JPH0562793A

JPH0562793A - プラズマヒータ

Info

Publication number: JPH0562793A
Application number: JP3219600A
Authority: JP
Inventors: Tatsuro Horie; 竜郎堀江
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-08-30
Filing date: 1991-08-30
Publication date: 1993-03-12

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は、ガスの加熱体積を大きくして
ガス体の内部の温度を下げ、かつ、大量のガスをガス内
の温度勾配を小にして加熱することができるプラズマヒ
ータを提供するにある。【構成】本発明は気体を加熱するヒータにおいて、複数
のプラズマヒータから成り、これらのプラズマヒータは
次段以後のヒータには前段にて発生させたプラズマガス
に別のガスを注入する装置を備えており、その注入ガス
とプラズマガスをともに加熱すると共に、初段のヒータ
に注入力する高周波電力は次段に比して必ず小なること
を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプラズマヒータに係り、
特に、クリーンな高温度を必要とする材料試験用風洞，
フロンガス熱分解炉，高純度セラミックス合成炉、その
他不純物を含まない超高温炉等に好適なプラズマヒータ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】気体を加熱するヒータに関しては、例え
ば高温学会誌第１１巻第３号（1985年５月）Ｐ１２４〜
１３１に記載の「ガストンネル型大出力プラズマジェッ
トの開発に関する研究」で論じられている。これはアー
クヒータで基本的に放電電極があり、これが放電中に消
耗して気体中に混入し硬いゴミとして働き、例えば高温
材料の試験を行なう目的で高温気体をつくる場合は、そ
のゴミが材料を衝撃したり、高温のため材料に附着して
化学反応を生じる不都合がある。又、ジャーナルオブ
ザアメリカンセラミックソサイアティ「Journal
of the AmericanCeramic Society Vol.７３，Ｎo.１１
（November １９９０)」には、気体を加熱するために初
段にアークヒータを用い、アークヒータを流れた全ガス
をＲＦ（高周波）コイルで加熱する方式が記載されてい
る。しかし、この方式ではアークヒータを流れる全ガス
をＲＦコイルに流すこと、およびアークヒータを用いる
ことにより消耗した電極が気体中に混入する不具合があ
る。ここでのアークヒータは、熱入力を増加させる目的
に主として使用するものである。

【０００３】一方、日本高周波株式会社発行のカタログ
「高周波超高温プラズマ発生装置」の６ページには、Ｒ
Ｆ２段のハイブリッドトーチが示されている。これの目
的は高周波出力増強用、即ち１ケのコイルで加熱できる
エネルギ量に制限があるため２段にしている。したがっ
て、流れるガスは初段と次段は同量であってガス量と熱
量の増大を計ることはできず、かつ、トーチ内圧力を高
めて使用することは困難である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の気体プラズマ発
生装置は、通常は１気圧以下のガス圧である。大量のガ
スを超高温に加熱するためには、従来の装置に比して大
容量の電力をガスに投入し、かつ適度の高温にする必要
がある。むやみに大電力を投入すると気体の一部分のみ
が高温度になって、発生させる構造物の耐熱材の問題
や、ガスが空気の場合は酸素原子や窒素原子が増加し、
ＮＯｘを多量に発生させる。例えばアーク放電によって
超高温ガスを得る場合は、アークの中心温度は数万度ケ
ルビンとなって、全体のガスにエネルギを与えるにはガ
ス内部の温度勾配が大きいために輻射損失が多くなる。

【０００５】本発明の目的は、ガスの加熱体積を大きく
して、ガス体の内部の温度を下げ、かつ大量のガスをガ
ス内の温度勾配を小にして加熱することができるプラズ
マヒータを提供するにある。

【０００６】図１１はガスをＡＩＲ（空気）としたと
き、加熱すべき部分のガス圧力をパラメータとし、発生
プラズマを維持するための高周波入力電力ＫＷと入力周
波数の関係を示した一例である。周波数を高くするとプ
ラズマ維持電力が減少する理由は、プラズマ化気体中で
電流が流れる部分は導電体の表皮効果により、ガス体の
小部分となり、その部分のガスを加熱すればプラズマが
発生しつづけるために小電力でよいと考えられている。
周波数を低くすると表皮効果が減じ、電流がガス内部に
も浸透して流れ、プラズマの体積が増加するために、大
電力を必要とし、同時にプラズマガスの全エンタルピー
も増加する。

【０００７】また、高い周波数を用い、仮りに大電力を
ガス体に投入できたときは、現象は前述のアークヒータ
と似て、小さい導電ガス部分に大電力が集中するために
１部分のみが極めて高温となってしまう。図１１におい
て圧力の増加とともに、所要電力が増加する理由は単位
体積当りのガス分子が増加し、単位体積当りの総エンタ
ルピーが増加しないとプラズマが発生しないためであ
る。

【０００８】図１２は従来の高周波プラズマヒータの回
路略図である。該図に示す如く、真空管１にて自励発振
を起こさせ、高周波出力は阻止コンデンサ２を通って、
整合コイル４と入力コイル５からなるインダクタンス分
と、タンクコンデンサ３とで並列共振回路を構成し、入
力コイル５はトーチ６の外側に巻かれトーチの保持する
ガス体に電力を供給しプラズマを発生させている。な
お、電流計８は発振モニタ用である。

【０００９】本方式の問題点は次の様なものがある。

【００１０】第一にプラズマはコイルの直径より２０〜
３０％小さい径につくらねばならぬことである。本来電
磁結合にて電力を伝達するには結合率を高くする必要が
あり、その手段としてプラズマ内の導電部分をコイルの
直径と同一でコイルの中央につくればよい。しかしなが
らプラズマは高温であるために、コイルやガスを保持す
るための円筒のトーチ６に触れると、それらを溶融す
る。この防止対策の適当な方法によって、トーチ６の内
側に触れない様にし入力コイル５より電力の供給をうけ
る様にせねばならない。

【００１１】この結果入力コイルとプラズマの導電部分
の結合が悪化し、効率を悪くしている。

【００１２】更に図１２の方式では真空管の電極間容量
のため高い周波数で大出力化が困難であり、低い周波数
では、一つの真空管の実用的使用電力１０〜２０ＫＶ以
下の値であること、他方入力コイルの巻数を増さないと
プラズマへ有効に電力を移せない。このことは入力コイ
ルの端子電圧が高くできないため、ガス体内に生ずる電
界強度が小さくなってプラズマを安定に維持することが
困難となるためである。仮りに３０気圧で５００ＫＷの
プラズマを発生させるとき図１１より、周波数は２ＭＨ
ｚ〜１０ＭＨｚ程度とする必要があり、前述の結合効率
の悪さや、回路損失の点より真空管発振器の出力として
は８００〜９００ＫＷの出力が要求される。この様な電
力と周波数を発生させることは経済的に困難であるし、
またこの周波数ではコイルは１〜３回巻程度となるため
に、加熱されるガス体積が小となってガス温度が極めて
高くなり、ガスを保持するトーチの保持や冷却が困難に
なってくる。

【００１３】また電磁結合によるガスへの電力の供給の
問題点は、コイル近傍に導電性の物体を置くと電磁結合
により、導電体が加熱されるし、無駄な電力の供給を行
なうことになるために、構造上の制約もあって大電力化
を困難にしている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】プラズマを発生させるた
めの電力をガスに供給する方式を電磁結合より静電結合
に変更した。この結果、電極間ギャップ長を選定するこ
とによって、電界強度と加熱するガスの体積のバランス
を容易にとることができる。図１はその１例である。

【００１５】図１においてマイクロ波を使用している理
由は、小電力でプラズマを維持するためであって、電界
はフロントプレートと内部導体の電極間において図示の
様に形成される。この電界によってトーチ内に生じたプ
ラズマはマイクロ波電力の供給で維持される。図１２に
示す入力コイル方式と図１の電界による方式において、
図１２の発振器の出力電圧から整合コイル等の損失を除
いて入力コイルに９ＫＶ印加できたとき、入力コイル巻
数を３回とすれば、プラズマトーチの直径９.５cm とす
るとプラズマに加わる電圧は１回巻分の３ＫＶとなる。
これをプラズマ１回巻分の長さ３０cmで除すると電界強
度は約１００Ｖ／cmとなって、安定に動作する目安の数
百ボルト／cmより低い値となる。

【００１６】他方電界方式の場合は、仮りに同じ電圧だ
け供給するときは、ギャップ長を２０cmとしても電界は
４５０Ｖ／cmが得られる。気体の加熱体積としては２０
cm×(９.５／２)²π＝１４３２cm³で電磁結合方式の数
倍の体積と見込まれる。同じ電力を注入するときはエネ
ルギ密度を数分の１になるため、ガスの１部分が高温度
になることは防止できる。図１において電磁界は金属部
分より外部へはあまり出ないために、金属などの導電部
分を近くにおくことができ、図１２に入力コイルの近く
に金属等をおくことがむずかしいことに比して有利であ
る。これは本発明の主たるトーチの直列配置において、
十分近づけておけるために初段のトーチでつくられたイ
オンや電子が再結合を生ずる確率をより小にして次のト
ーチに注入できることである。

【００１７】図２にその基本構成図を示し、構成を説明
する。本装置は基本的に同軸素子を２重に配置したもの
である。該図において、外同軸外管１と外同軸内管２と
で同軸素子を構成し、電界はトーチ管３の間に発生させ
る。外同軸内管２の内側には、内同軸外管５と内同軸内
管６で構成する同軸素子が入っている。内同軸素子によ
る電界は、種トーチ管７の間に形成される。このプラズ
マ発生用ガスは種ガス入力２２より供給され、それは整
合／ガス溜１７を介し、種プラズマガス注入口１６より
内同軸内管６の中心を流れプラズマを発生する。また整
合／ガス溜１７よりシースガス注入口よりガスは、内同
軸外管５と内同軸内管６の間を流れ、種トーチ管７の組
管ボルテックスホールより渦を巻いて流れこみ、プラズ
マが種トーチ管７に接触することを防止する。プラズマ
ガスは種プラズマ出口９よりふき出しトーチ管３に入っ
て、主入力端２１より供給される大電力電源によってト
ーチ管３の中に大きなプラズマを発生させる。トーチ管
３の内部はイオンや電子の豊富な気体が供給されるため
に図１１に示す制約が解除され、低い電界強度で十分に
プラズマが維持できる。その値は数ボルト／cmより高く
ても２００ボルト／cmである。

【００１８】トーチ管３の内部プラズマガスは主として
主ガス注入口１４より注入され、整合／ガス溜１１の分
配機構の主プラズマガス注入口１３，主シースガス注入
口１２よりトーチ管３のボルテックスホール４より注入
されてトーチ管３の冷却と、プラズマがトーチ管３に接
触して高温により破損することを防止している。

【００１９】本方式では内側同軸素子によって形成され
るプラズマは図１１の制約をうけるが、外同軸素子によ
るプラズマ維持は、低い電界で可能にすることがてきる
ためにプラズマの体積を大にすることができる。このた
めガスの全エンタルピーを大きくできるので大電力の注
入が可能となる。

【００２０】

【作用】図２において概略説明した内側同軸素子、いい
かえれば次段のプラズマトーチにイオン／電子の豊富な
ガスを供給する初段プラズマ発生装置について説明す
る。

【００２１】図３は気圧３０気圧の空気において、現在
の技術で初段プラズマ発生装置に採用できる可能性のあ
る周波数と高周波出力の側である次段に、どの位のプラ
ズマを供給するかは、次段の電界や、ガス量，圧力によ
って異なるが、初段のガス圧力をトーチ内で３０気圧と
するとき６００Ｗ以上／２.４５ＧＨｚから１００ＫＷ
以上、６ＭＨｚで発生するプラズマは実用的に次段へ供
給可能である。

【００２２】図４においてその動作を説明する。入力端
２０は図３を例にとれば６ＭＨｚ以上の適当な出力を有
する電源に接続する。内同軸外管５，内同軸内管６とで
同軸ケーブル、又は周波数が高い場合は同軸共振器を構
成させてもよい。同軸の内同軸内管６の導体の内部には
電界はないので、その部分にプラズマを形成するガスを
流すことは容易であって、このガスは冷却の機能も兼ね
ている。このガスは種プラズマガス注入口１６より注入
され、注入口の大きさや個数によって種プラズマガスと
シースガスの配分を適当にすることができる。シースガ
スは内同軸外管５と内同軸内管６を冷却しながら、また
種トーチ管７を冷却しながらボルテックスホール８より
種トーチ管７の内部を回転しながら流して、種トーチ管
７とプラズマガス２３が種トーチ管７に接触することを
防止し、種トーチ管７の溶損を防止する。内同軸内管６
はインピーダンスを漸増するためにテーパをつけ、先端
附近で電界を最大になる様にする。ここで発生させるプ
ラズマ量により所要の高周波入力を決めてやればよい。
もし数十ＫＷより大きくなる場合は内同軸外管５，内同
軸内管６の金属部分の内部に冷媒を流して冷却すること
も可能であって、これを用いても電気的性能には障害は
ない。

【００２３】図５に種トーチ管の概念図を示す。プラズ
マはこの管の内部を流れるガスに主として発生し、外側
より加圧されてボルテックスホールより流入するガス
は、種トーチ管の内側を回転しながら前方へ進行し、種
トーチ管の内側に発生したプラズマが種トーチ管に触れ
るのを防止し冷却にも使用されるこのガスはのちに中心
部においてプラズマガスと混合してしまう。

【００２４】図４において内同軸外管５と内同軸内管６
の先端の電界値の選定やプラズマガスの量によって、ギ
ャップの長さが決まる。これが大きいとこの部分での放
電開始は困難となる。

【００２５】図６はこの問題を解決するために、内同軸
内管６の内部に絶縁２５を施した針状電極２８を入れ、
高圧端子部２７と整合／ガス溜７の間に高電圧を加える
と、針状電極２８と同軸素子の間でコロナ放電を生ず
る。このとき生ずるイオンや電子が高周波放電の引金と
なる。針状電極２８を内同軸内管６内に収容すること
は、これらが高温プラズマにさらされないためと流れる
ガスによって冷却されるため電極の長寿命のため有効な
構造である。コロナ放電はプラズマが発生したのちは停
止した方がプラズマガス中に不純物、例えば電極の飛散
した物の混入がない。またガス圧が高い状態では、コロ
ナ放電もプラズマのスタートも困難であるため、１気圧
（常圧）でスタートし、図１１に示す様に加圧と同時に
加える電力も増加してやるとプラズマは保持される。１
気圧下では、プラズマが発生している空気の電界強度は
数ボルト／cm以上の電界があるとプラズマは維持でき
る。圧力の増加とともにプラズマ維持電圧も上昇する。
３０気圧下では１００ボルト／cm前後のプラズマ維持電
圧が必要と見込まれる。

【００２６】図７はトーチ管３の中にプラズマが豊富な
ガスが吹込まれ、それとは別に、外同軸内管２の中を通
るプラズマ発生用ガスと、外同軸外管１の内側を流れる
ガスによって大出力プラズマが発生する。外同軸外管１
と外同軸内管２の間に加える電圧は、電磁結合方式と異
なって、低い周波数を用いても電界の調整がコイルの巻
数に左右されないために、大出力の発生の容易な数百Ｋ
Ｈｚ以下の周波数を用いることができる。

【００２７】また、電界はトーチ管３の円周方向に加わ
るために、プラズマの中に電流の流れる回路がトーチ管
３の円周方向に多数できるのでプラズマの発生が安定に
なる。これに反して電磁結合方式は、コイルの巻く方向
に１本の電路ができるのみで、プラズマの動きにより電
路長が常にかわり、それと同時にプラズマ温度もかわる
ためにコイルよりみたインピーダンスの変化が大きく、
インピーダンスの整合が困難である。

【００２８】また電路長が不安定なことは、回路の形成
が不安定であることを意味し、例えばガスの流速を大に
すると電路の形成が困難となってプラズマの消滅を起す
不具合もある。

【００２９】本発明の方式では、最小必要なプラズマは
別なソースより供給され、かつ電路が多数形成可能であ
ることより、主ガス量の変化を大きくしても安定な運転
が可能である。

【００３０】図７に示す回路部の動作の説明の詳細は図
４と同様であるので省略する。

【００３１】

【実施例】図８はプラズマ発生装置に膨張ノズル３４を
つけ、超音速，超高温の気流をつくる装置に適応したプ
ラズマ発生装置の例である。図９にプラズマ発生装置を
適用した全システムの系統図を示しておく。本装置はマ
ッハ１０程度の気流と７０００°〜１００００°程度の
ガス温度を得る装置である。

【００３２】図８のプラズマ発生装置は基本的には図２
と同一である。本図においてフロントエンドプレート３
１とインサイドエンドプレート３２は、プラズマヒータ
の電界を調整するための可動の金属製の塞板である。こ
れによってそれぞれのプラズマ発生部分において、電界
強度，ガスの加熱体積，加える高周波電力の値の選定が
可能となる。ガスシール部は内同軸外管を含む、内側の
同軸素子が全体がスライドし、トーチ管３との距離をか
える。距離をかえることにより、トーチ管に注入される
イオン／電子の量を調整する。一般にインサイドエンド
プレートがトーチ管に近づく程、トーチ管の内部でプラ
ズマの発生が容易となる。膨張ノズルはトーチ管のガス
温度と圧力を用いて、気体がそこを通過するときに高速
の気流を発生させるものである。

【００３３】図１０は本発明のプラズマ発生装置をプラ
ズマ溶射のために使用する場合の例である。セラミック
の粉末は中央の導体の内部セラミックス流路４１（図２
における内同軸内管の内側）をガスとともに流れ、プラ
ズマによって溶融されてプラズマとともに吹出す。セラ
ミックスを大量に用いる場合は別のセラミックス流路と
なりうる４２を流すこともできる。なおセラミックス４
４は上部のトレイ４３に蓄えられ、所要量が供給され
る。

【００３４】

【発明の効果】以上説明した本発明のプラズマヒータに
よれば、以下のような種々の効果が得られる。

【００３５】１．大出力を発生させるプラズマヒータに
おいて、そのガス中はイオンや電子を多く含ませること
により、ガス中で容易に放電を起こさせることができ
る。気圧分子１０²³ケのうち１０⁹ケ程度のイオン化さ
れた原子が存在する程度で容易に放電が生ずる。

【００３６】２．放電が容易になる結果、電極間のギャ
ャプを大にできるこのため放電間隙が大となって加熱す
るガス体積が大きくなるので、所要の加熱入力に対し、
ガス温度を必要以上に高温にすることがなく、空気を加
熱する場合にはＮＯｘの低減に効果が大きい。同時にプ
ラズマより軸射で失なわれる熱量が少なくてすむので効
率を高くできる。

【００３７】３．電磁結合によるプラズマの発生方式と
異なって、放電可能な電路がトーチ内に多数構成可能で
ある。このためにプラズマを保持するトーチ管のガス流
速がかわっても、プラズマの保持が容易である。したが
って、ガス流量とガス温度を変化させたい場合にその対
応範囲が広い特長を有する。

【００３８】４．電磁結合方式のプラズマ加熱方式に比
して、発振器より負荷まで同軸フィダーでできるために
整合が容易である。また発振器の負荷としてのプラズマ
又は、複数の放電回路が形成できることからガスの流速
の変化などに対し、インピーダンスがより安定化するの
で発振器との整合が容易であるために回路損失が小さ
い。

【００３９】５．電磁結合方式と異なって同軸素子は外
管を接地で使用できることから取扱上感電の危険性がな
い。

【００４０】６．プラズマを発生させるガスによって構
造物の冷却ができるために全体の熱効率が高い。即ち少
ない電力でガス加熱ができ、経済的である。

【００４１】７．本装置を３段又は４段と多段化するこ
とにより、数十ＭＷ級のヒータが実現できる可能性があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】表面波励起形マイクロ波大気圧プラズマ源の断
面図と電界分布説明図。

【図２】プラズマ発生装置基本構成１部断面図。

【図３】実用的に採用しうる種プラズマ発生装置の最小
容量と周波数の特性図。

【図４】種プラズマ（初段プラズマ）発生装置の動作説
明図。

【図５】種トーチ管（トーチ管）の構造説明用図。

【図６】起動方式の１例の説明。

【図７】大出力プラズマ発生の説明図。

【図８】超高速気流発生装置への適用側の説明図。

【図９】図８の全体システム構成図。

【図１０】プラズマ溶射装置への適用説明図。

【図１１】プラズマを維持するための高周波入力と周波
数の特性図。

【図１２】従来の高周波プラズマ発生の電気回路図。

【符号の説明】

１…外同軸外管、２…外同軸内管、３…トーチ管、４，
８…ボルテックスホール、５…内同軸外管、６…内同軸
内管、７…種トーチ管、９…種プラズマ出口、１０…主
プラズマ口、１１，１７…整合／ガス溜、１２…主シー
ルドガス注入口、１３…主プラズマガス注入口、１４…
主ガス入口、１５…シールドガス注入口、１６…種プラ
ズマガス注入口、１８，１９，２５…絶縁物、２０…入
力端、２１…主入力端、２２…種ガス入口、２３…種プ
ラズマガス、２４…大出力プラズマ、２６…絶縁ブッシ
ング、２７…高電圧端子、２８…針状電極、３１…フロ
ントエンドプレート、３２…インサイドエンドプレー
ト、３３…ガスシール部、３４…膨張ノズル、４１，４
２…セラミックス流路、４３…トレイ，セラミック粉
末。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】気体を加熱するヒータにおいて、複数のプ
ラズマヒータから成り、これらのプラズマヒータは、次
段以後のヒータには前段にて発生させたプラズマガスに
別のガスを注入する装置を備えており、その注入ガスと
プラズマガスをともに加熱すると共に、初段のヒータに
注入力する高周波電力は次段に比して必ず小なることを
特徴とするプラズマヒータ。
【請求項２】前記初段のヒータに注入する高周波電力の
周波数を次段より必ず高くすることを特徴とする請求項
１記載のプラズマヒータ。
【請求項３】前記初段のヒータに注入する高周波電界は
次段より高くすることを特徴とする請求項１記載のプラ
ズマヒータ。
【請求項４】気体に高周波電力を注入する手段として電
界結合を用い、同軸ケーブル様の電極を同心円様に配し
たヒータを直列に接続することを特徴とする請求項１記
載のプラズマヒータ。
【請求項５】前記ヒータをスタート時には、常圧下（１
気圧）でコロナ放電、もしくは高圧スパークなどの補助
的手段で高周波プラズマヒータを始動し、始動後に気体
の圧力と投入電力値を調整しながら、気体の圧力を所定
の圧力に整定することを特徴とする請求項１記載のプラ
ズマヒータ。