JPH06290896A - High frequency plasma heater and its operating method - Google Patents

High frequency plasma heater and its operating method

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JPH06290896A
JPH06290896A JP5073634A JP7363493A JPH06290896A JP H06290896 A JPH06290896 A JP H06290896A JP 5073634 A JP5073634 A JP 5073634A JP 7363493 A JP7363493 A JP 7363493A JP H06290896 A JPH06290896 A JP H06290896A
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JP
Japan
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plasma
gas
discharge
plasma torch
torch
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JP5073634A
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Japanese (ja)
Inventor
Tatsuro Horie
竜郎 堀江
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To obtain a great quantity of ultra-high temperature gas without increasing the gas flow speed remarkably by omitting provision of any decompression device (vacuum pump or vacuum chamber), generating a plasma by high frequency electrodeless discharging at a normal pressure for obtaining large quantity of ultra-high temperature gas, and heightening the internal pressure of a plasma torch while the plasma is maintained. CONSTITUTION:A corona discharge electrode 11 is furnished on a plasma torch 2 so that a minute discharge is generated, and thereover a high frequency power is superposed by a microwave electric field converter 8 so that plasma is generated in the discharge part 1, and the supply gas pressure is boosted while the plasma generated condition is maintained, and thereby an ultra-high temperature gas is obtained. Accordingly a large quantity of ultra-high temperature gas with a high purity can be produced effectively at a lesser equipment cost.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、高周波プラズマヒータ
およびその運転方法に係り、特に、純度の高い高温ガス
を供給できる高周波プラズマヒータおよびその運転方法
に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high-frequency plasma heater and an operating method thereof, and more particularly to a high-frequency plasma heater capable of supplying high-purity high temperature gas and an operating method thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】高周波プラズマヒータは、ガス(空気を
含む)を超高温度(〜104K)に加熱できるため、宇宙
用耐熱材料の開発試験や、超高温空気力学の研究に使用
される他に、実用的応用として、金属の溶融、石炭のガ
ス化、超高温度を利用した安定物質のフロンやPCBの
分解および無毒化、産業廃棄物の高温処理に適用されて
いる(“A SPACE-AGE FLAME FOR LYON.REVUE AEROSPAT
IAL.”Nov.1992 No.93.参照)。
2. Description of the Related Art A high frequency plasma heater can heat a gas (including air) to an extremely high temperature (up to 10 4 K) and is therefore used for development tests of heat resistant materials for space and research of ultra high temperature aerodynamics. Other practical applications include melting of metals, gasification of coal, decomposition and detoxification of CFCs and PCBs, which are stable substances using ultra-high temperature, and high-temperature treatment of industrial waste (“A SPACE -AGE FLAME FOR LYON.REVUE AEROSPAT
IAL. "Nov. 1992 No. 93.).

【0003】宇宙用耐熱材料の開発やフロン、PCBの
分解では、空気中に含まれる酸素分子を超高温にして原
子状酸素にして活性化し、材料の侵蝕試験や原子状酸素
によるフロン、PCBの分解を進行させるために、長時
間にわたって多量の空気を超音温(〜104K)にする必
要がある。特に、宇宙用耐熱材料の開発や超高温空気力
学の研究用風洞では、不純物を含まない超高温空気を、
長時間大量に供給する必要がある。
In the development of heat-resistant materials for space and the decomposition of CFCs and PCBs, oxygen molecules contained in the air are activated to atomic oxygen at ultra-high temperatures, and erosion tests of materials and CFCs and CFCs due to atomic oxygen are carried out. In order to promote the decomposition, it is necessary to bring a large amount of air to a supersonic temperature (-10 4 K) for a long time. In particular, in the wind tunnel for development of heat resistant materials for space and research of ultra-high temperature aerodynamics, ultra-high temperature air that does not contain impurities
It is necessary to supply a large amount for a long time.

【0004】しかし、通常の燃焼では、3500℃程度
が限度であって、それより高温のガスを得ることは困難
である。
However, in normal combustion, the limit is about 3500 ° C., and it is difficult to obtain a gas having a temperature higher than that.

【0005】そこで、このような超高温ガスを得るた
め、従来は、アーク放電を利用したアークプラズマヒー
タが使われてきた。アークプラズマヒータは、通常、直
流電源に接続された、棒状の陰極電極と、それを内包
し、内側にプラズマ化されるガスを流すノズル状の陽極
電極とから構成され、アーク放電をその両電極間に発生
される。
Therefore, in order to obtain such an ultrahigh temperature gas, conventionally, an arc plasma heater utilizing arc discharge has been used. An arc plasma heater is usually composed of a rod-shaped cathode electrode, which is connected to a DC power source, and a nozzle-shaped anode electrode that encloses the cathode electrode and flows a gas to be plasmatized inside. Is generated in between.

【0006】発生したアーク放電によって、陽極に供給
されるそのノズルの間隙から噴出されるガスが超高温に
加熱され、ノズルで拘束され高速で噴出し、その超高温
ガスを直接用いたり、あるいは、そのガスによって披処
理物を加熱する。
Due to the generated arc discharge, the gas ejected from the gap between the nozzles supplied to the anode is heated to an ultrahigh temperature and is ejected at a high speed by being restrained by the nozzle, and the ultrahigh temperature gas is directly used, or The gas heats the treated material.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかし、アーク放電
は、アーク発生時に、電極の一部が消耗し、その電極の
構成金属材料が高温ガス中に混入するため、純度の高い
超高温ガスを作ることは難しい。さらに、大出力のアー
ク放電は、電極の消耗が激しいため、長時間の連続運転
が困難であり、それに伴う保守作業の繁雑さがある。さ
らに、アークの中心温度が数万度Kと高く、そのために
輻射損失が大きくなって熱効率を低下させる欠点があ
る。
However, in the arc discharge, when the arc is generated, a part of the electrode is consumed and the constituent metal material of the electrode is mixed in the high temperature gas, so that an ultrahigh temperature gas of high purity is produced. It's difficult. Further, in the case of high-power arc discharge, the electrodes are heavily consumed, so that continuous operation for a long time is difficult, and the maintenance work is complicated accordingly. Further, the center temperature of the arc is as high as tens of thousands K, which causes a large radiation loss and lowers the thermal efficiency.

【0008】また、超高温ガスを得るために、核融合、
CVD装置、あるいは、人工ダイヤ製造装置などで使用
されている高周波プラズマを、利用することもできる。
しかし、減圧下でプラズマを発生させているため、多量
の超高温ガスを発生させるのは非常に難しい。
Further, in order to obtain ultrahigh temperature gas, fusion,
The high frequency plasma used in a CVD apparatus or an artificial diamond manufacturing apparatus can also be used.
However, since plasma is generated under reduced pressure, it is very difficult to generate a large amount of ultra-high temperature gas.

【0009】本発明の目的は、純度が高い104K程度
の超高温ガスを、多量かつ長時間にわたって供給するこ
とができる、高周波プラズマヒータおよびその運転方法
を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a high-frequency plasma heater and a method of operating the same, which can supply a large amount of ultra-high temperature gas of high purity of about 10 4 K for a long time.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記目的は、ガスを一方
から供給し、そのガスが放電によって加熱されることで
プラズマを発生し、さらに、そのプラズマを維持する放
電部を有するプラズマトーチと、プラズマトーチの放電
部へ高周波誘導によって、プラズマに電力エネルギーを
供給する高周波電力供給手段と、プラズマトーチの放電
部へプラズマ化されるガスを供給するプラズマガス供給
手段とを有する高周波プラズマヒータにおいて、プラズ
マトーチの放電部で高周波放電を開始するため、放電部
に補助的放電を発生し、その放電開始電圧を下げるプラ
ズマ着火手段と、プラズマトーチの放電部で発生したプ
ラズマとその内周壁面との間に、ガスを供給するため
に、プラズマトーチ内部に連通して、その外周面に接合
されたシースガス供給路と、シースガス供給路へガスを
供給するシースガス供給手段とをさらに有し、プラズマ
ガス供給手段は、常圧以上のプラズマガスを供給するこ
とを特徴とする高周波プラズマヒータによって達成でき
る。
The above object is to supply a gas from one side, generate a plasma by heating the gas by electric discharge, and a plasma torch having a discharge part for maintaining the plasma, A high-frequency plasma heater having high-frequency power supply means for supplying power energy to plasma by high-frequency induction to the discharge part of the plasma torch, and plasma gas supply means for supplying gas to be plasmatized to the discharge part of the plasma torch. Since the high frequency discharge is started in the discharge part of the torch, plasma is generated between the plasma ignition means that generates auxiliary discharge in the discharge part and lowers the discharge start voltage, and the plasma generated in the discharge part of the plasma torch and its inner wall surface. In order to supply the gas to the inside of the plasma torch, the sheath gas is connected to the inside of the plasma torch and joined to the outer peripheral surface of the plasma torch. And road, further comprising a sheath gas supply means for supplying gas to the sheath gas supply passage, a plasma gas supply means may be accomplished by high-frequency plasma heater and supplying a plasma gas on the normal pressure.

【0011】また、上記目的は、上記手段を有する高周
波プラズマヒータの運転方法において、予め定められた
電力の高周波を重畳している放電部に、常圧以上のガス
圧でコロナ放電または沿面放電によってプラズマを起動
し、そこへ常圧以上の予め定められた圧力のガスを流
し、プラズマを発生し、発生したプラズマを維持しなが
ら、高周波電力の供給電力を増やすと共に、プラズマガ
スの供給圧力を順次増加させ、プラズマ起動時よりも高
いプラズマガス供給圧力下において、プラズマを維持す
ることを特徴とする高周波プラズマヒータの運転方法に
よって達成できる。 また、上記目的は、ガスを一方か
ら供給し、そのガスが放電によって加熱されることでプ
ラズマを発生し、さらに、そのプラズマを維持する放電
部を有するプラズマトーチにおいて、プラズマトーチの
放電部で発生したプラズマと放電部の内周壁面との間
に、ガスを流すための、プラズマトーチ内部に連通し
て、外周面の一部に接合されたシースガス供給路を有す
ることを特徴とするプラズマトーチを有するプラズマヒ
ータによって達成できる。
Further, the above-mentioned object is, in a method of operating a high-frequency plasma heater having the above-mentioned means, a corona discharge or a creeping discharge at a gas pressure higher than normal pressure in a discharge part where a high frequency of a predetermined electric power is superposed. The plasma is started up, a gas at a predetermined pressure above the atmospheric pressure is flown to generate plasma, and while maintaining the generated plasma, the high-frequency power supply power is increased and the plasma gas supply pressure is increased sequentially. This can be achieved by a method of operating a high-frequency plasma heater, which is characterized in that the plasma is increased and maintained under a plasma gas supply pressure higher than that at plasma startup. Further, the above-mentioned object is to supply a gas from one side and generate a plasma when the gas is heated by an electric discharge, and further, in a plasma torch having a discharge part for maintaining the plasma, the gas is generated in the discharge part of the plasma torch. A plasma torch, characterized in that it has a sheath gas supply passage that is in communication with the inside of the plasma torch and is joined to a part of the outer peripheral surface for flowing gas between the plasma and the inner peripheral wall surface of the discharge part. This can be achieved by a plasma heater having the same.

【0012】[0012]

【作用】最初に、ガス圧力と加熱効率に関する原理につ
いて説明する。図1は、空気の温度(横軸)とエンタル
ピー(縦軸)との関係を、いくつかの圧力の空気に対し
て示したグラフである。図1から容易に分かるように、
空気の圧力を高くすると、少ないエンタルピーで空気温
度を高くすることができ、加熱効率がよくなる。例え
ば、20atm の空気1グラムに4kcalの熱を加えると、
空気温度は約7200度Kとなるが、0.01 気圧の空
気1グラムに4kcalの熱を投入しても、空気温度は、約
5200度Kにしかならない。
First, the principle of gas pressure and heating efficiency will be described. FIG. 1 is a graph showing the relationship between air temperature (horizontal axis) and enthalpy (vertical axis) for air at several pressures. As you can easily see from Figure 1,
When the air pressure is increased, the air temperature can be increased with a small enthalpy, and the heating efficiency is improved. For example, if you apply 4 kcal of heat to 1 gram of air at 20 atm,
The air temperature is about 7200 degrees K, but even if 4 kcal of heat is added to 1 gram of air at 0.01 atm, the air temperature is only about 5200 degrees K.

【0013】したがって、本発明では、供給するガス圧
力を常圧以上の高圧力にして加熱することで、超高温の
空気を効率良く大量に発生する。
Therefore, according to the present invention, a large amount of ultra-high temperature air is efficiently generated by heating the gas pressure to be higher than atmospheric pressure.

【0014】次に、本発明における高圧ガスにおいての
高周波プラズマの発生について説明する。一般に、空気
(ガス)中に放電を発生させるためには、パッシェンの
法に示されるように、ガス圧に比例して放電電界強度が
低下し、約180V/cmで最小値をとり、圧力が高く
なるにつれて、放電開始の電界強度が大きくなる。しか
し、実用されている高周波プラズマ発生用電源によって
得られる電界強度は、数百V/cmから数千V/cm程
度であり、この値では、常圧のガス中では放電を開始し
得ない。
Next, generation of high frequency plasma in the high pressure gas according to the present invention will be described. Generally, in order to generate an electric discharge in air (gas), as indicated by Paschen's method, the electric field strength of the electric discharge decreases in proportion to the gas pressure and reaches a minimum value at about 180 V / cm. The higher the electric field strength, the larger the electric field strength at the start of discharge. However, the electric field strength obtained by a practically used power supply for high-frequency plasma generation is about several hundred V / cm to several thousand V / cm, and with this value, discharge cannot be started in a gas at normal pressure.

【0015】したがって、本発明では、プラズマトーチ
内の放電部にかけられている高周波電界に重畳して、数
千ボルトから数万ボルト、数ミリアンペア以下の電圧、
電流を加えることで発生したプラズマ起動用の放電によ
って、電離気体の小さな電流流路を生じさせる。する
と、放電部の放電開始電圧は、急激に低下し、数十V/
cm以下となる。そのため、その放電部に、高周波電界
あるいは磁界によって誘導された高周波電流が流れ、気
体のイオン化が進行して高周波プラズマが成長する。プ
ラズマガスは、熱膨張により電離気体を拡散させて、ガ
スの加熱体積を増加させてゆく。この過程において、ガ
スの加熱体積、その温度、および、投入高周波電力のバ
ランスをとることによってプラズマを維持するが、その
範囲はかなり広い。
Therefore, according to the present invention, a voltage of several thousand to tens of thousands of volts and several milliamperes or less is superimposed on the high frequency electric field applied to the discharge part in the plasma torch,
A small current flow path of ionized gas is generated by the discharge for plasma startup generated by applying the current. Then, the discharge start voltage of the discharge part suddenly drops to several tens of V /
cm or less. Therefore, a high-frequency current induced by a high-frequency electric field or magnetic field flows in the discharge part, ionization of gas proceeds, and high-frequency plasma grows. The plasma gas diffuses the ionized gas by thermal expansion to increase the heated volume of the gas. In this process, the plasma is maintained by balancing the heated volume of the gas, its temperature, and the applied high frequency power, which range is fairly wide.

【0016】図2に示すグラフは、ガスの種類とガス圧
力をパラメータとした場合、プラズマを維持するために
必要な投入電力を、ある寸法のトーチに対して計算した
結果を示す。例えば、周波数1MHzの高周波電源を用
いたとき、1気圧の空気では、50〜60KW以上の電
力を投入すれば、プラズマはトーチ内で維持することが
でき、10MHzの高周波電源を用いれば、7〜8KW
以上の電力で、1気圧の空気中にプラズマを維持するこ
とができる。これら周波数によるプラズマ維持電力の差
は、主として、ガス中で放電している体積の差による。
つまり、周波数が高くなると、表皮効果によって実効的
な放電部がその表面に限定されるため、ガスを加熱し電
離させる体積が減少するためである。
The graph shown in FIG. 2 shows the result of calculation of the input power required to maintain the plasma for a torch of a certain size when the gas type and gas pressure are used as parameters. For example, when a high frequency power source with a frequency of 1 MHz is used, plasma can be maintained in the torch by applying an electric power of 50 to 60 KW or more with air of 1 atm, and with a high frequency power source of 10 MHz, 7 to 8 kW
With the above power, plasma can be maintained in air at 1 atm. The difference in plasma sustaining power due to these frequencies is mainly due to the difference in volume discharged in the gas.
That is, when the frequency becomes high, the effective discharge part is limited to the surface by the skin effect, so that the volume for heating and ionizing the gas decreases.

【0017】本発明では、このように、常圧程度のガス
で高周波プラズマが発生したのち、プラズマが維持でき
る以上の高周波電力を加え、ガス圧を昇圧することによ
って、常圧以上の高圧ガスを加熱し、超高温の空気を効
率良く大量に発生する。ここで、ガス圧に対応する高周
波入力を、なるべく低く設定すると、全体のガス温度が
低くなり、アーク放電のような輻射損失による効率低下
が防止できる。
In the present invention, after the high-frequency plasma is generated in the gas at about normal pressure, the high-pressure gas above the normal pressure is applied by applying the high-frequency power above the level at which the plasma can be maintained to increase the gas pressure above the normal pressure. It heats and efficiently generates a large amount of ultra-high temperature air. Here, if the high-frequency input corresponding to the gas pressure is set as low as possible, the overall gas temperature will be low, and it is possible to prevent efficiency deterioration due to radiation loss such as arc discharge.

【0018】[0018]

【実施例】以下に、本発明の実施例について、図面を参
照して説明する。最初に、本発明を適用したプラズマヒ
ータの一実施例の構造を図8および図3によって説明
し、このプラズマヒータにおけるプラズマトーチの構造
例を二つ、図4と図5によって説明する。その後、図6
を用いてその運転方法を説明し、最後に、本発明の他の
一実施例を図7によって述べる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. First, the structure of an embodiment of the plasma heater to which the present invention is applied will be described with reference to FIGS. 8 and 3, and two structural examples of the plasma torch in this plasma heater will be described with reference to FIGS. 4 and 5. After that, FIG.
The operating method will be described with reference to FIG. 7, and finally, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

【0019】最初、本発明の一実施例を説明する。本実
施例では、プラズマ着火手段として、コロナ放電装置を
使用し、高周波電力供給手段として高周波電源には、例
えば、2.45GHzのマイクロ波を発生するマグネト
ロンを使用する。
First, an embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, a corona discharge device is used as the plasma ignition means, and a magnetron for generating a microwave of 2.45 GHz is used as the high frequency power supply means as the high frequency power supply means.

【0020】図8は、本実施例における装置の概要を説
明するブロック図である。図8において、2はプラズマ
トーチである。このプラズマトーチ2は、プラズマ化さ
れるガス(以下はプラズマガスと略す)を一方から供給
し、他の一方の端面から放出し、その外側においてプラ
ズマを発生維持する放電部1を形成する内筒3と、それ
と同心軸を持ち放電部1を覆う円筒構造を有し、その放
電部1を覆う部位の内表面と発生したプラズマとの間に
プラズマ化されないガス(以下シースガスと略す)を流
すことができる外筒4と、その一方を外筒4の底部近く
の外周に直角に連通して、結合し、他の一方からシース
ガスを供給することができるシースガス供給路5とから
構成される。
FIG. 8 is a block diagram for explaining the outline of the apparatus in this embodiment. In FIG. 8, 2 is a plasma torch. This plasma torch 2 is an inner cylinder that forms a discharge part 1 that supplies gas to be plasmaized (hereinafter abbreviated as plasma gas) from one end and discharges it from the other end face, and forms and maintains plasma outside the end face. 3 and a cylindrical structure having a concentric axis with it and covering the discharge part 1, and flowing a gas that is not plasmatized (hereinafter abbreviated as sheath gas) between the inner surface of the part covering the discharge part 1 and the generated plasma. And a sheath gas supply path 5 capable of supplying a sheath gas from one of the outer cylinder 4 and the outer cylinder near the bottom of the outer cylinder 4 at right angles to each other.

【0021】さらに、図8において、6はマイクロ波を
発生する高周波電源、7は発生したマイクロ波をプラズ
マトーチ2付近まで導入する導波管、8は導波管7によ
って導入されたマイクロ波の電界を放電部1にかけるマ
イクロ波電界変換器、9はプラズマガスを供給する供給
圧力調整可能なプラズマガス供給装置、10はシースガ
スを供給する供給圧力調整可能なシースガス供給装置、
11は放電部1内にプラズマを起動するためにコロナ放
電を発生させる外筒4の先端部に取付けられたコロナ電
極、12はコロナ電極11に高電圧を供給するコロナ放
電用高電圧発生装置、13はコロナを発生させる際放電
しやすいようにアルゴン等の単原子ガスを供給するプラ
ズマ着火用ガス供給装置、14はプラズマガスの出口で
ある。ここで、もう一方のコロナ電極は、発生したコロ
ナが放電部1内を通るように、放電部1をはさむように
配置されるが、その位置については、プラズマトーチ2
の詳細構造によって変るため、以下に挙げるプラズマト
ーチ構造例とともに説明する。
Further, in FIG. 8, 6 is a high frequency power source for generating microwaves, 7 is a waveguide for introducing the generated microwaves to the vicinity of the plasma torch 2, and 8 is a microwave introduced by the waveguide 7. A microwave electric field converter for applying an electric field to the discharge unit 1, 9 is a plasma gas supply device capable of adjusting a supply pressure for supplying a plasma gas, 10 is a sheath gas supply device capable of adjusting a supply pressure for supplying a sheath gas,
Reference numeral 11 denotes a corona electrode attached to the tip of the outer cylinder 4 for generating corona discharge in order to start plasma in the discharge part 1, 12 denotes a high voltage generator for corona discharge for supplying a high voltage to the corona electrode 11, Reference numeral 13 is a plasma ignition gas supply device for supplying a monatomic gas such as argon so that discharge is facilitated when corona is generated, and reference numeral 14 is a plasma gas outlet. Here, the other corona electrode is arranged so as to sandwich the discharge part 1 so that the generated corona passes through the discharge part 1.
Since it depends on the detailed structure of the plasma torch, it will be described together with the following plasma torch structure examples.

【0022】本実施例において、高周波電源6によって
発生され、導波管7を通して送られたマイクロ波の電界
は、マイクロ波電界変換器8によって数百V/cmに変
換し、プラズマトーチ2の放電部1に加えられる。
In the present embodiment, the electric field of the microwave generated by the high frequency power source 6 and sent through the waveguide 7 is converted into several hundreds V / cm by the microwave electric field converter 8 to discharge the plasma torch 2. Added to Part 1.

【0023】次に、低い放電開始電圧を持つ単原子ガ
ス、例えば、アルゴンガスをプラズマ着火用ガス供給装
置13から、シースガス供給路5を通して放電部1に流
すとともに、コロナ電極11ともう一方の電極(図示せ
ず)に、コロナ放電用高電圧発生装置12から供給され
る電圧を加え、放電部1内にコロナを発生させる。
Next, a monatomic gas having a low discharge starting voltage, for example, an argon gas is made to flow from the plasma ignition gas supply device 13 to the discharge part 1 through the sheath gas supply path 5, and at the same time, the corona electrode 11 and the other electrode. A voltage supplied from the high voltage generator 12 for corona discharge is applied to (not shown) to generate corona in the discharge unit 1.

【0024】コロナが発生すると、それをトリガーとし
て、放電部1に高周波放電が開始される。高周波放電が
開始されたら、プラズマ着火用ガス供給手段13を操作
して単原子ガスの供給を停止し、代わりにシースガス供
給装置10とプラズマガス9からシースガスとプラズマ
ガスを供給する。
When corona occurs, the high frequency discharge is started in the discharge section 1 by using it as a trigger. When the high frequency discharge is started, the plasma ignition gas supply means 13 is operated to stop the supply of the monatomic gas, and instead, the sheath gas and the plasma gas are supplied from the sheath gas supply device 10 and the plasma gas 9.

【0025】放電部1にプラズマガスが流されると、マ
イクロ波放電によってプラズマが発生、維持され、そこ
で加熱されたプラズマガスは、プラズマガス出口14か
ら放出される。
When the plasma gas is caused to flow in the discharge section 1, plasma is generated and maintained by the microwave discharge, and the plasma gas heated therein is discharged from the plasma gas outlet 14.

【0026】外筒4内部に供給されるシースガスは、外
筒4の外周に直角に連通して接合されているシースガス
供給路5を通過するため、まず内筒3と外筒4との間隙
を旋回しながら移動し、放電部1では発生したプラズマ
と外筒4の内表面との間を流れるため、プラズマを外筒
4内表面から隔離する。さらに、シースガスはプラズマ
化されていないため、温度が低い。そのため、シースガ
スは、その外筒4の内表面を旋回しながら流れることに
よって、外筒4およびそれに取付けられているコロナ電
極11を冷却する。
Since the sheath gas supplied to the inside of the outer cylinder 4 passes through the sheath gas supply passage 5 which is connected to the outer circumference of the outer cylinder 4 at a right angle and is joined thereto, first, the gap between the inner cylinder 3 and the outer cylinder 4 is made. Since the plasma moves between the plasma generated in the discharge part 1 and the inner surface of the outer cylinder 4 while rotating, it separates the plasma from the inner surface of the outer cylinder 4. Furthermore, since the sheath gas is not plasmatized, the temperature is low. Therefore, the sheath gas flows while swirling on the inner surface of the outer cylinder 4, thereby cooling the outer cylinder 4 and the corona electrode 11 attached thereto.

【0027】プラズマガスとしては、窒素や空気等の気
体の他に、高温加熱をしたい材料の微小粉体を混入した
気体を使用することもできる。また、シースガスとして
は、要求される高温ガスの条件によって、プラズマガス
と同じガス、または、異なるガスを用いることが出来
る。
As the plasma gas, in addition to gases such as nitrogen and air, it is also possible to use a gas in which fine powder of a material to be heated at high temperature is mixed. As the sheath gas, the same gas as the plasma gas or a different gas can be used depending on the required high temperature gas condition.

【0028】本実施例では、プラズマガスを流す内筒3
を一本だけ使用したが、発生するプラズマガス量を増加
させるため、これらを数本組み合わせ、外筒4の中に配
置することもできる。図9に、内筒3を2本組み合わせ
たプラズマトーチの他の一実施例を示す。図9におい
て、プラズマトーチは、放電部1にプラズマガスを噴出
する2本の内筒3と、それらを内包する外筒2と、その
外筒2にシースガスを供給するシースガス供給路5と、
放電部1に高周波電力エネルギーを供給するマイクロ波
電界変換器8とから構成される。
In this embodiment, the inner cylinder 3 through which the plasma gas flows
Although only one is used, it is possible to combine several of them and arrange them in the outer cylinder 4 in order to increase the amount of plasma gas generated. FIG. 9 shows another embodiment of the plasma torch in which two inner cylinders 3 are combined. In FIG. 9, the plasma torch includes two inner cylinders 3 for ejecting plasma gas to the discharge part 1, an outer cylinder 2 for enclosing them, and a sheath gas supply path 5 for supplying sheath gas to the outer cylinder 2.
A microwave electric field converter 8 that supplies high-frequency power energy to the discharge unit 1.

【0029】さらに、プラズマ着火手段として、コロナ
放電を用いたが、これに限られない。例えば、高周波電
界が重畳される放電部1に放電を発生することができ、
さらに、その電極の冷却手段(プラズマ化されていない
ガスまたは水による冷却)があれば、他の着火方法を用
いても良い。冷却手段は、放電電極が、発生したプラズ
マにより直接、あるいは、輻射によって間接的に加熱さ
れるために、これを冷却するため必要である。
Further, although corona discharge was used as the plasma ignition means, it is not limited to this. For example, a discharge can be generated in the discharge unit 1 on which a high frequency electric field is superposed,
Furthermore, if there is a cooling means (cooling with gas or water that has not been turned into plasma) for the electrode, another ignition method may be used. The cooling means is necessary for cooling the discharge electrode because it is heated directly by the generated plasma or indirectly by radiation.

【0030】また、単原子ガスを放電開始用のガスとし
て用いたが、放電電極に供給する電圧を増加させること
によって、プラズマガスあるいはシースガスを、プラズ
マ着火時からそのまま用いることもできる。また、逆
に、放電開始用ガスを用い、供給する高周波電界を増加
させることによって、プラズマを着火することもでき
る。 また、放電開始電圧の低いガスと、それを高周波
電界あるいは磁界を利用してプラズマ化し、放電部1に
放出する独立した小型の補助プラズマトーチを、プラズ
マ着火手段として用いることもできる。
Further, although the monatomic gas was used as the gas for starting the discharge, the plasma gas or the sheath gas can be used as it is from the time of plasma ignition by increasing the voltage supplied to the discharge electrode. On the contrary, the plasma can also be ignited by increasing the high-frequency electric field supplied by using the discharge starting gas. Further, a gas having a low discharge starting voltage and an independent small-sized auxiliary plasma torch which emits the gas into plasma by utilizing a high frequency electric field or magnetic field and discharges it to the discharge part 1 can also be used as the plasma ignition means.

【0031】さらに、放電部1へ電力を供給するための
高周波として、本実施例では、マイクロ波を用いたが、
数MHzから数GHzまでの、いわゆる、VHF帯また
はUHF帯の高周波も、マイクロ波と同様に用いること
ができる。
Further, as the high frequency for supplying the electric power to the discharge section 1, the microwave is used in the present embodiment,
High frequencies in the so-called VHF band or UHF band from several MHz to several GHz can be used as well as microwaves.

【0032】発生したプラズマの維持や、供給ガス圧力
の増加等の本実施例の詳細な運転方法については、以下
に図6を用いて説明する。
The detailed operation method of this embodiment, such as maintaining the generated plasma and increasing the supply gas pressure, will be described below with reference to FIG.

【0033】図3は、本実施例の一部截断斜視図であ
る。本実施例のプラズマヒータは、図8に示される導波
管7、マイクロ波電界変換器8、コロナ電極11を有す
る。ここで、プラズマトーチ2は、その放電部1が円筒
状のマイクロ波電界変換器8の中心部の開口部に面する
ように配置され、その先端部にはコロナ電極11が装着
されている。さらに、14は発生したプラズマガスの出
口、15はプラズマガスをプラズマトーチ2内部の内筒
に供給するプラズマガス供給口、16はプラズマガスの
流れる方向とは直角の方向にシースガスを供給するシー
スガス供給口、17は高周波電源て発生したマイクロ波
を、マイクロ波電界変換器8に導入するマイクロ波入力
口である。
FIG. 3 is a partially cutaway perspective view of this embodiment. The plasma heater of the present embodiment has the waveguide 7, the microwave electric field converter 8 and the corona electrode 11 shown in FIG. Here, the plasma torch 2 is arranged so that the discharge part 1 faces the opening at the center of the cylindrical microwave electric field converter 8, and the corona electrode 11 is attached to the tip part thereof. Further, 14 is an outlet of the generated plasma gas, 15 is a plasma gas supply port for supplying the plasma gas to the inner cylinder inside the plasma torch 2, and 16 is a sheath gas supply for supplying the sheath gas in a direction perpendicular to the flowing direction of the plasma gas. A port 17 is a microwave input port for introducing the microwave generated by the high frequency power source into the microwave electric field converter 8.

【0034】次に、本実施例において用いられるプラズ
マトーチの構造例を以下に述べる。
Next, a structural example of the plasma torch used in this embodiment will be described below.

【0035】図4(a)は、図8に模式的に示されたプ
ラズマトーチの一構造例の詳細断面図、図4(b)はプ
ラズマガスが供給される方向から見た図4(a)のA−
A線断面図である。図4において、プラズマトーチは、
2重筒構造を有し、プラズマガスを、プラズマガス入口
20から供給し、プラズマガス流路22を通って、マイ
クロ波電界変換器8によって高周波電界が加えられてい
る放電部1へ流すノズル形状を持つ内筒3と、放電部1
と内筒3を覆い、それとの間隙にシースガスを流すシー
スガス流路23を有する外筒4と、シースガスをシース
ガス入口21からシースガス流路23へ供給し、シース
ガスがシースガス流路23では旋回しながら放電部1ま
で流れだすように、プラズマガス流の進行方向とは直角
方向に外筒4の外周に連通して接合されたシースガス供
給路5によって構成される。
FIG. 4 (a) is a detailed cross-sectional view of one structural example of the plasma torch schematically shown in FIG. 8, and FIG. 4 (b) is FIG. 4 (a) seen from the direction in which the plasma gas is supplied. ) A-
It is an A line sectional view. In FIG. 4, the plasma torch is
A nozzle shape having a double-barreled structure, in which plasma gas is supplied from the plasma gas inlet 20 and flows through the plasma gas flow path 22 to the discharge unit 1 to which a high frequency electric field is applied by the microwave electric field converter 8. Inner cylinder 3 having a discharge part 1
The outer cylinder 4 which covers the inner cylinder 3 and has a sheath gas flow path 23 for flowing the sheath gas in a gap between the inner cylinder 3 and the inner cylinder 3, and the sheath gas is supplied from the sheath gas inlet 21 to the sheath gas flow path 23, and the sheath gas is discharged while swirling in the sheath gas flow path 23. The sheath gas supply passage 5 is connected to the outer circumference of the outer cylinder 4 so as to be connected to the outer periphery of the outer cylinder 4 at a right angle to the traveling direction of the plasma gas flow so as to flow to the portion 1.

【0036】さらに、図4において、プラズマを着火す
るため、放電部1の中に、例えば、コロナパス24に示
される位置にコロナを発生させるプラズマ着火手段は、
外筒4のプラズマが放出される方向の先端部に、コロナ
電極支持リング18で装着されたコロナ電極11と、内
筒3の中心部に挿入されたコロナ電極19と、それら両
電極に高電圧を供給するコロナ放電用高電圧発生装置1
2とから構成される。
Further, in FIG. 4, in order to ignite the plasma, plasma ignition means for generating a corona in the discharge part 1 at a position indicated by a corona path 24 is, for example,
A corona electrode 11 mounted on a corona electrode support ring 18 at the tip of the outer cylinder 4 in the direction of plasma emission, a corona electrode 19 inserted in the center of the inner cylinder 3, and a high voltage applied to both electrodes. High voltage generator 1 for corona discharge
2 and.

【0037】コロナ電極11、19以外のプラズマトー
チ構成要素は、例えば、透明度の高い、うすい石英ガラ
スによって構成する。これは、高い電気絶縁性と耐熱性
が要求され、さらに、プラズマの発生するトーチ内部と
外部との温度差を小にして、割れをなくす必要性がある
ためである。
The components of the plasma torch other than the corona electrodes 11 and 19 are made of, for example, thin quartz glass having high transparency. This is because high electrical insulation and heat resistance are required, and further, it is necessary to reduce the temperature difference between the inside and outside of the torch where plasma is generated to eliminate cracks.

【0038】本構造例のプラズマトーチでは、コロナ電
極11、19にコロナ放電用電力供給装置12によっ
て、数mAの電流で、数千から数万Vの電圧を加える
と、その電極間に、コロナが放電部1内にコロナパス2
4のように飛ぶ。プラズマ化されるプラズマガスは、プ
ラズマガス入口20から供給され、内筒3内のプラズマ
ガス流路22を通って、放電部1に流される。さらに、
放電部1には、マイクロ波電界変換器8によって高周波
電界が加えられているため、コロナ放電によって放電部
1の放電開始電圧が急激に低下すると、高周波電流が集
中し、放電部1にプラズマが発生する。その後、徐々に
供給ガス圧および電力を増加することで、常圧以上のガ
ス圧で高温ガスを得ることが出来る。
In the plasma torch of this structural example, when a voltage of several thousands to tens of thousands V is applied to the corona electrodes 11 and 19 by the power supply device 12 for corona discharge with a current of several mA, the corona between the electrodes is increased. There is a corona pass 2 in the discharge part 1.
Fly like 4 The plasma gas to be turned into plasma is supplied from the plasma gas inlet 20, passes through the plasma gas flow path 22 in the inner cylinder 3, and flows into the discharge part 1. further,
Since a high frequency electric field is applied to the discharge section 1 by the microwave electric field converter 8, when the discharge start voltage of the discharge section 1 is rapidly lowered by the corona discharge, the high frequency current is concentrated and plasma is generated in the discharge section 1. Occur. After that, by gradually increasing the supply gas pressure and the electric power, a high temperature gas can be obtained at a gas pressure higher than normal pressure.

【0039】この時、シースガスは、トーチの外周に取
付けられたシースガス供給路5のシースガス入口21よ
り注入される。そのため、シースガスは、シースガス流
路23を通り、外筒4と内筒3との間隙を円周方向に旋
回しながら、放電部1の方向へ流れる。この結果、放電
部1で発生したプラズマは、外筒4の内側に円周状に拡
がるが、このシースガスによって周囲を包まれ、外筒4
内壁面から隔離される。シースガスは、また、外筒4お
よびコロナ電極11の冷却を行う。
At this time, the sheath gas is injected from the sheath gas inlet 21 of the sheath gas supply passage 5 attached to the outer periphery of the torch. Therefore, the sheath gas passes through the sheath gas flow path 23 and flows in the direction of the discharge part 1 while swirling in the circumferential direction in the gap between the outer cylinder 4 and the inner cylinder 3. As a result, the plasma generated in the discharge part 1 spreads circumferentially inside the outer cylinder 4, but is surrounded by this sheath gas, so that the outer cylinder 4
It is isolated from the inner wall. The sheath gas also cools the outer cylinder 4 and the corona electrode 11.

【0040】次に、本実施例におけるプラズマトーチの
他の構造例を、図5によって説明する。図5(a)は、
プラズマトーチの一構造例の断面図であり、図5(b)
は、そのプラズマトーチをプラズマガスの供給側から見
たA−A線断面図である。
Next, another structural example of the plasma torch according to the present embodiment will be described with reference to FIG. Figure 5 (a) shows
It is sectional drawing of one structural example of a plasma torch, FIG.5 (b)
FIG. 4 is a cross-sectional view of the plasma torch taken along the line AA as seen from the plasma gas supply side.

【0041】図5(a)において、プラズマトーチを構
成する要素は、その外筒の外周に取付けられたシースガ
ス供給路の接合位置、および、コロナ放電電極の配置以
外は、全て図4と同じである。
In FIG. 5 (a), all the constituent elements of the plasma torch are the same as those in FIG. 4 except for the joining position of the sheath gas supply passage attached to the outer circumference of the outer cylinder and the arrangement of the corona discharge electrode. is there.

【0042】本構造例のプラズマトーチでは、コロナ放
電電極として、図4と同じ位置にあるコロナ電極11
と、他方の電極としてマイクロ波電界変換器8の導体部
分とが使用され、コロナパス24のようなコロナが放電
部1に発生する。この構造であれば、トーチに他方の電
極を設けなくても良いので、トーチの構造が簡単にな
る。 さらに、シースガス供給路5は、図5(b)のよ
うに、その中心軸とトーチ本体中心軸とがオフセットさ
れるように、外筒4に接合されている。この構造では、
供給されるシースガスは、シースガス流路23を旋回し
ながら(この例では反時計方向)、プラズマトーチ下部
から上部に流れていく。そのため、図4のプラズマトー
チに比べ、シースガス流の旋回速度が大きく、それが形
成するガス流層(シース)はより安定しており、発生し
たプラズマを外筒4の内壁面から、より完全に隔離し、
さらに効率良く外筒4壁面およびコロナ電極11を冷却
できる。
In the plasma torch of this structural example, the corona electrode 11 located at the same position as in FIG. 4 is used as the corona discharge electrode.
And the conductor portion of the microwave electric field converter 8 is used as the other electrode, and a corona like the corona path 24 is generated in the discharge part 1. With this structure, the torch does not need to be provided with the other electrode, so that the structure of the torch is simplified. Further, the sheath gas supply passage 5 is joined to the outer cylinder 4 so that the central axis thereof and the central axis of the torch body are offset, as shown in FIG. In this structure,
The supplied sheath gas flows from the lower part of the plasma torch to the upper part while swirling in the sheath gas flow path 23 (counterclockwise in this example). Therefore, as compared with the plasma torch of FIG. 4, the swirling velocity of the sheath gas flow is high, the gas flow layer (sheath) formed by the sheath gas flow is more stable, and the generated plasma can be more completely discharged from the inner wall surface of the outer cylinder 4. Quarantine,
Furthermore, the wall surface of the outer cylinder 4 and the corona electrode 11 can be cooled more efficiently.

【0043】次に、本実施例の運転方法を、図6を用い
て以下に説明する。図6は、図3に示した本実施例の断
面図で、プラズマトーチとしては、図4に示されたもの
を使用している。
Next, the operating method of this embodiment will be described below with reference to FIG. FIG. 6 is a sectional view of this embodiment shown in FIG. 3, and the plasma torch shown in FIG. 4 is used.

【0044】最初、高周波電力発生手段としての高周波
電源、例えば、マグネトロン(図示せず)を作動させ、
マイクロ波入口17から予め定めた電力のマイクロ波を
供給する。この時、プラズマは発生していないので、供
給電力のほとんどは反射される。
First, a high frequency power source as a high frequency power generating means, for example, a magnetron (not shown) is operated,
A microwave having a predetermined power is supplied from the microwave inlet 17. At this time, since plasma is not generated, most of the supplied power is reflected.

【0045】次に、プラズマ着火用ガス供給装置(図示
せず)を作動させ、アルゴン等の放電開始電圧が低い単
原子ガスを、シースガス入口16あるいはプラズマガス
入口15から放電部1へ少量供給すると同時に、コロナ
放電用高電圧発生装置(図示せず)によってコロナ電極
11および19に高電圧を加え、コロナパス24のよう
に、放電部1にコロナを発生させる。すると、その発生
したコロナパス24付近からマイクロ波放電が発生し、
供給されているマイクロ波電力が単原子ガスに吸収さ
れ、ガスが加熱される。
Next, a plasma ignition gas supply device (not shown) is operated to supply a small amount of monatomic gas such as argon having a low discharge starting voltage to the discharge part 1 from the sheath gas inlet 16 or the plasma gas inlet 15. At the same time, a high voltage generator (not shown) for corona discharge applies a high voltage to the corona electrodes 11 and 19 to generate corona in the discharge part 1 like the corona path 24. Then, microwave discharge is generated from the generated corona path 24,
The supplied microwave power is absorbed by the monatomic gas, and the gas is heated.

【0046】マイクロ波放電が開始されたらすぐに、単
原子ガスの供給を止め、代わりに加熱、プラズマ化を行
ないたいガス、例えば、通常の高温ガスを得たい場合に
は、空気または窒素ガス(以下ガスと略す)を、プラズ
マガス入口19から供給する。シースガス入口16から
シースガス供給路5を通り供給されるシースガスとして
は、要求されるガス条件によって、プラズマガスと同じ
でも異なっても良い。ただし、プラズマガス入口15か
ら供給するガス量は、シースガス入口16から供給され
る量よりも少ない。
Immediately after the microwave discharge is started, the supply of the monatomic gas is stopped and the gas to be heated or turned into plasma instead, for example, to obtain a normal high temperature gas, air or nitrogen gas ( (Hereinafter abbreviated as gas) is supplied from the plasma gas inlet 19. The sheath gas supplied from the sheath gas inlet 16 through the sheath gas supply passage 5 may be the same as or different from the plasma gas depending on the required gas conditions. However, the amount of gas supplied from the plasma gas inlet 15 is smaller than the amount supplied from the sheath gas inlet 16.

【0047】プラズマガス入口15からガスを流すこと
で、プラズマを吹き飛ばす。これによって、発生したプ
ラズマが、ピンチ効果によって放電部1の中央部へ集中
したり、円筒3内部へ後退することによる、プラズマの
過熱を防いで、プラズマを安定維持するとともに、プラ
ズマトーチ2の温度上昇を防ぐ。ここまでの操作は、常
圧下以上あるいは数気圧にて行なう。
By flowing gas from the plasma gas inlet 15, the plasma is blown away. As a result, the generated plasma is prevented from being overheated by being concentrated in the central portion of the discharge part 1 by the pinch effect or retreating into the inside of the cylinder 3, so that the plasma is stably maintained and the temperature of the plasma torch 2 is maintained. Prevent the rise. The operations up to this point are carried out under normal pressure or at several atmospheric pressures.

【0048】次に、プラズマを維持しながら、供給する
プラズマガス圧力およびシースガス圧力を高める。この
時、それぞれのガス入口15および16から供給するガ
ス圧と、プラズマトーチ2の外側の圧力との差は、外筒
4が耐えることができる差圧を限度とする。
Next, the plasma gas pressure and the sheath gas pressure to be supplied are increased while maintaining the plasma. At this time, the difference between the gas pressures supplied from the respective gas inlets 15 and 16 and the pressure outside the plasma torch 2 is limited to the pressure difference that the outer cylinder 4 can withstand.

【0049】本実施例では、外筒4を初めとするプラズ
マトーチ2の主な構成要素は、厚さ数mm程度の透明な
石英ガラスを使用しているため、数十気圧程度の高圧ガ
スを供給する場合は、以下の実施例で述べるように、プ
ラズマヒータ全体を加圧タンクに封入し、供給ガス圧力
に比例してタンク内圧力を高める。さらに、プラズマ化
されるガス流量は、以下の関係を満足するように行な
う。
In this embodiment, since the main constituent elements of the plasma torch 2 including the outer cylinder 4 are made of transparent quartz glass having a thickness of about several mm, a high pressure gas of about several tens of atmospheres is used. When supplying, as described in the following embodiments, the entire plasma heater is enclosed in a pressure tank, and the tank internal pressure is increased in proportion to the supply gas pressure. Further, the flow rate of gas to be turned into plasma is set so as to satisfy the following relationship.

【0050】通常、ガス供給装置において、ガス圧とガ
ス流量とは、ある比例関係を持つ。また、一定流量(大
気圧換算のNl/min)のガスプラズマを維持するに
は、それと比例関係にある電力量のマイクロ波を加え
(図2参照)、ある一定以上の温度にプラズマを加熱す
る。したがって、ガス供給装置のガス圧を増加する際に
は、図1に示されるように、そのガス圧に対応するガス
の温度の関数となるエントロピー値を満足するように、
供給マイクロ波電力を増加することによって、高圧でも
プラズマを維持できる。
Normally, in the gas supply device, the gas pressure and the gas flow rate have a certain proportional relationship. Further, in order to maintain a constant flow rate (Nl / min in atmospheric pressure) of gas plasma, a microwave having an electric power proportional to it is added (see FIG. 2) to heat the plasma to a certain temperature or higher. . Therefore, when the gas pressure of the gas supply device is increased, as shown in FIG. 1, so as to satisfy the entropy value which is a function of the temperature of the gas corresponding to the gas pressure,
The plasma can be maintained at high pressure by increasing the microwave power supplied.

【0051】例えば、本実施例において、図4に示され
る構造の20mmφ径のプラズマトーチを使用し、3k
Wのマイクロ波を入力した場合、約15Nl/minか
ら少なくとも110Nl/minの範囲でプラズマガス
(空気)の流量を変化させても、プラズマを安定に維持
できることが観測された。
For example, in this embodiment, a plasma torch having a diameter of 20 mm and having the structure shown in FIG.
It was observed that when the microwave of W was input, the plasma could be stably maintained even when the flow rate of the plasma gas (air) was changed in the range of about 15 Nl / min to at least 110 Nl / min.

【0052】次に、本発明を適用した高圧力の供給ガス
を使用できる、プラズマヒータの一実施例を図7によっ
て説明する。図7は、図3に示す上記実施例のプラズマ
ヒータにおいて、プラズマトーチの内外圧力の差を小さ
くするために、プラズマヒータを、供給ガス圧と同程度
の圧力を有する高圧容器に収容した実施例の部分断面斜
視図である。
Next, an embodiment of the plasma heater to which the high pressure supply gas according to the present invention can be used will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows an example in which the plasma heater of the embodiment shown in FIG. 3 is housed in a high-pressure container having a pressure approximately equal to the supply gas pressure in order to reduce the difference between the internal and external pressures of the plasma torch. FIG.

【0053】図7において、26は、図3に示されたプ
ラズマトーチ2およびマイクロ波電界変換器8等の構成
要素を高圧ガス内部に収容するための高圧に耐える円筒
状の圧力タンクで、圧力タンク26外部から加圧下にあ
るプラズマトーチ2へプラズマガスを供給するプラズマ
ガス供給管27と、圧力タンク26外部からプラズマト
ーチ2へシースガスを供給するとともに、圧力タンク2
6の圧力を高めるためのガスを供給するシースガス供給
管28と、マグネトロン等の高周波電力発生装置(図示
せず)にて発生されたマイクロ波の入力口29と、その
マイクロ波を導入するチョーク回路を有する導波管30
と、ガスは通さないが、マイクロ波に対しては透明であ
る材料、例えば、アルミナ等から構成され、加圧タンク
26に装着された導波管の圧力隔壁31と、プラズマト
ーチ2から放出されたプラズマガスを圧力タンク26の
外部へ噴出するための圧力タンクに26に装着されたプ
ラズマガス噴出口32と、プラズマガス噴出口32から
噴出されるプラズマガスを膨張させ、高速度にして取り
だすための膨張ノズルの取付け座33と、加圧タンク2
6内部に位置するプラズマトーチ2を外部から点検する
ための点検口34とから構成される。ここで、図示され
ていないが、図1に示された実施例と同じように、接続
されたコロナ放電装置の電力供給装置およびガス供給装
置、マグネトロンへの給電装置、および、プラズマガス
およびシースガス供給装置がある。
In FIG. 7, reference numeral 26 is a cylindrical pressure tank capable of withstanding high pressure for containing the components such as the plasma torch 2 and the microwave electric field converter 8 shown in FIG. A plasma gas supply pipe 27 for supplying plasma gas from outside the tank 26 to the plasma torch 2 under pressure, and a sheath gas for supplying plasma gas to the plasma torch 2 from outside the pressure tank 26, as well as the pressure tank 2
A sheath gas supply pipe 28 for supplying gas for increasing the pressure of 6, a microwave input port 29 generated by a high frequency power generator (not shown) such as a magnetron, and a choke circuit for introducing the microwave. 30 having a waveguide
The gas is not passed through, but is emitted from the plasma torch 2 and the pressure partition wall 31 of the waveguide which is made of a material transparent to microwaves, such as alumina, and which is mounted on the pressure tank 26. In order to expand the plasma gas ejecting port 32 mounted on the pressure tank 26 for ejecting the plasma gas to the outside of the pressure tank 26 and the plasma gas ejected from the plasma gas ejecting port 32 at a high speed, Expansion nozzle mounting seat 33 and pressure tank 2
6 and an inspection port 34 for inspecting the plasma torch 2 located inside. Here, although not shown, similar to the embodiment shown in FIG. 1, the power supply device and the gas supply device of the connected corona discharge device, the power supply device to the magnetron, and the plasma gas and the sheath gas supply are provided. There is a device.

【0054】ここで、圧力タンク26は、プラズマガス
供給管27とシースガス供給管28から供給されるガス
圧力と同程度の内部圧力に保持することにより、プラズ
マガスおよびシースガスが流れるプラズマトーチ2の内
側と、その外側の圧力をほぼ等しくすることができる。
したがって、高圧のプラズマガスを使用して、効率良く
加熱することができ、しかも、そのために、プラズマト
ーチ2の構成要素に、特別に強度の高い材料を使うこと
を要しない。
Here, the pressure tank 26 is maintained at an internal pressure approximately equal to the gas pressure supplied from the plasma gas supply pipe 27 and the sheath gas supply pipe 28, so that the inside of the plasma torch 2 through which the plasma gas and the sheath gas flow. And the pressure on the outside can be made almost equal.
Therefore, high-pressure plasma gas can be used for efficient heating, and for this reason, it is not necessary to use a material having a particularly high strength for the constituent elements of the plasma torch 2.

【0055】加圧タンク26の圧力を保持するには、供
給されるシースガスを圧力タンク内部あるいは外部にお
いて分流し、その一方を加圧タンク内部へ放出する方法
が単純である。
In order to maintain the pressure in the pressure tank 26, a simple method is to split the supplied sheath gas inside or outside the pressure tank and discharge one of them into the pressure tank.

【0056】本実施例において、シースガスは、プラズ
マトーチ2内部と発生したプラズマを隔離し、その内部
を冷却するとともに、圧力タンク26内部に放出され、
そのガス圧を高めるために用いられる。このシースガス
とプラズマガスは、同じガスで、単一の供給装置から供
給することができるが、また、それぞれにほぼ等しい圧
力のガス供給を装置を独立して設けることもできる。
In this embodiment, the sheath gas separates the generated plasma from the inside of the plasma torch 2, cools the inside, and is released into the pressure tank 26.
It is used to increase the gas pressure. The sheath gas and the plasma gas are the same gas and can be supplied from a single supply device, but it is also possible to separately provide the gas supply at substantially the same pressure for each device.

【0057】本実施例におけるプラズマトーチ2の構造
は、図4あるいは図5に示された構造例を含む、本発明
を適用した構造であれば良い。
The structure of the plasma torch 2 in this embodiment may be any structure to which the present invention is applied, including the structure example shown in FIG. 4 or 5.

【0058】本実施例の動作を、図7を用いて以下に述
べる。最初、導波管30および導波管圧力隔壁31を通
して送られたマイクロ波の電界は、マイクロ波電界変換
器8によって数百V/cmに変換され、プラズマトーチ
2に加えられる。次に、低い放電開始電圧を持つ単原子
ガス、例えば、アルゴンガスを、シースガス供給路28
を通して、プラズマトーチ2内部に流すとともに、コロ
ナ着火手段(図示せず)によってプラズマトーチ2内に
コロナを発生させる。
The operation of this embodiment will be described below with reference to FIG. First, the electric field of the microwave sent through the waveguide 30 and the waveguide pressure partition 31 is converted into several hundreds V / cm by the microwave electric field converter 8 and applied to the plasma torch 2. Next, a monatomic gas having a low discharge starting voltage, for example, argon gas, is supplied to the sheath gas supply passage 28.
Through the plasma torch 2 and through corona ignition means (not shown) to generate corona in the plasma torch 2.

【0059】コロナが発生すると、それをトリガーとし
て、プラズマトーチ2内に高周波放電が開始される。高
周波放電が開始されたら、単原子ガスの供給を停止し、
代わりにシースガスとプラズマガスを、それぞれの供給
管27および28から供給する。プラズマガスがプラズ
マトーチ2内部へ流されると、そこで発生しているマイ
クロ波放電によって、ガスが加熱され、プラズマが発生
し、維持される。加熱されたプラズマガスは、プラズマ
ガス噴出口32から圧力タンク26外部へ放出される。
When corona is generated, the high frequency discharge is started in the plasma torch 2 by using it as a trigger. When high frequency discharge is started, stop the supply of monatomic gas,
Instead, the sheath gas and the plasma gas are supplied from the respective supply pipes 27 and 28. When the plasma gas is flown into the plasma torch 2, the microwave discharge generated therein heats the gas to generate and maintain plasma. The heated plasma gas is discharged from the plasma gas ejection port 32 to the outside of the pressure tank 26.

【0060】その後、徐々に、プラズマを維持しなが
ら、供給するプラズマガスおよびシースガス圧力および
高周波電力を増加することで、供給するプラズマガスの
圧力を高圧にすることができ、効率的に大量の超高温ガ
スを得ることが出来る。
Thereafter, while gradually maintaining the plasma, the pressure of the supplied plasma gas and the sheath gas and the high-frequency power can be increased to increase the pressure of the supplied plasma gas, thereby efficiently increasing the volume of the super gas. High temperature gas can be obtained.

【0061】本発明は、高温高速度のガス流を得られる
種々の熱的試験、例えば、耐熱材料の開発や、高速流体
の研究に使用できる他、ガスとして空気あるいは酸素を
用いると、7×103K〜104Kに加熱されたプラズマ
状の酸素を発生させることが出来るため、PCBやフロ
ンなど安定物質の分解や、超高温による廃棄物の処理に
使用することができる。
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for various thermal tests capable of obtaining a high-temperature and high-velocity gas flow, for example, development of heat-resistant materials and research on high-speed fluids. Since plasma-like oxygen heated to 10 3 K to 10 4 K can be generated, it can be used for decomposition of stable substances such as PCB and Freon, and treatment of waste at ultrahigh temperatures.

【0062】[0062]

【発明の効果】本発明によれば、高周波プラズマを高い
圧力で維持するため、超高温で多量のプラズマガスを、
プラズマトーチ内のガス流速を高くすることなく、安定
して発生することができる。さらに、高周波プラズマを
常圧以上で発生させるため、減圧用の真空ポンプ等の排
気装置が不要となり、装置のコストダウンになる。
According to the present invention, in order to maintain the high frequency plasma at a high pressure, a large amount of plasma gas at an ultra high temperature,
The gas can be stably generated without increasing the gas flow velocity in the plasma torch. Furthermore, since high-frequency plasma is generated at atmospheric pressure or higher, an exhaust device such as a vacuum pump for decompressing is unnecessary, and the cost of the device is reduced.

【0063】[0063]

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】いくつかの圧力値の空気における温度とガスエ
ンタルピーの関係を示したグラフ。
FIG. 1 is a graph showing the relationship between temperature and gas enthalpy in air at several pressure values.

【図2】本発明を適用したある特定の寸法のプラズマト
ーチに、ある特定の流速のガスを流した場合において、
プラズマを維持できる高周波電力と周波数を、ガスの種
類と圧力をパラメータとして示したグラフ。
FIG. 2 shows a case where a gas having a specific flow velocity is flown into a plasma torch having a specific size to which the present invention is applied.
A graph showing high-frequency power and frequency capable of maintaining plasma with gas type and pressure as parameters.

【図3】本発明を適用したプラズマヒータの一実施例の
一部截断斜視図。
FIG. 3 is a partially cutaway perspective view of an embodiment of a plasma heater to which the present invention is applied.

【図4】本発明を適用した図3の一実施例のプラズマト
ーチの一構造例において、(a)はそのプラズマトーチ
の断面図、(b)はそのプラズマトーチのA−A線断面
図。プラズマトーチ部分だけを拡大した断面図。
4A and 4B are cross-sectional views of the plasma torch of the embodiment of FIG. 3 to which the present invention is applied, in which FIG. Sectional drawing which expanded only the plasma torch part.

【図5】本発明を適用したプラズマトーチの他の一構造
例において、(a)はそのプラズマトーチの断面図、
(b)はそのプラズマトーチのA−A線断面図。
FIG. 5 is a cross-sectional view of the plasma torch in another structure example of the plasma torch to which the present invention is applied.
(B) is the sectional view on the AA line of the plasma torch.

【図6】本発明を適用した図3の一実施例における中心
部の構造断面図。
6 is a structural cross-sectional view of a central portion in one embodiment of FIG. 3 to which the present invention is applied.

【図7】本発明を適用した他の一実施例として、プラズ
マトーチ内のガス供給圧力を高めるとともに、プラズマ
トーチ内外の圧力差をなくして高圧にできるプラズマヒ
ータの部分断面斜視図。
FIG. 7 is a partial cross-sectional perspective view of a plasma heater capable of increasing the gas supply pressure in the plasma torch and eliminating the pressure difference between the inside and the outside of the plasma torch, as another embodiment to which the present invention is applied.

【図8】本発明を適用したプラズマヒータの一実施例を
説明するブロック図。
FIG. 8 is a block diagram illustrating an embodiment of a plasma heater to which the present invention is applied.

【図9】本発明を適用したプラズマトーチの一実施例を
説明するブロック図。
FIG. 9 is a block diagram illustrating an embodiment of a plasma torch to which the present invention is applied.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…放電部、 2…プラズマトーチ、 3…内筒、 4
…外筒、 5…シースガス供給路、 6…高周波電源、
7…導波管、 8…マイクロ波電界変換器、9…プラ
ズマガス供給装置、 10…シースガス供給装置、 1
1…コロナ電極、 12…コロナ放電用高電圧発生装
置、 13…プラズマ着火用ガス供給装置、 14…プ
ラズマガス出口、 15…プラズマガス注入口、 16
…シースガス注入口、 17…マイクロ波入力口、 1
8…コロナ電極支持リング、 19…コロナ電極、 2
0…プラズマガス入口、 21…シースガス入口、 2
2…プラズマガス流路、 23…シースガス流路、 2
4…コロナパス、 25…変換器開口部、 26…圧力
タンク、 27…プラズマガス供給管、 28…シース
ガス供給管、 29…マイクロ波入力口、 30…導波
管、 31…導波管圧力隔壁、 32…プラズマガス噴
出口、33…膨張ノズル取付け座、 34…点検口。
1 ... Discharging part, 2 ... Plasma torch, 3 ... Inner cylinder, 4
... Outer cylinder, 5 ... Sheath gas supply path, 6 ... High frequency power supply,
7 ... Waveguide, 8 ... Microwave electric field converter, 9 ... Plasma gas supply device, 10 ... Sheath gas supply device, 1
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Corona electrode, 12 ... High voltage generator for corona discharge, 13 ... Gas supply device for plasma ignition, 14 ... Plasma gas outlet, 15 ... Plasma gas inlet, 16
… Sheath gas inlet, 17… Microwave input port, 1
8 ... Corona electrode support ring, 19 ... Corona electrode, 2
0 ... Plasma gas inlet, 21 ... Sheath gas inlet, 2
2 ... Plasma gas channel, 23 ... Sheath gas channel, 2
4 ... Corona pass, 25 ... Transducer opening, 26 ... Pressure tank, 27 ... Plasma gas supply pipe, 28 ... Sheath gas supply pipe, 29 ... Microwave input port, 30 ... Waveguide, 31 ... Waveguide pressure partition, 32 ... Plasma gas ejection port, 33 ... Expansion nozzle mounting seat, 34 ... Inspection port.

Claims (14)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】ガスを一方から供給し、そのガスが放電に
よって加熱されることでプラズマを発生し、さらに、そ
のプラズマを維持する放電部を有するプラズマトーチ
と、プラズマトーチの放電部へ高周波誘導によって、プ
ラズマに電力エネルギーを供給する高周波電力供給手段
と、プラズマトーチの放電部へプラズマ化されるガスを
供給するプラズマガス供給手段とを有する高周波プラズ
マヒータにおいて、 プラズマトーチの放電部で高周波放電を開始するため、
放電部に補助的放電を発生し、その放電開始電圧を下げ
るプラズマ着火手段と、 プラズマトーチの放電部で発生したプラズマとその内周
壁面との間に、ガスを供給するために、プラズマトーチ
内部に連通して、その外周面に接合されたシースガス供
給路と、 シースガス供給路へガスを供給するシースガス供給手段
とをさらに有し、 プラズマガス供給手段は、常圧以上の圧力でプラズマガ
スを供給することを特徴とする高周波プラズマヒータ。
1. A plasma torch having a discharge part for supplying a gas from one side and heating the gas by an electric discharge to maintain the plasma, and a high frequency induction to the discharge part of the plasma torch. In the high-frequency plasma heater having the high-frequency power supply means for supplying electric power energy to the plasma and the plasma gas supply means for supplying the gas to be plasmatized to the discharge part of the plasma torch, the high-frequency discharge is generated in the discharge part of the plasma torch. To start
In order to supply a gas between the plasma ignition means that generates an auxiliary discharge in the discharge part and lowers the discharge start voltage, and the plasma generated in the discharge part of the plasma torch and its inner peripheral wall surface, the plasma torch internal Further has a sheath gas supply path connected to the outer peripheral surface thereof and a sheath gas supply means for supplying gas to the sheath gas supply path. The plasma gas supply means supplies the plasma gas at a pressure higher than normal pressure. A high-frequency plasma heater characterized by:
【請求項2】請求項1において、プラズマガスの供給圧
力の増減手段と、高周波電力の供給電力量の増減手段と
を有することを特徴とする高周波プラズマヒータ。
2. A high frequency plasma heater according to claim 1, further comprising: a means for increasing / decreasing a supply pressure of plasma gas; and a means for increasing / decreasing an amount of high frequency power supplied.
【請求項3】請求項1または2において、前記高周波電
力供給手段は、高周波電界発生装置と、発生した高周波
を前記放電部へ導く導波路とを有することを特徴とする
高周波プラズマヒータ。
3. The high frequency plasma heater according to claim 1, wherein the high frequency power supply means includes a high frequency electric field generator and a waveguide for guiding the generated high frequency to the discharge part.
【請求項4】請求項1から3のいずれかにおいて、前記
プラズマ着火手段は、着火時に用いるガスの供給装置
と、一対の電極と、それらに高電圧を供給する高電圧発
生装置とを有し、 一対の電極は、その間にコロナ放電を発生し、そのコロ
ナ放電が前記プラズマトーチの放電部内を通る位置に配
置された構造を有することを特徴とする高周波プラズマ
ヒータ。
4. The plasma ignition means according to any one of claims 1 to 3, comprising a gas supply device used for ignition, a pair of electrodes, and a high voltage generator for supplying a high voltage to them. A high-frequency plasma heater having a structure in which a pair of electrodes generate a corona discharge therebetween, and the corona discharge is arranged at a position passing through the discharge part of the plasma torch.
【請求項5】請求項3において、前記プラズマ着火手段
の一方の電極は、前記プラズマトーチの放電部外側近傍
に存在する導体であることを特徴とする高周波プラズマ
ヒータ。
5. The high frequency plasma heater according to claim 3, wherein one electrode of the plasma ignition means is a conductor existing near the outside of the discharge portion of the plasma torch.
【請求項6】請求項4または5において、前記プラズマ
着火手段の一方の電極は、プラズマが発生する前記プラ
ズマトーチの放電部からはずれた位置に装着されている
ことを特徴とする高周波プラズマヒータ。
6. The high frequency plasma heater according to claim 4 or 5, wherein one electrode of the plasma ignition means is mounted at a position deviated from a discharge portion of the plasma torch where plasma is generated.
【請求項7】請求項1から6のいずれかにおいて、少な
くとも、発生したプラズマに面している前記プラズマト
ーチの構成要素は、耐熱性および電気絶縁性を有する材
料によって構成されることを特徴とする高周波プラズマ
ヒータ。
7. The method according to claim 1, wherein at least the constituent element of the plasma torch facing the generated plasma is made of a material having heat resistance and electric insulation. High frequency plasma heater.
【請求項8】請求項7において、耐熱性および電気絶縁
性を有する材料は、透明な石英ガラスであることを特徴
とする高周波プラズマヒータ。
8. The high frequency plasma heater according to claim 7, wherein the material having heat resistance and electrical insulation is transparent quartz glass.
【請求項9】請求項1から8のいずれかにおいて、前記
プラズマトーチを収容し、発生したプラズマの放出口を
有する圧力容器と、プラズマトーチの内外部における圧
力差を、予め定めた範囲内に保持する加圧装置とをさら
に有することを特徴とする高周波プラズマヒータ。
9. The pressure container for accommodating the plasma torch and having a discharge port for the generated plasma, and the pressure difference between the inside and outside of the plasma torch within a predetermined range according to any one of claims 1 to 8. A high-frequency plasma heater, further comprising a pressurizing device for holding.
【請求項10】請求項1から9のいずれかの高周波プラ
ズマヒータの運転方法において、 予め定められた電力の高周波を重畳している放電部に、
常圧以上のガス圧でプラズマを起動し、そこへ常圧以上
の予め定められた圧力のプラズマ化されるガスを流し、
プラズマを発生し、 発生したプラズマを維持しながら、高周波電力の供給電
力を増やすと共に、プラズマ化されるガスの供給圧力を
順次増加させ、プラズマ起動時よりも高いガス供給圧力
下において、プラズマを維持することを特徴とする高周
波プラズマヒータの運転方法。
10. The method of operating a high frequency plasma heater according to claim 1, wherein the discharge part superposed with a high frequency of a predetermined electric power,
Plasma is activated at a gas pressure above atmospheric pressure, and a gas to be plasmatized at a predetermined pressure above atmospheric pressure is flown there.
The plasma is generated, and while maintaining the generated plasma, the supply power of the high frequency power is increased and the supply pressure of the gas to be turned into plasma is gradually increased to maintain the plasma under the gas supply pressure higher than that at the plasma startup. A method for operating a high frequency plasma heater, comprising:
【請求項11】ガスを一方から供給し、そのガスが放電
によって加熱されることでプラズマを発生し、さらに、
そのプラズマを維持する放電部を有するプラズマトーチ
において、 プラズマトーチの放電部で発生したプラズマと放電部の
内周壁面との間に、ガスを流すための、プラズマトーチ
内部に連通して、外周面の一部に接合されたシースガス
供給路を有することを特徴とするプラズマトーチ。
11. A gas is supplied from one side, the gas is heated by electric discharge to generate plasma, and further,
In a plasma torch having a discharge part that maintains the plasma, a plasma torch for communicating gas between the plasma generated in the discharge part of the plasma torch and the inner peripheral wall surface of the discharge part, and an outer peripheral surface A plasma torch having a sheath gas supply path joined to a part of the plasma torch.
【請求項12】請求項11において、放電部におけるプ
ラズマ放出側の、プラズマトーチ内周壁面の一部に、電
極が露出するように装着された、プラズマ着火手段とし
てのコロナ放電用の一方の電極をさらに有し、 前記シースガス供給路は、プラズマトーチ内周壁面とプ
ラズマとの間に流れ、その内周壁面と電極とを冷却する
ガスを供給することを特徴とするプラズマトーチ。
12. An electrode for corona discharge as a plasma ignition means, which is mounted on a part of an inner peripheral wall surface of a plasma torch on a plasma emission side of a discharge part so as to expose the electrode. The plasma torch, further comprising: a sheath gas supply path that supplies a gas that flows between an inner peripheral wall surface of the plasma torch and the plasma to cool the inner peripheral wall surface and the electrode.
【請求項13】請求項11または12において、シース
ガス供給路は、ここからプラズマトーチ内部に供給され
るガスが、プラズマトーチ内周を流れる際、その内周接
線方向の速度成分を持つ角度で、プラズマトーチ外周面
に接合されることを特徴とするプラズマトーチ。
13. The sheath gas supply passage according to claim 11, wherein the gas supplied into the plasma torch from the sheath gas supply passage is at an angle having a velocity component in a tangential direction of the inner periphery of the plasma torch when the inner periphery of the plasma torch flows. A plasma torch that is joined to the outer surface of the plasma torch.
【請求項14】請求項13において、シースガス供給路
は、その中心軸とプラズマトーチ本体の中心軸とが交わ
らない線上の位置で連通して、接合されることを特徴と
するプラズマトーチ。
14. The plasma torch according to claim 13, wherein the sheath gas supply passage is connected and connected at a position on a line where the central axis of the sheath gas does not intersect with the central axis of the plasma torch body.
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