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JP2005524799A - プラズマ支援エンジン排気処理システム及びその方法 - Google Patents

プラズマ支援エンジン排気処理システム及びその方法 Download PDF

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JP2005524799A
JP2005524799A JP2004503782A JP2004503782A JP2005524799A JP 2005524799 A JP2005524799 A JP 2005524799A JP 2004503782 A JP2004503782 A JP 2004503782A JP 2004503782 A JP2004503782 A JP 2004503782A JP 2005524799 A JP2005524799 A JP 2005524799A
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JP
Japan
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plasma
cavity
conduit
radiation
gas
Prior art date
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Pending
Application number
JP2004503782A
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English (en)
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チェリアン，クルヴィラ，エー．
クマール，デヴェンドラ
クマール，サティヤンドラ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dana Inc
Original Assignee
Dana Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

エンジンの排気ガスを処理する方法および装置を提供する。一実施形態において、エンジンの排気ガス処理システムは、吸入部（２１５）、排出部（２１６）、中間部（２０５）、及び少なくとも１つのプラズマ・キャビティ（２１０）を有した導管を少なくとも１つ含んでいる。吸入部は、エンジンブロック（５１０）と接続されるべく形成されており、排気ガスを受け入れている。排出部は、プラズマ処理後の排気ガスを放出する。中間部は、吸入部から排出部まで排気ガスを搬送する。一実施形態において、１つ又は複数のプラズマキャビティ（３４２，３４４，３４６）は、排気ガスを処理するために、吸入部の近傍に配置されている。本システムは、キャビティに放射を供給するためにキャビティに接続された電磁放射供給源（３４０）も含んでおり、そこでは、この放射は、約３３３GHz未満の周波数を有している。排気ガスの処理において、プラズマ触媒（７０，１７０）の使用を行ってもよい。

Description

本発明は、エンジンの排気ガスを処理する方法および装置に関し、詳細には、エンジンの排気ガスから、場合によってはプラズマ触媒を使用して形成されるプラズマを点火し、調節し、維持する方法および装置に関する。
２００２年５月８日出願の米国仮特許出願第６０/３７８,６９３号、２００２年１２月４日出願の第６０/４３０,６７７号、および２００２年１２月２３日出願の第６０/４３５,２７８号の優先権を主張する。参照によりこれらすべての出願全体を本明細書に組み込む。
プラズマを利用してエンジンの排気ガスを処理し得ることはよく知られている。例えば、プラズマと触媒を組み合わせて、窒素と炭素の化合物、ならびにディーゼル排気からの粒子を低減し得ることが報告されている。この状況では、触媒は、プラズマ自体ではなくこの低減プロセスに触媒作用を及ぼすために使用する。
電気エネルギーを送って、気体種と反応し得る自由電子を生成することによって、非熱プラズマを形成することができる。非熱プラズマと触媒の組合せは、「プラズマ支援触媒反応」と称しているが、通常は、還元剤としてのNH３の存在下で実施する。動作中、NOが酸化されてHNO３になり、次いで硝酸アンモニウムになり、その後、凝結し除去されると報告されている。
しかし、このようなプロセスは、アンモニアの取り扱いおよび実際にこの処理を実施するのに必要とされる大規模な機器を含めて、いくつかの理由から車載用の排気処理に適さないことがある。
一般に、熱プラズマは、システムを高温(例えば、約２,０００℃よりも高い温度)に加熱することによって形成されるが、これでは効率が悪くなる恐れがあり、かつ大規模な熱管理が必要になることがある。そのため、熱プラズマはしばしば、車載用途には非実用的とみなされる。
ガスに十分な量の電磁放射を当てることによってプラズマを点火し得ることもよく知られている。ただし、プラズマの点火は通常、大気圧よりもかなり低いガス圧でより容易に行われる。これには真空機器が必要とされ、これらは高価であり、時間がかかり、かつ多くのエネルギーを消費することがある。さらに、このような機器を使用すると、プラズマ支援排気処理の適応性を制限することがある。
本発明に適合する、プラズマ支援排気ガス処理に用いる方法および装置が提供される。
一実施形態では、本発明に適合するエンジン排気処理システムを提供することができる。このシステムは、少なくとも１本の導管を含み得る。この導管は、(１)エンジン・ブロックに連結され、エンジンの排気ガスを受け取るように構成された注入部と、(２)このガスを放出する排出部と、(３)このガスを注入部から排出部に搬送する中間部と、(４)このガスを処理するために注入部に近接して配置された少なくとも１つのプラズマ・キャビティとを含む。このシステムは、このキャビティに連結され、このキャビティに約３３３GHz未満の周波数の放射を供給する電磁放射供給源も含み得る。
本発明に適合する別のエンジン排気処理システムを提供することができる。このシステムは、少なくとも１本の導管を含み得る。この導管は、(１)エンジン・ブロックに連結され、エンジンの排気ガスを受け取るように構成された注入部と、(２)このガスを放出する排出部と、(３)このガスを注入部から排出部に搬送する中間部であって、この中間部内で、プラズマ触媒の存在下で排気ガスからプラズマを形成するために、少なくとも１つの電磁放射モードに対応するように設定された内部寸法を有する中間部とを含む。このシステムは、この中間部に約３３３GHz未満の周波数の電磁放射を供給する供給源も含み得る。
本発明に適合するエンジン排気ガス処理方法も提供することができる。この方法は、少なくとも１つのキャビティ内で、エンジンの排気ガスから、任意選択でプラズマ触媒の存在下でこの排気ガスに約３３３GHz未満の周波数の電磁放射を当てることによって、少なくとも１つのプラズマを形成することを含み得る。
プラズマを開始し、調節し、維持するプラズマ触媒が提供される。このプラズマ触媒は、受動型または能動型とすることができる。受動型プラズマ触媒は、必ずしも追加のエネルギーを付加することなく、本発明に適合して局所的な電界(例えば、電磁界)を歪ませることによってプラズマを誘導し得る任意の物体を含み得る。一方、能動型プラズマ触媒は、電磁放射の存在下で、気体原子または気体分子に十分な量のエネルギーを伝達して、この気体原子または気体分子から少なくとも１つの電子を分離し得る任意の粒子または高エネルギー波束である。いずれの場合でも、プラズマ触媒は、プラズマを点火するのに必要とされる環境条件を改善または緩和することができる。
本発明に適合してプラズマを点火し、調節し、維持する追加のプラズマ触媒、ならびに方法および装置が提供される。
本発明のさらなる態様は、以下の詳細な説明を添付の図面と併せ読めば明らかになろう。これらの図面を通して、同じ参照文字は同じ部分を指す。
本発明は、プラズマ支援型エンジン排気処理用のプラズマを開始し、調節し、維持する方法および装置に関連し得る。そのため、本発明は、制御された形でプラズマ支援排気処理を行って、エネルギー・コストを下げ、処理効率および適応性を向上させるために利用することができる。
本願と同じ権利者が所有する同時出願の米国特許出願第１０/ , (弁理士整理番号１８３７.０００８)、第１０/ , (弁理士整理番号１８３７.０００９)、第１０/ , (弁理士整理番号１８３７.００１０)、第１０/ , (弁理士整理番号１８３７.００１１)、第１０/ , (弁理士整理番号１８３７.００１２)、第１０/ , (弁理士整理番号１８３７.００１３)、第１０/ , (弁理士整理番号１８３７.００１５)、第１０/ , (弁理士整理番号１８３７.００１６)、第１０/ , (弁理士整理番号１８３７.００１７)、第１０/ , (弁理士整理番号１８３７.００１８)、第１０/ , (弁理士整理番号１８３７.００２０)、第１０/ , (弁理士整理番号１８３７.００２１)、第１０/ , (弁理士整理番号１８３７.００２３)、第１０/ , (弁理士整理番号１８３７.００２４)、第１０/ , (弁理士整理番号１８３７.００２５)、第１０/ , (弁理士整理番号１８３７.００２６)、第１０/ , (弁理士整理番号１８３７.００２７)、第１０/ , (弁理士整理番号１８３７.００２８)、第１０/ , (弁理士整理番号１８３７.００３０)、第１０/ , (弁理士整理番号１８３７.００３２)、および第１０/ , (弁理士整理番号１８３７.００３３)の全体を、ここに参照により組み込む。
プラズマ・システムの例
図１に、本発明の一態様に適合するプラズマ・システムの例１０を示す。この実施形態では、キャビティ１２は、放射チャンバ(すなわち、アプリケータ)１４内に配置された容器内で形成される。(図示しない)別の実施形態では、容器１２と放射チャンバ１４は同じであり、そのため、２つの別々のコンポーネントが不要になる。キャビティ１２が形成される容器は、放射からキャビティ１２を大幅に遮蔽することなくその熱絶縁特性を改善するために、１つまたは複数の放射透過性絶縁層を含み得る。
一実施形態では、キャビティ１２はセラミック製の容器内に形成される。本発明に適合してプラズマにより実現し得る温度が極めて高いために、華氏約３,０００度で動作し得るセラミックを使用することがある。このセラミック材料は、重量でシリカ２９.８%、アルミナ６８.２%、酸化第２鉄０.４%、チタニア１%、石灰０.１%、マグネシア０.１%、アルカリ０.４%を含み得る。このセラミック材料は、米国ペンシルバニア州New Castle所在のNew Castle Refractories社からLW-３０の型名で販売されている。ただし、石英などの他の材料および上記のものとは異なるものも本発明に適合して使用し得ることが当業者には理解されよう。
１つの成功した実験では、第１レンガ内部にあり、第２レンガで上を覆った部分的に開いたキャビティ内でプラズマを形成した。このキャビティの寸法は、約２インチ×約２インチ×約１.５インチであった。このレンガ内にはこのキャビティと連通する少なくとも２つの穴も設けた。１つはプラズマを観察するためであり、少なくとも１つの穴はガスを供給するためである。このキャビティのサイズは、実施する所望のプラズマ・プロセスに依存し得る。また、このキャビティは少なくとも、プラズマが主処理領域の上に出たり、この領域から流出したりしないように構成すべきである。本発明にかかるプラズマは、プラズマそのものの周りに電極を配置することなく形成することができる。
キャビティ１２は、ライン２０と、電源２８によって電力が供給される制御弁２２によって１つまたは複数のガス供給源２４(例えば、アルゴン、窒素、水素、キセノン、クリプトンの供給源)に連結し得る。ライン２０は、(例えば、約１/１６インチ〜約１/４インチで、約１/８インチなどの)管とし得る。また、所望の場合には、このチャンバに真空ポンプを連結して、プラズマ処理中に発生し得るあらゆる煙霧を除去することができる。排気ガスを処理する場合には、このガスは、エンジン・ブロックから直接的又は間接的に流すことができる。すなわち、ガスライン及び吸引装置は、選択的に配置される。
供給源２６および導波管３０の近くに(図示しない)放射漏れ検出器を設置し、FCCおよび/またはOSHAで指定される値(例えば、５mW/cm２)など、所定の安全制限値よりも大きい漏れが検出された場合に、放射(例えば、マイクロ波)用電源を自動的に止めるように、この検出器を安全保護システムに接続した。
電源２８によって電力を供給し得る放射供給源２６は、１つまたは複数の導波管３０（図１１に示す）を介して放射エネルギーをチャンバ１４内に送る。供給源２６を直接キャビティ１２に連結して導波管３０を不要にし得ることが当業者には理解されよう。キャビティ１２に入る放射エネルギーを利用して、キャビティ内のプラズマを点火することができる。触媒とともに追加の放射を加えることによって、このプラズマを実質的に維持し、キャビティに閉じ込めることができる。
放射エネルギーは、サーキュレータ３２およびチューナ３４(例えば、３スタブ式チューナ)によって供給し得る。チューナ３４を使用して、特にプラズマが形成される前に、変化する点火または処理の条件の関数としての反射電力を最小限に抑えることができる。というのは、例えばマイクロ波電力はプラズマによって強く吸収されることになるからである。
以下でより詳細に説明するように、チャンバ１４がマルチモードに対応し、かつ特にこれらのモードが連続的または周期的に混合される場合には、チャンバ１４内での放射透過性キャビティ１２の位置は重要ではないことがある。チャンバ１４が、エンジンの排気間にホールドであるとき、好ましくは、キャビティ１２は、耐熱ライニングにすることができ、好ましくは全体的に取り除くことができる。やはり以下により詳細に説明するように、モード混合器３８にモータ３６を連結して、チャンバ１４全体を通じてほぼ均一な時間平均された放射エネルギー分布を生成し得る。さらに、チャンバ１４内でキャビティ１２に隣接する壁の１つに窓４０(例えば、石英製の窓)を配設し、温度センサ４２(例えば、光学式高温計)を使用して、キャビティ１２内部のプロセスを観測し得る。一実施形態では、この光学式高温計の出力は、温度の上昇とともにゼロ・ボルトから追跡範囲内に増加し得る。
センサ４２は、キャビティ１２内の(図示しない)加工物に関連する温度その他の任意の監視可能な状態の関数として出力信号を生成し、コントローラ４４にこれらの信号を提供し得る。二重の温度感知および加熱、ならびに冷却速度およびガス流量の自動制御も利用し得る。コントローラ４４を使用して、上記で説明したように供給源２６に接続される１つの出力と、キャビティ１２へのガス流量を制御する弁２２に接続される別の出力とを含み得る電源２８の動作を制御することができる。
本発明は、約３３３GHz未満の任意の周波数を有する放射を使用することができるが、CPI(Communications and Power Industries)から得られる９１５MHzおよび２.４５GHzのマイクロ波供給源を使用して同じようにうまく実施された。２.４５GHzのシステムにより、約０.５キロワット〜５キロワットの連続可変マイクロ波電力が得られた。３スタブ式チューナにより、インピーダンス整合を行って電力伝送を最大にすることができた。また、双方向性結合器（図示せず）を使用して、順方向電力および反射電力を測定した。また、光学式高温計を使用して試料温度を遠隔的に検出した。
上記で述べたように、約３３３GHz未満の任意の周波数を有する放射を本発明に適合して使用することができる。例えば、電力線周波数(約５０Hz〜約６０Hz)などの周波数を用いることができるが、プラズマを形成するガスの圧力は、プラズマの点火を助けるために低くすることがある。また、約１００kHzよりも高い周波数を含めて、任意の無線周波数またはマイクロ波周波数を本発明に適合して用いることができる。ほとんどの場合、このような比較的高い周波数では、プラズマを点火し、調節し、または維持するためにガス圧を低くする必要はなく、そのため、大気圧以上で多くのプラズマ処理を行うことができる。
リアルタイムで温度を監視し、マイクロ波の電力を制御するLabView ６iソフトウエアを利用して、この装置をコンピュータ制御した。ノイズは、適切な数のデータ点を移動平均して低減させた。また、スピードおよび計算効率を向上させるために、シフト・レジスタおよびバッファ・サイジングを利用してバッファ・アレイ内に記憶させるデータ点数を制限した。高温計により約１cm２の感受性区域の温度を測定し、それを用いて平均温度を計算した。この高温計により、２つの波長で放射強度を検出し、プランク（Planck）の法則を利用してこれらの強度を適合させて温度を求めた。ただし、温度を監視し制御する他の装置および方法も利用可能であり、本発明に適合して使用し得ることを理解されたい。本発明に適合して使用し得る制御ソフトウエアが、例えば、本願と同じ権利者が所有する同時出願の米国特許出願第１０/ , (弁理士整理番号１８３７.００３３)に記載されている。この特許出願全体をここに参照により組み込む。
チャンバ１４は、ガラスで覆われ、放射シールドを備えたいくつかの観察ポートおよび高温計にアクセスするための１つの石英製の窓を有するものとした。真空ポンプおよびガス供給源に連結するためのいくつかのポートも設けたが、これらは必ずしも使用しない。
システム１０には、水道水冷却式の外部熱交換器を備えた閉ループ型の脱イオン水式冷却システム(図示せず)も含めた。動作中、脱イオン水により、まずマグネトロンが冷却され、次いで、(このマグネトロンを保護するのに使用する)サーキュレータ内の負荷放出部が冷却され、最後に、チャンバの外面上に溶接された水チャネルを介して放射チャンバが冷却される。
プラズマ触媒
本発明に適合するプラズマ触媒は、１種または複数種の異なる材料を含み、受動型または能動型のいずれかとし得る。とりわけ、プラズマ触媒を使用して、ガス圧が大気圧未満、または大気圧に等しい、あるいは大気圧よりも高い状態でプラズマを点火し、調節し、かつ/または維持することができる。
本発明に適合する１つのプラズマ形成方法は、受動型プラズマ触媒の存在下で、キャビティ内の排気ガスに約３３３GHz未満の周波数の電磁放射を当てることを含み得る。本発明に適合する受動型プラズマ触媒は、電圧を印加して火花を発生させることなどによってこの触媒を介して必ずしも追加のエネルギーを付加することなく、本発明に適合して局所的な電界(例えば、電磁界)を歪ませることによってプラズマを誘導し得る任意の物体を含み得る。
本発明に適合する受動型プラズマ触媒は、ナノ粒子またはナノチューブとすることもできる。本明細書では、「ナノ粒子」という用語は、最大物理寸法が約１００nm未満の、少なくとも電気的に半伝導性の（半導体の）任意の粒子を含み得る。また、単層および多層のカーボン・ナノチューブはいずれも、ドープの有無にかかわらず、導電率が極めて高く、かつ形状が細長いので、本発明に適合してプラズマを点火するのに特に効果的なことがある。これらのナノチューブは、任意の好都合な長さのものとすることができ、かつ基質に固定された粉体とすることができる。固定されている場合、これらのナノチューブは、プラズマが点火または維持されている間、基質表面上でランダムな向きとすることもできるし、基質に(例えば、なんらかの所定の向きで)固定することもできる。
受動型プラズマ触媒は、本発明に適合する粉体とすることもでき、ナノ粒子またはナノチューブを含む必要はない。この粉体は、例えば、ファイバ、粉塵粒子、フレーク、シートなどから形成することができる。粉体の形態をとる場合、この触媒は、少なくとも一時的にガス中で浮遊させることができる。所望の場合には、ガス中で粉体を浮遊させることによって、この粉体がキャビティ全体を通じて迅速に分散し、より容易に消費され得る。
一実施形態では、粉体触媒をキャビティに運び入れ、担体ガスによって少なくとも一時的に浮遊させることができる。この担体ガスは、プラズマを形成する排気ガスと同じにすることもできるし、異なるものでもよい。また、この粉体をキャビティ内に導入する前にガスに加えることができる。例えば、図１Aに示すように、放射供給源５２から、プラズマ・キャビティ６０を配置する放射キャビティ５５に放射を供給することができる。粉体供給源６５は、ガス流７５中に触媒粉体７０を供給する。代替実施形態では、まずキャビティ６０に粉体７０をバルクの形(すなわち、パイルの形)で加え、次いで、このバルクの粉体を通して、またはその上にガスを流すことを含めていくつかの方法で、キャビティ内で粉体を分散させることができる。さらに、この粉体をガスに加えて、移動、搬送、噴霧、散布、吹込み、あるいはその他の方法でキャビティ内に、あるいはキャビティ内でこの粉体を供給することによって、プラズマを点火し、調節し、維持することができる。
１つの実験では、キャビティ内で、このキャビティ内に延びる銅製のパイプ中に炭素繊維の粉体のパイルを配置することによってプラズマを点火した。キャビティ内に十分な量の放射を送ったが、この銅製のパイプにより、粉体が放射から遮蔽され、プラズマの点火は起こらなかった。しかし、このパイプを通して担体ガスが流れ始めると、それによって粉体がパイプから押し出され、キャビティ内に入り、その結果、粉体に放射が当たり、キャビティ内でプラズマがほぼ瞬時に点火された。
本発明に適合する粉体プラズマ触媒は、実質的に不燃性とすることができ、そのため、酸素を含める必要もないし、酸素の存在下で燃焼させる必要もない。すなわち、上記で述べたように、この触媒は、金属、炭素、炭素系合金、炭素系複合物、導電性ポリマー、導電性シリコン・エラストマ、ポリマー・ナノコンポジット、有機-無機複合物、およびこれらの任意の組合せを含み得る。
また、プラズマ・キャビティ内で粉体触媒を(例えば、ガス中に浮遊させたときに)ほぼ均一に分散させることができ、キャビティ内でプラズマの点火を精確に制御し得る。１回または複数回のバーストの形態などで、プラズマにより晒す時間を短くすることが求められる応用例を含めて、ある種の応用例では均一に点火することが重要なことがある。キャビティ全体を通じて粉体触媒がそれ自体で分散するには、特に複雑な複数チャンバ式キャビティでは、依然としてある長さの時間を必要とし得る。したがって、本発明の別の態様と適合して複数の点火ポートを介してキャビティ内に粉体触媒を導入し、それによってキャビティ内でより迅速により均一な触媒の分布を得ることができる(以下を参照されたい)。
粉体に加えて、本発明に適合する受動型プラズマ触媒は、例えば、１種または複数種の、微視的または巨視的なファイバ、シート、針、糸、撚り糸、フィラメント、織り糸、縫い糸、削りくず、スライバ、チップ、織布、テープ、ウィスカ、またはこれらの任意の組合せを含み得る。このような場合、プラズマ触媒は、ある１つの物理的な寸法が別の物理的な寸法よりもかなり大きい少なくとも１つの部分を含み得る。例えば、少なくとも２つの直交する寸法の比を少なくとも約１:２とすべきであるが、約１:５よりも大きく、さらには約１:１０よりも大きくし得るはずである。
すなわち、受動型プラズマ触媒は、材料の少なくとも一部がその長さに比べて比較的薄い部分を含み得る。触媒の束(例えば、ファイバ)を使用することもでき、この触媒の束は、例えば一区画のグラファイト・テープを含み得る。１つの実験では、それぞれ直径約２〜３ミクロンの約３万本のグラファイト・ファイバの撚り糸を有する一区画のテープをうまく使用した。束の中のファイバの数および束の長さは、プラズマを点火し、調節し、または維持するのに決定的な影響を及ぼさない。例えば、長さ約１/４インチの一区画のグラファイト・テープを使用して満足な結果が得られた。本発明に適合してうまく用いられた１つのタイプの炭素繊維は、米国サウス・カロライナ州Anderson所在のHexcel社から、商標Magnamite(登録商標)、AS４C-GP３Kの型名で販売されている。また、シリコン・カーバイド・ファイバもうまく用いられた。
本発明の別の態様に適合する受動型プラズマ触媒は、例えば、ほぼ球形、環状、ピラミッド形、立方体、平面、円筒形、矩形、または細長い部分など、１つまたは複数の部分を含み得る。
上記で論じた受動型プラズマ触媒は、少なくとも電気的に半伝導性の（半導体の）少なくとも１種類の材料を含む。一実施形態では、この材料の導電率を極めて高くし得る。例えば、本発明に適合する受動型プラズマ触媒は、金属、無機材料、炭素、炭素系合金、炭素系複合物、導電性ポリマー、導電性シリコン・エラストマ、ポリマー・ナノコンポジット、有機-無機複合物、またはこれらの任意の組合せを含み得る。このプラズマ触媒に含めることができる一部の可能な無機材料の例には、炭素、シリコン・カーバイド、モリブデン、白金、タンタル、タングステン、窒化炭素、およびアルミニウムが含まれるが、他の導電性無機材料も全く同様に機能すると考えられる。
１種または複数種の導電材料に加えて、本発明に適合する受動型プラズマ触媒は、(導電性を必要としない)１種または複数種の添加物を含み得る。本明細書では、この添加物は、使用者がプラズマに添加したい任意の材料を含み得る。例えば、半導体その他の材料をドープする際に、触媒を介してプラズマに１種または複数種のドーパントを加えることができる。例えば、本願と同じ権利者が所有する同時出願の米国特許出願第１０/ , (弁理士整理番号１８３７.００２６)を参照されたい。この特許出願全体をここに参照により組み込む。この触媒は、ドーパント自体を含むこともできるし、あるいは、分解された後でドーパントを形成し得る前駆体材料を含むこともできる。そのため、このプラズマ触媒は、１種または複数種の添加物および１種または複数種の導電材料を、プラズマの最終的な所望の組成およびこのプラズマを使用するプロセスに応じて任意の所望の比で含み得る。
受動型プラズマ触媒中の添加物に対する導電成分の比は、消費されると同時に、時間がたつにつれ変化し得る。例えば、点火中では点火条件が改善されるように、プラズマ触媒は導電成分を比較的大きな割合で含み得ることが望ましい。一方、プラズマを維持しながら使用する場合、この触媒は、添加物を比較的大きな割合で含むことができるはずである。プラズマを点火し維持するために用いられるプラズマ触媒の成分比は同じにし得るはずであることが当業者には理解されよう。
所定の比のプロフィールを用いて、多くのプラズマ・プロセスを簡略化し得る。多くの従来方式のプラズマ・プロセスでは、プラズマ中の成分は必要に応じて添加されるが、このような添加を行うには通常、所定の計画に従ってこれらの成分を添加するためのプログラム可能な機器を必要とする。しかし、本発明に適合して、触媒中の成分比を変えることができ、そのため、プラズマ自体の中で、この成分比が自動的に変わり得る。すなわち、任意の個々の時点でのプラズマ中の成分比は、触媒のどの部分がプラズマによって現在消費されているかに依存し得る。そのため、この触媒の成分比は、触媒中の異なる位置で異なるものとし得る。また、プラズマ中の現在の成分比は、特にプラズマ・チャンバ中を通過するガスの流速が比較的遅いときには、現在消費されている触媒部分、および/または以前に消費された触媒部分に依存し得る。
本発明に適合する受動型プラズマ触媒は、均質なもの、または不均質なもの、あるいは徐々に変化するものとし得る。また、プラズマ触媒の成分比は、触媒全体を通して連続的または不連続に変化し得る。例えば、図２では、この比を滑らかに変化させることができ、そのため触媒１００の長さに沿って勾配が形成される。触媒１００は、区画１０５では成分の濃度が比較的低く、区画１１０に向かって濃度が連続的に増加する撚り糸材料を含み得る。
あるいは、図３に示すように、例えば、異なる濃度の区画１２５と区画１３０を交互に含む触媒１２０の各部分においてこの比を不連続に変化させることができる。触媒１２０に含まれる区画タイプは、３つ以上とし得ることを理解されたい。このように、プラズマによって消費される触媒の成分比は、任意の所定の方式で変化し得る。一実施形態では、プラズマを監視し、特定の添加物が検出されたときに、別の処理を自動的に開始または終了させることができる。
調整する、または維持されるプラズマ中の成分比を変える別の方法は、異なる時点または異なる速度で異なる成分比の複数の触媒を導入することである。例えば、キャビティ内のほぼ同じ位置または異なる位置で複数の触媒を導入し得る。異なる位置で導入する場合、キャビティ内で形成されるプラズマは、様々な触媒の位置によって決まる成分濃度勾配を有し得る。そのため、自動化システムは、プラズマを点火し、調節し、かつ/または維持する前に、かつ/またはそれらを行う間に消費可能なプラズマ触媒を機械的に挿入する装置を含み得る。
本発明に適合する受動型プラズマ触媒は被覆することもできる。一実施形態では、触媒は、実質的に導電性の材料の表面上に被着させた実質的に非導電性の被覆を含み得る。あるいは、この触媒は、実質的に非導電性の材料の表面上に被着させた実質的に導電性の被覆を含み得る。図４および図５に、例えば、下層１４５および被覆１５０を含むファイバ１４０を示す。一実施形態では、カーボン・コアを含むプラズマ触媒にニッケルを被覆して、カーボンの酸化を防止する。
単一のプラズマ触媒が複数の被覆を含むこともできる。プラズマとの接触中にこれらの被覆が消費される場合、これらの被覆を、外側の被覆から最も内側の被覆まで順次プラズマ中に導入することができるはずであり、それによって持続放出機構が形成される。このように、被覆したプラズマ触媒は、この触媒の一部が少なくとも電気的に半伝導性の材料である限り、任意の数の材料を含み得る。
本発明の別の実施形態に適合して、プラズマ触媒は、放射エネルギーの漏れをかなり少なくするか、あるいはなくすために放射キャビティ内に完全に入るように配置し得る。こうすると、このプラズマ触媒は、キャビティを収容する容器とも、キャビティの外側のいかなる導電性の物体とも電気的または磁気的に結合されない。こうすると、点火中、およびプラズマが維持される場合にはおそらくは点火後、点火ポートでの火花の発生が防止され、キャビティの外側に放射が漏れることが防止される。一実施形態では、この触媒は、点火ポートを通って延びる実質的に非導電性の延長部材の先端に配置し得る。
図６に、例えば、プラズマ・キャビティ１６５を配置する放射チャンバ１６０を示す。プラズマ触媒１７０は細長く、点火ポート１７５を通って延びる。図７に示すように、本発明に適合して、触媒１７０は、(チャンバ１６０内に配置される)導電性の遠位部分１８０および(チャンバ１６０のほぼ外側に配置される)非導電性の部分１８５を含み得る。この構成により、遠位部分１８０とチャンバ１６０が電気的に接続されない(例えば、火花が発生しない)。
別の実施形態では、図８に示すように、この触媒は、複数の非導電部分１９５によって分離され、かつそれらに機械的に結合された複数の導電部分１９０から形成し得る。この実施形態では、この触媒は、キャビティ内部のポイントとキャビティの外側の別のポイントの間で点火ポートを通って延びることができるが、この電気的に不連続なプロフィールにより、火花発生およびエネルギーの漏れが実質的に防止される。
本発明に適合するプラズマを形成する別の方法は、少なくとも１種類のイオン化粒子（電離粒子：ionizing particle）を生成する能動型プラズマ触媒、または少なくとも１種類のイオン化粒子を含む能動型プラズマ触媒の存在下で、キャビティ内の排気ガスに約３３３GHz未満の周波数の電磁放射を当てることを含む。
本発明に適合する能動型プラズマ触媒は、電磁放射の存在下で、気体原子または気体分子に十分な量のエネルギーを伝達して、この気体原子または気体分子から少なくとも１つの電子を分離し得る任意の粒子または高エネルギー波束とし得る。供給源に応じて、これらのイオン化粒子を収束ビームまたは平行ビームの形態でキャビティ内に送り込むこともできるし、あるいは、これらのイオン化粒子を、吹付け、吐出、スパッタリング、あるいはその他の方法で導入することもできる。
例えば、図９に、放射チャンバ２０５に放射を送る放射供給源２００を示す。プラズマ・キャビティ２１０はチャンバ２０５の内部に配置され、ポート２１５および２１６を介してキャビティを貫通して排気ガスを流すことができる。供給源２２０から、イオン化粒子２２５がキャビティ２１０に送り込まれる。供給源２２０は、例えば、イオン化粒子を通すことはできるが、放射から供給源２２０を遮蔽する金属スクリーンによって保護することができる。必要な場合には、供給源２２０を水で冷却し得る。
本発明に適合するイオン化粒子の例は、X線粒子、ガンマ線粒子、アルファ粒子、ベータ粒子、中性子、陽子、およびこれらの任意の組合せを含み得る。そのため、イオン化粒子触媒は、帯電させることもできるし(例えば、イオン供給源からのイオン)、帯電させなくてもよい。また、放射性核分裂プロセスの生成物とすることもできる。一実施形態では、プラズマ・キャビティが形成される容器は、イオン化粒子触媒に対して完全にまたは部分的に透過性とし得るはずである。そのため、放射性核分裂源がキャビティの外側に配置される場合、この供給源からこの容器を貫通して核分裂生成物が送られ、それによってプラズマを点火することができる。この放射性核分裂源は、核分裂生成物(すなわち、イオン化粒子触媒)により実質的に安全上の問題が生じないように放射チャンバ内部に配置し得る。
別の実施形態では、このイオン化粒子を自由電子とすることができるが、この自由電子が放射性崩壊プロセスで放出される必要はない。例えば、(金属などの)電子供給源からこれらの電子を飛び出させるのに十分なエネルギーが得られるようにこの供給源を励起することによって、キャビティ内に電子を導入することができる。この電子供給源は、キャビティ内部に配置することもできるし、あるいはキャビティに隣接して、さらにはキャビティの壁の中にも配置し得る。任意の組合せの電子供給源が可能なことが当業者には理解されよう。電子を生成する一般の方法は金属を加熱することであり、電界を印加することによってこれらの電子をさらに加速し得る。
電子に加えて、自由エネルギー陽子を使用して、プラズマに触媒作用を及ぼすこともできる。一実施形態では、自由陽子は、水素をイオン化することによって生成することができ、任意選択で、電界によって加速し得る。
マルチモード放射キャビティ
放射導波管、キャビティ、またはチャンバは、少なくとも１つの電磁放射モードの伝播に対応またはそれを促進するように設計し得る。本明細書では、「モード」という用語は、マックスウェルの式および適用可能な(例えば、キャビティの)境界条件を満足する任意の定在電磁波または伝播電磁波の特定のパターンを指す。導波管またはキャビティでは、このモードは、伝播電磁界または定在電磁界の様々な可能なパターンのいずれか１つとし得る。各モードは、その周波数ならびに電界ベクトルおよび/または磁界ベクトルの偏光によって特徴づけられる。モードの電磁界パターンは、周波数、屈折率または誘電率、および導波管またはキャビティの幾何形状によって決まる。
TE(横方向電界)モードは、その電界ベクトルが伝播方向に直交するモードである。同様に、TM(横方向磁界)モードは、その磁界ベクトルが伝播方向に直交するモードである。TEM(横方向電磁界)モードは、その電磁界ベクトルがともに伝播方向に直交するモードである。一般に、中空の金属導波管は、通常のTEMモードの放射伝播に対応しない。放射が導波管の長さに沿って進むように見えても、それは導波管の内壁からある角度で反射しているだけのことがある。したがって、この放射(例えば、マイクロ波)は、伝播モードによっては、(しばしばz軸と称する)導波管の軸に沿ったなんらかの電界成分またはなんらかの磁界成分のいずれかを有し得る。
キャビティまたは導波管内部の実際の場の分布は、キャビティまたは導波管内のモードの重ね合わせである。各モードは、１つまたは複数の添え字(例えば、TE１０(ティー・イー・イチ・ゼロ))で識別し得る。通常、これらの添え字により、管内波長の「半波」がx方向およびy方向にそれぞれいくつ含まれるかが指定される。この管内波長は、自由空間波長とは異なることがあることが当業者には理解されよう。というのは、放射は、導波管の内壁からある角度で反射することによって導波管内部を伝播するからである。場合によっては、第３の添え字を追加して、z軸に沿った定在波パターン中の半波の数を定義し得る。
所与の放射周波数に対して、導波管が単一の伝播モードに対応し得るのに十分に小さくなるように導波管のサイズを選択し得る。このような場合、この系をシングルモード系(すなわち、シングルモード・アプリケータ)と呼ぶ。TE10モードは通常、矩形のシングルモード導波管で支配的なモードである。
導波管(または、導波管が連結されるキャビティ)のサイズが大きくなると、この導波管すなわちアプリケータは、マルチモード系を形成する追加の高次モードに対応し得ることがある。多くのモードを同時に対応することができる場合、しばしばその系を高次モードに対応していると称する。
簡単なシングルモード系の場の分布は、少なくとも１つの最大値および/または最小値を含む。最大値の大きさは、この系に供給される放射の量によって概ね決まる。そのため、シングルモード系の場の分布は、大きく変化し、かつかなり不均一である。
シングルモード・キャビティと異なり、マルチモード・キャビティは、同時にいくつかの伝播モードに対応し得る。これらが重ね合わせられると、複雑な場の分布パターンが生じる。このようなパターンでは、これらの場は空間的に不鮮明になる傾向があり、そのため、この場の分布は通常、キャビティ内で同じタイプの顕著な、場の最小値および最大値を示さない。さらに、以下により詳細に説明するように、モード混合器を使用して(例えば、放射反射体を機械的に移動させることによって)モードを「かき混ぜ」、また「分布し直す」ことができる。この再分布により、キャビティ内でより均一な時間平均された場の分布が得られることが望ましい。
本発明に適合するマルチモード・キャビティは、少なくとも２つのモードに対応することができ、２つよりもはるかに多くのモードに対応し得る。各モードは、最大電界ベクトルを有する。２つ以上のモードが存在し得るが、１つのモードが支配的であり、他のモードよりも最大電界ベクトルの大きさが大きい。本明細書では、マルチモード・キャビティは、第１モードと第２モードの大きさの比が約１:１０未満、または約１:５未満、さらには約１:２未満の任意のキャビティとし得る。この比が小さいほど、モード間で電界エネルギーがより分散し、したがって、キャビティ内で放射エネルギーがより分散することが当業者には理解されよう。
処理キャビティ内でのプラズマの分布は、加えられた放射の分布に強く依存し得る。例えば、純粋なシングルモード系では、電界が最大になる位置が１つしか存在し得ない。したがって、その単一の位置でしか強いプラズマが形成されないことがある。多くの応用例では、このように強く局在化したプラズマにより、プラズマによる処理または加熱が不均一になる(すなわち、加熱の過剰および不足が局所的に生じる)と望ましくないはずである。
本発明に適合してシングルモードまたはマルチモードのキャビティを使用するかどうかにかかわらず、プラズマが形成されるキャビティは、完全に閉じた状態または部分的に開いた状態にし得ることが当業者には理解されよう。例えば、プラズマ支援炉などのある種の応用例では、キャビティを完全に閉じることができるはずである。例えば、本願と同じ権利者が所有する同時出願の米国特許出願第１０/ , (弁理士整理番号１８３７.００２０)を参照されたい。この特許出願全体を参照により本明細書に組み込む。ただし、他の応用例では、キャビティを通してガスを流すことが望ましいことがあり、したがって、このキャビティはある程度開いた状態にしなければならない。こうすると、流れるガスの流量、タイプ、および圧力を経時的に変化させることができる。このことは、プラズマの形成を促進するアルゴンなどの低いイオン化エネルギーを持ったある種のガスは比較的容易に点火されるので望ましいかもしれないが、このようなガスは後続のプラズマ処理中では必要とされな特性を有するかもしれない。
モード混合
多くの応用例では、均一なプラズマを含むキャビティが望ましい。しかし、マイクロ波放射の波長は比較的長く(例えば、数十センチメートル)なり得るので、均一な分布を実現するのが難しいことがある。そのため、本発明の一態様に適合して、長期間にわたってマルチモード・キャビティ内の放射モードを混合し、また分布し直すことができる。このキャビティ内の場の分布は、(このキャビティの内面が金属の場合には)このキャビティの内面によって設定される境界条件をすべて満足しなければならないので、この内面の任意の部分の位置を変更することによってこれらの場の分布を変更することができる。
本発明に適合する一実施形態では、放射キャビティ内部に移動可能な反射面を配置し得る。この反射面の形状および動きが組み合わさると、動く間にこのキャビティの内面が変化するはずである。例えば、「L」形の金属物体(すなわち、モード混合器)を任意の軸の周りで回転させると、キャビティ内の反射面の位置または向きが変わることになり、したがって、キャビティ内の放射分布が変化する。任意の他の非対称な形状の物体を(回転させて)使用することもできるが、対称な形状の物体も、その相対的な動き(例えば、回転、並進移動、またはその両方の組合せ)により反射面の位置または向きのなんらかの変化が生じる限り機能し得る。一実施形態では、モード混合器を、円筒の長手方向軸以外の軸の周りで回転可能な円筒とし得る。
マルチモード・キャビティの各モードは、少なくとも１つの最大電界ベクトルを有し得るが、これらのベクトルはそれぞれ、キャビティの内部寸法全体にわたって周期的に生じ得るはずである。通常、これらの最大値は、放射周波数が変化しないと仮定すると固定されている。しかし、モード混合器が放射と相互作用するようにこのモード混合器を移動させることによって、これらの最大値の位置を移動させることが可能である。例えば、モード混合器３８を使用して、プラズマの点火条件および/またはプラズマの維持条件が最適化されるように、キャビティ１４内の場の分布を最適化することができる。そのため、プラズマを励起した後で、このモード混合器の位置を変更して最大値の位置を移動させ、それによって均一な時間平均されたプラズマ・プロセス(例えば、加熱)を行うことができる。
そのため、本発明に適合して、モード混合はプラズマ点火中に有用となり得る。例えば、プラズマ触媒として導電性ファイバを使用するとき、このファイバの向きはプラズマ点火の最低条件に大きな影響を及ぼすことが知られている。例えば、このようなファイバの電界に対する向きを６０°よりも大きくしたときに、この触媒によりこれらの条件がほとんど改善または緩和されないことが報告されている。しかし、このキャビティ内に、あるいはこのキャビティの近くに反射面を移動させることによって、電界分布はかなり変化し得る。
モード混合は、アプリケータ・チャンバ内に、例えばこのアプリケータ・チャンバ内部に取り付けることができる回転式導波管継ぎ手を介して放射を送り込むことによっても実現し得る。この回転式継ぎ手は、放射チャンバ内で様々な方向に放射を効果的に送り込むために機械的に移動(例えば、回転)することができる。その結果、アプリケータ・チャンバ内部で変化する場のパターンを生成し得る。
モード混合は、放射チャンバ内に、可撓性の導波管を介して放射を送り込むことによっても実現し得る。一実施形態では、この導波管はチャンバ内部に取り付けることができる。別の実施形態では、この導波管はチャンバ内に延在し得る。この可撓性導波管の端部の位置は、チャンバ内に放射(例えば、マイクロ波放射)を、様々な方向および/または位置で送り込むために任意の適切な方式で連続的または周期的に移動させる(例えば、曲げる)ことができる。この動きによってもモード混合が可能になり、時間平均されたより均一なプラズマ処理(例えば、加熱)が促進される。あるいは、この動きを利用してプラズマの位置を最適化し、それによって点火その他のプラズマ支援処理を行うことができる。
可撓性導波管が矩形の場合、この導波管の開口端を単にねじるだけで、アプリケータ・チャンバ内部で放射の電界ベクトルおよび磁界ベクトルの向きが回転することになる。次いで、この導波管を周期的にねじると、電界が回転するだけでなくモード混合が行われ、これを利用して、プラズマを点火し、調節し、または維持する助けとし得る。
そのため、触媒の初期の向きが電界に直交していたとしても、電界ベクトルを方向変更すると、この効果的でない向きをより効果的な向きに変更することができる。モード混合は、連続的または周期的に行うこともできるし、あるいはあらかじめプログラムし得ることも当業者には理解されよう。
モード混合は、プラズマの点火に加えて、チャンバ内の「ホット・スポット」を低減または生成(例えば、調節)する後続のプラズマ処理中に有用になることがある。マイクロ波キャビティが少数(例えば、５未満)のモードにしか対応しないとき、１つまたは複数の局所電界最大値により、(例えば、キャビティ１２内で)「ホット・スポット」が生じ得る。一実施形態では、これらのホット・スポットは、１つまたは複数の別々だが同時に行われるプラズマの点火または処理のイベントと一致するように構成し得るはずである。こうすると、これらの点火位置または後続の処理位置の１つまたは複数の位置にプラズマ触媒を配置し得る。
複数位置での点火
異なる位置で複数のプラズマ触媒を使用してプラズマを点火することができる。一実施形態では、複数のファイバを使用して、キャビティ内の異なるポイントでプラズマを点火し得る。このような複数ポイントでの点火は、均一なプラズマ点火が望まれるときに特に有益なことがある。例えば、高周波数(すなわち、数十ヘルツ以上)でプラズマを調節するか、または比較的大きなボリューム内でプラズマを点火するとき、あるいはその両方の場合、プラズマの瞬間的な点火および再点火の実質的な均一性を改善し得る。あるいは、プラズマ触媒を複数のポイントで使用すると、触媒を異なるポイントで選択的に導入することによって、これらの触媒を使用してプラズマ・チャンバ内のこれらの異なるポイントでプラズマを順次点火することができる。こうすると、所望の場合には、キャビティ内でプラズマ点火勾配を制御可能な形で形成することができる。
また、マルチモード・キャビティでは、キャビティ内の複数の位置全体を通じて触媒をランダムに分布させると、これらのファイバの少なくとも１つ、または本発明に適合する任意の他の受動型プラズマ触媒が、電界の向きの線に最適に向けられる可能性が増す。依然として、この触媒が最適な向きにならない(電界の向きの線に実質的に整列しない)場合でも、点火条件は改善される。
さらに、ガス中で触媒粉体を浮遊させることができるので、各粉体粒子がキャビティ内の異なる物理的な位置に配置される効果があり、それによって、キャビティ内での点火の均一性を改善することができると考えられる。
複式キャビティによるプラズマの点火/維持
複式キャビティ構成を利用して、本発明に適合してプラズマを点火し維持することができる。一実施形態では、システムは、少なくとも第１点火キャビティと、この第１キャビティに流体連通する第２キャビティとを含む。プラズマに点火するために、任意選択でプラズマ触媒の存在下で、第１点火キャビティ内のガスに約３３３GHz未満の周波数の電磁放射を当てることができる。こうすると、第１キャビティと第２キャビティが近くにあることにより、第１キャビティ内で形成されたプラズマにより、第２キャビティ内のプラズマを点火することができ、これを追加の電磁放射で維持することができる。
本発明の一実施形態では、第１キャビティは、極めて小型にすることができ、主にプラズマ点火に用いるために、あるいはプラズマ点火専用に設計する。こうすると、プラズマを点火するのに極めてわずかなマイクロ波エネルギーしか必要とせず、それによって、特に本発明に適合してプラズマ触媒を使用したときに、点火がより容易になり得る。
一実施形態では、第１キャビティを実質的にシングルモード・キャビティにすることができ、第２キャビティをマルチモード・キャビティにする。第１点火キャビティがシングルモードにしか対応しない場合、電界分布はキャビティ内で大きく変化することがあり、そのため、１つまたは複数の精確に配置された電界最大部が形成される。このような最大部は通常、プラズマが点火される第１位置であり、そのため、これらの位置はプラズマ触媒を配置するのに理想的なポイントである。ただし、プラズマ触媒を使用するときには、それを電界の最大部に配置する必要はなく、多くの場合、いかなる特定の方向に向ける必要もないことを理解されたい。
エンジンの排気処理
図１０に、本発明に適合するエンジン排気処理システム３００の例の簡略構成図を示す。一般に、エンジン排気処理システムは、１本または複数本の導管を含み得る。図１０に示す実施形態では、システム３００は、導管３０２、３０４、および３０６を含む。動作中、これらの導管の１本または複数本によりプラズマ処理ゾーンが提供され、このゾーン内でプラズマが形成され、それを利用してエンジンの排気を処理し得る。本発明に適合する導管は、注入部から排出部に排気ガスを搬送するように構成された任意のチャネル、ガイド、または通路とし得る。
各導管３０２、３０４、および３０６はそれぞれ、少なくとも１つの注入部３１２、３１４、および３１６ならびに少なくとも１つの排出部３２２、３２４、および３２６を含む。各注入部は、(図示しない)エンジン・ブロックに直接または間接的に連結され、１つまたは複数の燃焼用の領域、ゾーン、またはチャンバからエンジンの排気ガスを受け取るように構成し得る。導管の数は、例えば、エンジン内のピストンの数に対応し得る。一実施形態では、１本の導管が１つの燃焼領域に対して機能し得る。あるいは、１本の導管が複数の燃焼領域に対して機能し得る。別の実施形態では、複数の導管が１つの燃焼領域に対して機能し得る。
このエンジン・ブロックは、例えば、２ストローク・エンジン、４ストローク・エンジン、またはディーゼル・エンジンを含めて、任意の固定式または可動式のシステムとともに使用する任意の燃焼エンジンとし得る。可動システムの例には、乗用車、バス、トラック、飛行機、列車、オートバイ、トラクタ、移動機器などの車両、または燃焼エンジンを含む任意の移動可能な装置が含まれる。各導管３０２、３０４、および３０６はそれぞれ、注入部３１２、３１４、および３１６から排出部３２２、３２４、および３２６にガスを搬送する少なくとも１つの中間部３３２、３３４、および３３６も含み得る。
導管３０２、３０４、および３０６はそれぞれ、排気ガスを処理するためにそれぞれの注入部３１２、３１４、および３１６に近接して配置された少なくとも１つのプラズマ・キャビティをさらに含み得る。排気処理システムの状況で使用されるように、プラズマ処理キャビティは、任意選択で放射の存在下でプラズマを形成し得る任意のキャビティまたは領域とし得る。そのため、プラズマ処理キャビティは、導管の中間部と同じにすることもできるし、導管の中間部とは異なるものにすることもできる。また、導管と一体化することもできるし、導管から離すこともできる。さらに、プラズマ処理キャビティは、排気処理システムの個々の設計の制約に応じて、シングルモード・キャビティまたはマルチモード・キャビティとし得る。さらに、プラズマ処理キャビティは、任意の好都合な長さおよび任意の好都合な断面を有し得る。注入ポートまたはその付近に、(図示しない)１つまたは複数の空気注入ポートを設け、それによって、このシステム内に空気を供給して、より完全な燃焼を可能にすることもできる。同様に、所望の場合には、導管の排出部またはその付近に、アフタ・バーナとして働く空気注入ポートを設けることもできる。
排気処理システム３００は、プラズマ・キャビティ３４２、３４４、および３４６の１つまたは複数に放射を送り、それによってそれぞれのキャビティに放射を供給するように構成された電磁放射供給源３４０も含み得る。前に説明したように、この放射の周波数は、約３３３GHz未満の任意の周波数とし得るが、マイクロ波放射および無線周波数放射など、この範囲の上端の周波数を有する放射を使用して大気圧でプラズマの点火が行われている。
図１０に示す実施形態では、放射供給源３４０は、マルチプレクサ（multiplexer）３４８を介し同軸ケーブル（同軸管）３５２、３５４、および３５６を使用してキャビティ３４２、３４４、および３４６に連結し得る。本発明に適合して実現し得るプラズマ支援ガス処理の温度が高いので、ケーブル３５２、３５４、および３５６と導管３０２、３０４、および３０６の間にそれぞれ、(図示しない)熱絶縁体を配置して、ケーブルが過熱しないように保護することができる。
マルチプレクサ３４８を使用して、供給源３４０によって生成される放射をキャビティ３４２、３４４、および３４６のいずれかに選択的に送ることができる。一実施形態では、これらのキャビティ内に順次、とりわけこれらのキャビティが排気ガスを取り込んだときに放射を送ることができる。こうすると、複数のプラズマ処理キャビティが単一の低電力放射供給源(例えば、供給源３４０)を共有し得る。本発明に適合する順次マルチプレクサ処理（多重処理）を、例えば、エンジンの燃焼または燃料噴射のタイミング・シーケンスに関連する回路によって生成されるタイミング信号に同期させることができる。別の実施形態では、放射供給源３４０は、すべてのプラズマ・キャビティ内に同時に放射を送ることができるが、このような同時に行う方法は、マルチプレクサ処理方式ほど効率的ではないことがある。
代替実施形態では、電磁放射供給源３４０は、(図示しない)１本または複数本の導波管を介してプラズマ・キャビティ３４２、３４４、および３４６の１つまたは複数に放射を送るように構成し得る。この導波管の形状(例えば、円筒、矩形、同軸、楕円など)を利用して、それぞれのキャビティ内で１つまたは複数の動作放射モード(例えば、TEM、TE、および/またはTM)を選択することができる。
図１１に、複数の放射供給源４１０、４１５、および４２０を各導管４０２、４０４、および４０６に直接連結して、同軸ケーブルまたは導波管を不要にし得る別のプラズマ支援排気処理システム４００を示す。図１１に示すように、各供給源４１０、４１５、および４２０は、エンジン・ブロックの燃焼シーケンスに同期させることができる中央コントローラ４２５によって制御し得る(例えば、トリガをかけることができる)。
図１２に、放射供給源４５５から放射透過性バリア４６５を貫通して導管４６０内に放射が供給される、本発明に適合するプラズマ支援ガス処理システム４５０の実施形態の別の例４５０を示す。この実施形態では、排気マニホルドの枝管４７０を通して導管４６０に排気ガスを供給し得る。あるいは、枝管４７０なしで直接導管４６０を通して排気ガスを供給することができる。いずれの場合でも、同軸ケーブル４７５および導波管４８０の少なくとも１本を通して導管４６０に放射を送ることができる。
図１２に示す実施形態では、導波管４８０は、導電性(例えば、金属)の短絡プレートを含み得る。放射結合を最適化するために、短絡プレート４８５からの距離が少なくとも約λ/４のところで放射が送られるように同軸ケーブル４７５のコネクタ４９０を構成し得る。ただし、λは放射(例えば、マイクロ波放射または無線周波数放射)の波長である。導波管４８０内に送られた後で、この放射は、セラミックまたは石英あるいはこの放射に対して実質的に透過性の任意の他の材料でできている放射透過性バリア４６５を貫通して導管４６０内を伝播し得る。
図１０に戻ると、プラズマ・キャビティ３４２、３４４、および３４６はそれぞれ、本発明に適合して、注入部３１２、３１４、および３１６のところか、あるいはそれらの近くに配置し得る。これらのキャビティを注入部の近くに配置することによって、これらのキャビティに入る排気ガスの温度が大幅に下がらないようにし得る。比較的高い温度で排気ガスをプラズマ・キャビティに入れることができるので、このガスからプラズマを開始するのに必要とされるエネルギーの量を比較的少なくし得る。このように、本発明の一実施形態に適合して、導管の中間部に沿って、排出部よりも注入部に近い任意の位置に１つまたは複数のプラズマ・キャビティを配置し得る。
図１０および図１１に示すように、本発明に適合する排気ガス処理システムは、複数の導管を含み得る。これらの実施形態では、各導管は異なる注入部を有し得る。また、排出部を共通の導管または別の排出部に接続し得る。図１０および図１１に示すように、各導管内で別々に別個のプラズマを使用して排気ガスを処理し得るが、単一のプラズマを使用して、すべての導管から供給された排気ガスを、それらを混合した後で(図示せず)、処理することができる。
本発明の一態様に適合して、本発明に適合する任意のプラズマ支援排気ガス処理システムは、プラズマ触媒を含み得る。上記で詳細に説明したように、この触媒は受動型または能動型とし得る。一実施形態では、プラズマ触媒はカートリッジ内に配置し得る。このカートリッジは、脱着可能、交換可能、または使い捨てにし得る。このカートリッジは、再装着可能および再使用可能とすることもできる。例えば、図１２に示すように、カートリッジ４９５は、導管４６０に挿脱可能な触媒支持構造を含み得る。この実施形態では、カートリッジ４９５は、もはや有効でなくなったときに交換し得る消耗品のプラズマ触媒(例えば、炭素繊維、放射供給源など)を含み得る。
導管４６０は、プラズマ触媒が有効かどうかを判別し得る(図示しない)排気ガス・モニタも含み得る。プラズマ触媒は、例えば、排気ガスおよび十分な量の放射の存在下でプラズマが迅速に点火されるときに有効とみなされる。例えば、酸素または一酸化炭素用のセンサを使用して、導管の排出部で排気ガスの組成を監視することができる。排気ガスの組成が許容できないと判別された場合、信号を生成し、それを用いて自動車の運転者などの使用者に整備が必要とされることを知らせることができる。
このように、本発明に適合する受動型および能動型プラズマ触媒を使用して、大気圧かつ放射出力量が少ない状態で排気プラズマを点火し、調節し、かつ/または維持し得る。一般に、このような触媒を使用する方法は、少なくとも１つのキャビティ内で、エンジンの排気ガスから、プラズマ触媒の存在下でこの排気ガスに約３３３GHz未満の周波数の電磁放射を当てることによって、少なくとも１つのプラズマを形成することを含む。
本発明に適合するプラズマ触媒を使用することの１つの利点は、有効動作温度を迅速に実現し得ることである。すなわち、プラズマが形成された時点から測定して約５秒未満の時間内で、さらには約１秒未満の時間内でも、十分に高い動作温度のプラズマを実現することが可能である。もちろん、正確な時間の長さは、所望の動作温度、ガスの流量、電磁放射出力などによって決まる。例えば、約１,０００℃よりも高い、あるいは約２,５００℃よりも高い動作温度が、真空機器を使用せずに極めて迅速に得られる。別の利点は、プラズマ触媒を使用して、迅速かつ簡単にプラズマを再点火し得ることである。このことは、例えば図１０に示すように、放射を順次マルチプレクサ処理するときに特に有用なことがある。
本発明に適合する一実施形態では、導管自体が、全部または一部がプラズマ触媒として働き得る。そのため、エンジン排気処理システムは、少なくとも１本の導管を含み得る。これらの導管の少なくとも１本は、エンジン・ブロックに連結され、かつエンジンの排気ガスを受け取るように構成された注入部と、このガスを放出する排出部と、このガスを注入部から排出部に搬送する中間部であって、この中間部内で排気ガスからプラズマを形成するために、少なくとも１つの電磁放射モードに対応するように設定された内部寸法を有する中間部とを含み得る。このシステムは、この中間部に約３３３GHz未満の周波数を有し得る電磁放射を供給する供給源も含み得る。
一実施形態では、プラズマ・キャビティ、あるいは導管の少なくとも一部は、同軸の形態をとる。そのため、内側のチューブと外側のチューブの間にキャビティを形成し得るが、他の形状および構成も可能である。これらのチューブは、導電性(例えば、金属製)または絶縁性(例えば、セラミック製)にし得ることを理解されたい。同軸構成を利用する場合、例えば、導波管または同軸ケーブルによってプラズマ・キャビティ内に電磁放射を供給することができる。同軸ケーブルの場合には、このケーブルを軸方向に取り付けることによって放射を供給し得る。同軸ケーブルの内部寸法が同軸導管の内部寸法と異なる場合、テーパ付きコネクタを使用してこれらの内面をほぼ同一にし、それによって放射を反射させない助けとし得る。
このシステムは、中間部に約３３３GHz未満の周波数を有し得る電磁放射を供給する供給源も含み得る。
そのため、導管の内部寸法は、この放射に最適化された導波管として、したがって、本発明に適合して排気プラズマを点火し、調節し、また維持するのに最適化された導波管として働くように構成し得る。
上記で述べたように、燃焼エンジンを含む任意のタイプの車両を、本発明に適合するエンジン排気処理システムとともに使用することができる。例えば、移動車両またはシステムは、乗用車、バス、トラック、飛行機、列車、オートバイ、トラクタ、移動機器、または燃焼エンジンによって動力が供給される任意の他の移動可能な装置とし得る。そのため、図１３に示すように、この場合には自動車５００である移動車両は、少なくともなんらかの種類のシャシ５０５、燃焼エンジン５１０、エンジン５１０に連結されてエンジン５１０から燃焼ガスを排気する導管５１５、および本発明に適合する排気処理システム５２０を含み得る。排気処理システム５２０は、とりわけ、導管に放射を送る電磁放射供給源５２５を含み得る。システム５２０は、本発明に適合してプラズマに触媒作用を及ぼすための(図１３には図示しない)プラズマ触媒も含み得る。
上記で説明した実施形態では、この開示を簡素化するために１つの実施形態に様々な特徴が合わせてグループ化されている。この開示方法を、特許請求する本発明が、各特許請求の範囲に明示的に記載されているものよりも多くの特徴を必要とするという意図を示すものと解釈すべきではない。そうではなくて、添付の特許請求の範囲に示すように、発明の態様は、上記で開示した１つの実施形態のすべての特徴の中に完全に収まる。そのため、ここに添付の特許請求の範囲をこの実施形態の詳細な説明に組み込む。特許請求の範囲はそれぞれ、本発明の別個の好ましい実施形態として独立している。
本発明に適合するプラズマ・システムの例を示す概略図である。 キャビティ内でプラズマを点火し、調節し、維持するためにプラズマ・キャビティに粉体プラズマ触媒を添加するための、本発明に適合するプラズマ・システムの一部の実施形態の例を示す図である。 長さに沿って濃度勾配を有する少なくとも１種類の成分を含む、本発明に適合するプラズマ触媒ファイバの例を示す図である。 長さに沿って比が変化する形で複数の成分を含む、本発明に適合するプラズマ触媒ファイバの例を示す図である。 コア下層および被覆を含む、本発明に適合するプラズマ触媒ファイバの別の例を示す図である。 図４の線５-５で切断した、本発明に適合する図４のプラズマ触媒ファイバを示す断面図である。 点火ポートを通して延びる細長いプラズマ触媒を含む、本発明に適合するプラズマ・システムの別の部分の実施形態の例を示す図である。 図６のシステムで使用し得る、本発明に適合する細長いプラズマ触媒の実施形態の例を示す図である。 図６のシステムで使用し得る、本発明に適合する細長いプラズマ触媒の実施形態の別の例を示す図である。 放射チャンバ内に放射を送る、本発明に適合するプラズマ・システムの一部の実施形態の例を示す図である。 本発明に適合するエンジン排気処理システムの例を示す簡略構成図である。 本発明に適合するエンジン排気処理システムの別の例を示す簡略構成図である。 本発明に適合するエンジン排気処理システムの別の例を示す簡略構成図である。 本発明に適合する排気処理システムを含む、この場合には自動車である移動車両の例を示す簡略構成図である。

Claims (59)

  1. 少なくとも１本の導管を備え、該導管が、
    エンジン・ブロックに連結され、エンジンの排気ガスを受け取るように構成された注入部と、
    前記ガスを放出する排出部と、
    前記ガスを前記注入部から前記排出部に搬送する中間部であって、前記ガスを処理するために前記注入部に近接して配置されたプラズマ・キャビティを含む中間部と、
    前記キャビティに約３３３GHz未満の周波数の放射を送るように構成された電磁放射供給源を備える、ことを特徴とするエンジン排気処理システム。
  2. 前記キャビティが前記注入部に配置される、ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  3. 前記キャビティが、前記中間部に沿って、前記排出部よりも前記注入部に近い位置に配置される、ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  4. 前記放射中に配置された受動型プラズマ触媒および能動型プラズマ触媒の少なくとも１つをさらに含む、ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  5. 前記プラズマ触媒が、前記キャビティから脱着可能に構成されたカートリッジ内に配置される、ことを特徴とする請求項４に記載のシステム。
  6. 前記プラズマ触媒が、少なくとも電気的に半伝導性の材料を含む少なくとも１種類の受動型プラズマ触媒を含む、ことを特徴とする請求項４に記載のシステム。
  7. 前記プラズマ触媒に保護層を被覆して、前記プラズマによって前記触媒が消費されるのを妨げる助けとする、ことを特徴とする請求項６に記載のシステム。
  8. 前記材料が、金属、無機材料、炭素、炭素系合金、炭素系複合物、導電性ポリマー、導電性シリコン・エラストマ、ポリマー・ナノコンポジット、および有機-無機複合物の少なくとも１つを含む、ことを特徴とする請求項６に記載のシステム。
  9. 前記材料が、ナノ粒子、ナノチューブ、粉体、粉塵、フレーク、ファイバ、シート、針、糸、撚り糸、フィラメント、織り糸、縫い糸、削りくず、スライバ、チップ、織布、テープ、およびウィスカの少なくとも１つの形態をとる、ことを特徴とする請求項８に記載のシステム。
  10. 前記触媒が炭素繊維を含む、ことを特徴とする請求項９に記載のシステム。
  11. 前記触媒が、ナノ粒子、ナノチューブ、粉体、粉塵、フレーク、ファイバ、シート、針、糸、撚り糸、フィラメント、織り糸、縫い糸、削りくず、スライバ、チップ、織布、テープ、およびウィスカの少なくとも１つの形態をとる、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
  12. 前記プラズマ触媒が粉体を含む、ことを特徴とする請求項８に記載のシステム。
  13. 前記プラズマ触媒が、少なくとも１種類のイオン化粒子を含む能動型プラズマ触媒である、ことを特徴とする請求項４に記載のシステム。
  14. 前記少なくとも１種類のイオン化粒子が粒子ビームを含む、ことを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
  15. 前記粒子が、X線粒子、ガンマ線粒子、アルファ粒子、ベータ粒子、中性子、および陽子の少なくとも１つである、ことを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
  16. 前記イオン化粒子が反応性核分裂生成物を含む、ことを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
  17. 前記プラズマを、圧力が少なくとも大気圧下の前記キャビティ内で形成し得る、ことを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
  18. 前記少なくとも１本の導管が複数の導管を含む、ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  19. 前記複数の導管がそれぞれ、異なる注入部を有し、共通の排出部を共有する、ことを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
  20. 使用に際して、前記キャビティに入る前記ガスの温度が、前記注入部における前記ガスの温度とほぼ同じになる位置に前記キャビティが配置される、ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  21. 少なくとも１つのキャビティ内で、エンジンの排気ガスから、プラズマ触媒の存在下で前記排気ガスに約３３３GHz未満の周波数の電磁放射を当てることによって、少なくとも１つのプラズマを形成することを含む、ことを特徴とするエンジンの排気ガスを処理する方法。
  22. プラズマが形成された時点から測定して約５秒未満の時間内で、有効動作温度を得ることをさらに含む、ことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
  23. 前記時間が約１秒未満である、ことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
  24. 前記少なくとも１つのキャビティが、それぞれの燃焼領域に個々に連結されるように構成された複数のキャビティを含み、前記キャビティがそれぞれ、動作中に前記各キャビティから流れる前記排気ガスが混合されるように、互いに流体連通して構成される、ことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
  25. 燃焼領域を出た後で前記ガスが第１温度を有し、前記第１温度から温度が大きく下がる前に、前記キャビティ内に前記排気ガスを送ることをさらに含む、ことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
  26. 前記プラズマの温度が約１,０００℃よりも高い、ことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
  27. 前記プラズマの温度が約２,５００℃よりも高い、ことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
  28. 前記少なくとも１つのキャビティが少なくとも１本の導管に沿って配置され、前記導管が、エンジン・ブロックに連結され、かつ前記エンジン排気ガスを受け取るように構成された注入部と、前記ガスを放出する排出部と、前記ガスを前記注入部から前記排出部に搬送する中間部とを備え、各キャビティが、それぞれの導管の前記注入部の近くに配置される、ことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
  29. 各導管が、異なる注入部を有し、共通の排出部を共有する、ことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
  30. 前記キャビティが前記注入部内にある、ことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
  31. 前記キャビティが、前記排出部よりも前記注入部の近くに配置される、ことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
  32. 前記プラズマ触媒が、受動型プラズマ触媒および能動型プラズマ触媒の少なくとも１つを含む、ことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
  33. 前記プラズマ触媒が、少なくとも電気的に半伝導性の材料を含む少なくとも１種類の受動型プラズマ触媒を含む、ことを特徴とする請求項３２に記載のシステム。
  34. 前記材料が、金属、無機材料、炭素、炭素系合金、炭素系複合物、導電性ポリマー、導電性シリコン・エラストマ、ポリマー・ナノコンポジット、および有機-無機複合物の少なくとも１つを含む、ことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
  35. 前記材料が、ナノ粒子、ナノチューブ、粉体、粉塵、フレーク、ファイバ、シート、針、糸、撚り糸、フィラメント、織り糸、縫い糸、削りくず、スライバ、チップ、織布、テープ、およびウィスカの少なくとも１つの形態をとる、ことを特徴とする請求項３２に記載の方法。
  36. 前記プラズマ触媒が粉体を含む、ことを特徴とする請求項３５に記載のシステム。
  37. 前記プラズマ触媒が、少なくとも１種類のイオン化粒子を含む能動型プラズマ触媒である、ことを特徴とする請求項３２に記載の方法。
  38. 前記少なくとも１種類のイオン化粒子が粒子ビームを含む、ことを特徴とする請求項３７に記載の方法。
  39. 前記粒子が、X線粒子、ガンマ線粒子、アルファ粒子、ベータ粒子、中性子、および陽子の少なくとも１つである、ことを特徴とする請求項３２に記載の方法。
  40. 前記プラズマを、圧力が少なくとも大気圧下の前記キャビティ内で形成し得る、ことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
  41. 第１燃焼領域および第２燃焼領域がそれぞれ、所定のタイミング・シーケンスに従って前記排気ガスの第１部分および第２部分を生成し、前記方法が、前記排気ガスの前記第１部分および第２部分を、前記タイミング・シーケンスに同期する方式で前記放射に晒すことをさらに含む、ことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
  42. 少なくとも１本の導管を備え、前記導管が、
    エンジン・ブロックに連結され、エンジンの排気ガスを受け取るように構成された注入部と、
    前記ガスを放出する排出部と、
    前記ガスを前記注入部から前記排出部に搬送する中間部であって、前記中間部内で、プラズマ触媒の存在下で前記排気ガスからプラズマを形成するために、少なくとも１つの電磁放射モードに対応するように設定された内部寸法を有する中間部と、
    前記中間部に約３３３GHz未満の周波数の電磁放射を供給する供給源と、を備える、ことを特徴とするエンジン排気処理システム。
  43. 前記供給源と前記導管の間に連結された同軸ケーブルをさらに備える、ことを特徴とする請求項４２に記載のシステム。
  44. 前記ケーブルと前記導管の間に導波管をさらに備える、ことを特徴とする請求項４３に記載のシステム。
  45. 前記放射が前記導管から漏れるのを防止する補助として、前記注入部に近接して配置された少なくとも１つの放射フィルタをさらに備える、ことを特徴とする請求項４２に記載のシステム。
  46. 前記放射が前記導管から漏れるのを防止する補助として、前記排出部に近接して配置された少なくとも１つの放射フィルタをさらに備える、ことを特徴とする請求項４２に記載のシステム。
  47. 前記内部寸法が、前記放射に最適化された導波管として働くように設定される、ことを特徴とする請求項４２に記載のシステム。
  48. 前記少なくとも１本の導管が少なくとも、第１燃焼領域に連結されるように構成された第１導管および第２燃焼領域に連結されるように構成された第２導管を備え、前記システムが、所定のタイミング・シーケンスに従って、前記第１導管内の前記排気ガスの第１部分を前記放射に晒し、前記第２導管内の前記排気ガスの第２部分を前記放射に晒すようなコントローラをさらに備える、ことを特徴とする請求項４２に記載のシステム。
  49. 前記所定のタイミング・シーケンスにより、任意の一時点で前記排気ガスの部分のうち１つの部分だけが晒される、ことを特徴とする請求項４８に記載のシステム。
  50. 前記導管の形状が同軸である、ことを特徴とする請求項４２に記載のシステム。
  51. 前記供給源が、同軸ケーブルによって前記導管に連結される、ことを特徴とする請求項５０に記載のシステム。
  52. 前記同軸ケーブルが内部断面寸法を有し、前記同軸導管が、前記同軸ケーブルの前記内部断面寸法とは異なる内部断面寸法を有し、前記システムがテーパ付きコネクタをさらに備え、前記コネクタを使用して、前記ケーブルと前記導管の連結部をほぼ同一面にすることができる、ことを特徴とする請求項５１に記載のシステム。
  53. 前記導管が少なくとも１つの空気ポートを含み、それによって、前記導管に空気を入れることができ、前記ガスを前記排出部に搬送する前に、前記ガスをさらに燃焼させることができる、ことを特徴とする請求項４２に記載の車両。
  54. シャシと、
    前記シャシに連結された燃焼エンジンと、
    前記エンジンから排気ガスを受け取るように構成されたエンジン排気処理システムであって、前記システムが少なくとも１本の導管を備え、前記導管が、エンジン・ブロックに連結され、かつエンジンの排気ガスを受け取るように構成された注入部と、前記ガスを放出する排出部と、前記ガスを前記注入部から前記排出部に搬送する中間部とを含んだエンジン排気処理システムと、
    前記ガスを処理するために前記注入部に近接して配置された少なくとも１つのプラズマ・キャビティと、
    前記キャビティに約３３３GHz未満の周波数の放射を供給するように構成された電磁放射供給源と、を備える、ことを特徴とする移動車両。
  55. 自動車である、ことを特徴とする請求項５４に記載の車両。
  56. 前記放射内にプラズマ触媒をさらに備える、ことを特徴とする請求項５４に記載の車両。
  57. 前記プラズマ触媒が、能動型プラズマ触媒および能動型プラズマ触媒の少なくとも１つを含む、ことを特徴とする請求項５６に記載の車両。
  58. 前記プラズマ触媒が炭素繊維を含む、ことを特徴とする請求項５６に記載の車両。
  59. 前記導管が少なくとも１つの空気ポートを含み、それによって、前記導管に空気を入れることができ、前記ガスをさらに燃焼させることができる、ことを特徴とする請求項５４に記載の車両。
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