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(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】2024-12-03
(54)【発明の名称】プラズマ反応器／イオン反応器
(51)【国際特許分類】
H05H 1/32 20060101AFI20241126BHJP
B01J 19/08 20060101ALI20241126BHJP
【ＦＩ】
H05H1/32
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 2024533263
(86)(22)【出願日】2022-12-01
(85)【翻訳文提出日】2024-06-27
(86)【国際出願番号】 US2022051547
(87)【国際公開番号】W WO2023102123
(87)【国際公開日】2023-06-08
(31)【優先権主張番号】63/285,076
(32)【優先日】2021-12-01
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】63/286,681
(32)【優先日】2021-12-07
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】63/296,209
(32)【優先日】2022-01-04
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】63/426,110
(32)【優先日】2022-11-17
(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】524210758
【氏名又は名称】コージェント エナジー システムズ インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110001519
【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】コング、ピーター、シー．
(72)【発明者】
【氏名】ビツォイ、ロドニー、ジェイ．
【テーマコード（参考）】
2G084
4G075
【Ｆターム（参考）】
2G084AA12
2G084AA14
2G084AA18
2G084AA19
2G084AA20
2G084DD12
2G084DD67
2G084GG26
2G084HH32
2G084HH42
2G084HH45
4G075AA05
4G075AA22
4G075AA37
4G075BA05
4G075BA08
4G075CA03
4G075CA17
4G075CA47
4G075DA02
4G075DA18
4G075EA01
4G075EA06
4G075EB01
4G075EB43
4G075EC21
4G075FA01
4G075FB02
4G075FB03
4G075FB04
(57)【要約】
ハイブリッドプラズマ反応器又はイオン反応器は、高温イオンガス及び電気アークを反応チャンバ内に提供して材料の処理を増加させるために同時に動作し、オフセット様式で反応チャンバの周囲に配置された複数のアーク電極セットを使用して、アークに一対の電極のアノードとカソードとの間を移動させる反応チャンバ又はプラズマチャンバの中心においてより大きな領域を生成し、反応ゾーンのサイズを増加させる、プラズマジェット反応器及びプラズマアーク反応器の両方の基本構成要素と、電極を冷却して、反応チャンバ内に閉じ込められた又は向けられたガスの流れの生成を補助し、更にチャンバ内の安定したアークの生成を補助するために、ガスをチャンバの幅にわたって渦を保ちながら流動させるプラズマ生成を提供するために、電極から作動ガス又は冷却ガスを導入する構造と、を含む。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ガス化装置であって、処理される材料を受け取るための入力部と、
出力部と、
１つ以上のプラズマユニットであって、各プラズマユニットは、
内部反応ゾーンを画定する外壁と、
電極アセンブリの１つ以上のセットであって、電極アセンブリの各セットがアノード電極及びカソード電極を含み、前記アノード電極及び前記カソード電極の各々が、前記反応ゾーンに曝露された電極先端を含む、電極アセンブリの１つ以上のセットと、を含み、
電極アセンブリの各セットは、前記アノード電極と前記カソード電極との間の前記反応ゾーンにおいてアーク放電を引き起こすために、電力信号で前記アノード電極及び前記カソード電極を通電するための電源に接続され、
前記１つ以上のプラズマユニットは、前記１つ以上のプラズマユニットの前記反応ゾーンが反応チャンバを画定するように、前記入力部と前記出力部との間に配置され、前記処理される材料は、前記反応チャンバを通って前記入力部から前記出力部へ流れ、前記１つ以上のプラズマユニット内の前記電極アセンブリの１つ以上のセットによって生成される前記アーク放電にさらされる、１つ以上のプラズマユニットと、
前記反応チャンバに隣接して配置され、前記反応チャンバ内にプラズマを放出する出力部を有するプラズマトーチと、を備える、ガス化装置。
【請求項2】
前記プラズマトーチは、前記入力部の近傍に配置されている、請求項１に記載のガス化装置。
【請求項3】
前記プラズマトーチは、前記出力部の近傍に配置されている、請求項１に記載のガス化装置。
【請求項4】
前記反応チャンバは、前記入力部から前記出力部まで延在する長手方向軸を有し、前記プラズマトーチは、流れ中の前記プラズマを前記反応チャンバの中に長手方向に向けるように配向されている、請求項１に記載のガス化装置。
【請求項5】
複数のプラズマユニットを含み、前記プラズマトーチは、前記複数のプラズマユニットのうちの少なくとも２つの前記反応ゾーン内に前記プラズマを向けるように配向されている、請求項１に記載のガス化装置。
【請求項6】
前記プラズマトーチは、前記１つ以上のプラズマユニットのうちの１つの中に配置され、前記１つ以上のプラズマユニットのうちの前記１つの外壁を通って延在し、プラズマを前記１つ以上のプラズマユニットのうちの前記１つの反応ゾーンの中に半径方向に向ける、請求項１に記載のガス化装置。
【請求項7】
前記電極アセンブリの各々は、１つ以上の作動ガス通路と、前記プラズマユニットのうちの１つの前記反応ゾーン内に作動ガスを導く作動ガス出口とを含む、請求項１に記載のガス化装置。
【請求項8】
前記１つ以上の電極アセンブリを介して放出された前記作動ガスは、前記プラズマユニットのうちの前記１つの前記反応ゾーン内で１つ以上のアークにさらされてプラズマを形成する、請求項７に記載のガス化装置。
【請求項9】
前記プラズマトーチによって放出された前記プラズマが、少なくとも１セットの電極アセンブリの前記アノード電極と前記カソード電極との間で１つ以上のアークを点火する、請求項１に記載のガス化装置。
【請求項10】
前記１つ以上のプラズマユニットの各々は、断面が円形であり、円筒形の反応ゾーンを画定する、請求項１に記載のガス化装置。
【請求項11】
細長い円筒形の反応チャンバを画定するように長手方向に積み重ねられた複数のプラズマユニットを含む、請求項１０に記載のガス化装置。
【請求項12】
前記複数のプラズマユニットの各々が、２セット以上の電極アセンブリを含む、請求項１１に記載のガス化装置。
【請求項13】
前記プラズマトーチは、前記プラズマユニットのうちの少なくとも２つの前記反応ゾーンを通過するプラズマ火炎を放出して、前記少なくとも２つのプラズマユニットの各々の前記電極アセンブリによって生成される１つ以上のアークと相互作用する、請求項１２に記載のガス化装置。
【請求項14】
ガス化装置であって、第１の開放端と第２の開放端との間に延在し、前記第１の開放端と前記第２の開放端との間に長手方向軸を画定する連続的な外壁によって形成される反応チャンバと、
前記第１の開放端と前記第２の開放端との間の前記外壁を通って前記反応チャンバ内に延在する少なくとも１セットの電極であって、電極の各セットはアノード電極及びカソード電極を含み、前記アノード電極及び前記カソード電極の各々は電極先端を含み、電極の各セットは、前記アノード電極先端と前記カソード電極先端との間の前記反応チャンバ内でアーク放電を引き起こすために、電力信号で前記アノード電極及び前記カソード電極に通電するための電源に接続されている、少なくとも１セットの電極と
前記反応チャンバに隣接して配置され、前記反応チャンバ内にプラズマを放出する出力部を有するプラズマトーチと、を備える、ガス化装置。
【請求項15】
前記プラズマトーチは、前記反応チャンバ内にプラズマ火炎としてプラズマを放出する、請求項１４に記載のガス化装置。
【請求項16】
前記アノード電極及び前記カソード電極は、前記長手方向軸に垂直な第１の平面内で前記反応チャンバ内に延在し、前記プラズマトーチは、前記第１の平面に対して垂直に前記反応チャンバ内へ前記プラズマを放出するように前記第１の平面に垂直に配置されている、請求項１４に記載のガス化装置。
【請求項17】
前記アノード電極及び前記カソード電極は、前記長手方向軸に垂直な第１の平面において前記反応チャンバ内に延在し、前記プラズマトーチは、前記第１の平面に平行な方向において前記反応チャンバ内に前記プラズマを放出するように配置されている、請求項１４に記載のガス化装置。
【請求項18】
前記アノード電極及び前記カソード電極は、前記長手方向軸に垂直な第１の平面において前記反応チャンバ内に延在し、前記プラズマトーチは、前記第１の平面に平行であり、かつ前記第１の平面内にある方向において前記反応チャンバ内に前記プラズマを放出するように配置されている、請求項１４に記載のガス化装置。
【請求項19】
前記アノード電極及び前記カソード電極は、前記長手方向軸に垂直な第１の平面において前記反応チャンバ内に延在し、前記プラズマトーチは、０でない角度で前記第１の平面と交差する方向において前記反応チャンバ内に前記プラズマを放出するように配置されている、請求項１４に記載のガス化装置。
【請求項20】
材料入力部及び材料出力部を更に含み、前記少なくとも１セットの電極の前記アノード電極及び前記カソード電極が前記反応チャンバを横切って横方向に配置されるように前記少なくとも１セットの電極が配置され、前記プラズマトーチは、流れの中の前記プラズマを前記反応チャンバ内に長手方向に向けるように配向されている、請求項１４に記載のガス化装置。
【請求項21】
前記反応チャンバは、複数のプラズマユニットを含み、各プラズマユニットは、外壁の境界内に反応ゾーンを画定する外壁と、少なくとも１セットの電極とを含み、前記プラズマユニットは、前記複数のプラズマユニットの前記反応ゾーンが前記反応チャンバを形成するように前記プラズマユニットの前記外壁を位置合わせするように互いに積み重ねられている、請求項２０に記載のガス化装置。
【請求項22】
前記プラズマトーチは、前記複数のプラズマユニットのうちの少なくとも２つの前記反応ゾーン内に前記プラズマを向けるように配向されている、請求項２１に記載のガス化装置。
【請求項23】
前記反応チャンバは、円筒形外壁によって形成された１つ以上の円筒形プラズマユニットを含み、前記プラズマトーチは、前記１つ以上のプラズマユニットのうちの１つに配置され、前記１つ以上のプラズマユニットのうちの前記１つの前記外壁を通って延在して、プラズマを前記１つ以上のプラズマユニットのうちの前記１つの前記反応ゾーン内に半径方向に向ける、請求項１４に記載のガス化装置。
【請求項24】
前記１つ以上の電極が、１つ以上の作動ガス通路と、作動ガスを前記反応チャンバ内に導く作動ガス出口とを含む、請求項１４に記載のガス化装置。
【請求項25】
前記１つ以上の電極を介して放出された前記作動ガスが、前記ガス化装置の動作中に前記反応チャンバ内で１つ以上のアークにさらされる、請求項２４に記載のガス化装置。
【請求項26】
前記プラズマトーチによって放出された前記プラズマが、前記ガス化装置の動作中に１セットの電極の前記電極間の１つ以上のアークを点火する、請求項１４に記載のガス化装置。
【請求項27】
材料を処理する方法であって、反応チャンバ内で処理される入力材料を受け取ることと、
１セット以上の電極に通電することであって、電極の各セットがアノード電極及びカソード電極を含み、各アノード電極及びカソード電極が前記反応チャンバに曝露された電極先端を有する、ことと、
前記反応チャンバ内で前記アノード電極先端と前記カソード電極先端との間に電気アークを発生させて、前記入力材料の少なくとも一部を電気アークにさらすことと、
プラズマトーチ内でプラズマを生成することと、
プラズマトーチからの前記プラズマを前記反応チャンバ内に注入して、前記入力材料の少なくとも一部を前記プラズマトーチからの前記プラズマに曝露することと、を備える、方法。
【請求項28】
前記プラズマトーチから前記プラズマを注入することは、前記反応チャンバ内にプラズマ火炎を放出することを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項29】
前記反応チャンバ内で前記アノード電極と前記カソード電極との間に電気アークを生成することは、前記反応チャンバを横方向に横切る第１の平面内に前記電気アークを生成することを含み、前記反応チャンバ内に前記プラズマ火炎を放出することは、前記第１の平面に垂直に前記プラズマ火炎を放出することを含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項30】
前記反応チャンバ内で前記アノード電極と前記カソード電極との間に電気アークを生成することは、前記反応チャンバを横方向に横切る第１の平面内に前記アークを生成することを含み、前記反応チャンバ内に前記プラズマ火炎を放出することは、前記第１の平面に平行な方向に前記プラズマ火炎を放出することを含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項31】
前記反応チャンバ内で前記アノード電極と前記カソード電極との間に電気アークを生成することは、前記反応チャンバを横方向に横切る第１の平面内に前記アークを生成することを含み、前記反応チャンバ内に前記プラズマ火炎を放出することは、前記第１の平面に平行であり、かつ前記第１の平面内にある方向に前記プラズマ火炎を放出することを含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項32】
前記反応チャンバ内で前記アノード電極と前記カソード電極との間に電気アークを生成することは、前記反応チャンバを横方向に横切る第１の平面内に前記アークを生成することを含み、前記反応チャンバ内に前記プラズマ火炎を放出することは、前記第１の平面に対して０でない角度で前記反応チャンバ内に前記プラズマ火炎を放出することを含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項33】
前記反応チャンバ内で前記アノード電極と前記カソード電極との間に電気アークを生成することは、前記反応チャンバを横方向に横切る第１の平面内に前記アークを生成することを含み、前記反応チャンバ内に前記プラズマ火炎を放出することは、前記プラズマ火炎が前記第１の平面を横切るように前記プラズマ火炎を放出することを含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項34】
前記１セット以上の電極に通電することは、前記入力部に対して長手方向の位置で電極の複数のセットに通電して、前記長手方向の位置で前記反応チャンバにわたって複数のアークを生成することを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項35】
前記１セット以上の電極に通電することは、前記入力部に対して第１の長手方向位置で電極の第１のセットに通電して、前記第１の長手方向位置で前記反応チャンバを横切る少なくとも１つのアークを生成することと、前記入力部に対して前記第１の長手方向位置とは異なる第２の長手方向位置で電極の第２のセットに通電して、前記第２の長手方向位置で前記反応チャンバを横切る少なくとも１つのアークを生成することと、を含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項36】
前記プラズマトーチから前記反応チャンバ内に前記プラズマを注入することは、プラズマ火炎を前記反応チャンバ内に注入して、前記プラズマ火炎が前記電極の第１のセットによって生成された前記アークを横切るが、前記電極の第２のセットによって生成された前記アークを横切らないようにすることを含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項37】
前記１セット以上の電極に通電することは、前記入力部に対して第１の長手方向位置で第１の複数の電極セットに通電して、前記第１の長手方向位置で前記反応チャンバを横切る第１の複数のアークを生成することと、前記入力部に対して前記第１の長手方向位置とは異なる第２の長手方向位置で第２の複数の電極セットに通電して、前記第２の長手方向位置で前記反応チャンバを横切る第２の複数のアークを生成することとを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項38】
前記プラズマトーチから前記反応チャンバ内に前記プラズマを注入することは、プラズマ火炎を前記反応チャンバ内に注入して、前記プラズマ火炎が前記第１の複数の電極セットによって生成された前記第１の複数のアークを横切るが、前記第２の複数の電極セットによって生成された前記第２の複数のアークを横切らないようにすることを含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項39】
前記プラズマトーチから前記反応チャンバ内に前記プラズマを注入することは、前記第１の複数の電極セットによって生成される前記第１の複数のアーク及び前記第２の複数の電極セットによって生成される前記第２の複数のアークの両方と交差するように、前記反応チャンバ内にプラズマ火炎を注入することを含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項40】
前記反応チャンバ内で前記アノード電極と前記カソード電極との間に電気アークを生成することは、円形反応チャンバを横切って配置されたアノード電極及びカソード電極によって前記円形反応チャンバを半径方向に横切って前記アークを生成することを含み、前記プラズマ火炎を前記反応チャンバ内に放出することは、前記プラズマ火炎を前記反応チャンバ内に半径方向に放出することを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項41】
前記反応チャンバ内で前記アノード電極と前記カソード電極との間に電気アークを生成することが、前記入力部に対して第１の長手方向位置で前記アークを生成することを含み、前記反応チャンバ内に前記プラズマ火炎を放出することが、前記第１の長手方向位置で前記反応チャンバ内に半径方向へ前記プラズマ火炎を放出することを含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項42】
前記アノード電極又は前記カソード電極を含む電極アセンブリから前記反応チャンバ内に作動ガスを注入することを更に含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項43】
前記アノード電極と前記カソード電極との間に生成されたアークに前記作動ガスを曝露することによって、前記作動ガスからプラズマを生成することを更に含む、請求項４２に記載の方法。
【請求項44】
前記プラズマトーチからの前記プラズマを使用して、前記反応チャンバ内の１つの電極セット間で１つ以上のアークを点火することを更に含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項45】
ガス化装置であって、処理される材料を受け取るための入力部と、
出力部と、
前記入力部と前記出力部との間に配置された１つ以上のプラズマユニットであって、各プラズマユニットが、
内部反応ゾーンを画定する外壁と、
前記外壁に取り付けられた複数の電極セットと、を含み、各セットの電極は、
前記反応ゾーンに曝露したアノード電極先端を有するアノード電極と、
前記反応ゾーンに曝露したカソード電極先端を有するカソード電極と、を含み、
前記電極セットの各々は、前記アノード電極先端と前記カソード電極先端との間の前記反応ゾーンにおいてアーク放電を引き起こすために、電力信号で前記アノード電極及び前記カソード電極に通電するための電源に接続され、
前記複数の電極セットの前記個々の電極は、前記外壁の周りにオフセットして配置され、前記隣接する各電極対は、アノード電極とカソード電極とを含む、１つ以上のプラズマユニットと、を含む、ガス化装置。
【請求項46】
前記電極セットのうちの少なくとも１つの前記アノード電極及び前記カソード電極が、前記外壁の周りで１８０度未満の角度で互いにオフセットされる、請求項４５に記載のガス化装置。
【請求項47】
前記電極セットのうちの少なくとも１つの前記アノード電極及び前記カソード電極は、前記外壁の周りで鋭角だけ互いにオフセットされる、請求項４５に記載のガス化装置。
【請求項48】
前記電極セットのうちの少なくとも１つの前記アノード電極及び前記カソード電極が、前記外壁の周りで鈍角だけ互いにオフセットされる、請求項４５に記載のガス化装置。
【請求項49】
前記電極セットのうちの少なくとも１つの前記アノード電極及び前記カソード電極が、前記外壁の周りで９０度の角度だけ互いにオフセットされる、請求項４５に記載のガス化装置。
【請求項50】
前記電極セットのうちの第１のセットの前記アノード電極及び前記カソード電極が、前記外壁の周りで１８０度未満の第１の角度で互いからオフセットされ、前記電極セットのうちの第２のセットの前記アノード電極及び前記カソード電極が、前記外壁の周りで前記第１の角度とは異なる第２の角度で互いからオフセットされる、請求項４５に記載のガス化装置。
【請求項51】
前記電極セットのうちの第１のセットの前記アノード電極及び前記カソード電極は、前記外壁の周りで１８０度未満の第１の角度だけ互いからオフセットされ、前記電極セットのうちの第２のセットの前記アノード電極及び前記カソード電極が、前記外壁の周りで１８０度だけ互いからオフセットされる、請求項４５に記載のガス化装置。
【請求項52】
前記複数の電極セットは、３セットの電極を含み、前記３セットの電極のうちの第１の電極セットの前記アノード電極及び前記カソード電極は、前記外壁の周りで互いに１８０度オフセットされ、前記３セットの電極のうちの第２及び第３の電極セットの前記アノード電極及び前記カソード電極は、前記外壁の周りで互いに６０度オフセットされる、請求項４５に記載のガス化装置。
【請求項53】
前記複数の電極セットは、３セットの電極を含み、前記３セットの電極の各々の前記アノード電極及び前記カソード電極は、前記外壁の周りで互いに６０度オフセットされる、請求項４５に記載のガス化装置。
【請求項54】
前記複数の電極セットは、４セットの電極を含み、前記４セットの電極のうちの少なくとも２セットの前記アノード電極及び前記カソード電極は、前記外壁の周りで互いに１３５度オフセットされる、請求項４５に記載のガス化装置。
【請求項55】
前記複数の電極セットは、４セットの電極を含み、前記４セットの電極のうちの少なくとも２つのセットの前記アノード電極及び前記カソード電極は、前記外壁の周りで互いに４５度オフセットされる、請求項４５に記載のガス化装置。
【請求項56】
前記１つ以上のプラズマユニットのうちの少なくとも１つの前記反応ゾーンに隣接して配置され、前記１つ以上のプラズマユニットのうちの前記少なくとも１つの前記反応ゾーンにプラズマを放出する出力部を有するプラズマトーチを更に含む、請求項４５に記載のガス化装置。
【請求項57】
前記プラズマトーチは、前記入力部の近傍に配置されている、請求項５６に記載のガス化装置。
【請求項58】
前記１つ以上のプラズマユニットの前記反応ゾーンは、前記入力部から前記出力部まで延在する長手方向軸を有する反応チャンバを画定し、前記プラズマトーチは、流れの中の前記プラズマを前記反応チャンバ内に長手方向に向けるように配向されている、請求項５６に記載のガス化装置。
【請求項59】
前記プラズマトーチは、前記１つ以上のプラズマユニットのうちの１つの中に配置され、前記１つ以上のプラズマユニットのうちの前記１つの外壁を通って延在し、プラズマを前記１つ以上のプラズマユニットのうちの前記１つの反応ゾーンの中に半径方向に向ける、請求項５６に記載のガス化装置。
【請求項60】
前記１つ以上のプラズマユニットのうちの１つの前記電極セットのうちの少なくとも１つが、１つ以上の作動ガス通路と、前記１つ以上のプラズマユニットのうちの前記１つの前記反応ゾーンに作動ガスを導く作動ガス出口とを含む電極アセンブリを含む、請求項４５に記載のガス化装置。
【請求項61】
前記１つ以上のプラズマユニットのうちの１つの前記外壁は、断面が円形であり、前記１つ以上のプラズマユニットのうちの前記１つのための円筒形反応ゾーンを画定する、請求項４５に記載のガス化装置。
【請求項62】
ガス化装置であって、処理される材料を受け取るための入力部と、
出力部と、
前記入力部と前記出力部との間に配置された１つ以上のプラズマユニットであって、各プラズマユニットは、
内部反応ゾーンを画定する環状外壁と、
前記環状外壁に取り付けられた複数の電極セットであって、各電極セットが、
前記反応ゾーンに曝露したアノード電極先端を有するアノード電極と、
前記反応ゾーンに曝露したカソード電極先端を有するカソード電極と、を含み、
前記電極セットの各々は、前記アノード電極先端と前記カソード電極先端との間の前記反応ゾーンにおいてアーク放電を引き起こすために、電力信号で前記アノード電極及び前記カソード電極に通電するための電源に接続され、
前記電極セットのうちの少なくとも１つの前記アノード電極及び前記カソード電極が、前記外側環状壁の周りで１８０度未満の角度で互いにオフセットされる、複数の電極セットと、を含む、１つ以上のプラズマユニットと、を備える、ガス化装置。
【請求項63】
前記電極セットのうちの少なくとも１つの前記アノード電極及び前記カソード電極は、前記環状外壁の周りで鋭角だけ互いにオフセットされる、請求項６２に記載のガス化装置。
【請求項64】
前記電極セットのうちの少なくとも１つの前記アノード電極及び前記カソード電極は、前記環状外壁の周りで鈍角によって互いからオフセットされる、請求項６２に記載のガス化装置。
【請求項65】
前記電極セットのうちの少なくとも１つの前記アノード電極及び前記カソード電極が、前記環状外壁の周りに９０度の角度で互いにオフセットされる、請求項６２に記載のガス化装置。
【請求項66】
前記電極セットのうちの第１のセットの前記アノード電極及び前記カソード電極が、前記環状外壁の周りで１８０度未満の第１の角度で互いにオフセットされ、前記電極セットのうちの第２のセットの前記アノード電極及び前記カソード電極は、前記環状外壁の周りで前記第１の角度とは異なる第２の角度で互いにオフセットされる、請求項６２に記載のガス化装置。
【請求項67】
前記電極セットのうちの第１のセットの前記アノード電極及び前記カソード電極が、前記環状外壁の周りで１８０度未満の第１の角度だけ互いからオフセットされ、前記電極セットのうちの第２のセットの前記アノード電極及び前記カソード電極が、前記環状外壁の周りで１８０度の角度だけ互いからオフセットされる、請求項６２に記載のガス化装置。
【請求項68】
前記複数の電極セットは、３セットの電極を含み、前記３セットの電極のうちの第１の電極セットの前記アノード電極及び前記カソード電極は、前記環状外壁の周りで互いに１８０度オフセットされ、前記３セットの電極のうちの第２及び第３の電極セットの前記アノード電極及び前記カソード電極は、前記環状外壁の周りで互いに６０度オフセットされる、請求項６２に記載のガス化装置。
【請求項69】
前記複数の電極セットは、３セットの電極を含み、前記３セットの電極の各々の前記アノード電極及び前記カソード電極は、前記環状外壁の周りで互いに６０度オフセットされる、請求項６２に記載のガス化装置。
【請求項70】
前記複数の電極セットは、４セットの電極を含み、前記４セットの電極のうちの少なくとも２つのセットの前記アノード電極及び前記カソード電極は、前記環状外壁の周りで互いに１３５度オフセットされる、請求項６２に記載のガス化装置。
【請求項71】
前記複数の電極セットは、４セットの電極を含み、前記４セットの電極のうちの少なくとも２つのセットの前記アノード電極及び前記カソード電極は、前記環状外壁の周りで互いに４５度オフセットされる、請求項６２に記載のガス化装置。
【請求項72】
前記１つ以上のプラズマユニットのうちの少なくとも１つの前記反応ゾーンに隣接して配置され、前記１つ以上のプラズマユニットのうちの前記少なくとも１つの前記反応ゾーンにプラズマを放出する出力部を有するプラズマトーチを更に含む、請求項６２に記載のガス化装置。
【請求項73】
前記プラズマトーチは、前記入力部の近傍に配置されている、請求項７２に記載のガス化装置。
【請求項74】
前記１つ以上のプラズマユニットの前記反応ゾーンは、前記入力部から前記出力部まで延在する長手方向軸を有する反応チャンバを画定し、前記プラズマトーチは、流れの中の前記プラズマを前記反応チャンバ内に長手方向に向けるように配向されている、請求項７２に記載のガス化装置。
【請求項75】
複数のプラズマユニットを含み、前記プラズマトーチは、前記複数のプラズマユニットのうちの少なくとも２つの前記反応ゾーン内に前記プラズマを向けるように配向されている、請求項７２に記載のガス化装置。
【請求項76】
前記プラズマトーチは、前記１つ以上のプラズマユニットのうちの１つの中に配置され、前記１つ以上のプラズマユニットのうちの前記１つの外壁を通って延在し、プラズマを前記１つ以上のプラズマユニットのうちの前記１つの反応ゾーンの中に半径方向に向ける、請求項７２に記載のガス化装置。
【請求項77】
前記１つ以上のプラズマユニットのうちの１つの前記電極セットのうちの少なくとも１つが、１つ以上の作動ガス通路と、前記１つ以上のプラズマユニットのうちの前記１つの前記反応ゾーンに作動ガスを導く作動ガス出口とを含む電極アセンブリを含む、請求項７２に記載のガス化装置。
【請求項78】
前記１つ以上のプラズマユニットが、前記入力部と前記出力部との間に配置され、前記１つ以上のプラズマユニットのそれぞれの前記反応ゾーンが反応チャンバを画定し、前記処理される材料が前記反応チャンバを通って前記入力部から前記出力部に流れ、前記１つ以上のプラズマユニット内の前記複数の電極セットによって生成される前記アーク放電にさらされる、請求項６２に記載のガス化装置。
【請求項79】
前記１つ以上のプラズマユニット内の前記複数の電極セットの前記個々の電極は、前記外側環状壁の周りにオフセットして配置され、前記隣接する各電極対がアノード電極及びカソード電極を含む、請求項６２に記載のガス化装置。
【請求項80】
材料を処理する方法であって、外壁を有する反応チャンバ内で処理される入力材料を受け取ることと、
複数の電極セットの各々に通電することであって、前記複数の電極セットの各々は、アノード電極及びカソード電極を含み、各アノード電極及びカソード電極は、前記反応チャンバに曝露された電極先端を有し、前記複数のセットの電極の前記電極は、前記隣接する各電極対が、アノード電極及びカソード電極を含むように前記外壁の周りにオフセットして配置されている、ことと、
前記反応チャンバ内の前記複数の電極セットの各々の前記アノード電極先端と前記カソード電極先端との間に電気アークを生成して、前記入力材料の少なくとも一部を電気アークに曝露することと、を含む、方法。
【請求項81】
前記反応チャンバ内にプラズマを生成し、前記入力材料を前記プラズマに曝露することを更に含む、請求項８０に記載の方法。
【請求項82】
前記反応チャンバ内でプラズマを生成し、前記反応チャンバ内に作動ガスを導入することを含む、請求項８１に記載の方法。
【請求項83】
前記反応チャンバ内に前記作動ガスを導入することは、アノード電極又はカソード電極を含む電極アセンブリを介して前記反応チャンバ内に前記作動ガスを導入することを含む、請求項８２に記載の方法。
【請求項84】
前記反応チャンバ内でプラズマを生成することは、プラズマトーチ内でプラズマを生成することと、前記プラズマトーチから前記反応チャンバ内に前記プラズマを導入することとを含む、請求項８１に記載の方法。
【請求項85】
前記電極セットのうちの少なくとも１つの前記アノード電極及び前記カソード電極が、前記反応チャンバの前記外壁の周りで１８０度未満の角度で互いからオフセットされ、前記電極セットのうちの前記少なくとも１つの前記アノード電極先端と前記カソード電極先端との間に電気アークを生成することが、前記反応チャンバの前記中心と位置合わせされないアークを生成することを含む、請求項８０に記載の方法。
【請求項86】
前記電極セットのうちの少なくとも１つの前記アノード電極及び前記カソード電極は、前記反応チャンバの前記外壁の周りに鋭角で互いからオフセットされ、前記電極セットのうちの前記少なくとも１つの前記アノード電極先端と前記カソード電極先端との間に電気アークを生成することが、前記電極セットのうちの他のセットによって生成される任意の他のアークを横切らないアークを生成することを含む、請求項８０に記載の方法。
【請求項87】
前記電極セットのうちの少なくとも１つの前記アノード電極及び前記カソード電極が、前記反応チャンバの前記外壁の周りに鈍角で互いからオフセットされ、前記電極セットのうちの前記少なくとも１つの前記アノード電極先端と前記カソード電極先端との間に電気アークを生成することが、前記電極セットのうちの他のセットによって生成される前記他のアークの全てではないが少なくとも１つを横切るアークを生成することを含む、請求項８０に記載の方法。
【請求項88】
前記複数の電極セットの前記アノード電極及び前記カソード電極が、前記反応チャンバの外壁の周りに１８０度未満の角度で互いからオフセットされ、前記電極セットの前記少なくとも１つの前記アノード電極先端と前記カソード電極先端との間に電気アークを生成することが、前記電極セットのそれぞれの前記アノード電極先端と前記カソード電極先端との間に、前記アークが他のアークのいずれも横切らないように電気アークを生成することを含む、請求項８０に記載の方法。
【請求項89】
前記電極セットのうちの少なくとも１つの前記アノード電極及び前記カソード電極は、前記反応チャンバの外壁の周りに１８０度に等しい角度で互いからオフセットされ、前記電極セットのうちの少なくとも他の１つの前記アノード電極及び前記カソード電極は、前記反応チャンバの外壁の周りに１８０度未満の角度で互いからオフセットされ、前記電極セットのうちの少なくとも１つの前記アノード電極先端と前記カソード電極先端との間に電気アークを生成することは、前記反応チャンバの中心を通過するアークを生成することを含み、前記電極セットのうちの前記少なくとも他の１つの前記アノード電極先端と前記カソード電極先端との間に前記反応チャンバの中心を通過しない電気アークを生成することを更に含む、請求項８０に記載の方法。
【請求項90】
材料を処理する方法であって、外壁を有する反応チャンバ内で処理される入力材料を受け取ることと、
複数の電極セットの各々に通電することであって、前記複数の電極セットの各々は、アノード電極及びカソード電極を含み、各アノード電極及びカソード電極は、前記反応チャンバに曝露された電極先端を有し、前記電極セットのうちの少なくとも１つの前記アノード電極及び前記カソード電極は、前記反応チャンバの前記外壁の周りに１８０度未満の角度で互いにオフセットされる、ことと、
前記反応チャンバ内の前記複数の電極セットの各々の前記アノード電極先端と前記カソード電極先端との間に電気アークを生成して、前記入力材料の少なくとも一部を電気アークにさらすことと、を含み、前記電極セットの前記少なくとも１つの前記アノード電極先端と前記カソード電極先端との間に電気アークを生成することは、前記反応チャンバの前記中心と位置合わせされないアークを生成することを含む、方法。
【請求項91】
前記反応チャンバ内でプラズマを生成し、前記入力材料を前記プラズマにさらすことを更に含む、請求項９０に記載の方法。
【請求項92】
前記反応チャンバ内でプラズマを生成し、前記反応チャンバ内に作動ガスを導入することを含む、請求項９１に記載の方法。
【請求項93】
前記反応チャンバ内に前記作動ガスを導入することは、アノード電極又はカソード電極を含む電極アセンブリを介して前記反応チャンバ内に前記作動ガスを導入することを含む、請求項９２に記載の方法。
【請求項94】
前記反応チャンバ内でプラズマを生成することは、プラズマトーチ内でプラズマを生成することと、前記プラズマトーチから前記反応チャンバ内に前記プラズマを導入することとを含む、請求項９１に記載の方法。
【請求項95】
前記電極セットのうちの少なくとも１つの前記アノード電極及び前記カソード電極が、前記反応チャンバの外壁の周りに鋭角で互いからオフセットされ、前記電極セットのうちの前記少なくとも１つの前記アノード電極先端と前記カソード電極先端との間に電気アークを生成することは、前記電極セットのうちの他のセットによって生成される他のアークを横切らないアークを生成することを含む、請求項９０に記載の方法。
【請求項96】
前記電極セットのうちの少なくとも１つの前記アノード電極及び前記カソード電極が、前記反応チャンバの外壁の周りに鈍角で互いからオフセットされ、前記電極セットのうちの前記少なくとも１つの前記アノード電極先端と前記カソード電極先端との間に電気アークを生成することが、前記電極セットのうちの他のセットによって生成される前記他のアークの全てではないが少なくとも１つを横切るアークを生成することを含む、請求項９０に記載の方法。
【請求項97】
前記複数の電極セットの各々の前記アノード電極及び前記カソード電極が、前記反応チャンバの外壁の周りに１８０度未満の角度で互いからオフセットされ、前記電極セットの前記少なくとも１つの前記アノード電極先端と前記カソード電極先端との間に電気アークを生成することが、前記電極セットのそれぞれの前記アノード電極先端と前記カソード電極先端との間に、前記アークが他のアークのいずれも横切らないように電気アークを生成することを含む、請求項９０に記載の方法。
【請求項98】
前記電極セットのうちの別の１つの前記アノード電極及び前記カソード電極は、前記反応チャンバの外壁の周りに１８０度に等しい角度で互いからオフセットされ、前記電極セットのうちの前記少なくとも１つの前記アノード電極先端と前記カソード電極先端との間に電気アークを生成することが、前記反応チャンバの中心を通過しない前記電極セットのうちの前記少なくとも１つの前記アノード電極先端と前記カソード電極先端との間に電気アークを生成することを含み、前記反応チャンバの中心を通過する前記電極セットのうちの前記別の１つの前記アノード電極先端と前記カソード電極先端との間にアークを生成することを更に含む、請求項９０に記載の方法。
【請求項99】
ガス化装置であって、処理される材料を受け取るための入力部と、
出力部と、
前記入力部と前記出力部との間に配置された１つ以上のプラズマユニットであって、各プラズマユニットが、
内部反応ゾーンを画定する外壁と、
電極アセンブリの１つ以上のセットであって、電極アセンブリの各セットが、
（１）前記反応ゾーンに曝露したアノード電極先端を有するアノード電極と、
（２）第１作動ガス通路と、
（３）前記反応ゾーンに曝露された第１の作動ガス出口と、
（４）第１の渦において第１の作動ガスを前記第１の作動ガス出口から出させる作動ガスに曝露される第１の電極アセンブリ表面上に配置された、第１の円形方向に螺旋状である第１の螺旋状溝セットと、を有する、第１の電極アセンブリと、
（１）前記反応ゾーンに曝露したカソード電極先端を有するカソード電極と、
（２）第２作動ガス通路と、
（３）前記反応ゾーンに曝露された第２の作動ガス出口と、
（４）前記作動ガスに曝露される第２の電極アセンブリ表面上に配置された第２の円形方向に螺旋状であり、第２の作動ガスを第２の渦で前記作動ガス出口から出させる第２の螺旋状溝セットと、を有する、第２の電極アセンブリと、を含み、
前記電極アセンブリセットの各々は、前記アノード電極及び前記カソード電極に電力信号で通電するための電源に接続され、前記アノード電極先端と前記カソード電極先端との間の前記反応ゾーンにおいて、前記第１の作動ガス及び前記第２の作動ガスの両方が渦巻き状に運動する存在下でアーク放電を引き起こす、１つ以上の電極アセンブリセットと、を含む、１つ以上のプラズマユニットと、を備える、ガス化装置。
【請求項100】
前記第１の円形方向及び前記第２の円形方向が異なる円形方向である、請求項９９に記載のガス化装置。
【請求項101】
前記第１の円形方向が時計回り又は反時計回りの一方であり、前記第２の円形方向が時計回り又は反時計回りの他方である、請求項９９に記載のガス化装置。
【請求項102】
前記第１の電極アセンブリは、前記アノード電極先端から前記カソード電極先端までの線が前記反応ゾーンを二等分するように、前記第２の電極アセンブリから前記反応ゾーンを直接横切って配置されている、請求項９９に記載のガス化装置。
【請求項103】
前記第１の電極アセンブリ表面が電極コアであり、前記第２の電極アセンブリ表面が電極コアである、請求項９９に記載のガス化装置。
【請求項104】
前記第１の電極アセンブリ表面が前記第１の作動ガス通路の内面であり、前記第２の電極アセンブリ表面が前記第２の作動ガス通路の内面である、請求項９９に記載のガス化装置。
【請求項105】
前記第１の電極アセンブリ表面は、前記第１の作動ガス通路の電極コア又は内面のうちの一方であり、前記第２の電極アセンブリ表面は、前記第２の作動ガス通路の電極コア及び内面のうちの他方である、請求項９９に記載のガス化装置。
【請求項106】
前記第１の溝セットが第１ピッチを有し、前記第２の溝セットが前記第１ピッチとは異なる第２ピッチを有する、請求項９９に記載のガス化装置。
【請求項107】
前記第１の溝セット及び前記第２の溝セットが同じピッチを有する、請求項９９に記載のガス化装置。
【請求項108】
前記外壁が長方形の反応ゾーンを形成する、請求項９９に記載のガス化装置。
【請求項109】
前記外壁が円筒形の反応ゾーンを形成する、請求項９９に記載のガス化装置。
【請求項110】
前記外壁が管状反応ゾーンを形成し、１つの電極アセンブリセットの前記電極アセンブリが前記管状端部に配置されている、請求項９９に記載のガス化装置。
【請求項111】
ガス化装置であって、処理される材料を受け取るための入力部と、
出力部と、
前記入力部と前記出力部との間に配置された１つ以上のプラズマユニットであって、各プラズマユニットが、
円筒形内部反応ゾーンを画定する環状外壁と、
前記環状外壁を通して配置された複数の電極アセンブリセットであって、電極アセンブリの各セットが、
アノード電極先端が前記反応ゾーンに曝露されたアノード電極を有する第１の電極アセンブリと、
カソード電極先端が前記反応ゾーンに曝露されたカソード電極を有する第２の電極アセンブリと、を含み、
前記第１の電極アセンブリ及び前記第２の電極アセンブリのそれぞれは更に、
（１）作動ガス通路と、
（２）前記反応ゾーンに曝露された第２の作動ガス出口と、
（３）作動ガスを渦巻き状に前記作動ガス出口から出させる作動ガスに曝露される電極アセンブリ表面上の１つの螺旋状溝セットと、を含み、
前記電極アセンブリセットの各々は、前記電極アセンブリの前記アノード電極先端と前記カソード電極先端との間の前記反応ゾーンにおいてアーク放電を引き起こすために、電力信号で前記アノード電極及び前記カソード電極に通電するための電源に接続され、
前記電極アセンブリセットは、対向して配置された複数の電極アセンブリセットを生成するように、前記プラズマユニットの前記環状外壁の周りに配置され、対向して配置された電極アセンブリの各セットは、互いから前記反応ゾーンを直接横切って配置された同じ電極アセンブリセットからの２つの電極アセンブリを含むか、又は互いから前記反応ゾーンを直接横切って配置された異なる電極アセンブリセットからの２つの電極アセンブリを含む、複数の電極アセンブリセットと、を含む、１つ以上のプラズマユニットと、を備える、ガス化装置。
【請求項112】
前記対向して配置された電極アセンブリセットのうちの少なくとも１つが、前記対向して配置された電極アセンブリのうちの第１の電極アセンブリ内に、前記作動ガスを第１の円形方向に流す第１の溝セットを含み、前記対向して配置された電極アセンブリのうちの第２の電極アセンブリ内に、前記作動ガスを前記第１の円形方向とは異なる第２の円形方向に流す第２の溝セットを含む、請求項１１１に記載のガス化装置。
【請求項113】
前記第１の円形方向が時計回り又は反時計回りの一方であり、前記第２の円形方向が時計回り又は反時計回りの他方である、請求項１１２に記載のガス化装置。
【請求項114】
対向して配置された電極アセンブリの特定のセットの前記電極アセンブリのうちの第１の電極アセンブリの前記電極アセンブリ表面が電極コアであり、対向して配置された電極アセンブリの前記特定のセットの前記電極アセンブリのうちの第２の電極アセンブリの前記電極アセンブリ表面が電極コアである、請求項１１１に記載のガス化装置。
【請求項115】
対向して配置された電極アセンブリの特定のセットの前記電極アセンブリのうちの第１の電極アセンブリの前記電極アセンブリ表面が、流体ガス通路の内面であり、対向して配置された前記電極アセンブリの特定のセットの電極アセンブリのうちの第２の電極アセンブリの電極アセンブリ表面が、流体ガス通路の内面である、請求項１１１に記載のガス化装置。
【請求項116】
対向して配置された電極アセンブリの特定のセットの前記電極アセンブリのうちの第１の電極アセンブリの前記電極アセンブリ表面が、前記流体ガス通路の内面であり、対向して配置された電極アセンブリの前記特定のセットの前記電極アセンブリのうちの第２の電極アセンブリの前記電極アセンブリ表面が、電極コアである、請求項１１１に記載のガス化装置。
【請求項117】
対向して配置された電極アセンブリの特定のセットの前記電極アセンブリのうちの第１の電極アセンブリの前記溝セットと、対向して配置された電極アセンブリの前記特定のセットの前記電極アセンブリのうちの第２の電極アセンブリの前記溝セットとが、同じピッチを有する、請求項１１１に記載のガス化装置。
【請求項118】
材料を処理する方法であって、反応チャンバ内で処理される入力材料を受け取ることと、
１つの対向して配置された電極アセンブリセットのそれぞれから前記反応チャンバに作動ガスを供給することであって、前記対向して配置された電極アセンブリセットは、第２の電極アセンブリから前記反応チャンバを横切って直接配置された第１の電極アセンブリを含み、前記対向して配置された電極アセンブリセットのそれぞれから前記反応チャンバに入る前記作動ガスに渦を誘導することを含む、ことと、
１つの電極セットに電力信号を通電することであって、前記１つの電極セットはアノード電極及びカソード電極を含み、前記アノード電極及び前記カソード電極のそれぞれは前記反応チャンバに曝露された電極先端を有する、ことと、
前記反応チャンバ内で前記アノード電極先端と前記カソード電極先端との間に電気アークを生成して、前記反応チャンバ内の前記作動ガスを電気アークに曝露してプラズマを生成することと、を含み、
前記対向して配置された電極アセンブリのそれぞれから前記反応チャンバに入る前記作動ガスに渦を誘導することは、前記第１の電極アセンブリから第１の円形方向に前記作動ガスに渦を誘導することと、前記第２の電極アセンブリから第２の円形方向に前記作動ガスに渦を誘導することとを含み、前記第１の円形方向は前記第２の円形方向とは異なる、方法。
【請求項119】
前記対向して配置された電極アセンブリセットのそれぞれから前記反応チャンバに入る前記作動ガスに渦を誘発することが、前記作動ガスを螺旋状溝付き電極アセンブリ表面に押し付けることを含む、請求項１１８に記載の方法。
【請求項120】
前記対向して配置された電極アセンブリセットのそれぞれから前記反応チャンバに入る前記作動ガスに渦を誘発することが、前記作動ガスを螺旋状溝付き電極コアに押し付けることを含む、請求項１１８に記載の方法。
【請求項121】
前記対向して配置された電極アセンブリセットのそれぞれから前記反応チャンバに入る前記作動ガスに渦を誘発することが、前記電極アセンブリ内の作動ガス通路の螺旋状溝付き内面に対して前記作動ガスを押し当てることを含む、請求項１１８に記載の方法。
【請求項122】
前記対向して配置された電極アセンブリセットのそれぞれから前記反応チャンバに入る前記作動ガスに渦を誘発することが、前記第１の電気アセンブリ内の螺旋状溝付き電極コアに対して前記作動ガスを押し付けることと、前記第２の電極アセンブリ内の作動ガス通路の螺旋状溝付き内面に対して前記作動ガスを押し付けることとを含む、請求項１１８に記載の方法。
【請求項123】
前記対向して配置された電極アセンブリセットのそれぞれから前記反応チャンバに入る前記作動ガスに渦を誘発することが、前記第１の電極アセンブリ及び第２の電極アセンブリのそれぞれにおける螺旋状溝付き電極アセンブリ表面に対して前記作動ガスを押し当てることを含み、前記第１の電極アセンブリの前記螺旋状溝付き電極アセンブリ表面は、前記第２の電極アセンブリの前記螺旋状溝付き電極アセンブリ表面と同じピッチを有する、請求項１１８に記載の方法。
【請求項124】
前記対向して配置された電極アセンブリセットのそれぞれから前記反応チャンバに入る前記作動ガスに渦を誘発することが、前記第１の電極アセンブリ及び第２の電極アセンブリのそれぞれにおける螺旋状溝付き電極アセンブリ表面に対して前記作動ガスを押し付けることを含み、前記第１の電極アセンブリの前記螺旋状溝付き電極アセンブリ表面が、前記第２の電極アセンブリの前記螺旋状溝付き電極アセンブリ表面とは異なるピッチを有する、請求項１１８に記載の方法。
【請求項125】
前記電極セットを電力信号で通電することが、前記第１の電極アセンブリ内に配置された前記アノード電極を通電することと、前記第２の電極アセンブリ内に配置された前記カソード電極を前記電力信号で通電することとを含む、請求項１１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
（関連出願）
本出願は、２０２１年１２月１日に出願された「Ｈｙｂｒｉｄ Ｐｌａｓｍａ Ｊｅｔ ａｎｄ Ｐｌａｓｍａ Ａｒｃ Ｓｙｓｔｅｍ」と題する米国仮特許出願第６３／２８５，０７６号、２０２１年１２月７日に出願された「Ｍｕｌｔｉ－Ａｒｃ Ｐｌａｓｍａ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｕｓｅ ｉｎ Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏ－Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ Ｃｒａｃｋｉｎｇ Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓ」と題する米国仮特許出願第６３／２８６，６８１号、２０２２年１月４日に出願された「Ｏｐｐｏｓｅｄ Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｇａｓ Ｆｌｏｗｓ ｆｏｒ Ｐｌａｓｍａ Ａｒｃ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ」と題する米国仮特許出願第６３／２９６，２０９号、及び２０２２年１１月１７日に出願された「Ｐｌａｓｍａ／Ｉｏｎｉｃ Ｒｅａｃｔｏｒ ｆｏｒ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ＰＦＡＳ」と題する米国仮特許出願第６３／４２６，１１０号の３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）の下での利益を主張する。これらの各々の開示全体は、参照により本明細書に明示的に組み込まれる。
本出願は、２０２１年１２月１日に出願された「Ｈｙｂｒｉｄ Ｐｌａｓｍａ Ｊｅｔ ａｎｄ Ｐｌａｓｍａ Ａｒｃ Ｓｙｓｔｅｍ」と題する米国仮特許出願第６３／２８５，０７６号、２０２１年１２月７日に出願された「Ｍｕｌｔｉ－Ａｒｃ Ｐｌａｓｍａ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｕｓｅ ｉｎ Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏ－Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ Ｃｒａｃｋｉｎｇ Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓ」と題する米国仮特許出願第６３／２８６，６８１号、２０２２年１月４日に出願された「Ｏｐｐｏｓｅｄ Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｇａｓ Ｆｌｏｗｓ ｆｏｒ Ｐｌａｓｍａ Ａｒｃ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ」と題する米国仮特許出願第６３／２９６，２０９号、及び２０２２年１１月１７日に出願された「Ｐｌａｓｍａ／Ｉｏｎｉｃ Ｒｅａｃｔｏｒ ｆｏｒ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ＰＦＡＳ」と題する米国仮特許出願第６３／４２６，１１０号の３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）の下での利益を主張する。これらの各々の開示全体は、参照により本明細書に明示的に組み込まれる。
【0002】
（発明の分野）
本特許は、一般に、プラズマアーク若しくはイオン反応器及び／又はガス化装置システムに関し、より詳細には、合成ガスなどの様々な生成物を生成するために不均質材料をガス化するために使用される先進型プラズマアーク又はイオン反応器に関する。
本特許は、一般に、プラズマアーク若しくはイオン反応器及び／又はガス化装置システムに関し、より詳細には、合成ガスなどの様々な生成物を生成するために不均質材料をガス化するために使用される先進型プラズマアーク又はイオン反応器に関する。
【背景技術】
【0003】
プラズマは、一般に、励起された中性粒子だけでなく、等しい数の正イオン及び電子を含む荷電粒子の集まりとして定義される。プラズマは、ガスのいくつかの特性を示すが、電気の良導体でもあり、磁場によって影響を受ける可能性がある。プラズマを発生させる１つの方法は、ガスを電気アークに通すことである。アークは、抵抗及び放射加熱によってガスを数分の１秒以内に非常に高い温度に加熱する。本質的に、任意のガスを使用して、このような方法でプラズマを生成することができる。したがって、不活性ガス又は中性ガス（例えば、アルゴン、ヘリウム、ネオン、又は窒素）を使用することができる。プラズマがどのように利用されるかに応じて、還元ガス（例えば、水素、メタン、アンモニア、又は一酸化炭素）も使用することができ、酸化ガス（例えば、酸素又は二酸化炭素）も使用することができる。
【0004】
公知であり、プラズマトーチ、プラズマジェット及びプラズマアーク反応器と共に又はそれらの一部として使用されてきたプラズマ発生器は、一般に、作動ガス中に放電を生成してプラズマを生成する。プラズマ発生器は、直流（ＤＣ）プラズマ発生器、交流（ＡＣ）プラズマ発生器、無線周波数（ＲＦ）プラズマ発生器、及びマイクロ波（ＭＷ）プラズマ発生器として形成されてきた。ＲＦ源又はＭＷ源で生成されたプラズマは、誘導結合プラズマと呼ばれる。例えば、ＲＦタイプのプラズマ発生器は、ＲＦ源と、作動ガスを取り囲む誘導コイルとを含む。発生源から誘導コイルに送られたＲＦ信号は、プラズマを生成するために誘導結合によって作動ガスのイオン化をもたらす。ＤＣタイプ及びＡＣタイプの発生器は、２つ以上の電極（例えば、アノード電極及びカソード電極）を含み得、それらの間に電圧が印加される。ガスがプラズマ状態を得るように、周囲のガスを加熱しイオン化するために、電極間にアークが形成されてもよい。次に、得られたプラズマを特定の処理用途に使用することができる。
【0005】
プラズマ発生器を使用するプラズマ反応器又はイオン反応器は、典型的には、プラズマジェット反応器及びプラズマアーク反応器を含む２つのタイプがある。プラズマジェット反応器（典型的にはプラズマトーチと呼ばれる）において、アークは、トーチ本体内で互いに近接して配置されたカソード電極とアノード電極との間に生成される。次いで、作動ガスがアークを通過し、その中でプラズマのプルーム又は火炎が生成され、次いで、このプルーム又は火炎が、高温プラズマの流れとしてトーチの出力部から、典型的には反応チャンバ内に放出される。プラズマアーク反応器において、カソード及びアノードは、ある種の反応チャンバを横切って、すなわち反応チャンバの両側に離れて配置されている。作動ガスは、カソード及び／又はアノードを通過して、又はそれらの間を流れて、これらの要素を冷たく保つように導入されてもよい。これらのシステムでは、カソード電極とアノード電極との間に生成され、閉じ込められないアークが、電極間の反応チャンバ内で作動ガスをプラズマに変換する。プラズマジェット反応器及びプラズマアーク反応器の両方は、用途に応じて利点及び欠点を有する。それにもかかわらず、両方のタイプのプラズマ反応器は、化学処理又は材料処理に対応するために材料化合物の高温加熱に使用することができる。そのような化学的処理及び材料処理は、有害物質の還元及び分解を含み得る。他の用途では、金属又は金属合金などの所望の材料を、所望の材料を含む化合物から抽出するのを助けるために、プラズマ反応器が利用されてきた。
【0006】
しかしながら、プラズマ発生器又はプラズマ反応器を利用する処理用途は、しばしば特殊化される。その結果、関連するプラズマ反応器は、反応器が置かれる特定の用途によって要求される非常に特異的な基準に従って設計及び構成される必要がある。このような特殊な設計は、有用性が限られた装置をもたらすことが多い。言い換えれば、特定の作動ガスを使用して特定のタイプの材料を処理するように構成されたプラズマ反応器は、異なる作動ガスを使用して異なる材料が処理される他の処理での使用には適さない可能性が高い。
【0007】
米国特許第１０，２０８，２６３号は、処理される材料が流れる円形又は円筒形の反応チャンバ又は処理チャンバ内で、反応チャンバを取り囲む、円周方向に配置された１つの電極セットを使用して電気アークを発生させる、改良されたプラズマガス化装置システムを記載している。このシステムの電極の動作は、反応チャンバ内に電気アークを生成し、したがって、このシステムは、１つ以上の電気アークと、チャンバ内で処理される材料との間の直接接触を可能にし、以前から知られているプラズマ反応器よりも、処理される材料のより良好な加熱を提供する。より具体的には、’２６３特許は、主に一酸化炭素（ＣＯ）及び水素（Ｈ２）から構成される合成ガスを生成するためのバイオマス及び非バイオマス可燃性材料のガス化を含む工業用途のためのモジュール式ＤＣ－ＤＣプラズマ反応器を記載している。プラズマ反応器は、材料処理のために調整された長い滞留時間を有する大きな均一な高温（７，０００ケルビンを超える）プラズマを生成する。プラズマ反応器は、モジュール式プラズマユニット内で互いに半径方向に対向して配置された長い電極を有し、電極は反応チャンバの周りに円周方向に配置されている。プラズマユニットは、細長いプラズマゾーンを形成するように積み重ねることができる。結果として、処理される材料は、１つのモジュール式プラズマユニットから次のモジュール式プラズマユニットへと連続的に流れることができ、最下部のモジュール式プラズマユニットが最も明るいプラズマ照明を生成するように、上流のプラズマユニットから下流のプラズマユニットへのエネルギーカスケード効果を生成する。更に、プラズマユニットの各々は、アクセスポートを通してアクセス可能な内部プラズマゾーンを画定する。電極アセンブリは、アクセスポート内に延在し、電極アセンブリの各々は、選択された挿入深さで内部プラズマゾーン内に位置付けられる電極先端を有する。各電極先端は、供給される作動ガスのためのガス導管が管状支持ジャケットの少なくとも一部を取り囲むように、管状支持ジャケット内に取り付けられる。アークが電極先端で生成されると、作動ガスがガス導管を通って流れ、アークに向けられ、内部反応又はプラズマゾーン内でプラズマを生成する。
【0008】
更に、このシステムは、調整可能な制御を有し、反応チャンバ内で生成されるプラズマに関して改良された柔軟性を提供し、生成されるプラズマ体積は、プラズマ相互作用を最適化するように容易に調整及び規定され得る。更に、米国特許第１０，９２６，２３８号は、例えば、’２６３システムで使用されて、その中で使用される電極の改良された冷却及び制御を提供し得る、改良された電極アセンブリを説明する。
【発明の概要】
【0009】
本明細書で説明されるハイブリッドプラズマ反応器又はイオン反応器は、プラズマジェット反応器及びプラズマアーク反応器の両方の基本構成要素を含み、これらの構成要素は、反応チャンバ内の材料の処理を著しく増加させるように、反応チャンバ内に高温イオンガス及び電気アークを提供するように同時に動作する。ある場合には、ハイブリッドプラズマ反応器システムは、反応チャンバ内に延在する対向電極の１つ以上のセットと、チャンバの上部など、チャンバの別の側に配置されたプラズマトーチとを含む。対向電極は、反応チャンバ内で処理される材料と直接接触して反応チャンバ内でアーク放電及びプラズマガスの生成を引き起こすように動作し、プラズマトーチは、追加のプラズマ（プラズマトーチ内で生成される）を生成し、反応チャンバ内に向けるように動作する。このようにして、作動材料は、アーク電極によって生成されたアーク放電及びプラズマ、並びにプラズマトーチによって生成されたプラズマにさらされ、処理される材料が反応チャンバ内で曝露される熱及びイオン活性が増大する。プラズマトーチは、反応チャンバ内で追加のプラズマ反応及びイオン反応を提供するために、アーク電極によって生成されたアーク放電に概ね一致するように、又はそれに概ね垂直若しくは直交するように、チャンバ内にプラズマを注入することができる。
【0010】
更に、本明細書に記載の改良されたプラズマ反応器又はイオン反応器は、アークが一対の電極のアノードとカソードとの間を運動する反応チャンバ又はプラズマチャンバの中心に、より大きな領域を生成するように動作する独特の方法で反応チャンバの周りに配置されたアーク電極の複数のセットを使用し、アークが存在する反応ゾーンのサイズを効果的に増加させる。一般に、電気アークはサイズ又は断面が比較的小さいので、特定のアークに直接曝露される反応チャンバ内の面積は比較的小さくなり得る。改良されたプラズマ反応器又はイオン反応器は、電極によって生成されるアークが必ずしも反応チャンバの中心を通って運動せず、電極の異なるセットによって生成されるアークがチャンバを通る様々な異なる経路上で反応チャンバを通って運動し、チャンバ全体にアークをより良好に分配するように、様々な対の電極のアノード及びカソードを互いに対して鋭角、９０度又は鈍角などの１８０度以外の角度で配置することによって、プラズマチャンバ又は反応チャンバ内に拡大されたアーク放電領域を生成し、それらの領域内の温度を上昇させるように動作する。反応チャンバ全体にわたってより均一にアークを分配することは、チャンバを通って流れる材料の、より良好な又はより均一な処理と、材料が通過するより大きな活性反応ゾーンとを提供し、炭素ナノ粒子の生成などの新しい目的のためにチャンバを使用することを可能にする。
【0011】
更に、改良されたプラズマ反応器又はアーク反応器は、電極を冷却するために使用される作動ガス又は冷却ガスを、渦を巻いて流れるような仕方で反応チャンバ内に導入し、反応チャンバ内に閉じ込められた又は方向付けられたガスの流れの生成を助ける構造を含む。この方向付けられたガスの流れは、アーク放電に応答してイオン化し、流れの渦は、ガスが急速に分散するのを防ぎ、ガスをより長い期間にわたってアーク放電に曝露し、ガスのイオン化を促進する。次いで、イオン化されたガスは、チャンバ内での材料の処理を助ける。作動ガスを閉じ込められた流れに保つのを助けるために、作動ガスがプラズマチャンバ又は反応チャンバ内に流入するときに、渦の中心軸がアークの経路に沿って配向されるように、回転渦が作動ガス内に生成される。しかしながら、カソード電極及びアノード電極がプラズマチャンバの正反対の側に配置されている場合、これらの電極の各々によって放出されるガスに同じ回転渦を適用することは、２つの渦がプラズマチャンバ又は反応チャンバの中心で交差するときに、２つの渦を反対方向にスピンさせる。この相互作用は、ガスの流れが相互作用するときにガス渦の反対のスピンが渦を互いに相殺させ、次に作動ガスをより迅速に分散させるので、チャンバ内のアーク柱に対して著しい不安定性をもたらす可能性がある。本明細書に記載される改良されたプラズマ反応器又はイオン反応器は、異なる電極からの作動ガスを反応チャンバ内に放出して、これらのガスが反対方向の渦を有するようにすることができ、作動ガスが反応チャンバ内で建設的に追加されることが可能になり、反応チャンバを通るより良好な又はより方向付けられたガスの流れ及び反応チャンバ内でのアーク放電が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】反応チャンバを形成するために互いに隣接して積み重ねられた複数のプラズマユニットを含むプラズマガス化装置又はイオンガス化装置の例示的な実施形態の正面図である。
【図7】垂直構成のハイブリッドプラズマジェット及びプラズマアークシステムを有するプラズマモジュールを示す概略図である。
【図9】横方向構成のハイブリッドプラズマジェット及びプラズマアークシステムを有するプラズマモジュールを示す概略図である。
【図17】渦を有する作動ガスを円筒形反応チャンバ内に導入するように構成された単一のアーク電極セットを有する単純なプラズマモジュール又はユニットを示す概略図を示す。
【図18】反応チャンバ内に導入される作動ガス内に渦を誘起するためにアーク電極の外面上に形成された溝を有するプラズマアークシステムの第１の例示的な実施形態の断面の概略図を示す。
【図19】反応チャンバ内に導入される作動ガス内に渦を誘起するためにアーク電極本体の内面上に形成された溝を有するプラズマアークシステムの第２の例示的な実施形態の断面の概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【0013】
図１～図３は、基本的なプラズマガス化装置又はイオンガス化装置１０を示しており、プラズマガス化装置又はイオンガス化装置１０をより効率的にし、及び／又はより良好な材料処理を実行し、及び／又はガス化装置１０を広範囲の材料又は用途の処理に適用可能にするために、本明細書に記載される改良が実施され得る。図１を参照すると、プラズマガス化装置又はイオンガス化装置１０は、ガス化装置１０の入力部１３に導入される入力材料１２を処理して、ガス化装置１０の出力部１５から放出される出力材料１４を生成する。出力材料１４は、例えば、合成ガス及び／又は本明細書に記載される他の材料であってもよい。図１に示すように、プラズマガス化装置１０は、互いに直列に積み重ねられた（すなわち、各ユニット１６の中心を通る長手方向軸に沿って整列された）１つ以上の円形プラズマユニット１６を含み、各プラズマユニット１６は、円形（断面）形状の外側リングから形成され、円筒形内部空間が外側リングの中央に画定されている。この内部空間は、ガス化装置１０内のプラズマゾーン又は反応ゾーン１８を構成する。更に、各プラズマユニット１６は、その外壁を通って反応チャンバ１８内に延在する電極２０の１つ以上のセットを有する。電極２０の各セットは、プラズマユニット１６の中心に向かって半径方向に延びるアノード電極及びカソード電極を含む。電極２０の各セットは、様々な適用可能な導体又は電気コネクタによって、作動ガス供給源２２、冷却剤供給源２４、及び電源２６に結合される。一般的に言えば、作動ガス供給源２２は、各電極２０に作動ガスを供給し、このガスは、本明細書でより詳細に説明するように、電極を通って輸送され、電極から反応チャンバ１８内に放出される。この作動ガスは、電極２０の電極先端を冷却するのを助け、更に、反応チャンバ１８内の電極２０によって生成される高電界及びアーク放電にさらされ、その結果、イオン化して反応チャンバ１８内にプラズマを生成する。冷却剤供給源２４は、電極２０に冷却剤を供給して、使用中に電極２０が過熱しないようにするのを助ける。この冷却剤は、再循環され、冷却剤供給源２４内で冷却されて、閉鎖冷却剤ループを形成することができる。加えて、各電極アセンブリ２０のための冷却剤は、高圧ポンプを介して供給されてもよい。本明細書でより詳細に説明されるように、電極又は電極先端を冷却した後、冷却剤は、電極アセンブリ２０を出て、リザーバ（図示せず）内に貯蔵され得る。淡水を利用できるリザーバ内の冷却剤は、ポータブル水熱交換器等の冷却ユニット（図示せず）によって低温に保たれてもよい。別の実施形態では、淡水を利用できない場合、冷却ユニットは、化学ベースの冷却装置又は任意の他の冷却ユニットであり得る。
【0014】
更に、電源２６は、各電極対２０のアノードとカソードとの間にアーク放電を生成するのに十分な電力（例えば、電圧及び電流）で電極に電力を供給する。電源２６は、例えば、１相又は３相ＡＣ電力を電極２０に供給することができるＡＣ電源であってもよく、又はＤＣ電源であってもよい。別個の電源２６が、電極２０の各セット若しくは対に提供されてもよく、ある組み合わされた電源が、多極電極対２０に電力を提供してもよい。しかしながら、電極２０の各対に送られる電力信号は、電極２０の他の対又はセットに送られる電力信号から電気的に絶縁されてもよい。更に、電極アセンブリ２０は水冷ケーブルを介して電源２６に接続されてもよく、電極アセンブリ２０のための冷却経路及び電流経路の両方を提供する。
【0015】
１つのプラズマユニット１６を使用することができるが、性能は、外壁又はリングが長手方向に整列するように、互い又は隣に積み重ねられた複数のプラズマユニット１６を使用することによって、性能を最適化できる。例えば、図１において、プラズマガス化装置１０は、細長い管状又は円筒状の反応ゾーン１８を形成する４つの積み重ねられたプラズマユニット１６を含むものとして示されている。しかしながら、プラズマガス化装置１０は、１つだけを含む、任意の数又は複数の積み重ねられたプラズマユニット１６を有し得ることを理解されたい。プラズマユニット１６を積み重ねることによって、プラズマゾーン又は反応ゾーン１８は、ガス化装置１０の長手方向軸に沿って長くなり、この細長い空間又は反応チャンバ１８によって、プラズマガス化装置１０の反応チャンバ１８に導入される流入材料１２の処理時間を延長又は増加させることができる。流入材料１２は、ガス化装置１０の入力部１３から出力部１５に運動するときに、異なるプラズマユニット１６のそれぞれを順に流れるからである。更に、複数のプラズマユニット１６を互いに隣接して（例えば、上に）積み重ねることによって生成されるモジュール構成は、オペレータが、プラズマガス化装置１０の全体的な温度プロファイルを達成するために、プラズマユニット１６の各々における、例えば、電極２０における電力設定を別々に操作することを可能にする。オペレータ又は設計者は更に、モジュール式プラズマユニット１６を追加又は削除して、特定のクラスの流入材料１２の完全なガス化のための所望の滞留時間を達成することができる。
【0016】
図１のプラズマユニット１６のうちの１つの長手方向図を示す図２により明確に示すように、各プラズマユニット１６は、内壁３０及び外壁３２を備える環状本体２８を有する。内壁３０は、中央プラズマゾーン又は反応チャンバ３４（例えば、図１の反応チャンバ１８の一部を構成する）を画定する。内壁３０は耐火性であり、著しい劣化なしにプラズマの熱を封じ込めることができる。内壁３０の好ましい材料はグラファイトである。しかしながら、特定の耐火性セラミックを使用することもできる。内壁３０と外壁３２との間にはギャップ空間３６が存在する。ギャップ空間３６には、高温セラミック繊維などの断熱材３８が充填されている。１つの実施形態において、絶縁体３８（例えば、セラミック繊維）は、ジルコニア繊維であってもよいが、これに限定されない。代替的に及び／又は付加的に、粒状砂及び／又は粒状酸化物材料を絶縁体３８として使用することができる。セラミック繊維又は粒状酸化物材料は、粒状酸化物及び／又はセラミック繊維ブランケットがその中にかなりの空隙を有する非常に低密度の充填材料を構成するので、従来の固体の高密度ブロック状酸化物絶縁体に対してかなりの利点を有する。これらの空隙は、非常に低い熱伝導性を有し、優れた断熱特性を有する。非常に低密度の断熱材料は更に、ガス化装置１０の全重量を低減する。
【0017】
いずれにしても、環状体２８及び中央プラズマゾーン３４は、プラズマユニット１６が積み重ねられたときに同心円状に整列する。更に、各プラズマユニット１６の中央プラズマゾーン３４は、複数のアクセスポート４０を介してアクセス可能である。好ましくは、各プラズマユニット１６は、少なくとも８つのアクセスポート４０を含むが、より多い又はより少ないアクセスポート４０を含む任意の他の数のアクセスポートを使用することができる。アクセスポート４０の各々は、反応チャンバ３４内で生成されるプラズマの熱場内の完全性を維持することができる、セラミック材料などの耐火材料のスリーブで裏打ちされる。更に、各アクセスポート４０は、その中に電極４２を挿入又は保持するために使用され得る。したがって、各プラズマユニット１６内に少なくとも２つのアクセスポート４０を有し、偶数のアクセスポート４０を設けることが好ましいが、これは厳密には必要ではない。更に、１つ以上のアクセスポート４０は、反応チャンバ３４内の反応の測定又は観察を提供するために、ある種のセンサを格納又は挿入するために使用されてもよい。
【0018】
各プラズマユニット１６のアクセスポート４０の大部分は、電極又は電極アセンブリ４２を受け入れる。電極アセンブリ４２の各々は、厳密な公差でアクセスポート４０内を通過するようにサイズ決めされた絶縁体によって取り囲まれている。公差は、絶縁体とアクセスポート４０の内部との間に、プラズマガス化装置１０からプラズマを漏出させ得る有意なギャップが存在することを防止する。後でより詳細に説明されるように、電極アセンブリ４２の各々は、電極先端４６及びガス導管４７（図２の１つの電極４２において点線のレリーフで示される）を含む。電極先端４６は、中央プラズマゾーン３４内に延在し、動作中に別の電極先端４６と共にアークを生成する。ガス導管４７は、図１の作動ガス供給源２２からの作動ガスをプラズマゾーン又は反応ゾーン３４に導入し、この作動ガスは、２つの電極の先端４６の間に生成されたアークによってプラズマに変換される。電極アセンブリ４２の各々は、図１の冷却剤供給源２４からの冷却剤によって冷却される。更に、電極アセンブリ４２の各々は、電力（電圧及び／又は電流）を受け取るために図１の電源２６に結合されることが理解されるであろう。
【0019】
一般的に言えば、各プラズマユニット１６は、２セットの電極アセンブリ４２を受け入れる。したがって、各プラズマユニット１６は、存在するアクセスポート４０の数に応じて、２つ、４つ、６つ、８つ、又はそれ以上の電極アセンブリ４２を受け入れることができる。電極アセンブリ４２の第１のセットの電極は、中央プラズマゾーン又は反応チャンバ３４の両側の第１の位置Ｐ１及び第２の位置Ｐ２に設定される。同様に、電極アセンブリ４２の第２のセットの電極は位置Ｐ３及びＰ４に設定され、電極アセンブリ４２の第３のセットの電極は位置Ｐ５及びＰ６に設定される。したがって、図２の例では、電極アセンブリ４２の３つのセットがあり、電極アセンブリ４２のセットの各々は、１つのアノード電極及び１つのカソード電極を含む。しかしながら、電極アセンブリ４２の任意の他の数のセットが、各プラズマユニット１６上で使用され得、１セット、２セット、４セットなどを含む。
【0020】
電極アセンブリ４２の第１のセットの位置Ｐ１、位置Ｐ２は、各プラズマユニット１６内で、電極アセンブリ４２の第２のセットの位置Ｐ３、位置Ｐ４に対して、及び電極アセンブリ４２の第３のセットの位置Ｐ５、位置Ｐ６に対して半径方向又は円周方向に配置されている。第２のセットの電極アセンブリ４２と第３のセットの電極アセンブリ４２との間の分離角度は、図１及び図２では９０度として示されている。第１のセットの電極アセンブリ４２と第２のセットの電極アセンブリ４２との間の分離角度は、４５度として示されている。更に、第１のセットの電極アセンブリ４２と第３のセットの電極アセンブリ４２との間の分離角度も４５度である。しかしながら、これらは例に過ぎず、電極アセンブリの異なるセット間の他の分離角度を使用することができる。
【0021】
図３は、電極アセンブリ４２がアクセスポート４０内に配置されている間に、電極４２又は電極４２の電極先端４６を半径方向に反応チャンバ３４の内外に往復運動させるための機械的駆動部又はアクチュエータに接続された電極アセンブリ４２の構成の１つの実施例を示す。往復運動は、電極アセンブリ４２の各々に取り付けられた対応する線形アクチュエータ４８によって制御される。電極アセンブリ４２の各セットは、互いに同期して又は独立して運動させることができる。単一のプラズマユニット１６において、電極アセンブリ４２の任意のセット間の分離（アークギャップ）は、これらの電極アセンブリ４２をアクセスポート４０の内外に運動させることによって調整できる。
【0022】
図１～図３の例示的な実施形態では、３セットの電極アセンブリ４２が、アクセスポート４０を通して各プラズマユニット１６に挿入される。好ましくは、この場合、残りのアクセスポート４０の一方又は両方は、何らかのセンサ（例えば、温度センサ、圧力センサ、ビデオカメラなど）を保持するためなど、動作中のプラズマガス化装置１０の観察のために使用される。もちろん、電極アセンブリ４２は、観察のために使用されていないアクセスポート４０に取り付けられる（挿入される）。更に、図３に示されるように、電極アセンブリ４２の各々は、アクセスポート４０の内外への電極アセンブリ４２の運動を制御する線形アクチュエータ４８を有し、各線形アクチュエータ４８は、ユーザが使用中に電極アセンブリ４２の運動を制御することを可能にする制御機構又はコントローラに接続され得る。機械式又は線形アクチュエータ４８は、電気アクチュエータ、油圧アクチュエータ、又は任意の他の所望のタイプの機械式又は線形アクチュエータであってもよい。
【0023】
動作中、１つ以上のアークは、（ｉ）高電圧放電、（ｉｉ）高周波放電、又は（ｉｉｉ）１つの電極セットを互いに接触及び後退させることによって、各電極対のカソードとアノードとの間で点火され得る。アークを点火するために高電圧又は高周波放電が使用されるとき、電極４２の１つのセットの電極先端４６は、アクチュエータ４８の動作などによって互いに非常に接近させられる。問題の電極アセンブリ４２を支持する電源２６が通電された後、高電圧又は高周波放電が、電極先端４６間の中央プラズマゾーン３４にわたって印加され、アークを点火する。
【0024】
アークを点火する接触及び後退の方法において、電極アセンブリ４２の特定のセットからのアノード及びカソード電極先端４６は、関連する電源２６が通電された後、瞬間的に互いに接触させられる。スパークが発生するとすぐに、電極アセンブリ４２は急速に引き離され、アークが点火される。更に、第１のアークが点火された後、電極アセンブリ４２の第２のセットは、点火のために第１のアーク領域に運動され得る。電極アセンブリ４２の第２のセットは、自己点火する前に、アーク内で数秒間の熱調整を必要とする場合がある。特に、熱調整は、電子の熱イオン放出が生じるのに十分な温度まで電極先端４６を加熱するために必要とされ得る。同じプラズマガス化装置１０内の異なるプラズマユニット１６を使用して、組み合わされたアークシステムを形成することができる。この構成において、アークシステムは、単一のプラズマユニット１６を使用して可能であるよりもはるかに高いエネルギー状態を達成するために、組み合わされたプラズマを加熱する際に互いを補完する。プラズマガス化装置１０内の追加のプラズマユニット１６を同じ方法で点火することができる。
【0025】
理解されるように、２つ以上のプラズマユニット１６を有するプラズマガス化装置１０の使用は、各関与するプラズマユニット１６からの比較的低い入力電力を使用して、共通のプラズマゾーン又は反応チャンバ３４内に非常に大きくてかなり高温のアークを発生させることができる。更に、プラズマユニット１６を複製して互いに積み重ねることができる。このようにして、１つ以上のプラズマユニット１６がアークを維持するとき、他のプラズマユニット１６に流れ込むことができるフィールドフリー（電流及び電圧がない）高エネルギープラズマテールフレームが存在する。この場合、他のプラズマユニット１６内の電極アセンブリ４２は、テールフレーム内の放電を重ね合わせて再点火してアーク状態に戻すので、積み重ねられたプラズマユニット１６は、非常に大きなエネルギー含量を有する非常に大きなプラズマ柱を生成する。プラズマユニット１６のモジュール式の積み重ねられた構成は、上流ユニットからの「フィールドフリー」（電流及び電圧フリー）プラズマ火炎が、下流プラズマユニット１６において放電を重畳することによって「フィールドアクティブ」（電流及び電圧アクティブ）アーク状態に再加熱されるように動作することができる。１つのプラズマユニット１６から別のプラズマユニットへの正味のプラズマエネルギーの流れは、「エネルギーカスケード」と呼ばれ、下流のプラズマユニット１６にエネルギーを加え、下流のプラズマユニット１６がより低いエネルギー必要量で動作することを可能にする。
【0026】
図４は、本明細書に記載のガス化装置１０で使用することができる例示的な電極アセンブリ４２を示す。特に、電極アセンブリ４２は電極先端４６を含む。電極先端４６は、中央プラズマゾーン又は反応チャンバ３４内に延在し、異なる電極アセンブリ４２（図４には図示せず）からの別の電極先端４６と共にアークを生成する。電極アセンブリ４２の各々は、好ましくは、タングステン、タングステン合金、又は何らかの他の高温導電性材料で作られる。電極先端４６は、管状支持ジャケット４９の端部に取り付けられており、管状支持ジャケット４９は、導電性が高く、第１の端部４９Ａと反対側の第２の端部４９Ｂとを有している。管状支持ジャケット４９の第２の端部４９Ｂは、電極先端４６で終端し、電極先端４６は、第２の端部４９Ｂを封止するか、又は封止された第２の端部４９Ｂに直接取り付けられる。管状支持ジャケット４９の反対側の第１の端部４９Ａは、電源２６（図１）に接続された電極ベース５０に結合され、電極ベース５０は電源２６から電流を受け取る。電極ベース５０で受け取られた電流は、電極ベース５０を通って管状支持ジャケット４９内に運動する。次に、電流は管状支持ジャケット４９の材料を通って電極先端４６に流れる。
【0027】
管状支持ジャケット４９は、内部区画又は空間５１を画定する。冷却剤供給源２４（図１）からの冷却剤は、供給管５２を通って内部区画５１に導入される。供給管５２は、電極先端４６のすぐ手前で内部区画５１内で終端する分配端部５２Ａを有する。この構成は、供給管５２の分配端部５２Ａと電極先端４６との間に、例えば５ミリメートルの小さなギャップ５４を生成する。このようにして、供給管５２を通して圧送される任意の冷却剤は、電極先端４６に直接衝突し、電極先端４６を直接能動的に冷却する。
【0028】
供給管５２は、内部区画５１の内径よりも小さい外径を有する。その結果、管状支持ジャケット４９の内部と供給管５２の外部との間に排出ギャップ５６が存在する。この排出ギャップ５６は、冷却剤が電極先端４６に対して圧送された後に冷却剤を受け入れる。排出された冷却剤は、電極ベース５０に戻され、電極ベース５０は、冷却剤を冷却剤出口に導く１つ以上の導管５８を含む。冷却剤は、電源２６（図１）から延びる電力ケーブル６２の少なくともいくつかの部分を取り囲むことができる。このようにして、冷却剤は、電力ケーブル６２を能動的に冷却することもできる。したがって、管状支持ジャケット４９の内部区画５１に出入りする冷却剤の流れは、動作中に電極先端４６及び管状支持ジャケット４９並びに電力ケーブル６２を直接冷却する。
【0029】
絶縁ベース６６と、細長い絶縁管６８と、保護絶縁キャップ７０とを含む絶縁体構造６４が、管状支持ジャケット４９を取り囲む。絶縁キャップ７０は環状であり、中央開口７２を画定する。管状支持ジャケット４９は、絶縁キャップ７０の中央開口７２を通って延び、絶縁キャップ７０のすぐ前方で電極先端４６を支持する。絶縁キャップ７０は、中央プラズマチャンバ又は反応チャンバ３４（図２）の高熱に曝露されるので、絶縁キャップ７０は、好ましくは、この領域の高い動作温度に耐えることができるセラミック材料で作られる。絶縁ベース６６も環状であり、管状支持ジャケット４９の第１の端部４９Ａに近接して管状支持ジャケット４９を取り囲む。細長い絶縁管６８は、絶縁ベース６６と絶縁キャップ７０との間で管状支持ジャケット４９の周りに延びている。絶縁ベース６６及び細長い絶縁管６８は、単一部品として製造することができ、２つの要素は、強化ガラス、セラミック、及び／又は耐高温ポリマーから成形される。
【0030】
細長い絶縁管６８は、内側管状支持ジャケット４９に接触しない。むしろ、ギャップ空間が細長い絶縁管６８を管状支持ジャケット４９から分離し、その中にガス供給導管７４を形成する。同様に、絶縁キャップ７０は管状支持ジャケット４９に接触せず、その結果、ギャップが絶縁キャップ７０を管状支持ジャケット４９から分離し、その中でガス供給導管７４に続く。ガス供給ライン７６は、絶縁体構造体６４の絶縁ベース６６内に延び、作動ガス供給部２２（図１）をガス供給導管７４に接続する。作動ガスが作動ガス供給源２２からガス供給ライン７６に流入すると、作動ガスはガス供給導管７４に流入し、管状支持ジャケット４９の長さに沿って流れ、その後、電極先端４６を通過して反応チャンバ３４に流入する。
【0031】
図４に示すように、保護カラー８０が電極先端４６の周りに取り付けられている。保護カラー８０は誘電体であり、中央プラズマゾーン又は反応チャンバ３４の高温環境において完全性を維持することができる。保護カラー８０は、絶縁キャップ７０に接続する第１の開放端部と、電極先端４６の小端部又は近傍の第２の開放端部８２とを有する。ガス供給導管７４は、絶縁キャップ７０を通って延び、保護カラー８０と電極先端４６との間で保護カラー８０内に放出する。作動ガスは、保護カラー８０に流入し、電極先端４６の周りに閉じ込められ、電極先端４６を通過して流れることによって中央プラズマゾーン又は反応チャンバ３４に入ることができるだけであり、電極先端４６はアークを形成する。このようにして、作動ガスが中央プラズマゾーン又は反応チャンバ３４に入ると、作動ガスはアークによってプラズマに変わる。
【0032】
円筒形ケーシング８４は、細長い絶縁管６８の大部分を取り囲み、円筒形ケーシング８４は、絶縁ベース６６と絶縁キャップ７０との間に挿入される。ガス供給導管７４及び細長い絶縁管６８は、円筒形ケーシング８４を管状支持ジャケット４９から分離する。円筒形ケーシング８４は、熱伝導性の高い材料で作られており、中空である。円筒形ケーシング８４の内部は、入力ポート８６から出力ポート８８へ円筒形ケーシング８４を通って流れる冷却剤の流れによって冷却される。したがって、円筒形ケーシング８４は、能動的に冷却されるヒートシンクとして機能し、断熱キャップ７０から直接熱を吸収する。円筒形ケーシング８４は更に、細長い絶縁管６８を通過する熱を吸収する。最後に、円筒形ケーシング８４は、断熱ベース６６から熱を吸収する。したがって、動作中、管状支持ジャケット４９は、内部区画５１内を流れる冷却剤によって内部冷却され、円筒形ケーシング８４を通って流れる冷却剤によって外部冷却されることが理解されるであろう。更に、ガス供給導管７４内を流れる作動ガスは管状支持ジャケット４９を冷却し、管状支持ジャケット４９は次に電極先端４６を冷却する。この能動的な冷却は、電極先端４６の過熱を低減し、電極先端４６の過剰な消耗及び浸食を防止する。更に、管状支持ジャケット４９の高い伝導性は、接合抵抗加熱を低減し、アークを形成し維持する電子のより良好な熱電子放出のために、電極先端４６において高いジュール加熱が生じることを可能にする。当然ながら、図４に関して図示及び説明される電極アセンブリ４２は、図１のガス化装置１０において使用される電極に電力、冷却剤、及び作動ガスを提供するために使用され得る電極アセンブリの１つの実施例であり、他の電極アセンブリが代わりに又は加えて使用され得る。例えば、本明細書に明示的に組み込まれる米国特許第１０，２０８，２６３号の図４に図示及び説明されている電極アセンブリを代わりに使用することができる。
【0033】
先に述べたように、図４のガス供給導管７４を出る作動ガスは、電極先端４６の周りに円形に噴出される。しかしながら、プラズマ又はイオンガスの発生は、電極先端４６の周りに存在する作動ガスが電極先端４６から放射されるアークから分散しない場合に最も効果的である。作動ガスが密な流れの状態であることを確実にするのを助ける１つの方法は、ランダムな乱流ではなく、方向付けられた層流で作動ガスを放出することである。図５及び図６を参照すると、管状支持ジャケット４９の外部に流路を設けることによって、層流プロファイルを作動ガス内に誘導し得ることが理解されよう。図５は、直線流路９４を示す。図６は、螺旋状又は旋回状の流路９６を示す。作動ガスが流路９４、流路９６上を流れるとき、作動ガスには、直線状であれ螺旋状であれ、方向付けられた流れが提供される。この方向付けられた流れは、使用される典型的な流量に対して層流又は渦巻き流となる傾向がある。更に、流路９４、流路９６を通る作動ガスの方向付けられた流れは、他の独特の性能特性を有する。特に、管状支持ジャケット４９は、電極先端４６のタングステン合金よりもはるかに良好な熱伝導性を有する銅合金から作製されてもよい。この場合、管状支持ジャケット４９は、電極先端４６に対するヒートシンクとして作用する。作動ガスが流路９４、流路９６を通って流れるとき、作動ガスは管状支持ジャケット４９を冷却し、次に管状支持ジャケット４９は電極先端４６を冷却する。この構成は、電極先端４６の過熱を低減し、電極先端４６の過剰な消耗及び浸食を防止するのに役立つ。更に、管状支持ジャケット４９の高い伝導性は、電極先端４６内の接合抵抗加熱を低減し、アークを形成し維持する電子のより良好な熱イオン放出のために、電極先端４６において高いジュール加熱が生じることを可能にする。
【0034】
図７～図９は、１つのセットのプラズマアーク電極１０２と、反応チャンバ１０６に隣接して配置された１つ以上のプラズマトーチ１０４との両方を含むハイブリッドガス化装置システム１００を示しており、プラズマ材料又はイオン材料を生成して反応チャンバ１０６に導入し、反応チャンバ１０６内で電気アークを発生させて、廃棄物からエネルギーへの変換、廃水分解、ナノ材料合成、及び水素を生成するメタン分解などの材料処理を向上させるようになっている。特に、図７のハイブリッドガス化装置システム１００は、アーク電極１０２に対して垂直構成で配置されたプラズマトーチ１０４を含む。したがって、プラズマトーチ１０４は、プラズマチャンバ又は反応チャンバ１０６に対して垂直に（例えば、上方に）配置されている。当然ながら、プラズマチャンバ又は反応チャンバ１０６のサイズに応じて２つ以上のプラズマトーチ１６を使用することができ、プラズマトーチ１０４は、プルーム１０８が上方を向いている図７の実施形態における電極１０２の下方など、アーク電極１０２に対して他の位置に配置することができる。いずれにしても、プラズマトーチ１０４は、アーク電極１０２によって反応チャンバ１０６内に導入されるか又は生成されるアーク放電及び／又は作動ガスの方向に直交する方向、例えば、垂直な方向に、プラズマ材料又はイオン材料をチャンバ１０６内に注入するように配置されている。理解されるように、図７のプラズマトーチ１０４は、プラズマトーチ１０４から発し、プラズマチャンバ又は反応チャンバ１０６の中心を通る垂直経路内で下向き（又は上向き）に発射し、電極１０２間に形成される反応チャンバ１０６内の１つ以上のアーク１１０と相互作用又は交差し得る、プラズマジェット１０８を生成する。
【0035】
当然ながら、２セット以上のアーク電極１０２を図７のシステム内に配置することができる。例えば、１～４セットのアーク電極１０２を使用することができるが、より多くのセットを使用することもできる。加えて、これらのアーク電極１０２は、図１～図６に関して本明細書で説明される電極のいずれかであり得る。この例では、アーク電極１０２は、プラズマチャンバ又は反応チャンバ１０６内に自由膨張アーク１１０を生成するために、横方向構成で配置されている。自由膨張アーク１１０は、プラズマトーチ１０４からの垂直プラズマジェット１０８と相互連結し、プラズマ（アーク電極１０２及びプラズマトーチ１０４の両方によって生成される）及び電気アーク（アーク電極１０２によって生成される）と一緒に、入力部（図７には図示せず）を介して反応チャンバ１０６内に導入される材料の加熱及び処理を強化する。
【0036】
より具体的には、アーク電極１０２の各セットは、アノード電極及びカソード電極を含む。アーク電極１０２の様々な異なるセットのアノード電極とカソード電極との間でプラズマチャンバ又は反応チャンバ１０６にわたって生成される自由膨張アーク１１０は、プラズマチャンバ又は反応チャンバ１０６の中心を通過するプラズマジェット１０８と相互作用して、反応チャンバ１０６内にイオン化材料（例えば、ガス）を生成するための強力なイオン化源を提供する。このイオン化は、アーク電極１０２の様々な異なるセットによって生成される自由膨張アーク１１０の点火及び持続を容易にする。次に、自由膨張アーク１１０は、プラズマチャンバ又は反応チャンバ１０６内に電界を生成する。電界の存在により、プラズマジェット１０８の一部はアクティブアークとなり、プラズマジェットのその部分の温度を上昇させる。したがって、自由に膨張するアーク１１０は、電極作動ガスの供給なしに形成することができる。しかしながら、図４に記載されるような電極構成を使用して自由膨張アーク１１０を形成するために、様々な作動ガス（複数可）がアーク電極１０２に供給され、そこから放出され得る。ハイブリッドプラズマジェット及びプラズマアークシステム１００は、廃棄物からエネルギーへの変換、有害な固体廃棄物及び廃水分解、ナノ材料合成、水素を生成するためのメタン分解、並びに他のプラズマ処理用途のための高温環境を可能にするために、均一かつ高エネルギーの大容量プラズマ場を生成する。
【0037】
図８は、図７の垂直プラズマトーチ構成を実装するハイブリッドガス化装置１２０の部分切り欠き斜視図を示す。ハイブリッドガス化装置１２０は、本質的に、図７の垂直に取り付けられたプラズマトーチ１０４を含むように変更された図１のガス化装置１０である。同じ又は類似の構成要素を示すために、図１～図７で使用されているのと同じ又は類似の参照番号が図８で使用されている。図８に示すように、ハイブリッドガス化装置１２０は、電極アセンブリ２０（図１）又は電極アセンブリ４２（図２～図６）がポート４０（図２～図３に示すように）に取り付けられた状態で互いに垂直に積み重ねられた複数のプラズマユニット１６を含み、電極アセンブリ４２の特定のセットのアノード及びカソードがユニット１６の両側に、すなわち電極が配置されたユニット１６の周りに１８０度で配置され、電極４２が反応チャンバ３４内に半径方向に延びるようになっている。図８のハイブリッドガス化装置１２０は、それぞれが３セットの電極４２を有する３つのプラズマユニット１６を含むものとして示されているが、より多くの又はより少ないプラズマユニット１６を使用することができ、より多くの又はより少ないセットの電極４２を各プラズマユニット１６に配置することができる。更に、隣接するプラズマユニット１６内の電極のセットは、互いに対して垂直線に取り付けられているように示されているが、異なるプラズマユニット１６の様々な電極４２は、任意の所望の角度（例えば、１５度、２０度、３０度など）だけ隣接するプラズマユニット１６内の電極からオフセットすることができる。
【0038】
同様に、図８に示すように、プラズマトーチ１０４は、ハイブリッドガス化装置１２０の上部に取り付けられ、最上部のプラズマユニット１６の上方又はそれよりも高い反応チャンバ３４の上部に延在するか配置されている出力部１２２を有する。プラズマトーチ１０４は、作動ガス源に接続され、作動ガスを受け取る。典型的であるように、プラズマトーチ１０４（プラズマジェット反応器とも呼ばれる）は、トーチ１０４（図８には図示せず）の本体内で互いに近接して配置されたカソード電極とアノード電極との間にアークを生成又は発生させる。次いで、作動ガスがアークを通過し、その中でプラズマの舌を生成し、次いで、この舌が、高温プラズマ１０８の流れとしてプラズマトーチ１０４の出力部１２２から、反応チャンバ３４内に放出される。ここで、プラズマトーチ１０４内への作動ガスの流れに応じて、高温プラズマ１０８の流れは、反応チャンバ３４の中心を通って（すなわち、プラズマユニット１６の長手方向軸に対して長手方向に）下方に運動し、プラズマユニット１６のうちの１つ以上の反応ゾーンと交差し、反応チャンバ３４内に追加のプラズマ材料又はイオン材料を提供して、その中の材料を処理することができる。
【0039】
図８に示すように、処理される材料は、プラズマトーチ１０４の周囲又は近傍のガス化装置１２０の上部に配置された１つ以上の開口部又は入力部１２４を介して反応チャンバ３４に導入されてもよい。しかしながら、ハイブリッドガス化装置１２０の処理材料入力部１２４は、ガス化装置１２０上の１つ以上の他の位置、例えば、ガス化装置１２０の第１の（最上部の）プラズマユニット１６の上方の側部に配置されてもよい。処理される材料は、入力部１２４を介して導入されると、重力供給され、積み重ねられたプラズマユニット１６の各々を通って反応チャンバ３４を通って流れ落ちる。もちろん、この材料は、特に入力部１２４の近傍で、プラズマトーチ１０４によって生成されるイオンガスと接触又は相互作用し、反応チャンバ３４内に延在する電極アセンブリ４２の様々な対のアノード電極及びカソード電極の電極先端から発する、又は電極先端の間に形成される電気アーク（図８のいくつかの場合に示される）と相互作用する。電極アセンブリ４２がチャンバ３４内に作動ガスも供給し、これもイオン化される（すなわち、プラズマを形成する）場合、処理される材料は更にこのプラズマと相互作用し、これらの全てが材料の加熱及び分解を助ける。したがって、理解されるように、プラズマトーチ１０４からのプラズマは、処理される材料と相互作用して材料を分解する追加の加熱及びイオン化ガスを提供する。同様に、プラズマトーチ１０４によって生成されたプラズマ流１０８は、チャンバ４２内にプラズマ及び熱を提供することによって、始動中に電極４２のセットのうちの１つ以上を点火するために使用され得る。この動作は、一対の電極アセンブリのアノード電極及びカソード電極を一緒に運動させるか、又は接触させてアーク活動を開始させる必要性を低減又は排除し得る。この動作は更に、電極４２を介して反応チャンバ３４内に作動ガスを提供する必要性を低減又は排除し得る。いずれにしても、処理される材料が、反応チャンバ３４を通って（上から下へ）ほぼ垂直に運動し、プラズマトーチ１０４によって生成されたプラズマ、並びにプラズマユニット１６のそれぞれの中の電極アセンブリ４２の様々な対によって生成されたプラズマ及びアークにさらされた後、処理された材料は、ガス化装置１２０の底部（下方垂直端部）にある１つ以上の出力１５を介して反応チャンバ３４を出る。プラズマトーチ１０４は、入力部１２３の近傍に配置されているものとして図８に示されているが、出力部１５の近傍に配置され、底部から反応チャンバ３４内に長手方向に延在し、反応チャンバ３４の中心を通って上方に向けられたプラズマ（例えば、プラズマプルーム又は火炎）を排出又は放出することができる。
【0040】
ハイブリッドガス化装置の別の実施例として、図９は、１つ以上のプラズマトーチ１０４がプラズマユニット１６の外壁の周囲の横方向位置に配置され、本明細書で前述したようにプラズマユニット１６に同様に取り付けられたアーク電極１０２と一緒に散在する横方向構成を有するガス化装置１３０の単純な概略図を示す。プラズマトーチ１０４は、プラズマチャンバ又は反応チャンバ３４の中心に向かって横方向（半径方向）に発射するプラズマジェット１０８を生成し、アーク電極１０２は、自由膨張アーク１１０を生成する。プラズマジェット１０４は、自由膨張アーク１１０を点火するように動作することができ、更に、プラズマユニット１６の中心に運動して、プラズマチャンバ３４内に強力なイオン化源を提供する。このイオン化は、自由に膨張するアーク１１０の点火及び維持を容易にし、次に電界を生成する。プラズマチャンバ３４内に電界が存在するため、プラズマジェット１０８の一部はアクティブアークになり、プラズマジェットのその部分の温度を上昇させる。自由に膨張するアーク１１０は、この場合、電極作動ガスの供給なしに形成することができる。あるいは、自由膨張アーク１１０を点火し、チャンバ３４内に追加のイオン化材料を提供するために、本明細書で説明される方法で、様々な作動ガスをアーク電極１０２に供給することができる。図９に示す横方向の構成は、１つの実施例では、１つ以上のプラズマトーチ１０４を図２の１つ以上の未使用ポート４０に取り付けて取得できることが理解されよう。更に、図９の実施形態には単一のプラズマトーチ１０４のみが示されているが、複数の異なるプラズマトーチが単一のプラズマユニット１６に取り付けられてもよく、及び／又は複数の異なるプラズマトーチ１０４が、例えば図１の積み重ねられたプラズマユニット１６のうちの異なるものに取り付けられてもよい。
【0041】
図７及び図８の垂直ハイブリッド構成、並びに図９の横方向ハイブリッド構成の両方は、廃棄物からエネルギーへの変換、有害な固体廃棄物及び廃水分解、ナノ材料合成、水素を生成するためのメタン分解、並びに他のプラズマ処理用途のための高温環境を可能にする、均一かつ高エネルギーの大容量プラズマ場を生成する。更に、これらのタイプのプラズマトーチ配置構成の両方は、本明細書でより詳細に説明されるオフセット電極構成（例えば、図１０～図１４）、非オフセット電極構成、及びガス渦誘導構成（例えば、図１７～図１９）のいずれかを含む、本明細書で説明される電極構成、間隔、及び配置のいずれかを有するハイブリッドガス化装置において実装されることができる。
【0042】
上述の実施形態の各々において、アーク電極２０、アーク電極４２、アーク電極１０２、アーク電極１０４の各セットは、プラズマユニット１６の周りに配置され、半径方向内向きに向けられ、電極の各セット又は対のアノード電極及びカソード電極は、これらの２つの電極がプラズマユニット１６の周りで円周方向に互いに１８０度オフセットするように、プラズマユニット１６の反対側に配置されていることに留意されたい。その結果、これらの電極間を進行するアークは、反応チャンバ３４の中心を通過する。もちろん、電極の２つ以上のセットがプラズマユニット１６の周りにそのように配置されている場合、これらの電極のセットの各々からのアークは、反応チャンバ３４の中心（又は中心の非常に近く）を通過する。反応チャンバ３４の中心又はその近傍におけるこれらの複数のアークは、チャンバ３４の中心近傍に非常に高温の領域を生成し、チャンバの中心における材料の重要な処理を提供する。この特徴は、いくつかの例において有益であり得る。しかしながら、この構成は、中央ではない反応チャンバ３４の他の領域において、より少ないプラズマ及びアーク処理及び／又は熱をもたらす可能性がある。電極のセットのうちの異なるものからのアークを、チャンバの中心を通らない１つ以上の経路に従わせ、アーク及びプラズマ生成を反応チャンバ３４全体にわたってより均一に分散させることが有益であり得る。この特徴は、材料がチャンバ３４を通ってチャンバ３４の中心で運動するか中心から外れて運動するかにかかわらず、チャンバ３４内の材料のより均一な処理をもたらす。
【0043】
したがって、１つの実施形態では、本明細書で説明される改良されたプラズマ反応器又はイオン反応器は、反応チャンバ又はプラズマチャンバ３４のより大きい面積にわたって電極の複数のセットからアークを分散させるように動作する様式で、反応チャンバの周囲に配置されている対向アーク電極の複数のセットを使用し、少なくとも１つのアークが存在する反応ゾーンのサイズを効果的に増加させる。次いで、この特徴は、少なくとも１つのアークが存在するプラズマチャンバ又は反応チャンバ内により多くの領域を生成し、反応の水平方向又は横方向断面全体にわたる温度プロファイルを増加させる。特に、反応チャンバ内のアーク放電プロファイルを反応チャンバ全体にわたってより均一になるように変化させるために、電極の様々な対のアノード及びカソードは、反応チャンバの外壁の周りに互いに対して１８０度以外の周方向角度で配置され、その結果、電極の特定の対のアノード及びカソードは、互いに対して鋭角（９０度未満）又は鈍角（９０度と１８０度との間）又は９０度で配置されている。更に、電極の異なるセットのアノード及びカソードは、チャンバの周りで互いに並置されて、隣接する電極の極性を分散させる。その結果、電極によって生成されたアークの一部又は全部は、必ずしも反応チャンバの中心を通って直接進むわけではなく、チャンバの中心からオフセットされてチャンバを横切る。このようにして、電極の異なるセットによって生成されたアークは、チャンバを通る様々な異なる経路上で反応チャンバを通って運動し、アークを反応チャンバ全体にわたってより分配する。反応チャンバ全体にわたってより均一にアークを分配することは、チャンバを通って流れる材料の、より良好な又はより均一な処理を提供し、炭素ナノ粒子の生成などの新しい目的のためにチャンバを使用することを可能にする。
【0044】
１つの実施例として、図１０は、反応チャンバ内に、より良好なアークカバレッジを提供するために使用され得る第１のオフセット電極構成を示す。特に、図１０は、例えば図１のプラズマユニット１６のうちの１つであってもよいプラズマユニット２１２を有するガス化装置２１０の長手方向又は上部内面図を示す。この場合、プラズマユニット２１２は、その中に配置された４対のアーク電極２１６を含み、プラズマユニット２１２の壁は、プラズマチャンバ２１７を画定する。更に、アーク電極２１６のセット又は対は、プラズマユニット２１２の壁内に設置され、アーク電極２１６の各セットがカソード電極２１８及びアノード電極２２０を含むように設置される。
【0045】
より良好なプラズマアークの対称性及び安定性を達成及び維持するために、アーク電極２１６のセットは、各カソード電極が２つのアノード電極の間に円周方向に配置され、各アノード電極が２つのカソード電極の間に円周方向に配置されるように、交互極性構成で配列されている。したがって、電極２１６は、プラズマユニット１１２の周囲を回るにつれて極性が交互に変わる。図示された実施形態において、プラズマモジュール２１２は、４セットのアーク電極２１６を有し、４つのカソード電極２１８Ａ、カソード電極２１８Ｂ、カソード電極２１８Ｃ、カソード電極２１８Ｄ及び４つのアノード電極２２０Ａ、アノード電極２２０Ｂ、アノード電極２２０Ｃ、アノード電極２２０Ｄを有する合計８つの電極を提供する。電極２１６は、ユニット２１２の壁の周りに均等に配置され、したがって、それらの最も近い隣接電極から４５度の角度だけ分離される。更に、アーク電極２１６の１つのセット内の２つの電極（アノード及びカソード）は、互いに対して特定の鈍角で配置され、この角度は図１０のシステムでは１３５度である。したがって、アーク電極２１６の配置は、８つの電極に対して完全な交互電極極性を達成するために特定の方向回転を具現化する。交互電極極性のこの配置は、非常に安定したアーク形成及びより均一な高温プラズマ場を有するプラズマアークシステム又はユニット２１０を生成する。
【0046】
図１０に示すように、アーク電極２１６の４つのセットは、プラズマチャンバ２１７内に４つのアーク２２２を生成する。アーク電極２１６の「Ａ」セットは、０度又は上部位置（図１０）に位置する第１のアノード電極２２０Ａを有し、関連付けられた第１のカソード電極２１８Ａは、第１のアノード電極２２０Ａから１３５度の鈍角だけ時計回りにオフセットされる。理解されるように、電極２１８Ａ及び電極２２０Ａは、同じ電源によって電力供給される。
【0047】
更に、アーク電極２１６の「Ｂ」セットは、カソード電極２１８Ｂ及びアノード電極２２０Ｂを含む。カソード電極２１８Ｂは、第１のアノード電極２２０Ａに隣接して配置され、そこから（時計回り方向に）４５度オフセットされる。しかしながら、第２のアノード電極２２０Ｂは、第２のカソード電極２１８Ｂから反時計回り方向に１３５度オフセットされる。更に、電極２１８Ｂ及び電極２２０Ｂは、電極２１８Ａ、電極２２０Ａの「Ａ」セットに電力を供給する電源とは異なる電源であってもよい、同じ電源によって電力供給される。
【0048】
更に、アーク電極２１６の「Ｃ」セットは、カソード電極２１８Ｃ及びアノード電極２２０Ｃを含む。第３アノード電極２２０Ｃは、第２カソード電極２１８Ｂと第１カソード電極２１８Ａとの間に隣接し、第１アノード電極２２０Ａから時計回りに９０度オフセットされ、第３カソード電極２１８Ｃから時計回り方向に１３５度オフセットされる。加えて、電極２１８Ｃ及び電極２２０Ｃは、電極２１８Ａ、電極２２０Ａの「Ａ」セット及び／又は電極２１８Ｂ、電極２２０Ｂの「Ｂ」セットに電力を提供する電源とは異なる電源であってもよい、同じ電源によって電力供給される。
【0049】
最後に、アーク電極２１６の「Ｄ」セットは、カソード電極２１８Ｄ及びアノード電極２２０Ｄを含む。第４カソード電極２１８Ｄは、第１アノード電極２２０Ａと第２アノード電極２２０Ｂとの間に隣接して配置されている。同様に、第４カソード電極２１８Ｄは、第１カソード電極２１８Ａから１８０度オフセットされ、第４アノード電極２２０Ｄから反時計回り方向に１３５度オフセットされる。更に、電極２１８Ｄ及び電極２２０Ｄは、同じ電源によって電力供給され、この電源は、電極２１８Ａ、電極２２０Ａの「Ａ」セット、及び／又は電極２１８Ｂ、電極２２０Ｂの「Ｂ」セット、及び／又は電極２１８Ｃ、電極２２０Ｃの「Ｃ」セットに電力を供給する電源とは異なる電源であってもよい。
【0050】
この構成では、アノード電極２２０Ａ及び電極２２０Ｄは、第１の直交軸において互いに正反対に配置され、アノード電極２２０Ｂ及び電極２２０Ｃは、第２の直交軸において互いに正反対に配置されている。同様に、カソード電極２１８Ａ及び電極２１８Ｄは、第３の直交軸において互いに対向して配置され、カソード電極２１８Ｂ及び電極２１８Ｃは、残りの直交軸において互いに直接対向して配置されている。この構成は、全ての隣接する電極に対して交互の電極極性を達成し、チャンバ２１７内での材料処理のための非常に大きく均一な高温プラズマ場を有する非常に安定したアーク構成を提供する。特に、電極２１６の異なるセットによって生成されたアーク２２２は、互いに交差し、プラズマチャンバ２１７の中心で直接ではなくその近傍で結合し、その結果、アーク２２２が全てチャンバ２１７内の同じ点（すなわち、中心点）を通過するわけではない、チャンバ２１７内のより大きなアーク場をもたらす。更に、アーク２２２は、プラズマチャンバ２１７の中央において単一のアークのように挙動し、その結果、チャンバ２１７の中心における結合加熱電力は、各個々のアーク２２２の全ての加熱電力の合計よりも実質的に高い。
【0051】
図１１を参照すると、代替のプラズマアークシステム又はユニット２３０が示されている。このプラズマアークシステム２３０では、Ａセット、Ｂセット、Ｃセット及びＤセットとしてマークされたアーク電極３３２の４つのセットがある。ここで、電極の各セットは、例えば異なる電源によって別々に電力供給される。電極３３２の各セットは、アノード電極３３４（３３４Ａ、３３４Ｂなど）及びカソード電極３３６（３３６Ａ、３３６Ｂなど）を有し、アーク電極３３２の各セットについて、アノード電極３３４（Ａ～Ｄ）は、４５度の分離角度（円周方向）で関連するカソード電極３３６（Ａ～Ｄ）に隣接して配置されている。この電極構成は、交互の電極極性を達成し、電極３３２の関連付けられたセットのアノード電極３３４及びカソード電極３３６は、ユニット３３０の周囲で正反対ではない（すなわち、１８０度）様式で配置されている。この構成では、各アノード電極３３４は、１つ以上の直交軸において別のアノード電極３３４に直接対向して配置され、各カソード電極３３６は、別のカソード電極３３６又は複数の他の二等分直交軸に直接対向して配置されている。この配置は、全ての隣接する電極に対して交互の電極極性を達成し、その結果、図１１に示すように、アーク電極３３２のセットは、必ずしも互いに交差しないアーク３３８を生成する。しかしながら、場合によっては、各アーク３３８は、プラズマチャンバ３１７の中心近傍に重なるアーク本体の小部分を有してもよい。アーク３３８のこの部分的重複は、プラズマアークシステム３３０の中央における小さな追加アークのように挙動する。中心における組み合わされた部分アーク電流の加熱電力は、プラズマアークシステム３３０における個々のアーク３３８の各々の加熱電力を補い、材料処理のための均一な高温プラズマを形成する。
【0052】
図１２～図１４は、３つの代替的なプラズマアークシステム又はユニット３４０、ユニット３５０、ユニット３６０を示す。各実施形態において、アノード電極及びカソード電極は、システム３４０、システム３５０、システム３６０に非常に安定したアーク形成及び均一な高温プラズマ場を提供する交互の電極極性を達成するように配置されている。
【0053】
図１２を参照すると、アーク電極３４２の３つのセット（電極のＡ、Ｂ、及びＣセットとラベル付けされる）があり、各セットのアノード電極３４４及びカソード電極３４６は、１８０度離れて配置されている。各アノード電極３４４は、カソード電極３４６に隣接して左右に配置されている。アーク３４８は、アーク電極３４２のセットによって生成され、アーク３４８は、プラズマチャンバ３１７の中心で結合又は交差する。更に、結合されたアーク３４８の一部は、単一のアークのように振る舞う。この接合されたアーク領域の加熱電力は、周辺アーク領域よりもはるかに高い。
【0054】
図１３は、ユニット３５０の周りに配置された電極３５１Ａ、電極３５１Ｂ、電極３５１Ｃの３セットを含むプラズマユニット３５０内のアーク電極のセットの別の非対称配置を示す。電極３５１Ａ、電極３５１Ｂ、及び電極３５１Ｃのセットの各々は、別個の電源によって電力供給され得る。アーク電極３５１Ａの第１のセットは、ユニット３５０上に（すなわち、その両側に）１８０度離れて配置されたアノード電極３５２及びカソード電極３５３を含む。このアーク電極３５１Ａの第１のセットは、チャンバ３１７の中心を通って運動する直線アーク３５４を生成する。アーク電極３５１Ｂの第２のセットは、６０度オフセットされたアノード電極３５６及びカソード電極３５７を有し、アーク電極３５１Ｃの第３のセットは、６０度オフセットされたアノード電極３５８及びカソード電極３５９を有する。更に、アノード電極３５２、アノード電極３５６、及びアノード電極３５８はそれぞれ、カソード電極３５３、カソード電極３５７、及びカソード電極３５９のうちの２つに隣接して配置され、それらから６０度離れて配置され、その結果、ユニット３５０は、ユニット３５０の周りを回るときに、散在した、又は交互のアノード電極及びカソード電極を有する。更に、アーク電極３５１Ｂ及びアーク電極３５１Ｃのセットのアノード及びカソードの６０度のオフセット位置は、これらの電極のセットを互いからユニット３５０を横切って配置し、直線アーク３５４によって分割される二次アーク３５８を生成する。結果は、プラズマモジュールの中心での部分的なアーク混合であり、周辺アーク領域よりも高い中心加熱電力を生成し、ユニット３５０のより広い断面にわたってアーク生成を依然として提供する。
【0055】
図１４は、アーク電極３６２Ａ、アーク電極３６２Ｂ及びアーク電極３６２Ｃの３セットを有するプラズマユニット３６０を示しており、各アーク電極は、６０度離れて配置されたアノード電極３６４及びカソード電極３６６を有する。この構成は、図１１に示す４セットの電極構成に非常に類似している。この構成では、プラズマチャンバ３１７の中心でアーク３６８の部分的な混合及び結合が生じる。アーク３６８の部分的な混合及び結合は、周辺アーク領域よりも高い結合加熱電力を生成する。これらの構成では、全てのプラズマ電極３６４、プラズマ電極３６６は、交互の電極極性を達成するように位置付けられ、アーク安定性を増加させることができる。
【0056】
当然ながら、図１０～図１４に関して様々な異なるアーク電極配置が図示され説明されているが、これらの構成の各々について、プラズマチャンバ内で生成されたアークは互いに強め合い、これら全ての配置は、全ての隣接する電極について電極極性を交互にすることを含むことに留意されたい。図示された構成のこの態様は、材料処理のための非常に安定したアーク構成及び非常に大きく均一な高温プラズマ場を提供する。更に、場合によっては、アークの一部又は全部が互いに交差してもよく、他の場合には、アークのいずれも互いに交差しない。更に、これらの様々な構成では、アークが反応チャンバの中心を通って交差しなくてもよく、１つのアーク、全てのアークよりも少ない複数のアーク、又は全てのアークが反応チャンバの中心を通って交差してもよい。更に、アークは、互いに交差してもよく、又は互いに交差しなくてもよいが、プラズマチャンバの中心近傍で結合し、プラズマユニットの中央で単一のアークのように挙動してもよい。したがって、反応チャンバの中心における結合加熱電力は、個々のアークの各々の全加熱電力の合計よりも実質的に高くてもよいが、それでもなお、アークがチャンバの断面全体にわたって、より均一に又は分散して広がることを可能にする。反応チャンバの中心領域又はその近傍の温度は、少なくとも３０００Ｋ、更には５０００Ｋに近いと予想され、この温度は、供給材料の完全な分解を引き起こす可能性がある。
【0057】
もちろん、他のアーク電極配置構成を、本明細書で具体的に説明し図示した構成の代わりに使用することができる。例えば、図１０～図１４の実施形態は、３セット及び４セットの電極を有する構成を示しているが、他の実施形態は、２セットの電極又は４セットより多い電極を含むことができる。更に、アノード電極及びカソード電極がプラズマユニット全体の周りに互いに散在又は隣接するように、電極のセットを間隔をあけて配置することが望ましいが、この特徴は重要ではなく、場合によっては、２つのアノード電極及び／又は２つのカソード電極を互いに隣接して配置し、アノード電極及びカソード電極の他の電極を散在させてもよい。同様に、図１０～図１４に示される電極の全ては、３６０を電極の総数で除算したものとして計算される角度だけ、プラズマの周りで等しく分離される。しかしながら、場合によっては、電極は、プラズマユニットの周囲に均等に離間される必要はなく、したがって、いくつかの隣接する電極は、第１の角度によって分離されてもよく、他の隣接する電極は、第１の角度より大きい又は小さい他の角度によって分離されてもよい。更に、特定の対の電極のアノード電極及びカソード電極は、ユニットの外周の周りで、鋭角、９０度、鈍角、又は１８０度などの任意の所望の角度で分離することができる。図１０～図１４の実施形態は、４５度、６０度、９０度、１３５度、及び１８０度で分離された電極対の様々な異なるアノード及びカソードを示すが、他の角度を代わりに使用することができる（これらの角度は、電極の総数に依存するか、又は電極の総数によって影響を受けることがある）。更に、同じユニット内の異なる対の電極は、異なる角度で分離されたそれぞれのアノード電極及びカソード電極を有することができる。したがって、図１３に示すように、１対の電極は、１８０度だけ分離されたそれぞれのアノード電極及びカソード電極を有し、他の対の電極は、６０度だけ分離されたそれぞれのアノード電極及びカソード電極を有する。当然ながら、電極分離の他の組み合わせは、本明細書で説明及び図示される組み合わせの代わりに、又はそれに加えて使用され得る。同様に、電極間隔又はオフセットの様々な異なる組み合わせを使用して、ある場合には、電極の様々なセットによって生成されるアークが互いに交差せず、他の場合には、電極の各セットによって生成される各アークが、電極の他のセットによって生成される他の全てのアークと交差し、他の場合には、電極の１つ以上のセットによって生成されるアークが、電極の他のセットによって生成されるアークの全てではなく、電極の他のセットによって生成されるアークの１つ以上と交差するようにすることができる。更に、多くの場合、電極の１つのセットによって生成されるアークは、電極の１つのセットのアノード電極及びカソード電極が１８０度以外の角度で離間されているため、反応チャンバの中心と位置合わせされない（例えば、通過しない）。
【0058】
いずれにしても、図１０～図１４に記載された実施形態によって達成されるアーク放電環境は、カーボンナノオニオンなどのカーボンナノ粒子を生成するのに、及びメタン分解に特に有用である。より具体的には、カーボンナノオニオン（ＣＮＯｓ）は、マルチシェルフラーレンとして知られており、１９９２年に発見された。カーボンナノオニオンは、炭素原子の構造同心シェルである。長年にわたって、カーボンナノオニオンを合成するための様々な方法が開発され、研究されてきた。加えて、カーボンナノオニオンの化学官能化が研究されており、いくつかの合成経路が様々な官能基の導入に適用可能であることが見出された。化学的に修飾されたカーボンナノオニオンは、異なる適用分野において調査され、研究者の間で増大する関心を引きつけ、研究のための新しい道を開く有望なナノ材料であることが明らかにされている。現在、カーボンナノオニオンは、市販のナノダイヤモンドに機械的応力を加えることによってグラムスケールの量でしか製造できない。あるいは、この生成は、ナフタレンの燃焼によって、及び水中のグラファイト電極間のアークフラッシュによって行われる。しかしながら、カーボンナノオニオンを製造する現在の方法は、短期間で工業レベルの製品を生産することができない。大量のＣＮＯｓの利用可能性は、これらのエキゾチックなナノ材料のための用途を開くであろう。
【0059】
有利なことに、本明細書で説明されるプラズマアークシステムは、大量のＣＮＯｓを生成することができる。本明細書に記載の１つの単一小型プラズマシステムは、数日で数キログラムのカーボンナノオニオンを生成することができる。複数の並列システムは、生産数量を増加させ、現場及び要求に応じて、産業レベルでの迅速な送達を提供することができる。この能力の理由は、膨張するアークが、ＣＮＯｓを合成するために、非常に高い温度の均一で大きなプラズマ場を生成するからである。一般に、これらのアークを生成するアーク電極は、安定した、均一な、結合されたアーク場を維持するために、交互の極性で配置されなければならない。カーボンナノオニオンの高速合成を可能にするのは、この高温結合活性アーク場である。有利には、本明細書に記載されるアーク電極プラズマシステムは、プラズマを形成するために、任意のガス、好ましくはアルゴン、水素及び／又は窒素を使用することができる。１つの反復では、グラファイト電極を使用して高純度ＣＮＯｓを製造することができる。本処理のための供給原料は、高純度炭化水素ガス又は液体、高純度グラファイト粉末又は他の炭素リッチ材料の分解から誘導される高純度カーボンブラックを使用することができる。
【0060】
カーボンナノ材料を生成することに加えて、本明細書に記載されるプラズマアークシステムの高温は、メタンなどの炭化水素を分解するために使用することもできる。メタンは、二酸化炭素よりも強力な温室効果ガスであり、重大な地球温暖化問題である。地球温暖化は、極氷冠融解、海面上昇、及び陸地の損失をもたらし得る。メタン隔離は、地球温暖化を低減するための国際的な取り組みの１つである。炭化水素を分解して水素及び炭素を生成し、次いで炭素を隔離することは、温室効果ガスを低減し、水素経済の発展を促進する。
【0061】
特に、メタンを分解し、水素及び固体炭素に還元することができる。しかしながら、現在の技術は、メタンを完全に分解するのに十分に高い温度環境を効率的に生成する能力を欠いている。その結果は、不純物としてより高分子量の炭化水素を伴う部分的な分解である。全ての炭化水素ガスの中で、メタンが最も安定である。その結果、メタンを水素及び固体炭素に完全に分解することは、必要とされる非常に高い温度のために極めて困難である。本明細書に記載されるプラズマアークシステムは、メタンを完全に分解することができる温度場を効率的に生成する能力を有する。
【0062】
特に、図１５を参照すると、試験結果が示されている。前述のプラズマアークシステムを使用してメタンを分解すると、０．０４１％のＣＨ４残留物しか検出されなかった。したがって、供給メタンの９９．９６％が水素及び固体炭素に分解された。図１５の表は、生成ガス分析を示す。生成ガス中の不純物炭化水素ガスの総濃度は６．１７％であり、水素濃度は９３．８３％であった。別のガス試料では、その結果を図１６に示すが、０．００８％のＣＨ４残留物しか検出されず、供給メタンの９９．９９％が水素及び固体炭素に分解されたことを示している。不純物炭化水素ガスの量は著しく減少し、それらの合計濃度は３．５１％であり、水素濃度は９６．４９％であった。
【0063】
ＣＨ４からＨ２及び固体炭素へのほぼ１００％の分解の実証により、プラズマアークシステムにおける他の炭化水素ガスの分解は１００％に近づくことができると考えられる。これらのアーク構成におけるメタン又は他の炭化水素分解から生成されるカーボンブラックは、ＣＮＯｓ及び他のナノ炭素同素体を含有することも理解される。
【0064】
上述したように、（例えば、少なくとも図１～図９に関して）本明細書に記載されるプラズマ反応器又はシステムの多くは、対向するアーク電極のセットを有する。動作中、カソード電極とアノード電極との間に非閉じ込めアークが生成され、次いで作動ガスがアークを通過し、その中でプラズマが生成される。作動ガスは、カソード電極及びアノード電極の周りのプラズマチャンバ内に注入され、通過する作動ガスがカソード電極及びアノード電極を冷却するのを助けることが可能になる。更に、図５及び図６に関して説明したように、カソード電極とアノード電極との間のアークの経路をたどる閉じ込められた流れの中に作動ガスを維持することが有益である。このようにして、作動ガスは、より長い期間にわたってアークの熱に曝露される。作動ガスを閉じ込められた流れに保つのを助けるために、作動ガスがプラズマチャンバに流入するときに、作動ガス内に回転渦を生成することができ、渦の中心軸は（図６に示すように）アークの経路に従うように配向されている。
【0065】
カソード電極及びアノード電極がプラズマチャンバの正反対の側に配置されている場合、これまでの場合のように、作動ガスがカソード電極及びアノード電極の両方から出るときに作動ガス内に同じ回転渦が生成されると、２つの渦がプラズマチャンバの中心で交差するときに反対方向にスピンする。反対のスピンは、渦を相殺するか、又は破壊的に相互作用させ、作動ガスを分散させる。この動作は、アーク柱に著しい不安定性を生じさせる可能性がある。
【0066】
図１７～図１９は、例えば、図１～図３、図７～図９、図１２及び図１３のプラズマユニット１６、プラズマユニット１００、プラズマユニット１２０、プラズマユニット１３０、プラズマユニット３４０及びプラズマユニット３５０のいずれかであってもよく、反応チャンバ内の作動ガスの流れをより良好に方向付けるために使用することができる、プラズマユニットを描写又は図示している。図１７を参照すると、プラズマアークシステム４１０を使用して、廃棄物からエネルギーへの変換、廃水分解、ナノ材料合成、及びメタン分解などの材料処理を向上させて、水素及びナノカーボンを生成することができる。図１７では、アノード電極アセンブリ４１２及びカソード電極アセンブリ４１４が、プラズマチャンバ４１６の両側のプラズマモジュール内に設置されていることが理解し得る。アノード電極アセンブリ４１２及びカソード電極アセンブリ４１４は、本明細書で前述した方法のいずれかで、プラズマチャンバ４１６を横切って延びるアーク４１８を生成する。
【0067】
作動ガス４２０は、アノード電極アセンブリ４１２及びカソード電極アセンブリ４１４を通過し、これらのアセンブリ４１２、アセンブリ４１４を冷却するように動作する。更に、作動ガス４２０は、アーク４１８によってプラズマに変換される。説明されるように、作動ガス４２０は、電極アセンブリ４１２、電極アセンブリ４１４を通過する際に、強化された渦４２２に向けられる。強化された渦４２２は、作動ガス４２０をスピンさせ、作動ガス４２０が、分散することなく、又は１つ以上の電極を介して反応チャンバ内に作動ガスを導入した以前のシステムよりも少ない量で分散するように、アーク４１８に沿って伝搬することを可能にする。
【0068】
しかしながら、図１８により良く示されるように、アノード電極アセンブリ４１２を出る第１の渦４２４は、時計回り又は反時計回りのいずれかであり得る第１の方向（第１の電極４１２の先端から見たとき）に回転し、カソード電極アセンブリ４１４を出る第２の渦４２６は、反対方向（電極４１４の先端から見たとき）にスピンするように構成される。アノード電極アセンブリ４１２及びカソード電極アセンブリ４１４は、プラズマチャンバ４１６の両側に１８０度離れて配向されているので、互いに反対の鏡像を形成し、第１及び第２の２つの渦４２４、渦４２６は物理的に整列する。更に、第１の渦４２４及び第２の渦４２６は、電極４１２及び電極４１４においてこれらの渦に誘導される異なるスピンに起因して同じ方向にスピンする。その結果、第１の渦４２４及び第２の渦４２６は、互いを強化して、プラズマチャンバ４１６を完全に横切って広がる単一の強化渦４２２を生成する。強化渦４２２は、アーク４１８と同じ経路を運動するので、作動ガス４２０は、分散することなくアーク４１８の近くに維持される。この構成は、アーク柱の安定性を改善し、作動ガス４２０の単位当たり、より多くのプラズマを生成する。
【0069】
図１８に示されるように、アノード電極アセンブリ４１２及びカソード電極アセンブリ４１４の両方において、作動ガス４２０は、電極本体又はコア４３０上及び周囲のハウジング４３２の間に形成された溝４２８を通過する。アノード電極アセンブリ４１２において、溝４２８は、時計回り又は反時計回りのいずれかの渦巻き状に形成される。したがって、作動ガス４２０がアノード電極アセンブリ４１２を通過するとき、作動ガス４２０は溝４２８内でスピンする。作動ガス４２０が溝４２８を出るとき、スピン運動が残り、作動ガス４２０は渦（渦４２４）で進行する。
【0070】
しかしながら、カソード電極アセンブリ４１４は、溝４２８（電極本体又はコア４３０内及び周囲ハウジング４３２の間にも配置されている）を有するが、カソード電極アセンブリ４１４の溝４２８は、アノード電極アセンブリ４１２で使用されるものとは反対方向に回転する（同じ方向から見た場合、例えば、電極４１３、電極４１４のベースから先端に向かって見た場合）。したがって、作動ガス４２０は、電極４１４に対して反対のスピンの渦（渦４２６）を伴ってカソード電極アセンブリ４１４を出る。しかしながら、アノード電極アセンブリ４１２を出る第１の渦４２４は、カソード電極アセンブリ４１４を出る第２の渦４２６に対して１８０度反対であるので、互いに反対の鏡像であり、これらの２つの渦４２４、渦４２６は、プラズマチャンバ４１６内で同じ方向又は円運動にスピンする。結果として、２つの渦４２４及び渦４２６は、互いに建設的に加算されて、アノード電極アセンブリ４１２とカソード電極アセンブリ４１４との間の距離全体にわたる渦４２２を生成する。この安定した渦は、より良好なガス柱形成を提供し、作動ガス４２０がチャンバ４１６の中心又は近傍に分配されるのを防止するのに役立ち、チャンバ４１６内のより良好なアーク形成及びプラズマ生成につながる。
【0071】
図１９を参照すると、代替の実施形態は、アノード電極アセンブリ４３２及びカソード電極アセンブリ４３４を有し、その各々は、電極コア４３６及び周囲ハウジング４３８を有する。溝４４０は、作動ガス４２０が溝４４０を通過するように、（作動ガス通路の一部である）ハウジング４３８の内面上に形成される。アノード電極アセンブリ４３２において、溝４４０は、ハウジング４３８の長手方向から見て時計回り又は反時計回りのいずれかの渦巻き状に形成される。したがって、作動ガス４２０がアノード電極アセンブリ４３２に沿って通過するとき、作動ガス４２０は、溝４４０内で所定の円形方向にスピンする。作動ガス４２０が溝４４０を出るとき、スピン運動は残り、作動ガス４２０は第１の渦４４２で進む。
【0072】
しかしながら、カソード電極アセンブリ４３４は、カソード電極アセンブリ４３４のハウジング４３８から長手方向に見たときに、アノード電極アセンブリ４３２で使用される溝とは反対方向に回転する溝４４０を有する。したがって、作動ガス４２０は、反対のスピンの第２の渦４４４と共にカソード電極アセンブリ４３４を出る。しかしながら、アノード電極アセンブリ４３２を出る第１の渦４４２は、カソード電極アセンブリ４３４を出る第２の渦４４４に対して１８０度反対であるので、互いに反対の鏡像であり、これらの２つの渦４４２、渦４４４は、プラズマチャンバ４４６内で同じ方向にスピンする。ここでも、２つの渦４４２及び渦４４４は、互いに建設的に加算されて、アノード電極アセンブリ４３２とカソード電極アセンブリ４３４との間の距離全体にわたる渦を生成する。この安定した渦は、より良好なガス柱形成を提供し、作動ガス４２０がチャンバ４４６の中心又は近傍に分配されるのを防止するのに役立ち、チャンバ４４６内のより良好なアーク形成及びプラズマ生成につながる。
【0073】
もちろん、より良好なガス渦を生成する電極アセンブリを有するプラズマアークモジュールは、例示及び議論の目的のために、２つの例示的な実施形態のみにおいて本明細書に記載されている。しかしながら、これらのモジュールは、他の方法で製造することもでき、図示された実施形態は、単に例示的なものであり、特許請求の範囲を解釈する際に限定と見なされるべきではない。例えば、上述の溝は、反応チャンバ内への作動ガスの流れに曝露される電極又は電極アセンブリの他の表面上に配置することができる。加えて、本明細書に説明される溝は、図１８に図示されるような電極本体又はコア上、及び図１９に図示されるような電極ハウジングの内面上の両方等、複数の表面上に配置され得る。あるいは、電極の対又はセットの一方（例えば、カソード電極）は、電極本体又は電極ハウジングの内面の一方に形成された溝を有してもよく、電極の対又はセットの他方（例えば、アノード電極）は、電極本体又は電極ハウジングの内面の他方に形成された溝を有してもよい。更に、本明細書で説明するように、異なる方向の渦を使用してチャンバ内に作動ガスを導入してチャンバ内で渦を建設的に追加させる、反応チャンバの両側に配置されたアーク電極の使用は、例えば、本明細書で説明するプラズマユニットのいずれか、特に図１～図３、図７～図９、図１２及び図１３に示すプラズマユニットを含む、任意の数のそのような対向する電極のセット（１セット又は複数のセットを含む）を有するプラズマチャンバ又は反応チャンバ内で使用し得ることが理解されよう。この場合、反対して対向する電極は、その中に溝を有し、溝は、作動ガスが電極アセンブリを離れるときに作動ガスを異なる円形方向に渦巻き状にさせるが、対向する電極は、同じ又は異なる電極のセット又は対からの電極であってもよい。したがって、対向電極（反応チャンバ又は反応ゾーンを挟んで互いに直接対向して配置された電極）は、電極の同じセットのアノード電極及びカソード電極であってもよく、電極の異なるセットのアノード電極及びカソード電極であってもよく、電極の異なるセットの２つのアノード電極であってもよく、又は異なるセットの電極の２つのカソード電極であってもよい。更に、作動ガス渦生成を伴うこれらの電極は、長方形、正方形、八角形などのチャンバ又は管状チャンバ内を含む、円形又は円筒形の反応チャンバ以外で使用することができ、電極は管の長手方向端部に配置される。同様に、様々な電極アセンブリ内の溝は、よりきつい渦又はより緩い渦を生成するために、任意の所望のピッチ（すなわち、螺旋の隣接する溝間における溝間間隔）の溝を有してもよい。更に、特定の対の電極（すなわち、アノード電極及びカソード電極）の異なる電極アセンブリ又は電極の溝ピッチは、同じであっても異なっていてもよい。
【0074】
有利なことに、本明細書に記載されるガス化装置は、例えば、熱、電力、再生可能燃料、再生可能水素、及び／又は再生可能化学生成を提供するために使用することができる再生可能合成ガスを生成するために、例えば、廃水処理プラントからの乾燥バイオソリッド並びに都市固形廃棄物（ＭＳＷ）などの他の廃棄物を処分するために環境に優しい方法で使用することができる超高温イオンガス化処理を提供又は実施する。それを行うため、本明細書で説明されるシステムでは、ガス化装置反応チャンバの内部（例えば、直径）にわたって電気アークを発生させ、イオンガス又は粒子（プラズマ）と一緒に、３，０００℃を超える、場合によっては５，０００℃を超える局所的な制御された温度を生成する。この超高温ガス化ゾーン及び活性イオン環境は、完全分子解離と呼ばれる処理において、非常に効果的かつ効率的に分子をそれらの構成原子に分解するように組み合わせる。この超高温イオンゾーンは更に、マイクロプラスチック及びＰＦＡＳ（パーフルオロ化合物とポリフルオロ化合物）などの供給原料中の不純物を急速に分解する。更に、ガス化流がガス化ゾーンを出るとき、急速な制御された温度降下がこれらの原子を再度組み合わせ、システムスケーリングがないか又はほとんどない非常に純粋な合成ガスを形成し、廃水残留物を処理するのに適したものにし、エネルギー生産及びＰＦＡＳ分解のために固体残留物を乾燥及びガス化することに焦点を当てる。この急速な温度低下は更に、水素及び一酸化炭素のような望ましい分子の生成を最大化し、水、アンモニア及び二酸化炭素のようなあまり望ましくない分子の生成を最小化する傾向がある。処理されるべき材料は、好ましくは、高い含有量を有する乾燥又は部分的に乾燥した固体である。
【0075】
更に、本明細書に記載されるガス化装置は、酸素がその反応チャンバ内に存在するガス化装置モードで、又は酸素が反応チャンバ内に存在しないか、若しくは限定された酸素が反応チャンバ内に導入される熱分解モードで使用し得ることが理解されるであろう。
【0076】
本明細書で説明するジェット及びプラズマアークシステムは、多くの方法で具体化することができるが、例示及び説明のために、いくつかの例示的な実施形態のみを選択した。更に、本明細書で図示され説明される本発明の実施形態は単に例示的なものであり、当業者はこれらの実施形態に多くの変更を加え得ることが理解されるであろう。全てのそのような実施形態は、特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲内に含まれることが意図される。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【国際調査報告】