(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-05-18
(54)【発明の名称】復熱装置を有するプラズマ発生器
(51)【国際特許分類】
H05H 1/24 20060101AFI20220511BHJP
B01J 19/08 20060101ALI20220511BHJP
【ＦＩ】
H05H1/24
B01J19/08 E
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021556396
(86)(22)【出願日】2020-03-01
(85)【翻訳文提出日】2021-11-16
(86)【国際出願番号】 US2020020570
(87)【国際公開番号】W WO2020197705
(87)【国際公開日】2020-10-01
(31)【優先権主張番号】62/823,436
(32)【優先日】2019-03-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/823,492
(32)【優先日】2019-03-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/823,505
(32)【優先日】2019-03-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/823,508
(32)【優先日】2019-03-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/823,514
(32)【優先日】2019-03-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/823,517
(32)【優先日】2019-03-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/823,484
(32)【優先日】2019-03-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】16/805,670
(32)【優先日】2020-02-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】514014827
【氏名又は名称】リカーボン，インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110002077
【氏名又は名称】園田・小林特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】レオナルド， ザ サード， ジョージ スティーブン
(72)【発明者】
【氏名】マクレランド， ステファン アンドリュー
(72)【発明者】
【氏名】クー， ジェ モ
【テーマコード（参考）】
2G084
4G075
【Ｆターム（参考）】
2G084BB36
2G084CC14
2G084CC32
2G084DD44
2G084DD51
2G084DD56
2G084FF02
2G084FF04
2G084FF11
2G084FF19
2G084FF31
2G084FF39
4G075AA03
4G075AA45
4G075AA63
4G075BA10
4G075CA47
4G075DA02
4G075EA05
4G075EB41
4G075FB02
4G075FC06
(57)【要約】
プラズマ発生システム（１０）が、そこを通してマイクロ波エネルギーを伝送するための導波管（２０）、およびプラズマ空洞を画定するために導波管内に配置される内壁（４０）を有し、マイクロ波エネルギーを使用してプラズマ（４６）がプラズマ空洞内で発生する。プラズマ発生システム（１０）が、ガス出口（３２）を有するアダプタ（４４）であって、プラズマ（４６）によって処理される排出ガスがガス出口（３２）を通ってプラズマ空洞から外に出る、アダプタ（４４）と、アダプタ（４４）内のガス出口（３２）と流体連通しているガス通路を有する、アダプタ（４４）に直接取り付けられる復熱装置（１００）と、をさらに有する。復熱装置（１００）が排出ガスから熱エネルギーを回収し、熱エネルギーを使用して入力ガスを加熱する。
【選択図】図２
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
プラズマ発生システムであって、中にプラズマを発生させるためのプラズマ空洞と、
ガス出口を有するアダプタであって、前記プラズマによって処理される排出ガスが前記ガス出口を通って前記プラズマ空洞から外に出る、アダプタと、
前記アダプタ内の前記ガス出口と流体連通しているガス通路を有する、前記アダプタに直接取り付けられる復熱装置であって、前記復熱装置が前記排出ガスから熱エネルギーを回収し、前記熱エネルギーを使用して入力ガスを加熱するように構成される、復熱装置と
を備えるプラズマ発生システム。
【請求項2】
前記復熱装置が、内部にある閉鎖空間と、前記閉鎖空間の内部に配置されて前記入力ガスに熱エネルギーを受け渡す１つまたは複数のバッフルと、を有する、請求項１に記載のプラズマ発生システム。
【請求項3】
前記復熱装置が前記ガス通路内に配置される１つまたは複数のバッフルを有し、前記１つまたは複数のバッフルが前記排出ガスから熱エネルギーを回収する、請求項１に記載のプラズマ発生システム。
【請求項4】
前記１つまたは複数のバッフルの各々が、前記ガス出口から外に出る前記排出ガスの流れ方向に平行に配置構成される、請求項３に記載のプラズマ発生システム。
【請求項5】
前記１つまたは複数のバッフルの各々が、前記ガス出口から外に出る前記排出ガスの流れ方向を基準として螺旋溝を有する、請求項３に記載のプラズマ発生システム。
【請求項6】
前記復熱装置が、内部にある閉鎖空間と、前記閉鎖空間に入る前記入力ガスが流れるときに通るガス入口と、前記熱エネルギーを使用して加熱された前記入力ガスが前記閉鎖空間から外に出るときに通るガス出口と、を有する、請求項１に記載のプラズマ発生システム。
【請求項7】
前記復熱装置が前記アダプタの底部壁に直接接触するキャップを有し、前記復熱装置の前記ガス出口が前記キャップ内に形成され、前記アダプタの前記底部壁がガス入口を有し、前記復熱装置の前記ガス出口が前記アダプタの前記ガス入口に位置合わせされ、その結果、前記閉鎖空間内で加熱された前記入力ガスが前記復熱装置のガス出口および前記アダプタの前記ガス入口を通って前記アダプタの中まで流れる、請求項６に記載のプラズマ発生システム。
【請求項8】
前記復熱装置によって加熱された前記入力ガスを前記プラズマ空洞の中に導入するように構成される流れ入口と、前記復熱装置の前記ガス出口に結合される一方の端部、および前記流れ入口に結合されるもう一方の端部を有するパイプであって、前記復熱装置によって加熱された前記入力ガスが前記パイプを通過する、パイプと
をさらに備える、請求項６に記載のプラズマ発生システム。
【請求項9】
そこを通してマイクロ波エネルギーを伝送するための導波管と、前記プラズマ空洞を画定するように前記導波管内に配置される内壁であって、前記マイクロ波エネルギーを使用して前記プラズマ空洞内でプラズマが発生する、内壁と
をさらに備え、
前記アダプタが前記導波管の底部側に設置され、前記流れ入口が前記導波管の頂部側に設置される、
請求項８に記載のプラズマ発生システム。
【請求項10】
前記流れ入口が前記プラズマ空洞に入る渦流れとして前記入力ガスを導入する、請求項８に記載のプラズマ発生システム。
【請求項11】
円形の中空円筒の形状を有して前記プラズマ空洞の中へ突出するプラズマスタビライザであって、前記流れ入口の一部分が前記プラズマスタビライザの内部に配置される、プラズマスタビライザをさらに備える、請求項８に記載のプラズマ発生システム。
【請求項12】
前記アダプタが、前記復熱装置によって加熱された前記入力ガスを使用して前記プラズマ空洞内で渦流れを発生させるように構成される、請求項１に記載のプラズマ発生システム。
【請求項13】
円形の中空円筒の形状を有して前記アダプタ上に配置されるプラズマスタビライザをさらに備え、
前記プラズマスタビライザの長手方向が前記渦流れの回転軸に平行である
請求項１２に記載のプラズマ発生システム。
【請求項14】
前記アダプタおよび前記復熱装置が１つのモノリシックボディとして形成される、請求項１に記載のプラズマ発生システム。
【請求項15】
プラズマ発生システムであって、そこを通してマイクロ波エネルギーを伝送するための導波管と、
プラズマ空洞を画定するために前記導波管内に配置される内壁であって、前記マイクロ波エネルギーを使用して前記プラズマ空洞内でプラズマが発生し、前記導波管がガス出口を有し、前記プラズマによって処理された排出ガスが前記ガス出口を通って前記プラズマ空洞から外に出る、内壁と、
前記導波管内の前記ガス出口と流体連通しているガス通路を有する、前記導波管に直接取り付けられる復熱装置であって、前記復熱装置が、前記排出ガスから熱エネルギーを回収し、前記熱エネルギーを使用して入力ガスを加熱するように構成される、復熱装置と、
前記復熱装置から前記入力ガスを受け取って前記入力ガスを前記プラズマ空洞の中に導入するように構成される、前記導波管上に設置されるガス入口と、
前記復熱装置に結合される一方の端部および前記ガス入口に結合されるもう一方の端部を有するパイプと
を備え、
前記入力ガスが前記復熱装置から前記パイプを通って前記ガス入口まで流れる
プラズマ発生システム。
【請求項16】
前記復熱装置が、内部にある閉鎖空間と、前記閉鎖空間の内部に配置される１つまたは複数のバッフルと、を有し、熱エネルギーが前記１つまたは複数のバッフルから流入ガスに受け渡される、請求項１５に記載のプラズマ発生システム。
【請求項17】
前記復熱装置が前記ガス通路内に配置される１つまたは複数のバッフルを有し、前記１つまたは複数のバッフルが前記排出ガスから熱エネルギーを回収する、請求項１５に記載のプラズマ発生システム。
【請求項18】
前記１つまたは複数のバッフルの各々が、前記ガス出口から外に出る前記排出ガスの流れ方向に平行に配置構成される、請求項１５に記載のプラズマ発生システム。
【請求項19】
前記１つまたは複数のバッフルの各々が、前記ガス出口から外に出る前記排出ガスの流れ方向を基準として螺旋溝を有する、請求項１５に記載のプラズマ発生システム。
【請求項20】
前記ガス入口が、渦流れとして前記入力ガスを前記プラズマ空洞の中に導入するように構成される、請求項１５に記載のプラズマ発生システム。
【請求項21】
円形の中空円筒の形状を有して前記プラズマ空洞の中へ突出するプラズマスタビライザであって、前記ガス入口の一部分が前記プラズマスタビライザの内部に配置される、プラズマスタビライザをさらに備える、請求項１５に記載のプラズマ発生システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はプラズマ発生器に関し、より詳細には、プラズマ発生器の排出ガスから熱を回収するための復熱装置を有するプラズマ発生器に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、マイクロ波テクノロジが種々の種類のプラズマを発生させるのに適用されている。例えば、プラズマ源として利用されるマイクロ波放電が、マイクロ波エネルギーを、処理されるべきガスを収容する放電チャンバに結び付けることにより達成される。通常、排出ガスが高温になると、ガスがプラズマによって処理され／プラズマに反応し、プラズマチャンバから出る。排出ガスを冷却するための従来の配管システムでは、排出ガスの未回収の熱的エネルギーを原因とした熱損失の被害を受ける可能性がある。
【0003】
また、排出ガスを冷却するための従来の冷却システムはプラズマ反応器を従来の冷却システムに接続するチューブ類またはパイプ類を有し、ここでは、チューブ類が、排出ガスの熱的および化学的性質に、また可能性として酸化に、耐えることが必要である。通常、耐熱金属または耐熱材料の上に非標準（ｅｘｏｔｉｃ）のコーティングを用いて熱的ダメージおよび化学的ダメージからの保護を達成することが最もひいき目に見ても非実用的であり、高価である。さらに、排出ガスの熱的エネルギーを回収する場合、チューブ類またはパイプ類に付随のあらゆる熱損失および断熱条件によりプラズマシステムの効率が低下することになる。その理由は、通常、パイプ類の熱損失が、プラズマ反応器の従来の流量および温度に非常に大きい影響を与え得るからである。
【0004】
したがって、複雑な冷却システムのデザインおよび／または加工することが困難である材料を導入することなく、プラズマシステムのエネルギー効率を向上させるために、排出ガスから熱エネルギーを回収して熱エネルギーを流入ガスに受け渡すためのコンパクトな復熱装置が必要である。
【発明の概要】
【0005】
本発明の一態様によると、プラズマ発生システムが、中にプラズマを発生させるためのプラズマ空洞と、ガス出口を有するアダプタであって、プラズマによって処理される排出ガスがこのガス出口を通ってプラズマ空洞から外に出る、アダプタと、アダプタ内のガス出口と流体連通しているガス通路を有する、アダプタに直接取り付けられる復熱装置であって、復熱装置が排出ガスから熱エネルギーを回収し、熱エネルギーを使用して入力ガスを加熱するように構成される、復熱装置と、を有する。
【0006】
本発明の一態様によると、プラズマ発生システムが、そこを通してマイクロ波エネルギーを伝送するための導波管と、プラズマ空洞を画定するために導波管内に配置される内壁であって、マイクロ波エネルギーを使用してプラズマ空洞内でプラズマが発生し、導波管がガス出口を有し、プラズマによって処理された排出ガスがこのガス出口を通ってプラズマ空洞から外に出る、内壁と、導波管内のガス出口と流体連通しているガス通路を有する、導波管に直接取り付けられる復熱装置であって、復熱装置が、排出ガスから熱エネルギーを回収し、熱エネルギーを使用して入力ガスを加熱するように構成される、復熱装置と、復熱装置から入力ガスを受け取って入力ガスをプラズマ空洞の中に導入するように構成される、導波管上に設置されるガス入口と、復熱装置に結合される１つの端部およびガス入口に結合される別の端部を有するパイプと、を有し、入力ガスが復熱装置からパイプを通ってガス入口まで流れる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】本開示の実施形態によるプラズマ発生システムを示す概略図である。
【図3】本開示の実施形態による渦発生器を示す斜視図である。
【図5】本開示の実施形態によるアダプタを示す斜視図である。
【図7】本開示の実施形態による内側渦流れを示す斜視図である。
【図8】本開示の実施形態による外側渦流れを示す斜視図である。
【図9】本開示の実施形態による復熱装置を示す斜視図である。
【図10A】本開示の実施形態による復熱装置を示す斜視図である。
【図11】本開示の実施形態によるフィン／バッフルを示す斜視図である。
【図13】本開示の実施形態による復熱装置を示す斜視図である。
【図16】本開示の実施形態による復熱装置を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下の記述では、説明のために、本開示を理解するのを可能にする具体的な細部が記載される。しかし、本開示がこれらの細部なしでも実施され得ることが当業者には明らかであろう。さらに、以下で説明される本開示の実施形態が多様な手法で実装され得ることを当業者であれば認識するであろう。
【0009】
図に示される構成要素またはモジュールは本開示の例示の実施形態を説明するためのものであり、本開示を不明瞭するのを回避することを意図される。さらに、本考察の全体を通して構成要素がサブユニットを含んでよい別個の機能ユニットとして説明され得ることが理解されるであろうが、種々の構成要素またはその部分が別個の構成要素として分割されてもよいか、あるいは単一のシステムまたは構成要素内で一体化されることを含めて一体に統合されてもよいことを当業者であれば認識するであろう。本明細書で考察される機能または動作が構成要素として実装され得ることに留意されたい。
【0010】
本明細書において、「１つの実施形態（ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、「好適な実施形態（ｐｒｅｆｅｒｒｅｄ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、「一実施形態（ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｔ）」または「実施形態（ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔｓ）」を参照することは、この実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、特性、または機能が本開示の少なくとも１つの実施形態に含まれ、さらに２つ以上の実施形態に存在してもよい、ことを意味する。さらに、上で述べたフレーズが本明細書の多様な場所で現れることは、必ずしもすべてが同じ実施形態を意味するわけではない。
【0011】
本明細書の多様な場所で特定の用語を使用することは例示のためであり、限定するものとして解釈すべきではない。「含む、有する（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「含む、有する（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、および「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は非限定の用語であると理解されるものであり、後述のいかなるリストも例であり、列記されるアイテムのみに限定されることを意図されない。
【0012】
図１は、本開示の実施形態によるプラズマ発生システム１０の概略図を示す。描かれるように、プラズマ発生システム１０が、中空チューブの形状を有するマイクロ波空洞／導波管２０と、導波管２０に接続されるプラズマチャンバ２２と、マイクロ波導波管２０を介してプラズマチャンバ２２にマイクロ波エネルギーを提供するように動作可能である、導波管２０に接続されるマイクロ波供給ユニット１２と、を有する。実施形態では、プラズマチャンバ２２がマイクロ波エネルギーを受け取り、受け取ったマイクロ波エネルギーを使用することによりガスを処理する。実施形態では、ガスタンク３０がガスライン２８を介してプラズマチャンバ２２にガスを提供する。
【0013】
マイクロ波供給ユニット１２がプラズマチャンバ２２にマイクロ波エネルギーを提供し、マイクロ波供給ユニット１２が、マイクロ波を発生させるためのマイクロ波発生器１４と、マイクロ波発生器１４に電力を供給するための電源１６と、プラズマチャンバ２２から反射してマイクロ波発生器１４の方に移動するマイクロ波エネルギーを低減するためのチューナー１８と、を有する。実施形態では、マイクロ波供給ユニット１２が、マイクロ波発生器１４の方に伝播する反射マイクロ波エネルギーを消散させるための擬似負荷を有するアイソレータ、反射マイクロ波エネルギーを擬似負荷まで誘導するためのサーキュレータ、および導波管２０の端部のところに配置されるスライド式の短絡回路（ｓｌｉｄｉｎｇ ｓｈｏｒｔ ｃｉｒｃｕｉｔ）などの、他の構成要素を有することができる。
【0014】
図２は、本開示の実施形態による、線２－２に沿う（つまり、紙に平行な平面に沿って切断される）、図１のプラズマチャンバ２２の断面図を示す。描かれるように、プラズマチャンバ２２が、内壁４０と、プラズマスタビライザ３８と、プラズマチャンバに前進流を導入するように構成される、ガスライン２９に接続される前進流入口４２と、プラズマチャンバに逆流を導入するように構成される、ガスライン２８に接続される逆流入口（「アダプタ」とも称される）と、排出ガスから熱エネルギーを回収するように構成される、アダプタ４４に接触する復熱装置１００と、を有する。ここでは、プラズマ空洞という用語は、内壁４０と、導波管２０と、前進流入口４２と、アダプタ４４とによって囲まれる閉鎖空間を意味し、逆流および前進流が、導波管２０を介して伝送されるマイクロ波エネルギーによりプラズマ空洞内で処理／改質される。
【0015】
実施形態では、内壁４０が、石英またはセラミックなどの、マイクロ波エネルギーに対して透過性である材料で形成される。実施形態では、内壁４０が、一様な流れ、熱抵抗、化学的耐久性、および電磁透過性のために所望される任意適切な他の誘電材料で形成される。実施形態では、内壁４０が、限定しないが、好適には中空円形の円筒の形状を有する。
【0016】
図３は、本開示の実施形態による前進流入口４２の斜視図を示す。図４は、本開示の実施形態による、線４－４に沿う、前進流入口４２の断面図を示す。描かれるように、前進流入口４２が、ガスライン２９と、その壁の中に形成される１つまたは複数のガス通路４８とを結び付けるための孔／アダプタ４７を有する。実施形態では、ガス通路４８の出口がプラズマスタビライザ３８の内部に位置し、その結果、プラズマスタビライザ３８が、ガス通路４８から外に出る流れを使用して内側渦流れ４３を形成する。実施形態では、プラズマスタビライザ３８の内径が内側渦流れ４３の外径を調整するために変更され得る。実施形態では、上で考察したように、プラズマスタビライザ３８が、中空円形の円筒の形状を有することができ、前進流入口４２と同心円状に配置され得る。
【0017】
実施形態では、各ガス通路４８が、ガス通路４８を介して前進流がプラズマ空洞に入るときに前進流にスパイラル運動を加えるように配置構成される。実施形態では、各ガス通路４８が前進流の渦度を向上させるように湾曲していてよい。実施形態では、前進流入口４２がセラミックなどの任意適切な材料で形成され、その結果、入口が導波管２０から電気的に隔離され、プラズマ４６からの熱エネルギーに耐える。実施形態では、前進流入口４２が金属または誘電材料で形成される。
【0018】
実施形態では、プラズマスタビライザ３８が、マイクロ波エネルギーに対して透過性である材料で形成され、好適には内壁４０と同じ材料で形成される。実施形態では、プラズマスタビライザ３８が導波管２０に取り付けられ、プラズマ空洞の中へ突出しており、ここでは、プラズマスタビライザ３８の軸方向がｙ軸に平行である。実施形態では、上で考察したように、内壁４０が中空円形の円筒の形状を有することができ、プラズマスタビライザ３８が内壁４０に同心円状に装着され得る。実施形態では、プラズマスタビライザ３８の内部の前進流が内側渦流れ４３を形成し、導波管２０のもう一方の端部の方に、またより具体的には、ガス出口３２の方に、前進する。図７は、本開示の実施形態による内側渦流れ４３の斜視図を示す。描かれるように、前進流（または等価の意味で、内側渦流れ）が螺旋運動で内壁４０の長さ方向に移動し、最終的に内側渦流れがガス出口３２から外に出る。
【0019】
実施形態では、プラズマ点火器（図２には示されない）によるプラズマプルーム（または簡単に言うと、プラズマ）の点火時、プラズマ４６がマイクロ波発生器１４によって伝送されるマイクロ波エネルギーによって維持される。プラズマ点火器の例示の実施形態の説明を、その全体が参照により本明細書に組み込まれている、２０２０年２月２８日に出願した、「Ｄｕｒａｂｌｅ ａｕｔｏ－ｉｇｎｉｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ｐｌａｓｍａ ｒｅａｃｔｏｒ」と題する、同時係属の米国特許出願第１６／８０５，６６１号で見ることができる。
【0020】
実施形態では、プラズマ４６が内側渦流れ４３内に位置し、その結果、内側渦流れ４３のガス粒子がプラズマ４６を通過する。実施形態では、プラズマスタビライザ３８が内側渦流れ４３の外径を決定し、それによりガス出口３２を通ってプラズマ空洞から外に出る前に前進流がプラズマ４６を迂回することが防止される。実施形態では、プラズマスタビライザ３８が、内側渦流れ４３を外側渦流れ４５から分離することによりプラズマ４６を安定状態で維持するのを補助する。
【0021】
図５は、本開示の実施形態によるアダプタ４４の斜視図を示す。図６は、本開示の実施形態による、線６－６に沿う、アダプタ４４の断面図を示す。描かれるように、アダプタ４４が、開口部８２であって、復熱装置１００からのガスがこの開口部８２を通ってアダプタの中へ流れる、開口部８２と、ガス出口３２を形成するための孔と、停滞チャンバ（ｓｔａｇｎａｔｉｏｎ ｃｈａｍｂｅｒ）８０と、アダプタ４４の壁内に形成される１つまたは複数のガス通路５１と、を有する。実施形態では、開口部８２がアダプタの底部壁内に形成され、リング形状のスリットである。それでも、開口部が他に適切な形状を有してもよい。
【0022】
実施形態では、各ガス通路５１が、ガス通路５１を介して逆流がプラズマ空洞に入るときに逆流にスパイラル運動を加えるように配置構成される。実施形態では、各ガス通路５１が逆流の渦度を向上させるように湾曲していてよい。実施形態では、アダプタ４４が、限定しないが、好適には、インコネルまたはハステロイなどのＮｉ合金で形成される。
【0023】
実施形態では、開口部８２を通って流れるガスが停滞チャンバ／空間８０に入る。実施形態では、逆流と称される流れが、停滞チャンバ８０から外に出て内壁４０の方に移動し、さらに、螺旋運動で、内壁４０に沿って導波管２０のもう一方の端部の方へと上方に前進する（ｙ軸方向）。次いで、逆流が、下方に前進して外側渦流れ４５を形成するように、流れ方向を反対にする。実施形態では、外側渦流れ４５の回転軸がｙ軸に実質的に平行である。図８は、本開示の実施形態による外側渦流れ４５の斜視図を示す。描かれるように、外側渦流れ４５が中空円筒形状を有し、２つの流れ領域、内側下向きの流れ領域４５－１および外側上向きの流れ領域４５－２、を有する。実施形態では、内側渦流れ４３が外側渦流れ４５の中心の中空部分内に配置され、内側下向きの流れ領域４５－１によって囲まれる。前進流入口４２からのガスがアダプタ４４からの流れに混合され、それにより内側渦流れ４３を形成することに留意されたい。実施形態では、外側渦流れ４５が内側渦流れ４３を囲み、それにより内壁４０をプラズマ４６から遮蔽する。
【0024】
実施形態では、上で考察したように、プラズマスタビライザ３８の内径が内側渦流れ４３の半径方向寸法を決定する。したがって、実施形態では、プラズマスタビライザ３８の内径が、外側渦流れ４５により内側渦流れ４３を囲んで内側渦流れ４３の流れ形態を安定して維持するように、調整され得、それによりプラズマを安定させ、スループットおよび効率を向上させる。
【0025】
実施形態では、プラズマ４６が流入ガスを所望の製品ガスへと改質するのに使用され、ここでは、流入ガスが前進流入口４２およびアダプタ４４によりプラズマ空洞に導入される。実施形態では、前進流入口４２から外に出る内側渦流れのガス組成が、ＣＯ２、ＣＨ４、およびＯ２を含み、ガス出口３２から外に出るガスがＣＯおよびＨ２さらには前進流ガスの未反応部分を含む。実施形態では、前進流の好適な配分が、プラズマチャンバ２２に入る全体の流れの質量の５％～９５％である。実施形態では、前進流および逆流のガス組成および流量が、プラズマの安定性およびプラズマチャンバ２２内での化学反応の効率を向上させるように調整され得る。
【0026】
実施形態では、復熱装置１００が、ガス出口３２から外に出る排出ガスから熱エネルギーを回収し、この熱エネルギーを流入ガスに受け渡す。図９は、本開示に実施形態により、復熱装置１００の斜視図を示す。描かれるように、復熱装置１００が閉鎖空間／チャンバ１０９を中に有するガス容器であり、復熱装置１００の壁が、内側シェル１０２と、外側シェル１０３と、頂部キャップ１０６と、底部キャップ１０７と、頂部キャップ１０６内に形成される開口部（「出口」とも称される）と、内側シェルおよび外側シェルに固定されて閉鎖空間／チャンバ１０９内に配置される１つまたは複数のフィン／バッフルと、を有する。実施形態では、開口部１１１がリング形状のスリットである。それでも、開口部１１１が他の適切な形状を有してもよい。実施形態では、アダプタ４４内の開口部８２が復熱装置１００の頂部キャップ内に形成される開口部１１１に位置合わせされ、その結果、加熱されたガスがチャンバ１０９からアダプタ４４の中まで流れる。
【0027】
実施形態では、内側シェルおよび外側シェルの各々が中空円形の円筒の形状を有し、頂部キャップおよび底部キャップの各々がリング形状のディスクの形状を有し、ここでは、内側シェル１０２、外側シェル１０３、頂部キャップ１０６、および底部キャップ１０７がチャンバ１０９を画定する。実施形態では、復熱装置１００が、好適には、インコネルファミリーのうちの１つなどの、ニッケル合金で作られる（しかし、これのみに限定されない）。
【0028】
実施形態では、内側シェル１０２が、アダプタ４４のガス出口３２と流体連通しているガス通路／孔１０８を画定し、ここでは、排出ガスがガス通路１０８を通って流れる。実施形態では、外側シェル１０３が、ガスライン２８に結び付けるための入口孔／アダプタ１１４と、ガスライン２９に結び付けるための出口孔／アダプタ１１２とを有する。
【0029】
実施形態では、ガス通路１０８を通って流れる反応ガス／排出ガスが高温である。実施形態では、復熱装置１００が、受け渡された熱エネルギーを、ガスタンク３０からの流入ガスを加熱するのに使用し、加熱された流入ガスがアダプタ４４および／または前進流入口４２に入り、それによりプラズマ４６によって引き起こされる反応の効率を向上させる。さらに、復熱装置１００が、ガス通路１０８を通って反応ガス／排出ガスが流れるときに反応ガス／排出ガスから熱エネルギーを抽出し、それにより、排出ガスの温度を復熱装置の材料の融点または使用温度未満まで低下させる。
【0030】
実施形態では、フィン／バッフル１０４が、過度の圧力低下を誘発することなく、表面積および熱輸送を最大にするように配置構成される。実施形態では、追加のバッフルがガス通路１０８内に配置され得る。図１０Ａは、本開示の実施形態による復熱装置１５０の斜視図を示す。図１０Ｂは、本開示の実施形態による、図１０Ａの復熱装置１５０の上面図を示す。描かれるように、１つまたは複数のフィン／バッフル１５２がガス流れに平行に配置され、それにより過度の圧力低下を誘発することなく熱交換を改善する。
【0031】
図１０Ｃは、本開示の実施形態による、図１０Ａのフィン／バッフル１５２の斜視図を示す。描かれるように、フィン１５２が長方形プレートの形状を有し、アダプタ４４から外に出る排出ガス流れに実質的に平行に配置構成される。実施形態では、バッフル１５２が、ガス通路１０８を通るガスの流れを基準としていずれかの向きの螺旋溝を有することができる。図１１は、本開示の実施形態によるフィン／バッフル１６２の斜視図を示す。描かれるように、フィン／バッフル１６２が、排出ガス流れを基準として、螺旋溝を有し／湾曲しており、その結果、排出ガス流れがフィンによって偏向される。実施形態では、フィン１６２がフィン１５２の平面内で使用され得る。
【0032】
実施形態では、チャンバ１０９内部の加熱された流入ガスの一部が、頂部キャップ１０６内に形成される開口部１１１およびアダプタ４４の底部側に形成される開口部８２の両方を通って停滞チャンバ８０に入る。実施形態では、チャンバ１０９内部の加熱された流入ガスの残りの部分が出口孔／アダプタ１１２およびガスライン２９を通って流れて前進流入口４２に入る。
【0033】
代替的実施形態では、前進ガス入口（ｆｏｒｗａｒｄ ｇａｓ ｉｎｌｅｔ）４２がガスタンク３０に類似の別個のガスタンクから流入ガスを受け取ることができ、つまり、ガスライン２９が別個のガスタンクに直接結合され得、前進ガス入口４２の中へ流れるガスが室温であってよい。このような構成では、前進流が逆流とは異なるガス組成を有することができる。さらに、動作中、前進流（および／または、逆流）のガス組成が変えられ得る。例えば、前進流がプラズマ４６の点火を補助するためにアルゴンの塊を含むことができる。実施形態では、前進流および逆流のガスおよび流量が、プラズマの安定性およびプラズマチャンバ２２内の化学反応の効率を向上させるために調整され得る。
【0034】
図１２は、本開示の実施形態による、線２－２に沿う、図１のプラズマチャンバの断面図を示す。図１３は、本開示の実施形態による復熱装置２３０の斜視図を示す。描かれるように、プラズマチャンバ２２２は図２のプラズマチャンバ２２と同様であるが、プラズマチャンバ２２２が逆流入口（アダプタ）を有さないことが異なる。実施形態では、導波管２２０がガス出口２３２を有し、プラズマ２４６によって処理された／プラズマ２４６に反応したガスがガス出口２３２を通ってプラズマ空洞から外に出る。プラズマチャンバ２２２が、外側渦流れ４５と同様の外側渦流れを発生させないことに留意されたい。
【0035】
実施形態では、復熱装置２３０が導波管２２０に直接取り付けられ、復熱装置２３０の内側シェル２４２が、導波管２２０の壁内に形成されるガス出口２３２と流体連通している孔２４８を画定する。実施形態では、復熱装置２３０が孔２４８を通って流れる排出ガスから熱エネルギーを回収し、ガスライン２２９を介してチャンバ２３９内のガスを前進ガス入口２４２に移送する前にチャンバ２３９内のガスを加熱するのにこの熱エネルギーを使用する。
【0036】
実施形態では、復熱装置２３０は図９の復熱装置１００と同様であるが、復熱装置２３０の頂部キャップ２３６がプラズマ空洞にガスを提供するためのリング形状のスリットを一切有さないことが異なる。プラズマチャンバ２２２の構成要素がプラズマチャンバ２２２のそれらの対応する部分と同様の材料で形成されることに留意されたい。さらに、プラズマスタビライザ２３８が任意選択の構成要素であることに留意されたい。
【0037】
図１４は、本開示の実施形態による、線２－２に沿う、図１のプラズマチャンバの断面図を示す。描かれるように、プラズマチャンバ３２２はプラズマチャンバ２２と同様であるが、プラズマスタビライザ３３８が逆流入口（「アダプタ」とも称される）３４４上に配置されることが異なる。プラズマチャンバ３２２が図１のプラズマチャンバ２２の種々の実施形態のうちの１つの実施形態であることに留意されたい。プラズマチャンバの他の例示の実施形態の説明を、その全体が参照により本明細書に組み込まれている、２０２０年１月２６日に出願した、「Ｐｌａｓｍａ ｒｅａｃｔｏｒ ｆｏｒ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｇａｓ」と題する、同時係属の米国特許出願第１６／７５２，６８９号で見ることができる。
【0038】
図１５は、本開示の実施形態による、線２－２に沿う、図１のプラズマチャンバの断面図を示す。描かれるように、プラズマチャンバ４２２はプラズマチャンバ２２と同様であるが、プラズマチャンバ４２２が、前進流入口、さらには前進流入口のための加熱された流入ガスを提供するためのガスライン２９を有さないことが異なる。したがって、プラズマチャンバ４２２が、内側渦流れ４３と同様の内側渦流れを発生させない。図１６は、本開示の実施形態による、図１５の復熱装置４３０の斜視図を示す。実施形態では、図９の復熱装置１００と比較すると、復熱装置４３０が、ガスライン２９に接続されるためのガス出口孔／アダプタ１１２を有さない。
【0039】
復熱装置２３０および４３０が復熱装置１００内にあるフィン／バッフル１５２（または、１６２）と同様の追加のフィン／バッフルを有することができ、つまり、各々の復熱装置２３０および４３０が孔の中にフィン／バッフルを有することができ、反応ガス／排出ガスがこの孔を通って流れることに留意されたい。
【0040】
図２に関連させて上で考察したように、ねじ（図２では示されない）などの適切な固定機構により、復熱装置１００がアダプタ４４に着脱自在に固定される。代替的実施形態では、復熱装置がアダプタに固定されず、代わりに、復熱装置１００およびアダプタ４４が１つのモノリシックボディとして形成される。同様に、代替的実施形態では、図１４（または、図１５）の復熱装置およびアダプタが１つのモノリシックボディとして形成され得る。
【0041】
図１～１６の復熱装置がアダプタまたは導波管に直接取り付けられ、つまり、復熱装置がプラズマチャンバに直接固定されるかまたはプラズマチャンバと同じボディとして一体化され、それにより高価な材料または加工することが困難である材料の使用を最小にすることに留意されたい。さらに、実施形態では、排出ガスおよび流入ガスは、復熱装置内の流入ガスが復熱装置のボディを冷却するように機能することで、復熱装置のボディの材料の融解またはその推奨の使用温度を超えるのを防止するように、および復熱装置のボディの温度が復熱装置の使用温度を超えるのを防止するために排出ガスを復熱装置のボディに過度に衝突させないように、配置構成される。
【0042】
実施形態では、図１～１６のプラズマチャンバが、物理的に分離している反応器および復熱装置を実装するのを通常必要とする湾曲形のおよび直線形の従来のチューブ類の必要性を排除する。この従来のチューブ類は、排出ガスの熱的および化学的性質に、また可能性として酸化に、耐えることが必要であり、これは、耐熱金属または耐熱材料の上に非標準のコーティングを用いて達成するには最もひいき目に見ても非実用的であり、高価である。さらに、反応器を復熱装置に接続するための従来のチューブ類またはパイプ類に付随するあらゆる熱損失および断熱条件が全体として排除され、それにより回収可能な熱が増大する。
【0043】
実施形態では、図１～１６のプラズマチャンバが従来の必須のチューブ類、パイプ類、および／または接続金具を有さず、それにより、それ以外の場合での従来のシステムの等価の復熱装置および反応器よりも小さい幾何学的な設置面積で動作することが可能となる。より多くの量の流入ガスを処理するために、一体化される復熱装置を備えるプラズマ反応器のアレイが密にパッケージ化される場合、図１～１６のプラズマチャンバのコンパクトさは非常に重要である。
【0044】
上記の実施例および実施形態が例示であり、本開示の範囲を限定するものではないことを当業者であれば認識するであろう。本明細書および図面の考察を読むことにより当業者には明らかとなる、上記の実施例および実施形態に対しての、あらゆる置換形態、拡張形態、均等物、組み合わせ、および改善形態は、本開示の真の精神および範囲内に含まれることを意図される。さらに、任意の請求項の要素が、複数の従属関係、構成、および組み合わせを有することを含めて多様な形で、配置構成され得ることに留意されたい。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【国際調査報告】