KR20050025173A - 플라즈마-보조된 엔진 배기 처리 - Google Patents

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KR20050025173A
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gas
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체리안쿠루빌라에이
쿠마르데벤드라
쿠마르사티엔드라
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다나 코포레이션
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Abstract

플라즈마-보조된 엔진 배기 처리 방법 및 장치가 제공된다. 한가지 실시태양에서, 엔진 배기 처리 시스템은 입구부(215), 출구부(216), 중간부(205), 및 하나 이상의 플라즈마 공동(210)을 갖는 하나 이상의 도관을 포함한다. 상기 입구부는 엔진 블록(510)에 연결되어 상기 배기 가스를 수용하도록 되어 있다. 중간부는 상기 배기 가스를 입구부로부터 출구부로 운반한다. 한가지 실시태양에서, 하나 이상의 플라즈마 공동(342,344,346)이 배기 가스를 처리하기 위해 상기 입구부에 근접하게 배치된다. 상기 시스템은 또한 약 333GHz 미만의 주파수를 갖는 방사선을 공동에 공급하기 위해 상기 공동에 연결된 전자기 방사선원(340)을 포함한다. 플라즈마 촉매(70,170)를 사용하는 배기 가스 처리가 또한 제공된다.

Description

플라즈마-보조된 엔진 배기 처리{PLASMA-ASSISTED ENGINE EXHAUST TREATMENT}
본 출원은 2002년 5월 8일자로 출원된 미국 가출원 제 60/378,693 호, 2002년 12월 4일자로 출원된 제 60/430,677 호 및 2002년 12월 23일자로 출원된 제 60/435,278 호(모두 본원에서 참조로서 인용함)의 우선권을 주장한다.
본 발명은 엔진 배기 가스 처리 방법 및 장치에 관한 것이며, 구체적으로는 엔진 배기 가스로부터 형성된 플라즈마를 일부 경우 플라즈마 촉매를 사용하여 연소, 조정 및 유지하는 것에 관한 것이다.
플라즈마가 엔진 배기 가스를 처리하는데 사용될 수 있다는 것은 공지되어 있다. 예를 들어, 질소 및 탄소 화합물 뿐만 아니라 디젤 배기로부터의 미립자가, 플라즈마와 촉매의 조합물을 사용하여 감소될 수 있다는 것이 보고되었다. 상기 문맥에서, 촉매는 플라즈마 자체가 아닌 환원 공정을 촉매작용하는데 사용된다.
비-열적 플라즈마는 전기 에너지를 보내어 자유 전자를 생성함에 의해 형성될 수 있고, 이는 차례로 기체상 종과 반응할 수 있다. 비-열적 플라즈마와 촉매의 조합물은 "플라즈마 보조된 촉매"로 지칭되었으나, 통상적으로는 환원제인 NH3의 존재하에 수행되었다. 작동 동안, NO는 HNO3로 산화된 후 질산암모늄이 되고, 이후 응축되고 제거되는 것으로 보고되었다. 그러나, 이러한 방법은 다수의 이유로 암모니아의 취급 및 처리를 실제로 수행하기 위해 필요한 값비싼 장비를 포함하여 자동차 배기 처리에 적합하지 않을 수 있다.
일반적으로, 시스템을 고온(예컨대 약 2,000℃ 초과)으로 가열하여 열적 플라즈마를 형성하지만, 이는 비효율적이며 값비싼 열 관리를 필요로 한다. 그 결과, 열적 플라즈마는 종종 자동차 용도를 위해서는 실용적이지 않은 것으로 생각된다.
또한, 기체를 충분한 양의 전자기 방사선으로 조사함으로써 플라즈마가 점화될 수 있다는 것이 공지되어 있다. 그러나, 플라즈마 점화는 일반적으로 대기압보다 실질적으로 낮은 기체 압력에서 더 쉬우며, 이는 비싸고, 느리며 에너지 소모적일 수 있는 진공 장비를 필요로 한다. 게다가, 상기 장비를 사용하는 것은 플라즈마-보조된 배기 처리 융통성을 제한할 수 있다.
발명의 요약
본 발명에 따라 플라즈마-보조된 배기 가스 처리 방법 및 장치가 제공될 수 있다.
한 태양에서, 본 발명에 따른 엔진 배기 처리 시스템이 제공될 수 있다. 상기 시스템은 (1) 엔진 블록에 연결되고 엔진 배기 가스를 수용하도록 되어 있는 입구부, (2) 상기 가스를 방출하기 위한 출구부, (3) 상기 가스를 상기 입구부로부터 출구부로 전달하기 위한 중간부, 및 (4) 상기 가스를 처리하기 위해 상기 입구부에 근접하게 배치된 하나 이상의 플라즈마 공동을 포함하는 하나 이상의 도관을 포함할 수 있다. 상기 시스템은 또한 약 333GHz 미만의 주파수를 갖는 방사선을 상기 공동에 공급하기 위해 상기 공동에 연결된 전자기 방사선원을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 다른 엔진 배기 처리 시스템이 제공될 수 있다. 상기 시스템은 (1) 엔진 블록에 연결되어 엔진 배기 가스를 수용하도록 되어 있는 입구부, (2) 상기 가스를 방출하기 위한 출구부, 및 (3) 플라즈마 촉매의 존재하에 배기 가스로부터 플라즈마를 그 안에서 형성하기 위해 하나 이상의 전자기 방사 모드를 지지하도록 되어 있는 내부 용적(dimensions)을 갖고 상기 가스를 상기 입구부로부터 출구부로 전달하기 위한 중간부를 포함하는 하나 이상의 도관을 포함할 수 있다. 상기 시스템은 또한 약 333GHz 미만의 주파수를 갖는 전자기 방사선을 중간부에 공급하기 위한 방사선원을 포함할 수 있다.
본 발명에 따라 엔진 배기 가스를 처리하는 방법이 또한 제공될 수 있다. 상기 방법은 배기 가스를 하나 이상의 공동 내에서 임의적으로 플라즈마 촉매의 존재하에 약 333GHz 미만의 주파수를 갖는 전자기 방사선으로 조사하여 엔진 배기 가스로부터 하나 이상의 플라즈마를 형성하는 것을 포함한다.
플라즈마를 초기화, 조정 및 유지하기 위한 플라즈마 촉매가 또한 제공된다. 상기 촉매는 수동성 또는 능동성일 수 있다. 수동성 플라즈마 촉매는, 본 발명에 따라 부가적인 에너지를 필수적으로 첨가할 필요없이 국부 전기장(예: 전자기장)을 변형하여 플라즈마를 유도할 수 있는 임의의 객체를 포함할 수 있다. 반면, 능동성 플라즈마 촉매는 전자기 방사선의 존재하에, 기체 원자 또는 분자로부터 하나 이상의 전자를 제거하기 위해 충분한 양의 에너지를 기체 원자 또는 분자로 전달할 수 있는 임의의 입자 또는 고에너지파 패킷이다. 모든 경우, 플라즈마 촉매는 플라즈마를 점화하기 위해 필요한 환경적 조건을 향상시키거나 완화시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 플라즈마를 점화, 조정 또는 유지하기 위한 부가적인 플라즈마 촉매, 방법 및 장치가 또한 제공된다.
본 발명의 추가의 태양은, 첨부된 도면(이때 동일한 참조부호는 동일한 부분을 나타냄)과 함께 발명의 상세한 설명을 참고하면 명백할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 예시적 플라즈마 시스템의 개략도를 나타낸다.
도 1A는 본 발명에 있어서, 공동안에 플라즈마를 점화, 조정 또는 유지하기 위해, 플라즈마 공동에 분말 플라즈마 촉매를 첨가하기 위한, 플라즈마 시스템의 일부의 설명적 실시태양을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 있어서, 길이에 따라 농도 구배를 갖는 하나 이상의 성분을 갖는 예시적 플라즈마 촉매 섬유를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 있어서, 길이에 따라 변화하는 비율로 복합 성분을 포함하는 예시적 플라즈마 촉매 섬유를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 있어서, 코어 하위층 및 코팅을 포함하는 예시적 플라즈마 촉매 섬유를 설명하는 것이다.
도 5는 본 발명에 있어서, 도 4의 선 5-5로부터 절취된, 도 4의 플라즈마 촉매 섬유의 단면도를 나타낸다.
도 6은 본 발명에 있어서, 점화 포트를 통해 연장되는 길다란 플라즈마 촉매를 포함하는 플라즈마 시스템의 또 다른 부분을 설명하는 것이다.
도 7은 본 발명에 있어서, 도 6의 시스템에서 사용될 수 있는 길다란 플라즈마 촉매의 실시태양을 설명하는 것이다.
도 8은 본 발명에 있어서, 도 6의 시스템에서 사용될 수 있는 길다란 플라즈마 촉매의 또 다른 실시태양을 설명하는 것이다.
도 9는 본 발명에 있어서, 방사선을 방사선 챔버로 보내기 위한, 플라즈마 시스템의 일부의 실시태양을 설명하는 것이다.
도 10은 본 발명에 있어서, 예시적인 엔진 배기 처리 시스템을 설명하는 개략도이다.
도 11은 본 발명에 있어서, 다른 예시적 엔진 배기 처리 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 12는 본 발명에 있어서, 또 다른 예시적 엔진 배기 처리 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 13은 본 발명에 있어서, 배기 처리 시스템을 포함하는 예시적 이동성 운송수단, 이 경우에는 자동차의 단순화된 개략도이다.
본 발명은 플라즈마-보조 엔진 배기 처리를 위해 플라즈마를 초기화, 조정 및 유지하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 따라서, 본 발명은 에너지 비용을 낮추고 처리 효율 및 융통성을 증가시키기 위한 제어된 플라즈마-보조 배기 처리에 사용될 수 있다.
하기 통상적으로 소유되고 동시 출원된 미국 특허 출원들을 본원에서 그 전문을 참조로서 인용한다: 미국 특허출원 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0008), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0009), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0010), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0011), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0012), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0013), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0015), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0016), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0017), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0018), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0020), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0021), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0023), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0025), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0026), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0027), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0028), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0029), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0030), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0032), 제 10/___,___호(Atty. Docket No. 1837.0033).
예시적 플라즈마 시스템
도 1은 본 발명의 한가지 태양에 따른 예시적 플라즈마 시스템(10)을 나타낸다. 이러한 실시태양에서, 공동(12)은 방사선 챔버(14)(즉, 어플리케이터) 안에 위치한 용기 안에 형성된다. 또 다른 실시태양에서(도시되지 않음), 용기(12) 및 방사선 챔버(14)는 동일하고, 이로써 두개의 별도의 구성요소에 대한 필요성이 제거된다. 공동(12)이 그 안에 형성된 용기는 공동(12)을 방사선으로부터 상당히 차단하지 않으면서 열적 절연성을 개선시키기 위해 하나 이상의 방사선-전송 절연층을 포함할 수 있다.
한가지 실시태양에서, 공동(12)은 세라믹으로 이루어진 용기중에 형성된다. 본 발명에 있어서, 플라즈마로 달성될 수 있는 극도로 높은 온도에 기인하여, 약 3,000 ℉에서 작동할 수 있는 세라믹이 사용될 수 있다. 세라믹 물질은 실리카 29.8중량%, 알루미나 68.2중량%, 산화제2철 0.4중량%, 티타니아 1중량%, 석회 0.1중량%, 마그네시아 0.1중량%, 알칼리 0.4중량%를 포함할 수 있고, 이는 미국 펜실바니아주 뉴 캐슬 소재의 뉴 캐슬 리프렉토리즈 캄파니(New Castle Refractories Company)에 의해 모델 No. LW-30으로 시판중이다. 그러나, 상기 설명한 것과 상이한 석영과 같은 기타 물질이 본 발명에 따라 사용될 수도 있다는 것을 당업자들은 이해할 것이다.
한가지 성공적인 실험에서, 플라즈마는 제 1 벽돌 안에 있고 제 2 벽돌로 위를 막은 부분적으로 개봉된 공동 안에 형성되었다. 상기 공동은 약 2 인치 × 약 2 인치 × 약 1.5 인치의 크기를 가졌다. 2개 이상의 구멍이 또한 상기 공동과 연통되어 있는 벽돌 안에 제공되었다: 하나는 플라즈마를 관찰하기 위한 것이고, 다른 하나 이상의 구멍은 기체를 공급하기 위한 것이다. 공동의 크기는 수행될 바람직한 플라즈마 방법에 달려 있다. 또한, 상기 공동은 적어도 플라즈마가 1차 공정 영역과 떨어져서 올라가고/부유하는 것을 방지하도록 되어 있을 수 있다. 본 발명에 따르면 전극을 플라즈마 자체에 인접하여 배치하지 않고 플라즈마를 형성할 수 있다는 것을 알 것이다.
공동(12)은 하나 이상의 기체 공급원(24)(예: 아르곤, 질소, 크세논, 크립톤의 공급원)에 라인(20) 및 제어 밸브(22)에 의해 연결될 수 있고, 상기 밸브는 전원(28)에 의해 동력을 공급받을 수 있다. 라인(20)은 관류일 수 있다(예: 약 1/16 인치 내지 약 1/4 인치, 예를 들면 약 1/8인치). 또한, 경우에 따라 진공 펌프를 챔버에 연결하여 플라즈마 처리중 발생할 수 있는 임의의 연기를 제거할 수 있다. 배기 가스 처리의 경우, 기체는 엔진 블록으로부터 직접 또는 간접적으로 제공될 수 있다. 따라서, 기체 라인 및 진공 장비는 임의적이다.
방사선 누출 감지기(도시되지 않음)를 공급원(26) 및 도파관(30) 근처에 설치하고 안전 인터록(interlock) 시스템에 연결하여 미리 정의된 안전 제한치(예: FCC 및/또는 OSHA에 의해 규정된 것(예: 5mW/㎠)) 이상의 누출이 감지되면 방사선(예: 마이크로웨이브) 전원이 자동으로 꺼지게 한다.
전기적 전원(28)에 의해 동력공급될 수 있는 방사선원(26)은 하나 이상의 도파관(30)을 통해 챔버(14)로 방사선 에너지를 보낼 수 있다(예컨대 도 11 참조). 방사선원(26)이 공동(12) 또는 챔버(14)에 직접 연결되어 도파관(30)이 생략될 수 있다는 것을 당업자들은 이해할 것이다. 방사선 에너지가 들어가는 공동(12)을 사용하여 플라즈마를 상기 공동 안에서 점화한다. 이러한 플라즈마는 부가적인 방사선을 촉매와 커플링함으로써 상기 공동에 실질적으로 유지되고 한정될 수 있다.
방사선 에너지는 순환기(32) 및 튜너(34)(예: 3-스터브 튜너)를 통해 공급될 수 있다. 튜너(34)는 특히 플라즈마가 형성되기 전(왜냐하면 예를 들면 마이크로웨이브 동력이 플라즈마에 의해 강하게 흡수되기 때문), 점화 또는 처리 조건을 변화시키는 작용으로써 반사된 동력을 최소화하기 위해 사용될 수 있다.
이후 더욱 상세히 설명하는 바와 같이, 챔버(14) 안에서 방사선-전송 공동(12)의 위치는 챔버(14)가 다중 모드를 지지한다면, 특히 여러 모드가 연속적으로 또는 주기적으로 혼합될 때는, 중요하지 않다. 또한, 챔버(14)가 엔진의 배기 매니폴드일 경우, 공동(12)은 단순히 열 라이닝이거나, 또는 바라는 경우 완전히 제거될 수 있다. 이후 더욱 상세히 설명하는 바와 같이, 모터(36)가 시간-평균 방사선 에너지 분포를 챔버(14)를 통해 실질적으로 균일하게 만들기 위해 모드-혼합기(38)에 연결될 수 있다. 또한, 윈도우(40)(예: 석영 윈도우)를 공동(12)에 인접한 챔버(14)의 한쪽 벽 안에 배치하여, 온도 센서(42)(예: 광학 고온계)가 공동(12)안 프로세스를 관찰하기 위해 사용될 수 있게 한다. 한가지 실시태양에서, 광학 고온계 출력은 온도가 트랙킹 범위 안에서 상승함에 따라 0 볼트로부터 증가할 수 있다.
센서(42)는 출력 신호를 온도 또는 공동(12) 안의 작업편(도시되지 않음)과 연결된 임의의 다른 모니터링할 수 있는 조건의 함수로서 전개시킬 수 있고 신호를 제어기(44)에 제공할 수 있다. 이중 온도 감지 및 가열 뿐만 아니라 자동화 냉각 속도 및 기체 유동 제어가 사용될 수 있다. 제어기(44)를 사용하여 전원(28)의 작동을 제어하고, 상기 전원은 위에서 설명한 바와 같이 공급원(26)에 연결된 하나의 출력 및 밸브(22)에 연결된 또 다른 출력을 가져서 공동(12) 안으로의 기체 유동을 제어할 수 있다.
본 발명은 약 333GHz 미만의 임의의 주파수를 갖는 방사선이 사용될 수 있지만, 커뮤니케이션즈 앤드 파워 인더스트리즈(CPI, Communications and Power Industries)에 의해 제공된 마이크로웨이브원을 사용하여 915MHz 및 2.45 GHz 둘 모두에서 동등하게 성공적으로 실행될 수 있다. 2.45GHz 시스템은 약 0.5 내지 약 5.0kW의 연속적으로 다양한 마이크로웨이브 동력을 제공하였다. 3-스터브 튜너는 최대 동력 전달에 부합하는 임피던스를 허용하고 이중방향 커플러(도시되지 않음)를 사용하여 전방 및 반사 동력을 측정하였다. 또한 광학 고온계를 샘플 온도를 원격 감지하기 위해 사용하였다.
상기 언급한 바와 같이, 약 333GHz 미만의 임의의 주파수를 갖는 방사선을 본 발명에 따라 사용할 수 있다. 예를 들면, 플라즈마를 형성하는 기체의 압력이 플라즈마 점화를 보조하기 위해 낮춰질 수 있지만, 주파수, 예를 들면 동력 라인 주파수(약 50 내지 약 60Hz)가 사용될 수 있다. 또한 약 100 kHz보다 큰 주파수를 갖는 임의의 라디오 주파수 또는 마이크로웨이브 주파수를 본 발명에 따라 사용할 수 있다. 대부분의 경우, 이러한 상대적으로 높은 주파수에 대한 기체 압력이 플라즈마를 점화, 조정 또는 유지하기 위해 낮춰질 필요는 없어서, 많은 플라즈마-방법이 대기압 이상에서 발생할 수 있다.
이러한 장치는 실시간 온도 모니터링 및 마이크로웨이브 동력 제어를 제공하는 LabView 6i 소프트웨어를 사용하여 컴퓨터 제어되었다. 적절한 수의 데이터 포인트의 변동 평균을 사용하여 노이즈를 감소시켰다. 또한, 속도 및 전산화 효율을 향상시키기 위해, 버퍼 어레이(buffer array)에 저장된 데이터 포인트의 수를 쉬프트-레지스터 및 버퍼-사이징을 사용하여 제한하였다. 고온계로 약 1 ㎠의 감지 영역의 온도를 측정하였고, 이를 평균 온도를 계산하기 위해 사용하였다. 상기 고온계로 2개의 파장에서 방사선 세기를 감지하였고 플랑크 법칙(Planck's law)에 그 세기들을 맞추어 온도를 결정하였다. 그러나 온도를 모니터링하고 제어하기 위한 다른 장치 및 방법이 또한 사용가능하고 본 발명에 따라 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들면, 본 발명에 따라 사용될 수 있는 제어 소프트웨어는 예를 들어 본원에서 그 전문을 참조로서 인용하는, 공통적으로 소유되고 동시에 출원된 미국 특허 출원 제 10/___,___ 호(Attorney Docket No. 1837.0033)에 개시되어 있다.
챔버(14)는 방사선 차단부를 갖는 몇개의 유리로 덮인 관찰포트 및 고온계 접근을 위한 하나의 석영 윈도우를 가졌다. 진공 펌프 및 기체 공급원에 연결하기 위한 몇가지 포트가 반드시 사용될 필요는 없지만 제공되었다.
시스템(10)은 또한 수도물에 의해 냉각되는 외부 열 교환기를 갖는 폐쇄-루프 탈이온수 냉각 시스템(도시되지 않음)을 포함하였다. 작업중, 탈이온수로 우선 마그네트론, 이어서 순환기(상기 마그네트론을 보호하기 위해 사용됨) 안에 로드-덤프 및 최종적으로 챔버의 외표면상에 용접된 수로를 통한 방사선 챔버를 냉각하였다.
플라즈마 촉매
본 발명에 따른 플라즈마 촉매는 하나 이상의 상이한 물질을 포함할 수 있고 이는 수동성 또는 능동성일 수 있다. 플라즈마 촉매를 다른 것들중 사용하여 대기압 미만, 대기압, 아니면 대기압 이상인 기체 압력에서 플라즈마를 점화, 조정 및/또는 유지할 수 있다.
본 발명에 따른 플라즈마의 한가지 형성방법은, 수동성 플라즈마 촉매의 존재하에 공동안의 배기 가스를 약 333GHz미만의 주파수를 갖는 전자기 방사선으로 조사하는 것을 포함한다. 본 발명에 따른 수동성 플라즈마 촉매는, 스파크를 생성하기 위해 전기 전압을 적용하는 바와 같이, 촉매를 통해 부가적 에너지를 첨가할 필요없이, 본 발명에 따라 국부적 전기장(예: 전자기장)을 변형하여 플라즈마를 유도할 수 있는 임의의 객체를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 수동성 플라즈마 촉매는 또한 나노-입자 또는 나노-튜브일 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, "나노-입자"란 용어는 적어도 전기 반전도성인 약 100 nm 미만의 최대 물리적 치수를 갖는 임의의 입자를 포함한다. 또한, 단일벽 및 다중벽 탄소 나노튜브(도핑되거나 비도핑됨)는 그 예외적 전기 전도성 및 길다란 형상 때문에 본 발명에 따라 플라즈마를 점화하는데 특히 효과적이다. 나노튜브는 임의의 통상적인 길이를 갖고 기판에 고정된 분말일 수 있다. 고정되면, 나노튜브는 플라즈마가 점화되거나 유지되는 동안 기판의 표면상에 무작위로 배향되거나 기판에(예: 소정의 배향으로) 고정될 수 있다.
수동성 플라즈마 촉매는 본 발명에 있어서 분말일 수 있고 나노-입자 또는 나노-튜브를 포함할 필요는 없다. 이는 예를 들면 섬유, 분진 입자, 플레이크, 시이트 등으로부터 형성될 수 있다. 분말 형태일 때는, 상기 촉매는 적어도 일시적으로 기체중에 부유할 수 있다. 분말을 기체중 부유시킴으로써, 상기 분말이 공동을 통해 신속하게 분산되고 경우에 따라서는 용이하게 소모될 수 있다.
한가지 실시태양에서, 분말 촉매를 공동으로 운반하고 적어도 일시적으로 캐리어 가스와 함께 부유시킬 수 있다. 상기 캐리어 가스는 플라즈마를 형성하는 배기 가스와 동일하거나 상이할 수 있다. 또한, 상기 분말을 공동에 도입하기 전에 기체에 첨가할 수 있다. 예를 들면, 도 1A에 도시한 바와 같이, 방사선원(52)은 방사선을 방사선 공동(55)(여기에 플라즈마 공동(60)이 위치된다)에 공급할 수 있다. 분말 공급원(65)은 촉매 분말(70)을 기체 스트림(75)으로 공급할 수 있다. 선택적인 실시태양에서, 분말(70)을 공동(60)에 벌크(예: 더미)로 첨가한 다음 공동 안에서 임의의 많은 방법(예를 들면, 벌크 분말을 통해 또는 분말상에 기체를 유동시킴)으로 분배할 수 있다. 또한, 상기 분말은, 분말을 공동 안으로 또는 공동 안에서 옮기거나, 전달하거나, 살짝 뿌리거나, 흩뿌리거나, 불거나 또는 달리 공급하여, 플라즈마를 점화, 조정 또는 유지하기 위해 기체에 첨가할 수 있다.
한가지 실험에서, 공동으로 연장되는 구리 파이프 안에 한 더미의 탄소섬유 분말을 넣음으로써 공동 안에서 플라즈마가 점화되었다. 충분한 방사선이 공동으로 보내졌지만, 구리 파이프는 방사선으로부터 분말을 차단하였고 어떠한 플라즈마 점화도 발생하지 않았다. 그러나, 일단 캐리어 가스가 파이프를 통해 유동하기 시작하면, 분말이 파이프 밖으로 나와 공동 안으로 들어가고, 이로써 분말을 방사선으로 조사하고, 플라즈마가 공동안에서 거의 즉시 점화되었다.
본 발명에 따른 분말 플라즈마 촉매는 실질적으로 비-연소성이고, 따라서 산소를 함유할 필요가 없거나 산소의 존재하에 연소할 필요가 없다. 따라서, 상기 언급한 바와 같이, 촉매는 금속, 탄소, 탄소계 합금, 탄소계 복합체, 전기 전도성 중합체, 전도성 실리콘 탄성중합체, 중합체 나노복합체, 유기-무기 복합체 및 그의 임의의 조합을 포함한다.
또한, 분말 촉매는 플라즈마 공동 안에 실질적으로 균일하게 분산될 수 있고(예: 기체중 부유될 때), 플라즈마 점화는 공동 안에서 정확하게 제어될 수 있다. 균일한 점화는 특정 용도(예를 들면 하나 이상의 파열의 형태로 짧은 플라즈마 노출을 필요로 하는 용도)에서 중요하다. 여전히, 특히 복잡한 다중 챔버 공동 안에서 공동을 통해 분말 촉매를 분배하기 위해 특정 양의 시간이 요구된다. 따라서, 본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 분말 촉매를 다수의 점화 포트를 통해 공동 안으로 도입하여 그 안에서 더욱 균일한 촉매 분포를 더욱 신속하게 얻을 수 있다(이하 참조).
분말에 덧붙여, 본 발명에 따른 수동성 플라즈마 촉매는 예를 들면 하나 이상의 미시적 또는 거시적 섬유, 시이트, 바늘, 실, 스트랜드, 필라멘트, 얀, 트와인, 쉐이빙, 슬라이버, 칩, 제직물, 테잎, 휘스커 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 플라즈마 촉매는 다른 물리적 치수보다 실질적으로 큰 하나의 물리적 치수를 갖는 하나 이상의 부분을 가질 수 있다. 예를 들면, 적어도 2개의 직각 치수 사이의 비는 약 1:2 이상일 수 있지만, 약 1:5보다 크거나, 약 1:10보다 클 수 있다.
따라서, 수동성 플라즈마 촉매는 그 길이에 비해 비교적 얇은 물질의 적어도 한부분을 포함할 수 있다. 또한 한다발의 촉매(예: 섬유)를 사용할 수 있으며, 이는 예를 들면 흑연 테잎의 섹션을 포함할 수 있다. 한가지 실험에서, 약 30,000 스트랜드의 흑연 섬유를 갖고, 각각 약 2 내지 3 ㎛의 직경을 갖는 테잎 섹션이 성공적으로 사용되었다. 섬유의 수 및 번들의 길이는 플라즈마를 점화, 조정 또는 유지하는데 중요하지 않다. 예를 들면, 만족할만한 결과는 약 1/4 인치 길이의 흑연 테잎의 섹션을 사용하여 수득하였다. 본 발명에 따라 성공적으로 사용된 한가지 유형의 탄소 섬유는 미국 사우쓰 캐롤라이나 앤더슨 소재의 헥셀 코포레이션(Hexcel Corporation)에 의해 상표명 Magnamite(등록상표) Model No. AS4C-GP3K하에 판매된다. 또한, 실리콘-카바이드 섬유가 성공적으로 사용되었다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 수동성 플라즈마 촉매는 예를 들면 실질적으로 구형, 환상, 피라미드형, 입방형, 평면형, 실린더형, 직사각형 또는 길다란 형인 하나 이상의 부분을 포함할 수 있다.
상기 논의된 수동성 플라즈마 촉매는 적어도 전기 반전도성인 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다. 한가지 실시태양에서, 상기 물질은 높은 전도성일 수 있다. 예를 들면, 본 발명에 따른 수동성 플라즈마 촉매는 금속, 무기 물질, 탄소, 탄소계 합금, 탄소계 복합체, 전기 전도성 중합체, 전도성 실리콘 탄성중합체, 중합체 나노복합체, 유기-무기 복합체 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 플라즈마 촉매안에 포함될 수 있는 가능한 무기 물질중 몇몇은 탄소, 실리콘 카바이드, 몰리브덴, 백금, 탄탈륨, 텅스텐, 질화탄소 및 알루미늄을 포함할 수 있지만, 다른 전기 전도성 무기 물질이 적합할 수도 있다.
하나 이상의 전기 전도성 물질에 덧붙여, 본 발명에 따른 수동성 플라즈마 촉매는 하나 이상의 첨가제(전기 전도성일 필요는 없음)를 포함할 수 있다. 본원에서 사용한 바와 같이, 상기 첨가제는 사용자가 플라즈마에 첨가하기를 바라는 임의의 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 반도체 및 다른 물질을 도핑할 경우, 촉매를 통해 플라즈마에 하나 이상의 도판트를 첨가할 수 있다. 예컨대, 본원에 참고로 전체가 인용된 공통 소유의 동시출원된 미국 특허출원 제 10/ , (Attorney Docket No. 1837.0025)을 참조한다. 상기 촉매는 도판트 자체를 포함할 수 있거나, 분해시 도판트를 형성할 수 있는 전구체 물질을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 플라즈마 촉매는, 플라즈마의 최종 목적 조성 및 플라즈마를 사용하는 방법에 의존하면서, 하나 이상의 첨가제 및 하나 이상의 전기 전도성 물질을 임의의 바람직한 비율로 포함할 수 있다.
수동성 플라즈마 촉매중 전기 전도성 성분대 첨가제의 비율은 소모될 시간에 걸쳐 다양하다. 예를 들면, 점화중, 플라즈마 촉매는 바람직하게는 점화 조건을 향상시키기 위해 전기 전도성 성분을 비교적 큰 백분율로 포함한다. 반면, 플라즈마를 유지하는 동안 사용되면, 상기 촉매는 첨가제를 비교적 큰 백분율로 포함할 수 있다. 플라즈마를 점화하고 유지하는데 사용된 플라즈마 촉매의 성분비는 동일하다는 것을 당업자들은 이해할 것이다.
많은 플라즈마 방법을 간략화하기 위해 소정의 비율 프로필을 사용할 수 있다. 많은 통상적인 플라즈마 방법에서, 플라즈마 안의 성분들을 필요에 따라 첨가하되, 이러한 첨가는 통상적으로 소정의 스케쥴에 따라 성분들을 첨가하기 위한 프로그램가능한 장치를 필요로 한다. 그러나, 본 발명에 있어서, 촉매중 성분 비율은 다양하고, 따라서 플라즈마 자체의 성분 비율은 자동적으로 변할 수 있다. 즉, 임의의 특정 시간에서 플라즈마중 성분의 비율은 상기 촉매의 어느 부분이 플라즈마에 의해 현재 소모되느냐에 달려 있다. 따라서, 상기 촉매 성분 비율은 촉매 안에서 상이한 위치에서 상이할 수 있다. 플라즈마중 성분들의 현재 비율은, 특히 플라즈마 챔버를 통과하는 기체의 유동비가 상대적으로 낮을 때, 현재 및/또는 과거에 소모된 촉매의 부분에 의존할 수 있다.
본 발명에 따른 수동성 플라즈마 촉매는 균일하거나, 불균일하거나, 등급이 매겨졌을 수 있다. 또한, 플라즈마 촉매 성분비는 촉매를 통해 연속적으로 또는 비연속적으로 변화할 수 있다. 예를 들면, 도 2에서, 비율은 촉매(100)의 길이에 따라 구배를 형성하면서 부드럽게 변할 수 있다. 촉매(100)는 섹션(105)에서 비교적 낮은 농도의 성분을 포함하고 섹션(110)을 향해 연속적으로 증가하는 농도를 포함하는 물질의 스트랜드를 포함한다.
선택적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 비율은 촉매(120)의 각각의 부분에서 불연속적으로 변하고, 예를 들면 상이한 농도를 갖는 교호 섹션(125 및 130)을 포함한다. 촉매(120)가 2개 이상의 섹션 유형을 가질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 플라즈마에 의해 소모될 촉매 성분비는 임의의 소정의 방식으로 변할 수 있다. 한가지 실시태양에서, 플라즈마가 모니터링되고 특정 첨가제가 검출되면, 추가의 프로세싱이 자동적으로 시작되거나 종료될 수 있다.
유지된 플라즈마중 성분비를 변화시키는 또 다른 방법은 상이한 성분비를 갖는 여러 촉매를 상이한 시간 또는 상이한 속도로 도입하는 것이다. 예를 들면, 여러 촉매를 공동 안에서 대략 동일한 위치 또는 상이한 위치에서 도입할 수 있다. 상이한 위치에서 도입할 때, 공동 안에 형성된 플라즈마는 다양한 촉매의 위치에 의해 결정된 성분 농도 구배를 가질 수 있다. 따라서, 자동화 시스템은 소모가능한 플라즈마 촉매를 플라즈마 점화, 조정 및/또는 유지 전 및/또는 동안에 기계적으로 삽입하는 장치를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 수동성 플라즈마 촉매는 또한 코팅될 수 있다. 한가지 실시태양에서, 촉매는 실질적으로 전기 전도성 물질의 표면상에 침착된 실질적으로 비전기 전도성 코팅을 포함할 수 있다. 선택적으로, 촉매는 실질적으로 전기적으로 비-전도성 물질의 표면상에 침착된 실질적으로 전기 전도성인 코팅을 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 4 및 5는 하위층(145) 및 코팅(150)을 포함하는 섬유(140)를 나타낸다. 한가지 실시태양에서, 탄소 코어를 포함하는 플라즈마 촉매를 탄소의 산화를 방지하기 위해 니켈로 코팅한다.
단일 플라즈마 촉매는 또한 여러 코팅을 포함할 수 있다. 코팅이 플라즈마와의 접촉중에 소모되면, 코팅은 외부 코팅으로부터 최내부 코팅까지 순차적으로 플라즈마 안에 도입되어 시간-방출 메카니즘을 생성할 수 있다. 따라서, 코팅된 플라즈마 촉매는, 촉매의 일부가 적어도 전기 반전도성인 한, 임의의 수의 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시태양에 따르면, 플라즈마 촉매는 전부가 방사선 공동 안에 위치하여 실질적으로 방사선 에너지 누출을 감소시키거나 방지한다. 이러한 방식으로, 플라즈마 촉매는 공동을 함유하는 용기와 함께 또는 상기 공동 밖의 임의의 전기 전도성 물체에 전기적으로 또는 자기적으로 커플링되지 않는다. 이는 점화 포트에서 스파크를 방지하고, 점화중 또는 플라즈마가 유지된다면 가능하게는 나중에, 방사선이 공동 밖으로 누출되는 것을 방지한다. 한가지 실시태양에서, 상기 촉매는 점화 포트를 통해 연장되는 실질적으로 전기적으로 비전도성인 연장체의 첨단부에 위치될 수 있다.
예를 들면, 도 6은 플라즈마 공동(165)이 위치된 방사선 챔버(160)를 나타낸다. 플라즈마 촉매(170)는 길다랗고 점화 포트(175)를 통해 연장되어 있다. 도 7에 도시된 바와 같이 본 발명에 따르면, 촉매(170)는 전기 전도성인 원위부(180)(챔버(160) 안에 위치함) 및 전기적 비전도성부(185)(챔버(160)의 실질적으로 외부에 위치하되 챔버(160) 안으로 다소 연장됨)를 포함할 수 있다. 이러한 구성은 원위부(180)와 챔버(160) 사이의 전기적 연결(예: 스파크)을 방지할 수 있다.
도 8에 나타낸 또 다른 실시태양에서, 촉매는 다수의 전기적 비전도성 분획(195)에 의해 구분되고 여기에 기계적으로 연결된 다수의 전기 전도성 분획(19)으로부터 형성될 수 있다. 이러한 실시태양에서, 촉매는 공동 안의 지점과 공동 밖의 또 다른 지점 사이의 점화 포트를 통해 연장되되, 전기적으로 비연속적인 프로필은 스파크 및 에너지 누출을 상당히 방지한다.
본 발명에 따른 플라즈마를 형성하는 또 다른 방법은 하나 이상의 이온화 입자를 발생하거나 포함하는 능동성 플라즈마 촉매의 존재하에 약 333 GHz 미만의 주파수를 갖는 전자기 방사선으로 공동 안의 기체를 조사하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 능동성 플라즈마 촉매는, 전자기 방사선의 존재하에 기체 원자 또는 분자로부터 하나 이상의 전자를 제거하기 위해, 충분한 양의 에너지를 기체 원자 또는 분자로 옮길 수 있는 임의의 입자 또는 고에너지파 패킷일 수 있다. 공급원에 따라, 이온화 입자를 초점을 맞추거나 조준된 빔 형태로 공동 안에 보내거나, 분사, 분출, 스퍼터링 또는 달리 도입할 수 있다.
예를 들면, 도 9는 방사선을 방사선 챔버(205)로 보내는 방사선원(200)을 나타낸다. 플라즈마 공동(210)은 챔버(205)의 안에 위치하고 배기 가스가 포트(215 및 216)를 통해 흐르게 할 수 있다. 공급원(220)은 이온화 입자(225)를 공동(210) 안에 보낼 수 있다. 공급원(220)은 예를 들면 이온화 입자는 통과시키되 방사선으로부터 공급원(220)을 차단하는 금속 스크린에 의해 보호될 수 있다. 필요에 따라, 공급원(220)은 물로 냉각될 수 있다.
본 발명에 따른 이온화 입자의 예는 x-선 입자, 감마선 입자, 알파 입자, 베타 입자, 중성자, 양성자 및 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 따라서, 이온화 입자 촉매는 대전되거나(이온 공급원으로부터의 이온) 비대전되고, 방사능 핵분열 과정의 산물일 수 있다. 한가지 실시태양에서, 플라즈마 공동이 형성된 용기는 이온화 입자 촉매에 대해 전체적으로 또는 부분적으로 전송적일 수 있다. 따라서, 방사능 핵분열 공급원이 공동 밖에 위치하면, 공급원은 핵분열 산물을 상기 용기로 통과시켜 플라즈마를 점화할 수 있다. 방사능 핵분열 공급원은 핵분열 산물(즉, 이온화 입자 촉매)이 실질적으로 안전성에 해를 가하지 않도록 방사선 챔버 안에 위치할 수 있다.
또 다른 실시태양에서, 상기 이온화 입자들은 자유 전자일 수 있지만 방사능 붕괴 과정에서 방출될 필요는 없다. 예를 들면, 전자를, 상기 전자들이 공급원으로부터 빠져나가기에 충분한 에너지를 갖도록, 전자 공급원(예: 금속)에 에너지를 가하여, 공동 안에 도입할 수 있다. 전자 공급원은 공동 안에, 공동에 인접하게 또는 심지어는 공동 벽 안에 위치될 수 있다. 전자 공급원의 임의의 조합이 가능하다는 것을 당업자들은 이해할 것이다. 전자를 생성하는 통상적인 방법은 금속을 가열하는 것이고, 이들 전자들은 전기장을 적용함으로써 추가로 가속화될 수 있다.
전자에 덧붙여, 유리 에너지 양성자를 또한 사용하여 플라즈마를 촉매반응할 수 있다. 한가지 실시태양에서, 유리 양성자는 수소를 이온화하여 발생시키고 선택적으로 전기장으로 가속화한다.
다중-모드 방사선 공동
방사선 도파관, 공동 또는 챔버는 하나 이상의 전자기 방사 모드의 전파를 지지하거나 촉진하도록 구상될 수 있다. 본원에 사용된 "모드"란 용어는 맥스웰 방정식(Maxwell's equation) 및 사용가능한 경계조건(예를 들면 공동의)을 만족시키는 임의의 정상 또는 전파 전자기파의 특정 패턴을 말한다. 도파관 또는 공동에서, 이러한 모드는 전파 또는 정상 전자기장의 다양한 가능한 패턴중 임의의 하나일 수 있다. 각각의 모드는 전기장 및/또는 자기장 벡터의 주파수 및 분극을 특징으로 한다. 모드의 전자기장 패턴은 주파수, 굴절률 또는 유전상수 및 도파관 또는 공동의 기하형태에 의존한다.
횡방향 전기(TE, transverse electric) 모드는 전기장 벡터가 전파의 방향에 직각인 것이다. 유사하게, 횡방향 자기(TM) 모드는 자기장 벡터가 전파의 방향에 직각인 것이다. 횡방향 전기 및 자기(TEM) 모드는 전기장 및 자기장 벡터가 모두 전파의 방향에 직각인 것이다. 중공 금속 도파관은 일반적으로 방사선 전파의 직각 TEM 모드를 지지하지 않는다. 방사선이 도파관의 길이를 따라 이동하는 것으로 보이지만, 도파관의 내부 벽을 맞고 일정 각도로 반사됨으로써만 그렇게 할 수 있다. 따라서, 전파 모드에 따라, 방사선(예: 마이크로웨이브)은 도파관의 축(종종 z-축으로 불림)을 따라 전기장 구성요소 또는 자기장 구성요소를 가질 수 있다.
공동 또는 도파관의 내부에 있는 실제 필드의 분포는 그 안의 모드들의 중첩이다. 모드들 각각은 하나 이상의 아래첨자로 구분된다(예: TE10("티이일영")). 아래첨자는 일반적으로 안내 파장에서 얼마나 많은 "반(半)파장"이 x 및 y방향으로 포함되느냐를 지시한다. 안내 파장이, 방사선이 도파관의 내벽으로부터 일정 각도로 반사되어 도파관 안으로 전파하기 때문에, 자유 공간 파장과는 상이하다는 것을 당업자들은 알 것이다. 일부 경우, 제 3 아래첨자를 첨가하여 z-축을 따른 정상파 패턴중의 반파장의 수를 정의할 수 있다.
주어진 방사선 주파수에 대해, 도파관의 크기를 충분히 작도록 선택하여 단일 전파 모드를 지지할 수 있다. 이러한 경우, 소위 시스템을 단일-모드 시스템(즉, 단일-모드 어플리케이터)이라 칭한다. TE10 모드는 통상적으로 직사각형 단일-모드 도파관에서 지배적이다.
도파관의 크기(또는 도파관이 연결된 공동의 크기)가 증가함에 따라, 도파관 또는 어플리케이터는 종종 다중-모드 시스템을 형성하는 부가적인 더 높은 차수 모드를 지지할 수 있다. 많은 모드가 동시에 지지될 수 있으면, 시스템은 종종 고도로 모드화되었다고 한다.
단순한 단일-모드 시스템은 하나 이상의 최대 및/또는 최소를 포함하는 필드 분포를 갖는다. 최대치의 크기는 크게 시스템에 제공된 방사선의 양에 의존한다. 따라서, 단일 모드 시스템의 필드 분포는 매우 다양하고 실질적으로 불균일하다.
단일-모드 공동과는 달리, 다중-모드 공동은 몇가지 전파 모드를 동시에 지지할 수 있어서, 중첩될 때, 복잡한 필드 분포 패턴을 만든다. 이러한 패턴으로, 필드는 공간적으로 선명하지 않게 되고, 따라서 필드 분포는 통상적으로 공동 안의 강한 최소 및 최대 필드 값의 동일한 유형을 나타내지는 않는다. 또한, 이후 상세히 설명하는 바와 같이, 모드-혼합기를 사용하여 모드들을 "흔들거나" "재분배"할 수 있다(예를 들면, 방사선 반사기의 기계적 운동에 의해). 이러한 재분배는 바람직하게는 공동 안에 더욱 균일한 시간-평균화 필드 분포를 제공한다.
본 발명에 따른 다중-모드 공동은 적어도 2개의 모드를 지지할 수 있고 2개 이상의 많은 모드를 지지할 수 있다. 각각의 모드는 최대 전기장 벡터를 갖는다. 2개 이상의 모드가 있을 수 있지만, 하나의 모드가 지배적이고 다른 모드들보다 큰 최대 전기장 벡터 크기를 갖는다. 본원에서 사용된 바와 같이, 다중-모드 공동은, 제 1 모드와 제 2 모드 크기 사이의 비가 약 1:10 미만, 약 1:5 미만 또는 약 1:2보다 훨씬 미만인 임의의 공동이다. 비가 작을수록 모드 사이에 전기장 에너지가 더욱 많이 분포되고, 따라서 방사선 에너지가 공동안에 더욱 많이 분포된다는 것을 당업자들을 이해할 것이다.
플라즈마 공동 안의 플라즈마 분포는 적용된 방사선의 분포에 크게 의존한다. 예를 들면, 순수한 단일 모드 시스템에서, 전기장이 최대인 단일 위치만이 존재할 것이다. 따라서, 강한 플라즈마는 단일 위치에서만 형성될 수 있다. 많은 응용분야에서, 이렇게 강하게 국소화된 플라즈마는 바람직하지 않게 불균일한 플라즈마 처리 또는 가열을 유도할 수 있다(즉, 국부적으로 과열되거나 덜 가열된다).
단일 또는 다중-모드 공동이 본 발명에 따라 사용되든지 아니든지, 플라즈마가 형성되는 공동이 완전히 닫히거나 부분적으로 열린다는 것을 당업자들은 이해할 것이다. 예를 들면, 플라즈마-보조된 노(furnace)와 같은 응용분야에서, 공동은 완전히 닫힐 수 있다. 예를 들면 통상적으로 소유되고 동시 출원된 본원에서 그 전문을 참조로서 인용한 미국 특허출원 제 10/___,___ 호(Attorney Docket No. 1837.0020)를 참조한다. 그러나, 또 다른 분야에서, 공동을 통해 기체를 유동시키는 것이 바람직할 수 있고, 따라서 공동은 어느 정도 열려있어야 한다. 이러한 식으로, 유동 기체의 유속, 유형 및 압력을 시간에 따라 변화시킬 수 있다. 이는 플라즈마 형성을 촉진시키는 특정 기체, 예를 들면 아르곤이 더욱 쉽게 점화되기 때문에 바람직하며, 하지만 후속적인 플라즈마 처리중 필요하지 않을 수도 있다.
모드-혼합
많은 용도에서, 균일한 플라즈마를 함유하는 공동이 바람직하다. 그러나, 마이크로웨이브 방사선이 비교적 긴 파장(예: 수십 센티미터)을 가질 수 있기 때문에, 균일한 분포를 달성하기가 어렵다. 결과적으로, 본 발명의 한가지 태양에 따라, 다중-모드 공동 안의 방사선 모드가 일정한 시간에 걸쳐 혼합되거나 재분배될 수 있다. 상기 공동 안의 필드 분배가 공동의 내표면에 의해 설정된 모든 경계 조건을 만족해야 하기 때문에(예를 들면, 금속이라면), 이러한 필드 분포는 그 내표면의 임의의 부분의 위치 변화에 의해 변화될 수 있다.
본 발명에 따른 한가지 실시태양에서, 움직일 수 있는 반사성 표면이 방사선 공동 안에 위치할 수 있다. 반사성 표면의 형상 및 움직임은, 결합될 때, 움직이는 중에 공동의 내표면을 변화시켜야 한다. 예를 들면 "L" 형상 금속 물체(즉, "모드-혼합기")는 임의의 축 둘레로 회전할 때 공동 안에서의 반사성 표면의 위치 또는 배향을 변화시킬 것이고 따라서, 그 안의 방사선 분포를 변화시킬 것이다. 임의의 다른 비대칭성 형상의 물체가 또한 사용될 수 있지만(회전될 때), 상대적 움직임(예: 회전, 변화 또는 이 모두의 조합)이 반사성 표면의 위치 또는 배향에서 어느 정도 변화를 유발하는 한 대칭 형상의 물체가 또한 사용될 수 있다. 한가지 실시태양에서, 모드-혼합기는 실린더의 종방향 축이 아닌 축을 둘레로 회전할 수있는 실린더일 수 있다.
다중-모드 공동의 각 모드는 하나 이상의 최대 전기장 벡터를 가질 수 있지만, 이들 벡터의 각각은 공동의 내부 치수를 가로질러 주기적으로 발생할 수 있다. 통상적으로, 이들 최대값이 고정되고 방사선의 주파수는 변하지 않는 것으로 가정한다. 그러나, 모드-혼합기가 방사선과 상호작용하도록 움직임으로써, 최대 위치를 움직일 수 있다. 예를 들면, 모드-혼합기(38)를 사용하여 공동(14) 안의 필드 분포를 최적화하여 플라즈마 점화 조건 및/또는 플라즈마 유지 조건이 최적화되도록 할 수 있다. 따라서, 일단 플라즈마가 여기되면, 모드-혼합기의 위치는 균일한 시간-평균화된 플라즈마 방법(예: 가열)에 대한 최대값의 위치를 움직이도록 변화될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 모드-혼합이 플라즈마 점화중 유용할 수 있다. 예를 들면, 전기 전도성 섬유가 플라즈마 촉매로서 사용될 때, 섬유의 배향이 최소 플라즈마-점화 조건에 강하게 영향을 미친다는 것이 공지되어 있다. 예를 들면 이러한 섬유가 전기장에 대해 60°보다 큰 각으로 배향될 때, 촉매는 이러한 조건을 거의 향상시키거나 완화시키지 못한다는 것이 보고되어 있다. 그러나, 공동 안 또는 근처에서 반사성 표면을 움직임으로써, 전기장 분포를 상당히 변화시킬 수 있다.
모드-혼합은 또한 방사선을 어플리케이터 챔버 안으로, 예를 들면 어플리케이터 챔버 안에 고정될 수 있는 회전 도파관 조인트를 통해 발사시킴으로써 달성될 수도 있다. 회전 조인트는 기계적으로 움직여서(예: 회전) 방사선 챔버 안의 상이한 방향으로 방사선을 효율적으로 발사할 수 있다. 결과적으로, 필드 패턴의 변화가 어플리케이터 챔버 안에서 발생할 수 있다.
모드-혼합은 또한 방사선 챔버 안의 방사선을 가요성 도파관을 통해 발사함으로써 달성될 수도 있다. 한가지 실시태양에서, 도파관은 챔버 안에 고정될 수 있다. 다른 실시태양에서, 도파관을 챔버 안으로 연장할 수 있다. 가요성 도파관의 단부의 위치는, 방사선(예: 마이크로웨이브 방사선)을 상이한 방향 및/또는 위치로 챔버로 발사하기 위해, 임의의 적절한 방식으로 연속적으로 또는 주기적으로 움직일 수 있다(예를 들면 구부러질 수 있다). 또한 이러한 움직임의 결과 모드가 혼합되고, 시간-평균화된 기준으로 더욱 균일한 플라즈마 처리(예: 가열)를 촉진한다. 선택적으로, 이러한 움직임을 사용하여 점화 또는 다른 플라즈마-보조된 방법을 위한 플라즈마의 위치를 최적화할 수 있다.
가요성 도파관이 직사각형이면, 상기 도파관의 개방 단부를 단순히 꼬면 어플리케이터 챔버 안에서 방사선중 전기장 및 자기장 벡터의 방향을 회전시킬 것이다. 이어서, 도파관의 주기적 꼬임은 모드-혼합 뿐만 아니라 전기장을 회전시킬 수 있고, 이를 사용하여 플라즈마의 점화, 조정 또는 유지를 보조할 수 있다.
따라서, 촉매의 초기 배향이 전기장에 수직일 때에도, 전기장 벡터의 재방향은 비효율적인 배향을 더욱 효과적인 것으로 변화시킬 수 있다. 모드-혼합이 연속적, 주기적 또는 미리 프로그램될 수 있다는 것을 당업자들은 이해할 것이다.
플라즈마 점화에 덧붙여, 모드-혼합은 챔버 안에서 "과열점"을 감소시키거나 생성하기 위해(예: 튜닝) 후속적인 플라즈마 처리중 유용할 수 있다. 마이크로웨이브 공동이 적은 수의 모드만을 지지할 때(예: 5 미만), 하나 이상의 국소화 전기장 최대값은 "과열점"(예: 공동(12) 안에)을 유도할 수 있다. 한가지 실시태양에서, 이들 과열점은 하나 이상의 별도의 그러나 동시의 플라즈마 점화 또는 처리 사건과 부합하도록 배치될 수 있다. 따라서, 플라즈마 촉매는 이러한 점화 또는 후속적 처리 위치중 하나 이상에서 위치할 수 있다.
다중-위치 점화
플라즈마는 상이한 위치에서 여러 플라즈마 촉매를 사용하여 점화될 수 있다. 한가지 실시태양에서, 여러 섬유를 사용하여 플라즈마를 공동 안에서 상이한 지점에서 점화할 수 있다. 이러한 다수-지점 점화는 균일한 플라즈마 점화가 바람직할 때 특히 유리하다. 예를 들면, 플라즈마가 높은 주파수(즉, 수십 Hz 이상)에서 조정될 때, 또는 비교적 큰 체적 안에서 점화될 때 또는 모든 경우, 플라즈마의 실질적으로 균일한 동시 스트라이킹 및 재스트라이킹이 향상될 수 있다. 선택적으로, 플라즈마 촉매가 여러 지점에서 사용되면, 이들은 촉매를 이러한 상이한 위치들에 선택적으로 도입함으로써 플라즈마 챔버 안에 상이한 위치에서 플라즈마를 순차적으로 점화하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 플라즈마 점화 구배가 경우에 따라 공동 안에서 제어가능하게 형성할 수 있다.
또한, 다중-모드 공동에서, 공동중 여러개의 위치를 통한 촉매의 무작위 분포는 본 발명에 따른 하나 이상의 섬유 또는 임의의 다른 수동성 플라즈마 촉매가 전기장 라인과 함께 최적으로 배향할 가능성을 증가시킨다. 또한, 촉매가 최적으로 배향하지 않을 때라도(실질적으로 전기장 라인과 정렬되지 않음), 점화 조건은 향상된다.
또한, 촉매 분말이 기체중 부유할 수 있기 때문에, 각각의 분말 입자는 공동 안의 상이한 물리적 위치에 위치되는 효과를 가져서, 공동 안의 점화 균일성을 향상시킬 수 있다고 생각된다.
이중-공동 플라즈마 점화/유지
이중-공동 배열을 사용하여 본 발명에 따라 플라즈마를 점화하고 유지할 수 있다. 한가지 실시태양에서 시스템은 적어도 제 1 점화 공동 및 상기 제 1 공동과 유체 연통되는 제 2 공동을 포함한다. 플라즈마를 점화하기 위해, 제 1 점화 공동 안의 기체를 선택적으로 플라즈마 촉매의 존재하에 약 333 GHz 미만의 주파수를 갖는 전자기 방사선으로 조사할 수 있다. 이러한 방식으로, 제 1 공동 및 제 2 공동을 근접시키면 제 1 공동 안에 형성된 플라즈마가 제 2 공동 안의 플라즈마(이는 부가적인 전자기 방사선으로 유지될 수 있다)를 점화할 수 있다.
본 발명의 한가지 실시태양에서, 제 1 공동은 매우 작고 주로 플라즈마 점화를 위해 아니면 플라즈마 점화만을 위해 구상될 수 있다. 이러한 방식으로, 매우 적은 마이크로웨이브 에너지가 플라즈마를 점화하기 위해 요구될 수 있고, 특히 본 발명에 따라 플라즈마 촉매가 사용될 때 더욱 용이한 점화를 허용한다.
한가지 실시태양에서, 제 1 공동은 실질적으로 단일-모드 공동이고, 제 2 공동은 다중-모드 공동이다. 제 1 점화 공동만이 단일 모드를 지지하면, 전기장 분포는 공동 안에서 심하게 변화하여, 하나 이상의 정확하게 위치된 전기장 최대값을 형성할 것이다. 이러한 최대값은 통상적으로 플라즈마가 점화되는 제 1 위치이고, 플라즈마 촉매를 위치시키기 위한 이상적인 지점이 되게 한다. 그러나, 플라즈마 촉매가 사용되면, 전기장 최대값 안에 위치될 필요는 없고, 많은 경우 임의의 특정 방향으로 배향될 필요가 없음을 이해할 것이다.
엔진 배기 처리
도 10은 본 발명에 따른 예시적 엔진 배기 처리 시스템(300)의 단순화된 개략도이다. 일반적으로, 엔진 배기 처리 시스템은 하나 이상의 도관을 포함할 수 있다. 도 10에 도시된 실시태양에서, 시스템(300)은 도관(302,304,306)을 포함한다. 작동 동안, 하나 이상의 도관은 그 안에서 플라즈마가 형성되어 엔진 배기를 처리하는데 사용될 수 있는 플라즈마 처리 대역을 제공할 수 있다. 본 발명에 따른 도관은 배기 가스를 입구부로부터 출구부로 전달하도록 되어 있는 임의의 채널, 가이드, 또는 통로일 수 있다.
도관(302,304,306) 각각은 하나 이상의 입구부(312,314,316) 및 하나 이상의 출구부(322,324,326)를 각각 포함한다. 입구부 각각은 엔진 블록(도시하지 않음)에 직접 또는 간접적으로 연결되고 하나 이상의 연소 영역, 대역 또는 챔버로부터의 엔진 배기 가스를 수용하도록 되어 있을 수 있다. 도관의 수는 예를 들어 엔진중의 피스톤의 수에 상응할 수 있다. 한가지 실시태양에서, 단일 도관이 단일 연소 영역을 취급할 수 있다. 다르게는, 단일 도관이 다중 연소 영역을 취급할 수 있다. 또 다른 실시태양에서는, 다중 도관이 단일 연소 영역을 취급할 수 있다.
엔진 블록은 임의의 고정 또는 이동 시스템과 함께 사용하기 위한, 예를 들어 2행정 엔진, 4행정 엔진 또는 디젤 엔진을 포함하는 임의의 연소 엔진일 수 있다. 이동 시스템의 예는 차, 버스, 트럭, 비행기, 기차, 오토바이, 트랙터, 이동 장비, 또는 연소 엔진을 포함하는 임의의 이동가능한 장치와 같은 운송 수단을 포함한다. 도관(302,304,306) 각각은 또한 기체를 입구부(312,314,316)로부터 출구부(322,324,326)로 각각 운반하기 위한 하나 이상의 중간부(332,334,336)를 포함할 수 있다.
도관(302,304,306) 각각은 배기 가스를 처리하기 위해 각각의 입구부(312,314,316)에 근접하게 배치된 하나 이상의 플라즈마 공동을 추가로 포함할 수 있다. 배기 처리 시스템의 문맥에서 사용되는 바와 같이, 플라즈마 처리 공동은 임의적으로 방사선의 존재하에 플라즈마가 형성될 수 있는 임의의 공동 또는 영역일 수 있다. 따라서, 플라즈마 처리 공동은 도관의 중간부와 동일하거나 상이할 수 있으며 도관과 통합되거나 분리되어 있을 수 있다. 게다가, 플라즈마 처리 공동은 배기 처리 시스템의 특정 설계 제한점에 따라 단일-모드 공동 또는 다중-모드 공동일 수 있다. 또한, 플라즈마 처리 공동은 임의의 편리한 길이 및 편리한 단면을 가질 수 있다. 공기를 시스템에 공급하여 연소가 더욱 완전해 지도록 유입 포트 또는 그 근방에 하나 이상의 공기 유입 포트(도시되지 않음)를 또한 제공할 수 있다. 유사하게, 바라는 경우 재연소장치(after-burner)로서 작용하도록 도관의 출구부 또는 그 근방에 공기 유입 포트를 또한 제공할 수 있다.
배기 처리 시스템(300)은 또한 각각의 공동에 방사선을 공급하기 위해 하나 이상의 플라즈마 공동(342,344,346) 내로 방사선을 보내도록 되어 있는 전자기 방사선원(340)을 또한 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 방사선은 약 333GHz 미만의 임의의 주파수를 가질 수 있지만, 상기 범위의 상한인 주파수를 갖는 방사선, 예컨대 마이크로웨이브 방사선 및 라디오-주파수 방사선은 대기압에서 플라즈마를 점화시키는데 사용되어 왔다.
도 10에 도시된 실시태양에서, 방사선원(340)은 동축 케이블(352,354,356)을 사용하여 멀티플렉서(348)를 경유하여 공동(342,344,346)에 연결될 수 있다. 본 발명에 따라 달성될 수 있는 높은 플라즈마-보조된 기체 처리 온도로 인해, 케이블이 과열되는 것을 막도록 캐이블(352,354,356) 및 도관(302,304,306) 사이에 열 절연체(도시되지 않음)를 배치할 수 있다.
멀티플렉서(348)은 공급원(340)으로부터 생성된 방사선을 공동(342,344,346)으로 선택적으로 보내는데 사용될 수 있다. 한가지 실시태양에서, 방사선은 공동 내로 순차적으로, 특정하게는 상기 공동이 배기 가스를 포함할 경우에 보내진다. 이러한 방식으로, 단일 저출력 방사선원(예컨대 공급원(340))은 다중 플라즈마 처리 공동에 의해 공유될 수 있다. 본 발명에 따른 순차적 멀티플렉싱은 예를 들어 엔진의 연소 또는 연료-주입 시간조절 순서와 연관된 회로에 의해 생성된 시간조절 신호와 동조될 수 있다. 다른 실시태양에서, 방사선원(340)은 모든 플라즈마 공동으로 동시에 방사선을 보낼 수 있지만, 이러한 동시적 방법은 효율적이지는 않을 것이다.
다른 실시태양에서, 전자기 방사선원(340)은 방사선을 하나 이상의 도파관(도시되지 않음)을 통해 하나 이상의 플라즈마 공동(342,344,346)으로 보내도록 되어 있을 수 있다. 도파관의 형상(예컨대 원통형, 직사각형, 동축, 타원형 등)은 각각의 공동 내에서 작동의 하나 이상의 방사 모드(예컨대, TEM, TE 및/또는 TM)를 선택하는데 사용될 수 있다.
도 11은 다중 방사선원(410,415,420)이 각각의 도관(402,404,406)에 직접 연결될 수 있어 동축 케이블 또는 도파관이 필요없는 다른 플라즈마-보조된 배기 처리 시스템(400)을 도시한다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 각각의 방사선원(410,415,420)은 중앙 제어기(425)에 의해 제어(예컨대, 촉발)될 수 있고, 상기 제어기는 엔진 블록의 점화 순서에 동조될 수 있다.
도 12는 방사선원(455)이 방사선-전송 배리어(465)를 통해 도관(460) 내로 방사선을 공급하는 본 발명에 따른 플라즈마-보조된 기체 처리 시스템(450)의 다른 예시적인 실시태양을 도시한다. 상기 실시태양에서, 배기 가스는 배기 매니폴드의 분기(470)를 통해 도관(460)으로 공급될 수 있다. 다르게는, 배기 가스는 분기(470) 없이 도관(460)을 통해 직접 공급될 수 있다. 어떤 경우에도, 방사선은 동축 케이블(475) 및 도파관(480)중 하나 이상을 통해 도관(460)으로 전달될 수 있다.
도 12에 도시된 실시태양에서, 도파관(480)은 전기 전도성(예컨대, 금속성) 단락 플레이트를 포함할 수 있다. 방사선 커플링을 최적화하기 위해, 동축 케이블(475)의 연결기(490)가 방사선(예컨대 마이크로웨이브 또는 라디오-주파수 방사선)을 단락 플레이트(485)로부터 약 λ/4(여기서, λ는 상기 방사선의 파장임)의 거리에서 전달하도록 배치될 수 있다. 방사선이 도파관(480)으로 보내질 경우, 상기 방사선은 세라믹 또는 석영 또는 상기 방사선에 대해 실질적으로 투명한 다른 물질로 제조될 수 있는 방사선-전송 배리어(465)를 통해 도관(460)으로 전파할 수 있다.
도 10으로 돌아와서, 본 발명에 따르면 플라즈마 공동(342,344,346)은 각각 입구부(312,314,316) 또는 그 근방에 배치될 수 있다. 공동을 입구부에 가깝게 배치함으로써, 공동에 들어가는 배기 가스의 온도가 크게 떨어지지 않는다. 배기 가스가 비교적 고온으로 플라즈마 공동에 들어갈 수 있으므로, 상기 가스로부터 플라즈마를 초기화하는데 요구되는 에너지의 양은 비교적 작을 수 있다. 따라서, 본 발명의 한가지 실시태양에 따르면, 하나 이상의 플라즈마 공동은 도관의 중간부를 따라 출구부보다 입구부에 가까운 임의의 위치에 배치될 수 있다.
도 10 및 11에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배기 가스 처리 시스템은 다중 도관을 포함할 수 있다. 상기 실시태양에서, 도관 각각은 상이한 입구부를 가질 수 있다. 또한, 출구부는 공통의 도관에 공급되거나, 또는 다른 출구부에 공급될 수 있다. 도 10 및 11에 도시된 바와 같이 각각의 도관에서 개별적으로 배기 가스를 처리하기 위해 별개의 플라즈마를 사용할 수 있으나, 조합된 후(도시되지 않음) 도관 모두에 의해 제공되는 배기 가스를 처리하기 위해 단일 플라즈마를 사용할 수 있다.
본 발명의 한 태양에 따르면, 본 발명에 따른 임의의 플라즈마-보조된 배기 가스 처리 시스템은 플라즈마 촉매를 포함할 수 있다. 앞서 상세하게 설명한 바와 같이, 촉매는 수동성이거나 능동성일 수 있다. 한가지 실시태양에서, 플라즈마 촉매는 카트리지 내에 배치될 수 있다. 카트리지는 제거가능하거나, 대체가능하거나, 일회용일 수 있다. 또한 재적재 및 재사용 가능할 수 있다. 예를 들어, 도 12에 도시된 바와 같이, 카트리지(495)는 도관(460)에 삽입되고 제거될 수 있는 촉매 지지 구조를 포함한다. 상기 실시태양에서, 카트리지(495)는 더이상 효과적이지 않을 경우 대체될 수 있는 소모가능한 플라즈마 촉매(예컨대, 탄소 섬유, 방사선원 등)를 포함할 수 있다.
도관(460)은 또한 플라즈마 촉매가 효과적인지 여부를 결정할 수 있는 배기 가스 모니터(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 플라즈마 촉매는 예를 들어 플라즈마가 배기 가스 및 충분량의 방사선의 존재하에 신속하게 점화될 경우 효과적이라고 생각된다. 예를 들어 산소 또는 일산화탄소 센서를 사용하여 도관의 출구부에서 배기 가스의 조성을 모니터링할 수 있다. 배기 가스 조성이 허용될 수 없는 것으로 결정될 경우, 신호를 생성하여 이를 사용자, 예컨대 자동차 운전자에게 정비가 필요함을 통보하는데 사용할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 수동성 및 능동성 플라즈마 촉매는 감소된 양의 방사선 출력으로 대기압에서 배기 플라즈마를 점화, 조정 및/또는 유지시키는데 사용될 수 있다. 일반적으로, 이러한 촉매를 사용하는 방법은 배기 가스를 하나 이상의 공동 안에서 플라즈마 촉매의 존재하에 약 333GHz 미만의 주파수를 갖는 전자기 방사선으로 조사하여 엔진 배기 가스로부터 하나 이상의 플라즈마를 형성하는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 플라즈마 촉매를 사용하는 이점은 효과적인 작동 온도를 신속하게 달성할 수 있다는 점이다. 즉, 플라즈마 형성 시간으로부터 측정하여 약 5초 미만의 기간 내에, 또는 심지어 약 1초 미만의 기간 내에 충분히 높은 작동 온도를 갖는 플라즈마를 얻을 수 있다. 물론 정확한 기간의 양은 목적하는 작동 온도, 기체 유량, 전자기 방사선 출력 등에 좌우된다. 예를 들어, 약 1,000℃ 초과, 또는 약 2,500℃ 초과의 작동 온도를 진공 장비를 사용하지 않고 매우 신속하게 얻을 수 있다. 다른 이점은 플라즈마 촉매를 사용하여 플라즈마가 재스트라이킹될 수 있는 속도 및 용이성일 수 있다. 이는 예를 들어 도 10에 도시된 바와 같은 순차적 멀티플렉싱이 사용될 경우 특히 유용하다.
본 발명에 따른 한가지 실시태양에서, 도관은 전체 또는 부분적으로 그 자체가 플라즈마 공동으로서 작용할 수 있다. 따라서, 엔진 배기 처리 시스템은 하나 이상의 도관을 포함할 수 있고, 상기 도관중 하나 이상은 엔진 블록에 연결되고 엔진 배기 가스를 수용하도록 되어 있는 입구부, 상기 가스를 방출하기 위한 출구부, 및 상기 배기 가스로부터 플라즈마를 그 안에서 형성하기 위한 하나 이상의 전자기 방사선 모드를 지지하도록 되어 있는 내부 용적을 갖고 상기 가스를 입구부로부터 출구부로 운반하기 위한 중간부를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 또한 중간부로 약 333GHz 미만의 주파수를 가질 수 있는 전자기 방사선을 공급하기 위한 공급원을 포함할 수 있다.
한가지 실시태양에서, 플라즈마 공동, 또는 도관의 적어도 일부는 동축 형태를 갖는다. 따라서, 다른 형상 및 배치가 또한 가능하지만, 공동은 내관 및 외관 사이에 형성될 수 있다. 관들이 전기 전도성(예컨대, 금속성)이거나 절연성(예컨대, 세라믹)일 수 있다는 것을 알 것이다. 동축 배치가 사용될 경우, 예를 들어 도파관 또는 동축 케이블을 사용하여 전자기 방사선을 플라즈마 공동 내로 제공할 수 있다. 동축 케이블의 경우, 케이블을 축상에 부착시켜 방사선을 제공할 수 있다. 동축 케이블의 내부 용적이 동축 도관의 내부 용적과 상이할 경우, 테이퍼 연결기를 사용하여 내부 표면이 실질적으로 평평하도록(flush) 하여 방사선의 반사 방지를 돕게 할 수 있다.
상기 시스템은 또한 약 333GHz 미만의 주파수를 가질 수 있는 전자기 방사선을 중간부에 공급하기 위한 공급원을 포함할 수 있다.
따라서, 도관의 내부 용적은 방사선을 위한, 따라서 본 발명에 따라 배기 플라즈마를 점화, 조정 또는 유지하기 위한 최적화된 도파관으로서 작용하도록 되어 있을 수 있다.
전술한 바와 같이, 연소 엔진을 포함하는 임의의 유형의 운송수단을 본 발명에 따른 엔진 배기 처리 시스템과 함께 사용할 수 있다. 예를 들어, 운송수단, 또는 시스템은 차, 버스, 트럭, 비행기, 기차, 오토바이, 트랙터, 이동 장비, 또는 연소 엔진에 의해 움직이는 임의의 다른 이동가능한 장치일 수 있다. 따라서, 도 13에 도시된 바와 같이, 운송 수단, 이 경우에는 자동차(500)는 적어도 일종의 차대(505), 연소 엔진(510), 엔진(510)으로부터의 연소 기체를 배출하기 위해 엔진(510)에 연결된 도관(515), 및 본 발명에 따른 배기 처리 시스템(520)을 포함할 수 있다. 배기 처리 시스템(520)은 다른 것들 중에서도 도관으로 방사선을 보내기 위한 전자기 방사선원(525)을 포함할 수 있다. 시스템(520)은 또한 본 발명에 따라 플라즈마를 촉매작용하기 위한 플라즈마 촉매(도 13에는 도시되지 않음)를 포함할 수 있다.
상기 기술한가지 실시태양에서, 능률적으로 기술하기 위해 다양한 특징을 그룹으로 함께 묶었다. 이러한 기술방법은, 청구된 발명이 각각의 청구항에 명백히 인용된 것보다 더 많은 특징을 필요로 하는 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려, 하기 청구의 범위가 반영하듯이, 진보성은 하나의 앞서 기술한가지 실시태양의 모든 특징들보다 적은 데에 존재한다. 따라서, 하기 청구의 범위는 실시태양들의 상세한 설명 안에 포함되되, 각각의 청구항은 본 발명의 별도의 바람직한가지 실시태양으로서 존재하는 것이다.

Claims (59)

  1. 엔진 블록에 연결되고 엔진 배기 가스를 수용하도록 되어 있는 입구부, 상기 가스를 방출하기 위한 출구부, 및 상기 가스를 상기 입구부로부터 출구부로 운반하기 위한 것으로 상기 가스를 처리하기 위해 상기 입구부에 근접하게 배치된 플라즈마 공동을 포함하는 중간부를 포함하는 하나 이상의 도관; 및
    약 333GHz 미만의 주파수를 갖는 방사선을 공동으로 보내도록 되어 있는 전자기 방사선원을 포함하는 엔진 배기 처리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공동이 상기 입구부에 배치된 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 공동이 상기 중간부를 따라 상기 출구부보다 입구부에 가까운 위치에 배치된 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    방사선중에 배치된 하나 이상의 수동성 플라즈마 촉매 및 능동성 플라즈마 촉매를 추가로 포함하는 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 플라즈마 촉매가 상기 공동으로부터 제거될 수 있도록 되어 있는 카트리지 안에 배치된 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 플라즈마 촉매가 적어도 전기 반전도성인 물질을 포함하는 하나 이상의 수동성 플라즈마 촉매를 포함하는 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 플라즈마 촉매가, 플라즈마에 의한 촉매 소모를 막는 것을 돕는 보호층으로 코팅된 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 물질이 금속, 탄소, 탄소계 합금, 탄소계 복합체, 전기 전도성 중합체, 전도성 실리콘 탄성중합체, 중합체 나노복합체, 및 유기-무기 복합체중 하나 이상을 포함하는 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 물질이 나노-입자, 나노-튜브, 분말, 분진, 플레이크, 섬유, 시이트, 바늘, 실, 스트랜드, 필라멘트, 얀, 트와인, 쉐이빙, 슬라이버, 칩, 제직물, 테잎 및 휘스커중 하나 이상의 형태인 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 촉매가 탄소 섬유를 포함하는 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 촉매가 나노-입자, 나노-튜브, 분말, 분진, 플레이크, 섬유, 시이트, 바늘, 실, 스트랜드, 필라멘트, 얀, 트와인, 쉐이빙, 슬라이버, 칩, 제직물, 테잎 및 휘스커중 하나 이상의 형태인 시스템.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 플라즈마 촉매가 분말을 포함하는 시스템.
  13. 제 4 항에 있어서,
    상기 플라즈마 촉매가 하나 이상의 이온화 입자를 포함하는 능동성 플라즈마 촉매인 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 이온화 입자가 입자의 빔을 포함하는 시스템.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 입자가 x-선 입자, 감마선 입자, 알파 입자, 베타 입자, 중성자, 전자, 이온 및 양성자중 하나 이상인 시스템.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 이온화 입자가 방사능 핵분열 산물을 포함하는 시스템.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 플라즈마가 상기 공동에서 대기압 이상의 압력에서 형성될 수 있는 시스템.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 도관이 다수의 도관을 포함하는 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 다수의 도관 각각이 상이한 입구부를 갖고 공통의 출구부를 공유하는 시스템.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 공동이 사용시에 상기 공동에 들어오는 기체의 온도가 상기 입구부에서의 기체의 온도와 대략 동일하도록 하는 위치에 배열된 시스템.
  21. 엔진 배기 가스를 하나 이상의 공동 안에서 플라즈마 촉매의 존재하에 약 333GHz 미만의 주파수를 갖는 전자기 방사선으로 조사함으로써 상기 배기 가스로부터 하나 이상의 플라즈마를 형성하는 것을 포함하는, 엔진 배기 가스의 처리 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    플라즈마 형성 시간으로부터 측정하여 약 5초 미만의 기간 내에 효과적인 작동 온도를 수득하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 기간이 약 1초 미만인 방법.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 공동이 각각의 연소 영역에 개별적으로 연결되도록 되어 있는 다수의 공동을 포함하고, 상기 공동 각각이 작동 동안 각각의 공동으로부터 유동한 상기 배기 가스가 조합되도록 서로 유체 연통되게 되어 있는 방법.
  25. 제 21 항에 있어서,
    상기 가스가 연소 영역을 빠져 나올 때 제 1 온도를 갖고, 상기 배기 가스의 온도가 상기 제 1 온도로부터 크게 떨어지기 전에 상기 배기 가스를 공동 내로 보내는 것을 추가로 포함하는 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 플라즈마가 약 1,000℃ 초과의 온도를 갖는 방법.
  27. 제 24 항에 있어서,
    상기 플라즈마가 약 2,500℃ 초과의 온도를 갖는 방법.
  28. 제 21 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 공동이 하나 이상의 도관을 따라 배치되고, 상기 도관이 엔진 블록에 연결되고 상기 엔진 배기 가스를 수용하도록 되어 있는 입구부, 상기 가스를 방출하기 위한 출구부, 및 상기 가스를 입구부로부터 출구부로 운반하기 위한 중간부를 포함하고, 상기 공동 각각이 각각의 도관의 입구부 근방에 배치되는 방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 도관이 상이한 입구부를 갖고 공통의 출구부를 공유하는 방법.
  30. 제 22 항에 있어서,
    상기 공동이 입구부 안에 있는 방법.
  31. 제 22 항에 있어서,
    상기 공동이 상기 출구부보다 입구부에 가깝게 배치되는 방법.
  32. 제 21 항에 있어서,
    상기 플라즈마 촉매가 하나 이상의 수동성 플라즈마 촉매 및 능동성 플라즈마 촉매를 포함하는 방법.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 플라즈마 촉매가 적어도 전기 반전도성인 물질을 포함하는 하나 이상의 수동성 플라즈마 촉매를 포함하는 방법.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 물질이 금속, 탄소, 탄소계 합금, 탄소계 복합체, 전기 전도성 중합체, 전도성 실리콘 탄성중합체, 중합체 나노복합체, 및 유기-무기 복합체중 하나 이상을 포함하는 방법.
  35. 제 32 항에 있어서,
    상기 물질이 나노-입자, 나노-튜브, 분말, 분진, 플레이크, 섬유, 시이트, 바늘, 실, 스트랜드, 필라멘트, 얀, 트와인, 쉐이빙, 슬라이버, 칩, 제직물, 테잎 및 휘스커중 하나 이상의 형태인 방법.
  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 플라즈마 촉매가 분말을 포함하는 방법.
  37. 제 32 항에 있어서,
    상기 플라즈마 촉매가 하나 이상의 이온화 입자를 포함하는 능동성 플라즈마 촉매인 방법.
  38. 제 37 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 이온화 입자가 입자의 빔을 포함하는 방법.
  39. 제 32 항에 있어서,
    상기 입자가 x-선 입자, 감마선 입자, 알파 입자, 베타 입자, 중성자 및 양성자중 하나 이상인 방법.
  40. 제 21 항에 있어서,
    상기 플라즈마가 공동 내에서 대기압 이상의 압력에서 형성될 수 있는 방법.
  41. 제 21 항에 있어서,
    제 1 연소 영역 및 제 2 연소 영역이 소정의 시간조절 순서에 따라 배기 가스의 제 1 부분 및 제 2 부분을 각각 생성하고, 상기 시간조절 순서와 동조되도록 하는 방식으로 상기 배기 가스의 제 1 및 제 2 부분을 방사선에 노출시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  42. 엔진 블록에 연결되고 엔진 배기 가스를 수용하도록 되어 있는 입구부, 상기 가스를 방출하기 위한 출구부, 및 상기 가스를 입구부로부터 출구부로 운반하기 위한 것으로 플라즈마 촉매의 존재하에 상기 배기 가스로부터 플라즈마를 그 안에서 형성하기 위해 하나 이상의 전자기 방사선 모드를 지지하도록 되어 있는 내부 용적(dimensions)을 갖는 중간부를 포함하는 하나 이상의 도관; 및
    약 333GHz 미만의 주파수를 갖는 전자기 방사선을 상기 중간부로 공급하기 위한 공급원을 포함하는 엔진 배기 처리 시스템.
  43. 제 42 항에 있어서,
    상기 공급원과 도관 사이에 연결된 동축 케이블을 추가로 포함하는 시스템.
  44. 제 43 항에 있어서,
    상기 케이블과 도관 사이에 도파관을 추가로 포함하는 시스템.
  45. 제 42 항에 있어서,
    상기 입구부에 근접하게 배치되어 상기 방사선이 상기 도관 밖으로 통과하는 것을 방지하는 것을 돕는 하나 이상의 방사선 필터를 추가로 포함하는 시스템.
  46. 제 42 항에 있어서,
    상기 출구부에 근접하게 배치되어 상기 방사선이 상기 도관 밖으로 통과하는 것을 방지하는 것을 돕는 하나 이상의 방사선 필터를 추가로 포함하는 시스템.
  47. 제 42 항에 있어서,
    상기 내부 용적이 상기 방사선을 위해 최적화된 도파관으로서 작용하도록 되어 있는 시스템.
  48. 제 42 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 도관이 적어도 제 1 연소 영역에 연결되도록 되어 있는 제 1 도관 및 제 2 연소 영역에 연결되도록 되어 있는 제 2 도관을 포함하고, 소정의 시간조절 순서에 따라 상기 제 1 도관 안의 배기 가스의 제 1 부분이 상기 방사선에 노출되도록 하고 상기 제 2 도관 안의 배기 가스의 제 2 부분이 상기 방사선에 노출되도록 하는 제어기를 추가로 포함하는 시스템.
  49. 제 48 항에 있어서,
    상기 소정의 시간조절 순서가 임의의 1회에 상기 배기 가스 부분중 오직 하나만이 노출되도록 하는 것인 시스템.
  50. 제 42 항에 있어서,
    상기 도관이 동축 형상인 시스템.
  51. 제 50 항에 있어서,
    상기 공급원이 동축 케이블로 도관에 연결된 시스템.
  52. 제 51 항에 있어서,
    상기 동축 케이블이 내부 단면 치수를 갖고 상기 동축 도관이 상기 동축 케이블의 내부 단면 치수와 상이한 내부 단면 치수를 가지며, 상기 케이블과 도관 사이를 실질적으로 평평하게(flush) 연결하기 위해 사용될 수 있는 테이퍼 연결기를 추가로 포함하는 시스템.
  53. 제 42 항에 있어서,
    상기 도관이, 공기가 도관에 들어가게 하여 상기 가스가 출구로 운반되기 전에 더욱 연소되도록 하는 하나 이상의 공기 포트를 포함하는 시스템.
  54. 차대;
    상기 차대에 연결된 연소 엔진;
    상기 엔진으로부터 배기 가스를 수용하도록 되어 있는 엔진 배기 처리 시스템을 포함하는 운송수단으로서,
    상기 시스템이
    엔진 블록에 연결되고 엔진 배기 가스를 수용하도록 되어 있는 입구부, 상기 가스를 방출하기 위한 출구부, 및 상기 가스를 입구부로부터 출구부로 운반하기 위한 중간부를 포함하는 하나 이상의 도관;
    상기 가스를 처리하기 위해 상기 입구부에 근접하게 배치된 하나 이상의 플라즈마 공동; 및
    약 333GHz 미만의 주파수를 갖는 방사선을 상기 공동으로 공급하도록 되어 있는 전자기 방사선원을 포함하는 것을 특징으로 하는 운송수단.
  55. 제 54 항에 있어서,
    자동차인 운송수단.
  56. 제 54 항에 있어서,
    방사선에 플라즈마 촉매를 추가로 포함하는 운송수단.
  57. 제 56 항에 있어서,
    상기 플라즈마 촉매가 하나 이상의 수동성 플라즈마 촉매 및 능동성 플라즈마 촉매를 포함하는 운송수단.
  58. 제 56 항에 있어서,
    상기 플라즈마 촉매가 탄소 섬유를 포함하는 운송수단.
  59. 제 54 항에 있어서,
    상기 도관이 공기를 도관에 들어가게 하여 추가로 상기 가스를 연소시키기 위한 하나 이상의 공기 포트를 포함하는 운송수단.
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