气体转变系统 相关的专利申请
这份申请是要求在2000年6月20日申请的美国临时专利申请第60/213,358号和在2000年6月28日申请的美国临时专利申请第60/214,577号的利益的于2001年6月18日申请的以“Gas Conversion System”为标题的美国专利申请登记第2251.2002-001号(尚未分配申请号)的部分继续申请。在此通过引证将上述申请的全部教导并入。本发明的现有技术
商用飞机中的空气循环系统使新鲜的和再利用的空气的混合物循环起来提供给乘客。为了维持气体中保证乘客健康的氧气和二氧化碳的水平，一定数量的新鲜空气是必需的。通常，在40,000英尺以上的高度因为空气非常稀薄不能把充足的新鲜空气吸入飞机。所以，这妨碍商用飞机在这样的高度飞行。在40,000英尺以上地高度飞行对于商用飞机是令人向往的，因为在那些高度飞行提供比较低的高度小的空气阻力，因此允许飞机以更节省燃料的方式飞行。本发明的概述
本发明提供可以用来从气体中除去二氧化碳的气体转变或处理系统。本发明的气体转变系统包括气体在其中循环的管道。该管道有用来将给气体的反应剂引入管道的口。电子束发射器相对于用来引导电子束进入管道而且引起二氧化碳和反应剂的成份发生反应将二氧化碳从气体中除去并且释放氧气的管道放置在适当的位置。
在优选的实施方案中，二氧化碳在空气里面。空气循环机被包括在内，以便使能在封闭环境内循环的空气循环起来。分离器把固体和通过二氧化碳和反应剂的成份反应形成的气体分开。在一个实施方案中，反应剂是水。本发明可能是一个空气循环或再利用系统，或者在该系统之内，或者作为它的一部分。
本发明还指向将二氧化碳从气体中除去的方法，其中包括引入给气体的反应剂以及用电子束处理反应剂和气体。电子束引起二氧化碳和反应剂的成份发生反应将二氧化碳从气体中除去并且释放氧气。二氧化碳可以在空气循环或再利用系统内从空气中除去。
另外，本发明指向将NOX和SOX(氧化氮和氧化硫)从气体中除去的气体转变系统并且包括气体在其中流动的管道。该管道有用来将给气体的反应剂引入管道的口。第一和第二电子束发射器彼此对置地安装在管道上，用来引导相向的电子束进入管道并且引起NOX、SOX和反应剂的成份发生反应将NOX和SOX从气体中除去。在一个实施方案中，反应剂是氨。
本发明还指向除去化合物的处理系统并且包括气体在其中流动的管道。化合物是与气体混合的。该管道有用来将给气体的反应剂引入管道的口。第一和第二电子束发射器彼此对置地安装在管道上，用来引导相向的电子束进入管道并且引起化合物和反应剂的成份发生反应将化合物从气体中除去。
本发明进一步指向包括待处理的物质在其中流动的管道的电子束处理系统。第一和第二电子束发射器彼此对置地安装在管道上，用来引导相向的电子束进入管道处理物质。
本发明还指向包括用来产生电子束穿过出射窗的电子束发射器的电子束处理系统。反应室安装在电子束发射器上，用来接收来自电子束发射器的电子束。反应室有用来使物质对准用于处理的出射窗的喷嘴和与喷嘴毗邻用来接收经过处理的物质的出口。
本发明可以在用来除去二氧化碳和释放氧气以取消对吸入新鲜空气的需要的空气循环或再利用系统中使用。因此，空气能够在封闭环境中循环。这种封闭环境的空气循环系统可以安装在商用飞机上把有健康水平的二氧化碳和氧气的可呼吸的空气提供给乘客，同时允许飞机在40,000英尺以上的高度飞行，在那里飞机将更节省燃料。此外，本发明的实施方案可以用来将NOX和SOX从交通工具或工厂的排气中除去以减少污染。其它的实施方案可能被用于除去或破坏其它的化合物或物质。附图简要说明
本发明的上述和其它的目的、特征和优势从下面用同样的参考符号表示同一零部件的附图予以图解说明的本发明的优选实施方案的更具体的描述将变得显而易见。这些附图不必依比例绘制，而是把重点放在举例说明本发明的原则之上。
图1是本发明的气体转变系统的实施方案的示意侧视图。
图2是包括图1的气体转变系统的空气循环系统的示意图。
图3是气体转变系统的另一个实施方案的示意侧视图。
图4是图3中描绘的气体转变系统的示意剖视图。
图5是本发明的另一个实施方案的透视图。
图6是本发明的另一个实施方案的示意侧视截面图。
图7是图6的底部的放大图。
图8是图6的反应室的示意俯视图。本发明的详细描述
参照图1，气体转变或处理系统10被用于将二氧化碳从气体中除去和释放氧气。气体转变系统10往往被包括在用来从空气中除去二氧化碳和释放氧气的空气循环系统之内或者作为它的一部份。其它的一般用途是除去来自排气的二氧化碳和把氧气释放到排气中。气体转变系统10包括气体在其中按箭头方向流动或循环的管道12。通常，在管道12中某个百分比的流动气体是由气体二氧化碳组成的。延伸到管道12中的口20被用于把净化剂或反应剂21引入管道12与正在流动的气体混合。电子束发射器14以密封的方式安装到管道12上，通常位于口20的下游，在管道12用来引导电子束24进入在管道12内流动的气体的孔口之上。电子束发射器14有通过它引导电子束24的出射窗14。电子束发射器14是为了实际上用来自电子束24的电子e-覆盖管道12的整个横截面而确定尺寸的。这形成一个流动气体和反应剂2 1将在其中通过的照射区域22。电子束24引起二氧化碳气体和反应剂21反应，将二氧化碳从流动气体中除去，同时释放氧气。时常，副产品起因于这个反应，而且可能是固体。诸如过滤器16之类的分离装置通常位于电子束发射器14和照射区域22的下游，用来从流动气体中滤除这些固体。此外，过滤器16连同用来收集固体的收集器18一起使用。
在使用中，反应剂21被连续地以某种易于与流动气体混合的形式(例如气体或蒸汽、雾或精细粉末的形式)引入管道12。当气体和反应剂21的混合物经过照射区域22时，电子束24把二氧化碳气体分子(CO2)击碎成诸如C、O或CO之类的比较小的成份。反应剂21也可能被击碎，取决于所使用的特定的制剂。二氧化碳包含元素碳的成份与反应剂21的成份反应，通常形成固体，并借此被从流动气体中除去。把带有碳的成份从流动气体中除去就从那里除去了二氧化碳气体。
在一个实施方案中，反应剂21是可以作为雾或蒸汽通过口20引入管道12的水(H2O)。电子束24把水分子(H2O)击碎成诸如H、OH或O之类比较小的成份，而且如上所述击碎二氧化碳分子(CO2)。一旦水分子(H2O)和二氧化碳分子(CO2)被击碎成比较小的成份，这些成份能够相互反应。二氧化碳气体(CO2)在受到来自电子束24的电子e-照射的时候能够与水(H2O)发生下述反应：
CO2+H2O+电子束(CH2O)n+O2
反应的副产品可能是以糖的形式包含碳成份的固体和氧气。包含碳元素的固体被从流动气体中除去，而释放出来的氧气与气体混合。结果是这个过程将二氧化碳气体从流动气体中除去并且把氧气释放到气体中。释放出来的氧气(O2)是由不被合并到固体中的氧成份形成的。
一些被击碎的二氧化碳成份可能没有机会与反应剂21的成份反应，而且可能再次形成二氧化碳气体。在一个实施方案中，这可以通过足够数量的反应剂21引入管道12并且使之与气体充份混合被降低到最低程度。在另一个实施方案中，将经过照射区域22之后的二氧化碳维持在某种水平是符合要求的，因为太多的氧可能有着火的危险。在这样的情况下，较少数量的反应剂21是需要的。一旦从二氧化碳与反应剂21的反应形成的固体被过滤器16除掉，经过处理或转换的气体就可以用管道12引导到适当的目的地。在某些实施方案中，待处理的气体在封闭的环境内循环，例如在空气循环系统中，而在其它的实施方案中，待处理的气体被引向外面的环境(大气)，例如在排气系统中。
管道12通常具有矩形的横截面，但是也可能具有任何其它适当的横截面，例如多角形的、圆形的、或者具有曲线边和直线边的组合。泵或鼓风机可以被用来把反应剂21经过口20注入管道12。虽然气体转变系统10已被展示具有一个用来把反应剂引入管道12的口20，但是作为替代可以使不止一个口20。此外，一系列的口20可以被放置在管道12周围，用来把反应剂21沿径向向内引入管道12。电子束发射器14通常类似于在此通过引证将其全部内容并入的标题为“Electron BeamAccelerator(电子束加速器)”的1999年7月19日申请的美国专利申请第09/349,592号中揭示的那些。作为替代，其它适当的电子束发射器也可以被采用。过滤器16通常包括增大固体粒子尺寸的静电除尘器和在除尘器下游的机械过滤器。作为替代，过滤器16也可以由静电除尘器或机械过滤器组成。收集器18往往是用来在管道12之下收集固体的收集容器或储存箱。收集器18还可以包括用来把固体传送到位于管道12之外的储存箱中的导管或滑槽。气体转变系统10往往在包括空调和加热系统的空气循环系统之内或作为其一部份，但是也可以是主要用于从空气中除去二氧化碳和释放氧气的独立单元。在这种情况下，诸如风扇或鼓风机之类空气循环机将包括在内，用来在管道12之内引起空气流动。在气体转变系统10被用于处理排放气体的实施方案中，气体往往是燃烧反应的产物而且在许多情况下不需要空气循环机的帮助就能够在管道12中流动。
用来将二氧化碳从通过管道12流动的可呼吸的气源中除去和把氧气添加到该气源中的气体转变系统10可以被安装在飞机上。这将允许飞机具有封闭的空气循环系统而且不必吸入某个百分比的新鲜空气并使之循环起来。如同先前提到的那样，商用飞机通常不在高于大约40,000英尺的高度飞行，因为在这样的高度不能把足够数量的新鲜空气吸入飞机。气体转变系统10由于不需要吸入新鲜空气将允许飞机在比40,000英尺高得多的高度飞行。在大大高于40,000英尺的高度飞行是令人向往的，因为燃料消耗比较低，因此飞机更有效率。除了除去二氧化碳和把氧添加到可呼吸的空气中之外，气体转变系统10的电子束24还将杀死经过电子束24的机载微生物。这将减少在飞机上传播疾病的可能性，因为机舱内的空气是被再利用的。另外，过滤器16可以是为滤掉在照射过程中产生的臭氧而设计的。这样的设计可以包括具有球形二氧化锰或铂球团的球团床的反应型过滤器。
气体转变系统10可以在诸如建筑物、装引擎的交通工具、潜水艇、航天飞机之类不同于飞机的应用中被用于封闭的空气循环或再利用系统。此外，气体转变系统10可以被用于从工厂和安装了引擎的飞行器的排气中除去二氧化碳气体。此外，除了水之外的反应剂21也可以被使用，例如氧化钙。另外，气体转变系统10可能被用于从周围的空气中除去二氧化碳气体，例如在大城市中用来改善空气质量。为了处理大的流动速率通常需要多重气体转变系统10。
图2描绘作为空气循环系统30的一部份的气体转变系统10的实施方案。诸如风扇或鼓风机之类的空气循环机28被放置在口20的上游，用来在管道20里面引起空气流动。空气通过进气口32提供给空气循环机28，然后经过用来过滤空气中的粒子的过滤器26。然后，空气以先前讨论过的方式用气体转变系统10进行处理。人们将理解空调和/或加热部分也可以被包括在空气循环系统30之内。空气循环系统30可以直接从管道12排放经过气体转变系统10处理的空气。非必选的是可以在接合处13将一系列把经过处理的空气运送到不同的区域或地点的比较小的管道13连接到管道12上。如果空气循环系统30被安装在封闭的环境之内，例如在飞机的机舱中，从管道13排放的空气最终将再次进入进气口32，以致空气是以再利用的方式循环的。
参照图3和4，气体转变或处理系统25可以被用在类似于气体转变系统10的应用中，但是不同于气体转变系统10，因为气体转变系统25包括多重电子束发射器14。电子束发射器14以轴向对置的准直方式安装在管道12上，用来引导电子束24从相反的方向进入照射区域22。这允许管道12的高度被制成大于在气体变换系统10中的管道高度。电子束24进入流动的气体和反应剂的穿透深度有限。被引入气体的电子束24的强度非常迅速地减少到零。所以，从相反的方向引导电子束24使相向的电子束24的穿透深度能结合起来覆盖高度更大的横截面，而且能量的使用更均匀、更充分。因此，能够在使用功率比较低的电子束发射器14同时使用高度比较大的管道12。例如，在大约125kV下操作的对置的电子束发射器14能够被用于照射大约5英寸高的管道12。此外，管道12的宽度可以如同在图4中描绘的那样通过并排安装电子束发射器14被增大。并排的电子束发射器14的电子束24结合起来提供横跨管道12宽度的连续的电子束覆盖。此外，电子束发射器14可以以一些电子束发射器14按照导致气流在电子束发射器14的上游和下游的方向纵向沿着管道12连续地安装到管道12上的方式放置在适当的位置上。与采用在气体转变系统10中描述的单一的电子束发射器14相比，这允许使用更高的气流速度。虽然比较快的流速将缩短气体和反应剂21途径给定的电子束发射器14的电子束24的时间，但是序贯放置的电子束发射器14提供增加长度的照射区域22，从而保证气体和反应剂21被照射足以获得所需要的气体转变反应的时间。除了序贯放置电子束发射器14之外，电子束发射器14还可以放置在管道12的侧面上以提供增大的电子束覆盖。
针对气体转变系统25描述的对置的电子束发射器14配置结构也可以被用于从排气或废气(例如来自装引擎的交通工具或工厂)中除去气态的氧化氮和氧化硫(NOX和SOX)。虽然并非必须使用反应剂21，但是使用氨(NH3)作为反应剂21在照射之前用于与管道12内的气体混合是优选的。电子束24把NOX、SOX和NH3分子破碎成比较小的成份并且引起NOX、SOX和NH3的成份反应，从而导致通常作为呈灰尘形式的固体的硫酸铵和硝酸铵的形成。灰尘可以用可以包括在用机械过滤器过滤之前增大固体颗粒尺寸的静电除尘器的适当的过滤装置16与流动气体分开。作为替代，静电除尘器或机械过滤器可以被单独使用。因此，NOX和SOX气体借助本发明通过形成包含氮和硫磺成份的固体和后来的从流动气体中除去固体将被移出流动气体。在某些情况下，可能仅仅需要把两个对置的电子束发射器14安装到管道12上。此外，在其它的情况下，电子束发射器14也可以如同在图3和4中描绘的那样并排放置和/或沿着中放置气体流动方向串联放置。此外，某些情况可能只需要单一的电子束发射器14，例如在气体转变系统10中(图1)。
本发明可以代替用来从排气中除去NOX和SOX的催化转换器安装在装引擎的交通工具的排气系统里。本发明也可以是为了从工厂的烟囱中除去NOX和SOX而安装的。除了从气体中除去NOX和SOX之外，对置的电子束发射器14配置还可以被用于破坏或清除来自流动气体的挥发性有机化合物(VOC)。当受到电子束发射器14照射的时候，VOC可能呈气体、蒸汽或雾的形式。反应剂21可以针对特定的有机化合物进行选择。
参照图5，气体转变或处理系统40是本发明的一个能够用来处理诸如通过圆形的导管或管道34流动的气体之类化合物或物质的实施方案。系统40包括将对置的电子发射器14安装在它上面的矩形管道部分38。通常，管道部分38与管道34相比高度比较低，但是宽度比较大。这允许电子束发射器14被用于用原本没有足够高的功率穿透足以通过在管道34中流动的物质的深度获得充分处理的电子束24充分处理通过管道34流动的物质。过渡部分36在管道部分38的两侧将管道部分38连接到管道34上。过渡部分36有从管道34移动到管道部分38逐渐减少的高度和从管道34移动到管道部分38逐渐增加的宽度。通常，过渡部分36有带角度的顶部、底部和侧壁，但是作为替代，管壁可以是弯曲的。为了在管道部分38的宽度上提供连续的电子束覆盖，对置的电子束发射器14是按并排关系邻接的。一排或多排附加的电子束发射器14可以如图所示按照流动方向放置，以延长照射的时间。如果管道部分38的高度足够低，可以使用一排非对置的电子束发射器14。虽然在图5中没有描绘口28和分离装置16，但是人们应该理解这样的特征可以被包括在系统40之中。系统40可以被用于处理与系统10和25相同的物质。此外，带角度的过渡部分36可以在使用两个对置的电子束发射器14或一个电子束发射器14的时候被使用。
参照图6-8，气体转变或处理系统50是本发明的另一个适合处理诸如气体之类流速比较小的物质的实施方案。系统50是小型的或紧凑的，而且适合安装在装引擎的交通工具的排气系统上。系统50包括安装在反应室42上的小型低功率电子束发射器14。电子束发射器14包括一端有出射窗14的圆筒形壳体44。位于壳体内的电子发生器46产生通过出射窗14在电子束24中被加速的电子e-。电子束发射器14的壳体44的远端以出射窗14被放置和密封在反应室42的内腔42a上以致电子发生器46产生的电子e-能够被加速通过出射窗14进入内腔42a的方式安装到反应室42上。反应室42有流动物质通过它进入的入口48。喷嘴52(图7和8)位于入口48的末端或其附近，用来引导物质朝出射窗14a喷射到内腔42a中，喷射的中心轴线实质上垂直于出射窗14a而且通常是轴向的即沿着与电子束相同的方向。管道口52中心位于内腔42a的底部与出射窗14a相对，以便均匀地朝出射窗14a引导物质。进入流动物质的电子束24的强度从在内腔42a的底部接近零增加到邻近出射窗14a的大约全部强度。因此，在出射窗14a附近的照射区域22具有最高的电子束强度。
物质是在它朝出射窗14a流动，然后离开出射窗14a流向一系列围绕着喷嘴52等间隔定位的出口54时用电子束24在照射区域22处理的。这导致蘑菇形的物质流动。内腔42a形成在其中逆转物质流动方向的逆向流动管道。物质是在向前和向后两个流动方向上都受到递增和递减的电子束照射强度的照射，从而导致比较均匀一致的照射。在一个实施方案中，使用四个出口54。这些出口54是与被接到经过处理的物质穿过它流动的反应室42的出口58上的舱室56连通。在这样的实施方案中，电子束发射器14可以有2英寸直径的出射窗14a并且在大约60kV下工作，而反应室42有大约2英寸直径乘大约2英寸高的内腔42a。
如果使用反应剂21，来自口20的反应剂21通常是在进入入口48之前与流动物质混合。另外，任何分离或过滤装置16将位于反应室42的出口58的下游。系统50可以处理与系统10、25和40相同的物质。另外，系统50还可以用于物质的灭菌消毒。入口48、喷嘴52、内腔42a、出口54、舱室56和出口58，包括对入口48和出口58的任何连接，可以被视为形成连续的管道。
尽管这项发明已参照其优选实施方案予以具体地展示和描述，但是熟悉这项技术的人将理解不脱离用权利要求书囊括的本发明的范围可以在形式和细节方面进行各种各样的改动。
例如，虽然气体变换系统10、25、40和50适合从气体中除去二氧化碳、NOX、SOX和VOC，但是作为替代，其它的气体、液体物质或化合物也可能被除去、处理和/或灭菌消毒。特定的反应剂将是依据手边的情况选定的。在某些情况下，不引进反应剂或许是符合要求的。过滤器可以位于本发明的系统的上游，以便滤除外面的粒子。从气体或物质中除去的成份通常呈固体状态，但是在某些情况下可以是液体。过滤器16可以是为了捕获液体而配置的。在某些情况下，液体可以在不使用过滤器16的情况下被捕获。管道也可以是为了在没有过滤器16的情况下捕获固体而配置的。系统10、25、40和50以及空气循环系统30的种种特性也可以被合并或省略。虽然管道12和34已被描绘成是笔直的和水平定位的，但是管道12和34可以有拐角或弯曲而且可以垂直地或者按某个角度取向，取决于手边的情况。例如，管道可以有屏蔽X射线的之字形配置。另外，管道12和34的横截面的形状和/或尺寸可以沿着其长度变化。