説明

滑走型電気アーク用セラミック電極

本発明は滑走型電気アーク装置用セラミック電極(122)に関する。セラミック電極(122)は、背部(202)とヒール部(206)と先端部(208)とで規定されセラミック羽根(200)を有する。セラミック羽根(200)の放電端部(204)は、セラミック羽根(200)のほぼヒール部(206)から先端部(208)にかけて発散形状で規定される。セラミック羽根(200)に接続した台座表面(210)は、滑走型電気アーク装置内にセラミック羽根(200)を容易に取付けられるように構成されている。1つ以上のセラミック電極(122)が、可燃性物質の少なくとも一部を酸化するための滑走型アーク装置または他の装置で使用される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、滑走型電気アーク用セラミック電極に関する。本願は、2007年2月23日出願の米国仮出願第60/891,421号の優先権を主張し、その全体が、参照により本願に包含される。
【背景技術】
【0002】
滑走型電気アーク装置は、完全酸化による廃棄物を焼却するための酸化および改質反応を行い、また部分酸化を行って合成ガスを発生させることに一般的に使用される装置である。滑走型電気アーク装置は2以上の電極間で放電を行う。
【0003】
酸化および改質反応は非常に高いエネルギ反応で、その結果高温の生成物流が生じる。酸化および改質反応槽の構造体の多くの構成材は、効果的に冷却することが出来るが、電極は、反応槽内に位置し且つ高電圧を負荷するため、容易に冷却することが出来ない。更に、電極は反応物流に曝されているために、電極は、冷却することが更に困難となる高熱流の状態下となる。
【0004】
電極は、通常、すでに確立されている機械工作技術を使用した金属シートから製造される。金属電極は、その電流を運ぶ性質および製造が比較的単純であるために使用される。しかしながら、金属電極は、最高動作温度、特に酸化反応を行う上での最高動作温度に限界がある。これらの動作温度の限界は酸化物流中の到達温度よりも実質的に低い。その結果、金属電極は、酸化物流の温度では酸化および融解してしまう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明の目的は、滑走型電気アーク用セラミック電極およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は滑走型電気アーク装置用セラミック電極を開示する。セラミック電極は、背部とヒール部と先端部で規定されるセラミック羽根を有する。放電端部はセラミック羽根のほぼヒール部から先端部にかけて発散形状で規定される。セラミック羽根には、滑走型電気アーク装置内にセラミック羽根を容易に取付けられるように構成されている台座表面が接続している。滑走型電気アーク装置または可燃性物質を少なくとも一部酸化する他の装置で、1つ以上のセラミック電極が使用される。
【0007】
本発明は製造方法も開示する。ある実施態様において、その方法は、セラミック電極の製造方法である。製造方法の一実施態様において、背部とヒール部と先端部と放電端部とを有するセラミック羽根を製造する。放電端部はセラミック羽根のほぼヒール部から先端部にかけて発散形状で規定される。その製造方法は、更にセラミック羽根を緻密化するための緻密化操作を行う工程を含む。他の方法の実施態様についても開示する。
【0008】
本発明は装置も開示する。ある実施態様において、その装置は滑走型電気アーク装置である。ある実施態様において、その装置は、プラズマを発生するためのプラズマゾーンを有する。その装置は、更に、プラズマゾーンに可燃性物質と酸化剤とを導入するための少なくとも1つの通路を有する。複数の導電性セラミック電極は、プラズマを発生して可燃性物質の少なくとも一部を酸化する。他の装置の実施態様についても開示する。
【0009】
本発明の実施形態の他の要旨および利点は、本発明の種々の原則および実施態様を実施例により例示する添付図面に関連して、以下の詳細な説明から明らかになる。
【発明の効果】
【0010】
本発明により滑走型電気アーク装置用セラミック電極、その製造方法および滑走型電気アーク装置を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1.a】図1.aは、可燃性物質の酸化のための燃焼装置の一実施態様の概略ブロック図である。
【図1.b】図1.bは、可燃性物質の酸化のための燃焼装置の他の実施態様の概略ブロック図である。
【図2】図2は、図1aの燃焼装置の滑走型電気アーク装置の一実施態様を示す概略ブロック図である。
【図3.a】図3.aは、図2の滑走型電気アーク装置の非熱プラズマ発生器の概略図である。
【図3.b】図3.bは、図2の滑走型電気アーク装置の非熱プラズマ発生器の概略図である。
【図3.c】図3.cは、図2の滑走型電気アーク装置の非熱プラズマ発生器の概略図である。
【図4】図4は、滑走型電気アーク装置の他の実施態様を示す概略図である。
【図5】図5は、滑走型電気アーク装置の他の実施態様を示す概略図である。
【図6.a】図6.aは、滑走型電気アーク装置の他の実施態様を示す概略図である。
【図6.b】図6.bは、滑走型電気アーク装置の他の実施態様を示す概略図である。
【図6.c】図6.cは、滑走型電気アーク装置の他の実施態様を示す概略図である。
【図7.a】図7.aは、図6a〜cの滑走型電気アーク装置の更なる斜視図の概略である。
【図7.b】図7.bは、図6a〜cの滑走型電気アーク装置の更なる斜視図の概略である。
【図8.a】図8.aは、炉内の図4に示す滑走型電気アーク装置の一実施態様の概略ブロック図である。
【図8.b】図8.bは、炉内の図5に示す滑走型電気アーク装置の一実施態様の概略ブロック図である。
【図9.a】図9.aは、前図に示す滑走型電気アーク装置の何れかで使用するセラミック電極の実施態様の概略図である。
【図9.b】図9.bは、前図に示す滑走型電気アーク装置の何れかで使用するセラミック電極の他の実施態様の概略図である。
【図10】図10は、図9.a及びbに示されるセラミック電極などのセラミック電極の製造方法の一概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下の記載においては、種々の実施形態の特定の詳細が提示される。しかしながら、幾つかの実施形態は、これら特定の詳細の少なくともいくつかを使用することなく実施可能である。他の場合には、ある種の方法、手順、要素、構造および/または機能は、記載の簡潔および明確さのため、詳述を省く。
【0013】
図1aは医療用廃棄物の燃焼のための燃焼装置100の一実施態様の概略ブロック図を示す。この記載において多くの例示が図1の燃焼装置100に関係するが、本発明の実施態様は、可燃性物質の少なくとも一部の酸化に使用される種々の装置に使用される。それ故、ある実施態様において、物質の実質的な完全酸化を介した物質の燃焼を容易にするが、他の例示した装置においては、可燃性物質の様々な酸化や改質(部分酸化)を行う。
【0014】
記載されている酸化装置は、医療用廃棄物源102、滑走型(スライド型)電気アーク燃焼装置104、酸化剤源106及び酸化剤コントローラー(酸化剤調節器)108を有する。燃焼装置100の記載された各構成要素に関し、ある機能がここで記載されるが、同じ機能を有し、構成要素が少ない又は多い燃焼装置100の他の実施態様であってもよい。更に燃焼装置100のある実施態様で、ここに記載されるよりも多い又は少ない機能で実施されてもよい。
【0015】
ある実施態様において、医療用廃棄物源102は、生物学または医療用廃棄物、滑走型電気アーク燃焼装置104に入る。生物学または医療用廃棄物は液体状でも固体状であってもよい。しかしながら、燃焼装置100を使用して燃焼させられる廃棄物の内容および組成に制限はない。ある実施態様において、廃棄物は治療の過程で除去される人体組織や臓器である。他の実施態様において、廃棄物は医学研究活動で生じる生きてる又は死んでいる生体物質である。更に、ある実施態様において、生物学または医療用廃棄物は、滑走型電気アーク燃焼装置104にキャリアーを使用して導入されてもよい。例えば、生物学または医療用廃棄物は液体またはガスに同伴させてもよく、廃棄物とキャリアーの組合せを滑走型電気アーク燃焼装置104に導入してもよい。
【0016】
ある実施態様において、滑走型電気アーク燃焼装置104は高エネルギープラズマアーク装置である。更に、滑走型電気アーク燃焼装置104のある実施態様において、滑走型電気アーク燃焼装置104よって行われるプロセスが燃焼反応において実質的に熱注入(通常の燃焼装置と比較して)を受けなくてもよいために、非熱プラズマ発生器または発生装置として参照される。更に、図示した燃焼装置100は滑走型電気アーク燃焼装置104を含むが、燃焼装置100の他の実施態様として、他の非熱プラズマ発生器を含んでもよい。
【0017】
滑走型電気アーク燃焼装置104による燃焼プロセスの実施を容易にするため、酸化剤源106は滑走型電気アーク燃焼装置104に酸化性物質または酸化剤を供給する。ある実施態様において、酸化剤調節器108は、酸化剤源106から滑走型電気アーク燃焼装置104への酸化剤の流量を調節する。酸化剤は、空気、酸素、水蒸気(HO)又はその他の種の酸化剤であってもよい。ある実施態様において、酸化ガスの総体積を少なくするために、空気の代りに酸素が使用される。酸化剤調節器108のある実施態様において、手動制御バルブ、電気制御バルブ、圧力調整器、特定の大きさのオリフィス、または他の種の流量コントローラーが挙げられる。酸化剤調節器108の他の実施態様として、酸化剤組成センサーによるフィードバックシステムが挙げられる。
【0018】
ある実施態様において、滑走型電気アーク燃焼装置104の中で、酸化剤は廃棄物と混合させられる。また、廃棄物と酸化剤とを滑走型電気アーク燃焼装置104に供給する前に、それらを予備混合してもよい。さらに、酸化剤、廃棄物または酸化剤と廃棄物との混合物は、滑走型電気アーク燃焼装置104に供給する前に予備加熱されてもよい。
【0019】
一般的に、滑走型電気アーク燃焼装置104は廃棄物を酸化し、無害または実質的に無害な物質である燃焼生成物を排出する。図面を用いて燃焼プロセスの更に詳細な説明を行う。燃焼プロセスは、廃棄物と結合する酸化剤の量とその反応において放出される熱による温度に少なくとも依存する。例えば、滑走型電気アーク燃焼装置に104に熱を注入ことは、燃焼プロセスの効率を増大させるのに有利である。
【0020】
一方、廃棄物の完全な燃焼(以後、単に酸化と略すことがある)により、燃焼生成物が生じる。酸素の量が化学量論量より大きい場合に完全酸化が起こる。ある実施態様において、化学量論量より大きい場合に完全酸化が起こる。ある実施態様において、化学量論量の5〜100%過剰な酸素濃度が、酸化プロセスを遂行するのに使用される。酸化の式の例としては、以下の式が挙げられる。
【0021】
CH+(1+n/4)O→CO+n/2H
【0022】
他の種の改質および酸化プロセスとして記載される式も使用してもよい。
【0023】
滑走型電気アーク燃焼装置104を使用した燃焼プロセスは吸熱反応または発熱反応である。例えば、生物学および医療用廃棄物の組成物については、燃焼を容易にするために滑走型電気アーク燃焼装置104に熱を注入してもよい。例えば、滑走型電気アーク燃焼装置104の効率的な操作のために、滑走型電気アーク燃焼装置104の一部または全部を滑走型電気アーク燃焼装置104が作動するのに十分な作動温度範囲内に維持することが有用である。ある実施態様において、滑走型電気アーク燃焼装置104は、作動中に、滑走型電気アーク燃焼装置104の作動温度を約700〜1000℃の作動温度に維持するために、炉の中に配置する(図9a及びbを参照)。他の実施態様としては、他の作動温度範囲を使用する。
【0024】
滑走型電気アーク燃焼装置104の加熱の代り又は更に付随するに、燃焼装置100のある実施態様において、医療用廃棄物源102からの医療用廃棄物、酸化剤源106からの酸化剤またはそれら両方を予備加熱してもよい。廃棄物および/または酸化剤はそれぞれの供給源において別々に予備加熱されてもよく、滑走型電気アーク燃焼装置104に導入される前にある場所において予備加熱されてもよい。例えば、廃棄物は、医療用廃棄物源102と滑走型電気アーク燃焼装置104を接続する医療用廃棄物通路内で予備加熱されてもよい。更に、廃棄物および/または酸化剤は、滑走型電気アーク燃焼装置104内で別々に予備加熱されてもよい。他の実施態様において、廃棄物および酸化剤は、滑走型電気アーク燃焼装置104に導入される前に混合され、その混合物として一緒に予備加熱されてもよい。
【0025】
図1bは、廃棄物の燃焼のための他の実施態様の燃焼装置110の概略ブロック図を示す。図示された燃焼装置110の構成要素に関して特定の機能を規定するが、他の燃焼装置110の実施態様において、これより少ない又は多い構成要素を使用する類似の機能を有していてもよい。更に、燃焼装置110の実施態様はここに規定する構成要素よりも多くても少なくてもよい。
【0026】
図1bに示す燃焼装置110は、混合室112を更に有する以外は図1aに示す燃焼装置100と実質的に同じである。混合室112は、医療用廃棄物源102と滑走型電気アーク燃焼装置104との間に連結配置される。混合室112は、更に、酸化剤源106とも、例えば酸化剤調節器108を介して連結している。ある実施態様において、混合室112は、廃棄物と酸化剤とを滑走型電気アーク燃焼装置104に導入する前に予備混合することを容易にする。ある実施態様において、混合室112は、滑走型電気アーク燃焼装置104、医療用廃棄物源102及び酸化剤調節器108が配管で連結され、個別に分離された室であってもよい。ある実施態様において、混合室112は廃棄物と酸化剤とを一緒にして滑走型電気アーク燃焼装置104に移送するための共通の通路または配管であってもよい。
【0027】
図2は、図1aの燃焼装置100の滑走型電気アーク燃焼装置104の一実施態様を示す概略ブロック図を示す。図示されている滑走型電気アーク燃焼装置104は、予備加熱ゾーン113、プラズマゾーン114、プラズマ処理後ゾーン116及び熱変換(伝熱)ゾーン118を有する。上記の分離された4つの機能ゾーンが記載されているが、ある実施態様において、ほぼ同時に及び/又は物理的に近接してその種々のゾーンの機能が遂行されてもよい。例えば、プラズマゾーン114に対応するにプラズマ発生中に、熱変換ゾーン118に対応する熱変換が行われていてもよい。同様に、熱変換ゾーン118に対応する熱変換がプラズマ処理後ゾーン116に対応するプラズマ反応後の後処理とほぼ同一の場所で行われていてもよい。
【0028】
ある実施態様において、廃棄物および酸化剤は予備加熱ゾーン113に供給される。予備加熱ゾーン113内で、廃棄物および酸化剤は個別にまたは両方とも予備加熱される(熱交換Q1とする)。他の実施態様において廃棄物および/または酸化剤を予備加熱ゾーン113を迂回させてもよい。次いで廃棄物および酸化剤は、予備加熱ゾーン113からプラズマゾーン114を通過する(又は予備加熱ゾーン113を迂回した場合は、それぞれの供給源からプラズマゾーンに直接通過させる)。プラズマゾーン内において、滑走型電気アークのような非熱プラズマ発生器(図3a〜cを参照)により廃棄物は少なくとも部分的に燃焼する。非熱プラズマ発生器は、酸化反応を開始する触媒のように働き、廃棄物を燃焼させる。より具体的には、非熱プラズマ発生器は、1つ以上の反応物質をイオン化したり分裂させたりして反応要素を創出する。
【0029】
イオン化の後、反応物質はプラズマ処理後ゾーン116を通過することによって酸化組成物の均一化が容易となる。プラズマ処理後ゾーン116内で、反応物質と反応生成物のいくらかは、酸素リッチな状態であり、またその他は酸素欠乏の状態である。プラズマ処理後ゾーン116内の固体状酸素貯蔵化合物などの均一化物質が、化学的緩衝化合物として機能し、酸化反応物質および生成物を物理的に混合または均一化する。酸素貯蔵化合物は、酸素リッチパケットから酸素を吸収し、酸素欠乏パケットに酸素を放出する。これは、反応物質の混合物に対して、反応が完結するまで継続させるのを助けるための空間と時間を付与する。ある実施態様において、プラズマ処理後ゾーン116は、更に、ガス種および熱変換の平衡を容易にする。
【0030】
熱変換ゾーン118は、燃焼生成物からその周囲に熱を伝熱するのを容易にする(熱交換Qとする)。ある実施態様において、熱変換ゾーン118は、熱変換可能な熱受容体化合物、例えば、酸化生成物から均一化された物質および滑走型電気アーク燃焼装置104の物理的な物質(例えばハウジング等)に熱を移動させることを遂行する。他の実施態様において、熱活性体化合物を熱変換ゾーン118に使用してもよい。例えば、滑走型電気アーク酸化装置104のハウジングの外部表面上に強制空気を通じることにより、ハウジングから空気の流れに熱が容易に伝熱する。他の実施態様において、冷却媒体の活性な流れも酸化生成物の冷却に使用できる。更に他の実施態様において、滑走型電気アーク燃焼装置104が、熱変換ゾーン118から廃棄物および/または酸化剤を予備加熱するための予備加熱ゾーン113に熱移動を容易にするような構造を有していてもよい。
【0031】
図3a〜図3cは、図2の滑走型電気アーク燃焼装置104の非熱プラズマ発生器120の概略図を示す。描かれている非熱プラズマ発生器120は、一対のセラミック電極122を有する。しかしながら、他の実施態様において、2より多いセラミック電極122を有してもよい。例えば、プラズマ発生器120のある実施態様において、3つのセラミック電極122を有してもよい。ある実施態様において、6つの又は他の数のセラミック電極122を有してもよい。それぞれのセラミック電極122は電気制御器(図示せず)と連結し、対応するセラミック電極122に電気信号を供給する。複数のセラミック電極122を使用する場合、単一相または複数相の電気分配システムとなるように、同一の電気制御器に接続してもよい。セラミック電極122の詳細な実施態様については、図9aに示し、以下に詳述する。
【0032】
ある実施態様において、1つ以上のセラミック電極122が炭化ケイ素(SiC)から成る。ある実施態様において、1つ以上のセラミック電極122がしたランタンクロマイト(LaCrO)から成る。当業者であれば、他の適切な導電性セラミックもセラミック電極122の材料として使用できることは評価できるであろう。
【0033】
セラミック電極122に供給される電気信号は、それぞれの対となっているセラミック電極122間に高電位場を形成する。例えば、対となるセラミック電極122の間隙が2mmである場合、セラミック電極122間の電位は6〜9kVである。
【0034】
廃棄物と酸化剤の混合物は、プラズマ発生器120を介して導入され、流れる(矢印でその方向を示す)。図3aに示す様に、セラミック電極122間の高電圧により、セラミック電極122間を流れる反応物質の混合物はアーク124の形成によりイオン化される。反応物質のイオンが高電位を有する電場に存在するため、イオンはセラミック電極122の1つに向って加速する。このイオンの移動がフリーラジカルを形成する衝突を引き起こす。フリーラジカルは廃棄物の燃焼のための連鎖反応を開始する。
【0035】
プラズマ発生器120に流れ込む混合物により、図3bに示す様にイオン化粒子の下向流となる。抵抗が最小となる流れの道を形成するため、アーク124も下向流(方向を矢印で示す)となり、広がってセラミック電極122の発散端の輪郭を形成する。セラミック電極122の端部は楕円形の輪郭を示すが、図9bで説明するように他の形状の発散輪郭を示す場合であってもよい。アーク124は下向(下流)に移動するため、反応の効果はアーク124の大きさに伴って増大する。
【0036】
セラミック電極122間の間隙はセラミック電極122間に電流が放電して流れる広さである。しかしながら、イオン化粒子は混合物の影響化、下降し続ける。一度、セラミック電極122間を流れる電流を止めると、図3cに示す様に、電流がアーク放電するまでセラミック電極122間の電位が上昇する。そして、プラズマ発生プロセスが連続作動する。酸化プロセスの多くはプラズマ発生器120のセラミック電極122間で生じるが、酸化プロセスはプラズマ発生器120から下向においても引き続く。
【0037】
図4は、滑走型電気アーク燃焼装置130の他の実施態様を示す概略図を示す。図示される滑走型電気アーク燃焼装置130は、プラズマ発生器120を有する。プラズマ発生器120のそれぞれのセラミック電極122は、電気制御器132に連結される。プラズマ発生器120は、ハウジング134の中に配置される。ある実施態様において、反応物質が反応し続け、プラズマ発生器120の下流に酸化生成物が形成されるように、ハウジング134はプラズマ発生器120の下流通路136を規定する。ハウジング134は、導電性材料であっても、非導電性材料であってもよい。どちらの場合においてもプラズマ発生器120の周りに電気絶縁性領域を設けてもよい。ある実施態様において、ハウジング134は、プラズマ発生器120から周囲の導電性部材への放電を防ぐため、アルミナセラミック等の非導電性材料から形成される。
【0038】
プラズマ発生器120に、廃棄物と酸化剤とを導入するため、滑走型電気アーク燃焼装置130は、複数の通路、配管を有する。図示した実施態様は、滑走型電気アーク燃焼装置130が、廃棄物のための第1の通路138と酸化剤のための第2の通路142を有する。すなわち、第1の通路は医療用廃棄物通路として、第2の通路は通路として参照される。医療用廃棄物通路および酸化剤通路は、混合マニホールド142で合流し、廃棄物と酸化剤との予備混合を容易にする。他の実施態様において、廃棄物と酸化剤とは別々にプラズマ発生器120に導入される。医療用廃棄物通路138及び酸化剤通路140は異なる形状で配置されてもよい。
【0039】
燃焼プロセス中に反応物質を含み、燃焼プロセス中で発生する燃焼生成物を含む様にするために、プラズマ発生器120及びハウジング134は、外郭(外殻)144の内側に配置させる。ある実施態様において、外殻144は、滑走型電気アーク燃焼装置130へ及び/又は滑走型電気アーク燃焼装置130からの熱移動を容易にする。更に、外殻144は、スチール又は滑走型電気アーク燃焼装置130の作動温度において十分な強度と安定性を有する他の材料から形成される。
【0040】
外殻144の環状領域146から燃焼生成物(例えば、二酸化炭素、水蒸気など)を除去するため、滑走型電気アーク燃焼装置130は排気通路148を有する。ある実施態様において、排気通路はハウジング134を囲むようにリング型回収マニホールド150と連結しており、排気通路148に燃焼生成物を流すための1つ以上の開口部を有する。図示した実施態様において、廃棄物および酸化剤の導入通路138及び140の端部にほぼ近い場所の排気通路148で燃焼生成物が排出される。このように、導入口、排出口および電気接続がほぼ同じ場所に配置されることにより、滑走型電気アーク燃焼装置130のメンテナンスを容易に行うことが出来る。滑走型電気アーク燃焼装置130の他の実施態様において、外殻144から燃焼生成物を排出する代替となる形状であってもよい。
【0041】
図5は滑走型電気アーク燃焼装置160の他の実施態様の概略図を示す。図5の滑走型電気アーク燃焼装置160の多くの構成要素は、図4に示す滑走型電気アーク燃焼装置130と実質的に同じであるが、滑走型電気アーク燃焼装置160は、廃棄物および酸化剤を導入する通路138及び140に対して、滑走型電気アーク燃焼装置160のほぼ反対の端部に位置する排出通路162を介して燃焼生成物の排出が行われる点が異なっている。ある実施態様において、燃焼生成物は、外殻144の環状領域146を送出する代わりに、ハウジング134の通路136を介して直接送出され排気口162を介して排出される。
【0042】
図5に示されている滑走型電気アーク燃焼装置160は、更に、図4に示されている滑走型電気アーク燃焼装置130と異なる箇所がある。特に、滑走型電気アーク燃焼装置160は、ハウジング134内に配置される転換プラグ164を有し、ハウジング134の内壁面に向かうように反応物および燃焼生成物を外側に迂回させる。燃焼プロセスは発熱反応であるため、転換プラグ164は流れをハウジング134の壁面に向かって方向付けるため、ハウジング134の壁面に向かって燃焼生成物から熱を移動させることを容易にする。ある実施態様において、転換プラグ164はセラミック材料または他の高温で安定な材料から形成される。
【0043】
他の実施態様において、滑走型電気アーク燃焼装置160はプラズマゾーンに熱移動、例えば吸熱燃焼プロセスを容易にする。図示されている滑走型電気アーク燃焼装置160は、外殻144と接続している熱源154を有する。熱源154は、熱接近における熱媒体をハウジング134の外壁面(例えば、外殻144の環状領域146)に供給し、熱媒体から滑走型電気アーク燃焼装置160のプラズマゾーンに熱移動を行う。例えば、熱媒体は空気でもよい。詳細は示していないが、熱媒体は外殻144の中で循環させてもよいし、外に排出してもよい。
【0044】
ある実施態様において、滑走型電気アーク燃焼装置160は、ガス状炭化水素および空気の混合物を導入することによって初期加熱されてもよい。例えば、ガス状炭化水素は天然ガス、液化石油ガス(LPG)、プロパン、メタン及びブタンである。一度滑走型電気アーク燃焼装置160の温度が約800℃の操作温度に達したら、ガス状炭化水素の供給を切替えて廃棄物を供給するようにする。酸化剤および廃棄物の供給流量は、プラズマ発生器120の操作温度または操作温度範囲内に維持しながら総流量を維持するように適切な化学量論量を維持するように調節される。
【0045】
図示されている滑走型電気アーク燃焼装置160は、更に、ハウジング134の通路136内に配置される均一化材166を有する。均一化材166は1つ以上の種類の機能を提供する。ある実施態様において、均一化材166は、酸素を酸化剤から廃棄物に移動することによって生じる燃焼生成物の均一化を容易にする。ある実施態様において、均一化材166は、反応物質の空間的および時間的混合を付与し、反応が引き続き完結するのを補助する。ある実施態様において、均一化材166は、気体空間の平衡を容易にする。ある実施態様において、均一化材166は、例えば、燃焼生成物から均一化材166に、そして均一化材166からハウジング134への熱変換を容易にする。ある実施態様において、均一化材166は更なる機能を提供する。
【0046】
図示されている滑走型電気アーク燃焼装置160は、更に、セラミック絶縁体168を有し、ハウジング134からセラミック電極122を電気的に絶縁する。また、その代わりに、滑走型電気アーク燃焼装置160は、ハウジング134とセラミック電極122との間に空隙を有していてもよい。空隙の大きさは、作動電気特性、構成材料、空隙などにより変わるが、ハウジング134からセラミック電極122を電気的に孤立させるのに十分な大きさであり、ハウジング134からセラミック電極122に電流が放電しないような大きさである必要がある。
【0047】
図6a〜cは、他の滑走型電気アーク燃焼装置の実施態様の種々の斜視図の概略を示す。特に図6aは、炉や他の表面に設置できるフランジ172を有する外殻144を示している。第2のフランジ174は上記の内部部材の少なくともいくつかの数で付してもよく、設置した位置から外殻144を取り外すことなく外殻144から内部部材を着脱できるようにしてもよい。廃棄物と酸化剤の通路138及び140、並びに排気通路148も記載してある。
【0048】
図6bは、外殻144、ハウジング134,廃棄物通路138(通路140及び148は図示せず)、リング型回収マニホールド150、フランジ172及びフランジ174の断面図を示す。図示した実施態様は、更に酸化剤通路140と接続している酸化コイル176を含む。酸化コイル176は、予備加熱通路の一部で、燃焼生成物の流路に伸びている。この場合、酸化コイル176内で、熱は燃焼生成物から酸化物に移動し、酸化剤を予備加熱する。他の実施態様において、廃棄物の予備加熱または廃棄物と酸化物との混合物の予備加熱に類似のコイル又は他の構造物を使用してもよい。図6cは、更に、ハウジング134、通路138及び148(通路140は図示せず)、リング型回収マニホールド150、フランジ172及びフランジ174並びに酸化コイル176を示す。図示された実施態様は、更に、酸化剤通路140を酸化コイル176に接続するための第1の伸長通路178A、及び、酸化コイル176から滑走型電気アーク燃焼装置170のプラズマゾーンに予備加熱された酸化剤を移送するための第2の伸長通路178Bを含む。
【0049】
図7a及びbは、図6a〜cの滑走型電気アーク燃焼装置170の更なる斜視図の概略を示す。特に図7a及びbは、廃棄物通路138及び酸化剤通路140、排気通路148、混合マニホールド142、リング型回収マニホールド150、フランジ172及びフランジ174の実施態様を示す。第1及び第2の伸長通路178A及び178Bも示されている。更に、滑走型電気アーク燃焼装置130は、いくつかの支持棒182を有し、取付板の底部184と連結し、混合マニホールド142を支持する。ある実施態様において、取付板の底部184は、電気制御器132と適合するような開口部186を有する。ある実施態様において、電気制御器132は、更に、接続されている電極122のための構造的支持材の機能も有する。例えば、電気制御器132は、混合マニホールド142からある距離をおいてセラミック電極122を支持する様に、混合マニホールド142に接触しないで混合マニホールド142によって規定される切抜き領域188を通過していてもよい。ある実施態様において、電気制御器132は、取付板の底部184への電気的な放電を防ぐため、開口部186において電気絶縁体によって取り囲まれている。
【0050】
ある実施態様において、取付板の底部184は、フランジ172及びフランジ174から取外して、ハウジング134及び外殻144から混合マニホールド142及びセラミック電極122を取外せてもよい。更に、ある実施態様において、1つ以上のノッチ(切欠き)190が取付板の底部184に形成されていてもよく、これにより、混合マニホールド142と通路138及び140との正しい位置合わせが容易となる。
【0051】
図8aは、炉192内の図4に示す滑走型電気アーク燃焼装置130の一実施態様の概略ブロック図を示す。同様に、図8bは、図5に示す滑走型電気アーク燃焼装置160の一実施態様の概略ブロック図を示す。上述の様に、滑走型電気アーク燃焼装置130、160及び170を炉192の内部に配置することは、滑走型電気アーク燃焼装置130、160及び170の特別な操作温度内に保持するために有用である。
【0052】
図9.aは、前図に示す滑走型電気アーク装置の何れかで使用するセラミック電極122の実施態様の概略図である。図示されたセラミック電極122は、背部202と放電端部204とを有する羽根200を含む。放電端部204はヒール(かかと)部206と先端部208とを有する。更に、放電端部204がヒール部206から先端部208に形成されるように、放電端部204は背部202の向きにテーパー(漸減)形状になっている。この場合、放電端部204は、ほぼヒール部206から先端部208にかけて発散形状で規定される。ある実施態様において、放電端部204が、楕円の一部に合致するような楕円形態で規定される。また、放電端部204は、他の非直線発散形状でもよい。
【0053】
更に、放電端部204はテーパー形状の放電端部であり、セラミック羽根200の厚さから放電端部のより薄い端部に向かって厚みが漸減となっているようなテーパー形状であってもよい。換言すれば、放電端部204は、刃物の様な鋭い端部または点部であってもよい。
【0054】
図示したセラミック電極122は、セラミック羽根200に接続する台座表面210を有する。ある実施態様において、台座表面210は、上述の滑走型電気アーク装置内へのセラミック羽根200の取付けを容易にする。一例として、台座表面210は、1つ以上の取付け穴212を有し、取付けねじ(図示せず)を介して接続されてもよい、また、台座表面210は、摩擦嵌合、スナップ式、接着式または他の取付け方式での取付けを容易にするものであってもよい。更に、ある実施態様において、台座表面210は、当該取付けタブはセラミック羽根200から実質的に垂直方向(又は他の角度でもよい)に広がる形状の取付けタブであってもよい。セラミックタブは、セラミック羽根200と一体化して形成されてもよく、又、別々に形成されていてセラミック羽根200に取付けられていてもよい。
【0055】
セラミック羽根200は、上述のプラズマ再発生中の電気アークの発生を容易にするため、導電性セラミックで形成される。ある実施態様において、セラミック羽根200は金属酸化物から成る。一例として、セラミック羽根200は、マグネシウムをドープしたランタンクロマイト材料などのペロブスカイトから成る。他の実施態様において、セラミック羽根200は炭化ケイ素材料または他の導電性材料から成る。
【0056】
図9.bは、前図に示す滑走型電気アーク装置の何れかで使用するセラミック電極220の他の実施態様の概略図である。多くの要旨において、セラミック電極220は図9aのセラミック電極122と実質的に同様である。しかしながら、放電端部204の実質的に非直線の形状に対し、セラミック電極220は実質的に直線形状の放電端部222で規定される。セラミック電極220はセラミック電極122と実質的に同様である。図9.a及びbに示されるセラミック電極122及び222に加え、他のセラミック電極の実施態様も実施できる。
【0057】
図10は、図9.a及びbに示されるセラミック電極122及び222等のセラミック電極の製造方法230の一実施態様の概略図である。図示された実施態様において、方法230は、背部202とヒール部206と先端部208と放電端部204とから成るセラミック羽根200を製造する工程232を含む。ある実施態様において、セラミック羽根200を製造する工程が、セラミック羽根形状にテープキャステイング及びレーザーカッティングする工程から成る。また、ある実施態様において、セラミック羽根200を製造する工程が、セラミック羽根形状にドライプレスする工程から成る。また、ある実施態様において、セラミック羽根200を製造する工程が、セラミック羽根形状にスリップ(粘土液)を製膜する工程から成る。また、ある実施態様において、セラミック羽根200を製造する工程が、セラミック羽根形状に機械的打抜きを行う工程から成る。他のセラミック羽根製造工程も使用できる。
【0058】
セラミック羽根200を製造した後、セラミック羽根200の緻密化234を行う。ある実施態様において、セラミック羽根200の緻密化工程が、セラミック羽根200を焼結する工程から成る。例えば、セラミック羽根200の緻密化で、圧力負荷を行わずに焼結する方法を使用してもよい。他の実施態様において、セラミック羽根200の緻密化工程が、セラミック羽根200をホットプレスする方法を使用してもよい。例えば、セラミック羽根200の緻密化で、熱間静水圧プレスする方法を使用してもよい。他のセラミック羽根の緻密化工程も使用できる。
【0059】
この明細書を通じて参照される「ある実施態様」、「実施態様の1つ」または同義語は、記載される要旨、操作、構造または特性が少なくとも1つの実施態様によって実施されることを意味する。それ故、この明細書を通じて参照される「ある実施態様において」、「実施態様の1つにおいて」または同義語は、必ずしも同一の実施態様を参照するものではない。
【0060】
更に、実施態様に記載される要旨、操作、構造または特性は、好適な手法により組合せてもよい。それ故に、電極の形状、ハウジングの形状、支持体の形状、通路の形状、触媒形状などのここに提供される多数の具体的記載は、本発明のいくつかの実施態様を理解するのに提供されている。しかしながら、ある実施態様において、1つ以上の特別な具体的記載がなくとも、または他の要旨、操作、化合物、物質などを用いて実施してもよい。他の例としては、よく知られた構造、材料または操作は、簡潔および明確な図面の記載のため示しておらず、記載もしていない。
【0061】
本発明の特定の実施形態に関して記載および例示したが、本発明は、記載および例示した部分の特定の形状および配置に限定されない。本発明の権利範囲は、添付請求の範囲およびその等価物によって限定されるものである。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
セラミック羽根と当該セラミック羽根の放電端部と当該セラミック羽根を接続した台座表面とから成る滑走型電気アーク装置用セラミック電極であって、上記セラミック羽根は背部とヒール部と先端部とで規定され、上記放電端部は上記セラミック羽根のほぼヒール部から先端部にかけて発散形状で規定され、上記の台座表面は滑走型電気アーク装置内に上記セラミック羽根を容易に取付けられるように構成されていることを特徴とする滑走型電気アーク装置用セラミック電極。
【請求項2】
セラミック羽根の放電端部が、セラミック羽根のほぼヒール部から先端部にかけて非直線発散形状で規定される請求項1に記載のセラミック電極。
【請求項3】
セラミック羽根の放電端部が、セラミック羽根のほぼヒール部から先端部にかけて直線発散形状で規定される請求項1に記載のセラミック電極。
【請求項4】
セラミック羽根が金属酸化物から成る請求項1に記載のセラミック電極。
【請求項5】
金属酸化物から成るセラミック羽根がペロブスカイトから成るセラミック羽根である請求項5に記載のセラミック電極。
【請求項6】
ペロブスカイトから成るセラミック羽根がマグネシウムをドープしたランタンクロマイトから成るセラミック羽根である請求項4に記載のセラミック電極。
【請求項7】
セラミック羽根が炭化ケイ素から成るセラミック羽根である請求項1に記載のセラミック電極。
【請求項8】
セラミック羽根の放電端部が、セラミック羽根の厚さから放電端部のより薄い端部に向かって厚みが漸減となっているようなテーパー形状を有する請求項1に記載のセラミック電極。
【請求項9】
更に取付けタブがセラミック羽根に接続されており、当該取付けタブはセラミック羽根から実質的に垂直方向に広がる形状であり、滑走型電気アーク装置内にセラミック羽根を取付けるための取付け台座を形成する請求項1に記載のセラミック電極。
【請求項10】
取付けタブがセラミック羽根と一体化している請求項9に記載のセラミック電極。
【請求項11】
セラミック羽根が導電性セラミック材料から成る請求項1に記載のセラミック電極。
【請求項12】
背部とヒール部と先端部と放電端部とから成るセラミック羽根を製造する工程と、セラミック羽根の密度を高くするための緻密化操作を行う工程とから成る滑走型電気アーク装置用セラミック電極の製造方法であって、上記放電端部が上記セラミック羽根のほぼヒール部から先端部にかけて発散形状で規定されることを特徴とする滑走型電気アーク装置用セラミック電極の製造方法。
【請求項13】
セラミック羽根を製造する工程が、セラミック羽根形状にテープキャステイング及びレーザーカッティングする工程から成る請求項12に記載の製造方法。
【請求項14】
セラミック羽根を製造する工程が、セラミック羽根形状にドライプレスする工程から成る請求項12に記載の製造方法。
【請求項15】
セラミック羽根を製造する工程が、セラミック羽根形状にスリップ(粘土液)を製膜する工程から成る請求項12に記載の製造方法。
【請求項16】
セラミック羽根を製造する工程が、セラミック羽根形状に機械的打抜きを行う工程から成る請求項12に記載の製造方法。
【請求項17】
緻密化操作を行う工程が、焼結してセラミック羽根を形成する工程から成る請求項12に記載の製造方法。
【請求項18】
焼結してセラミック羽根を形成する工程が、圧力負荷を行わずに焼結してセラミック羽根を形成する工程である請求項17に記載の製造方法。
【請求項19】
焼結してセラミック羽根を形成する工程が、ホットプレスによってセラミック羽根を形成する工程である請求項12に記載の製造方法。
【請求項20】
ホットプレスによってセラミック羽根を形成する工程が、熱間静水圧プレスによってセラミック羽根を形成する工程である請求項19に記載の製造方法。
【請求項21】
セラミック羽根を製造する工程が、金属酸化物羽根を製造する工程から成る請求項12に記載の製造方法。
【請求項22】
金属酸化物羽根を製造する工程が、マグネシウムをドープしたランタンクロマイト羽根を製造する工程から成る請求項12に記載の製造方法。
【請求項23】
セラミック羽根を製造する工程が、炭化ケイ素羽根を製造する工程から成る請求項12に記載の製造方法。
【請求項24】
セラミック羽根を製造する工程が、セラミック羽根の厚さから放電端部のより薄い端部に向かって厚みが漸減となっているようなテーパー形状を有する放電端部を形成する工程から成る請求項12に記載の製造方法。
【請求項25】
プラズマを発生するためのプラズマゾーンと、プラズマゾーンに可燃性物質と酸化剤とを導入するための少なくとも1つの通路と、プラズマゾーン内に配置され、プラズマを発生して可燃性物質の少なくとも一部を酸化するための複数の導電性セラミック電極とから成る滑走型電気アーク装置。
【請求項26】
複数の導電性セラミック電極が金属酸化物電極から成り、金属酸化物電極が、化学量論の酸素より低い酸素濃度でプラズマ中において可燃性物質の少なくとも一部を酸化する請求項25に記載の装置。
【請求項27】
金属酸化物電極がマグネシウムをドープしたランタンクロマイト電極から成る請求項26に記載の装置。
【請求項28】
複数の導電性セラミック電極が炭化ケイ素電極から成り、炭化ケイ素電極が、化学量論の酸素より高い酸素濃度でプラズマ中において可燃性物質の少なくとも一部を酸化する請求項25に記載の装置。
【請求項29】
導電性セラミック電極のそれぞれが発散形状の放電端部から成り、プラズマゾーンを通じたプラズマの流れ方向に他の導電性セラミック電極から互いに発散した形状である請求項25に記載の装置。
【請求項30】
導電性セラミック電極のそれぞれが、プラズマゾーン内に導電性セラミック電極を取付けるための取付け台座を形成する取付けタブを有する請求項25に記載の装置。

【図1.a】
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【図1.b】
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【図2】
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【図3.a】
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【図3.b】
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【図3.c】
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【図4】
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【図5】
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【図6.a】
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【図6.b】
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【図6.c】
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【図7.a】
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【図7.b】
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【図8.a】
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【図8.b】
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【図9.a】
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【図9.b】
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【図10】
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【公表番号】特表2010−519033(P2010−519033A)
【公表日】平成22年6月3日(2010.6.3)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−550921(P2009−550921)
【出願日】平成20年2月22日(2008.2.22)
【国際出願番号】PCT/US2008/002334
【国際公開番号】WO2008/103433
【国際公開日】平成20年8月28日(2008.8.28)
【出願人】(508011511)セラマテック・インク (29)
【出願人】(509009898)
【出願人】(509009957)
【出願人】(509235419)
【出願人】(509009924)
【出願人】(509172468)
【Fターム(参考)】