JP3169962B2 - 水冷セラミック幽閉管を有する高性能誘導プラズマトーチ - Google Patents

水冷セラミック幽閉管を有する高性能誘導プラズマトーチ

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    • H05H1/24—Generating plasma
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 1.発明の分野 本発明は誘導プラズマトーチの分野に関し、特にセラ
ミック材で形成されかつその外面を包囲する薄い環状室
を流れる高速流体で冷却したプラズマ幽閉管を使用する
ことにより性能が改良されたプラズマトーチに関する。
2.従来技術の簡単な説明 誘導プラズマトーチは60年前から知られている。その
基礎設計は、しかしながら、過去30年にわたって実質的
に改良されてきた。従来プラズマトーチ設計例は、1967
年３月15日に公告された英国特許第1,061,956号（Cleav
er）、1972年９月26日付け米国特許第3,694,618号（Poo
le、他）、および1973年10月２日の米国特許第3,763,39
2号（Hollister）に記載されている。誘導プラズマトー
チの基礎概念は４−６回巻きの誘導コイルを用いたプラ
ズマとエネルギの誘導結合を含む。ガス分配器ヘッドが
プラズマ形成領域に適性な流れパターンを作り出すため
に使用される。これは、通常、石英で形成された管内に
幽閉されたプラズマを安定させて該プラズマ上記コイル
の中心に維持しかつ該プラズマの高熱負荷による損傷に
対して該プラズマ幽閉管を保護するために必要である。
該プラズマ幽閉管を保護するために比較的高電力レベル
（５−10kW）での付加冷却が必要とされる。これは、通
常、該幽閉管の外面上を流れる脱イオン水により実行さ
れる。
数々の試みがプラズマ幽閉管の保護を改良するために
なされた。それらの試験は（ａ）プラズマ幽閉管の内側
に保護セグメントの金属壁インサート〔1984年２月14日
発行の米国特許第4,431,901号（Hull）〕、（ｂ）プラ
ズマ幽閉管を圧縮するために多孔質セラミック〔J.Most
aghimi,M.dostie,およびJ.Jurewiczによる“Analysis o
f an RF induction plasma tourch with a perme able
ceramic wall"（透過性セラミック壁を有するRF誘導プ
ラズマトーチの分析）Can.J.Chem.Eng.,67,929−936（1
9899〕、および（ｃ）放射冷却セラミックプラズマ幽閉
管〔P.S.C.Van der PlasおよびL.de Galan,による“A r
adiatively cooled torch for ICP−AES using 1 litre
per min of argon"（１リットル／分のアルゴンを使用
するICP−AES用放射冷却トーチ）,Spectrochemica Act
a,39B,1161−1169（1984）およびP.S.C.Van der Plasお
よびL.de Gelan,による“An evaluation of ceramic ma
terials for use in non−cooled low flow ICP torche
s"（非冷却低流ICPトーチに使用するためのセラミック
材料の評価）,Spectrochemica Acta,42B,1205−1216（1
987）〕の使用に関する。これらの試案はそれぞれ限界
と欠点を有する。
プラズマ幽閉管の保護を改良するためのセグメント金
属壁インサートの使用はプラズマトーチの全体のエネル
ギ効率を実質的に低下させる欠点を有する。
多孔質セラミック材で形成されたプラズマ幽閉管は単
に限定された保護を付与したのみである。
放射冷却幽閉管に関して、セラミック材は比較的高い
作業温度に耐え、優れた耐熱衝撃性を発揮し、かつRF
（高周波）界を吸収しないものでなければならない。ほ
とんどのセラミックは上記厳酷な要件を満たさない。
発明の課題 従って、本発明の課題は従来技術の上記欠点を解消す
ることにある。
本発明の他の課題はセラミック材で形成されたプラズ
マ幽閉管の保護を改良することである。
本発明の第３の課題はセラミック材で形成された幽閉
管を有するプラズマトーチを提供しかつこのプラズマ幽
閉管を該幽閉管の外面を包囲する一定厚の薄い環状室へ
流れる高速冷却流体により冷却することである。
発明の概要 更に詳細には、本発明によれば、誘導プラズマトーチ
は、 第１直径をもつ円筒内面を有する管状トーチ体、 （ａ）高熱伝導性をもつセラミック材で形成され、かつ
（ｂ）第１端部、第２端部、および第１直径よりも僅か
に小さい第２直径をもつ円筒外面を有するプラズマ幽閉
管、上記プラズマ幽閉管は上記管状トーチ体内に取り付
けられ、かつ上記円筒内面および外面はその間に均一厚
の薄い環状室を形成するために同軸である、 少なくとも１つのガス物質を上記幽閉管へ供給するた
めに上記プラズマ幽閉管の第１端部で上記トーチ体上に
設置されたガス分配器ヘッド、上記ガス物質は上記プラ
ズマ幽閉管を通って上記第１端部から上記第２端部へ流
れる、 上記薄い環状室の外側に設置され、かつ上記幽閉管内
で高温プラズマを発生させかつ維持するために上記プラ
ズマ幽閉管を流れるガス物質へ誘導エネルギを付与する
ために電流が供給される上記円筒内面および外面と同軸
の誘導コイル、および 上記薄い環状室内に冷却流体の高速流を発生させる手
段、上記幽閉管を形成するセラミック材の高熱伝導性お
よび冷却流体の高速流は共に高温プラズマにより加熱さ
れた上記幽閉管から上記冷却流体への効率的熱伝達に寄
与し、それにより上記幽閉管を効率的に冷却する、 から成ることを特徴とする。
上記プラズマ幽閉管のセラミック材は高熱伝導性を特
徴とし、上記薄い環状室を流れる冷却流体の高速性は上
記プラズマ幽閉管を適性に冷却するために必要な高熱伝
達係数を提供する。上記プラズマ幽閉管の外面の強烈か
つ効率的冷却は低ガス流速により高電力および温度レベ
ルでプラズマ生成を可能にする。また、上記プラズマト
ーチの出口のガスレベルの比エンタルピーをより高くす
る。
上記円筒内面および外面は合致する円筒面であり、か
つ誘導コイルは上記トーチ体中に埋蔵されているのが便
利である。
本発明の好ましい態様によれば、（ａ）上記プラズマ
幽閉管は純粋セラミック材、または焼結または反応結合
された窒化珪素、窒化硼素、窒化アルミニウムまたはア
ルミナを基礎とした、または種々添加剤および充填剤と
共にそれらいずれかを組合せた複合セラミック材で形成
され、高熱伝導性、高電気抵抗、および耐高熱衝撃性を
提供し、（ｂ）上記環状室は約1mm厚を有し、（ｃ）上
記冷却流体は水から成り、かつ（ｄ）上記冷却流体の高
速流は上記円筒内面および外面の共通軸に平行である。
好ましくは、上記トーチ体は誘導コイルを完全に埋蔵
したキャスト複合ポリマーまたはキャストセラミックで
形成される。
上記誘導コイルが上記トーチ体のキャストセラミック
または複合ポリマー中に埋蔵されているので、上記コイ
ルと上記プラズマ幽閉管との間の空間は精確に制御され
て上記コイルと上記プラズマとの間のエネルギ結合効率
を改善する。これは、また、上記誘導コイルにより生じ
るいかなる干渉も受けずに上記環状室の厚みを精確に制
御する。この制御は上記トーチ体の内面と上記プラズマ
幽閉管の外面を低許容差で機械加工することにより得ら
れる。
本発明の課題、利点および他の特徴を添付図面を参照
して実施例により好ましい態様として非制限的に説明す
る。
図面の簡単な説明 添付図面において、 図１は本発明による高性能誘導プラズマトーチの立面
断面図である。
好ましい態様の詳細な説明 図１において、本発明による高性能誘導プラズマトー
チは概ね参照番号１により示されている。
プラズマトーチ１はキャストセラミックまたは複合ポ
リマーで形成された円筒トーチ体２から成る。水冷銅管
で形成された誘導コイル３はトーチ体２中に完全に埋蔵
され、それによりこのコイルの位置安定性が確保されて
いる。誘導コイル３の２端部はトーチ体２の外面４へ延
びかつそれぞれ一対の電気端子５と６へ接続され、そこ
から冷却水とRF電流がコイル３へ供給される。理解され
るように、トーチ体２と誘導コイル３は円筒かつ同軸で
ある。
プラズマ出口ノズル７は円筒状であり、かつ複数の８
のごときボルトからトーチ体２の下端部へ取り付けられ
ている。図１のごとく、ノズル７はトーチ体２の直径に
実質的に対応する外径を有し、内径はトーチ体２の内側
に同軸設置されたセラミック材で形成されたプラズマ幽
閉管９の内径に対応する。出口ノズル７は幽閉管９の下
端部を受ける上、内直角シート10を具備している。
ガス分配器ヘッド11はボルト８に類似の複数のボルト
（図示せず）によりトーチ体２の上端部へ締結に固定さ
れている。偏平ディスク13がトーチ体２とガス分配器ヘ
ッドとの間に介在する。これはＯリングを具備していて
トーチ体２とヘッド11との接続部を封止する。ディスク
13は幽閉管９の外径よりも僅かに大きい内径を有してい
てヘッド11の下側14で管９の上端部を受けることのでき
る直角シート12を具備する。
ガス分配器ヘッドは、また、中間管16を有する。空洞
がヘッド11の下側14内に形成されており、この空洞は円
筒壁15の直径が中間管16の上端部を受けることのできる
寸法の円筒壁15を形成する。管16は管９よりも短く、か
つ小さい直径をもち、円筒状であり、かつトーチ体２、
管９およびコイル３と同軸である。従って、円筒空洞17
が中間管16と幽閉管９との間に形成される。
ガス分配器ヘッド11は中心開口部18を有し、この開口
部から管状の粉注入中央プローブ20が導入される。プロ
ーブ20は細長く管９および16、コイル３およびトーチ体
２と同軸である。
粉とキャリアガス（矢印21）はプローブ20からトーチ
１へ注入される。キャリアガスにより搬送されかつ上記
中央管から注入される粉は物質を従来周知のごとく上記
プラズマにより溶融かつ気化する。
ガス分配器ヘッド11は円筒空洞17内へシースガスを注
入する（矢印23）のに適した市販導管手段（図示せず）
から成り、このガス幽閉管９の内面にわたって流れる長
手方向の流れを形成する。
ガス分配器ヘッド11は、また、中間管16の内側へ中央
ガスを注入する（矢印24）のに適して市販導管手段（図
示せず）から成り、この中央ガスの接線流を形成する。
当分野の熟練者には、（ａ）中央ガスおよびシースガ
スを注入する粉注入プローブ20および上記導管手段（矢
印23と24）の構造、（ｂ）粉、キャリアガス、シースガ
スおよび中央ガスの性質、および（ｃ）出口ノズル７、
ガス分配器ヘッドおよびその中間管16、およびディスク
13を形成する材料を選択することは認識されている。従
って、これらの要素についてはこれ以上本明細書で言及
しない。
図１に示されたように、薄い（約1mm厚）の環状室25
はトーチ体２の内面と幽閉管９の外面との間に形成され
る。高速冷却水は管９の外面から薄い環状室25へ流れ
（22の矢印のごとく）、プラズマの高温に内面が曝され
るこの幽閉管を冷却する。
冷却水（矢印29）はインジェット28から、ヘッド11、
ディスク13およびトーチ体２内に形成された導管30、お
よび概ねＵ形断面を有しかつ水を導管30から環状室25の
下端部へ移送するように構成された環状導管32を通って
（矢印31）薄い環状室25へ送られる。明らかなように、
水は出口ノズル７の内面に沿って流れ、プラズマにより
発生する熱に曝される面を効率的に冷却する。
薄い環状室25の上端部からの上記冷却水はガス分配器
ヘッド11内に形成された２つの平行導管34から（矢印3
6）出口26へ送られる。（矢印27）。壁35が、また、導
管34内に形成されていて、ヘッド11の内面に沿って冷却
水を流し、それによりこの内面を効率的に冷却する。
作用として、上記誘導結合プラズマは誘導コイル３内
でRF電流を加えることにより発生して幽閉管９内にRF磁
界を形成する。この磁界は脱イオン化されたガス内で渦
電流（Eddy currents）を誘導しかつジュール熱により
安定したプラズマ状物質を維持する。上記プラズマの点
火を含む誘導プラズマトーチの作用は当分野において周
知と信じられるので本明細書でこれ以上言及しない。
プラズマ幽閉管９のセラミック材は純粋セラミック、
または焼結または反応結合された窒化珪素、窒化硼素、
窒化アルミニウムまたはアルミナを基礎とした。または
種々添加剤および充填剤と共にそれらいずれかを組合せ
た複合セラミック材であってよい。このセラミック材は
緻密で高温誘導性、高電気抵抗、および耐高熱衝撃性を
有する。
プラズマ幽閉管９のセラミック体は高温誘導性を有す
るので、薄い環状室25内を流れる冷却水の高速性はプラ
ズマ幽閉管９を適性に冷却するのに適しかつ必要とされ
る高温移送係数を実現する。プラズマ幽閉管９の外面の
強烈かつ効率的冷却は石英で形成された幽閉管から成る
標準的プラズマトーチに、通常、必要とされるよりも低
いガス流速、高い電力によるプラズマの生産を可能にす
る。これは、また、プラズマトーチの出口のガスの比エ
ンタルピーレベルを高くする。
理解されるように、環状室25の非常に薄い厚み（約1m
m）が幽閉管９の外面上の冷却水の速度を高める働きを
し、必要とされる高温移送係数への到達を可能にする。
この効果のために、幽閉管９の外面上の冷却水の速度は
少なくとも1m/秒である。
誘導コイル３はトーチ体２のキャストセラミックまた
は複合ポリマー内に完全に埋蔵され、誘導コイル３とプ
ラズマ幽閉管９との間の空間は精確に制御されてコイル
３と上記プラズマとの間のエネルギ結合効率を改善す
る。これは、また、環状室25の厚みを誘導コイル３によ
る干渉を受けることなく精確に制御し、この制御はトー
チ体２の内面とプラズマ幽閉管９の外面とを低許容差で
機械加工することにより得られる。
本発明による誘導プラズマトーチを首尾よく具現化す
るためには、トーチ性能に直接的影響を与える複数の決
定因子を考慮する必要がある。この決定因子は次に要約
できる。
プラズマ幽閉管９の質が決定的重要性をもつ。これは
高温誘導性、高い電気抵抗、および耐高熱衝撃性の要求
に密接に関係するからである。焼結窒化珪素で形成され
た管９は実験で成功したが、本発明はこのセラミック材
の使用に限定されず、上記厳格な要件を満たす他の純粋
または複合材の使用を含む。
トーチ体２とプラズマ幽閉管９との間の環状室25の小
厚を精確に制御することが決定的要件であり、かつセラ
ミック管９の外面およびトーチ体２の内面は、従って、
低許容差で機械加工されなければならない。更に、誘導
コイル３はキャストセラミックスまたは複合ポリマーで
形成されたトーチ体２内に埋蔵されているので、このト
ーチ体２はプラズマ幽閉管９との同心性を確実にするた
めにその内面上が低許容差で機械加工されなければなら
ない。
冷却水の質、およびプラズマ幽閉管９の外面上のその
流速は、また、幽閉管９の効率的冷却を可能にしかつ幽
閉管９がプラズマにより高温流動に暴露されるのを防止
するために決定的重要性を有する。
以上、本発明は好ましい態様について説明したが、上
記態様は本発明の対象の精神および性質を逸脱すること
なく添付請求の範囲において自由に変更できる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−294400（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H05H 1/28 - 1/42 B23K 10/00

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】第１直径をもつ機械加工された円筒内面を
    有する管状トーチ体、 （ａ）高い熱伝導性をもつセラミック材で形成され、か
    つ（ｂ）第１端部、第２端部、および第１直径よりも僅
    かに小さい第２直径をもつ機械加工された円筒外面を有
    するプラズマ幽閉管、 上記プラズマ幽閉管は上記管状トーチ体内に設置され、
    かつ上記第１直径をもつ円筒内面および上記第２直径を
    もつ円筒外面は同軸であってその間に均一厚の薄い環状
    室を形成している、 少なくとも１つのガス物質を上記プラズマ幽閉管へ供給
    するために上記プラズマ幽閉管の第１端部で上記管状ト
    ーチ体上に設置されたガス分配器ヘッド、上記少なくと
    も１つのガス物質は上記プラズマ幽閉管を通って上記プ
    ラズマ幽閉管の第１端部から第２端部へ流れる、 上記管状トーチ体中に埋蔵され、かつ上記プラズマ幽閉
    管内で高温プラズマを発生させかつ維持するために上記
    プラズマ幽閉管を流れる上記少なくとも１つのガス物質
    へ誘導エネルギを付与するために電流が供給される、上
    記第１直径をもつ円筒内面および上記第２直径をもつ円
    筒外面と同軸の誘導コイル、および 上記薄い環状室内に高速流の冷却流体を発生させる手
    段、上記プラズマ幽閉管を形成するセラミック材の高い
    熱伝導性および上記薄い環状室内に発生する冷却流体の
    高速流は共に高温プラズマにより加熱された上記プラズ
    マ幽閉管から上記薄い環状室内に発生する高速流の冷却
    流体への効率的熱伝達に寄与し、それにより上記プラズ
    マ幽閉管を効率的に冷却する、 から成ることを特徴とする誘導プラズマトーチ。
  2. 【請求項２】上記セラミック材は窒化珪素から成る、請
    求項１の誘導プラズマトーチ。
  3. 【請求項３】上記セラミック材は少なくとも１つの添加
    剤および／または充填剤を含む焼結または反応結合され
    た窒化珪素から成る、請求項１に誘導プラズマトーチ。
  4. 【請求項４】上記セラミック材は窒化硼素、窒化アルミ
    ニウム、およびアルミナから成る群から選択されてい
    る、請求項１の誘導プラズマトーチ。
  5. 【請求項５】上記セラミック材は高い熱伝導性、高い電
    気抵抗、および高い耐熱衝撃性を有する緻密セラミック
    材である、請求項１の誘導プラズマトーチ。
  6. 【請求項６】上記薄い環状室は約1mm厚を有する、請求
    項１の誘導プラズマトーチ。
  7. 【請求項７】上記冷却流体は水から成る、請求項１の誘
    導プラズマトーチ。
  8. 【請求項８】上記冷却流体の高速流は上記第１直径をも
    つ円筒内面および上記第２直径をもつ円筒外面の共通軸
    に平行である、請求項１の誘導プラズマトーチ。
  9. 【請求項９】上記環状トーチ体は上記誘導コイルを完全
    に埋蔵したキャスト複合ポリマーで形成されている、請
    求項１の誘導プラズマトーチ。
  10. 【請求項１０】上記管状トーチ体は上記誘導コイルを完
    全に埋蔵したキャストセラミックで形成されている、請
    求項１の誘導プラズマトーチ。
  11. 【請求項１１】上記誘導コイルは上記誘導コイルを冷却
    するための冷却流体を供給する電気伝導管で形成されて
    いる、請求項１の誘導プラズマトーチ。
  12. 【請求項１２】上記プラズマトーチは更に上記プラズマ
    幽閉管の第２端部で上記トーチ体上に設置されたプラズ
    マ出口ノズルを含み、上記ガス分配器ヘッドおよび上記
    プラズマ出口ノズルは各々内面を有し、かつ上記冷却流
    体の高速流を発生させる手段は上記ガス分配器ヘッドお
    よび上記プラズマ出口ノズル内に導管手段を有し、上記
    冷却流体は上記ガス分配器ヘッドおよび上記プラズマ出
    口ノズルの内面を冷却できる位置に設置された上記導管
    手段を通って高速で流れる、請求項１の誘導プラズマト
    ーチ。
JP50792092A 1991-04-12 1992-04-10 水冷セラミック幽閉管を有する高性能誘導プラズマトーチ Expired - Lifetime JP3169962B2 (ja)

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AU (1) AU1640192A (ja)
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