特表 2022-525650 プラズマ反応器を制御するためのシステム

(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】プラズマ反応器を制御するためのシステム

(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 2021556399

(86)(22)【出願日】2020-03-13

(85)【翻訳文提出日】2021-11-16

(86)【国際出願番号】 US2020022517

(87)【国際公開番号】W WO2020197796

(87)【国際公開日】2020-10-01

(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】62/823,484

(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】16/813,748

(32)【優先日】2020-03-10

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】62/823,472

(32)【優先日】2019-03-25

(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】トム， カーティス ピーター

(72)【発明者】

【氏名】リー， ウェイ

(72)【発明者】

【氏名】シェ， フェイ

【テーマコード（参考）】

2G084

4G075

【Ｆターム（参考）】

2G084AA18

2G084BB06

2G084BB12

2G084BB24

2G084BB37

2G084CC14

2G084DD46

2G084FF04

2G084FF39

2G084HH05

2G084HH09

2G084HH20

2G084HH34

2G084HH35

2G084HH36

2G084HH42

2G084HH45

2G084HH52

4G075AA03

4G075AA61

4G075AA65

4G075BA05

4G075BA10

4G075CA26

4G075CA47

4G075DA02

4G075EB01

4G075EB41

4G075EC09

4G075FA01

4G075FB02

4G075FB04

4G075FB06

(57)【要約】

本発明はプラズマ発生システム（２０）を提供し、プラズマ発生システム（２０）が、プログラマブル論理コントローラ（ＰＣＬ）（２２）と、デイジーチェーンネットワーク（２６）によりＰＬＣに結合される複数の反応器システム（２４ａ～２４ｎ）とを有する。複数の反応器システム（２４ａ～２４ｎ）の各々が、マイクロ波エネルギーを発生させるためのマイクロ波発生器（３４）と、制御装置（１７４）を有する、マイクロ波発生器（３４）に電力を提供するための電源（３０）と、を有し、制御装置（１７４）が、少なくとも１つのマイクロプロセッサ（１７６）と、デジタル入力－出力（ＤＩＯ）およびアナログ入力－出力（ＡＩＯ）のうちの少なくとも一方を含む、少なくとも１つのプロセッサ（１７６）に通信可能に結合されるモジュール（１７８）と、を備える。
【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、
マイクロ波エネルギーを発生させるためのマイクロ波発生器と、
制御装置を有する、前記マイクロ波発生器に電力を提供するための電源であって、前記制御装置が、
少なくとも１つのマイクロプロセッサ、および
デジタル入力－出力（ＤＩＯ）およびアナログ入力－出力（ＡＩＯ）のうちの少なくとも一方を含む、前記少なくとも１つのプロセッサに通信可能に結合されるモジュール
を備える、電源と、
を備えるプラズマ発生システム。

【請求項2】

デイジーチェーンネットワークにより前記電源に通信可能に結合されるプログマブル論理コントローラ（ＰＬＣ）
をさらに備える、請求項１に記載のプラズマ発生システム。

【請求項3】

前記デイジーチェーンネットワークがイーサネットケーブルを含む、請求項２に記載のプラズマ発生システム。

【請求項4】

前記ＰＬＣに通信可能に結合されるグラフィカルユーザーインターフェース（ＧＵＩ）
をさらに備える、請求項２に記載のプラズマ発生システム。

【請求項5】

前記モジュールとデータを交換するように構成される、前記モジュールに通信可能に結合される１つまたは複数のセンサ
をさらに備える、請求項１に記載のプラズマ発生システム。

【請求項6】

前記１つまたは複数のセンサがケーブルハーネスにより前記モジュールに結合される、請求項５に記載のプラズマ発生システム。

【請求項7】

そこを通して前記マイクロ波エネルギーを伝送するように構成される、前記マイクロ波発生器に結合される導波管と、
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、
第１の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、前記導波管の第１の側に設置されるアダプタであって、前記アダプタが、前記プラズマによって処理されたガスが前記プラズマ空洞から外に出るときに通るガス出口を有する、アダプタと、
前記第１のガスの流量を測定するように構成される、前記モジュールに結合される第１の流量センサと
をさらに備える、請求項１に記載のプラズマ発生システム。

【請求項8】

前記第１のガスの前記流量を制御するように構成される、前記モジュールに結合される弁
をさらに備える、請求項７に記載のプラズマ発生システム。

【請求項9】

第２の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、前記導波管の第２の側に設置される流れ入口と、
前記第２のガスの流量を測定するように構成される、前記モジュールに結合される第２の流量センサと
をさらに備える、請求項７に記載のプラズマ発生システム。

【請求項10】

前記第２のガスの前記流量を制御するように構成される、前記モジュールに結合される弁
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11】

プラズマ発生システムであって、
プログラマブル論理コントローラ（ＰＬＣ）と、
デイジーチェーンネットワークにより前記ＰＬＣに結合される複数の反応器システムであって、前記複数の反応器システムの各々が、
マイクロ波エネルギーを発生させるためのマイクロ波発生器、ならびに
制御装置を有する、前記マイクロ波発生器に電力を提供するための電源であって、前記制御装置が、
少なくとも１つのマイクロプロセッサ、および
デジタル入力－出力（ＤＩＯ）およびアナログ入力－出力（ＡＩＯ）のうちの少なくとも一方を含む、前記少なくとも１つのプロセッサに通信可能に結合されるモジュール
を備える、電源
を有する、複数の反応器システムと
を備えるプラズマ発生システム。

【請求項12】

前記デイジーチェーンネットワークがイーサネットケーブルを含む、請求項１１に記載のプラズマ発生システム。

【請求項13】

前記ＰＬＣに通信可能に結合されるグラフィカルユーザーインターフェース（ＧＵＩ）
をさらに備える、請求項１１に記載のプラズマ発生システム。

【請求項14】

前記複数の反応器システムの各々が、
前記モジュールとデータを交換するように構成される、前記モジュールに通信可能に結合される１つまたは複数のセンサ
をさらに有する、請求項１１に記載のプラズマ発生システム。

【請求項15】

前記１つまたは複数のセンサがケーブルハーネスにより前記モジュールに結合される、請求項１４に記載のプラズマ発生システム。

【請求項16】

前記複数の反応器システムの各々が、
そこを通してマイクロ波エネルギーを伝送するように構成される、前記マイクロ波発生器に結合される導波管と、
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、
第１の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、前記導波管の第１の側に設置されるアダプタであって、前記アダプタが、前記プラズマによって処理されたガスが前記プラズマ空洞から外に出るときに通るガス出口を有する、アダプタと、
前記第１のガスの流量を測定するように構成される、前記モジュールに結合される第１の流量センサと
をさらに有する、請求項１１に記載のプラズマ発生システム。

【請求項17】

前記第１のガスの前記流量を制御するように構成される、前記モジュールに結合される弁
をさらに備える、請求項１６に記載のプラズマ発生システム。

【請求項18】

第２の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、前記導波管の第２の側に設置される流れ入口と、
前記第２のガスの流量を測定するように構成される、前記モジュールに結合される第２の流量センサと
をさらに備える、請求項１６に記載のプラズマ発生システム。

【請求項19】

前記第２のガスの前記流量を制御するように構成される、前記モジュールに結合される弁
をさらに備える、請求項１８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、多数のプラズマ反応器を制御するためのシステムに関する。

【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。通常、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。図１は、従来のプラズマ発生システムの概略図を示す。描かれるように、従来のプラズマ発生器システム１０が、プログラマブル論理コントローラ（ＰＬＣ）１２と、複数のデジタル入力－出力／アナログ入力－出力（ＤＩＯ／ＡＩＯ）モジュール１４ａ～１４ｎと、複数の電源１７ａ～１７ｎおよび複数の反応器１８ａ～１８ｎを有する複数の反応器システム１６ａ～１６ｎと、を有する。ＤＩＯ／ＡＩＯモジュール１４ａ～１４ｎが、それぞれ、ケーブルハーネス１５ａ～１５ｎを介して、ＰＬＣ１２および反応器１８ａ～１８ｎに接続される。さらに、ＰＬＣ１２が、ケーブル１３ａ～１３ｎを介して、複数の電源１７ａ～１７ｎに接続され、ここでは、各電源が対応する反応器に電力を提供する。

【0003】

通常、各ケーブルハーネス（例えば、１５ａ）が複数の電線を有し、各電線がＤＩＯ／ＡＩＯモジュール１４ａおよび反応器１８ａのセンサ／構成要素に接続される。例えば、反応器１８ａが、測定される物理量に関連する電気信号をＤＩＯ／ＡＩＯモジュール１４ａに伝送するセンサを有し、さらに、ＤＩＯ／ＡＩＯデバイス１４ａが、信号を処理し、処理した信号をＰＬＣ１２に伝送する。プラズマ発生システム１０のスループットを向上させる場合、反応器システム１６ａ～１６ｎの数が増やされ得、それにより、ケーブルハーネス１５ａ～１５ｎ内の電線の総数さらにはケーブル１３ａ～１３ｎの総数が有意に増える。ワイヤ／ケーブルの数が増えると、ケーブル接続の信頼性が低下し、安全性問題が発生し、設置／保守管理コストが増大する。

【0004】

さらに、プラズマ発生システム１０が、集中制御アーキテクチャを有し、つまり、ＰＬＣ１２が、ＤＩＯ／ＡＩＯモジュール１４ａ～１４ｎを介して、電源１７ａ～１７ｎさらには反応器１８ａ～１８ｎの複数の構成要素を同時に制御／監視する。通常、ＰＬＣ１２が、中央処理ユニット（ＣＰＵ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、および電気的消去可能プログラマブルリードオンリーメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）を含み、ＣＰＵが、ＥＥＰＲＯＭに保存されるプログラムを実行し、一時データおよびコードがＲＡＭに保存される。反応器システム１６ａ～１６ｎの数が増えると、ＰＬＣ１２と反応器システム１６ａ～１６ｎとの間でのコマンドおよび制御の待ち時間が増大し、反応器システム１６ａ～１６ｎの数が特定の閾値を超える場合、プラズマ発生システム１０を制御するのに必要な計算能力がＰＬＣ１２の最大容量を超える域に達し、それにより待ち時間が許容されないレベルになる。したがって、従来のシステムでは、機能性の要求および安全性の要求を満たすためには、計算能力、デジタル／アナログの入力／出力、および電気ハーネスをスケールアップする必要があり、それにより、システムが大型化し、システムが高価となり、本質的にシステムの信頼性が低下する。

【0005】

したがって、設置／保守管理コストを悪化させることなく、拡張性、安全性、および信頼性を向上させるような、多数のプラズマ反応器を制御するためのシステムが必要である。

【発明の概要】

【0006】

本発明の一態様によると、プラズマ発生システムが、マイクロ波エネルギーを発生させるためのマイクロ波発生器と、制御装置を有する、マイクロ波発生器に電力を提供するための電源と、を有する。制御装置が、少なくとも１つのマイクロプロセッサと、デジタル入力－出力（ＤＩＯ）およびアナログ入力－出力（ＡＩＯ）のうちの少なくとも一方を含む、少なくとも１つのプロセッサに通信可能に結合されるモジュールと、を有する。

【0007】

本発明の別の態様によると、プラズマ発生システムが、プログラマブル論理コントローラ（ＰＬＣ）、およびデイジーチェーンネットワークによりＰＬＣに結合される複数の反応器システムを有する。各々の複数の反応器システムが、マイクロ波エネルギーを発生させるためのマイクロ波発生器と、制御装置を有する、マイクロ波発生器に電力を提供するための電源と、を有し、制御装置が、少なくとも１つのマイクロプロセッサと、デジタル入力－出力（ＤＩＯ）およびアナログ入力－出力（ＡＩＯ）のうちの少なくとも一方を含む、少なくとも１つのプロセッサに通信可能に結合されるモジュールと、を備える。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】従来のプラズマ発生システムを示す概略図である。

【図2】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、制御装置を有する例示の反応器システムを示す概略図である。

【図4】本開示の実施形態による、制御装置を有する例示の反応器システムを示す概略図である。

【図5】本開示の実施形態による、線５－５に沿う、図４のプラズマチャンバを示す断面図である。

【図6】本開示の実施形態による前進流入口を示す斜視図である。

【図7】本開示の実施形態による、線７－７に沿う、図６の前進流入口を示す断面図である。

【図8】本開示の実施形態による逆流入口を示す斜視図である。

【図9】本開示の実施形態による、線９－９に沿う、図５の逆流入口を示す断面図である。

【図10】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11】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。

【発明を実施するための形態】

【0009】

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。

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

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。

【0013】

図２は、本開示の実施形態によるプラズマ発生システム２０の概略図を示す。図３は、本開示の実施形態による例示の反応器システム２４ａの概略図を示す。図４は、本開示の実施形態による例示の反応器システム２４ａの概略図を示す。以降、反応器システム２４ａはマイクロ波エネルギーを使用してプラズマを発生させるためのシステムとして示される。それでも、反応器システム２４ａが他のエネルギー源を使用してプラズマを発生させてもよい。

【0014】

実施形態では、プラズマ発生システム２０が、ＰＬＣシステム（または簡単に言うと、ＰＬＣ）２２と、複数の反応器システム２４ａ～２４ｎと、を有する。いくつかの事例では、システムのスループットを増大させるために、複数の反応器システム２４ａ～２４ｎが、数十、数百、またはそれ以上の数であってよい。実施形態では、反応器システム２４ａ～２４ｎが、カテゴリ６のイーサネットケーブルなどのケーブル２６により、ＰＬＣ２２にデイジーチェーン接続され、イーサネット／ＩＰプロトコルまたは他の適切なプロセスオートメーションプロトコルなどの適切な通信プロトコルを使用してＰＬＣ２２に対して通信を行う。

【0015】

実施形態では、反応器システム２４ａが、反応器制御装置を有する電源３０と、センサおよび監視システム３２と、マイクロ波エネルギーを発生させるための磁電管３４と、導波管３６であって、磁電管３４によって発生するマイクロ波エネルギーが導波管３６を通って流れる、導波管３６と、磁電管３４の方に逆行するマイクロ波エネルギーの量を低減するように構成される、導波管３６に結合されるインピーダンス整合回路３８と、プラズマを点火するための点火システム４０と、プラズマチャンバ４２と、を有する。実施形態では、電源３０が、反応器システム２４ａ内の構成要素の残りに通信可能に結合される。図３は、反応器システム２４ａの構成要素の包括的なリストを示しておらず、代わりに、反応器システム２４ａの構成要素が説明のために複数のブロックに分割されることに留意されたい。

【0016】

実施形態では、センサおよび監視システム３２が、反応器システム２４ａの動作に関連する電気信号を発生させるための１つまたは複数のセンサを有する。例えば、センサおよび監視システム３２が、圧力および温度などの熱物理量を測定するための、１９０ａ～１９０ｃなどの１つまたは複数のセンサと、１つまたは複数のセンサからの信号を使用してプラズマの調子（ｈｅａｌｔｈ）を監視する１つまたは複数の監視デバイスとを有する。別の実施例では、センサおよび監視システム３２が、ガスタンク１３０（および１２６）からガスライン１２８（および１２４）を通って流れるガスの流量を測定するための、１９０ｄ（および１９０ｅ）などの１つまたは複数の流量センサを有する。実施形態では、センサ１９０ｄ（および１９０ｅ）ならびに流量を制御するためのガスサーボバルブが一体ボディを形成することができる。（以降、参照符号１９０ｄ（および１９０ｅ）はセンサおよびガスサーボバルブの両方を示す）。別の実施例では、センサおよび監視システム３２が、多様な波長範囲でプラズマからの光の強度を測定してプラズマの調子を監視する光学センサを有する。

【0017】

図４に描かれるように、電源３０が、反応器システム２４ａの構成要素を制御および監視する反応器制御装置１７４を有する。実施形態では、反応器制御装置１７４が、少なくとも１つのマイクロプロセッサ（μ－プロセッサ）１７６と、μ－プロセッサ１７６に通信可能に結合されるＤＩＯ／ＡＩＯモジュール１７８と、μ－プロセッサ１７６に通信可能に結合されるメモリ１８０と、を有する。実施形態では、ＤＩＯ／ＡＩＯが図３の種々の構成要素３２－４２さらにはμ－プロセッサ１７６とデータを通信する。

【0018】

実施形態では、ＤＩＯ／ＡＩＯモジュール１７８が、１つまたは複数のＤＩＯデバイス（または簡単には、ＤＩＯ）、ならびに／あるいは１つまたは複数のＡＩＯデバイス（または簡単には、ＡＩＯ）を有し、ＤＩＯおよびＡＩＯが好適には印刷回路基板に一体化され、それにより、システムの配線ハーネスのコスト、サイズ、および複雑さを低減する。実施形態では、各ＤＩＯデバイス（または、ＡＩＯ）が、センサ、トランスデューサ、および機械的デバイスから、他の電子回路または電子デバイスまで、デジタル信号（または、アナログ信号）を中継するインターフェースである。

【0019】

ＰＬＣ（「中央制御装置」とも称される）１２がＤＩＯ／ＡＩＯモジュール１４ａ～１４ｎに直接接続されて直接とデータを通信するような従来のシステム１０とは異なり、ＰＬＣ２２がＤＩＯ／ＡＩＯモジュール１７８に直接接続されず、代わりに、ＰＬＣ２２が、通信ケーブル２６のデイジーチェーンネットワークにより各反応器システム（例えば、２４ａ）の電源３０のみに直接接続される。したがって、中央制御システムとして動作する従来のＰＬＣ１２とは異なり、ＰＬＣ２２および電源３０が分散制御システム／アーキテクチャを形成する。実施形態では、ＤＩＯ／ＡＩＯモジュール１７８がＰＬＣ２２に直接接続されないことを理由として、反応器システム２４ａ～２４ｎの数が増えてもＰＬＣ２２に接続されるワイヤ／ケーブルの数が増えず、つまり、ケーブル接続の信頼性が反応器システム２４ａ～２４ｎの数の影響を受けない。

【0020】

実施形態では、分散制御アーキテクチャが、制御および監視の仕事を、ＰＬＣ２２から、各反応器システム（例えば、２４ａ）の電源３０内に存在する反応器制御装置（局所制御装置とも称される）１７４へ移行させるのを可能にする。この分散制御アーキテクチャは反応器システム２４ａ～２４ｎとＰＬＣ２２との間でのコマンドおよび制御の待ち時間が短縮されるという利点を有する。その理由は、局所制御装置１７４が１つの反応器システムのみを監視および制御するタスクを有し、ＰＬＣ１２が数百の反応器システムを同時に管理しないからである。実施形態では、分散制御アーキテクチャが反応器システム２４ａ～２４ｎを互いに独立させて動作させるのを可能にし、それにより技術者が各反応器システムを個別に点検／修理することが可能となる。このようにして、分散制御アーキテクチャが、プラズマ発生システム２０に、より高い融通性、拡張性、および保全性を与える。

【0021】

実施形態では、ＰＬＣ２２が、ケーブル２６を介して、反応器システムのターンオンコマンド（ターンオフコマンド）などの、単純なコマンドを送信する。次いで、反応器制御装置１７４が、プラズマを点火するための、および動作が成功であったこと（または、成功ではなかったこと）をＰＬＣ２２に折り返し報告するための、適切なステップを実施する。さらに、反応器制御装置１７４が点火の実施後にも継続してプラズマの調子を監視し、任選選択で、予め設定される時間間隔で調子の状態をＰＬＣ２２に報告する。実施形態では、ＰＬＣ２２が、人間オペレータとのインターフェースのためのグラフィカルユーザーインターフェース（ＧＵＩ）を支援するための能力を有するスタンドアローンデバイスである。代替的実施形態では、ＰＬＣ２２が、ヒューマンインターフェースのためのＧＵＩ１０３を有するコンピュータ／サーバ１０２に含まれる。

【0022】

図４に描かれるように、反応器システム２４ａが、図３のインピーダンス整合ネットワーク３８に対応しており、磁電管３４の方に逆行するマイクロ波エネルギーの量を低減するチューナー３９を有する。インピーダンス整合ネットワーク３８が、磁電管３４の方に移動する逆行するマイクロ波を消散させるためのアイソレータ（図４には示されない）などの、他の適切な構成要素を有することができることに留意されたい。

【0023】

図５は、本開示の実施形態による、線５－５に沿う（つまり、紙に平行な平面に沿って切断される）、図４のプラズマチャンバ４２の断面図を示す。描かれるように、プラズマチャンバ４２が、内壁１４０と、プラズマスタビライザ１３８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１２４に接続される前進流入口１４２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１２８に接続される逆流入口（「アダプタ」とも称される）１４４と、を有する。ここでは、プラズマ空洞という用語は、内壁１４０と、導波管３６と、前進流入口１４２と、アダプタ１４４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３６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。

【0024】

実施形態では、内壁１４０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１４０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１４０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。

【0025】

図６は、本開示の実施形態による前進流入口１４２の斜視図を示す。図７は、本開示の実施形態による、線７－７に沿う、前進流入口１４２の断面図を示す。描かれるように、前進流入口１４２が、ガスライン１２４およびその壁の中に形成される１つまたは複数のガス通路１４８に結び付けるための孔／アダプタ１４７を有する。実施形態では、ガス通路１４８の出口がプラズマスタビライザ１３８の内部に位置し、その結果、プラズマスタビライザ１３８が、ガス通路１４８から外に出る流れを使用して内側渦流れ１４３を形成する。実施形態では、プラズマスタビライザ１３８の内径が内側渦流れ１４３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１３８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１４２と同心円状に配置され得る。

【0026】

実施形態では、各ガス通路１４８が、ガス通路１４８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１４８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１４２が誘電材料または金属などの任意適切な材料で形成される。

【0027】

実施形態では、プラズマスタビライザ１３８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１４０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１３８が導波管３６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１３８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１４０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１３８が内壁１４０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１４３を形成し、導波管３６のもう一方の端部の方に、またより具体的には、ガス出口１３２の方に、前進する。図１０は、本開示の実施形態による内側渦流れ１４３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１４０の長さ方向に移動し、最終的に内側渦流れがガス出口１３２から外に出る。

【0028】

実施形態では、プラズマ点火器（図５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１４６がマイクロ波発生器３４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。実施形態では、プラズマ１４６が内側渦流れ１４３内に位置し、その結果、内側渦流れ１４３のガス粒子がプラズマ１４６を通過する。実施形態では、プラズマスタビライザ１３８が内側渦流れ１４３の外径を決定し、それによりガス出口１３２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１４６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１３８が、内側渦流れ１４３を外側渦流れ１４５から分離することによりプラズマ１４６を安定状態で維持するのを補助する。

【0029】

図８は、本開示の実施形態によるアダプタ１４４の斜視図を示す。図９は、本開示の実施形態による、線９－９に沿う、アダプタ１４４の断面図を示す。描かれるように、アダプタ１４４が、ガスライン１２８に結合するための孔／アダプタ１５２と、ガス出口１３２を形成するための孔と、アダプタ１４４の壁内に形成される１つまたは複数のガス通路１５１と、を有する。実施形態では、各ガス通路１５１が、ガス通路１５１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１５１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１４４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。

【0030】

実施形態では、アダプタ１４４から外に出る逆流が内壁１４０の方に移動し、さらに、螺旋運動で、内壁１４０に沿って導波管３６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１４５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１４５の回転軸がｙ軸に実質的に平行である。図１１は、本開示の実施形態による外側渦流れ１４５の斜視図を示す。描かれるように、外側渦流れ１４５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１４５－１および外側上向きの流れ領域１４５－２、を有する。実施形態では、内側渦流れ１４３が外側渦流れ１４５の中心の中空部分内に配置され、内側下向きの流れ領域１４５－１によって囲まれる。前進流入口１４２からのガスがアダプタ１４４からの流れに混合され、それにより内側渦流れ１４３を形成することに留意されたい。

【0031】

実施形態では、外側渦流れ１４５が内側渦流れ１４３を囲み、それにより内壁１４０をプラズマ１４６から遮蔽する。実施形態では、アダプタ１４４から外に出る逆流が周囲温度を有することができ、螺旋運動で内壁１４０に沿わせて外側渦流れ１４５を上方に移動させるときに内壁１４０から熱エネルギーを獲得することができる。

【0032】

実施形態では、プラズマ１４６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１４２およびアダプタ１４４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１４２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１３２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４２に入る全体の流れの質量の５％～９５％である。実施形態では、逆流が前進流と同じガス組成を有することができる。代替的実施形態では、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１４６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、反応器制御装置１７４が、プラズマの安定性およびプラズマチャンバ４２内の化学反応の効率を向上させるために前進流および逆流のガス組成および流量を調整する。

【0033】

上で考察したように、反応器制御装置１７４が、反応器システム２４ａ内の種々の電気的なおよび／または機械的な制御デバイス／制御機構に結合される。実施形態では、反応器制御装置１７４がフィードバック制御システムを形成することができる。例えば、センサ（例えば、１９０ａ）が、プラズマチャンバ４２内部の圧力を測定する圧力センサであってよく、圧力センサ１９０ａからの信号がＤＩＯ／ＡＩＯモジュール１７８によって処理されてμ－プロセッサ１７６に送信される。μ－プロセッサ１７６が圧力が過度に低い（または、過度に高い）と判断する場合、μ－プロセッサ１７６がＤＩＯ／ＡＩＯモジュール１７８を通してガスサーボバルブ１９０ｄ（および／または、１９０ｅ）に制御信号を送信し、それによりガスライン１２８内の流量を調整し、それによりプラズマチャンバ４２内部の圧力を制御するためのフィードバック制御機構を形成する。

【0034】

図４のプラズマチャンバ４２が、異なる構成要素、および異なる構成要素の構成を有することができることに留意されたい。例えば、プラズマチャンバが前進流入口１４２を有さなくてよい。別の実施例では、プラズマスタビライザ１３８が逆流入口１４４上に設置され得る。プラズマチャンバ４２の種々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。

【0035】

コンピュータ１０２が、限定しないが、電話、ラップトップコンピュータ、デスクトップコンピュータ、およびサーバを含めた、データを処理することができる任意の命令実行デバイス／計算デバイスまたはシステム内で実装され得ることに留意されたい。本開示は他の計算デバイスおよびシステムに実装されてもよい。コンピュータ１０２の態様が、ソフトウェア（ファームウェアを含む）、ハードウェア、またはその組み合わせを含めた多種多様な手法で実装され得る。例えば、コンピュータ１０２の種々の態様を実施するための機能が、個別論理コンポーネント、１つまたは複数の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、ならびに／あるいはプログラム制御式プロセッサを含めた、多種多様な手法で実装される構成要素によって実行され得る。これらのアイテムを実装するための手法が本開示にとって重要ではないことに留意されたい。

【0036】

反応器制御装置１７４が、μ－プロセッサ１７６およびＤＩＯ／ＡＩＯモジュール１７８を動作させるのに必要である他の適切な電気構成要素を有することができることに留意されたい。例えば、メモリ１８０が、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、および／またはＥＥＰＲＯＭの形態であってよい。同様に、コンピュータ／サーバ１０２が、ＰＬＣ２２およびＧＵＩ１０３を動作させるのに必要である他の適切な電気構成要素を有することができる。例えば、コンピュータ／サーバ１０２が、中央処理ユニット（ＣＰＵ）、キーボード、マウス、またはタッチペンなどの、種々の入力デバイスと、スキャナと、磁気テープまたは磁気ディスク、あるいは光学媒体などの、１つまたは複数の記憶デバイスと、プリンタと通信するためのプリンタ制御装置と、インターネット、イーサネットクラウド、ＦＣｏＥ／ＤＣＢクラウド、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）、ストレージエリアネットワーク（ＳＡＮ）を含めた、多様なネットワークのうちの任意のネットワークを通して、または赤外線信号を含めた任意適切な電磁搬送信号を通して、リモートデバイスとの接続を可能にする１つまたは複数の通信デバイスと、有することができる。

【0037】

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。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【国際調査報告】