JP6621946B2 - 流体処理装置及び方法 - Google Patents

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Description

本発明は、概して流体流の処理の分野に関し、その特定の成分物質のレベルを制御する装置及び方法に関する。本発明は、特に物理的及び化学的プロセスの流体生成物、特に燃焼プロセスの燃焼生成物中の有害な成分物質のレベルの低減に関する。特に、本発明は燃焼プロセスの排気ガスからの望ましくないエミッションのレベルの低減の向上のための装置に関する。
望ましくない成分物質を含む一次又は副生成物として、一次生成物にとって潜在的に有害であるものとして、又は人の健康又は環境に潜在的に有害なものとして流体出力を生成する様々な物理的及び化学的プロセスがある。特に、健康又は生物圏に潜在的に有害な高レベルの望ましくない物質を依然として含む副生成物流体の環境内への放出の不快さに対して関心が高まっている。
特に、大気中に排気される副生成物ガス流、例えば燃焼煙道ガス流中のこのような有害な成分物質を低減することが一般に望まれている。このような有害の成分物質はしばしば「エミッション」と称されている。本明細書中のこの文脈及び他の文脈において、ガス流への言及は主としてガスの流れを指すが、流れに混入される又は同伴されるガス状液滴、粒子等も含み得る。本明細書においてガス流中の「エミッション」への言及はガス流の気相成分並びにこのような流動的に混入された蒸気液滴、粒子等を含み得る。
本発明は特に、「エミッション」の低減及び熱発生器、内燃エンジン等の燃焼装置からの排気煙道ガスの「浄化」、と関連する。工業世界は主として様々な環境で働く機械的エネルギーを提供し得る燃焼エンジンを軸に発展し、環境に大きな変化をもたらした。しかし、燃焼エンジンの使用は工業生産を著しく増加したが、不利益を伴うことは確かである。例えば、燃焼エンジンはガソリンやディーゼル燃料（すなわち炭化水素）等の化石燃料で動き、化石燃料は主に原油の精製により生産され、動力エンジン（自動車、船、飛行機等）のための容易に運搬可能なエネルギー貯蔵器を提供している。しかし、このようなエンジン内での燃料の燃焼は決して完全燃焼ではなく、その結果として従来のガス及びディーゼル燃料を使用するエンジンは過度の燃料消費及び低いエンジン効率に悩まされている。その上、廃棄燃焼煙道ガス中の潜在的な有害エミッションがＮＯｘ（窒素酸化物）、未燃焼ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＮＯ２(二酸化窒素)、ＮＯ（一酸化窒素）等の汚染物質及び温室効果ガスを大気に与え得る。
それゆえ、これらのエミッションを低減し得る装置及び方法が非常に望ましい。
従って、本発明の目的は、排気沿道ガスを「浄化」し、「エミッション」を低減するための装置及び方法を提供することにある。
本発明の好ましい実施形態は従来技術の上記の欠点の１つ以上を克服しようとしている。
本発明の第１の実施形態によれば、１つ以上の特定の成分物質のレベルを制御するように複数の成分物質を有する流体物質を処理する流体処理装置が提供され、該流体処理装置は、
反応室と、
処理すべき流体物質の外部供給源から前記反応室への流体連通路を与えるように構成された、前記流体物質の前記反応室への流入及び通過を可能にする流体入口と、
前記反応室からの流体連通路を与えるように構成された、前記反応室からの前記流体物質の流出を可能にする流体出口と、
前記反応室内に動作可能に結合され、所定の第１の波長の電磁放射を前記反応室を通過する流体物質に結合させるように構成された、第１の導波管入力ポート及び第１の導波管出力ポートを有する少なくとも１つの第１の電磁放射（ＥＭＲ）導波管と、
を備える。
本装置は、反応室容積を横切る所定の波長の電磁放射の「結合」は反応室容積を通過する流体流を処理するためのエネルギー源を提供することができる利点を提供する。電磁放射波長及び反応室の寸法及び構成、特に第１の導波管入力ポート及び第１の導波管出力ポートの位置の適切な選択に従って、エネルギーを反応室内の規定された反応ゾーンを通過する流体物質の成分に与え、有害成分物質のレベルを制御し、調製し、要望どおりに有害成分物質のレベルを低減することができる。本発明のこの態様は装置に関し、いかなる物理的理論により限定されないが、条件の適切な選択によって「電磁放射の「結合」は流体流から成分物質を分離及び除去する要求に適合させることができると考えられる。
本装置は燃焼プロセスの排気ガスからの望ましくないエミッションのレベルの低減を改善するために排気ガス流に適用し、燃焼による潜在的なエミッション排気を最小化するのに特に有利である。本発明の装置は既存の内燃エンジン内、例えば既存の排気システム内でその排気エミッションを低減するためのコンポーネント又は改良手段として使用することができる。
典型的な実施形態では、前記反応室は外周壁で規定されてよく、前記第１の導波管入力ポート及び前記第１の導波管出力ポートは、前記反応室内に規定された反応容積を横切って動作可能に結合されるように前記外周壁上の互いに離間した場所に動作可能に結合される。好ましくは、前記反応室は、前記反応室を通過する前記流体物質を前記流体入口から前記流体出口に向けて連続旋回流にして押し流すように構成してよい。より好ましくは、前記反応室の外周壁は、前記流体入口から入り前記反応室を通過する前記流体物質を前記流体出口に向けて連続旋回流にして押し流すように構成してよい。この構成は、流体物質が反応室内により長い時間維持され、ＥＭＲから流体物質により多くのエネルギーを結合することができるという利点をもたらす。
この実施形態では、前記第１の電磁放射（ＥＭＲ）導波管は、前記反応室内に規定された反応容積を横切って離間した第１及び第２の部分を備え、第１の部分が前記第１の導波管入力ポートを含み、第２の部分が前記第１の導波管出力ポートを含む。例えば、前記第１の電磁放射（ＥＭＲ）導波管は、前記反応室内に規定された反応容積を横切って動作可能に結合するように前記外周壁上の互いに離間した場所にそれぞれ設けられた第１及び第２のＥＭＲカプラを備える。
有利には、前記第１の導波管入力ポート及び第２の導波管出力ポートは、前記反応室内に規定される反応容積の全幅を横切って動作可能に結合するように、前記外周壁上の互いに対向する場所に設けられる。従って、例えば前記第１及び第２のＥＭＲカプラは前記外周壁上の互いに対向する場所に設置される。
有利には、前記少なくとも１つの第１の電磁放射（ＥＭＲ）導波管は、前記所定の第１の波長の電磁放射を前記反応室に結合するように構成された光学インタフェースを備える。
有利には、前記光学インタフェースは、前記導波管入力ポートに動作可能に結合された第１のインタフェース部材及び前記導波管出力ポートに動作可能に結合された第２のインタフェース部材を備える。
有利には、前記第１のインタフェース部材及び前記第２のインタフェース部材は、前記所定の第１の波長の電磁放射に対して少なくとも部分的に透明に構成された前記壁の部分よりなる。
前記第１のインタフェース部材及び前記第２のインタフェース部材の各々は、例えば前記所定の第１の波長の電磁放射に対して少なくとも部分的に透明な材料から造られた閉鎖プラグを有する前記壁の有孔部分よりなる。例えば、各インタフェース部材はガラス閉鎖プラグが設けられた前記壁の有効部分よりなる。
有利には、前記第１の電磁放射（ＥＭＲ）導波管は、前記第１の導波管入力ポート及び前記第１のインタフェース部材に動作可能に結合された第１のＥＭＲカプラと、前記第１の導波管出力ポート及び前記第２のインタフェース部材に動作可能に結合された第２のＥＭＲカプラと、を備える。
電磁放射波長及び反応室の構成などのパラメータの適切な選択に従って、電磁放射を使用中に反応室内に規定される反応ゾーンを通過する流体物質の成分に結合して、有害成分物質のレベルを制御し、調製し、要望どおりに低減することができる。
好ましい場合には、前記装置が構成され、前記所定の第１の電磁放射の波長が、前記反応室を横切って、例えば前記第１の導波管入力ポート及び第１の導波管出力ポートのそれぞれの結合位置の間に規定される反応ゾーンを横切って、定在波を発生するように選択される。
例えば、前記反応室が構成され、前記第１の導波管入力ポート及び前記第１の導波管出力ポートの位置及び前記所定の第１の電磁放射の波長が使用中にそのように規定された反応ゾーンを横切って定在波を発生するように選択される。
好ましくは、前記所定の第１の波長は３００ＧＨＺ〜３００ＭＨｚ（マイクロ波）のそれぞれの周波数スペクトルにおいて１ｍｍ〜１メートルである。より好ましくは、前記所定の第１の波長は１００ＧＨＺ〜５００ＭＨｚのそれぞれの周波数スペクトルにおいて３ｍｍ〜０．６メートルである。
使用中、処理すべき流体物質は前記流体入口に供給される。
より完全には、前記装置は前記反応室に処理すべき流体物質を供給することができるように前記流体入口に流体結合された流体物質供給源を備える。
前記装置は、前記反応室から流体物質を流出させて排出することができるように前記流体出口に流体結合された流体物質排出導管を更に備えてよい。
燃焼排気流を処理する発明の好ましい用途においては、前記流体物質供給源は燃焼煙道ガス導管としてよく、前記流体物質排出導管は燃焼煙道ガス排気管としてよく、従って反応室は燃焼煙道ガス流内に１つ以上の成分物質のレベルを調整又は制御するためのコンポーネント又は調整器として配置される。
例えば、エミッションを低減するために内燃エンジンからの排気ガスを処理する本発明の特に好ましい用途においては、反応室は内燃エンジンの排気システム内にその排気エミッションを低減するためのコンポーネントまたは調整器として配置してよい。内燃エンジンの既存の設計の排気システム内への本発明の原理を具現する反応室の挿入はエミッションの低減という利点をもたらし、他のコンポーネントを潜在的に簡単及び／又は低いコストで変更もしくは省略することができる。
有利には、処理すべき流体物質は高温にしてよい。多くの用途では、流体物質は燃焼プロセスなどの産業プロセスの、すでに高温である、生成物としてよい。加えて又は代わりに、加熱装置を設けてもよい。
この場合には、本発明の装置は、
前記反応室に処理すべき流体物質を供給することができるように前記流体入口に流体結合された流体物質供給源と、
前記流体物質供給源と前記反応室との間に流体結合され、前記流体物質が前記反応室に所定の温度で供給されるように前記流体物質にエネルギーを伝達するよう構成された加熱器アセンブリと、
を更に備え得る。
有利には、前記所定の温度は３００℃より大きくしてよい。より好ましくは、前記所定の温度は５００℃より大きくしてよい。更により好ましくは前記所定の温度は６００℃より大きくしてよい。
有利には、前記少なくとも１つの第１の電磁放射（ＥＭＲ）導波管は低いバルク低効率を有する材料製としてよい。有利には、前記少なくとも１つの第１の電磁放射（ＥＭＲ）導波管は金属材料製としてよい。好ましくは、金属材料は、アルミニウム、銅、銀、金及びそれらと他の金属の合金から選択してよい。可能な材料は真ちゅうである。
有利には、前記流体処理装置は、前記導波管入力ポートに動作可能に結合された、所定の第１の波長の電磁放射（ＥＭＲ）を発生する電磁放射（ＥＭＲ）発生器を更に備える。
有利には、前記ＥＭＲ発生器は、前記第１の電磁放射（ＥＭＲ）導波管の第１の導波管入力ポートに動作可能に結合可能な入力伝送線路と、前記第１の電磁放射（ＥＭＲ）導波管の第１の導波管出力ポートに動作可能に結合可能な出力伝送線路と、を更に備え、前記電磁波発生器、前記入力伝送線路及び前記出力伝送線路は前記第１の電磁放射（ＥＭＲ）導波管と閉ループＥＭＲ回路を形成するように構成される。
有利には、前記ＥＭＲ発生器はマイクロ波発生器としてよく、前記発生する電磁放射は３００ＧＨＺ〜３００ＭＨｚ（マイクロ波）のそれぞれの周波数スペクトルにおいて１ｍｍ〜１メートルの波長を有し、より好ましくは、前記発生する電磁放射は１００ＧＨＺ〜５００ＭＨｚのそれぞれの周波数スペクトルにおいて３ｍｍ〜０．６メートルの波長を有する。
好ましくは、前記ＥＭＲ発生器はクライストロン、ジャイロトロン、マグネトロン及び固体電子源のうちのいずれか一つとしてよい。
有利には、前記電磁放射（ＥＭＲ）発生器は、前記電磁放射（ＥＭＲ）と前記流体物質との結合を最適化するように構成してよい。好ましくは、前記電磁放射（ＥＭＲ）と前記流体物質との結合は所定の制御アルゴリズムを用いて自動的に最適化してよい。有利には、前記流体入口は前記流体物質の初期流体圧力を前記流体入口を通過する際に所定の第１の流体圧力に変化させるように構成してよい。好ましくは、前記所定の第１の流体圧力は前記初期流体圧力より大きくてよい。
有利には、前記流体出口は前記流体物質の室圧力を前記流体出口を通過する際に所定の第２の流体圧力に変化させるように構成してよい。好ましくは、前記所定の第２の流体圧力は前記室圧力より大きくてよい。より好ましくは、前記第１の所定の流体圧力は前記第２の所定の流体圧力より大きくてよい。
従って、縮小ポートである前記流体入口は加圧流体を生成し、同様に縮小ポートである前記流体出口はマイクロ波場の近くの圧力及びスピン効果の維持を助け、これはジュール−トムソン効果のガス膨張効果に役立つ。更に、電磁場強度は維持され、流量、容積、圧力及び温度に対して測定され、各パラメータが所望のＡＲＣＳ効果の達成に役立つようにしてよい。
本発明の好ましい実施形態は上述した従来技術の欠点の１つ以上を克服することにある。
本発明の他の実施形態によれば、流体物質を処理する流体処理装置が提供され、該流体処理装置は、
反応室と、
処理すべき流体物質の外部供給源から前記反応室への流体連通路を与えるように構成された、前記流体物質が前記反応室に流入し通過し得る流体入口と、
前記反応室からの流体連通路を与えるように構成され、前記反応室から前記流体物質が流出し得る流体出口と、
前記反応室内に動作可能に結合され、所定の第１の波長の電磁放射を前記反応室を通過する流体物質に結合させるように構成された、少なくとも１つの第１の導波管入力ポートを有する少なくとも１つの第１の電磁放射（ＥＭＲ）導波管と、
を備える。
本発明の更に他の実施形態によれば、複数の成分物質を有する流体物質を１つ以上の特定の成分物質のレベルを制御するように処理する方法であって、該方法は、
前記流体物質が流入し通過するように構成された反応室を準備するステップと、
前記反応室内に動作可能に結合され、所定の第１の波長の電磁放射を前記反応室を通過する流体物質に結合させるように構成された、第１の導波管入力ポート及び第１の導波管出力ポートを有する、少なくとも１つの第１の電磁放射（ＥＭＲ）導波管を準備するステップと、
流体物質を前記反応室に流入させ通過させるステップと、
電磁放射を前記少なくとも一つの第１の電磁放射（ＥＭＲ）導波管を通過させて前記反応室を横切って結合させるステップと、
を備える。
したがって、本方法によって、処理すべき流体物質が反応室を通過する最中に、ＥＭＲ放射を反応室により規定される反応ゾーンを横切って結合させる。装置に関して説明するように、本方法によって、反応室を通過する流体物質の処理に対するエネルギー源を提供することができる。電磁放射波長及び反応室の寸法及び構成の適切な選択に従って、エネルギーを反応室内の規定された反応ゾーンを通過する流体物質の成分に与え、有害成分物質のレベルを制御し、調製し、要望どおりに有害成分物質のレベルを低減することができる。
本方法は燃焼プロセスの排気ガスからの望ましくないエミッションのレベルの低減を改善するために排気ガス流に適用し、燃焼による潜在的なエミッション排気を最小化するのに特に有利である。本方法は既存の内燃エンジン内、例えば既存の排気システム内でその排気エミッションを低減するために使用することができる。
本方法は特に、本発明の第１の実施形態の原理を具現する装置を動作させる方法であり、好ましい方法手順は類推により理解される。
特に、本方法は、前記第１の導波管入力ポート及び前記第１の導波管出力ポートを前記反応室内に規定される反応容積を横切って動作可能に結合されるように前記反応室の外周壁上の互いに離間した場所に動作可能に結合することによって、前記第１の導波管入力ポート及び前記第１の導波管出力ポートを前記反応室内に結合するステップを備える。
特に、本方法は、前記第１の導波管入力ポート及び前記第２の出力ポートを前記反応室内に光学インタフェースによって動作可能結合するステップを備え、例えば第１のインタフェース部材及び第２のインタフェース部材は所定の第１の波長の電磁放射に対して少なくとも部分的に透明に構成された前記壁の部分よりなる。
好ましくは、本方法は前記反応室を横切って定在波を発生するステップを備える。
好ましくは、前記所定の第１の波長は３００ＧＨｚ〜３００ＭＨｚ（マイクロ波）のそれぞれの周波数スペクトルにおいて１ｍｍ〜１メートルである。
次に本発明の好適実施形態を添付図面を参照して以下に記載するが、これはほんの一例にすぎず、本発明を限定する意図はない。
内燃エンジンの排気システム用に適した本発明の一実施形態による装置の断面図を示す。 車両排気エミッションの制御に適用した際の本発明の原理を試験する試験システムの概略図を示す。 このような試験の結果を示すグラフである。 このような試験の結果を示すグラフである。 このような試験の結果を示すグラフである。 このような試験の結果を示すグラフである。 このような試験の結果を示すグラフである。 このような試験の結果を示すグラフである。 このような試験の結果を示すグラフである。 このような試験の結果を示すグラフである。 排気管内のマイクロ波性能の試験セットアップを示す。 （ａ）導波管（直径１５ｍｍ）及び（ｂ）本発明のＡＲＣＳ装置（導波管の直径１５ｍｍ）を備える排気管内のエネルギー場分布を示す。 例示的な排気管の様々な図（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）を示す。 マイカディスクを用いてＡＲＣＳ反応室をそれぞれの導波管に結合したモジュラーＡＲＣＳ装置の例示的な実施形態を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図及び（ｃ）は半透視斜視図である。 排気管内に設置するのに適したブロック部材に組み込まれた導波管に動作可能に結合されたＡＲＣＳ装置反応室を示し、（ａ）は半透視上面図、（ｂ）は半透視側面図及び（ｃ）は半透明斜視図である。 図１５に示すブロック部材を備える例示的な排気管の斜視図である。 １０個の動作可能に結合可能なＡＲＣＳモジュールと２つの端板と中心ロッドを備えるＡＲＣＳモジュールチャンバアセンブリを示す。 図１７に示すＡＲＣＳモジュールチャンバアセンブリの分解されたＡＲＣＳモジュールと２つの端板を示す。 材料の単一ブロックから製造された図１７に示すＡＲＣＳモジュール代替実施形態を示す。 図１９のＡＲＣＳモジュールの例示的なプラグ及び例示的なマイカディスク並びに中心ロッドを更に示す分解図である。 フランジが排気管の中間点に溶接された本発明の代替実施形態（導波管出力ポートなし）を示し、（ａ）は部分斜視図、（ｂ）は上面図及び（ｃ）は分解図である。 Ｔ字形フィードを有する排気管内の使用中の電界分布を示す。
本発明の原理は、例えば燃焼エンジンの排気流中の排気燃焼生成物の「浄化」に適用するのが特に好ましい。図１は内燃エンジンの排気システム用に適した本発明の一実施形態による装置の断面図を示す。
本発明のこの適用例によれば、装置１００を排気出力パス内に設けることによって、排気煙道ガスを「浄化」（すなわちＮＯＸ，ＣＯ等の有害排気の低減）することができる。例えば、装置１００は排気ガスから有害な成分を低減又は除去するために燃焼エンジン（例えば、ディーゼル又はガソリンエンジン）の排気管に設けることができる。
装置１００は、開口反応室１０４を規定する凸状中央部１０３を有する細長い管１０２の形の本体を含む。管の両端はそれぞれ入口及び出口を規定し、該入口及び出口は好ましい用途では燃焼エンジンの排気管（図示せず）と流体連通し、例えば排気管に組み込まれる。それによって、処理すべき排気ガスの流れは使用中反応室１０４内に連続的に維持され通過する。一般的に、本発明の効果的な機能のためには、排気ガスは高温であることが望ましく、従って入口端は排気マニホルドの下流に近接配置するのが好ましい。加えて又は代わりに、加熱器（図示せず）を入口の上流に設けてもよい。
所定の波長のマイクロ波電磁放射を反応室１０４を横切って結合するためにＥＭＲ導波管システムが設けられる。このシステムは、反応室１０４を規定する凸状壁１０３の最大幅部の正対辺にそれぞれ置かれた第１及び第２のＥＭＲカプラ１２０，１２２を含む。第１及び第２のＥＭＲカプラ１２０，１２２はそれぞれ導波管入力ポート及び導波管出力ポートを規定し、それらのポートはマイクロ波発生器（例えば、０−１００Ｗ入力、２．４５ＧＨｚ）及び電源と入力伝送線路及び出力伝送線路を介して結合され、それらは周囲の発生器アセンブリ１１０として一緒にコンパクトに関連させて概略的に示されている。第１及び第２のＥＭＲカプラ１２０，１２２は凸状壁１０３の孔に埋め込まれ気密に封止されたガラスプラグの形の第１及び第２の光学インタフェース１２４，１２６にそれぞれ結合される。
この構成は入力伝送線路及び出力伝送線路を介してそれぞれのＥＭＲカプラ１２０，１２２に接続されたマイクロ波発生器と閉ループＥＭＲ回路を形成する。ＥＭＲカプラ１２０，１２２はＥＭＲ放射を反応室１０４内の空洞を横切って動作可能に結合し、よってＥＭＲ放射を反応室を通過する排気ガスに結合する。定在波Ｗが反応室１０４内の第１及び第２の光学インタフェースの間に発生し得る。
従って、使用中、処理すべき排気が反応室１０４中を通過する最中に、ＥＭＲ放射を反応室１０４により規定される反応ゾーンを横切って結合することができる。エネルギーを反応ゾーンを通過する排気ガス流の成分にエミッションのレベルを低減するように与えることができる。
装置１００による「浄化」後に、排気ガスは高率の酸素を含み得るため、「浄化された」ガスはエンジンのエネルギー効率を高めるために燃焼エンジンに再循環させることができる。
車両エミッション低減装置として以下で頭文字ＡＲＣＳにより参照されるプロトタイプ装置の試験を行った。
試験は、要すれば、十分に暖められたディーゼル車両からの排気ガスをＡＲＣＳ装置に通し、エンジンアイドリング中のデータをプロプリエタリワークショップの５ガス排気エミッションアナライザを用いて記録することを含む。ＡＲＣＳ装置のアクティブ時及びＡＲＣＳパッシブ時のデータログを取得した。ＡＲＣＳ装置は１〜１００Ｗの調整可能な入力電力範囲を有する。今回の研究に対して入力電力は４５Ｗに制限した。
排気ガスエミッションはＳｙｋｅｓ Ｐｉｃｋａｖａｎｔ社の５ガス排気エミッションアナライザを用いて分析した。分析した５つのガスは一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ２）、酸素（Ｏ２）、炭化水素（ＨＣ）及び一酸化窒素（ＮＯ）である。
車両のデュアル排気管からの排気ガスは約３．３ｍの長さの２つの可撓性排気ホースに通され、その後プラスチックのＹピースを用いて１つのホースに結合される。約１．８ｍの更なるホースがこのＹピースをＡＲＣＳ装置に接続する。ＡＲＣＳハードウェアは燃料改質用に主として設計されているので、排気ホースをＡＲＣＳ装置に結合するために多くのアダプタが必要とされている。排気ガスは、ＡＲＣＳ装置を通過した後に、排気分析プローブが挿入された垂直に装着された約０．８８ｍ長の透明プラスチックスタックパイプ内に流出する。分析プローブは約５ｍの透明ホースでアナライザに接続されている。ＡＲＣＳ装置までのホースの概略図が図２に示されている。
試験シーケンスの開始時に、車両は始動されアイドリングされ、エンジン及び処理システムの排気を通常運転温度に暖めることができる。ＡＲＣＳオンのときとＡＲＣＳオフのときの２つの試験を１回の連続車両アイドリング中に連続的に実効した。
２つの試験の１つはＡＲＣＳ装置アクティブのときに、他の１つはＡＲＣＳパッシブのときに実行した。各テストの前に、排気ガスアナライザのゼロチェック手順を実行した。この手順は、試験施設からプローブを除去し、作業所環境の外部の新鮮な空気をサンプリングすることを含む。新鮮な空気を６０秒間サンプリングした後に、ＣＯ，ＨＣ，ＣＯ２及びＮＯの測定値はゼロであり、酸素の測定値は２０．９％であった。
ＡＲＣＳオン試験のセットアップ中は、車両排気管は切り離されて作業所の外部に排出され、車両はアイドリング状態に維持される。試験の開始時に、アナライザのデータ記録が開始され、排気管は再び接続される。適切な遅延時間後にアナライザに排気ガスエミッションの記録を許可するために、ＡＲＣＳ装置がスイッチオンされる。試験の終わり頃に、ＡＲＣＳ装置はスイッチオフされ、排気ガスエミッションの変化が記録される。ＡＲＣＳオフ試験の場合には、アナライザの排気サンプリングプローブがＹピースの後の排気ダクト内に設置され、排気ガスが作業所の外部に排出される。全てのエミッションデータは１秒のサンプリングレートで取得された。
ＡＲＣＳオフ時の試験の結果は以下の図に要約される。
図３：ＡＲＣＳオフ時のＣＯ２エミッション
図４：ＡＲＣＳオフ時のＯ２エミッション
図５：ＡＲＣＳオフ時のＣＯエミッション
図６：ＡＲＣＳオフ時のＮＯエミッション
アナライザはサンプル３において排気内に導入した。２０秒のアナライザ応答遅延を考慮してエミッション構成物質の各々の平均値をサンプル２３〜サンプル４１８に対して計算した。これらは表１に示されている。
ＡＲＣＳオン時のテストの結果は以下の図に要約されている。
図７：ＡＲＣＳオン時のＣＯ２エミッション
図８：ＡＲＣＳオン時のＯ２エミッション
図９：ＡＲＣＳオン時のＣＯエミッション
図１０：ＡＲＣＳオン時のＮＯエミッション
ＡＲＣＳ装置はサンプル６５でスイッチオンし、サンプル３１１でスイッチオフした。２０秒のアナライザ応答遅延を考慮してエミッション構成物質の各々の平均値をサンプル８５〜サンプル３１０に対して計算した。これらは表２に提示されている。
ＡＲＣＳオフ時とＡＲＣＳオン時の平均エミッションの比較は、ＡＲＣＳオンではＣＯ２エミッションが減少し、ＣＯエミッションが増加する。ＣＯ２エミッションの減少は約６２％であり、ＣＯエミッションの増加は約２２２％である。Ｏ２及びＮＯエミッションはＡＲＣＳオフとＡＲＣＳオンとの間で同等である。
ＣＯ２エミッションの検査は、ＡＲＣＳオフ時のＣＯ２エミッションが図４に、ＡＲＣＳオン時のＣＯ２エミッションが図８に示され、ＡＲＣＳオン時の平均エミッションの減少はばらつきの増加と関連することを示す。
ＣＯエミッションの検査は、ＡＲＣＳオフ時のＣＯエミッションが図５に、ＡＲＣＳオン時のＣＯエミッションが図１０に示され、ＡＲＣＳオン時の平均エミッションの増加はばらつきの増加と関連することを示す。
試験は、ＡＲＣＳ装置は、４５Ｗの適度のパワーレベルで動作するとき、プロプリエタリワークショップの５ガス排気エミッションアナライザにより検出される車両排気エミッションの組成を変更する能力を有することを示している。ＣＯ２エミッションの６２％の低減及びＣＯの２２２%の増加が観測された。このＣＯエミッションの増加を本文中で評価するには、ガソリンエンジン車両はイギリスのＭＯＴ検査時にアイドリング状態ＣＯエミッション検査を免れない。通常のアイドリング状態におけるＣＯエミッションは０．３％未満でなければならない。試験作業は本質的に低いアイドリングＣＯエミッションを有するディーゼルエンジン車両に対して行われたので、図の増加したＣＯエミッションでもガソリンの制限値より十分に低い。
別の例では、装置１００の原理を具現する装置のアレイアセンブリを燃料ガスの「浄化」のためにパワープラントのガススタック内に設けることができる。特に、このアレイアセンブリは本明細書の装置１００の複数の反応器ユニットを燃料ガススタックの煙突内に収まるように構成されたアセンブリを形成するように配列して造ることができ、並列に配列された複数の反応器ユニットは装置１００を活性化するために１つのＥＭＲ源又は複数のＥＭＲ源の何れかに動作可能に結合される。
＜ＡＲＣＳの実施形態の排気装置設計への実装例＞
本明細書の装置１００の一実施形態を使用するとき、電力密度、電界強度、ガス膨張、ガス再循環（スピン効果）圧力、及び温度が（流体物質のＡＲＣＳ反応室１０４の通過並びに流体物質へのマイクロ波エネルギーの結合に適した）所定の仕様に従って維持されることが重要である。また、装置１００の反応室１０４は所要の流体の流れ及び圧力を与えるように設計しなければならない。反応室の内壁及び流体流入ポート及び流体流出ポートは、流体流入ポートを経て流入する流体物質が反応室１０４を通過する際に連続回転又はループ流（旋回流）になって押し流されるように成形され、その結果流体物質が反応室１０４から流体流出ポートを経て流出する前に流体物質がエネルギー場内に存在する時間が最大になる。流体流入ポートと流体流出ポートは両方とも流体物質が通過する際に流体圧力を増加するように構成され、流入ポートにより与えられる流体圧力の方が流出ポートにより与えられる流体圧力より大きいため、流体流入ポートからの流体流出ポートへの正方向の流れが維持される。更に、加圧された流体物質が反応室に入る際に流体の急膨張が流体物質を冷却し得る（ジュール−トムソン効果）。
一つの実施形態では、本発明の装置１００は排気管２００内に動作可能に実装される。装置１００により提供される利点を証明するために、最初に排気管自体を試験して水蒸気がマイクロ波性能にどのくらい影響し得るかを示す。図１１に示す例示的な試験では、ガス測定値の変化は観測されなかった。供給した電力は１００Ｗであった。
次に図１２を参照するに、（ａ）排気導波管２０２（１５ｍｍ）及び（ｂ）ＡＲＣＳ導波管内のエネルギー場分布が比較されている。図示の例では、ＡＲＣＳ導波管の電力対容積比は排気管と比較して５０〜１００倍大きい。
（ｉ）モジュラーＡＲＣＳアセンブリ
モジュラー設計の装置３００を使用する場合には、マイカプラグ３０２が相互接続プラグとなり、１つの導波管３０４を用いてすべてのモジュールを接続することもできる。これは製造コストの低減の助けとなり、低エネルギー消費ユニットを維持することもできる。このようなモジュラーユニット３００の一例が図１４に示されている。
図１５は単一モジュラー装置３００（反応室ユニットのみ）が導波管３０４に動作可能に結合される実施形態を示し、導波管は排気管２００内に収容するのに適したブロック３０６内に設置される。排気管２００内のこのアセンブリは図１６に示されている。
１０個の相互接続モジュール装置４０２のアセンブリ４００が図１７に示されている。２つの端板４０４がアセンブリ４００のそれぞれの端に設けられている。適切な導波管４０６が相互接続モジュラー装置４０２のそれぞれの穴に挿通して設けられる。それぞれのプラグ４０８が流体入口ポート及び流体出口ポートとして機能するように使用される。図１８は相互接続モジュラー装置４０２の単一ユニット及び各端板４０４の例示的な実施形態を示す。使用中、アセンブリ４００はブロック３０６内に設けられ、該ブロック３０６はその後排気管２００内に設置される。
（ii）一体成形ＡＲＣＳモジュール
図１９及び図２０は複数の装置５０２を備えるモジュール５００の例示的な実施形態を示す。このモジュールはアセンブリ全体の強度向上及び使い易さのために材料（例えば金属）の一体成形からなる。図２０に示すように、マイカディスク５０４がモジュール５００に機械加工されたそれぞれのスロット５０６に挿入される。それぞれのプラグ５０８が各反応室の流体入口及び流体出口にねじ込まれ、中心導波管５１０がモジュール５００の全長に挿通される。
更に別の実施形態では、単一の導波管入力ポートは適切なフランジ部分６００（図２１参照）により提供されるＴ字形フィード（図２２参照）によって提供される。フランジ部分６００は排気管２００に溶接してよい。Ｔ字形フィードにより排気管２００に提供される典型的なエネルギー場分布は図２２に示される。この実施形態では、導波管出力ポートは存在せず、即ち定在波は反応室内壁でのＥＭＲの反射により発生し得る。
当業者なら、上記の実施形態はほんの一例として説明され、限定の意図はないこと、及び添付の請求の範囲で特定される発明の範囲から逸脱することなく様々な代替及び変更が可能であることは認識されよう。

Claims (28)

  1. 流体物質を処理する流体処理装置であって、該流体処理装置は、
    外周壁で規定された反応室と、
    処理すべき流体物質の外部供給源から前記反応室への流体連通路を与えるように構成された、前記流体物質の前記反応室への流入及び通過を可能にする、流入ポートを有する、流体入口と、
    前記反応室からの流体連通路を与えるように構成された、前記反応室からの前記流体物質の流出を可能にする、流出ポートを有する、流体出口と、
    導波管入力ポートに動作可能に結合された第１のインタフェース部材及び導波管出力ポートに動作可能に結合された第２のインタフェース部材を備える光学インタフェースを有し、前記導波管入力ポート及び前記導波管出力ポートが前記反応室の前記外周壁上の互いに正対し離間した場所に動作可能に結合され、所定の第１の波長の電磁放射を前記反応室を通過する流体物質に結合させてエネルギーを前記反応室を通過する前記流体物質に与えるように構成され、波が前記反応室の前記第１のインタフェース部材及び第２のインタフェース部材の間に発生する少なくとも１つの電磁放射（ＥＭＲ）導波管と、を備え、
    前記反応室の前記外周壁、前記流体入口及び前記流体出口は、前記流体入口から受けた前記流体物質が前記反応室を通過する際に連続旋回流として前記流体出口に向かって押し流されるように構成され、
    前記流入ポートは前記流体物質が流体流入ポートを通って前記反応室に入る際に前記流体物質の初期流体圧力を所定の第１の流体圧力に変化させるように構成され、
    前記流出ポートは前記流体物質が流体流出ポートを通って前記流体出口に入る際に前記流体物質の室流体圧力を所定の第２の流体圧力に変化させるように構成されている、流体処理装置。
  2. 前記電磁放射（ＥＭＲ）導波管は、それぞれの導波管入力ポート及び導波管出力ポートに設けられた第１及び第２のＥＭＲカプラを備えている、請求項１に記載の流体処理装置。
  3. 前記第１のインタフェース部材及び前記第２のインタフェース部材は、所定の波長の電磁放射に対して少なくとも部分的に透明に構成された前記壁の部分を備えている、請求項２に記載の流体処理装置。
  4. 前記第１のインタフェース部材及び前記第２のインタフェース部材の各々は、所定の波長の電磁放射に対して少なくとも部分的に透明な材料から造られた閉鎖プラグを有する前記壁の有孔部分を備えている、請求項３に記載の流体処理装置。
  5. 各インタフェース部材はガラス閉鎖プラグが設けられた前記壁の有孔部分を備えている、請求項４に記載の流体処理装置。
  6. 前記少なくとも１つの電磁放射（ＥＭＲ）導波管は、前記導波管入力ポート及び前記第１のインタフェース部材に動作可能に結合された第１のＥＭＲカプラと、前記導波管出力ポート及び前記第２のインタフェース部材に動作可能に結合された第２のＥＭＲカプラと、を備えている、請求項３−５の何れか一項に記載の流体処理装置。
  7. 使用中に定在波が発生されるように前記反応室が構成され且つ及び前記所定の波長が選択される、請求項１−６の何れか一項に記載の流体処理装置。
  8. 前記所定の波長は３００ＧＨＺ〜３００ＭＨｚ（マイクロ波）のそれぞれの周波数スペクトルにおいて１ｍｍ〜１メートルである、請求項１−７の何れか一項に記載の流体処理装置。
  9. 前記所定の波長は１００ＧＨＺ〜５００ＭＨｚのそれぞれの周波数スペクトルにおいて３ｍｍ〜０．６メートルである、請求項８に記載の流体処理装置。
  10. 前記反応室に処理すべき流体物質を供給することができるように前記流体入口に流体結合された流体物質供給源を更に備えている、請求項１−９の何れか一項に記載の流体処理装置。
  11. 前記反応室から流体物質を流出させ送り出すことができるように前記流体出口に流体結合された流体物質排出導管を更に備えている、請求項１０に記載の流体処理装置。
  12. 前記流体物質供給源と前記反応室との間に流体結合され、前記流体物質が前記反応室に所定の温度で供給されるように前記流体物質にエネルギーを伝達するよう構成された加熱器アセンブリを更に備えている、請求項１０又は１１に記載の流体処理装置。
  13. 前記導波管入力ポートに動作可能に結合された、所定の波長の電磁放射（ＥＭＲ）を発生する電磁放射（ＥＭＲ）発生器を更に備えている、請求項１−１２の何れか一項に記載の流体処理装置。
  14. 前記ＥＭＲ発生器は更に、前記少なくとも１つの電磁放射（ＥＭＲ）導波管の前記導波管入力ポートに動作可能に結合可能な入力伝送線路と、前記少なくとも１つの電磁放射（ＥＭＲ）導波管の前記導波管出力ポートに動作可能に結合可能な出力伝送線路と、を備え、
    マイクロ波発生器、前記入力伝送線路及び前記出力伝送線路は前記少なくとも１つの電磁放射（ＥＭＲ）導波管と閉ループＥＭＲ回路を形成するように構成されている、請求項１３に記載の流体処理装置。
  15. 前記ＥＭＲ発生器はマイクロ波発生器であり、前記発生される電磁放射は３００ＧＨＺ〜３００ＭＨｚ（マイクロ波）のそれぞれの周波数スペクトルにおいて１ｍｍ〜１メートルの波長を有する、請求項１３又は１４に記載の流体処理装置。
  16. 前記発生される電磁放射は１００ＧＨＺ〜５００ＭＨｚのそれぞれの周波数スペクトルにおいて３ｍｍ〜０．６メートルの波長を有する、請求項１５に記載の流体処理装置。
  17. 前記電磁放射（ＥＭＲ）発生器はマグネトロン、クライストロン、ジャイロトロン及び固体電子源のうちのいずれか一つである、請求項１３−１６の何れか一項に記載の流体処理装置。
  18. 前記電磁放射（ＥＭＲ）発生器は、前記電磁放射（ＥＭＲ）と前記流体物質との前記結合を最適化するように構成されている、請求項１３−１７の何れか一項に記載の流体処理装置。
  19. 前記電磁放射（ＥＭＲ）と前記流体物質との結合は所定の制御アルゴリズムを用いて自
    動的に最適化される、請求項１８に記載の流体処理装置。
  20. 前記所定の第１の流体圧力は前記初期流体圧力より大きい、請求項１−１９の何れか一項に記載の流体処理装置。
  21. 前記所定の第２の流体圧力は前記室流体圧力より大きい、請求項１−２０の何れか一項に記載の流体処理装置。
  22. 前記所定の第１の流体圧力は前記所定の第２の流体圧力より大きい、請求項１−２１の何れか一項に記載の流体処理装置。
  23. 請求項１−２２の何れか一項に記載の流体処理装置を用いて流体物質を処理する方法であって、該方法は、
    前記流体物質が流入し通過するように構成された反応室を準備するステップと、
    前記反応室内に動作可能に結合され、所定の波長の電磁放射を前記反応室を通過する流体物質に結合させるように構成された、導波管入力ポート及び導波管出力ポートを有する少なくとも１つの電磁放射（ＥＭＲ）導波管を準備するステップと、
    流体物質を前記反応室に流入させ通過させるステップと、
    電磁放射を前記少なくとも一つの電磁放射（ＥＭＲ）導波管を通過させて前記反応室を横切って結合させるステップと、
    を含む、方法。
  24. 前記導波管入力ポート及び前記導波管出力ポートを、例えば前記反応室内に規定される反応容積を横切って動作可能に結合されるように、前記反応室の外周壁上の互いに離間した場所に動作可能に結合することによって、前記導波管入力ポート及び前記導波管出力ポートを前記反応室内に動作可能に結合するステップを含む、請求項２３に記載の方法。
  25. 第１の導波管入力ポート及び第１の導波管出力ポートを前記反応室内に光学インタフェースによって動作可能に結合するステップを含み、例えば第１のインタフェース部材及び第２のインタフェース部材が前記所定の波長の電磁放射に対して少なくとも部分的に透明に構成された前記壁の部分よりなる、請求項２４に記載の方法。
  26. 前記反応室を横切って定在波を発生するステップを含む、請求項２４又は２５に記載の方法。
  27. 前記所定の波長は３００ＧＨＺ〜３００ＭＨｚ（マイクロ波）のそれぞれの周波数スペクトルにおいて１ｍｍ〜１メートルである、請求項２４−２６の何れか一項に記載の方法。
  28. 前記所定の波長は１００ＧＨＺ〜５００ＭＨｚのそれぞれの周波数スペクトルにおいて３ｍｍ〜０．６メートルである、請求項２７に記載の方法。
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