JPS617600A - プラズマ反応装置 - Google Patents

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】 技術分野 本発明は材料を高温中にて反応させる゛ための高温発生
装置に係り、特に空間中に高温プラズマを形成してその
高温プラズマ中において材料を反応させるようにした装
置（以下、プラズマ発生装置と称する）に関するもので
ある。

先行技術 材料を高温中にて反応させるための高温発生装置として
、高温プラズマを利用することが考えられており、その
一種に、プラズマ化され或いはプラズマ化されるプラズ
マガスを噴出して高温プラズマを形成するプラズマアー
クトーチ等のプラズマ発生装置と、貫通空間内に柱状の
高温プラズマを形成する誘導プラズマ装置とを組み合わ
せ、その高温プラズマ中に材料を供給してこれを高温反
応させるようにしたものがある。第３図および第４図に
示す装置はそれぞれその一例であり、以下、これらの図
に基づいて具体的に説明する。

第３図において１０はプラズマアークトーチであり、一
対の電極１２および１４間に形成されるプラズマアーク
によって、ノズル１６内の通路１８を経て先端部の噴出
口２０から噴出されるアルゴンガス等の所定のプラズマ
ガスをプラズマ化し、高温プラズマを形成する。このプ
ラズマアークトーチ１０の先端部近傍には、石英管２２
等の外周に誘導コイル２４を巻回した誘導プラズマ装置
２６が配設されている。したがって、プラズマアークト
ーチ１０から噴出されたガスは、誘導プラズマ装置２６
の石英管２２内を貫流して図中一点鎖線で示すガス流２
８を形成し１、そのガス流２８中に比較的長い高温プラ
ズマを形成する。そして、この高温プラズマ内に供給ノ
ズル３０から粉末材料（反応させるための原料）を供給
すると、これがガス流２８の流れに沿って石英管２２内
を貫流する間に、高温プラズマの高温雰囲気中にて高温
反応させられるのである。また、第４図に示す装置は第
３図の電極１２の代わりに材料供給通路３２を備えた電
極３４を設け、この材料供給通路３２を経てガス流２８
内の高温プラズマの上流側の中心部に粉末材料を供給す
るようにしたものである。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら、上記のような高温プラズマを利用した高
温発生装置、すなわちプラズマ発生装置によれば、いず
れも比較的長い高温プラズマが形成されて、充分な反応
時間が得られるのであるが、材料の供給に関して未だ問
題を内在していた。たとえば、第３図の装置はプラズマ
化された高温のガス流２８の側方から材料を供給するよ
うに構成されているが、供給ノズル３０から放出された
材料は瞬時に加熱されて気化し、その容積が爆発的に増
大するため、材料の一部がガス流２８から弾き出されて
しまうのである。つまり、加熱に伴う容積変化は高温側
程著しく、その容積変化に起因して低温側に押し戻され
ると考えられるのである。

また、第４図の装置の場合には電極３４・に形成された
材料供給通路３２からガス流２８の中心部に材料が放出
されるようになっているが、プラズマアークトーチ１０
から噴出されたガス流２−８の断面積は比較的狭いため
、気化して膨張した材料の一部がガス流２８から外部に
逸脱してしまうのである。したがって“、いずれの装置
においても反応させるべき材料の一部が高温プラズマか
ら逸脱して高温プラズマ周囲の部材に付着し、高温反応
に供される材料の収率が充分に得られなかったのである
。また、プラズマアークトーチ１０からのガス流２８の
噴出によって形成される高温プラズマは断面積が小さく
、その断面における温度勾配が大きいところから、材料
の加熱が不均一となって安定した高温反応が得られ難い
という問題をも含んでいた。

問題点を解決するための手段 上記のような問題を解決するために、本発明は、環状高
温プラズマ部とこれに続く柱状の柱状高温プラズマ部か
らなる高温プラズマを空間中に形成し、その高温プラズ
マ中を通過する材料を反応させるプラズマ発生装置であ
って、（ａ）プラズマガスを噴出する環状の噴出口を備
え、その噴出口から噴出されたガス流中に断面環状の環
状高温プラズマ部を形成する環状プラズマ発生装置と、
ｆｂ）前記ガス流を貫流させる貫通空間を備え、前記環
状高温プラズマ部に続いて柱状を成す柱状高温プラズマ
部をその貫通空間内に形成する誘導プラズマ装置と、（
ｃ）前記環状プラズマ発生装置の噴出口に囲まれた材料
放出口を備え、前記材料を前記環状高温プラズマ部に囲
まれた比較的低温の空間に放出する材料供給装置とを含
んで構成したことを特徴とする。

作用 以上のように構成されたプラズマ発生装置においｉは、
材料供給装置から供給される材料は環状プラズマ発生装
置によって形成される環状高温プラズマ部に囲まれた比
較的低温の空間内に放出され、その環状高温プラズマ部
において加熱されつ・つ誘導プラズマ装置の貫通空間内
に形成される柱状高温プラズマ部内を通過し、高温反応
させられることとなる。ここで、環状高温プラズマ部に
囲まれた比較的低温の空間内に放出された材料は、環状
高温プラズマと接触するとその急激な膨張に起因して環
状高温プラズマ部から弾き出されるが、この場合には材
料が放出された環状高温プラズマ部の低温の空間側へ押
し戻されることが繰り返される。したがって、供給され
た材料が環状高温プラズマ部を通過してガス流の外部へ
逸脱することはなく、殆ど全ての材料が次第にガス化さ
れて高温プラズマ中を通過させられることになる。また
、環状プラズマ発生装置はガス流中に断面環状の環状高
温プラズマ部を形成するようになっており、その高温プ
ラズマ上流部の断面積が比較的大きくなって温度勾配が
小さくなるため、材料がガス流のどの部分に入っても充
分に加熱される。

実施例 次に、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。なお、前記従来例と共通する部分には同一の符号を
付して説明を省略する。

第１図において、４０は環状プラズマ発生装置としての
非移行式プラズマアークトーチの先端部であり、このプ
ラズマアークトーチ４０は、中心部に先端部程小径の供
給ノズル４２を備えており、供給ノズル４２の外側には
円筒形状のトーチ内筒４４およびトーチ外筒４６がそれ
ぞれ所定の距離を隔てて同心的に配設されている。これ
らトーチ内筒４４およびトーチ外筒４６はいずれも供給
ノズル４２の外周面に沿って先端部程小径とされており
、供給ノズル４２とトーチ内筒４４との間、トーチ内筒
４４とトーチ外筒４６との間には、それぞれ環状の通路
４８および５０が形成されている。また、供給ノズル４
２の中心にも通路５２が形成されている。

通路４８および５０は配管５４を介してプラズマガス送
給装置５６に接続されており、アルゴン。

水素、窒素などのプラズマ化される所定のプラズマガス
が供給されるようになっている。これらの通路４８およ
び５０内に供給されたガスは、両道路４８および５０の
先端にそれぞれ形成されている環状の噴出口５８および
６０から外部に噴出させられる。また、通路５２は配管
６２を介して粉末材料送給装置６４に接続されており、
高温反応させるべき所定の粉末材料がアルゴンガス、ヘ
リウムガス等の搬送ガスによって供給されるようになっ
ている。そして、供給された粉末材料は、通路５２の先
端に形成されている材料放出口６６から外部に放出され
る。これら粉末材料送給装置６４、配管６２１通路５２
および材料放出口６６によって材料供給装置が構成され
ている。

“　上記トーチ内筒４４およびトーチ外筒４６はプラズ
マアークトーチ４０の電極をも兼ねており、陰極側のト
ーチ内筒４４は融点が高く且つ熱電子放出量の多いトリ
ウム含有タングステン等によって形成されているととも
に、陽極側のトーチ外筒４６は熱伝導性の高い材料、例
えば銅製とされている。また、トーチ内筒４４とトーチ
外筒４６とは電気的に絶縁されている。なお、前記供給
ノズル４２も上記トーチ外筒４６と同様に銅等の熱伝導
性の高い材料製で、それら供給ノズル４２およびトーチ
外筒４６の先端部には、それぞれ冷却水が流通せしめら
れる冷却水通路６８および７０が設けられている。

トーチ内筒４４とトーチ外筒４６との間には、メイン電
源７２および点火用の高周波発振器７４を有する電気回
路が接続されており、高周波発振器７４およびメイン電
源７２によって高周波電圧および直流電圧が加えられる
ことにより、トーチ内筒４４の先端の外周縁部７６とト
ーチ外筒４６との間にプラズマアークが形成される。ト
ーチ外筒４６の外側には磁界発生用のコイル７８が配設
されており、電源８０から直流電流が供給されることに
よって、上記プラズマアークとほぼ直交する磁界が形成
される。これにより、トーチ内筒４４およびトーチ外筒
４６の先端部間に形成されたアークは、トーチ内筒４４
の外周縁部７６に沿って円周方向へ強制的に駆動され、
結局プラズマアークはトーチ内筒４４の外周縁部７６の
全体から均一に放出されて環状高温のプラズマ部９０が
形成されるようになる。なお、供給ノスル４２をトーチ
内筒４４と電気的に絶縁するとともにトーチ外筒４６と
接続すれば、供給ノズル４２およびトーチ内筒４４の先
端部間にも同様なプラズマアーりが形成される。

以上のように構成されたプラズマアークトーチ４０の先
端部近傍には前記従来例と同様な誘導プラズマ装置２６
が配設されており、その誘導コイル２４には電源８２か
ら高周波電流が供給されるようになっていて、石英管２
２の貫通空間８４内に前記環状の高温プラズマ部９０に
続く柱状の柱状高温プラズマ部９２が形成される。なお
、これらプラズマアークトーチ４０および誘導プラズマ
装置２６は図示しない所定の反応容器内に収容されてい
て、その反応容器内はアルゴンガス、ヘリウムガス等の
不活性ガスによって置換されている。

次に、本実施例の作動を説明する。

先ず、プラズマガス送給装置５６から通路４８および５
０内にアルゴンガス等の所定のプラズマガスが供給され
ている状態において、プラズマアークトーチ４０のトー
チ内筒４４とトーチ外筒′４６との間に高周波電圧およ
びメイン電源７２の直流電圧が加えられ且つコイル７８
に直流電流が供給されると、上記のプラズマガスは噴出
口５８および６０から噴出される際にプラズマアークに
よってプラズマ化され、一点鎖線で示すガス流８６中に
高温プラズマが形成される。この時、プラズマアークは
トーチ内筒４４の外周縁部７゛６の全体から均一に放出
されているため、噴出口５８および６０から環状に噴出
されるプラズマガスも均一にプラズマ化される。

そして、このようにプラズマアークトーチ４゜から噴出
されたガスは、ガス流８６のように誘導プラズマ装置２
６の貫通空間８４内を貫流して、反応容器の底部に向が
って流通するが、上記プラズマ化されたプラズマガスは
この誘導プラズマ装置２６によって更に高温状態に維持
され、ガス流８６中の高温プラズマ域が石英管２２内全
体まで拡大される。

ここで、プラズマアークトーチ４０の通路４８および５
０は共に先端部程小径の環状を成しているため、それ等
の噴出口５８．６０から噴出されるガス流８６もそのプ
ラズマアークトーチ４ｏがら噴出された当初においては
環状となり、内部に逆円錐形状の比較的低温の空間８８
が形成される。

したがって、この部分では前記高温プラズマも断面環状
とされて、環状高温プラズマ部９０が形成きれる。また
、その後ガス流８６が誘導プラズマ装置２６の貫通空間
８４内を貫流する際には、そのガス流８６はほぼ円柱状
を成すようになり、高温プラズマも柱状となって柱状高
温プラズマ部９２が形成されるようになる。

このように高温プラズマが形成されている状態で、粉末
材料送給装置６４から通路５２内に所定の粉末材料を供
給すると、その粉末材料は材料放出口６６から環状高温
プラズマ部９０に囲まれた比較的低温の空間８８内に放
出され、ガス流８６内に混入して高温プラズマにより加
熱される。この加熱によって粉末材料は気化するため、
その容積が急激に増大してガス流８６、すなわち高温プ
ラズマから弾き出される。すなわち、高温部側程膨張の
程度が大きいため、その膨張の差に基づいて粉末材料は
高温側から低温□側（この場合には空間８８側）に押し
戻されると考えられるのである。

、しかし、空間８８内に押し戻された粉末材料の一部は
周囲が環状高温プラズマ部９０によって囲まれているの
で再び高温プラズマと接触することになり、これが繰り
返されることにより、゛粉末材料が無駄なく環状高温プ
ラズマ部９０に混入して外部に逸脱することは殆どない
のである。そして、気化した粉末材料がこの約１０００
０°Ｃ程度の高温プラズマ中を通過する時間、たとえば
数十ｍ５ｅＣ内に、所定の反応が行われるのである。例
えば、粉末材料として５ｉｎ２とＣとの混合粉末を用い
た場合には、 ５ｉ０２　＋２Ｃ−Ｉ　Ｓｉ＋２ＣＯ の反応が行われて金属シリコンが得られる。

このように、本実施例のプラズマ発生装置によれば、粉
末材料が環状高温プラズマ部９０に囲まれた空間８８内
に供給され、その供給された粉末材料が環状高温プラズ
マ部９０の外部に逸脱することなく殆ど全てガス流８６
内に混入するため、供給された粉末材料のうち高温反応
に供されるものの割合（収率）が大幅に向上するのであ
る。また、その環状高温プラズマ部９０の断面積は、第
３図および第４図に示す従来装置のプラズマアークトー
チ１０によって形成される柱状の高温プラズマに比較し
て大きく、その温度勾配が小さくなるため、ガス流８６
内のどの部分に混入した粉末材料も同程度に加熱され得
て均一な高温反応が行われるのである。特に、本実施例
ではプラズマアークトーチ４０のプラズマアークがトー
チ内筒４４の外周縁部７６の全体から均一に放出される
ようになっているため、環状に噴出されるガスもほぼ均
一にプラズマ化されるのである。

また、本実施例では陰極となるトーチ内筒４４が粉末材
料を供給する供給ノズル４２とは別に設けられて、粉末
材料とトーチ内筒４４とが直接接触することがないため
、トーチ内筒４４の高温部が粉末材料によって損耗する
虞れはなく、前記第４図の従来例に比較して装置の耐久
性が向上し、かつ損耗物質による反応生成物の汚染が防
止できる。

なお、上記実施例では非移行式のプラズマアークトーチ
４０を用いた場合について説明したが、第２図に示ずよ
うな移行式のプラズマアーク）−チ９４を用いることも
できる。

すなわち、このプラズマ発生装置−’４−９４において
は、先ずメイン電源７２から抵抗器９６を経てパイロー
ソト電流を供給するとともに高周波発振器７４から高周
波電流を供給し、トーチ内筒４４とトーチ外筒４６との
間にパイロットアークを形成する。このパイロットアー
クは前記プラズマアークトーチ４０の場合と同様にトー
チ内筒４４の外周縁部７６の全体からトーチ外筒４６に
向かって均一に放出される。この状態でプラズマガス送
給装置５６から通路４８および５０内に所定のプラズマ
ガスが供給され、噴出口５８および６０から噴出される
と、トーチ内筒４４の外周縁部７６から放出されていた
アークはプラズマアークトーチ９・４の先端部近傍に配
設された環状の陽極９８との間に移行し、プラズマアー
クが形成される。

そして、このプラズマアークによって噴出口５８および
６０から噴出されたプラズマガスがプラズマ化され、環
状高温プラズマ部９０およびそれに囲まれた比較的低温
の空間８８が形成されるのである。

以上、本発明の実施例を図面に基づいて説明したが、本
発明はその他の態様でも実施できる。

例えば、上記実施例ではいずれもトーチ内筒４４が陰極
を兼ねていたが、供給ノズル４２をトリウム含有タング
ステン等にて形成し、陰極を兼ねるように構成すること
もできる。その場合には、トーチ内筒４４およびトーチ
外筒４６．のいずれか一方を取り除いても差し支えない
。

また、上記実施例では粉末材料がアルゴンガス。

ヘリウムガス等の不活性ガスにて搬送されるようになっ
ていたが、高温反応に供される材料に気体が含まれてい
る場合には、その気体を用いて他の粉末材料を搬送する
ようにしても良いことは勿論である。また、反応させる
材料は粉体状のみならず粒状等地の形状でも差支えない
。

その他−々例示はしないが、本発明はその精神を逸脱す
ることなく、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良
等を施した態様で実施し得ることは言うまでもないとこ
ろである。

発明の効果 以上詳記したように、本発明に係るプラズマ発生装置に
よれば、供給された材料が環状高温プラズマ部に囲まれ
た低温の空間内に放出されて、殆ど全て高温プラズマ・
のガス流中に混入させられるため、材料が高い収率で高
温反応に供されることとなるのである。また、高温プラ
ズマの断面積が大きく温度勾配が小さいため、高温プラ
ズマのどの部分に混入した材料も均一に高温反応させら
れることとなり、高温発生装置として極めて好都合なの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例であるプラズマ発生装置の構
成を説明する図である。第２図は本発明の他の実施例の
要部を説明する図である。第３図および第４図はそれぞ
れ従来のプラズマ発生装置の要部を示す縦断面図である
。 ２６：誘導プラズマ装置 ４０．９４：プラズマアークトーチ（環状プラズマ発生
装置） ５８．６０：環状の噴出口　　８４：貫通空間８６：ガ
ス流　　　　　８８：比較的低温の空間９０：環状高温
プラズマ部 ９２：柱状高温プラズマ部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 環状高温プラズマ部とこれに続く柱状高温プラズマ部か
   ら成る高温プラズマを空間中に形成し、該高温プラズマ
   中を通過する材料を反応させるプラズマ反応装置であっ
   て、 プラズマガスを噴出する環状の噴出口を備え、該噴出口
   から噴出されたガス流中に断面環状の環状高温プラズマ
   部を形成する環状プラズマ発生装置と、 前記ガス流を貫流させる貫通空間を備え、前記環状高温
   プラズマ部に続いて柱状を成す柱状高温プラズマ部を該
   貫通空間内に形成する誘導プラズマ装置と、 前記環状プラズマ発生装置の噴出口に囲まれた材料放出
   口を備え、前記材料を前記環状高温プラズマ部に囲まれ
   た比較的低温の空間に放出する材料供給装置と を含むことを特徴とするプラズマ反応装置。