JP6005577B2 - Fine particle generator - Google Patents
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Description
本発明は、プラズマトーチを利用した、微粒子生成装置に関するものである。 The present invention relates to a fine particle generator using a plasma torch.
プラズマトーチを利用した微粒子生成に関する先行文献として、たとえば特許文献１が存在している。特許文献１に係る技術では、プラズマトーチを、試料である金属上面に対して斜めに配設している。そして、プラズマにより生成された金属からの微粒子を、プラズマトーチとは別に配設された吸引器から取り出している。
For example,
しかしながら、特許文献１に係る技術では、プラズマトーチと吸引器とが別途配設されているので、微粒子生成装置全体の拡大化およびエネルギー効率が悪い、という問題を有している。
However, the technique according to
そこで、上記問題を解決し、本願発明に関連する先行特許出願として、たとえば、特願２０１２−２６５０５１が存在している。当該先行特許出願に係る微粒子生成装置では、直流プラズマトーチから発生した移行型プラズマを利用して母材部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。 Therefore, for example, Japanese Patent Application No. 2012-265051 exists as a prior patent application that solves the above problems and relates to the present invention. In the fine particle generation apparatus according to the prior patent application, the base material part is vaporized using the transfer type plasma generated from the direct current plasma torch, so that the energy efficiency can be improved.
ところで、直流プラズマトーチを利用した微粒子発生装置において、微粒子生成の原料となる母材部を、直流プラズマトーチが配設された密閉容器内に配設する必要がある。ここで、プラズマ照射により母材部が蒸発し、新たに密閉容器内に母材部を配設させるためには、密閉容器を一度開放する必要がある。そして、密閉容器内に新たな母材部を配置させた後には、密閉容器内の真空引き処理、および当該真空引き処理後の密閉容器内へガス置換が必要となる。 By the way, in a fine particle generator using a direct current plasma torch, it is necessary to dispose a base material portion, which is a raw material for producing fine particles, in an airtight container in which a direct current plasma torch is disposed. Here, in order to evaporate the base material part by plasma irradiation and newly arrange the base material part in the sealed container, it is necessary to open the sealed container once. And after arranging a new base material part in an airtight container, it is necessary to evacuate the airtight container and replace the gas into the airtight container after the air evacuation process.
このように、直流プラズマトーチを利用した微粒子発生装置では、密閉容器内に母材部を新たに配置さえる度に、比較的に処理時間の長い複数の処理を繰り返す必要があり、処理効率が低下するという問題がある。 As described above, in the fine particle generator using the DC plasma torch, it is necessary to repeat a plurality of treatments having a relatively long treatment time each time a base material part is newly placed in the sealed container, and the processing efficiency is lowered. There is a problem of doing.
そこで、本発明は、直流プラズマトーチを利用した微粒子発生装置において、処理効率の低下を抑制することができる、簡単な構成の微粒子生成装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a particle generation device with a simple configuration that can suppress a reduction in processing efficiency in a particle generation device using a DC plasma torch.
上記の目的を達成するために、本発明に係る微粒子生成装置は、直流プラズマトーチと、前記直流プラズマトーチから離隔して対向して配置され、微粒子生成の原料となり、導電性を有する母材部と、前記直流プラズマトーチおよび前記母材部が内部に配置されるチャンバーとを、備えており、前記直流プラズマトーチは、リング状の磁石と、円筒形状であり、前記磁石が前記円筒の空洞内部に配置され、前記磁石と所定の距離だけ離隔している移行型プラズマ用電極とを、有しており、前記母材部に負極を印加し、前記移行型プラズマ用電極に正極を印加する直流電源を、さらに備えており、前記移行型プラズマ用電極は、前記母材部との間において、移行型プラズマを発生する電極であり、前記移行型プラズマは、前記移行型プラズマ用電極と前記母材部との間で発生し、前記円筒形状である前記移行型プラズマ用電極の中心軸の周りを回転するプラズマであり、前記チャンバーの底面には、開口部が形成されており、前記母材部は、前記開口部から挿通されており、前記チャンバーの外側において、前記母材部の側面に対面する位置に配設された誘導コイルを、さらに備えている。 In order to achieve the above object, a particulate generator according to the present invention includes a direct current plasma torch, and a base material portion that is disposed opposite to and separated from the direct current plasma torch, serves as a raw material for particulate production, and has conductivity. And a chamber in which the direct-current plasma torch and the base material are disposed, the direct-current plasma torch has a ring-shaped magnet and a cylindrical shape, and the magnet is inside the hollow of the cylinder. A transitional plasma electrode disposed at a predetermined distance from the magnet, applying a negative electrode to the base material portion and applying a positive electrode to the transitional plasma electrode the power, and further comprising, the transferred plasma electrode, in between the base metal is an electrode for generating a transferred plasma, the transferred plasma is for the transferred plasma Developed between the pole To the base metal is a plasma that rotates about a central axis of said transferred plasma electrode is the cylindrical shape, the bottom surface of the chamber, an opening is formed The base material part is inserted through the opening , and further includes an induction coil disposed at a position facing the side surface of the base material part outside the chamber.
本発明に係る微粒子生成装置は、直流プラズマトーチと、前記直流プラズマトーチから離隔して対向して配置され、微粒子生成の原料となり、導電性を有する母材部と、前記直流プラズマトーチおよび前記母材部が内部に配置されるチャンバーとを、備えており、前記直流プラズマトーチは、リング状の磁石と、円筒形状であり、前記磁石が前記円筒の空洞内部に配置され、前記磁石と所定の距離だけ離隔している移行型プラズマ用電極とを、有しており、前記母材部に負極を印加し、前記移行型プラズマ用電極に正極を印加する直流電源を、さらに備えており、前記移行型プラズマ用電極は、前記母材部との間において、移行型プラズマを発生する電極であり、前記移行型プラズマは、前記移行型プラズマ用電極と前記母材部との間で発生し、前記円筒形状である前記移行型プラズマ用電極の中心軸の周りを回転するプラズマであり、前記チャンバーの底面には、開口部が形成されており、前記母材部は、前記開口部から挿通されており、前記チャンバーの外側において、前記母材部の側面に対面する位置に配設された誘導コイルを、さらに備えている。
The fine particle generation apparatus according to the present invention includes a direct current plasma torch and a facing member spaced apart from the direct current plasma torch and serving as a raw material for producing fine particles, the conductive base material portion, the direct current plasma torch and the mother A chamber in which a material part is disposed, and the DC plasma torch has a ring-shaped magnet and a cylindrical shape, and the magnet is disposed inside the hollow of the cylinder, A transitional plasma electrode separated by a distance, and further comprising a direct current power source that applies a negative electrode to the base material portion and a positive electrode to the transitional plasma electrode, The transfer-type plasma electrode is an electrode that generates transfer-type plasma between the base material portion, and the transfer-type plasma is generated between the transfer-type plasma electrode and the base material portion. A plasma rotating about a central axis of said transferred plasma electrode is the cylindrical shape, the bottom surface of the chamber, an opening is formed, the base metal is inserted through the opening The induction coil further includes an induction coil disposed at a position facing the side surface of the base material portion outside the chamber.
したがって、本発明に係る微粒子生成装置では、チャンバーを開放することなく、チャンバー内への連続した母材部の供給（再充填）が可能となる。よって、母材部をチャンバー内に再充填する度に、真空引きをしたり、プラズマガスを再供給し直したりする必要もない。したがって、本発明に係る微粒子生成装置では、母材部の再充填に伴う、処理効率の低下および処理コスト高を抑制することができる。また、母材部の連続再充填も可能であるので、長時間に渡る連続した微粒子の生成処理も可能となる。なお、母材部の再充填も、次から次へと直列的に母材部を下から上方向へ押し出すだけであり、母材部の再充填機構は、極めて簡易となる。 Therefore, in the fine particle generation apparatus according to the present invention, it is possible to supply (refill) the base material part continuously into the chamber without opening the chamber. Therefore, it is not necessary to evacuate or resupply plasma gas every time the base material is refilled in the chamber. Therefore, in the fine particle production | generation apparatus which concerns on this invention, the fall of processing efficiency and the processing cost high accompanying the refilling of a base material part can be suppressed. Further, since the base material portion can be continuously refilled, it is possible to perform a continuous fine particle generation process over a long period of time. In addition, the refilling of the base material part simply pushes the base material part from bottom to top in series from one to the next, and the refilling mechanism of the base material part becomes extremely simple.
まず、本発明の前提となる微粒子生成装置の構成及び微粒子生成方法について、説明する。 First, the configuration of the fine particle generation apparatus and the fine particle generation method, which are the premise of the present invention, will be described.
図１は、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。また、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。
FIG. 1 is a diagram illustrating an overall configuration of the fine
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。
As shown in FIG. 1, the
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。
As described above, the configuration of the circled region shown in FIG. 1 (that is, the configuration near the tip of the DC plasma torch 50) is shown in FIG. As shown in FIG. 2, the
＜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。
<Configuration of DC plasma torch and its surroundings>
First, the configuration of the
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。
The
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。
In the cavity of the
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。
In the following description, the direction of the central axis AX (in other words, the direction in which the
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。
The cavity of the inner cylinder 2 functions as the fine
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。
Note that a transfer plasma P <b> 1 is generated between the
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。
The
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。
The
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。
The
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。
As shown in FIG. 2, the insulator 5 is formed so as to cover the bottom side end of the inner cylinder 2. More specifically, the insulator 5 covers a part facing the
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。
Further, an insulator 6 is disposed on the side surface portion of the transition
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。
Here, as each of the
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。
In addition, the protrusion condition to the
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。
Here, the
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。
As can be seen from the above-described configuration, as shown in FIGS. 1 and 2, a
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）。
As shown in FIG. 1, the front end portion of the
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。
As shown in FIG. 1, the sealed
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。
Here, instead of the
＜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。
<Configuration of microparticle generator>
Next, the overall configuration of the fine
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。
The plasma
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）。
A plasma power source (which can be grasped as a DC power source) 61 applies a DC voltage having a reverse polarity to the
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。
The cooling
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。
Specifically, the cooling
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。
In addition, a cooling water channel through which cooling water circulates is formed in the wall surface, bottom surface, and top surface of the sealed
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。
In addition, the cooling
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。
The
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。
Here, in the configuration example shown in FIG. 1, the
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。
The plasma
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、水素分子等の分子ガス）などが採用できる。
Here, as shown in FIG. 1, as a plasma gas supplied by the plasma
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。
The plasma
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、水素分子等の分子ガス）などが採用できる。
Here, as shown in FIG. 1, as a plasma gas supplied by the plasma
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。
Here, it can be grasped that the plasma
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。
Due to the power supply from the
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。
In addition, as will be described later, the transfer plasma P1 is affected by the magnetic force from the magnet 3 (more specifically, the magnetic force in the radial direction), thereby causing the
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。
The
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。
Due to the flow of each plasma gas in the
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。
The
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。
As can be seen from FIGS. 1 and 2, one end of the
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。
A
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。
Here, the
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。
One end of the
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。
Due to the circulation operation of the
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。
As described above, the
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）。
Here, the
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。
The
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）。
The plasma gas output from the
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。
In the configuration of FIG. 1, the
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。
Further, in the configuration of FIG. 1, the
＜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。
<Method for producing fine particles in fine particle production apparatus>
Next, the operation in the fine
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。
The
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。
Next, plasma gas is output from the plasma
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。
The plasma gas output from the plasma
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）。
Next or in parallel with the plasma gas supply, the plasma
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。
Now, in the state (initial position state) where the distance (space) between the front end portion of the
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。
Then, as shown in FIG. 2, the transfer type plasma P <b> 1 is generated between the transfer
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。
Here, due to the presence of the
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。
As described above, the transfer plasma P <b> 1 rotates about the central axis AX by the magnetic field generated by the
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。
As shown in FIG. 2, the ring-shaped
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）。
Under the generation of the magnetic field MF, when a DC voltage of a predetermined value having a reverse polarity is applied between the
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。
Here, due to the presence of the
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。 Therefore, as shown in FIG. 4, according to Fleming's left-hand rule, the transfer plasma P1 has a force F around the central axis AX due to the influence of the magnetic field B in the radial direction. Therefore, the transfer type plasma P1 rotates counterclockwise around the central axis AX. The magnitude of the force F is the radial magnetic field B × the transfer type plasma arc current I. Thus, the transfer type plasma P1 always rotates.
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。
Now, the valves B6 and B10 are opened, and the
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。
Next, the plasma
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）。
As described above, when the distance between the
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。
Thus, as the
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。
Here, the inner cylinder 2 has a structure in which the number of ring-shaped
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。
Here, if the plasma rotation speed on the
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。
Thereafter, the plasma
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。
As described above, when the transfer type plasma P1 strikes the surface (upper surface) of the
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。
As the plasma rotation speed increases, the plasma concentrates in the
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。
Therefore, when the distance between the
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。
As described above, the transitional plasma P1 is applied to the
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）。
However, when the
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。
Furthermore, as described above, since the influence of the magnetic field MF of the
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。
As described above, in the present invention, extremely high vaporization efficiency can be obtained in the vicinity of the cathode spot on the surface (upper surface) of the
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。
On the other hand, since the
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。
That is, the amount of heat by which the entire
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。
In this way, in the present invention, only the
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。
Now, in the vicinity of the central axis AX of the
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。
Here, since the vaporized material is cooled and condensed during the movement, microorganisms are generated from the vaporized material. Therefore, fine particles generated from the vaporized substance pass through the fine
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。
In addition, the plasma gas which rides on the above-mentioned updraft and is output toward the
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（分子ガス）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、窒化金属微粒子が生成される）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。
For example, when the plasma gas is only an inert gas, the inert gas also moves in the fine
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。
Further, as described above, since heat is concentrated in the vicinity of the cathode spot on the
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。
Furthermore, the
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。
Further, as described above, the plasma generated between the
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。
Now, the fine particles and the plasma gas that have passed through the fine
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。
By supplying pulsed air from the valve B5 toward the
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。
The plasma gas separated in the
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。
Note that the plasma gas supplied from the
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。
Further, the supply of the plasma gas PGa into the sealed
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および／またはバルブＢ１２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排気バルブ（排気部と把握できる）である。
The
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。
As described above, each plasma gas supplied into the sealed
微粒子生成装置１００は、上記のように構成されているので、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。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。
Since the fine
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を供給することも可能である（当該場合には、排気部となる排気バルブは、バルブＢ７のみとなる）。
In the configuration of FIG. 1, the supply of the plasma gas PGa is realized by reusing the plasma gas using the
さて、上記構成の微粒子生成装置１００では、母材部８５を密閉容器７０内に配置し、直流プラズマトーチ５０を用いて生成される移行型プラズマＰ１を、当該母材部８５の上面に照射し、母材部８５を蒸発させ、微粒子の生成を行っている。当該密閉容器７０内の母材部８５が蒸発により減少したときには、更なる微粒子の生成のために、密閉容器７０内に、新たに母材部８５を載置させる必要がある（つまり、微粒子材料の密閉容器７０への再充填）。
In the fine
しかし、図１に示す構成の微粒子生成装置１００において、母材部８５を新たに密閉容器７０に配置させる場合には、密閉容器７０を開放する必要がある。さらに、密閉容器７０内に新たな母材部８５を配置させた後には、密閉容器７０を真空引きし、その後、密閉容器７０内にプラズマガスを再供給する必要がある（なお、真空引き等の処理が不十分だと、生成される微粒子に不純物が混在する）。
However, in the
つまり、図１に示す構成の微粒子生成装置１００において、母材部８５を新たに密閉容器７０に配置させる場合には、複数の処理が必要となり、各処理には比較的長い時間を要し、プラズマガスの再供給等を要するので、微粒子生成効率の低下および微粒子生成のコスト高を招く。
That is, in the fine
そこで、母材部８５を新たに密閉容器７０に配置させたとしても、微粒子生成効率の低下および微粒子生成コスト高を抑制することができる微粒子生成装置を、以下の実施の形態において、図面に基づいて具体的に説明する。
Therefore, even if the
＜実施の形態＞
図６は、本実施の形態に係る微粒子生成装置の密閉容器付近の概略構成を示す拡大断面図である。なお、図６の構成では、図面簡略化のために、直流プラズマトーチ５０の構成は簡略化して図示している。
<Embodiment>
FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view showing a schematic configuration in the vicinity of the hermetic container of the particulate generator according to the present embodiment. In the configuration of FIG. 6, the configuration of the
図１と図６との比較から分かるように、本実施の形態に係る微粒子生成装置では、密閉容器７０Ａの構成が、図１に示した密閉容器７０の構成と相違する。なお、本実施の形態に係る微粒子生成装置において、図１〜５を用いて説明した微粒子生成装置と異なる構成に関して、以下において詳細に説明し、共通する構成等については、以下での説明は省略する。
As can be seen from a comparison between FIG. 1 and FIG. 6, in the particulate generator according to the present embodiment, the configuration of the sealed
図６に示すように、本実施の形態に係る微粒子生成装置では、密閉容器７０Ａは、底面に開口部が設けられている。具体的に、図６に示すように、密閉容器７０Ａは、下方向に突き出るように、断面形状が凸状である挿通部７０Ｍを有する。そして、当該挿通部７０Ｍには、当該凸状の突き出ている先端部において、開口部が配設されている。
As shown in FIG. 6, in the particulate generator according to the present embodiment, the sealed
また、本実施の形態では、母材部８５は、インゴット状（たとえば、棒状または柱状の塊）である。ここで、母材部８５の図６の径（たとえば、左右・紙面表裏方向の寸法）は、開口部の径（たとえば、左右・紙面表裏方向の寸法）とほぼ同じである（母材部８５の図６の径は、開口部の径よりほんの少し小さい）。
In the present embodiment,
図６に示すように、挿通部７０Ｍの開口部から、インゴット状の母材部８５が挿通される。ここで、図６に示すように、密閉容器７０Ａの開口部付近には、シール部ｍ１が配設されており、開口部に挿通される母材部８５の側面部と接触する。当該シール部ｍ１の配設により、開口部に母材部８５挿通されている状態において、密閉容器７０Ａの気密性が保持される。
As shown in FIG. 6, an ingot-shaped
また、微粒子生成装置は、密閉容器７０Ａの外側には、ローラＲ１が配設されている。当該ローラＲ１は、挿通部７０Ｍの下方向に配設されている。図６に示すように、開口部に挿通されている母材部８５は、当該ローラＲ１の支持を受け、当該ローラＲ１の送り出しを受け、上方向（直流プラズマトーチ５０に向けて）、挿通部７０Ｍに沿って移動することができる。
In the fine particle generation device, a roller R1 is disposed outside the sealed
直流プラズマトーチ５０と母材部８５の上面との距離が一定に保たれている状態において、両部材５０，８５間に発生した移行型プラズマＰ１が母材部８５の上面に照射される。そして、上述したように、当該照射により母材部８５の上面部は蒸発する。当該蒸発により、母材部８５の上面は下方向に後退するが、直流プラズマトーチ５０と母材部８５の上面との距離が一定に保たれているように、当該蒸発量に応じて、母材部８５は上方向へと押し上げられる（移動する）。
In a state where the distance between the
また、本実施の形態では、プラズマ電源６１の負極は、図６に示すように、挿通部７０Ｍ下方向において、当該挿通部７０Ｍから外部に露出している母材部８５と電気的に接続している。
In the present embodiment, the negative electrode of the
挿通部７０Ｍ内を上方向に母材部８５が移動したとしても、シール部ｍ１と母材部８５の側面との接触、プラズマ電源６１の負極と母材部８５との接触、およびローラＲ１と母材部８５の側面との接触は、維持される。なお、挿通部７０Ｍの側面と母材部８５の側面とは、ほぼ接触している。
Even if the
また、本実施の形態に係る微粒子生成装置では、図６に示すように、挿通部７０Ｍの側面側に誘導コイルＷ１が配設されている。具体的に、誘導コイルＷ１は、密閉容器７０Ａの外側に配設されている。また、誘導コイルＷ１は、挿通部７０Ｍの凸形状の付け根付近に配設されている。つまり、直流プラズマトーチ５０と母材部８５の上面との距離が一定に保たれているが、誘導コイルＷ１は、母材部８５の上面と同じ高さ程度の位置に配設されており、シール部ｍ１からは距離をおいて配設されている。
Further, in the fine particle generation device according to the present embodiment, as shown in FIG. 6, induction coil W1 is arranged on the side surface side of
上記したように、母材部８５の上面部は、移行型プラズマＰ１の照射により蒸発する（特に、母材部８５の上面の中央領域に移行型プラズマＰ１が照射されるので、当該中央領域においてより蒸発する）。これに加えて、誘導コイルＷ１を用いた電磁誘導加熱により、母材部８５を溶解している。なお、少なくとも、誘導コイルＷ１と対面している密閉容器７０Ａの部分（つまり、挿通部７０Ｍ）は、たとえば銅材である。したがって、当該誘導コイルＷ１が配設されている領域において、密閉容器７０Ａはコールドクルーシブルとなっており、母材部８５は、コールドクルーシブル誘導溶解法によっても溶解される。
As described above, the upper surface portion of the
つまり、誘導コイルＷ１に高周波電流を流すことにより（交流磁場を印加することによって）、溶解母材部８５に誘導電流が誘起される。母材部８５に誘導電流が流れてジュール熱が発生し融解し、当該誘導電流と磁場とで生じるローレンツ斥力によって溶融金属が盛り上って、密閉容器７０Ａ（挿通部７０Ｍ）の壁面から離れて、母材部８５の側面が存在する。
That is, an induction current is induced in the molten
さて、上述したように、母材部８５の蒸発量に応じて、母材部８５を上方向へと押し上げる（移動する）。ここで、挿通部７０Ｍに挿入されている一方の母材部８５の下面に、他方の母材部８５の上面を接触させておく。なお、一方の母材部８５の図６の左右・紙面表裏方向の寸法と、他方の母材部８５の図６の左右・紙面表裏方向の寸法とは、ほぼ同じである。
As described above, the
これにより、一方の母材部８５が蒸発により残り少なくなったときには、次の他方の母材部８５が連続的に、挿通部７０Ｍへと挿通され、上方方向へと移動する。つまり、密閉容器７０Ａの気密性を維持しながら、母材部８５の密閉容器７０Ａ内への再充填が可能となる（換言すれば、密閉容器７０Ａを開放することなく、密閉容器７０Ａ内への連続した母材部８５の供給が可能となる）。
As a result, when one
なお、密閉容器７０Ａに納まっている一方の母材部８５は、挿通部７０Ｍの外側に少なくとも一部が露出している他方の母材部８５と、電気的に接続している。当該状態においては、プラズマ電源６１の負極は他方の母材部８５に接続されている。
In addition, one
以上のように、本実施の形態に係る微粒子生成装置では、密閉容器７０Ａの底面には、開口部が形成されており、インゴット状の母材部８５は当該開口部から挿通される。
As described above, in the fine particle generation device according to the present embodiment, the opening is formed in the bottom surface of the sealed
したがって、本実施の形態に係る微粒子生成装置では、密閉容器７０Ａを開放することなく、密閉容器７０Ａ内への連続した母材部８５の供給（再充填）が可能となる。よって、母材部８５を密閉容器７０Ａ内に再充填する度に、真空引きをしたり、プラズマガスを再供給し直したりする必要もない。したがって、本実施の形態に係る微粒子生成装置では、母材部８５の再充填に伴う、処理効率の低下および処理コスト高を抑制することができる。また、母材部８５の連続再充填も可能であるので、長時間に渡る連続した微粒子の生成処理も可能となる。なお、母材部８５の再充填も、次から次へと直列的に母材部８５を下から上方向へ押し出すだけであり、母材部８５の再充填機構は、極めて簡易となる。
Therefore, in the fine particle generation device according to the present embodiment, it is possible to supply (refill) the
また、本実施の形態では、インゴット状の母材部８５を直接、密閉容器７０Ａ内に挿入しており、移行型プラズマＰ１の照射を受ける母材部８５を坩堝等に入れる必要もない（坩堝を用いる場合には、プラズマ電源６１の陰極を接続するために、高価な坩堝を採用する必要が有り、また複雑な加工が必要な場合もある）。また、上記から分かるように、母材部８５の密閉容器７０Ａへの再充填も母材部８５を連続的に送り出す簡単な構成を採用している。したがって、本実施の形態に係る微粒子生成装置は、低コストで簡略化された構成により実現されている。
Further, in the present embodiment, the ingot-shaped
なお、本実施の形態に係る微粒子生成装置は、母材部８５を入れる坩堝等が不要であるので、坩堝の構成材料が生成される微粒子に混在することも防止できる。また、本実施の形態に係る微粒子生成装置は、密閉容器７０Ａの外側に、母材部８５の一部を露出させることができる。よって、特に冷却部を設けることなく、母材部８５の全体が高温になることを抑制できる。
In addition, since the fine particle production | generation apparatus which concerns on this Embodiment does not require the crucible etc. which put the
ここで、母材部８５を入れる坩堝等を用いる場合には、当該坩堝の蒸発等を抑制するために、坩堝等を十分に冷却する冷却器が必須であるが、本実施の形態では、上記の通り坩堝を用いず、直接母材部８５が密閉容器７０Ａ内に供給されるので、上記外気を用いた冷却で十分である（つまり、当該外気を用いた冷却で、インゴット状の母材部８５の外部露出分が高温により変形することを十分に防止できる）。
Here, in the case of using a crucible or the like into which the
なお、母材部８５の長さはある程度の長さである場合には、直流プラズマトーチ５０近傍の母材部８５の上面は溶解するが、密閉容器７０Ａから外側にはみ出している部分（外部露出部分）は、上記の通り、十分冷却されている。したがって、母材部８５の当該外部露出部分を把持することが可能であり、当該母材部８５の上昇移動を支持することもできる。また、当該外部露出部分において、プラズマ電源６１の負極を容易に接触させることもできる。
When the length of the
また、移行型プラズマＰ１の照射のみによっても、母材部８５の溶解・蒸発は可能である。しかし、通常、移行型プラズマＰ１は母材部８５の上面の中央領域に照射される。よって、移行型プラズマＰ１の照射のみだけでは、図６に示すように、母材部８５の外縁部が残りがちとなる。
In addition, the
そこで、本実施の形態に係る微粒子生成装置は、密閉容器７０Ａの外側に誘導コイルＷ１を配設し、コールドクルーシブル誘導溶解法を利用し、母材部８５の溶融・蒸発も補助的に行っている。
Therefore, in the fine particle generation device according to the present embodiment, the induction coil W1 is disposed outside the
したがって、母材部８５の上面を均等に溶解させることが可能となり、また、上述したローレンツ斥力により、母材部８５の上面付近において、溶融した母材部が密閉容器７０Ａの側面（挿通部７０Ｍの側面）に密着することを防止できる（ローレンツ斥力により、溶融した母材部８５は、母材部８５の側面側でなく、内部へと移動する）。よって、母材部８５の密閉容器７０Ａ内の移動が阻害されることもない。
Therefore, the upper surface of the
なお、コールドクルーシブル誘導溶解法を、母材部８５の上面近傍のみに施すことができるように、誘導コイルＷ１は、移行型プラズマＰ１が照射されている母材部８５の上面領域の側方に配設させることが好ましい。また、コールドクルーシブル誘導溶解法による母材部８５への影響を密閉容器７０Ａの開口部付近に及ぶことを抑制するために、誘導コイルＷ１は、当該開口部から離して配設されることが好ましい。
In addition, the induction coil W1 is located on the side of the upper surface region of the
また、図１，２等を用いて説明したように、直流プラズマトーチ５０の中央部に設けられ、上下方向に延びた微粒子通路部２５を通って、微粒子捕獲器７１へと回収される。つまり、本発明に係る微粒子生成装置では、密閉容器７０Ａ内に直流プラズマトーチ５０の他に、別途、微粒子回収管路等を設ける必要がない。したがって、密閉容器７０Ａ内の容積をより小さくしても良い。たとえば、図７に示すように、密閉容器７０Ｂを細長い円筒形状とし、当該円筒形状の密閉容器７０Ｂの底面部に、母材部８５を挿通させる開口部を設ける構成も採用可能である（密閉容器以外の構成は、図６と同じである）。
As described with reference to FIGS. 1 and 2, etc., the particles are collected in the
つまり、上記のように、直流プラズマトーチ５０内部に微粒子通路部２５を配設させる構成により、微粒子回収のための新たなスペースを密閉容器７０Ｂ内に設ける必要が無くなり、円筒形状の密閉容器７０Ｂの採用が可能なる。これにより、直流プラズマトーチ５０の外径、密閉容器７０Ｂの内径および母材部８５の外径をほぼ同一とした、構成を採用でき、装置全体の極小化を図ることができる。
That is, as described above, the configuration in which the
なお、密閉容器内に余計なデッドスペースが増えると、金属蒸気含有ガスがそこに入り込み、密閉容器内において微粒子が凝縮し堆積してしまう。当該微粒子の凝縮・堆積は、歩留まりの低下・コンタミ要因となる。一方で、直流プラズマトーチ５０内部に微粒子通路部２５を配設させる構成により、上記の取り、容積の小さい密閉容器７０Ｂを採用することが可能となり、密閉容器７０Ｂ内に余分なデットスペースが発生することも防止できる。よって、本実施の形態に係る微粒子生成装置では、上記歩留まりの低下・コンタミ要因等に関する問題点も有さない。
In addition, when an extra dead space increases in the sealed container, the gas containing the metal vapor enters there, and the fine particles are condensed and deposited in the sealed container. The condensation / deposition of the fine particles causes a decrease in yield and contamination. On the other hand, the configuration in which the fine
また、図１等を用いて述べたように、移行型プラズマＰ１を利用した母材部８５の蒸発量を増やすために、プラズマガスに反応ガスを混合することがある（たとえば、Ａｒガスに、３０〜５０ｖｏｌ％で水素分子ガスを混合することがある）。一方で、当該反応ガスおよび微粒子が、密閉容器から外部の大気中へと漏れることは、好ましくない。
Further, as described with reference to FIG. 1 and the like, in order to increase the evaporation amount of the
そこで、図８に示すように、微粒子通路部２５と接続される真空ポンプＶａを、微粒子回収側に配設し、密閉容器７０Ｂ内を大気圧よりも低い状態に維持することが望ましい。ここで、図８と異なり、図６に示した微粒子通路部２５に真空ポンプＶａを接続させても良い。
Therefore, as shown in FIG. 8, it is desirable to arrange the vacuum pump Va connected to the
真空ポンプＶａを利用して、密閉容器７０Ａ，７０Ｂ内の圧力を大気圧より低い圧力にすることにより、密閉容器７０Ａ，７０Ｂから外気へと、反応ガスおよび微粒子が漏れることを防止できる。さらに、当該真空ポンプＶａによる減圧処理により、微粒子通路部２５を通った微粒子捕獲器７１への微粒子回収等も促進される。
By making the pressure in the sealed
ここで、図６に示した微粒子通路部２５に真空ポンプＶａを接続した構成に比べて、図８に示した構成の方が好ましい。これは、密閉容器７０Ａ，７０Ｂ内の圧力を減圧にすることによって、母材部８５の蒸発が加速されるが、密閉容器７０Ａのように内部容積が比較的大きい場合には、真空引きのエネルギーロスが大きくなる、一方で、図８で示した構成では密閉容器７０Ｂ内の容積も小さくて済むので、減圧状態を維持するためのエネルギーロスも抑制され、母材部８５の蒸発加速効果の恩恵をより受け易い、からである。
Here, the configuration shown in FIG. 8 is preferable to the configuration in which the vacuum pump Va is connected to the
なお、密閉容器７０Ａ，７０Ｂ内の圧力は、プラズマの放電維持電圧との関係で求められる。放電維持電圧は、パッシェンの法則に従って圧力が低くなるほど低下する。したがって、密閉容器７０Ａ，７０Ｂ内の圧力を低下させすぎることは、放電電力の低下並びにプラズマ中を飛来する電子の加速エネルギーの低下を意味するため、母材部８５の移行型プラズマＰ１による加熱や反応ガスである分子ガスの原子への解離の観点において、あまり好ましいことではない。つまり、密閉容器７０Ａ，７０Ｂ内の圧力を減圧させ過ぎることは、あまり好ましくない。
The pressures in the sealed
よって、密閉容器７０Ａ，７０Ｂ内の圧力は、大気圧より少し低い程度でよく、たとえば、大気圧よりも十数ｋＰａ低い程度で良い。
Therefore, the pressure in the sealed
１ 移行型プラズマ用電極
２ 内筒
３ 磁石
４ 外筒
５，６，７ 絶縁物
２５ 微粒子通路部
２６，２７ ガス通路部
５０ 直流プラズマトーチ
６１ プラズマ電源
６２ 冷却水供給部
６３，６４ プラズマガス供給部
６５ プラズマトーチ昇降機構
７０，７０Ａ，７０Ｂ 密閉容器
７０Ｍ 挿通部
７１ 微粒子捕獲器
７１ａ 捕集容器
７２ 微粒子捕獲フィルター
７３ 熱交換器
７７ 筒部
８０ 微粒子
８３ 循環ポンプ
８５ 母材部
９０ ガス供給部
１００ 微粒子生成装置
ＡＸ 中心軸
Ｂ１〜Ｂ１２ バルブ
ＭＦ 磁界
Ｐ１ 移行型プラズマ
ＰＧａ プラズマガス
Ｗ１ 誘電コイル
ｍ１ シール部
Ｒ１ ローラ
Ｖａ 真空ポンプ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記直流プラズマトーチから離隔して対向して配置され、微粒子生成の原料となり、導電性を有する母材部と、
前記直流プラズマトーチおよび前記母材部が内部に配置されるチャンバーとを、備えており、
前記直流プラズマトーチは、
リング状の磁石と、
円筒形状であり、前記磁石が前記円筒の空洞内部に配置され、前記磁石と所定の距離だけ離隔している移行型プラズマ用電極とを、有しており、
前記母材部に負極を印加し、前記移行型プラズマ用電極に正極を印加する直流電源を、さらに備えており、
前記移行型プラズマ用電極は、
前記母材部との間において、移行型プラズマを発生する電極であり、
前記移行型プラズマは、
前記移行型プラズマ用電極と前記母材部との間で発生し、前記円筒形状である前記移行型プラズマ用電極の中心軸の周りを回転するプラズマであり、
前記チャンバーの底面には、
開口部が形成されており、
前記母材部は、
前記開口部から挿通されており、
前記チャンバーの外側において、前記母材部の側面に対面する位置に配設された誘導コイルを、さらに備えている、
ことを特徴とする微粒子生成装置。 DC plasma torch,
It is arranged facing away from the DC plasma torch, becomes a raw material for fine particle generation, and has a conductive base material part,
A chamber in which the direct current plasma torch and the base material portion are disposed,
The DC plasma torch is
A ring-shaped magnet;
A transitional plasma electrode having a cylindrical shape, wherein the magnet is disposed inside a cavity of the cylinder and spaced apart from the magnet by a predetermined distance;
A DC power source that applies a negative electrode to the base material portion and applies a positive electrode to the transitional plasma electrode;
The transfer plasma electrode is:
Between the base material part is an electrode that generates transfer-type plasma,
The transfer plasma is
Generated between the transitional plasma electrode and the base material part, and is a plasma that rotates around the central axis of the transitional plasma electrode that is cylindrical.
On the bottom of the chamber,
An opening is formed,
The base material part is
Inserted through the opening ,
An induction coil disposed outside the chamber at a position facing the side surface of the base material portion;
The fine particle production | generation apparatus characterized by the above-mentioned.
前記直流プラズマトーチから離隔して対向して配置され、微粒子生成の原料となり、導電性を有する母材部と、
前記直流プラズマトーチおよび前記母材部が内部に配置されるチャンバーとを、備えており、
前記直流プラズマトーチは、
リング状の磁石と、
円筒形状であり、前記磁石が前記円筒の空洞内部に配置され、前記磁石と所定の距離だけ離隔している移行型プラズマ用電極とを、有しており、
前記母材部に負極を印加し、前記移行型プラズマ用電極に正極を印加する直流電源を、さらに備えており、
前記移行型プラズマ用電極は、
前記母材部との間において、移行型プラズマを発生する電極であり、
前記移行型プラズマは、
前記移行型プラズマ用電極と前記母材部との間で発生し、前記円筒形状である前記移行型プラズマ用電極の中心軸の周りを回転するプラズマであり、
前記チャンバーの底面には、
開口部が形成されており、
前記母材部は、
前記開口部から挿通されており、
前記直流プラズマトーチは、
前記直流電源による電圧印加により前記移行型プラズマ用電極と前記母材部との間に生成された前記移行型プラズマによって、前記母材部から生成された微粒子が、通過することが可能な、前記対向の方向に延設された微粒子通路部を、
さらに有している、
ことを特徴とする微粒子生成装置。 DC plasma torch,
It is arranged facing away from the DC plasma torch, becomes a raw material for fine particle generation, and has a conductive base material part,
A chamber in which the direct current plasma torch and the base material portion are disposed,
The DC plasma torch is
A ring-shaped magnet;
A transitional plasma electrode having a cylindrical shape, wherein the magnet is disposed inside a cavity of the cylinder and spaced apart from the magnet by a predetermined distance;
A DC power source that applies a negative electrode to the base material portion and applies a positive electrode to the transitional plasma electrode;
The transfer plasma electrode is:
Between the base material part is an electrode that generates transfer-type plasma,
The transfer plasma is
Generated between the transitional plasma electrode and the base material part, and is a plasma that rotates around the central axis of the transitional plasma electrode that is cylindrical.
On the bottom of the chamber,
An opening is formed,
The base material part is
Inserted through the opening,
The DC plasma torch is
Fine particles generated from the base material part can pass through the transfer type plasma generated between the transfer plasma electrode and the base material part by applying a voltage from the DC power source, A fine particle passage extending in the opposite direction,
In addition, have
The fine particle production | generation apparatus characterized by the above-mentioned .
前記直流電源による電圧印加により前記移行型プラズマ用電極と前記母材部との間に生成された前記移行型プラズマによって、前記母材部から生成された微粒子が、通過することが可能な、前記対向の方向に延設された微粒子通路部を、
さらに有している、
ことを特徴とする請求項１記載の微粒子生成装置。 The DC plasma torch is
Wherein by the transferred plasma generated between the transferred plasma electrode by applying a voltage from the DC power source and the base metal, fine particles generated from the base metal is capable of passing, the A fine particle passage extending in the opposite direction,
In addition, have
Microparticle generation device according to claim 1 Symbol mounting, characterized in that.
大気圧よりも低い圧力状態となっている、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の微粒子生成装置。 The inside of the chamber in which the base material portion is disposed,
The pressure is lower than atmospheric pressure.
The fine particle generation device according to any one of claims 1 to 3, wherein
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