JP2011518655A - 非熱プラズマ粒子状物質低減システムおよびその使用方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、広くは、ガス流れ内の粒子状物質の量を低減するための非熱プラズマベースのシステム、ならびに、そのようなシステムを使用するための方法を対象とする。本発明は、具体的には、自己洗浄表面を有する、そのような非熱プラズマベースの粒子状物質低減システムを対象とする。具体的には、システムにおける非熱プラズマ産生の低減を引き起こす可能性が高い粒子状物質蓄積を低減する自己洗浄表面、したがって、そのようなシステムがガス流れ内の粒子状物質の量を低減する能力が検討される。

Description

（関連出願）
本願は、米国仮特許出願第６１／０３９，３００号（２００８年３月２５日出願）および同第６１／０３９，３０３号（２００８年３月２５日出願）の利益を主張する。

（発明の分野）
本発明は、広くは、ガス流れ内の粒子状物質の量を低減するための非熱プラズマベースのシステム、ならびに、そのようなシステムを使用するための方法を対象とする。本発明は、具体的には、自己洗浄表面を伴う、そのような非熱プラズマベースの粒子状物質低減システムを対象とする。具体的には、システムにおける非熱プラズマ産生の低減を引き起こす可能性が高いもの等の、粒子状物質蓄積を低減する自己洗浄表面、したがって、そのようなシステムがガス流れ内の粒子状物質の量を低減する能力が検討される。

単独で、または他の化合物（例えば、エタノール）と組み合わせて、ガソリンまたはディーゼルを燃料にする内燃エンジンは、世界人口の健康および寿命、ならびに全体として環境に影響を及ぼす、大量の空気および他の環境汚染物質源である。したがって、例えば、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）、二酸化硫黄（ＳＯ_２）、非メタン炭化水素（ＮＭＨＣ）、および粒子状物質（ＰＭ）が、静止、路上、および一般道路外エンジンにおけるガソリンまたはディーゼル燃料の燃焼の結果として産生される。数十年に及ぶ規制にもかかわらず、これらの汚染物質および他の汚染物質は、厳しい排出制御がある国でさえも、規制基準を超える量で環境に放出され続けている。例えば、米国では、数十年に及ぶ厳しい大気汚染規制後でさえも、汚染レベルが国の環境大気質基準（ＮＡＡＱＳ）を超える地域に、１億５千万以上の人々が依然として住んでいる。例えば、ｅｐａ．ｇｏｖ／ａｉｒｔｒｅｎｄｓ／ｓｉｘｐｏｌｌ．ｈｔｍｌを参照されたい。

燃焼エンジン発生汚染物質の量を低減するために、ますます厳しいガスおよびディーゼル燃料エンジン排気基準が、米国および海外で施行されている。残念ながら、これらの基準を満たすための確固とした技術は、取得することが困難となっている。例えば、米国だけで、粒子状物質排出レベルは、大小の粒子（ＰＭ_１０およびＰＭ_２．５、定義については以下を参照）について、１９９０年から２００７年の間に３３％および５１％低減されたが、依然として今でも、毎年米国で環境に放出される合計１００万トン以上の粒子に達し、これらの粒子の約３分の１は、その大部分が排出制御デバイスを装備している、高速道路および一般道路外の自動車エンジン源に起因する。例えば、その内容が参照することにより全体で本明細書に組み込まれる、ｅｐａ．ｇｏｖ／ａｉｒ／ａｉｒｔｒｅｎｄｓ／２００８／ｒｅｐｏｒｔ／Ｈｉｇｈｌｉｇｈｔｓ．ｐｄｆを参照されたい。

燃焼エンジン排気、特に粒子状物質排出を低減するために極めて有望な１つの技術は、燃焼効率を増加させるため、および／または排出ガスの低減を向上させるための非熱プラズマ（ＮＴＰ）の使用に基づく。具体的には、プラズマは、概して、原子、陽および陰イオン、および電子が混合されるが、凝集体において（すなわち、バルク物質または巨視的レベルで）電気的に中性である、イオン化ガスとして定義される。例えば、その内容が参照することにより全体で本明細書に組み込まれる、Ｙａｍａｍｏｔｏ ａｎｄ Ｏｋｕｂｏ，Ｎｏｎｔｈｅｒｍａｌ Ｐｌａｓｍａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｉｎ ｔｈｅ Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．５：Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｐｈｙｓｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｈｕｍａｎａ Ｐｒｅｓｓ（同義語として「ＹａｍａｍｏｔｏおよびＯｋｕｂｏ」）を参照されたい。「熱プラズマ」は、プラズマの構成原子、イオン、および電子の温度が同じである（すなわち、熱平衡にあり、「熱い」）プラズマである。非熱プラズマ（ＮＴＰ）は、典型的には、電子が「熱い」一方で、プラズマ中の他の種は熱的に「冷たい」、非平衡プラズマである。電気アークが、熱プラズマの例であり、ネオンランプ等の低温デバイスが、非熱プラズマの例である。

燃焼効率に関して、予備研究は、大型の有機燃料分子を、より容易かつ完全に燃焼されるより小型の分子に分解するために、ＮＴＰを使用することができると示している。例えば、その内容が参照することにより全体で本明細書に組み込まれる、特許文献１、特許文献２、および特許文献３を参照されたい。燃焼効率のそのような増加の結果は、向上した燃料消費であり、間接的には、潜在的により少ない排出ガスである。

他の研究は、排出ガスを直接低減するためにＮＴＰを使用することができることを示している。例えば、多数の研究において、ＮＴＰは、ＮＯ_ｘ排出を低減することを目指すシステムにおける種々の手段によって生成されている。例えば、その内容が参照することにより全体で本明細書に組み込まれる、特許文献４および特許文献５を参照されたい。他のシステムは、粒子状物質（ＰＭ）を低減するためにＮＴＰを使用する。例えば、その内容が参照することにより全体で本明細書に組み込まれる、特許文献６および特許文献７を参照されたい。

エンジン排気を低減するためのＮＴＰベースのシステムの魅力にもかかわらず、この技術の使用は、これらのシステム上の排ガス中の汚染物質および分解生成物によって困難となっている。この点に関して、粒子状物質は、これらのシステムにおける蓄積が、狭いガス流れ領域の物理的閉塞を引き起こし得るため、特に問題である。そのようなＰＭはまた、ＮＴＰの生成に関与する構成要素を被覆することによって、ＮＴＰシステムの性能を低下または破壊し得る。ＮＴＰが電気的に生成されるシステムの場合、ＰＭ蓄積は、この導体材料の蓄積によって作成される伝導経路の中への電流の方向変更を介して、電力損失を引き起こし、それにより、生成されるＮＴＰの量、したがって、除去される粒子状物質の量を低減し得る。別の懸案事項は、ＰＭを低減するように消費される電力の量である。既存のＮＴＰシステムは、ＰＭを２５％低減するだけのために、数百ワットの電流を消費し得る。システムに電力供給するために使用されるエネルギーは、他の使用に利用可能な電力を低減し、排気を増加させる。したがって、使用される電力の１ワットあたりの大いに増大した低減を伴うＮＴＰシステムが、総排気量を低減するために必要とされる。

上記を踏まえて、より良好なＮＴＰベースの汚染低減システム、具体的には、そのようなシステム内のＰＭ蓄積が効率的に低減または防止される、ＮＴＰベースのシステムの必要性があることが明確である。

米国特許出願公開第２００４／０１８５３９６号明細書 米国特許出願公開第２００５／００１９７１４号明細書 米国特許出願公開第２００８／０３１４７３４号明細書 米国特許第６，４８２，３６８号明細書 米国特許第６，８５２，２００号明細書 米国特許第５，２６３，３１７号明細書 米国特許出願公開第２００７／００４５１０１号明細書

本発明は、広くは、ガス流れ内の粒子状物質（ＰＭ）の量を低減するための非熱プラズマベースのシステム、ならびに、そのようなシステムを使用するための方法を対象とする。本発明は、具体的には、自己洗浄表面を有する、そのような非熱プラズマベース粒子状物質低減システムを対象とする。具体的には、システムにおける非熱プラズマ産生の低減を引き起こす可能性が高いもの等の、粒子状物質蓄積を低減する自己洗浄表面、したがって、そのようなシステムがガス流れ内の粒子状物質の量を低減する能力が検討される。

第１の実施形態では、本発明は、ａ）ガス流れに接触する第１の導体であって、第１の導体は、非熱プラズマ（ＮＴＰ）を産生する部分を備えている、第１の導体と、ｂ）ガス流れに接触し、かつ第１の導体と電気的に対にされる、第２の導体と、ｃ）第１の導体を第２の導体から電気的に隔離する絶縁体であって、絶縁体は、自己洗浄絶縁体である、絶縁体とを備えている、ガス流れ内の粒子状物質の量を低減するための装置を提供する。

第２の実施形態では、第１の実施形態の装置の自己洗浄絶縁体は、酸化的自己洗浄によって洗浄される。

第３の実施形態では、第１の実施形態の装置の自己洗浄絶縁体は、その表面上に蓄積される導体材料の酸化のために十分に薄い絶縁部分を備えている。

第４の実施形態では、第１の実施形態の装置の自己洗浄絶縁体は、名目厚さ未満の部分を備えている。

第５の実施形態では、第４の実施形態の自己洗浄絶縁体の部分は、名目厚さの５０％、６０％、７０％、８０％、および９０％から成る群より選択される厚さである。

第６の実施形態では、第１の実施形態の装置はさらに、１つ以上の非腐食性ワッシャを備えている。

第７の実施形態では、第６の実施形態の装置の１つ以上の非腐食性ワッシャは、自己洗浄絶縁体の近位端に提供される。

第８の実施形態では、第６の実施形態の装置の１つ以上の非腐食性ワッシャは、自己洗浄絶縁体の近位端および遠位端の両方に提供される。

第９の実施形態では、第１の実施形態の装置の第１の導体は、負に分極される。

第１０の実施形態では、第１の実施形態の装置の第１の導体は、それにパルス直流が印加される。

第１１の実施形態では、第１０の実施形態のパルス直流は、約１００ｎｓと約１ｍｓとの間のパルス幅を有する。

第１２の実施形態では、本発明は、第１の実施形態の装置によって生成されるＮＴＰにガス流れを暴露させることを含む、ガス流れ内の粒子状物質の量を低減するための方法を提供する。

第１３の実施形態では、第１２の実施形態の方法はさらに、第１の実施形態の装置の自己洗浄絶縁体が、その表面上に蓄積される導体材料の酸化のために十分に薄い絶縁部分を備えていることを規定する。

第１４の実施形態では、第１２の実施形態の方法はさらに、自己洗浄絶縁体の厚さが、名目厚さの５０％、６０％、７０％、８０％、および９０％から成る群より選択されることを規定する。

第１５の実施形態では、第１３の実施形態の方法はさらに、１つ以上の非腐食性ワッシャを備えている。

第１６の実施形態では、第１２の実施形態の方法のガス流れは、少なくとも１つの排ガス再循環（ＥＧＲ）システムを含有するシステムにおいて産生され、第１の実施形態の装置によって生成されるＮＴＰへのガス流れの暴露は、エンジン排気装置と少なくとも１つのＥＧＲシステムとの間で生じる。

第１７の実施形態では、第１６の実施形態の方法はさらに、第１の実施形態の装置の自己洗浄絶縁体が、その表面上に蓄積される導体材料の酸化のために十分に薄い絶縁部分を備えていることを規定する。

第１８の実施形態では、第１６の実施形態の方法はさらに、自己洗浄絶縁体の厚さが、名目厚さの５０％、６０％、７０％、８０％、および９０％から成る群より選択されることを規定する。

第１９の実施形態では、第１の実施形態の装置はさらに、１つ以上の非腐食性ワッシャを備えている。

第２０の実施形態では、本発明は、第１の実施形態の装置によって生成されるＮＴＰに、各排気弁におけるガス流れを暴露させるステップを含む、２つ以上の排気弁を含有するシステムにおいて産生されるガス流れ内の粒子状物質の量を低減するための方法を提供する。

第２１の実施形態では、本発明は、ａ）ガス流れに接触する第１の導体であって、第１の導体は、非熱プラズマ（ＮＴＰ）を産生する部分を備えている、第１の導体と、ｂ）ガス流れに接触し、かつ第１の導体と電気的に対にされる、第２の導体と、ｃ）第１の導体を第２の導体から電気的に隔離する絶縁体であって、絶縁体は、自己洗浄絶縁体である絶縁体とを備えている、ガス流れ内の粒子状物質の量を低減するための装置を提供し、自己洗浄絶縁体は、酸化的自己洗浄によって洗浄され、装置はさらに、１つ以上の非腐食性ワッシャを備え、装置の第１の導体は、それにパルス直流が印加される。

以下の図面は、他の場所でも開示され得るように、本発名の種々の実施形態を図示するためだけに提示されている。これらの図面は、決して本発明の範囲を限定することを目的とせず、またそのように解釈されるべきでない。
図１は、本発明の装置の１つの非限定的実施形態の概略図を提供する。 図２は、複雑な多重デバイスエンジンシステムの高圧ＥＧＲループにおける、本発明のＮＴＰ装置の１つまたは複数の実施形態の使用を例示する、本発明の非限定的実施形態の概略図を提供する。このシステムのディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）は、図中の「排気装置」と印付けられた排気管の端の直前の黒いブロックとして示されている。 図３は、複雑な多重デバイスエンジンシステムにおける、本発明のＮＴＰ装置に対する３つの追加の非限定的な場所の概略図を提供する。 図４は、複雑な多重デバイスエンジンシステムにおける、種々の点での本発明のＮＴＰ装置の１つまたは複数の実施形態の使用を対象とする、本発明の非限定的実施形態の概略図を提供する。 図５は、エンジンの各排気弁における本発明のＮＴＰ装置の実施形態の使用を対象とする、本発明の非限定的実施形態の概略図を提供する。

本発明は、広くは、ガス流れ内の粒子状物質（ＰＭ）の量を低減するための非熱プラズマベースのシステム、ならびに、そのようなシステムを使用するための方法を対象とする。本発明は、具体的には、自己洗浄表面を有する、そのような非熱プラズマベースの粒子状物質低減システムを対象とする。具体的には、システムにおける非熱プラズマ産生の低減を引き起こす可能性があるような粒子状物質蓄積を低減する自己洗浄表面、したがって、そのようなシステムがガス流れ内の粒子状物質の量を低減する能力が企図される。

したがって、本発明は、広くは、ガス流れ内の粒子状物質の量を低減するためのＮＴＰベースのシステムを対象とする。「ＮＴＰ」とは、例えば、本願の背景技術の節において、ＹａｍａｍｏｔｏおよびＯｋｕｂｏ等で規定されるような、その通常の技術的定義の意味を有する非熱プラズマを指す。本発明では、ＮＴＰは、好ましくは電気的に生成されるが、ＮＴＰが他の手段によって（例えば、光によって）生成される他の実施形態も検討される。出願人らは、いずれにしても、これらのシステムのロバスト性および寿命、ならびにこれらのシステムを通って流れるガス流れ内のＰＭを低減する能力を向上させるために、これらのシステム内の蓄積したＰＭの低減が望ましいことに留意している。電気的に生成されたＮＴＰの場合、蓄積したＰＭの低減が特に重要であって、その理由は、そのようなＰＭが、この導体材料の蓄積によって作成される伝導経路の中への電流の方向変更を介して、電力損失を引き起こし、それにより、生成されるＮＴＰの量、したがって、除去される粒子状物質の量を低減し得るからである。

「ガス流れ」とは、燃焼エンジン、特にディーゼル燃料エンジンからのガス状排出量として産生されるようなガス流れを指すが、本発明はまた、ガソリン燃料エンジンから産生されるガス流れ、ならびに、他の燃料成分、例えば、エタノールと組み合わせて、ディーゼルまたはガソリンを燃料にするエンジンからのガス流れをも検討する。本発明は、これらの例に限定されず、他のガス流れ、例えば、石炭または石油が燃やされる発電所の出力において発生するようなものを検討する。「ガス流れ」は、好ましくは、ディーゼルまたはガソリン燃料燃焼エンジンの出力時に一般的に見出される流速を有する、流動ガスを指すものとして検討さる。しかしながら、いくつかの実施形態では、特に、流量を低下させることによって、流速を改変することが好ましくあり得る。他の側面では、流量の改変は、本発明のＮＴＰベースのシステム内のガスを導き、そのようなシステムによって生成されるＮＴＰを通して、より効率的にガスを方向付けることによるものであり得る。

本発明は、ＮＴＰへのガス流れの暴露によって、ガス流れ内の粒子状物質（ＰＭ）の量を低減するステップを対象とする。この点に関して、本願は、具体的には、汚染基準によって規制されるようなＰＭ、すなわち、２．５μｍ以下の直径の「微粒子」ＰＭ（ＰＭ_２．５）、および直径２．５μｍ以上１０μｍ未満のより大型の「吸入可能粗粒子」ＰＭ（ＰＭ_１０）を対象とする（しかし、それに限定されない）。例えば、そのようなＰＭに関する一般情報、およびこれらの粒子に関する具体的な米国の規制へのリンクについては、ｅｐａ．ｇｏｖ／ａｉｒ／ｐａｒｔｉｃｌｅｐｏｌｌｕｔｉｏｎ／ｈｅａｌｔｈ．ｈｔｍｌを参照されたい。本発明は、ＰＭ_２．５およびＰＭ_１０粒子に限定されないが、このサイズ範囲の粒子は、肺の深部、およびおそらくは血流に浸透するほど小さく、したがって、例えば、呼吸、肺機能、喘息、気管支炎、不整脈、非致命的心臓発作、および心臓および肺疾患がある個人の早死への影響がより顕著である、サイズである。

本発明によって除去されるＰＭの化学組成に関して、本発明は、特に濃密な炭素質粒子、すなわち、有意量の炭素を含有する粒子を含む（しかしそれに限定されない）、ガス流れからの種々の種類の粒子状物質を除去するステップを対象とする。そのような粒子は、一般的に、化石燃料の燃焼において見出され、本発明のガス流れのＰＭ含有量の大部分を示す。そのような粒子は、ＮＴＰを生成するために使用される電力の量、したがって除去される粒子状物質の量を低減するように作用し得る、本発明の装置内に伝導経路を形成するように作用し得るので、そのような粒子の除去は、本発明のＮＴＰが電気的に生成されるときに特に重要である。

本明細書で使用されるような「ガス流れ内の粒子状物質の量を低減するステップ」とは、本発明の装置に提供されていないガス流れに対する、本発明の装置からの出力ガス流れについて、例えば、フィルタ、重力測定、ベータ線吸収等で測定されるような、粒子状物質の低減を指す。例えば、ａｉｒ−ｃｌｉｍａｔｅ．ｅｉｏｎｅｔ．ｅｕｒｏｐａ．ｅｕ／ｄｏｃｓ／におけるＥＴＣＡＣＣ＿ＴｅｃｈｎＰａｐｅｒ＿２００５＿６＿ＰＭ１０＿Ｃｏｒｒ＿ｆａｃｔｏｒｓ＿２００４．ｐｄｆを参照されたい。したがって、上記の文脈での「低減」とは、この装置に暴露されていないガス流れのＰＭ含有量に対する、本発明の装置の暴露後のＰＭの低減を指し、そのような低減は、指示された手段によって、または当業者に周知であるような手段によって測定される。出願人らは、いくつかの出版物において、具体的には電気集塵を介して、ＰＭ排出を低減するために、ＮＴＰまたは他のプラズマ技術が使用されていることに留意している。例えば、ｓｍｅｎｅｔ．ｏｒｇ／ｕｖｃ／ｍｉｎｅｖｅｎｔｐａｐｅｒｓ／ｐｄｆ／０７５．ｐｄｆで入手可能である、Ｆａｒｎｏｕｎｄ ｅｔ ａｌ．，１２^ｔｈ Ｕ．Ｓ．／Ｎｏｒｔｈ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｍｉｎｅ Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ２００８，ｐａｇｅｓ ５１５−５１９を参照されたい。本発明の装置および方法は、ガス流れ内のＰＭの量を低減する手段として、何らかの電気集塵を可能にするが、本発明の装置の表面上のそのような集塵が、最終的に本発明の性能の劣化／低下を引き起こすため、電気集塵は、本発明では、そのような低減の主要な手段ではない。したがって、本発明は、本発明の装置内のＰＭの長期蓄積、すなわち、デバイスを故障させるか、または本書の他の場所で説明される自己洗浄方法以外の手段による洗浄を必要とさせるような期間にわたる大量の蓄積を低減または排除することを明白に目指す。

本発明の好ましい側面では、ＮＴＰは、具体的には、（好ましくは負の極性の）第１の導体と第１の導体と電気的に対される第２の導体との間にパルス高圧直流を印加することによって、電気的に生成され、その場合、両方の導体は、ガス流れと電気的に接触している（本発明の好ましい実施形態では、導体は、ガス流れと物理的に接触しているが、第２の導体については、この導体が、１つまたは複数の追加の導体を介して、ガス流れと電気的に接触していることが可能である）。出願人らは、本明細書の論議は、概して、２つの導体を対象としているが、実際には、本発明は、２つより多くの導体が使用される構成を明白に含むことに留意している。したがって、例えば、図１は、絶縁体（２０）を第２の導体であるケース（１０）から電気的に絶縁することによって分離される、１つの中心ロッド（３０）／エミッタ（４０）から成る第１の導体を示す。しかしながら、例えば、図１のロッド／エミッタから成る複数の第１の導体が、複数の絶縁体保護点においてケース（１０）等の第２の導体を貫通する、代替的実施形態も検討される。例えば、そのような複数の第１の導体の１つの構成の非限定的な実施例として、米国特許出願公開第２００７／００４５１０１号の図１の導体２０（１）および２０（２）を参照されたい。また、２つ以上の第２の導体がある実施形態、ならびに、第１および第２の導体の両方の複数の発生がある実施形態も、本発明で明白に検討される。したがって、例えば、図１で例示された装置は、同じ構成の第２の装置と端と端とを繋いで接合することができ、装置の２つの反復発生は、非連続部分によって分離される。この直列の反復構成では、２つの第１の導体および２つのケース（１０）導体がある。図１の装置のさらなる反復は、第１の導体および第２の導体の３つ、４つ、５つ等の発生を生じる。他の実施形態が、当然ながら可能であり、本発明において明白に検討される。

ＮＴＰを生成するために検討される電圧は、典型的には、キロボルト（ｋＶ）範囲、すなわち、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０・・・（１ｋＶ増分で数える）・・・４８、４９、５０ｋＶ等である。本発明で使用するための１つまたは複数の電圧の具体的な選択は、生成されるＮＴＰを最大化する一方で、同時に、高電圧が印加される２つの導体の間の直接アーク放電、すなわち、採用される本発明の正確な実施形態に応じて、第１および第２の導体の間、または複数の第１および第２の導体の間のアーク放電を介して、電流量を最小化する量として決定される。したがって、図１で提供される本発明の非限定的な実施形態は、エミッタ（４０）において終端するロッド（３０）として第１の導体を示し、このロッド／エミッタの組み合わせは、第２の導体であるケース（１０）内で中央に位置する。図１がさらに示すように、第１の導体が第２の導体を貫通する第１の導体間の直接伝導を防止するため、すなわち、電気的絶縁を提供するために、絶縁体（２０）が提供される。しかしながら、絶縁体（２０）が存在しても、２つの導体の間に十分高い電圧が印加されると、典型的には、これら２つの導体の間の最短経路に沿って、これら２つの導体の間でアーク放電が発生し得る。

さらにアーク放電に関して、理論上は、アーク放電が発生する電圧を、本発明の導体間の分離のみに基づいて推定することができるが、アーク放電は、２つの導体が接触しているガス流れの消費の関数、ならびに、ガス流れに混入された、あるいはガス流れを介したエンジン排気からＮＴＰ発生器の第１および第２の導体上に堆積された物質の蓄積の関数でもある。したがって、炭素質ＰＭ等のガス流れ内の伝導性物質の濃度が変動するにつれて、アーク放電の可能性も変動する。より多くの量のそのようなＰＭは、概して、アーク放電につながる伝導経路の可能性を増加させ、逆に、より少ない量のそのようなＰＭは、概して、アーク放電につながる伝導経路の可能性を減少させる。

上記で説明されるもの等のアーク放電の可能性を減少させるために、本発明では、ＮＴＰを生成するために第１および第２の導体に供給される電力は、典型的には、約１００ｎｓから約１ｍｓの間（例えば、約１００ｎｓ、１５０ｎｓ、２００ｎｓ・・・（５０間隔で漸増する）・・・１ｍｓ）のパルス幅、および１〜１００％（例えば、１、２、３・・・（１％間隔で漸増する）・・・９８、９９％）のパルス負荷サイクルを有する 、パルス状である。そのようなパルス電力の状況では、パルスの継続時間は、完成したアークが形成するために必要とされる時間未満であり、すなわち、パルス継続時間は、アークがそれに利用可能な最短経路にわたって伝搬するために必要とされる時間未満である。出願人らは、本発明のパルス電力の状況では、ＮＴＰ生成のための平均電圧およびピーク電圧の両方について論じることが適切であることに留意している。この点に関して、出願人らは、アーク放電が発生する電圧の５０％、５５％、６０％・・・（５％間隔で漸増する）・・・９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、または１００％の平均電圧、およびアーク電圧の０〜１００％（１％間隔で漸増する）のピークパルス電圧を検討している。

アーク放電は、ガス流れ内の伝導性物質の増加のみの結果として発生し得るが、より問題のあるアーク放電の原因は、ＮＴＰ生成装置の表面上でのガス流れに混入された伝導性物質の蓄積である。そのような蓄積は、第１および第２の導体（または複数の第１の導体、複数の第２の導体、およびそれらの組み合わせ）の間の効果的に短縮された伝導経路、したがって、これらの短縮された伝導経路に沿ったアーク放電の高い可能性につながる。図１の単一の第１の導体／単一の第２の導体の実施形態を参照すると、例えば、ガス流れ内の炭素質ＰＭは、制御措置がないと、絶縁体（２０）の表面上に堆積する傾向がある。そのような物質の十分な堆積があると、第１の導体（すなわち、図１のロッド（３０））と第２の導体（すなわち、図１のケース（１０））との間で電流フロー（アーク放電）を許容するよう、伝導経路がこの絶縁体に沿って形成する。したがって、そのようなアーク放電が発生することを防止する制御措置の多大な必要性がある。

本発明は、単独で、または好ましくは組み合わせにおいて、アーク放電を防止する、いくつかのそのような制御措置を採用する。具体的には、１）ＰＭ蓄積の結果として、アーク放電につながる伝導経路がその上に形成する可能性が高い表面は、ＮＴＰ生成源から十分遠く下流に配置されるため、そのような表面に遭遇するときまでのＮＴＰへの暴露によるＰＭレベルは、劇的に低下させられる、および、２）そのような表面は、第１の導体の周囲に配設される薄い誘電材料から作られ、これらの表面が伝導性ＰＭで被覆されると、コンデンサが形成され（伝導性ＰＭ／誘電体／第１の導体）、それは次いで、その表面上の伝導性ＰＭを酸化させて取り除き、すなわち、酸化的に自己洗浄する。

したがって、上記で論議される第１の制御措置に関して、図１の非限定的実施形態が示すように、エミッタ（４０）から発散するＮＴＰに最初に暴露されたガス流れの部分が絶縁体（２０）に到達するときまでに、ＮＴＰによるＰＭの高いレベルの破壊を可能にするように、アーク放電が制御されなければならない表面、つまり、この実施形態では、ケース（１０）からガス流れの中へ突出する絶縁体（２０）の部分が、この場合は、エミッタ（４０）であるＮＴＰ源から十分遠く下流に位置付けられる。したがって、本発明について、概して、装置の非熱プラズマ生成部分（すなわち、１つまたは複数のエミッタ）は、ＮＴＰ生成に関する装置の他の部品がガス流れに接触する前に、ガス流れに接触するように配設される。

この点に関して、図１の実施形態は、エミッタ（４０）を物理的に支持し、第１の導体の残りの部分、すなわち、外部高電圧供給部（図１の「ＨＶ」）へと絶縁体（２０）の中心およびケース（１０）を貫通する第１の導体の部分とエミッタ（４０）を電気的に接続するものとして、比較的細長い伝導ロッド（３０）を示す。ロッド（３０）の（または、より一般的には、エミッタと絶縁体との間の支持材／導体の）長さは、平行電流の伝送線効果を介して、ＰＭのＮＴＰベースの低減を最大化するように選択される。第１の導体および第２の導体が並列である距離が大きいほど、電場がより強く、対称となり、エミッタの出力効率がより大きくなる。加えて、蓄積が最小化される表面（概して、絶縁体）にＮＴＰが放出される、ガス流れの部分から、そのようなＰＭが移動する時までに、ＰＭは量が低減されている。そのような長さは、ＰＭ低減を増大させるように、さらなる長さの望ましさと対比して必要とされる構造的性質に基づいて選択される。したがって、例えば、より長い長さでは、過剰な屈曲または変形があり、ケースに向かったエミッタの運動、最終的には、ＮＴＰ生成装置の故障につながるため、そのような長い長さは、ある点を越えて有害となる場合がある。また、より長い長さは、何らかの点において、長すぎて従来の排気システムのドロップインとして有用ではない、装置をもたらす。適切な長さは、ガス流れの流速およびＰＭのＮＴＰへの暴露の所望時間に基づいて推定することができる。そのような長さはまた、ダクト／パイプの幾何学形状に依存してもよく、これだけに基づいて、最後の断面変化または屈折から最大で６つの直径となり得る。

他の要素の上流での本発明の装置のＮＴＰ生成要素の配置と、この要素とＰＭを蓄積することが避けられる表面との間の適切な長さの分離の使用とに加えて、本発明は、好ましくは、自己洗浄絶縁体（または、実施形態に応じて複数の絶縁体）を組み込んで、能動的に（かつ介入なしで）所望の表面から蓄積するＰＭを除去する。

したがって、図１の非限定的実施形態に示されるように、絶縁体（２０）は、最終的に、第２の導体であるケース（１０）によって画定される円筒の中心におけるエミッタ（４０）の好ましい配置を可能にするように機能し、また、絶縁体（２０）を通って高電圧源ＨＶへと降下する第１の導体の部分を覆うことによって、第１の導体（ロッド（３０）およびエミッタ（４０））を第２の導体（ケース（１０））から電気的に絶縁するようにも機能する。従来の設計（本発明の実施形態を表す）では、絶縁体（２０）は、第１および第２の導体の間に電気経路が形成されないことを確実にするように構成される。したがって、例えば、絶縁体の名目厚さは、回路で使用される電圧（本発明の実施形態に応じて、平均またはピーク）を掛けた絶縁体材料の絶縁破壊電圧（誘電強度）となる。絶縁体上の伝導性ＰＭの起こり得る蓄積を考慮すると、１）電圧サージの場合に余分な安全域を提供し、２）それにわたって伝導性ＰＭが蓄積して電流漏洩（アーク放電）を引き起さざるを得ない、より長い非伝導経路を提供するために、絶縁体の厚さが増加させられる場合がある。

しかしながら、本発明の好ましい実施形態では、上記で規定される設計配慮は、絶縁体の選択された部分のみで使用され、残りの部分については、絶縁体は、従来の設計が命ずるよりも薄くなるように意図的に設計される。この状況では、絶縁体で覆われた導体のこれらのより薄い部分の表面上に蓄積する伝導性ＰＭが放電源となり、この放電が、これらの表面部分に蓄積された伝導性ＰＭの酸化および除去につながる。この酸化的自己洗浄の程度は、絶縁体の厚さおよびその誘電率に依存し、より薄い絶縁体およびより高い誘電率が、酸化の増加、したがって、絶縁体の優れた自己洗浄につながる。

図１は、そのような自己洗浄絶縁体、具体的には、絶縁体（２０）の一実施例を示す。この絶縁体は、厚さに関する従来の設計配慮を受ける第２の導体（ケース（１０））を貫通する部分を有し、また、上記で論議される自己洗浄の配慮を受けて設計され、その表面にわたって自己洗浄を最大化するために、結果としてケース（１０）を貫通する部分よりもはるかに薄い第２の部分（この実施例ではケース（１０）に対して直角である）も有する。図１の絶縁体（２０）について示された球状基部は、非限定的であり、厚さに関する従来の設計配慮が適用される、絶縁体のいくつかの部分があるという事実を図示するにすぎず、同様に、効果的な自己洗浄が発生するために一定の厚さが維持されるという必要要件がないので、絶縁体（２０）の自己洗浄部分のそのような一定の厚さは、同様に非限定的である。一般に、十分な自己洗浄を提供する任意の表面テクスチャおよび形状が使用されてもよく、限定的ではないが、名目厚さの約０．１〜２倍（例えば、名目厚さの１０、２０、３０、（１０％増分で漸増する）・・・１８０、１９０、２００％）の絶縁体の厚さが、本明細書で検討される。

ＮＴＰの生成において使用される第１および第２の導体に関して、例えば、図１に示されるように、本発明の装置は、ＮＴＰを生成するためのエミッタと、ガス流れの適切な部分にエミッタを配置するため、およびエミッタを外部高電圧源に電気的に接続するための伝導性ロッドまたは他の連結デバイスとを備えている、少なくとも１つの第１の導体を有する。出願人らは、本論議はこれら２つの構成要素を別々に説明するが、実際には、それらを統合することができ、すなわち、第１の導体が統合支持／伝導性側面ならびにエミッタ（または２つ以上のエミッタ）側面を有する装置は、現在検討されている発明の範囲内であることに留意している。

第１の導体のＮＴＰ生成部分に関して、図１の非限定的実施形態は、この機能を果たす単一のエミッタ（４０）を示すが、本発明は、単一のエミッタに限定されず、望ましい場合には、複数のエミッタを利用し得る。エミッタ設計に関して、本明細書で検討される典型的なエミッタは、電位差を最小化するために密接して離間された複数の鋭く尖った導体を有し、全ての点は、好ましくは第２の導体から等距離の所にある。任意の数の点が使用され得るが、より高い流速では、より多数の点が好ましい。要求される特定のエミッタの長さはないが、６インチ未満の長さが好ましい。一般に、ＮＴＰを効率的に生成する任意のエミッタ設計が使用されてもよく、そのような設計は、当業者に公知であり、例えば、米国特許出願公開第２００７／００４５１０１号で規定されている。

さらに、複数のエミッタに関して、図１の実施形態は、ロッド（３０）の第１の部分に連結された単一のエミッタ（４０）を示し、このエミッタ／ロッド構成は、図１では、ロッド（２０）の第１の部分（エミッタにおいて終端する部分）に対して直角であるロッド（２０）の第２の部分を自ら覆い、絶縁体（２０）の内部を通って高電圧源ＨＶへと降下する、絶縁体（２０）によって支持される。したがって、この構成では、絶縁体によって覆われるロッドの第２の部分と、絶縁体によって覆われていないロッドの第１の部分とがあり、その場合、ロッドの第１の部分は、その末端（同義語として近位端）に連結されるエミッタを有する。図１を参照することにより、この実施形態では、ロッド（３０）の２つの部分がＬ字形を形成することが明確である。しかしながら、そのようなＬ字形は、ロッドの１つの検討された実施形態を表すにすぎず、任意の他の機能する形状も検討され、例えば、ロッドの第１の部分は、曲線状等であり得る。また、２つ以上のロッド末端を提供するＴ字形または他の構造が形成されるように、ロッドの第１の部分が第２の（絶縁体で覆われた）部分に接合される構成も検討される。Ｔ字が形成される実施形態では、１つまたは複数のエミッタが、Ｔ字の両端に取り付けられてもよい。また、図１では、単一のエミッタ（４０）のみが示されている、複数のエミッタをロッドの近位端に配置する構成も検討される。他の構成では、ロッドの長さに沿って、すなわち、単に近位端にあるわけではない、複数のエミッタがある。

上記で論議されるように、１つ以上のエミッタに加えて、第１の導体は、ガス流れの適切な部分にエミッタを配置するために、およびエミッタを外部高電圧源に電気的に接続するための連続ロッドまたは他の連結デバイスを備えている。図１では、ロッド（３０）は、エミッタ（４０）において終端する（すなわち、その近位端にエミッタ（４０）を有する）第１の部分、および第１の部分に対して直角である（かつ第１の部分の遠位端において第１の部分に接合される）第２の部分として示されており、その場合、第２の部分は、絶縁体（２０）を通って降下する（絶縁体（２０）によって覆われる／絶縁される）。このロッドの第１／第２の部分の結果として生じる構成はＬ字形であるが、この形状は限定的と解釈されるべきではない。実際に、例えば、（第１の部分の）円弧形状、ロッド全体のＴ字形等を含む、任意の適切な形状が、設計配慮に応じて選択され得る。

以前に論議されているように、電気的に生成されたＮＴＰは、例えば、アーク放電によって生じるように、電流が方向転換されると、低減されるか、または完全に排除される。また、論議されるように、本発明は、アーク放電が短い絶縁経路にわたって発生する際に、また、ＰＭ蓄積がアーク放電のために新しい伝導経路を作成するときに、アーク放電が発生する際に、アーク放電を防止する種々の手段を検討する。

しかしながら、上記の措置にもかかわらず、アーク放電は、依然として時折発生する場合がある。十分なアーク放電があると、新しい伝導経路の作成をもたらすように絶縁体の表面にわたって十分な金属の蒸発／堆積が発生し得る。そのような金属堆積を軽減するために、本発明の一側面では、１つ以上の「非腐食性」伝導性リングまたは「ワッシャ」が、保護される絶縁体の一方または両方の端に配置され得る。図１は、エミッタ（４０）に最も近い絶縁体（２０）の端に提供される、単一のそのような非腐食性ワッシャ（５０）、すなわち、絶縁体（２０）の「近位」端におけるワッシャの実施例を提供する。また、絶縁体の近位端における２つ以上のそのようなワッシャの構成、または第２の導体に最も近い絶縁体の端（絶縁体の「遠位」端、図１については、ケース（１０）に隣接する絶縁体の部分）における１つ以上のワッシャの構成も検討される。

「非腐食性」とは、アーク放電の腐食（金属剥離）効果に耐性があるワッシャ、例えば、白金ワッシャ、炭素鋼ワッシャ等を指す。ワッシャ材料の選択は、いくつかの要因、主に負荷サイクルおよび費用に基づき得る。したがって、例えば、その寿命にわたって、わずかなアークのみを耐え抜く必要がある低電力システムは、真鍮等の比較的容易に腐食される材料を利用する場合があるが、数千ものアーク放電にもかかわらず機能するように設計されるシステムは、炭素鋼を使用する場合がある。高電力または高信頼性システムは、好ましくは、白金または同様に耐腐食性の金属を使用する。

出願人らは、上記の論議において、問題のワッシャが、主にリング形状に対して説明されていることに留意しており、これは、そのようなワッシャが成し得る検討された形態のうちの１つにすぎない。したがって、例えば、これらのワッシャは、楕円形、卵形、ほぼ正方形、ほぼ長方形等であってもよく、それらには間隙等があってもよい。出願人らはまた、図１で提供された実施形態が、絶縁体（２０）の外面と同一平面であるワッシャを示すことにも留意しており、これも、本発明の装置の多くの可能な実施形態のうちの１つとして検討されるにすぎない。したがって、他の実施形態では、ワッシャは、絶縁体の表面を越えて突出してもよく、他の実施形態では、絶縁体に対して埋め込まれ得る。

本発明の装置の第２の導体に関して、図１の実施形態は、円筒形であり、加えて、ガス流れがＮＴＰに暴露されるための格納容器としての機能を果たす、すなわち、少なくとも１つのガス流れ入口および少なくとも１つのガス流れ出口（単一の入口および単一の出口が図１に示されており、これらの単一の出口は非限定的である）を有する、第２の導体を示す。しかしながら、他の構成、例えば、第２の電極が異なる形状を成す構成、または、第１の導体、第２の導体、および本発明のＮＴＰ生成装置の種々の他の部品を格納する、少なくとも１つのガス流れ入口および少なくとも１つのガス流れ出口を有する別個の格納容器がある構成が検討される。

出願人らは、１つ以上の第１の導体および１つ以上の第２の導体に印加される高電圧が、好ましくは直流であり、さらに好ましくは、上記で論議されるようなパルス直流であることに留意している。導体の極性に関して、図１で提供された構成については、出願人らは、負に分極された第１の導体が最良の結果を提供することを観察している。したがって、図１の構成と同様の構成（第２の導体によって軸方向に包囲されたほぼ中央の第１の導体）においては、負に分極された第１の導体が好ましく、一般に、この極性が、本発明の実施形態では好ましい。

本発明の装置を説明し、この装置の種々の非限定的実施形態を提供して、ここで、出願人らは、単独で、または他の排出制御／エンジン効率デバイス、例えば、排ガス再循環（ＥＧＲ）システム、ターボ過給システム、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）等と組み合わせた、この装置の使用を論議する。これらのシステムは、当業者に周知である。

具体的には、本発明の装置は、排ガスを処理するために単独で使用されてもよく、または、そのような処理のための他のデバイスと組み合わせて使用され得る。単独で使用されると、本デバイスは、排ガス流れ内の任意の適切な点に配置されてもよく、適切な場合、本発明の実施形態である直列反復デバイスを使用することさえ必要であり得る。そのような構成では、汚染物質、特にＰＭ汚染物質を除去するように処理される排気流は、本発明で規定されるような１つ以上のＮＴＰ生成システムと接触して配置され、これらのＮＴＰ生成システムが、ガス流れ内の汚染物質、特にガス流れ内のＰＭの量を低減する。

他の側面では、本発明の装置は、他のエンジン排気装置／効率システムとの組み合わせにおいて使用され得る。この点に関して、図２は、本発明の装置が、独立型であろうと一体型であろうと（以下を参照）、図２のエンジン排気管とＥＧＲ冷却器との間に提供されるシステムを提供する。図３は、本発明の装置（独立型または一体型）が使用され得る３つの追加の概略的な場所を示す。これらの場所は、概略的にすぎず、本発明の装置の正確な配置（または装置の複数の実装）を表すことを目的としてない。したがって、例えば、図３における場所２は、具体的に、図中においてタービンを排気管に接続するパイプの中間点であるように思われるものになることを目的としてない。その代わり、この図（および本明細書で提供される他の図）中のこの場所および他の場所は、概略的であるにすぎず、すなわち、この場合はタービンおよび排気管である第１および第２の目印に対する位置を示す。

図４は、本発明の装置に対する非限定的な場所の追加の概要を提供する。この図では、図４を水平に横断して左から右に読んで、「Ａ」、「Ｂ」、および「Ｃ」と表される、３つの「プローブ」の位置を示す。この図（または図５）で使用されるような「プローブ」（残りの図における同義語は、図２については「ＮＴＰシステム」であり、または図３については番号付けされている）とは、概して、本発明の１つ以上のＮＴＰ発生器を指す。したがって、「プローブ」とは、本発明の独立型装置全体、例えば、この装置が点Ａ、Ｂ、Ｃ、またはそれらの組み合わせに挿入されている、図１で提供されるような装置を指すことができる。代替として、「プローブ」とは、排気システムに直接、本発明のＮＴＰ生成／処理側面を一体化すること、例えば、装置が、システムのドロップインまたはアドインであるよりもむしろ、システムの不可欠な部分となるように、図１のケース（１０）を、排気システムにおいてすでに使用されている内部金属パイプと置き換えることを指すこともできる。

図５は、ＰＭの除去を増加させるために、プローブがエンジンマニホールド中の各排気弁に配置されている、本発明の実施形態を示す。この実施形態は、本明細書において提供される他の実施形態のうちのいずれかと、例えば、図２−４において提供された実施形態のうちのいずれかと組み合わせて使用され得る。

したがって、本発明の基本概念を説明すると、先述の開示は、一例として提示されることだけを目的とし、限定的ではないことが、当業者にとって明白となるであろう。具体的には、好ましい実施形態が、本明細書で詳細に描写され、説明されているが、本発明の精神から逸脱することなく、種々の修正、追加、置換、および同等物を行うことができ、したがって、これらは、以下のクレームにおいて定義されるような本発明の範囲内であると見なされることが、当業者にとって明白となるであろう。

Claims (21)

1. ガス流れ内の粒子状物質の量を低減するための装置であって、
   ａ）該ガス流れに接触する第１の導体であって、該第１の導体は、非熱プラズマ（ＮＴＰ）を産生する部分を備えている、第１の導体と、
   ｃ）該ガス流れに接触し、該第１の導体と電気的に対にされる、第２の導体と、
   ｄ）該第１の導体を該第２の導体から電気的に隔離する絶縁体であって、該絶縁体は、自己洗浄絶縁体である、絶縁体と
   を備えている、装置。
2. 前記自己洗浄絶縁体は、酸化的自己洗浄によって洗浄される、請求項１に記載の装置。
3. 前記自己洗浄絶縁体は、絶縁部分を備えており、該絶縁部分は、その表面上に蓄積される導体材料の酸化のために十分に薄い、請求項１に記載の装置。
4. 前記自己洗浄絶縁体は、名目厚さ未満の部分を備えている、請求項１に記載の装置。
5. 名目厚さ未満である前記自己洗浄絶縁体の前記部分は、該名目厚さの５０％、６０％、７０％、８０％、および９０％から成る群より選択される厚さである、請求項４に記載の装置。
6. １つ以上の非腐食性ワッシャをさらに備えている、請求項１に記載の装置。
7. 前記１つ以上の非腐食性ワッシャは、前記自己洗浄絶縁体の近位端に提供される、請求項６に記載の装置。
8. 前記１つ以上の非腐食性ワッシャは、前記自己洗浄絶縁体の近位端および遠位端の両方に提供される、請求項６に記載の装置。
9. 前記第１の導体は、負に分極される、請求項１に記載の装置。
10. 前記第１の導体は、それにパルス直流が印加される、請求項１に記載の装置。
11. 前記パルス直流は、約１００ｎｓと約１ｍｓとの間のパルス幅を有する、請求項１０に記載の装置。
12. 請求項１に記載の装置によって生成される前記ＮＴＰにガス流れを暴露させることを含む、ガス流れ内の粒子状物質の量を低減するための方法。
13. 請求項１に記載の装置の前記自己洗浄絶縁体は、その表面上に蓄積される導体材料の酸化のために十分に薄い絶縁部分を備えている、請求項１２に記載の方法。
14. 前記自己洗浄絶縁体の厚さは、名目厚さの５０％、６０％、７０％、８０％、および９０％から成る群より選択される、請求項１２に記載の方法。
15. 請求項１に記載の装置はさらに、１つ以上の非腐食性ワッシャを備えている、請求項１３に記載の方法。
16. 前記ガス流れは、少なくとも１つの排ガス再循環（ＥＧＲ）システムを含有するシステムにおいて産生され、請求項１に記載の装置によって生成される前記ＮＴＰへの該ガス流れの暴露は、エンジン排気装置と該少なくとも１つのＥＧＲシステムとの間で発生する、請求項１２に記載の方法。
17. 請求項１に記載の装置の前記自己洗浄絶縁体は、その表面上に蓄積される導体材料の酸化のために十分に薄い絶縁部分を備えている、請求項１６に記載の方法。
18. 前記自己洗浄絶縁体の厚さは、名目厚さの５０％、６０％、７０％、８０％、および９０％から成る群より選択される、請求項１６に記載の方法。
19. 請求項１に記載の装置はさらに、１つ以上の非腐食性ワッシャを備えている、請求項１３に記載の方法。
20. ２つ以上の排気弁を含有するシステムにおいて産生されるガス流れ内の粒子状物質の量を低減するための方法であって、請求項１に記載の装置によって生成される前記ＮＴＰに、各排気弁におけるガス流れを暴露することを含む、方法。
21. ガス流れ内の粒子状物質の量を低減するための装置であって、
    ａ）該ガス流れに接触する第１の導体であって、該第１の導体は、非熱プラズマ（ＮＴＰ）を産生する部分を備えている、第１の導体と、
    ｃ）該ガス流れに接触し、該第１の導体と電気的に対にされる、第２の導体と、
    ｄ）該第１の導体を該第２の導体から電気的に隔離する絶縁体であって、該絶縁体は、自己洗浄絶縁体である、絶縁体と
    を備えており、
    該自己洗浄絶縁体は、酸化的自己洗浄によって洗浄され、該装置は、１つ以上の非腐食性ワッシャをさらに備え、該装置の該第１の導体は、それにパルス電流が印加される、装置。

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