JP5241578B2 - Induction thermal plasma generation method and apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、誘導熱プラズマ発生方法に係り、特に、インピーダンス整合回路を介して高周波電力を誘導コイルに供給することにより熱プラズマを発生させる方法、並びにこの方法により熱プラズマを発生させる装置に関する。 The present invention relates to an induction thermal plasma generation method, and more particularly to a method for generating thermal plasma by supplying high-frequency power to an induction coil via an impedance matching circuit, and an apparatus for generating thermal plasma by this method.
一般に、熱プラズマは、プラズマ全体が高温で熱容量が大きく、被加熱物を迅速に加熱することができ、さらに外部から電磁界を印加することで熱プラズマ流を制御して所望の温度、速度、形状を有する熱プラズマを発生させることができる。このため、酸化物の還元、プラズマ溶射皮膜の生成、プラズマCVD(化学気相成長)法、MHD(電磁流体)発電、高融点金属の粉末生成等に広く応用されている。 In general, thermal plasma has a high temperature and a large heat capacity, and can quickly heat an object to be heated. Further, by applying an electromagnetic field from the outside, the thermal plasma flow is controlled to achieve a desired temperature, speed, A thermal plasma having a shape can be generated. For this reason, it is widely applied to oxide reduction, plasma spray coating generation, plasma CVD (chemical vapor deposition) method, MHD (electromagnetic fluid) power generation, powder generation of refractory metal, and the like.
中でも高周波誘導熱プラズマは、反応性豊かな高温の熱プラズマ空間を無電極状態で実現することができるため、電極間のアーク放電を利用する直流プラズマと比較して、電極金属のスパッタリングや溶融による汚染問題から開放されたクリーンな高温、高速のプラズマ媒体を形成することが可能であるという特徴を有している。この特徴は、不純物混入が極めて少なく且つ任意の媒体中(不活性雰囲気、酸化雰囲気、還元雰囲気等)で反応を促進させることができるという点で原料生成分野では非常に有利である。 In particular, high-frequency induction thermal plasma can realize a high-temperature hot plasma space rich in reactivity without an electrode. Therefore, compared to direct-current plasma that uses arc discharge between electrodes, it is based on sputtering and melting of electrode metal. It has a feature that it is possible to form a clean, high-temperature, high-speed plasma medium that is free from contamination problems. This feature is very advantageous in the raw material production field in that the contamination with impurities is extremely small and the reaction can be promoted in any medium (inert atmosphere, oxidizing atmosphere, reducing atmosphere, etc.).
このような高周波誘導熱プラズマを発生させる装置として、例えば特許文献1に、図8に示されるような誘導結合プラズマ装置が開示されている。
三相交流電源10に三相全波整流回路12及び平滑コンデンサ14を介してMOSFETインバータ回路16が接続されている。また、プラズマトーチ18の放電管20の周囲に誘導コイル22が巻回されており、この誘導コイル22の両端部にインピーダンス整合回路24を介してMOSFETインバータ回路16の出力端が接続されている。
As an apparatus for generating such high-frequency induction thermal plasma, for example,
A
インピーダンス整合回路24は、インバータ回路16からの電力を効率よく放電管20内部のプラズマに供給するために、プラズマ負荷を含めた負荷インピーダンスの共振周波数をインバータ回路16の駆動周波数領域内となるようにインピーダンス整合を行うもので、整合用トランス26と共振コンデンサ28及び30から構成されている。整合用トランス26の一次側コイルがインバータ回路16の出力端に接続され、整合用トランス26の二次側コイルと誘導コイル22との間に共振コンデンサ28及び30が接続されている。そして、整合用トランス26の二次側コイルと共振コンデンサ28及び30と誘導コイル22とで直列共振回路32が形成され、共振コンデンサ28及び30の静電容量を変えることにより、プラズマ負荷を含めた負荷インピーダンスの共振周波数を調整することができる。
The
通常は、誘導コイル22の両端部にそれぞれ接続された共振コンデンサ28及び30として、互いにほぼ同一の静電容量を有するものが選択され、誘導コイル22に高周波電流を流したときに誘導コイル22のほぼ中央部に中性電位が形成されるように構成されている。
Normally, as the
三相交流電源10から供給された三相交流は、三相全波整流回路12で整流されると共に平滑コンデンサ14で平滑化された後、インバータ回路16によって高周波電力に変換され、インピーダンス整合回路24を通して誘導コイル22に供給される。このようにして誘導コイル22に高周波の大電流を流すことにより、予め減圧状態とされた放電管20の内部に導入されたガスに高電圧が印加され、熱プラズマが着火される。
The three-phase alternating current supplied from the three-phase alternating
しかしながら、上述したような従来の誘導結合プラズマ装置では、プラズマの発生を実現するために、放電管20の内部を極めて真空度の高い状態にまで減圧した上で、誘導コイル22に大きなコイル電圧を印加してプラズマを発生させる必要がある。また、特開昭61-161138号公報には、高周波誘導コイルの中心部に金属片を配置した状態で誘導加熱し、金属片から放出される熱電子を引金としてプラズマを発生させる方法、およびプラズマ空間を減圧して発生させたグロー放電を火種としてプラズマを発生させる方法が開示されている。さらに、特開昭62−86700号公報に記載のように、減圧したプラズマ空間にテスラコイルを用いて電圧を印加することにより発生する高電圧をトリガーとしてプラズマを発生させる方法もある。
本発明は、このような問題点を解消するためになされたもので、従来よりも高い圧力下あるいは従来よりも小さなコイル電圧の印加で熱プラズマを発生させることができる誘導熱プラズマ発生方法及び装置を提供することを目的とする。
However, in the conventional inductively coupled plasma apparatus as described above, in order to realize the generation of plasma, the inside of the
The present invention has been made to solve such problems, and an induction thermal plasma generation method and apparatus capable of generating thermal plasma under a higher pressure than before or by applying a coil voltage smaller than that of the prior art. The purpose is to provide.
本発明に係る誘導熱プラズマ発生方法は、キャパシタンス手段を含むインピーダンス整合回路を介して高周波電力を誘導コイルに供給することにより熱プラズマを発生させる誘導熱プラズマ発生方法において、キャパシタンス手段は、誘導コイルの一端側と他端側にそれぞれ接続された一対の容量調整可能なキャパシタンスを有し、少なくとも熱プラズマの着火時に一対のキャパシタンスの容量を互いに異ならせ、熱プラズマの着火後には一対のキャパシタンスの容量を互いにほぼ等しくすることを特徴とする。 An induction thermal plasma generation method according to the present invention is an induction thermal plasma generation method for generating thermal plasma by supplying high frequency power to an induction coil via an impedance matching circuit including capacitance means. It has a pair of adjustable capacitances connected to one end side and the other end side, respectively, and at least when the thermal plasma is ignited, the capacitance of the pair of capacitances is different from each other. and wherein approximately equal to Rukoto each other.
本発明に係る誘導熱プラズマ発生装置は、キャパシタンス手段を含むインピーダンス整合回路を介して高周波電力を誘導コイルに供給することにより熱プラズマを発生させる誘導熱プラズマ発生装置において、キャパシタンス手段は、誘導コイルの一端側と他端側にそれぞれ接続された一対の容量調整可能なキャパシタンスを有し、一対のキャパシタンスは、少なくとも熱プラズマの着火時に互いに異なる容量に設定され、熱プラズマの着火後には互いにほぼ等しい容量に設定されることを特徴とする。 The induction thermal plasma generating apparatus according to the present invention, the induction thermal plasma generator for generating thermal plasma by supplying high frequency power to the induction coil through an impedance matching circuit including the capacitance means, the capacitance means, the induction coil has one end and the other end a pair of capacitance adjustable capacitance connected respectively to the pair of capacitance is set to different capacity upon ignition of at least the thermal plasma, approximately equal to each other after the ignition of the thermal plasma characterized Rukoto set to capacity.
さらに、熱プラズマが着火したか否かを判定する着火判定手段と、着火判定手段により熱プラズマがまだ着火しないと判定されたときには一対のキャパシタンスを互いに異なる容量に設定し、着火判定手段により熱プラズマが着火したと判定された後は一対のキャパシタンスを互いにほぼ等しい容量に設定する制御手段とを備えることが好ましい。 Et al is a ignition determination means for determining whether the thermal plasma is ignited, when the thermal plasma is determined not yet ignited by ignition determination means set to different capacity pair of capacitance, the ignition determination means after the thermal plasma is determined to be ignited is preferably provided with a control means for setting substantially have equal capacity to each other a pair of capacitance.
本発明によれば、少なくとも熱プラズマの着火時にインピーダンス整合回路のキャパシタンス手段の容量を誘導コイルの一端側と他端側とで互いに所定値以上の比率となるように偏らせることにより、容量の偏りがない場合と比べて、誘導コイルの一端側または他端側とプラズマトーチの端部との間により大きな電圧が生成され、従来よりも高い圧力下あるいは従来よりも小さなコイル電圧の印加で熱プラズマを発生させることが可能になるという効果を奏する。 According to the present invention, at least when the thermal plasma is ignited, the capacitance of the impedance matching circuit is biased so that the capacitance of the capacitance means is equal to or greater than a predetermined value on one end side and the other end side of the induction coil. Compared to the case where there is no voltage, a larger voltage is generated between one end or the other end of the induction coil and the end of the plasma torch, and thermal plasma is applied under a higher pressure than before or by applying a smaller coil voltage than before. It is possible to generate the effect.
以下、図面に示す好適な実施の形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
実施の形態1
図1に、本発明の実施の形態1に係る誘導熱プラズマ発生装置の構成を示す。三相交流電源10に三相全波整流回路12及び平滑コンデンサ14を介してMOSFETインバータ回路16が接続されている。また、プラズマトーチ18の放電管20の周囲に誘導コイル22が巻回されており、この誘導コイル22の両端部にインピーダンス整合回路34を介してMOSFETインバータ回路16の出力端が接続されている。
すなわち、実施の形態1に係る誘導熱プラズマ発生装置は、図8に示した従来の装置において、インピーダンス整合回路24の代わりにインピーダンス整合回路34をインバータ回路16と誘導コイル22との間に接続したものである。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the drawings.
FIG. 1 shows the configuration of an induction thermal plasma generator according to
That is, the induction thermal plasma generation apparatus according to the first embodiment has an impedance matching
インピーダンス整合回路34は、整合用トランス26と共振コンデンサ36とを有しており、整合用トランス26の一次側コイルがインバータ回路16の出力端に接続され、整合用トランス26の二次側コイルの一端26aと誘導コイル22の一端22aとの間に共振コンデンサ36が接続されている。整合用トランス26の二次側コイルの他端26bと誘導コイル22の他端22bは、互いに直結されている。
整合用トランス26の二次側コイルと共振コンデンサ36と誘導コイル22とで直列共振回路38が形成されている。共振コンデンサ36の静電容量(以下、容量とする)Cは、プラズマ負荷を含めた直列共振回路38の共振周波数がインバータ回路16の駆動周波数領域内となるように設定される。この共振コンデンサ36により、本発明のキャパシタンス手段が構成されている。
The impedance matching
A
なお、プラズマトーチ18の放電管20は、例えばそれぞれ石英製の内筒と外筒からなる二重管構造を有しており、内筒と外筒との間に冷却水を循環させて水冷することにより、プラズマトーチ18内で発生した熱プラズマ炎からの熱を受けた内筒が高温になり過ぎるのを防止するように構成されている。放電管20の上端部及び下端部は、それぞれプラズマトーチ18を構成する。
The
次に、この実施の形態1に係る誘導熱プラズマ発生装置の動作について説明する。
三相交流電源10から供給された三相交流は、三相全波整流回路12で整流されると共に平滑コンデンサ14で平滑化された後、インバータ回路16によって高周波電力に変換され、インピーダンス整合回路32を通して誘導コイル22に供給される。
Next, the operation of the induction thermal plasma generator according to the first embodiment will be described.
The three-phase alternating current supplied from the three-phase alternating
このとき、図2に示されるように、整合用トランス26の二次側コイルには、整合用トランス26の巻き数比に応じて変圧された高周波電圧V0が発生し、これにより共振コンデンサ36に高周波電流が流れ、共振コンデンサ36の両端間に電圧V1が生成される。ここで、直列共振回路38の共振周波数がインバータ回路16の駆動周波数に近い場合には、直列共振回路38のインピーダンスが小さくなって直列共振回路38を大きな電流が流れるため、共振コンデンサ36の両端間の電圧V1は整合用トランス26の二次側コイルの高周波電圧V0に対してV0≪V1の関係を有し、誘導コイル22の両端間にV1とほぼ等しい高電圧が印加されることとなる。さらに、二次側コイルのほぼ中央部Aに中性電位が形成され、放電管20の上端部及び下端部も電気的に接地された金属部品で支持されることにより中性電位となっているので、整合用トランス26の二次側コイルの他端26bに直結されている誘導コイル22の他端22bと放電管20の下端部との間の電圧はV0となるが、誘導コイル22の一端22aと放電管20の上端部との間にはV1とほぼ等しい高電圧が形成される。そして、予め減圧状態とされた放電管20の内部に導入されたガスにこの高電圧が印加され、熱プラズマが着火される。
At this time, as shown in FIG. 2, a high-frequency voltage V0 transformed according to the turn ratio of the matching
比較のために、図8に示した従来の誘導熱プラズマ発生装置における直列共振回路32の回路図を図3に示す。この直列共振回路32では、互いに直列に接続された一対の共振コンデンサ28及び30が存在するので、図2に示した本実施の形態1における直列共振回路38と回路のインピーダンスを揃えるために、本実施の形態1の共振コンデンサ36の容量Cに対して、これら共振コンデンサ28及び30の容量をそれぞれ2Cとする。
For comparison, FIG. 3 shows a circuit diagram of a
整合用トランス26の二次側コイルに高周波電圧V0が発生すると、一対の共振コンデンサ28及び30にそれぞれ高周波電流が流れ、これら共振コンデンサ28及び30の両端間にそれぞれ電圧V1/2が生成される。このため、整合用トランス26の二次側コイルのほぼ中央部Aに中性電位が形成されると共に誘導コイル22のほぼ中央部Bに中性電位が形成される。ここで、直列共振回路32の共振周波数がインバータ回路16の駆動周波数に近い場合には、電圧V1/2と電圧V0の間にV0≪V1/2の関係が成立するので、誘導コイル22の他端22bと中央部Bとの間及び誘導コイル22の一端22aと中央部Bとの間にそれぞれV1/2とほぼ等しい電圧が形成される。さらに、放電管20の上端部及び下端部も中性電位となっているので、誘導コイル22の他端22bと放電管20の下端部との間及び誘導コイル22の一端22aと放電管20の上端部との間にもV1/2とほぼ等しい電圧が形成されることとなる。このように、誘導コイル22の両端にそれぞれ容量2Cの共振コンデンサ28及び30が接続された直列共振回路32を用いた場合には、放電管20内のガスに印加される電圧は、ほぼV1/2となる。
When the high-frequency voltage V0 is generated in the secondary coil of the matching
すなわち、本実施の形態1では、誘導コイル22の両端のうち一端22a側にのみ共振コンデンサ36を接続することにより、誘導コイル22の両端にそれぞれ同一容量の共振コンデンサ28及び30が接続された従来の回路に比べて、ほぼ2倍の電圧を放電管20内のガスに印加することが可能となる。このため、熱プラズマが発生しやすくなり、従来よりも高い圧力下あるいは従来よりも小さな高周波電力の供給で熱プラズマを発生させることができる。
That is, in the first embodiment, the
実施の形態2
図4に、実施の形態2に係る誘導熱プラズマ発生装置の構成を示す。この誘導熱プラズマ発生装置は、図1に示した実施の形態1の装置において、インピーダンス整合回路34の代わりにインピーダンス整合回路40をインバータ回路16と誘導コイル22との間に接続したものである。その他の回路及び要素は、実施の形態1の装置で使用されたものと同様である。
FIG. 4 shows the configuration of the induction thermal plasma generator according to the second embodiment. In this induction thermal plasma generator, an
インピーダンス整合回路40は、整合用トランス26と共振コンデンサ42及び44とを有しており、整合用トランス26の二次側コイルの一端26aと誘導コイル22の一端22aとの間に共振コンデンサ42が、整合用トランス26の二次側コイルの他端26bと誘導コイル22の他端22bとの間に共振コンデンサ44がそれぞれ接続されている。整合用トランス26の二次側コイルと共振コンデンサ42及び44と誘導コイル22とで直列共振回路46が形成されている。共振コンデンサ42及び44は、互いに所定値以上の比率rとなるように偏った容量C1及びC2を有している。例えば、C2=r・C1となるように設定される。ただし、r>1とする。これらの共振コンデンサ42及び44により、本発明のキャパシタンス手段が構成されている。
The
このように、容量C1の共振コンデンサ42と容量C2(=r・C1)の共振コンデンサ44とが直列共振回路46内に互いに直列に接続されているので、整合用トランス26の二次側コイルに高周波電圧V0が発生すると、共振コンデンサ42の両端間には、共振コンデンサ44の両端間に生成される電圧のr倍の電圧が生成される。このため、直列共振回路46の共振周波数がインバータ回路16の駆動周波数に近い場合には、誘導コイル22の中央部Bよりも他端22b側に偏った位置に中性電位が形成され、誘導コイル22の一端22aと放電管20の上端部との間に共振コンデンサ42の両端間電圧とほぼ等しい高電圧が形成されることとなる。
その結果、実施の形態1と同様に、従来よりも高い圧力下あるいは小さなコイル電圧の印加で熱プラズマを発生させることができるようになる。
In this manner, the
As a result, as in the first embodiment, it is possible to generate thermal plasma under a higher pressure than before or by applying a small coil voltage.
実施の形態3
図5に、実施の形態3に係る誘導熱プラズマ発生装置の構成を示す。この誘導熱プラズマ発生装置は、図4に示した実施の形態2の装置において、インピーダンス整合回路40の代わりにインピーダンス整合回路48をインバータ回路16と誘導コイル22との間に接続すると共に、インバータ回路16の入力電流及び入力電圧をそれぞれ検出する電流センサ50及び電圧センサ52を配置し、これら電流センサ50及び電圧センサ52に判定回路54及び制御回路56を順次接続したものである。その他の回路及び要素は、実施の形態2の装置で使用されたものと同様である。
Embodiment 3
FIG. 5 shows the configuration of the induction thermal plasma generator according to the third embodiment. In this induction thermal plasma generator, the
インピーダンス整合回路48は、整合用トランス26と可変コンデンサ58及び60とを有しており、整合用トランス26の二次側コイルの一端26aと誘導コイル22の一端22aとの間に可変コンデンサ58が、整合用トランス26の二次側コイルの他端26bと誘導コイル22の他端22bとの間に可変コンデンサ60がそれぞれ接続されている。整合用トランス26の二次側コイルと可変コンデンサ58及び60と誘導コイル22とで直列共振回路62が形成されている。これら可変コンデンサ58及び60により、本発明のキャパシタンス手段が構成されている。
The
判定回路54は、電流センサ50及び電圧センサ52で検出されたインバータ回路16の入力電流及び入力電圧に基づいてプラズマトーチ18の放電管20内で熱プラズマが着火したか否かを判定するものである。
また、制御回路56は、判定回路54による判定結果に基づいてインピーダンス整合回路48の可変コンデンサ58及び60の容量を制御するものである。具体的には、制御回路56は、判定回路54により熱プラズマがまだ着火しないと判定されたときは、可変コンデンサ58及び60の容量を互いに所定値以上の比率となるように偏らせ、判定回路54により熱プラズマが着火したと判定された後は、可変コンデンサ58及び60の容量を互いにほぼ等しい値とする。
電流センサ50、電圧センサ52及び判定回路54により本発明の着火判定手段が構成され、制御回路56により本発明の制御手段が構成されている。
The
The
The
プラズマはガスが電離したものであるので、熱プラズマの発生前と発生後とでは、負荷インピーダンスの値が大きく変化する。このため、インピーダンス整合回路48を介して誘導コイル22に高周波電力を供給するインバータ回路16の入力電流及び入力電圧を監視することにより熱プラズマの着火の有無を判定することができる。
そこで、この実施の形態3においては、電流センサ50及び電圧センサ52でインバータ回路16の入力電流及び入力電圧をそれぞれ検出し、これら検出値に基づいてプラズマトーチ18の放電管20内で熱プラズマが着火したか否かを判定回路54が判定する。
Since plasma is an ionized gas, the load impedance value varies greatly before and after the generation of thermal plasma. For this reason, the presence or absence of ignition of thermal plasma can be determined by monitoring the input current and input voltage of the
Therefore, in the third embodiment, the
そして、判定回路54により熱プラズマがまだ着火しないと判定されたときは、制御回路56が、可変コンデンサ58及び60を制御してこれら可変コンデンサ58及び60の容量を互いに所定値以上の比率となるように偏らせる。これにより、従来よりも高い圧力下あるいは従来よりも小さな高周波電力の供給で熱プラズマを発生させることが可能となる。
一方、判定回路54により熱プラズマが着火したと判定された後は、制御回路56が、可変コンデンサ58及び60を制御してこれら可変コンデンサ58及び60の容量を互いにほぼ等しい値とする。これにより、プラズマトーチ18の放電管20内に軸方向に長い一様な電磁場が形成され、軸方向に長い熱プラズマを安定維持することができる。
When the
On the other hand, after the
実施の形態4
図6に、実施の形態4に係る誘導熱プラズマ発生装置の構成を示す。この誘導熱プラズマ発生装置は、図5に示した実施の形態3の装置において、電流センサ50、電圧センサ52及び判定回路54の代わりにプラズマトーチ18の放電管20を外部から光学的に監視するための光学素子64をプラズマトーチ18の近傍に配置すると共にこの光学素子64に判定回路66を接続したものである。その他の回路及び要素は、実施の形態3の装置で使用されたものと同様である。
FIG. 6 shows the configuration of the induction thermal plasma generator according to the fourth embodiment. This induction thermal plasma generator optically monitors the
熱プラズマは極めて強い光を放射するため、プラズマトーチ18の放電管20が石英等の透光性の材料から形成されている場合には、放電管20から外部へ放射される光を監視することにより、放電管20内で熱プラズマが着火したか否かを検知することができる。
そこで、この実施の形態4においては、プラズマトーチ18の近傍に配置された光学素子64で放電管20から放射される光を捉え、光学素子64で得られた受光信号に基づいてプラズマトーチ18の放電管20内で熱プラズマが着火したか否かを判定回路66が判定する。例えば、判定回路66は、光学素子64で捉えた受光強度が所定のしきい値を超えたときに、熱プラズマが着火したと判定することができる。
なお、光学素子64としては、可視光の強度を検出する光センサの他、ビデオカメラ等の撮像装置を用いることができる。
Since the thermal plasma emits extremely strong light, when the
Therefore, in the fourth embodiment, the light emitted from the
As the
そして、判定回路66により熱プラズマがまだ着火しないと判定されたときは、制御回路56が、可変コンデンサ58及び60を制御してこれら可変コンデンサ58及び60の容量を互いに所定値以上の比率となるように偏らせる。これにより、従来よりも高い圧力下あるいは従来よりも小さな高周波電力の供給で熱プラズマを発生させることが可能となる。
一方、判定回路66により熱プラズマが着火したと判定された後は、制御回路56が、可変コンデンサ58及び60を制御してこれら可変コンデンサ58及び60の容量を互いにほぼ等しい値とする。これにより、プラズマトーチ18の放電管20内に軸方向に長い一様な電磁場が形成され、軸方向に長い熱プラズマを安定維持することができる。
When the
On the other hand, after the
実施例1
定格周波数300kHz〜400kHz,最大電力50kW,定格直流電圧250V,定格直流電流250Aの高周波MOSFETインバータ電源を使用して、図4に示した実施の形態2の誘導熱プラズマ発生装置を構成した。プラズマトーチ18の放電管20として、内径70mm,長さ316mmの内筒を有する二重管構造のものを用い、誘導コイル22として、外径132mm,コイル導体径14mmφ,コイル長158mmの8ターンのものを使用した。
Example 1
The induction thermal plasma generator of
インピーダンス整合回路40内の共振コンデンサ42及び44としては、それぞれ、静電容量0.33μFの8個の単位コンデンサを直列接続した回路に対して短絡用ブスバーで適宜箇所を短絡させることにより、単位コンデンサ0個、2個直列接続(0.165μF)、4個直列接続(0.0825μF)、6個直列接続(0.055μF)、8個直列接続(0.0412μF)の5通りに調整可能なものを使用した。
As the
そして、共振コンデンサ42の容量C1と共振コンデンサ44の容量C2とをそれぞれ変化させ、プラズマトーチ18の放電管20の内部圧力を80Paに固定する条件で、直流電流を250Aまで徐々に上げつつ、着火実験を行った。
Then, while changing the capacitance C1 of the
実験の結果を図7に示す。上記の運転条件において可能な共振コンデンサ42の容量C1と共振コンデンサ44の容量C2の組み合わせは、図7に○印と×印で表される計9通りであるが、これらのうち、○印が付された組み合わせでは熱プラズマの着火が確認されたが、×印が付された組み合わせでは熱プラズマの着火を確認することができなかった。なお、図7におけるC1及びC2は、それぞれ単位コンデンサを直列接続した個数で表されている。
The result of the experiment is shown in FIG. There are a total of nine combinations of the capacitance C1 of the
すなわち、共振コンデンサ42及び44のうちいずれか一方の単位コンデンサを0個とし、他方に6個あるいは8個の単位コンデンサを直列接続させた場合のみ、熱プラズマの着火が可能であった。
誘導コイル22の一端22aに接続された共振コンデンサ42と他端22bに接続された共振コンデンサ44の容量を所定値以上の比率となるように偏らせることで、同一の運転条件でも熱プラズマが着火しやすくなることが確認された。
That is, the thermal plasma can be ignited only when either one of the
By biasing the capacity of the
実施例2
プラズマトーチ18の放電管20として、実施例1で用いられた長さ316mmの内筒を有する二重管構造のものと、長さ386mmの内筒を有する二重管構造のものを使用して、着火が可能な圧力について実験した。共振コンデンサ42及び44としては、これらのうち一方の単位コンデンサを0個とし、他方に8個の単位コンデンサを直列接続させたものを用い、放電管20の内部圧力を種々の値に設定して、誘導コイル22に供給する直流電流を250Aまで徐々に上げつつ、熱プラズマが着火したか否かを確認した。その他の条件は、実施例1におけるものと同一とした。
Example 2
As the
実験の結果は以下の通りである。
(1)誘導コイル22の一端22aに接続された共振コンデンサ42として8個の単位コンデンサの直列接続(0.0412μF)を使用し、誘導コイル22の他端22bに接続された共振コンデンサ44としては単位コンデンサ0個とした場合、
長さ316mmの内筒を用いた装置では最大140Paで着火、長さ386mmの内筒を用いた装置では最大180Paで着火することが確認された。
(2)誘導コイル22の一端22aに接続された共振コンデンサ42としては単位コンデンサ0個とし、誘導コイル22の他端22bに接続された共振コンデンサ44として8個の単位コンデンサの直列接続(0.0412μF)を使用した場合、
長さ316mmの内筒を用いた装置では最大95Paで着火、長さ386mmの内筒を用いた装置では最大130Paで着火することが確認された。
The results of the experiment are as follows.
(1) A series connection (0.0412 μF) of eight unit capacitors is used as the
It was confirmed that the apparatus using the inner cylinder having a length of 316 mm ignites at a maximum of 140 Pa, and the apparatus using the inner cylinder having a length of 386 mm ignites at a maximum of 180 Pa.
(2) The
It was confirmed that the apparatus using the inner cylinder having a length of 316 mm ignites at a maximum of 95 Pa, and the apparatus using an inner cylinder having a length of 386 mm ignites at a maximum of 130 Pa.
このように、同一の誘導コイル22を用いた場合には、100Pa程度の圧力で熱プラズマの着火が可能であった。
なお、図8に示した従来の装置のように、誘導コイル22の両端部にそれぞれ接続された一対の共振コンデンサの静電容量を互いに同一にした場合には、熱プラズマを着火させるために、10Pa程度の真空状態にしても熱プラズマは自然着火せず、テスラコイルを用いて電圧を印加することにより発生する高電圧をトリガーとして用いなければ着火することはできなかった。
Thus, when the
In addition, as in the conventional apparatus shown in FIG. 8, in the case where the capacitances of the pair of resonance capacitors connected to both ends of the
上記の実施の形態1〜4において、誘導コイル22に供給される高周波電流を任意波形に振幅変調させて変調誘導熱プラズマを維持するように構成することもできる。例えば、三相全波整流回路12とMOSFETインバータ回路16との間にDC−DCコンバータ回路を挿入し、DC−DCコンバータ回路の出力を変調波形発生器からの変調信号に追従させればよい。このようにして変調誘導熱プラズマを維持すれば、プラズマを用いた各種処理の対象に応じて熱プラズマの温度等を詳細に制御することができる。
In the above-described first to fourth embodiments, the modulated induction thermal plasma can be maintained by amplitude-modulating the high-frequency current supplied to the
本発明は、誘導熱プラズマを利用した各種の処理に適用することができる。
また、上記の実施の形態1〜4並びに実施例は、いずれも本発明の一例を示したものであり、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更や改良を行ってもよいことはいうまでもない。
The present invention can be applied to various processes using induction thermal plasma.
In addition, each of the above-described first to fourth embodiments and examples show examples of the present invention, and the present invention is not limited to these, and the scope of the present invention is not deviated. Needless to say, various changes and improvements may be made.
10 三相交流電源
12 三相全波整流回路
14 平滑コンデンサ
16 MOSFETインバータ回路
18 プラズマトーチ
20 放電管
22 誘導コイル
26 整合用トランス
34,40,48 インピーダンス整合回路
28,30,36,42,44 共振コンデンサ
38.46.62 直列共振回路
50 電流センサ
52 電圧センサ
54,66 判定回路
56 制御回路
58.60 可変コンデンサ
64 光学素子
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記キャパシタンス手段は、前記誘導コイルの一端側と他端側にそれぞれ接続された一対の容量調整可能なキャパシタンスを有し、
少なくとも熱プラズマの着火時に前記一対のキャパシタンスの容量を互いに異ならせ、
熱プラズマの着火後には前記一対のキャパシタンスの容量を互いにほぼ等しくすることを特徴とする誘導熱プラズマ発生方法。 In an induction thermal plasma generation method for generating thermal plasma by supplying high frequency power to an induction coil through an impedance matching circuit including a capacitance means,
The capacitance means has a pair of capacitance adjustable capacitances connected to one end side and the other end side of the induction coil, respectively.
At least during the thermal plasma ignition different capacity of the pair of capacitance from each other racemate,
Induction thermal plasma generating method comprising substantially equal to Rukoto each other the capacity of the pair of capacitance after ignition of the thermal plasma.
前記キャパシタンス手段は、前記誘導コイルの一端側と他端側にそれぞれ接続された一対の容量調整可能なキャパシタンスを有し、
前記一対のキャパシタンスは、少なくとも熱プラズマの着火時に互いに異なる容量に設定され、熱プラズマの着火後には互いにほぼ等しい容量に設定されることを特徴とする誘導熱プラズマ発生装置。 In an induction thermal plasma generator for generating thermal plasma by supplying high-frequency power to an induction coil via an impedance matching circuit including a capacitance means,
The capacitance means has a pair of capacitance adjustable capacitances connected to one end side and the other end side of the induction coil, respectively.
The pair of capacitance is at least set to different capacity during ignition of the thermal plasma, after ignition of the thermal plasma is set substantially equal capacitance to each other induction thermal plasma generator according to claim Rukoto.
前記着火判定手段により熱プラズマがまだ着火しないと判定されたときには前記一対のキャパシタンスを互いに異なる容量に設定し、前記着火判定手段により熱プラズマが着火したと判定された後は前記一対のキャパシタンスを互いにほぼ等しい容量に設定する制御手段と
を備えた請求項2に記載の誘導熱プラズマ発生装置。 Ignition determination means for determining whether or not the thermal plasma has ignited;
When it is determined by the ignition determining means that the thermal plasma has not yet ignited, the pair of capacitances are set to different capacities, and after the ignition determining means determines that the thermal plasma has been ignited, the pair of capacitances are mutually connected. induction thermal plasma generator according to claim 2, and a control means for setting substantially have equal capacitance.
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