JPH03211284A - 多段熱プラズマ反応装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、多品種の高純度の反応生成物を高効率に生成
するための大出力多段熱プラズマ反応装置に係り、特に
セラミックスやダイヤモンドを初めとする新素材の生成
や、新しい応用分野の開拓に利用できる多段熱プラズマ
反応装置に関する。

〔従来の技術〕

−Ｃに高周波プラズマ炎は、純度の高い物質の生成に最
適であるが、炎の安定度や、反応物質注入法に問題があ
った。

これらの欠点を解決するために、直流アークプラズマト
ーチを備えた高周波磁場結合アークプラズマ反応装置（
特許第１４１９５６６号）が発明された。しかし、この
場合、放電用電極の損耗によって、高周波プラズマ炎中
に電極構成物質が不純物として混入する欠点があり、ま
た炎内に反応物質が長時間滞留することができず、連続
操業性に欠けるなど、企業的には十分でなかった。

このために、放電電極を使用しない無電極高周波プラズ
マ反応装置が発明された（特公昭６２８６７００号公報
）、シかし、この装置を単体の反応装置として用いる場
合には不純物の混入もなく反応物質の炎内滞留時間もア
ークプラズマ方式に比し長く採れるようにはなったが、
まだ反応時間が短く、満足とはいえなかった。物質に化
学反応を生じさせるには、充分なエネルギーを必要な時
間加えて励起状態におかなければならない。その上多種
類の物質を生成させるには、その物質ごとに最適のエネ
ルギー量と反応時間を選択する必要がある。そこで、多
数の反応器を積み重ね、上段の発生したプラズマ炎を種
火として使い、次段で出力の大きなプラズマ炎を作って
、多種類の多量の反応物質を処理する多段無電極高周波
プラズマ反応装置が発明された（特公昭６３−１５８７
９９号公報）、この発明によって、各段の反応器に異な
る種類の反応物質を投入し、各段毎に適した高周波電力
を印加する反応装置が出来た。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の多段無電極高周波プラズマ反応装置では、全段が
高周波磁場を利用して誘導的に高周波プラズマを発生さ
せるものであり、初段の反応器では外部にテスラコイル
を置き、これに高電圧を加えてトリガーしており、点火
しにくい欠点があった。

また初段反応器の作る補助プラズマ炎の安定性がやや不
足する不満があった。

一方マイクロ波プラズマは、直流や高周波によるプラズ
マに比べて、電子密度が高く反応性も高いと言われなが
ら、発生領域が非常に限られているために、熱プラズマ
反応には応用されていなかった。そこで、マイクロ波プ
ラズマ炎の安定性と中心導体の腐食の問題を解決し、先
に特願平１１９２３７２号マイクロ波熱プラズマトーチ
として出願したが、回路構成上耐電圧不足からマイクロ
波電力が制限されているために、プラズマ炎の出力が不
足となることが多かった。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、同軸管回路を形成するプラズマ発生部に対し
、導波管回路より同軸導波管変換器および気密性誘電体
窓を経て、マイクロ波電力を供給する手段、プラズマ発
生部に対し円周方向および半径方向に向かってガスを噴
出させて、ガスを渦巻状態とし、上記マイクロ波電界に
よってガスを電離してプラズマ炎を発生させる手段、上
記プラズマ炎を補助として用い、上記同軸管回路の共有
中心軸上かつ上記プラズマ炎の下部にプラズマ炎を発生
させる、少なくとも１個以上の高周波誘導熱プラズマ反
応部を有し、上記各プラズマ反応部の上部に反応性物質
を供給する手段を設けたことを特徴とする多段熱プラズ
マ反応装置である。

本発明では、初段にマイクロ波熱プラズマトーチを使い
、初期点火を確実にして、補助プラズマ炎の安定性を高
め、次段以降にはプラズマ炎の出力が容易に増大できる
高周波プラズマ反応器を積み重ねて、各段の反応器に異
なる種類の反応物質を注入し、各段毎に適した高周波電
力を印加する多段反応装置とする。

〔作　用〕

初段の反応器に於いて、マイクロ波電界によるガスの電
離によって、プラズマが発生すると、アーク中に電力が
集中し、小電力でも高温になる効果がある。このため、
マイクロ波プラズマ反応器では、マイクロ波電力５ｋＷ
で、２０ｋＷ出力の高周波電磁結合プラズマ反応器と同
程度の効果を発揮する。

またアークは、負性抵抗値を示すが、マイクロ波電力供
給回路中のりアクタンス分が直列に動作するので、プラ
ズマ炎が安定になると考えられる。

そのプラズマ炎の長さは、マイクロ波電力の供給量によ
って容易に変化できるので、これも補助プラズマ炎の発
生源としては、好適である。

次段以降には、高周波プラズマ反応器を共有中心軸上に
多数縦続させ、下部反応器に対して、夫々上部の反応器
を補助プラズマ発生装置として使用することによって、
大口径大出力のプラズマ反応装置として動作させる。

〔実施例〕

（１）第１図は本発明の実施例の概略縦断面回を示して
いる。

図中Ａはマイクロ波熱プラズマトーチ部（以下「トーチ
部」という、）であり、その下部に補助プラズマ部Ｂが
取り付けられている。トーチ部Ａとしては特願平１−１
９２３７２号として出願したものを使用した。即ち内導
体１と外導体２とで構成されたトーチ発生部に、方形導
波管４と気密性誘電体窓１３を通して、導波管の中央に
りンジ５を設けた同軸導波管変換器から、２．４５ＧＨ
２のマイクロ波電力を供給する。

内導体１は銅製で、その先端６は尖って電極になってい
る。

この内導体１の内部には水管３が通っており、上部の冷
却水注入口１０１から冷却水出口１１１に、冷却水が流
されている。

外導体２も銅製で、内導体１と同軸管回路を形成してお
り、トーチ発生部では直径が狭められて最小直径部７と
なり、マイクロ波電界を集中させてガスのｔＭを容易に
している。またこの内部には冷却水溜１２１を設け、冷
却水注入口１０２から冷却水出口１１２に冷却水を流し
ている。

一方ガスは、プラズマの安定性と制御性を増すために、
円周方向にガス流を生じさせる円周方向ガス噴出口と、
半径方向のガス流を生じさせる半径方向のガス噴出口と
を、トーチ発生部上部の外導体２の壁面周囲に多数設け
、ガスに回転と渦を生じさせる。これらのガスは、ガス
注入口９１と９２からそれぞれ独立して供給される。第
１図ではこれらのガス噴出口は省略した。

方形導波管回路から方形導波管４に入ったＴＥ１０モー
ドのマイクロ波電力は、気密性誘導体窓１３を通って同
軸導波管変換器で、ＴＥＭモードに変換されて、先端６
の部分で最大電圧になり、最小直径部７との間でガスを
電離させて、プラズマを発生させる。−旦発生したプラ
ズマ炎１４１は、先端６の周囲のマイクロ波電界によっ
て、エネルギーを補給されて継続し、補助プラズマ部Ｂ
に噴射される。

反応物質は頭部の投入口８１から入れられ、プラズマ炎
１４１の上部に挿入されて加熱反応し、プラズマジェッ
トとなって補助プラズマ部Ｂに噴出される。また、外導
体２に穿った投入口８２によっても反応物質が供給され
る。

補助プラズマ部Ｂには、上部で作られたプラズマを補助
プラズマとして、下部の反応器Ｃの頭部に加えるために
おかれる水冷金属筒１５０があり、この内部には冷却水
溜１２２を設け、冷却水注入口１０３から冷却水出口１
１３に冷却水を流している。また、反応物質投入口８３
から下部の反応器Ｃで作られるプラズマ炎１４２の頭部
に反応物質を挿入できる。また、必要な場合には、補助
プラズマ部Ｂの上部にも、ガス噴出口を設け、円周方向
と半径方向にガスを流し、プラズマ炎が補助プラズマ部
の壁面に接触することを防止する。反応器Ｃとしては、
１３．５６ＭＨｚの高周波電力による磁場結合熱プラズ
マ反応器を共有中心軸上に配置し、２０ｋＷの電力を加
えた。図中１５１は耐熱絶縁管であり石英硝子型の二重
円筒構造となっており、内部は冷却水溜１２３が存在し
、冷却水注入口１０４から冷却水出口１１４に冷却水を
流している。この外側にソレノイドコイル１５２を巻き
付け、これに１３．５６ＭＨｚ、２０ｋＷの高周波電力
を加えた。耐熱絶縁管１５１の上部において、ガス注入
口９３から円周方向と半径方向にガスを流し、上部の補
助プラズマ部Ｂで作られた補助プラズマを増大して、よ
り強力なプラズマ炎１４２を形成し、補助プラズマ部Ｂ
の反応物質とは異なる物質を反応物質投入口８３から挿
入して、複合物質を反応させ製作する。プラズマ炎１４
２はチャンバー１７中に噴出される。１６はチャンバー
壁である。

なお、下部の反応器Ｃの下に同様の反応器を数段重ねて
、多種の反応物質を反応させ得ることは、論を待たない
。

（２）第２図は本発明の他の実施例を示す概略縦断面図
であり、下部の反応器Ｆとして、特開平１−１７６７０
０号公報熱プラズマ反応装置のＴＥ０１１姿態共振器を
使用する形式のものである。

これは、使用周波数を高くするほど、プラズマ発生能率
が向上するからである。トーチ部Ｄ・補助プラズマ部Ｅ
の構成は、第１図に述べたトーチ部Ａおよび補助プラズ
マ部Ｂと同一形式でもよいが、気密性誘電体窓１３１を
方形導波管から同軸管回路へ移し、且つその出力側に、
インピーダンス整合用として、導体または誘電体で作ら
れた、円板１３２および円環１３３を内導体として外導
体に夫々植え込んでいる。これらは、プラズマから直進
する溶融反応性物質で気密性誘導体窓１３１が汚染され
るのを防いでいる。

トーチ部Ｄ・補助プラズマ部Ｅのその他の部分は第１図
と同じであるが、同一電力に対する気密性誘電体窓１３
１の耐電圧を向上できる利点がある。

下部の反応器Ｆとしては、金属性円筒１５３をＴＥＯ１
１姿態共振器として使い、導波管１５４から結合窓１５
５（結合コイルであってもよい）を通して、高周波電力
を供給する。ＴＥＯ１１姿態共振では、電界が同心円状
分布となり、磁界はこれに直交するので、電界が空洞壁
と交叉せず、従って空洞壁内の高周波電流による損失は
皆無となり、Ｑが高く、低損失であり、大型で大電力に
耐えられる。この際発生する電磁界分布は、第１図の誘
導コイルによる場合と！（Ｈしているので、空洞中央部
にガス流を流すと、ガス中に環流が誘導され、発熱して
プラズマ炎となるが、上部の補助プラズマ部Ｅの作るプ
ラズマ炎１４１が火種となるので、点火は容易である。

ＴＥＯ１１共振器の共振周波数ｆ　（Ｃ，Ｈｚ）は、直
径をＤ（■）、軸長をＬ（■）とすると、次式％式％ 対する直径りは１６１．３■となる。

共振器の中央部は耐熱絶縁管１５６で囲い、その内部に
冷却水溜１２３を設け、冷却水注入口１０４から冷却水
出口１１４に冷却水を流している。

耐熱絶縁管１５６の上部からは、ガス注入口９３から円
周方向と半径方向にガスを流し、上部の反応器で作られ
た補助プラズマを増大して、より強力なプラズマ炎１４
２とし、補助プラズマ部Ｅの反応物質とは異なる物質を
反応物質投入口８３から挿入して、複合物質を反応させ
製作する。

多段以上の積み重ねも、必要に応じて同様に容易に構成
できる。

このＴＥＯ１１共振器形式の反応器では、数百ＭＨｚか
らマイクロ波帯まで、広い周波数のエネルギー源が利用
できる。従って、本発明では大電力エネルギーが容易に
使用でき、ＨｌやＮ８．０、ガスなどのプラズマジェッ
トによる超伝導物質の生産業の新たな利用面も現実的に
なってきた。

〔発明の効果〕

本発明によれば、不純物を含まない強力なプラズマ炎を
容易に発生・維持できるので、これを種火として使い、
次段以降で必要なエネルギーまで増大し、反応物質の種
類と要求に応じて、ガスの種類や滞留時間を適宜選択す
れば、最適な反応物質生成が可能となる。

本発明の特徴を上げれば、つぎのようになる。

（１）不純物を含まない強力なプラズマ炎を補助プラズ
マ炎として使い、大出力の主プラズマ炎を安定に保つの
で、多数の反応物質の生成が可能である。

（２）反応物質の特性に応じて、必要な励起エネルギー
と滞留時間の選定が可能となる。

（３）多種類の反応物質に対して、それぞれの特性に応
じた最適状態の調整ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例の概略縦断面図、第２図は他の実施例の
概略縦断面図である。 Ａ−Ｄはマイクロ波熱プラズマトーチ部、Ｂ・Ｅは補助
プラズマ部、Ｃは磁場結合熱プラズマ反応器、ＦはＴＥ
Ｏ１１姿態共振器を使用する熱プラズマ反応器。 １は同軸部の内導体、２は同外導体、３は水管、４は方
形導波管、５はリッジ、６は内導体の先端、７は外導体
の最小直径部、８１・８２・８３は反応物質の投入口、
９１・９２・９３はガス注入口、１０１・１０２・１０
３・１０４は冷却水注入口、１１１・１１２・１１３・
１１４は冷却水出口、１２１・１２２・１２３は冷却水
溜、１３・１３１は気密性誘電体窓、１３２は円板、１
３３は円環、１４１・１４２はプラズマ炎、１５０は水
冷金属筒、１５１・１５６は耐熱絶縁管、１５２はソレ
ノイドコイル、１５３は金属性円筒、１５４は導波管、
１５５は結合窓、１６はチャンバー壁、１７はチャンバ
ー 第２図 第 図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）同軸管回路を形成するプラズマ発生部に対し、導
   波管回路より同軸導波管変換器および気密性誘電体窓を
   経て、マイクロ波電力を供給する手段、プラズマ発生部
   に対し円周方向および半径方向に向かってガスを噴出さ
   せて、ガスを渦巻状態とし、上記マイクロ波電界によっ
   てガスを電離してプラズマ炎を発生させる手段、上記プ
   ラズマ炎を補助として用い、上記同軸管回路の共有中心
   軸上かつ上記プラズマ炎の下部にプラズマ炎を発生させ
   る、少なくとも１個以上の高周波誘導熱プラズマ反応部
   を有し、上記各プラズマ反応部の上部に反応性物質を供
   給する手段を設けたことを特徴とする多段熱プラズマ反
   応装置。
2. （２）高周波誘導熱プラズマ反応部にはＴＥ０１１姿態
   の空洞共振器を介して高周波電力を供給する請求項（１
   ）記載の多段熱プラズマ反応装置。