192は、抵抗200、202および204、ダイオード208、第1DC電源180および第2DC電源184の組み合わせを介して制御ユニット102に対して信号を送信する。この信号によれば制御ユニット102もまた、空気処理システム10が適切に組立てられていない状況を判定し得る。そのためにインターロック回路190は、もし空気処理システム10が適切に組立てられなければ非熱プラズマ反応器20が励起されないことを確実とする２つの方法を提供する。上記磁気的インターロックは、本発明の作用に対して必須ではない。
《Ｐ２０》
図１４を再度参照すると発振器144は、空気処理システム10が作動している間に駆動器146を励起する電気信号を提供する。発振器144は、上記にて示された如く制御ユニット102から制御回路142を介して電気信号が送信されたなら直ちに動作し始める。容易に明らかである如く発振器144は、該発振器144を起動かつ起動解除し得る他の任意の機構によっても制御され得る。図示された発振器144は、演算増幅器210、線形バイアス抵抗212、バッファ回路214、バッファ帰還保護回路216および正帰還回路218を備える。動作の間に演算増幅器210は、制御回路142、線形バイアス抵抗212および正帰還回路218からの入力信号を受信する。演算増幅器210はまた、該演算増幅器210を励起する第2DC電源184およびアース接続182に対しても接続される。
【００４９】
図１４に示された如く、図示されたバッファ回路214は、第1トランジスタ220、第2トランジスタ222および一対の抵抗224、226を備える。演算増幅器210の出力はトランジスタ220、222のゲートに接続されることで、該トランジスタ220、222の動作を制御する。第2DC電源184は、トランジスタ220のコレクタにも接続された抵抗224に対して接続される。トランジスタ220のエミッタは、抵抗226、トランジスタ222のエミッタ、および、駆動器146の入力に対して接続される。トランジスタ222のコレクタは、アース接続182に接続される。動作の間においてバッファ回路214は演算増幅器210からの出力信号をバッファし、負荷変動が発振の周波数を引張るのを防止する。これに加え、バッファ回路214は誘導結合されたバラスト回路140の実効利得を増大することから、発振器144の迅速な始動を確実にすることが助力される。
【００５０】
バッファ帰還保護回路216は、バッファ回路214の出力に対して抵抗226により電気的に接続された一対のダイオード228、230を備える。図５に示された如く、第2DC電源184はダイオード228のカソードに接続される。ダイオード228のアノードおよびダイオード220のカソードは、抵抗226および線形バイアス抵抗212に接続される。線形バイアス抵抗212は、演算増幅器210の負入力に対してバイアス帰還信号を提供する。これに加え、ダイオード230のアノードはアース接続182に接続され、バッファ帰還保護回路216が完成される。バッファ帰還回路216は、反応器20の動作の間においてバッファ回路214を、ドレーンからゲートへのミラー効果帰還(Miller-effect feedback)から保護する。
【００５１】
図１４に示された如く電流検知回路もしくは正帰還回路218は、第1多巻線トランス232、複数の抵抗234、236、238、一対のダイオード240、242およびコンデンサ244を含む。トランス232は好適には、図５に示された如く半ブリッジ・スイッチング回路148の出力と直列共振タンク回路150の入力との間に並列接続された２つの一次コイルを含む。トランス232は好適には、該トランスの一次側の総リアクタンスを減少すべく単一の一次コイルではなく直列に接続された２つの一次コイルを含むことで、タンク回路150に対する該トランス232のリアクタンス的影響を減少する。他の用途において上記トランスの一次側は、異なる個数の一次コイルへと分割され得る。たとえばトランス232は、該トランスのリアクタンス的影響の減少が重要でない場合には単一の一次コイルのみを含み得るか、または、該トランス232のリアクタンス的影響の更なる減少が所望される場合には３個以上の一次コイルを含み得る。
《Ｐ２１》
トランス232の二次コイルの第1リード線は、抵抗234、236、238、ダイオード240、242、および、演算増幅器210の正入力に電気的に接続される。トランス232の二次コイルの第2リード線は、抵抗238、ダイオード242のカソード、ダイオード240のアノード、および、コンデンサ244に接続される。故に、図５に示された如く抵抗238およびダイオード242、244は、トランス232の二次巻線に対して並列接続される。コンデンサ244は、演算増幅器210の負入力にも電気的に接続される。これに加え、抵抗234は第2DC電源184に接続され且つ抵抗236はアース接続182に接続される。抵抗234、236および238は演算増幅器210を電流過負荷から保護し、且つ、ダイオード240、242は演算増幅器210の入力に対して送られる帰還信号をクリップする。
【００５２】
動作の間に発振器144はコンデンサ244を充電する信号を制御回路142から受信し、該コンデンサは演算増幅器210の負入力に対して電気信号を送信する。演算増幅器210の出力は駆動器146に対して電気的に導向され、該駆動器は半ブリッジ・スイッチング回路148を励起する。図１４に示された如くトランス232はこの電流経路に接続され且つ抵抗234、236および238を介して電気信号を戻し送信することから、この電流は制限され、最終的に上記電気信号は演算増幅器210の入力に戻るべく導向され、電流検知フィードバックが提供される。トランス232により提供される上記電流検知フィードバックによれば発振器144は自己共振し得ると共に、誘導結合されたバラスト回路103は、制御ユニット102が空気処理システム10を作動停止させるか又はインターロック回路190のトランジスタ206が発振器144をlowに引張るまで、発振し続ける。
【００５３】
より詳細には正帰還回路218(もしくは電流検知回路)は発振器144のタイミングを制御する演算増幅器210に対してフィードバックを提供することから、発振器144は、共振周波数にて発振するというタンク回路150の本来的な傾向を阻害しない。概略的に、直列共振タンク回路150おける電流はトランス232の一次コイルを通り流れることから、トランス232の二次コイルにおける電圧を誘起する。トランス232により生成されたAC信号は、抵抗234および236により設定されたDC基準信号に重畳される。演算増幅器210は好適には、正リード上の信号の大きさと負の信号の大きさとの間の差に部分的に基づく出力を提供するという従来の差動演算増幅器である。演算増幅器210の両リードがトランス232の二次コイルの両側に対して夫々接続されるとすると、演算増幅器210の正リードに付与される信号は、該演算増幅器210の負リードに対して付与される信号と本質的に大きさが等しいが極性は逆である。故に演算増幅器210の出力は、上記電流帰還回路の発振信号に従い、上記基準信号の上下に発振する。演算増幅器210は好適には代替的に、飽和と遮断との間で駆動されることで、準方形波出力を提供する。演算増幅器210の出力が上記基準信号を超えたとき、トランジスタ220は“オン”に駆動される一方、トランジスタ222は“オフ”へと駆動されることから、コンデンサ248は充電され且つコンデンサ250は放電される。演算増幅器210の出力が上記基準信号よりも低下したとき、トランジスタ222は“オン”に駆動される一方でトランジスタ220は“オフ”へと駆動されることから、コンデンサ248は放電され且つコンデンサ250は充電される。コンデンサ248および250のこの交流的な充電／放電は、以下において更に詳述される如く駆動器146の一次コイルに対して印加される交流的信号を生じる。上記回路の周波数シフト(もしくは共振探索)動作は、図１５に関して更に詳細に記述される。この図示内容において、上記一次コイルにおける電流は波形600で表され、電流トランス232における電圧は波形602により表され、且つ、電流帰還信号は(ダイオード240、242のクリッピングなしで示される)波形604により表される。上述の如く演算増幅器210は、波形の飽和部分と遮断部分との間に遷移期間が介設されるという飽和および遮断の間で交互的に駆動される。上記遷移期間の長さは、上記電流帰還信号の勾配により左右される。演算増幅器210のタイミングは、上記遷移期間の長さに依存する。上記遷移期間の長さを変更することで、演算増幅器210の出力信号における遷移のタイミングが制御される。タイミングにおけるこのシフトは駆動器146を介して永続化され、タンク回路150における信号をカットオフする。タンク回路150においてカットオフされた信号は電流トランス232により電流帰還信号に反映され、周波数シフトが永続化される。上記二次回路に対して大きな負荷が加えられたとき、タンク回路150における電流の大きさには対応する増大が生ずる。この様に増大された信号は、図１５において波形606により表される。タンク回路150において信号が増大すると、電流トランス232における電圧もそれに対応して増大する。電流トランス232における増大電圧は、波形608により表される。電流トランス232において電圧が増大すると、(ダイオード240および242のクリッピングなしで示される)波形610により表される上記電流帰還信号の大きさも増大する。増大した電流帰還信号はゼロクロス点において一層大きな勾配を有することから、時間的に直ちに演算増幅器210は一方の状態から他方の状態へと遷移する。またこれにより、トランジスタ220および222は時間的に直ちに切換わり、駆動器146に付与されるAC信号は時間的に直ちに切り替わる。最終的には、タンク回路150に対して半ブリッジ・スイッチング回路148により付与される信号のタイミングが対応してシフトする。スイッチング回路148により付与される信号のタイミングにおけるシフトは、タンク回路150における本来的な発振信号をカットオフすることで、タンク回路150における信号のタイミングをシフトする効果を有する。タンク回路150におけるカットオフ済み信号は、電流検知回路218へと反映される。これにより、演算増幅器210に付与される電流帰還信号が変更されることから、上記時的シフトは永続化され且つ上記発振器の周波数の上方増大が行われる。この様にして、負荷の変動にも関わらず、発振器144および駆動器146によればタンク回路150はその周波数をシフトして共振したままとなる。上記二次回路に対して付与される負荷の減少が生じたとき、発振器144の周波数は、周波数の増加に関して上述されたのと本質的に逆の様式で減少する。要約すると、負荷が減少するとタンク回路150における電流が減少する。またこの結果、電流トランス232において誘起された電圧は減少し、且つ、上記電流帰還信号の大きさは減少する。減少した電流帰還信号は減少した勾配を有することから、演算増幅器210は時間的に更に遅れて飽和と遮断との間の遷移を完了する。トランジスタ220および222もまた時間的に更に遅れて遷移することで、駆動器146のタイミングおよびスイッチング回路148のタイミングをシフトする。スイッチング回路148におけるタイミングのシフトの正味の効果は、タンク回路150における信号を延長することである。延長された該信号は電流検知回路218へと反映されて演算増幅器210へと戻され、発振器144の周波数の減少を永続化する。半ブリッジ・スイッチング回路148がタンク回路150における電流信号のゼロクロス点にて交互変化するとき、最適な性能が達成される。これにより、スイッチング回路148からタンク回路150に対して供給されるエネルギの最適なタイミングが提供される。一定の用途においては、上記電流帰還信号の位相をシフトして所望タイミングを提供することが必要もしくは好適であり得る。たとえば、一定の用途においては種々の回路構成要素の寄生効果が上記電流帰還信号の位相のシフトを生じることもある。斯かる用途において上記電流検知回路はRC回路などの構成要素を備えることで信号を戻しシフトして整列させ得ることから、スイッチング回路148はゼロクロス点にて交互変化する。図１７は、上記電流帰還信号の位相を120°シフトすべく構成されたRC回路を含む代替的な電流検知回路218'の一部を示している。
【００５４】
この実施例において電流検知回路218'は、該回路が演算増幅器210に戻り延在するリード線に沿い接続された２個のコンデンサ800、802および２個の抵抗804、806を含むこと以外、上述の実施例の電流検知回路218と本質的に同一である。図１７は更に、所望であれば電流トランス232の二次コイルがアース182に接続されてゼロ基準値を提供し得ることを示している。
《Ｐ２４》
再び図１４を参照すると発振器144の出力は、図示実施例における第2多巻線トランス246の第1の一次巻線を備える駆動器146に電気的に接続される。この実施例において第2トランス246は好適な駆動器146である、と言うのも、トランス246の位相関係によれば半ブリッジ・スイッチング回路148は交互に駆動されて短絡を確実に回避するからである。コンデンサ248、250の二重配置がトランス246の第2の一次巻線に電気的に接続されることから、トランス246におけるDC電流のオーバーフローが防止される。コンデンサ246はアース接続182にも接続され、且つ、コンデンサ250は第2DC電源184にも接続される。
【００５５】
トランス246の両方の二次コイルは、動作の間に該トランス246からエネルギを受ける半ブリッジ・スイッチング回路148に対して電気的に接続される。図１４にも示される半ブリッジ・スイッチング回路148は、トランス246の両方の二次コイルにより駆動されるMOSFETトーテムポール型半ブリッジ・スイッチング回路252として電気的に配置される。MOSFETトーテムポール型半ブリッジ・スイッチング回路252は、従来のバイポーラ・トランジスタ・スイッチング回路との比較において利点を提供する第1MOSFETトランジスタ254および第2MOSFETトランジスタ256を含む。エネルギは、複数の抵抗258、260、262、264を介してMOSFETトランジスタ254、256に伝達される。MOSFETトランジスタ254、256は、ゼロ電流にてソフト・スィッチングを行い動作中は導通損失のみを呈する様に設計される。MOSFETトランジスタ254、256により生成された出力は、従来のバイポーラ・トランジスタにより生成されるよりも高調波が少なく正弦波に一層近い形態である。MOSFETトランジスタ254、256を使用すると、動作中にスイッチングを行うときに該MOSFETトランジスタ254、256により生成される高周波干渉を減少するという利点も提供される。
《Ｐ２５》
図１４に示された半ブリッジ・スイッチング回路148において、トランス246の第1の二次コイルは抵抗258および抵抗260に接続される。トランス246の第2の二次コイルは、抵抗262および抵抗264に接続される。抵抗260はMOSFETトランジスタ254のゲートに接続され抵抗264はMOSFETトランジスタ256のゲートに接続される。示された如く、トランス246の第1の二次コイルおよび抵抗258は、MOSFETトランジスタ254のエミッタに接続される。トランス246の第2の二次コイルおよび抵抗264は、MOSFETトランジスタ256のゲートに接続される。MOSFETトランジスタ254のコレクタは第2DC電源184に接続され且つ該MOSFETトランジスタ254のエミッタはMOSFETトランジスタ256のコレクタに接続される。MOSFETトランジスタ256のエミッタおよび抵抗262は、アース接続182に接続される。
【００５６】
駆動器146の更なる利点は、多巻線トランス246が、MOSFETトランジスタ254、256に対して第2DC電源184を超えるゲート駆動電圧を印加するための非常に好都合な手法である、ということである。MOSFETトランジスタ254、256は更なる利点を提供する、と言うのも、それらは設計上固有のダイオードであって、MOSFETトーテムポール型半ブリッジ・スイッチング回路252を過渡的な負荷から保護するダイオードを有するからである。これに加え、負荷の変化により直列共振タンク回路150から反映された過電圧は、MOSFETトランジスタ254、256内の固有のダイオードにより供給ラインに戻される。
【００５７】
図１４を参照すると、半ブリッジ・スイッチング回路148の出力は直列共振タンク回路150の入力に接続され、さらに該タンク回路は非熱プラズマ反応器20の二次コイル52を誘導的に励起する(図１)。上記に示された如く本発明の図示実施例において発振器144の正帰還回路218は半ブリッジ・スイッチング回路148の出力および直列共振タンク回路150の入力に接続されることで、動作の間に発振器144の演算増幅器210に対して電流検知フィードバックを提供する。図１４に示された如く、半ブリッジ・スイッチング回路148の出力はトランス232の二次コイルにより直列共振タンク回路150の入力に接続される。
【００５８】
図１４を参照すると直列共振タンク回路150は、誘導結合器270と、一対のタンク・コンデンサ271、272、一対のダイオード274、276の並列組み合わせと、コンデンサ278とを備える。誘導結合器270は、トランス232の二次コイルとタンク・コンデンサ271、272の間に接続される。タンク・コンデンサ271はまた第2DC電源184にも接続され、タンク・コンデンサ272はアース接続182にも接続される。これに加え、タンク・コンデンサ271および第2DC電源184はダイオード274のアノードに接続される。ダイオード274のカソードおよびコンデンサ278は両者ともに、第2DC電源184と接続される。コンデンサ278は、ダイオード276のアノードおよびアース接続182に接続される。タンク・コンデンサ272は、ダイオード276のカソードにも接続される。
《Ｐ２６》
直列共振タンク回路150は誘導結合されたバラスト回路140の各構成要素の組み合わせの全ての漂遊インダクタンスを見込むことを銘記することが重要である。このことは重要である、と言うのも、直列共振タンク回路150において見込まれる組み合わせインダクタンスである漂遊インダクタンスは、共振以外のあらゆる条件下で負荷(非熱プラズマ反応器20)に対する電力伝達を劇的に制限するからである。二次コイル52および二次回路152のインダクタンスは、非熱プラズマ反応器20の該二次コイル52に提供される電力の決定および制限を助力する反映インピーダンス値でもある。概略的に、洗練されない発振器／トランスの組み合わせは、漂遊および反映インダクタンスの故に電力伝達の制限がある。換言すると、各トランスおよび各コンデンサのインダクタンスは負荷と直列に現れることで、電力伝達能力が制限される。
【００５９】
図示実施例において直列共振タンク回路150に対する動作の周波数は、大部分は反応器層の特性に依存して用途毎に変化するという誘導結合器270のインダクタンスとタンク・コンデンサ271、272の並列キャパシタンスとにより決定される。タンク・コンデンサ271、272は、低い損失係数を有すると共に高レベルの電流を取り扱い得るべきである。上述の如くバラスト回路140は、電流検知回路218からの帰還信号に基づいて共振を探索する。上記電流帰還信号は、共振タンク回路150における電流に比例する。バラスト回路103が共振を検索し得る周波数の範囲は、タンク・コンデンサ271、272の値を調節することで容易に変更される。たとえばタンク・コンデンサ271、272の値を増大することにより、上記範囲を概略的に減少し得る。
【００６０】
誘導結合器270の一次および二次コイルにおけるワイヤの巻き数は、特定の非熱プラズマ反応器20の電力要件に依存して用途毎に変更される。図示実施例において誘導結合器270に対してはリッツ線(litz wire)が使用される、と言うのも、リッツ線は、高周波で動作する間に生成される高電流により引き起こされるフリンジング効果(fringing effect)の故に性能および動作温度の両方において特に効率的だからである。上記に示された如く、誘導結合器270は動作の間に非熱プラズマ反応器20の二次コイル52を誘導的に励起する。
《Ｐ２７》
記述された実施例において誘導結合器270の一次および二次コイルは、エアギャップにより分離される。誘導結合器270の一次および二次コイル間の上記ギャップは結合係数を調節すべく使用されることで、非熱プラズマ反応器20の動作点を調節し得る。業界公知の如く、誘導結合器270と二次コイル52との間のエアギャップのパーミアンスは誘導結合器270と二次コイル52との間の距離を変更することで調節され得る。明らかである如く、誘導結合器270および二次コイル52により形成される空心トランス内のエアギャップは、誘導結合器270から二次コイル52への電力伝達を制限すべく選択的に調節し得る。これに加え、上記エアギャップを選択的に調節することにより、発振器144の制御応答を調節し得る。故に、上記エアギャップのパーミアンスを選択すれば、二次コイル52が誘導的に励起されたときに、誘導結合されたバラスト回路140の過電流保護と、発振器144の帯域幅および応答性との間のバランスが取られる。
【００６１】
業界公知の如く、二次コイル52の誘導的な励起は、誘導結合器270が二次コイル52と該誘導結合器270との間のエアギャップ内に磁束を誘起したときに生ずる。図示実施例において上記磁束は、好適には共振を維持する目的で発振器144により制御される周波数を有する交流的な磁束である。
【００６２】
動作の間に発振器144は上記周波数を、直列共振タンク回路150および非熱プラズマ反応器20の共振周波数に近付けて制御し得る。先に論じられた如く、正帰還回路218は直列共振タンク回路150における反映インピーダンスを監視することで、誘導結合されたバラスト回路140が電力伝達効率を最適化する周波数へと自己発振するのを許容する。たとえばもし非熱プラズマ反応器アセンブリ14により直列共振タンク回路150に対して反映されたインピーダンスが僅かにシフトしたとすると、正帰還回路218は周波数を調節することで、電力伝達効率のシフトを補正し得る。
【００６３】
たとえば非熱プラズマ反応器60が短絡状態にて不首尾である場合などにおいて、インピーダンスが相当に低くシフトした場合、電流の増大は上記エアギャップにより制限される。当業界にて公知の如く、上記エアギャップは反映され得るインピーダンスの量を制限すべく機能する。これに加え、反映されたインピーダンスはインピーダンスの不整合に帰着し、直列共振タンク回路150に戻る電力の反映を引き起こし得る。容易に明らかである如く、直列共振タンク回路150に対して電力が反映されると二次コイル52に対する電力伝達は更に制限され得る。上記エアギャップと共振周波数制御との組み合わせに基き、誘導結合されたバラスト回路140は効率的な動作のために最適化される一方、過電流保護の所望レベルは維持される。
《Ｐ２８》
上記空心トランスの構成は、非熱プラズマ反応器20の簡素で効率的な交換をもたらす。これに加えて本発明は、誘導結合されたバラスト回路103の故に非熱プラズマ反応器20に対する特別な接触を必要としない結合を提供することで、更なる利点を提供する。更に上記構成は、耐水性が阻害されたり、腐食し且つ／又は動作不良となり得る導体または他の同様の電力伝達機構に対する必要性を排除する。
【００６４】
再び図１４を参照すると、バラスト帰還回路122は直列共振タンク回路150の誘導結合器270と制御ユニット102とに対して電気的に接続される。バラスト帰還回路122は制御ユニット102に対してフィードバックを提供する一方、誘導結合されたバラスト回路103は非熱プラズマ反応器60に対して電力を提供する。これにより制御ユニット102は、非熱プラズマ反応器20の二次コイル52に対して誘導結合器270により提供されつつある電力を監視し得る。これにより制御ユニット102に対しては、非熱プラズマ反応器20がオンであるかオフであるかを決定する能力であって、他の実施例においては非熱プラズマ反応器20に対して付与されつつある電流および電圧の量を決定する能力が提供される。
【００６５】
図１４に示された如くバラスト帰還回路122は、演算増幅器280、一対の抵抗282、284一対のダイオード286、288およびコンデンサ290を含む。直列共振タンク回路150からの信号は、ダイオード286のアノードへと導向される。ダイオード286のカソードはコンデンサ290および抵抗282に接続される。これに加えて抵抗282は、ダイオード288のアノード、抵抗284、および、演算増幅器280の正入力に接続される。抵抗284もまた、演算増幅器280の正入力と第1DC電源180とに対して接続される。コンデンサ290もまた第1DC電源180に接続される一方、ダイオード288のカソードは第2DC電源184に接続される。演算増幅器280の負入力は、該演算増幅器280の出力に対して直接的に接続される。演算増幅器280の出力は制御ユニット102に接続されることで、該演算増幅器280からの帰還信号を制御ユニット102に対して提供する。
【００６６】
上述の如く二次回路152はコンデンサ312を含み得るが、該コンデンサは、直列共振タンク回路150の誘導結合器270(図１４参照)を介して非熱プラズマ反応器60の反映インピーダンスを変更することにより、二次コイル52から非熱プラズマ反応器20に対して供給される電流を変更かつ制限する。明らかである如く、非熱プラズマ反応器60および二次コイル52のインピーダンスに鑑みてコンデンサ312の値を選択することにより、非熱プラズマ反応器20は上記電源(共振タンク回路150)とインピーダンス整合され得る。これに加えて非熱プラズマ反応器20は直列共振タンク回路150の共振周波数と同様の周波数にて共振すべく調節されることから、結合は最適化され且つ反映電力は最小化され得る。
《Ｐ２９》
一実施例においてバラスト回路140は、該回路により生成される電流を監視し且つ該電流が所望パラメータの範囲外となったときに該回路を作動停止させる電流制限回路700も含む。電流制限回路700は、電流スレッショルド値(すなわち上限値)を超えたとき又は上記電流が範囲(すなわち上限値および下限値)から逸脱したときにバラスト回路103を無効化すべく構成され得る。上限値および下限値は、低電流および不安定な動作が負荷を損傷し得るという用途において特に有用である。
【００６７】
電流制限回路700の一実施例は、図１６に示される。電流制限回路700は、一次コイル270の電流に比例した電流を生成する電流検知トランス702を含む。電流トランス702は好適には、電流検知回路218の電流検知トランス232のコアの回りにワイヤのコイルを形成することで作成される。電流トランス702からの電流は、抵抗704へと導かれる。上記バラスト回路の入力電圧に対しては、別の抵抗706が連結される。上記入力電圧に対する関係により、該入力電圧がシフトするにつれて上記レベルはシフトされる。これにより電流トランス702は、入力電圧がシフトするときでさえも真の性能を追求し得る。抵抗708によれば、可変的な電流トランスの電圧が、演算増幅器710により検出可能なレベルまで上昇するのを助力するアースからの電圧バイアスが許容される。抵抗712は、電源184と演算増幅器710の正入力との間に接続される。抵抗714は、アース接続182と演算増幅器710の正入力との間に接続される。抵抗712および714は、動作モードおよび非動作モードを設定する制限値もしくはスレッショルド値を確立する。抵抗716は電流トランス70と演算増幅器710の負入力リード線との間に接続されることで、演算増幅器710が電流トランス102から過剰な電流を吸引することを防止する。演算増幅器702の出力は、好適にはIC 14044などの従来のラッチもしくはフリップフロップである集積回路720に対して接続される。演算増幅器702からの出力がhighへと駆動されたなら上記ラッチがトリガされることで、上記無効化信号(disable signal)をラッチする。集積回路720は好適には、手動リセット・スィッチ722が押圧されもしくは別様に起動されるまで、バラスト回路103を無効化状態に維持する。代替的にリセット・スィッチ722は、所定時間後に電流制限回路700をリセットする(不図示の)タイマ回路により置き換えられ得る。電流制限回路700はまた、該電流制限回路700の動作の試験を許容する試験回路724も含み得る。試験回路724は、電源184に接続され且つ抵抗726およびスィッチ728を含む。スィッチ728が押圧されまたは別様に起動されたとき、上記スレッショルド値を超える電流が演算増幅器710に対して付与される。適切に作動していれば、この電流により電流制限回路700はバラスト回路140を無効化する。
《Ｐ３０》
代替策として、電流トランス702からの電流は、該電流が所望スレッショルド値を超え又は所望範囲から逸脱したときに上記バラスト回路を無効化すべくプログラムされたマイクロプロセッサにより監視され得る。但し一定の用途において、上記マイクロプロセッサは容認可能な応答時間を提供するに十分な速度を提供し得ないこともある。
【００６８】
上記の説明は、好適実施例を含む本発明の種々の実施例に関している。また、均等論を含む特許法の原則に従い解釈されるべき添付の各請求項に定義された発明の精神および広範囲な見地から逸脱せずに、種々の改変および変更が為され得る。たとえば“ひとつの(a)”、“ひとつの(an)”、“上記(the)”または“前記(said)”という種々の冠詞を用いて単数形とされた請求項要素に対する一切の言及は、その要素を単数形に限定すると解釈されるべきでない。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の非熱プラズマ式空気処理システムの一実施例を示す図である。
【図２】上記空気処理システムにおいて使用される非熱プラズマ反応器の一実施例を示す図である。
【図３】上記空気処理システムにおいて使用される非熱プラズマ反応器の一実施例を示す図である。
【図４】上記空気処理システムにおいて使用される非熱プラズマ反応器の一実施例を示す図である。
【図５】上記空気処理システムにおいて使用される非熱プラズマ反応器の一実施例を示す図である。
【図６】上記空気処理システムにおいて使用される非熱プラズマ反応器の一実施例を示す図である。
【図７】上記空気処理システムにおいて使用される非熱プラズマ反応器の一実施例を示す図である。
【図８】上記空気処理システムにおいて使用される非熱プラズマ反応器の一実施例を示す図である。
【図９】上記空気処理システムにおいて使用される非熱プラズマ反応器の一実施例を示す図である。
【図１０】上記空気処理システムにおいて使用される非熱プラズマ反応器の一実施例を示す図である。
【図１１】上記非熱プラズマ反応器において使用される電極の幾つかの実施例を示す図である。
【図１２】上記空気処理システムの主要な回路およびアセンブリのブロック図である。
【図１３】誘導結合されたバラスト回路のブロック図である。
【図１４】誘導結合された上記バラスト回路、電流検知回路およびインターロック回路の一部の概略的電気回路図である。
【図１５】上記電流検知回路の動作を表す複数の波形を示す図である。
【図１６】電流制限回路の概略的電気回路図である。
【図１７】代替的な電流検知回路の概略的電気回路図である。
【図１８】本発明の代替実施例に係る空気処理システムの概略図である。
【図１９】図１８に示された実施例の非熱プラズマ反応器の分解斜視図である。
【図１】
2006503609.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年6月23日(2004.6.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
取入口（１６，１６′）と、吐出口（１８，１８′）と、上記取入口（１６，１６′）および上記吐出口（１８，１８′）を接続する空気流路とを有するハウジング（１１，１１′）と、
上記流路に沿い配設された吸着材料（２２，２２′，３８，３９，４６，４７，４８，５６，６６，７６，９５，９６，１０６）と、
上記流路に沿い配設された非熱プラズマ反応器（２０，２０′，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００）と、
周囲環境から、上記取入口（１６，１６′）を介し、上記流路に沿い、且つ、上記吐出口（１８，１８′）を介して上記周囲環境へと戻すべく空気を移動させる手段（１２，１２′）と、
上記流路の少なくとも一部を上記周囲環境から遮断し、上記吸着材料（２２，２２′，３８，３９，４６，４７，４８，５６，６６，７６，９５，９６，１０６）および上記反応器（２０，２０′，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００）を上記周囲環境から隔離する手段（１６，１６′，１８，１８′）と、
上記周囲環境からの空気が処理のために当該空気処理システムを通過して移動される吸着段階と、上記遮断手段（１６，１６′，１８，１８′）が起動されて上記吸着材料（２２，２２′，３８，３９，４６，４７，４８，５６，６６，７６，９５，９６，１０６）および上記反応器（２０，２０′，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００）が上記周囲環境から隔離され且つ上記反応器（２０，２０′，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００）手段が起動されて上記ハウジング内の汚染物質が処理されるという脱離／再生段階とにおいて当該空気処理システムを操作する制御手段（１０２）とを備えて成る、
周囲環境における空気を処理する空気処理システム（１０，１０′）。
【請求項２】
前記脱離／再生段階の間において前記吸着材料（２２，２２′，３８，３９，４６，４７，４８，５６，６６，７６，９５，９６，１０６）および前記反応器（２０，２０′，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００）を通して空気を再循環させる再循環手段（２１′）を更に備えて成る、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記吸着材料（２２，２２′，３８，３９，４６，４７，４８，５６，６６，７６，９５，９６，１０６）は前記反応器（２０，２０′，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００）から分離され、且つ、
上記吸着材料（２２，２２′，３８，３９，４６，４７，４８，５６，６６，７６，９５，９６，１０６）および上記反応器（２０，２０′，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００）を通り循環する空気は上記吸着材料（２２，２２′，３８，３９，４６，４７，４８，５６，６６，７６，９５，９６，１０６）から上記反応器（２０，２０′，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００）まで処理のために汚染物質を担持する、請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記再循環手段（２１′）は、当該システムを通して空気を再循環させる空気流路を画成する空気戻りライン（３１′）を含む、請求項３記載のシステム。
【請求項５】
前記再循環手段（２１′）は、前記吸着段階の間に前記空気戻りライン（３１′）を閉成する手段であって前記脱離／再生段階の間に上記空気戻りライン（３１′）を開成する手段（１９′）を含む、請求項４記載のシステム。
【請求項６】
前記吸着材料（２２，２２′，３８，３９，４６，４７，４８，５６，６６，７６，９５，９６，１０６）は活性炭素繊維織物を含む、請求項５記載のシステム。
【請求項７】
前記反応器（２０，２０′，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００）は離間された一対のメッシュ電極（２４，２６，２４′，２６′，３２，３４，３６，４２，４３，４４，４５，５２，５４，６２，６４，７２，７４，８２，８４，９２，９４，１０２，１０４）を含む、請求項５記載のシステム。
【請求項８】
前記反応器（２０′）は前記各電極（２４，２６′）間に配設された誘電物質（３３′）を含む、請求項７記載のシステム。
【請求項９】
前記反応器（２０′）は前記各電極（２４，２６′）間に配設された触媒を含む、請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
空気を移動させる前記手段は、前記脱離／再生段階の間において給電停止される第1ファン（１２，１２′）を含み、且つ、
前記再循環手段は、上記脱離／再生段階の間において当該システムを通る空気を再循環させる第2ファン（３５′）を含む、請求項５記載のシステム。
【請求項１１】
前記流路に沿い配設されたHEPAフィルタ（２９′）を更に備えて成る、請求項１０記載のシステム。
【請求項１２】
前記脱離／再生段階の間において前記吸着材料に熱的脱離を行わせる熱源（２３′）を更に備えて成る、請求項５記載のシステム。
【請求項１３】
前記誘電物質（３３′）はアルミニウム・ビーズを含む、請求項８記載のシステム。
【請求項１４】
前記触媒は二酸化マンガンである、請求項９記載のシステム。
【請求項１５】
前記熱源（２３′）は加熱ランプを含む、請求項１２記載のシステム。
【請求項１６】
前記制御手段（１０２）は、前記脱離／再生段階の間において前記加熱ランプ（２３′）を作動させる手段を含む、請求項１５記載のシステム。
【請求項１７】
前記吸着材料（２２，２２′，３８，３９，４６，４７，４８，５６，６６，７６，９５，９６，１０６）は前記反応器（２０，２０′，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００）内に配設される、請求項１記載のシステム。
【請求項１８】
空気を移動させる前記手段（１２，１２′）は、前記脱離／再生段階の間において起動解除される、請求項１７記載のシステム。
【請求項１９】
前記吸着材料（２２，２２′，３８，３９，４６，４７，４８，５６，６６，７６，９５，９６，１０６）は複数個のゼオライトを含む、請求項１８記載のシステム。
【請求項２０】
前記ゼオライト上に被覆された誘電物質（３３′）を更に備えて成る、請求項１９記載のシステム。
【請求項２１】
ハウジング（１１，１１′）と、
上記ハウジング（１１，１１′）内に配設された吸着材料（２２，２２′，３８，３９，４６，４７，４８，５６，６６，７６，９５，９６，１０６）と、
上記ハウジング（１１，１１′）内に配設された非熱プラズマ反応器（２０，２０′，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００）と、
少なくとも上記吸着材料（２２，２２′，３８，３９，４６，４７，４８，５６，６６，７６，９５，９６，１０６）を通過する吸着流路と、
少なくとも上記吸着材料（２２，２２′，３８，３９，４６，４７，４８，５６，６６，７６，９５，９６，１０６）および上記反応器（２０，２０′，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００）を通過する脱離／再生流路と、
当該システムを吸着段階および脱離／再生段階にて操作する制御手段（１０２）であって、上記吸着段階の間において当該制御手段（１０２）は周囲環境からの空気を、上記吸着材料（２２，２２′，３８，３９，４６，４７，４８，５６，６６，７６，９５，９６，１０６）が上記空気中に担持された汚染物質を吸着するという上記吸着流路を通して移動させ、上記脱離／再生段階の間において当該制御手段（１０２）は上記空気を、上記脱離／再生流路が周囲環境から密閉され上記吸着材料（２２，２２′，３８，３９，４６，４７，４８，５６，６６，７６，９５，９６，１０６）から放出された汚染物質を上記反応器（２０，２０′，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００）が破壊するという上記脱離／再生流路を通して循環させるという制御手段（１０２）とを備えて成る、
空気処理システム（１０，１０′）。
【請求項２２】
前記吸着流路は少なくとも部分的に前記脱離／再生流路と共通に延びている、請求項２１記載のシステム。
【請求項２３】
前記吸着流路は取入口（１６，１６′）および吐出口（１８，１８′）を含み、且つ、
制御手段（１０２）は、前記脱離／再生段階の間に上記取入口（１６，１６′）および上記吐出口（１８，１８′）を閉成する手段であって前記吸着段階の間に上記取入口（１６，１６′）および上記吐出口（１８，１８′）を開成する手段を含む、請求項２２記載のシステム。
【請求項２４】
前記制御手段（１０２）は、前記脱離／再生段階の間に前記脱離／再生流路を通して空気を再循環させる手段（３５′）を含む、請求項２３記載のシステム。
【請求項２５】
前記脱離／再生流路は、前記吸着材料（２２，２２′，３８，３９，４６，４７，４８，５６，６６，７６，９５，９６，１０６）および前記反応器（２０，２０′，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００）の下流の箇所を上記吸着材料（２２，２２′，３８，３９，４６，４７，４８，５６，６６，７６，９５，９６，１０６）および上記反応器（２０，２０′，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００）の上流の箇所へと接続する空気戻りライン（３１′）を含む、請求項２４記載のシステム。
【請求項２６】
前記制御手段（１０２）は、前記吸着段階の間において前記空気戻りライン（３１′）を閉成する手段であって前記脱離／再生段階の間において上記空気戻りライン（３１′）を開成する手段（１９′）を含む、請求項２５記載のシステム。
【請求項２７】
前記反応器（２０，２０′，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００）は離間された一対の電極（２４，２６，２４′，２６′，３２，３４，３６，４２，４３，４４，４５，５２，５４，６２，６４，７２，７４，８２，８４，９２，９４，１０２，１０４）を含む、請求項２６記載のシステム。
【請求項２８】
前記誘電物質（３３′）は前記各電極（２４，２６，２４′，２６′，３２，３４，３６，４２，４３，４４，４５，５２，５４，６２，６４，７２，７４，８２，８４，９２，９４，１０２，１０４）間に配設される、請求項２７記載のシステム。
【請求項２９】
前記誘電物質（３３′）は複数のアルミニウム・ビーズを含む、請求項２８記載のシステム。
【請求項３０】
前記脱離／再生流路内に配設された触媒を更に備えて成る、請求項２８記載のシステム。
【請求項３１】
前記触媒は前記反応器（２０，２０′，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００）内に配設される、請求項３０記載のシステム。
【請求項３２】
前記アルミニウム・ビーズ（３３′）上に被覆された触媒を更に備えて成る、請求項２９記載のシステム。
【請求項３３】
前記吸着材料（２２，２２′，３８，３９，４６，４７，４８，５６，６６，７６，９５，９６，１０６）の近傍に配設された熱源（２３′）を更に備え、且つ、
前記制御手段（１０２）は前記脱離／再生段階の間において上記熱源（２３′）を起動する手段を含む、請求項２１記載のシステム。
【請求項３４】
前記熱源（２３′）は加熱ランプを含む、請求項３３記載のシステム。
【請求項３５】
前記吸着材料（２２，２２′，３８，３９，４６，４７，４８，５６，６６，７６，９５，９６，１０６）は吸着繊維織物を含む、請求項３４記載のシステム。
【請求項３６】
前記吸着材料（２２，２２′，３８，３９，４６，４７，４８，５６，６６，７６，９５，９６，１０６）は活性炭素繊維織物である、請求項３５記載のシステム。
【請求項３７】
ハウジング（１１，１１′）内に吸着材料（２２，２２′，３８，３９，４６，４７，４８，５６，６６，７６，９５，９６，１０６）と非熱プラズマ反応器（２０，２０′，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００）とを有する空気処理システム（１０，１０′）を配備する段階と、
吸着段階の間の期間においては周囲環境からの空気を少なくとも上記吸着材料（２２，２２′，３８，３９，４６，４７，４８，５６，６６，７６，９５，９６，１０６）を通して移動させ且つ該空気を上記周囲環境に戻す段階と、
脱離／再生段階の間の期間においては上記吸着材料（２２，２２′，３８，３９，４６，４７，４８，５６，６６，７６，９５，９６，１０６）および上記反応器（２０，２０′，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００）を上記周囲環境から隔離して上記反応器（２０，２０′，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００）を起動する段階と、
上記吸着段階と上記脱離／再生段階との間で当該システムの動作を交互変化させる段階とを備えて成る、
周囲環境における空気を処理する方法。
【請求項３８】
前記脱離／再生段階の間において前記吸着材料（２２，２２′，３８，３９，４６，４７，４８，５６，６６，７６，９５，９６，１０６）および前記反応器（２０，２０′，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００）を通して空気を再循環させる段階を更に備えて成る、請求項３７記載の方法。
【請求項３９】
前記再循環段階は、前記吸着材料（２２，２２′，３８，３９，４６，４７，４８，５６，６６，７６，９５，９６，１０６）および前記反応器（２０，２０′，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００）の下流の箇所から、空気戻りライン（３１′）を通り、上記吸着材料（２２，２２′，３８，３９，４６，４７，４８，５６，６６，７６，９５，９６，１０６）および上記反応器（２０，２０′，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００）の上流の箇所へと空気を移動させる段階を含む、請求項３８記載の方法。
【請求項４０】
前記脱離／再生段階の間において前記空気戻りライン（３１′）を開成し且つ前記吸着段階の間において上記空気戻りライン（３１′）を閉成する段階を更に備えて成る、請求項３９記載の方法。
【請求項４１】
前記脱離／再生段階の間において前記吸着材料（２２，２２′，３８，３９，４６，４７，４８，５６，６６，７６，９５，９６，１０６）に熱を付与する段階を更に備えて成る、請求項４０記載の方法。
【請求項４２】
前記熱付与段階は、前記吸着材料（２２，２２′，３８，３９，４６，４７，４８，５６，６６，７６，９５，９６，１０６）の近傍に配置された加熱ランプ（２３′）を起動する段階を含む、請求項４１記載の方法。
【請求項４３】
前記反応器（２０，２０′，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００）に対し、離間された一対の電極（２４，２６，２４′，２６′，３２，３４，３６，４２，４３，４４，４５，５２，５４，６２，６４，７２，７４，８２，８４，９２，９４，１０２，１０４）と、該各電極間に配設された誘電物質（３３′）とを配備する段階を更に備えて成る、請求項４２記載の方法。
【請求項４４】
前記脱離／再生段階の間において前記空気を触媒を通して移動させる段階を更に備えて成る、請求項４３記載の方法。
【請求項４５】
前記触媒は前記誘電物質（３３′）により被覆される、請求項４４記載の方法。
【国際調査報告】
2006503609.tif 000022
2006503609.tif 000023
2006503609.tif 000024