JPH08171978A - コロナ放電生成用のコロナ源とコロナ放電による流体廃棄物処理 - Google Patents

コロナ放電生成用のコロナ源とコロナ放電による流体廃棄物処理

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JPH08171978A
JPH08171978A JP7216290A JP21629095A JPH08171978A JP H08171978 A JPH08171978 A JP H08171978A JP 7216290 A JP7216290 A JP 7216290A JP 21629095 A JP21629095 A JP 21629095A JP H08171978 A JPH08171978 A JP H08171978A
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corona
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coil
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JP7216290A
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Daniel J Gregoire
ダニエル・ジェイ・グレゴイル
Robin J Harvey
ロビン・ジェイ・ハーベイ
Franklin A Dolezal
フランクリン・エー・ドレザール
Weldon S Williamson
ウェルドン・エス・ウィリアムソン
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、流体廃棄物処理や自動車の排気ガ
ス処理等に使用するための低エネルギで動作可能なコロ
ナ源を提供することを目的とする。 【解決手段】 無線周波数入力受信部8 を有する導電コ
イル4 と、無線周波数入力から隔てられているコイル4
上のコロナ放電位置10と、コイル4 に容量結合されてい
る基準電極2 とを具備し、無線周波数入力受信部8 から
コロナ放電位置10までのコイル4 のピッチおよび長さは
予め定められた周波数および電圧で無線周波数入力信号
に応答してコロナ放電位置10からコロナ放電を生成する
ように選択されていることを特徴とする。コロナ放電位
置10は例えば無線周波数の入力位置から軸方向波長の約
１／４の距離に位置される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は液体およびガス廃棄
物の処理、特にコロナ放電による流体中の炭化水素廃棄
物材料の処理と、無線周波数（ＲＦ）動作の螺旋コイル
の４分の１波長共振器によるコロナ生成に関する。
【０００２】
【従来の技術】コロナスクラバーは気体放電で汚染物質
を破壊する化学反応を付勢することに使用されている。
このようなシステムは例えば文献（Nunez 氏の“Corona
Destruction : an Innovative Control Technology fo
r VOCs and Air Toxics ”、Air & Waste 、43巻、1993
年２月、242 〜247 頁、および山本氏による“Controlo
f Volatile Organic Compounds by an AC Energized Fe
rroelectric Pellet Reactor and a Pulsed Corona Rea
ctor ”、Industry Applications Society Annual Meet
ing 1989 、２巻、2175〜2179頁）に記載されており、
コロナ放電生成のために比較的低い周波数の付勢信号を
使用する。一般的に使用される付勢された周波数は６０
ｈｚから約２００ｈｚの標準的なライン周波数範囲であ
る。残念ながらこのコロナ放電技術は液体に含まれる廃
棄物処理のために適用したものは発見されていない。
【０００３】液体廃棄物処理分野では、塩素処理が一般
的に飲料水および汚水用に使用されている。しかしなが
ら安全性、処理の複雑性、副産物としての不所望な塩素
処理された炭化水素の発生に関して深刻な欠点があり、
他の化学処理も類似した欠点を有する。別の方法は汚水
に生存する生物学的に活性なウィルスおよびバクテリア
を破壊するために紫外線（ＵＶ）励起を使用する。しか
しながら、ＵＶは発癌性または有毒混合物の破壊の除去
を必要とする産業または汚水廃棄物の無毒化において有
効性が示されていない。蒸留等の熱処理もまた研究され
ているが非常に高価である。
【０００４】別の分野の研究は電子ビームによる汚染廃
棄水の処理である。このタイプの処理は文献（Hazardou
s Materials Control Research Institute's 7th Natio
nalRCRA/Superfund Conference に寄贈されたW.J.Coope
r氏の“Treatment of Industrial Hazardous Wastes Wi
th High Energy Electrons ”1990年５月２、３日、セ
ントルイス、ミズーリ州、１〜15頁）に記載されている
ように流水の薄いシートを横切って走査される１．５Ｍ
ｅＶの電子ビームを使用したものが示されている。この
技術は塩素処理された炭化水素と多数の他の有機物の汚
染物質に対して効率的であることが示されており、これ
はビームによって水中の副産物として導入される遊離基
および自由電子の作用により不活性化合物に減少または
酸化される。高エネルギ電子は低エネルギイオン化のｘ
線を発生する制動放射とイオン化衝突によりエネルギを
水に与える。正確な化学処理は複雑であるが、これらは
特に反応性が高い自由熱電子とＯＨ遊離基に対しては水
中で種々の反応種を構成するものと考えられている。
【０００５】電子ビーム処理は適切な貫通深さを得るた
めに高いビームエネルギを必要とする。これはそのため
ｘ線を遮蔽し構造を設けるのに高価格を必要にする。低
い電子ビームエネルギでは１００乃至１５０ＫｅＶの範
囲で、電源装置と電子銃はより扱いやすい大きさにな
り、ｘ線の危険性も管理可能になる。しかしながら、効
率的に電子を伝送するのに十分な薄さに設計されると、
電子銃の真空を保護する窓のビーム損失は１５０ｋＶよ
りも低い電圧では深刻になり、窓の耐久力は約１００ｋ
Ｖよりも低い電圧で崩壊する。窓の損傷に加えて、低い
ビームエネルギは、非常に短い貫通深さを生じ、流体の
断面が適切に放射される程度に十分薄いことを確実にす
るため（高粘度の流れ損失の）特殊な毛管流体流動装置
を必要とする。さらに、高いデューティサイクルの使用
により深刻なホイル加熱問題が存在する。
【０００６】前述のガススクラブ応用に加えて、コロナ
放電装置が開発され、これは他の潜在的な環境的使用を
有する。例えば、内燃エンジンで使用される一般的なス
パークプラグは典型的に１パルス当り約２０乃至３０ｍ
Ｊのエネルギを供給する。高エネルギ点火システムが開
発されるならば幾つかの利点を提供する。第１に、電流
システムでは全ての燃焼ガスがアイドル期間中にシリン
ダから排出されないので、ラフなアイドルで生じ、増加
したアイドル安定度が高いエネルギ点火で達成される。
第２に、高い燃料節約が排気ガス再循環（ＥＧＲ）シス
テムによって得られる。約７５ｍＪのスパークエネルギ
ではＥＧＲは最適のレベルに増加されることができ、ガ
スのマイル数は１ＭＰＧ程度に改良される。さらに、Ｎ
Ｏx 放出は減少される。第３に、高いエネルギのスパー
クは起動時の燃料混合物がより少量で動作することを可
能にする。ほとんどの炭化水素放出は起動時に生じるの
で、炭化水素放出の顕著な低下が予期される。排気マニ
ホルドの燃焼されていない燃料は特に触媒コンバータが
冷えているとき実効的なコロナ放電により対応できる環
境問題である。
【０００７】問題とされている１つのコロナ放電装置は
文献（Bonnazza氏による“RF Plasma Ignitions System
Concept for Lean Burn Internal Combustion Engine
s”、Society of Automotive Engineers 、No. 92941
6、1992年、4.315 〜4.319 頁）に記載されている。こ
れは外部導電シリンダにより包囲されている固体の内部
導体を有する同軸の４分の１波長共振器を使用する。外
部シリンダは接地されており、数百メガヘルツの範囲の
高周波数ＲＦ信号は内部導体に供給される。装置は励起
波長の４分の１の長さで延在し、ＲＦ入力が供給される
装置の反対の端部で最大電圧を有する同軸空洞共振器を
生じる。これは共振が生じるとき装置の反対の端部で逓
昇変圧を発生する。
【０００８】文献は約３８ｃｍの長さで長方形ループ給
電を通じて供給される２００ＭＨｚの入力信号を有する
モデルについての試験を報告している。適切な点火が観
察され、３８ｃｍの長さの装置は自動車の点火システム
で実用される長さよりも長い。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明は化学処理の欠
点を避け、ＵＶ処理よりも広範囲の応用を有し、熱処理
よりも廉価で、電子ビーム処理システムよりも低いエネ
ルギレベルで動作可能である改良された液体廃棄物処理
技術を提供することを目的とする。これはＲＦコロナ放
電システムで達成される。関連する性質として、本発明
はさらに液体廃棄物と排気ガス処理の両者および自動車
点火システムに使用されることができ、実質上従来の装
置よりも小型である改良されたＲＦコロナ放電機構を提
供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】液体廃棄物処理または他
の化学反応は液体中でＲＦコロナ放電を開始し、炭化水
素の廃棄物材料の破壊等の所望の化学反応を誘起するの
に十分なレベルと継続時間で放電を持続することにより
本発明で達成される。好ましい実施例では、ＲＦ付勢パ
ルスが液体中のコロナ放電電極に供給される。実効的な
動作は高電位でコロナ放電を開始し、アーク発生前に流
体からコロナエネルギを引出すために交番する正および
負の成分を有するパルスを提供することにより達成され
る。放電を持続するためにコロナ放電を開始し、低い電
圧が続くように高い初期電圧を有する正のパルス成分
と、単一のＲＦ周波数のパルスと、非正弦形態のパルス
を提供するために重畳される異なったＲＦ周波数の信号
範囲から形成されるパルスとを含む種々のパルス形態が
使用されることができる。単極のパルスもまた使用され
ることができ、この場合、効率はパルスを共に十分近接
して隔てることにより強化され、従ってピーク電圧は漸
進的に減少されることができる。コロナ放電位置が与え
られ、約３０乃至１００ｋＶ／ｃｍよりも大きな電界を
設定し、供給電圧は約５０ｋＶよりも小さく、これは所
望のコロナ放電を開始するのに十分である。
【００１１】本発明はまた長さが収縮された中心導体、
好ましくは螺旋型コイルを使用する新しい４分の１波長
のＲＦ励起共振コロナ源を提供する。これは従来達成可
能であるものよりも非常に短い長さの軸を有する装置に
よりコロナ放電の発生を可能にする。新しいコロナ源は
自動車エンジンの点火、修復システム、ガスおよび液体
廃棄物処理、その他の応用に使用可能である。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明のこれらおよび他の特徴と
利点は添付図面を伴った後述の詳細な説明から当業者に
明白である。本発明によるコロナ源が図１に示されてい
る。これは好ましくは金属の外部導電円筒型遮蔽体２を
有する同軸の４分の１波長の共振器と、好ましくは誘電
体コア６周辺に巻付けられている長さが収縮された内部
導体の螺旋型コイルワイヤ４から構成されている。遮蔽
体２はコイル４に容量結合された基準電極の役目をす
る。コイルと接地との間に十分な漂遊容量が存在するな
らば装置は外部導電遮蔽体２がなくても動作する。
【００１３】ＲＦ信号は入力ライン８によってコロナ源
に供給され、これはコイル４の下端部周辺にループを生
成し、接地された遮蔽体２の下端部に接続されている。
この方法でコイルと遮蔽体の両者の下端部は接地電位で
維持され、ＲＦ入力供給ライン８は共振結合器として機
能する。コイルは同時に共振回路および単一巻回の変圧
器巻線として機能し、従って電極端部でピークになる多
重巻回コイルで逓昇電圧を誘起する。
【００１４】１実施例ではコイルの上端部にはコロナ放
電位置として機能する尖ったチップを有する外部突出し
た電極10が設けられており、コロナ形成を導く電界増加
用の焦点として動作する。電極は図２で示されている単
一の放電点を有するか、或いは所望のコロナ分布を発生
するように一般的に成形されるか、単一極の放電または
より一般的なスパークガス放電によるスパークプラグに
適合される。
【００１５】ＲＦエネルギは同軸貫通導体12と空洞の接
地端部の電力供給ループを経てコロナ源に伝送される。
空洞が無限長の送信ラインに延在するならば、コイル４
と遮蔽体２の相対直径の関数と螺旋ピッチの関数である
軸方向位相速度でＲＦ供給信号はラインに沿って伝播す
る。通常、位相速度は螺旋ピッチ角度が減少すると減少
する。位相速度の計算は困難であり、進行波管について
の文献（Mishra氏による“Effect of Plasma and Diele
ctric Loading on the Slow-Wave Propertiesof a Trav
eling Wave Tube”、IEEE Transactions on Electronic
Devices 、37巻、No.6、1990年６月、1561〜1565頁）
等で記載されている。しかしながら、位相速度の算定は
基準電極遮蔽体２がコイル４に近接して位置される限定
された場合を考慮することにより得られる。この限定で
はＲＦ軸位相速度Ｖp は次式により与えられる。
【００１６】Ｖp ＝Ｃｓｉｎφ ここで、ｃは真空での光速度であり、φは螺旋ピッチ角
度である。
【００１７】所定の構造では、ＲＦ共振がコイル４に沿
って生じる周波数ｆo が存在する。共振周波数ｆo はコ
イルの反対の端部の境界条件と共振器の長さＬと共振器
に沿った位相速度Ｖp によりコロナ源において決定され
る。
【００１８】 ｆo ＝（２ｎ＋１）Ｖp ／４Ｌ，ｎ＝０，１，２，… 最低の共振周波数はｎ＝０で共振器の長さがＲＦ波長の
１／４に等しいときに生じる。
【００１９】コイル４と外部遮蔽体２との間の電位差が
接地端部でゼロであり、反対の端部で最大であるので、
これらの２つの端部間に電圧利得が存在する。コロナ放
電端部で得られる絶対電圧差は供給ループの結合効率に
より決定され、入力パワーと共振器のＱは材料の電気的
特性と駆動周波数と空洞供給ループおよび電極の形状に
依存して決定される。
【００２０】ＲＦ入力を単一巻回の変圧器ループ８とし
て与える代りに、ＲＦ入力ラインは直接コイルに接続さ
れることができる。これは図２で示されており、入力ラ
イン８´はコイルの下端部近くに接続され、これは接地
された電極遮蔽体２の下部に接続されている。しかしな
がら、この型式は図１の設計で固有の変圧器による分離
を行うことはできない。
【００２１】図３は自動車点火用への共振器コイルコロ
ナ源の適用を示している。自動車のバッテリー14はＲＦ
発振器16を付勢するように接続されている。発振器出力
は前述したように共振器コイルコロナ源20として構成さ
れているスパークプラグへ出力ライン18によって供給さ
れる。しかしながら、この場合コロナチップ10´は上方
向に向けられ、従ってコロナ22は外部電極の上方に生成
される。この設定の準備において、ＲＦ源16は共振器か
らの反射パワーが最小になるまでコロナ源の周波数を掃
引することによりコロナ源の共振周波数に同調されるこ
とが好ましい。位相調節装置もまた反射器のパワーが再
度最小になるまでインピーダンス整合のために、位相調
節装置の同調を行うために付加される。
【００２２】自動車用では、エンジンタイミングはスパ
ークの適切な同期を必要とする。複数のコロナスパーク
プラグを使用することが可能であり、それぞれ適切なタ
イミングを確実にするため別々のＲＦ電源装置により付
勢される。代りに、順次各プラグを選択するために単一
のＲＦ電源装置とＲＦスイッチを使用してもよい。しか
しながら、より多くの廉価な手段が多数のコロナスパー
クプラグと組み合わせて共通の同調可能なＲＦ電源装置
を使用し、各プラグは異なった共振周波数に同調され
る。ＲＦ電源装置は点火反復速度で反復的にパルスを出
力し、周波数で掃引される。出力周波数の各パルスはエ
ンジンタイミングシーケンスにより必要とされる時間で
正確なスパークプラグに整合する。この方法では、多数
のスパークプラグが共通の伝送ラインで動作されること
ができる。共振範囲ではないプラグはパワーを生成しな
い。
【００２３】図４はこの方法で周波数掃引ＲＦ電源装置
23から供給された直列のスパークプラグ20ａ乃至20ｄを
示している。図５、６は周波数掃引を示しており、各ス
パークプラグ用の周波数はプラグの参照符号20ａ乃至20
ｄにより弁別される。
【００２４】本発明の実施例の構成では、１１．６ｃｍ
の長さの共振器が使用され、外部基準電極の直径は３．
８ｃｍであり、螺旋型コイルの直径は０．６ｃｍであ
る。螺旋のピッチは０．２５ｃｍであり、ピッチ角度は
５．２°である。図１で示されているようなＲＦ供給ル
ープが使用され、ループの直径は１．５７ｃｍであり、
共振器の底部からの距離は０．３ｃｍである。螺旋型コ
イルで使用されるワイヤの直径は０．０５ｃｍである。
コロナは最初に７７ＭＨｚで観察され、入力パワーは５
Ｗである。コロナは自発的に点火し、直径は約０．５ｃ
ｍである。
【００２５】コロナは１点で位置されるように配置さ
れ、または電極間のギャップを充填するように配置され
る。コロナはフレームであるが化学的に活性であること
が発見されている。これはプラスティックを溶融し、ま
たは可燃材料に点火することができる。
【００２６】本発明の別の観点は液体廃棄物処理用にこ
のタイプのＲＦコロナ源またはその他のＲＦコロナ源を
使用することを含んでいる。前述したように従来コロナ
は高電圧スイッチとして使用される水中放電装置と関連
して液体で観察された。これらの装置では、水で充填さ
れたギャップはその通常の破壊電圧を超過するパルスで
充電され、ギャップを横切るアークを急速に生じるコロ
ナ放電を発生する。この考えはできる限り速くコロナか
らアークに移行することである。
【００２７】一方、本発明では液体中の炭化水素廃棄物
が液体中の持続したコロナ放電の供給により破壊される
ことが発見されている。含まれる処理は液体廃棄物処理
における電子ビーム使用で要求される処理と類似してい
るものと考えられている。特に、原理的な処理は高い反
応性のＯＨ基を構成するため水分子に衝突する放射電子
から生じるものと考えられている。ＯＨ基は液体を通っ
て拡散し、有機物分子と反応して分解する。ＯＨ基が炭
化水素分子上の水素原子に衝突するとき、水が発生され
る。ＯＨ基が炭化水素分子上の炭素原子に衝突するとき
一酸化炭素が発生され、別のＯＨ基に衝突されると二酸
化炭素に変換される。
【００２８】コロナは媒体が高レベルの転移およびイオ
ン化を励起するのに十分なエネルギの非熱的電子束に露
出されるとき媒体に存在し、可視の拡散グローを発生す
ることを特徴とする。通常、コロナは時間と共に変化し
て雑音の成長および減衰位相を経過することができ、ま
たはアークに転移する。顕微鏡的寸法で、コロナパター
ンはフラクタル（fractal ）に類似しており、フィラメ
ント状のイオン化通路は外部方向に広がって伝播する。
これらのフィラメントは形態と極性に応じてストリーマ
およびブラシと呼ばれる。可視的に絶縁流体中のストリ
ーマの形状は固体のストリーマ形状に類似している。固
体の損傷パターンは通常永久的であるがガスまたは液体
は通常、パルス後に誘電体特性を回復する。
【００２９】この理由でコロナ付勢領域は反復的に液体
中でパルス付勢されることができる。付勢領域はパルス
からパルスへ統計的に成長するようにされており、従っ
て液体質量の大きい部分を含んでいる。反復を基礎とし
て、パターンは統計的に電極からある程度離れて全ての
液体をカバーする。この距離は電界とパルス波形と液体
特性に依存している。全ての流体の付勢が乱流の使用ま
たは極性の反転により補助されることができる。
【００３０】図７は前述のタイプの４分の１波長の共振
コロナ源が液体中に含まれている有機性廃棄物を処理す
るために流動する液体にコロナ放電を誘起するのに使用
されるシステムの簡略図を示している。液体はガラス等
の誘電体管24を通って流れる。ＲＦ電源装置26は周波数
が約５０乃至数百ＭＨｚ程度であるＲＦ信号を各同調ス
タブ30を介して直列の共振器28に供給する。各共振器内
の螺旋型コイル32は管24を通る液体流動通路の中心に通
じており、これらの直列の突出した先端34は外部チップ
でコロナ放電位置を提供し、管の軸に沿って延在する。
基準電極は破線36で示されているように管の外部を包囲
して位置されているか、または破線38で示されているよ
うに管内で長いシリンダとして配置されるが、通常電極
38への双極性アークを減少し、また液体の流れに対する
妨害および実効的な流動通路の制限を防ぐために管の外
部に位置付けることが通常好ましい。
【００３１】液体廃棄物処理用の閉ループシステムが図
８で示されている。ポンプ40は閉じた導管路42を廻って
液体を循環し、所望されるときバルブ44,46 は流体の入
口と出口を提供する。選択的な高電圧電源装置48または
他の電圧源はＲＦ変調器50により変調されるＤＣバイア
ス電圧を提供し、これは出力信号を導管の反対の面の陽
極電極52,54 に与えるように接続されて示されている。
各陽極の両側の導管部分55は図９で示されているように
接地された金属パイプ42から陽極を分離するように誘電
体材料から構成される。直列の陰極電極の先端56の末端
は導管の断面を横切って分布され、先端56は絶縁部分55
の端部の金属陰極リング57から導管42中に突出する。陰
極電極はこれらを導管の金属部分に接続することにより
接地され、導管はポンプ40とさらにＲＦ変調器50および
選択的な電圧源48の負の端子側まで延在する。任意選択
的なＤＣバイアスと共に出力ＲＦ変調器50は２つの誘電
体導管部分内に位置する陽極の電極に供給される。陽極
が物理的に絶縁導管の内部に位置し、液体と接触するこ
とは必要ではない。陽極の機能は陰極電極において電界
を生成することである。所望のレベルの処理が達成され
るまで必要ならば乱流で液体は循環される。
【００３２】別のコロナ源構造の開放ループシステムが
図１０で示されており、ここでは流れは４つのコロナ領
域を通る単一通路で、必要な励起と処理が行われる速度
に調節される。この場合、解放端の導管58は導管を通る
液体の流れを制御する入力と出口バルブ60,62 を有す
る。任意選択的なＤＣ源64は図では可変であるように示
されており、従ってコロナ放電パワーが制御され、ＲＦ
出力を導管の反対側の陽極電極フレーム68,70 に提供す
るＲＦ変調器66から出力をバイアスする。この実施例で
は別々の接地された基準電極が端部を丸くされたシリン
ダ72,74 形態の導管内に設けられている。直列の電極の
先端76は各フレームから各接地電極の方向に延在し、先
端の末端と接地電極付近でコロナ放電78を発生する。先
端の適切な位置付けにより、実質上全ての流動する液体
はコロナ放電78の４つの領域を連続して通過することに
より処理されることができる。漏洩を防止するためにフ
レームが導管に入る箇所には適切な密封体が設けられ
る。
【００３３】エネルギ保存の理由でコロナストリーマお
よびブラシが融合する点またはその一方または他方が反
対の電極に到達する点を越えてコロナ電流の流れが継続
しないようにすることが重要である。これは電流がさら
に非常に小さい断面である抵抗加熱されたアークチャン
ネルに電流濃縮するように導かれ、残りの液体の体積の
化学的励起に貢献しないためである。電子ビーム処理で
行われた作用に基づくと、約８Ｊ／ｃｃが典型的な汚染
物質の処理に必要とされる。
【００３４】本発明によると、高電界の期間が制限さ
れ、従ってコロナスチーマおよびブラシの動作はアーク
開始前に短縮される。これを達成するためパルスは迅速
に供給され迅速に除去される。電極の表面特性はコロナ
の開始の役目を行う。必要な供給電圧の減少を助けるた
めに、周期的またはランダムな位置で適切に限定された
構造に電界の増加を行わせる利点がある。しかしなが
ら、より均一な伝播と付勢は、得られることができる最
大の電界を使用することにより達成される。典型的に、
約１００ｋＶ／ｃｍを越える電界はコロナの開始を確実
にし、対応して電極間のギャップが容易に閉じることを
確実にする。
【００３５】ギャップのアークはパルスの形状の調節に
より妨げられ、これはまた必要なパワーを制限する。必
要な電気パワーがある最大量を超過するならば（例えば
自動車用でエンジンパワーの５０％）使用者はシステム
が実用的ではないと考えるため、必要なパワーを制限す
ることは非常に重要である。この目的で外部パワーはコ
ロナがギャップをブリッジするとき減少される。ギャッ
プのキャパシタンスＣo に蓄積される最初のエネルギＵ
は次式により与えられる。
【００３６】Ｕ＝１／２Ｃo Ｖo 2 ここでＶo は最初の電圧である。不安定の場合のしきい
値の近似値の伝播は大まかに割出すとコロナの前面が移
動するとき電荷が一定に維持されることである。この場
合、電極が最初にレベルＶo に充電され、その後電源か
ら遮断されるならば蓄積されたエネルギは前面の掃引が
横切るとき一定の電界を供給するのに丁度十分である。
１単位長さ当りの散逸エネルギもまた一定であり、ギャ
ップに蓄積された最初のエネルギ密度に丁度等しい。低
い電界でコロナは消滅し、高電界では前面は加速し電荷
が生長する。代りに、放電期間中に電極にパワーを供給
すると前面でエネルギの増加が生じ、初期時間にアーク
が起こる可能性が高くなる。コロナ流が一度開始される
と、放電チップの電界は電界強化係数により強化され、
従って電界の必要な平均値を減少する。
【００３７】アークに導かれるエネルギの量を決定する
１方法はアーク開始の最小電圧の測定を含んでいる。こ
の電圧レベルではコロナの形成は最小であり、電圧供給
とグローからアークへ転移の間の遅延はほとんど予期不
可能である。電圧が最小のアーク電圧の２倍に上昇する
とき、電圧供給とアーク開始の間の遅延時間は最小に低
下し、統計的により安定になることが実験的に発見され
ている。コロナの開始を確実にすることが所望であるな
らば、電圧は最小のしきい値の約２倍を超過する。しか
しながらアークへ過剰のパワーを提供しないように回路
は最小の時間遅延が到達される前にまず外部パワーを減
少し、それから除去するように時間を定められている。
【００３８】対向電極間で全てのアークを阻止しながら
急速にコロナ放電を開始するために、放電電極に供給さ
れるパルスはコロナストリーマを開始するように初期的
な高電圧レベルを有することができ、それに続いて、ア
ークを発生するための電極間のストリーマの交差を阻止
するように電圧の減少が行われる。実質的に最初の高電
圧が維持される場合よりも長期間実効的なコロナ放電が
持続する結果が得られる。電圧減少のすぐ後に負の電圧
が続き、これはアークの到達前に電極ギャップからエネ
ルギを吸引する。このタイプのパルスは図１１のａの参
照符号80で示されており、最初の高い正電圧80ａの後に
は低い正の電圧レベル80ｂが続き、その後に負の電圧80
ｃが続く。各パルス期間中に電極に流れる電流を反転す
ることによりエネルギ損失は主にコロナの実際の構成に
使用される電流によって構成される。
【００３９】図１１のａのパルス80はかなり広く間隔を
隔てられている。図１１のｂで示されているようにパル
スが共に時間的に近接して動作するならば、各パルス82
が開始され、前のパルスによるイオン化がまだ存在する
ので低い初期電圧が使用される。この低い初期電圧はエ
ネルギ消費の減少になる。比較的複雑なパルス形成回路
網が図１１のａ、ｂのパルスを発生するために必要とさ
れる。代りに、これらのパルスはフーリエ変換と変換に
対応するＲＦ信号の範囲を重畳することにより発生され
る。この場合、最初の高電圧パルス82ａの期間“ａ”は
この範囲の高周波数端部の単一ＲＦ周波数の期間に対応
し、連続パルスの間の期間“ｂ”は基本ＲＦ周波数に対
応する。
【００４０】パルスを発生するためスイッチング回路で
はなくＲＦ信号を使用すると、低電圧で短い間隔のパル
スを得ることが可能になる。低電圧はコロナ放電にわた
って高程度の制御を提供し、従って単位容積当りより大
きなコロナパワーがアークにならずに持続されることが
できる。図１１のａ，ｂの成形されたパルスの代りに、
図１１のｃで示されているように単一のＲＦ周波数で付
勢された信号が使用されることができる。この信号84の
交番する正および負のパルスが対向電極からのコロナ放
電の開始を交番するために使用される。パルス期間は図
１１のａとｂの間隔を隔てられたパルスの期間よりも短
く、エネルギ消費の減少になる。ただ１個の簡単な発振
器がこの波形の生成に必要とされる。
【００４１】図１１のｄは連続したパルス間にギャップ
がなく、連続した一連の成形パルスを生成するためＲＦ
高調波周波数を重畳することによって発生されることが
できる波形86を示している。個々のパルス形状は図１１
のａ，ｂのものと類似しており、最初のピークの正の電
圧に続いて低い正電圧が続き、その後に負の部分が続
く。（初期ピークは図１１のｃの単一の周波数波形より
も高いが）このタイプの波形は通常最低の平均電圧を必
要とし、結果的にエネルギ消費は最低量になる。
【００４２】流体廃棄物処理に最適のＲＦ周波数は多数
の要因に依存している。１つは媒体の特性であり、これ
は電子の移動度とコロナストリーマの伝播に影響する。
高い電子移動度は所定の期間中のアークを防止するため
により高い周波数を必要とする。別の要因は液体の密度
であり、これはイオン化の前面が移動する速度が密度に
より顕著に変化するためである。従って、より高密度の
液体は高い周波数を必要とする。第３の要因は動作電圧
である。コロナ放電はより高速度で行われ、高電圧でよ
り高速に伝播するので、周波数は電圧の上昇と共に増加
されなければならない。通常、ガスの廃棄物処理用の動
作周波数は約５０ＭＨｚ乃至数百ＭＨｚの範囲であり、
液体廃棄物処理用の動作周波数は数百ＭＨｚからマイク
ロ波帯域の範囲である。
【００４３】最適の電圧はまた特定の用途に依存する。
アークにならずにできるだけ多くの電極ギャップ電圧を
充満するコロナ放電が観察されるまで、電圧レベルはパ
ワーのオン切換えと電圧の調節により実験的に設定され
ることができる。必要な電圧は通常ギャップ間隔が大き
くなると増加する。電圧はまた電極形状の関数である。
尖った電極は高い電界を生成し、所定の電圧レベルでコ
ロナ放電を形成することを容易にする。しかしながら、
尖った電極は消耗しがちであり、尖った電極からのコロ
ナ放電は局部的になり易く、高電圧で平滑な電極を動作
することはより均一なコロナを発生する。いかなる場合
でも、付勢電圧は５０ｋＶよりも非常に小さく、電子銃
処理技術で必要とされるよりも非常に低く維持されるこ
とができ、電界生成のために選択された電極はコロナ放
電を開始するため１００ｋＶ／ｃｍよりも大きい。尖っ
た電極を使用する前述の螺旋型コイル共振器では励起電
圧は通常、ガスにおいて約５００乃至１，０００Ｖ程度
であり、多くの液体においては約１５００乃至３０００
Ｖである。
【００４４】通常正と負のパルスが交番することが望ま
しいが、全て正であるパルス等の単極性のパルスはＤＣ
電圧（48,64 ）でＲＦ電界をバイアスすることにより使
用されてもよい。コロナストリーマはこれらが対向電極
に接近する時間までにエネルギを失うように製造しなけ
ればならないのでこれはＲＦ励起よりも少ないエネルギ
効率である。そうでなければ、電極ギャップに導入され
る全てのエネルギは交番する極性のパルスのように引戻
しなく失われる。蓄積されたエネルギは供給された電圧
の２乗で変化し、高電圧がコロナ放電を開始するのに必
要とされるならば負のパルスは特に重要である。しかし
ながら、ＤＣバイアス方法は放電の開始を容易にしてコ
ロナを開始させ、その後、これは減少される。
【００４５】単極のパルスは通常、交流ＲＦ信号と比較
してエネルギ効率の損失を含むが、正と負のパルスを交
番するものよりも単極パルス形成回路を構成するのが容
易である。図１２のａ、ｂは単一周波数のＲＦ信号88と
一連の間隔を隔てられた正のパルス90のエネルギ状態を
比較している。ＲＦ信号88ではコロナ放電に入るエネル
ギが交番する正および負のパルスのピーク周辺の影を付
けた領域92により示されている。このコロナエネルギは
各連続期間で等しい。対照的に図１２のｂのＤＣバイア
スパルスではパルスが十分に高い周波数で供給されるな
らば、各パルスは次のパルスの到達のときに存在するコ
ロナギャップに残留エネルギを残す。従って、少ないエ
ネルギが連続放電で必要とされるので、次のパルスは連
続的に低いピーク電圧を有することができる。このこと
は図１２のｂのパルスの高さとコロナエネルギ94の連続
的な減少により示されている。平均ＤＣパルス電圧のこ
の減少は単極方法の低効率を軽減する。
【００４６】図１１のａ、ｂ、ｄで示されているよう
に、最初の高い電圧レベルの成形パルスは前述したよう
に高パワーＲＦ発振器または共振ＲＦ回路、或いは通常
のパルス形成回路網、ブルュームラインズ（Bleumlein
s）、マルクスバンクまたはより新型のパルサまたはレ
ーザ付勢スイッチのいずれかで生成されることができ
る。通常、整合パルス形成回路網の使用はコロナ放電電
極に供給される電圧をパルス形成回路網に供給された電
圧の１／２に制限する。しかしながら２つのパルス形成
回路網を使用するブルュームラインズは十分な初期電圧
が供給されることを可能にする。
【００４７】このタイプのパルス形成装置が図１３で示
されている。ケーブル部分96,98 の形態の１対のパルス
形成回路網はそれぞれ内部導体100,102 を包囲し、導体
104とダイオード105 から構成される共振充電回路網を
通って供給される電源装置103 によりケーブル96,98 の
反対の端部で付勢される。インピーダンス整合抵抗106
は２つのケーブルの内部導体間に接続されている。コロ
ナ放電電極108,109 はケーブル導体100,102 の反対側の
端部間に接続されている。パルスはケーブル96の外部端
部と接地との間のスパークギャップ110 を周期的にトリ
ガーすることにより周期的な速度で電極に供給される。
トリガー回路は変圧器の低電圧巻線114に接続されてい
るトリガーパルス発生器112 から構成されており、高電
圧巻線116 はトリガーパルスが供給されるときスパーク
ギャップをトリガーするように低電圧巻線に結合されて
いる。ケーブルの長さとトリガーパルスの速度はケーブ
ル伝送ラインを共振して充電するように選択され、これ
は共振で高電圧コロナパルスを発生する。
【００４８】より効率的なパルス形成回路が図１４で示
されている。ＤＣ電源装置120 とコロナ放電装置122 の
間にＲＦスイッチ管118 を使用する。ＲＦスイッチ管11
8 は典型的に前述のパワーレベルで必要な反復速度（１
００ＭＨｚ等）でオンおよびオフに切換える能力を有す
る。共振インダクタＬ１とキャパシタＣ１は所望の周波
数で共振するように回路を同調するために導線のインダ
クタンスと負荷キャパシタンスの変化を補償することを
必要とするときに付加される。共振フィードバックルー
プは負荷の発振電流を感知するために使用され、キャパ
シタＣ２でこれを位相シフトし、最適の位相遅延でスイ
ッチ管118 のグリッド電位を駆動する。回路の１つの構
成では、フィードバックは共振変圧器Ｔ１の１次巻線Ｌ
１を生成することにより感知され、２次巻線Ｌ２はＣ２
とピックアップ変圧器Ｔ２の１次巻線とのループに接続
されており、Ｔ２の２次巻線はスイッチ管118 のグリッ
ドに接続されている。所望のレベルと位相の電圧を生成
するため、付加的なキャパシタＣ３を使用する点Ａでの
容量ピックアップまたは任意選択的な別のキャパシタＣ
４を使用する点ＢでのピックアップまたはインダクタＬ
３等の多数の他のフィードバック選択も有効である。
【００４９】従って、本発明は電子ビーム処理で必要と
される高電圧と、熱処理における高価格と、ＵＶ処理に
おける使用上の制限と、化学処理における安全性、管
理、不所望な副産物とを防止する改良されたコロナ放電
源およびコロナベースの流体破棄物処理技術を提供す
る。幾つかの本発明の例示的な実施例を示し説明した
が、種々の変化および代りの実施例が当業者により行わ
れる。このような変形および代りの実施例が試みられ、
本発明の技術的範囲を逸脱することなく、特許請求の範
囲で限定されているように行われることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるコロナ源の断面図。
【図２】図１で示されているコロナ源と類似するが変圧
器ループよりも電源コイルへ直接接続されたＲＦ供給手
段を有するコロナ源の断面図。
【図３】自動車点火用に使用される新しいコロナ源構造
のブロック図。
【図４】周波数掃引ＲＦ電源装置により付勢されるコロ
ナスパークプラグアレイの簡単な平面図。
【図５】図４のスパークプラグアレイに供給されること
ができる周波数掃引付勢パターンを示したグラフ。
【図６】図４のスパークプラグアレイに供給されること
ができる周波数掃引付勢パターンを示したグラフ。
【図７】図１で示されているコロナ源と類似するＲＦコ
ロナ放電源を使用する液体廃棄物処理システムの概略
図。
【図８】本発明による別のタイプのコロナ放電機構を使
用する閉ループ液体廃棄物処理システムの概略図。
【図９】図８で使用される陽極／陰極構造の部分的に断
面で示す斜視図。
【図１０】第３のタイプのコロナ放電機構を使用する開
放液体廃棄物処理システムの概略図。
【図１１】ＲＦコロナ放電の励起に使用されることがで
きる種々のタイプのＡＣパルスを示した波形図。
【図１２】ＡＣ付勢波形を漸進的に減少するＤＣ ＲＦ
付勢波形と比較した波形図。
【図１３】ＲＦコロナ付勢信号用のパルス形成回路網と
して使用されることができる変形されたブルュームライ
ンズ回路を示した概略図。
【図１４】改良されたパルス形成回路の概略図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロビン・ジェイ・ハーベイ アメリカ合衆国、カリフォルニア州 91362、サウザンド・オークス、カレ・マ ンダリナス 717 (72)発明者 フランクリン・エー・ドレザール アメリカ合衆国、カリフォルニア州 91335、レセダ、インフィールド・アベニ ュー 7516 (72)発明者 ウェルドン・エス・ウィリアムソン アメリカ合衆国、カリフォルニア州 90265、マリブ、シースター・ドライブ 6424

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 無線周波数入力受信部を有する導電コイ
    ルと、 前記無線周波数入力から隔てられているコイル上のコロ
    ナ放電位置と、 前記コイルに容量結合されている基準電極とを具備し、 前記無線周波数入力受信部から前記コロナ放電位置まで
    の前記コイルのピッチおよび長さは予め定められた周波
    数および電圧で無線周波数入力信号に応答してコロナ放
    電位置からコロナ放電を生成するように選択されている
    ことを特徴とするコロナ源。
  2. 【請求項２】 前記入力受信部とコロナ放電位置が前記
    予め定められた周波数で無線周波数入力信号の前記コイ
    ルに沿った軸方向波長の約１／４だけ前記コイルに沿っ
    て相互に軸方向で隔てられている請求項１記載のコロナ
    源。
  3. 【請求項３】 長さが収縮した通路に沿って無線周波数
    （無線周波数）信号を伝送し、 前記通路の第１の予め定められた位置において基準電圧
    レベルで前記無線周波数信号を固定し、 前記第１の位置から隔てられ、前記無線周波数信号の最
    大電圧レベルに対応する前記通路の第２の予め定められ
    た位置において前記無線周波数信号のコロナ放電位置を
    提供し、 前記無線周波数信号により前記放電位置からコロナ放電
    を誘起するステップを具備するコロナ放電の生成方法。
  4. 【請求項４】 前記無線周波数信号通路が螺旋型通路を
    具備し、前記無線周波数信号が前記螺旋型通路の反対の
    端部間で共振を生成するように選択される請求項３記載
    の方法。
  5. 【請求項５】 流体中でコロナ放電を開始し、 前記化学反応を誘起するのに十分なレベルと期間前記コ
    ロナ放電を持続し、 前記コロナは無線周波数付勢パルスを前記流体中の放電
    電極に供給することにより開始され持続されるステップ
    を有する流体中で化学反応を付勢する方法。
  6. 【請求項６】 交互にアーク電位でコロナ放電を開始
    し、アーク発生前に流体からコロナエネルギを引出すた
    め前記パルスが交互の正および負の成分を有する請求項
    ５記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記流体が液体で構成されている請求項
    ５または６記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記流体用の導管と、 前記導管内のコロナ放電電極と、 前記コロナ放電電極から隔てられた基準電極と、 前記基準電極に対してアークを生じることなく、前記導
    管を通って流れる流体中で化学反応を付勢するのに十分
    なコロナ放電を行うために前記基準電極に関して無線周
    波数パルスを前記コロナ放電電極に供給するように接続
    された無線周波数パルス発生器とを具備している請求項
    ５または６記載の方法。
  9. 【請求項９】 前記無線周波数パルス発生器が交流極性
    のパルスを前記コロナ放電電極に供給する請求項８記載
    の装置。
  10. 【請求項１０】 前記無線周波数パルス発生器がコロナ
    放電を開始するのに十分な高さの初期電圧とそれに続く
    放電を持続するためのそれより低い電圧とを有するパル
    スを前記コロナ放電電極に供給する請求項８または９記
    載の装置。
JP7216290A 1994-08-25 1995-08-24 コロナ放電生成用のコロナ源とコロナ放電による流体廃棄物処理 Pending JPH08171978A (ja)

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