JP2016068058A - Fine particle generation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プラズマトーチを利用した、微粒子生成装置に関するものである。 The present invention relates to a fine particle generator using a plasma torch.
プラズマトーチに関する技術は、従来より存在している(たとえば、特許文献1、特許文献2)。
Techniques relating to plasma torches have existed conventionally (for example,
特許文献1に係る技術では、所定の重量比のチタン・鉄系原料粗粒子を高周波熱プラズマ等の高温下で溶融蒸発させて気相化させることにより、チタン・鉄の超微粒子複合化酸化物を生成させて捕集している。
In the technique according to
また、特許文献2に係る技術では、プラズマトーチは、リング陰極と、該リング陰極の放電部との間に放電空間を隔てて囲繞的に配設された陽極と、放電空間に中心軸を含む面内で交叉する磁束を形成させるように設置された磁石と、溶射材料を送り込む溶射材料供給口パイプとから、構成されている。
Further, in the technique according to
また、プラズマを利用した微粒子製造に関する従来技術として、特許文献1の他に、特許文献3や特許文献4なども存在する。
In addition to
特許文献3に係る技術では、金属粉末とホウ素粉末とを、アルゴンガスなどの不活性ガスの熱プラズマ中に供給し、ナノオーダーの金属ホウ化物微粉末を得ている。
In the technique according to
また、特許文献4に係る技術では、カーボンるつぼに無機塊状物を保持させて、アークプラズマを発生させ、SiCナノ粒子を製造している。
Moreover, in the technique which concerns on
また、トーチ全体の小型化、高エネルギー効率および原料材料に対する均一加熱という観点から、特許文献5が存在している。
特許文献5に係る微粒子生成装置は、直流プラズマトーチと、直流プラズマトーチから離隔して対向配置された対向電極と、材料気化反応室を側面側から囲繞する壁面部とを、備えている。直流プラズマトーチは、リング状の磁石と、円筒形状であり、磁石が円筒の空洞内部に配置され、磁石と所定の距離だけ離隔している移行型プラズマ用電極と、直流プラズマトーチの略中央部に設けられた原料材料通路部とを、備えている。
The fine particle generation apparatus according to
特許文献5に係る技術において、プラズマを絞り、蒸発効率を上げるために、直流プラズマトーチと対向電極との間の距離を長くすることがある。この場合、対向電極の貫通部領域では、径方向の磁界が弱くなる。したがって、プラズマが当該貫通部等に滞在し、これにより、対向電極が損傷を受けることがあった。
In the technique according to
そこで、本発明は、プラズマトーチを利用した微粒子の生成に関する技術において、対向電極のプラズマによる損傷を防止することができる微粒子生成装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a fine particle generation apparatus capable of preventing damage to the counter electrode due to plasma in a technique related to the generation of fine particles using a plasma torch.
上記の目的を達成するために、本発明に係る微粒子生成装置は、直流プラズマトーチと、前記直流プラズマトーチから離隔して対向配置された対向電極とを、備えており、前記直流プラズマトーチは、リング状の磁石と、円筒形状であり、前記磁石が前記円筒の空洞内部に配置され、前記磁石と所定の距離だけ離隔している移行型プラズマ用電極と、当該直流プラズマトーチの略中央部に設けられた、原料材料が通る原料材料通路部とを、備えており、前記対向電極は、前記直流プラズマトーチ側から平面視して、リング形状であり、前記対向電極の前記リング形状の貫通部と連通しており、周囲が冷却されている、微粒子生成冷却室を、さらに備えており、前記移行型プラズマ用電極と前記対向電極との間において発生した移行型プラズマは、前記磁石により回転し、当該回転している前記移行型プラズマにより、前記原料材料通路部から出力された前記原料材料が気化され、前記貫通部を通って、前記微粒子生成冷却室で冷却され微粒子が生成され、前記対向電極の前記貫通部に面する側面部は、絶縁体である。 In order to achieve the above object, a fine particle generation apparatus according to the present invention includes a direct current plasma torch and a counter electrode disposed facing and spaced from the direct current plasma torch, the direct current plasma torch includes: A ring-shaped magnet, a cylindrical shape, the magnet is disposed inside the hollow of the cylinder, and is separated from the magnet by a predetermined distance; and a substantially central portion of the DC plasma torch A material material passage portion through which the material material passes, and the counter electrode has a ring shape in plan view from the DC plasma torch side, and the ring-shaped through portion of the counter electrode A transition type plasma generated between the transition type plasma electrode and the counter electrode is further provided with a particulate generation cooling chamber that is in communication with the surroundings and is cooled. The raw material material output from the raw material material passage portion is vaporized by the rotating transfer plasma rotated by the magnet, and is cooled in the fine particle production cooling chamber through the through portion. And a side surface portion of the counter electrode facing the through portion is an insulator.
本発明に係る微粒子生成装置は、直流プラズマトーチと、前記直流プラズマトーチから離隔して対向配置された対向電極とを、備えており、前記直流プラズマトーチは、リング状の磁石と、円筒形状であり、前記磁石が前記円筒の空洞内部に配置され、前記磁石と所定の距離だけ離隔している移行型プラズマ用電極と、当該直流プラズマトーチの略中央部に設けられた、原料材料が通る原料材料通路部とを、備えており、前記対向電極は、前記直流プラズマトーチ側から平面視して、リング形状であり、前記対向電極の前記リング形状の貫通部と連通しており、周囲が冷却されている、微粒子生成冷却室を、さらに備えており、前記移行型プラズマ用電極と前記対向電極との間において発生した移行型プラズマは、前記磁石により回転し、当該回転している前記移行型プラズマにより、前記原料材料通路部から出力された前記原料材料が気化され、前記貫通部を通って、前記微粒子生成冷却室で冷却され微粒子が生成され、前記対向電極の前記貫通部に面する側面部は、絶縁体である。 The fine particle generation apparatus according to the present invention includes a direct current plasma torch and a counter electrode disposed to face and separate from the direct current plasma torch. The direct current plasma torch has a ring-shaped magnet and a cylindrical shape. A transitional plasma electrode in which the magnet is disposed inside the cylindrical cavity and spaced apart from the magnet by a predetermined distance; and a raw material through which the raw material material is provided at a substantially central portion of the DC plasma torch. A material passage portion, and the counter electrode has a ring shape in plan view from the DC plasma torch side, and communicates with the ring-shaped through portion of the counter electrode. The particle generation cooling chamber is further provided, and the transfer type plasma generated between the transfer type plasma electrode and the counter electrode is rotated by the magnet. The raw material material output from the raw material material passage portion is vaporized by the rotating transfer plasma, and is cooled in the fine particle production cooling chamber through the through-hole to generate fine particles. The side part facing the penetrating part is an insulator.
したがって、貫通部に面する対向電極の側面部において、移行型プラズマが照射し滞在することを防止できる。よって、移行型プラズマの滞在に起因した対向電極の損傷を防ぐことができる。 Therefore, it is possible to prevent the migration type plasma from being irradiated and staying on the side surface portion of the counter electrode facing the penetrating portion. Therefore, damage to the counter electrode due to the stay of the transfer plasma can be prevented.
まず、本発明の前提となる微粒子生成装置について、詳細に説明する。 First, the fine particle generation apparatus which is the premise of the present invention will be described in detail.
図1は、微粒子生成装置100の全体構成を示す図である。図1に示すように、微粒子生成装置100は、直流プラズマトーチ50を具備する。図2は、図1に示す直流プラズマトーチ50の先端部付近の構成を示す拡大断面図である。
FIG. 1 is a diagram illustrating an overall configuration of the fine
図1に示すように、微粒子生成装置100は、直流プラズマトーチ50、真空ポンプ60、プラズマ電源61、冷却水供給部62、第一のプラズマガス供給部63、第二のプラズマガス供給部64、プラズマトーチ昇降機構65、粉末材料供給部66、ガス供給部67、微粒子生成冷却室70、微粒子捕獲室71、微粒子捕獲フィルター72、および熱交換器73を、備えている。さらに、図2に示すように、微粒子生成装置100は、対向電極10、壁面部11、および複数の絶縁物12,13も備えている。
As shown in FIG. 1, the
図1に示した丸で囲まれた領域の構成(つまり、直流プラズマトーチ50の先端部付近の構成)が、図2に示されている。図2に示すように、直流プラズマトーチ50は、移行型プラズマ用電極1、内筒2、磁石3、外筒4、および複数の絶縁物5,6を、備えている。なお、図2に示すように、これらの部材1〜6は全て、プラズマトーチ先端部において配設されている。
The configuration of the circled region shown in FIG. 1 (that is, the configuration near the tip of the DC plasma torch 50) is shown in FIG. As shown in FIG. 2, the
<直流プラズマトーチおよびその周辺の構成>
まず、直流プラズマトーチ50の構成について説明する。
<Configuration of DC plasma torch and its surroundings>
First, the configuration of the
移行型プラズマ用電極1、内筒2および外筒4は各々、円筒形状を有しており、導電性材料から成る。移行型プラズマ用電極1は、内筒2を、所定の距離だけ離れて囲繞している。つまり、移行型プラズマ用電極1の円筒形の径は、内筒2の円筒形の径よりも大きい。また、外筒4は、移行型プラズマ用電極1を、所定の距離だけ離れて囲繞している。つまり、外筒4の円筒形の径は、移行型プラズマ用電極1の円筒形の径よりも大きい。
The
外筒4の空洞内には、内筒2および移行型プラズマ用電極1が配置されており、移行型プラズマ用電極1の空洞内には、内筒2が配置されている。ここで、移行型プラズマ用電極1の円筒形の中心軸と、内筒2の円筒形の中心軸と、外筒4の円筒形の中心軸は、一致している。当該中心軸を、図2において中心軸AXとして図示している。
In the cavity of the
なお、以下の説明において、当該中心軸AXの方向を、「軸方向」と称する。また、各部材1,2,4の円筒形の径の方向を、「径方向」と称する。
In the following description, the direction of the central axis AX is referred to as “axial direction”. The direction of the cylindrical diameter of each
内筒2の空洞は、原料材料が通る原料材料通路部25として機能し、直流プラズマトーチ50の略中心部に存する。また、内筒2と移行型プラズマ用電極1との間に形成された空間は、プラズマガスが通るガス通路部26として機能する。また、移行型プラズマ用電極1と外筒4との間に形成された空間は、プラズマガスが通るガス通路部27として機能する。
The cavity of the
また、磁石3は、リング形状を有する、永久磁石である。当該磁石3のリング形状の中心軸も、上記中心軸AXと一致している。また、磁石3は、中心軸AX方向に磁化している。具体的に、リング状の磁石3において、上部(原料材料供給側)が「N極」であり、下部(対向電極10に面する側)が「S極」である。
The
また、移行型プラズマ用電極1は、磁石3を、所定の距離だけ離れて囲繞している。つまり、磁石3は、移行型プラズマ用電極1の円筒の空洞内部に配置される。図2に示す形態で、磁石3は、内筒2の内部に配設(内蔵)されている。より具体的には、磁石3は、内筒2の内部において、対向電極10配置側(内筒2の底部付近)に、配置されている。つまり、対向電極10により近い位置に、磁石3は配設されている。
The
また、図2に示すように、絶縁物5は、内筒2の底面側端部を被覆するように形成されている。さらに、移行型プラズマ用電極1と対向する外筒4の側面部には、絶縁物6が配設されている。
As shown in FIG. 2, the
ここで、上記構成の直流プラズマトーチ50は、図2における上下方向に、移動することができる。換言すれば、直流プラズマトーチ50は、対向電極10と対面している方向に、移動可能である。
Here, the
さて、図2に示すように、直流プラズマトーチ50のプラズマ出力側において、当該直流プラズマトーチ50から離隔・対向して、対向電極10が設けられている。
Now, as shown in FIG. 2, the
当該対向電極10は、直流プラズマトーチ50側から平面視して、リング形状を有する。したがって、対向電極10の当該リング形状の貫通部20は、一方において材料気化反応室35と連通しており、他方において微粒子生成冷却室70と連通している。したがって、当該貫通部20を介して、材料気化反応室35と微粒子生成冷却室70とが接続される。
The
当該対向電極10の当該リング形状の中心軸は、上記中心軸AXと略一致している。また、対向電極10の当該リング形状の外径D4は、移行型プラズマ用電極1の外径D1以下である(D4≦D1)。また、対向電極10の当該リング形状の内径D3は、移行型プラズマ用電極1の内径D2より小さい(D3<D2)。さらに、図2に示すように、直流プラズマトーチ50と対面する対向電極10の面は、断面視において、対向電極10の前記リング形状の内径側から当該リング形状の外径側に進むに連れて、直流プラズマトーチ50から遠ざかる方向に傾斜した形状を有する。
The ring-shaped central axis of the
さて、図2に示すように、直流プラズマトーチ50と対向電極10との間には、材料気化反応室35が形成されている。そして、当該材料気化反応室35を、側面側から囲繞するように壁面部11が形成されている。
Now, as shown in FIG. 2, a material
当該材料気化反応室35は、貫通部20、原料材料通路部25およびガス通路部26,27を除いて、直流プラズマトーチ50、対向電極10、微粒子生成冷却室70の上部壁面および壁面部11により、気密性が保持されている(密閉されている)。
The material
壁面部11は、固定部材b1により固定されるように接続された、トーチ当接部15を有する。当該トーチ当接部15は、直流プラズマトーチ50の側面部に当接される。ここで、当該トーチ当接部15には部分的に溝が形成されており、当該溝にはオーリング16が配設されている。トーチ当接部15は、直流プラズマトーチ50の上記昇降移動の受けとして機能しており、当該オーリング16の配設により、当該昇降材料気化反応室35の気密性が保持される。
The
また、図2に示すように、対向電極10を除く材料気化反応室35に面する底面部(つまり、材料気化反応室35に面する微粒子生成冷却室70の上部壁面の一部)は、絶縁物13が形成されている。また、材料気化反応室側35に面する壁面部11は、絶縁物12が形成されている。
Further, as shown in FIG. 2, the bottom surface portion facing the material
<微粒子生成装置の構成>
プラズマトーチ昇降機構65は、直流プラズマトーチ50の上方に配設されており、当該直流プラズマトーチ50の上記昇降移動を行う。プラズマ電源61は、移行型プラズマ用電極1および対向電極10に対して、直流電源を供給する。図2に示す例は、正極性時の電源供給の様子を示している(つまり、移行型プラズマ用電極1にマイナス電圧を印加し、対向電極10にプラス電圧を印加する場合である)。
<Configuration of microparticle generator>
The plasma torch raising / lowering
冷却水供給部62は、直流プラズマトーチ50、微粒子生成冷却室70および熱交換機73の各々に対して、冷媒(以下、冷却水を例示して説明する)を供給する。
The cooling
また、微粒子生成冷却室70の上部内、側部内および底部内(微粒子生成冷却室70の壁面)、さらに対向電極10内において、冷却水が循環するように、冷却水供給部62は冷却水を供給する。
Further, the cooling
第一のプラズマガス供給部63は、直流プラズマトーチ50内の原料ガス材料通路部25の外側を通って、材料気化反応室35に、プラズマガスを供給する。具体的に、第一のプラズマガス供給部63は、外筒4と移行型プラズマ用電極1との間に形成されたガス通路部27を通って、材料気化反応室35に、プラズマガスを供給する。ここで、図1に示すように、第一のプラズマガス供給部63が供給するプラズマガスとして、不活性ガス(アルゴン、ヘリウム等)および/または気化した粉末材料と反応する反応ガス(酸素分子、窒素分子等)などが採用できる。
The first plasma
第二のプラズマガス供給部64は、直流プラズマトーチ50内の原料ガス材料通路部25の外側を通って、材料気化反応室35に、プラズマガスを供給する。具体的に、第二のプラズマガス供給部64は、内筒2と移行型プラズマ用電極1との間に形成されたガス通路部26を通って、材料気化反応室35に、プラズマガスを供給する。ここで、図1に示すように、第二のプラズマガス供給部64が供給するプラズマガスとして、不活性ガス(アルゴン、ヘリウム等)および/または気化した粉末材料と反応する反応ガス(酸素分子、窒素分子等)などが採用できる。
The second plasma
粉末材料供給部66には、原料材料となる粉末材料が収容されている。当該粉末材料は、粒径が100μm以下の粉体(粉末状)である。また、粉末材料供給部66には、ガス供給部67から、担体ガスが供給される。粉末材料供給部66から出力された粉末材料は、担体ガスにより運ばれ、原料材料通路部25を通って、材料気化反応室35に供給される。
The powder
プラズマ電源61からの電源供給およびプラズマガス供給部63,64からのプラズマガス供給により、材料気化反応室35内の移行型プラズマ用電極1と対向電極10との間において、移行型プラズマP1が発生する。なお、後述するように、当該移行型プラズマP1は、磁石3からの磁力(より具体的に、径方向の磁力)の影響を受けることにより、当該材料気化反応室35内において、中心軸AXの周りを回転する。つまり、材料気化反応室35内の移行型プラズマ用電極1と対向電極10との間において、中心軸AXの周りで、円筒状を形成するように回転している、移行型プラズマP1が発生する。当該円筒の一方端部は、移行型プラズマ用電極1の端部であり、当該円筒の他方端部は、対向電極10の上面である。
A transfer type plasma P1 is generated between the transfer
また、粉末材料供給部66から供給された粉末材料は、当該材料気化反応室35内において、上記回転状態の移行型プラズマP1により加熱される。そして、当該加熱により、粉末材料は、当該材料気化反応室35内において気化する。
Further, the powder material supplied from the powder
微粒子生成冷却室70は、導電性を有する部材(壁面)に周囲が囲まれることにより、形成されている。上記のように、当該微粒子生成冷却室70の壁面には冷却水が循環しており、当該冷却水の循環により、当該微粒子生成冷却室70の壁面および微粒子生成冷却室70内は、冷却される。また、当該微粒子生成冷却室70の壁面にプラズマ電源からの電圧を印加することにより、当該微粒子生成冷却室70の壁面と接続している対向電極10に当該電圧が印加される。上記のとおり、微粒子生成冷却室70は、貫通部20を介して材料気化反応室35と接続されている。また、側面部において、微粒子生成冷却室70は、微粒子捕獲室71と接続されている。
The fine particle
真空ポンプ60は、微粒子生成冷却室70、微粒子捕獲室71および熱交換器73内の気圧を低下させるために、用いられる。当該真空ポンプ60と大気を供給するバルブとにより生じた気圧差を利用して、材料気化反応室35内で気化された粉末材料(以下、気化材料)は、貫通部20を通って、微粒子生成冷却室70へと移動し、さらに当該微粒子生成冷却室70を通って、微粒子捕獲室71へと移動する。
The
微粒子生成冷却室70内では、当該気化材料は冷却され、凝縮し、超微粒子(ナノ粒子)が生成される。当該微粒子生成冷却室70で生成された超微粒子は、微粒子捕獲室71に送られる。微粒子捕獲フィルター72は熱交換器73を通じて吸引状態にあり、超微粒子は、当該吸引状態の微粒子捕獲フィルター72により捕集される。なお、微粒子捕獲フィルター72を通過したガス等は、熱交換器73において十分冷却される。
In the fine particle
<微粒子生成装置における超微粒子の生成方法>
次に、微粒子生成装置100における動作について説明する。
<Method for producing ultrafine particles in fine particle production apparatus>
Next, the operation in the fine
図1,2に示すように、プラズマ電源61を用いて、たとえば正極性の直流電源を、移行型プラズマ用電極1と対向電極10との間に印加する。また、第一のプラズマガス供給部63が、ガス通路部27を通って材料気化反応室35に、プラズマガスを供給する。また、第二のプラズマガス供給部64が、ガス通路部26を通って材料気化反応室35に、プラズマガスを供給する。
As shown in FIGS. 1 and 2, using a
すると、移行型プラズマ用電極1と対向電極10との間において、移行型プラズマP1が発生し、磁石3の磁場の作用により、当該移行型プラズマP1は回転し、円筒状のプラズマとなる(図2参照)。ここで、絶縁物5,6の存在により、移行型プラズマP1は、両電極1,10との間で、つまり径方向における磁石3の磁場が軸方向における磁石3の磁場より大きい領域において、生成される。
Then, the transfer type plasma P1 is generated between the transfer
上記のとおり、移行型プラズマP1は、磁石3により生成される磁界により、中心軸AXを中心として回転する。具体的には、下記の通りである。
As described above, the transfer plasma P <b> 1 rotates about the central axis AX by the magnetic field generated by the
図2に示すように、リング状の磁石3は内筒2内に内蔵されているが、当該磁石3は、図3に示すように、中心軸AX方向に磁化している。したがって当該磁石3により、直流プラズマトーチ50の先端部では、図4に示す磁界MFが形成される。
As shown in FIG. 2, the ring-shaped
当該磁界MF生成下において、移行型プラズマ用電極1と対向電極10との間に正極性である所定値の直流電圧を印加すると、移行型プラズマP1が発生する。さらに、対向電極10から移行型プラズマ用電極1に向かって、移行型プラズマアーク電流I1が流れる(図4参照)。
When a positive DC voltage having a positive polarity is applied between the
ここで、絶縁物5,6の存在により、対向電極10と当該対向電極10に対面する移行型プラズマ用電極1の端部(底部)との間においてのみ、移行型プラズマアーク電流I1が流れる。なお、絶縁物12,13の形成により、移行型プラズマアーク電流I1が、材料気化反応室35の他の壁面に移行することを防止できる。
Here, due to the presence of the
したがって、図4に示すように、フレミングの左手の法則により、移行型プラズマP1は、当該径方向の磁場B1の影響により中心軸AX廻りの力F1が働く。よって、移行型プラズマP1は、中心軸AXの回りにおいて時計回りに回転する。なお、力F1の大きさは、径方向磁場B1×移行型プラズマアーク電流I1、である。このように、移行型プラズマP1は、常に回転する。 Therefore, as shown in FIG. 4, according to Fleming's left-hand rule, the transitional plasma P1 exerts a force F1 around the central axis AX due to the influence of the magnetic field B1 in the radial direction. Therefore, the transfer type plasma P1 rotates clockwise around the central axis AX. The magnitude of the force F1 is the radial magnetic field B1 × the transfer type plasma arc current I1. Thus, the transfer type plasma P1 always rotates.
さて、回転している移行型プラズマP1が発生している状態において、粉末材料供給部66は、原料材料通路部25内を通って、材料気化反応室35内に、粉末状の粉末材料を供給する。ここで、粉末材料は、たとえば粒径100μm以下の粉体であり、担体ガスに乗って、材料気化反応室35内に供給される。
Now, in a state where the rotating transfer type plasma P1 is generated, the powder
原料材料通路部25は、中心軸AXに沿って延設されている。したがって、原料材料通路部25を通った粉末材料は、中心軸AXの周りで回転している移行型プラズマP1の回転内部へと供給される。粉末材料は、当該移行型プラズマP1の回転内部を対向電極10に向かって移行する間に、当該移行型プラズマP1により加熱され、気化する。
The raw
ところで、上記のとおり、プラズマトーチ昇降機構65により、両電極1,10間の距離を変化させ、材料気化反応室35の容積を変化させることができる。これにより、粉末材料及びガスに対して、移行型プラズマP1による加熱の加熱量及び加熱時間の調節ができる。
By the way, as described above, the distance between the
たとえば、気化しにくい粉末材料を気化させる場合には、両電極1,10間の距離を長くし、材料気化反応室35の容積を拡大させる。これにより、当該粉末材料に対する移行型プラズマP1による加熱の加熱量及び加熱時間を、増加できる。他方、気化しやすい粉末材料を気化させる場合には、両電極1,10間の距離を短くし、材料気化反応室35の容積を縮小させる。これにより、当該粉末材料に対する移行型プラズマP1による加熱の加熱量及び加熱時間を、減少できる。つまり、粉末材料の種類に応じて、両電極1,10間の距離を変化させ、材料気化反応室35の容積を変化させることにより、移行型プラズマP1による無駄な加熱処理を、防止できる。換言すれば、粉末材料の効率的な気化処理が可能となる。
For example, when vaporizing a powder material that is difficult to vaporize, the distance between the
さて、材料気化反応室35内で気化した原料は、貫通部20を介して、微粒子生成冷却室70内へと入る。微粒子生成冷却室70では、気化した原料、担体ガス、プラズマガス、反応生成気化物などが冷却され、凝結、凝固し、超微粒子(ナノ粒子)が形成される。
The raw material vaporized in the material
微粒子生成冷却室70内で生成された超微粒子は、当該微粒子生成冷却室70に接続されている微粒子捕獲室71に入る。そして、当該超微粒子は、当該微粒子捕獲室71に設置されている微粒子捕獲フィルター72に吸引捕集される。ここで、上記のように、微粒子捕獲フィルター72は、熱交換器73を介して真空ポンプ60により吸引されている。
The ultrafine particles generated in the fine particle generation / cooling
なお、移行型プラズマP1の発生前または発生後(発生中)において、プラズマトーチ昇降機構65は、直流プラズマトーチを、対向電極10と対面している方向に、移動させる。つまり、移行型プラズマ用電極1と対向電極10との距離は長短変化し、これにより、材料気化反応室35の容積は増減する。
Note that the plasma
なお、上記では、プラズマ電源61は正極性の電圧印加を行う場合に言及した。つまり、プラズマ電源61は、対向電極10に「プラス」、移行型プラズマ用電極1に「マイナス」を印加し、当該電極1,10間に所定の電圧値を印加した。しかしながら、プラズマ電源61は、逆極性の電圧を印加しても良い。たとえば、図5に示すように、プラズマ電源61は、対向電極10に「マイナス」、移行型プラズマ用電極1に「プラス」を印加し、当該電極1,10間に所定の電圧値を印加しても良い。
In the above description, the
さて、上記のように、微粒子生成装置100では、直流プラズマトーチ50と対向電極10との距離を変動することにより、材料気化反応室35の容積を変動させている。したがって、直流プラズマトーチ50と対向電極10との間に発生する移行型プラズマP1の長さを可変できる。よって、原料材料(粉末材料)の種類に応じて、材料気化反応室35の容積を変動させることができる。したがって、原料材料(粉末材料)の種類に応じて、常に、移行型プラズマP1による加熱の最適化を図ることができる。つまり、最適な熱効率の設定が、可能となる。
As described above, in the fine
たとえば、気化しにくい原料材料では、移行型プラズマP1による加熱時間・加熱量は、比較的多く必要である。したがって、当該場合には、余分な加熱時間・加熱量の印加を防止しつつ、必要最小限の加熱時間・加熱量の印加を可能とするため、プラズマトーチ昇降機構65により、適正位置まで、直流プラズマトーチ50を対向電極10から遠ざける。
For example, in a raw material that is difficult to vaporize, a relatively large heating time and heating amount by the transfer plasma P1 are required. Therefore, in this case, in order to prevent the application of the extra heating time and heating amount, and to enable the application of the minimum necessary heating time and heating amount, the plasma
しかしながら、直流プラズマトーチ50を対向電極10から遠ざけると、次のような問題が発生する。
However, when the
たとえば、図6に示す状態(直流プラズマトーチ50と対向電極10との間の距離が小さい状態)から、図7に示す状態(直流プラズマトーチ50と対向電極10との間の距離が大きい状態)に、変化したとする。ここで、図6,7の右側には、磁石3により生成される磁界の様子が併記されている。
For example, from the state shown in FIG. 6 (the state where the distance between the
図7の状態では、直流プラズマトーチ50と対向電極10との間において、対向電極10付近では磁界が弱くなる。さらに、対向電極10(特に、対向電極10の貫通部20)付近では、径方向の磁界が弱くなる(径方向成分の磁界が小さくなる)。したがって、対向電極10上の移行型プラズマP1は回転速度が遅くなり、回転径が小さくなり、当該貫通部20付近に滞在してしまう。当該移行型プラズマP1の貫通部20付近の滞在により、当該滞在領域において、対向電極10は高温となり、融解し、損傷する。ここで、逆極性の場合には、対向電極20が陰極となるので、損傷も激しい。
In the state of FIG. 7, the magnetic field is weak in the vicinity of the
なお、図6の状態では、磁石3は、対向電極10の近くに存在しているため、対向電極10付近でも磁界が強い、したがって、移行型プラズマP1の貫通部20付近の滞在も抑制できる。
In addition, in the state of FIG. 6, since the
本発明では、移行型プラズマP1による対向電極10の損傷を抑制することが目的であり、以下、この発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
The purpose of the present invention is to suppress damage to the
<実施の形態1>
図8は、本実施の形態における対向電極10の構成を示す拡大断面図である。なお、対向電極10の構成以外の微粒子生成装置100の構成は、上述した内容と同じであり、ここでの説明は省略する。
<
FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view showing the configuration of the
図8に示すように、貫通部20に面する対向電極10の側面部全面は、絶縁体10Aで構成されている。絶縁体10Aは、耐熱性を有するものであることが望ましい。たとえば、絶縁体10Aとして、SiN4またはBN等を採用することができる。
As shown in FIG. 8, the entire side surface portion of the
貫通部20では径方向の磁界は非常に弱いが、図8に示す対向電極10を採用することにより、移行型プラズマP1は、対向電極10の絶縁体10A以外の領域に照射される。つまり、貫通部20以外の対向電極10に照射される。したがって、貫通部20に面する対向電極10の側面部において、移行型プラズマP1が照射し滞在することを防止でき、対向電極10の損傷を防ぐことができる。
Although the radial magnetic field is very weak in the penetrating
なお、貫通部20以外の対向電極10に照射されるが、当該照射の領域では、径方向の磁界は、貫通部20内よりも強い。したがって、貫通部20内と比較して、当該照射の領域では、移行型プラズマP1の回転速度が速くなり、回転径も大きくなりさくなり、照射面積も増大する。したがって、対向電極10における当該照射の領域では、移行型プラズマP1による影響は小さい。
In addition, although it irradiates to the
<実施の形態2>
図9は、本実施の形態における対向電極10の構成を示す拡大断面図である。なお、対向電極10の構成以外の微粒子生成装置100の構成は、上述した内容と同じであり、ここでの説明は省略する。
<
FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view showing the configuration of the
図9に示すように、貫通部20に面する対向電極10の側面部全面は、絶縁体10Aで構成されている。さらに、本実施の形態では、直流プラズマトーチ50と対面している対向電極10の一部の面においても、絶縁体10Aは形成されている。つまり、絶縁体10Aは、貫通部20に面する対向電極10の側面部から、直流プラズマトーチ50と対面する対向電極10の上面の一部にかけて、形成されている。
As shown in FIG. 9, the entire side surface portion of the
図10は、直流プラズマトーチ50側から対向電極10を眺めた拡大平面図である。図10に示すように、絶縁体10Aは、対向電極10の貫通部20側の端縁部領域に、環状に形成されている。つまり、直流プラズマトーチ50に対面する対向電極10の上面において、絶縁体10Aは、対向電極10の内周端部から、対向電極10の外周端部に向かって、所定の距離L1に渡って形成されている。
FIG. 10 is an enlarged plan view of the
なお、本実施の形態においても、絶縁体10Aは、耐熱性を有するものであることが望ましい。たとえば、絶縁体10Aとして、SiN4またはBN等を採用することができる。
In the present embodiment also, it is desirable that the
本実施の形態に係る対向電極10を採用することにより、実施の形態1に記載した効果に加えて、次の効果もある。
By adopting the
つまり、逆極性の電圧印加を行い、直流プラズマトーチ50側から対向電極10までの距離が遠い場合には、直流プラズマトーチ50に面する対向電極10の上面の貫通部20付近においても、移行型プラズマP1は滞在する。そして、当該移行型プラズマP1の滞在により、対向電極10の損傷が発生する。
That is, when a voltage of reverse polarity is applied and the distance from the
そこで、本実施の形態に係る対向電極10では、絶縁体10Aは、貫通部20に面する対向電極10の側面部だけでなく、直流プラズマトーチ50に面する対向電極10の上面における貫通部20付近にも、形成されている。したがって、直流プラズマトーチ50に面する対向電極10の上面の貫通部20付近においても、移行型プラズマP1が照射し滞在することを防止でき、対向電極10の損傷を防ぐことができる。
Therefore, in the
なお、直流プラズマトーチ50に面する対向電極10の上面の貫通部20付近以外の領域において、移行型プラズマP1は滞在照射される。しかしながら、当該照射の領域では、径方向の磁界は、貫通部20内よりも強い。したがって、貫通部20付近の対向電極10の上面と比較して、当該照射の領域では、移行型プラズマP1の回転速度が速くなり、回転径も大きくなり、照射面積も増大する。したがって、対向電極10における当該照射の領域では、移行型プラズマP1による影響は小さい。
Note that the transfer type plasma P <b> 1 is stay-irradiated in a region other than the vicinity of the through
<実施の形態3>
図11は、本実施の形態における対向電極10の構成を示す拡大断面図である。なお、対向電極10の構成以外の微粒子生成装置100の構成は、上述した内容と同じであり、ここでの説明は省略する。
<
FIG. 11 is an enlarged cross-sectional view showing the configuration of the
図11に示すように、貫通部20に面する対向電極10の側面部全面は、絶縁体10Aで構成されている。さらに、本実施の形態では、微粒子生成冷却室70側において、絶縁体10Aは、対向電極10の下面よりも突出している。つまり、貫通部20に面する対向電極10の側面部に形成されている絶縁体10Aは、対向電極10の下側に突き出ている。
As shown in FIG. 11, the entire side surface portion of the
なお、本実施の形態においても、絶縁体10Aは、耐熱性を有するものであることが望ましい。たとえば、絶縁体10Aとして、SiN4またはBN等を採用することができる。
In the present embodiment also, it is desirable that the
本実施の形態に係る対向電極10を採用することにより、実施の形態1に記載した効果に加えて、次の効果もある。
By adopting the
つまり、貫通部20内を流れるガス量が多いとき、移行型プラズマP1は、貫通部20内を通って、微粒子生成冷却室70に面する対向電極10の下面側に回り込んで、当該下面に照射する。当該対向電極10の下面において、径方向磁界が弱い箇所に移行型プラズマP1が照射されると、当該移行型プラズマP1は、当該照射領域において滞在する。そして、当該移行型プラズマP1の滞在により、対向電極10の損傷が発生する。
That is, when the amount of gas flowing through the through
そこで、本実施の形態に係る対向電極10では、貫通部20に面する対向電極10の側面部に形成されている絶縁体10Aは、微粒子生成冷却室70に面する対向電極10の下面よりも突き出て形成されている。したがって、微粒子生成冷却室70に面する対向電極10の下面側に、移行型プラズマP1が回り込むことが防止でき、当該下面に対して移行型プラズマP1が照射し滞在することを防止でき、対向電極10の損傷を防ぐことができる。
Therefore, in the
なお、図11の構成例は、図8に示した構成例において、絶縁体10Aを、微粒子生成冷却室70側に突出させたものである。しかしながら、本実施の形態で説明した構成は、実施の形態2で説明した絶縁体10Aに対しても当然に適用できる。つまり、図12に示すように、図9で示した絶縁体10Aを、微粒子生成冷却室70側において、対向電極10の下面よりも突出させる構成を採用しても良い。
In the configuration example of FIG. 11, the
1 移行型プラズマ用電極
2 内筒
3 磁石
4 外筒
5,6,12,13 絶縁物
10 対向電極
10A 絶縁体
11 壁面部
15 トーチ当接部
16 オーリング
20 貫通部
25 原料材料通路部
26,27 ガス通路部
35 材料気化反応室
50 直流プラズマトーチ
60 真空ポンプ
61 プラズマ電源
62 冷却水供給部
63 第一のプラズマガス供給部
64 第二のプラズマガス供給部
65 プラズマトーチ昇降機構
66 粉末材料供給部
67 ガス供給部
70 微粒子生成冷却室
71 微粒子捕獲室
72 微粒子捕獲フィルター
73 熱交換器
100 微生物生成装置
AX 中心軸
D1 (移行型プラズマ用電極1の)外径
D2 (移行型プラズマ用電極1の)内径
D3 対向電極10のリング形状の外径
D4 対向電極10のリング形状の内径
P1 移行型プラズマ
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記直流プラズマトーチから離隔して対向配置された対向電極とを、備えており、
前記直流プラズマトーチは、
リング状の磁石と、
円筒形状であり、前記磁石が前記円筒の空洞内部に配置され、前記磁石と所定の距離だけ離隔している移行型プラズマ用電極と、
当該直流プラズマトーチの略中央部に設けられた、原料材料が通る原料材料通路部とを、備えており、
前記対向電極は、
前記直流プラズマトーチ側から平面視して、リング形状であり、
前記対向電極の前記リング形状の貫通部と連通しており、周囲が冷却されている、微粒子生成冷却室を、さらに備えており、
前記移行型プラズマ用電極と前記対向電極との間において発生した移行型プラズマは、前記磁石により回転し、
当該回転している前記移行型プラズマにより、前記原料材料通路部から出力された前記原料材料が気化され、前記貫通部を通って、前記微粒子生成冷却室で冷却され、微粒子が生成され、
前記対向電極の前記貫通部に面する側面部は、
絶縁体である、
ことを特徴とする微粒子生成装置。 DC plasma torch,
A counter electrode disposed oppositely from the DC plasma torch, and
The DC plasma torch is
A ring-shaped magnet;
A transitional plasma electrode having a cylindrical shape, wherein the magnet is disposed inside a cavity of the cylinder, and separated from the magnet by a predetermined distance;
Provided with a raw material material passage part through which the raw material material is provided, provided in a substantially central part of the DC plasma torch,
The counter electrode is
In a plan view from the DC plasma torch side, it has a ring shape,
A particulate generation cooling chamber that is in communication with the ring-shaped through-hole of the counter electrode and is cooled around the periphery;
The transitional plasma generated between the transitional plasma electrode and the counter electrode is rotated by the magnet,
The raw material material output from the raw material material passage portion is vaporized by the rotating transfer plasma, and is cooled in the fine particle generation cooling chamber through the penetration portion, thereby generating fine particles,
The side part facing the penetration part of the counter electrode is
An insulator,
The fine particle production | generation apparatus characterized by the above-mentioned.
前記貫通部に面する対向電極の側面部から、直流プラズマトーチと対面する対向電極の面の一部にかけて、形成されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の微粒子生成装置。 The insulator is
It is formed from the side surface portion of the counter electrode facing the penetrating portion to a part of the surface of the counter electrode facing the DC plasma torch.
The fine particle generating apparatus according to claim 1.
前記微粒子生成冷却室側に突出している、
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の微粒子生成装置。 The insulator is
Protrudes toward the particulate generation cooling chamber,
The fine particle generation device according to claim 1 or 2, wherein the fine particle generation device according to claim 1 or 2 is used.
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