JP2010540216A - 複数共振構造のプロセス・反応室のための方法および装置 - Google Patents
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Abstract
本発明の方法及び装置は、共通のプロセス・反応空間に連結された複数の電磁共振構造で構成されており、各々の共振構造は、前記プロセス・反応空間が各々の共振構造の一部である間、維持されている。同時に、各々の共振構造はその個別の電磁発生器に合致している。そのようなシステムは、発生器及びその伝達システムによって、前記共通のプロセス・反応空間に生じるすべてのパワーの総和を備えた定格パワーで作動可能である。本発明の種々の実施例では、種々の電磁発生器は同じまたは異なった周波数で作動可能である。種々の共振構造はシングルモード、マルチモード、シングルモード及びマルチモードの混合である。種々の共振構造はいくつかの構造をプロセス・反応空間に結合するために空間的に配置されている。
【選択図】図１
【選択図】図１
Description
本発明は概ね、原料のプロセス・反応に関連する。本発明は、大型分子の化学結合の切断などの化学プロセス・反応を促進するための電磁エネルギーの使用に特別な有効性が見られ、このような有効性に関連して説明することにするが、他の有効性も考えられる。その例は、軽量の短鎖炭化水素が生成されるように長鎖炭化水素の分子結合を切断することである。このようなプロセスでは、例えば、パイプ内での輸送がさらに容易になるように粘性の重油の粘度を低くする。
石油系原料は世界経済に不可欠であり、石油系燃料および石油系生成物の需要は増大している。需要が高まるにつれて、この需要を満たすように石油系原料を効率的かつ経済的に採収する必要性が生まれる。そのため、石油系原料を土壌から採収することばかりでなく、消費者製品をリサイクルしてこれらの石油系原料を再び取り出すことも可能であると、好都合であろう。
世界規模での石油消費は一日あたり７０００万バレルを超えると推定され、増え続けている。ゆえに、充分な石油供給の必要性が存在する。タールサンド、オイルサンド、オイルシェールは、多量の石油を含有する。しかし、これらの原料からの石油の採収は費用と時間を要する。
オイルサンドからの重油の圧送は困難である。一般的に、パイプライン内を圧送するのに充分なほど石油を低濃度にするため、３０容量％までの溶剤または希釈剤がこのような石油に追加される。こうすると、現在の価格では１バレルの石油に１５％ものコストを加算することになる。ゆえに、オイルの粘度を低くするため分子結合の一部を経済的に切断することが可能であれば、オイルサンドからの有効生成物の回収に多大な影響を与えるだろう。ますます重要になっている別の問題は、有害廃棄物の処分である。概して、廃棄物を無害にするには、廃棄物の化学結合を切断することと、おそらくはその後で他の物質を加えて新たな結合を形成することが必要である。
先行技術では、電磁発生器が結合された共振電磁構造において、プロセス・反応空間が励磁されることが知られている。この構造は概してマルチモード（つまり多空間モード）である。電子レンジは、このような装置の例である。
共振構造は、シングルモード構造であってもよく、単一の周波数が単空間モードで共振する。シングルモード共振構造はマルチモード共振構造よりも小型で、それほど多くのパワー入力を扱うことができない。多くの用途では、プロセス・反応空間でプラズマを生成することが望ましく、安定したプラズマを確立して発生器およびその伝達システムへのマッチングを維持することは、概してシングルモード共振構造の方が容易である。
複数の電磁発生器に結合されたマルチモード共振構造において反応・処理空間が励磁されることも知られている。例えば、特許文献１には、共通のマルチモード共振構造に結合された多数の発生器を用いるシステムが記載されており、共通の共振空洞ではプラズマが生成される。この構成は、より多くの入力パワーを可能にするという長所を持つが、マルチモード空洞はプラズマ変動をはるかに受けやすい。この構成では、電磁発生器およびそれぞれの伝達システムのマッチングおよび維持も困難である。プラズマの不安定性のため、様々な発生器がさらに結合されることもある。
シングルモード共振構造へ多数の発生器の入力を設けることも可能であるが、シングルモード構成では、各発生器は同じ周波数および位相を持つ必要があり、共振構造では印加されるパワーの量が制限される。
本発明は、多数の電磁発生器を備えるプロセス・反応空間を処理するためのシステムつまり方法および装置を提供する。いくつかの電磁発生器の出力をそれぞれの共振構造へ印加し、この時、いくつかの共振構造が共通のプロセス・反応空間に結合されていることにより、これが実施される。本発明ではさらに、各共振構造へのパワー入力を制御するためと、同じ共振周波数を持つ入力の位相を制御するために、電磁発生器がそれぞれの共振構造にマッチングおよびチューニングされる。反応・プロセス空間が各共振構造の一部となるように、様々な共振構造が配置される。反応・プロセス空間は、共振構造およびそれぞれの発生器が装着された反応容器の中のプロセス・反応室に内含される。
この構成では、発生器は異なる周波数および位相を持ち、それでも共通のプロセス・反応空間にマッチングされている。プロセス・反応空間のみが入力パワーを制限する。共振構造のすべてがそれぞれの発生器にマッチングされたままでありながら、同時に共通の反応空間にすべてが結合されている。このようにして、各発生器を独自の共振構造に結合し、また各共振構造を共通のプロセス・反応空間に結合することにより、多数の入力と安定性の向上という長所がシステムにおいて結びつけられるのである。
一態様において本発明は、分子結合を切断することで大型分子をより小さな構成部分にするのに電磁エネルギーを利用する。例を挙げると、本発明では、低粘度の重油がパイプライン内をより容易に輸送されるようにこれに電磁エネルギーを用いる。本発明の特徴は、いくつかの電磁発生器を共通の反応・処理空間に使用することができ、各発生器が独自の共振構造に結合されることで、より広い電磁界を可能にし、各共振構造が共通のプロセス・反応空間に結合されることである。プロセス、つまり重油の分子結合を切断する（業界では「クラッキング」として知られる）ことに加えて、本発明は、電磁エネルギーの印加を必要とするいかなるプロセス・反応にも適用可能である。これは例えば、有害廃棄物の分解に加えて、化学結合を切断する必要がないが、例えば単に表面のエッチング、セラミックの製造、空間への熱の印加のための他のプロセスを含む。
本発明の別の利用法は、有害廃棄物を含む様々な廃棄物を精製、分解、処分、または無害化することである。プロセス・反応物質そのもののみによって入力パワーが制限されるので、非常に高温を達成でき、例えば、たとえ高エネルギー結合でも切断が可能である。
他の実施形態も考えられる。用途に応じて、共振構造はシングルモードとマルチモードのいずれでもよい。所望であれば様々な発生器が異なる周波数を持ち、発生器の一部または全部が同じ周波数で作動する場合には、位相が異なることが望ましい。これは、プロセス・反応空間に関する共振構造の空間的配置と組み合わされて、プロセス・反応空間への多周波数の入力と、電界または磁界、あるいはその両方との結合と、プロセス・反応空間においてなんらかの配向を持つ回転電界または磁界の確立とを可能にする。特定のプロセス・反応を促進するように、出力レベルは必要に応じて高くまたは低くされる。また、静（直流）電界および／または磁界がプロセス・反応空間に印加されてもよい。
本発明はプラズマを励磁するのに使用されてもよいが、プロセス・反応空間において気体、液体、固体、多相化合物に使用されることも可能である。一実施形態では、気体または溶剤または触媒などの担体媒体にプロセス・反応原料が懸濁される。また、電磁放射をより効果的に吸収するために添加剤が使用されてもよい。
別の実施形態では共振構造が配置され、この配置によって反応室内で回転電界または磁界が発生されるように入力および位相が制御される。回転電界または磁界は、一部のプロセス・反応に有益である。
単一の電磁発生器により反応空間に回転電界を生成するプロセスは、例えば特許文献２に教示されている。このような先行技術では、電界は反応容器の軸に対して垂直である。本発明の一実施形態では、複数の電磁発生器が採用され、プロセス・反応空間の軸に対して何らかの配向の回転電界を生成するため、様々な共振構造が空間的および電気的に配置されている。別の実施形態では、連続プロセスまたは完全な反応ステップを達成するように、反応室に沿って多数の共振構造が直列に配置されている。反応またはプロセスの処理量を増加させるため、このような直列配置が並列で使用されてもよい。
別の実施形態において本発明は、追加プラズマ発生源をさらに使用する。また、プロセス・反応空間で発生する様々な反応を活性化するため、一種類以上の触媒または気体が注入または混合されてもよい。
また別の実施形態では、気体、蒸気、噴霧液体がプロセス・反応空間にある状態でプラズマを発生させるための装置が、本発明で使用されてもよい。
要約すると、本発明は、複数の共振構造に結合され、反応・処理空間がいくつかの共振構造の各々への共通負荷となるようにこの共振構造が反応室に結合される、複数の電磁発生器を採用する。これによって、以下を含むいくつかの長所が得られる。
１．単一の発生器、その伝達システム、または共振構造の出力容量によって、パワー容量が制限されない。複数の発生器からのパワーがプロセス・反応空間で合計されるので、プロセス・反応空間の負荷がどのようであっても伝達されるパワーを制限するのは、この空間のみである。
２．各発生器は独自の共振構造にマッチングされ、様々な発生器は同じか異なる周波数を有する。
３．様々な空間および位相の構成により、電界と磁界のいずれかをプロセス・反応空間に結合できる。
４．いかなる配向のプロセス・反応空間にも、回転電界または磁界を発生させることができる。
５．連続的なプロセスまたは反応ステップのため、プロセス・反応空間に沿って多数の共振構造が分散される。
６．プロセス・反応の処理量を増大させるため、多数組の一連の共振構造が並列で使用されてもよい。
７．個々の共振構造は、同じプロセス・反応空間に結合された多数の発生器の間の相互作用を弱める。
８．シングルモード共振構造の場合には、共振空間モードは一つのみであって様々な高次モードを励磁することができないので、プラズマはより安定した状態を維持する傾向がある。本発明では、以下の要因のため、シングルモードに印加されるパワーを制限することのないシングルモード動作を可能にする。一つのシングルモード共振構造のみが多数の発生器に接続される場合には、すべてが同じ周波数を有して共通の位相に固定されなければならない。そのうえ、総入力パワーは、単一の共振構造、利用されるパワー結合方法、および／またはパワー伝達システムによって制限される。これらの制約すべてが、本発明では取り除かれる。
９．本発明の装置は、プロセス・反応をさらに促進するため、プラズマ発生源、あるいは担体ガス、触媒、または媒体を使用することもできる。
１．単一の発生器、その伝達システム、または共振構造の出力容量によって、パワー容量が制限されない。複数の発生器からのパワーがプロセス・反応空間で合計されるので、プロセス・反応空間の負荷がどのようであっても伝達されるパワーを制限するのは、この空間のみである。
２．各発生器は独自の共振構造にマッチングされ、様々な発生器は同じか異なる周波数を有する。
３．様々な空間および位相の構成により、電界と磁界のいずれかをプロセス・反応空間に結合できる。
４．いかなる配向のプロセス・反応空間にも、回転電界または磁界を発生させることができる。
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７．個々の共振構造は、同じプロセス・反応空間に結合された多数の発生器の間の相互作用を弱める。
８．シングルモード共振構造の場合には、共振空間モードは一つのみであって様々な高次モードを励磁することができないので、プラズマはより安定した状態を維持する傾向がある。本発明では、以下の要因のため、シングルモードに印加されるパワーを制限することのないシングルモード動作を可能にする。一つのシングルモード共振構造のみが多数の発生器に接続される場合には、すべてが同じ周波数を有して共通の位相に固定されなければならない。そのうえ、総入力パワーは、単一の共振構造、利用されるパワー結合方法、および／またはパワー伝達システムによって制限される。これらの制約すべてが、本発明では取り除かれる。
９．本発明の装置は、プロセス・反応をさらに促進するため、プラズマ発生源、あるいは担体ガス、触媒、または媒体を使用することもできる。
本発明のさらなる特徴および長所は、同様の数字が同様の部品を示す添付図面とともに解釈すれば以下の詳細な説明から明らかになるだろう。
図１は、本発明の典型的な実施形態を示し、３個の共振構造２Ａ〜Ｃが個々の電磁発生器３Ａ〜Ｃに結合され、３個の共振構造２Ａ〜Ｃは同じプロセス・反応空間１を共有している。発生器は、同じか異なる周波数を持つ。各発生器は伝達通路、例えば導波管４Ａ〜Ｃを介してマッチングデバイスへパワーを伝達する。マッチングデバイス５Ａ〜Ｃは、各発生器をその共振構造にインピーダンスマッチングする。そして各共振構造は、プロセス・反応空間が含まれる同じプロセス・反応容器に結合されている。後で説明するように、マッチングデバイスの一部は共振構造およびプロセス・反応室または容器の一部であって、包囲されたプロセス・反応空間が各共振構造に含まれる。発生器は同じか異なる周波数で作動し、同じ周波数で作動する場合には、共通のプロセス・反応空間での回転電磁界など様々な効果を生み出すように、プロセス・反応室または容器に対して共振構造が空間的に同位相で配置される。
例示を目的として、どのようにして単一の発生器が共振構造に結合されるかについて最初に説明する。図２に見られるように、電磁発生器１０はマイクロ波発生器、例えば３００ＭＨｚから３００ＧＨｚの周波数範囲で一般的に作動するマグネトロン、クライストロン、ジャイロトロンである。このようなデバイスからのパワーは、例えば数百ワットから１００キロワットに及ぶ。これらのデバイスの伝達手段は一般的に、シングルモードを伝える導波管１１である。特定の例は、２．４５ＧＨｚの周波数で作動する半導体加工プラズマ発生源マグネトロンである。このような発生源の導波管１１は一般的に、およそ７．２×４．３ｃｍの寸法を持つ矩形導波管、タイプＷＲ２８４であろう。概して、導波管の長い方の寸法は「ａ」の文字で、短い方の寸法は「ｂ」で示される。このような導波管では、概して、ＴＥ１０モードと表される最低次モードが、寸法「ａ」に対して垂直な電界ベクトルを有する。概してすべての図で、ＴＥ１０モードが示されているが、様々な用途に他の高次モードが使用されてもよい。発生源は一般的に、後方反射しないように循環器または絶縁器１２によって保護されている。発生器に向かって後方反射されるパワーは、ダミー負荷２２へ送られる。導波管は、共振構造（点線で示される）１５を導波管伝達システムにマッチングさせるように、特定されたプロセス・反応容器１３へマッチングデバイス１４を介してパワーを伝達する。共振構造は、プロセス・反応空間１６とプロセス・反応容器１３とマッチングデバイス１４の一部とを具備することに注意すべきである。このようなチューニングデバイスの一例は、構造の共振周波数と入力電磁エネルギーの結合係数とのチューニングを可能にするハイブリッドチューナーである。ハイブリッドチューナーの一部が図で概略的に示されている。内側スライド部材１７，１８の調節により、スライド部材１７，１８が個別に調節された時（１９，２０）にはプロセス・反応容器および空間への結合係数の調節を、および同時にチューニングされた時（２１）には共振周波数の調節を可能にする。結合係数は、発生器がその負荷にどれだけマッチングされているかを示す尺度である。矢印１９，２０で示されているように別々に、または矢印２１で示されているように同時に、スライド部材１７，１８を調節するための手段が設けられている。前に説明したように、点線矢印１５は、共振構造の一部であるハイブリッドチューナーの一部を指す。共振構造がマッチングデバイスの一部に加えて、プロセス・反応空間を内部に備える反応容器も含むことにやはり注意すべきである。プロセス・反応空間は、場合によっては、例えば水晶またはセラミックの管によって制約される。
図２ａおよび２ｂにおいて、共振構造は、２ａではプロセス・反応空間軸に対して垂直な導波管および共振構造の寸法「ａ」を、２ｂでは垂直な寸法「ｂ」を有することに注意すること。配向が異なると、様々な状況に応じて入力電磁放射のＥまたはＨ界の結合が良好となる。図２ｂにおいて、プロセス・反応空間は、導波管および共振構造の寸法「ａ」に対して空間的に９０度回転されている。
発生器を共振構造にマッチングさせるのに、ハイブリッドチューナー以外のデバイスが使用されてもよい。このようなデバイスの他の例は、スタブチューナー、ＥおよびＨ界の独立調節を可能にするいわゆるＥＨチューナー、いわゆるマジックＴ、マッチングデバイスとプロセス・反応容器との間の可変長の導波管である。これらのマッチング手段は、当該技術の熟練者によく知られている。
他の発生源、つまり例えば低周波数発生器、あるいは静（ＤＣ）電界または静磁界を含む電磁エネルギーが、プロセス・反応空間が含まれるプロセス・反応容器にさらに結合されてもよい。
図３は、２個の発生器３０，３１を備える実施形態を示す。場合によってはプロセス・反応室３３（例えば水晶またはセラミックの管）に内含されるプロセス・反応空間３４を内含するプロセス・反応容器３２は、共振構造３５，３６の両方に共通している。すでに説明したように、それぞれの場合の共振構造は、反応プロセス・反応空間が含まれるプロセス・反応室が含まれる共通の反応容器と、マッチングデバイスの一部とで構成される。プロセス・反応空間は、プロセス・反応室の壁と接触してもいなくてもよい。すでに説明したように、プロセス・反応容器の内側の流管など、何らかの装置にプロセス・反応空間が包含されてもよい。プロセスまたは反応を受ける原料は静止しているか、プロセス・反応空間を流動している。
電磁発生器は、例えばクライストロンまたはマグネトロンまたは他の電磁発生デバイスでよい。概して、相互作用空間が広くなるほど、周波数は低くなければならない。約３００ＭＨｚを超える範囲では、概してマグネトロンまたはクライストロンが使用される。すでに説明した単一の発生器の場合のように、見かけの負荷からの反射による発生源へのパワーの逆流が生じないように、各発生器は保護デバイス３７，３８によって保護されている。一般的なデバイスは、ダミー負荷３９，４０へ反射エネルギーを送る循環器である。前と同様に、各発生器は一般的に導波管４１，４２により負荷に接続されており、周波数の調節と結合係数の調節とを可能にする可動部品を備えるハイブリッドチューナーなどのマッチングデバイス４３，４４により、各発生器はその負荷にマッチングされている。前と同様に、点線３５，３６は、プロセス・反応空間が含まれるプロセス・反応室と、さらにマッチングデバイスの一部とを共振構造が含むことを表している。前と同様に、個々の可動チューニング部品は、矢印４５，４６，４７，４８で表されているように個別に、または矢印４９，５０で表されているように同時に調節することができる。
２個の発生器からの各伝達システムは、シングルモードとマルチモードのいずれかでよいが概してシングルモードが好ましい独自の共振構造に結合されている。図３に示された実施形態では、２個の発生器は異なる周波数ｆ１とｆ２とを有する。ゆえに導波管は異なるサイズであり、これに応じてハイブリッドチューナーは異なるものである。２個の発生器が同じ周波数と９０度移相状態で固定された位相とを有する場合には、プロセス・反応容器で回転磁界が発生する。
図４は、同じ反応容器に接続された３個の発生器３０，３１ａ，３１ｂを示す。前と同様に、導波管により独自のマッチングデバイスに結合された適切な手段によって各発生器は絶縁され、３個のマッチングデバイスすべてが、プロセス・反応空間を内含する同じプロセス・反応容器に接続されている。前と同様に、発生器は同じか異なる周波数である。３個の発生器すべてが同じ周波数を持ち、図のように空間的に１２０度離間しており、図のように電気的に位相が１２０度離間した状態で固定されている場合には、プロセス・反応容器で回転磁界が発生する。図のように、導波管およびマッチングデバイスの寸法「ａ」は、プロセス・反応空間軸に対して垂直である。こうすると、プロセス・反応空間軸に対して垂直な回転磁界が発生する。導波管およびマッチングデバイスの「ｂ」軸がプロセス・反応空間軸に対して垂直であるように３個の発生器およびマッチングデバイスのすべてが空間的に９０度回転した場合には、プロセス・反応空間軸に対して垂直な平面で回転電界が発生する。すでに説明したように、発生器が異なる周波数を有する場合には、回転磁界は発生しないが、３個の発生器すべてからのパワーがやはり反応容器で合計される。
図５は、多数の発生源を持つ他の３種類の構成を示す。図５ａは、導波管の寸法「ａ」および「ｂ」を概略的に示す。図５ｂの場合には、２個の発生器が同じ周波数を有して、９０度の電気的移相が間で行われた状態で位相固定されていることを除いて、図５ｂは図３と類似している。こうして回転磁界が発生する。図５ｃも、同じプロセス・反応空間に結合された２個の発生器を示すが、周波数が異なっている。この場合、図５ｂのように寸法「ａ」でなく、導波管およびマッチングデバイスの寸法「ｂ」がプロセス・反応空間軸に対して垂直となるように、導波管およびマッチングデバイスが回転されている。図５ｄは、同じプロセス・反応空間に結合された周波数の異なる３個の発生器３０，３１ａ，３１ｂを示す。この場合、回転磁界は存在せず、３個の発生器すべてからのパワーが共通のプロセス・反応空間で合計される。マッチングデバイスはすでに説明したように機能する。周波数が異なるため導波管およびマッチングデバイスが各発生器で異なる寸法を有して、周波数が低いと大型になることに注意すること。
この同じ概念を、より多くの発生源に拡大することができる。概して、同じ周波数のＮ個の発生源が空間的および電気的位相的に３６０／Ｎ度だけ離間して配置される場合に、回転磁界が発生する。複数の共振構造の平面がプロセス・反応空間軸に対して傾斜している場合には、この平面で回転磁界が発生する。このような回転磁界は、一部のプロセスまたは反応について有益である。
以上の説明に従って、当該技術の熟練者が発生器および共振構造の他の配置を考えることができるだろう。
場合によっては、プロセス・反応空間にプラズマを注入することも望ましい。例えば、プラズマ発生源その他によってこれが行われる。図６は、本発明により配置されたプラズマ発生源６０を示す。プロセスまたは反応を受ける原料６１は静止しているか、流動している。いずれの場合も、プラズマ発生源がプロセス・反応空間に注入される。そのうえ、プロセス・反応速度を促進するため、多数のプラズマ発生源を反応空間に結合することができる。所望であれば、プロセスまたは反応を促進するため反応空間に触媒が注入されてもよい。さらに、例えばプラズマ形成を促進するため、担体ガスが使用されてもよい。プロセスまたは反応を促進するため、例えば水などの他の物質が、プロセスまたは反応を受ける物質に追加または混入されてもよい。例を挙げると、重油への水の追加は、混合物の加熱を促してより急速に高温に到達させる。水分子の極性のため、水はマイクロ波放射にうまく結合されることが知られている。図６は、一般的に高イオン化気体である注入プラズマ６２と、共通のプロセス・反応空間６５に結合された共振構造６３，６４とを示す。
より効率的なプロセスまたは反応を実施するため、様々な共振構造が直列で配置されることが可能である。図７は、このような構成の一例を示す。他の配置も考えられる。上述したように周波数は同じであるか異なっており、多数の共振構造をプロセス・反応空間に結合するため、電界または磁界あるいはその両方をプロセス・反応空間に結合するため、またはプロセス・反応空間に回転磁界を発生させるための配向を共振構造が有している。また、プロセス・反応ステップを促進するためか、プロセスまたは相互作用を受ける原料に別のプロセス・反応ステップを追加するため、拡張されたプロセス・反応空間に沿って共振空洞が様々に配置されてもよい。この図では、プロセスを受ける原料７０が反応容器７１へ導入され、３組の結合共振空洞によって連続的に作用を受けて３個のプロセス・反応空間７２，７３，７４を励磁する。第１反応室７２のための第１対の共振構造７５，７６は、反応容器軸に対して平行な導波管の寸法「ａ」を有する。前に説明したように、２個の発生器７７，７８の周波数は同じであるか異なっている。やはり前と同様に、プロセス・反応空間を含む各共振構造はその駆動源にマッチングされている。これは、例えば図２のハイブリッドチューナー１４によって実施される。図７では、発生器と循環器とダミー負荷と導波管とマッチングデバイスとによるチェーン全体が、発生器およびこれを共振構造に接続するラインのみによって表されていることに注意すること。前に説明したように、周波数が等しく、電気的に９０度の異位相である場合には、共有されたプロセス・反応空間７２で回転磁界が発生する。第２組の共振構造７９，８０，８１は、第２プロセス・反応空間７３に結合されている。この場合の３個の発生器８２，８３，８４は、周波数が同じであるか異なっている。寸法「ａ」が反応容器軸に対して平行となるように、これら３個の共振構造は整列されている。第３組の共振空洞８５，８６は、共振空洞の軸「ｂ」が反応空間７４に対して平行となるように配置されている。２個の発生器８７，８８は同じか異なる周波数を持つ。周波数が同じであって電気的に９０度の異位相である場合には、プロセス・反応空間７４で回転磁界が発生する。一連のプロセス・反応ステップからの産出物は８９で示されている。すでに説明したように、単純化のため、発生器と循環器と導波管とマッチングデバイスとによるチェーン全体が、図７に示されたプロセス・反応空間に結合されている。単純化のため、発生器と共振構造の一部のみがそれぞれの場合について示されている。言うまでもなく、本発明の平行配置も可能であることも自明である。
特に重要な用途は、大型分子の化学結合を切断するプロセスである。この用途の一つは、例えば、より単純な炭化水素が生成されるように長鎖炭化水素の分子結合を切断することである。このようなプロセスでは例えば、必要性、つまり１バレルの石油にかなりのコストを加えることになる溶剤または希釈剤を追加するコストなしで、より簡単にポンプ内を圧送されるように、粘性の重油を低粘度にする。こうして、一部の分子結合を切断してオイルの粘度を低くするという本発明のようなシステムの能力は、石油産業に多大な影響を与えるだろう。
本発明の別の重要な使用法は、有害廃棄物を含む様々な廃棄物を精製、分解、処分、無害化するという用途である。入力パワーはプロセス・反応物質そのもののみによって制限されるので、非常に高い温度が達成され、高エネルギー結合でも切断が可能である。
図８は、入力原料９０の分解のためのプロセスである発明の案による一般的な設備を示す。これは例えば重油である。このプロセスでは、長鎖炭化水素の一部が反応容器９１で短鎖炭化水素に分解される。様々な発生器９２、マッチングデバイス９３、モニター９４が示されている。上述したように、様々なプラズマ発生源９５、触媒９６、そして他の原料９７も、当該技術でよく見られるように本発明で使用される。制御システム９８がプロセス全体を制御する。原材料解析装置９９がプロセス制御装置に入力を与える。分離器１００は完成品１０１をプロセス前または反応前の入力から分離し、プロセス前の生成物をプロセスの開始点へ戻す。入力フロー制御装置１０２は、プロセスへの入力を制御する。
本発明の原理を実例で説明するため、単一の共振構造に結合された単一のマイクロ波発生器を具備するプロトタイプのシステムが構築された。マイクロ波発生源としてクライストロンが使用され、矩形の導波管の周囲に共振構造が設けられた。二つの異なる液体炭化水素、ＳＡＥ３０モーターオイルとケロシンが、二つの異なる実施例で使用された。液体が共振構造へ噴霧され、注入されたマイクロ波とともにスパーク放電を用いてプラズマが発生された。
５．９４５ＧＨｚの周波数での８００ワットの入力パワーにより、プラズマを用いることなく、共振構造のＱは５２と測定され、４１キロワットの蓄積パワーを意味していた。プラズマが発生されると、Ｑは５まで低下した（４キロワットが蓄積された）。共振構造が元に戻って共振を維持したため、プラズマによってすべてのパワーが吸収された。プラズマに伝達された正味パワーは、８００ワットの入力パワーであった。空洞Ｑの低下は損失プラズマによるものである。
反応室における液体の流れは、毎時４リットルに設定された。大量の気体が小室によって放出され、使用されたマトソンガス流量計の容量を超えた。流量計は毎分２リットルの容量を有していた。入力液体の温度は室温の２２℃であった。液体の出口温度は３１℃であった。
小室を出た液体は、外観および粘度が変化していた。モーターオイルとケロシンの両方が目立って暗色になっていた。モーターオイルとケロシンの両方に炭素粒子が浮遊しており、数日後に沈殿した。炭化水素分子が分解して時には元素状炭素が放出されたことを炭素の存在が示しているのは、言うまでもない。炭素粒子が沈殿した後、モーターオイルが処理前よりも軽くなっていることが観察され、ケロシンは最初の色に戻ったことが観察された。
冷却後には、液体が明らかに注ぎやすくなっており、粘度が低くなったことを示していた。
記載の大部分は重油のプロセスを中心としたものであったが、何かのプロセスまたは何らかの種類の化学反応の促進に電磁エネルギーを使用するプロセスまたは反応に本発明が使用されることは理解できるだろう。本発明はまた、炭化ケイ素の切削ツール、半導体ブールなどのセラミックの製造のためなど、マイクロ波加熱を伴う他のプロセスに使用されてもよい。
ここに提示された実施形態および例は、本発明およびその実際的用途を最も分かりやすく説明するためと、そうすることで当該技術の通常の技量を有する者に本発明の製造および使用を可能にするために挙げられた。しかし、以上の説明および例は、例示および実例のみを目的として挙げられており、提示された説明は、網羅的であることも、開示された正確な形に本発明を限定することも意図していない。例えば、他のタイプの発生器、伝達およびチューニングデバイス、周波数、担体ガスまたは溶剤を使用すること、あるいはプロセス・反応室において、プロセスまたは反応を受ける物質とともに触媒を使用することなど、他の一般的技術が採用されてもよい。本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく上記の教示を考慮したその他の変形および変更が可能である。
２Ａ，２Ｂ，２Ｃ 共振構造
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ 電磁発生器
４Ａ，４Ｂ，４Ｃ 導波管
５Ａ，５Ｂ，５Ｃ マッチングデバイス
１０；３０，３１；３１ａ，３１ｂ 電磁発生器
１１；４１，４２ 導波管
１２ 循環器または絶縁器
１３；３２；３３ プロセス・反応容器
１４；４３，４４ マッチングデバイス
１５；３５，３６ 共振構造
１６；３４ プロセス・反応空間
１７，１８ 内側スライド部材
２２；３９，４０ ダミー負荷
３７，３８ 保護装置
６０ プラズマ発生源
６１ 原料
６２ プラズマ
６３，６４；７５，７６，７９，８０，８１ 共振構造
６５ プロセス・反応空間
７０ プロセスを受ける原料
７１ 反応容器
７２，７３，７４ プロセス・反応空間
７７，７８，８２，８３，８４，８７，８８ 発生器
８５，８６ 共振空洞
８９ 産出物
９０ 投入原料
９１ 反応容器
９２ 発生器
９３ マッチングデバイス
９４ モニター
９５ プラズマ発生源
９６ 触媒
９７ 他の原料
９８ 制御システム
９９ 原材料解析装置
１００ 分離器
１０１ 完成品
１０２ 投入フロー制御装置
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ 電磁発生器
４Ａ，４Ｂ，４Ｃ 導波管
５Ａ，５Ｂ，５Ｃ マッチングデバイス
１０；３０，３１；３１ａ，３１ｂ 電磁発生器
１１；４１，４２ 導波管
１２ 循環器または絶縁器
１３；３２；３３ プロセス・反応容器
１４；４３，４４ マッチングデバイス
１５；３５，３６ 共振構造
１６；３４ プロセス・反応空間
１７，１８ 内側スライド部材
２２；３９，４０ ダミー負荷
３７，３８ 保護装置
６０ プラズマ発生源
６１ 原料
６２ プラズマ
６３，６４；７５，７６，７９，８０，８１ 共振構造
６５ プロセス・反応空間
７０ プロセスを受ける原料
７１ 反応容器
７２，７３，７４ プロセス・反応空間
７７，７８，８２，８３，８４，８７，８８ 発生器
８５，８６ 共振空洞
８９ 産出物
９０ 投入原料
９１ 反応容器
９２ 発生器
９３ マッチングデバイス
９４ モニター
９５ プラズマ発生源
９６ 触媒
９７ 他の原料
９８ 制御システム
９９ 原材料解析装置
１００ 分離器
１０１ 完成品
１０２ 投入フロー制御装置
Claims (58)
- プロセス・反応空間を包含するためのプロセス・反応室を備えるプロセス・反応容器と、
複数の電磁発生器であって、各々が複数の共振構造の一つに結合された電磁発生器であり、前記プロセス・反応空間が前記複数の共振構造の各々への共通の負荷となるように、前記複数の共振構造の各々が前記プロセス・反応容器に結合される、電磁発生器と、
を具備する、電磁放射によりプロセス・反応媒体を励磁するための装置。 - 前記複数の共振構造がシングルモードとマルチモードのいずれかである、請求項１に記載の装置。
- 前記複数の電磁発生器の各々がマイクロ波と無線周波数（ＲＦ）発生器のいずれかである、請求項１に記載の装置。
- 前記複数の電磁発生器の各々が伝達通路によって対応の共振構造に結合され、前記伝達通路が好ましくは導波管または同軸線路を含む、請求項１に記載の装置。
- さらに、前記複数の共振構造の各々を前記共通の負荷に合わせて個別にチューニングするためのチューニングデバイスを具備し、ハイブリッドチューナーと、スタブチューナーと、Ｅ‐Ｈチューナーと、マジックＴと、可変長導波管と、前記共通の負荷にマッチングするための他の適当な手段とで構成されるグループから前記チューニングデバイスが選択されることが好ましい、請求項４に記載の装置。
- さらに、前記複数の電磁発生器の各々を対応の共振構造に個別にマッチングするためのチューニングおよび／または結合デバイスを具備し、前記チューニングデバイスが好ましくはハイブリッドチューナーである、請求項１に記載の装置。
- 前記複数の共振構造が前記反応室を中心とする配向で配置される、請求項１に記載の装置。
- Ｎ個の共振構造が単一の平面において３６０°／Ｎだけ離間するか、単一の平面において任意に配置される、請求項１０に記載の装置。
- 前記複数の電磁発生器が同じか異なる周波数で作動する、請求項１に記載の装置。
- 前記複数の電磁発生器が異なる位相において同じ周波数で作動し、前記電磁発生器の二つが、位相が９０°離間した放射を発することが好ましい、請求項１に記載の装置。
- Ｎ個の共振構造が、３６０°／Ｎだけ離間するように前記プロセス・反応空間を中心として物理的に配置され、同じ周波数で作動する前記Ｎ個の電磁発生器が、位相において３６０°／Ｎだけ離間し、前記装置が回転電磁界を発生させる、請求項２に記載の装置。
- 前記複数の電磁発生器のうち少なくとも一つが静電界（ＤＣ）を発生させる、請求項１に記載の装置。
- 前記複数の電磁発生器のうち少なくとも一つが静磁界を発生させる、請求項１に記載の装置。
- 前記複数の電磁発生器のうち少なくとも一つが低周波放射を発生させる、請求項１に記載の装置。
- 前記プロセス・反応空間が、気体、液体、固体、または多相化合物を包含する、請求項１に記載の装置。
- 前記プロセス・反応媒体がプラズマを包含する、請求項１に記載の装置。
- 電磁放射による前記プロセス・反応媒体の励磁がプラズマを発生させる、請求項１に記載の装置。
- さらにプラズマ発生源を具備する、請求項１に記載の装置。
- さらに、電磁エネルギーの吸収を助けるように前記プロセス・反応媒体に触媒を追加するための供給部を具備し、前記反応媒体が好ましくは水を包含する、請求項１に記載の装置。
- さらに、前記複数の電磁発生器の各々の出力を変化させるためのデバイスを具備する、請求項１に記載の装置。
- さらに、前記プロセス・反応媒体を監視するための監視デバイスを具備する、請求項１に記載の装置。
- さらに、前記プロセス・反応媒体の入口および出口を具備する、請求項１に記載の装置。
- 前記プロセス・反応媒体が大型分子、好ましくは原油を包含する、請求項１に記載の装置。
- マイクロ波放射によりプロセス・反応媒体を励磁するための装置が、
プロセス・反応空間を包含するプロセス・反応室を備えるプロセス・反応容器と、
複数のマイクロ波発生器であって、各々が複数の共振構造の一つに結合されたマイクロ波発生器であり、前記プロセス・反応空間が前記複数の共振構造の各々への共通負荷となるように、前記複数の共振構造の各々が前記プロセス・反応容器に結合される、マイクロ波発生器と、
を具備する装置。 - 前記複数の共振構造がシングルモードとマルチモードのいずれかである、請求項２４に記載の装置。
- 前記複数のマイクロ波発生器が３００ＭＨｚと３００ＧＨｚとの間の周波数の放射を発する、請求項２４に記載の装置。
- さらに、前記複数のマイクロ波発生器の各々の出力を変化させるためのデバイスを具備する、請求項２４に記載の装置。
- さらに、前記マイクロ波放射の吸収を助けるように前記プロセス・反応媒体へ水を追加するための供給部を具備する、請求項２４に記載の装置。
- プロセス・反応空間を包含するプロセス・反応室を備えるプロセス・反応容器と、
複数の電磁発生器であって、各々が複数の共振構造の一つに結合される電磁発生器であり、前記プロセス・反応空間が前記複数の共振構造の各々への共通負荷となるように、前記複数の共振構造の各々が前記プロセス・反応容器に結合され、前記プロセス・反応空間で回転電磁界が生成されるように前記共振構造が配置される、電磁発生器と、
を具備する、電磁放射によりプロセス・反応媒体を励磁するための装置。 - さらに、前記複数の電磁発生器の各々を対応の共振構造に個別にマッチングするためのマッチングチューナーを具備し、ハイブリッドチューナー、スタブチューナー、ＥＨチューナー、マジックＴ、可変長導波管、または共通負荷にマッチングするための他の適当な手段で構成されるグループから前記マッチングチューナーが選択されることが好ましい、請求項２９に記載の装置。
- 前記複数の電磁発生器の各々が導波管または同軸線路により対応の共振構造に結合される、請求項２９に記載の装置。
- Ｎ個の共振構造が、３６０°／Ｎだけ離間するように前記プロセス・反応空間を中心として物理的に配置され、同じ周波数で作動する前記Ｎ個の電磁発生器が、位相が３６０°／Ｎだけ離間し、前記装置が回転電磁界を発生させる、請求項２９に記載の装置。
- 直列接続された複数のプロセス・反応室を有するプロセス容器であって、各反応室がプロセス・反応空間を包含し、前記複数のプロセス・反応室の各々に複数の共振構造が結合され、前記共振構造の各々が、各プロセス・反応室の共通負荷の一部としての対応のプロセス・反応空間を含み、前記複数の共振構造の各々が電磁発生器に結合される、プロセス容器、
を具備する、電磁放射によりプロセス・反応媒体を励磁するための装置。 - 前記複数の共振構造がシングルモードとマルチモードのいずれかである、請求項３３に記載の装置。
- さらに、前記プロセス・反応室の間にプロセス・反応媒体を通過させるための入口および出口を具備する、請求項３４に記載の装置。
- 請求項１に記載の装置を用いて前記炭化水素媒体に電磁エネルギーを印加することを包含する、炭化水素媒体の圧送を促進するように炭化水素媒体、好ましくは石油を処理するための方法。
- 前記炭化水素媒体に触媒または水を追加するステップを含む、請求項３６に記載の方法。
- 請求項２９に記載の装置を用いて粘性媒体に電磁エネルギーを印加することを包含する、炭化水素媒体の圧送を促進するように炭化水素媒体、好ましくは石油を処理するための方法。
- 前記炭化水素媒体に触媒または水を追加するステップを含む、請求項３８に記載の方法。
- 請求項３３に記載の装置を用いて炭化水素媒体に電磁エネルギーを印加することを包含する、前記炭化水素媒体のポンプ供給を促進するように前記炭化水素媒体、好ましくは石油を処理するための方法。
- 前記炭化水素媒体に触媒または水を追加するステップを含む、請求項４０に記載の方法。
- 請求項１に記載の装置を用いて有害廃棄物に電磁エネルギーを印加することを包含する、前記廃棄物の分子の化学結合を切断するように前記有害廃棄物を処理するための方法。
- 前記有害廃棄物に水を追加するステップを含む、請求項４２に記載の方法。
- 請求項２９に記載の装置を用いて有害廃棄物に電磁エネルギーを印加することを包含する、前記廃棄物の分子の化学結合を切断するように前記有害廃棄物を処理するための方法。
- 前記有害廃棄物に水を追加するステップを含む、請求項４４に記載の方法。
- 請求項３３に記載の装置を用いて有害廃棄物に電磁エネルギーを印加することを包含する、前記廃棄物の分子の化学結合を切断するように前記有害廃棄物を処理するための方法。
- 前記有害廃棄物に水を追加するステップを含む、請求項４６に記載の方法。
- 請求項１に記載の装置を用いて反応物に電磁エネルギーを印加することを包含する、反応を促進するように反応物を処理するための方法。
- 前記反応物に触媒または水を追加するステップを含む、請求項４８に記載の方法。
- 請求項２９に記載の装置を用いて前記反応物に電磁エネルギーを印加することを包含する、反応を促進するように反応物を処理するための方法。
- 前記反応物に触媒または水を追加するステップを含む、請求項５０に記載の方法。
- 請求項２９に記載の装置を用いて前記反応物に電磁エネルギーを印加することを包含する、反応を促進するように反応物を処理するための方法。
- 前記反応物に触媒または水を追加するステップを含む、請求項５２に記載の方法。
- Ｎ個の共振構造が、３６０°／Ｎだけ離間するように前記プロセス・反応空間を中心として物理的に配置され、同じ周波数で作動するＮ個の電磁発生器が、位相において３６０°／Ｎだけ離間し、前記装置が回転磁界を発生させる、請求項５２に記載の方法。
- Ｎ個の共振構造が単一の平面において任意で配置される、請求項５２に記載の方法。
- 請求項１に記載の装置を用いて、気体、液体、固体、または多相化合物で構成される媒体に電磁エネルギーを印加することにより、前記媒体におけるプロセスまたは反応を促進するように空間を加熱するための方法。
- Ｎ個の共振構造が、３６０°／Ｎだけ離間するように前記プロセス・反応空間を中心として物理的に配置され、同じ周波数で作動するＮ個の電磁発生器が位相において３６０°／Ｎだけ離間し、前記装置が回転電磁界を発生させる、請求項５６に記載の方法。
- Ｎ個の共振構造が単一の平面において任意で配置される、請求項５６に記載の方法。
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