JPH05266991A - 磁気駆動プラズマ反応装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 プラズマ材料プロセス用プラズマ発生装置
として、安定性が高く、エネルギー密度が空間的に斬変
的に変化するプラズマを発生する方法を提供すること、
及びこのプラズマを用いた、優れた粉体球状化法、溶射
法、その他プラズマ処理方法を提供することにある。 【構成】 プラズマアークを利用して加熱や溶融、蒸
発或いは化学分解、合成反応等を行わせる装置に於て、
熱電子放出型陰極を有するプラズマトーチと容易に交換
可能な中空円筒形の陽極とを有し、両電極の間に移行型
プラズマアークを発生させる、プラズマアーク発生部分
と、発生したアークの陽極点を該中空円筒面上に回転運
動をさせるためのアークの磁気駆動部分とで構成され、
トーチ移動機構、反応処理物質吹き込み口の移動機構を
有し、プラズマ形状と吹き込み位置を高い自由度で設定
できることを特徴とするプラズマ反応装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマにより粉体の
加熱、溶解、或いは蒸発を行わせたり、ガスや液体の分
解或いは反応を行わせたりすることにより、粉体処理、
表面処理、皮膜や微粉の合成、或いは分解などのプラズ
マ処理を効率的に行わせる装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】熱プラズマは産業プロセスに多く用いら
れており、プラズマ発生法もいろいろある。例えば文献
S.L.Camacho : Pure and Applied Chemistry, vol.60,
No.5,pp.619-632, 1988. に示されている如く、熱陰極
型、冷陰極型及び高周波誘導プラズマ型などに大別でき
る。

【０００３】熱陰極型プラズマアーク発生装置は、アー
ク維持電圧が低くでき、安定なプラズマ状態が容易に得
られることから、よく利用されている。プラズマ反応装
置としては、プラズマトーチ内で非移行型のアークを発
生させて、トーチノズルから吹き出すプラズマジェット
を用いるのが一般的である。

【０００４】冷陰極型プラズマアーク発生装置は水冷の
銅製の円筒電極を用いることが多い。電極の局所損傷を
防止するために陰極点、陽極点共に電磁力或いは流体的
力で動かしている。維持電圧が高く安定性に欠けるが、
電極温度が上がらないため、活性なガスでもプラズマ化
して使うことができる。

【０００５】高周波誘導プラズマは、コイルに高周波電
流を通じて、変動電磁場を発生させてガスをプラズマ化
する。無電極放電であり電極起因の汚染がないが、電源
が高価で効率が低い。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ここで、プラズマ反応
装置に要求される性能は以下のようにまとめることがで
きる。 （１）プラズマが負荷の変動、その他外部の擾乱に対し
て、安定に動作すること。 （２）プラズマ領域が広いこと。 （３）種々の処理条件の要求に広く対応できる柔軟性を
有していること。 （４）装置構成が簡単で安価であること。

【０００７】これらの要求に対して、上記の従来型プラ
ズマ装置は、それぞれ、一部要求に対応できるだけであ
る。

【０００８】即ち、熱陰極型のプラズマアーク発生装置
はアークが安定であり、かつ装置も簡単であるが、形成
されるアークが絞られており、高温領域が狭く、空間的
に急峻な温度勾配ができている。トーチのオリフィスか
ら高速度でプラズマガスが吹き出すので、反応処理対象
物が高温プラズマ中に滞在する時間が短く、反応効率が
上がらない、反応の均一性が不十分である等の問題が生
じる。また、熱陰極は酸素元素や炭素元素と反応し易い
材料を用いていることが多く、これらを含むガス種を利
用することは難しく、使用ガス種に制約が多い欠点も有
する。

【０００９】冷陰極型では陰極、陽極共円筒の水冷の銅
で作られ、電磁力或いは流体力学的力でアークを回転運
動させることが多いが、安定性に欠ける。この場合の電
磁力の作用目的は冷陰極の損耗防止である。冷陰極放電
で陰極点を一点に止めておくと、局所的な溶損が進行
し、陰極寿命が低下する。

【００１０】高周波誘導プラズマは、形成されるプラズ
マ領域が広く、利用できるガス種に対して制約が少ない
が、負荷変動に対して安定性が高くなく、電源装置も安
価でない。

【００１１】従来のプラズマ装置では、それぞれ長所と
欠点を有し、プラズマ処理装置として制約が多い。更に
プラズマ処理されるべき材料は、目的により適当なエネ
ルギー密度領域に導入されなければならないことは当然
であるが、この条件の最適化を図るには、高度の経験を
必要とするばかりでなく煩雑な試行錯誤を繰り返しても
尚達成し難いという問題点がある。

【００１２】これに対し、本発明は前述のプラズマ反応
装置に要求される性能の全てを満たしているため、プラ
ズマ溶射に於ける緻密性向上やプラズマ中粉末合成での
粒径制御をいずれも高い歩留まりにて具現化可能であ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明では、熱陰極直流
プラズマアーク発生法を採用し、かつ、陽極は中空円筒
状とし、さらに該中空円筒状の外側付近にアークを周方
向に駆動するための磁界発生コイルを設けることにより
陽極点を円筒陽極円周上で高速移動させ、プラズマを円
錐状とすることを主要な特徴とする。中空円筒陽極は着
脱、交換が可能であり、異なる円筒直径の陽極を用いる
ことによりプラズマ円錐形状の太さを変えることができ
る。最終的に陽極から吹き出すプラズマガスの速度はト
ーチから吹き出すプラズマガスに比べて、ノズル口径と
陽極円筒直径の自乗比（面積比）で小さくなると考えて
よいから、容易にソフトな低速プラズマ流を得ることが
できる。ここで、低流速化の効果を持たせ、かつアーク
が安定に回転するために必要なアーク電流の半径方向の
成分を有するようにするためには、陽極円筒の直径は、
トーチノズル直径の５倍以上にすることが望ましい。更
に、トーチ或いは陽極を移動可能とし、プラズマ円錐形
状の高さを変化、制御することができるようにしたり、
反応処理対象物質のプラズマ領域への導入口も移動でき
るようにすることにより、空間的にエネルギー密度が変
化しているプラズマ状態の適当位置を選択して、反応処
理物質を吹き込むことができる。尚、トーチと陽極とを
チャンバ内に設置して制御された雰囲気でプラズマを発
生させても良く、大気中に設置しても良い。いずれを選
択するかは用途に合わせて行う。

【００１４】本発明の構成についての基本概念図を図１
に示す。直流熱陰極１とトーチノズルとしての水冷ノズ
ルオリフィス２とを含むプラズマトーチ部と、陽極とし
て作動する中空円筒体１０と、この中空円筒陽極１０の
円周面上を陽極点が動き回るような磁界を発生させるた
めの磁場発生コイル８とが陽極外側付近に設置されてい
る。この磁場発生コイル８の位置及び形状は、円筒陽極
１０のアーク点が形成される位置で、中心軸方向の磁界
成分を有するような磁場を発生できるように決められて
いる。プラズマアーク４は陰極１と円筒陽極１０との間
に接続された直流電源１２により維持されている。トー
チ、陽極間距離が可変になるよう、トーチは上下駆動機
構１４に接続されている。反応処理物質のプラズマ領域
への吹き込み口１１も同様、移動機構１５に接続され
て、位置を自由に設定できるようになっている。実際に
は反応吹き込み口１１の数は、反応に寄与させたい物質
の数、その他吹き込み条件により変わってくる。当然な
がらトーチ、陽極間距離可変のためにはトーチを移動さ
せる代わりに円筒陽極１０を移動させても良い。この円
筒陽極１０は容易に交換可能で、発生させるプラズマの
目的に応じて材質、寸法を選択できる。磁場発生コイル
８は直流電源１３に接続され、アーク空間に直流磁界を
発生させる。尚、符号３はプラズマ主ガス導入口であ
る。

【００１５】係る構成に於てアーク４が円筒陽極内面上
を回転運動する原理は図２に示す通りである。即ち、陰
極と陽極間に形成されるアーク電流Ｉは、ベクトル的に
装置中心軸に平行な方向の成分Ｉｚと、半径方向成分Ｉ
ｒとに分離できる。一方、コイル８で形成される磁場方
向は中心軸方向が主要成分である。この成分をＢｚとす
ると、ＩｒとＢｚとは互いに直交するため、アークはフ
レミングの左手の法則により円周方向の力を受ける。こ
のためプラズマアークは陽極中空円筒体の内面を周方向
に回転運動をする。この結果、トーチ下流にはトーチノ
ズル出口を頂点とする円錐形のプラズマ領域１７が形成
される。

【００１６】尚、プラズマ形状を制御する手段として文
献 武田紘一：高温学会誌 vol.16,No.6, pp357-367, 19
90. に示されるような方法もあるが、この場合は、アー
クに作用する磁界は交番磁界であり、本発明の直流磁界
を用いるものとは異なる。

【００１７】電源の接続については、図１は一例であ
り、例えばアークを形成する電源として陰極とオリフィ
スの間に１つの電源を接続し、オリフィスと陽極の間に
もう１つの電源を接続し、陰極アーク室のアークと陽極
アーク室のアークの電流を独立に制御することも可能で
ある。

【００１８】

【作用】本発明構成により得られるプラズマ反応装置の
作用を以下に述べる。まずプラズマアークが陽極円周上
を高速で回転することから、得られるプラズマ領域は、
トーチ出口から陽極までは、トーチ出口を頂点とした円
錐形になり、陽極より下流では陽極円筒の断面積とほぼ
等しい太さとなる。ここで、陽極断面積が従来のトーチ
ノズル断面積に比べて格段に大きいので、広い領域にプ
ラズマを形成できることが可能になった。また陽極面を
通過するプラズマガスの平均流速は小さくなり、低速の
プラズマ流が得られる。プラズマ流が低速であることか
らプラズマ中に導入された被処理材料がプラズマ中に滞
在する時間が長くなりプラズマ処理効率が高くなる。従
って、安価で安定性の高い熱陰極タイプのプラズマ発生
法ながら、高周波プラズマ発生法で得られるものに近
い、大容積・低流速プラズマが形成された。

【００１９】陽極として、黒鉛スリーブ１６を用いた場
合は、水冷銅のような金属材料の陽極を用いた場合より
も、プラズマアークの回転運動が円滑となり、より軸対
称性のよいプラズマが形成できる。これは水冷銅のよう
に冷却が施された電極に於ても局所的な溶融現象は不可
避であり、プラズマアークが溶融点に於てより安定に存
在できる性質から溶融点に留まろうとして、回転運動が
不規則となるためである。また、黒鉛の昇華温度は３０
００℃以上であることから蒸発損耗が少なく、溶融点か
ら発生する金属蒸気による雰囲気汚染も抑制されるとい
う効果も持つ。ただし、反応ガスとして、酸素原子を含
むガスのような炭素との反応性の高いガスを用いる場合
は注意が必要である。

【００２０】磁界を横切る成分の電流があること、高速
運動でアークが冷却されることなどの理由により同一ア
ーク電流に対して電極間電圧が高くなり、陰極への熱的
負担を増大させることなく投入電力を大きくできる。

【００２１】電離が起こる領域が、トーチ内部とトーチ
下流陽極までの部分とに大別され、しかも、トーチノズ
ルにより陰極をトーチ下流とは異なる雰囲気にすること
ができる。このため、熱陰極材料と反応し陰極損耗を加
速する理由で、従来利用困難であった酸素ガスや炭化水
素系ガスなども、トーチ下流に導入することによりプラ
ズマ化して利用することができる。

【００２２】プラズマがトーチノズルを頂点として円錐
形状となることから、空間的にエネルギー密度が漸変す
る熱源となる。従って反応処理物質のプラズマへの導入
位置を上下に変えることにより、反応のスタート点のエ
ネルギー密度を選択できる。プラズマの円錐形状はトー
チ・陽極間距離により変えることができる。反応生成物
の種類、特性は熱履歴に依存するので、本発明装置のよ
うに条件設定の自由度が高いことは反応装置として大き
な利点となる。

【００２３】

【実施例】本発明に基づく磁気駆動プラズマアーク反応
装置を用いることによる効果を、以下に詳述する。

【００２４】実施例１ 図１に示す装置構成での実施条件例を表１にまとめて示
す。内径６０ｍｍの中空円筒体陽極を用いて磁気コイル
に電流を流したところ、アーク用極点は円筒内面上を高
速で回転運動をし、ほぼ６０ｍｍ直径のプラズマ柱を得
ることができた。

【００２５】プラズマ作動ガスとして、条件１に示すア
ルゴンから、条件２に示すようにトーチ内には窒素ガス
を導入し、トーチ外吹き込み口１１からは酸素ガスを導
入して動作させたところ、アーク電圧が上昇しただけ
で、不安定性が現れることがなく、本発明は負荷の変動
に対して極めて安定であることが確認された。

【００２６】従来の熱陰極プラズマアーク発生法では、
酸素や炭素を含むガスは陰極材料との反応性が強く、高
濃度で用いることが困難であったが、本発明法では、ア
ーク領域を２室に分離しているので、酸素ガスのような
化学活性ガスでもプラズマ化が容易になっている。

【００２７】通常の高周波誘導型熱プラズマ法では、プ
ラズマは４０〜５０ｍｍ直径の円筒内にプラズマが作ら
れ、従来の熱陰極アークによる方法に比べ格段に太いプ
ラズマが得られている。本発明方法では熱陰極アーク法
ながら、６０ｍｍ直径のプラズマが得られており、高周
波プラズマ法と同等或いはそれ以上に太く、ソフトなプ
ラズマが得られた。プラズマの径は中空陽極の内径を変
えることにより、これ以上にも以下にも変化させること
が可能であることは明かである。

【００２８】

【表１】

【００２９】実施例２ 図１の装置で、吹き込み口１１より、表２に示す条件で
ＳＵＳ３０４金属粒子をプラズマ中に吹き込み鉄板上に
溶射を行わせ、同一入力の非移行型プラズマジェット溶
射で得られる皮膜と比較したところ、従来プラズマ溶射
法である非移行型プラズマジェット溶射により得られる
皮膜の気孔率は９％であったのに対し、磁気駆動プラズ
マアークによる溶射皮膜の気孔率は４％であり、高密度
の良好な皮膜が得られた。

【００３０】

【表２】

【００３１】更に、図１の装置の下方に置いた鉄板を水
平となる１方向に一定速度で往復運動させて帯状の溶射
膜が形成されるような状態とした上で、３種類の円筒内
径の陽極を用いて溶射を行い、溶射皮膜中で均一厚みと
なる幅を比較したところ、表３の結果を得た。一般的に
従来の非移行型プラズマトーチを用いた溶射では、幅広
の被溶射物の場合、１方向に往復運動させるだけでは膜
が形成される幅が狭いため、被溶射物をジグザグ状に運
動させなければならなかったが、本装置では円筒陽極の
選択により、ある程度の幅の被溶射物であれば複雑なジ
グザグ運動を必要としない溶射が可能となることが確認
された。

【００３２】

【表３】

【００３３】実施例３ 図１の装置で吹き込み口１１より、表４に示す条件でア
ルミナ粉をプラズマ中に吹き込んだ。吹き込み口１１の
位置を陽極上面より４ｃｍと固定し、トーチを上下する
ことにより、トーチと陽極間距離を変化させ、空間的な
エネルギー密度分布を変化させて、アルミナ粒子の球状
化した割合を測定したところ、表５に示す結果を得た。
トーチと陽極間隔の変化により、吹き込み位置でのエネ
ルギー密度が変化し、アルミナ粒子の熱履歴を制御でき
ることが確認された。

【００３４】

【表４】

【００３５】

【表５】

【００３６】実施例４ 図１に示す装置で、トーチ直下の吹き込み口１１よりシ
ランガスを、また図には示されていないが陽極直上に設
けられた符号１１とは異なる別の吹き込み口からメタン
ガスを表６に示す条件で吹き込み、炭化珪素を合成した
ところ、平均粒径０．５ミクロンの良質の微粉が得られ
た。メタンガスの吹き込みをトーチ直下にすると得られ
る炭化珪素は０．１ミクロン以下の超微粉となり焼結材
料としては微細すぎ、扱い難い製品となる。

【００３７】

【表６】

【００３８】

【発明の効果】本発明により、広い領域に熱プラズマを
安定に発生させ、かつ化学的に活性なガス体でもプラズ
マ作動ガスとして利用でき、かつエネルギー密度の空間
的分布の制御が容易で、プラズマ処理条件を広い範囲で
変化できる装置を提供することを可能にした。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本概念図である。

【図２】プラズマアークの磁気駆動の原理を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ 熱陰極 ２ 水冷ノズルオリフィス ３ プラズマ主ガス導入口 ４ プラズマアーク ８ 磁場発生コイル １０ 中空円筒陽極 １１ 反応処理物質吹き込み口 １２ プラズマ直流電源 １３ 直流励磁電源 １４ プラズマトーチ駆動機構 １５ 反応処理物質吹き込み口移動機構 １６ 黒鉛スリーブ １７ 円錐形プラズマ領域

フロントページの続き (72)発明者 戸田 哲也 北九州市戸畑区大字中原46−59 新日本製 鐵株式会社機械・プラント事業部内 (72)発明者 橋本 英明 名古屋市緑区大高町字北関山20−１ 中部 電力株式会社電気利用技術研究所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱電子放出型陰極を有するプラズマト
   ーチと、該トーチノズル出口方向近傍の外部に位置させ
   た中空円筒状の陽極と、前記両電極の間に発生したプラ
   ズマアークの陽極点を前記中空円筒陽極内面上で回転運
   動させる磁界を発生させるためのコイルと、前記トーチ
   と前記陽極間或いは前記陽極下流の任意のプラズマ内の
   位置に反応処理物質を導入する機構とから構成されるこ
   とを特徴とするプラズマ反応装置。
2. 【請求項２】 請求項１の装置に於て、前記中空円筒
   陽極が異なる直径の円筒陽極に交換可能であることを特
   徴とするプラズマ反応装置。
3. 【請求項３】 請求項１の装置に於て、前記円筒陽極
   として円筒水冷銅に着脱可能な黒鉛スリーブをかぶせた
   黒鉛電極を用いることを特徴とするプラズマ反応装置。