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。
<実施の形態1>
図1は、本発明に係る微粒子生成装置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(図1の丸で囲まれた領域)の構成を示す拡大断面図である。
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、真空ポンプ60、プラズマ電源61、冷却水供給部62、プラズマガス供給部63,64、プラズマトーチ昇降機構65、密閉容器70、微粒子捕獲器71、微粒子捕獲フィルター72、熱交換器73、筒部77、循環ポンプ83および母材部85を、備えている。
上記したように、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5,6,7を、備えている。なお、図2に示すように、これらの部材1〜7は全て、プラズマトーチ先端部において配設されている。
<直流プラズマトーチおよびその周辺の構成>
まず、図2を用いて、直流プラズマトーチ50の構成について説明する。
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。
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。
なお、以下の説明において、当該中心軸AXの方向(換言すると、直流プラズマトーチ50が母材部85と対向している方向)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(換言すると、前記対向している方向(中心軸AXの方向)に垂直な方向であり、水平方向)を、「径方向」と称する。
内筒2の空洞は、母材部85から生成された微粒子が通る微粒子通路部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。
なお、後述するプラズマ電源61による電圧印加により、移行型プラズマ用電極1と母材部85との間に移行型プラズマP1が生成される。当該移行型プラズマP1が母材部85に当たることにより、母材部85から、微粒子が生成される。微粒子通路部25は、図1,2の上方向から下方向(つまり、直流プラズマトーチ50の上部から母材部85に向けて)延設されているが、当該微粒子通路部25内を、当該生成した微粒子が、図1,2の下方向から上方向に向かって通過する。
また、ガス通路部26,27も、図1,2の上方向から下方向(つまり、直流プラズマトーチ50の上部から母材部85に向けて)延設されている。後述するプラズマガス供給部63,64から供給されたプラズマガスは、ガス通路部26,27内を、図1,2の上方向から下方向に向かって通過する。
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、図3に示しているように、リング状の磁石3において、上部(母材部85と対面していない側)が「N極」であり、下部(母材部85と対面している側)が「S極」である。
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、母材部85配置側(内筒2の底部付近)に、配置されている。つまり、母材部85により近い位置に、磁石3は配設されている。
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。より具体的に、絶縁物5は、内筒2の母材部85と対面する部分および、当該部分付近における内筒2の側面部の一部を覆っている。つまり、絶縁物5は、軸方向における磁石3の磁場が径方向における磁石3の磁場より大きくなる領域において、配設されている。
さらに、外筒4と対面する移行型プラズマ用電極1の側面部には、絶縁物6が配設され、移行型プラズマ用電極1と対面する外筒4の側面部には、絶縁物7が配設されている。当該絶縁物6は、母材部85と対面する側の移行型プラズマ用電極1の端部付近において、所定の範囲で、磁石3を囲繞するように配設されている。また、当該絶縁物7は、母材部85と対面する側の外筒4の端部付近において、所定の範囲で、磁石3を囲繞するように配設されている。つまり、絶縁物6,7は各々、軸方向における磁石3の磁場が径方向における磁石3の磁場より大きくなる領域において、配設されている。
ここで、各絶縁物5,6,7として、たとえば高温耐久性を有する窒化ボロン(または酸化シリコン)、または安価なアルミナなどを採用することができる。
なお、内筒2の端部(底部)、移行型プラズマ用電極1の端部(底部)および外筒4の端部(底部)の、母材部85側への突出具合は、次の通りである。外筒4の底部が、最も母材部85側に突出しおり、内筒2の端部が、最も母材部85側に突出していない。移行型プラズマ用電極1の母材部85への突出具体は、前者両者の間である。
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、母材部85と対面している方向(中心軸方向AX)に、移動可能である。
さて、上述の構成からも分かるように、図1,2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から上下方向離隔・対向して、母材部85が設けられている(つまり、母材部85は、直流プラズマトーチ50の下方に配設される)。当該母材部85は、微粒子生成の原料となる金属等であり、導電性を有する。当該母材部85としては、たとえば、銅、鉄、ニッケルなどを採用することができる。
図1に示すように、密閉容器70内には、直流プラズマトーチ50の先端部および母材部85が配設されている。そして、直流プラズマトーチ50の先端部および母材部85が配設されている状態において、密閉容器70内は密封される(気密性が保持されている)。
なお、図1に示すように、密閉容器70の上部において、密閉容器70と筒部77とは連接されている。そして、当該連接された、筒部77内の空洞部および密閉容器70の空洞部に渡って、直流プラズマトーチ50が、図1,2の上下方向(中心軸AXの方向)移動可能に、配設されている。
ここで、直流プラズマトーチ50でなく、母材部85を、密閉容器70内において図1,2の上下方向(中心軸AXの方向)に移動可能に配設しても良い。つまり、直流プラズマトーチ50および母材部85の少なくとも何れか一方が、図1,2の上下方向(中心軸AXの方向)移動可能に、密閉容器70内に配設されていれば良い。
<微粒子生成装置の構成>
次に、図1を用いて、微粒子生成装置100全体の構成を説明する。
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を、図1,2に示す上下方向(中心軸AXの方向)に移動させる。なお、上記の通り、プラズマトーチ昇降機構65の代わりに(またはこれと共に)、母材部85を図1,2に示す上下方向(中心軸AXの方向)に移動させる昇降機構を設けても良い。なお、当該各昇降機構が、直流プラズマトーチ50と母材部85との間の距離を可変可能とする距離移動部であると、把握できる。
プラズマ電源(直流電源と把握できる)61は、移行型プラズマ用電極1および母材部85に対して、逆極性の直流電圧を印加する。具体的に、プラズマ電源61は、図1,2に示すように、移行型プラズマ用電極1に正極(陽極、+:プラス)を印加し、母材部85に負極(陰極、−:マイナス)を印加する(逆極性)。
冷却水供給部62は、直流プラズマトーチ50、密閉容器70、母材部85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。
具体的に、冷却水供給部62は、移行型プラズマ用電極1内、内筒2内および外筒4内を、冷却水が循環する(当該冷却水が循環する部分が、冷却部であると把握できる)ように、冷却水を供給している。当該冷却水の循環により、直流プラズマトーチ50の冷却が可能となる。なお、内筒2内に内蔵されている磁石3の周囲においても、冷却水は循環している。
また、密閉容器70の壁面内・底面内・上面内には、冷却水が循環する冷却水路が形成されており、冷却水供給部62は、当該冷却水路内を冷却水が循環するように、冷却水を供給している。当該冷却水の循環により、密閉容器70自身および密閉容器70内の冷却が可能となる。
また、母材部85の底部と接する冷却部40が、密閉容器70内に配設されている(冷却部40の上面に、母材部85が載置される)。そして、冷却水供給部62は、当該冷却部40内を冷却水が循環するように、冷却水を供給している。当該冷却水の循環により、母材部85の冷却が可能となる。
また、熱交換器73においても冷却水が循環できる水路が形成されており、当該水路に対して冷却水供給部62が冷却水を循環供給することにより、当該供給された冷却水は、熱交換器73において熱交換に利用される。
ここで、図1に示す構成例では、微粒子捕獲器71は冷却水で冷却されてないが、冷却水供給部62から供給される冷却水で冷却してもよい。
プラズマガス供給部63は、直流プラズマトーチ50内の微粒子通路部25の外側を通って、母材部85の配設方向に向けて、プラズマガスを供給する。具体的に、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、母材部85に向けて、プラズマガスを供給する。
ここで、図1に示すように、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/または母材部85から気化した成分と反応する反応ガス(酸素分子、窒素分子、水素分子等)などが採用できる。
プラズマガス供給部64は、直流プラズマトーチ50内の微粒子通路部25の外側を通って、母材部85に向けて、プラズマガスを供給する。具体的に、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、母材部85に向けて、プラズマガスを供給する。
ここで、図1に示すように、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/または母材部85気化した成分と反応する反応ガス(酸素分子、窒素分子、水素分子等)などが採用できる。
ここで、上述した、プラズマガス供給部63,64が、第一のガス供給部であると把握できる。
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、密閉容器70内の移行型プラズマ用電極1と母材部85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、移行型プラズマ用電極1と母材部85との間において、中心軸AXの周りを回転する。
微粒子の原材料から成る母材部85は、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、移行型プラズマP1が照射されている母材部85の表面部が気化する。
密閉容器70内および直流プラズマトーチ50内の各プラズマガスの流れにより、母材部85から気化した成分は冷却され、微粒子となり、母材部85からの上昇気流に乗り、微粒子通路部25を図1の上方向に通過する。
真空ポンプ60は、密閉容器70、微粒子捕獲器71および熱交換器73内の気圧を減圧させるために、用いられる。
図1,2から分かるように、微粒子通路部25の一方端は、母材部85に面している。他方、図1に示すように、微粒子通路部25の他方端は、微粒子捕獲器71に接続されている。つまり、微粒子通路部25を図1の上方向に通過した微粒子は、微粒子捕獲器71内において捕獲される。
微粒子捕獲器71内には、微粒子捕獲フィルター72が配設されている。微粒子通路部25を通過し微粒子捕獲器71に到達した、微粒子およびプラズマガスは、当該微粒子捕獲フィルター72により分離される。つまり、微粒子捕獲フィルター72により微粒子が捕獲される一方、当該微粒子捕獲フィルター72を通過したプラズマガスは、微粒子捕獲フィルター72を介して微粒子捕獲器71に接続されている、熱交換器73に伝搬される。
ここで、微粒子捕獲器71には、微粒子捕獲フィルター72に対抗するように、当該微粒子捕獲フィルター72より下方向に、捕集容器71aが設けられている。バルブB5から、パルスエアを微粒子捕獲器71に向けて供給する。当該パルスエアの供給により、微粒子捕獲フィルター72において捕獲した微粒子を、捕集容器71aの配設方向に落下させることができる。これにより、図1に示すように、捕集容器71a内において微粒子80が捕集される。
熱交換器73の一方端は、微粒子捕獲器71内の微粒子捕獲フィルター72と接続されており、当該熱交換器73の他方端は、循環ポンプ83に接続されている。なお、循環ポンプ83の一方端は、上記の通り熱交換器73に接続されており、循環ポンプ83の他方端は、密閉容器70およびプラズマガス供給部63,64等に接続されている。
当該循環ポンプ83の循環動作により、微粒子およびプラズマガスは、微粒子通路部25を通過し、微粒子捕獲器71に到達する。そして、当該循環ポンプ83により、微粒子捕獲フィルター72を通過したプラズマガスは、熱交換器73を通過し(当該熱交換器73においてプラズマガスは十分冷却される)、密閉容器70および/またはプラズマガス供給部63,64において再供給される。
上述したように、循環ポンプ83と密閉容器70とは接続されている。具体的には、密閉容器70にはガス供給部(第二のガス供給部と把握できる)90が配設されている。そして、当該ガス供給部90には、バルブB10を介して、循環ポンプ83が接続されている。
ここで、ガス供給部90は、密閉容器70の側面部に穿設されている。なお、密閉容器70の側面部は、たとえば平面視形状(図1の上方向から見た形状)が円形である(つまり、たとえば密閉容器70は筒形状を有する)。
ガス供給部90は、一つのプラズマガス入力孔と、複数のプラズマガス噴出孔と、入力孔と各噴出孔とを接続する通路部とから構成されている。密閉容器70の外周側面部において、当該入力孔が配設されており、当該入力孔が循環ポンプ83に接続される。また、密閉容器70の内周側面部(密閉空間側)において、複数の噴出孔が配設されている。ここで、各噴出孔は、密閉容器70内の中心部(中心軸AX)に、穿設穴が面するように、密閉容器70の内周側面部に配設されている。なお、各噴出孔は、密閉容器70の側面において、密閉容器70の上記円筒の円周方向に沿って、複数配設されている。ここで、各噴出孔は、当該円周方向に均等に配設されている。なお、通路部は、プラズマガスが流れる通路として、密閉容器70の側壁内に配設されている。
当該ガス供給部90から出力されるプラズマガスは、直流プラズマトーチ50と母材部85との間の空間において、側方から(中心軸AXの外側から当該中心軸AXに向かう方向に)供給される(図2に示す符号PGaを参照)。
また、図1の構成では、循環ポンプ83は、バルブB8を介して、プラズマガス供給部63側と接続されている。これにより、プラズマガス供給部63に、微粒子捕獲フィルター72を通過して循環したプラズマガスを供給することが可能となり、プラズマガス供給部63は、当該供給されたプラズマガスを、ガス通路部27に向けて再供給することができる。
さらに、図1の構成では、循環ポンプ83は、バルブB9を介して、プラズマガス供給部64側と接続されている。これにより、プラズマガス供給部64に、微粒子捕獲フィルター72を通過して循環したプラズマガスを供給することが可能となり、プラズマガス供給部64は、当該供給されたプラズマガスを、ガス通路部26に向けて再供給することができる。
<微粒子生成装置における微粒子の生成方法>
次に、微粒子生成装置100における動作について説明する。
真空ポンプ60は、バルブB11を介して、密閉容器70内と接続されている。そこで、バルブB11を開き、真空ポンプ60を駆動させることにより、密閉容器70内の減圧処理を行う(真空引き処理)。なお、密閉容器70が所望の圧力まで減圧されたとき、真空ポンプ60を停止し、バルブB11を閉じ、密閉容器70内の圧力を当該所望の圧力で維持する。
次に、プラズマガス供給部63,64から、プラズマガスを出力する。ここで、プラズマガスとして、不活性ガスのみを出力する場合には、バルブB1,B3を開く。他方、プラズマガスとして、不活性ガスと反応ガスとの混合ガスを出力する場合には、バルブB1,B2,B3,B4を開く。
プラズマガス供給部63から出力されたプラズマガスは、直流プラズマトーチ50内のガス通路部27を通って、母材部85に向けて、密閉容器70内に供給される(図2参照)。また、プラズマガス供給部64から出力されたプラズマガスは、直流プラズマトーチ50内のガス通路部26通って、母材部85に向けて、密閉容器70内に供給される(図2参照)。このようにして、上記真空引き後の密閉容器70内に、プラズマガスが供給される。
次にまたは上記プラズマガス供給と並行して、プラズマトーチ昇降機構65を駆動する。これにより、直流プラズマトーチ50の先端部と母材部85の上面部との間の距離(空間)が小さくなる(当該処理により、移行型プラズマの初期形成が可能となる)。
さて、直流プラズマトーチ50の先端部と母材部85の上面部との間の距離(空間)が小さくなった状態(初期位置状態)で、上記プラズマガスの供給を行いつつ、プラズマ電源61を用いて、逆極性の直流電源を、移行型プラズマ用電極1と母材部85との間に印加する。つまり、プラズマ電源61は、移行型プラズマ用電極1に陽極を印加し、母材部85に陰極を印加する。
すると、図2に示すように、移行型プラズマ用電極1と母材部85との間において、移行型プラズマP1が発生する。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、初期位置状態においては、円筒状のプラズマとなる。
ここで、絶縁物5,6,7の存在により、移行型プラズマP1は、両電極1,85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。換言すれば、当該絶縁物5,6,7は、プラズマの回転に寄与しない磁界部分に移行型プラズマP1が移行しないようにするために、各々配設されている。
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。
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。
当該磁界MF生成下において、移行型プラズマ用電極1と母材部85との間に逆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、移行型プラズマ用電極1から母材部85に向かって、移行型プラズマアーク電流Iが流れる(図4参照)。
ここで、絶縁物5,6,7の存在により、母材部85と当該母材部85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Iが流れる。換言すれば、磁界MFの径方向の磁場が当該磁界MFの軸方向の磁場より大きい領域においてのみ、移行型プラズマアーク電流Iが流れる。
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Bの影響により中心軸AX廻りの力Fが働く。よって、移行型プラズマP1は、中心軸AXの回りにおいて反時計回りに回転する。なお、力Fの大きさは、径方向磁場B×移行型プラズマアーク電流I、である。このように、移行型プラズマP1は、常に回転する。
さて、バルブB6,B10を開放すると共に、循環ポンプ83を駆動する。これにより、密閉容器70→直流プラズマトーチ50→微粒子捕獲器71→熱交換器73→循環ポンプ83→密閉容器70、という循環の流れを発生させることができる。
次に、プラズマトーチ昇降機構65を駆動し、直流プラズマトーチ50の先端部と母材部85の上面部との間の距離(空間)を、上記初期位置状態よりも大きくしていく(図5参照)。ここで、プラズマトーチ昇降機構65は、移行型プラズマ用電極1の直径寸法の範囲以下で、直流プラズマトーチ50の先端部と母材部85の上面部との間の距離(空間)を、大きくさせる。
このように、両電極1,85間の距離を広げると、直流プラズマトーチ50に近い側では磁界MFの影響が大きい(磁場Bが大きい)ため、移行型プラズマP1の上記回転の速度は速くなり、母材部85に近い側では磁界MFの影響を小さくなる(磁場Bが小さい)ため、移行型プラズマP1の上記回転の速度は遅くなる。これにより、上記円筒状のプラズマ(図5の点線のP1)が、螺旋形状(略円錐形状)のプラズマ(図5の実線のP1)となる。つまり、直流プラズマトーチ50と母材部85と距離(空間)を広げることにより、螺旋形状のプラズマが形成される。ここで、螺旋形状の径は、直流プラズマトーチ50に近い側で大きく、母材部85に近づくに連れて小さくなる(図5の実線のP1参照)。
このように、直流プラズマトーチ50から母材部85に近づくに連れて、移行型プラズマP1は、中心軸AX側に近づき傾斜する。つまり、直流プラズマトーチ50と母材部85と距離(空間)を広げることにより、移行型プラズマP1は、母材部85の表面(上面)に対して斜め方向から当たる。
ここで、内筒2は、内筒2内のリング形状の磁石3の個数(積層していく個数)を変更することができる、構造である。当該磁石3の個数を変更することにより、上記プラズマの回転数は、陽極である直流プラズマトーチ50側で、80〜240Hzの範囲内で調整される。または、磁石3の個数を一つのみのとし、内筒2は、内蔵させる磁石3の置換が可能な構成であっても良い。当該構成により、内筒2における磁力の異なる磁石3の交換等が容易となり、上記プラズマの回転数の調整も可能となる。
ここで、プラズマトーチ50側におけるプラズマ回転数が80Hz未満であると、移行型プラズマP1による移行型プラズマ用電極1への加熱の影響により、移行型プラズマ用電極1がダメージを受ける。これに対して、プラズマトーチ50側におけるプラズマ回転数が240Hzより大きいと、移行型プラズマP1の形成が困難となる。したがって、プラズマの回転数は、陽極である直流プラズマトーチ50側で、80〜240Hzの範囲内で調整されることが望ましい。
その後、プラズマトーチ昇降機構65を停止し、直流プラズマトーチ50と母材部85との間の距離(空間)の増加を停止し、直流プラズマトーチ50と母材部85との間の距離(空間)を一定に保持する。つまり、直流プラズマトーチ50と母材部85との間の距離(空間)を、上記初期位置状態よりも離した位置で(移行型プラズマ用電極1におけるプラズマの回転数が80〜240Hzの場合は、移行型プラズマ用電極1の直径寸法以下の範囲で)保持する。
上記のように、移行型プラズマP1が母材部85の表面(上面)に対して斜め方向から当たることにより、母材部85は加熱し、気化する。なお、直流プラズマトーチ50と母材部85との間の距離(空間)を上記初期位置状態よりも大きく(移行型プラズマ用電極1におけるプラズマの回転数が80〜240Hzの場合は、移行型プラズマ用電極1の直径の範囲以下で)すると、プラズマの回転数が大きいほど、直流プラズマトーチ50と母材部85との間が短い距離で、母材部85における螺旋形状のプラズマの径は小さくなり(つまり、中心軸AX側に近づき)、移行型プラズマP1は母材部85の局所領域に集中して当たる(母材部85における、移行型プラズマP1の絞りがより小さくなる)。よって、移行型プラズマP1に起因して、母材部85の表面(上面)の当該局所領域における気化効率が、向上する。
上記したプラズマ回転数が大きいほど、直流プラズマトーチ50と母材部85との間が小さい距離で、母材部85においてプラズマが集中する。換言すると、上記したプラズマ回転数がより小さい場合には、直流プラズマトーチ50と母材部85との間の距離をより大きく取ることにより、母材部85においてプラズマを集中させることができる。なお、上述したように、移行型プラズマ用電極1におけるプラズマの回転数が80〜240Hzの場合には、移行型プラズマ用電極1の直径の範囲以下であれば、母材部85においてプラズマを集中させることができる。
よって、直流プラズマトーチ50と母材部85との間の距離が、母材部85における螺旋形状のプラズマの径が最も小さくなるとき、母材85の表面(上面)において、移行型プラズマP1が中心軸AXの近傍に最も集中して当たり、気化効率も最も高くなる。
上記の通り、直流プラズマトーチ50と母材部85との間の距離(空間)を一定に保持した状態で、母材部85に対して斜め方向から移行型プラズマP1を当てる。このとき、母材部85の加熱は、母材部85が陰極であるため、プラズマ中のイオンによる加熱が主体となる。したがって、母材部85が陽極であり、当該陽極におけるプラズマ中の電子による加熱の場合と比較して、プラズマ中のイオンによる加熱が主体である場合には、電子の蒸発熱の分、母材部85全体の加熱効率は低下する。
しかしながら、本発明のように母材部85が陰極である場合には、移行型プラズマP1による母材部85の気化は、陰極点(移行型プラズマP1が当たる母材部85の箇所)を中心として起こる(陰極点では熱が集中する)。しかも、陰極点付近は、イオンと電子とが存在しており、また母材部85が直流プラズマトーチ50から離れており、母材部85における磁石3の磁場MFの影響が小さいので、イオンと電子との結合が促進され、当該結合によるエネルギーにより、熱が集中する陰極点における母材部85の気化効率が向上する(陰極点が大きくなる)。
さらに、上記の通り、母材部85における磁石3の磁場MFの影響が小さいので、当該母材部85付近における移行型プラズマP1の移動範囲も少なく、直流プラズマトーチ50付近に比べて移動速度も遅いため、熱が母材部85の表面(上面)の狭い範囲でより集中する。これにより、母材部35の気化(蒸発)効率は、さらに向上する。
上記の通り、本発明では、母材部85の表面(上面)の陰極点近傍では、極めて高い気化効率を得ることができる。
これに対して、移行型プラズマ用電極1は陽極であるため、当該移行型プラズマ用電極1の加熱は、電子による加熱が主体となる。よって、加熱は、電子の蒸発熱の分だけ、より高くなる。しかしながら、電子は極めて軽く、移行型プラズマ用電極1近傍では、磁石3による磁場MFの影響が大きい。このことから、移行型プラズマ用電極1近傍における移行型プラズマP1の動きは大きく、移動範囲も大きい。したがって、移行型プラズマ用電極1では、熱が所定の箇所に集中することなく分散される。
つまり、移行型プラズマ用電極1全体が加熱される熱量は、母材部85全体が加熱される熱量より大きいが、移行型プラズマ用電極1では、母材部85付近とは異なり、熱が狭い範囲に集中しない。よって、移行型プラズマ用電極1自身が気化することを抑制できる。さらに、冷却水供給部62から直流プラズマトーチ50への冷却水の供給により、移行型プラズマ用電極1自身も十分に冷却されているため、移行型プラズマ用電極1自身の気化は完全に防止でき、移行型プラズマ用電極1の消耗は発生しない。
このように、本発明では、母材部85のみを気化させ、移行型プラズマ用電極1の気化を抑制・防止できるので、母材部85からの気化物のみが生成され、移行型プラズマ用電極1の気化に起因したコンタミネーションの生成を抑制・防止できる。したがって、気化物が冷却されることにより生成される微粒子における、移行型プラズマ用電極1に起因した異物の混入も防止できる。
本発明における、母材部85の蒸発量(気化量)と微粒子におけるコンタミネーションの混入に関する効果を示す実験結果を、図6に示す。
図6の表には、母材部85の蒸発量(気化量)、および、微粒子における移行型プラズマ用電極1の気化に起因したコンタミネーションの混入の結果が、示されている。
図6のケース(1)は、移行型プラズマ用電極1は銅製であり、母材部85はニッケル製であり、移行型プラズマ用電極1に陽極を印加し、母材部85には陰極を印加している(逆極性)。また、図6のケース(2)は、移行型プラズマ用電極1はタングステン製であり、母材部85はニッケル製であり、移行型プラズマ用電極1に陰極を印加し、母材部85には陽極を印加している(正極性)。
なお、図6における実験では、両ケース(1),(2)は共に、プラズマガスはアルゴンであり、当該アルゴンが密閉容器70内の圧力が大気圧程度となるように供給されており、プラズマ電流は500Aであった。なお、その他の条件も、両ケース(1),(2)で同じである。
図6に示すように、ケース(2)では、母材部85の蒸発量は0.22g/分と少なく、微粒子表面におけるコンタミネーション(タングステン)の検出量は、最多の微粒子で、4.9%であった。これに対して、図6に示すように、ケース(1)では、母材部85の蒸発量は1.6g/分と多く(ケース(2)の約8倍程度)、微粒子表面におけるコンタミネーション(銅)の検出はなかった。
さて、母材部85の中心軸AX付近において、移行型プラズマP1が当たり、陰極点から母材部85が気化する。つまり、中心軸AX付近において、母材部85は高温に加熱され、気化する。また、上記の通り、母材部85の陰極点付近(中心軸AX付近)では高温に加熱されるので、大きな上昇気流が母材部85の陰極点付近(中心軸AXの付近)から発生する。当該上昇気流に乗って、母材部85からの気化物は、微粒子通路部25に向かう。
ここで、当該移動中において気化物は冷却され、凝結するので、当該気化物から微生物が生成される。よって、微粒子通路部25内には、図2の下方向から上方向に向けて、気化物から生成された微粒子が通過する。なお、密閉容器70および直流プラズマトーチ50は、冷却水供給部62からの冷却水供給により冷却されていることから、気化物の冷却も促進可能である。また、プラズマガス供給部63,64から供給され、ガス通路部26,27を移動するプラズマガスによっても、気化物・微粒子の冷却は促進される。
なお、上述した上昇気流に乗り、ガス通路部26,27から母材部85に向けて出力されたプラズマガスも、微粒子通路部25へと向かい、当該微粒子通路部25内を図2の下方向から上方向に移動する。
たとえば、プラズマガスが不活性ガスのみである場合には、母材部85から生成された微粒子と共に、不活性ガスも、微粒子通路部25内を図2の下方向から上方向に移動する。他方、プラズマガスが不活性ガスと反応ガスとである場合には、母材部85から気化した気化物と反応ガスとが反応することにより生成された反応微粒子(たとえば、反応ガスが酸素である場合には、酸化金属微粒子が生成され、反応ガスが窒素である場合には、窒化金属微粒子が石製される)と共に、不活性ガスおよび反応に寄与しなかった反応ガスも、微粒子通路部25内を図2の下方向から上方向に移動する。
また、上記の通り、母材部85側では陰極点付近に熱が集中しているため、母材部85から微粒子通路部25に向かう流れ(陰極風であり、上昇気流)は大きい。他方、移行型プラズマ用電極1側では、熱が分散し、さらには冷却水により直流プラズマトーチ50等は効率よく冷却できるため、母材部85側方向に向かう流れ(陽極風)は小さくなる。よって、微粒子等の微粒子通路部25に向かい、当該微粒子通路部25内を移動する速度は、当該陽極風に妨げることなく、加速される。
さらには、循環ポンプ83の駆動により、密閉容器70→直流プラズマトーチ50→微粒子捕獲器71→熱交換器73→循環ポンプ83→密閉容器70、という循環の流れも発生している。よって、当該循環の流れにも依存して、微粒子等の微粒子通路部25内における移動は、より促進される。
また、上述したように、移行型プラズマ用電極1と母材部85との間において発生するプラズマは螺旋形状であり、母材部85の表面(上面)に対して、中心軸AXに向かう方向に傾斜して当たる。したがって、中心軸AXに沿って微粒子通路部25に向かう微粒子等が、移行型プラズマP1により、進行が妨げられることもない。
さて、微粒子通路部25内を通過した、微粒子とプラズマガスとは、微粒子捕獲器71に収容される。微粒子捕獲器71において、微粒子は膨張冷却される。そして、微粒子捕獲フィルター72により、微粒子は捕獲される一方、プラズマガスは、微粒子捕獲フィルター72を透過し、熱交換器73へと移動する。
なお、バルブB5からパルスエアを微粒子捕獲器71に向けて供給することにより、微粒子捕獲フィルター72において捕獲した微粒子を、捕集容器71aへと落下させることができる。これにより、図1に示すように、捕集容器71a内に微粒子80が捕集される。
微粒子捕獲フィルター72において分離されたプラズマガスは、熱交換器73内において完全に冷却される。その後、熱交換器73から出力されたプラズマガスは、循環ポンプ83により、図1に示すように、ガス通路部26,27に供給されるプラズマガスとして、および/または、ガス供給部90から密閉容器70内に供給されるプラズマガスとして、再利用される。
なお、ガス供給部90から密閉容器70内に供給されるプラズマガスは、直流プラズマトーチ50と母材部85との間の空間において側方から供給される(図2の符号PGaを参照)。当該プラズマガスPGaによっても、母材部85からの気化物の冷却は促進される。
また、当該密閉容器70内へのプラズマガスPGaの供給により、母材部85からの気化した気化物が、中心軸AXから離れる方向に拡散することを防止できる。
なお、バルブB1,B2,B3,B4,B6,B7,B8,B9,B10の開閉を制御(完全に閉まらないが、開き具合を調整する制御も含む)することにより、ガス通路部26,27に供給されるプラズマガスの流量、ガス供給部90へ供給されるプラズマガスの流量を調整することができる。ここで、バルブB7は、循環ポンプ83から出力されたプラズマガスの一部を、密閉容器70→直流プラズマトーチ50→微粒子捕獲器71→熱交換器73→循環ポンプ83→密閉容器70、という循環経路から、外部に放出するためのバルブである。
上記のように、密閉容器70内に供給される各プラズマガスは、母材部85からの気化物の冷却に寄与する。よって、各プラズマガスの流量を調整することにより、気化物から生成される微粒子の大きさも調整することができる。たとえば、各プラズマガスの全体流量が多くなればなるほど、生成される微粒子の径は小さくなる。換言すれば、各プラズマガスの全体流量が少なくなればなるほど、生成される微粒子の径は大きくなる。
以上のように、本発明に係る微粒子生成装置100では、直流プラズマトーチ50を用いており、移行型プラズマ用電極1と母材部85との間に逆極性の直流電圧を印加することにより、移行型プラズマP1を発生させている。そして、リング状の磁石3により、当該移行型プラズマP1を回転させている。そして、移行型プラズマ用電極1と母材部85との間の距離を広げることにより、移行型プラズマ用電極1と母材部85との間において、螺旋形状のプラズマを形成している。
したがって、母材部85の上面に対して、移行型プラズマP1を斜め方向(中心軸AXに近づく方向)から当てることが可能となる。これにより、母材部85の表面(上面)の陰極点近傍において熱が集中するため、当該陰極点近傍における母材部85の気化効率が大幅に向上する(図6の蒸発量参照)。このように、本発明では、直流プラズマトーチ50から発生した移行型プラズマP1を利用して母材部85を気化させているので、エネルギー効率を向上させることができる。
また、本発明に係る微粒子生成装置100では、母材部85側では磁石3の磁場の影響が小さいので、当該母材部85上面付近では、移行型プラズマP1は、ゆっくりと回転する。よって、母材部85からの気化効率を、向上させることができる。また、上述したように、本発明では高気化効率が実現できるので、結果として、微粒子の高い生産性も実現することができる。
なお、実際に、本発明に係る微粒子生成装置100において、微粒子生成中における、両電極1,85間における移行型プラズマP1の様子を観測した。結果、陰極点が強く光り、当該陰極点付近で熱が集中していることが確認された。また、母材部85が陽極である(正極性である場合)と比較して、陰極である母材部85において、移行型プラズマP1が狭い範囲で、ゆっくり回転する様子も観測された。
また、上記の通り、移行型プラズマP1は回転しているので、一つの直流プラズマトーチ50のみにより、母材部85に対して複数の斜め方向からの移行型プラズマP1の照射が可能となる。つまり、複数の斜め方向からのプラズマ照射のために、母材部85に対して斜め配置された複数のプラズマトーチを設置する必要が無い(または、母材部85に対して斜め配置されたプラズマトーチ自身を、平面視における円周に沿って回転させる必要もない)。当該観点からも、本発明では、微粒子生成装置100のコンパクト化・低コスト化を図ることができる。
また、図6に示したように、本発明に係る微粒子生成装置100では、移行型プラズマ用電極1に起因した不純物が、生成された微粒子に含有されることを防止することができる。また、移行型プラズマP1に起因した移行型プラズマ用電極1の消耗も、防止することができる。
また、本発明に係る微粒子生成装置100では、移行型プラズマP1を利用して、プラズマトーチ昇降機構65により電極1,85間のプラズマ長さも可変である。したがって、移行式プラズマ方式を採用している本発明では、プラズマが非移行プラズマで電極間距離が固定(プラズマ長さが限定される)技術と比較して、エネルギー効率をより高くすることができる。
また、本発明に係る微粒子生成装置100では、直流プラズマトーチ50内において、母材部85から生成された微粒子が通過することが可能な微粒子通路部25が形成されている。
このように、本発明では、プラズマ発生のための移行型プラズマ用電極1と微粒子を取り出す微粒子通路部25とが、同じ直流プラズマトーチ50内に構成されている(つまり、特許文献1に係る技術のように、プラズマトーチと微粒子の吸引口とが別構成されていない)。したがって、微粒子生成装置100全体の構成簡略化・コンパクト・低コストが可能となる。
また、本発明に係る微粒子生成装置100では、母材部85に対して移行型プラズマP1を斜め方向から照射しており、直流プラズマトーチ50の微粒子通路部25に向かって、微粒子は移動している。
したがって、微粒子通路部25に向かう微粒子の進行が、移行型プラズマP1により妨げられることもない。よって、粒径の整った微粒子の生成が可能となる。
さらに、本発明に係る微粒子生成装置100では、陽極風の発生を抑制できる一方、大きな陰極風を発生させることができる。よって、陽極風により、微粒子通路部25に向かう微粒子の進行が妨げられることもなく、他方で、大きな上昇気流(陰極風)により、微粒子通路部25に向かう微粒子の速度を加速させることができる。
また、本発明に係る微粒子生成装置100では、循環ポンプ83を利用して、密閉容器70→直流プラズマトーチ50→微粒子捕獲器71→熱交換器73→循環ポンプ83→密閉容器70、という循環も形成している。したがって、母材部85から生成された微粒子を、より指向性を待たせて、微粒子通路部25に向かわせ、結果、微粒子捕獲器71に到達させることができる。
また、本発明に係る微粒子生成装置100では、直流プラズマトーチ50内の微粒子通路部25の外側を通るように、プラズマガスを供給している。したがって、当該プラズマガスを移行型プラズマP1の形成のみならず、微粒子通路部25に向かい、当該微粒子通路部25を通過する微粒子の冷却にも寄与させることができる。
また、本発明に係る微粒子生成装置100では、筒形状である移行型プラズマ用電極1の直径寸法の範囲以下で、直流プラズマトーチ50と母材部85との間の距離を可変としている。
したがって、母材部85に斜め方向から当たる移行型プラズマP1を、より狭い範囲に集中照射することが可能となる。これにより、陰極点付近の前記狭い範囲における高温化をより図ることができ、結果として気化効率の更なる向上が可能なる。
なお、移行型プラズマ用電極1の直径の範囲以下で、直流プラズマトーチ50と母材部85との間の距離(空間)を大きくすればするほど、母材部85における螺旋形状のプラズマの径は小さくなり、移行型プラズマP1は母材部85の局所領域に集中して当たる(母材部85における、移行型プラズマP1の絞りがより小さくなる)。一方で、直流プラズマトーチ50と母材部85との間の距離が、移行型プラズマ用電極1の直径寸法を超えると、移行型プラズマP1の絞りが広がり始め、プラズマによる気化効率も低下する。よって、筒形状である移行型プラズマ用電極1の直径寸法の範囲以下で、直流プラズマトーチ50と母材部85との間の距離を可変とすることが、望ましい。
また、本発明に係る微粒子生成装置100では、直流プラズマトーチ50と母材部85との間の空間において、側方からのプラズマガスPGaの供給を実施している。したがって、母材部85から生成された微粒子の冷却を促進できると共に、当該微粒子が当該側方に拡散することも抑制できる。
なお、図1の構成では、当該プラズマガスPGaの供給を、循環ポンプ83を利用して、プラズマガスの再利用により実現している。しかしながら、たとえば図1のバルブB12にプラズマガス供給源を接続し、当該プラズマ供給源から、直流プラズマトーチ50と母材部85との間の空間に対して、側方からのプラズマガスPGaを供給しても良い。
また、本発明に係る微粒子生成装置100では、微粒子通路部25の他方端には、微粒子捕獲器71が接続されているので、微粒子通路部25を通過した微粒子を、当該微粒子捕獲器71において収穫することができる。
また、微粒子捕獲器71には、微粒子とプラズマガスとを分離する微粒子捕獲フィルター72が配設されている。したがって、微粒子捕獲器71において、微粒子のみを捕獲することができ、プラズマガスは微粒子捕獲フィルター72を透過して、微粒子捕獲器71外に出力することができる。
また、本発明に係る微粒子生成装置100では、循環ポンプ83を利用して、微粒子捕獲フィルター72を透過してプラズマガスを、ガス通路部26,27を通って、母材部85に向けて出力されるプラズマガスとして再利用している(図1において、ガス供給部63の符号Aおよびガス通路部64の符号B参照)。また、循環ポンプ83を利用して、微粒子捕獲フィルター72を透過してプラズマガスを、密閉容器70に配設されたガス供給部90に供給するプラズマガスとして再利用している。
したがって、微粒子生成装置100では、プラズマガスの節約を図ることができる。また、循環ポンプ83を利用しているので、上記したように、循環ポンプ83を利用して、密閉容器70→直流プラズマトーチ50→微粒子捕獲器71→熱交換器73→循環ポンプ83→密閉容器70、という循環を形成でき、母材部85から生成された微粒子を、より指向性を待たせて、微粒子通路部25に向かわせることができる。
また、本発明に係る微粒子生成装置100では、直流プラズマトーチ50内に、中心軸AX方向に磁化したリング形状の磁石3が一つ配設されていれば良い。つまり、移行型プラズマP1を回転させるために、リング状の磁石3を一つ内筒2内に内蔵配置させているだけである。したがって、直流プラズマトーチ50の小型化(簡素化)が、可能となる。
また、本発明に係る微粒子生成装置100では、直流プラズマトーチ50において、絶縁物5,6,7が配設されている。したがって、回転に寄与しない磁場内に、移行型プラズマP1が移行することを防止できる。よって、直流プラズマトーチ50における移行型プラズマP1によるダメージを軽減でき、さらに、安定した移行型プラズマP1による母材部85の気化と気化物の冷却凝結が行われ、生成される微粒子のサイズ等を安定させることができる(微粒子生成装置100の信頼性の向上)。
また、本発明に係る100では、冷却水供給部62から供給される冷却水により直流プラズマトーチ50を冷却することができる。これにより、移行型プラズマP1に起因した移行型プラズマ用電極1の加熱を急冷することができる。また、直流プラズマトーチ50内において、微粒子の冷却も促進することができる。
<実施の形態2>
さて、上述したように、母材部85からの気化物は微粒子通路部25に向かい、微粒子通路部25内には、図2の下方向から上方向に向けて、気化物から生成された微粒子が通過する。一方、プラズマガス供給部63,64から供給されたプラズマガスは、ガス通路部26,27内を、図1,2の上方向から下方向に向かって通過する。
ガス通路部26,27から出力されたプラズマガスは、母材部85などに衝突し、密閉容器70内部で拡散される。そして、当該拡散したプラズマガスは、最終的に、直流プラズマトーチ50の中央部に配設された微粒子通路部25の回収口へと向かう。
また、図2を用いて説明したように、直流プラズマトーチ50と母材部85との間の空間において、密閉容器70の側方から中心軸AXに向かう方向に、プラズマガスPGaが供給される。微粒子通路部25の回収口へ向かうプラズマガスの流れは、当該プラズマガスPGaの流れに依るところも大きい。
上記微粒子通路部25の回収口へ向かうプラズマガスの流れが大きくなると、当該プラズマガスの流れに押されて、回転している移行型プラズマP1が微粒子通路部25の開口部方向に向かう現象が発生することもある。図7は、移行型プラズマP1が微粒子通路部25の開口部方向に押される様子(つまり、移行型プラズマP1の変形の様子)を示す断面図である。
図7に示すように、移行型プラズマP1が微粒子通路部25の開口部方向に押されることにより、母材部85と対面する側の直流プラズマトーチ50の端部が、プラズマの高温に晒される事となる。そして、その結果、直流プラズマトーチ50の端部の熱破損が発生する可能性が高くなる。
当該熱破損を防止する方法として、直流プラズマトーチ50の先端部を、窒化ホウ素等の耐高温材料で構成する方法がある。しかしながら、高温耐熱材料は一般的に、非常に高価で脆性なセラミック等であるので、例えば直流プラズマトーチ50の先端部全体をセラミックで一体成形することは好ましくない。
また、直流プラズマトーチ50の端部付近における、微粒子通路部25の回収口へ向かうプラズマガスの流れは、回転している移行型プラズマP1を吹き飛ばしてします要因となり得る。つまり、移行型プラズマP1の円滑な円運動が阻害され得る。
また、図7に示したように、移行型プラズマP1が微粒子通路部25の開口部方向に押されることにより、プラズマ長が長くなる。当該プラズマ長の増加は結局、印加電圧の増大を招く。印加電圧が増大して投入電力が増えたとしても、その増加分は母材部85の蒸発に費やされるのではなく、単にプラズマの延伸に使われる。つまり、エネルギー効率が低下してしまう。
上記各問題点を鑑みて創作された発明が、本実施の形態に係る微粒子生成装置である。以下、断面図である図8を用いて、本実施の形態に係る微粒子生成装置(特に、直流プラズマトーチ50)の構成について説明する。
図8に示すように、外筒4は、移行型プラズマ用電極1の端部および内筒2の端部よりも、母材部85側(図8の真下側であり、中心軸AXに平行な方向)に延在している。ここで、外筒4の当該延在している部分の長さは、直流プラズマトーチ50の端部において、当該外筒4の外側から中心軸AXに向かう径方向のガス流(つまり、微粒子通路部25の回収口へ向かうプラズマガスの流れ)が、遮断できる程度の長さである。
なお、移行型プラズマ用電極1の端部は、内筒3の端部よりも、母材部85に近い。また、外筒4自身(もしくは、外筒4の上記延設している部分)は固定長であり、本実施の形態では、外筒4は中心軸AXに平行な方向において伸縮自在ではない。
密閉容器70内において、ガス流の向きは様々であり、全方向から、微粒子通路部25の開口部に向かう。ここで問題となるのは、直流プラズマトーチ50(より具体的には、移行型プラズマ用電極1)の端部付近における、中心軸AXに向かう径方向のガス流(主に、プラズマガスPGaのガス流)である。
本実施の形態では、図8に示すように、外筒4は、移行型プラズマ用電極1の端部よりも、母材部85側(図8の真下側)に延在している。したがって、外筒4は、移行型プラズマ用電極1の端部付近における、中心軸AXに向かう径方向のガス流を、少なくともブロックすることができる(図8の構成例では、外筒4は、内筒2の端部付近における、中心軸AXに向かう径方向のガス流も、ブロックできる)。
したがって、本実施の形態に係る発明では、当該ガス流のブロックにより、直流プラズマトーチ50の端部の熱破損が発生、円滑な円運動が阻害、およびエネルギー効率が低下といった各問題が生じることを、防止することができる。
<実施の形態3>
実施の形態2では、外筒4の延在部(もしくは、外筒4全体)は固定長であった。しかし、このような構成の場合には、次のような問題が発生する。
つまり、プラズマ着火時などには、直流プラズマトーチ50を母材部85側に近づけることが必要である(たとえば、両者50,85間の距離を数mmにする必要がある)。しかしながら、実施の形態2に係る外筒4の場合には、直流プラズマトーチ50を母材部85側に近づけると、外筒4の端部が母材部85に接触し、当該接触により、直流プラズマトーチ50が、それ以上、母材部85に近づけなくなる。つまり、固定長である外筒4では、プラズマ着火に必要な距離まで、直流プラズマトーチ50を母材部85側に近づけることができない、ことが発生し得る。
固定長である外筒4を採用しつつ、直流プラズマトーチ50の母材部85側への接近阻害を解消するためには、外筒4の円筒の直径よりも、小さい大きさの母材部85を用意する必要がある(図9参照)。つまり、実施の形態2に係る外筒4を採用する場合には、母材部85の大きさの制約が生じる。
そこで、本実施の形態では、外筒4は、母材部85側(中心軸AXに平行な方向)に対して、伸縮自在とする。外筒4の長さを伸縮させる構造には、色々なものが採用できる(たとえば、テレスコピックパイプ構造および蛇腹構造などである)。また、外筒4全体が伸縮可能である場合や、少なくとも外筒4の母材部85側の端部部分が伸縮可能であっても良い。図10は、本実施の形態に係る微粒子生成装置(より具体的には、直流プラズマトーチ50)が備える外筒4の構造の一例を示す断面図である。
図10に例示する外筒4では、当該外筒4の端部付近において、中心軸AXに平行な方向(図10の真下方向)に伸縮自在である外筒伸縮部4Mを有する。当該外筒伸縮部4Mは、テレスコピックパイプ構造である。つまり、外筒伸縮部4Mは、望遠鏡のように、中空の相似形の円筒を、大きさの順で内側に組み合わせ、引き出し・収納により、全長を変えることのできる構造である。ここで、外筒伸縮部4Mを構成する複数の円筒のうち、最も内側に配置されている円筒が、外筒4の外側面に固定接続されている。
図10の状態は、直流プラズマトーチ50が母材部85から離れた状態を示しており、外筒4が有する外筒伸縮部4Mは、自重により、母材部85側に延びた状態(外筒伸縮部4Mが構成する各円筒が引き出された状態)となっている。
図11は、図10に例示した外筒4において、プラズマを発生させるために、直流プラズマトーチ50を母材部85に近づけた状態を示す断面図である。
直流プラズマトーチ50を母材部85に近づけ、外筒4(より具体的に、外筒伸縮部4M)の端部が母材部85に接触したとしても、外筒伸縮部4Mが、中心軸AXに平行な方向に縮むことができる。よって、外筒伸縮部4Mの端部が母材部85に接触した後においても、図11に示すように、直流プラズマトーチ50を母材部85側にさらに近づけることができる。よって、プラズマ着火時などおいて、直流プラズマトーチ50を母材部85側により近づけることができる(たとえば、両者50,85間の距離を数mmまたはそれ以下にすることができる)。
つまり、外筒4が母材部85に接触した後、さらに直流プラズマトーチ50を母材部85にさらに近づけたとき、母材部85の上面において外筒伸縮部4Mの端部が押されることとなり、直流プラズマトーチ50を母材部85に近づけるに連れて、外筒伸縮部4Mは自動的に縮む。
なお、実施の形態1でも説明したように、直流プラズマトーチ50を母材部85に近づけプラズマを発生させた後、直流プラズマトーチ50を母材部85から離す。その後、直流プラズマトーチ50と母材部85との距離を一定に保持しつつ、移行型プラズマP1を回転させる(定常プラズマ状態と称することとする)。当該定常プラズマ状態において、外筒4が有する外筒伸縮部4Mは、移行型プラズマ用電極1の端部付近における、中心軸AXに向かう径方向のガス流をブロックすることができる程度まで、母材部85側に延在している(自重により、外筒伸縮部4Mは自動的に延び、上記ガス流のブロックが可能となる。図10参照)。
ここで、上記外筒伸縮部4Mの部材は、どのような材質のものを採用しても良い。たとえば、外筒4として、SUSやアルミニウムを採用している場合には、外筒伸縮部4Mも同じSUSやアルミニウムを採用しても良い。なお、外筒4の材質と外筒伸縮部4Mの材質が相違しても良い。
このように、本実施の形態に係る外筒4は、伸縮自在である。したがって、母材部85の大きさを制限することなく、直流プラズマトーチ50を母材部85に十分近づけることが可能となる。
<実施の形態4>
実施の形態1で述べたように、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として機能し、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。そして、プラズマガス供給部63,64から供給されたプラズマガスは、ガス通路部26,27内を、図1,2の上方向から下方向に向かって通過する。
本実施の形態では、ガス通路部27を、直流プラズマトーチ50が母材部85と対向する方向、つまり中心軸AXと平行な方向に直線状に配設させる。そして、断面視において、プラズマガス出力側におけるガス通路部27の開口部は、テーパ形状を有さない(図2等では、プラズマガス出力側におけるガス通路部27の開口部は、テーパ形状を有している)。
つまり、本実施の形態では、ガス通路部27から出力されるプラズマガスが、中心軸AXと平行な方向で母材部85に向かうように、当該ガス通路部27の形状(噴出孔の形状も含む)が設定されている。ここで、ガス通路部27から出力されるプラズマガスは、中心軸AX側(微粒子通路部25の開口部側)に向かわないようにする。なお、ガス通路部27から出力されるプラズマガスが、中心軸AXから離れる方向に進むように、ガス通路部27の形状を設定しても良い。
本実施の形態では、ガス通路部27から出力されるプラズマガスは、上記対向方向(つまり、中心軸AXと平行な方向)である。より具体的には、ガス通路部27から出力されるプラズマガスは、上記対向方向に垂直な方向(つまり、上記径方向)の成分を有さない。つまり、本実施の形態では、図12に示すように、ガス通路部27から出力されるプラズマガスは、図面の真下方向に限定される。
本実施の形態では、ガス通路部27から出力されるプラズマガスは上記の方向に限定されるので、当該プラズマガスが、移行型プラズマ用電極1の端部付近における、中心軸AXに向かう径方向のガス流をブロックすることができる(図12参照)。したがって、本実施の形態に係る発明では、当該ガス流のブロックにより、直流プラズマトーチ50の端部の熱破損が発生、円滑な円運動が阻害、およびエネルギー効率が低下といった各問題が生じることを、防止できる。
<実施の形態5>
本実施の形態に係る直流プラズマトーチ50は、プラズマガスが流れる新たなガス配管95が配設されている。図13は、本実施の形態に係る直流プラズマトーチ50の構成を示す断面図である。
図13に示すように、ガス管路95は、外周側面部と内周側面部とから構成されている。ここで、外周側面部の断面の直径は、内周側面部の断面の直径よりも大きい。よって、外周側面部の内側において、当該外周側面部と所望の距離だけ隔てて、内周側面部が配設されている。よって、ガス管路95では、外周側面部と内周側面部との間に、平面視における環状の空間が形成され、当該環状の空間が、ガス管路95のプラズマガス通路となる。
ガス管路95は、移行型プラズマ用電極1の円筒の空洞内部および内筒2の円筒の空洞内部に配置されている。つまり、当該ガス管路95は、微粒子通路部25と内筒2との間に配設されており、内筒2の側面に接している(より具体的に、外周側面部と内筒2の側面とが接している)。ガス管路95の延設方向は、中心軸AXと平行である。
なお、外周側面部および内周側面部は共に、内部に空洞を有する円筒形であり(上記の通り、平面視における外周側面部の円形の直径は、平面視における内周側面部の円形の直径より大きい)、外周側面部の中心軸および内周側面部の中心軸は共に、当該中心軸AXに一致している。
ここで、ガス管路95から出力されたプラズマガスが、中心軸AXと平行な向きで母材部85へと向かうように、当該ガス管路95の母材部85と対面する側の端部は、断面視においてテーパ形状を有していなくても良い。
しかし、図7に示した移行型プラズマP1の変形を防止するためには、当該ガス管路95の母材部85と対面する側の端部は、図13に示すように、断面視においてテーパ形状を有していることが望ましい。
ガス管路95の環状の空間内をプラズマガスが、母材部85の配設側(図13の上方向から下側方向)に向かって流れ、上記テーパ形状を有するガス管路95の端部から出力される。
ここで、当該プラズマガスは、プラズマ源として機能するだけでなく、微粒子通路部25内を流れる気化物・微粒子等を冷却する冷却剤としても機能する。ガス管路95内を流れるプラズマガスとして、実施の形態1で説明したガス通路部26,27を流れるプラズマガスと同種類のものを採用できる(たとえば、アルゴンガス等)。また、ガス通路部26,27を流れるプラズマガスの種類と、ガス管路95を流れるプラズマガスの種類とは、同じであることが望ましい。つまり、直流プラズマトーチ50において流れるプラズマガスは、全て同じ種類であることが望ましい。
上述したように、ガス管路95のガス出力部(より具体的に、内周側面部のガス出力部)はテーパ形状を有している。ここで、当該テーパ形状は、中心軸AXから離れる方向に向かって傾斜している。図13に示すように、ガス管路95のガス出力部付近において、微粒子通路部25側のガス管路95の側面部(つまり、内周側面部)は、末広がり的なテーパ形状となっている。
したがって、当該テーパ形状により、ガス管路95から出力されるプラズマガスは、直流プラズマトーチ50が母材部85に対向する方向(つまり、中心軸AXの方向)に対して、垂直方向の成分を有する。つまり、ガス管路95から出力されるプラズマガスは、中心軸AX方向の成分に加えて、径方向であり、微粒子通路部25から「内筒3、移行型プラズマ用電極1および外筒4」が配設されている側へと進む方向(中心軸AXから離れる方向)の成分も有する。換言すれば、ガス管路95から出力されるプラズマガスは、密閉容器70の側面に向かいながら、母材部85側へと進む(図13の矢印方向参照)。
なお、上述したガス管路95は、耐熱性を有する材料で構成されることが望ましい。たとえば、当該耐熱性を有する材料として、SUSまたはアルミナなどを採用することができる。また、プラズマのガス管路95への移行抑制を考慮すると、ガス管路95は絶縁性であることが好ましい。
以上のように、本実施の形態では、直流プラズマトーチ内においてガス管路95は、上記位置および上記形状(図13参照)にて配設されており、当該ガス管路95から出力されるプラズマガスは、直流プラズマトーチ50の中心から広がる方向の成分を有している。したがって、移行型プラズマ用電極1の端部付近における、中心軸AXに向かう径方向のガス流を、ガス管路95から出力されるプラズマガスが押し返すことができる。したがって、移行型プラズマP1が、図7で示したように変形することを抑制することが可能となる。
よって、本実施の形態に係る発明では、移行型プラズマP1の変形抑制により、直流プラズマトーチ50の端部の熱破損が発生、円滑な円運動が阻害、およびエネルギー効率が低下といった各問題が生じることを、防止できる。
なお、図13に図示したガス管路95の内筒2側の側面(外周側面部)を省略し、内筒2の側面をガス管路95の外周側面部として兼用させても良い。