JPH05508053A - 水冷セラミック幽閉管を有する高性能誘導プラズマトーチ - 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】 水冷セラミック幽閉管を有する高性能誘導プラズマトーチ本発明は誘導プラズマ トーチの分野に関し、特にセラミック材で形成されかつその外面を包囲する薄い 環状室を流れる高速流体で冷却したプラズマ幽閉管を使用することにより性能が 改良されたプラズマトーチに関する。

２、従来技術の簡単な説明 誘導プラズマトーチは６０年前から知られている。その基礎設計は、しかしなが ら、過去３０年にわたって実質的に改良されてきた。従来プラズマトーチ設計例 は、１９６７年３月１５日に公告された英国特許第１．０６１．９５６号（Ｃ１ ｅａｖｅｒ）、１９７２年９月２６日付は米国特許第３．　６９４．　６１８　 （Ｐｏｏｌｅ−他）、および１９７３年１０月２日の米国特許第３．７６３．３ ９２号（Ｈｏｌｌｉｓｔｅｒ）に記載されている。誘導プラズマトーチの基礎概 念は４−６回巻きの誘導コイルを用いたプラズマとエネルギの誘導結合を含む。

ガス分配器ヘッドがプラズマ形成領域に適性な流れパターンを作り出すために使 用される。これは通常石英で形成された管内に幽閉されたプラズマを安定させて 該プラズマを上記コイルの中央に維持しかつ該プラズマの高熱負荷による損傷に 対して該プラズ幽閉管を保護するために必要である。該プラズマ幽閉管を保護す るために比較的高電力レベル（５−１０ｋＷ）での付加冷却が必要とされる。こ れは、通常、該幽閉管の外面上を流れる脱イオン水により実行される。

数々の試みがプラズマ幽閉管の保護を改良するためになされた。

それらの試験は（ａ）プラズマ幽閉管の内側に保護セグメントの金属壁インサー ト（１９８４年２月１４日発行の米国特許第４．４３１．９０１号（）ｌａｌｌ ）　）、（ｂ）プラズマ幽閉管を圧縮するために多孔質セラミック（Ｊ、Ｍｏｓ Ｌａｇｈｉｎ＋ｉ、　Ｍ、ｄｏｓｔｉｅ、およびＪ、　Ｊｕｒｅｗｉｃｚによる “Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ａｎ　ＲＦ　１ｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｐｌａｓｍａ　 ｔｏｕｒｃｈ　ｗｉｔｈ　ａ　ｐｅｒｍｅａｂｌｅ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｗａｌｌ ”（透過性セラミック壁を有するＲＦ誘導プラズマトーチの分析）Ｃａｎ、Ｊ、 Ｃｈｅｍ、Ｅｎｇ、、６７、　９２９−９３６　（１９８９９〕、および（Ｃ） 放射冷却セラミックプラズマ幽閉管ＣＰ、Ｓ−Ｃ，ＶＢｎｄｅｒ　Ｐｌａｓおよ びり、　ｄｅ　Ｇａ１ａｎ、による“Ａ　ｒａｄｉａｔｉｖｅｌｙ　ｃｏｏｌｅ ｄ　ｔａｒｃｈ　ｆｏｒ　ＩＣＰ−ＡＢＳ　ｕｓｉｎｇ　ｌ　１ｉｔｒｅ　ｐｅ ｒ　ｗｉｎ　ｏｆ　ａｒｇｏｎ”　（１リットル／分のアルゴンを使用するＩＣ Ｐ−ＡＥＳ用放耐放射冷却トーチ、　Ｓｐｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａ　Ａｃｔａ 、　３９Ｂ、１１６１−１１６９　（１９８４）およびＰ、Ｓ、Ｃ，Ｖａｎ　ｄ ｅｒＰｌａｓおよび　Ｌ、　ｄｅ　Ｇａ１ａｎ、によるＡｎ　ｅｖａｌｕａｔｉ ｏｎ　ｏｆ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｆｏｒ　ｕｓｅ　ｉｎ　ｎ ｏｎ−ｃｏｏｌｅｄ　ｌｏｗ　ｆｌｏｗ　ＩＣＰ　ｔｏｒｃｈｅｓ”　（非冷却 低流ＩＣＰトーチに使用するためのセラミック材料の評価）　、　Ｓｐｅｃｔｒ ｏｃｈｅｍｉｃａ　Ａｃｔａ、　４２Ｂ、　１２０５−１２１６　（１９８７） 　）の使用に関する。

これらの試案はそれぞれ限界と欠点を有する。

プラズマ幽閉管の保護を改良するためのセグメント金属壁インサートの使用はプ ラズマトーチの全体のエネルギ効率を実質的に低下させる欠点を有する。

多孔質セラミック材で形成されたプラズマ幽閉管は単に限定された保護を付与し たのみである。

放射冷却幽閉管に関して、セラミック材は比較的高い作業温度に耐え、優れた耐 熱衝撃性を発揮し、かつＲＰ（高周波）界を吸収しないものでなければならない 。はとんどのセラミックは上記厳酷な要件を満たさない。

発明の課題 従って、本発明の課題は従来技術の上記欠点を解消することにある。

本発明の他の課題はセラミック材で形成されたプラズマ幽閉管の保護を改良する ことである。

本発明の第３の課題はセラミック材で形成された幽閉管を有するプラズマトーチ を提供しかつこのプラズマ幽閉管を該幽閉管の外面を包囲する定常厚の薄い環状 室へ流れる高速冷却流体により冷却することである。

発明の概要 更に詳細には、本発明によれば、誘導プラズマトーチは、第１直径をもつ円筒内 面を有する管状トーチ体、（ａ）高熱伝導性をもつセラミック材で形成され、か つ（ｂ）第１端部、第２端部、およびおよび第１直径よりも僅かに小さい第２直 径をもつ円筒外面を有するプラズマ幽閉管、上記プラズマ幽閉管は上記管状トー チ体内に取り付けられ、かつ上記円筒内面および外面はその間に均一厚の薄い環 状室を形成するために同軸である、少なくとも１つのガス物質を上記幽閉管へ供 給するために上記プラズマ幽閉管の第１端部で上記トーチ体上に設置されたガス 分配器ヘッド、上記ガス物質は上記プラズマ幽閉管を通って上記第１端部から上 記第２端部へ流れる、 上記薄い環状室の外側に設置され、かつ上記幽閉管内で高温プラズマを発生させ かつ維持するために上記プラズマ幽閉管を流れるガス物質へ誘導エネルギを付与 するために電流が供給される上記円筒内面および外面と同軸の誘導コイル、およ び上記薄い環状室内に冷却流体の高速流を発生させる手段、上記幽閉管を形成す るセラミック材の高熱伝導性および冷却流体の高速流は共に高温プラズマにより 加熱された上記幽閉管から上記冷却流体への効率的熱伝達に寄与し、それにより 上記幽閉管を効率的に冷却する、 から成ることを特徴とする。

上記プラズマ幽閉管のセラミック材は高熱伝導性を特徴とし、上記薄い環状室を 流れる冷却流体の高速性は上記プラズマ幽閉管を適性に冷却するために必要な高 熱伝達係数を提供する。上記プラズマ幽閉管の外面の強烈かつ効率的冷却は低ガ ス流速により高電力および温度レベルでプラズマ生成を可能にする。これは、ま た、上記プラズマトーチの出口のガスレベルの比エンタルピーをより高くする上 記円筒内面および外面は合致する円筒面であり、かつ誘導コイルは上記トーチ体 中に埋蔵されているのが便利である。

本発明の好ましい態様によれば、（ａ）上記プラズマ幽閉管は純粋セラミック材 、または焼結または反応結合された窒化珪素、窒化硼素、窒化アルミニウムまた はアルミナを基礎とした、または種々添加剤および充填剤と共にそれらいずれか を組合せた複合セラミック材で形成され、高熱伝導性、高電気抵抗、および耐高 熱衝撃性を提供し、（ｂ）上記環状室は約１ｍｍ厚を有し、（Ｃ）上記冷却流体 は水から成り、かつ（ｄ）上記冷却流体の高速流は上記円筒内面および外面の共 通軸に平行である。

好ましくは、上記トーチ体は誘導コイルを完全に埋蔵したキャスト複合ポリマー またはキャストセラミックで形成される。

上記誘導コイルが上記トーチ体のキャストセラミックまたは複合ポリマー中に埋 蔵されているので、上記コイルと上記プラズマ幽閉管との間の空間は精確に制御 されて上記コイルと上記プラズマとの間のエネルギ結合効率を改善する。これは 、また、上記誘導コイルにより生じるいかなる干渉も受けずに上記環状室の厚み を精確に制御する。この制御は上記トーチ体の内面と上記プラズマ幽閉管の外面 を低許容差で機械加工することにより得られる。

本発明の課題、利点および他の特徴を添付図面を参照して実施例により好ましい 態様として非制限的に説明する。

図面の簡単な説明 添付図面において、 図１は本発明による高性能誘導プラズマトーチの立面断面図である。

好ましい態様の詳細な説明 図１において、本発明による高性能誘導プラズマトーチは概ね参照番号ｌにより 示されている。

プラズマトーチ１はキャストセラミックまたは複合ポリマーで形成された円筒ト ーチ体２から成る。水冷銅管で形成された誘導コイル３はトーチ体２中に完全に 埋蔵され、それに・よりこのコイルの位置安定性が確保されている。誘導コイル ３の２端部はトーチ体２の外面４へ延びかつそれぞれ一対の電気端子５と６へ接 続され、そこから冷却水とＲＦ電流がコイル３へ供給される。理解されるように 、トーチ体２と誘導コイル３は円筒かつ同軸である。

プラズマ出口ノズル７は円筒状であり、かつ複数の８のごときボルトからトーチ 体２の下端部へ取り付けられている。図１のごとく、ノズル７はトーチ体２の直 径に実質的に対応する外径を有し、内径はトーチ体２の内側に同軸設置されたセ ラミ、ツク材で形成されたプラズマ幽閉管９の内径に対応する。出口ノズル７は 幽閉管９の下端部を受ける上、内直角シート１０を具備している。

ガス分配器ヘッド１１はボルト８に類似の複数のボルト（図示せず）によりトー チ体２の上端部へ締結に固定されている。偏平ディスク１３がトーチ体２とガス 分配器ヘッドとの間に介在する。これは０リングを具備していてトーチ体２とへ ラド１１との接続部を封止する。ディスク１３は幽閉管９の外径よりも僅かに大 きい内径を有していてヘッド１１の下側１４で管９の上端部を受けることのでき る直角シート１２を具備する。

ガス分配器ヘッドは、また、中間管１６を有する。空洞がヘッド１１の下側１４ 内に形成されており、この空洞は円筒壁１５の直径が中間管１６の上端部を受け ることのできる寸法の円筒壁１５を形成する。管１６は管９よりも短く、かつ小 さい直径をもち、円筒状であり、かつトーチ体２、管９およびコイル３と同軸で ある。従って、円筒空洞１７が中間管１６と幽閉管９との間に形成される。

ガス分配器へラド１１は中心開口部１８を有し、この開口部から管状の粉注入中 央プローブ２０が導入される。プローブ２０は細長く管９および１６、コイル３ およびトーチ体２と同軸である。

粉とキャリアガス（矢印２１）はプローブ２０からトーチ１へ注入される。キャ リアガスにより搬送されかつ上記中央管から注入される粉は物質を従来周知のご とく上記プラズマにより溶融かつ気化する。

ガス分配器ヘッド１１は円筒空洞１７内へシースガスを注入する（矢印２３）の に適した市販導管手段（図示せず）から成り、このガス幽閉管９の内面にわたっ て流れる長手方向の流れを形成する。

ガス分配器へラド１１は、また、中間管１６の内側へ中央ガスを注入する（矢印 ２４）のに適して市販導管手段（図示せず）から成り、この中央ガスの接線流を 形成する。

当分針の熟練者には、（ａ）中央ガスおよびシースガスを注入する粉注入プロー ブ２０および上記導管手段（矢印２３と２４）の構造、（ｂ）粉、キャリアガス 、シースガスおよび中央ガスの性質、および（Ｃ）出口ノズル７、ガス分配器ヘ ッドおよびその中間管１６、およびディスクｊ３を形成する材料を選択すること は認識されている。従って、これらの要素についてはこれ以上本明細書で言及し ない。

図１に示されたように、薄い（約１ｍｍ厚）の環状室２５はトーチ体２の内面と 幽閉管９の外面との間に形成される。高速冷却水は管９の外面から薄い環状室２ ５へ流れ（２２の矢印のごと＜）、プラズマの高温に内面が曝されるこの幽閉管 を冷却する。

冷却水（矢印２９）はインジェット２８から、ヘッド１１、ディスク１３および トーチ体２内に形成された導管３０、および概ねＵ形断面を有しかつ水を導管３ ０から環状室２５の下端部へ移送するように構成された環状導管３２を通って（ 矢印３１）薄い環状室２５へ送られる。明らかなように、水は出口ノズル７の内 面に沿って流れ、プラズマにより発生する熱に曝される面を効率的に冷却する薄 い環状室２５の上端部からの上記冷却水はガス分配器ヘッド１１内に形成された ２つの平行導管３４から（矢印３６）出口２６へ送られる（矢印２７）。壁３５ が、また、導管３４内に形成されていて、ヘッド１１の内面に沿って冷却水を流 し、それによりこの内面を効率的に冷却する。

作用として、上記誘導結合プラズマは誘導コイル３内でＲＦ電流を加えることに より発生して幽閉管９内にＲＦ磁界を形成する。この磁界は脱イオン化されたガ ス内で渦電流（［！ｄｄｙ　ｃｕｒｒｅｎｔｓ）を誘導しかつジュール熱により 安定したプラズマ状物質を維持する。上記プラズマの点火を含む誘導プラズマト ーチの作用は当分野において周知と信じられるので本明細書でこれ以上言及しな い。

プラズマ幽閉管９のセラミック材は純粋セラミック、または焼結または反応結合 された窒化珪素、窒化硼素、窒化アルミニウムまたはアルミナを基礎とした、ま たは種々添加剤および充填剤と共にそれらいずれかを組合せた複合セラミック材 であってよい。このセラミック材は緻密で高温誘導性、高電気抵抗、および耐高 熱衝撃性を有する。

プラズマ幽閉管９のセラミック体は高温誘導性を有するので、薄い環状室２５内 を流れる冷却水の高速性はプラズマ幽閉管９を適性に冷却するのに適しかつ必要 とされる高温移送係数を実現する。プラズマ幽閉管９の外面の強烈かつ効率的冷 却は石英で形成された幽閉管から成る標準的プラズマトーチに、通常、必要とさ れるよりも低いガス流速、高い電力によるプラズマの生産を可能にする。これは 、また、プラズマトーチの出口のガスの比エンタルピーレベルを高くする。

理解されるように、環状室２５の非常に薄い厚み（約１ｍｍ）が幽閉管９の外面 上の冷却水の速度を高める働きをし、必要とされる高温移送係数への到達を可能 にする。この効果のために、幽閉管９の外面上の冷却水の速度は少なくともｌ　 ｍ／秒である。

誘導コイル３はトーチ体２のキャストセラミックまたは複合ポリマー内に完全に 埋蔵され、誘導コイル３とプラズマ幽閉管９との間の空間は精確に制御されてコ イル３と上記プラズマとの間のエネルギ結合効率を改善する。これは、また、環 状室２５の厚みを誘導コイル３による干渉を受けることなく精確に制御し、この 制御はトーチ体２の内面とプラズマ幽閉管９の外面とを低許容差で機械加工する ことにより得られる。

本発明による誘導プラズマトーチを首尾よく具現化するためには、トーチ性能に 直接的影響を与える複数の決定因子を考慮する必要がある。この決定因子は次に 要約できる。

プラズマ幽閉管９の質が決定的重要性をもつ。これは高温誘導性、高い電気抵抗 、および耐高熱衝撃性の要求に密接に関係するからである。焼結窒化珪素で形成 された管９は実験で成功したが、本発明はこのセラミック材の使用に限定されず 、上記厳格な要件を満たす他の純粋または複合材の使用を含む。

トーチ体２とプラズマ幽閉管９との間の環状室２５の手厚を精確に制御すること が決定的要件であり、かつセラミック管９の外面およびトーチ体２の内面は、従 って、低許容差で機械加工されなければならない。更に、誘導コイル３はキャス トセラミックまたは複合ポリマーで形成されたトーチ体２内に埋蔵されているの で、このトーチ体２はプラズマ幽閉管９との同心性を確実にするためにその内面 上が低許容差で機械加工されなければならない。

冷却水の質、およびプラズマ幽閉管９の外面上のその流速は、また、幽閉管９の 効率的冷却を可能にしかつ幽閉管９がプラズマにより高温流動に暴露されるのを 防止するために決定的重要性を有する以上、本発明は好ましい態様について説明 したが、上記態様は本発明の対象の精神および性質を逸脱することなく添付請求 の範囲において自由に変更できる。

要約書 高性能誘導プラズマトーチはキャストセラミックまたは複合ポリマーから形成さ れた円筒トーチ体（２）、トーチ体（２）の内側に設置された同軸円筒プラズマ 幽閉管（９）、トーチ体（２）の１端部へ固定されてガス物質を幽閉管（９）へ 供給するガス分配器ヘッド（１１）、トーチ体（２）のセラミック材またはポリ マー材中に完全に埋蔵された円筒かつ同軸誘導コイル（３）、および同軸トーチ 体（２）と幽閉管（９）を分離する薄い環状室（２５）から成る。上記幽閉管は 純粋セラミック材、または焼結または反応結合された窒化珪素、窒化硼素、窒化 アルミニウムまたはアルミナを基礎とした、または種々添加剤および充填剤と共 にそれらいずれかを組合せた複合セラミック材で形成されてよい。環状室（２５ ）は約１ｍｍ厚であって高速冷却水がその中を流れてプラズマ幽閉管（９）を効 率的に冷却する。

、　、、　ＰＣＴ／ＣＡ　９２１００１５６国際調査報告

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. １．第１直径をもつ円筒内面を有する管状トーチ体、（ａ）高熱伝導性をもつセ ラミック材で形成され、かつ（ｂ）第１端部、第２端部、およびおよび第１直径 よりも僅かに小さい第２直径をもつ円筒外面を有するプラズマ幽閉管、上記プラ ズマ幽閉管は上記管状トーチ体内に設置され、かつ上記円筒内面および外面はそ の間に均一厚の薄い環状室を形成するために同軸である、少なくとも１つのガス 物質を上記幽閉管へ供給するために上記プラズマ幽閉管の第１端部で上記トーチ 体上に設置されたガス分配器ヘッド、上記少なくとも１つのガス物質は上記プラ ズマ幽閉管を通って上記第１端部から上記第２端部へ流れる、上記薄い環状室の 外側に設置され、かつ上記幽閉管内で高温プラズマを発生させかつ維持するため に上記プラズマ幽閉管を流れるガス物質へ誘導エネルギを付与するために電流が 供給される上記円筒内面および外面と同軸の誘導コイル、および上記薄い環状室 内に冷却流体の高速流を発生させる手段、上記幽閉管を形成するセラミック材の 高熱伝導性および冷却流体の高速流は共に高温プラズマにより加熱された上記幽 閉管から上記冷却流体への効率的熱伝達に寄与し、それにより上記幽閉管を効率 的に冷却する、 から成ることを特徴とする誘導プラズマトーチ。
2. ２．上記円筒内面および外面は合致する円筒面である、請求項１の誘導プラズマ トーチ。
3. ３．上記誘導コイルは上記トーチ体中に埋蔵されている、請求項１の誘導プラズ マトーチ。
4. ４．上記誘導コイルは上記トーチ体中に埋蔵されている、請求項２の誘導プラズ マトーチ。
5. ５．上記セラミック材は窒化珪素から成る、請求項１の誘導プラズマトーチ。
6. ６．上記セラミック材は少なくとも１つの添加剤および／または充填剤を含む焼 結または反応結合された窒化珪素から成る、請求項１の誘導プラズマトーチ。
7. ７．上記プラズマ幽閉管は窒化硼素、窒化アルミニウムまたはアルミナから成る 群から選択されたセラミック材から成る、請求項１の誘導プラズマトーチ。
8. ８．上記セラミック材は高熱伝導性、高電気抵抗、および耐高熱衝撃性を有する 繊密セラミック材である、請求項１の誘導プラズマトーチ。
9. ９．上記環状室は約１ｍｍ厚を有し、かつ上記環状室内の冷却流体流速は少なく とも１ｍ／秒である、請求項１の誘導プラズマトーチ。
10. １０．上記冷却流体は水から成る、請求項１の誘導プラズマトーチ。
11. １１．上記冷却流体の高速流は上記円筒内面および外面の共通軸に平行である、 請求項１の誘導プラズマトーチ。
12. １２．上記トーチ体は上記誘導コイルを完全に埋蔵したキャスト複合ポリマーで 形成されている、請求項１の誘導プラズマトーチ。
13. １３．上記トーチ体は上記誘導コイルを完全に埋蔵したキャストセラミックで形 成されている、請求項１の誘導プラズマトーチ。
14. １４．上記誘導コイルは上記誘導コイルを冷却するための冷却流体を供給する電 気伝導管で形成されている、請求項１の誘導プラズマトーチ。
15. １５．上記プラズマトーチは更に上記プラズマ幽閉管の第２端部で上記トーチ体 上に設置されたプラズマ出口ノズルを含み、上記ガス分配器ヘッドおよび上記ノ ズルは各々内面を有し、かつ上記高速流を発生させる手段は上記ガス分配器ヘッ ドおよび上記プラズマ出口ノズル内に導管手段を有し、上記冷却流体は上記ヘッ ドおよび上記ノズルの内面を冷却するような位置に設置された上記導管手段を通 って高速で流れる、請求項１の誘導プラズマトーチ。