JP3819514B2 - 誘導結合プラズマ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波誘導結合を用いてアークプラズマを発生させる誘導結合プラズマ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
誘導結合プラズマ装置は、電気絶縁管に同軸に高周波誘導コイルを巻装し、高周波誘導コイルに高周波電流を通電して電気絶縁管内部に導入したガスをプラズマ化し、得られたプラズマを熱源として溶解処理などに用いる装置である。
図１０は、従来より用いられている誘導結合プラズマ装置の基本構成を示す部分断面図である。図において、１は、石英を用いて形成された円筒状の電気絶縁管である。電気絶縁管１は内筒１ａと外筒１ｂとの二重構造となっており、隙間に図示しない冷媒を通し冷却して用いられる。２は、電気絶縁管１の外側に同軸状に巻かれた高周波誘導コイルで、通常３〜４ターン巻装して構成されている。また、３は高周波電源である。電気絶縁管１の上部には、絶縁管周方向に吹き出すノズルと絶縁管径方向に吹き出すノズルを備えたガス導入部４、および接地電極５が配置されている。ガス流量調節弁７の操作により選定された種類と流量のガスがガス供給管６を通してガス導入部４より電気絶縁管１の内部へと供給される。接地電極５は水冷式で、アース側に接地して高周波誘導コイル２と容量結合されている。
【０００３】
図１１は、図１０の誘導結合プラズマ装置のガス導入部４の詳細構造を示す断面図である。接地電極５の周辺を取り囲んで配されたガス導入部４には、径方向ガス導入口４ａ、ならびに周方向ガス導入口４ｂが備えられている。径方向ガス導入口４ａは、電気絶縁管１の内部へと径方向に開口するノズル穴を周面上に分配配置してなる径方向リング状ガス吹出ノズル４ｃに連通しており、また、周方向ガス導入口４ｂは、気絶縁管１の内部へと周方向に近い斜め方向に開口するノズル穴を周面上に分配配置してなる周方向リング状ガス吹出ノズル４ｄに連通している。すなわち、ガス供給管６を通じて送られたガスは、径方向ガス導入口４ａおよび周方向ガス導入口４ｂを通じて電気絶縁管１の内部へと導入され、径方向リング状ガス吹出ノズル４ｃおよび周方向リング状ガス吹出ノズル４ｄより径方向および周方向に供給される。なお、これらの二つのガス導入口より導入するガスの流量は、分岐配管に組み込まれたガス流量調節弁１１によって個別に調整できるように構成されている。また、導入するガスの種類やガスの混合比は、図１１に示したごとくガスの供給装置に接続されたガス流量調節弁７の操作により選択、調整される。
【０００４】
本構成の誘導結合プラズマ装置における大気圧アークプラズマの生成は、以下の手順により行われる。まず、電気絶縁管１の上端に設けられたガス導入口４より、点火用ガスとしてヘリウムガスを導入し、高周波電源３の出力電圧を高周波誘導コイル２に印加する。電気絶縁管１に導入されたヘリウムガスは、高周波誘導コイル２と接地電極５の間に形成される容量結合電界により放電する。つづいて、電気絶縁管１の内部にアルゴンなどのプラズマガスを導入して放電を維持させ、次いで、徐々にヘリウムガスの導入を停止して電気絶縁管１内のアルゴンガス濃度を高めてアークプラズマに移行させる。アークプラズマに移行後は、高周波誘導コイル２により発生する高周波誘導電界により、プラズマへのエネルギー供給を行う。この状態にあるプラズマが一般に誘導結合型プラズマと呼ばれており、得られるプラズマは、電界の強さと形状、並びにガスの流れに依存する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
高周波誘導結合プラズマを熱源として溶解処理などに用いる場合、プラズマ発生源（以下プラズマトーチと呼ぶ）より噴き出すプラズマフレームを被処理物に照射する方法が最も一般的である。
プラズマトーチより噴き出すプラズマフレームの熱量は、プラズマへの投入電力に依存するばかりでなく、ガスの流れに対しても強い依存性を持っている。径方向リング状ガス吹出ノズル４ｃより径方向に供給されるガス（以下ｒガスと略記）と周方向リング状ガス吹出ノズル４ｄより周方向に供給されるガス（以下θガスと略記）との流量比（以下ｒ/ θ流量比と略記）が大きいほどプラズマフレームの熱量が大きくなる。これは、ｒガスの軸方向の指向性が強いためであり、プラズマフレームの熱出力を大きくするためには、ｒ/ θ流量比の大きい条件で運転することが必要である。
【０００６】
しかしながら、ｒ/ θ流量比はプラズマの安定性にも大きく影響している。これはプラズマに注入されるパワーが、プラズマ生成領域の導電率に依存しているためであり、この生成空間の導電率の安定性が損なわれるようなガス流条件ではプラズマが維持できない。したがって、無制限にｒガスの流量を大きくすることはできない。
【０００７】
また、投入電力を大きくするとプラズマは安定し、フレーム出力も大きくなるが、プラズマの温度が上昇するため、電気絶縁管壁への熱伝導による損失が大きくなり、全体の熱収支としてのプラズマフレームの熱量の割合は小さくなる。
プラズマを熱源として利用する場合、ランニングコストを低減させるためにはエネルギー効率が高いことが要求されるが、我々の測定では、プラズマ投入電力のうち半分以上がトーチ部での損失となっている。プラズマトーチは構成部品の熱保護のため冷却されており、熱損失の発生は避けられないが、できるだけ損失量を低減することが望まれる。
【０００８】
本発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決して、安定性に優れ、かつ高効率で大出力のプラズマフレーム出力が得られる誘導結合プラズマ装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、電気絶縁管、電気絶縁管に巻装された高周波誘導コイル、電気絶縁管の内部にガスを周方向に導入する第１のノズルと径方向に導入する第２のノズルを有して電気絶縁管の一端に配されたガス導入部、ガス導入部側の端部より電気絶縁管の内部へと高周波誘導コイルと同軸に配置された接地電極を備えてなり、絶縁管内部にプラズマガスを導入し高周波誘導コイルに高周波電流を流してガスをプラズマ化して用いる誘導結合プラズマ装置において、
（１）接地電極の絶縁管内部側の軸方向端面にプラズマガスを絶縁管内部の中心軸上の軸方向へ導入する第３のノズルを備えることとする。
【００１０】
（２）さらに、（１）の誘導結合プラズマ装置において、接地電極の絶縁管内部側の軸方向端面に、第３のノズルに隣接して、プラズマガスを軸方向に対して傾斜させて導入する第４のノズルを少なくとも１個備えることとする。
（３）あるいは、（１）の誘導結合プラズマ装置において、第３のノズルの接地電極の内部のプラズマガス導入経路にガス整流板を備えることとする。
【００１１】
（４）また、上記の（１）〜（３）の誘導結合プラズマ装置において、接地電極の電気絶縁管の内部に対向する軸方向端面に、高周波誘導コイルと同軸に、薄肉円筒部を配することとする。
上記（１）のごとく第３のノズルを備えることとすると、電気絶縁管内部に形成されたプラズマの中心軸方向にガスが導入されることとなり、このガスは軸方向に強い指向性を持っているため、プラズマ化されたガスの軸方向速度成分が増し、プラズマトーチより吹き出すプラズマフレームの吹出量が大きくなる。すなわち、熱出力の大きなプラズマフレームが得られることとなる。
【００１２】
また、このような中心軸方向のガス流に対するプラズマの安定性は極めて良好である。すなわち、電界強度をＥ〔Ｖ／ｍ〕、プラズマ導電率をσ〔 mho／ｍ〕とすると、プラズマへのパワー注入量Ｐ〔Ｗ／ｍ3]は、
【００１３】
【数１】
Ｐ ＝ σＥ2 （１）
で与えられるが、誘導結合プラズマの発生原理から中心軸上においては誘導電界Ｅ（θ）は０であるので、パワー注入量Ｐも０である。したがって、中心軸上に低温のガスが導入され、中心軸近傍のプラズマの導電率が変動あるいは不安定になったとしても、プラズマの形成維持に係る電気絶縁管壁近傍には大きな影響がなく、プラズマは安定である。
【００１４】
すなわち、上記（１）のごとき第３のノズルを備えれば、プラズマフレームの熱出力が大きく安定なプラズマを得ることができる。
また、プラズマ化したガスの粘性は室温時のガスの粘性に比べ、およそ５倍となる。このため、軸方向に導入されたガスはプラズマに進入した後もほとんど広がることなく、ほぼノズル口径程度の拡がりをもつ気流としてプラズマの中心を通過することとなる。前述のように中心軸上に導入したガス自体にはパワーが注入されず、加熱されないので、軸方向に導入されたガスの加熱はプラズマからの熱伝達に依存する。したがって、軸方向に導入されたガスの気流径が大きいほどプラズマとの接触面積が増し、熱伝達量が増加する。また、径方向の広がりが大きくなると誘導電界によるパワーの注入も増加し、加熱量も増大する。この結果、軸方向に流れるガスの加熱が促進され、プラズマフレーム熱出力は増大する。一方、軸方向に導入するガスのノズルを大口径とすると、プラズマの粘性係数は上述のごとく大きいので、径の大きな軸方向気流がプラズマにぶつかって偏流を起こし、プラズマの姿勢を崩して不安定となる。すなわち、軸方向に導入するガスの流れは適量の拡がりを持つものであることが必要である。
【００１５】
したがって、上記（２）のごとく第３のノズルに隣接して、プラズマガスを軸方向に対して傾斜させて導入する第４のノズルを設けたり、あるいは（３）のごとくプラズマガス導入経路にガス整流板を備えることとすれば、接地電極の端面から導入される軸方向のガスの流れの広がり、ならびに指向性を調整することができるので、プラズマの安定性を損なうことなく、効果的に加熱されるプラズマが得られることとなる。
【００１６】
また、上記（４）のごとく軸方向端面に薄肉円筒部を配して構成することとすれば、軸方向にガスを導入するノズルと生成されたプラズマとの間の距離が、薄肉円筒部の長さに対応してより隔たることとなるので、ガス流の制御がより容易となる。また、プラズマに接触する電極表面積が小さくなるので、接地電極への熱損失が低減され、より効率の高い誘導結合プラズマ装置となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
＜第１実施例＞
図１は、本発明による誘導結合プラズマ装置の第１実施例の基本構成を示す要部の断面図である。
図において、１は、石英製の内筒１ａと外筒１ｂよりなる二重構造の電気絶縁管で、その内径は５９ｍｍである。２は、電気絶縁管１の外周に巻装した高周波誘導コイルで、直径は９０ｍｍ、巻数は３ターンである。高周波誘導コイル２には、高周波誘導電流を供給する最大電圧１０ｋＶ、最大出力７５ｋＷ、周波数４ＭＨｚの真空管自励式の図示しない高周波電源が接続されている。電気絶縁管１の上部には、ガス導入部４および接地電極５Ａが配されている。このうち、ガス導入部４には、図１１に示した従来例と同様に、電気絶縁管１の内部へ径方向にガスを供給するための径方向ガス導入口４ａと径方向リング状ガス吹出ノズル４ｃ、周方向にガスを供給するための周方向ガス導入口４ｂと周方向リング状ガス吹出ノズル４ｄが備えられている。一方、接地電極５Ａには、従来例と異なり、軸方向ガス導入口５ａとこれに連通して電気絶縁管１の内部へ軸方向にガスを供給するための軸方向主ノズル５ｃが備えられている。ガス導入部４の径方向ガス導入口４ａと周方向ガス導入口４ｂ、ならびに接地電極５Ａの軸方向ガス導入口５ａは、図示しないプラズマガス供給源に連結されたガス供給配管６とガス流量調節弁１１を介して接続されており、各導入口より供給されるプラズマガスの流量は、それぞれのガス流量調節弁１１により個別に調整できるよう構成されている。なお、石英製の内筒１ａと外筒１ｂとの間の通路には冷却水が流されており、管面を冷却して管内に生じたプラズマの熱から電気絶縁管１を保護している。また、接地電極５Ａは、図示されていないが水冷式でアース側に接地して高周波誘導コイル２と容量結合されている。
【００１８】
図２および図３は、図１に示した誘導結合プラズマ装置の特性測定結果を示すもので、アルゴンガスを供給してプラズマを形成した際の熱収支を示す特性図である。
このうち、図２は、ガス導入部４の径方向ガス導入口４ａより導入する径方向流量を３５〔l/min 〕、周方向ガス導入口４ｂより導入する周方向流量を１０〔l/min 〕とし、接地電極５Ａの軸方向ガス導入口５ａより導入する軸方向流量をゼロとしてアルゴンプラズマを形成した場合の熱収支を、種々の投入電力量について示したものである。図に見られるように、プラズマフレーム出力は投入電力の増加に伴い増大しているが、電気絶縁管損失、すなわち電気絶縁管壁への損失熱量の増大の割合がより大きいので、全体に占めるプラズマフレーム出力の割合は投入電力の増加とともに減少している。電気絶縁管損失の急激な上昇は、投入電力の増加によりプラズマ温度が上昇していくことによるものである。
【００１９】
図３は、図２の場合と同様に径方向流量を３５〔l/min 〕、周方向流量を１０〔l/min 〕とし、さらに接地電極５Ａの軸方向ガス導入口５ａより１５〔l/min 〕の軸方向流量を導入して、アルゴンプラズマを形成した場合の熱収支を種々の投入電力量について示したものである。図に見られるように、図２の場合に比較してプラズマフレーム出力が増大し、全体に占める割合も増加している。軸方向へ供給するガスを導入することによって、プラズマの軸方向への熱移動量が増加し、熱出力が大きく安定なプラズマフレームが得られることを示している。
【００２０】
＜第２実施例＞
図４は、本発明による誘導結合プラズマ装置の第２実施例の基本構成を示す要部の断面図である。本実施例の構成の第１実施例の構成との差異は、接地電極５Ｂに、軸方向ガス導入口５ａとこれに連通する軸方向主ノズル５ｃに加えて、軸方向ガス導入口５ｂと、これに連通して電気絶縁管１の内部へ軸方向に対しやや傾斜してガスを供給するための軸方向副ノズル５ｄが備えられており、軸方向ガス導入口５ｂがガス流量調節弁１１を介してガス供給配管６と接続されている点にある。
【００２１】
したがって、本構成においては、ガス流量調節弁１１の操作によって軸方向主ノズル５ｃより軸方向に供給される流量と軸方向副ノズル５ｄより軸方向に対しやや傾斜して供給される流量とを調整して、軸方向のガス流として供給されるプラズマガスの径方向の広がりを制御することができるので、これらのガスの加熱が効果的に促進され、プラズマの安定性を損なうことなく、熱出力が大きなプラズマフレームを得ることができる。
【００２２】
＜第３実施例＞
図５は、本発明による誘導結合プラズマ装置の第３実施例の基本構成を示す要部の断面図である。本実施例の構成の第１実施例の構成との差異は、接地電極５Ｃの軸方向ガス導入口５ａが、電気絶縁管１の内部に広がりをもって開口し軸方向にガスを供給する軸方向大径ノズル５ｅへと連通し、その経路の軸方向大径ノズル５ｅの近傍にガス整流板１３が備えられている点にある。
【００２３】
したがって、本構成においては、ガス整流板１３によって電気絶縁管１の内部へと入射する際の軸方向のガスの速度分布が調整されるので、軸方向に導入されるガスの加熱が効果的に促進され、プラズマを安定に維持して熱出力の大きなプラズマフレームを得ることができる。
＜第４実施例＞
図６は、本発明による誘導結合プラズマ装置の第４実施例の基本構成を示す要部の断面図である。本実施例の構成の第１実施例の構成との差異は、接地電極５Ｄが、電気絶縁管１の内部に対向する軸方向端面に高周波誘導コイルと同軸に配された薄肉円筒部１４を備えて構成されていることにある。
【００２４】
したがって、本構成においては、軸方向主ノズル５ｃより軸方向に供給されたガスは薄肉円筒部１４の内部を通流したのちプラズマ中へと供給されるので、軸方向主ノズル５ｃとプラズマとの間隔が大きくなり、軸方向へのガスの流れの制御がより容易となる。加えて、接地電極５Ｄのプラズマと接する接触表面積が小さくなるので、接地電極５Ｄでの熱損失が低減できる。
【００２５】
図７は、図６に示した誘導結合プラズマ装置において、アルゴンガスを供給してプラズマを形成した際の熱収支を示す特性図である。本図は、第１実施例の図３の場合と同一のガス流量条件、すなわち、径方向流量を３５〔l/min 〕、周方向流量を１０〔l/min 〕、また軸方向流量を１５〔l/min 〕としてアルゴンプラズマを形成したときの熱収支の測定結果である。図に見られるように、図３の第１実施例の特性に比べて、プラズマフレーム出力がさらに大きくなっており、また、接地電極損失が大幅に低下している。すなわち、本構成では、損失が低減し、プラズマを安定に維持して熱出力の大きなプラズマフレームを得ることができる。
【００２６】
＜第５実施例＞
図８は、本発明による誘導結合プラズマ装置の第５実施例の基本構成を示す要部の断面図である。本実施例の特徴は、接地電極５Ｅに、第２実施例と同様に軸方向主ノズル５ｃと軸方向副ノズル５ｄを備えるとともに、第４実施例と同様に軸方向端面に薄肉円筒部１４Ａを備えて構成した点にある。したがって、本構成においては、軸方向主ノズル５ｃと軸方向副ノズル５ｄからの流量を調整することにより、軸方向のガスの流れの径方向の広がりが制御でき、さらに、軸方向主ノズル５ｃとプラズマとの間隔が大きくなるので、ガスの流れの制御がより容易となり、さらに、接地電極損失が大幅に低減される。すなわち、本構成では、プラズマの安定性を損なうことなく、軸方向のガスの加熱が効果的に促進され、熱出力の大きなプラズマフレームが得られる。
【００２７】
＜第６実施例＞
図９は、本発明による誘導結合プラズマ装置の第６実施例の基本構成を示す要部の断面図である。本実施例の特徴は、接地電極５Ｆに、第１実施例と同様に軸方向主ノズル５ｃを備え、また第４実施例と同様に軸方向端面に薄肉円筒部１４Ｂを備え、さらに第３実施例と同様に薄肉円筒部１４Ｂの出口近傍にガス整流板１３Ａを備えて構成した点にある。したがって、本構成においては、軸方向のガスの流れが速度分布を調整してプラズマに導入されるので、導入されたガスを効果的に加熱できることとなり、プラズマを安定に維持し、プラズマフレームの熱出力を増大させることができる。
【００２８】
【発明の効果】
上述のごとく、本発明においては、誘導結合プラズマ装置を、
（１）請求項１に記載のごとく構成することとしたので、プラズマの安定性を損なうことなく、プラズマトーチのフレーム出力を増大させることができることとなり、安定性に優れ、かつ高効率で大出力のプラズマフレーム出力が発生でき、特に被処理物にプラズマフレームを照射して低コストで溶解処理する装置として効果的な、誘導結合プラズマ装置が得られることとなった。
【００２９】
（２）また、請求項２、３あるいは４のごとく構成することとすれば、プラズマに導入されるガスがより効率的に加熱されるので、安定性に優れ、かつ高効率で大出力のプラズマフレーム出力が発生できる誘導結合プラズマ装置としてより好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の誘導結合プラズマ装置の第１実施例の基本構成を示す要部の断面図
【図２】第１実施例の誘導結合プラズマ装置において軸方向のガスを導入しないでアルゴンプラズマを形成した時の熱収支を示す特性図
【図３】第１実施例の誘導結合プラズマ装置において軸方向のガスを導入しつつアルゴンプラズマを形成した時の熱収支を示す特性図
【図４】本発明の誘導結合プラズマ装置の第２実施例の基本構成を示す要部の断面図
【図５】本発明の誘導結合プラズマ装置の第３実施例の基本構成を示す要部の断面図
【図６】本発明の誘導結合プラズマ装置の第４実施例の基本構成を示す要部の断面図
【図７】第４実施例の誘導結合プラズマ装置のアルゴンプラズマ形成時の熱収支を示す特性図
【図８】本発明の誘導結合プラズマ装置の第５実施例の基本構成を示す要部の断面図
【図９】本発明の誘導結合プラズマ装置の第６実施例の基本構成を示す要部の断面図
【図１０】従来の誘導結合プラズマ装置の基本構成を示す部分断面図
【図１１】図１０の従来の誘導結合プラズマ装置のガス供給部の構成を示す部分断面図
【符号の説明】
１ 電気絶縁管
２ 高周波誘導コイル
４ ガス導入部
４ａ 径方向ガス導入口
４ｂ 周方向ガス導入口
４ｃ 径方向リング状ガス吹出ノズル
４ｄ 周方向リング状ガス吹出ノズル
５Ａ，５Ｂ，５Ｃ 接地電極
５Ｄ，５Ｅ，５Ｆ 接地電極
５ａ，５ｂ 軸方向ガス導入口
５ｃ 軸方向主ノズル
５ｄ 軸方向副ノズル
５ｅ 軸方向大径ノズル
６ ガス供給配管
１１ ガス流量調整弁
１２ プラズマ
１３，１３Ａ ガス整流板
１４ 薄肉円筒部
１４Ａ，１４Ｂ 薄肉円筒部
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波誘導結合を用いてアークプラズマを発生させる誘導結合プラズマ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
誘導結合プラズマ装置は、電気絶縁管に同軸に高周波誘導コイルを巻装し、高周波誘導コイルに高周波電流を通電して電気絶縁管内部に導入したガスをプラズマ化し、得られたプラズマを熱源として溶解処理などに用いる装置である。
図１０は、従来より用いられている誘導結合プラズマ装置の基本構成を示す部分断面図である。図において、１は、石英を用いて形成された円筒状の電気絶縁管である。電気絶縁管１は内筒１ａと外筒１ｂとの二重構造となっており、隙間に図示しない冷媒を通し冷却して用いられる。２は、電気絶縁管１の外側に同軸状に巻かれた高周波誘導コイルで、通常３〜４ターン巻装して構成されている。また、３は高周波電源である。電気絶縁管１の上部には、絶縁管周方向に吹き出すノズルと絶縁管径方向に吹き出すノズルを備えたガス導入部４、および接地電極５が配置されている。ガス流量調節弁７の操作により選定された種類と流量のガスがガス供給管６を通してガス導入部４より電気絶縁管１の内部へと供給される。接地電極５は水冷式で、アース側に接地して高周波誘導コイル２と容量結合されている。
【０００３】
図１１は、図１０の誘導結合プラズマ装置のガス導入部４の詳細構造を示す断面図である。接地電極５の周辺を取り囲んで配されたガス導入部４には、径方向ガス導入口４ａ、ならびに周方向ガス導入口４ｂが備えられている。径方向ガス導入口４ａは、電気絶縁管１の内部へと径方向に開口するノズル穴を周面上に分配配置してなる径方向リング状ガス吹出ノズル４ｃに連通しており、また、周方向ガス導入口４ｂは、気絶縁管１の内部へと周方向に近い斜め方向に開口するノズル穴を周面上に分配配置してなる周方向リング状ガス吹出ノズル４ｄに連通している。すなわち、ガス供給管６を通じて送られたガスは、径方向ガス導入口４ａおよび周方向ガス導入口４ｂを通じて電気絶縁管１の内部へと導入され、径方向リング状ガス吹出ノズル４ｃおよび周方向リング状ガス吹出ノズル４ｄより径方向および周方向に供給される。なお、これらの二つのガス導入口より導入するガスの流量は、分岐配管に組み込まれたガス流量調節弁１１によって個別に調整できるように構成されている。また、導入するガスの種類やガスの混合比は、図１１に示したごとくガスの供給装置に接続されたガス流量調節弁７の操作により選択、調整される。
【０００４】
本構成の誘導結合プラズマ装置における大気圧アークプラズマの生成は、以下の手順により行われる。まず、電気絶縁管１の上端に設けられたガス導入口４より、点火用ガスとしてヘリウムガスを導入し、高周波電源３の出力電圧を高周波誘導コイル２に印加する。電気絶縁管１に導入されたヘリウムガスは、高周波誘導コイル２と接地電極５の間に形成される容量結合電界により放電する。つづいて、電気絶縁管１の内部にアルゴンなどのプラズマガスを導入して放電を維持させ、次いで、徐々にヘリウムガスの導入を停止して電気絶縁管１内のアルゴンガス濃度を高めてアークプラズマに移行させる。アークプラズマに移行後は、高周波誘導コイル２により発生する高周波誘導電界により、プラズマへのエネルギー供給を行う。この状態にあるプラズマが一般に誘導結合型プラズマと呼ばれており、得られるプラズマは、電界の強さと形状、並びにガスの流れに依存する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
高周波誘導結合プラズマを熱源として溶解処理などに用いる場合、プラズマ発生源（以下プラズマトーチと呼ぶ）より噴き出すプラズマフレームを被処理物に照射する方法が最も一般的である。
プラズマトーチより噴き出すプラズマフレームの熱量は、プラズマへの投入電力に依存するばかりでなく、ガスの流れに対しても強い依存性を持っている。径方向リング状ガス吹出ノズル４ｃより径方向に供給されるガス（以下ｒガスと略記）と周方向リング状ガス吹出ノズル４ｄより周方向に供給されるガス（以下θガスと略記）との流量比（以下ｒ/ θ流量比と略記）が大きいほどプラズマフレームの熱量が大きくなる。これは、ｒガスの軸方向の指向性が強いためであり、プラズマフレームの熱出力を大きくするためには、ｒ/ θ流量比の大きい条件で運転することが必要である。
【０００６】
しかしながら、ｒ/ θ流量比はプラズマの安定性にも大きく影響している。これはプラズマに注入されるパワーが、プラズマ生成領域の導電率に依存しているためであり、この生成空間の導電率の安定性が損なわれるようなガス流条件ではプラズマが維持できない。したがって、無制限にｒガスの流量を大きくすることはできない。
【０００７】
また、投入電力を大きくするとプラズマは安定し、フレーム出力も大きくなるが、プラズマの温度が上昇するため、電気絶縁管壁への熱伝導による損失が大きくなり、全体の熱収支としてのプラズマフレームの熱量の割合は小さくなる。
プラズマを熱源として利用する場合、ランニングコストを低減させるためにはエネルギー効率が高いことが要求されるが、我々の測定では、プラズマ投入電力のうち半分以上がトーチ部での損失となっている。プラズマトーチは構成部品の熱保護のため冷却されており、熱損失の発生は避けられないが、できるだけ損失量を低減することが望まれる。
【０００８】
本発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決して、安定性に優れ、かつ高効率で大出力のプラズマフレーム出力が得られる誘導結合プラズマ装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、電気絶縁管、電気絶縁管に巻装された高周波誘導コイル、電気絶縁管の内部にガスを周方向に導入する第１のノズルと径方向に導入する第２のノズルを有して電気絶縁管の一端に配されたガス導入部、ガス導入部側の端部より電気絶縁管の内部へと高周波誘導コイルと同軸に配置された接地電極を備えてなり、絶縁管内部にプラズマガスを導入し高周波誘導コイルに高周波電流を流してガスをプラズマ化して用いる誘導結合プラズマ装置において、
（１）接地電極の絶縁管内部側の軸方向端面にプラズマガスを絶縁管内部の中心軸上の軸方向へ導入する第３のノズルを備えることとする。
【００１０】
（２）さらに、（１）の誘導結合プラズマ装置において、接地電極の絶縁管内部側の軸方向端面に、第３のノズルに隣接して、プラズマガスを軸方向に対して傾斜させて導入する第４のノズルを少なくとも１個備えることとする。
（３）あるいは、（１）の誘導結合プラズマ装置において、第３のノズルの接地電極の内部のプラズマガス導入経路にガス整流板を備えることとする。
【００１１】
（４）また、上記の（１）〜（３）の誘導結合プラズマ装置において、接地電極の電気絶縁管の内部に対向する軸方向端面に、高周波誘導コイルと同軸に、薄肉円筒部を配することとする。
上記（１）のごとく第３のノズルを備えることとすると、電気絶縁管内部に形成されたプラズマの中心軸方向にガスが導入されることとなり、このガスは軸方向に強い指向性を持っているため、プラズマ化されたガスの軸方向速度成分が増し、プラズマトーチより吹き出すプラズマフレームの吹出量が大きくなる。すなわち、熱出力の大きなプラズマフレームが得られることとなる。
【００１２】
また、このような中心軸方向のガス流に対するプラズマの安定性は極めて良好である。すなわち、電界強度をＥ〔Ｖ／ｍ〕、プラズマ導電率をσ〔 mho／ｍ〕とすると、プラズマへのパワー注入量Ｐ〔Ｗ／ｍ3]は、
【００１３】
【数１】
Ｐ ＝ σＥ2 （１）
で与えられるが、誘導結合プラズマの発生原理から中心軸上においては誘導電界Ｅ（θ）は０であるので、パワー注入量Ｐも０である。したがって、中心軸上に低温のガスが導入され、中心軸近傍のプラズマの導電率が変動あるいは不安定になったとしても、プラズマの形成維持に係る電気絶縁管壁近傍には大きな影響がなく、プラズマは安定である。
【００１４】
すなわち、上記（１）のごとき第３のノズルを備えれば、プラズマフレームの熱出力が大きく安定なプラズマを得ることができる。
また、プラズマ化したガスの粘性は室温時のガスの粘性に比べ、およそ５倍となる。このため、軸方向に導入されたガスはプラズマに進入した後もほとんど広がることなく、ほぼノズル口径程度の拡がりをもつ気流としてプラズマの中心を通過することとなる。前述のように中心軸上に導入したガス自体にはパワーが注入されず、加熱されないので、軸方向に導入されたガスの加熱はプラズマからの熱伝達に依存する。したがって、軸方向に導入されたガスの気流径が大きいほどプラズマとの接触面積が増し、熱伝達量が増加する。また、径方向の広がりが大きくなると誘導電界によるパワーの注入も増加し、加熱量も増大する。この結果、軸方向に流れるガスの加熱が促進され、プラズマフレーム熱出力は増大する。一方、軸方向に導入するガスのノズルを大口径とすると、プラズマの粘性係数は上述のごとく大きいので、径の大きな軸方向気流がプラズマにぶつかって偏流を起こし、プラズマの姿勢を崩して不安定となる。すなわち、軸方向に導入するガスの流れは適量の拡がりを持つものであることが必要である。
【００１５】
したがって、上記（２）のごとく第３のノズルに隣接して、プラズマガスを軸方向に対して傾斜させて導入する第４のノズルを設けたり、あるいは（３）のごとくプラズマガス導入経路にガス整流板を備えることとすれば、接地電極の端面から導入される軸方向のガスの流れの広がり、ならびに指向性を調整することができるので、プラズマの安定性を損なうことなく、効果的に加熱されるプラズマが得られることとなる。
【００１６】
また、上記（４）のごとく軸方向端面に薄肉円筒部を配して構成することとすれば、軸方向にガスを導入するノズルと生成されたプラズマとの間の距離が、薄肉円筒部の長さに対応してより隔たることとなるので、ガス流の制御がより容易となる。また、プラズマに接触する電極表面積が小さくなるので、接地電極への熱損失が低減され、より効率の高い誘導結合プラズマ装置となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
＜第１実施例＞
図１は、本発明による誘導結合プラズマ装置の第１実施例の基本構成を示す要部の断面図である。
図において、１は、石英製の内筒１ａと外筒１ｂよりなる二重構造の電気絶縁管で、その内径は５９ｍｍである。２は、電気絶縁管１の外周に巻装した高周波誘導コイルで、直径は９０ｍｍ、巻数は３ターンである。高周波誘導コイル２には、高周波誘導電流を供給する最大電圧１０ｋＶ、最大出力７５ｋＷ、周波数４ＭＨｚの真空管自励式の図示しない高周波電源が接続されている。電気絶縁管１の上部には、ガス導入部４および接地電極５Ａが配されている。このうち、ガス導入部４には、図１１に示した従来例と同様に、電気絶縁管１の内部へ径方向にガスを供給するための径方向ガス導入口４ａと径方向リング状ガス吹出ノズル４ｃ、周方向にガスを供給するための周方向ガス導入口４ｂと周方向リング状ガス吹出ノズル４ｄが備えられている。一方、接地電極５Ａには、従来例と異なり、軸方向ガス導入口５ａとこれに連通して電気絶縁管１の内部へ軸方向にガスを供給するための軸方向主ノズル５ｃが備えられている。ガス導入部４の径方向ガス導入口４ａと周方向ガス導入口４ｂ、ならびに接地電極５Ａの軸方向ガス導入口５ａは、図示しないプラズマガス供給源に連結されたガス供給配管６とガス流量調節弁１１を介して接続されており、各導入口より供給されるプラズマガスの流量は、それぞれのガス流量調節弁１１により個別に調整できるよう構成されている。なお、石英製の内筒１ａと外筒１ｂとの間の通路には冷却水が流されており、管面を冷却して管内に生じたプラズマの熱から電気絶縁管１を保護している。また、接地電極５Ａは、図示されていないが水冷式でアース側に接地して高周波誘導コイル２と容量結合されている。
【００１８】
図２および図３は、図１に示した誘導結合プラズマ装置の特性測定結果を示すもので、アルゴンガスを供給してプラズマを形成した際の熱収支を示す特性図である。
このうち、図２は、ガス導入部４の径方向ガス導入口４ａより導入する径方向流量を３５〔l/min 〕、周方向ガス導入口４ｂより導入する周方向流量を１０〔l/min 〕とし、接地電極５Ａの軸方向ガス導入口５ａより導入する軸方向流量をゼロとしてアルゴンプラズマを形成した場合の熱収支を、種々の投入電力量について示したものである。図に見られるように、プラズマフレーム出力は投入電力の増加に伴い増大しているが、電気絶縁管損失、すなわち電気絶縁管壁への損失熱量の増大の割合がより大きいので、全体に占めるプラズマフレーム出力の割合は投入電力の増加とともに減少している。電気絶縁管損失の急激な上昇は、投入電力の増加によりプラズマ温度が上昇していくことによるものである。
【００１９】
図３は、図２の場合と同様に径方向流量を３５〔l/min 〕、周方向流量を１０〔l/min 〕とし、さらに接地電極５Ａの軸方向ガス導入口５ａより１５〔l/min 〕の軸方向流量を導入して、アルゴンプラズマを形成した場合の熱収支を種々の投入電力量について示したものである。図に見られるように、図２の場合に比較してプラズマフレーム出力が増大し、全体に占める割合も増加している。軸方向へ供給するガスを導入することによって、プラズマの軸方向への熱移動量が増加し、熱出力が大きく安定なプラズマフレームが得られることを示している。
【００２０】
＜第２実施例＞
図４は、本発明による誘導結合プラズマ装置の第２実施例の基本構成を示す要部の断面図である。本実施例の構成の第１実施例の構成との差異は、接地電極５Ｂに、軸方向ガス導入口５ａとこれに連通する軸方向主ノズル５ｃに加えて、軸方向ガス導入口５ｂと、これに連通して電気絶縁管１の内部へ軸方向に対しやや傾斜してガスを供給するための軸方向副ノズル５ｄが備えられており、軸方向ガス導入口５ｂがガス流量調節弁１１を介してガス供給配管６と接続されている点にある。
【００２１】
したがって、本構成においては、ガス流量調節弁１１の操作によって軸方向主ノズル５ｃより軸方向に供給される流量と軸方向副ノズル５ｄより軸方向に対しやや傾斜して供給される流量とを調整して、軸方向のガス流として供給されるプラズマガスの径方向の広がりを制御することができるので、これらのガスの加熱が効果的に促進され、プラズマの安定性を損なうことなく、熱出力が大きなプラズマフレームを得ることができる。
【００２２】
＜第３実施例＞
図５は、本発明による誘導結合プラズマ装置の第３実施例の基本構成を示す要部の断面図である。本実施例の構成の第１実施例の構成との差異は、接地電極５Ｃの軸方向ガス導入口５ａが、電気絶縁管１の内部に広がりをもって開口し軸方向にガスを供給する軸方向大径ノズル５ｅへと連通し、その経路の軸方向大径ノズル５ｅの近傍にガス整流板１３が備えられている点にある。
【００２３】
したがって、本構成においては、ガス整流板１３によって電気絶縁管１の内部へと入射する際の軸方向のガスの速度分布が調整されるので、軸方向に導入されるガスの加熱が効果的に促進され、プラズマを安定に維持して熱出力の大きなプラズマフレームを得ることができる。
＜第４実施例＞
図６は、本発明による誘導結合プラズマ装置の第４実施例の基本構成を示す要部の断面図である。本実施例の構成の第１実施例の構成との差異は、接地電極５Ｄが、電気絶縁管１の内部に対向する軸方向端面に高周波誘導コイルと同軸に配された薄肉円筒部１４を備えて構成されていることにある。
【００２４】
したがって、本構成においては、軸方向主ノズル５ｃより軸方向に供給されたガスは薄肉円筒部１４の内部を通流したのちプラズマ中へと供給されるので、軸方向主ノズル５ｃとプラズマとの間隔が大きくなり、軸方向へのガスの流れの制御がより容易となる。加えて、接地電極５Ｄのプラズマと接する接触表面積が小さくなるので、接地電極５Ｄでの熱損失が低減できる。
【００２５】
図７は、図６に示した誘導結合プラズマ装置において、アルゴンガスを供給してプラズマを形成した際の熱収支を示す特性図である。本図は、第１実施例の図３の場合と同一のガス流量条件、すなわち、径方向流量を３５〔l/min 〕、周方向流量を１０〔l/min 〕、また軸方向流量を１５〔l/min 〕としてアルゴンプラズマを形成したときの熱収支の測定結果である。図に見られるように、図３の第１実施例の特性に比べて、プラズマフレーム出力がさらに大きくなっており、また、接地電極損失が大幅に低下している。すなわち、本構成では、損失が低減し、プラズマを安定に維持して熱出力の大きなプラズマフレームを得ることができる。
【００２６】
＜第５実施例＞
図８は、本発明による誘導結合プラズマ装置の第５実施例の基本構成を示す要部の断面図である。本実施例の特徴は、接地電極５Ｅに、第２実施例と同様に軸方向主ノズル５ｃと軸方向副ノズル５ｄを備えるとともに、第４実施例と同様に軸方向端面に薄肉円筒部１４Ａを備えて構成した点にある。したがって、本構成においては、軸方向主ノズル５ｃと軸方向副ノズル５ｄからの流量を調整することにより、軸方向のガスの流れの径方向の広がりが制御でき、さらに、軸方向主ノズル５ｃとプラズマとの間隔が大きくなるので、ガスの流れの制御がより容易となり、さらに、接地電極損失が大幅に低減される。すなわち、本構成では、プラズマの安定性を損なうことなく、軸方向のガスの加熱が効果的に促進され、熱出力の大きなプラズマフレームが得られる。
【００２７】
＜第６実施例＞
図９は、本発明による誘導結合プラズマ装置の第６実施例の基本構成を示す要部の断面図である。本実施例の特徴は、接地電極５Ｆに、第１実施例と同様に軸方向主ノズル５ｃを備え、また第４実施例と同様に軸方向端面に薄肉円筒部１４Ｂを備え、さらに第３実施例と同様に薄肉円筒部１４Ｂの出口近傍にガス整流板１３Ａを備えて構成した点にある。したがって、本構成においては、軸方向のガスの流れが速度分布を調整してプラズマに導入されるので、導入されたガスを効果的に加熱できることとなり、プラズマを安定に維持し、プラズマフレームの熱出力を増大させることができる。
【００２８】
【発明の効果】
上述のごとく、本発明においては、誘導結合プラズマ装置を、
（１）請求項１に記載のごとく構成することとしたので、プラズマの安定性を損なうことなく、プラズマトーチのフレーム出力を増大させることができることとなり、安定性に優れ、かつ高効率で大出力のプラズマフレーム出力が発生でき、特に被処理物にプラズマフレームを照射して低コストで溶解処理する装置として効果的な、誘導結合プラズマ装置が得られることとなった。
【００２９】
（２）また、請求項２、３あるいは４のごとく構成することとすれば、プラズマに導入されるガスがより効率的に加熱されるので、安定性に優れ、かつ高効率で大出力のプラズマフレーム出力が発生できる誘導結合プラズマ装置としてより好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の誘導結合プラズマ装置の第１実施例の基本構成を示す要部の断面図
【図２】第１実施例の誘導結合プラズマ装置において軸方向のガスを導入しないでアルゴンプラズマを形成した時の熱収支を示す特性図
【図３】第１実施例の誘導結合プラズマ装置において軸方向のガスを導入しつつアルゴンプラズマを形成した時の熱収支を示す特性図
【図４】本発明の誘導結合プラズマ装置の第２実施例の基本構成を示す要部の断面図
【図５】本発明の誘導結合プラズマ装置の第３実施例の基本構成を示す要部の断面図
【図６】本発明の誘導結合プラズマ装置の第４実施例の基本構成を示す要部の断面図
【図７】第４実施例の誘導結合プラズマ装置のアルゴンプラズマ形成時の熱収支を示す特性図
【図８】本発明の誘導結合プラズマ装置の第５実施例の基本構成を示す要部の断面図
【図９】本発明の誘導結合プラズマ装置の第６実施例の基本構成を示す要部の断面図
【図１０】従来の誘導結合プラズマ装置の基本構成を示す部分断面図
【図１１】図１０の従来の誘導結合プラズマ装置のガス供給部の構成を示す部分断面図
【符号の説明】
１ 電気絶縁管
２ 高周波誘導コイル
４ ガス導入部
４ａ 径方向ガス導入口
４ｂ 周方向ガス導入口
４ｃ 径方向リング状ガス吹出ノズル
４ｄ 周方向リング状ガス吹出ノズル
５Ａ，５Ｂ，５Ｃ 接地電極
５Ｄ，５Ｅ，５Ｆ 接地電極
５ａ，５ｂ 軸方向ガス導入口
５ｃ 軸方向主ノズル
５ｄ 軸方向副ノズル
５ｅ 軸方向大径ノズル
６ ガス供給配管
１１ ガス流量調整弁
１２ プラズマ
１３，１３Ａ ガス整流板
１４ 薄肉円筒部
１４Ａ，１４Ｂ 薄肉円筒部
Claims (4)
- 電気絶縁管、電気絶縁管に巻装された高周波誘導コイル、電気絶縁管の内部にガスを周方向に導入する第１のノズルと径方向に導入する第２のノズルを有して電気絶縁管の一端に配されたガス導入部、ガス導入部側の端部より電気絶縁管の内部へと高周波誘導コイルと同軸に配置された接地電極を備えてなり、絶縁管内部にプラズマガスを導入し高周波誘導コイルに高周波電流を流してガスをプラズマ化して用いる誘導結合プラズマ装置において、前記接地電極の絶縁管内部側の軸方向端面にプラズマガスを絶縁管内部の中心軸上の軸方向へ導入する第３のノズルを備えたことを特徴とする誘導結合プラズマ装置。
- 請求項１に記載の誘導結合プラズマ装置において、接地電極の絶縁管内部側の軸方向端面に、前記の第３のノズルに隣接して、プラズマガスを軸方向に対して傾斜させて導入する少なくとも１個の第４のノズルを備えたことを特徴とする誘導結合プラズマ装置。
- 請求項１に記載の誘導結合プラズマ装置において、前記の第３のノズルの接地電極の内部のプラズマガス導入経路にガス整流板を備えたことを特徴とする誘導結合プラズマ装置。
- 請求項１、２または３に記載の誘導結合プラズマ装置において、接地電極の電気絶縁管の内部に対向する軸方向端面に高周波誘導コイルと同軸に形成された薄肉円筒部を備えたことを特徴とする誘導結合プラズマ装置。
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