JP2021529662A - ガスの集合体または大気から特定の選択されたガスを分離するための強化バンドパスフィルター - Google Patents

ガスの集合体または大気から特定の選択されたガスを分離するための強化バンドパスフィルター Download PDF

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Abstract

質量選択的流体バンドパスフィルターが開示される。このフィルターは、ガスの集合体または大気から所定のガスを選択する操作の手段を提供する。質量選択的流体バンドパスフィルターは、天然または人工起源の石英ガラスからなる。これは、１Ｈ２、１Ｈ２Ｈ、２Ｈ２、１Ｈ３Ｈ、２Ｈ３Ｈ、３Ｈ、１Ｈ２Ｏ、１Ｈ２ＨＯ、２Ｈ２Ｏ、１Ｈ３ＨＯ、２Ｈ３ＨＯ、３Ｈ２Ｏ、３Ｈｅ、４Ｈｅ、Ｏ２、Ｏ３、１２ＣＯ２、１３ＣＯ、１４ＣＯ２、ＣＯ、Ｎ２、ＮＯ、ＮＯ２、ＮＯＸ、ＳｉＯ２、ＦｅＯ、Ｆｅ２Ｏ３、ＳｉＦ４、ＨＦ、ＮＨ３、ＳＯ２、ＳＯ３、Ｈ２ＳＯ４、Ｈ２Ｓ、３５Ｃｌ２、３７Ｃｌ２、Ｆ２、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｎＯ、Ｐ２Ｏ５、フェノール、揮発性有機化合物、およびペルオキシアシルナイトレートからなる群から所定のガスを除去する方法を提供する。【選択図】図２

Description

関連出願の相互参照
この出願は、２０１８年６月２６日にこの発明者および発明者Ｇａｒｙ Ｍ． ＭｃＭｕｒｔｒｙに発行された、「Ｉｓｏｔｏｐｉｃ Ｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔ ｏｆ Ｈｅｌｉｕｍ−３ Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｇｌａｓｓ」と題する、米国特許第１０，００５，０３３号に関連している。この出願はまた、本発明者によって２０１８年６月２６日に出願された仮特許出願連続番号６２／７６３，７２８の権益を主張する。
連邦政府が後援する研究
適用なし。
配列表またはプログラム
列挙なし
導入
ガスの集合体または大気から特定のガスを分離する必要性がある。現在、地球の大気には多くの有害なガスがあり、健康に害を及ぼし、環境に悪影響を及ぼしている。大気中のオゾンの増加は死亡率の増加と関連していることが示されている（参照により本明細書に組み込まれる、２０１７年１２月２６日のＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｈｏｒｔ−ｔｅｒｍ Ｅｘｐｏｓｕｒｅ ｔｏ Ａｉｒ Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ Ｗｉｔｈ Ｍｏｒｔａｌｉｔｙ ｉｎ Ｏｌｄｅｒ Ａｄｕｌｔｓ， ＪＡＭＡ， ｖｏｌ ３１８， Ｎｏ ２４， ２２４６）。大気中の二酸化炭素（ＣＯ２）レベルは、長年にわたって着実に増加している。ＣＯ２と水は、エネルギーのために燃焼する炭化水素の主要な最終生成物であり、光合成によって高エネルギー状態にリサイクルされない低エネルギー分子の蓄積を表している。
地球への主なエネルギー入力における光合成と我々とは深宇宙の熱力学的平衡に急速に近づいている（参照により本明細書に組み込まれる、Ｓｃｈｒａｍｓｋｉ， Ｊ．Ｒ．， Ｇａｔｔｉｅ， Ｄ．Ｋ．， ａｎｄ Ｂｒｏｗｎ， Ｊ． Ｈ．， ６／８／２０１５， Ｈｕｍａｎ ｄｏｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂｉｏｓｐｈｅｒｅ： Ｒａｐｉｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅａｒｔｈ−ｓｐａｃｅ ｂａｔｔｅｒｙ ｆｏｒｅｔｅｌｌｓ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｏｆ ｈｕｍａｎｋｉｎｄ， ｗｗｗ． ｐｎａｓ ． ｏｒｇ／ ｃｄｉ／ｄｏｉ／ｌ０．ｌ０７３／ｐｎａｓ． １５０８３５３１１２）。私たちが現在持っている唯一の入力である光合成と平行する、地球のための高効率の一次エネルギー源が必要である。光合成は、現在の世界の人口のエネルギー需要に追いつくのに十分ではなく、この欠如は、対処されない限り、悲惨な結果をもたらすであろう。
本発明者は、彼が融合合成と名付けた４段階のプロセスを提案する。ステップ１は、この発明者が特許を取得した効率的な核融合炉を使用した高レベルのほぼ無制限のエネルギーの生成である（参照により本明細書に組み込まれる、Ｄｅｌｕｚｅ， Ｊ． Ｒ．， １／３／２０１２， Ａｐｐａｒａｔｕｓ Ｆｏｒ Ｈｏｔ Ｆｕｓｉｏｎ Ｏｆ Ｆｕｓｉｏｎ Ｒｅａｃｔｉｖｅ−Ｇａｓｅｓ、米国特許第８，０９０，０７１（Ｂ２）号）。海洋で見出せる重水素とその廃棄物であるヘリウム３の核融合は、予見可能な将来に人類が必要とするすべてのエネルギーを提供する。
しかしながら、融合合成のプロセスには、エネルギー以上のものが必要である。ステップ２は、ギガトン量のＣＯ２の商業的捕獲である。ステップ３は、水の、水素と遊離酸素への加水分解である。ステップ４は、水素とＣＯ２をメタンと水に合成することである。水はステップ３を通じて循環して、他の酸素を放出する。これは、ここ地球上の核融合反応をエネルギー源として使用する、光合成と同様の並行経路を形成する。これにより、地球空間のバッテリーが再充電され、この世界が深宇宙の熱平衡から離れる。
ギガトン量のＣＯ２の選択的な商業的捕獲は、これまでのところすべての試みを回避してきた。発明者らは、そのような要求に部分的に対処することができる高「Ｑ」（品質）質量選択的流体バンドパスフィルターを開発した。「Ｑ」は、選択されていないガスを除去するフィルターの特性に関連する。このファイラーは、参照により本明細書に組み込まれる、２０１８年６月２６日にＪａｍｅｓ Ｒ． ＤｅＬｕｚｅおよびＧａｒｙ Ｍ． ＭｃＭｕｒｔｒｙに発行された、「Ｉｓｏｔｏｐｉｃ Ｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔ ｏｆ Ｈｅｌｉｕｍ−３ Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｇｌａｓｓ」と題する、米国特許第１０，００５，０３３号に開示されている。この質量選択的流体バンドパスフィルターの適用は、本出願内に提示された本発明の基礎である。新しい本発明は、以前の発明の質量選択的流体バンドパスフィルター要素が恒久的に取り付けられる耐荷重部材を提供することにより、以前の発明を改良する。以前の発明の非強化質量選択的流体バンドパスフィルター要素の設計仕様は、約３０絶対ポンド毎平方インチ（ＰＳＩＡ）を超える圧力差に耐えることができないようにする。これらの値を超える圧力は、石英ガラスで製造された質量選択的流体バンドパスフィルター要素の破裂を引き起こす。
元のフィルターの質量選択的流体バンドパスフィルターを通過するガス流量は、圧力差の増加に伴って１対１の関係で増加し、他のすべての条件は同じであることが観察されている。最初の発明の機器設計の必要性のために、３０ＰＳＩＧ未満の圧力差で十分なフィルター流量が得られた。元の質量選択的流体バンドパスフィルターの選択性と「Ｑ」特性は、ギガトン量のＣＯ２の選択的商業的捕獲などの商業的フィルタリングの要件を満たす。しかしながら、元のフィルターは、商用アプリケーションで大量のガスを商業的にフィルタリングするために必要なフィルターフロースルー量要件を満たすには非常に不十分である。
本発明の修正された強化質量選択的流体バンドパスフィルターは、温室効果ガスの遊離酸素およびメタンへの融合合成リサイクルのための十分なフィルタースルー量を提供する。メタンは、現代社会に必要な石油化学製品を提供するための合成炭化水素合成の前駆体である。さらに、それは、環境および健康に有害なオゾンなどの有害なガスを環境から除去するために提供される。さらに、それは、商業的に実行可能であるために、ガスの集合体または待機から特定の選択されたガスの分離を提供するであろう。
この発明者と彼の同僚を含む研究者は、ガラスを通じたガスの選択的透過を評価した。３Ｈｅの選択的な高「Ｑ」透過率が公開されている（参照により本明細書に組み込まれる、ＭｃＭｕｒｔｒｙ， Ｇ． Ｍ．， ＤｅＬｕｚｅ， Ｊ． Ｒ．， Ｈｉｌｔｏｎ， Ｄ． Ｒ．， ａｎｄ Ｂｌｅｓｓｉｎｇ， Ｊ． Ｅ．， ３／２６／２０１９， Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｏｆ ｈｅｌｉｕｍ ｉｓｏｔｏｐｅｓ ｉｎ ｇｌａｓｓ， ｑｕａｎｔｕｍ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ３Ｈｅ ｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔ， ａｎｄ ｐｏｒｔａｂｌｅ ３Ｈｅ／４Ｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｍａｎｔｌｅ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ， Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｒｅｐｏｒｔｓ， ＤＯＩ： １０．１０３８／Ｓ４１５９８−０１９−４１３６０−５）。石英ガラスを通るヘリウム通路の構造がモデル化されている（参照により本明細書に組み込まれる、Ｂｏｉｋｏ， Ｇ． Ｇ． ａｎｄ Ｂｅｒｅｚｈｏｎｉ Ｇ． Ｖ， Ｍｉｇｒａｔｉｏｎ ｐａｔｈｓ ｏｆ ｈｅｌｉｕｍ ｉｎ α−ｑｕａｒｔｚ ａｎｄ ｖｉｔｒｅｏｕｓ ｓｉｌｉｃａ ｆｒｏｍ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｄａｔａ， Ｇｌａｓｓ Ｐｈｙｓ． ａｎｄ Ｃｈｅｍ．， ２９， ４２−４８ （２００３））。これらの通路には、ガラス構造を横切る「自由空間」通路を作る他の形状に接続された「リング状構造」が含まれていた。それらは、ガラス構造を通る「細孔」に例えることができる。純粋な石英では、この「自由空間」の体積が、それが含まれている石英ガラスの総体積にかなりの割合で寄与する。
筆頭著者のＧ．Ｍ． ＭｃＭｕｒｔｒｙは、この透過率現象を量子トンネリングに例えた。２番目の著者で本発明者であるＪ． Ｒ． ＤｅＬｕｚｅは、この透過率現象を、自由なガラス空間の細孔を通るガスの通過に例える。質量の特異性と選択性は、分子のサイズ、形状、および結合特性に依存すると考えられている。所定の温度と圧力差で、細孔の形状とダイナミクスは、異なる原子質量単位（ＡＭＵ）値のガスよりも所定のＡＭＵ値のガスに選択的な透過をもたらす。特定のガスの通過または遮断に関連する細孔の動的挙動は、「ゲート」または「ポート」の解放および閉鎖と呼ばれる。
純粋な石英ガラスでは、リング構造が開放している。製造時に石英ガラスに改質剤を加えると、リング構造の開放空間を部分的に占有または完全に遮断し得る。さらに、改質剤は、リング構造および／または関連する構造に組み込まれ、ガスの透過に対する細孔の動的挙動を変化させることができる（参照により本明細書に組み込まれるＥｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ３ｒｄ． ｅｄｉｔｉｏｎ， ｐｐ ８０７−１９）。特定の温度では、純粋な石英ガラスがガラスを横切ってヘリウムを「漏出」する。鉛改質剤を十分な量で添加すると、石英ガラスを通過するヘリウムの透過が大幅に減少または停止する。ヘリウム容器は、大量の鉛を含む石英ガラスでできている。
所定の化学改質剤を所定の量で添加すると、石英ガラスのガス透過率が変化して、特定の選択特性「Ｑ」、および異なるＡＭＵ値のガスに対する所定のＡＭＵ値のガスの透過率が得られる。
順序対の２次元デカルト座標系のグラフ。縦軸のｙ軸は３Ｈｅの分圧をＴｏｒｒで表し、横軸のｘ軸は温度をセルシウス度で表す。このプロットは、ポートの相対的な開放および閉鎖を示しており、ヒートランプの上昇時にさまざまな温度で３Ｈｅの伝導を可能にする。この図は、米国特許第１０，００５，０３３号からのものであり、その機器によるヘリウム３：ヘリウム４比の測定においてヘリウム３の透過を可能にする高「Ｑ」ゲートの開放および閉鎖を示す。 補助装置に接続された単一の強化質量選択的流体バンドパスフィルターの概略図。 出口ガスの純度を高めるために直列配置で接続された複数の強化質量選択的流体バンドパスフィルターの概略図。 １つを超える所定のガスを除去するために逐次配置で接続された複数の強化質量選択的流体バンドパスフィルターの概略図。
図面中の参照番号
１． 微粒子フィルター
２． ポンプ
３． 圧力調整器
４． 熱交換器
５． 熱交換器の流体ライン
６． ガス入口構造
７． ガス入口空間
８． 強化質量選択的流体バンドパスフィルター
９． 質量選択的流体バンドパスフィルター要素
１０． ガス出口空間
１１． フィルタリングされたガスの出口
１２． フィルタリングされていないガス出口構造
１３． サージタンク
１４． 焼結金属耐荷重構造
１５． 圧力センサー
１６． 温度センサー
１７． 質量分析計
１８． パイプ
１９． 温度変更手段
２０． エンドキャップ
２１． 筐体
２２． フィルタリングされていないガスの出口
２３． 筐体に取り付けられた強化質量選択的流体バンドパスフィルター
２４． 最終的な選択されたガスの出口
２５． 選択されたガスの出口１
２６． 選択されたガスの出口２
２７． 選択されたガスの出口３
２８． 電気ケーブル
２９． 補助電子機器
３０． グラフ縦軸のｙ軸、３Ｈｅの分圧をＴｏｒｒで表す。
３１． グラフ原点
３２． グラフの横軸のｘ軸は温度をセルシウス度で表す。
３３． 四重極質量分析計の推定ノイズフロア
３４． ３Ｈｅゲート開放点
３５． ３Ｈｅゲート閉鎖点
３６． ３Ｈｅ高「Ｑ」ゲート開放点
３７． ３Ｈｅ高「Ｑ」ゲートの閉鎖点。
３８． 存在する他のガスによって圧倒されている３Ｈｅシグナル点。
本発明の本質は、以前の発明者によって発見され、本発明者によって改善された石英ガラスの新しい特性である。これは、強化質量選択的流体バンドパスフィルター（８）を備える。強化質量選択性流体バンドパスフィルターは、焼結金属耐荷重構造（１４）に恒久的に取り付けられた質量選択性流体バンドパスフィルター要素（９）を備える。質量選択的流体バンドパスフィルター要素は過冷却液体である。過冷却液体は石英ガラスである。石英ガラスは、石英ガラスが天然または人工起源の石英からなる。強化質量選択的流体バンドパスフィルターは、この装置がガス分離において高い選択性を提供する。石英ガラスで製造された質量選択的流体バンドパスフィルター要素は、このフィルターの動作範囲内で原子質量単位の値が近いガスを非常に選択的にフィルタリングする方法を提供する。質量選択的流体バンドパスフィルター要素は、最大透過率が発生する特定の原子質量単位が、質量選択的流体バンドパスフィルター要素の温度、質量選択的流体バンドパスフィルター要素を横切る圧力差、ガラス組成などの因子の影響を受ける。石英ガラスで製造された質量選択的流体バンドパスフィルター要素は、最大透過率の原子質量単位が前記石英ガラスで製造された質量選択的流体バンドパスフィルター要素の温度と直接的な関係がある方法を提供する。最大透過率が発生する特定の原子質量単位は、石英ガラスで製造された質量選択的流体バンドパスフィルター要素の温度、石英ガラスで製造された質量選択的流体バンドパスフィルター要素の厚さ、石英ガラスおよび焼結金属で製造された強化質量選択的流体バンドパスフィルターを横切る圧力差、石英ガラスで製造された質量選択的流体バンドパスフィルター要素の組成を含む因子の影響を受ける。石英ガラスで製造された質量選択的流体バンドパスフィルター要素は、設定された条件下で所与の原子質量単位の種が選択的に透過される一方で、より高いおよびより低い原子質量単位値の種が選択的に遮断される方法を提供し、前記強化質量選択的流体バンドパスフィルターは、高品質、または「Ｑ」特性を示す。石英ガラスで製造された質量選択的流体バンドパスフィルター要素は、一定温度の操作で、強化質量選択的流体バンドパスフィルターが所定の原子質量単位値のガス種を選択的に通過させることができる方法を提供する。石英ガラスで製造された質量選択的流体バンドパスフィルター要素は、このフィルターの動作範囲内で原子質量単位の値が近いガスを非常に選択的にフィルタリングする方法を提供する。
石英ガラスで製造された質量選択的流体バンドパスフィルター要素は、この装置によってフィルタリングされるガスに対して選択的に半透過性である方法を提供する。フィルタリングされるガスに対する選択的な半透過性作用は、ガラスの厚さ、ガラスの温度、ガラスの組成、およびガラスを横切る圧力差の条件に基づく。
この強化質量選択フィルターは、ガスの混合物または大気から所定のガスを分離する方法を提供する。ガス選択の方法は、ガス入口構造（６）、ガス入口空間（７）、質量選択的流体バンドパスフィルター要素、ガス出口空間（１０）、およびフィルタリングされたガスの出口（１１）からなる。ガス選択の方法は、チタン、ステンレス鋼、ホウケイ酸ガラス、シーリングガラス、石英ガラス、およびその他の金属合金の構造によって分離された２つの内部境界空間を提供する。質量選択的流体バンドパスフィルターは、当業者によって石英ガラスが密封され、かつ恒久的に取り付けられた焼結金属（１４）の管からなる。石英ガラスは、表面に温度センサー（複数可）（１６）と、その表面にらせん状に巻かれた温度変化手段（１９）を備える。焼結金属は、１）チタン、２）ステンレス鋼、３）アルミニウム、４）これらの金属の合金、または５）所与の条件に最も適していると判断された別の金属および／または合金からなる群から選択される金属で構成される。温度センサーは、ガラス表面にあり、温度変化手段は、ガラス表面でらせん状に巻かれている。ステンレス鋼、ホウケイ酸ガラス、およびシーリングガラスの構造は、この装置でフィルタリングされるガスに対して不透過性である。石英ガラスは、この装置によって選択されるガスに対して選択的に半透過性である。この装置によって記載される、フィルタリングされるガスに対する選択的な半透過性作用は、ガラスの厚さ、ガラスの温度、ガラスの組成、およびガラスを横切る圧力差の条件に基づく。選択方法は、１）ガス入口、２）ガス入口空間、３）質量選択的流体バンドパスフィルター要素、４）ガス出口空間、５）フィルタリングされたガスの出口、および６）フィルタリングされていないガスの出口構造（１２）からなる群から選択される１つ以上の効果を利用する。ガス入口、ガス入口空間、質量選択的流体バンドパスフィルター要素、ガス出口空間、およびフィルタリングされていないガスの出口構造の集合体は、筐体（２１）（２０）およびエンドキャップ（複数可）内に取り付けられ、これは、集合的に、筐体（２３）内に取り付けられた強化質量選択的流体バンドパスフィルターである。そのようなユニットは、直列および逐次的に組み合わせることができる。温度変化手段は、ａ）金属電気抵抗テープ、ｂ）所定の温度で流体を輸送する平らなチューブの群から選択される手段からなる。
図１は、ヒートランプの最初の上昇ランプの一部を示す。ここでは、３Ｈｅを通過させるゲートが、４Ｈｅを通過させるゲートの前で選択的に開放する。この図は、ガス３Ｈｅおよび４Ｈｅに関連する質量選択的流体フィルターの動作の例である。本発明の動作内では、動作は、ゲートが所定のガスに対して選択的に開放および閉鎖する場合と同様であるが、所定のガスごとに固有で異なる圧力および温度においてである。この図１は例として示される。グラフの縦座標（３０）、ｙ軸は、３Ｈｅ分圧をＴｏｒｒで表す。グラフ原点は（３１）にある。グラフの横軸（３２）のｘ軸は温度をセルシウス度で表す。四重極質量分析計の推定ノイズフロアは（３３）である。サンプル点の間隔は約１分である。（３４）は、３Ｈｅゲート開放点を通過し、３Ｈｅが高真空空間（ＨＶ）に入っている時点を示す。（３５）は、３Ｈｅゲートの閉鎖点を示す。これは、温度が上昇し続けても、３Ｈｅ分圧が低下し始めるためである。（３７）は、３Ｈｅ分圧の低下率がはるかに急激に低下するため、３Ｈｅの高「Ｑ」ゲート閉鎖点を示す。これに続いて、（３６）で３Ｈｅの高「Ｑ」ゲート開放点があり、３Ｈｅ分圧が非常に急激に増加する。これに続いて、いくつかの後続の３Ｈｅ高「Ｑ」ゲートの閉鎖点と開放点が続き、最終的な３Ｈｅ高「Ｑ」ゲート閉鎖点と点（３８）での３Ｈｅシグナルが存在する他のガスによって圧倒されることを伴って終了する。この曲線下面積は、このヒートアップランプフェーズ中の３Ｈｅガスの蓄積を表す。この時間の後、ゲートは４Ｈｅを通過させるために選択的に開放する。４Ｈｅを質量分析計に入れる４Ｈｅゲートの開放後、４Ｈｅの存在量は３Ｈｅの存在量の約１００万倍になり、質量分析計内の総ガス圧は、３Ｈｅが、さらなるヒートアップランプおよび／またはヒートダウンランプでもはや検出できないところまでノイズフロアが上昇するようになる。
強化質量選択的流体バンドパスフィルターは、高「Ｑ」流体バンドパスフィルターであり、その特性の例が図１に示され、上述のように、ガスの混合物または大気から所定のガスを分離する方法を形成する。開示されているのは、強化質量選択的流体バンドパスフィルターである。このフィルターは、２つ以上の質量種の分子を含むガスサンプルから特定の質量のガス分子を選択する手段を提供する。このフィルターは、ガスの集合体または大気から所定のガスを選択する操作の手段を提供する。フィルターは石英ガラスからなる過冷却液体である。質量選択的流体バンドパスフィルターの石英ガラスは、天然または人工起源の石英からなる。
これらの構成要素および構造は、当業者の現在の慣行に従って組み立てられる。この集合体は、内部に含まれるガス入口および出口構造への２つの真空および気密である外部接続を提供する。この集合体によって囲まれたこの空間は、質量選択的流体バンドパスフィルターの構造によって分離された２つの内部境界空間を提供する。石英ガラスは、この装置によってフィルタリングされるガスに対して選択的に半透過性である。フィルタリングされるガスに対する選択的な半透過性作用は、ガラスの厚さ、ガラスの温度、ガラスの組成、およびガラスを横切る圧力差の条件に基づく。
異なる原子量および分子量の種を含むガスは、ガス入口からガス入口空間に導入される。このガス混合物からの所定のガス質量種は、質量選択的流体バンドパスフィルター要素の半透過性石英ガラスセクションを横切って選択的に透過する。このフィルタリングされたガスは、ガス出口空間に集まり、フィルタリングされたガスの出口から排出される。この出口のガスは、そのまま使用することもできる。あるいは、所定のガス種が異なることで「Ｑ」と選択性が異なる可能性があるため、この出口のガスを筐体（複数可）に取り付けられた繰り返し強化質量選択的流体フィルター（複数可）を通過させて、ガスの純度を用途に必要なレベルにすることができる。
半透過性石英ガラスの質量選択的流体バンドパスフィルターは、抵抗、静電容量、およびインダクタンスで構成される電気直列共振回路と同様に動作する。ガス透過率は、容量性および誘導性リアクタンスがキャンセルされ、回路の透過率が回路の直流（ＤＣ）抵抗によって制限される直列共振と同等の値で最も高くなる。この場合、共振はＡＭＵの化学種または原子量を表す。
最大透過率が発生する特定のＡＭＵは、ガラスの温度、ガラスを横切る圧力差、ガラス組成などの因子の影響を受ける。最大透過率のＡＭＵは、ガラスの温度と直接的な関係があることが観察されている。実験中に観察された温度範囲内で、ＡＭＵとガラス温度の間に正の相関関係が観察されている。温度が上昇すると、一般に、より高い値のＡＭＵが選択的に通過させられる。
このフィルターは、設定された条件下で所与のＡＭＵの種が選択的に透過するのに対し、ＡＭＵ値がより高い種とより低い種は選択的に遮断されるという点で強化質量選択的流体バンドパスフィルターである。このフィルターは、高品質（Ｑ）の特性を示す。Ｑは、ＡＭＵの値がわずかに高いまたは低い種の除去特性と比較した、所与のＡＭＵ値での相対透過率として定義される。
ガラス組成と圧力差の特定の動作特性のセットに対して、選択的に通過するＡＭＵ値は、ガラスの温度によって制御される。補助電子装置（２９）は、このガラス温度を決定し、ガラスに巻かれた温度変化手段の動作を調整することによって、および熱交換器流体ライン（５）および熱交換器（４）内を通る流体の流れの温度および速度を調整することによって、それを所定の温度範囲内に維持する。温度は、温度センサー、電子機器、電気ケーブル（複数可）（２８）、熱交換器、および温度変化手段によってモニターおよび制御される。質量分析計（１７）はガスの質をモニターする。
石英ガラスで製造された質量選択的流体バンドパスフィルター要素は、一定温度の操作で、強化質量選択的流体バンドパスフィルターが所定の原子質量単位値（ＡＭＵ）の種を選択的に通過させることができる方法を提供する。観察された選択性特性は、その範囲の１ＡＭＵ内の種を選択的に透過または除去できることを示す。ガラスの温度を調整することで、所与の時間に透過する特定の種を変更できる。
ガスの混合物または大気から所定のガスを分離するプロセスフロー方法は、１）粒子フィルター（１）を提供するステップと、２）ａ）ポンプ（２）による所定の圧力への圧縮による圧縮手段およびｂ）圧力調整器（３）による減圧による減圧手段からなる群から選択される圧力制御手段を提供するステップと、３）サージタンク（１３）内のガスの貯蔵を提供するステップと、４）圧力センサー（１５）による圧力をモニターするステップと、５）熱交換器によりガスを所定の温度にする温度変化を提供するステップと、６）ガス入口構造へガスを通過させるステップと、７）所定の圧力でガス入口空間内にガスを含むステップと、８）石英ガラスで製造された質量選択的流体バンドパスフィルター要素を提供するステップと、９）所定の温度に維持された石英ガラスで製造された質量選択的流体バンドパスフィルター要素を横切って所定のガスを通過させるステップと、１０）−２００〜＋１０００℃の温度ウィンドウ内の一定温度を維持するステップと、１１）強化質量選択的流体バンドパスフィルターを横切る圧力差を、１〜１０，０００ＰＳＩＡの範囲の一般的な圧力ウィンドウ内に維持するステップと、１２）ガス出口空間内に所定のガスを収集するステップと、１３）フィルタリングされたガスの出口から所定のガスを排出するステップと、１４）選択されていないガスおよび／または複数のガスを、フィルタリングされていないガスの出口構造を介してガス入口空間から出るように通過させるステップと、を含む。
ガス入口空間内のガスの圧力は、１）ポンプ、２）入口ラインの圧力調整器、３）フィルタリングされていないガスの出口構造に続く圧力調整器、４）圧力センサー、５）電子機器、および６）電気ケーブル（複数可）からなる群から選択される１つ以上の手段によって維持される。強化質量選択的流体バンドパスフィルターを横切る圧力差は、１〜１０，０００ＰＳＩの範囲の一般的な圧力ウィンドウ内に維持される。圧力差は、特定の選択されたガスと動作条件に対して設定される。
ガス入口空間内のガスの温度および強化質量選択的流体バンドパスフィルターの温度は、所定の温度に維持される。この温度は、１）熱交換器流体ラインおよび熱交換器内を通る流体の流れの温度および速度を調節する手段と、２）質量選択フィルターのガラス表面に直接巻かれる温度変化手段と、３）所定の位置にある温度センサーと、４）電子機器と、５）特定の用途の所与のパラメーターに適切な断熱材（図示せず）と、からなる群から選択される１つ以上の手段によって維持される。強化質量選択的流体バンドパスフィルターの温度は、−２００〜＋１０００℃の一般的な温度ウィンドウ内に維持される。温度は、特定の選択されたガスと動作条件に対して設定される。
質量選択的流体バンドパスフィルター要素は、１Ｈ２、１Ｈ２Ｈ、２Ｈ２、１Ｈ３Ｈ、２Ｈ３Ｈ、３Ｈ２、１Ｈ２Ｏ、１Ｈ２ＨＯ、２Ｈ２Ｏ、１Ｈ３ＨＯ、２Ｈ３ＨＯ、３Ｈ２Ｏ、３Ｈｅ、４Ｈｅ、Ｏ２、Ｏ３、１２ＣＯ２、１３ＣＯ２、１４ＣＯ２、ＣＯ、Ｎ２、ＮＯ、ＮＯ２、ＮＯｘ、ＳｉＯ２、ＦｅＯ、Ｆｅ２Ｏ３、ＳｉＦ４、ＨＦ、ＮＨ３、ＳＯ２、ＳＯ３、Ｈ２ＳＯ４、Ｈ２Ｓ、３５Ｃｌ２、３７Ｃｌ２、Ｆ２、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｎＯ、Ｐ２Ｏ５、揮発性有機化合物、およびペルオキシアシルナイトレートからなる群から所定の選択されたガスを選択する方法を提供する。
本発明の本質は、本発明者によって発見された石英ガラスの新しい特性である。人工石英の場合、本発明は、質量選択的流体要素を含む、人工石英ガラスの製造中に所定の量の所定の化学改質剤を添加することを含む。化学改質剤は、原子番号が１、３〜９、１１〜１７、１９〜３５、３７〜５３、５５〜８５、および８７〜１０９の元素の群からの１つ以上の元素である。ここで、前記元素は、金属、ガス、分子、塩、希土類、酸化物、塩化物、イオン、炭酸塩、酸、塩基、またはガラス製造条件に適した他の形態の群からの形態である。化学修飾剤は、石英ガラスのガス透過率を変更して、特定の選択特性、所定のＡＭＵ値のガスの特定の透過率、および異なるＡＭＵ値のガスの透過の遮断をもたらす。
本発明の実施
開示されているのは、強化質量選択的流体バンドパスフィルターである。本発明は、以前の米国特許第１０，００５，０３３号の発明の改良である。以前の発明の非強化フィルター構造は、３０ＰＳＩＡを超える圧力差に耐えることができない。これは、以前の特許に記載されている計装用途以外のガス分離でのこのフィルターの操作には許容されない。このフィルターは、２つ以上の質量種の分子を含むガスサンプルから特定の質量のガス分子を選択するために提供され、商業的用途に必要である高い圧力差に耐えることができる。以前の特許審査官は、別の特許出願が必要になるだろうとアドバイスしていた。このフィルターは、ガスの集合体または大気から所定のガスを選択する操作の手段を提供する。異なる温度で、他のすべての条件が等しい場合、石英ガラス内のゲートは選択的に開放し、所与の特定のガスの透過率に近づく。
ガスの混合物または大気から所定のガスを分離する方法は、１）ガスまたは大気を収集するステップと、２）ａ）ポンプ、ｂ）圧力調整器からなる群から選択される収集手段によって粒子フィルターを通してガスまたは複数のガスを吸引するステップと、３）圧力変動が抑制されるサージタンクにガスを入れるステップと、４）ガスを熱交換器に通過させるステップと、５）ガスを所定の温度に維持するステップと、６）入口構造からガス入口空間にガスを通過させるステップと、７）質量選択的液体バンドパスフィルター要素に巻き付けた温度変化手段により一定の所定の温度を維持するステップと、８）所定のガスの透過に対して開放されている石英ガラスのガス選択ゲートを提供するステップと、９）他のすべての非所定ガスの透過に対して閉鎖されている石英ガラスのガス選択ゲートを提供するステップと、１０）質量選択的流体フィルター要素の開放ゲートに所定のガスを通過させることによりガス出口空間内に所定のガスを収集するステップと、１１）フィルタリングされたガスの出口を介して所定のガスを出すように通過させるステップと、１２）フィルタリングされていないガスの出口構造に続く圧力調整器によってガス入口空間内の所定の圧力を維持するステップと、１３）選択されていないガスまたは複数のガスをフィルタリングされていないガス出口構造に続く圧力調整器に通過させるステップと、１４）選択されていないガスおよび／または複数のガスをサージタンク内に収集するステップと、１５）熱電対、圧力センサー、および質量分析計によるプロセスフローをモニターするステップと、１６）パイプ（１８）内でガスの流れを伝導するステップと、１７）電子機器によるプロセス操作をモニターするステップと、１８）電子機器によるプロセス操作を制御するステップと、の操作のステップを含む。
図３に示すように、個々の強化質量選択的流体バンドパスフィルターが筐体に取り付けられ、個々のユニットが直列に接続されて、出口ガスの純度が向上する。図４に示すように、個々の強化質量選択的流体バンドパスフィルターが筐体に取り付けられ、個々のユニットが逐次的に接続されて、ガス混合物または大気からの１つを超える所定のガスを除去する。
筐体に取り付けられた個々の強化質量選択的流体バンドパスフィルターは、構造的に健全な集合体を提供するためにエンドキャップ（複数可）と筐体を組み込む。用途に応じて、ガスはフィルタリングされていないガスの出口（２２）および１つ以上の選択されたガスの出力（２４、２５、２６、２７）から排出される。用途の必要に応じて、追加の出口が提供される場合がある（図示せず）。
また、用途の必要に応じて、個々の強化質量選択的流体バンドパスフィルターが筐体に取り付けられ、個々のユニットが直列と逐次的の両方で接続されていることも示されていない。
目的と利点
したがって、本特許出願に記載されている選択的流体バンドパスフィルターの目的および利点、ならびにガスの集合体または大気から所定のガスを選択する手段に加えて、本発明のいくつかの目的および利点は次のとおりである。
（ａ）大気からＣＯ２を商業量で商業的に収集する手段を提供すること。
（ｂ）大気から３Ｈｅを商業量で商業的に収集する手段を提供すること。
（ｃ）大気から有害ガスを除去する手段を提供すること。
（ｄ）スモッグを排除するための商業的手段を提供すること。
（ｅ）水から核融合燃料を収集するための手段を提供すること。
（ｆ）残りの核融合燃料を使用済みガスから分離する手段を提供すること。
（ｇ）燃料の廃棄物排出を逐次的に使用して核融合炉を運転する手段を提供すること。
（ｈ）融合合成を提供する商業的手段を提供すること。
（ｉ）温室効果ガスのリサイクルの商業的手段を提供すること。
（ｊ）カーボンニュートラルを取得するための商業的手段を提供すること。
結論、効果、および範囲
上述の説明において、読者は、我々の強化質量選択的流体バンドパスフィルターおよびガスの集合体または大気から所定のガスを選択する手段のいくつかの実施形態を見てきた。これらの装置および手段には種々の用途がある。一例は、利用可能な地球上のヘリウム源から３Ｈｅを分離する商業的手段である。これらの非常に異なる用途は、強化質量選択性液体バンドパスフィルターの異なる実施形態を最大限に活用する。
本発明の実施形態は、ガスの集合体または大気から所定のガスを選択すること、および所定のガスの商業生産に適用可能である。強化質量選択的流体バンドパスフィルターの基本的なメカニズムは、フィルターを横切るガスの流れを使用可能な速度を可能にする高い圧力差でフィルターを横切って特定の質量のガスを選択的に透過させ、選択したガスとほぼ同じ質量の関連ガスの透過を選択的に遮断することである。さらに、強化質量選択的流体バンドパスフィルターおよび本発明の手段は、以下の点で追加の利点を有する。
（ａ）透過用に選択されたガスの質量は、フィルターの温度によって制御される。
（ｂ）近くのより低い質量のガスは選択的に除去される。
（ｃ）近くのより高い質量のガスは選択的に除去される。
（ｄ）透過用に選択されたガスの質量は、フィルターの温度変更することによって調整可能である。
（ｅ）所定の選択されたガスを生産するための商用機器を提供すること。
（ｆ）大気からの有害ガスの除去を提供すること。
（ｇ）大気からの温室効果ガスの除去を提供すること。
（ｈ）炭化水素合成用の精製ガスの生産を提供すること。
（ｉ）工業プロセス用の所定の基質ガスの生成を提供すること。
（ｊ）利用可能な地球上のヘリウム源から３Ｈｅを分離する商業的手段を提供すること。
（ｋ）核融合炉燃料生産の商業的手段を提供すること。
（ｌ）実験室核融合実験に使用される中性子検出器の標的材料の商業的手段を提供すること。
（ｍ）実験室実験に使用される中性子検出器の標的材料の商業的手段を提供すること。
（ｎ）携帯型核セキュリティモニターで使用される中性子検出器の標的材料の商業的手段を提供すること。
上述の説明は本発明の多くの特定のものを含むが、これらは本発明の範囲に対する限定として解釈されるべきではなく、むしろその一つの好ましい実施形態の例示として解釈されるべきである。他の多くの変形が可能である。例えば：
（ａ）最初の実験条件から石英ガラス膜を薄くすること。
（ｂ）ガラスと接触しているガスに圧力をかけること。
（ｃ）ガラスを横切る圧力差を大きくすること。
（ｄ）フィルター構造に複数のチューブを使用すること。
（ｅ）焼結石英ガラスでの支持により薄い石英ガラス層を支持すること。
（ｆ）支持焼結材料の上を覆うガラスを溶解するための高温加熱すること。
（ｈ）石英ガラスの膜の厚さを増やして「Ｑ」を上げること。
上記の説明では、正しいと思われる動作理論を示した。これらの理論は正しいと信じているが、それらに拘束されることは望まない。特定の装置に関連して本発明の原理が上で説明されてきたが、この説明は例としてのみ行われ、本発明の範囲を限定するものではないことを明確に理解されたい。したがって、本発明の範囲は、例示された実施形態（複数可）によってではなく、添付の特許請求の範囲およびそれらの法的均等物によって決定されるべきである。

Claims (22)

  1. 強化質量選択的流体バンドパスフィルター。
  2. 前記強化された質量選択的流体バンドパスフィルターが、焼結金属耐荷重構造に恒久的に取り付けられた質量選択性流体バンドパスフィルター要素を含む、請求項１に記載の強化質量選択的流体バンドパスフィルター。
  3. 前記強化質量選択的流体バンドパスフィルターが、
    粒子フィルターを提供するステップと、
    ａ）ポンプによる所定の圧力への圧縮による圧縮手段およびｂ）圧力調整器による減圧による減圧手段からなる群から選択される圧力制御手段を提供するステップと、
    サージタンク内のガスの貯蔵を提供するステップと、
    圧力センサーによる圧力をモニターするステップと、
    熱交換器によりガスを所定の温度にする温度変化を提供するステップと、
    ガス入口構造へガスを通過させるステップと、
    所定の圧力でガス入口空間内にガスを含むステップと、
    石英ガラスで製造された質量選択的流体バンドパスフィルター要素を提供するステップと、
    所定の温度に維持された石英ガラスで製造された質量選択的流体バンドパスフィルター要素を横切って所定のガスを通過させるステップと、
    −２００〜＋１０００℃の温度ウィンドウ内の一定温度を維持するステップと、
    強化質量選択的流体バンドパスフィルターを横切る圧力差を、１〜１０，０００ＰＳＩＡの範囲の一般的な圧力ウィンドウ内に維持するステップと、
    ガス出口空間内に所定のガスを収集するステップと、
    フィルタリングされたガスの出口から所定のガスを排出するステップと、
    選択されていないガスおよび／または複数のガスを、フィルタリングされていないガスの出口構造を介してガス入口空間から出るように通過させるステップと、
    からなるガスの混合物または大気から所定のガスを分離するプロセスフロー方法を使用する、請求項１に記載の強化質量選択的流体バンドパスフィルター。
  4. 前記強化質量選択的流体バンドパスフィルター要素が過冷却液体を含み、前記過冷却液体が石英ガラスである、請求項３に記載のガスの混合物または大気から所定のガスを分離する方法。
  5. 前記質量選択的流体バンドパスフィルター要素が、１Ｈ２、１Ｈ２Ｈ、２Ｈ２、１Ｈ３Ｈ、２Ｈ３Ｈ、３Ｈ２、１Ｈ２Ｏ、１Ｈ２ＨＯ、２Ｈ２Ｏ、１Ｈ３ＨＯ、２Ｈ３ＨＯ、３Ｈ２Ｏ、３Ｈｅ、４Ｈｅ、Ｏ２、Ｏ３、１２ＣＯ２、１３ＣＯ２、１４ＣＯ２、ＣＯ、Ｎ２、ＮＯ、ＮＯ２、ＮＯｘ、ＳｉＯ２、ＦｅＯ、Ｆｅ２Ｏ３、ＳｉＦ４、ＨＦ、ＮＨ３、ＳＯ２、ＳＯ３、Ｈ２ＳＯ４、Ｈ２Ｓ、３５Ｃｌ２、３７Ｃｌ２、Ｆ２、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｎＯ、Ｐ２Ｏ５、揮発性有機化合物、およびペルオキシアシルナイトレートからなる群から所定の選択されたガスを選択する方法を提供する、請求項３に記載のガスの混合物または大気から所定のガスを分離する方法。
  6. 前記石英ガラスが、天然または人工起源のいずれかの石英からなる、請求項３に記載のガスの混合物または大気から所定のガスを分離する方法。
  7. 前記強化質量選択的流体バンドパスフィルターが−２００〜＋１０００℃の一般的な温度ウィンドウ内に維持される、請求項３に記載のガスの混合物または大気から所定のガスを分離する方法。
  8. 前記強化質量選択的流体バンドパスフィルターを横切る圧力差が、１〜１０，０００ＰＳＩの範囲の一般的な圧力ウィンドウ内にある、請求項３に記載のガスの混合物または大気から所定のガスを分離する方法。
  9. 最大透過率が発生する特定の原子質量単位が、前記石英ガラスで製造された質量選択的流体バンドパスフィルター要素の温度、前記石英ガラスで製造された強化質量選択的流体バンドパスフィルター要素の厚さ、前記石英ガラス及び焼結金属で製造された強化質量選択的流体バンドパスフィルターを横切る圧力差、ならびに前記石英ガラスで製造された質量選択的流体バンドパスフィルター要素の組成を含む因子の影響を受ける、請求項３に記載のガスの混合物または大気から所定のガスを分離する方法。
  10. 前記石英ガラスで製造された質量選択的流体バンドパスフィルター要素が、このフィルターの動作範囲内で原子質量単位の値が近いガスを非常に選択的にフィルタリングする方法を提供する、請求項３に記載のガスの混合物または大気から所定のガスを分離する方法。
  11. 前記石英ガラスで製造された質量選択的流体バンドパスフィルター要素は、最大透過率の原子質量単位が石英ガラスで製造された質量選択的流体バンドパスフィルター要素の温度と直接的な関係がある方法を提供する、請求項３に記載のガスの混合物または大気から所定のガスを分離する方法。
  12. 前記石英ガラスで製造された質量選択的流体バンドパスフィルター要素が、設定された条件下で所与の原子質量単位の種が選択的に透過される一方で、より高いおよびより低い原子質量単位値の種が選択的にブロックされる方法を提供し、前記強化質量選択的流体バンドパスフィルターが、高品質、または「Ｑ」特性を示す、請求項３に記載のガスの混合物または大気から所定のガスを分離する方法。
  13. 前記石英ガラスで製造された質量選択的流体バンドパスフィルター要素が、この装置によってフィルタリングされるガスに対して選択的に半透過性である方法を提供する、請求項３に記載のガスの混合物または大気から所定のガスを分離する方法。
  14. 前記石英ガラスで製造された質量選択的流体バンドパスフィルター要素が、一定温度の操作で、強化質量選択的流体バンドパスフィルターが所定の原子質量単位値のガス種を選択的に通過させることができる方法を提供する、請求項３に記載のガスの混合物または大気から所定のガスを分離する方法。
  15. 前記石英ガラスで製造された質量選択的流体バンドパスフィルター要素が、このフィルターの動作範囲内で原子質量単位の値が近いガスを非常に選択的にフィルタリングする方法を提供する、請求項３に記載のガスの混合物または大気から所定のガスを分離する方法。
  16. 前記所定のガスを分離する方法が、
    ガスまたは大気を収集するステップと、
    ａ）ポンプ、ｂ）圧力調整器からなる群から選択される収集手段によって粒子フィルターを通してガスまたは複数のガスを吸引するステップと、
    圧力変動が抑制されるサージタンクにガスを入れるステップと、
    ガスを熱交換器に通過させるステップと、
    ガスを所定の温度に維持するステップと、
    入口構造からガス入口空間にガスを通過させるステップと、
    質量選択的液体バンドパスフィルター要素に巻き付けた温度変化手段により一定の所定の温度を維持するステップと、
    所定のガスの透過に対して開放されている石英ガラスのガス選択ゲートを提供するステップと、
    他のすべての非所定ガスの透過に対して閉鎖されている石英ガラスのガス選択ゲートを提供するステップと、
    質量選択的流体フィルター要素の開放ゲートに所定のガスを通過させることによりガス出口空間内に所定のガスを収集するステップと、
    フィルタリングされたガスの出口を介して所定のガスを出すように通過させるステップと、
    フィルタリングされていないガスの出口構造に続く圧力調整器によってガス入口空間内の所定の圧力を維持するステップと、
    選択されていないガスまたは複数のガスをフィルタリングされていないガス出口構造に続く圧力調整器に通過させるステップと、
    選択されていないガスおよび／または複数のガスをサージタンク内に収集するステップと、
    熱電対、圧力センサー、および質量分析計によるプロセスフローをモニターするステップと、
    パイプ内でガスの流れを電子機器によるプロセス操作をモニターするステップと、
    電子機器によるプロセス操作を制御するステップと、
    の操作のステップを含む、請求項３に記載のガスの混合物または大気から所定のガスを分離する方法。
  17. 前記個々の強化質量選択的流体バンドパスフィルターが筐体に取り付けられ、個々のユニットが個々のユニットが直列接続されて出口ガスの純度を高める、請求項３に記載のガスの混合物または大気から所定のガスを分離する方法。
  18. 前記個々の強化質量選択的流体バンドパスフィルターが筐体に取り付けられ、個々のユニットが直列接続されて、ガス混合物および／または大気から１つを超える所定のガスを除去する、請求項３に記載のガスの混合物または大気から所定のガスを分離する方法。
  19. 前記個々の強化質量選択的流体バンドパスフィルターが筐体に取り付けられ、用途の必要に応じて、個々のユニットが直列と逐次的の両方で接続されている、請求項３に記載のガスの混合物または大気から所定のガスを分離する方法。
  20. 前記質量選択的流体要素を含む、人工石英ガラスの製造中における所定の量の所定の化学改質剤の添加。
  21. 前記化学改質剤が、原子番号が１、３〜９、１１〜１７、１９〜３５、３７〜５３、５５〜８５、および８７〜１０９の元素の群からの１つ以上の元素である。ここで、前記元素は、金属、ガス、分子、塩、希土類、酸化物、塩化物、イオン、炭酸塩、酸、塩基、またはガラス製造条件に適した他の形態の群からの形態である、請求項２０に記載の化学改質剤。
  22. 前記化学修飾剤が、石英ガラスのガス透過率を変更して、特定の選択特性、所定のＡＭＵ値のガスの特定の透過率、および異なるＡＭＵ値のガスの透過の遮断をもたらす、請求項２０に記載の化学改質剤。
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