JPS62500290A - Multi-arc plasma device producing continuous gas jets - Google Patents

Multi-arc plasma device producing continuous gas jets

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JPS62500290A
JPS62500290A JP60504179A JP50417985A JPS62500290A JP S62500290 A JPS62500290 A JP S62500290A JP 60504179 A JP60504179 A JP 60504179A JP 50417985 A JP50417985 A JP 50417985A JP S62500290 A JPS62500290 A JP S62500290A
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フエンダー、エミール
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リ−ジエンツ オブ ザ ユニバ−シイテイ オブ ミネソタ
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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。 (57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 連続的ガスジェットを生じろ複数アークのプラズマ装置この発明は、国家科学基 金により授与された許可番−< p g82−00628の米国政府援助により なされた。米国政府は、この発明について一定の権利を有する。[Detailed description of the invention] Multi-arc plasma device that produces continuous gas jets This invention is a National Science Foundation With support from the United States Government under Grant No.-<pg82-00628 awarded by It was done. The United States Government has certain rights in this invention.

発明の背景 1、発明の属する分野 この発明は、連続的プラズマによる材狛の処理IC関し1時に、アノード及び/ または粒状処理材料に所望の熱伝達を行うために1合体したプラズマ柱の中心に 注入されるガス(気体)を用いる、プラズマ処理のための装置及び方法に関する 。Background of the invention 1. Field to which the invention belongs The present invention relates to an IC for processing timber by continuous plasma. or at the center of a coalesced plasma column to achieve the desired heat transfer to the granular treated material. Apparatus and method for plasma processing using injected gas .

2先行技術 カソードとアノードとの間のアークによって形成された熱プラズマは高@を発生 し、また高度の活性を有するので、近年、冶金学及び合成化学の関係者の関心を 集めている。高強度アークは、@接、切断、プラズマスプレー、P@明、大電力 回路のa断、溶融及び合金化、ならびに耐熱性超微粒子の製造に用いられている 。2 Prior art Thermal plasma formed by the arc between the cathode and anode generates a high @ In recent years, it has attracted the attention of those involved in metallurgy and synthetic chemistry because it has a high degree of activity. are collecting. High intensity arc is @contact, cutting, plasma spray, P@light, high power Used for breaking circuits, melting and alloying, and producing heat-resistant ultrafine particles .

アークによって発生された磁気流体力学効果は、高強IWアークを支配すること が仰られている。アーク電流と自己の磁界との相互作用は、ボンピング作用を発 生し、カソードジェット及びアノードジェットと呼ばれろ、ジェットすなわちガ ス(気体)の流れを引き起こす。このようにして誘起されたガス流れの作用は、 カソードとアノードとの間のギャップ及びt&を流強度に依存し、またアノード への全伝熱量に大きく影響する。The magnetohydrodynamic effect generated by the arc dominates the high intensity IW arc. is being said. The interaction between the arc current and its own magnetic field produces a pumping effect. jets or gases, called cathode jets and anode jets. cause a flow of gas. The effect of the gas flow induced in this way is The gap between cathode and anode and t& depends on the flow intensity and the anode It greatly affects the total amount of heat transfer to.

この発明は、好ましい実施態様においては、複数のアーク系を使用する。複数の アーク系と協働して、J、E、ハーク−(Harry )及びR,ナイト(Kn ight )による「同一供給源からの電気アークの同時操作」〔アイ・イー・ イー・イートランスプラズマサイエンス(IEEE Trans Prasma Sctence)PS、9 (41PP、248−254(1981) )と題 する論文、及び第6回l−!il際プラズマ化学シポジウムにおいて発行された 論文「複数アーク放電処理のための1!源設計」〔シンポジウム・プロシーデイ ンダス、 Vol、1.PP、150−155(1983)) において説明さ れている公知のm気回路が使用される。The invention uses multiple arc systems in a preferred embodiment. plural In collaboration with the Arc system, J.E.Harry and R.Kn. "Simultaneous operation of electric arcs from the same source" by I. IEEE Trans Plasma Science Sctence) PS, 9 (41PP, 248-254 (1981)) paper, and the 6th l-! Published at the International Plasma Chemistry Symposium Paper “1! Source Design for Multiple Arc Discharge Treatment” [Symposium Proceedings Ndas, Vol. 1. PP, 150-155 (1983)) A known m-air circuit is used.

しかし、(1)処理のために、粒子をプラズマ領域に注入し、アノードから離れ た位置で、これら粒子を幅方向に、外側へ排出することを可能にするため、及び (2)アノードの加熱を制彌するために、複数のカソード及び/またはプラズマ トーチを用いて、安定な合成直流アークをん1]闘し得ろように形成するには問 題があった。However, (1) for processing, particles are injected into the plasma region and separated from the anode; in order to allow these particles to be ejected widthwise and outwardly, and (2) multiple cathodes and/or plasmas to limit heating of the anode; Using a torch, it is difficult to form a stable synthetic DC arc so that it can be used There was a problem.

なお、ここで1史用する「プラズマトーチ」は、一端にノズルを有し、管状のア ノードによって囲まれた細い一状のカソードからなるVe喧を意味するものとす る。プラズマトーチに適当り心力が供給されると、プラズマのジエ、)がノズル の開口から放射される。The "plasma torch" used here is a tubular torch with a nozzle at one end. shall mean Ve, which consists of a thin, uniform cathode surrounded by nodes. Ru. When the appropriate power is supplied to the plasma torch, the plasma nozzle is emitted from the aperture.

アノード表面の熱消費に伴う問題もまた、依然として存在する。ホットスポット はアノード材lの有害な蒸発を引き起こすので、局在する極高温点(ホットスポ ット)の発生を避けるのが望ましい。液体で冷却されたアノードを用いろ場合で さえも、蒸発が問題となる。Problems with heat dissipation on the anode surface also still exist. hot spot cause harmful evaporation of the anode material, localized extremely hot spots (hot spots) It is desirable to avoid the occurrence of In some cases, a liquid-cooled anode is used. Even then, evaporation becomes a problem.

前述のバー’J −()far ry )の論文には、その内部にプラズマが形 成されるアークを発生するために、中心軸の回りに離して配:置された仮数のカ ソードを用いろことがa8或されており、1976年11月2日に発行されたセ イス(Sayce )の米国特許f:pj3989512号には、プラズマ柱を 発生するため、中心軸の回りに離間して配置した。複数の非移行型アークプラズ マトーチが記aされている。The above-mentioned paper by Bar'J-()farry) states that plasma is formed inside the paper. A number of mantissas spaced apart around a central axis are used to generate an arc. It is written in a8 that you should use a sword, and the se Sayce's U.S. patent f:pj3989512 describes a plasma column. Because of this, they are spaced apart around the central axis. Multiple non-migratable Arcplas Matouchi is written a.

プラズマ技術に関する背景は、S、Δ1.L、ハンプリン(Hamblyn)K よる論文[プラズマ技術及びその抽出冶金学への応用(Plasma Tech nology And Its ApplicationTo Extract ive Metallurgy ) J Cミネラルサイエンスエンジニアリン グ(Mineral 5cience Engineering) SCI。For background on plasma technology, see S, Δ1. L, Hamblyn K [Plasma Technology and its Application to Extractive Metallurgy] nology And Its Application To Extract ive Metallurgy) JC Mineral Science Engineering (Mineral 5science Engineering) SCI.

Engng、Vol、9JJo、3 、pp、151−176(Ju、1y 1 977) 〕にも示されている。Engng, Vol, 9JJo, 3, pp, 151-176 (Ju, 1y 1 977)].

ハンプリン(Hamblyn )の論文第153頁、第6図及び第7図には、直 流電流電源を使用することによって安定化した三相(AC)プラズマ系が示され ている。この装置は中央プラズマ流を形成し、また一様な1政のプラズマを発生 するために、プラズマ流に沿って中心のガスを有していることが示されている。Hamblyn's paper, page 153, Figures 6 and 7, A three-phase (AC) plasma system is demonstrated that is stabilized by using a current current source. ing. This device forms a central plasma stream and also generates a uniform plasma. In order to do this, it has been shown to have a central gas along the plasma flow.

このシステムは主として、流動床原子炉における釦熱性醒化物への伝熱の実験研 究に用いられた。この論文の装置汽は。This system is mainly used for experimental research on heat transfer to button fever atomized materials in fluidized bed reactors. It was used for research. The equipment of this paper is steam.

この発明の装置で用いられる、3個のカソードによってtnられるような合成さ れた直MeアークVこ対して準備されておらず、アークを安定させろためのガス 流の使用及び/または粒子材料の注入及び処理を教示するものでもない。The synthetic material used in the device of this invention is tn by three cathodes. There is no preparation for the direct Me arc V, and gas to stabilize the arc Nor does it teach the use of streams and/or the injection and treatment of particulate materials.

補足的な業績がC1千−ア(Cbeer)他による論文[招待論文:高強度環流 電気アークの開発と応用(InvitedReview : Developm ent And Application of TheE(igh Inte nsity Convective Electrtcal Arc月Chem 、Eng、Comm、、Vol、19.pp、1−47(1982)において公 知であり、特に、第17−27頁において、カソードチップ近傍で生じろ「カソ ードポンプ」の説明がある。この論文忙は単一のカソードが開示されおり、プラ ズマに導入された粒子は、プラズマ中にある程度注入されるが、はとんどはプラ ズマの周辺を移動し、処理に有用な高温プラズマのコアが充分に用いられないこ とが教示されている。A complementary work is a paper by Cbeer et al. [Invited paper: High-intensity reflux Development and application of electric arc (InvitedReview: Developom ent And Application of TheE(igh Inte nsity Convective Electrtcal Arc Chem , Eng, Comm, , Vol. 19. Published in pp. 1-47 (1982). In particular, on pages 17-27, there is a description of the ``cathode'' that occurs near the cathode chip. There is an explanation of ``Dead Pump''. This paper discloses a single cathode and Particles introduced into Zuma are injected into the plasma to some extent, but most of the particles are injected into the plasma. The high-temperature plasma core that moves around Zuma and is useful for processing may not be fully utilized. is taught.

窒化硅素のプラズマアーク展進における、一般的な技術水準を示すその油の特許 として、1980年6月3日にバービー(Harvey) 他に与えられた米国 特許第4206190がある。これは窒化硅素粒子を形成するためのプラズマア ーク炉を示している。The oil patent that represents the general state of the art in silicon nitride plasma arc expansion. As granted to Harvey et al. on June 3, 1980, the U.S. There is a patent number 4206190. This is a plasma atomization process for forming silicon nitride particles. It shows an arc furnace.

ジルコンのアークプラズマ分離が、ケミカルエンジニアリング(Chemica l Engineering、November 24. 1975)におけろ (司題目の論文中に説示されている。これは、プラズマ技術の一般的応用を単に 示すにすぎない。Arc plasma separation of zircon is a chemical engineering l Engineering, November 24. 1975) (Explained in the title paper. This is simply a general application of plasma technology. It's just to show.

プラズマアークの使用及び/またはプラズマ発生器を示すその他の特許として以 下のものがある。Other patents showing the use of plasma arcs and/or plasma generators include: There is one below.

米国特許番号 発 明 者 づれ 行 日3313908 R,アンガー(Un ger) 他 1967年4月11日3496280 D、デューケロ−(Du kelow)I山 197(1〃 21171/3573090 J、ピーダー リン(Paterson) 19711/ 3s30x3980802 B、7 −e−)ン(Paton) 他 1976I 9I14#4121083 R, スミス(Smyth) 1978〃lO/l17I4141694 S、カマコ ー(Camacho) 1979〃 2g2714426709 J、フェガー ル(Fegerl) 他 1984# 1//171複数カソードのプラズマ発 生器は先行技術において会矧であるが、次のようないくつかの問題がある。U.S. Patent Number: Date: 3313908 R. Unger ger) et al. April 11, 1967 3496280 D, Du kelow) I mountain 197 (1〃21171/3573090 J, peadar Lin (Paterson) 19711/3s30x3980802 B, 7 -e-) Paton et al. 1976I 9I14 #4121083 R, Smyth 1978 lO/l17I4141694 S, Kamako - (Camacho) 1979 2g2714426709 J, Feger Fegerl et al. 1984#1//171 Multiple cathode plasma generation Although biogens are well known in the prior art, there are several problems as follows.

(1) プラズマ柱の安定性に欠け、プラズマ柱がアノード面上で不規則に躍り 易いこと。(1) The plasma column lacks stability, and the plasma column jumps irregularly on the anode surface. It's easy.

(2) アノード面上に局在するホットスポットにより、アノードの有害な蒸発 が生じろこと。(2) Harmful evaporation of the anode due to hot spots localized on the anode surface Let it happen.

(3)有害なホットスポットを生じろことなしに、アノードへの高い熱伝達を維 持することが困難であること。(3) Maintain high heat transfer to the anode without creating harmful hot spots. difficult to maintain.

(l↓)処理のためにプラズマ中に粒状物体を注入する場合、プラズマの粘性及 び熱勾配効果を克服することが困難であること。(l↓) When injecting particulate matter into plasma for processing, the viscosity of the plasma difficulty in overcoming thermal and thermal gradient effects.

(5)効果的で完全な処理を確保するため、プラズマ中に粒状物体を充分な時間 維持することが困難であること。(5) Leave particulate matter in the plasma for sufficient time to ensure effective and complete treatment. Difficult to maintain.

この発明は、これらの問題点を解決することを目指すものである。This invention aims to solve these problems.

発明の概要 複数のカソード配置によって示されろような、複数の発生源を備えたプラズマ発 生装置は、中心軸の回りに配置した複数のプラズマ発生部材を有する。ガスノズ ルは、目標(ターゲット)面に向かって5装置の上部から下部へ不活性ガスまた は活性ガス、及び/あるいは粒状物体を供給するように。Summary of the invention Plasma generation with multiple sources, as indicated by multiple cathode arrangements The plasma generating device includes a plurality of plasma generating members arranged around a central axis. gas nozzle 5 The inert gas or to supply active gas and/or particulate matter.

軸に沿って、その中心が配置されている。複数のカソード配置の場合、ガスノズ ルの位置は複数のカソードが配置されている領域内にあり、前記ノズルはアノー ドに向かって下方に向けられている。Its center is located along the axis. For multiple cathode arrangements, the gas nozzle The location of the nozzle is within an area where a plurality of cathodes are arranged, and the nozzle It is directed downward toward the do.

好ましい実施態様においては、複数アーク装置は1合成されたアークによって1 つのプラズマ柱を形成するようにtffff動駆動、また、ノズルからの不活性 ガス流は、アークの安定性を向上するため、および、プラズマの芯部(コア)に 粒状物体を連続的に供給して、社訓の処理を制御可能に−tろ手段を提供するた めに、プラズマ柱の軸に沿って、プラズマ柱を通るように方向付けられている。In a preferred embodiment, the multi-arc device has one combined arc. tffff dynamic drive to form two plasma columns, also inert from the nozzle The gas flow improves the stability of the arc and the core of the plasma. In order to provide a means for continuously supplying granular materials and controlling the processing of company principles, oriented along the axis of the plasma column and through the plasma column.

プラス18発生するアークの使用によって生じる自己d導ポンピング作用(11 1述したカソード及びアノードジェット)が存在することは良く知られているが 、この発明の装置においては、カソードからアノードに向かう方向の強制された ガス流がプラズマ流に強く影響する。この発明の@1の実施例において1強制さ れたガス流の制御は、局在するホットスポットを生じることなく、アノードへの 伝熱を向上させるような、アノードとの実質的な接触領域を有するつり鐘状アー クを発生させることになる。+18 self-d-conducting pumping action produced by the use of an arc generated (11 It is well known that the cathode and anode jets mentioned above exist. , in the device of this invention, the forced direction from the cathode to the anode is Gas flow strongly influences plasma flow. In @1 embodiment of this invention, 1 is mandatory. controlled gas flow to the anode without creating localized hot spots. A bell-like arc with a substantial contact area with the anode to improve heat transfer. This will cause problems.

さらに、中心ノズルからの強制されたガス流は、材料の浴融及び/または化学反 応のような飛翔中(inflight )の処理がプラズマ内に閉じ込められる ように、a数のアークの芯部に粒状材lを注入する手段として使用されることが できろ。In addition, the forced gas flow from the central nozzle may cause bath melting and/or chemical reaction of the material. In-flight processes such as reactions are confined within the plasma. As such, it can be used as a means to inject granular material l into the core of an arc with You can do it.

第2の実施例は1強制されたガス流と、このタイプの装置において生じる自己肪 導ガス流との間の相互作用を利用する。The second embodiment is a forced gas flow and autologous fat that occurs in this type of device. It takes advantage of the interaction between the guiding gas flow and the guiding gas flow.

アークプ2ズマ反応!&置としてこの発明を使用したものである。Arcp2zuma reaction! This invention is used as a &.

強制されたガス流は、アノードまたはカソードの一方または双方の領域に、外部 的に与えられる環流(convective )ガス流である。自己誘導ガス流 は、カソードジェット2呼ばれるカソードからアノードへの、及びアノードジェ ットと呼ばれろアノードからカソードへの、ガスの*a気的なポンピング効果で ある。これら自己誘導ガス流と強制されたガス流との相互作用を利用することに より、例えば注入される檀々の粒状材料から微粉末を製造する際の、プラズマ処 理が改善される。The forced gas flow is applied externally to one or both regions of the anode or cathode. It is a convective gas flow given by self-guided gas flow from the cathode to the anode, called cathode jet 2, and from the anode jet 2. It is called a gas pumping effect from the anode to the cathode. be. By utilizing the interaction between these self-induced gas flows and forced gas flows, For example, when producing fine powder from injected granular material, plasma processing The process is improved.

カソードジェットによって増大した。カソードからアノードへの強制されたガス 流は、アノードジェットを抑制し、カソードとアノードとの間のある位置(レベ ル)lC滞留層を形成するために使用することができる。この滞留域は高いプラ ズマ温;Wを有し、かつ比較的小さいガス流速の領域であり、粒状材料のプラズ マ処理に理想的に適している。後で示すように、強制されたガス流によって搬送 される粒状材料は、高這プラズマに乗せられて局留域に比較的長時間維持され、 処理視品の適切な形成を向上させろ。処理された粒状材料は。Augmented by cathode jet. Forced gas from cathode to anode The flow suppresses the anode jet and causes a certain position (level) between the cathode and anode ) Can be used to form an IC retention layer. This stagnation area has a high It is a region with a Zuma temperature of W and a relatively small gas flow velocity, and the plasma ideally suited for machining. Conveyed by forced gas flow, as shown later The granular material is carried by high-flying plasma and maintained in a localized area for a relatively long time. Improve the proper formation of processed visual items. Processed granular material.

次にアーク領域から横方向に外方へ放出され、回収のために炉の側壁に備突させ ろことができろ。強制されたガスは、粒状対相の処理に関して不活性または活性 とすることができる。It is then ejected laterally outward from the arc region and is placed against the side wall of the furnace for collection. Be able to do things. The forced gas can be inert or active with respect to the treatment of granular particles. It can be done.

この発明の両実施例VCおいて、アークの自己磁界の相互作用は個々のアーク8 1つのアーク住に合体するように作用する。この合体はカソードからある距離の 位置で起こるので、カソード−アノード間隔はこのような合体8確保するように fA整される。強制されたガス流を適切に調整することにより、rlW留層はア ークが合体した後方の位置で、しかも改善された材はの処理を行える領域内に位 置することになる。In both embodiments VC of the invention, the interaction of the self-magnetic fields of the arcs is It works to combine into one arc. This coalescence occurs at a certain distance from the cathode. Since this occurs at the position, the cathode-anode spacing should be set to ensure such a union of 8 fA is adjusted. By properly adjusting the forced gas flow, the rlW reservoir can be at the rear of the coalesced arc, and within the area where the improved material can be processed. I will put it there.

同様の滞留効果は、単一のアークを使用する単一のカソードによっても実現でき るが、その場合は、aμのカソードの;モ鷹の債果として得られる。軸外の[m 1lL’ピークに起因する改善された粒子搬送の利点を有さない。aaカソード の装置は粒子の改善された処理をもたらす。A similar retention effect can also be achieved with a single cathode using a single arc. However, in that case, it is obtained as a result of the aμ cathode; Off-axis [m It does not have the benefit of improved particle transport due to the 11L' peak. aa cathode The device provides improved processing of particles.

強制されたガス流とアノード及びカソードジェットとの組させ、及びこれらのガ ス流の相互作用は、これまで得られたものよりも′A質的に優れた結果及び効率 を与えろ。pairing a forced gas flow with anode and cathode jets and The interaction of gas flows has shown qualitatively better results and efficiency than previously obtained. Give me.

図面の簡単な説明 第1図は、模式的に表わした電気回路を含む、この発明のプラズマ発生装置の模 式図である。Brief description of the drawing FIG. 1 is a diagram of a plasma generator of the invention, including a schematically represented electrical circuit. It is a formula diagram.

第2図は、アノードへの伝熱を向上するために、中心ノズルを用いた1強制され たガス流によって得られたアーク形状(つり鐘形状)タイプを示すための、この 発明の装置の模式的側断面図である。Figure 2 shows one forced nozzle using a central nozzle to improve heat transfer to the anode. This figure is used to illustrate the type of arc shape (bell shape) obtained by the gas flow. 1 is a schematic side sectional view of the device of the invention; FIG.

第3図は、プラズマ反応装置のために、アノードとカソードとの間のプラズマ柱 中に滞留域を形成するように減速された、強制ガス流の効果を示すこの発明の装 置を表わす側断面図である。Figure 3 shows a plasma column between an anode and a cathode for a plasma reactor. The device of this invention exhibits the effect of forced gas flow slowed to form a stagnation zone in the FIG.

第4図は、プラズマ柱のアノード及びカソード端から、強制されたガスノズルを 介して粒子が注入されたときの粒子の処理を説明するための、第3図の配置を表 わした偽断面図である。Figure 4 shows forced gas nozzles from the anode and cathode ends of the plasma column. The arrangement in Figure 3 is shown to explain the processing of particles when they are injected through the This is a false cross-sectional view.

第5図は1、第3図に示されるように、アノードジェットにより支配される作動 モードでの、アノードの熱消費を説明し、2つのアーク長について、第2図に示 される強制されたガス流及びカソードジェットにより支配される作動モードモー ドへの転移を説明する、この発明の装置の典型的な作動結果を負すグラフであり 、標準電流100アンペアで異なるガス流におけろアノードへのアークの接触の タイプを示すものである。Figure 5 shows the operation dominated by the anode jet as shown in Figures 1 and 3. The heat dissipation of the anode in the two arc lengths is shown in Figure 2. The operating mode is dominated by a forced gas flow and a cathode jet. FIG. , of contact of the arc to the anode at different gas flows at a standard current of 100 amperes. It indicates the type.

第6図は、標準′直流100アンペアで、2つの異なるアーク長におけるガス流 対電圧をプロットした、この発明の装置の電圧特性を示すグラフである。Figure 6 shows the gas flow at two different arc lengths at standard 100 amps DC. 1 is a graph showing the voltage characteristics of the device of the present invention plotted versus voltage.

好ましい実施例の詳細な説明 第1図において、プラズマ形成手段は包括的に符号lOで示され、図示の聾様で はアノード11を含み、ざらに好ましい実施例では、図に示されるように7アノ ードから所望の間隔を保って適当な方法(図示されていない〕で支持される・複 数のカソード12,13及び148含む。これらは、必要に応じて適当に冷却さ れたフレーム中に支持することができ、例えば模式的に符号20で示されろ雫を 有する視界内圧配置される。DETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS In FIG. 1, the plasma forming means is designated generically as lO and is shown in a deaf-like manner. includes an anode 11, and in a generally preferred embodiment includes seven anodes as shown in the figure. supported in a suitable manner (not shown) at the desired spacing from the board. It includes a number of cathodes 12, 13 and 148. These can be cooled appropriately if necessary. For example, a droplet, shown schematically at 20, can be supported in a frame that is It has a visual field and is placed under pressure.

図示の態保において、@諒2xはライン22及び抵抗器23を介してアノード1 1に電力を供給する。各カソード12.13及び14はライン261分路抵抗器 24及び抵抗器24と直夕I K接続された安定化抵抗器25を介して電源21 の負極に接続されている。カソード 12,13及び14はライン26を介して ’IIt匁21の負側に並列に接続されている。In the configuration shown, the anode 1 is connected to the anode 1 via line 22 and resistor 23. 1. Each cathode 12, 13 and 14 is a line 261 shunt resistor 24 and the power supply 21 via a stabilizing resistor 25 connected directly to the resistor 24. connected to the negative terminal of Cathodes 12, 13 and 14 are connected via line 26 It is connected in parallel to the negative side of 'IIt Momme 21.

上記の電気回路は、アークを発生するのに充分な′rlL流の安定性をもたらす 。分路抵抗器は、装置の作動をモニターするための電流測定手段を提供する。The above electrical circuit provides sufficient stability of the 'rlL current to create an arc. . The shunt resistor provides a current measurement means to monitor operation of the device.

使用に際して、アークは一般的には、非常に近接したギャップにおける高周波ス パークにより立ち上げられ、その後、所定のギャップ長となるようにカソードが アノードから遠ざけられる。In use, the arc is typically a high frequency spark in very close gaps. The cathode is then moved away from the anode.

アノード11は好ましくは銅または池の適当な材料である。Anode 11 is preferably a suitable material such as copper or copper.

プラズマ反応装置における使用の際、作動中の消耗または蒸発を防ぐためにアノ ードを水冷することができる。しかし、第1図に示されたものと異なるアノード 構造では、冷却されていない溶融アノードそるつぼ内に保持することも可能であ る。また、同時にアノードとして作用する、横方向に移動する基板上にコーティ ングを形成することも可能である。When used in plasma reactors, annodic The card can be water cooled. However, an anode different from that shown in FIG. The structure also allows for the uncooled molten anode to be held in a crucible. Ru. Also, a coating is placed on the laterally moving substrate, which simultaneously acts as an anode. It is also possible to form a ring.

好ましい憇掃において、3個のカソード12,13及び14は、第1図に示すよ うに、カソードの縦軸との夾角(きよっかく)を45° として、中心軸30の 回りに1200の角度をなして配置されている。中心@1130はアノード11 の中心を通り、カソード12,13及び14の先端は所定の距離だけ離れている 。In a preferred scavenge, the three cathodes 12, 13 and 14 are arranged as shown in FIG. In this case, the angle between the central axis 30 and the vertical axis of the cathode is 45°. They are arranged at an angle of 1200 degrees. Center @1130 is anode 11 passes through the center, and the tips of cathodes 12, 13, and 14 are separated by a predetermined distance. .

符号32で包括的に示されるガスノズルは、中心軸30上に中心があり、カソー ド13の前に位置している。第2図に示すように、ノズル32は中心開口31を 備え、それを通じて、適当な不活性ガスまたは活性ガスを、形成されたプラズマ の芯部に指し向けることができる。A gas nozzle, indicated generally at 32, is centered on the central axis 30 and is located at the cathode. It is located in front of door 13. As shown in FIG. 2, the nozzle 32 has a central opening 31. a suitable inert or active gas through which the plasma formed can be pointed at the core of the

第2図に示すよう罠、この発明の実施態様では、カソード12.13及び14は 適当なカソードホルダーまたは支持体34及びカソードチップ338有する。ア ークは、amのカソードとアノード35との間に形成される。便宜上、カソード 13は示されていないが、第1図に示すように、ノズルの優男に位置することが 理解されよう。アークによって形成されたプラズマ柱39は、気体源37から弁 38によって調整された所望の流速で、ノズル32の中心開口31を通じてガス 流を与えろことにより、制御され、かつ安定化される。In the embodiment of the invention, cathodes 12, 13 and 14 are A suitable cathode holder or support 34 and cathode tip 338 are included. a A arc is formed between the am cathode and the anode 35. For convenience, the cathode 13 is not shown, but as shown in Figure 1, it can be located at the leading edge of the nozzle. be understood. A plasma column 39 formed by the arc flows from the gas source 37 to the valve. Gas is passed through the central opening 31 of the nozzle 32 at the desired flow rate adjusted by 38. By providing a flow, it is controlled and stabilized.

弁38は、ガス流の流速を変化できろ適当な任意の弁でよい。ガス流としては、 アルゴンのような不活性ガスが用いられ、破線で概略形状を示すような材料の芯 部(コア)40を形成する。カソード12,13及び14からのアークは、カソ ードからアノード35までの距離のはぼ1/3の所で合体するが、正確な位11 はカソード/アノードの形状配置、電茄量及び強制されたガス流に依存する。ま たその形状は5アノード上でアークの接触領域が広がった、図示のようなつり鐘 形状となる。合体したアークはプラズマ柱39を形成する。Valve 38 may be any suitable valve capable of varying the rate of gas flow. As a gas flow, An inert gas such as argon is used to create a core of material whose shape is roughly shown by the dashed line. A portion (core) 40 is formed. Arcs from cathodes 12, 13 and 14 They merge at about 1/3 of the distance from the node to the anode 35, but the exact position is 11. depends on the cathode/anode geometry, capacity and forced gas flow. Ma The shape is like a hanging bell as shown in the figure, where the contact area of the arc has expanded on the 5 anodes. It becomes a shape. The combined arcs form a plasma column 39.

ノズル32から出るガスの噴流はプラズマ柱39を安定化する傾向を有し、アー クが発生したとき、アノード35上でそれが前後に踊るのを防ぐ。ノズル32か らのガス流は、アノードジェットとして良く仰られている、アノード35からカ ソード12,13及び14に向かう誘導ガス流を妨害し。The jet of gas exiting the nozzle 32 tends to stabilize the plasma column 39 and This prevents it from dancing back and forth on the anode 35 when it occurs. Nozzle 32? The gas flow from the anode 35 is often referred to as an anode jet. Obstructing the guided gas flow towards the swords 12, 13 and 14.

カソードジェットと呼ばれる、カソード12,13及び14からアノード35へ 向うガス流に加わり、これを助長する。From cathodes 12, 13 and 14 to anode 35, called cathode jets It joins the oncoming gas flow and supports it.

第2図に示す態様において、Tノード35からカソード12゜13及び14に向 かって移動する。自己誘導的なアノードジェットを児服し、さらにカソード12 ,13及び14からアノード35に向けて、正味の積極的な流れを与えるように 。In the embodiment shown in FIG. move once. A self-guided anode jet is added to the cathode 12. , 13 and 14 to provide a net positive flow towards the anode 35. .

ノズル32から充分なガスaを、プラズマ柱39の芯部40にそって与えること によって、プラズマ柱39のつり鐘状端部39Aが得られる。このガス流は1、 その瞬アノード350面に沿って広がり、プラズマ柱を強制的に拡がらせろ。Applying sufficient gas a from the nozzle 32 along the core 40 of the plasma column 39 As a result, a bell-shaped end 39A of the plasma column 39 is obtained. This gas flow is 1, At that instant, spread along the 350th surface of the anode and forcibly spread the plasma column.

これによって、アノード材料の過度の蒸発を引き起こすような、極度に4温で、 かつ局限されたアノード35へのアークの接触点を形成することなく、大電力の アーク、すなわち大きい伝熱を可能とするプラズマ柱の幅の広い裾の形成をもた らす。At extremely high temperatures, this would cause excessive evaporation of the anode material. and without forming a contact point of the arc to the localized anode 35. It has the formation of an arc, a wide tail of the plasma column that allows for greater heat transfer. Ras.

ノズル32から流れるガスは、単なる溶融及び/または蒸発工程(例えば、コー ティング、球状化処理等)のためには不活性とし、化学的変換(例えば、還元、 石炭ガス化等)のためには活性とすることができる。Gas flowing from nozzle 32 may be used for simple melting and/or evaporation processes (e.g. be inert for chemical transformations (e.g. reduction, spheroidization, etc.); (e.g. coal gasification).

必要ならば、符号41で示されろ粒子源から粒子(粒状物体)を・気体源37か ら供給されろガスに混入させろことができる。この粒状物体は、こうしてプラズ マ柱39に注入され、芯部40を通って下方へ通過し、プラズマに混合され、化 学的に反応し、または所望のように加熱される。粒子は粒子源からガス流中に@ 送され、または任意の適当な方法で分散させることができる。必要ならば1粒子 はプラズマ柱39中で処理されて、プラズマ柱とアノードとの接触領域近傍の・ アノード35を形成する材刺上にコーティングとして堆積されろか、または矢印 42で示されるように排出されろことができる。If necessary, the particles (particulate matter) are removed from the particle source indicated by the reference numeral 41 and from the gas source 37. It can be mixed into the gas supplied from the source. This granular object is thus transformed into a plasma. is injected into the pillar 39, passes downward through the core 40, is mixed with the plasma, and is converted into chemically reacted or heated as desired. Particles enter the gas stream from the particle source @ may be distributed or dispersed in any suitable manner. 1 particle if necessary is processed in the plasma column 39, and the . Deposited as a coating on the material barbs forming the anode 35 or It can be discharged as shown at 42.

こうして、複数のカソード間に位置する軸に沿って適当なガス流を注入すること により、プラズマ柱を安定化させ、このようなガス流を調整することによりつり 鐘形状を呈し、またプラズマとアノードとの間の広い接触領域を与えるようK、 アノードと接触する裾でプラズマ柱を拡散させる。Thus, a suitable gas flow can be injected along the axis located between the cathodes. By stabilizing the plasma column and adjusting such gas flow, K, so as to exhibit a bell shape and also give a wide contact area between the plasma and the anode. The plasma column is diffused at the tail in contact with the anode.

第2図に示すこの発明の態様においては、プラズマ柱がアノードにおいて制限さ れた場合に生じる、アノードからカソードへ向かう自己騎導ガス流は、カソード からアノードへ向かう自己誘導ガス流により増大されたノズル32からのガス流 により抑圧される。ノズル32からの流れは、気体源とノズル32との間にある 弁38により、所望のつり鐘形状が得られろように調整することができろ。In the embodiment of the invention shown in FIG. 2, the plasma column is confined at the anode. The self-guiding gas flow from the anode to the cathode that occurs when gas flow from nozzle 32 augmented by a self-directed gas flow towards the anode from suppressed by The flow from nozzle 32 is between the gas source and nozzle 32 The valve 38 can be adjusted to obtain the desired bell shape.

図示のように、ノズル32は環状中心管31を取り巻く区画管46を備えた水冷 スリーブであり、水流によって、中心管31を形成する壁に沿って冷却される。As shown, the nozzle 32 is water-cooled with a compartment tube 46 surrounding an annular central tube 31. It is a sleeve and is cooled by the water flow along the wall forming the central tube 31.

水はノズルの外壁に沿って流れ去り、ノズルの材料が炉の高い環境装置により劣 化するのを防ぐ。The water flows away along the outer wall of the nozzle and the nozzle material is degraded by the high environmental equipment of the furnace. prevent it from becoming

もし、カソードがプラズマトーチで置き換えられた場合には、プラズマトーチ流 の安定化のためのコアガス流を用いても、同様の結果が・漫られる。アノード3 5はそのままであり・トーチからのプラズマジェットは、アノード35の表面に 向かって流れる。このようにして、プラズマトーチは、アーク立上げの後でトー チのアノードがと気的に遮断された楊せ、移行m (transferred  )アークモードで作動する。中心の不活性がスコアは、プラズマ流を安定化させ 、アノードへのプラズマの広い接触領域を与えると共に、処理時間及び処理温変 をより良く制御することにより、粒子源からの粒子の処理制御能力を向上する。If the cathode is replaced by a plasma torch, the plasma torch flow Similar results are seen using a core gas flow for stabilization. Anode 3 5 remains as it is and the plasma jet from the torch is directed to the surface of the anode 35. flowing towards. In this way, the plasma torch is heated after arc start-up. When the anode of Q is electrically blocked, the transferred ) operates in arc mode. The central inert score stabilizes the plasma flow , providing a wide contact area of the plasma to the anode, and reducing processing time and processing temperature changes. improves the ability to control the processing of particles from a particle source.

第3図には、プラズマ処理に特に有用なプラズマ柱の形態が示されており、これ は弁38を通るガスI/!を調整することKよって得られる。なお、第3図にお いて、カソード13が示されていないが、ノズル32の矛方に位置している。Figure 3 shows a plasma column morphology that is particularly useful for plasma processing. is the gas I/! passing through valve 38! is obtained by adjusting K. In addition, in Figure 3 Although the cathode 13 is not shown, it is located on the opposite side of the nozzle 32.

前述したように、ノズル32からのガス流が存在しないとき、アノード47から 自己誘導ガス・エントレインメント(entrainment )が発生するの で、符号52で示されろ「アノードジェット」を形成する。アノード47からカ ソード12,13及び14に同かって上方(向かうff1i(対流)効果が存在 するであろう。アノードジェットはプラズマ流よりも′&勢となり、アノード4 7から離れる方向にカソード12゜13及び14の鴻部の上方に延在するプラズ マ注ぎえもたらすごとがある。As previously mentioned, when there is no gas flow from nozzle 32, there is no gas flow from anode 47. Self-induced gas entrainment occurs , forming an "anode jet" indicated at 52. From anode 47 Similarly to swords 12, 13 and 14, there is an upward (directing ff1i (convection) effect). will. The anode jet becomes more ′& force than the plasma flow, and the anode 4 Plasma extending above the grooves of cathodes 12, 13 and 14 in a direction away from 7 There is something that can be brought about by pouring it on.

しかし、ノズル32が動作してSす、かつガス流が所定のレベルに調φされてお れば、符号5oで示される、本発明のこの形態のプラズマ柱は、カソード端部の 上刃にまでは延びな(1する。However, when the nozzle 32 operates and the gas flow is adjusted to a predetermined level, In this case, the plasma column of this form of the invention, designated by the symbol 5o, is located at the cathode end. It does not extend to the upper blade (1).

第3図の装置をプラズマ反応装jとして使用するために、アノード47は通常の 方法で水冷される。第3図に示される作動モートVCおいて、符号60で示され るカソードジェット流で増大されたノズル32からのガス流は、符号52で示さ れるアノードジェットを妨げる。2つの流れが衝突する領域には滞留域が形成さ れ、ガスは炉内の雰囲気中に匝方向に外側VC流れる。これは、カソード12, 13及び14のi部とアノード47との間に位置するプラズマの円板、例えば符 号51で示されろ置版状滞留域を形成する。In order to use the apparatus of FIG. 3 as a plasma reactor, the anode 47 is Water cooled in a way. In the operating mode VC shown in FIG. The gas flow from nozzle 32 augmented with a cathode jet stream is indicated at 52. This prevents the anode jet from flowing. A stagnation area is formed in the area where the two flows collide. Then, the gas flows into the atmosphere inside the furnace in the direction of the outer VC. This is the cathode 12, 13 and 14 and the anode 47, e.g. A filter plate-like retention area indicated by No. 51 is formed.

基本的な現象は、ノズル32からの強制されたガス流がカソードジェット60の 流れと組み合わされて、アノードジェット52のガス流に対立することである。The basic phenomenon is that the forced gas flow from nozzle 32 causes cathode jet 60 to In combination with the flow is opposed to the gas flow of the anode jet 52.

両者の圧力が等しの周辺から半径方向く外側に向かっている。Both pressures are radially outward from the equal periphery.

カソード/アノードの形状・配置、電流薇及び強制されたガス流を含む、1々の 作動パラメータ8調整することにより、カソード12.13及び14とアノード 47との関係で、滞留域51を軸方向に所望どおりに移動させろことができる。Each of the By adjusting the operating parameters 8, the cathodes 12, 13 and 14 and the anode 47, the retention area 51 can be moved in the axial direction as desired.

こ\で使用されているように、滞留域の位置を制御する基本的な手段は、ノズル 32を通る強制されたガス流を変化させる弁38の調整である。この作動モード に2いては、アノード上に小さなアーク接触領域が存在し5局所的な加熱を発生 する一方で、アノード表面に沿う自己誘導アノードジェット52によりアノード は補足的に冷却される。The basic means of controlling the position of the retention zone, as used here, is the nozzle It is the adjustment of valve 38 that changes the forced gas flow through 32. This mode of operation In 2, there is a small arc contact area on the anode, 5 producing localized heating. While the self-guided anode jet 52 along the anode surface is supplementally cooled.

この装置を、*e)末の化学的処理のためのアークプラズマ反応装置虚として使 用する場合、粒状物体54を処理するためには、第4図に示される装置が用いら れろ。This equipment is used as an arc plasma reactor for the chemical treatment of *e) 4, the apparatus shown in FIG. Let's go.

粒子源41からの粒状物体は、ノズル32内のガス流中に導入され、プラズマ柱 50中に下方へ向けて搬送されろ。同時に、アノードの少量の自己誘導ガス流が 、前述したように上方に移動する。アノード47の表面に平行に横たわるノズル 56から、補助的な粒子が・アノードからカソードへ同かうアノードジェット5 2中に注入されることができろ。Particulate matter from particle source 41 is introduced into the gas stream within nozzle 32 and forms a plasma column. During the 50's, be transported downwards. At the same time, a small amount of self-induced gas flow at the anode , moving upward as described above. Nozzle lying parallel to the surface of the anode 47 From 56, the auxiliary particles pass from the anode to the cathode in the same anode jet 5. Can be injected into 2.

これらの補助的な粒子は、第4図に示されるように、プラズマ柱の芯部が粒子5 4で満たされろように、自己誘導アノードジェットに沿って、プラズマ柱50を 上方に移動する。These auxiliary particles, as shown in FIG. 4 along the self-guided anode jet so that the plasma column 50 is filled with move upwards.

そして、カソードジェット60およびアノードジェット52と組み合わされろ、 ノズル32からの強制されたガス流によって発生される滞留域51がない場合に 比べて、より長い時間にわたって、前記粒子54はプラズマによって処理される ことができるようになる。and combined with cathode jet 60 and anode jet 52, In the absence of the stagnation zone 51 generated by the forced gas flow from the nozzle 32 In comparison, for a longer time the particles 54 are treated by the plasma. You will be able to do this.

この処理は、例えば不規則な形状の粒子を球形に成形するように、粒子の特性を 変化させろために行なわれろ。プラズマ柱での反応に依存して、補助的な化学反 応を発生させたり、または粒子を微粉末に砕いたりすることが可能である。さら に、ノズル32からの強制されたガス流及びプラズマ柱50の自発(natur al)ポンピング作用の両者を利用することにより、処理された粒子54Aを炉 の側壁201c(!II突させたり。This process changes the properties of particles, for example to shape irregularly shaped particles into spheres. Do it for the sake of change. Depending on the reaction in the plasma column, auxiliary chemical reactions It is possible to generate a reaction or to break the particles into a fine powder. Sara In addition, the forced gas flow from the nozzle 32 and the spontaneous generation of the plasma column 50 occur. al) The treated particles 54A are transferred to the furnace by using both pumping action. side wall 201c (!II).

この@四を処理された粒子の回収のために使用することができろ。This @4 could be used for recovery of treated particles.

粒状物体は、ノズル32及び56の強制されたガス流の助けを受けて、カソード ジェット60及び/またはアノードジェット52のポンピング作用によりプラズ マ柱50内に注入されろ。これらのポンピング作用及び強制されたガス流は、粒 子の注入を妨げろ高い温変勾配の作用及びプラズマの高い粘性を克服する。また 、v、4図に示されろような複数のカソードの配置には、それぞれのカソードか ら生じるき体してい乙【いプラズマによって、それらが拘束されろ領域に粒子・ 2供給し、その後で2合体したプラズマの芯部に注入することにより1粒子の注 入を改善する。The particulate matter is transported to the cathode with the aid of forced gas flow in nozzles 32 and 56. The pumping action of the jet 60 and/or the anode jet 52 generates plasma. Inject into the pillar 50. These pumping actions and forced gas flows To overcome the effects of high temperature gradients and the high viscosity of the plasma, the injection of particles is hindered. Also , v, In a multiple cathode arrangement such as that shown in Figure 4, each cathode The strong plasma produced by the plasma causes particles and particles to be trapped in the area. 2 and then injecting 1 particle into the core of the 2 coalesced plasma. improve input.

ボンピング作用はまた、カソード及びアノードの両方向から粒子を供給すること 、及び処理された生産物を滞留域において半価方向に排出することを可能にする 。Bumping action can also supply particles from both cathode and anode directions. , and allow the processed product to be discharged at half value in the retention area. .

必要ならば、第2図に示す例のように、アークまたはプラズマ柱の、拡散したつ り鐘形状の淡触(アタッチメント:attachment )がある場合には、 アノードでの熱情51を大幅に増大させろことができる。また、ノズル32から の強制されたガス流を制御することにより、滞留域または円板(プラズマの排出 円板)8アノード上の選択された位置に形成することができろ。If necessary, a diffused beam of the arc or plasma column can be used, as in the example shown in Figure 2. If there is a bell-shaped attachment, It is possible to significantly increase the passion 51 at the anode. Also, from the nozzle 32 By controlling the forced gas flow of the stagnation zone or disk (plasma evacuation Discs) 8 can be formed at selected locations on the anode.

@5図罠は、アノードジェットの存在下でのアノードへの伝熱が、2つの異なる アーク長に対してプロットされている。@5 The trap shows that heat transfer to the anode in the presence of an anode jet is caused by two different Plotted against arc length.

一方は比較的短かい5uのアーク長であり、他方は40flのアーク長である。One has a relatively short 5u arc length and the other has a 40 fl arc length.

各カソードを通じて100アンペアの1を流を付与する三重カソード配置を用い る場合、アーク長を40真諷とすると、ノズル32からの強制されたガス流が毎 分14gの領域で熱消費のg著なi1移または変化がみられる。アークがスポッ ト接触(アノードジェットが優勢)からつり鐘形状接触(強制されたガス流及び カソードジェットが優勢)へ変化する、大よその位置が第5図に示されている。Using a triple cathode arrangement that provides a flow of 100 amps through each cathode If the arc length is 40 mm, the forced gas flow from the nozzle 32 will be A significant i1 shift or change in heat consumption is observed in the region of 14 g. The arc is spotted from vertical contact (dominated by the anode jet) to bell-shaped contact (forced gas flow and The approximate location where the cathode jet changes to predominance is shown in FIG.

5目のような、より短かいアーク長において、ノズル32からの強制されたガス 流が毎分10gから12gIC9わると。At shorter arc lengths, such as 5th, forced gas from nozzle 32 When the flow changes from 10g/min to 12g IC9.

第3図に示すようなアノードへのプ〉ズマ柱のスポット接触から、第2図に示す ような拡散したつり鐘形状接触に変化した。さらに1合理的なアーク長が必要で あり、1!流が100アンペアのときの電圧レベルは、5鶴のアーク長に対する 約13ボルトから、40fiの長いアーク長に対する約30ボルトまでの範囲に あった。これら両湖の間のアーク長では、電圧もこれらの間の値となり幾分変化 する。From the spot contact of the plasma pillar to the anode as shown in Fig. 3, as shown in Fig. 2 It changed into a diffused bell-shaped contact. Furthermore, a reasonable arc length is required. Yes, 1! When the current is 100 amperes, the voltage level is ranging from about 13 volts to about 30 volts for long arc lengths of 40fi. there were. At arc lengths between these two lakes, the voltage will also vary somewhat between these values. do.

一般的に言って、スポット接触から拡散したつり鐘形状接触への遷移は、熱消費 の鐘別可能な変化を引き起こし、これはノズル32からの強制されたガス流が毎 分10gと14gとの間にあるときに生じた。これは、前述した電流及び電圧で 、三重カソードを使用した場合のものである。Generally speaking, the transition from spot contact to diffuse bell-shaped contact results in heat dissipation This causes a possible change in the amount of gas that the forced gas flow from the nozzle 32 causes each time. This occurred between 10 and 14 g. This is the current and voltage mentioned above. , when a triple cathode is used.

@5図に示すように、アーク長が短かいほど、滞留域は、ように調整することが できる。[流もまた、所望の接触点が?Gられろように変化させることができる 。@ As shown in Figure 5, the shorter the arc length, the more the retention area can be adjusted as follows. can. [Flow also has the desired contact point? You can change it so that you don't get caught. .

第5図におけろ各曲線の区分は、アノードへの伝熱(熱の流れ)がアノード接触 領域の増加と共に増大し始めろこと。In Figure 5, the divisions of each curve indicate that heat transfer (heat flow) to the anode is caused by contact with the anode. Begin to increase as area increases.

及び拡散したつり鐘形状接触がアノードへのより大きい伝熱(熱流)をもたらす ことを示している。and diffused bell-shaped contact results in greater heat transfer (heat flow) to the anode. It is shown that.

第6図は、各カソードの電Rを100アンペアに保つための電圧に対する、ノズ ル32からの[土々のガス流の効果を一般的に説明するグラフである。これは、 2つの異なるアーク長に対して、特定の電流で、かつアノードジェットの存在下 に、第5図に示す状態によって生じる撞々の1(圧レベルを示し、また第5図に マークしたように、異なるガス流に8いてアノードへの拡散したつり鐘形状接触 を形成する大よその範囲を示す。Figure 6 shows the nozzle vs. voltage to maintain the R of each cathode at 100 amperes. Figure 32 is a graph generally explaining the effect of soil gas flow. this is, For two different arc lengths, at specific currents and in the presence of an anode jet. 5 shows the pressure level of 1 (pressure level) caused by the situation shown in FIG. 8 Diffused bell-shaped contact to the anode in different gas flows as marked This shows the approximate range that forms the .

実験によれば、を流が変化すると三重カソードの電圧が変化する。電流が80ア ンペアの範囲までra大すると、複数のアークは合体し、前述したように1つの 大きなアーク化を形成する。ノズル32からの冷たいガスはプラズマの中心に浸 透し、プラズマの芯部を冷却する傾向を示す。しかし、これはアークのコンダク タンスにほとんど影響を及ぼさず、3+!験では、約80アンペアまたはそれ以 上では、アーク電圧はかなり安定に保たれる。さらに、各カソードはほとんど同 じ電流を引き込み、特に合体されたアークが存在する場合にそうである。Experiments have shown that as the current changes, the voltage across the triple cathode changes. Current is 80 amps When ra is increased to the range of Forms a large arc. The cold gas from nozzle 32 soaks into the center of the plasma. It shows a tendency to cool the core of the plasma. However, this is the conductor of the arc. It has almost no effect on the chest of drawers and is 3+! In testing, approximately 80 amps or more Above, the arc voltage remains fairly stable. Additionally, each cathode is nearly identical. draw the same current, especially when a combined arc is present.

この発UAにおいて、アーク長が長ければ長い糧、電圧が高くなることが発見さ れている。カソードジェット及び強制されたガス流が優勢となる作動モード、− tなわち、ノズル32からのガス流がアノードジヱッ)%克服するのに充分な場 合、3つのアークが一体に結合し、エネルギーの消費が最低となる最適動作点は 、一般的に80から100アンペアの範囲の、低い電圧の点となる。この作動モ ードにおいて、拡散したつり鐘形状接触が生じる。粒子が注入された場合、この 粒子は、アークが合体する点で、最も良くホットプラズマの芯部に入り込む。In this UA, it was discovered that the longer the arc length, the higher the voltage. It is. a mode of operation in which cathode jets and forced gas flows predominate; That is, the gas flow from the nozzle 32 has a sufficient field to overcome the anode damage. In this case, the optimal operating point where the three arcs are coupled together and the energy consumption is the lowest is , typically at a low voltage point in the range of 80 to 100 amps. This operating mode A diffused bell-shaped contact occurs in the field. If particles are injected, this Particles best enter the core of the hot plasma at the point where the arcs coalesce.

3個のカソードを使用することにより、合体したアークの安定性を増し、粒子が 処理のために通過する大きな体積のプラズマを生じろ。The use of three cathodes increases the stability of the combined arc and reduces particle Create a large volume of plasma to pass through for processing.

アーク電圧は、各アーク長において、一般的に強制されたガス流量の増大と共に 増大する。ノズル32からのガス流1が増加すると、プラズマの冷却効果が大き くなる。ブ2ズマノ冷却はアークの抵抗を増大させ、アーク電圧は補償のため上 昇しなければならなくLろ。The arc voltage generally increases with increasing forced gas flow at each arc length. increase As the gas flow 1 from the nozzle 32 increases, the plasma cooling effect increases. It becomes. Bu2 Sumano cooling increases the resistance of the arc, and the arc voltage increases to compensate. I have to go up to L.

一般的に言って、三重カソードアークの逼圧持性は、通常の単−力ソードアーク においてみられろものと181様であり、ノズル32からの強制されたガスが、 人工的な冷嶋愼(コールドカソード)ジェットのようにふるまうので、強制され たガスはアークの安定性に役立つ。Generally speaking, the tightness of the triple cathode arc is the same as that of the normal single-power sword arc. 181, and the forced gas from the nozzle 32 It behaves like an artificial cold cathode jet, so it is forced The added gas helps stabilize the arc.

拡散したつり鐘形状接触に先立って生じろ、アノードジェットによって支配され ろ作動モードでは、アノードからカソードへの流れが、アノードから漬れて位置 する滞留域51において、プラズマの円板を形成する。第5図において、アノー ドジェットによって支配されるモードは、そこに示されたAなるアーク長に対し て低いガスMeで現われ、アノードの拡散したつり殉形状接触は、与えられた電 力1に対して最大の熱を消費するように衣すされた所で生じる。occurs prior to the diffuse bell-shaped contact, dominated by the anode jet. In the filtration mode of operation, the flow from the anode to the cathode is A disk of plasma is formed in the retention area 51. In Figure 5, Anor The mode dominated by the dogget is for the arc length A shown there. The diffused hanging contact of the anode appears at low gas Me. It occurs in places where clothing is used so that the maximum amount of heat is consumed for every unit of force.

ある限定された電n、電圧及びカソードの距離の値に対しては、第3及び第4図 に示される滞留域 51が、ノズル32からの強制されたガス如無しでも、カソ ードジェットのみによって生じるが、ノズル32からの流れがあれば、電圧、電 流及びカソードの距離の大幅に犬Aい領域において、滞留域を発生させろことが でき、いずれにしても、+(行留域の発生及び位r&の大きな制御範囲をもたら す点に注意すべきである。For some limited values of n, voltage and cathode distance, Figs. The stagnation area 51 shown in FIG. This is caused only by the power jet, but if there is a flow from the nozzle 32, the voltage It is possible to generate a stagnation area in a region where the distance between the current and the cathode is significantly smaller. However, in any case, the occurrence of + It should be noted that

典型的な作動条件下での、ノズル32からの強制されたガス醗は、カソードジェ ットの自己Ni流より大よそ5倍多い。Under typical operating conditions, the forced gas from nozzle 32 is the cathode jet. Approximately 5 times more than Kit's own Ni flow.

自己誘導カソードジェット60の存在は、部分的に、カソードチップの形状に依 存する。もし、カン−トチツブが細く鋭かったものでなく、丸いものであれば、 カソードジェットは減少し、アノードジェットが完全VCf!流するような、ア ノードジェット支配モードで作動することが可能Vcなる。電子流と反対方向の アノードジェット流は陽イオン流を助ける。The presence of self-guided cathode jet 60 depends, in part, on the shape of the cathode tip. Exists. If the cantilever is not thin and sharp, but round, The cathode jet decreases and the anode jet becomes completely VCf! flowing, a It is possible to operate in node-jet dominated mode with Vc. opposite direction of electron flow The anode jet stream assists in the cation flow.

強制されたガス流とカソードジェットとの組み合わせによって、アノードジェッ トがアノード方向に下向きに強制されると、流れは電子流が優勢となり、アーク 電圧を下げろことになる。アノードジェットと、逆方向の流れとが互いに衝突す ると、滞留層を通(−で粒子8#送するために大きな電圧降下が必要となる。The combination of forced gas flow and cathode jet creates an anode jet. When the electrons are forced downward toward the anode, the flow becomes dominated by electron flow and the arc You'll have to lower the voltage. The anode jet and the flow in the opposite direction collide with each other. Then, a large voltage drop is required to send 8 # of particles through the retention layer (-).

アノードジェットは、アノードに沿って、及びプラズマ柱を通って上方へ向うb 「れの結果、アノードへの伝熱を妨げる。The anode jet is directed upward along the anode and through the plasma column b “As a result, heat transfer to the anode is hindered.

このように、アノードへの伝熱の観点からは、アノードジェットモードは避けろ べきであり、例えば、@5図に示すように、アノードへの拡散したつり鐘形状接 触をもたらすように、カソード側から充分なガス流を与えるべきである。In this way, from the perspective of heat transfer to the anode, anode jet mode should be avoided. For example, a diffused bell-shaped contact to the anode as shown in Figure @5. Sufficient gas flow should be provided from the cathode side to bring about contact.

しかし、光れがアノードジェットモードであり、ノズル32からの強制されたガ ス流が滞留域を形成するように選択されている場合には、粒子をアノード及び中 央ノズルの両方から注入する能力があり、プラズマの滞留域での粒子の処理は、 粒子処理時間を長くし、より多くの熱を与え、多くの場合、より高い効″4を与 えろ。However, the light is in anode jet mode and the forced gas from nozzle 32 If the gas flow is selected to form a stagnation zone, the particles can be It has the ability to inject from both central nozzles, and the processing of particles in the plasma retention area is Longer particle treatment times, more heat, and often higher efficacy Erotic.

カソード間の中心軸にそって、制御された流速で、下向きに強制されたガスを導 入することは、全ての条件下で暖めて安定したアークをもたらし1選択された強 制ガス流はアノード伝熱を増加させ、他の(小さい)強制ガス流は、粒状物体の 処理のための改番された条件をもたらすところの、アノードとカソードとの間の ffr1留域を発生することができる。したがって、第3及び4図に示す作動モ ードを達成するためのノズル32からの流れは、第2図に示すつり鐘形状接触を 発生する流れよりも小さい。Directs the gas forced downward at a controlled flow rate along the central axis between the cathodes. One selected strength will provide a warm and stable arc under all conditions. The suppressed gas flow increases the anode heat transfer, and the other (smaller) forced gas flow increases the between the anode and cathode, resulting in renumbered conditions for processing. ffr1 retention area can be generated. Therefore, the operating model shown in FIGS. The flow from the nozzle 32 to achieve the smaller than the generated flow.

@流を変化することは、滞留域の形成及び位置を制御するための補助的な手段と なる。低い電流ではカソードジェットの強Iが小さくなり、滞留域が幾分カソー ド側に移動する。Changing the flow is an auxiliary means to control the formation and location of retention zones. Become. At low currents, the strong I of the cathode jet becomes small and the retention area becomes somewhat cathode. Move to the side.

しかし、前述したように、カソードジェットの効果は強制されたガス流の効果に 比べてかなり小さい。However, as mentioned earlier, the effect of the cathode jet is similar to that of the forced gas flow. It's quite small in comparison.

カソード側の強制ガスノズル32及びアノード側の強制ガスノズル56 の圧力 8.;lJi整することにより、滞留域の位IILを調整することができろ。Pressure of the forced gas nozzle 32 on the cathode side and the forced gas nozzle 56 on the anode side 8. By adjusting IJi, it is possible to adjust the IIL of the retention area.

粒状物体をアーク中に圧入するために使用される搬送ガスは不活性ガス、または プラズマ中での必要な反応に応じた化学的活性を示すものとすることができる。The carrier gas used to force the particulate material into the arc is an inert gas, or It can exhibit chemical activity depending on the required reaction in the plasma.

この装置は、化学的処理と同砿に物理的処理のためにも用いることができる。物 理的処理としては、例えば不規則形状の粉末粒子の厚形化、超微粒子粉床(例え ばシリカンの製造及び集塊(またはレキ岩)の濃縮(畝ff1)化を含む。また 化学的処理としては、化合物(例えば、有毒廃粟物)の分解。This device can be used for physical processing as well as chemical processing. thing Examples of physical treatments include thickening irregularly shaped powder particles, ultrafine powder beds (e.g. This includes the production of silicane and the concentration (furrow ff1) of agglomerates (or rock). Also Chemical treatment includes decomposition of compounds (e.g. toxic waste).

カーバイト′、窒化物及び耐熱性金属酸化物の合成、出発原料として固体%液体 または気体を用いる化合物及び合金の製造を含む。Synthesis of carbides, nitrides and refractory metal oxides, solid% liquid as starting materials or the production of compounds and alloys using gases.

ホットプ〉ズマ領域から生産物を半径方向に排出することは生産物の急冷をもた らし、これは水冷された側壁に偵丁突させろか、または水冷されたit!i路に 生産物を通すことにより、さらにその効果が高められる。Radial evacuation of the product from the hot plasma region causes rapid cooling of the product. Well, should this be mounted against a water-cooled side wall, or should it be water-cooled? i road The effect is further enhanced by passing the product through it.

注入ノズル56はプラズマ住の軸から半径方向に延びており、おそらく軸の回り VC等間隔で配置した6閏程度のノズルが使用される。ノズル56からの粒子は 、一般に公知の方法で、ガス流体中に七人される。The injection nozzle 56 extends radially from the plasma axis, possibly around the axis. About 6 nozzles arranged at equal VC intervals are used. The particles from nozzle 56 are , in a generally known manner, into a gaseous fluid.

この装置lはたった1イ固のカソードでも作動するが、3 +’[!+のカソー ドの使用により、より漬れた制御と作用をもたらす。This device will work with just one solid cathode, but 3+'[! + cassow The use of a 100% carbon fiber provides more controlled control and action.

この装置はまた、カソードチップに対するガスノズルの高さ、複数アークのプラ ズマトーチ組み立て体全体の任意の方向への回転及び棒状アノード、環状アノー ドまたはアノードるつぼのような異なるアノード形状を含む変更を行っても動作 する。この発明の好ましい実施例において、粒子の注入は、カソードの劣化を防 ぐために、カソードチップと同じ高さ、またはその下方で行なわれろ。This device also has a high level of gas nozzle relative to the cathode tip, multiple arc plugs, Rotation of entire Zuma torch assembly in any direction and rod anode, annular anode Works even with modifications including different anode geometries such as anode or anode crucibles do. In a preferred embodiment of the invention, the injection of particles prevents cathode degradation. This should be done at the same level as or below the cathode tip to ensure maximum stability.

この発明は好ましい実施例を参照して説明されたが、当業者は、この発明の梢神 と屹凹から逸脱することなく、態様及び細部の変更がoT能であることを認繊す るであろう。Although this invention has been described with reference to preferred embodiments, those skilled in the art will appreciate that this invention It is recognized that changes in form and details are OT functions without deviating from the above. There will be.

電流100A アノード熱消費 ガス流(g1分) 電流 電圧特性曲線 カス流(g/分) 国VA調売報告Current 100A anode heat consumption Gas flow (g1 min) current Voltage characteristic curve Waste flow (g/min) National VA sales report

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 1.1つの面に向かうプラズマ硫を形成してプラズマ柱を形成する手段を有する プラズマ処理のための装置であって、前記手段が、中心軸上に中心を有する複数 のプラズマ源と、前記中心軸上に中心を有し、プラズマ源からのプラズマ流と同 じ方向に向かうガス流のためのノズルと、形成されたプラズマ柱を所望の形状に するために、前記ノズルを通るガス流を調整するための手段とを備えているプラ ズマ処理装置。1. Has a means of forming plasma sulfur toward one surface to form a plasma column An apparatus for plasma processing, wherein the means includes a plurality of plasma processing devices having a center on a central axis. a plasma source having a center on the central axis and a plasma flow from the plasma source A nozzle for gas flow in the same direction and a plasma column formed into the desired shape. and means for regulating the gas flow through said nozzle. Zuma processing equipment. 2.前記プラズマ流を形成する手段は、中心軸の回りにほぼ等角度で配置され、 アノードに対して1つのアークを形成する少なくとも3個のカソードを備え、該 アノードはプラズマ流が向かっている前記面を構成している請求の範囲第1項記 載の装置。2. the plasma flow forming means are arranged at substantially equal angles around a central axis; at least three cathodes forming an arc with respect to the anode; Claim 1, wherein the anode constitutes the surface towards which the plasma flow is directed. equipment. 3.前記プラズマ流を形成する手段は、中心軸の回りに、相互に実質的120° の角度で配置されている3個のプラズマ源を有する請求の範囲第1項記載の装置 。3. The means for forming a plasma stream are arranged at substantially 120° relative to each other about a central axis. Apparatus according to claim 1, comprising three plasma sources arranged at an angle of . 4.前記面は熱消費面であり、ガス流を調整するための前記手段は、プラズマ源 から前記面に向かう方向でのガス流が、プラズマ流の内部で優勢な流れとなるよ うに、また前記面の上方のプラズマ柱の面積よりも実質的に広い面積にわたって 、前記プラズマ流が前記面上に広がるように調整される請求の範囲第1項記載の 装置。4. said surface is a heat dissipating surface and said means for regulating gas flow is a plasma source. The gas flow in the direction from to the surface becomes the dominant flow inside the plasma flow. and over an area substantially larger than the area of the plasma column above said surface. , wherein the plasma flow is adjusted to spread over the surface. Device. 5.前記プラズマ流を形成する手段は、アークを発生し、かつアノードからカソ ードへ向かう自己誘導ガス流を発生するために、前記面を有するアノード及び該 アノードから所定距離だけ離れた3個のカソードを備え、前記調整するための手 段は、自己誘導ガス流を克服して前記アノードの前記面から離れており、かつま た前記カソードからアノードに向う方向においても離れているアーク中に、滞留 域を形成するために、ノズルを介してガス流を供給するように調整されている請 求の範囲第3項記載の装置。5. The means for forming the plasma stream generates an arc and directs the plasma flow from the anode to the cathode. an anode having said surface and said surface to generate a self-directed gas flow toward said surface; three cathodes spaced apart from the anode by a predetermined distance; The stage is spaced apart from the face of the anode overcoming self-induced gas flow and is In the arc that is also far away in the direction from the cathode to the anode, a gas flow through a nozzle to form a The device according to item 3 of the scope of demand. 6.前記カソードは、合体したアークが単一のプラズマ柱を形成するような距離 だけ前記アノードから離れて配置され、前記ノズルは合体したアークの中心を通 ってガス流を指し向け、前記ノズルを通るガス流は、カソード及びアノードから 離れて位置し、合体したアークから放射し、かつプラズマ柱を取り囲む、プラズ マの円板を形成するように調整され、さらに該ガス流に粒子を供給する手段を有 し、前記粒子は前記ノズルから供給されたガスと共に該円板の回りの外側へ排出 される請求の範囲第5項記載の装置。6. The cathode is placed at a distance such that the combined arc forms a single plasma column. , and the nozzle passes through the center of the combined arc. directs the gas flow through the nozzle from the cathode and anode. Plasma located at a distance, radiating from the combined arc, and surrounding the plasma column. and further comprising means for supplying particles to said gas stream. The particles are discharged to the outside around the disk together with the gas supplied from the nozzle. 6. The apparatus according to claim 5. 7.カソードおよびアノードが位置決めされ、前記ガス流は、アークがアノード ジェット優勢モードで作動し、アノードからカソードへ向うガスの流れが存在す るように調整され、前記ノズルからのガス流はアノードジェットに対抗してカソ ードとアノード間のプラズマ柱を通るプラズマの排出円板(discharge  disk of plasma)を形成、また、ノズルを通して供給されるガ スおよびアノードジェット流の中に粒子を注入する手段を有する請求の範囲第2 項記載の装置。7. The cathode and anode are positioned, and the gas flow is such that the arc It operates in jet-dominant mode, where there is a flow of gas from the anode to the cathode. The gas flow from the nozzle is adjusted to The plasma discharge disk passes through the plasma column between the electrode and the anode. disk of plasma) and gas supplied through the nozzle. and means for injecting particles into the anode jet stream. Apparatus described in section. 8.1つの面に実質的に垂直な軸に沿って、かつ前記面に向かって移動するプラ ズマ柱を形成する手段を備え、次の工程により、該面に向かって指し向けられた プラズマ柱を安定化する方法。 (イ)前記軸に沿って、かつ前記面に向かうように、ノズルを通じてガス流を注 入する工程。 (ロ)プラズマ任に沿う少なくとも一つの位置で、プラズマ柱がその最上端部よ りも大きい面積に広がるまで、プラズマ柱の上端と前記面との間隔に応じて、前 記ガス流を調整する工程。8. Plasma moving along an axis substantially perpendicular to and towards a plane; comprising means for forming a Zuma pillar, directed towards the surface by the next step; How to stabilize the plasma column. (b) injecting a gas stream through the nozzle along said axis and toward said surface; The process of entering. (b) At least one location along the plasma column, where the plasma column is closer to its top end. Depending on the distance between the top of the plasma column and the surface, The process of adjusting the gas flow. 9.前記軸の回りに前記軸に対して傾斜させて3個のカソードを配置し、前記面 をアノードとすることによりプラズマ柱を形成する工程を含む請求の範囲第8項 記載の方法。9. Three cathodes are arranged around the axis at an angle with respect to the axis, and the surface Claim 8 includes the step of forming a plasma column by using as an anode. Method described. 10.カソードとアノードとの間に位置し、それを介してガスがプラズマ柱から 半径方向に外側に流れる滞留域を形放するため、カソードに向かう誘導ガス流に 対向するガス流を調整する工程を含み、さらに プラズマ柱において粒状物体の処理が行なわれるように、前記粒状物体がプラズ マ柱に入る前に粒状物体をガス流中に注入する工程、および 滞留域の高さで、処理された粒子をプラズマ柱から半径方向に排出する工程、 を含む請求の範囲第9項記載の方法10. located between the cathode and the anode, through which gas exits the plasma column. Directing the gas flow towards the cathode to release the stagnation zone that flows radially outward. adjusting the opposing gas flows; The granular objects are placed in the plasma such that the granular objects are processed in the plasma column. injecting particulate matter into the gas stream prior to entering the column; and ejecting the treated particles radially from the plasma column at the height of the retention zone; The method according to claim 9, comprising: 11.さらに、前記面上のプラズマ柱の基部によって形成された自己誘導ガス流 中に、前記アノードに実質的に平行に、粒子を注入する工程を含む請求の範囲第 10項記載の方法12.プラズマ柱に沿って、1つの面から離れるように流れる 自己誘導ガス流を引き起こすアノードジェットを形成するために配置された該面 に、実質的に垂直な軸に沿って、該面に向かって移動するプラズマ柱を形成し、 前記軸に沿って前記面に向かうガス流を供給し,前記面から間隔を置いて位置し 、それを介してプラズマ柱からガスが半径方向に外側に流れる滞留域を形成する ために、前記自己誘導ガス流を妨げるように前記面に向かうガス流を調整する、 前記面に向かって指し向けられたプラズマ柱を安定化する方法。11. Furthermore, the self-induced gas flow formed by the base of the plasma column on said surface injecting particles into the anode substantially parallel to the anode. Method 12 according to item 10. Flows along the plasma column and away from one plane said surface arranged to form an anode jet causing a self-induced gas flow; forming a plasma column moving towards the surface along a substantially perpendicular axis; providing a gas flow along the axis toward the surface and spaced apart from the surface; , forming a stagnation zone through which gas from the plasma column flows radially outward. adjusting the gas flow toward the surface to impede the self-induced gas flow; A method of stabilizing a plasma column directed towards said surface.
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