JPH10241890A - Inductively coupled plasma device - Google Patents
Inductively coupled plasma deviceInfo
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- JPH10241890A JPH10241890A JP9042712A JP4271297A JPH10241890A JP H10241890 A JPH10241890 A JP H10241890A JP 9042712 A JP9042712 A JP 9042712A JP 4271297 A JP4271297 A JP 4271297A JP H10241890 A JPH10241890 A JP H10241890A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、高周波誘導結合を
用いてアークプラズマを発生させる誘導結合プラズマ装
置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an inductively coupled plasma apparatus for generating arc plasma using high frequency inductive coupling.
【０００２】[0002]
【従来の技術】誘導結合プラズマ装置は、電気絶縁管に
同軸に高周波誘導コイルを巻装し、高周波誘導コイルに
高周波電流を通電して電気絶縁管内部に導入したガスを
プラズマ化し、得られたプラズマを熱源として溶解処理
などに用いる装置である。図１０は、従来より用いられ
ている誘導結合プラズマ装置の基本構成を示す部分断面
図である。図において、１は、石英を用いて形成された
円筒状の電気絶縁管である。電気絶縁管１は内筒１ａと
外筒１ｂとの二重構造となっており、隙間に図示しない
冷媒を通し冷却して用いられる。２は、電気絶縁管１の
外側に同軸状に巻かれた高周波誘導コイルで、通常３〜
４ターン巻装して構成されている。また、３は高周波電
源である。電気絶縁管１の上部には、絶縁管周方向に吹
き出すノズルと絶縁管径方向に吹き出すノズルを備えた
ガス導入部４、および接地電極５が配置されている。ガ
ス流量調節弁７の操作により選定された種類と流量のガ
スがガス供給管６を通してガス導入部４より電気絶縁管
１の内部へと供給される。接地電極５は水冷式で、アー
ス側に接地して高周波誘導コイル２と容量結合されてい
る。2. Description of the Related Art An inductively coupled plasma apparatus is obtained by winding a high-frequency induction coil coaxially around an electric insulating tube, applying a high-frequency current to the high-frequency induction coil, and converting the gas introduced into the inside of the electric insulating tube into a plasma. This is an apparatus that uses plasma as a heat source for melting and the like. FIG. 10 is a partial sectional view showing a basic configuration of a conventionally used inductively coupled plasma device. In the figure, reference numeral 1 denotes a cylindrical electric insulating tube formed using quartz. The electric insulating tube 1 has a double structure of an inner cylinder 1a and an outer cylinder 1b, and is used by cooling a not-shown refrigerant through a gap. Reference numeral 2 denotes a high-frequency induction coil wound around the outside of the electrically insulating tube 1 coaxially.
It is wound four turns. Reference numeral 3 denotes a high frequency power supply. Above the electrical insulating tube 1, a gas introduction unit 4 having a nozzle that blows out in the circumferential direction of the insulating tube and a nozzle that blows out in the radial direction of the insulating tube, and a ground electrode 5 are arranged. The gas of the type and flow rate selected by operating the gas flow control valve 7 is supplied from the gas introduction unit 4 to the inside of the electric insulating tube 1 through the gas supply tube 6. The ground electrode 5 is of a water-cooled type and is grounded to the earth side and capacitively coupled to the high-frequency induction coil 2.
【０００３】図１１は、図１０の誘導結合プラズマ装置
のガス導入部４の詳細構造を示す断面図である。接地電
極５の周辺を取り囲んで配されたガス導入部４には、径
方向ガス導入口４ａ、ならびに周方向ガス導入口４ｂが
備えられている。径方向ガス導入口４ａは、電気絶縁管
１の内部へと径方向に開口するノズル穴を周面上に分配
配置してなる径方向リング状ガス吹出ノズル４ｃに連通
しており、また、周方向ガス導入口４ｂは、気絶縁管１
の内部へと周方向に近い斜め方向に開口するノズル穴を
周面上に分配配置してなる周方向リング状ガス吹出ノズ
ル４ｄに連通している。すなわち、ガス供給管６を通じ
て送られたガスは、径方向ガス導入口４ａおよび周方向
ガス導入口４ｂを通じて電気絶縁管１の内部へと導入さ
れ、径方向リング状ガス吹出ノズル４ｃおよび周方向リ
ング状ガス吹出ノズル４ｄより径方向および周方向に供
給される。なお、これらの二つのガス導入口より導入す
るガスの流量は、分岐配管に組み込まれたガス流量調節
弁１１によって個別に調整できるように構成されてい
る。また、導入するガスの種類やガスの混合比は、図１
１に示したごとくガスの供給装置に接続されたガス流量
調節弁７の操作により選択、調整される。FIG. 11 is a cross-sectional view showing a detailed structure of the gas introduction section 4 of the inductively coupled plasma apparatus shown in FIG. The gas inlet 4 surrounding the ground electrode 5 is provided with a radial gas inlet 4a and a circumferential gas inlet 4b. The radial gas inlet 4a communicates with a radial ring-shaped gas blowing nozzle 4c in which nozzle holes that open radially into the electrically insulating tube 1 are arranged and distributed on the peripheral surface. The direction gas inlet 4b is connected to the gas insulating tube 1
Nozzle holes that open obliquely close to the circumferential direction into the inside of the nozzle are connected to a circumferential ring-shaped gas blowing nozzle 4d that is distributed and arranged on the circumferential surface. That is, the gas sent through the gas supply pipe 6 is introduced into the inside of the electric insulating tube 1 through the radial gas inlet 4a and the circumferential gas inlet 4b, and the gas is supplied to the radial ring gas blowing nozzle 4c and the circumferential ring. The gas is supplied in a radial direction and a circumferential direction from the gas blowing nozzle 4d. In addition, the flow rate of the gas introduced from these two gas introduction ports is configured to be individually adjustable by a gas flow control valve 11 incorporated in a branch pipe. Also, the type of gas to be introduced and the mixing ratio of the gas are shown in FIG.
As shown in FIG. 1, selection and adjustment are performed by operating a gas flow control valve 7 connected to a gas supply device.
【０００４】本構成の誘導結合プラズマ装置における大
気圧アークプラズマの生成は、以下の手順により行われ
る。まず、電気絶縁管１の上端に設けられたガス導入口
４より、点火用ガスとしてヘリウムガスを導入し、高周
波電源３の出力電圧を高周波誘導コイル２に印加する。
電気絶縁管１に導入されたヘリウムガスは、高周波誘導
コイル２と接地電極５の間に形成される容量結合電界に
より放電する。つづいて、電気絶縁管１の内部にアルゴ
ンなどのプラズマガスを導入して放電を維持させ、次い
で、徐々にヘリウムガスの導入を停止して電気絶縁管１
内のアルゴンガス濃度を高めてアークプラズマに移行さ
せる。アークプラズマに移行後は、高周波誘導コイル２
により発生する高周波誘導電界により、プラズマへのエ
ネルギー供給を行う。この状態にあるプラズマが一般に
誘導結合型プラズマと呼ばれており、得られるプラズマ
は、電界の強さと形状、並びにガスの流れに依存する。[0004] The generation of atmospheric pressure arc plasma in the inductively coupled plasma apparatus having the above configuration is performed in the following procedure. First, helium gas is introduced as an ignition gas from a gas inlet 4 provided at the upper end of the electric insulating tube 1, and an output voltage of the high frequency power supply 3 is applied to the high frequency induction coil 2.
The helium gas introduced into the electric insulating tube 1 is discharged by a capacitive coupling electric field formed between the high-frequency induction coil 2 and the ground electrode 5. Subsequently, a plasma gas such as argon is introduced into the inside of the electric insulating tube 1 to maintain the discharge, and then the introduction of the helium gas is gradually stopped to thereby stop the electric insulating tube 1.
The concentration of argon gas in the gas is increased, and the plasma is transferred to arc plasma. After shifting to arc plasma, the high-frequency induction coil 2
Energy is supplied to the plasma by the high-frequency induction electric field generated by the plasma. The plasma in this state is generally called an inductively coupled plasma, and the obtained plasma depends on the strength and shape of the electric field and the gas flow.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】高周波誘導結合プラズ
マを熱源として溶解処理などに用いる場合、プラズマ発
生源（以下プラズマトーチと呼ぶ）より噴き出すプラズ
マフレームを被処理物に照射する方法が最も一般的であ
る。プラズマトーチより噴き出すプラズマフレームの熱
量は、プラズマへの投入電力に依存するばかりでなく、
ガスの流れに対しても強い依存性を持っている。径方向
リング状ガス吹出ノズル４ｃより径方向に供給されるガ
ス（以下ｒガスと略記）と周方向リング状ガス吹出ノズ
ル４ｄより周方向に供給されるガス（以下θガスと略
記）との流量比（以下ｒ/ θ流量比と略記）が大きいほ
どプラズマフレームの熱量が大きくなる。これは、ｒガ
スの軸方向の指向性が強いためであり、プラズマフレー
ムの熱出力を大きくするためには、ｒ/ θ流量比の大き
い条件で運転することが必要である。When high-frequency inductively coupled plasma is used as a heat source in a melting process or the like, a method of irradiating an object to be processed with a plasma frame ejected from a plasma generating source (hereinafter referred to as a plasma torch) is the most common. is there. The amount of heat of the plasma flame spouted from the plasma torch not only depends on the power input to the plasma,
It also has a strong dependence on gas flow. Flow rates of gas (hereinafter abbreviated as r gas) supplied in the radial direction from the radial ring-shaped gas blowing nozzle 4c and gas (hereinafter abbreviated as θ gas) supplied in the circumferential direction from the circumferential ring-shaped gas blowing nozzle 4d The larger the ratio (hereinafter abbreviated as r / θ flow rate ratio), the larger the amount of heat of the plasma frame. This is because the directivity of the r gas in the axial direction is strong, and in order to increase the thermal output of the plasma frame, it is necessary to operate under the condition of a large r / θ flow ratio.
【０００６】しかしながら、ｒ/ θ流量比はプラズマの
安定性にも大きく影響している。これはプラズマに注入
されるパワーが、プラズマ生成領域の導電率に依存して
いるためであり、この生成空間の導電率の安定性が損な
われるようなガス流条件ではプラズマが維持できない。
したがって、無制限にｒガスの流量を大きくすることは
できない。[0006] However, the r / θ flow rate ratio also greatly affects the stability of the plasma. This is because the power injected into the plasma depends on the electrical conductivity of the plasma generation region, and the plasma cannot be maintained under gas flow conditions that impair the stability of the electrical conductivity in this generation space.
Therefore, the flow rate of the r gas cannot be increased without limitation.
【０００７】また、投入電力を大きくするとプラズマは
安定し、フレーム出力も大きくなるが、プラズマの温度
が上昇するため、電気絶縁管壁への熱伝導による損失が
大きくなり、全体の熱収支としてのプラズマフレームの
熱量の割合は小さくなる。プラズマを熱源として利用す
る場合、ランニングコストを低減させるためにはエネル
ギー効率が高いことが要求されるが、我々の測定では、
プラズマ投入電力のうち半分以上がトーチ部での損失と
なっている。プラズマトーチは構成部品の熱保護のため
冷却されており、熱損失の発生は避けられないが、でき
るだけ損失量を低減することが望まれる。When the input power is increased, the plasma is stabilized and the flame output is increased. However, since the temperature of the plasma is increased, the loss due to heat conduction to the wall of the electrically insulating tube is increased, and the overall heat balance is reduced. The proportion of the amount of heat of the plasma frame is reduced. When using plasma as a heat source, high energy efficiency is required to reduce running costs, but in our measurements,
More than half of the plasma input power is lost in the torch. The plasma torch is cooled for thermal protection of the components, and heat loss is inevitable. However, it is desired to reduce the loss as much as possible.
【０００８】本発明の目的は、このような従来技術の問
題点を解決して、安定性に優れ、かつ高効率で大出力の
プラズマフレーム出力が得られる誘導結合プラズマ装置
を提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an inductively coupled plasma apparatus which solves the above-mentioned problems of the prior art and is excellent in stability and can obtain a high-efficiency, large-output plasma flame output. .
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明においては、電気絶縁管、電気絶縁管に巻装
された高周波誘導コイル、電気絶縁管の内部にガスを周
方向に導入する第１のノズルと径方向に導入する第２の
ノズルを有して電気絶縁管の一端に配されたガス導入
部、ガス導入部側の端部より電気絶縁管の内部へと高周
波誘導コイルと同軸に配置された接地電極を備えてな
り、絶縁管内部にプラズマガスを導入し高周波誘導コイ
ルに高周波電流を流してガスをプラズマ化して用いる誘
導結合プラズマ装置において、 （１）接地電極の絶縁管内部側の軸方向端面にプラズマ
ガスを絶縁管内部へ軸方向へ導入する第３のノズルを備
えることとする。In order to achieve the above object, the present invention provides an electric insulating tube, a high-frequency induction coil wound around the electric insulating tube, and a gas introduced into the electric insulating tube in a circumferential direction. A gas introduction section having a first nozzle to be introduced and a second nozzle to be introduced radially and arranged at one end of the electric insulating pipe, and a high-frequency induction coil extending from the end on the gas introducing section side to the inside of the electric insulating pipe. And an inductively coupled plasma apparatus that uses a plasma gas introduced into the insulating tube, a high-frequency current flowing through a high-frequency induction coil to convert the gas into plasma, and (1) insulation of the ground electrode. A third nozzle for introducing the plasma gas into the insulating tube in the axial direction is provided on the axial end face on the tube inner side.
【００１０】（２）さらに、（１）の誘導結合プラズマ
装置において、接地電極の絶縁管内部側の軸方向端面
に、第３のノズルに隣接して、プラズマガスを軸方向に
対して傾斜させて導入する第４のノズルを少なくとも１
個備えることとする。 （３）あるいは、（１）の誘導結合プラズマ装置におい
て、第３のノズルの接地電極の内部のプラズマガス導入
経路にガス整流板を備えることとする。(2) Further, in the inductively coupled plasma apparatus of (1), the plasma gas is inclined with respect to the axial direction on the axial end face of the ground electrode inside the insulating tube, adjacent to the third nozzle. At least one fourth nozzle to be introduced
It shall be provided individually. (3) Alternatively, in the inductively coupled plasma apparatus of (1), a gas rectifying plate is provided in the plasma gas introduction path inside the ground electrode of the third nozzle.
【００１１】（４）また、上記の（１）〜（３）の誘導
結合プラズマ装置において、接地電極の電気絶縁管の内
部に対向する軸方向端面に、高周波誘導コイルと同軸
に、薄肉円筒部を配することとする。上記（１）のごと
く第３のノズルを備えることとすると、電気絶縁管内部
に形成されたプラズマの中心軸方向にガスが導入される
こととなり、このガスは軸方向に強い指向性を持ってい
るため、プラズマ化されたガスの軸方向速度成分が増
し、プラズマトーチより吹き出すプラズマフレームの吹
出量が大きくなる。すなわち、熱出力の大きなプラズマ
フレームが得られることとなる。(4) In the inductively coupled plasma apparatus of (1) to (3), a thin cylindrical portion is provided coaxially with the high-frequency induction coil on the axial end face of the ground electrode facing the inside of the electrically insulating tube. Shall be arranged. If the third nozzle is provided as in the above (1), the gas is introduced in the direction of the central axis of the plasma formed inside the electric insulating tube, and this gas has strong directivity in the axial direction. Therefore, the velocity component in the axial direction of the plasma gas increases, and the amount of the plasma flame blown out from the plasma torch increases. That is, a plasma frame having a large heat output can be obtained.
【００１２】また、このような中心軸方向のガス流に対
するプラズマの安定性は極めて良好である。すなわち、
電界強度をＥ〔Ｖ／ｍ〕、プラズマ導電率をσ〔 mho／
ｍ〕とすると、プラズマへのパワー注入量Ｐ〔Ｗ／ｍ3]
は、Further, the stability of the plasma with respect to such a gas flow in the direction of the central axis is extremely good. That is,
The electric field strength is E [V / m] and the plasma conductivity is σ [mho /
m], the power injection amount P into the plasma [W / m 3 ]
Is
【００１３】[0013]
【数１】Ｐ ＝ σＥ2 （１） で与えられるが、誘導結合プラズマの発生原理から中心
軸上においては誘導電界Ｅ（θ）は０であるので、パワ
ー注入量Ｐも０である。したがって、中心軸上に低温の
ガスが導入され、中心軸近傍のプラズマの導電率が変動
あるいは不安定になったとしても、プラズマの形成維持
に係る電気絶縁管壁近傍には大きな影響がなく、プラズ
マは安定である。[Number 1] is given by P = σE 2 (1), since in the central axis from the principle of generation of an inductively coupled plasma induced electric field E (theta) is zero, the power injection volume P is also zero. Therefore, even if a low-temperature gas is introduced on the central axis and the conductivity of the plasma near the central axis fluctuates or becomes unstable, there is no significant effect on the vicinity of the wall of the electrically insulating tube related to the maintenance of plasma formation. The plasma is stable.
【００１４】すなわち、上記（１）のごとき第３のノズ
ルを備えれば、プラズマフレームの熱出力が大きく安定
なプラズマを得ることができる。また、プラズマ化した
ガスの粘性は室温時のガスの粘性に比べ、およそ５倍と
なる。このため、軸方向に導入されたガスはプラズマに
進入した後もほとんど広がることなく、ほぼノズル口径
程度の拡がりをもつ気流としてプラズマの中心を通過す
ることとなる。前述のように中心軸上に導入したガス自
体にはパワーが注入されず、加熱されないので、軸方向
に導入されたガスの加熱はプラズマからの熱伝達に依存
する。したがって、軸方向に導入されたガスの気流径が
大きいほどプラズマとの接触面積が増し、熱伝達量が増
加する。また、径方向の広がりが大きくなると誘導電界
によるパワーの注入も増加し、加熱量も増大する。この
結果、軸方向に流れるガスの加熱が促進され、プラズマ
フレーム熱出力は増大する。一方、軸方向に導入するガ
スのノズルを大口径とすると、プラズマの粘性係数は上
述のごとく大きいので、径の大きな軸方向気流がプラズ
マにぶつかって偏流を起こし、プラズマの姿勢を崩して
不安定となる。すなわち、軸方向に導入するガスの流れ
は適量の拡がりを持つものであることが必要である。That is, if the third nozzle as in the above (1) is provided, a stable plasma can be obtained with a large thermal output of the plasma frame. In addition, the viscosity of the gas that has been turned into plasma is about five times that of the gas at room temperature. For this reason, the gas introduced in the axial direction hardly spreads after entering the plasma, and passes through the center of the plasma as an airflow having a width substantially equal to the diameter of the nozzle. As described above, since power is not injected into the gas introduced on the central axis itself and is not heated, heating of the gas introduced in the axial direction depends on heat transfer from the plasma. Therefore, the larger the gas flow diameter of the gas introduced in the axial direction, the larger the contact area with the plasma and the greater the amount of heat transfer. Further, when the radial spread increases, the power injection due to the induced electric field also increases, and the heating amount also increases. As a result, heating of the gas flowing in the axial direction is promoted, and the heat output of the plasma flame is increased. On the other hand, if the nozzle of the gas introduced in the axial direction is large in diameter, the viscosity coefficient of the plasma is large as described above. Becomes That is, the flow of the gas introduced in the axial direction needs to have an appropriate amount of spread.
【００１５】したがって、上記（２）のごとく第３のノ
ズルに隣接して、プラズマガスを軸方向に対して傾斜さ
せて導入する第４のノズルを設けたり、あるいは（３）
のごとくプラズマガス導入経路にガス整流板を備えるこ
ととすれば、接地電極の端面から導入される軸方向のガ
スの流れの広がり、ならびに指向性を調整することがで
きるので、プラズマの安定性を損なうことなく、効果的
に加熱されるプラズマが得られることとなる。Therefore, a fourth nozzle for introducing the plasma gas obliquely to the axial direction is provided adjacent to the third nozzle as in the above (2), or (3)
If a gas rectifying plate is provided in the plasma gas introduction path as described above, the spread of the gas flow in the axial direction introduced from the end face of the ground electrode and the directivity can be adjusted, so that the plasma stability can be improved. Effectively heated plasma can be obtained without any loss.
【００１６】また、上記（４）のごとく軸方向端面に薄
肉円筒部を配して構成することとすれば、軸方向にガス
を導入するノズルと生成されたプラズマとの間の距離
が、薄肉円筒部の長さに対応してより隔たることとなる
ので、ガス流の制御がより容易となる。また、プラズマ
に接触する電極表面積が小さくなるので、接地電極への
熱損失が低減され、より効率の高い誘導結合プラズマ装
置となる。If the thin cylindrical portion is arranged on the axial end face as in the above (4), the distance between the nozzle for introducing gas in the axial direction and the generated plasma is reduced. The gas flow is more easily controlled since it is further separated according to the length of the cylindrical portion. In addition, since the surface area of the electrode in contact with the plasma is reduced, heat loss to the ground electrode is reduced, resulting in a more efficient inductively coupled plasma device.
【００１７】[0017]
＜第１実施例＞図１は、本発明による誘導結合プラズマ
装置の第１実施例の基本構成を示す要部の断面図であ
る。図において、１は、石英製の内筒１ａと外筒１ｂよ
りなる二重構造の電気絶縁管で、その内径は５９ｍｍで
ある。２は、電気絶縁管１の外周に巻装した高周波誘導
コイルで、直径は９０ｍｍ、巻数は３ターンである。高
周波誘導コイル２には、高周波誘導電流を供給する最大
電圧１０ｋＶ、最大出力７５ｋＷ、周波数４ＭＨｚの真
空管自励式の図示しない高周波電源が接続されている。
電気絶縁管１の上部には、ガス導入部４および接地電極
５Ａが配されている。このうち、ガス導入部４には、図
１１に示した従来例と同様に、電気絶縁管１の内部へ径
方向にガスを供給するための径方向ガス導入口４ａと径
方向リング状ガス吹出ノズル４ｃ、周方向にガスを供給
するための周方向ガス導入口４ｂと周方向リング状ガス
吹出ノズル４ｄが備えられている。一方、接地電極５Ａ
には、従来例と異なり、軸方向ガス導入口５ａとこれに
連通して電気絶縁管１の内部へ軸方向にガスを供給する
ための軸方向主ノズル５ｃが備えられている。ガス導入
部４の径方向ガス導入口４ａと周方向ガス導入口４ｂ、
ならびに接地電極５Ａの軸方向ガス導入口５ａは、図示
しないプラズマガス供給源に連結されたガス供給配管６
とガス流量調節弁１１を介して接続されており、各導入
口より供給されるプラズマガスの流量は、それぞれのガ
ス流量調節弁１１により個別に調整できるよう構成され
ている。なお、石英製の内筒１ａと外筒１ｂとの間の通
路には冷却水が流されており、管面を冷却して管内に生
じたプラズマの熱から電気絶縁管１を保護している。ま
た、接地電極５Ａは、図示されていないが水冷式でアー
ス側に接地して高周波誘導コイル２と容量結合されてい
る。<First Embodiment> FIG. 1 is a sectional view of a main part showing a basic structure of a first embodiment of an inductively coupled plasma device according to the present invention. In the figure, reference numeral 1 denotes an electric insulating tube having a double structure composed of an inner cylinder 1a and an outer cylinder 1b made of quartz, and has an inner diameter of 59 mm. Reference numeral 2 denotes a high-frequency induction coil wound around the outer periphery of the electric insulating tube 1 and has a diameter of 90 mm and a number of turns of 3 turns. The high-frequency induction coil 2 is connected to a vacuum tube self-excited high-frequency power supply (not shown) having a maximum voltage of 10 kV, a maximum output of 75 kW, and a frequency of 4 MHz for supplying a high-frequency induction current.
A gas inlet 4 and a ground electrode 5 </ b> A are arranged above the electric insulating tube 1. Among them, a gas inlet 4a for supplying gas in the radial direction to the inside of the electrically insulating tube 1 and a gaseous ring-shaped gas outlet are provided in the gas inlet 4 in the same manner as in the conventional example shown in FIG. A nozzle 4c, a circumferential gas inlet 4b for supplying gas in the circumferential direction, and a circumferential ring gas blowing nozzle 4d are provided. On the other hand, the ground electrode 5A
Is provided with an axial gas inlet 5a and an axial main nozzle 5c communicating with the axial gas inlet 5a to supply gas to the inside of the electrically insulating tube 1 in the axial direction. A radial gas inlet 4a and a circumferential gas inlet 4b of the gas inlet 4;
An axial gas inlet 5a of the ground electrode 5A is connected to a gas supply pipe 6 connected to a plasma gas supply source (not shown).
Are connected via a gas flow control valve 11 so that the flow rate of the plasma gas supplied from each inlet can be individually adjusted by each gas flow control valve 11. Cooling water is flowed in a passage between the inner tube 1a and the outer tube 1b made of quartz, and the tube surface is cooled to protect the electrically insulating tube 1 from heat of plasma generated in the tube. . Although not shown, the ground electrode 5A is grounded to the ground side in a water-cooled manner and is capacitively coupled to the high-frequency induction coil 2.
【００１８】図２および図３は、図１に示した誘導結合
プラズマ装置の特性測定結果を示すもので、アルゴンガ
スを供給してプラズマを形成した際の熱収支を示す特性
図である。このうち、図２は、ガス導入部４の径方向ガ
ス導入口４ａより導入する径方向流量を３５〔l/min
〕、周方向ガス導入口４ｂより導入する周方向流量を
１０〔l/min 〕とし、接地電極５Ａの軸方向ガス導入口
５ａより導入する軸方向流量をゼロとしてアルゴンプラ
ズマを形成した場合の熱収支を、種々の投入電力量につ
いて示したものである。図に見られるように、プラズマ
フレーム出力は投入電力の増加に伴い増大しているが、
電気絶縁管損失、すなわち電気絶縁管壁への損失熱量の
増大の割合がより大きいので、全体に占めるプラズマフ
レーム出力の割合は投入電力の増加とともに減少してい
る。電気絶縁管損失の急激な上昇は、投入電力の増加に
よりプラズマ温度が上昇していくことによるものであ
る。FIGS. 2 and 3 show the results of measuring the characteristics of the inductively coupled plasma apparatus shown in FIG. 1, and are characteristic diagrams showing the heat balance when plasma is formed by supplying argon gas. 2 shows that the radial flow rate introduced from the radial gas inlet 4a of the gas inlet 4 is 35 [l / min].
The heat generated when argon plasma was formed with the circumferential flow rate introduced from the circumferential gas inlet 4b being 10 [l / min] and the axial flow rate being introduced from the axial gas inlet 5a of the ground electrode 5A being zero. The balance is shown for various input power amounts. As can be seen in the figure, the plasma flame output increases with increasing input power,
Since the ratio of the loss of the electric insulation tube, that is, the amount of heat loss to the wall of the electric insulation tube increases, the ratio of the plasma flame output to the whole decreases with the increase of the input power. The sharp rise in the loss of the electric insulating tube is due to the plasma temperature rising due to an increase in the input power.
【００１９】図３は、図２の場合と同様に径方向流量を
３５〔l/min 〕、周方向流量を１０〔l/min 〕とし、さ
らに接地電極５Ａの軸方向ガス導入口５ａより１５〔l/
min〕の軸方向流量を導入して、アルゴンプラズマを形
成した場合の熱収支を種々の投入電力量について示した
ものである。図に見られるように、図２の場合に比較し
てプラズマフレーム出力が増大し、全体に占める割合も
増加している。軸方向へ供給するガスを導入することに
よって、プラズマの軸方向への熱移動量が増加し、熱出
力が大きく安定なプラズマフレームが得られることを示
している。FIG. 3 shows that the flow rate in the radial direction is 35 [l / min] and the flow rate in the circumferential direction is 10 [l / min], as in the case of FIG. (L /
2] shows the heat balance when an argon flow rate is introduced to form an argon plasma with respect to various input power amounts. As can be seen from the figure, the output of the plasma flame is increased as compared with the case of FIG. It is shown that by introducing the gas supplied in the axial direction, the amount of heat transfer of the plasma in the axial direction is increased, and a stable plasma flame having a large heat output is obtained.
【００２０】＜第２実施例＞図４は、本発明による誘導
結合プラズマ装置の第２実施例の基本構成を示す要部の
断面図である。本実施例の構成の第１実施例の構成との
差異は、接地電極５Ｂに、軸方向ガス導入口５ａとこれ
に連通する軸方向主ノズル５ｃに加えて、軸方向ガス導
入口５ｂと、これに連通して電気絶縁管１の内部へ軸方
向に対しやや傾斜してガスを供給するための軸方向副ノ
ズル５ｄが備えられており、軸方向ガス導入口５ｂがガ
ス流量調節弁１１を介してガス供給配管６と接続されて
いる点にある。<Second Embodiment> FIG. 4 is a sectional view of a main part showing a basic structure of a second embodiment of the inductively coupled plasma device according to the present invention. The difference between the configuration of the present embodiment and the configuration of the first embodiment is that the ground electrode 5B has an axial gas inlet 5b and an axial gas inlet 5b in addition to the axial main nozzle 5c communicating therewith. An axial sub-nozzle 5d for supplying gas to the inside of the electric insulating tube 1 with a slight inclination in the axial direction in communication therewith is provided, and the axial gas inlet 5b is connected to the gas flow control valve 11. In that it is connected to the gas supply pipe 6 via
【００２１】したがって、本構成においては、ガス流量
調節弁１１の操作によって軸方向主ノズル５ｃより軸方
向に供給される流量と軸方向副ノズル５ｄより軸方向に
対しやや傾斜して供給される流量とを調整して、軸方向
のガス流として供給されるプラズマガスの径方向の広が
りを制御することができるので、これらのガスの加熱が
効果的に促進され、プラズマの安定性を損なうことな
く、熱出力が大きなプラズマフレームを得ることができ
る。Therefore, in this configuration, the flow rate supplied from the axial main nozzle 5c in the axial direction and the flow rate supplied from the axial sub-nozzle 5d with a slight inclination with respect to the axial direction by operating the gas flow control valve 11 Can be adjusted to control the radial spread of the plasma gas supplied as the axial gas flow, so that the heating of these gases is effectively promoted without impairing the stability of the plasma. As a result, a plasma frame having a large heat output can be obtained.
【００２２】＜第３実施例＞図５は、本発明による誘導
結合プラズマ装置の第３実施例の基本構成を示す要部の
断面図である。本実施例の構成の第１実施例の構成との
差異は、接地電極５Ｃの軸方向ガス導入口５ａが、電気
絶縁管１の内部に広がりをもって開口し軸方向にガスを
供給する軸方向大径ノズル５ｅへと連通し、その経路の
軸方向大径ノズル５ｅの近傍にガス整流板１３が備えら
れている点にある。<Third Embodiment> FIG. 5 is a sectional view of a main part showing a basic configuration of a third embodiment of the inductively coupled plasma device according to the present invention. The difference between the configuration of the present embodiment and the configuration of the first embodiment is that the axial gas inlet 5a of the ground electrode 5C is wide open inside the electric insulating tube 1 and has a large axial direction for supplying gas in the axial direction. The gas rectifying plate 13 is provided near the large-diameter nozzle 5e in the axial direction of the path, communicating with the large-diameter nozzle 5e.
【００２３】したがって、本構成においては、ガス整流
板１３によって電気絶縁管１の内部へと入射する際の軸
方向のガスの速度分布が調整されるので、軸方向に導入
されるガスの加熱が効果的に促進され、プラズマを安定
に維持して熱出力の大きなプラズマフレームを得ること
ができる。 ＜第４実施例＞図６は、本発明による誘導結合プラズマ
装置の第４実施例の基本構成を示す要部の断面図であ
る。本実施例の構成の第１実施例の構成との差異は、接
地電極５Ｄが、電気絶縁管１の内部に対向する軸方向端
面に高周波誘導コイルと同軸に配された薄肉円筒部１４
を備えて構成されていることにある。Therefore, in the present configuration, the gas distribution plate 13 adjusts the velocity distribution of the gas in the axial direction when it enters the inside of the electric insulating tube 1, so that the gas introduced in the axial direction can be heated. It is possible to obtain a plasma frame which is effectively promoted, maintains plasma stably, and has a large heat output. <Fourth Embodiment> FIG. 6 is a sectional view of a main part showing a basic configuration of a fourth embodiment of the inductively coupled plasma device according to the present invention. The difference of the configuration of the present embodiment from the configuration of the first embodiment is that the ground electrode 5D is coaxial with the high-frequency induction coil on the axial end face facing the inside of the electric insulating tube 1 and the thin cylindrical portion 14 is provided.
It is provided with.
【００２４】したがって、本構成においては、軸方向主
ノズル５ｃより軸方向に供給されたガスは薄肉円筒部１
４の内部を通流したのちプラズマ中へと供給されるの
で、軸方向主ノズル５ｃとプラズマとの間隔が大きくな
り、軸方向へのガスの流れの制御がより容易となる。加
えて、接地電極５Ｄのプラズマと接する接触表面積が小
さくなるので、接地電極５Ｄでの熱損失が低減できる。Therefore, in this configuration, the gas supplied in the axial direction from the axial main nozzle 5c is supplied to the thin cylindrical portion 1
Since the gas is supplied into the plasma after flowing through the inside of the nozzle 4, the space between the plasma in the axial direction main nozzle 5c and the plasma is increased, and the control of the gas flow in the axial direction becomes easier. In addition, since the contact surface area of the ground electrode 5D in contact with the plasma is reduced, heat loss at the ground electrode 5D can be reduced.
【００２５】図７は、図６に示した誘導結合プラズマ装
置において、アルゴンガスを供給してプラズマを形成し
た際の熱収支を示す特性図である。本図は、第１実施例
の図３の場合と同一のガス流量条件、すなわち、径方向
流量を３５〔l/min 〕、周方向流量を１０〔l/min 〕、
また軸方向流量を１５〔l/min 〕としてアルゴンプラズ
マを形成したときの熱収支の測定結果である。図に見ら
れるように、図３の第１実施例の特性に比べて、プラズ
マフレーム出力がさらに大きくなっており、また、接地
電極損失が大幅に低下している。すなわち、本構成で
は、損失が低減し、プラズマを安定に維持して熱出力の
大きなプラズマフレームを得ることができる。FIG. 7 is a characteristic diagram showing a heat balance when plasma is formed by supplying argon gas in the inductively coupled plasma apparatus shown in FIG. This figure shows the same gas flow conditions as in FIG. 3 of the first embodiment, that is, a radial flow rate of 35 [l / min], a circumferential flow rate of 10 [l / min],
In addition, it is a measurement result of a heat balance when an argon plasma is formed at an axial flow rate of 15 [l / min]. As can be seen, the plasma flame output is further increased and the ground electrode loss is significantly reduced as compared to the characteristics of the first embodiment of FIG. That is, in this configuration, a loss can be reduced, plasma can be stably maintained, and a plasma frame having a large thermal output can be obtained.
【００２６】＜第５実施例＞図８は、本発明による誘導
結合プラズマ装置の第５実施例の基本構成を示す要部の
断面図である。本実施例の特徴は、接地電極５Ｅに、第
２実施例と同様に軸方向主ノズル５ｃと軸方向副ノズル
５ｄを備えるとともに、第４実施例と同様に軸方向端面
に薄肉円筒部１４Ａを備えて構成した点にある。したが
って、本構成においては、軸方向主ノズル５ｃと軸方向
副ノズル５ｄからの流量を調整することにより、軸方向
のガスの流れの径方向の広がりが制御でき、さらに、軸
方向主ノズル５ｃとプラズマとの間隔が大きくなるの
で、ガスの流れの制御がより容易となり、さらに、接地
電極損失が大幅に低減される。すなわち、本構成では、
プラズマの安定性を損なうことなく、軸方向のガスの加
熱が効果的に促進され、熱出力の大きなプラズマフレー
ムが得られる。<Fifth Embodiment> FIG. 8 is a sectional view of a main part showing a basic structure of a fifth embodiment of the inductively coupled plasma device according to the present invention. This embodiment is characterized in that the ground electrode 5E is provided with an axial main nozzle 5c and an axial sub-nozzle 5d as in the second embodiment, and a thin cylindrical portion 14A is formed on the axial end face as in the fourth embodiment. The point is that it is provided. Therefore, in this configuration, by adjusting the flow rate from the axial main nozzle 5c and the axial sub-nozzle 5d, the radial spread of the gas flow in the axial direction can be controlled. Since the distance from the plasma is increased, the control of the gas flow becomes easier, and the loss of the ground electrode is greatly reduced. That is, in this configuration,
The heating of the gas in the axial direction is effectively promoted without impairing the stability of the plasma, and a plasma flame having a large heat output can be obtained.
【００２７】＜第６実施例＞図９は、本発明による誘導
結合プラズマ装置の第６実施例の基本構成を示す要部の
断面図である。本実施例の特徴は、接地電極５Ｆに、第
１実施例と同様に軸方向主ノズル５ｃを備え、また第４
実施例と同様に軸方向端面に薄肉円筒部１４Ｂを備え、
さらに第３実施例と同様に薄肉円筒部１４Ｂの出口近傍
にガス整流板１３Ａを備えて構成した点にある。したが
って、本構成においては、軸方向のガスの流れが速度分
布を調整してプラズマに導入されるので、導入されたガ
スを効果的に加熱できることとなり、プラズマを安定に
維持し、プラズマフレームの熱出力を増大させることが
できる。<Sixth Embodiment> FIG. 9 is a sectional view of a main part showing a basic configuration of a sixth embodiment of the inductively coupled plasma device according to the present invention. This embodiment is characterized in that the ground electrode 5F is provided with an axial main nozzle 5c as in the first embodiment,
A thin cylindrical portion 14B is provided on the axial end surface as in the embodiment,
Further, as in the third embodiment, a gas flow regulating plate 13A is provided near the outlet of the thin cylindrical portion 14B. Therefore, in this configuration, the flow of the gas in the axial direction is introduced into the plasma by adjusting the velocity distribution, so that the introduced gas can be effectively heated, the plasma can be stably maintained, and the heat of the plasma flame can be maintained. The output can be increased.
【００２８】[0028]
【発明の効果】上述のごとく、本発明においては、誘導
結合プラズマ装置を、 （１）請求項１に記載のごとく構成することとしたの
で、プラズマの安定性を損なうことなく、プラズマトー
チのフレーム出力を増大させることができることとな
り、安定性に優れ、かつ高効率で大出力のプラズマフレ
ーム出力が発生でき、特に被処理物にプラズマフレーム
を照射して低コストで溶解処理する装置として効果的
な、誘導結合プラズマ装置が得られることとなった。As described above, in the present invention, the inductively-coupled plasma device is configured as described in (1) the first aspect of the present invention, so that the plasma torch frame can be maintained without impairing the stability of the plasma. It is possible to increase the output, and it is possible to generate a high-efficiency, high-efficiency, high-power plasma flame output with excellent stability. Thus, an inductively coupled plasma device can be obtained.
【００２９】（２）また、請求項２、３あるいは４のご
とく構成することとすれば、プラズマに導入されるガス
がより効率的に加熱されるので、安定性に優れ、かつ高
効率で大出力のプラズマフレーム出力が発生できる誘導
結合プラズマ装置としてより好適である。(2) According to the second, third or fourth aspect, the gas introduced into the plasma is heated more efficiently, so that the stability is excellent and the efficiency is high. It is more suitable as an inductively coupled plasma apparatus capable of generating an output plasma flame output.
【図１】本発明の誘導結合プラズマ装置の第１実施例の
基本構成を示す要部の断面図FIG. 1 is a sectional view of a main part showing a basic configuration of a first embodiment of an inductively coupled plasma apparatus of the present invention.
【図２】第１実施例の誘導結合プラズマ装置において軸
方向のガスを導入しないでアルゴンプラズマを形成した
時の熱収支を示す特性図FIG. 2 is a characteristic diagram showing a heat balance when an argon plasma is formed without introducing an axial gas in the inductively coupled plasma apparatus of the first embodiment.
【図３】第１実施例の誘導結合プラズマ装置において軸
方向のガスを導入しつつアルゴンプラズマを形成した時
の熱収支を示す特性図FIG. 3 is a characteristic diagram showing a heat balance when an argon plasma is formed while introducing an axial gas in the inductively coupled plasma apparatus of the first embodiment.
【図４】本発明の誘導結合プラズマ装置の第２実施例の
基本構成を示す要部の断面図FIG. 4 is a sectional view of a main part showing a basic configuration of a second embodiment of the inductively coupled plasma apparatus of the present invention.
【図５】本発明の誘導結合プラズマ装置の第３実施例の
基本構成を示す要部の断面図FIG. 5 is a sectional view of a main part showing a basic configuration of a third embodiment of the inductively coupled plasma device of the present invention.
【図６】本発明の誘導結合プラズマ装置の第４実施例の
基本構成を示す要部の断面図FIG. 6 is a sectional view of a main part showing a basic configuration of a fourth embodiment of the inductively coupled plasma device of the present invention.
【図７】第４実施例の誘導結合プラズマ装置のアルゴン
プラズマ形成時の熱収支を示す特性図FIG. 7 is a characteristic diagram showing a heat balance of the inductively coupled plasma apparatus according to the fourth embodiment when argon plasma is formed.
【図８】本発明の誘導結合プラズマ装置の第５実施例の
基本構成を示す要部の断面図FIG. 8 is a sectional view of a main part showing a basic configuration of a fifth embodiment of the inductively coupled plasma device of the present invention.
【図９】本発明の誘導結合プラズマ装置の第６実施例の
基本構成を示す要部の断面図FIG. 9 is a sectional view of a main part showing a basic configuration of a sixth embodiment of the inductively coupled plasma device of the present invention.
【図１０】従来の誘導結合プラズマ装置の基本構成を示
す部分断面図FIG. 10 is a partial cross-sectional view showing a basic configuration of a conventional inductively coupled plasma device.
【図１１】図１０の従来の誘導結合プラズマ装置のガス
供給部の構成を示す部分断面図11 is a partial cross-sectional view showing a configuration of a gas supply unit of the conventional inductively coupled plasma device of FIG.
１ 電気絶縁管 ２ 高周波誘導コイル ４ ガス導入部 ４ａ 径方向ガス導入口 ４ｂ 周方向ガス導入口 ４ｃ 径方向リング状ガス吹出ノズル ４ｄ 周方向リング状ガス吹出ノズル ５Ａ，５Ｂ，５Ｃ 接地電極 ５Ｄ，５Ｅ，５Ｆ 接地電極 ５ａ，５ｂ 軸方向ガス導入口 ５ｃ 軸方向主ノズル ５ｄ 軸方向副ノズル ５ｅ 軸方向大径ノズル ６ ガス供給配管 １１ ガス流量調整弁 １２ プラズマ １３，１３Ａ ガス整流板 １４ 薄肉円筒部 １４Ａ，１４Ｂ 薄肉円筒部 REFERENCE SIGNS LIST 1 electrical insulating tube 2 high-frequency induction coil 4 gas inlet 4 a radial gas inlet 4 b circumferential gas inlet 4 c radial ring gas outlet nozzle 4 d circumferential ring gas outlet nozzle 5 A, 5 B, 5 C ground electrode 5 D, 5 E , 5F Ground electrode 5a, 5b Axial gas inlet 5c Axial main nozzle 5d Axial sub-nozzle 5e Axial large diameter nozzle 6 Gas supply pipe 11 Gas flow control valve 12 Plasma 13, 13A Gas rectifying plate 14 Thin cylindrical portion 14A , 14B Thin cylinder
Claims (4)
波誘導コイル、電気絶縁管の内部にガスを周方向に導入
する第１のノズルと径方向に導入する第２のノズルを有
して電気絶縁管の一端に配されたガス導入部、ガス導入
部側の端部より電気絶縁管の内部へと高周波誘導コイル
と同軸に配置された接地電極を備えてなり、絶縁管内部
にプラズマガスを導入し高周波誘導コイルに高周波電流
を流してガスをプラズマ化して用いる誘導結合プラズマ
装置において、前記接地電極の絶縁管内部側の軸方向端
面にプラズマガスを絶縁管内部へ軸方向へ導入する第３
のノズルを備えたことを特徴とする誘導結合プラズマ装
置。An electric insulating tube, a high-frequency induction coil wound around the electric insulating tube, a first nozzle for introducing gas into the electric insulating tube in a circumferential direction, and a second nozzle for introducing gas in a radial direction. A gas introduction portion disposed at one end of the electric insulation tube, and a ground electrode disposed coaxially with the high-frequency induction coil from the end on the gas introduction portion side to the inside of the electric insulation tube. In an inductively coupled plasma apparatus that uses a plasma gas to introduce a plasma gas into a high-frequency induction coil and convert the gas into plasma, an axial end face of the ground electrode on the inner side of the insulating tube introduces the plasma gas into the insulating tube in the axial direction. Third
An inductively coupled plasma device comprising: a nozzle.
おいて、接地電極の絶縁管内部側の軸方向端面に、前記
の第３のノズルに隣接して、プラズマガスを軸方向に対
して傾斜させて導入する少なくとも１個の第４のノズル
を備えたことを特徴とする誘導結合プラズマ装置。2. The inductively coupled plasma apparatus according to claim 1, wherein the plasma gas is inclined with respect to the axial direction on an axial end face of the ground electrode inside the insulating tube, adjacent to the third nozzle. An inductively coupled plasma device comprising at least one fourth nozzle to be introduced.
おいて、前記の第３のノズルの接地電極の内部のプラズ
マガス導入経路にガス整流板を備えたことを特徴とする
誘導結合プラズマ装置。3. The inductively coupled plasma apparatus according to claim 1, further comprising a gas rectifying plate in a plasma gas introduction path inside the ground electrode of the third nozzle.
ラズマ装置において、接地電極の電気絶縁管の内部に対
向する軸方向端面に高周波誘導コイルと同軸に形成され
た薄肉円筒部を備えたことを特徴とする誘導結合プラズ
マ装置。4. The inductively coupled plasma device according to claim 1, further comprising a thin cylindrical portion formed coaxially with the high frequency induction coil on an axial end face of the ground electrode facing the inside of the electric insulating tube. An inductively coupled plasma device.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04271297A JP3819514B2 (en) | 1997-02-26 | 1997-02-26 | Inductively coupled plasma device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04271297A JP3819514B2 (en) | 1997-02-26 | 1997-02-26 | Inductively coupled plasma device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10241890A true JPH10241890A (en) | 1998-09-11 |
| JP3819514B2 JP3819514B2 (en) | 2006-09-13 |
Family
ID=12643694
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04271297A Expired - Lifetime JP3819514B2 (en) | 1997-02-26 | 1997-02-26 | Inductively coupled plasma device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3819514B2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006269117A (en) * | 2005-03-22 | 2006-10-05 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Plasma generating device, manufacturing method for base material for optical fiber and method for heating glass body |
| JP2022011605A (en) * | 2020-06-30 | 2022-01-17 | 日本特殊陶業株式会社 | Plasma irradiation device |
-
1997
- 1997-02-26 JP JP04271297A patent/JP3819514B2/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006269117A (en) * | 2005-03-22 | 2006-10-05 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Plasma generating device, manufacturing method for base material for optical fiber and method for heating glass body |
| JP2022011605A (en) * | 2020-06-30 | 2022-01-17 | 日本特殊陶業株式会社 | Plasma irradiation device |
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| JP3819514B2 (en) | 2006-09-13 |
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