JPH0693397B2 - 熱プラズマ発生装置 - Google Patents
熱プラズマ発生装置Info
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- JPH0693397B2 JPH0693397B2 JP62335519A JP33551987A JPH0693397B2 JP H0693397 B2 JPH0693397 B2 JP H0693397B2 JP 62335519 A JP62335519 A JP 62335519A JP 33551987 A JP33551987 A JP 33551987A JP H0693397 B2 JPH0693397 B2 JP H0693397B2
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- tube
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Description
【発明の詳細な説明】 イ、発明の目的 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高純度の反応生成物を高能率に生成するため
の高周波熱プラズマ発生装置に係る。
の高周波熱プラズマ発生装置に係る。
一般に高周波プラズマ炎は無電極であるために、生成物
に不純物の混入が無く、種々改良の結果、一応企業化に
充分な域に達している。
に不純物の混入が無く、種々改良の結果、一応企業化に
充分な域に達している。
然し、使用周波数を高くする程、プラズマ発生が容易に
なり能率が向上するために、マイクロ波領域まで周波数
を高め、現在もまだ反応物生成に成功していない分野ま
で応用範囲を拡大する試みが諸所で実施されている。使
用周波数が短波帯以下の場合には、高周波誘導コイルの
発生する高周波磁界によって、電気エネルギーをプラズ
マに伝達することが容易であったが、マイクロ波帯では
マイクロ波エネルギーをプラズマに能率よく伝達する適
切な方法が見当らなかった。
なり能率が向上するために、マイクロ波領域まで周波数
を高め、現在もまだ反応物生成に成功していない分野ま
で応用範囲を拡大する試みが諸所で実施されている。使
用周波数が短波帯以下の場合には、高周波誘導コイルの
発生する高周波磁界によって、電気エネルギーをプラズ
マに伝達することが容易であったが、マイクロ波帯では
マイクロ波エネルギーをプラズマに能率よく伝達する適
切な方法が見当らなかった。
然し、発光分析の分野では、C.I.M.Beenakkerが1976年
に、TM010姿態の空胴共振器を使用して、2.45GHzにおけ
るプラズマ発生に成功した。
に、TM010姿態の空胴共振器を使用して、2.45GHzにおけ
るプラズマ発生に成功した。
（C.I.M.Beenakker,Spectrochim.Acta,31B,483（197
6）。） 〔発明が解決しようとする問題点〕 Beenakkerの方法では、第２図（イ）・（ロ）に示すよ
うに平たい円筒型共振器１の中央に耐熱絶縁管４を配置
し、この中に作動ガスを流し、外部よりマイクロ波電力
を加えてTM010姿態の共振を起させている。このTM010共
振の状態を略図で示すと、第２図の如くになる。
6）。） 〔発明が解決しようとする問題点〕 Beenakkerの方法では、第２図（イ）・（ロ）に示すよ
うに平たい円筒型共振器１の中央に耐熱絶縁管４を配置
し、この中に作動ガスを流し、外部よりマイクロ波電力
を加えてTM010姿態の共振を起させている。このTM010共
振の状態を略図で示すと、第２図の如くになる。
同図（イ）は縦断面図、（ロ）は横断面図であって、マ
イクロ波磁界は点線の如く同心円となり、これに直交す
る電界は実線の如くなり、共振器１の中央が最も電界強
度が高くなり、共振器壁内部をマイクロ波電流が流れ
る。このTM010姿態の共振では、共振器内径Dmmと共振周
波数ｆ（GHz）との間には次式の関係があり、厚さ（軸
長）Lmmの影響は受けない。
イクロ波磁界は点線の如く同心円となり、これに直交す
る電界は実線の如くなり、共振器１の中央が最も電界強
度が高くなり、共振器壁内部をマイクロ波電流が流れ
る。このTM010姿態の共振では、共振器内径Dmmと共振周
波数ｆ（GHz）との間には次式の関係があり、厚さ（軸
長）Lmmの影響は受けない。
ｆ（GHz）＝229.5/D（mm） そこで、分光分析のために大気圧中で作動ガスを点火さ
せる目的だけでは、厚さを薄くすれば、ガスに与える電
界強度は強くなるので、Ｌ＝10mm程度として、数十Ｗの
マイクロ波電力を大きくする程、点灯能力が増大し、分
光分析の精度も上昇するが、負荷部分での温度上昇が過
大となるために自然空冷の場合100W程度、強制空冷や水
冷の場合でも150W程度が限界である。また共振空胴にマ
イクロ波電流が流れるために損失が大きくなり、能率も
低くなる。
せる目的だけでは、厚さを薄くすれば、ガスに与える電
界強度は強くなるので、Ｌ＝10mm程度として、数十Ｗの
マイクロ波電力を大きくする程、点灯能力が増大し、分
光分析の精度も上昇するが、負荷部分での温度上昇が過
大となるために自然空冷の場合100W程度、強制空冷や水
冷の場合でも150W程度が限界である。また共振空胴にマ
イクロ波電流が流れるために損失が大きくなり、能率も
低くなる。
一方工業的に超微粒子の生成、単結晶の生成、高温反応
急冷プロセスによる新しい素材の開発などを実施するに
は、マイクロ波による高能率を確保しつつ、印加電力を
増大させる必要がある。最終的には100kW程度のマイク
ロ波電力を必要とする。
急冷プロセスによる新しい素材の開発などを実施するに
は、マイクロ波による高能率を確保しつつ、印加電力を
増大させる必要がある。最終的には100kW程度のマイク
ロ波電力を必要とする。
上記の点に鑑み、本発明は、小電力用で、Ｑも低く、損
失の大きなTM010姿態共振器に代え、高Ｑで損失が小さ
く大電力に耐え得るTE011姿態の共振を行う金属製の円
筒型空洞共振器を使い、大電力の熱プラズマ発生装置を
作ることを目的とする。
失の大きなTM010姿態共振器に代え、高Ｑで損失が小さ
く大電力に耐え得るTE011姿態の共振を行う金属製の円
筒型空洞共振器を使い、大電力の熱プラズマ発生装置を
作ることを目的とする。
ロ、発明の構成 〔問題点を解決するための手段〕 本発明は、入力高周波電力に対してTE011姿態の共振を
行う金属製の円筒型空洞共振器、該円筒型空洞共振器の
中央に同心状に設置され、中央部の管に作動ガスを、外
周部の管に冷却液を流す二重若しくは多重の耐熱絶縁
管、上記円筒型空洞共振器の側壁に結合され、その結合
部の孔を通して外部から円筒型空洞共振器に高周波電力
を印加する導波管または同軸管によって構成されている
熱プラズマ発生装置である。
行う金属製の円筒型空洞共振器、該円筒型空洞共振器の
中央に同心状に設置され、中央部の管に作動ガスを、外
周部の管に冷却液を流す二重若しくは多重の耐熱絶縁
管、上記円筒型空洞共振器の側壁に結合され、その結合
部の孔を通して外部から円筒型空洞共振器に高周波電力
を印加する導波管または同軸管によって構成されている
熱プラズマ発生装置である。
上記本発明の熱プラズマ発生装置に使用するTE011姿態
の空洞共振器は、第３図（イ）縦断面図、（ロ）横断面
図に示すように金属製の円筒型をしており、直径をDm
m、軸方向の長さをLmmとすると、共振周波数ｆ（GHz）
は次式で求められる。
の空洞共振器は、第３図（イ）縦断面図、（ロ）横断面
図に示すように金属製の円筒型をしており、直径をDm
m、軸方向の長さをLmmとすると、共振周波数ｆ（GHz）
は次式で求められる。
f2（vc×x/π/D）２＋（vc×n/2/L）２……（１） 式中vcは光速で、この場合には299.78となる。ｎは軸方
向に乗る共振周波数で、TM010姿態では０、またTE011姿
態では１になる。
向に乗る共振周波数で、TM010姿態では０、またTE011姿
態では１になる。
従って、TM010姿態では（１）式の第２項はゼロとな
る。また式中のｘは共振姿態による定数で、TM010姿態
では2.4048、TE011姿態では3.8317となる。
る。また式中のｘは共振姿態による定数で、TM010姿態
では2.4048、TE011姿態では3.8317となる。
第２図と第３図に示すように、TM010姿態とTE011姿態の
電界（実線）と磁界（点線）は入れ替わっており、前者
の欠点を後者が改善しているのが本発明装置の特徴とす
るところである。
電界（実線）と磁界（点線）は入れ替わっており、前者
の欠点を後者が改善しているのが本発明装置の特徴とす
るところである。
第３図はTE011共振空胴の動作を説明するもので、電界
（実線）および磁界（点線）の分布を示している。図示
の如く、電界は同心円状分布となり、磁界はこれらと直
交している。電界が空胴壁と交叉しないので、TM010空
胴のような、空胴壁内のマイクロ波電流による損失は皆
無である。
（実線）および磁界（点線）の分布を示している。図示
の如く、電界は同心円状分布となり、磁界はこれらと直
交している。電界が空胴壁と交叉しないので、TM010空
胴のような、空胴壁内のマイクロ波電流による損失は皆
無である。
従って、TE011空胴共振器にマイクロ波電力を印加し
て、中央部にガス流を流せば、誘導結合高周波プラズマ
（略称ICP）と同様に熱プラズマを発生できる。TE011型
空胴共振器を使用すれば、TM010空胴共振器と比較して
遥かにＱが高くなり、低損失であり、しかも大形で大電
力に耐えるために、工業的にマイクロ波熱プラズマを利
用できる。
て、中央部にガス流を流せば、誘導結合高周波プラズマ
（略称ICP）と同様に熱プラズマを発生できる。TE011型
空胴共振器を使用すれば、TM010空胴共振器と比較して
遥かにＱが高くなり、低損失であり、しかも大形で大電
力に耐えるために、工業的にマイクロ波熱プラズマを利
用できる。
今TE011姿態空胴共振器の厚さ（軸長）Ｌを内径Ｄと等
しくすると、その共振周波数ｆ（GHz）と内径Ｄ（mm）
の関係は次式で示される。
しくすると、その共振周波数ｆ（GHz）と内径Ｄ（mm）
の関係は次式で示される。
ｆ（GHz）＝395.2/D（mm） 従って、2.45GHzで使用するTE011共振空胴としてＤ＝Ｌ
とすれば、直径Ｄは161.3mmとなりTM010形空胴と比較し
て、遥かに大形となり、Ｑも数万となって、能率も向上
し、大電力に耐え得るようになる。無論本発明のTE011
形空胴の方がTM010形に比し、プラズマ点火電力は大き
くなるが、多量のプラズマ反応物質を処理するために、
マイクロ波電力が大きくなるから、問題はない。
とすれば、直径Ｄは161.3mmとなりTM010形空胴と比較し
て、遥かに大形となり、Ｑも数万となって、能率も向上
し、大電力に耐え得るようになる。無論本発明のTE011
形空胴の方がTM010形に比し、プラズマ点火電力は大き
くなるが、多量のプラズマ反応物質を処理するために、
マイクロ波電力が大きくなるから、問題はない。
この際マイクロ波エネルギーによって発生する電磁界分
布は、数十MHz以下でプラズマ発生に使用している誘導
コイルによる電磁界分布と情況は一致している。そこ
で、空胴中央部にガス流を流すと、ガス中に環流が誘導
され、発熱してプラズマジェットを発生することにな
る。
布は、数十MHz以下でプラズマ発生に使用している誘導
コイルによる電磁界分布と情況は一致している。そこ
で、空胴中央部にガス流を流すと、ガス中に環流が誘導
され、発熱してプラズマジェットを発生することにな
る。
第１図は本発明の構造を示す概略断面図である。図中１
は入力マイクロ波電力に対してTE011姿態の共振を行う
金属製空胴共振器で、共振周波数を僅かに調整するため
の軸長調整機構などは省略している。この共振器に対し
て、マイクロ波電力を印加するために、共振器の側壁に
方形導波管２を取り付け、結合孔３を通して、外部マイ
クロ波発振源の電力を注入している。導波管２の代りに
同軸管を使用し、ループコイルで電力を注入してもよ
い。
は入力マイクロ波電力に対してTE011姿態の共振を行う
金属製空胴共振器で、共振周波数を僅かに調整するため
の軸長調整機構などは省略している。この共振器に対し
て、マイクロ波電力を印加するために、共振器の側壁に
方形導波管２を取り付け、結合孔３を通して、外部マイ
クロ波発振源の電力を注入している。導波管２の代りに
同軸管を使用し、ループコイルで電力を注入してもよ
い。
この円筒形空胴の同心状中央に３重の耐熱絶縁管（石英
ガラス製）４・５・６を通し、中心の管４には、キャリ
ヤガス（Ar等）および反応物質を流し、その外側管５に
は、注入口７からキャリヤガスと同種のガスを注入し、
絶縁管５の内側に回転層流を作って、プラズマ炎が絶縁
管５に触れないようにし、合わせて反応物質がプラズマ
炎内に巧く注入されるようにしている。また絶縁管５と
６の間には、損失が小さく冷却効果の大きい冷却液を流
しておく。冷却液は、８から入り出口９から流れ出てい
る。
ガラス製）４・５・６を通し、中心の管４には、キャリ
ヤガス（Ar等）および反応物質を流し、その外側管５に
は、注入口７からキャリヤガスと同種のガスを注入し、
絶縁管５の内側に回転層流を作って、プラズマ炎が絶縁
管５に触れないようにし、合わせて反応物質がプラズマ
炎内に巧く注入されるようにしている。また絶縁管５と
６の間には、損失が小さく冷却効果の大きい冷却液を流
しておく。冷却液は、８から入り出口９から流れ出てい
る。
プラズマ点火に際しては、マイクロ波電力を印加し、作
動ガスのみを流しておいて、管内を0.1TORR程度に低圧
するか、或いはテスラコイルなどで衝撃波高電界を加え
ると、管内にグロー放電が起り次いでマイクロ波誘導環
流がガス流体内に流れ、プラズマ炎10が発生する。ここ
でマイクロ波電力を増大し、充分強力な熱プラズマを発
生させ、作動ガスに反応物質を混入して、反応物質の生
成を行う。
動ガスのみを流しておいて、管内を0.1TORR程度に低圧
するか、或いはテスラコイルなどで衝撃波高電界を加え
ると、管内にグロー放電が起り次いでマイクロ波誘導環
流がガス流体内に流れ、プラズマ炎10が発生する。ここ
でマイクロ波電力を増大し、充分強力な熱プラズマを発
生させ、作動ガスに反応物質を混入して、反応物質の生
成を行う。
ハ、発明の効果 従来のTM010型空胴を使用するマイクロ波誘導プラズマ
（MIP）では、強制冷却を行っても150W程度が限界であ
り、分光分析等の小電力プラズマしか利用できなかった
が、本発明では、小規模実験でも5kWのマイクロ波電力
による強力な熱プラズマジェットを発生でき、種々の反
応物質の生成ができた。今後マイクロ波発振源の増力お
よび本装置の冷却法の改善などによって、より強力な熱
プラズマジェットを発生し、新物質の生成など数多の応
用面が開拓される希望が明るくなった。
（MIP）では、強制冷却を行っても150W程度が限界であ
り、分光分析等の小電力プラズマしか利用できなかった
が、本発明では、小規模実験でも5kWのマイクロ波電力
による強力な熱プラズマジェットを発生でき、種々の反
応物質の生成ができた。今後マイクロ波発振源の増力お
よび本装置の冷却法の改善などによって、より強力な熱
プラズマジェットを発生し、新物質の生成など数多の応
用面が開拓される希望が明るくなった。
尚一般にマイクロ波とは周波数IGHz（3GHz）以上の周波
数を総称しているが、本発明を実施する際には、このよ
うな周波数に限定されることはく、数百MHzあるいは数
十MHzの低い周波数範囲の高周波発生源のエネルギーを
も利用できる。従って本発明では、大電力エネルギーが
容易に使用でき、H2やN2、O2ガスなどのプラズマジェッ
トによる超電導物質の生産業の新たな利用面も現実的と
なった。
数を総称しているが、本発明を実施する際には、このよ
うな周波数に限定されることはく、数百MHzあるいは数
十MHzの低い周波数範囲の高周波発生源のエネルギーを
も利用できる。従って本発明では、大電力エネルギーが
容易に使用でき、H2やN2、O2ガスなどのプラズマジェッ
トによる超電導物質の生産業の新たな利用面も現実的と
なった。
第１図は本発明の構造を示す縦断面概略図、第２図は、
従来使用されたTM010型空胴共振器を使用するプラズマ
発生装置の略図で、同図（イ）は縦断面図、（ロ）は横
断面図、第３図は本発明に使用するTE011型空胴共振器
の説明図で、（イ）は縦断面、（ロ）は横断面を示す。 １は空胴共振器、２は結合用導波管、３は結合孔、４は
キャリヤガスおよび反応物質注入絶縁管、５は回転層流
を生じさせる冷却ガス用絶縁管、６は冷却液用絶縁管、
７は冷却ガス注入口、８は冷却液注入口、９は同出口、
10はプラズマ炎。
従来使用されたTM010型空胴共振器を使用するプラズマ
発生装置の略図で、同図（イ）は縦断面図、（ロ）は横
断面図、第３図は本発明に使用するTE011型空胴共振器
の説明図で、（イ）は縦断面、（ロ）は横断面を示す。 １は空胴共振器、２は結合用導波管、３は結合孔、４は
キャリヤガスおよび反応物質注入絶縁管、５は回転層流
を生じさせる冷却ガス用絶縁管、６は冷却液用絶縁管、
７は冷却ガス注入口、８は冷却液注入口、９は同出口、
10はプラズマ炎。
Claims (1)
- 【請求項１】入力高周波電力に対してTE011姿態の共振
を行う金属製の円筒型空洞共振器、該円筒型空洞共振器
の中央に同心状に設置され、中央部の管に作動ガスを、
外周部の管に冷却液を流す二重若しくは多重の耐熱絶縁
管、上記円筒型空洞共振器の側壁に結合され、その結合
部の孔を通して外部から円筒型空洞共振器に高周波電力
を印加する導波管または同軸管から成り、高周波電力の
印加によって作動ガスを励起し熱プラズマが発生するよ
うに構成したことを特徴とする熱プラズマ発生装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62335519A JPH0693397B2 (ja) | 1987-12-29 | 1987-12-29 | 熱プラズマ発生装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62335519A JPH0693397B2 (ja) | 1987-12-29 | 1987-12-29 | 熱プラズマ発生装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01176700A JPH01176700A (ja) | 1989-07-13 |
| JPH0693397B2 true JPH0693397B2 (ja) | 1994-11-16 |
Family
ID=18289479
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62335519A Expired - Fee Related JPH0693397B2 (ja) | 1987-12-29 | 1987-12-29 | 熱プラズマ発生装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0693397B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004502958A (ja) * | 2000-07-06 | 2004-01-29 | ヴァリアン オーストラリア ピーティーワイ．エルティーディー． | プラズマ発生方法、分光測定用プラズマ源および導波路 |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000133494A (ja) | 1998-10-23 | 2000-05-12 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | マイクロ波プラズマ発生装置及び方法 |
| EP2131633A1 (fr) * | 2008-05-28 | 2009-12-09 | L'AIR LIQUIDE, Société Anonyme pour l'Etude et l'Exploitation des Procédés Georges Claude | Procédé de refroidissement d'un plasma micro-onde et système de destruction sélective de molécules chimiques utilisant ce procédé |
| WO2016051465A1 (ja) * | 2014-09-29 | 2016-04-07 | 株式会社日立国際電気 | 大気圧誘導結合プラズマ装置 |
-
1987
- 1987-12-29 JP JP62335519A patent/JPH0693397B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004502958A (ja) * | 2000-07-06 | 2004-01-29 | ヴァリアン オーストラリア ピーティーワイ．エルティーディー． | プラズマ発生方法、分光測定用プラズマ源および導波路 |
| JP4922530B2 (ja) * | 2000-07-06 | 2012-04-25 | アジレント・テクノロジーズ・オーストラリア（エム）プロプライエタリー・リミテッド | プラズマ発生方法、分光測定用プラズマ源および導波路 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01176700A (ja) | 1989-07-13 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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