JP6208107B2

JP6208107B2 - 微粒子生成装置

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Publication number: JP6208107B2
Application number: JP2014202899A
Authority: JP
Inventors: 三浦　明; 明三浦; 謙資渡辺
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2014-10-01
Filing date: 2014-10-01
Publication date: 2017-10-04
Anticipated expiration: 2034-10-01
Also published as: JP2016068058A

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。

プラズマトーチに関する技術は、従来より存在している（たとえば、特許文献１、特許文献２）。

特許文献１に係る技術では、所定の重量比のチタン・鉄系原料粗粒子を高周波熱プラズマ等の高温下で溶融蒸発させて気相化させることにより、チタン・鉄の超微粒子複合化酸化物を生成させて捕集している。

また、特許文献２に係る技術では、プラズマトーチは、リング陰極と、該リング陰極の放電部との間に放電空間を隔てて囲繞的に配設された陽極と、放電空間に中心軸を含む面内で交叉する磁束を形成させるように設置された磁石と、溶射材料を送り込む溶射材料供給口パイプとから、構成されている。

また、プラズマを利用した微粒子製造に関する従来技術として、特許文献１の他に、特許文献３や特許文献４なども存在する。

特許文献３に係る技術では、金属粉末とホウ素粉末とを、アルゴンガスなどの不活性ガスの熱プラズマ中に供給し、ナノオーダーの金属ホウ化物微粉末を得ている。

また、特許文献４に係る技術では、カーボンるつぼに無機塊状物を保持させて、アークプラズマを発生させ、ＳｉＣナノ粒子を製造している。

また、トーチ全体の小型化、高エネルギー効率および原料材料に対する均一加熱という観点から、特許文献５が存在している。

特許文献５に係る微粒子生成装置は、直流プラズマトーチと、直流プラズマトーチから離隔して対向配置された対向電極と、材料気化反応室を側面側から囲繞する壁面部とを、備えている。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、磁石が円筒の空洞内部に配置され、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、直流プラズマトーチの略中央部に設けられた原料材料通路部とを、備えている。

特開平６−１１５９４２号公報特開平８−３１９５５２号公報特開２００３−２６１３２３号公報特開２０１０−９５４４２号公報特開２０１２−４０５２０号公報

特許文献５に係る技術において、プラズマを絞り、蒸発効率を上げるために、直流プラズマトーチと対向電極との間の距離を長くすることがある。この場合、対向電極の貫通部領域では、径方向の磁界が弱くなる。したがって、プラズマが当該貫通部等に滞在し、これにより、対向電極が損傷を受けることがあった。

そこで、本発明は、プラズマトーチを利用した微粒子の生成に関する技術において、対向電極のプラズマによる損傷を防止することができる微粒子生成装置を提供することを目的とする。

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配置された対向電極とを、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、当該直流プラズマトーチの略中央部に設けられた、原料材料が通る原料材料通路部とを、備えており、前記対向電極は、前記直流プラズマトーチ側から平面視して、リング形状であり、前記対向電極の前記リング形状の貫通部と連通しており、周囲が冷却されている、微粒子生成冷却室を、さらに備えており、前記移行型プラズマ用電極と前記対向電極との間において発生した移行型プラズマは、前記磁石により回転し、当該回転している前記移行型プラズマにより、前記原料材料通路部から出力された前記原料材料が気化され、前記貫通部を通って、前記微粒子生成冷却室で冷却され微粒子が生成され、前記対向電極の前記貫通部に面する側面部は、絶縁体である。

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配置された対向電極とを、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、当該直流プラズマトーチの略中央部に設けられた、原料材料が通る原料材料通路部とを、備えており、前記対向電極は、前記直流プラズマトーチ側から平面視して、リング形状であり、前記対向電極の前記リング形状の貫通部と連通しており、周囲が冷却されている、微粒子生成冷却室を、さらに備えており、前記移行型プラズマ用電極と前記対向電極との間において発生した移行型プラズマは、前記磁石により回転し、当該回転している前記移行型プラズマにより、前記原料材料通路部から出力された前記原料材料が気化され、前記貫通部を通って、前記微粒子生成冷却室で冷却され微粒子が生成され、前記対向電極の前記貫通部に面する側面部は、絶縁体である。

したがって、貫通部に面する対向電極の側面部において、移行型プラズマが照射し滞在することを防止できる。よって、移行型プラズマの滞在に起因した対向電極の損傷を防ぐことができる。

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。正極性電圧が印加されている、直流プラズマトーチ５０の先端部付近の構成を示す拡大断面図である。磁石３の磁化の様子を示す図である。移行型プラズマＰ１の発生および当該移行型プラズマＰ１の回転を説明するための断面図である。微粒子生成装置において、プラズマ電源６１が逆極性電圧を印加する様子を示す図である。直流プラズマトーチ５０と対向電極１０とが近接している状態を示す図である。直流プラズマトーチ５０と対向電極１０とが離れている状態を示す図である。実施の形態１に係る対向電極１０の構成を示す拡大断面図である。実施の形態２に係る対向電極１０の構成を示す拡大断面図である。実施の形態２に係る対向電極１０の構成を示す拡大平面図である。実施の形態３に係る対向電極１０の構成を示す拡大断面図である。実施の形態３に係る対向電極１０の他の構成を示す拡大断面図である。

まず、本発明の前提となる微粒子生成装置について、詳細に説明する。

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。図２は、図１に示す直流プラズマトーチ５０の先端部付近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、第一のプラズマガス供給部６３、第二のプラズマガス供給部６４、プラズマトーチ昇降機構６５、粉末材料供給部６６、ガス供給部６７、微粒子生成冷却室７０、微粒子捕獲室７１、微粒子捕獲フィルター７２、および熱交換器７３を、備えている。さらに、図２に示すように、微粒子生成装置１００は、対向電極１０、壁面部１１、および複数の絶縁物１２，１３も備えている。

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を、備えている。なお、図２に示すように、これらの部材１〜６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、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を、「径方向」と称する。

内筒２の空洞は、原料材料が通る原料材料通路部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。

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、リング状の磁石３において、上部（原料材料供給側）が「Ｎ極」であり、下部（対向電極１０に面する側）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、対向電極１０配置側（内筒２の底部付近）に、配置されている。つまり、対向電極１０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。さらに、移行型プラズマ用電極１と対向する外筒４の側面部には、絶縁物６が配設されている。

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、対向電極１０と対面している方向に、移動可能である。

さて、図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から離隔・対向して、対向電極１０が設けられている。

当該対向電極１０は、直流プラズマトーチ５０側から平面視して、リング形状を有する。したがって、対向電極１０の当該リング形状の貫通部２０は、一方において材料気化反応室３５と連通しており、他方において微粒子生成冷却室７０と連通している。したがって、当該貫通部２０を介して、材料気化反応室３５と微粒子生成冷却室７０とが接続される。

当該対向電極１０の当該リング形状の中心軸は、上記中心軸ＡＸと略一致している。また、対向電極１０の当該リング形状の外径Ｄ４は、移行型プラズマ用電極１の外径Ｄ１以下である（Ｄ４≦Ｄ１）。また、対向電極１０の当該リング形状の内径Ｄ３は、移行型プラズマ用電極１の内径Ｄ２より小さい（Ｄ３＜Ｄ２）。さらに、図２に示すように、直流プラズマトーチ５０と対面する対向電極１０の面は、断面視において、対向電極１０の前記リング形状の内径側から当該リング形状の外径側に進むに連れて、直流プラズマトーチ５０から遠ざかる方向に傾斜した形状を有する。

さて、図２に示すように、直流プラズマトーチ５０と対向電極１０との間には、材料気化反応室３５が形成されている。そして、当該材料気化反応室３５を、側面側から囲繞するように壁面部１１が形成されている。

当該材料気化反応室３５は、貫通部２０、原料材料通路部２５およびガス通路部２６，２７を除いて、直流プラズマトーチ５０、対向電極１０、微粒子生成冷却室７０の上部壁面および壁面部１１により、気密性が保持されている（密閉されている）。

壁面部１１は、固定部材ｂ１により固定されるように接続された、トーチ当接部１５を有する。当該トーチ当接部１５は、直流プラズマトーチ５０の側面部に当接される。ここで、当該トーチ当接部１５には部分的に溝が形成されており、当該溝にはオーリング１６が配設されている。トーチ当接部１５は、直流プラズマトーチ５０の上記昇降移動の受けとして機能しており、当該オーリング１６の配設により、当該昇降材料気化反応室３５の気密性が保持される。

また、図２に示すように、対向電極１０を除く材料気化反応室３５に面する底面部（つまり、材料気化反応室３５に面する微粒子生成冷却室７０の上部壁面の一部）は、絶縁物１３が形成されている。また、材料気化反応室側３５に面する壁面部１１は、絶縁物１２が形成されている。

＜微粒子生成装置の構成＞
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の上記昇降移動を行う。プラズマ電源６１は、移行型プラズマ用電極１および対向電極１０に対して、直流電源を供給する。図２に示す例は、正極性時の電源供給の様子を示している（つまり、移行型プラズマ用電極１にマイナス電圧を印加し、対向電極１０にプラス電圧を印加する場合である）。

冷却水供給部６２は、直流プラズマトーチ５０、微粒子生成冷却室７０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。

また、微粒子生成冷却室７０の上部内、側部内および底部内（微粒子生成冷却室７０の壁面）、さらに対向電極１０内において、冷却水が循環するように、冷却水供給部６２は冷却水を供給する。

第一のプラズマガス供給部６３は、直流プラズマトーチ５０内の原料ガス材料通路部２５の外側を通って、材料気化反応室３５に、プラズマガスを供給する。具体的に、第一の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、材料気化反応室３５に、プラズマガスを供給する。ここで、図１に示すように、第一の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／または気化した粉末材料と反応する反応ガス（酸素分子、窒素分子等）などが採用できる。

第二のプラズマガス供給部６４は、直流プラズマトーチ５０内の原料ガス材料通路部２５の外側を通って、材料気化反応室３５に、プラズマガスを供給する。具体的に、第二の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、材料気化反応室３５に、プラズマガスを供給する。ここで、図１に示すように、第二の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／または気化した粉末材料と反応する反応ガス（酸素分子、窒素分子等）などが採用できる。

粉末材料供給部６６には、原料材料となる粉末材料が収容されている。当該粉末材料は、粒径が１００μｍ以下の粉体（粉末状）である。また、粉末材料供給部６６には、ガス供給部６７から、担体ガスが供給される。粉末材料供給部６６から出力された粉末材料は、担体ガスにより運ばれ、原料材料通路部２５を通って、材料気化反応室３５に供給される。

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、材料気化反応室３５内の移行型プラズマ用電極１と対向電極１０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、当該材料気化反応室３５内において、中心軸ＡＸの周りを回転する。つまり、材料気化反応室３５内の移行型プラズマ用電極１と対向電極１０との間において、中心軸ＡＸの周りで、円筒状を形成するように回転している、移行型プラズマＰ１が発生する。当該円筒の一方端部は、移行型プラズマ用電極１の端部であり、当該円筒の他方端部は、対向電極１０の上面である。

また、粉末材料供給部６６から供給された粉末材料は、当該材料気化反応室３５内において、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、粉末材料は、当該材料気化反応室３５内において気化する。

微粒子生成冷却室７０は、導電性を有する部材（壁面）に周囲が囲まれることにより、形成されている。上記のように、当該微粒子生成冷却室７０の壁面には冷却水が循環しており、当該冷却水の循環により、当該微粒子生成冷却室７０の壁面および微粒子生成冷却室７０内は、冷却される。また、当該微粒子生成冷却室７０の壁面にプラズマ電源からの電圧を印加することにより、当該微粒子生成冷却室７０の壁面と接続している対向電極１０に当該電圧が印加される。上記のとおり、微粒子生成冷却室７０は、貫通部２０を介して材料気化反応室３５と接続されている。また、側面部において、微粒子生成冷却室７０は、微粒子捕獲室７１と接続されている。

真空ポンプ６０は、微粒子生成冷却室７０、微粒子捕獲室７１および熱交換器７３内の気圧を低下させるために、用いられる。当該真空ポンプ６０と大気を供給するバルブとにより生じた気圧差を利用して、材料気化反応室３５内で気化された粉末材料（以下、気化材料）は、貫通部２０を通って、微粒子生成冷却室７０へと移動し、さらに当該微粒子生成冷却室７０を通って、微粒子捕獲室７１へと移動する。

微粒子生成冷却室７０内では、当該気化材料は冷却され、凝縮し、超微粒子（ナノ粒子）が生成される。当該微粒子生成冷却室７０で生成された超微粒子は、微粒子捕獲室７１に送られる。微粒子捕獲フィルター７２は熱交換器７３を通じて吸引状態にあり、超微粒子は、当該吸引状態の微粒子捕獲フィルター７２により捕集される。なお、微粒子捕獲フィルター７２を通過したガス等は、熱交換器７３において十分冷却される。

＜微粒子生成装置における超微粒子の生成方法＞
次に、微粒子生成装置１００における動作について説明する。

図１，２に示すように、プラズマ電源６１を用いて、たとえば正極性の直流電源を、移行型プラズマ用電極１と対向電極１０との間に印加する。また、第一のプラズマガス供給部６３が、ガス通路部２７を通って材料気化反応室３５に、プラズマガスを供給する。また、第二のプラズマガス供給部６４が、ガス通路部２６を通って材料気化反応室３５に、プラズマガスを供給する。

すると、移行型プラズマ用電極１と対向電極１０との間において、移行型プラズマＰ１が発生し、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、円筒状のプラズマとなる（図２参照）。ここで、絶縁物５，６の存在により、移行型プラズマＰ１は、両電極１，１０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。

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と対向電極１０との間に正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、対向電極１０から移行型プラズマ用電極１に向かって、移行型プラズマアーク電流Ｉ１が流れる（図４参照）。

ここで、絶縁物５，６の存在により、対向電極１０と当該対向電極１０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Ｉ１が流れる。なお、絶縁物１２，１３の形成により、移行型プラズマアーク電流Ｉ１が、材料気化反応室３５の他の壁面に移行することを防止できる。

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Ｂ１の影響により中心軸ＡＸ廻りの力Ｆ１が働く。よって、移行型プラズマＰ１は、中心軸ＡＸの回りにおいて時計回りに回転する。なお、力Ｆ１の大きさは、径方向磁場Ｂ１×移行型プラズマアーク電流Ｉ１、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、回転している移行型プラズマＰ１が発生している状態において、粉末材料供給部６６は、原料材料通路部２５内を通って、材料気化反応室３５内に、粉末状の粉末材料を供給する。ここで、粉末材料は、たとえば粒径１００μｍ以下の粉体であり、担体ガスに乗って、材料気化反応室３５内に供給される。

原料材料通路部２５は、中心軸ＡＸに沿って延設されている。したがって、原料材料通路部２５を通った粉末材料は、中心軸ＡＸの周りで回転している移行型プラズマＰ１の回転内部へと供給される。粉末材料は、当該移行型プラズマＰ１の回転内部を対向電極１０に向かって移行する間に、当該移行型プラズマＰ１により加熱され、気化する。

ところで、上記のとおり、プラズマトーチ昇降機構６５により、両電極１，１０間の距離を変化させ、材料気化反応室３５の容積を変化させることができる。これにより、粉末材料及びガスに対して、移行型プラズマＰ１による加熱の加熱量及び加熱時間の調節ができる。

たとえば、気化しにくい粉末材料を気化させる場合には、両電極１，１０間の距離を長くし、材料気化反応室３５の容積を拡大させる。これにより、当該粉末材料に対する移行型プラズマＰ１による加熱の加熱量及び加熱時間を、増加できる。他方、気化しやすい粉末材料を気化させる場合には、両電極１，１０間の距離を短くし、材料気化反応室３５の容積を縮小させる。これにより、当該粉末材料に対する移行型プラズマＰ１による加熱の加熱量及び加熱時間を、減少できる。つまり、粉末材料の種類に応じて、両電極１，１０間の距離を変化させ、材料気化反応室３５の容積を変化させることにより、移行型プラズマＰ１による無駄な加熱処理を、防止できる。換言すれば、粉末材料の効率的な気化処理が可能となる。

さて、材料気化反応室３５内で気化した原料は、貫通部２０を介して、微粒子生成冷却室７０内へと入る。微粒子生成冷却室７０では、気化した原料、担体ガス、プラズマガス、反応生成気化物などが冷却され、凝結、凝固し、超微粒子（ナノ粒子）が形成される。

微粒子生成冷却室７０内で生成された超微粒子は、当該微粒子生成冷却室７０に接続されている微粒子捕獲室７１に入る。そして、当該超微粒子は、当該微粒子捕獲室７１に設置されている微粒子捕獲フィルター７２に吸引捕集される。ここで、上記のように、微粒子捕獲フィルター７２は、熱交換器７３を介して真空ポンプ６０により吸引されている。

なお、移行型プラズマＰ１の発生前または発生後（発生中）において、プラズマトーチ昇降機構６５は、直流プラズマトーチを、対向電極１０と対面している方向に、移動させる。つまり、移行型プラズマ用電極１と対向電極１０との距離は長短変化し、これにより、材料気化反応室３５の容積は増減する。

なお、上記では、プラズマ電源６１は正極性の電圧印加を行う場合に言及した。つまり、プラズマ電源６１は、対向電極１０に「プラス」、移行型プラズマ用電極１に「マイナス」を印加し、当該電極１，１０間に所定の電圧値を印加した。しかしながら、プラズマ電源６１は、逆極性の電圧を印加しても良い。たとえば、図５に示すように、プラズマ電源６１は、対向電極１０に「マイナス」、移行型プラズマ用電極１に「プラス」を印加し、当該電極１，１０間に所定の電圧値を印加しても良い。

さて、上記のように、微粒子生成装置１００では、直流プラズマトーチ５０と対向電極１０との距離を変動することにより、材料気化反応室３５の容積を変動させている。したがって、直流プラズマトーチ５０と対向電極１０との間に発生する移行型プラズマＰ１の長さを可変できる。よって、原料材料（粉末材料）の種類に応じて、材料気化反応室３５の容積を変動させることができる。したがって、原料材料（粉末材料）の種類に応じて、常に、移行型プラズマＰ１による加熱の最適化を図ることができる。つまり、最適な熱効率の設定が、可能となる。

たとえば、気化しにくい原料材料では、移行型プラズマＰ１による加熱時間・加熱量は、比較的多く必要である。したがって、当該場合には、余分な加熱時間・加熱量の印加を防止しつつ、必要最小限の加熱時間・加熱量の印加を可能とするため、プラズマトーチ昇降機構６５により、適正位置まで、直流プラズマトーチ５０を対向電極１０から遠ざける。

しかしながら、直流プラズマトーチ５０を対向電極１０から遠ざけると、次のような問題が発生する。

たとえば、図６に示す状態（直流プラズマトーチ５０と対向電極１０との間の距離が小さい状態）から、図７に示す状態（直流プラズマトーチ５０と対向電極１０との間の距離が大きい状態）に、変化したとする。ここで、図６，７の右側には、磁石３により生成される磁界の様子が併記されている。

図７の状態では、直流プラズマトーチ５０と対向電極１０との間において、対向電極１０付近では磁界が弱くなる。さらに、対向電極１０（特に、対向電極１０の貫通部２０）付近では、径方向の磁界が弱くなる（径方向成分の磁界が小さくなる）。したがって、対向電極１０上の移行型プラズマＰ１は回転速度が遅くなり、回転径が小さくなり、当該貫通部２０付近に滞在してしまう。当該移行型プラズマＰ１の貫通部２０付近の滞在により、当該滞在領域において、対向電極１０は高温となり、融解し、損傷する。ここで、逆極性の場合には、対向電極２０が陰極となるので、損傷も激しい。

なお、図６の状態では、磁石３は、対向電極１０の近くに存在しているため、対向電極１０付近でも磁界が強い、したがって、移行型プラズマＰ１の貫通部２０付近の滞在も抑制できる。

本発明では、移行型プラズマＰ１による対向電極１０の損傷を抑制することが目的であり、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８は、本実施の形態における対向電極１０の構成を示す拡大断面図である。なお、対向電極１０の構成以外の微粒子生成装置１００の構成は、上述した内容と同じであり、ここでの説明は省略する。

図８に示すように、貫通部２０に面する対向電極１０の側面部全面は、絶縁体１０Ａで構成されている。絶縁体１０Ａは、耐熱性を有するものであることが望ましい。たとえば、絶縁体１０Ａとして、ＳｉＮ_４またはＢＮ等を採用することができる。

貫通部２０では径方向の磁界は非常に弱いが、図８に示す対向電極１０を採用することにより、移行型プラズマＰ１は、対向電極１０の絶縁体１０Ａ以外の領域に照射される。つまり、貫通部２０以外の対向電極１０に照射される。したがって、貫通部２０に面する対向電極１０の側面部において、移行型プラズマＰ１が照射し滞在することを防止でき、対向電極１０の損傷を防ぐことができる。

なお、貫通部２０以外の対向電極１０に照射されるが、当該照射の領域では、径方向の磁界は、貫通部２０内よりも強い。したがって、貫通部２０内と比較して、当該照射の領域では、移行型プラズマＰ１の回転速度が速くなり、回転径も大きくなりさくなり、照射面積も増大する。したがって、対向電極１０における当該照射の領域では、移行型プラズマＰ１による影響は小さい。

＜実施の形態２＞
図９は、本実施の形態における対向電極１０の構成を示す拡大断面図である。なお、対向電極１０の構成以外の微粒子生成装置１００の構成は、上述した内容と同じであり、ここでの説明は省略する。

図９に示すように、貫通部２０に面する対向電極１０の側面部全面は、絶縁体１０Ａで構成されている。さらに、本実施の形態では、直流プラズマトーチ５０と対面している対向電極１０の一部の面においても、絶縁体１０Ａは形成されている。つまり、絶縁体１０Ａは、貫通部２０に面する対向電極１０の側面部から、直流プラズマトーチ５０と対面する対向電極１０の上面の一部にかけて、形成されている。

図１０は、直流プラズマトーチ５０側から対向電極１０を眺めた拡大平面図である。図１０に示すように、絶縁体１０Ａは、対向電極１０の貫通部２０側の端縁部領域に、環状に形成されている。つまり、直流プラズマトーチ５０に対面する対向電極１０の上面において、絶縁体１０Ａは、対向電極１０の内周端部から、対向電極１０の外周端部に向かって、所定の距離Ｌ１に渡って形成されている。

なお、本実施の形態においても、絶縁体１０Ａは、耐熱性を有するものであることが望ましい。たとえば、絶縁体１０Ａとして、ＳｉＮ_４またはＢＮ等を採用することができる。

本実施の形態に係る対向電極１０を採用することにより、実施の形態１に記載した効果に加えて、次の効果もある。

つまり、逆極性の電圧印加を行い、直流プラズマトーチ５０側から対向電極１０までの距離が遠い場合には、直流プラズマトーチ５０に面する対向電極１０の上面の貫通部２０付近においても、移行型プラズマＰ１は滞在する。そして、当該移行型プラズマＰ１の滞在により、対向電極１０の損傷が発生する。

そこで、本実施の形態に係る対向電極１０では、絶縁体１０Ａは、貫通部２０に面する対向電極１０の側面部だけでなく、直流プラズマトーチ５０に面する対向電極１０の上面における貫通部２０付近にも、形成されている。したがって、直流プラズマトーチ５０に面する対向電極１０の上面の貫通部２０付近においても、移行型プラズマＰ１が照射し滞在することを防止でき、対向電極１０の損傷を防ぐことができる。

なお、直流プラズマトーチ５０に面する対向電極１０の上面の貫通部２０付近以外の領域において、移行型プラズマＰ１は滞在照射される。しかしながら、当該照射の領域では、径方向の磁界は、貫通部２０内よりも強い。したがって、貫通部２０付近の対向電極１０の上面と比較して、当該照射の領域では、移行型プラズマＰ１の回転速度が速くなり、回転径も大きくなり、照射面積も増大する。したがって、対向電極１０における当該照射の領域では、移行型プラズマＰ１による影響は小さい。

＜実施の形態３＞
図１１は、本実施の形態における対向電極１０の構成を示す拡大断面図である。なお、対向電極１０の構成以外の微粒子生成装置１００の構成は、上述した内容と同じであり、ここでの説明は省略する。

図１１に示すように、貫通部２０に面する対向電極１０の側面部全面は、絶縁体１０Ａで構成されている。さらに、本実施の形態では、微粒子生成冷却室７０側において、絶縁体１０Ａは、対向電極１０の下面よりも突出している。つまり、貫通部２０に面する対向電極１０の側面部に形成されている絶縁体１０Ａは、対向電極１０の下側に突き出ている。

つまり、貫通部２０内を流れるガス量が多いとき、移行型プラズマＰ１は、貫通部２０内を通って、微粒子生成冷却室７０に面する対向電極１０の下面側に回り込んで、当該下面に照射する。当該対向電極１０の下面において、径方向磁界が弱い箇所に移行型プラズマＰ１が照射されると、当該移行型プラズマＰ１は、当該照射領域において滞在する。そして、当該移行型プラズマＰ１の滞在により、対向電極１０の損傷が発生する。

そこで、本実施の形態に係る対向電極１０では、貫通部２０に面する対向電極１０の側面部に形成されている絶縁体１０Ａは、微粒子生成冷却室７０に面する対向電極１０の下面よりも突き出て形成されている。したがって、微粒子生成冷却室７０に面する対向電極１０の下面側に、移行型プラズマＰ１が回り込むことが防止でき、当該下面に対して移行型プラズマＰ１が照射し滞在することを防止でき、対向電極１０の損傷を防ぐことができる。

なお、図１１の構成例は、図８に示した構成例において、絶縁体１０Ａを、微粒子生成冷却室７０側に突出させたものである。しかしながら、本実施の形態で説明した構成は、実施の形態２で説明した絶縁体１０Ａに対しても当然に適用できる。つまり、図１２に示すように、図９で示した絶縁体１０Ａを、微粒子生成冷却室７０側において、対向電極１０の下面よりも突出させる構成を採用しても良い。

１移行型プラズマ用電極
２内筒
３磁石
４外筒
５，６，１２，１３絶縁物
１０対向電極
１０Ａ絶縁体
１１壁面部
１５トーチ当接部
１６オーリング
２０貫通部
２５原料材料通路部
２６，２７ガス通路部
３５材料気化反応室
５０直流プラズマトーチ
６０真空ポンプ
６１プラズマ電源
６２冷却水供給部
６３第一のプラズマガス供給部
６４第二のプラズマガス供給部
６５プラズマトーチ昇降機構
６６粉末材料供給部
６７ガス供給部
７０微粒子生成冷却室
７１微粒子捕獲室
７２微粒子捕獲フィルター
７３熱交換器
１００微生物生成装置
ＡＸ中心軸
Ｄ１（移行型プラズマ用電極１の）外径
Ｄ２（移行型プラズマ用電極１の）内径
Ｄ３対向電極１０のリング形状の外径
Ｄ４対向電極１０のリング形状の内径
Ｐ１移行型プラズマ

Claims

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配置された対向電極とを、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、
当該直流プラズマトーチの略中央部に設けられた、原料材料が通る原料材料通路部とを、備えており、
前記対向電極は、
前記直流プラズマトーチ側から平面視して、リング形状であり、
前記対向電極の前記リング形状の貫通部と連通しており、周囲が冷却されている、微粒子生成冷却室を、さらに備えており、
前記移行型プラズマ用電極と前記対向電極との間において発生した移行型プラズマは、前記磁石により回転し、
当該回転している前記移行型プラズマにより、前記原料材料通路部から出力された前記原料材料が気化され、前記貫通部を通って、前記微粒子生成冷却室で冷却され、微粒子が生成され、
前記対向電極の前記貫通部に面する側面部は、
絶縁体である、
ことを特徴とする微粒子生成装置。
前記絶縁体は、
前記貫通部に面する対向電極の側面部から、直流プラズマトーチと対面する対向電極の面の一部にかけて、形成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の微粒子生成装置。
前記絶縁体は、
前記微粒子生成冷却室側に突出している、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の微粒子生成装置。