JP7430429B1 - 同軸型マイクロ波プラズマトーチ - Google Patents
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Abstract
【課題】同軸型マイクロ波プラズマトーチのプラズマの安定性を向上させるとともに、放電アンテナの寿命を延ばす【解決手段】内側の放電アンテナ２および外側の対向電極３からなる同軸構造を有する本体１と、本体における放電アンテナの基端側に設けられたマイクロ波入力部４と、本体における放電アンテナの先端２ａ側に設けられ、プラズマ出口５に連通したプラズマ生成部６と、プラズマ生成部にガスを供給するガス供給部７を備える。放電アンテナの先端が半球状に形成されている。【選択図】図１
Description
本発明は、大気圧中においてプラズマを発生し得るマイクロ波プラズマトーチ、とりわけ、同軸型マイクロ波プラズマトーチに関するものである。
従来の同軸型マイクロ波プラズマトーチとしては、例えば、特許文献１、２に記載されたものがある。
これらの同軸型マイクロ波プラズマトーチは、内側の放電アンテナと外側の対向電極とからなる同軸構造を有していて、この同軸構造における放電アンテナの基端側にマイクロ波入力部を備える一方、同軸構造における放電アンテナの先端側にはプラズマ生成部を備えている。
これらの同軸型マイクロ波プラズマトーチは、内側の放電アンテナと外側の対向電極とからなる同軸構造を有していて、この同軸構造における放電アンテナの基端側にマイクロ波入力部を備える一方、同軸構造における放電アンテナの先端側にはプラズマ生成部を備えている。
同軸型マイクロ波プラズマトーチは、さらに、同軸構造の内部空間を通じてプラズマ生成部にガスを供給するためのガス供給部を備えている。
こうして、ガス供給部から同軸構造の内部空間を通じてプラズマ生成部にガスが供給されるとともに、マイクロ波入力部にマイクロ波が供給されると、マイクロ波の電界が放電アンテナの先端に集中して当該先端が高電界となり、それによって放電アンテナの先端からプラズマが発生する。
しかしながら、従来の同軸型マイクロ波プラズマトーチにおいては、放電アンテナの先端が尖った形状、あるいは放電アンテナをその中心軸を横切る平面でカットした形状を有しており、前者においては放電アンテナの尖った先端に、後者においては放電アンテナの先端のエッジに電界が局所集中する。
そのため、放電アンテナの先端または先端のエッジ部分がスパッタリングによって浸食され、または加熱されて融解し、生成されたプラズマが不安定化する、あるいは放電アンテナの寿命が短くなるという問題が生じていた。
したがって、本発明の課題は、同軸型マイクロ波プラズマトーチのプラズマの安定性を向上させるとともに、放電アンテナの寿命を延ばすことにある。
上記課題を解決するため、本発明によれば、内側の放電アンテナおよび外側の対向電極からなる同軸構造を有する本体と、前記本体における前記放電アンテナの基端側に設けられたマイクロ波入力部と、前記本体における前記放電アンテナの先端側に設けられ、プラズマ出口に連通したプラズマ生成部と、前記プラズマ生成部にガスを供給するガス供給部と、を備えた同軸型マイクロ波プラズマトーチにおいて、前記放電アンテナの先端が半球状に形成され、前記対向電極における前記放電アンテナの先端に対向する部分が、前記プラズマ出口に向けて先細り状に形成されていることを特徴とする同軸型マイクロ波プラズマトーチが提供される。
本発明の好ましい実施例によれば、前記放電アンテナの先端が誘電体によってコーティングされている。
本発明の別の好ましい実施例によれば、前記対向電極における前記放電アンテナに対向する面が誘電体によってコーティングされている。
本発明によれば、放電アンテナの先端を半球状に形成したので、放電アンテナの先端から均等な電界が放射され、生成されたプラズマの安定性が向上する。
さらに、対向電極における放電アンテナの先端に対向する部分をプラズマ出口に向けて先細り状に形成したことで、放電アンテナの半球状の先端からの均一な電界放射がより促進され、プラズマのより安定した生成が可能になる。
さらには、放電アンテナの先端および対向電極における放電アンテナに対向する面に誘電体のコーティングを施したことで、プラズマ化したガスによる放電アンテナおよび対向電極のダメージが低減し、それらの寿命が延びる。
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の構成を好ましい実施例に基づいて説明する。
図１は、本発明の１実施例による同軸型マイクロ波プラズマトーチの軸方向に沿った断面図である。
図１は、本発明の１実施例による同軸型マイクロ波プラズマトーチの軸方向に沿った断面図である。
図１を参照して、本発明の同軸型マイクロ波プラズマトーチは、内側の放電アンテナ２および外側の対向電極３からなる同軸構造を有する本体１と、本体１における放電アンテナ２の基端側に設けられたマイクロ波入力部４と、本体１における放電アンテナ２の先端側に設けられ、プラズマ出口５に連通したプラズマ生成部６と、プラズマ生成部６に（プラズマ生成）ガスを供給するガス供給部７とを備えている。
なお、図１中、マイクロ波入力部４として、マイクロ波伝送用同軸ケーブルを、放電アンテナ２および対向電極３のそれぞれと接続するための接続部８のみが代表的に描かれ、ガス供給部７として、一端１０ａが本体１に接続されて同軸構造の内部空間９に開口し、他端１０ｂにおいてガス供給源（図示されない）に接続されたガス管路１０のみが代表的に描かれている点に留意されたい。
また、図１中、１８は、放電アンテナ２を対向電極３の内側空間内において、対向電極３と同軸に保持する誘電体製の保持部材である。
また、図１中、１８は、放電アンテナ２を対向電極３の内側空間内において、対向電極３と同軸に保持する誘電体製の保持部材である。
放電アンテナ２の先端２ａは半球状に形成され、誘電体によってコーティングされている。
また、対向電極３における放電アンテナ２の先端２ａに対向する部分は、プラズマ出口５に向けて先細り状に形成され、対向電極３における放電アンテナ２に対向する面が誘電体によってコーティングされている。
また、対向電極３における放電アンテナ２の先端２ａに対向する部分は、プラズマ出口５に向けて先細り状に形成され、対向電極３における放電アンテナ２に対向する面が誘電体によってコーティングされている。
本発明の同軸型マイクロ波プラズマトーチは、さらに、プラズマ生成部６においてプラズマを点火させるイグニッション機構１１を備えている。
イグニッション機構１１は、プラズマ生成部６に点火用プラズマを供給する、誘電体バリヤ放電を用いたプラズマ発生装置からなっている。
イグニッション機構１１は、プラズマ生成部６に点火用プラズマを供給する、誘電体バリヤ放電を用いたプラズマ発生装置からなっている。
このプラズマ発生装置は、筒状の誘電体からなり、一端１２ａが本体１に接続されて同軸構造の内部空間９に開口するとともに、当該一端１２ａの開口が放電アンテナ２の先端２ａに向けられたイグニッションガス管１２と、イグニッションガス管１２の他端１２ｂに接続されたイグニッションガス供給部１３と、イグニッションガス管１２の外側に設けられた一対の電極１４ａ、１４ｂと、一対の電極１４ａ、１４ｂに交流の高電圧を印加する電源部１５とを備えている。
一対の電極１４ａ、１４ｂは、この実施例では、それぞれ絶縁体で被覆された平行な２本の導線１６、１７をイグニッションガス管１２の外側に巻き付けたものからなっている。
そして、２本の導線１６、１７のうちの一方の導線１６の一端１６ａと、２本の導線１６、１７のうちの他方の導線１７の、一方の導線１６の一端１６ａから遠い方の端１７ａとの間に電源部１５が接続されている。
なお、導線１６の他端１６ｂおよび導線１７の端１７ｂは開放端となっている。
そして、２本の導線１６、１７のうちの一方の導線１６の一端１６ａと、２本の導線１６、１７のうちの他方の導線１７の、一方の導線１６の一端１６ａから遠い方の端１７ａとの間に電源部１５が接続されている。
なお、導線１６の他端１６ｂおよび導線１７の端１７ｂは開放端となっている。
次に、この同軸型マイクロ波プラズマトーチの動作を説明する。
まず、ガス供給部７のガス管路１０を通じて、同軸構造の内部空間９に（プラズマ生成）ガスが供給されるとともに、マイクロ波入力部４から放電アンテナ２および対向電極３にマイクロ波が供給される。
まず、ガス供給部７のガス管路１０を通じて、同軸構造の内部空間９に（プラズマ生成）ガスが供給されるとともに、マイクロ波入力部４から放電アンテナ２および対向電極３にマイクロ波が供給される。
次いで、イグニッション機構１１のイグニッションガス供給部１３からイグニッションガス管１２にイグニッションガスが供給され、イグニッション機構１１の一対の電極１４ａ、１４ｂ（２本のコイル状の導線１６、１７）に交流の高電圧が印加される。
こうして、２本のコイル状の導線１６、１７は陰極と陽極を構成し、イグニッションガス管１２の内部における隣り合う導線１６、１７間のギャップに対応する領域に点火用プラズマが生成される。
生成された点火用プラズマは、イグニッションガス管１２の一端１２ａから本体１の内部空間９内に進入して放電アンテナ２の先端２ａに達し、プラズマ生成室６においてマイクロ波による大気圧プラズマを点火させる。
プラズマ点火後、イグニッション機構の動作が停止せしめられ。生成された大気圧プラズマがプラズマ出口５から外部に照射される。
本発明によれば、放電アンテナ２の先端２ａを半球状に形成したので、放電アンテナ２の先端２ａから均等な電界が放射され、生成されたプラズマの安定性が向上する。
さらに、対向電極３における放電アンテナ２の先端２ａに対向する部分をプラズマ出口５に向けて先細り状に形成したことで、放電アンテナ２の半球状の先端２ａからの均一な電界放射がより促進され、プラズマのより安定した生成が可能になる。
さらに、対向電極３における放電アンテナ２の先端２ａに対向する部分をプラズマ出口５に向けて先細り状に形成したことで、放電アンテナ２の半球状の先端２ａからの均一な電界放射がより促進され、プラズマのより安定した生成が可能になる。
さらには、放電アンテナ２の先端２ａと、対向電極３における放電アンテナ２に対向する面に誘電体のコーティングを施したことで、プラズマ化したガスによる放電アンテナ２および対向電極３のダメージ（酸化やエッチング）が低減し、それらの寿命が延びる。
さらに、本発明によれば、イグニッション機構を、誘電体バリヤ放電を用いたプラズマ発生装置から構成し、このプラズマ発生装置で生成した点火用プラズマを、同軸型マイクロ波プラズマトーチの本体１のプラズマ生成部６に供給して、プラズマ点火を行うようにしたので、イグニッション機構１１のコンパクト化が実現できるとともに、コンタミの発生も防止することができる。
図２は、本発明の別の実施例による同軸型マイクロ波プラズマトーチの図１に類似の図である。
図２の実施例は、図１の実施例と、イグニッション機構の一対の電極の構成のみが異なる。よって、図２中、図１に示したものと同じ構成要素には同一番号を付し、以下ではそれらの詳細な説明を省略する。
図２の実施例は、図１の実施例と、イグニッション機構の一対の電極の構成のみが異なる。よって、図２中、図１に示したものと同じ構成要素には同一番号を付し、以下ではそれらの詳細な説明を省略する。
この実施例では、一対の電極１４ａ、１４ｂが、イグニッションガス管１２を間に挟んで対向配置された一対の半円筒状電極１９ａ、１９ｂからなっている。
そして、一対の半円筒状電極１９ａ、１９ｂの互いに対向する側縁間にはギャップが形成され、一対の半円筒状電極１９ａ、１９ｂ間に電源部１５が接続されている。
そして、一対の半円筒状電極１９ａ、１９ｂの互いに対向する側縁間にはギャップが形成され、一対の半円筒状電極１９ａ、１９ｂ間に電源部１５が接続されている。
この実施例によれば、イグニッション機構１１のイグニッションガス供給部１３からイグニッションガス管１２にイグニッションガスが供給され、イグニッション機構１１の一対の電極１４ａ、１４ｂ（一対の半円筒状電極１９ａ、１９ｂ）に交流の高電圧が印加されると、イグニッションガス管１２の内部における一対の半円筒状電極１９ａ、１９ｂの互いに対向する側縁間のギャップに対応する領域に点火用プラズマが生成される。
図３は、本発明のさらに別の実施例による同軸型マイクロ波プラズマトーチの図１に類似の図である。
図３の実施例は、図１の実施例と、イグニッション機構の一対の電極の構成のみが異なる。よって、図３中、図１に示したものと同じ構成要素には同一番号を付し、以下ではそれらの詳細な説明を省略する。
図３の実施例は、図１の実施例と、イグニッション機構の一対の電極の構成のみが異なる。よって、図３中、図１に示したものと同じ構成要素には同一番号を付し、以下ではそれらの詳細な説明を省略する。
この実施例では、一対の電極１４ａ、１４ｂが、イグニッションガス管１２の外側に嵌め込まれ、イグニッションガス管１２の軸方向において対向配置された一対の円筒状電極２０ａ、２０ｂからなり、一対の円筒状電極２０ａ、２０ｂの互いに対向する端縁間には絶縁体２１が配置され、一対の円筒状電極２０ａ、２０ｂ間に電源部１５が接続されている
この実施例によれば、イグニッション機構１１のイグニッションガス供給部１３からイグニッションガス管１２にイグニッションガスが供給され、イグニッション機構１１の一対の電極１４ａ、１４ｂ（一対の円筒状電極２０ａ、２０ｂ）に交流の高電圧が印加されると、イグニッションガス管１２の内部における一対の円筒状電極２０ａ、２０ｂの互いに対向する端縁間のギャップに対応する領域に点火用プラズマが生成される。
図４は、本発明のさらに別の実施例による同軸型マイクロ波プラズマトーチの図１に類似の図である。
図４に示すように、この実施例では、イグニッション機構１がガス供給部７のガス管路１０に備えられ、ガス管路１０がイグニッション機構１１の一部（イグニッションガス管）を構成する。
図４に示すように、この実施例では、イグニッション機構１がガス供給部７のガス管路１０に備えられ、ガス管路１０がイグニッション機構１１の一部（イグニッションガス管）を構成する。
この場合、ガス管路１０の少なくともイグニッション機構１を構成する部分は誘電体から形成され、誘電体製のガス管路１０の外側に一対の電極１４ａ、１４ｂが設けられ、一対の電極１４ａ、１４ｂ間に交流の高電圧を印加する電源部１５が接続されている。
この実施例では、一対の電極１４ａ、１４ｂおよび電源部１５の構成は、図１の実施例と同じである
この実施例では、一対の電極１４ａ、１４ｂおよび電源部１５の構成は、図１の実施例と同じである
この実施例は（プラズマ生成）ガスとイグニッションガスが同一種類の場合に有効であり、この実施例によれば、本体２に別途イグニッションガス管を接続する必要がなく、同軸型マイクロ波プラズマトーチの全体をよりコンパクト化することができる。
以上、本発明の構成を好ましい実施例に基づいて説明したが、本発明の構成は上記実施例に限定されず、当業者が添付の特許請求の範囲に記載した構成の範囲内で種々の変形例を案出し得ることは言うまでもない。
例えば、点火用プラズマを生成するイグニッション機構の構成は、上記実施例に限定されず、誘電体バリヤ放電を用いたプラズマ発生装置からなっておればどのような構成であってもよく、より好ましくは、筒状の誘電体からなり、一端が本体に接続されて同軸構造の内部空間に開口するとともに、一端の開口が放電アンテナの先端に向けられたイグニッションガス管と、イグニッションガス管の他端に接続されたイグニッションガス供給部と、イグニッションガス管の外側に設けられた一対の電極と、一対の電極に交流の高電圧を印加する電源部とを備えておればよい。
１ 本体
２ 放電アンテナ
２ａ 先端
３ 対向電極
４ マイクロ波入力部
５ プラズマ出口
６ プラズマ生成部
７ ガス供給部
８ 同軸ケーブル接続部
９ 内部空間
１０ ガス管路
１０ａ 一端
１０ｂ 他端
１１ イグニッション機構
１２ イグニッションガス管
１２ａ 一端
１２ｂ 他端
１３ イグニッションガス供給部
１４ａ、１４ｂ 一対の電極
１５ 電源部
１６ 導線
１６ａ 一端
１６ｂ 他端
１７ 導線
１７ａ、１７ｂ 端
１８ 保持部材
１９ａ、１９ｂ 半円筒状電極
２０ａ、２０ｂ 円筒状電極
２１ 絶縁体
２ 放電アンテナ
２ａ 先端
３ 対向電極
４ マイクロ波入力部
５ プラズマ出口
６ プラズマ生成部
７ ガス供給部
８ 同軸ケーブル接続部
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１０ａ 一端
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１２ イグニッションガス管
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１７ａ、１７ｂ 端
１８ 保持部材
１９ａ、１９ｂ 半円筒状電極
２０ａ、２０ｂ 円筒状電極
２１ 絶縁体
Claims (3)
- 内側の放電アンテナおよび外側の対向電極からなる同軸構造を有する本体と、前記本体における前記放電アンテナの基端側に設けられたマイクロ波入力部と、前記本体における前記放電アンテナの先端側に設けられ、プラズマ出口に連通したプラズマ生成部と、前記プラズマ生成部にガスを供給するガス供給部と、を備えた同軸型マイクロ波プラズマトーチにおいて、
前記放電アンテナの先端が半球状に形成され、前記対向電極における前記放電アンテナの先端に対向する部分が、前記プラズマ出口に向けて先細り状に形成されていることを特徴とする同軸型マイクロ波プラズマトーチ。 - 前記放電アンテナの先端が誘電体によってコーティングされていることを特徴とする請求項１に記載の同軸型マイクロ波プラズマトーチ。
- 前記対向電極における前記放電アンテナに対向する面が誘電体によってコーティングされていることを特徴とする請求項２に記載の同軸型マイクロ波プラズマトーチ。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2023002372A JP7430429B1 (ja) | 2023-01-11 | 2023-01-11 | 同軸型マイクロ波プラズマトーチ |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2023002372A JP7430429B1 (ja) | 2023-01-11 | 2023-01-11 | 同軸型マイクロ波プラズマトーチ |
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| Publication Number | Publication Date |
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2023
- 2023-01-11 JP JP2023002372A patent/JP7430429B1/ja active Active
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