JP5060951B2 - プラズマ発生システム - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ発生器に関し、より詳細には、マイクロ波を使って発生させることのできるプラズマプルームを放出するノズルを持つ装置に関する。

近年、プラズマ生成の進歩が盛んになりつつある。典型的には、プラズマは正帯電イオン、中性物質および電子からなる。一般に、プラズマは熱平衡および熱非平衡プラズマの２つの分類に細分化される。熱平衡とは、正電荷イオン、中性物質、および電子を含むあらゆる物質の温度が同じであることを意味する。

プラズマはまた局所的熱平衡（ＬＴＥ）および非ＬＴＥプラズマにも分類でき、この場合、このような細分化は典型的にはプラズマの圧力に関連している。「局所的熱平衡（ＬＴＥ）」という用語はすべてのプラズマ物質の温度がプラズマの局所化領域において同じである熱動的状態を意味する。

高プラズマ圧力はプラズマにおいて単位時間間隔当たりで多数の衝突をもたらし、これによりプラズマを含む物質間に十分なエネルギー交換を生み、そしてこれによりプラズマ物質の温度が等しくなる。一方、プラズマ圧力が低いとプラズマの物質同士の衝突が不十分となることによりプラズマ物質の温度が安定しなくなる場合がある。

非ＬＴＥまたは単なる非熱プラズマでは、イオンおよび中性物質の温度は通常１００℃未満であるが、電子の温度は摂氏数万℃までにもなり得る。従って、非ＬＴＥプラズマは大量のエネルギーを消費することなくパワフルな用途および繊細な用途にも使える高反応性ツールとして機能できる。この「高温冷却性」によりさまざまな用途についてさまざまな処理可能性および商業上の好機が得られる。パワフルな用途としては金属蒸着システムおよびプラズマカッタが挙げられ、繊細な用途としてはプラズマ表面洗浄システムおよびプラズマディスプレイ装置が挙げられる。

このような用途の１つとしてプラズマ殺菌が挙げられる。プラズマ殺菌は、プラズマを使って抵抗力の高い内生胞子をはじめとする細菌生物を死滅させる。殺菌は末端用途の医療および歯科装置、材料、および繊維の安全性を確実にするための重要な工程である。病院および産業で使用されている既存の殺菌方法はオートクレーブ、酸化エチレンガス（ＥｔＯ）、乾燥加熱、およびガンマ光線または電子光線の照射が挙げられる。これらの技術は対処し克服しなければならない多数の問題点を抱えている。かかる問題としては、熱感応性および熱による破壊、有害副産物の形成、作業が高費用である、および全体のサイクル継続時間が不十分であるといった点が挙げられる。その結果、健康管理事務所および産業は長い間、さまざまな熱感応性電子構成部材および設備をはじめとする広範囲の医療材料の構造を破壊することなく、大幅に短時間で、室温付近で機能できる殺菌技術を必要としていた。

従来の殺菌法を使ってこれらの変更を行い新規の医療材料および装置とすることは非常に困難であった。１つのアプローチでは、過酸化水素から発生された低圧プラズマ（または等価的に大気圧未満のプラズマ）を使っていた。しかしながら、このプロセスは複雑でありまたバッチプロセス単位の作業費用が高いため、病院ではこの技術の使用は非常に特定の用途に限られていた。また、低圧プラズマシステムは、解毒および部分的な殺菌のほとんどを引き起こすラジカルを持つプラズマを発生するが、これはプロセスの作業効率に悪影響を与える。

プラスチック表面の予備処理のような表面処理のための大気圧プラズマを発生させることも可能である。大気圧プラズマを発生させる方法の１つが特許文献１（Fornselら）によって教示されている。特許文献１の図１には、高周波数発生器でピン状電極１８と管状導電筐体１０との間に高電圧を印加するようにしたプラズマノズルが開示されている。その結果、ピン状電極１８と管状導電筐体１０との間で、加熱メカニズムとしての放電が生成される。

大気圧プラズマを発生させる他の方法が、特許文献２（Yamamotoら）に記載されている。Yamamotoらは高周波放電プラズマ発生器を開示しており、高周波電力が適切な放電ガスの流れに供給されてこのガスの流れの中に高周波放電を生じさせるというものである。これにより非常に高温のイオン化ガスのプラズマ炎が生み出される。Yamamotoらは引き込み式なコンダクタロッド３０および公報の図３に示す関連する構成部材を使用して、複雑なメカニズムを使ってプラズマを開始している。Yamamotoらはまた同軸状の導波管３も備えており、これはコンダクタであり周波数電力搬送経路を形成するものである。
米国特許第６，６７７，５５０号公報 米国特許第３，３５３，０６０号公報

特許文献１の手法、ならびに高電圧交流またはパルス化直流を使ってノズルに内にアークを誘導しおよび／または電気放出を使ってプラズマを形成する他の既存のシステムは、さまざまな効率上の欠点を抱えている。これは、初期のプラズマがノズル内で発生されて狭いスリットによって案内されるためである。このアレンジメントにより活性ラジカルのいくらかがノズル内で失われてしまう。他にもこのノズル設計は電力消費が大きくプラズマ温度が高くなるという点でも問題を抱えている。

また、特許文献２の構成の問題としては、プラズマのイオンおよび中性物質の温度が５，０００℃から１０，０００の範囲であることが挙げられる。このような温度は殺菌の対象となる製品を簡単に破壊してしまうため殺菌には有用でない。

プラズマを発生させる従来の方法の１つとしてマイクロ波の使用がある。しかしながら、既存のマイクロ波技術は次の１つ以上の欠点のために適切なプラズマは発生せず、または殺菌には極端に不十分なプラズマをせいぜい発生するにすぎない。欠点とはすなわち、プラズマ温度が高いこと、プラズマのエネルギーフィールドが低いこと、作業費用が高いこと、殺菌に非常に長い作業処理時間がかかること、装置の初期費用が高いこと、または真空システムを使った低圧を使うこと（典型的には大気圧未満）である。従って、１）現在利用できる殺菌システムよりも安価であり、２）比較的低温のプラズマを発生するノズルを使用し、および３）大気圧で作動するため真空設備が必要でない殺菌システムが必要とされている。

本発明は、大気圧を使って比較的低温のマイクロ波を発生するためのさまざまなシステムおよび方法を提供するものである。これらのシステムは単位当たりの費用が安価であり、より安価な作業費用、より小さい電力消費、短時間の殺菌の作業処理時間で大気圧にて作動する。比較的低温のマイクロ波プラズマは、既存のプラズマ発生システムとは異なり、大気圧で作動し作業効率のより改善されたノズルによって生成される。

真空チャンバにともなう低圧プラズマとは対照的に、大気圧プラズマは数多くの独特の利点をユーザーに提供する。大気圧プラズマシステムはコンパクトなパッケージングを使用するためシステムを簡単に構成でき、その結果、高価な真空チャンバおよびポンプシステムが必要でなくなる。また、大気圧プラズマシステムはさらに別に設備を要することなくさまざまな環境に設置でき、それらの作業費用およびメンテナンス要件は最小限である。実際、大気圧プラズマ殺菌システムの主な特徴は、より早い作業処理サイクルで使いやすいやり方で感熱性対象物を殺菌できる能力である。大気圧プラズマ殺菌は、酸素原子および水素ラジカルを含む反応性中性物質、およびプラズマ発生紫外線の直接的な効果を実現し、これらはすべて細菌細胞膜を攻撃し破壊する。従って、出願人は有効かつ安価な殺菌装置として大気圧プラズマを発生できる装置の必要性を認識した。

本発明の１つの側面によると、マイクロ波とガスとを用いてプラズマを発生させるためのマイクロ波プラズマノズルが開示されている。このマイクロ波プラズマノズルは、その中にガスが流されるガスフロー管を備えており、このガスフロー管は実質的にマイクロ波を透過させる材料からなる出口部を持っている。この出口部は、エッジを備えるセクション、およびこのエッジの近位にあるガスフロー管の部分と呼ばれる。ノズルはまた、ガスフロー管内に配置されたロッド状コンダクタも備えている。ロッド状コンダクタはガスフロー管の出口部の近傍に配置された先端部を備える。また、ロッド状コンダクタとガスフロー管との間に配置されたうず巻状ガイドを備えることも可能である。このうず巻状ガイドは、ロッド状コンダクタの長軸に対して角度が付けられた少なくとも１つの流路を持っており、この流路に沿って通過するガスにロッド状コンダクタの周りで螺旋状の流動方向を付与する。うず巻状ガイド内部に（単一または複数の）流路を提供することが可能であり、および／または（単一または複数の）流路はうず巻状ガイドの外側表面に配置されたチャネルでうず巻状ガイドとガスフロー管との間にあってもよい。

本発明の他の側面によると、マイクロ波およびガスからプラズマを発生するためのマイクロ波プラズマノズルは、中にガス流体を通すためのガスフロー管、このガスフロー管内に配置されたロッド状コンダクタ、およびロッド状コンダクタとガスフロー管との間に配置されたうず巻状ガイドを備えている。ロッド状コンダクタはガスフロー管の出口部の近位に配置された先端部を持っている。うず巻状ガイドは、ロッド状コンダクタの長軸に対して角度の付けられた少なくとも１つの流路を持っており、この流路に沿って通過するガスにロッド状コンダクタの周りでつるまき状の流動方向を付与する。

本発明のさらに他の側面によると、マイクロ波とガスとを用いてプラズマを発生させるためのマイクロ波プラズマノズルは、ガスが流されるガスフロー管、ガスフロー管内に配置されたロッド状コンダクタ、ガスフロー管を通る際のマイクロ波パワー損失を緩和するための接地遮蔽、およびロッド状コンダクタと接地遮蔽との間に配置されて接地遮蔽に対してロッド状コンダクタを固定して保持するための位置ホルダを備えている。ロッド状コンダクタはガスフロー管の出口部の近傍に配置された先端部を持っている。接地遮蔽はガス流体を受け取るための穴を持っており、この穴はガスフロー管の外部表面に取り付けられている。

本発明のさらに他の側面によると、プラズマを発生するための装置が提供される。この装置は、ガス流路の一部を形成している壁を持つマイクロ波キャビティ、およびガスが流されるガスフロー管を備えており、このガスフロー管はマイクロ波キャビティに接続されている入口部を持ち、ガスフロー管は誘電材料からなる出口部を持っている。ノズルもまた、ガスフロー管内に配置されたロッド状コンダクタを備えている。ロッド状コンダクタはガスフロー管の出口部の近傍に配置された先端部を持っている。ロッド状コンダクタの一部はマイクロ波キャビティ内に配置されており、そこを通過するマイクロ波を受信することができる。マイクロ波プラズマノズルはまた、ガスフロー管を通る際のマイクロ波パワー損失を緩和するための手段も備えることができる。マイクロ波パワー損失を緩和するための手段はガスフロー管の一部に隣接して配置された遮蔽を備えることができる。この遮蔽はガスフロー管の外部および／または内部に提供できる。ノズルにはまたガスフロー管の一部に隣接して配置される接地遮蔽も提供できる。ガスフロー管を通る際のマイクロ波損失を緩和するための遮蔽メカニズムもまた提供できる。遮蔽メカニズムはガスフロー管内に配置される内側遮蔽管、またはガスフロー管を覆う接地遮蔽であってよい。

本発明の他の側面によると、プラズマ発生システムは、マイクロ波キャビティ、およびマイクロ波キャビティに機能的に接続されたノズルを備えている。ノズルは誘電材料からなる出口部を持つガスフロー管、ガスフロー管内に配置されたロッド状コンダクタ、マイクロ波キャビティに接続されガスフロー管の外部表面に配置された接地遮蔽、およびロッド状コンダクタと接地遮蔽との間に配置され接地遮蔽に対してロッド状コンダクタを固定して保持するための位置ホルダを備えている。ロッド状コンダクタは、ガスフロー管の出口部の近位に配置された先端部、およびマイクロ波キャビティ内に配置されてマイクロ波を収集する部分を持っている。接地遮蔽はガスフロー管を通る際のマイクロ波パワー損失を緩和し、ガス流体を受け取るための穴を持っている。

本発明の他の側面によると、プラズマ発生システムが開示されている。プラズマ発生システムは、マイクロ波を発生するためのマイクロ波発生器、マイクロ波発生器に接続されこれに電力を提供するための電源、ガス流路の一部を形成している壁を持つマイクロ波キャビティ、マイクロ波キャビティに動作可能に接続されこれにマイクロ波を搬送するための導波管、マイクロ波キャビティから反射されたマイクロ波を放散させるためのアイソレータ、ガスが流されるガスフロー管であって、誘電材料からなる出口部と、マイクロ波キャビティに接続された入口部とを持つガスフロー管、およびガスフロー管内に配置されたロッド状コンダクタを備えている。ロッド状コンダクタはガスフロー管の出口部の近傍に配置された先端部を持っている。ロッド状コンダクタの一部はマイクロ波キャビティ内に配置され、マイクロ波を受け取るかまたは収集する。うず巻状ガイドもまたロッド状コンダクタとガスフロー管との間に配置させることができる。うず巻状ガイドはロッド状コンダクタの長軸に対して角度の付けられた少なくとも１つの流路を持ち、この流路に沿って通過するガスにロッド状コンダクタの周りで螺旋状の流動方向を付与する。

本発明の他の側面によると、プラズマ発生システムが開示されている。プラズマ発生システムは、マイクロ波を発生するためのマイクロ波発生器、マイクロ波発生器に接続されこれに電力を提供するための電源、マイクロ波キャビティ、マイクロ波キャビティに動作可能に接続されマイクロ波をマイクロ波キャビティに搬送する導波管、ガスが流されるガスフロー管であって、このガスフロー管は誘電材料からなる出口部を持ち、ガスフロー管に配置されたロッド状コンダクタ、マイクロ波キャビティに接続されガスフロー管を通る際のマイクロ波パワー損失を緩和するよう構成された接地遮蔽、およびロッド状コンダクタと接地遮蔽との間に配置され接地遮蔽に対してロッド状コンダクタを固定して保持するための位置ホルダを備えている。ロッド状コンダクタはガスフロー管の出口部の近位に配置された先端部を持っている。ロッド状コンダクタの一部はマイクロ波キャビティ内に配置されマイクロ波を受け取るか収集する。接地遮蔽はガス流体を受け取るための穴を持ち、ガスフロー管の外部表面に配置されている。

本発明のさらに他の側面によると、マイクロ波を使ってプラズマを発生するための方法が提供される。この方法は、マイクロ波キャビティを準備する工程、ガスフロー管の軸方向に配置されるガスフロー管およびロッド状コンダクタを準備する工程、ロッド状コンダクタの第１の部分をガスフロー管の出口部の隣に位置させロッド状コンダクタの第２の部分をマイクロ波キャビティ内に配置する工程、ガスをガスフロー管に供給する工程、マイクロ波をマイクロ波キャビティに伝搬する工程、伝搬されたマイクロ波を少なくともロッド状コンダクタの第２の部分を使って受信する工程、およびガスをガスフロー管に供給する工程で提供されたガスと、受信する工程で受信されたマイクロ波を使うことでプラズマを発生させる工程を具備している。

本発明のこれらおよび他の利点および特徴は、以下により完全に説明される本発明の詳細を読むことで当業者にとってより明らかとなるであろう。

図１は、本発明の１つの実施態様に係る、マイクロ波キャビティおよびノズルを持つ、マイクロ波プラズマを発生させるためのシステムの概略図である。図示するように、参照符号１０で示されるシステムは、マイクロ波キャビティ２４；マイクロ波をマイクロ波キャビティ２４に供給するためのマイクロ波供給ユニット１１；マイクロ波をマイクロ波供給ユニット１１からマイクロ波キャビティ２４へと伝搬するための導波管１３；およびマイクロ波キャビティ２４に接続されマイクロ波キャビティ２４からマイクロ波を受信しガスタンク３０から受容されるガスおよび／ガス混合物を使って大気プラズマを発生するためのノズル２６を備えている。市販のスライディングショート３２をマイクロ波キャビティ２４に取り付けて、マイクロ波位相を調整することにより、マイクロ波キャビティ２４内におけるマイクロ波エネルギー分布を制御することができる。

マイクロ波供給ユニット１１は、マイクロ波をマイクロ波キャビティ２４に供給するものであり、マイクロ波を発生するためのマイクロ波発生器１２；マイクロ波発生器１２に電力を供給するための電源１４；および、マイクロ波発生器１２に向かって伝搬する反射マイクロ波を放散させるためのダミーロード１６と反射マイクロ波をダミーロード１６へと向かわせるためのサーキュレータ１８とを持つアイソレータ１５を備える。

他の実施態様では、マイクロ波供給ユニット１１は、マイクロ波のフラックスを測定するための結合器２０；およびマイクロ波キャビティ２４から反射されたマイクロ波を緩和するためのチューナ２２をさらに備えることができる。図１に示すマイクロ波供給ユニット１１の構成部材は公知であり本願では説明の目的でのみ挙げるにすぎない。また、マイクロ波供給ユニット１１を、マイクロ波をマイクロ波キャビティ２４に供給する能力を持つシステムと本発明から逸脱することなく取り替えることも可能である。同様に、スライディングショート３２を、マイクロ波供給ユニット１１内に構成できる位相シフタと取り替えてもよい。典型的には、位相シフタはアイソレータ１５と結合器２０との間に搭載される。

図２は、図１の線Ａ−Ａに沿ったマイクロ波キャビティ２４およびノズル２６の部分断面図である。図示されるように、マイクロ波キャビティ２４は、ガスタンク３０からのガスを通すためのガスチャネル４２を形成している壁４１；およびマイクロ波発生器１２から搬送されるマイクロ波を含むためのキャビティ４３を備えている。ノズル２６は、ガスチャネル４２を形成しているキャビティまたは構造体で封止されてそこからガスを受け取るためのガスフロー管４０、マイクロ波キャビティ２４内に設けられてマイクロ波キャビティ２４内でマイクロ波キャビティ２４からマイクロ波を受け取るためのロッド状コンダクタ３４；およびロッド状コンダクタ３４とガスフロー管４０との間に設けられたうず巻状ガイド３６を備えている。うず巻状ガイド３６はそれぞれの素子を所定の位置に固定して保持するように設計できる。

ガスフロー管４０の出口部の少なくともいくつかの部分は導電材料から作成できる。ガスフロー管の外側部分の一部として使用される導電材料は遮蔽として作用し、プラズマ効率を改善する。導電材料を使う出口部の一部は、例えば、ガスフロー管の出口エッジに配置できる。

図３は、図２に示すノズル２６の分解斜視図である。図３に示すように、ロッド状コンダクタ３４およびガスフロー管４０はそれぞれ、うず巻状ガイド３６の内側および外側周辺に係合できる。ロッド状コンダクタ３４はマイクロ波キャビティ２４からマイクロ波を受信するためのアンテナとして機能し、受信されたマイクロ波を先細り先端部３３に集中させてガスフロー管４０を通って流れるガスを使ってプラズマ２８を発生させる。ロッド状コンダクタ３４はマイクロ波を伝導できる材料であればどのような材料からでも作成してよい。ロッド状コンダクタ３４は銅、アルミニウム、白金、金、銀、および他の導電材料から作成できる。ロッド状コンダクタという用語は、円形断面、卵形断面、楕円形断面、または長楕円形断面のようなさまざまな断面、またはそれらのどのような組み合わせも持つコンダクタを網羅することを意図している。ロッド状コンダクタの断面はその２つの部分があいまって鋭角（または鋭利な先端）を形成しマイクロ波がこの領域に集中して装置の効率を低下させるような断面を持たないことが好ましい。

ガスフロー管４０はノズル２６全体を機械的に支持しており、エネルギー損失の非常に低い状態でマイクロ波が通過できる材料であればどのような材料からでも作成してよい。かかる材料は好ましくは石英または他の従来の誘電材料であり得るが、これらに制限されることはない。

うず巻状ガイド３６は少なくとも１つの流路またはチャネル３８を持っている。単一の流路３８（または複数の流路）は図２に示すように管を通って流動するガスにロッド状コンダクタ３４の回りで螺旋状の流動方向を付与する。螺旋状ガス流路３７はプラズマ２８の長さを長くし安定性を高くできる。螺旋状ガス流路３７はまた、螺旋状ガス流路３７がなければプラズマを生み出すのに必要とされるであろう長さよりもコンダクタの長さを短くできる。好ましくは、うず巻状ガイド３６はセラミック材料から作成される。うず巻状ガイド３６は高温にさらされても耐えることのできる非導電材料であればどのような材料からでも作成できる。例えば、やはりマイクロ波透過材料である高温プラスチックがうず巻状ガイド３６に使われる。

図３では、それぞれの貫通穴または流路３８はロッド状コンダクタの長軸に対して角度をつけた状態で概略的に表されており、単一または複数の流路を通って流れるガスにつるまき状またはらせん状の流れが付与されるように形作ることができる。しかしながら、単一または複数の流路は流路がロッド状コンダクタの回りに渦を巻く流動を起こすものであれば他の形状の流路形状であってもよい。

図２に戻って、マイクロ波キャビティ壁４１はガスタンク３０からのガスを入れるためのガスチャネルを形成している。ガスフロー管４０の入口部は壁４１の一部に接続されている。図４（Ａ）〜（Ｃ）は、図２に示されるガス供給システムのさまざまな実施態様を表しており、これらは図２の相手部材に類似の構成部材を備えている。

図４（Ａ）は、図２に示すマイクロ波キャビティおよびノズルアレンジメントの他の実施態様の部分断面図である。この実施態様では、マイクロ波キャビティ４４は、ガスタンク３０に接続されているガス流動チャネル４６を形成している壁４７を備える。ノズル４８はロッド状コンダクタ５０、マイクロ波キャビティ壁４６に接続されているガスフロー管５４、およびうず巻状ガイド５２を備えている。この実施態様では、ガスフロー管５４はエネルギー損失の非常に低い状態でマイクロ波を通過させる材料であればどのような材料からでも作成してよい。その結果、ガスフロー管５４を流れるガスは、ロッド状コンダクタ５０の先細り先端部に到着する前にマイクロ波キャビティ４４内であらかじめ加熱できる。第１の他の実施態様では、ガスフロー管５４の上部５３は誘電材料のようなマイクロ波を実質的に透過させる材料から作成してよく、一方、他の部分５５は、出口部がマイクロ波を実質的に透過させる材料を持つ状態で導電材料から作成してよい。

第２の他の実施態様では、ガスフロー管５４の部分５３は誘電材料から作成でき、部分５５は２つの部分、すなわち、ガスフロー管５４の出口部付近にある誘電材料からなる小部分、および導電材料からなる小部分を備えてよい。第３の他の実施態様では、ガスフロー管５４の部分５３は誘電材料から作成でき、部分５５は２つの部分、すなわち、ガスフロー管５４の出口部付近にある導電材料からなる小部分、および誘電材料からなる小部分を備えてよい。図２の場合と同様に、ロッド状コンダクタ５０の一部によって受信されたマイクロ波は先細り先端部に集中され、ガスを加熱してプラズマ５６にする。

図４（Ｂ）は、図２に示すマイクロ波キャビティおよびノズルの他の実施態様の部分断面図である。図４（Ｂ）では、マイクロ波キャビティ５８全体が、ガスタンク３０に接続されているガス流動チャネルを形成している。ノズル６０は、ロッド状コンダクタ６２、マイクロ波キャビティ５８に接続されているガスフロー管６６、およびうず巻状ガイド６４を備えている。図２の場合と同様に、ロッド状コンダクタ６２の一部によって受信されたマイクロ波は先細り先端部に集中され、ガスを加熱してプラズマ６８にする。

図４（Ｃ）は、図２に示すマイクロ波キャビティおよびノズルのさらに他の実施態様の部分断面図である。図４（Ｃ）では、ノズル７２は、ロッド状コンダクタ７４、ガスタンク３０に接続されたガスフロー管７８、およびうず巻状ガイド７６を備えている。この実施態様では、図４（Ａ）、図４（Ｂ）のシステムとは異なり、マイクロ波キャビティ７０はガスタンク３０に直接接続されていない。ガスフロー管７８を、実質的にマイクロ波を透過させる材料から作成することで、ガスがロッド状コンダクタ７４の先細り先端部に到着する前にマイクロ波キャビティ７０内であらかじめ加熱されるようにしてよい。図２の場合と同様に、ロッド状コンダクタ７４の一部によって収集されたマイクロ波は先細り先端部に集中され、ガスを加熱してプラズマ８０にする。この実施態様では、タンク３０からのガスの流れはマイクロ波キャビティへと延びているガスフロー管７８を通過する。そしてガスは、うず巻状ガイド７６を通って流動し、先細り先端部付近で加熱されプラズマ８０にされる。

図２に示すように、ロッド状コンダクタ３４の部分３５はキャビティ４３内に挿入され、マイクロ波を受け取り収集する。そして、これらのマイクロ波はコンダクタ３４の表面に沿って移動し先細り先端部に集中される。移動するマイクロ波の一部はガスフロー管４０を通る際に失われる場合があるため、図５（Ａ）〜（Ｂ）に示すように、遮蔽メカニズムを使ってノズルの効率および安全性を改善できる。

図５（Ａ）は、図２に示すノズルの他の実施態様の断面図である。図示するように、ノズル９０は、ロッド状コンダクタ９２、ガスフロー管９４、うず巻状ガイド９６、およびガスフロー管９４を通る際のマイクロ波パワー損失を緩和するための内側遮蔽９８を備えている。内側遮蔽９８は管の形状とでき、うず巻状ガイド９６の外側周辺に沿って形成されたくぼみ内に設けることができる。内側遮蔽はロッド状コンダクタ９２の回りの螺旋状の流動方向をさらに制御し、ガスフロー管９４とロッド状コンダクタ９２との間の隙間を変化させることによってプラズマの安定性を高める。

図５（Ｂ）は、図２に示すノズルの他の実施態様の断面図である。図示するように、ノズル１００はロッド状コンダクタ１０２、ガスフロー管１０４、うず巻状ガイド１０６、およびガスフロー管１０４を通る際のマイクロ波パワー損失を緩和するための接地遮蔽１０８を備えている。接地遮蔽１０８はガスフロー管１０４の一部を覆うことができ、銅のような金属から作成できる。内側遮蔽９８と同様、接地遮蔽１０８はロッド状コンダクタ１０２の回りの螺旋状の流動方向をさらに制御し、ガスフロー管１０４とロッド状コンダクタ１０２との間の隙間を変化させることによってプラズマの安定性を高める。

図２および図４（Ａ）〜（Ｃ）に示されたノズルに適用される主な加熱のメカニズムはロッド状コンダクタの先端部に集中されまたこの先端部で放出されるマイクロ波であり、この場合、ノズルは殺菌用非ＬＴＥプラズマを生み出すことができる。イオンおよび中性物質の温度は１００℃未満とできるが、一方、電子の温度は摂氏数万℃までにもなり得る。電子温度を高めノズル効率を高めるために、図５（Ｃ）〜図５（Ｆ）に示すように、ノズルはガスがガスフロー管内にある状態でガスを電子的に励起させる、さらなるメカニズムを備えることができる。

図５（Ｃ）は、図２に示すノズルのさらに他の実施態様の断面図である。図示するように、ノズル１１０はロッド状コンダクタ１１２、ガスフロー管１１４、うず巻状ガイド１１６、およびガスフロー管１１４内を流れるガスを電子的に励起させるための一対の外側磁石１１８を備えている。一対の外側磁石１１８はそれぞれが、ガスフロー管１１４の外側表面の周りに設けられた例えば半円形の断面を持つ筒の一部として形作ることができる。

図５（Ｄ）は、図２に示すノズルのさらに他の実施態様の断面図である。図示するように、ノズル１２０はロッド状コンダクタ１２２、ガスフロー管１２４、うず巻状ガイド１２６、およびガスフロー管１２４内にうず巻状ガイド１２６によって固定され、ガスフロー管１２５を流れるガスを電子的に励起させるための一対の内側磁石１２８を備えている。一対の内側磁石１２８はそれぞれが、例えば半円形の断面を持つ筒の一部として形作ることができる。

図５（Ｅ）は、図２に示すノズルのさらに他の実施態様の断面図である。図示するように、ノズル１３０はロッド状コンダクタ１３２、ガスフロー管１３４、うず巻状ガイド１３６、一対の外側磁石１３８、および内側遮蔽１４０を備えている。外側磁石１３８はそれぞれが、例えば半円形の断面を持つ管の一部として形作られる。他の実施態様では、内側遮蔽１４０はほぼ管の形状である。

図５（Ｆ）は、図２に示すノズルの他の実施態様の断面図である。図示するように、ノズル１４２は、ロッド状コンダクタ１４４、ガスフロー管１４６、うず巻状ガイド１４８、アノード１５０、およびカソード１５２を備えている。アノード１５０およびカソード１５２は、電源（簡素化のため図示せず）に接続されている。このアレンジメントでは、アノード１５０およびカソードにより、ガスフロー管１４６を流れるガスを電子的に励起することが可能となる。アノードおよびカソードは電磁界を発生するがこれはガスが磁界を通過する際にガスを充填するものである。これによりプラズマにより高いエネルギー電位を持たせることができその結果プラズマの平均寿命期間が改善される。

図５（Ａ）〜（Ｆ）は、図２に示すノズルのさまざまな実施態様の断面図である。図４（Ａ）〜（Ｃ）に示すノズルの代わりに、図５（Ａ）〜（Ｆ）に示されるさまざまな他の実施態様もまた使えることが理解されるはずである。

図２、図３に示す例では、ガスフロー管４０はまっすぐな管として例示されている。しかしながら、図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ガスフロー管４０の断面形状をその長さに沿って変えて、螺旋状の流動方向３７を先端部３３に向かわせるようにしてよい。例えば、図６（Ａ）はノズル２６（図２）の他の実施態様の部分断面図である。図示されるように、ノズル１６０はロッド状コンダクタ１６６、およびストレート部１６３と円錐台形部１６４とを有するガスフロー管１６２を備えている。図６（Ｂ）はノズル２６のさらに他の実施態様の断面図であり、この場合、ガスフロー管１７０はストレート部１７３、および例えばベル状部１７２のような曲線部を持っている。

図６（Ｃ）は、ノズル２６（図２）のさらに他の実施態様の断面図である。図示するように、ノズル１７６はロッド状コンダクタ１８２およびガスフロー管１７８を持ってよく、この場合、ガスフロー管１７８はストレート部１８０、およびプラズマプルームの長さを長くしプルームの安定性を改善するための延長案内部１８１を持っている。図６（Ｄ）は、ノズル２６のさらに他の実施態様の断面図である。図示するように、ノズル１８４はロッド状コンダクタ１８８およびガスフロー管１８６を持ってよく、この場合、ガスフロー管１８６はストレート部１８７、およびプラズマプルームの形状を改変するためのプルーム改変部１８３を持っている。

図６（Ｅ）および図６（Ｆ）はそれぞれ、図６（Ｄ）に示すガスフロー管１８６の斜視図および上面図である。ガスフロー管１８６の入口１９２はほぼ円形の形状であってよく、一方出口１９０はほぼ細いスリットの形状であってよい。プルーム改変部１８３はプラズマプルームの断面形状を先細り先端部におけるほぼ円形から出口１９０におけるほぼ狭いストリップへと変更できる。

図６（Ｇ）は、ノズル２６のさらに他の実施態様の断面図である。図示するように、ノズル１９３はロッド状コンダクタ１９４およびガスフロー管１９５を持ってよく、この場合、ガスフロー管１９５はストレート部１９６、およびプラズマプルームの直径を拡大するためのプルーム拡大部１９７を持っている。

図６（Ｈ）および図６（Ｉ）はそれぞれ、図６（Ｇ）に示すガスフロー管１９５の斜視図および上面図である。プルーム拡大部１９７はほぼベル型形状を持ってよく、この場合、プルーム拡大部１９７の出口１９９は入口よりも大きな直径を持っている。プラズマがロッド状コンダクタの先端部から出口１９９へと移動するにつれて、プラズマプルームの直径は大きくなり得る。

図２に示すように、マイクロ波はマイクロ波キャビティ２４内へと延びているロッド状コンダクタ３４の受信部３５によって受け取られる。これらのマイクロ波はロッド状コンダクタを下り先細り先端部３３へと向かう。より詳細には、マイクロ波はロッド状コンダクタ３４によって受け取られその表面に沿って移動する。マイクロ波の浸透および移動の原因である表皮の深さはマイクロ波周波数とコンダクタ材料の関数である。マイクロ波浸透距離はミリメートル未満とできる。従って、中空部２０１を持つ図７（Ａ）のロッド状コンダクタ２００は、ロッド状コンダクタの他の実施態様である。

いくつかの貴金属が良好なマイクロ波コンダクタであることは公知である。従って、ロッド状コンダクタの性能を妥協させることなく装置の単価を安くするには、ロッド状コンダクタの表皮層を良好なマイクロ波コンダクタである貴金属から製造すると同時に、コアの内部により安価な導電材料を使うとよい。図７（Ｂ）はロッド状コンダクタのさらに他の実施態様の断面図であり、ロッド状コンダクタ２０２は、貴金属から製造される表皮層２０６と、より安価な導電材料から製造されているコア層２０４とを備えている。

図７（Ｃ）は、ロッド状コンダクタのさらに他の実施態様の断面図である。このロッド状コンダクタ２０８は、円錐状に先細りとなっている先端部２１０を備えている。他の断面の変形例もまた使用できる。例えば、円錐状に先細りの先端部２１０はロッドコンダクタ２０８の他の部分よりもプラズマによってより早くに腐食する可能性があるため、定期的に取り替える必要がある場合がある。

図７（Ｄ）は、ロッド状コンダクタのさらに他の実施態様の断面図であり、ロッド状コンダクタ２１２は鋭利な先端部の代わりにとがっていない先端部２１４を持っておりその寿命が長くなっている。

図７（Ｅ）は、ロッド状コンダクタのさらに他の実施態様の断面図であり、ロッド状コンダクタ２１６は適切な固定メカニズム２２２（この場合は、先細り部２１８はスクリュー端部２２２を使って円筒状部２２０にねじ込める）によって円筒状部分２２０に固定されている先細り部２１８を備え、交換が簡単かつ迅速に行えるようになっている。

図７（Ｆ）〜（Ｉ）は、ロッド状コンダクタのさらに他の実施態様の断面図を示している。図示されるように、ロッド状コンダクタ２２１、２２４、２２８、および２３４はそれぞれの相手部材３４（図２）、２００（図７（Ａ））、２０２（図７（Ｂ））、および２１６（図７（Ｅ））にそれぞれ類似であるが、プラズマによる腐食率を小さくするためにとがっていない先端部を持つ点が異なっている。

図８は、本発明の他の実施態様に係る、マイクロ波キャビティ及びノズルを持つマイクロ波プラズマを発生するためのシステムの概略図である。図示するように、システムは、マイクロ波キャビティ３２４；マイクロ波をマイクロ波キャビティ３２４に供給するためのマイクロ波供給ユニット３１１；マイクロ波をマイクロ波供給ユニット３１１からマイクロ波キャビティ３２４へと搬送するための導波管３１３；およびマイクロ波キャビティ３２４からマイクロ波を受け取り、ガスタンク３３０から受け取られたガスおよび／またはガス混合物を使って大気プラズマ３２８を発生するための、マイクロ波キャビティ３２４に接続されたノズル３２６を備えることができる。システム３１０はシステム１０（図１）に似ているが、ノズル３２６がガスタンク３３０からガスラインまたは管３４３を介して直接ガスを受け入れるようになっている点で異なっている。

図９は、図８の線Ｂ−Ｂに沿った、マイクロ波キャビティ３２４およびノズル３２６の部分断面図を表している。図示されるように、ノズル５００は、ガスフロー管５０８；ガスフロー管５０８を通るマイクロ波損失を緩和するために設けられ、キャビティ壁３４２で封止され、ガスフロー管５０８がぴったりと嵌合されている接地遮蔽５１０；マイクロ波キャビティ３２４内に配置された部分５０４を持ち、マイクロ波キャビティ３２４内でマイクロ波キャビティ３２４に存在するマイクロ波を受信するロッド状コンダクタ５０２；ロッド状コンダクタ５０２と接地遮蔽５１０との間に配置され、接地遮蔽５１０に対してロッド状コンダクタ５０２を確実に保持するよう構成されている位置ホルダ５０６；およびガスラインまたは管３４３を接地遮蔽５１０に結合するためのガス供給メカニズム５１２を備えている。位置ホルダ５０６、接地遮蔽５１０、ロッド状コンダクタ５０２、およびガスフロー管５０８は、それぞれうず巻状ガイド３６（図２）、接地遮蔽１０８（図５（Ｂ））、ロッド状コンダクタ３４（図３）、およびガスフロー管４０（図３）と同じ材料から製造してよい。例えば、接地遮蔽５１０は金属から、好ましくは銅から製造してよい。ガスフロー管５０８は一般的な誘電材料から、好ましくは石英から製造してよい。

図９に図示するように、ノズル５００は、ガス供給メカニズム５１２を通してガスを受容できる。ガス供給メカニズム５１２はガスライン３４３を接地遮蔽５１０に結合でき、例えば、米国、インディアナ州のインディアナポリスに所在するＳＭＣ社によって製造されている油圧式ワンタッチ取り付け具（モデル番号ＫＱ２Ｈ０５−３２）であってよい。ガス供給メカニズム５１２の一端は、接地遮蔽３６０の穿孔または穴５１４のエッジに形成されている雌ねじと噛み合うねじ付きボルトを持っている（図１０に図示するとおり）。本発明は、ガスライン３４３を接地遮蔽５１０に結合できる他の適切なタイプのガス供給メカニズムを使って実施できることがわかる。

図１０は、図９に図示するノズル３３６の分解斜視図である。図示するように、ロッド状コンダクタ５０２および接地遮蔽５１０はそれぞれ位置ホルダ５０６の内側および外側周辺部と係合できる。ロッド状コンダクタ５０２はマイクロ波キャビティ３２４からマイクロ波を受信するアンテナとして作用する部分５０４を持っている。受信されたマイクロ波はロッド状コンダクタ５０２に沿って移動し、ガスフロー管５０８を通って流動するガスを使ってプラズマ５０５を発生する。ロッド状コンダクタ３４の場合（図３）と同様に、ロッド状コンダクタという用語は、円形断面、楕円形断面、長円形断面、または長楕円形断面のようなさまざまな断面、またはそれらのどのような組み合わせも持つコンダクタを網羅することを意図している。

ロッド状コンダクタ５０２は、図７（Ａ）〜（Ｉ）に表されるさまざまな実施態様のうちの１つであり得ることが分かる。例えば、図１１（Ａ）はノズル５２０の他の実施態様を表しており、図７（Ｆ）に描かれているロッド状コンダクタ２２１と同じロッド状コンダクタ５２４を持っている。

図１１（Ｂ）は、図９に示されるノズルの他の実施態様の断面図である。図示されるように、ノズル５３４はロッド状コンダクタ５３６、接地遮蔽５３８、接地遮蔽５３８の内側表面にぴったりと嵌合された外側表面を持つガスフロー管５４０、位置ホルダ５４２、およびガス供給メカニズム５４４を備えることができる。ガスフロー管５４０は壁に穴を持つことでガス通路を形成でき、位置ホルダ５４２の外側周辺に沿って形成されたくぼみに固定できる。

参照符号５０８のガスフロー管（図１０）は、図６（Ａ）−図６（Ｉ）に表される実施態様に類似の他の実施態様を持ってよい。例えば、図１１（Ｃ）−図１１（Ｅ）は、プルーム改変部５５２、延長案内部５６４、およびプルーム拡大部５８０をそれぞれ持つノズル５００の他の実施態様の断面図である。

図１２は、参照符号６００で表されるフローチャートであり、図１および図８に描かれるシステムを使ってマイクロ波プラズマを発生するためのアプローチとして取られる例示的な工程を表している。工程６０２では、マイクロ波キャビティ、およびガスフロー管およびロッド状コンダクタを持つノズルが設けられて、この場合、ロッド状コンダクタはガスフロー管の軸方向に配置される。次に、工程６０４で、ロッド状コンダクタの一部がマイクロ波キャビティ内に配置される。また、ロッド状コンダクタの先端部はガス流動の出口に隣接して位置される。そして、工程６０６で、ガスがガスフロー管に注入され、そして工程６０８で、マイクロ波がマイクロ波キャビティに導入される。次に、工程６１０で、搬送されたマイクロ波がロッド状コンダクタの構成された部分に受信される。その結果、工程６１２で、受信されたマイクロ波はロッド状コンダクタの先端部に集中され、ガスを加熱してプラズマにする。

本発明をその具体的な実施態様を参照して説明してきたが、上述のものは本発明の好ましい実施態様に関連しており、以下の特許請求の範囲に規定されるような本発明の精神および範囲から逸脱することなく改変を行い得ることが理解されるはずである。

本発明の第１の実施態様に係る、マイクロ波キャビティおよびノズルを持つプラズマ発生システムの概略図である。 マイクロ波キャビティおよびノズルの図１に示すＡ−Ａ線に沿った部分断面図である。 図３は、図２に表すノズルに備えられているガスフロー管、ロッド状コンダクタおよびうず巻状ガイドの分解図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、マイクロ波キャビティおよびノズルの他の実施態様を示す、図１に示す線Ａ−Ａに沿った部分断面図である。 （Ａ）〜（Ｆ）は、図２に示すガスフロー管、ロッド状コンダクタおよびうず巻状ガイドの他の実施例の断面図であり、ノズル効率を改善するさらに他の構成部材を含む態様を示している。 （Ａ）〜（Ｄ）は、図２に示すガスフロー管の他の実施態様の断面図であり、ガスフロー管の出口部の４つの異なる形状を含む構成を示している。（Ｅ）〜（Ｆ）はそれぞれ、図６（Ｄ）に表すガスフロー管の斜視図および上面図である。（Ｇ）は、図２に示すガスフロー管のさらに他の実施態様の断面図を示している。（Ｈ）、（Ｉ）はそれぞれ、図６（Ｇ）に表すガスフロー管の斜視図および上面図である。 （Ａ）〜（Ｉ）は、図２に示すロッド状コンダクタの他の実施態様である。 本発明の第２の実施態様に係る、マイクロ波キャビティおよびノズルを持つプラズマ発生システムの概略図である。 図８に示すＢ−Ｂ線に沿ったマイクロ波キャビティおよびノズルの部分断面図である。 図９に示すノズルの分解斜視図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は、図９に示すノズルの他の実施態様の断面図であり、ノズルのガスフロー管およびロッド状コンダクタのさまざまな構成を含む態様を示している。 本発明に係る図１および図８に示すシステムを使ってマイクロ波プラズマを発生させるための例示的な工程を表すフローチャートである。

符号の説明

１１ マイクロ波供給ユニット
１２ マイクロ波発生器
１３ 導波管
１４ 電源
１５ アイソレータ
１６ ダミーロード
１８ サーキュレータ
２４ マイクロ波キャビティ
２６ ノズル
２８ プラズマ
３４ ロッド状コンダクタ
３６ うず巻状ガイド
３７ 螺旋状ガス流路
４０ ガスフロー管
４１ 壁

Claims (8)

1. マイクロ波が伝搬する空間を形成するキャビティ壁を備えるマイクロ波キャビティと、
   誘電材料を含む出口部を持ち、その中にガスが流されるガスフロー管と、
   前記ガスフロー管内に配置されるロッド状コンダクタと、
   一端部と他端部とを備えた筒状体であって、前記ガスフロー管の外部表面に配置され、前記マイクロ波キャビティのキャビティ壁に前記一端部側が取り付けられると共に前記ガスフロー管を通る際のマイクロ波パワー損失を緩和するように構成され、ガス流を受け入れるための穴を持つ接地遮蔽と、
   前記マイクロ波キャビティ内を通過することなく配管され、前記ガスを供給するための管であって、前記接地遮蔽の前記穴に終端が接続されるガス供給管と、
   前記ロッド状コンダクタと前記接地遮蔽との間に配置され、前記接地遮蔽に対してロッド状コンダクタを固定して保持するための位置ホルダと、を備え、
   前記ロッド状コンダクタは、
   マイクロ波を受信するために前記マイクロ波キャビティ内に配置される受信部と、該受信部に連なる先端部とを含み、
   前記受信部は、受信したマイクロ波を伝搬して前記先端部に集中させるものであり、前記先端部が前記ガスフロー管の前記出口部及び前記接地遮蔽の前記他端部の近傍に配置されていることを特徴とするプラズマ発生システム。
2. 前記ロッド状コンダクタと前記ガスフロー管との間に配置され、前記ロッド状コンダクタの長軸に対して角度の付けられた少なくとも１つの流路を形成し、前記少なくとも１つの流路に沿って通過するガスに前記ロッド状コンダクタの回りに螺旋状の流動方向を付与するうず巻状ガイドをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生システム。
3. 前記ロッド状コンダクタは、円形の断面を持つことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生システム。
4. 前記ガスフロー管は、石英からなることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生システム。
5. 前記ロッド状コンダクタは、その中に空間を区画する部分を備えていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生システム。
6. 前記先端部は、先細りであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生システム。
7. 前記ロッド状コンダクタは、２つの異なる材料からなることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ発生システム。
8. 前記ロッド状コンダクタは、取り外し可能な固定メカニズムによって接続されている２つの部分を備えることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生システム。

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