KR100890630B1

KR100890630B1 - 고체 전원장치를 위한 다중-코일 유도 플라즈마 토치

Info

Publication number: KR100890630B1
Application number: KR1020047004992A
Authority: KR
Inventors: 블로마에이.; 쥐레윅제르지두블르베.
Original assignee: 테크나 플라즈마 시스템 인코포레이티드
Priority date: 2001-10-05
Filing date: 2002-10-04
Publication date: 2009-03-27
Also published as: WO2003032693A1; CN1572127A; ATE519357T1; CN1283131C; KR20090005409A; EP1433366B1; CA2462067C; JP2005505906A; DK1433366T3; ES2371022T3; JP4317451B2; RU2004113558A; EP1433366A1; CA2462067A1; KR100941479B1; KR20050033515A; RU2295206C2; RU2295206C9

Abstract

유도 플라즈마 토치는 튜브형 토치 바디, 상기 토치 바디 내의 챔버로 적어도 하나의 가스상태 물질을 공급하기 위해 상기 토치 바디의 근위단에 위치되는 가스 분배 헤드, 상기 튜브형 토치 바디에 동축으로 장착된 제1 유도 코일에 연결되는 고주파 전원장치, 상기 제1 유도 코일과 상기 토치 바디의 원위단 사이에서 상기 튜브형 토치 바디에 동축으로 장착된 다수의 제2 유도 코일에 연결되는 저주파 고체 전원장치를 포함한다. 상기 제1 유도 코일은 상기 가스상태 물질을 점화시키는데 필요한 유도 에너지를 제공하여, 플라즈마를 형성한다. 상기 제2 유도 코일은 상기 플라즈마 토치를 동작시키는데 필요한 작업 에너지를 제공한다. 상기 제2 유도 코일은 고체 전원장치에 직렬 또는 병렬로 연결되어, 이 고체 전원장치의 임피던스를 부합시킬 수 있다.

Description

고체 전원장치를 위한 다중-코일 유도 플라즈마 토치{MULTI-COIL INDUCTION PLASMA TORCH FOR SOLID STATE POWER SUPPLY}

본 발명은 유도 플라즈마 토치(induction plasma torches)에 관한 것으로, 특히, 다중-코일 유도 플라즈마 토치에 관한 것이다. 그러나, 본 발명은 이것으로 제한되지는 않는다.

유도 플라즈마 토치에서, 유도 코일에 의해 강한 진동 자계가 생성되어, 이 코일을 통과하는 가스에 인가되어, 가스를 이온화하고 플라즈마를 형성한다. 이러한 유도 플라즈마 토치는 유동 가스에 대한 무선 주파수(RF) 필드의 유도적 결합을 이루는 유도 결합 자체의 개념을 사용한다. 유도 결합은 가스를 통상적으로 9000℃ 인 고온으로 가열시킨다. 플라즈마 토치는 통상적으로 분광 요소 분석, 미세 파우더의 처리, 금속의 용해, 화학 조성, 폐기물 소각 등에 사용된다. 이러한 용도들은 플라즈마와 본질적으로 연관된 고온으로부터 비롯된다.

유도에 의한 플라즈마 생성을 위한 초기 시도는 단일-코일 고주파 RF 필드(메가헤르츠 범위)의 사용을 포함하였다. 또한, 저주파 RF 필드(400kHz 이하)를 사용하여 플라즈마 형성을 유도하기 위한 시도가 이루어졌었다. 이러한 저주파수를 이용한 플라즈마 형성 시도는, 저주파수에서 플라즈마가 더 크고, 보다 일정한 온도를 갖는다는 믿음에 의해 추진되었다. 또한, 이 단계에서, 플라즈마를 점화하는 과정은 일단 점화된 플라즈마를 실행하는 것과는 상이하다는 것이 인식되었다.

높은 전력 레벨(10kW 이상) 및 1 기압보다 높거나 같은 압력에서 동작될 때. 산업용 유도 토치는 안정적으로 점화 및 실행되기 어렵다. 이러한 문제점 중 일부를 완화시키기 위한 방법으로서 이중 코일 또는 RF-RF 하이브리드 설계가 제안되었다.

이중 코일 유도 플라즈마 토치의 사용을 필요로 하는 실험은 1960년대 중반에 수행되었다. I.J.Floyd 및 J.C.Lewis에 의한 논문, "Radio-frequency induced gas plasma at 250-300 kc/s"(Nature, Vol.211, No.5051)의 841 페이지에 다음을 포함하는 이중 코일 시스템의 사용이 개시되어 있다.

- 점화 또는 플라즈마를 개시하기 위해 메가헤르츠 범위에서 동작하는 고주파 코일; 및

- 저주파수에서 동작하는 제2 "작업(work)" 코일

이중 코일 플라즈마 토치에 대한 지속적인 작업에 의해 또한, 예상대로, 저주파 코일이 훨씬 더 균일한 온도를 갖는 플라즈마를 발생한다는 것이 밝혀졌다. 이것은, 축 압력의 저하와 결합되어, 수명에서의 증가와, 구상화(speroidization) 처리 또는 파우더의 분무에 대해 개선된 조건의 형태로 이익을 발생시키는 제품의 시장 진출을 가져왔다.

또한, 2개의 개별 유도 스테이지는, 제1 스테이지를 나가는 고온 가스가 플라즈마 지속력에 악영향을 줄 수 있는 다른 가스와 혼합되도록 한다는 것이 밝혀졌다. 게다가, 2개의 유도 코일의 캐스캐이딩 토치의 작업 파라미터를 최적화되도록 하고, 이에 따라, 효율성은 증가하고, 플라즈마 토치를 작동하는데 필요한 전력은 감소된다.

유도 플라즈마 토치를 동작시키는데 필요한 상당한 양의 전력을 제공하기 위해, 2가지 형태의 전원장치, 즉, 튜브형 발진 전원장치 및 고체(solid-state) 전원장치가 사용되고 있다.

튜브형 발진 전원장치는 통상적으로 40%의 입력 전력이 발진기 및 탱크 회로에서 손실되고, 단지 20 내지 40%의 입력 전력만이 고온 가스에서 플라즈마 엔탈피로서 이용될 수 있는 비효율성을 가진다.

고체 전원장치는 보다 효과적인 동작을 제공하고, 그 결과 보다 양호한 대안예가 된다. 튜브형 발진 전원장치에 비해, 고체 전원장치는 50 또는 60 Hz에서의 440 또는 560 볼트의 비교적 낮은 공급 전압부터, 300 내지 400 kHz에서의 1500 내지 3000 볼트의 높은 전압까지 전기적 에너지를 변환할 때에, 전체적인 효율성을 나타낸다. 이것은 표준의 수냉식 3극 진공관 또는 5극 진공관 튜브 발진기의 고체 트랜지스터화 회로로의 대체에 크게 기인하는 효율성에서 증가한다.

그러나, 현재 고체 전원장치는 저주파수 범위(통상적으로 300 내지 400 kHz)의 동작 특성을 갖고, 이에 따라, 일반적으로 플라즈마를 유도적으로 점화하는데 사용되는 고주파수 코일에 필요한 RF 신호를 생성하는데 적합하지 못하다. 또한, 효과적인 고체 전원장치의 사용은 대기압 또는 약한 진공 조건하에서 플라즈마 토치의 점화 및 동작에 필요한 응용예에서 배척되고 있다.

또한, 튜브형 발진 전원장치를 이용한 이중 코일 설계는 코일 사이에 최소 간격을 부과함으로써 해결될 수 있는 2개의 전원장치의 제어 회로 사이에 중요한 상호작용(interactions)을 야기한다. 코일 사이의 거리의 부과는 결과로서 생성되는 플라즈마에서의 온도 필드의 균일성에 상당히 영향을 미치고, 효율성에 대한 직접적인 영향을 갖는다.

도1은 수냉식 유폐(confinement) 튜브를 포함하는 본 발명에 따른 다중-코일 유도 플라즈마 토치의 실시예를 도시한 단면도.

본 발명에 따르면, 근위단(proximal end) 및 원위단(dismal end)을 갖는 튜브형 토치 바디를 포함하고, 제1 직경을 갖는 원통형 내면을 갖는 유도 플라즈마 토치가 제공된다.

플라즈마 유폐 튜브는 높은 열전도성을 갖는 물질로 이루어지고, 고온 플라즈마가 유폐되는 축상 챔버를 형성하며, 제1 직경보다 약간 작은 제2 직경의 원통형 외면을 포함한다. 플라즈마 유폐 튜브는 튜브형 토치 바디 내에 장착되며, 원통형 내면 및 외면은 동축으로 이루어져, 내면과 외면 사이에 균일한 두께의 얇은 환형 챔버를 형성한다.

적어도 하나의 가스상태 물질을 플라즈마 유폐 튜브에 의해 형성된 축상 챔버로 공급하기 위해, 가스 분배 헤드가 토치 바디의 근위단에 장착된다.

얇은 환형 챔버 내에서 냉각수의 고속 흐름을 달성하기 위해, 얇은 환형 챔버에 냉각수 공급장치가 연결된다. 유폐 튜브를 형성하는 재료의 높은 열전도성과 냉각수의 고속 흐름은 모두, 고온 플라즈마에 의해 가열된 열을 상기 플라즈마 유폐 튜브로부터 냉각수로 효과적으로 전달하는데 기여하여, 이로써 유폐 튜브를 효과적으로 냉각시킨다.

토치 바디의 근위단과 원위단 사이에서 튜브형 토치 바디와 동축으로 튜브형 토치 바디에 일련의 유도 코일이 장착된다. 일련의 유도 코일은, 축상 챔버로 공급된 적어도 하나의 가스상태 물질로 에너지를 유도적으로 인가하도록 제1 전원장치의 고주파 출력부에 연결되는 제1 유도 코일, 및 각각의 단자를 가지며, 제1 유도 코일과 토치 바디의 원위단 사이에 배치되는 다수의 제2 유도 코일을 포함한다.

제2 유도 코일의 입력 임피던스를 제2 전원장치의 출력 임피던스와 실질적으로 부합시키고, 축상 챔버로 공급된 적어도 하나의 가스상태 물질로 에너지를 유도적으로 인가하도록, 제1 단자와 제2 단자 사이에 제2 유도 코일을 직렬 및/또는 병렬로 연결시키기 위해, 제2 전원장치의 저주파 출력부의 제1 및 제2 단자와 제2 유도 코일의 단자 사이에 인터커넥션 회로가 삽입된다.

다른 양태에 따르면, 본 발명의 유도 플라즈마 토치는 고주파 출력부를 갖는 제1 전원장치, 및 제1 및 제2 단자를 포함한 저주파 출력부를 갖는 제2 전원장치를 더 포함한다.

본 발명의 상기 및 그 밖의 목적, 장점 및 특징들은 첨부된 도면을 참조한 다음의 예시적인 실시예의 상세한 설명으로부터 보다 명백해질 것이다.

도1은 참조부호(100)로 표시된 다중-코일 유도 플라즈마 토치의 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 상세히 말하면, 도1에 도시된 예시적인 실시예는 유도 결합된 가스 플라즈마를 생성할 수 있는 고임피던스 정합 다중-코일 유도 플라즈마 토치를 형성한다.

도1의 다중-코일 유도 플라즈마 토치(100)는 캐스트 세라믹 또는 복합 폴리머로 구성된 근위단(proximal)(21) 및 원위(distal)(23) 튜브형 부분으로 이루어지고, 종단끼리 조립된 튜브형(예로, 원통형) 토치 바디(2)를 포함한다. 또한, 튜브형 토치 바디(2)의 튜브형 부분을 제조하기 위해 다른 적합한 재료들도 고려될 수 있다. 이 튜브형 토치 바디(2)는 근위단(3) 및 원위단(5)을 가지며, 플라즈마(72)가 점화 및 유지되는 축상 챔버(70)를 갖는다.

도1에 도시된 예시적인 실시예를 참조하면, 튜브형 토치 바디(2)는 튜브형 토치 바디(2)에 동축인 원통형의 비교적 얇은 플라즈마 유폐 튜브(39)를 따라 윤곽이 정해지는 내부 원통형 표면을 갖는다. 한정적이지 않은 예로서, 플라즈마 유폐 튜브(39)는 세라믹 물질로 이루어질 수 있다.

일련의 유도 코일(4, 12, 14, 16)은 근위단(3)과 원위단(5) 사이에서 이 튜브형 토치 바디와 동축으로 튜브형 토치 바디(2)에 장착된다.

일련의 유도 코일은 튜브형 토치 바디(2)의 근위 부분(21)에 완전히 삽입되는 수냉식 구리 튜브로 이루어진 제1 유도 코일(4)을 포함한다. 이 제1 유도 코일(4)은 튜브형 토치 바디(2)와 실질적으로 동축이고, 튜브형 프로브(40)의 내부단에 위치된다. 그러나, 유도 플라즈마 토치(100)는 대개 제3 코일(14) 레벨까지 플라즈마(72) 내의 구멍을 관통하는 프로브(40)로 동작되기 때문에, 프로브(40)의 위치는 도1에 도시된 경우로 제한되지 않는다는 것을 알아야 한다. 제1 유도 코일(4)의 양단은 튜브형 토치 바디(2)의 외면쪽으로 양쪽으로 확장되어, 한 쌍의 단자(7, 9)를 형성하고, 이를 통해 냉각수와 RF 전류 모두가 코일(4)로 제공될 수 있다.

마찬가지로, 일련의 유도 코일은 튜브형 토치 바디(2)의 원위 부분(23)에 완전히 삽입되는 수냉식 구리 튜브로 이루어진 제2 유도 코일(12), 제3 유도 코일(14) 및 제4 유도 코일(16)을 포함한다. 유도 코일(12, 14, 16)은 튜브형 토치 바디와 제2 유도 코일(4)과 동축이다. 도1에 도시된 바와 같이, 유도 코일(12, 14, 16)은 제1 유도 코일(4)과 튜브형 토치 바디(2)의 원위단(5) 사이에 위치된다.

도1에 도시된 예시적인 실시예에서, 제2 코일(12), 제3 코일(14) 및 제4 코일(16)은 모두 동일한 고유 인덕턴스를 나타내며, 일련의 제1 유도 코일(4), 제2 유도 코일(12), 제3 유도 코일(14) 및 제4 유도 코일(16)은 공통 축을 따라 서로로부터 시프트된다.

결국, 코일(12, 14, 16)은 임의 코일 루프가 다른 코일 루프의 바로 위 및/또는 아래에 위치하도록 나선형으로 감길 수도 있다.

또한, 도1의 예시적인 실시예에서, 코일(4, 12, 14, 16)은 모두 동일한 반경을 갖는다. 그러나, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 유도 플라즈마 토치의 동작 특성을 최적화하거나 및/또는 적응시키기 위해 상이한 직경의 유도 코일이 사용될 수도 있다는 것을 이해할 것이다.

제2 유도 코일(12)의 양단은 튜브형 토치 바디(2)의 외면(6)쪽으로 양쪽으로 확장되어, 한 쌍의 단자(11, 13)를 형성하고, 이를 통해 냉각수와 RF 전류 모두가 이 코일(12)에 공급될 수 있다. 마찬가지로, 제3 유도 코일(14)의 양단은 튜브형 토치 바디(2)의 외면(6)쪽으로 양쪽으로 확장되어, 한 쌍의 단자(15, 17)를 형성하고, 이를 통해 냉각수와 RF 전류가 이 코일(14)로 제공될 수 있다. 마지막으로, 제4 유도 코일(16)의 양단은 튜브형 토치 바디(2)의 외면(6)쪽으로 확장되어, 한 쌍의 단자(25, 27)를 형성하고, 이를 통해 냉각수와 RF 전류가 코일(16)로 제공될 수 있다.

도1을 참조하면, 냉각수(19)는 도관(conduit)(29), 다기관(manifold)(31) 및 단자(13, 17, 27)를 통해 코일(12, 14, 16)을 형성하는 구리 튜브로 공급된다. 이 냉각수(19)는 단자(11, 15, 25), 다기관(33) 및 도관(35)을 통해 회수된다.

계속해서 도1을 참조하면, 냉각수(37)는 단자(9)를 통해 코일(4)을 형성하는 구리 튜브로 공급된다. 이 냉각수(37)는 단자(7)를 통해 회수된다.

가스 분배 헤드(30)는, 예를 들면, 다수의 볼트(미도시)를 이용하여 튜브형 토치 바디(2)의 근위단(3)에 고정된다. 가스 분배 헤드(30)는 중간 튜브(32)를 포함한다. 헤드(30)의 밑면(54)에 공동(cavity)이 형성되는데, 여기서, 공동은 보다 작은 직경의 근위 원통형 벽 부분(56), 및 보다 큰 직경의 원위 원통형 벽 부분(41)을 형성한다. 원통형 벽 부분(41)은 플라즈마 유폐 튜브(39)의 내부 직경과 동일한 직경을 갖는다. 원통형 벽 부분(56)은 중간 튜브(32)의 대응 종단을 받치도록 치수가 정해지는 직경을 갖는다. 중간 튜브(32)는 플라즈마 유폐 튜브(39)보다 직경이 작고 더 짧다. 튜브(32)는 원통형이며, 대체로 뷰브형 토치 바디(2)와 유도 코일(4, 12, 14, 16)과 동축이다. 원통형 공동(36)은 중간 튜브(32)와 플라즈마 유폐 튜브(39)의 내면(43) 및 원통형 벽 부분(41) 사이에 형성된다.

가스 분배 헤드(30)는 중심 개구부(38)가 제공될 수 있는데, 이를 통해, 튜브형의 중심 주사 프로브(40)가 삽입되어 고정된다. 주사 프로브(40)는 길고, 튜브(32), 튜브형 토치 바디(2), 플라즈마 유폐 튜브(39) 및 유도 코일(4, 12, 14, 16)과 동축이다. 많은 예에서, 파우더 및 캐리어 가스(화살표 42) 또는 합성 반응을 위한 전구체(precursor)가 프로브(40)를 통해 플라즈마 토치(100)의 챔버(70)에 주사된다. 캐리어 가스에 의해 운반되고 프로브(40)를 통해 주사되는 파우더는, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 잘 알려진 바와 같이, 플라즈마에 의해 용해되거나 증발되는 물질 또는 처리되는 물질로 구성된다.

가스 분배 헤드(30)는 또한 중간 튜브(32) 내부에 중심 가스(화살표 46)를 주사하고, 튜브(32)의 원통형 내면에 이 가스의 접선 흐름(tangential flow)을 야기하는데 적합한 통상의 도관 수단(미도시)을 포함할 수도 있다.

가스 분배 헤드(30)는 중간 튜브(32)의 원통형 외면(60)과 플라즈마 유폐 튜브(39)의 내면(43) 및 원통형 벽 부분(41) 사이의 원통형 공동(36) 내에 시스(sheath) 가스(화살표 44)를 주입하고, 원통형 공동(36) 안에서 이 시스 가스의 축상 흐름(axial flow)을 야기하는데 적합한 통상의 도관 수단(미도시)을 더 포함할 수 있다.

이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 (a)파우더 주사 프로브(40) 및 플라즈마 가스 도관 수단(화살표 44 및 46)의 구조, (b)파우더, 캐리어 가스, 중심 가스 및 시스 가스의 속성, 및 (c)가스 분배 헤드(30), 주사 프로브(40) 및 중간 튜브(32)를 만드는 물질을 선택할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 이러한 특징들은 본 명세서에서 더 이상 설명되지 않을 것이다.

도1에 도시된 바와 같이, 튜브형 토치 바디(2)의 내면과 플라즈마 유폐 튜브(39)의 외면 사이에 얇은(약 1mm 두께) 환형 챔버(45)가 형성된다. 예를 들면, 물과 같은 고속 냉각수는 플라즈마 유폐 튜브(39)의 외면 위의 얇은 환형 챔버(45) 안에서 흘러서(47, 49와 같은 화살표), 그 내면(43)이 고온의 플라즈마에 노출되는 플라즈마 유폐 튜브(39)를 냉각시킨다.

냉각수(화살표 47)는 입구(52), 가스 분배 헤드(30)를 통해 확장되는 도관(55) 및 튜브형 토치 바디(2)를 통해 얇은 환형 챔버(45) 내부와, 도관(55)으로부터 환형 챔버(45)의 하단으로 냉각수를 전달하도록 구성된 환형 도관 수단(57) 내에 주입된다.

얇은 환형 챔버(45)의 상단으로부터의 냉각수는 튜브형 토치 바디(2)의 상부와 가스 분배 헤드(30)에 형성되는 도관(61)을 통해 출구(59)(화살표 49)로 전달된다.

플라즈마 유폐 튜브(39)의 세라믹 물질은 순물질이거나, 또는 침전 또는 반응 결합된 실리콘 나이트라이드, 붕소 나이트라이드, 알루미늄 나이트라이드 및 알루미나에 기반한 합성 세라믹 물질이거나, 또는 첨가제 및 혼합물을 변화시킨 이들의 다른 어떤 조합이 될 수도 있다. 이 세라믹 물질은 밀도가 높고, 높은 열 전도성, 높은 전기 저항성 및 높은 열 충격 저항값으로 특징된다.

플라즈마 유폐 튜브(39)의 세라믹 몸체가 높은 열 전도성을 나타냄에 따라, 얇은 환형 챔버(45)에 흐르는 고속의 냉각수는 플라즈마 유폐 튜브(39)를 적절히 냉각시키는데 필요한 높은 열 전달 계수를 제공한다. 플라즈마 유폐 튜브(39)의 외면에 대한 강하고 효과적인 냉각은, 석영으로 이루어진 유폐 튜브를 포함하는 표준 플라즈마 토치에 통상적으로 요구되는 것보다 낮은 가스 유속에서 훨씬 높은 세기로 플라즈마 발생을 가능하게 한다. 이것은 이후에 플라즈마 토치의 출구에서 가스들의 보다 높은 특정 엔탈피 레벨을 야기한다.

이해될 수 있는 바와 같이, 매우 작은 두께(약 1mm 두께)의 환형 챔버(45)는 플라즈마 유폐 튜브(39)의 외면 위에서의 냉각수의 속도를 증가시키는 역할을 하고, 이에 따라, 요구된 높은 열 전달 계수를 달성하게 된다.

튜브형 토치 바디(2)의 캐스트 세라믹 또는 합성 폴리머에 완전히 삽입된 유도 코일(4, 12, 14,16)에서, 유도 코일과 플라즈마 유폐 튜브(39) 사이의 간격이 정확하게 제어되어, 유도 코일과 플라즈마 사이의 에너지 결합 효율성이 개선될 수 있다. 이것은 또한, 유도 코일에 의해 야기되는 어떠한 영향없이, 환형 챔버(45) 두께의 정확한 제어를 가능하게 하는데, 이러한 제어는 튜브형 토치 바디(2)의 내면과 플라즈마 유폐 튜브(39)의 외면을 낮은 허용오차(tolerance)로 규격화함으로써 획득된다.

동작시, RF 전류를 제1 유도 코일(4), 제2 유도 코일(12), 제3 유도 코일(14) 및 제4 유도 코일(16)로 인가함으로써 유도 결합 플라즈마(72)가 발생되어, 축상 챔버(70) 내에 RF 자계가 생성된다. 인가된 자계는 이온화된 가스안에 와상 전류(Eddy currents)를 유도하고, 줄(Joule) 가열을 이용하여 안정된 플라스모이드(plasmoid)가 유지된다. 플라즈마의 점화를 포함한 유도 플라즈마 토치의 동작은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자의 지식 안에서 다른 방법이 될 수 있다는 것을 알 수 있으며, 본 명세서에서는 더 이상 설명될 필요가 없을 것이다.

발진 전원장치(48)에 의해 제1 유도 코일(4)로 공급된 RF 전류는 발생된 플라즈마(72)의 점화 및 안정화를 책임진다. 점화는 보다 높은 주파수의 RF 전류를 필요로 하기 때문에, 발진 전원장치(48)는, 예를 들면, 튜브형 고주파 발진 전원장치가 될 수 있다. 그러므로, 전원장치(48)는 단자(7, 9)에 연결된 고주파 출력을 가져, 고주파 RF 전류를 가스 분배 헤드(30)에 가장 근접한 제1 유도 코일(4)로 공급하게 된다. 이 방식으로, 고주파 에너지가 축상 챔버(70)로 공급된 가스 물질에 인가되어, 플라즈마(72)를 점화, 유지 및 안정화시킨다. 발진 전원장치(48)는 6 내지 15 kV의 동작 전압으로 3 MHz에서 동작할 수 있다. 전원장치(48)로부터의 RF 전류의 크기, 전압 범위, 동작 주파수는 의도된 용도의 특정 요건에 부합하도록 변화될 수 있다.

제2 저주파수 전원장치(50)는 인터커넥션 회로(62) 및 단자(11 및 13, 15 및 17, 25 및 27)를 통해 각각 유도 코일(12, 14, 16)에 연결되는 2개의 단자(51, 53)를 포함하는 저주파 출력부를 갖는다. 이 방식으로, 저주파 에너지가 축상 챔버(70)로 공급된 가스 물질에 유도적으로 인가되어, 플라즈마(72)를 한층 더 유지 및 안정화시킨다. 이 두 번째 예시적인 실시예에서, 전원장치(50)는 고체 전원장치일 수 있다. 예를 들면, 이러한 고체 전원장치(50)는 2 kV의 동작 전압 및 높은 출력 전압을 가질 수 있다. 출력 전류는 설비의 전류 등급에 따라 변하고, 일부 경우에는 1000 암페어를 초과할 수 있다. 전원장치의 동작 주파수는 통상적으로 200 내지 400 kHz 사이의 범위일 수 있다. 전원장치(50)로부터의 출력 전류 레벨과 동작 전압 및 주파수는 의도된 용도의 요건을 부합하도록 변할 수 있다.

이중 고출력 튜브형 발진 전원장치로 동작하는 통상의 이중 코일 플라즈마 토치 장치에서, 적절한 전기적 절연을 보장하고, 전원장치의 제어 회로에 영향을 줄 수 있는 두 전원장치 사이의 누화를 최소화하기 위해, 개별적인 유도 코일 사이에 큰 갭이 제공될 수 있다. 통상적으로, 이 갭은 대략 5 내지 10 cm 이다. 저전압에서 동작하는 참조번호(50)와 같은 고체 전원장치를 참조부호(48)와 같은 통상의 고전압 튜브형 발진 전원장치와 결합함으로써, 제1 유도 코일(4)과 제2 유도 코일(12) 사이의 갭(52)은 수 센티미터로 감소될 수 있고, 2 또는 3 센티미터만큼 작아질 수 있으며, 동시에 양호한 전기적 절연을 유지하고 누화를 최소화할 수 있다.

이 예시적인 실시예에서, 고체 전원장치(50)는 개별 코일(12, 14, 16)의 유도 부하의 1/3과 같은 유도 부하를 필요로 한다. 코일(12, 14, 16)의 임피던스가 동일하다고 가정하면, 요구된 유도 부하는 고체 전원장치(50)의 단자(51, 53) 사이에 제2 코일(12), 제3 코일(14) 및 제4 코일(16)을 병렬로 연결함으로써 획득된다. 대응 커넥션은 인터커넥션 회로(62) 내에 점선으로 표시된다.

다중 코일들(예로, 코일(12, 14, 16))을 결합시킴으로써, 유도 플라즈마를 유지하는 고체 전원장치(50)의 출력 임피던스와 유도 코일(본 실시예에서는, 코일(12, 14, 16))의 입력 임피던스가 실질적으로 부합될 수 있고, 이로써, 유도 결합된 플라즈마 토치의 전체적인 에너지 결합 효율성이 증가될 수 있다. 실제로, 고체 전원장치(50)에서 볼 수 있는 복합 부하(complex load)는 고체 전원장치(50)에 의해 공급된 코일수의 함수로서 변한다. 단자(51, 53) 사이에서 유도 코일(예로, 코일(12, 14, 16))을 인터커넥션 회로를 통해 병렬 및/또는 직렬로 연결하는 것은 상기 복합 부하를 변경하는 효과를 갖는다. 특히, 복합 부하의 인덕턴스 값은 유도 코일(예로, 코일(12, 14, 16)을 직렬로 연결함으로써 증가할 수 있으며, 유도 코일을 병렬로 연결함으로써 감소할 수 있다. 이에 따라, 코일들(예로, 코일(12, 14, 및 16))의 상호 직렬 및/또는 병렬로의 최적 인터커넥션을 선택함으로써, 유도 코일의 입력 임피던스가 고체 전원장치(50)의 출력 임피던스와 부합될 수 있다.

물론, 본 발명의 범위안에서, 3개의 코일((12, 14, 16)을 사용하는 것에 제한되지 않고, 3개보다 적거나 많은 제2 유도 코일수를 사용할 수 있다.

이러한 다중-코일 설계의 사용은 먼저 유도 코일(12, 14, 16)의 입력 임피던스가 전원장치(50)의 출력 임피던스와 실질적으로 부합되도록 할 수 있다. 이것은 고체(트랜지스터) RF 전원장치(50)가 사용될 때에, 비교적 정밀하게 설계되고, 전원장치의 출력 임피던스와 유도 코일의 입력 임피던스의 큰 부정합을 허용할 수 없기 때문에 특히 중요하다.

다음의 수치예가 명료하게 하기 위해서 제공된다.

다음의 수식에 의해 등가 코일 임피던스가 정의된다고 가정된다.

L_c = a. N_c ². d_c . e /Z_c

여기서, a = 상수 ( 4.0 x 10^-6)

N_c = 코일의 회전수

d_c= 내부 코일 직경

d_n= 플라즈마 또는 부하 직경

e = (d_c- d_n)/2

Z_c= 코일 길이 이다.

또한, N_s(코일수 Ns=3) 코일 세그먼트에 대해, 등가 코일 임피던스는 다음과 같은 수식으로 주어진다.

L_eq= L_c/ N_s

예를 들면, 2회전의 3세그먼트로 이루어진 다중-회전 코일의 등가 코일 임피던스는 다음과 같다.

L_eq= (4/3)L_{단일 회전 코일}

이러한 코일 임피던스의 분수 값은 "단일 회전 코일"의 정수배로 제한되는, 알려진 다른 유도 플라즈마 코일 설계 중 어느 것에 의해서도 달성될 수 없다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 명백할 것이다.

Claims

유도 플라즈마 토치에 있어서,

근위단(proximal end) 및 원위단(distal end)을 가지며, 고온 플라즈마가 생성되는 축상 챔버를 둘러싸고 있는 튜브형 토치 바디(tubular torch body);

적어도 하나의 가스상태 물질을 상기 축상 챔버로 공급하기 위해 상기 튜브형 토치 바디의 근위단에 장착되는 가스 분배 헤드(gas distributor head);

상기 토치 바디의 근위단과 원위단 사이에서 상기 튜브형 토치 바디와 동축으로 상기 튜브형 토치 바디에 장착되는 일련의 유도 코일 - 상기 일련의 유도 코일은, 상기 유도 플라즈마 토치의 동작 동안에, 상기 축상 챔버로 공급된 적어도 하나의 가스상태 물질로 에너지를 유도적으로 인가하도록 제1 전원장치의 고주파 출력부에 연결되는 제1 유도 코일; 및 각각의 단자를 가지며, 상기 제1 유도 코일과 상기 토치 바디의 원위단 사이에 배치되는 다수의 제2 유도 코일을 포함함 -; 및

상기 유도 플라즈마 토치의 동작 동안에, 제2 전원장치의 저주파 출력부의 제1 및 제2 단자와 상기 제2 유도 코일의 단자 사이에 삽입되어, 상기 제2 유도 코일의 입력 임피던스를 상기 제2 전원장치의 출력 임피던스와 부합시키고, 상기 축상 챔버로 공급된 적어도 하나의 가스상태 물질로 에너지를 유도적으로 인가하기 위해, 상기 제1 단자와 제2 단자 사이에 상기 제2 유도 코일을 직렬 또는 병렬로 연결시키는 인터커넥션 회로

를 포함하는 유도 플라즈마 토치.
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제1항에 있어서,

상기 유도 플라즈마 토치는 상기 제1 유도 코일에 연결되는 고주파 출력부를 갖는 제1 전원장치, 및 상기 제1 및 제2 단자를 포함한 저주파 출력부를 갖는 제2 전원장치를 포함하고,

상기 인터커넥션 회로는 상기 제2 전원장치의 저주파 출력부의 상기 제1 및 제2 단자와 상기 제2 유도 코일의 단자 사이에 삽입되어, 상기 제1 단자와 제2 단자 사이에 상기 제2 유도 코일을 직렬 또는 병렬로 연결시키는

유도 플라즈마 토치.
제1항에 있어서,

상기 튜브형 토치 바디는 제1 직경을 갖는 원통형 내면을 포함하고,

상기 유도 플라즈마 토치는, 열전도성을 갖는 물질로 이루어지고, 고온 플라즈마가 유폐(幽閉 : confine)되는 축상 챔버를 형성하며, 상기 제1 직경보다 작은 제2 직경의 원통형 외면을 포함하는 플라즈마 유폐 튜브를 더 포함하고,

상기 플라즈마 유폐 튜브는 냉각수의 고속 흐름을 수행하기 위해, 상기 튜브형 토치 바디 내에 장착되며, 상기 원통형 내면 및 외면은 동축으로 이루어져, 상기 내면과 외면 사이에 균일한 두께의 환형 챔버를 형성하고, 상기 유폐 튜브를 형성하는 재료의 열전도성과 냉각수의 고속 흐름은 모두, 상기 고온 플라즈마에 의해 가열된 열을 상기 플라즈마 유폐 튜브로부터 상기 냉각수로 전달하는데 기여하여, 이로써 상기 유폐 튜브를 냉각시키는

유도 플라즈마 토치.
제10항에 있어서,

상기 환형 챔버 내에서 냉각수의 고속 흐름을 달성하기 위해, 상기 환형 챔버에 연결되는 냉각수 공급장치

를 더 포함하는 유도 플라즈마 토치.
제1항, 제9항, 제10항 또는 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제2 전원장치는 고체(solid-state) 전원장치인

유도 플라즈마 토치.
제1항, 제9항, 제10항 또는 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제1 전원장치는 튜브형 발진 전원장치이고, 상기 제2 전원장치는 고체 전원장치인

유도 플라즈마 토치.
제1항, 제9항, 제10항 또는 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제2 유도 코일은 상기 인터커넥션 회로를 통해 상기 제2 전원장치의 저주파 출력부의 상기 제1 단자와 제2 단자 사이에 병렬로 연결되는

유도 플라즈마 토치.
제1항, 제9항, 제10항 또는 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제2 유도 코일은 상기 인터커넥션 회로를 통해 상기 제2 전원장치의 저주파 출력부의 상기 제1 단자와 제2 단자 사이에 직렬로 연결되는

유도 플라즈마 토치.
제1항, 제9항, 제10항 또는 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제2 유도 코일은 상기 인터커넥션 회로를 통해 상기 제2 전원장치의 저주파 출력부의 상기 제1 단자와 제2 단자 사이에 직렬 및 병렬로 연결되는

유도 플라즈마 토치.
제1항, 제9항, 제10항 또는 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제1 및 제2 유도 코일은 상기 튜브형 토치 바디 내에 삽입되는

유도 플라즈마 토치.
제1항, 제9항, 제10항 또는 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제2 유도 코일은 나선형으로 감겨져 있는

유도 플라즈마 토치.
제1항, 제9항, 제10항 또는 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제2 유도 코일은 상기 제1 유도 코일과 상기 튜브형 토치 바디의 원위단 사이에 일련의 유도 코일을 형성하는

유도 플라즈마 토치.