特表2022-526736プラズマ安定性のためのプラズマ反応器の排出ガス圧の制御
(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】2022-05-26
(54)【発明の名称】プラズマ安定性のためのプラズマ反応器の排出ガス圧の制御
(51)【国際特許分類】
H05H 1/24 20060101AFI20220519BHJP
【ＦＩ】
H05H1/24
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021556398
(86)(22)【出願日】2020-02-29
(85)【翻訳文提出日】2021-11-15
(86)【国際出願番号】 US2020020559
(87)【国際公開番号】W WO2020197702
(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】16/790,644
(32)【優先日】2020-02-13
(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】シェ， フェイ
(72)【発明者】
【氏名】リー， ウェイ
(72)【発明者】
【氏名】トム， カーティス ピーター
(72)【発明者】
【氏名】クー， ジェ モ
【テーマコード（参考）】
2G084
【Ｆターム（参考）】
2G084AA18
2G084CC14
2G084DD46
2G084DD51
2G084DD56
2G084FF04
2G084FF38
2G084FF39
2G084HH09
2G084HH31
2G084HH35
2G084HH36
(57)【要約】
本発明は、プラズマ反応器（１０１ａ～１０１ｎ）を有するプラズマ発生システム（１００）を提供する。各プラズマ反応器（１０１ａ）は、内部を通してマイクロ波エネルギーを伝送する導波管（１２０）と、導波管（１２０）に結合され、内部にプラズマ（１４６）を発生させるように構成されたプラズマチャンバ（１２２ａ）と、ガスをプラズマチャンバ（１２２ａ）に導入する流入口（１４４）と、プラズマチャンバ（１２２ａ）からの排出ガスを運ぶ排出ガス管（１２５ａ）であって、プラズマ（１４６）がガスを排出ガスに変換する、排出ガスを運ぶ排出ガス管（１２５ａ）と、排出ガス管（１２５ａ）内に設置され、排出ガス管（１２５ａ）内の排出ガスの圧力を制御するように構成された圧力制御装置（３００）とを含む。プラズマ発生システム （１００）は、プラズマ反応器（１０１ａ～１０１ｎ）の排出ガス管（１２５ａ～１２５ｎ）に結合され、排出ガス管（１２５ａ～１２５ｎ）から排出ガスを受け入れるように構成されたマニホールド（１２７）も含む。
【選択図】図１
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
内部を通してマイクロ波エネルギーを伝送する導波管と、前記導波管に結合され、前記マイクロ波エネルギーを用いて内部にプラズマを発生させるように構成されたプラズマチャンバと、
入力ガスを前記プラズマチャンバに導入する流入口と、
前記プラズマチャンバからの排出ガスを運ぶ排出ガス管であって、前記プラズマが前記入力ガスを前記排出ガスに変換する、排出ガスを運ぶ排出ガス管と、
前記排出ガス管内に設置され、前記排出ガス管内の前記排出ガスの圧力を制御するように構成された圧力制御装置と
を備えるプラズマ発生システム。
【請求項2】
前記圧力制御装置は、少なくとも１つのオリフィスが内部に形成された円盤である、請求項１に記載のプラズマ発生システム。
【請求項3】
前記圧力制御装置は、前記排出ガスが通過する少なくとも１つの孔を有する球体である、請求項１に記載のプラズマ発生システム。
【請求項4】
前記圧力制御装置は、メッシュ生地を含む、請求項１に記載のプラズマ発生システム。
【請求項5】
前記圧力制御装置は、１つまたは複数の縁部切欠きを有する円盤である、請求項１に記載のプラズマ発生システム。
【請求項6】
前記圧力制御装置はチューブであり、前記チューブの直径は前記チューブの下流の方向に沿って変わる、請求項１に記載のプラズマ発生システム。
【請求項7】
前記圧力制御装置は、フィードバック制御ユニットを含むとともに、前記排出ガス管内の前記排出ガスの圧力を測定するセンサと、
前記排出ガス管内の前記排出ガスの前記圧力を調節する弁と、
前記圧力に関連した信号を受信し、前記信号に応答して前記弁を制御する制御ユニットとを備える、
請求項１に記載のプラズマ発生システム。
【請求項8】
内部を通してマイクロ波エネルギーを伝送する導波管と、前記導波管に結合され、前記マイクロ波エネルギーを用いて内部にプラズマを発生させるように構成されたプラズマチャンバと、
入力ガスを前記プラズマチャンバに導入する流入口と、
前記プラズマチャンバからの排出ガスを運ぶ排出ガス管であって、前記プラズマが前記入力ガスを前記排出ガスに変換する、排出ガスを運ぶ排出ガス管と、
前記排出ガス管の側面に取り付けられ、前記排出ガス管に流体連通している容器と
を備えるプラズマ発生システム。
【請求項9】
プラズマ発生システムにおいて、複数のプラズマ反応器であって、前記複数のプラズマ反応器の各々が、
内部を通してマイクロ波エネルギーを伝送する導波管、
前記導波管に結合され、前記マイクロ波エネルギーを用いて内部にプラズマを発生させるように構成されたプラズマチャンバ、
ガスを前記プラズマチャンバに導入する流入口、
前記プラズマチャンバからの排出ガスを運ぶ排出ガス管であって、前記プラズマが前記ガスを前記排出ガスに変換する、排出ガスを運ぶ排出ガス管、および
前記排出ガス管内に設置され、前記排出ガス管内の前記排出ガスの圧力を制御するように構成された圧力制御装置
を含む、複数のプラズマ反応器と、
前記複数のプラズマ反応器の前記排出ガス管に結合され、前記排出ガス管から前記排出ガスを受け入れるように構成されたマニホールドと
を備えるプラズマ発生システム。
【請求項10】
前記圧力制御装置は、少なくとも１つのオリフィスが内部に形成された円盤である、請求項９に記載のプラズマ発生システム。
【請求項11】
前記圧力制御装置は、前記排出ガスが通過する少なくとも１つの孔を有する球体である、請求項９に記載のプラズマ発生システム。
【請求項12】
前記圧力制御装置は、メッシュ生地を含む、請求項９に記載のプラズマ発生システム。
【請求項13】
前記圧力制御装置は、１つまたは複数の縁部切欠きを有する円盤である、請求項９に記載のプラズマ発生システム。
【請求項14】
前記圧力制御装置はチューブであり、前記チューブの直径は前記チューブの下流の方向に沿って変わる、請求項９に記載のプラズマ発生システム。
【請求項15】
前記圧力制御装置は、フィードバック制御ユニットを含むとともに、前記排出ガス管内の前記排出ガスの圧力を測定するセンサと、
前記排出ガス管内の前記排出ガスの前記圧力を調節する弁と、
前記圧力に関連した信号を受信し、前記信号に応答して前記弁を制御する制御ユニットとを備える、
請求項９に記載のプラズマ発生システム。
【請求項16】
プラズマ発生システムにおいて、複数のプラズマ反応器であって、前記複数のプラズマ反応器の各々が、
内部を通してマイクロ波エネルギーを伝送する導波管、
前記導波管に結合され、前記マイクロ波エネルギーを用いて内部にプラズマを発生させるように構成されたプラズマチャンバ、
ガスを前記プラズマチャンバに導入する流入口、
前記プラズマチャンバからの排出ガスを運ぶ排出ガス管であって、前記プラズマが前記ガスを前記排出ガスに変換する、排出ガスを運ぶ排出ガス管、および
前記排出ガス管の側面に取り付けられ、前記排出ガス管に流体連通している容器、
を含む、複数のプラズマ反応器と、
前記複数のプラズマ反応器の前記排出ガス管に結合され、前記排出ガス管から前記排出ガスを受け入れるように構成されたマニホールドと
を備える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、プラズマ反応器内のプラズマを安定化する装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、様々なタイプのプラズマを発生させるために、マイクロ波技術が適用されている。ガスを処理／改質する従来のプラズマ発生システムは、システム全体のスループットを増加させるために複数のプラズマ反応器を用い、独立した各プラズマ反応器からのガス出力は、共通のマニホールドまたは熱交換器に配管および接続されている。そのような従来のプラズマ発生システムは、しばしば、ジョイント、弁、継ぎ手などの多数の取付け具、ならびにプラズマ反応器をマニホールドに組み付けて提供するのを助けるためのパイピングにおける屈曲部を用いる。
【0003】
典型的には、この幾何学的形状、および結果として得られる取付け具、パイピング、およびマニホールドにおける容積は、最適化されず、反応器生成ガスに定常波を生成し得る。定常波によって、プラズマ反応器チャンバ内に圧力変動が生じるとともにプラズマを不安定にさせる可能性があり、この不安定性は、プラズマにそれ自体を消滅させ、ガスの処理または改質のために最適ではない状態をもたらす可能性がある。さらに、あるプラズマ反応器内の乱れ（すなわち、フレームアウト）が同じ回路内の隣接したプラズマ反応器に伝播するクロストークの問題があり得る。
【発明の概要】
【0004】
したがって、定常波および／またはクロストークを制御し／防ぎ、それによってプラズマ反応器内のプラズマを安定化する機構を有するマイクロ波プラズマシステムの必要がある。
【0005】
本発明の一態様によれば、プラズマ発生システムは、内部を通してマイクロ波エネルギーを伝送する導波管と、導波管に結合され、マイクロ波エネルギーを用いて内部にプラズマを発生させるように構成されたプラズマチャンバと、ガスをプラズマチャンバに導入する流入口と、プラズマチャンバからの排出ガスを運ぶ排出ガス管であって、プラズマがガスを排出ガスに変換する、排出ガスを運ぶ排出ガス管と、排出ガス管内に設置され、排出ガス管内の排出ガスの圧力を制御するように構成された圧力制御装置とを含む。
【0006】
本発明の別の態様によれば、プラズマ発生システムは、複数のプラズマ反応器であって、複数のプラズマ反応器の各々が、内部を通してマイクロ波エネルギーを伝送する導波管、導波管に結合され、マイクロ波エネルギーを用いて内部にプラズマを発生させるように構成されたプラズマチャンバ、ガスをプラズマチャンバに導入する流入口、プラズマチャンバからの排出ガスを運ぶ排出ガス管であって、プラズマがガスを排出ガスに変換する、排出ガスを運ぶ排出ガス管、および排出ガス管内に設置され、排出ガス管内の排出ガスの圧力を制御するように構成された圧力制御装置を含む、複数のプラズマ反応器と、複数のプラズマ反応器の排出ガス管に結合され、排出ガス管から排出ガスを受け入れるように構成されたマニホールドとを含む。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】本開示の各実施形態による複数のプラズマ反応器を有するプラズマ発生システムの概略図である。
【図4】本開示の各実施形態による前進流入口の斜視図である。
【図6】本開示の各実施形態による逆流入口の斜視図である。
【図8】本開示の各実施形態による内側渦流れの斜視図である。
【図9】本開示の各実施形態による外側渦流れの斜視図である。
【図10A】本開示の各実施形態による圧力制御装置の斜視図である。
【図10B】本開示の各実施形態による圧力制御装置の斜視図である。
【図10C】本開示の各実施形態による圧力制御装置の斜視図である。
【図10D】本開示の各実施形態による圧力制御装置の斜視図である。
【図10E】本開示の各実施形態による圧力制御装置の斜視図である。
【図10F】本開示の各実施形態による圧力制御装置の斜視図である。
【図11】本開示の各実施形態によるプラズマ反応器の概略図である。
【図12】本開示の各実施形態によるプラズマ反応器の概略図である。
【図13】本開示の各実施形態によるプラズマチャンバの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下の明細書において、説明のために、特定の詳細は、本開示の理解を与えるために記載されている。しかしながら、本開示はこれらの詳細なしで実施できることが当業者には明らかであろう。さらに、当業者は、以下に説明される本開示の各実施形態は、いろいろなやり方で実施できると認識するであろう。
【0009】
図に示された構成要素またはモジュールは、本開示の例示的な各実施形態を示しており、本開示を曖昧にするのを防ぐことが意図される。この議論全体にわたって、この構成要素は、サブユニットを含み得る別個の機能的なユニットとして説明され得るが、当業者は、様々な構成要素もしくはその部分が別個の構成要素に分割されてもよく、または単一のシステムまたは構成要素内に統合されることを含めて一緒に統合されてもよいことを認識するであろうことも理解されるはずである。本明細書中で論じられる機能または動作は、構成要素として実現されてもよいことに留意されたい。
【0010】
本明細書における「一実施形態」、「好ましい実施形態」、「ある実施形態」、または「各実施形態」の言及は、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一実施形態に含まれ、２つ以上の実施形態であってもよいことを意味する。また、本明細書中の様々な場所における上述のフレーズの出現は、必ずしも同じ実施形態または各実施形態を全て参照するものではない。
【0011】
本明細書中の様々な場所におけるある種の用語の使用は、例示のためであり、限定として解釈されるべきではない。用語「含む」、「含んでいる」、「備える」、および「備えている」は、オープンタームであると理解されるものとし、以下のリストは例であり、挙げられた項目に限定されることを意味しない。
【0012】
第１図（「図１」）は、本開示の各実施形態によるプラズマ発生システム１００の概略図を示す。図示されるように、プラズマ発生システム１００は、１つまたは複数のプラズマ反応器１０１ａ～１０１ｎと、プラズマ反応器から生成ガス（または均等には排出ガス）を受け取るマニホールド１２７とを含むことができる。より具体的には、プラズマ発生システム１００は、マイクロ波エネルギーを生成し、マイクロ波エネルギーをそれぞれプラズマチャンバ１２２ａ～１２２ｎに供給するマイクロ波供給ユニット１１２ａ～１１２ｎと、第１の入力ガスライン１２４ａ～１２４ｎと、第２の入力ガスライン１２８ａ～１２８ｎと、排出ガス管１２５ａ～１２５ｎと、排出ガス管に結合されるとともに流体連通しているマニホールド１２７とを含むことができる。各実施形態では、各排出ガス管（すなわち、１２５ａ）は、各プラズマチャンバ（例えば、１２２ａ）からマニホールド１２７へ排出ガスを運ぶことができる。
【0013】
図２は、本開示の各実施形態によるプラズマ反応器１０１ａの概略図を示す。図示されるように、プラズマ反応器１０１ａは、中空チューブの形状を有するマイクロ波空洞／導波管１２０と、導波管１２０に接続されたプラズマチャンバ１２２ａと、導波管１２０に接続されるとともにマイクロ波導波管１２０を介してプラズマチャンバ１２２ａにマイクロ波エネルギーを供給するように動作可能であるマイクロ波供給ユニット１１２ａとを含むことができる。各実施形態では、プラズマチャンバ１２２ａは、マイクロ波エネルギーを受信し、受信されたマイクロ波エネルギーを使用することによって入力ガスを処理する。入力ガスは、前進流入口１４２および逆流入口１４４の一方または両方によってプラズマチャンバ１２２ａへ導入される。各実施形態では、ガスタンク１２６は、ガスライン１２４ａを介してプラズマチャンバ１２２ａにガスを供給し、ガスタンク１３０は、ガスライン１２８ａを介してプラズマチャンバ１２２ａにガスを介して供給する。
【0014】
各実施形態では、マイクロ波供給ユニット１１２ａは、マイクロ波エネルギーをプラズマチャンバ１２２ａに供給し、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生器１１４と、マイクロ波発生器１１４に電力を供給する電源１１６と、プラズマチャンバ１２２ａから反射しマイクロ波発生器１１４の方へ進むマイクロ波エネルギーを減少させるチューナ１１８とを含む。各実施形態では、マイクロ波供給ユニット１１２ａは、マイクロ波発生器１１４の方へ伝播する反射したマイクロ波エネルギーを放散するダミー負荷を有するアイソレータ、および反射したマイクロ波エネルギーをダミー負荷へ向けるサーキュレータ、および導波管１２０の端部に配置されたスライド式短絡などの他の構成要素を含むことができる。
【0015】
図３は、本開示の各実施形態による線３－３に沿って得られる図２のプラズマチャンバ１２２ａの断面図を示す。図示されるように、プラズマチャンバ１２２ａは、内壁１４０と、プラズマスタビライザ１３８と、ガスライン１２４ａに接続されるとともに前進流をプラズマチャンバに導入するように構成された前進流入口１４２と、ガスライン１２８ａに接続されるとともに逆流をプラズマチャンバに導入するように構成された逆流入口１４４とを含む。ここで、プラズマ空洞という用語は、内壁１４０、導波管１２０、前進流入口１２２、および逆流入口１４４で取り囲まれる閉鎖空間を指し、そこで、逆流ガスおよび前進流は、プラズマ１４６によってプラズマ空洞内で処理／改質され、プラズマ１４６は、導波管１２０を介し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。
【0016】
各実施形態では、内壁１４０は、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ている。各実施形態では、内壁１４０は、均一な流れ、熱抵抗、耐化学薬品性、および電磁透過性に望ましい任意の他の適切な誘電材料で形成されている。各実施形態では、内壁１４０は、中空円筒の形状を有することが好ましいが、中空円筒の形状に限定されない。
【0017】
図４は、本開示の各実施形態による前進流入口１４２の斜視図を示す。図５は、本開示の各実施形態による線５－５に沿って得られる前進流入口１４２の断面図を示す。図示されるように、前進流入口１４２は、ガスライン１２４に結合する孔／アダプタ１４７と、その壁に形成された１つまたは複数のガス通路１４８とを有する。各実施形態では、ガス通路１４８の出口は、プラズマスタビライザ１３８の内側に位置し、プラズマスタビライザ１３８は、ガス通路１４８から出る流れを用いて内側渦流れ１４３を形成するようになっている。各実施形態では、プラズマスタビライザ１３８の内径は、内側渦流れ１４３の外径を調節するように変更することができる。各実施形態では、上述したように、プラズマスタビライザ１３８は、中空円筒であり前進流入口１４２に同心に配置された形状を有することができる。
【0018】
各実施形態では、各ガス通路１４８は、前進流がガス通路１４８を介してプラズマ空洞に入るときに前進流にスパイラル運動を付与するように配置構成される。各実施形態では、各ガス通路１４８は、前進流の渦度を高めるように曲がっていてもよい。
【0019】
各実施形態では、プラズマスタビライザ１３８は、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、好ましくは、内壁１４０と同じ材料で形成される。各実施形態では、プラズマスタビライザ１３８は、導波管１２０に取り付けられ、プラズマ空洞の中に突出しており、プラズマスタビライザ１３８の軸方向は、ｙ軸に平行である。各実施形態では、上述したように、内壁１４０は、中空円筒の形状を有してもよく、プラズマスタビライザ１３８は、内壁１４０に同心に設置することができる。各実施形態では、プラズマスタビライザ１３８の内側の前進流は、内側渦流れ１４３を形成し、導波管１２０の他端の方へ、より具体的には、ガス出口１３２の方へ進行する。図８は、本開示の各実施形態による内側渦流れ１４３の斜視図を示す。図示されるように、前進流（または均等には、内側渦流れ）は、内側渦流れがガス出口１３２から出るまで螺旋運動で内壁１４０の長さだけ進む。
【0020】
各実施形態では、プラズマ点火器（図３に図示せず）によってプラズマプルーム（または要するにプラズマ）１４６を点火すると、プラズマ１４６は、マイクロ波発生器１１４により伝送されるマイクロ波エネルギーによって維持される。各実施形態では、プラズマ１４６は、内側渦流れ１４３のガス粒子がプラズマ１４６を通過するように内側渦流れ１４３内に位置する。各実施形態では、プラズマスタビライザ１３８は、内側渦流れ１４３の外径を決定し、ガス出口１３２を通ってプラズマ空洞から出る前に前進流がプラズマ１４６をバイパスするのを防ぐ。各実施形態では、プラズマスタビライザ１３８は、内側渦流れ１４３を外側渦流れ１４５から分離することによってプラズマ１４６を安定に保つのを助ける。
【0021】
図６は、本開示の各実施形態による逆流入口１４４の斜視図を示す。図７は、本開示の各実施形態による線７－７に沿って得られる逆流入口１４４の断面図を示す。図示されるように、逆流入口１４４は、ガスライン１２８ａに結合する孔／アダプタ１５２と、ガス出口１３２を形成する孔と、逆流入口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。各実施形態では、各ガス通路１５１は、逆流がガス通路１５１を介してプラズマ空洞に入るときに逆流にスパイラル運動を付与するように配置構成される。各実施形態では、各ガス通路１５１は、逆流の渦度を高めるように曲がっていてもよい。
【0022】
各実施形態では、逆流入口１４４から出る逆流は、内壁１４０の方に向かって進み、次いで螺旋運動で内壁１４０に沿って導波管１２０の他端の方へ上向き（ｙ軸方向）に進行する。続いて、逆流は、下向きに進行し、外側渦流れ１４５を形成するように流れの方向を逆にする。各実施形態では、外側渦流れ１４５の回転軸は、ｙ軸にほぼ平行である。図９は、本開示の各実施形態による外側渦流れ１４５の斜視図を示す。図示されるように、外側渦流れ１４５は、中空円筒形状を有し、内側下降流領域１４５－１および外側上昇流領域１４５－２という２つの流れ領域を有する。各実施形態では、内側渦流れ１４３は、外側渦流れ１４５の中央中空部分に配置構成され、内側下降流領域１４５－１によって取り囲まれる。
【0023】
各実施形態では、外側渦流れ１４５は、内側渦流れ１４３を取り囲み、それによってプラズマ１４６から内壁１４０をシールドする。各実施形態では、逆流入口１４４から出る逆流は、周囲温度を有し、外側渦流れ１４５が螺旋運動で内壁１４０に沿って上向きに進むときに内壁１４０から熱エネルギーをとることができる。
【0024】
各実施形態では、上述したように、プラズマスタビライザ１３８の内径が、内側渦流れ１４３の径寸法を決定する。したがって、各実施形態では、プラズマスタビライザ１３８の内径は、外側渦流れ１４５が内側渦流れ１４３を取り囲み、安定したやり方で内側渦流れ１４３の流れの状況（ｆｌｏｗ ｒｅｇｉｍｅ）を保持するように調節することができ、それによってプラズマを安定化し、改善されたスループットおよび効率をもたらす。
【0025】
各実施形態では、プラズマ１４６は、入口ガスを所望の生成ガスに改質するために使用され、入口ガスが、前進流入口１４２および逆流入口１４４の一方または両方によってプラズマ空洞の中に導入される。各実施形態では、前進流入口１４２から出る内側渦流れのガス組成は、ＣＯ２、ＣＨ４、およびＯ２を含み、ガス出口１３２から出るガスは、ＣＯおよびＨ２、ならびに前進流ガスの非反応部分を含む。各実施形態では、前進流の好ましい分布は、プラズマチャンバ１２２ａに入る全ての流れの０質量％～１００質量％である。各実施形態では、逆流は、前進流の同じガス組成を有し得る。代替の各実施形態では、前進流は、逆流とは異なるガス組成を有してもよい。各実施形態では、前進流および逆流のガス組成および流量は、プラズマチャンバ１２２ａ内の化学反応のプラズマの安定性および効率を高めるために調節することができる。
【0026】
図３に示されるように、圧力制御装置３００は、プラズマチャンバ１２２ａから出る排出ガスの圧力を調節してプラズマチャンバ内に背圧を作り出すために排出ガス管１２５ａ内に設置することができる。各実施形態では、圧力制御装置３００は、排出ガス管を通って伝播する圧力波を減衰させるために排出ガス管１２５ａの断面積を制限／変更することができる（すなわち、圧力制御装置３００は、流れインピーダンスを与えることができる）。図１０Ａは、本開示の各実施形態による圧力制御装置１０００の斜視図を示す。各実施形態では、圧力制御装置１０００は、図３の圧力制御装置３００として使用されてもよい。本開示では、例示のために、排出ガス管（例えば、１２５ａ）の断面形状は円であり、一方、排出ガス管は、楕円または長方形などの他の適切な断面形状を有し得ると仮定される。
【0027】
図１０Ａに示されるように、圧力制御装置１０００は、オリフィス（または均等には孔）１００２が内部に形成されている平らな円盤の形状を有してもよい。オリフィス１００２の寸法は、障害物の幾何学的形状を変えるために変更されてもよく、それによってプラズマチャンバ内の背圧の量を制御するとともに、プラズマ１４６の安定性を最適化する。各実施形態では、定常波などの波は、排出ガス管１２５ａおよび／またはマニホールド１２７内に形成される場合があり、波は、時間で変わる圧力の変動に関連し得る。各実施形態では、圧力制御装置１０００は、排出ガス管１２５ａ内の時間で変わる圧力の変動を制御／変調することができ、それにプラズマ１４６の安定性を最適化する。
【0028】
圧力制御装置１０００が使用されない場合、あるプラズマチャンバ（例えば、１２２ａ）内の圧力の乱れは、排出ガス管１２５ａ、マニホールド１２７、および排出ガス管１２５ｂを通って別のプラズマチャンバ（例えば、１２２ｂ）へ伝搬し得、すなわち、クロストークが、２つ以上のプラズマチャンバ間で生じ得る。各実施形態では、圧力制御装置１０００は、プラズマ安定性を高めるために、クロストークを抑制することもできる。
【0029】
排出ガス管１２５ａを通しての圧力の変動／乱れの伝播を抑制しつつ排出ガス管１２５ａ内の圧力およびプラズマチャンバ１２２ａ内の背圧を最適化するために、圧力制御装置１０００が２つ以上のオリフィスを含んでよいことは、当業者に明らかなはずである。
【0030】
各実施形態では、圧力制御装置３００は、図１０Ｂ～図１０Ｇに示されるように、他の適切な形状を有してもよい。図１０Ｂは、本開示の各実施形態による圧力制御装置１０１０を示す。図１０Ｂに示されるように、圧力制御装置１０１０は、１つまたは複数の孔１０１２を有する球体であってもよい。各実施形態では、圧力制御装置１０１０の直径は、排出ガス管１２５ａの内径と同じであってもよい。各実施形態では、孔１０１２のサイズおよび個数は、圧力の変動／乱れの伝播を抑制しつつ排出ガス管１２５ａ内の圧力およびプラズマチャンバ１２２ａ内の背圧を最適化するために変更されてもよい。
【0031】
図１０Ｃは、本開示の各実施形態による圧力制御装置１０２０を示す。図１０Ｃに示されるように、圧力制御装置１０２０は、メッシュ生地１０２２で形成されてもよく、メッシュ生地は、金属、非金属、または両方などの適切な材料で形成されてもよい。各実施形態では、メッシュ生地１０２２のストランドが、絡んでいてもよく、または格子状構造を有してもよく、ストランドのサイズおよびストランド間の間隔は、排出ガス管１２５ａを通して圧力の変動／乱れの伝播を抑制しつつ排出ガス管１２５ａ内の圧力およびプラズマチャンバ１２２ａ内の背圧を最適化するために変更されてもよい。
【0032】
図１０Ｄは、本開示の各実施形態による圧力制御装置１０３０を示す。図１０Ｄに示されるように、圧力制御装置１０３０は、１つまたは複数の縁部切欠きを有する平らな円盤であってもよく／溝１０３２は、この円盤の側面に沿って形成されてもよい。圧力制御装置１０００のように、縁部切欠き１０３２のサイズおよび個数は、排出ガス管１２５ａを通して圧力の変動／乱れの伝播を抑制しつつ排出ガス管１２５ａ内の圧力およびプラズマチャンバ１２２ａ内の背圧を最適化するために変更されてもよい。
【0033】
図１０Ｅは、本開示の各実施形態による圧力制御装置１０４０を示す。図１０Ｅに示されるように、圧力制御装置１０４０は、チューブの断面寸法がチューブの軸方向に沿って変わり得るチューブであり得る。各実施形態では、チューブの両端におけるチューブの外径Ｄ２は、排出ガス管１２５ａの内径と同じでもよい。各実施形態では、チューブ１０４０の最小内径Ｄ１は、排出ガス管１２５ａを通して圧力の変動／乱れの伝播を抑制しつつ排出ガス管１２５ａ内の圧力およびプラズマチャンバ１２２ａ内の背圧を最適化するために変更されてもよい。
【0034】
図１０Ｆは、本開示の各実施形態による圧力制御装置１０５０を示す。図示されるように、圧力制御装置１０５０は、排出ガス管１２５ａの内面に固定されている一連のバッフル１０５２を含んでもよい。図１０Ｇは、本開示の各実施形態によるバッフル１０５２の正面図を示す。各実施形態では、バッフル１０５２の個数および形状は、排出ガス管１２５ａを通して圧力の変動／乱れの伝播を抑制しつつ排出ガス管１２５ａ内の圧力およびプラズマチャンバ１２２ａ内の背圧を最適化するために変更されてもよい。
【0035】
図１１は、本開示の各実施形態によるプラズマ反応器１１００の概略図を示す。図示されるように、プラズマ反応器１１００は、フィードバック制御ユニット１１０３が排出ガス管１１２５内の圧力を制御するために使用され得るという差を伴って、プラズマ反応器１０１ａと類似し得る。各実施形態では、フィードバック制御ユニット１１０３は、排出ガス管１１２５内のガス圧を測定する圧力変換器などのセンサ１１０６と、排出ガス管１１２５内のガス圧を制御する可変オリフィス弁などの弁１１０８と、センサ１１０６および弁１１０８に結合され、センサ１１０６および弁１１０８を制御するように構成された制御ユニット１１１０とを含むことができる。各実施形態では、コンピューティング装置であり得る制御ユニット１１１０は、センサ１１０６から信号を受信し、この信号に応答して、排出ガス管１１２５を通じての圧力を調節するように弁１１０８を制御することができ、それによって排出ガス管１１２５を通しての圧力の変動／乱れの伝播を抑制しつつ排出ガス管１１２５内の圧力およびプラズマチャンバ１１２２内の背圧を最適化する。
【0036】
各実施形態では、プラズマ反応器１０１ａ～１０１ｎの各々は、フィードバック制御ユニット１１０３を有してもよい。代替の各実施形態では、プラズマ反応器１０１ａ～１０１ｎの各々は、センサ１１０６および弁１１０８を有することができ、一方、プラズマ反応器のセンサおよび弁は、１つの制御ユニット１１１０によって制御され、すなわち、排出ガス圧は、１つの集中型制御ユニットによって制御される。
【0037】
図１２は、本開示の各実施形態によるプラズマ反応器１２００の概略図を示す。図示されるように、プラズマ反応器１２００は、容器１２０６が排出ガス管１２０２に取り付けられ、排出ガス管１２０２と流体連通していることができるという差を伴って、プラズマ反応器１０１ａと類似し得るものであり、容器１２０６は、排出ガス管１２０２内の定常波の周波数を狂わせる（ｄｉｓｒｕｐｔ）またはシフトさせるために使用することができ、それによってプラズマ安定性を改善し、および／またはマニホールド１２２７を通してのプラズマ反応器間のクロストークを減衰させる。
【0038】
図３のプラズマチャンバ１２２ａは、異なる構成要素、および構成要素の配置を有してもよいことに留意されたい。例えば、プラズマチャンバは、前進流入口１４２を含まなくてもよい。別の例では、プラズマスタビライザ１３８は、逆流入口１４４上に装着されてもよい。プラズマチャンバ１２２ａの様々な実施形態の説明は、２０２０年１月２６日に出願された「Ｐｌａｓｍａ ｒｅａｃｔｏｒ ｆｏｒ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｇａｓ」という名称の同時係属している米国特許出願第１６／７５２，６８９号に見つけることができ、この出願は、参照により全体として本明細書に組み込まれる。
【0039】
各実施形態では、図３のプラズマチャンバ１２２ａは、逆流入口１４４を含まなくてもよい。図１３は、本開示の各実施形態によるプラズマチャンバ４００の断面図を示す。各実施形態では、プラズマチャンバ４００は、図１のプラズマ反応器に使用され得る。図示されるように、プラズマチャンバ４００は、図３の前進流入口１４２と同様の構造および機能を有する前進流入口４４２を含むが、プラズマチャンバ４００は、逆流入口を含まない。各実施形態では、プラズマスタビライザ４３８は、適宜の構成要素である。各実施形態では、プラズマ４４６によって処理されるガスは、ガス出口４３２を通って出て行き、排出ガス管４４５内に設置された圧力制御装置５００は、圧力制御装置３００と同様の構造および機能を有する。
【0040】
上述したように、図１のプラズマ反応器１０１ａ～１０１ｎの各々は、図１０Ａ～図１０Ｇの圧力制御装置を使用することができる。また、図１１のフィードバック制御ユニット１１０３および図１２のチャンバ１２０６は、プラズマ安定性を改善するとともに、マニホールド１２７を通してのプラズマ反応器間のクロストークを減衰させるために使用されてもよい。したがって、図１の各プラズマ反応器が、図１０Ａ～図１０Ｇの圧力制御装置、図１１のフィードバック制御ユニット１１０３、および図１２のチャンバ１２０６のうちの１つまたは複数を使用することができることは、当業者に明らかなはずである。同様に、図１３のプラズマチャンバが、図１０Ａ～図１０Ｇの圧力制御装置、図１１のフィードバック制御ユニット１１０３、および図１２のチャンバ１２０６のうちの１つまたは複数を使用することができることは、当業者に明らかなはずである。
【0041】
前述の各例および各実施形態は、例示であり、本開示の範囲を限定しないことが当業者に理解されるであろう。本明細書を読むとともに図面を研究すると当業者に明らかである全ての置換、強化、均等、組合せ、それに対する改善は、本開示の真の趣旨および範囲内に含まれることが意図されている。任意の請求の範囲の要素は、複数の従属、構成、および組合せを有することを含んで別の仕方で配置構成されてもよいことにも留意されたい。
【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10D】
【図10E】
【図10F】
【図10G】
【図11】
【図12】
【図13】
【国際調査報告】