JPS61161138A - プラズマ利用化学反応装置 - Google Patents

プラズマ利用化学反応装置

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JPS61161138A
JPS61161138A JP60001714A JP171485A JPS61161138A JP S61161138 A JPS61161138 A JP S61161138A JP 60001714 A JP60001714 A JP 60001714A JP 171485 A JP171485 A JP 171485A JP S61161138 A JPS61161138 A JP S61161138A
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JP
Japan
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plasma
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gas
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JP60001714A
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JPH0122813B2 (ja
Inventor
Kazunori Kijima
木島 弌倫
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National Institute for Research in Inorganic Material
Original Assignee
National Institute for Research in Inorganic Material
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J12/00Chemical processes in general for reacting gaseous media with gaseous media; Apparatus specially adapted therefor
    • B01J12/002Chemical processes in general for reacting gaseous media with gaseous media; Apparatus specially adapted therefor carried out in the plasma state

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はプラズマ利用化学反応装置に関する。
更に詳しくは、高周波を利用して発生させたプラズマに
より化学反応を起させ、金属、セラミックス、半導体、
耐火物などの粉末、単結晶、フィルム、コーティングを
作る装置に関する。
従来技術 高周波(例えばラジオ波、マイクロ波)を利用して発生
させた熱プラズマによ)化学反応を起こさせることは、
1961年M、工、TのRe6dにより開発された。こ
の反応装置は、第1図已に示すように、反応管2内にプ
ラズマ4を発生させ、一方から反応原料1を導入するよ
うに構成されていた。
3は高周波ワークコイルを示す。この装置では、1)、
反応原料1をプラズマ4の中央を通過させようとしても
反応原料はプラズマにはじかれてプラズマの外周に沿っ
て流れ5のように流れてプラズマ4内に導入され幡い。
2)、仮シにプラズマ4中に導入されたとしても、プラ
ズマが不安定になり消えてしまう。
従って極少蓋の反応原料しか処理し得ない欠点があった
。この欠点を改善するために第1図すに示すような装置
が開発された。すなわち、反応原料1をプラズマの尾炎
部に導入するように構成した。この装置においては、プ
ラズマは安定して持続するが反応原料1がプラズマ4の
中央部を通過しないため、反応原料とプラズマとの相互
作用が不十分である。そのため、 1)、反応収率が悪い。2】、未反応物質が混在したも
のとなる。3)、プラズマのエネルギー効率が悪いなど
の欠点があった。
これを更に改良したのが、第1C図に示す装置である。
この装置はアーク6・によシ発生させたアークプラズマ
(直流または交流)4′のスフ部に反応原料lを導入し
、これを更に高周波プラズマ4中央部に導入するように
した装置である。
この装置によると、1)、アーク6によるプラスw4を
用いるため、電極からの不純物が混合する。
2)、電極の消耗により長時間運転が困難である。
−1″ 3】、電極の管理など中煩雑であるなどの問題点があっ
た。
また、第1図dに示すような回転磁場7を利用してプラ
ズマ4を回転させてプラズマの型をドーナツ状となし、
この中央部に反応原料を導入するようにした装置も知ら
れている。この装置は直流アークの場合は可能であるが
高周波プラズマにおいては回転磁場を付属させることは
非常に困難である。しかも、単にスフ部に反応原料を導
入するものに比べると良いが、プラズマの内部を通過し
ないため、反応収率が悪く、未反応物の混入は防止し得
々い欠点は依然として残ったままである。
発明の目的 本発明の目的は従来のプラズマ利用化学装置の欠点を解
消し、プラズマを持続させて化学反応を連続的に行なわ
すための装置で、反応収率がよく、未反応物質が生成物
中に混在することがなく、プラズマのエネルギー効率の
優れたプラズマ利用化学装置を提供するにある。
発明の構成 本発明者は前記目的を達成せんと、高周波によ)発生す
るプラズマの性質について鋭意研究の結果、スフ部に反
応原料を導入する初段プラズマを長時間持続させるには
電極を用いないプラズマ発生ガンが望ましい事を究明し
た。さらに高周波プラズマを初段に用いてもプラズマの
中央部に導入することができ、このように二段階以上に
反応させると、反応が完全に行い得られ、効率よく、高
純度の反応生成物が得られることを究明し得た。
この知見に基いて本発明を完成した。
本発明の要旨は、化学反応装置において、高周波による
プラズマガンを前後に二段以上設け、初段プラズマガン
によシ発生させたプラズマのスフ部に反応原料を導入し
、更にこれを二段以降のプラズマガ/に発生させたプラ
ズマの中心部に導入して反応させるようにしたことを特
徴とするプラズマ利用化学反応装置にある。
本発明のプラズマ利用化学反応装置の実施態様を図面に
基いて説明すると、第2図の通シである。
第2図は該装置の縦断面で、反応管2の頂部に高周波に
よシプラズマを発生するガス導入管9を設けて、該ガス
を導入し、高周波ワークコイル3によシ初段のプラズマ
4を発生させる。8はシースガス導入管である。この初
段プラスフ40尾炎部に反応原料導入管1よシ反応原料
を導入する。複数の原料を別々に導入したい時は原料導
入管を複数個取付ければよい。原料により反応性が異な
る場合には、初段プラズマに相当するプラズマを複数個
設ければよい。8′はプラズマシースガス導入管である
。高周波ワークコイル3′によシニ段目のプラズマ4′
を発生させ、この中心部に前記反応原料を導入して反応
させる。
プラズマシースガス8,8′はサーマル・ビ/チ効果に
よりプラズマを閉じ込め、プラズマが反応管2の壁に接
触しないようにすると共に、反応生成物が反応管壁に析
出しないようにする。従って、場合によ)これを使用し
なくてもよい。10は冷却管で、冷却水または冷却空気
を導入して反応管2を冷却する。
なお、反応原料にプラズマガスを混合して導入してもよ
い。また、初段の高周波によるプラズマガンと二段以降
のプラズマガンは同一の高周波発振機から分電してもよ
く、また個別の発振機を用いてもよく、更に出力を変え
ることは勿論、異なった周波数を各段のプラズマに印加
するようにしてもよい。
初段プラズマの着火方法は次の2つの方法で行うことが
できる。
旬、初段プラズマガンのワークコイル3の中心部に金属
などの導電性物質を置き、電磁誘導により加熱すると、
それより発生する熱電子が引き金となシ、プラズマが着
火する。
2)、反応管全体を真空にして電a#、を印加するとグ
ロー放電が起こる。この放電中の電子が引き金となシ、
熱プラズマが着火する。
着火後はプラズマガう(−スガスを導入した後、反応原
料例えば、ガス原料のガス流量、ガス圧力を設定してプ
ラズマのスフ部に導入する。ガス圧力を負圧で使用する
場合には真空排気装置(図示していない)を反応管に接
続して排気する。
二段プラズマはワークコイル3′に電力を供給して着火
する。これにより発生したプラズマの中央部に初段プラ
ズマのスフ部を通過した原料を導入する。導入された原
料は十分な相互作用を受は反応する。まだ未反応のもの
が存在するときは三段のプラズマを発生させてこの中央
部に導入して反応を完結させる。
発明の効果 本発明の装置によると、次のような優れた効果を奏し得
られる。
1)、初段プラズマのスフ部に反応原料を導入し、これ
を二段以下のプラズマの中央部に導入するため、多量の
原料を導入してもプラズマが消えることがない。従って
多量生産が可能である。
2)、二段以下のプラズマの中心部に原料を通過させる
ので、プラズマと原料との相互作用が十分に行われる。
従って反応生成物の収率がよく、未反応物質の混在がな
くなるばかりでなく、エネルギー効率が優れたものとな
る。
3)、直流または交流のアークを用いないため、電極か
らの汚染がなく高純度の反応生成物が得られ、また電極
の消耗がないため、連続運転で可能である。
4)、反応管の壁に不純物及び反応生成物の付着を少な
くし得られ、長時間の連続運転をすることができる。
実施例1゜ 第2図の反応装置を使用し、高周波ワークコイル3に発
振周波数4 MHzの高周波電源を接続し、陽極電圧5
.5 kV、 @積電流1.27 A、格子電流29m
Aを印加し、ガス導入管9からアルゴンガスを1、エチ
レンガス(G2)L4)を毎分42*tを原料導入管1
よりプラダマ40尾炎部に導入した。これを更に前記と
同様にして発生させたプラズマ4′の中央部へ導入した
。これKよシ炭化けい素が生成した。
なお、シースガス導入管8.8′よりガスを毎分2〜3
1導入すると共に冷却管10から水を供給して反応管2
を冷却した。
炭化けい素の収率は88.5%、生成物はβ−8iC(
ダイヤモンド構造)のみで、未反応カーボンは検出され
なかった。色は黒色で平均粒径は約10OAであった。
なお、初段プラズマのスフ部のみを通過させた場合の反
応生成物の収率は30〜35%で、未反応カーボンが1
0%近く混在していた。
実施例2、 実施例1と同様に、発振周波数4 Ml(zの高周波電
源を接続し、陽極電圧5.0kV1陽極電流1.15A
、格子電流26 mAを印加した。アルゴンガスを毎分
1.51 、シランガス毎分6.7 sl 、メタンガ
ス毎分27−を通じ、ガス圧力160 Torrの下で
実施例1と同様にして反応させた。
収率は90.34%で、生成物はβ−8iCであシ、未
反応のSi 、 Gは検出されなかつ九。
生成物は黒色の平均粒径150 Aの超微粒子であった
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のプラズマ利用化学反応装置で、第1図a
は反応管内にプラズマを発生させ、一方から反応原料を
導入する装置、第1図すはプラズマスフ部へ反応原料を
導入する装置、第1図Cはアークプラズマと高周波プラ
ズマを使用した装置、第1図dは回転プラズマ装置、第
2図は本発明のプラズマ利用化学反応装置の実施態様図
である。 l:反応原料、     2:反応管、3 、3’ :
高周波ワークコイル、 4 、4’ :プラズマ、   5:原料の流れ、6:
直流アーク、    7二回転磁場、8.8’:シース
ガス導入管、 9:プラズマ発生ガス導入管、 lO:冷却管。 特許出願人 科学技術庁無機材質研究所要後  藤  
   優 (a)  87図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 化学反応装置において、高周波によるプラズマガンを前
    後に二段以上設け、初段プラズマガンにより発生させた
    プラズマの尾炎部に反応原料を導入し、更にこれを二段
    以降のプラズマガンに発生させたプラズマの中心部に導
    入して反応させるようにしたことを特徴とするプラズマ
    利用化学反応装置。
JP60001714A 1985-01-09 1985-01-09 プラズマ利用化学反応装置 Granted JPS61161138A (ja)

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JPS61161138A true JPS61161138A (ja) 1986-07-21
JPH0122813B2 JPH0122813B2 (ja) 1989-04-27

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