JP3519408B2 - 電子を使用して、揮発性有機化合物を変換、処理する処理ユニット、処理システムおよびこれらに使用される電子ビーム源 - Google Patents

電子を使用して、揮発性有機化合物を変換、処理する処理ユニット、処理システムおよびこれらに使用される電子ビーム源

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、ガス、エアロゾル、および／または浮遊粒
子を含む流体中の毒物を処理および／または化学的に変
換するための方法およびシステムに関する。特に、本発
明は、たとえば典型的にガス、蒸気、汚染された土壌も
しくは地下水からの抽出物にみられる有毒物、工業的プ
ロセスからの排出物としても有毒物を処理および／もし
くは変換するための電子ビームシステムを構成するため
に使用される電子生成器または源並びに処理ユニットに
関する。
工業上のプロセスからの生成物および副生成物、毒性
有機化合物、不要な副作用物および他の廃棄物は空気、
土壌、および地下水を汚染する。工業上のプロセスは既
存の汚染物質に加え、さらに毒性有機化合物を発生す
る。焼却炉、回転炉、およびバイオリアクタから生じる
毒物がまた、汚染の重要な源である。この問題への認識
は、我々の社会および環境への汚染の影響を減ずる試み
において、多様な抽出、収集、および処分方法の発展を
もたらした。
空気除去（stripping）および真空抽出のような技術
は、他のもの、土壌および地下水から汚染物質を除去す
るために使用された。しかし、汚染物質を大気に直接排
出することは環境上望ましくない。したがって、放出ま
たは廃棄の前に、汚染物質を処理することは、非常に望
ましく、本発明により行われることである。本発明は空
気および水の浄化において、並びに工場や他の設備でオ
ンライン化学処理に応用される。
炭素封じ込めは、汚染物質を炭素またはある種のプラ
スチック物質を含む容器に通過させ、毒物を炭素または
他の物質に吸収させる収集技術である。土壌や地下水か
ら揮発性の有機化合物を除去する改善システムにおい
て、汚染源は真空抽出ウェルまたは空気ストリッパとな
る。精製所または化学プラントの廃水処理システムにお
いて、汚染物質は産業的プロセスの放出物である。多く
の場合、揮発性汚染物質は炭素または他の吸収剤に吸収
されるが、抽出された空気、蒸気、処理廃水の残部は吸
収システムが除去できなかった汚染物質とともに周囲に
放出される。
有毒物を吸収した炭素キャニスタは、しかしそれ自身
の処分問題を生じさせる。これはさらに、処理システム
へキャニスタを移動する際の輸送問題により複雑化され
る。さらに、吸収された有毒物の封じ込めは、一ケ所に
置いておいてもあるいは移動させても、揮発性有機化合
物および他の汚染物質の吸収力が低いため、恒常的に有
効と言うわけではない。
他の改善技術である焼却が、高温焼却により汚染物質
を壊滅させるために試みられた。炭素改善システムとと
もに、その蒸気が真空抽出ウェル、空気ストリッパ、ま
たは産業処理廃水から発生する。焼却によるこれら汚染
物質の壊滅はしかし、しばしば不完全であり、不完全な
破壊は当初の汚染物質よりも危険な化合物を生成する
（これは大気に放出される）。さらに、焼却は、焼却炉
の温度を燃えてしまう程の高温にする危険性のため、し
ばしば精製所では望ましくない。さらに、人口密集地で
は明らかに、焼却は政策的にも、社会的にも望ましくな
い。
本発明にしたがって、電子ビームが、有毒物および無
毒化合物を処理し変換して異なる化合物または要素にす
るために使用される。ガス、エアロゾルおよび／または
浮遊粒子からなる排出物が電子ビームが注入される反応
チャンバに入る。これら電子は排出物と相互作用をな
し、危険な化合物を環境的に安全な要素または他の化合
物に化学的に変換する。本願の発明の詳細な説明、特許
請求の範囲に使用した、影響を及ぼす流れを記述するた
めの用語「ガス」、「材料」または同様の用語はガス、
蒸気、コロイド状の分散物、フォーム（foam）、霧、ま
たはこれらの混合物、ならびにサポート材中の浮遊粒子
を意味するものとする。
従来の電子ビーム変換システムは典型的に、一つの材
料源の成分および流量パラメータに適合するように設計
された。たとえば、米国特許第4,507,265号は、後で集
塵機による除去のために、電子ビームが流れる酸化硫黄
や酸化窒素を固形や蒸気（mist）に変換する、電力プラ
ント排出ガス処理システムを説明する。その変換設備は
一つの材料源用のものであるから、反応チャンバおよび
電子ビーム源は流量または成分の著しい変化に適用でき
るように設計されていなかった。さらに、従来技術は、
揮発性有機化合物のような他の有毒材料を、従前の手段
が扱うことのできる比較適温和な化合物に変換すること
ができなかった。また、これら従来技術のシステムは一
般的に大きく、移動が困難で、典型的にいろいろなタイ
プの構造の高電力設備を有し、応用例として説明された
以上の方法を必要とする。
発明の要約 本発明は、電子を供給するための電子ビーム生成器、
並びに電子源または生成器および関連した反応チャンバ
を含む処理ユニットをもつ。そのチャンバ（その中で有
毒物が破壊される）は、調節性をもつために、特定の条
件に適合するよう構成および／またはシステムの配置が
容易である。たとえば、システムの条件には、輸送性、
組み立ての容易さ、（物理的な大きさについて）設計の
自由さ、近付くことが困難なところで使用できるシステ
ム、いろいろな流量をもつ種々の入力物の取り扱い、い
ろいろな組成物、形態（ガス、液体、固体）や材料を取
り扱えることを含む。本発明はこれら目的を達成でき
る。
本発明はまた、流量および／または組成物が変換した
ときにシステムの再構成を簡単にする。さらに、処理ユ
ニットが小さく、そして軽量であり、新規で好適な電子
ビーム源が比較的安価で、作動させるための電源をほと
んど必要としないことから、システムは製造にも使用に
もコストがかからず、ほとんどの場所で容易に使用でき
る。処理ユニットが小型で、軽量で（ここではポータブ
ルなものという）、低電源を条件とすることから、特に
輸送可能な電子ビーム変換システム、さらに狭い場所ま
たは遠隔地に合った改善システムに非常に適した設計が
行える。
本発明の処理ユニットはモジュールとして作られ、そ
のモジュールは流量および電子ビーム線量が指定の範囲
を満たすように構成できる。システムを指定された流れ
の流量および組成物を満たすように形成されたとき、モ
ジュールは必要に応じて直列におよび／または並列に配
列できる。
図面の簡単な説明 図１は本発明の好適な電子ビーム生成器または電子源
の断面図である。
図２は本発明の好適実施例に従った処理ユニットの略
示図である。
図３（ａ）は図２に示された処理ユニットの直列配列
の略示図である。
図３（ｂ）は図２に示された処理ユニットの並列配列
の略示図である。
図４はシステム制御器を含む好適な電子ビーム変換シ
ステムのブロック図である。
発明を実施するための最良の形態 本発明は新規な電子ビーム生成器及び一つまたはそれ
以上の電子ビーム源または生成器及び付随する反応チャ
ンバから成る新規な電子ビーム処理システムに関する。
処理ユニットは、ある応用への特定の要求を満たす電子
ビーム反応システムを作製するべく、単独でまたは他の
処理ユニットとともに使用される。各処理ユニットは反
応チャンバ入口をシステムの入口に直接、またはそこか
ら流れが処理用の処理部分に供給されるところのシステ
ム前処理モジュール内に取り付けるための手段を有す
る。替わって、流れ入口は、上流の反応チャンバの出口
にもなり得る。各処理ユニットはまた、反応チャンバを
システム後処理（post−processing）モジュールを通じ
て直接システム出口へ、または下流の反応チャンバの入
口へ取り付けるための手段も有する。さらに、電子ビー
ム源は電子ビームを反応チャンバ内に入射させるために
一つまたはそれ以上の処理ユニット及び手段を伴う。
本発明による電子ビーム生成器の好適実施例が図１に
示されている。高電圧電子銃20はセラミック絶縁体21に
より真空チャンバ22内に設置され、電子ビーム生成器ハ
ウジング23内に収められる。任意的に、銃20は電子流を
変調しまたは制御するために使用される制御グリッドま
たは電極を含む。銃の加熱されたカソードは、高電圧か
つ高電流フラックスの電子を放出し、該電子は静電的に
かつ電磁気的に集束された電子ビームとなって真空チャ
ンバ内の経路を通じて薄い真空窓24の方へ方向づけられ
る。該窓の材料及び厚さは、高真空を維持し、大部分の
電子ビームが通過し、吸収されたビームの一部により生
成される熱を伝えることができるように慎重に選択され
る。それは非常に薄い必要があるので、選択材料は、熱
サイクル及び上昇温度での周囲圧力に耐えるような強い
ものでなければならない。
窓の材料及び厚さの選択の際、さらに考慮すべきこと
は、電子ビームが出現する発散角の制御である。大きな
ビーム発散角度はそれに晒される体積を最大化し、かつ
反応チャンバにおける割れ目の生じる可能性を最小化す
る。好適実施例において、ほぼ0.002インチ以下の厚さ
のハーバー（Havar）窓が使用される。ハーバーはHamil
ton Precision Metals,Inc.Of 1780 Roherstown Road,L
ancaster PA 17604で販売されている金属である。そ
れは、以下の成分から成る合金であって、量は公称値で
あり、パーセントは重量比を表す。
コバルト−42％；クローム−19.5％；鉄−19.1％；ニ
ッケル12.7％；タングステン2.7％；モリブデン−2.2
％；マンガン−1.6％；及び炭素0.2％。
ベリリウム、チタン及びステンレススチールを含む他
の材料は、真空窓24に対して任意であり、他の厚さの窓
も本発明の電子源に使用可能であることがわかる。任意
に、真空窓24の真空側は耐食のために、金、セラミッ
ク、または他の耐食金属によりメッキされるかコーティ
ングされている。
窓は約２〜３度からほぼ20度までの範囲で、半角でビ
ームを偏向する。この角度は窓の厚さ、材料及び電子ビ
ームのエネルギーの関数である。
窓内でのパワー損失は、好適実施例においては50,000
から500,000電子ボルトの範囲の電子ビームエネルギー
の非線形関数である。ビーム電圧が変化するにつれ、適
正な動作条件を決定する際に電流密度及び冷却要求が考
慮される必要がある。
窓を通過した後、当該ビームは、真空窓を隔離し該ビ
ームが反応チャンバ12内に進入する際（図3aを参照）該
ビームを散乱するように作用するフォイル25を通じて進
行する。該フォイル25は、ビームが反応チャンバ内に進
入する際ビームの出現角度を拡げるように作用する。材
料及び厚さの適正な選択もまた重要である。それは、電
子に対し強固な透明体でなければならず、真空窓24と組
み合わせて、所望の出力ビーム角度を生成する。
散乱フォイル25の他の機能は真空窓24を反応チャンバ
から隔離する不透明な化学的抵抗バリアを形成すること
である。反応チャンバ内に生じるある反応環境及び副生
成物内に存在する材料は、真空窓を急速に浸食しシステ
ムの損傷を早める。
好適実施例において、0.0005から0.002インチの厚さ
の雲母層が散乱フォイル25用に使用され、その結果、12
0度の電子ビーム出力角度を与え、浸食攻撃に対し強い
耐食性を示す。他の所望の散乱フォイル材料はカプトン
（kapton）またはサファイアを含む。替わって、もし反
応チャンバに面した側が金又はセラミック等の耐食材料
によりメッキされまたはコーティングされる際は、ハー
バーまたはチタンのような他の材料が使用される。
金属スプール26は真空窓ハウジング27内に鑞接され、
冷却水がポンプされる環28を形成する。それは乱流パタ
ーンを生じさせ、そこを通過する際に真空窓24に吸収さ
れた電子によって生じた熱を伝える。窓24及びフォイル
25の間のギャップ29を通じて方向づけられる不活性ガス
（窒素、ヘリウムまたはアルゴン）の制御された流れに
より、補助冷却が与えられる。真空窓及び散乱ホフォイ
ルの冷却に加え、このガス流は、ギャップ29の体積内に
空気が存在する際に発生するオゾン化合物を防止し、さ
らにシステム要素への浸食攻撃を防止する。
他の実施例において、フォイル25は除去する。浸食物
質から真空窓24の隔離は、この場合反応チャンバに直接
排気され、それらの物質を吹き飛ばし処理用の電子ビー
ム内に移動させるようなパージガスの高速流“カーテ
ン”によって達成される。さらに、耐食薄膜コーティン
グが保護の強化のために真空窓24の外側に適用される。
チャンバ22内の真空はイオンポンプ19により引き続き
維持される。
電磁集束コイル30は電子ビームを集束する静電技術を
補強し、他の器具によってその直径が遠隔的に決定され
制御される。ビームサイズは真空窓及び散乱フォイルで
の電力密度を形成するために重要である。すなわち、ビ
ーム直径が大きくなればなるほど、電力密度は小さくな
る。例えば、銃の電流が一定に維持されていれば、小さ
なビームが、窓24及びフォイル25の両方を突き破る穴を
開けるであろう。集束コイル30により、電子ビーム出力
は反応チャンバ12のサイズに対して調整される。単純な
システムに対しては、この電磁石は、所望のビーム出力
特性用の大きさを有する永久磁石により交換されうる。
ビーム生成器の外周の鉛シールド31は、真空チャンバ
22内部の電子衝突により生成されたＸ線を減衰させる。
この好適実施例において、放射線のシールド用に、鉄、
コンクリート、又は他の適当な材料が使用される。さら
なるシールドは安全な動作環境をもたらすのに必要な場
合に付加されるべきである。
全電子ビーム生成器組立体が取付けフランジ32に取り
付けられる。このフランジにより、ボルト締めアタッチ
メントがフランジ11を反応チャンバ12上または他の処理
デバイスに固定することができる。このモジュラーの利
用により、メンテナンスが容易になり、異なる出力特性
を有する他の電子ビーム源への交換も容易になる。取付
けフランジ32内には反応チャンバの熱を電子ビーム生成
器に伝えないための水冷パスが内設されている。
全処理ユニットの好適実施例は、図２に略示されてい
る。処理ユニット10は好適にはハステロイ（Hastello
y）Ｃ−22から成る円筒形の反応チャンバ12を有する。
ハステロイＣ−22は、Corrosion Materials,Inc.P.O.Dr
awer666 Baker,LA70714で購入可能である。ハステロイ
Ｃ−22は以下の成分から成り、量は公称値でありパーセ
ントは重量比である。
ニッケル−56％；クローム−22％；モリブデン−13
％；タングステン−3.0％；鉄−3.0％；コバルト−2.5
％；マンガン−0.5％最大；バナジウム−0.35％最大；
シリコン−0.08％最大；及び炭素−0.010％最大。この
材料は反応チャンバ内の潜在的な浸食雰囲気を考慮して
選択された。他の材料（ポリビニル塩化物、インコネ
ル、及びオーステナイトステンレススチール等）及び他
のチャンバ形状が、所望の要求を満たす本発明の思想か
ら逸脱することなく使用可能である。フランジ14及び16
は反応チャンバ12の入口端及び出口端からそれぞれ延伸
する。フランジ14及び16は、処理のためにユニットへ流
れを供給する流入手段及び反応材料を他の処理ユニット
または放出のために大気に移するための流出手段へ、処
理ユニット10を取り付けるための手段として機能する。
図２に示されるような電子ビーム処理システム10は、
毎分1,000立方フィートまでの流入ガス流に対して適応
可能である。大きな直径のパイプシステム10は毎分約5,
000立方フィートまでの流れに対して適応可能である。
本発明の思想内のパイプシステムの他の形状は毎分50,0
00立方フィートまでの流量まで適応可能である。
好適実施例において、処理ユニット10は２つの電子ビ
ーム源を有する。しかし、処理ユニットは本発明の思想
から逸脱しない一つまたは二つ以上の電子ビーム源を使
用可能であることが理解されるべきである。電子を生成
するための他の手段も使用され得ることが理解されよ
う。要求されるのは、真空窓を通過するための十分な、
典型的には30keVまたはそれ以上の電子ビームエネルギ
ーである。窓への入射ビームの電流密度は、通常使用さ
れるタイプの窓に対して典型的な温度冷却システムを使
用して、概して、5mA/cm2以下である。しかし、より効
果的な冷却システムを使用すれば、ビーム電流密度は増
加する。窓上への入射電子ビームは、約20度の半円錐角
以上には発散しないようにサイズ化される。これは、窓
を通過した電子が窓から散乱後の発散にはほとんど寄与
しないことを確かにする。各電子ビーム源18は、約５キ
ロワットの平均電子ビーム電力を連続またはパルスのい
ずれかで供給する。
本発明に使用される電子ビームは、例えば、熱デバイ
ス、プラズマ生成器、コロナ生成器、及びフィールド放
出デバイスにより生成されるようなものを含む。パルス
線形加速器も本発明の思想の範囲内で電子源として使用
可能である。
図２に示されるように、２つの電子ビーム源18は、電
子ビーム処理システム10の反応チャンバ12に取り付けら
れ、好適にはフランジ17及び11並びにフランジ９及び13
によりそれぞれ電子ビーム源及び反応チャンバ上に取り
付けられる。システムが単一の電子ビーム源を使用する
際には、第２の電子ビーム源の位置はフランジ13に設置
された取り外し可能なプレートにより覆われている。こ
のシステムにおいて、流れはフランジ14の開口から流入
し、フランジ16の開口から流出する。制御及び電源７は
動作中システム10を制御する。該ユニットはシステム全
体の熱を制御するための熱交換機８及び電子ビーム源を
駆動するためのＸ線高圧源６を含む。
図２に示された処理ユニットは、約4,000ポンド以下
の重量の２つの電子源を含んだ状態で、幅４フィート×
長さ８フィート×高さ５フィートの大きさを有する。本
発明による一般的な処理ユニットのどの表面の寸法も約
10フィート以下であり、重量は約３トン以下である。
効果を最適化するために、電子ビームシステムは処理
材料の組成物及び質量流量に対し調節される。設計パラ
メータの一つは線量であって、それは単位質量当たりの
処理材料に吸収されるエネルギーとして定義される。特
定の電子ビームの適用に要求される線量は処理材料の性
質及びその材料の所望の化学転換（transformation）に
依存する。反応チャンバ内の材料により電子ビームから
吸収されたエネルギーは、電子ビーム源の電力、ビーム
内の電子の運動エネルギー、電子の空間分布、チャンバ
の形状及び大きさ、処理材料の質量流量、汚染物質質及
びキャリアガスの種類及び濃度の関数である。ある線量
に対し、質量流量が高いほど高い電子ビーム電力を要求
する。例えば、反応チャンバ12で供給される流量が毎分
1,000立方フィート、ビーム電力が３キロワットであれ
ば、各電子源は反応チャンバ12を流れる材料に対して5W
s/gの処理線量を与えることができる。
ある寸法の反応チャンバを通じる流量の上限は、流体
抵抗による反応チャンバにわたる許容可能な圧力降下お
よびシステムが送ることのできる最大ビーム電力によっ
て画成される。反応チャンバを大きくすることは、反応
チャンバを通じて流れる材料の完全な処理を確実にする
ために電子エネルギーを増大させることを要する。上記
の電子生成器のモジュラー（modular）の特徴は、一つ
の電子ビーム源を他のものと交換することを容易にする
ことである。また、フィンまたは他の流れ方向付けデバ
イスが、反応チャンバ内部に加えられ、反応チャンバ内
に乱流を作りだし、このため、電子ビームと流れる材料
との間の相互作用が増大する。
本発明の処理ユニットのモジュラーの特徴は、上述し
た設計パラメータに従う応用例の材料処理の必要性を満
たすように、電子ビームシステムの配置（configuratio
n）を変えることが容易であることである。図３（ａ）
および３（ｂ）は、２個の可能な配置を示す。本発明の
範囲内にある他の配置は、当業者には明らかである。
図３（ａ）は、図１に示す処理ユニットモジュールの
直列配列の略示図である。上述のように、処理ユニット
モジュールによって送られる線量は、電子ビーム電力の
関数である。反応チャンバの物理的な大きさが変換シス
テム入力の質量流の条件を満たすと仮定し、電子ビーム
源の電力が変化しないと仮定すると、システムによって
送られた線量は、図３（ａ）に示すように、直列的にモ
ジュラー処理ユニットを取り付けることによって、少な
くとも必要なレベルに累積的に増加する。処理ユニット
10は、フランジ14および16の手段または他の適当な連結
手段によって相互に連結される。直列の第１の反応チャ
ンバの入口（inlet）フランジが、流入ダクト40のフラ
ンジに取り付けられ、ここで、流入ダクト40は、材料源
からの流入ガスを直接に、またはポンプ、フィルタ、水
蒸気トラップおよび／または熱デバイスのようないずれ
かの前処理システム構成要素を介して送る。直列の最後
の反応チャンバの出口フランジは、流出ダクト42のフラ
ンジに取り付けられ、ここで、流出ダクト42は、システ
ムからの処理された流出物を直接に、またはスクラバー
（scrubber）および／または炭素吸収容器のようないず
れかの後処理構成要素を介して除去する。漏れを防ぐた
めに、適当なシールまたはガスケットがフランジの間に
配設される。
図３（ｂ）は、本発明のモジュラー処理ユニットの並
列配置の略示図である。入ってくる物質流量が、設計流
量または処理ユニットの許容可能な圧力を越えると、入
ってくる物質は、物質源からの流入ガスを直接にまたは
いずれの前処理ユニットを介して送るマニフォルド50に
よって２またはそれ以上に分流される。多重処理ユニッ
ト10の入口フランジ14または他の適当な連結手段は、流
入マニフォルドブランチ52のフランジに取り付けられ
る。処理ユニット10の出口フランジ16は、システムから
の処理された流出物を直接にまたはいずれの後処理構成
要素を介して除去するマニフォルド54のブランチ56のフ
ランジに取り付けられる。流入マニフォルドブランチ52
のバルブ58が、ブランチの間での流れを所望とするいか
なる割合にでも分配するために使用され得る。
当然に、処理される物質源の線量および流量の条件を
満たすために、図３（ａ）の直列配列と図３（ｂ）の並
列配列とを組み合わせることが可能である。本発明はま
た、物質源が変化し、または現場が異なる場合でも、シ
ステムの再配置を簡単にする。
本発明のモジュラー反応チャンバは、専ら安定電子ビ
ーム変換システムに使用され得る。比較的小さく軽量で
あり、容易に再配置できることから、本発明のモジュラ
ー反応チャンバは、輸送可能な電子ビームシステムに、
特に、有用である。
さらにまた、電子ビームシステムが、土壌や地下水で
見られる有機汚染物質を無毒に変換させるために使用さ
れ得る。
しかし、有毒廃棄物の現場が二つと同じではない。各
々の現場では、量も変化し、汚染物質も異なる。また、
現場を清浄するために必要な事は、その時々において変
化する。したがって、本発明の電子ビームシステムは、
最初の現場の条件を満たすように配置された後、この現
場に搬送することができる。現場のが変わったとき、シ
ステムは、現場で再配置されるかまたは再配置のために
別の場所へ撤去される。全体のシステムは、清浄化が済
むと、現場から容易に撤去される。
図４は、本発明の従ったモジュラー処理ユニットの好
適実施例を示す簡単なブロック図である。この配置は、
２個の電子源および１個の反応チャンバを含む。変形的
に、１個の電子源のみが含まれてもよく、また、システ
ムが、２個以上の電子源および１個以上の反応チャンバ
を含んでもよい。
図４に示すような１個またはそれ以上のモジュラー処
理ユニットが、システムの中央プロセッサとして典型的
に用いられ、さらに、ポンプ、バルブおよびフィルタの
ような処理ユニット外部の前処理要素および構成要素
と、スクラバーおよび活性炭の容器のような後処理ステ
ーションとを含む。
処理されるべきガス（例えば、土壌抽出システムから
の汚染空気、焼却器または産業処理の出力からのガス、
または集塵炭素バレルからのガス）がフランジ101で入
り込む。この流入ガスの圧力が、所定の制限を越える
と、高い制限の圧力スイッチ102がシステム制御組立体1
03に信号を送り、システム制御組立体103は処理ユニッ
ト外部の制御手段に信号を送り、流れを減少させるかま
たは停止し、または入ってくる圧力を減少させる。ここ
で、所定の制限を越えると散乱フォイルが損傷する。変
形的に、制御バルブ（図示せず）が、この目的のため、
処理ユニットに含まれる。
選択的に、システム制御組立体103は、パルス信号を
電子源105および106の電子銃の選択的制御電極またはグ
リッドに送るための制御手段を含む。与えられた平均電
力に対し、パルスが反応チャンバを通じる流入流れに一
層高いピーク電力を印加する可能性を与え、このような
一層高いピーク電力は、反応速度が電力レベルに従う場
合、および有効な変換を達成するために処理下の物質が
一層高いピーク電力でパルスを必要とする場合に有用で
あることを確かなものにする。
流入は、次に、反応チャンバ104を通じて流れ、反応
チャンバ104で、それは、一つまたはそれ以上の電子源
からの電子ビームに晒される。電子源105および106は、
それぞれ、窓組立体107および108を通じてビームを方向
付ける。集束コイル109および110が、電子ビームの制御
のために、調節可能であり、ビームから、反応チャンバ
104を通過するガスまたは他の流入物へ電子エネルギー
を変換するのに有効なレベルで処理ユニットを確実に動
作できる。
図示の配置では、電子源105および106は、それぞれ、
引き続き電力制御組立体113および114によって制御され
る高圧生成器111および112から高圧ケーブル123および1
24を介して直流電力（DC）を受ける。変形的に、一つ以
上の電子源が、適当な容量の単一のDC源によって駆動さ
れる。電子源105および106のカソードが、在来の電気的
手段（図示せず）によって加熱される。
集束コイル電力供給115が、集束調節の制御を含むシ
ステム制御組立体103を通じて集束コイル109および110
へDCを与える。変形的に、各々の集束コイルは、別々の
電力供給によって供給され、その集束コイルへの各々の
電力供給の手順（routing）が別々の制御組立体を通じ
るのではなく直接に行われる。
電子源105および106、真空ポンプ117および118と共に
それぞれ備えられ、動作中、真空を維持し、又、電子源
の動作寿命を延長する。真空ポンプ電力供給116が、真
空ポンプにDCを与える。変形的に、別々の電力供給組立
体が、各々の電力供給に使用される。任意的に、これら
ポンプおよびこれらの電力供給が、動作寿命に対するい
くつかの犠牲を無くすことができる。
交流電力（AC）が、ACを使用するシステム要素へACを
供給する電力分布組立体119を介して処理ユニットへと
導かれる。在来の電気的インターロックが、人的保護の
ために含まれ得る。
冷却熱交換器120が、冷却液体の閉ループ流れを与
え、冷却液体の温度は、サーモスタット130によって制
限される。この液体は、窓組立体108および107で、冷却
要素を通じて流れ、次に、熱交換器120へと戻る。流れ
スイッチ121は、水温が前設定制限を越えると、電子源1
05および106への高圧電力をなくす。変形的に、液体を
冷却する他の手順が用いられる。温度スイッチ122が、
処理ユニット外囲器内の動作温度を制限する。
窓108および109もまた、再循環ガスによって部分的に
冷却され、ここで、再循環ガスは、好適実施例において
は、アルゴンであるが、変形的に、他の適当なドライ、
不活性ガスであってもよい。この再循環ガスは、再循環
ガス窓冷却器125を通じて流れ、熱交換器120を通過して
冷却される。冷却ガス圧力は、レギュレータ129によっ
て制御され、圧力がプログラムされた制限外である場合
にシステム制御組立体103に信号を送って補修的作用が
なされるまで処理ユニットの動作を続行させないための
高低圧力ゲージ126によってモニタされる。再循環ガス
の補充が、バルブ128およびレギュレータ129を通じて供
給ボトル127から与えられる。
真空抽出システムまたは他の源からの流入ガスが、シ
ステムへ供給され、このガスの望ましくない組成物が、
好ましい要素または組成物へ変換されるか、または、流
出物処理モジュールによって除去（または、さらに変
換）されるかのいずれかである。システムは、電力生成
器の使用を通じて搬送可能に作られ、トラック荷台また
は現場から現場への移動を容易にする他の移動支持のよ
うな搬送可能支持に取り付けられる。また、システムの
要素は、容易に再配置され、各々の毒物現場の特定的な
条件を満たすことができる。
流入および流出ガスが、流れセンサおよび化学分析セ
ンサによってオンラインでモニタされ、入出力材料の圧
力、組成物および温度を決定する。電子ビーム源の動作
もまた、電力供給または出力ビームを取り囲むトロイダ
ル（toroidal）電流モニタで電子ビーム電流を計測する
ことによってモニタされる。分析器材および機器は、他
のシステム制御と共に設備モニタに置かれる。コンピュ
ータおよびコンピュータソフトウエアがシステム制御に
使用される得る。遠隔地から全体のシステムを制御する
こともまたなされ得る。
本発明の電子ビームシステムは、揮発性有機化合物ま
たは他の有毒物質を、大気に放出できる比較的望ましい
それらの要素または他の組成物に分解するために使用さ
れる。炭素拘束システムに関連して使用されるときの本
発明の電子ビームシステムの特定的な利点は、引き続い
て通常の炭素キャニスタ（canister）の使用寿命を延ば
す有毒物を吸収するための炭素技術の必要性を顕著に減
少させることである。この必要性の減少はまた、前述し
たように、移動および清浄化できることを含むキャニス
タに関連する問題を減少する。本発明のシステムはま
た、非常に小さい電力またはエネルギーで、この分野で
使用される現存の技術と比較されるような結果を達成で
きる。
本発明の電子ビーム変換システムは、例えば、焼却シ
ステムで必要とされるよりも少ない燃料で、毒物を他の
形状へ変換できる。実際に、基本的な動作モードにおい
て、酸素のような物質が、処理されるべき流入ガスに加
えて全く必要とされない。よって、従来技術の変換シス
テムに対する本発明の他の利点は、システム流出物の体
積の減少である。
本発明は、処理のために汚染物質を放出すべく加熱を
必要とする場合を除いて、例えば、焼却システムに比べ
て非常に少ない熱的な害しか発生させない。実際に、本
発明の好適実施例が元々エネルギーについて効率的であ
ることは明らかであろう。
以上で与えられた例が、処理される物質が環境へ放出
されるかまたは炭素キャニスタに収集されるところの開
ループシステムを説明したが、本発明の電子ビームシス
テムは、処理される物質が物質源または再生成するため
に続けて回収される他の場所へと戻されるところの閉ル
ープシステムに使用される。システムおよびその要素の
他の変更物が当業者には明らかであろう。本発明を特許
請求の範囲内に広く覆うことを意図としている。
フロントページの続き (72)発明者 ションバーグ、ラッセル・ジー アメリカ合衆国カリフォルニア州94024、 ロス・アルトス・ヒルズ、メロディー・ レーン 12386 (72)発明者 ファッドネス、デイビッド・リチャード アメリカ合衆国カリフォルニア州95136 ―2031、サンノゼ、ストラットフォー ド・パーク・コート 445 (56)参考文献 特開 平４−127530（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−99633（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−179123（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−222213（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−14921（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−343100（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−237861（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−165577（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B01J 19/12 A62D 3/00 B01D 53/32 B01D 53/34

Claims (41)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電子を使用して、揮発性有機化合物を変
    換、処理する処理ユニットであって、 反応チャンバと、 産業プロセスからの揮発性有機化合物を含む流入物を、
    反応チャンバにおいて処理するために十分な電力をもつ
    電子ビームを入射する、反応チャンバ内にある電子入射
    手段と、 反応チャンバを、流入物の源に選択的に取り付け、取り
    外すための第１の取り付け手段と、 反応チャンバを、流出物のための流出手段に選択的に取
    り付け、取り外すための第２の取り付け手段と、 から成る処理ユニット。
  2. 【請求項２】第１の取り付け手段が反応チャンバへの連
    結手段から成り、当該処理ユニットのどの一面の寸法に
    おいても約10フィートより大きくない、請求項１に記載
    の処理ユニット。
  3. 【請求項３】第２の取り付け手段が反応チャンバからの
    連結手段から成る、請求項２に記載の処理ユニット。
  4. 【請求項４】反応チャンバが一端に流入物の入り口を、
    他端に流出物の出口を有するシリンダーから成り、当該
    処理ユニットのどの一面の寸法においても約10フィート
    より大きくない、請求項１に記載の処理ユニット。
  5. 【請求項５】さらに、少なくとも反応チャンバに連結さ
    れ、電子ビームが反応チャンバに入射するように配置さ
    れる一つの電子ビーム源から成る、請求項１に記載の処
    理ユニット。
  6. 【請求項６】反応チャンバに電子ビームを入射する入射
    手段が反応チャンバの壁に形成された口であり、電子ビ
    ーム源がその出力端でその口と整合する真空窓を含む、
    請求項５に記載の処理ユニット。
  7. 【請求項７】真空窓の厚さが約0.002インチ（0.00508c
    m）である、請求項６に記載の処理ユニット。
  8. 【請求項８】さらに、電子ビーム源の出力端で、真空窓
    と反応チャンバの壁に形成された口との間に散乱フォイ
    ルを有する、請求項７に記載の処理ユニット。
  9. 【請求項９】電子ビーム源が、実質的にシリンダー状の
    真空エンベロープ、加速電極、電子放出器、該電子放出
    器からの放出された電子を前記真空エンベロープの軸線
    に実質的にそって加速するために、加速電極に関して電
    子放出器に負の電位を印加する手段、および電子を通過
    させるためのシリンダー状の真空エンベロープの端部に
    ある薄い真空窓、から成り、 電子ビームのエネルギー範囲は、50,000から500,000電
    子ボルトにある、請求項５に記載の処理ユニット。
  10. 【請求項１０】電子ビーム源が50,000から500,000電子
    ボルトまでの電子ビームエネルギーを生成できる、請求
    項１に記載の処理ユニット。
  11. 【請求項１１】反応チャンバの手前で流入物にプロモー
    タを加える手段を含む、請求項１に記載の処理ユニッ
    ト。
  12. 【請求項１２】電子を使用して、揮発性有機化合物を変
    換、処理する処理システムであって、 一つ以上の処理ユニットから成る変換手段と、 該変換手段に揮発性有機化合物を含む流入物を入れるた
    めの流入手段と、 変換手段から流出物を除去するための流出手段と、 流入物を流入手段にから処理ユニットに流入し、流出物
    を処理ユニットから流出手段へと流出する手段と、 から成り、 流入物が処理ユニットを通過する間、流入物の変換、処
    理のために電子ビームを処理ユニットに供給する、少な
    くとも一つの電子ビーム源が、各処理ユニットに連結さ
    れ、 処理ユニットは、当該システムに入った揮発性有機化合
    物の流入物を、中を通過して、流出手段から流出するま
    でに変換、処理する、 上記処理システム。
  13. 【請求項１３】さらに、所定の数のブランチを有する入
    力マニホルドと、同じ所定の数のブランチを有する出口
    マニホルドと、入力マニホルドの指定のブランチを通過
    し、処理チャンバへと流れる流入物の経路を選択的に制
    御する手段とを有する、請求項12に記載の処理システ
    ム。
  14. 【請求項１４】処理ユニットをいろいろな形状に配置す
    るように、当該処理システムの要素を可能な種々の位置
    に位置づけする手段を含む、請求項13に記載の処理シス
    テム。
  15. 【請求項１５】処理ユニットが直列に配置され、最初の
    処理ユニットを流入手段に直列に取り付ける手段、最後
    の処理ユニットを流出手段に直列に取り付ける段を含
    む、請求項13に記載の処理システム。
  16. 【請求項１６】処理ユニットが並列に配置される、請求
    項13に記載の処理システム。
  17. 【請求項１７】電子ビーム源が反応チャンバの壁に形成
    された口に配置され、電子ビーム源が電子を、口と整合
    した真空窓を通して前記反応チャンバに供給する、請求
    項16に記載の処理システム。
  18. 【請求項１８】真空窓と反応チャンバの口との間に散乱
    フォイルが位置する、請求項17に記載の処理システム。
  19. 【請求項１９】電子を使用して、揮発性有機化合物を変
    換、処理するポータブル型の処理システムであって、 電子ビーム源、反応チャンバ、反応チャンバを、揮発性
    有機化合物を含む流入物のための流入手段に選択的に取
    り付け、取り外す第１の取り付け手段、および反応チャ
    ンバを流出手段に選択的に取り付け、取り外す第２の取
    り付け手段から成る処理ユニットと、 一方の場所から他方の場所に処理ユニットを移動するた
    めの輸送手段と、 から成る処理システム。
  20. 【請求項２０】電子ビーム源が50,000から500,000電子
    ボルトの範囲の電子ビームエネルギーを発生させる、請
    求項19に記載の処理システム。
  21. 【請求項２１】電子ビーム源は、反応チャンバに取り付
    けられ、電子を、最初にその電子ビーム源の真空窓を通
    して、次に反応チャンバに入る前にフォイルを通して供
    給し、 そのフォイルは、真空窓を反応チャンバから隔絶する不
    透過性の化学的抵抗バリアから成る、請求項19に記載の
    処理システム。
  22. 【請求項２２】当該処理システムが一分当たり約50,000
    立方フィート（1,415.8m3）となる流量で、揮発性有機
    物を含む流入物を処理できる、請求項21に記載の処理シ
    ステム。
  23. 【請求項２３】電子ビーム源が約５キロワットとなる電
    子ビームの平均出力を供給できる、請求項20に記載の処
    理システム。
  24. 【請求項２４】電子を使用して、揮発性有機化合物を変
    換、処理する処理システムであって、 複数の処理ユニット、および該処理ユニットを選択的に
    直列または並列に配置する手段から成る変換手段と、 該変換手段に揮発性有機化合物を含む流入物を入れるた
    めの流入手段と、 変換手段から流出流を除去するための流出手段と、 流入手段、流出手段、および変換手段を可能な限り種々
    の配置に配列する配列手段と、 該配列手段とともに、流入手段、流出手段、および変換
    手段を、一カ所から他の場所に移動する輸送手段と、 から成り、 各処理ユニットは、反応チャンバ、該反応チャンバ内
    に、電子ビーム源からの電子ビームを該反応チャンバに
    入れる手段、ならびに反応チャンバを流入手段および流
    出手段に連通する手段から成る、 上記処理システム。
  25. 【請求項２５】揮発性有機化合物を変換、処理するため
    に使用される電子用の電子ビーム源であって、 実質的にシリンダー状の真空エンベロープ、加速電極、
    電子放出器、該電子放出器からの放出された電子を加速
    し、少なくとも真空エンベロープの壁の一部である薄い
    真空窓を通すために、加速電極に関して放出器に負の電
    位を印加する手段、および反応チャンバを通過する、揮
    発性有機化合物を含む流入物を電子ビームで、変換し、
    処理するために、真空エンベロープの真空窓を反応チャ
    ンバに連結する手段から成り、 電子ビームのエネルギー範囲が50,000から500,000電子
    ボルトにある、 上記電子ビーム源。
  26. 【請求項２６】真空窓の厚さが約0.002インチ（0.00508
    cm）である、請求項25に記載の電子ビーム源。
  27. 【請求項２７】電子放出器が、電子銃とそこからの電子
    を制御する制御電極とから成り、電子放出器から放出さ
    れた電子は、実質的に，前記真空エンベロープの軸線に
    沿っている、請求項25に記載の電子ビーム源。
  28. 【請求項２８】電子ビームの平均電力が約５キロワット
    までである、請求項25に記載の電子ビーム源。
  29. 【請求項２９】制御電極がパルス信号を受け、当該電子
    ビーム源が約５キロワットまでの、パルス化された電子
    ビームの平均電力を与える、請求項27に記載の電子ビー
    ム源。
  30. 【請求項３０】電子ビームを磁気的に集束する集束コイ
    ルを含む、請求項27に記載の電子ビーム源。
  31. 【請求項３１】真空窓のための冷却手段を含む、請求項
    30に記載の電子ビーム源。
  32. 【請求項３２】真空窓から離れて位置する散乱フォイ
    ル、およびその間に冷却およびパージガスを流す手段を
    含む、請求項31に記載の電子ビーム源。
  33. 【請求項３３】パージガスを、真空窓と散乱フォイルと
    の間を通過させた後、処理のための前記反応チャンバに
    流す通路を含む、請求項32に記載の電子ビーム源。
  34. 【請求項３４】電子を使用して、揮発性有機化合物を変
    換、処理するための処理ユニットであって、 反応チャンバと、 該反応チャンバを通過する揮発性有機化合物を、その反
    応チャンバにおいて化学変換させる電力レベルで、電子
    を反応チャンバに向ける電子ビーム源と、 反応チャンバでの化学変換を強化すべく、電子ビーム源
    の電力レベルを、より高いピーク電力へとパルス化する
    ように制御する制御器と、 から成る処理ユニット。
  35. 【請求項３５】冷却ガスを、電子ビーム源の外側表面、
    そして前記反応チャンバへと流す手段を有する、請求項
    34に記載の処理ユニット。
  36. 【請求項３６】電子ビーム源の外側壁の、電子が通過す
    る部分の近傍に、冷却流体を流す手段を有する、請求項
    34に記載の処理ユニット。
  37. 【請求項３７】電子を使用して、揮発性有機化合物を変
    換、処理するための処理ユニットであって、 反応チャンバと、 該反応チャンバを通過する揮発性有機化合物を、その反
    応チャンバにおいて化学変換させる電力レベルで、電子
    を反応チャンバに向ける電子ビーム源と、 反応チャンバへの電子の適用の間、電子ビーム源におけ
    る真空状態を確実にするために、前記電子ビーム源に接
    続された真空ポンピングシステムと、 から成る処理ユニット。
  38. 【請求項３８】反応チャンバへの電子ビームの平均電力
    が10キロワットまでである、請求項37に記載の処理ユニ
    ット。
  39. 【請求項３９】電子ビーム源の外側壁の、電子が通過す
    る部分の近傍に、冷却流体を流す手段を有する、請求項
    37に記載の処理ユニット。
  40. 【請求項４０】電子ビーム源の外側壁の、電子が通過す
    る部分に散乱フォイルを有する、請求項39に記載の処理
    ユニット。
  41. 【請求項４１】電子を使用して、揮発性有機化合物を変
    換、処理する処理ユニットであって、 反応チャンバと、 該反応チャンバを通過する揮発性有機化合物を、反応チ
    ャンバにおいて化学変換させる電力レベルで、電子を反
    応チャンバに向ける電子ビーム源と、 反応チャンバへの電子の適用の間、電子ビーム源におけ
    る真空状態を確実にするために、電子ビーム源に接続さ
    れた真空ポンピングシステムと、 反応チャンバに、そこでの化学変換をより効率的にする
    ために、プロモータを加える手段と、 から成る処理ユニット。
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