JP3118300B2 - High frequency induction thermal plasma torch - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、熱プラズマを発生させ
るコイル結合型の高周波誘導熱プラズマトーチに関する
ものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a coil-coupled high-frequency induction thermal plasma torch for generating thermal plasma.

【０００２】[0002]

【従来の技術】セラミックスやダイヤモンドの生成等に
高温発生源として高周波誘導熱プラズマジェット発生装
置が使用されている。このプラズマジェット発生装置の
全体構成は、高周波電源、高周波誘導熱プラズマトー
チ、チャンバー、真空排気系及び制御系に大別される。
そして、プラズマの発生は、高周波電源の同調コイルの
一部を、円筒状のプラズマトーチの外周に結合コイルと
して巻回し、この結合コイルを介してプラズマトーチ内
のガス（気体）へ高周波電力を供給してガス点火するこ
とにより行うようにしている。2. Description of the Related Art A high frequency induction thermal plasma jet generator is used as a high-temperature source for producing ceramics and diamond. The overall configuration of the plasma jet generator is roughly divided into a high-frequency power supply, a high-frequency induction thermal plasma torch, a chamber, a vacuum exhaust system, and a control system.
To generate the plasma, a part of the tuning coil of the high frequency power supply is wound around the outer periphery of the cylindrical plasma torch as a coupling coil, and high frequency power is supplied to the gas (gas) in the plasma torch through the coupling coil. Then, gas ignition is performed.

【０００３】ところで、高周波誘導熱プラズマジェット
の点火方式としては、減圧着火方式、着火棒挿入方式、
種火導入方式等がある。[0003] By the way, the ignition method of the high-frequency induction thermal plasma jet includes a reduced-pressure ignition method, an ignition rod insertion method,
There is a pilot fire introduction method.

【０００４】減圧着火方式は、トーチ内を減圧状態にし
た後に、結合コイルへ高周波電力を印加してプラズマを
自然発生する方式である。また、着火棒挿入方式は、誘
導加熱による電子放出を行い易い物質（例えば、Ｃ、Ｗ
等）から成る着火棒を結合コイルによって取り囲まれた
プラズマ発生領域内に挿入し、これによって、前記減圧
着火方式よりも容易にプラズマを発生するようにした方
式である。また、種火導入方式は、いわゆるコンバイン
ド又はハイブリッド型トーチに代表される小規模なＤＣ
又はＲＦ放電（アーク）を種火とし、目的とする熱プラ
ズマジェットを得る方式である。[0004] The reduced pressure ignition method is a method in which after the inside of the torch is reduced in pressure, high frequency power is applied to a coupling coil to generate plasma spontaneously. In addition, the ignition rod insertion method uses a substance (e.g., C, W) that easily emits electrons by induction heating.
) Is inserted into the plasma generation region surrounded by the coupling coil, whereby the plasma is generated more easily than in the reduced pressure ignition method. In addition, the pilot fire introduction system is a small-scale DC represented by a so-called combined or hybrid torch.
Alternatively, an RF discharge (arc) is used as a pilot flame to obtain a desired thermal plasma jet.

【０００５】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
如き従来の着火方式には次のような問題点がある。すな
わち、減圧着火方式の場合には、プラズマの点火電圧が
プラズマの維持電圧に比べて数倍大きいため、点火時の
衝撃によりトーチの破損がしばしば発生する。また、プ
ラズマ点火圧力は、通常、１Ｔｏｒｒ以下が望ましいた
め、チャンバー及び排気系に、本来不要な過剰能力が要
求される。さらに、点火圧力から大気圧へプラズマ状態
を移行する際、多量のプラズマガスを必要とする。However, the conventional ignition system as described above has the following problems. That is, in the case of the reduced-pressure ignition method, since the ignition voltage of the plasma is several times higher than the sustaining voltage of the plasma, the torch is often damaged by the impact at the time of the ignition. In addition, since the plasma ignition pressure is usually preferably 1 Torr or less, the chamber and the exhaust system are required to have an unnecessary excess capacity. Further, when the plasma state is shifted from the ignition pressure to the atmospheric pressure, a large amount of plasma gas is required.

【０００６】また、着火棒挿入方式の場合には、着火棒
を構成する物質（例えば、Ｃ、Ｗ等）が、プラズマ中の
汚染源になるという欠点がある。Further, in the case of the igniter rod insertion method, there is a drawback that a substance (for example, C, W, etc.) constituting the igniter rod becomes a contamination source in the plasma.

【０００７】また、種火導入方式の場合には、着火棒挿
入方式の場合と同様に、アーク部が汚染源となる。In addition, in the case of the seed-fire introduction method, the arc portion becomes a source of contamination as in the case of the ignition rod insertion method.

【０００８】なお、熱プラズマジェットは、主に、不活
性ガス（例えば、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ等）に目的生成物の
原料（ガス、液体、粉体）を導入し、高純度の生成物
（ダイヤモンド、ファインセラミックス等）を得るよう
にしているので、着火棒挿入方式や種火導入方式の如く
汚染源を内包する方式の使用を極力避け、減圧着火方式
を使用しているのが実状である。そこで、従来より、減
圧着火方式の欠点を除去或いは緩和することが要請され
ているのである。[0008] The thermal plasma jet mainly introduces a raw material (gas, liquid, powder) of a target product into an inert gas (for example, He, Ne, Ar, etc.) and produces a high-purity product (gas, liquid, powder). (Diamonds, fine ceramics, etc.), the use of a reduced pressure ignition method is avoided, and the use of a method including a pollution source, such as an ignition rod insertion method or a pilot fire introduction method, is avoided as much as possible. Therefore, it has been conventionally required to eliminate or alleviate the drawbacks of the reduced-pressure ignition system.

【０００９】本発明は、このような実状に鑑みてなされ
たものであって、その目的は、高周波電力が同一である
場合に従来のプラズマ点火圧力よりも高い圧力で点火が
可能であり、点火に必要な結合コイルの電圧は従来必要
とした電圧よりも低い電圧にて点火可能であり、従って
プラズマ発生時の衝撃を著しく軽減し得てトーチの破損
を防止できるようにした高周波誘導熱プラズマトーチを
提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to enable ignition at a pressure higher than the conventional plasma ignition pressure when the high-frequency power is the same. The high-frequency induction thermal plasma torch which can ignite at a voltage required for the coupling coil at a voltage lower than that required conventionally, so that the shock at the time of plasma generation can be significantly reduced and the torch can be prevented from being damaged. Is to provide.

【００１０】[0010]

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明では、筒状のプラズマトーチ本体の周囲に
結合コイルを巻回し、前記結合コイルに高周波電力を供
給することにより前記プラズマトーチ本体内のガスに点
火して熱プラズマ状態にするようにした高周波誘導熱プ
ラズマトーチにおいて、前記結合コイルを含む高周波回
路上に、前記結合コイルの一部に基端が連結され、か
つ、先端が開放端となされている導電性の突起部を設け
るようにしている。In order to achieve the above-mentioned object, according to the present invention, a coupling coil is wound around a cylindrical plasma torch body, and high-frequency power is supplied to the coupling coil to produce the plasma. In a high-frequency induction thermal plasma torch configured to ignite a gas in a torch main body into a thermal plasma state, a high-frequency circuit including the coupling coil is provided.
On the road, the proximal part of the coupling coil is connected, and the tip is be provided with a protruding portion of the conductive which is made an open end.

【００１１】[0011]

【作用】結合コイルに設けられた導電性の突起部は高周
波回路上の開放端となり、この突起部の電圧が他の結合
コイル部分よりも上昇するため、結合コイルへの印加電
圧が小さい場合でもトーチ内部のガスに対する放電開始
電圧が確保され、低電力でもプラズマ点火がなされる。The conductive projection provided on the coupling coil becomes an open end on the high-frequency circuit, and the voltage of the projection rises higher than that of other coupling coil portions. Therefore, even when the voltage applied to the coupling coil is small. The discharge starting voltage for the gas inside the torch is secured, and plasma ignition is performed even with low power.

【００１２】[0012]

【実施例】以下、本発明の一実施例に付き図１及び図２
（ａ）を参照して説明する。1 and 2 show an embodiment of the present invention.
This will be described with reference to FIG.

【００１３】図１は本発明に係る高周波誘導熱プラズマ
トーチ１を示すものであって、同図において、２は円筒
状の石英管から成るプラズマトーチ本体、３はこのプラ
ズマトーチ本体２の周囲に螺旋状に巻回された銅パルプ
製の結合コイル（高周波誘導加熱コイル）である。FIG. 1 shows a high-frequency induction thermal plasma torch 1 according to the present invention. In FIG. 1, reference numeral 2 denotes a plasma torch main body made of a cylindrical quartz tube, and 3 denotes a periphery of the plasma torch main body 2. It is a copper pulp coupling coil (high-frequency induction heating coil) spirally wound.

【００１４】上述のプラズマトーチ本体２の上端部２ａ
には、図示を省略したが、ガス導入用のノズル部及び原
料粉末（又は原料ガス）導入用のノズル部等がそれぞれ
設けられており、これらのノズル部を通してキャリアガ
ス及び原料粉末等がプラズマトーチ本体２内に注入され
るように構成されている。一方、上述の結合コイル３に
は図外の高周波電源から高周波電力が供給されるように
なっている。The upper end 2a of the above-mentioned plasma torch main body 2
Although not shown in the drawings, a nozzle portion for introducing a gas and a nozzle portion for introducing a raw material powder (or a raw material gas) are respectively provided, and a carrier gas and a raw material powder are supplied to the plasma torch through these nozzle portions. It is configured to be injected into the main body 2. On the other hand, high frequency power is supplied to the coupling coil 3 from a high frequency power source (not shown).

【００１５】また、図１に示すように、前記結合コイル
３の一部分には、例えば銅から成る導電性の突起部４が
一体成形されている。すなわち、この突起部４の基端４
ａは結合コイル３に連結されると共に、その先端は他の
部材に接触することなく開放端４ｂとなされている。な
お、本例においては、前記突起部４の形状は、図１及び
図２（ａ）に示すように、平板形状をなすものであっ
て、突起部４の広面積の側の面４ｃがプラズマトーチ本
体２の外周面２ｂに対向配置されるようになっている。As shown in FIG. 1, a conductive projection 4 made of, for example, copper is integrally formed on a part of the coupling coil 3. That is, the base end 4 of the projection 4
“a” is connected to the coupling coil 3, and the distal end thereof is an open end 4 b without contacting other members. In this example, as shown in FIGS. 1 and 2A, the shape of the projection 4 is a flat plate, and the surface 4c on the wide area side of the projection 4 is a plasma. The torch main body 2 is arranged to face the outer peripheral surface 2b.

【００１６】次に、上述の如き構成の高周波誘導熱プラ
ズマトーチ１を用いてプラズマ点火する際の操作及び作
用に付き説明する。Next, the operation and operation of plasma ignition using the high frequency induction thermal plasma torch 1 having the above-described configuration will be described.

【００１７】まず、プラズマトーチ本体２内を減圧状態
にし、キャリアガス及び原料粉末（又は原料ガス）をプ
ラズマトーチ本体２内に注入すると共に、結合コイル３
に高周波電力を供給する。この時、突起部４は高周波回
路上の開放端４ｂであるから、突起部４の電圧は結合コ
イル３の印加電圧よりも高く上昇する。すなわち、高周
波回路（電源及び結合コイルなどを含む高周波回路）上
に開放端（突起物４の先端）が存在する場合、高周波回
路中においては電流を流そうするために、電流の流れに
くい部分の電圧が上昇する性質がある。そのため、結合
コイル３に導電性の突起物４を設けて成る回路は、電源
（図示せず）及び結合コイル３などから成る閉回路の途
中において先端が開放された回路が並列に接続された等
価回路とみなせるため、突起部４の先端の電圧上昇が発
生する。そのため、結合コイル３に供給される電力が小
さくても、すなわち、突起部４が設けられていない結合
コイル３を用いた場合にプラズマ点火を生じ得ないよう
な低電力であっても、突起部４の電圧は、プラズマトー
チ本体２の内部のガスに対する放電開始電圧以上にな
る。更に、その電圧上昇に伴い、導体性の突起部の先端
において電界集中の度合が増すという二次的作用が生じ
る。 First, the inside of the plasma torch main body 2 is depressurized, a carrier gas and raw material powder (or raw material gas) are injected into the plasma torch main body 2, and the coupling coil 3 is turned on.
Supply high frequency power to At this time, since the protrusion 4 is the open end 4 b on the high frequency circuit, the voltage of the protrusion 4 rises higher than the voltage applied to the coupling coil 3. That is, high circumference
Wave circuit (high frequency circuit including power supply and coupling coil)
If there is an open end (tip of the protrusion 4) in the
In the road, to make the current flow, the current flow
There is a tendency for the voltage of the pile to rise. Therefore, join
A circuit comprising the coil 3 and the conductive protrusions 4 is provided with a power supply
(Not shown) and a closed circuit comprising a coupling coil 3 and the like
Circuits with open ends connected in parallel, etc.
The voltage rises at the tip of the projection 4
Live. Therefore, even if the power supplied to the coupling coil 3 is small, that is, the power is low enough that plasma ignition cannot occur when the coupling coil 3 having no projection 4 is used, The voltage 4 is equal to or higher than the discharge starting voltage for the gas inside the plasma torch main body 2. Furthermore, as the voltage rises, the tip of the conductive protrusion
Has the secondary effect that the degree of electric field concentration increases in
You.

【００１８】これに伴い、プラズマトーチ本体２の内部
空間のうち突起部４に最も近接した箇所で電離ガスが発
生し、結合コイル３の電磁場が結合する誘導プラズマへ
移行する。Along with this, ionized gas is generated at a position in the inner space of the plasma torch main body 2 which is closest to the projection 4, and transitions to induction plasma in which the electromagnetic field of the coupling coil 3 is coupled.

【００１９】このような高周波誘導熱プラズマトーチ１
によれば、結合コイル３に付設された電導性の突起部４
の存在により、突起部４部分の電圧のみが上昇せしめら
れると共にこの電圧上昇に起因して突起部４の先端に電
界が集中することとなり、従来のプラズマ点火圧力より
も高い圧力で点火が可能となる。また、突起部４部分の
みの電圧上昇を有効に利用するようにしているので、結
合コイル３自体の印加電圧は、従来必要とした印加電圧
よりも低く抑制してもよいこととなる。その結果、プラ
ズマ点火時の衝撃を著しく軽減することが可能となり、
熱プラズマトーチ１の破損を防止できる。Such a high-frequency induction thermal plasma torch 1
According to the present invention, the conductive protrusions 4 attached to the coupling coil 3
, Only the voltage of the protrusion 4 is increased, and the tip of the protrusion 4 is charged due to the voltage increase.
The field is concentrated , and ignition can be performed at a pressure higher than the conventional plasma ignition pressure. Further, since the voltage increase of only the protrusion 4 is effectively used, the applied voltage of the coupling coil 3 itself may be suppressed lower than the conventionally required applied voltage. As a result, it is possible to significantly reduce the impact during plasma ignition,
The breakage of the thermal plasma torch 1 can be prevented.

【００２０】すなわち、突起部４の存在によりプラズマ
点火電圧を減少でき、このことはパッシェンの法則に従
えば、放電開始圧力の上昇と等価である。That is, the plasma ignition voltage can be reduced by the presence of the projection 4, which is equivalent to an increase in the discharge starting pressure according to Paschen's law.

【００２１】以上に述べた作用効果を確かめるために、
実験を行ったところ、表１及び表２に示す結果を得た。In order to confirm the effects described above,
When the experiment was performed, the results shown in Tables 1 and 2 were obtained.

【表１】 [Table 1]

【表２】 上記表１及び表２に示す実験結果から、突起部４の存在
により、点火圧力が高くても、また印加電圧が低くても
プラズマ点火がなされることが確認された。[Table 2] From the experimental results shown in Tables 1 and 2, it was confirmed that the presence of the projections 4 caused plasma ignition even when the ignition pressure was high and the applied voltage was low.

【００２２】以上、本発明の一実施例に付き述べたが、
本発明は既述の実施例に限定されるものではなく、本発
明の技術的思想に基いて各種の変形及び変更が可能であ
る。例えば、突起部４の形状や材質等により突起部４の
発生電圧が異なるが、原料粉末や原料ガスの種類等に応
じてその形状や材質等を任意に変更可能である。特に、
突起部４の形状は既述の実施例では図２（ａ）に示す如
く平板状にしたが、図２（ｂ）に示すように上面が半球
形状の柱体４′或いは図２（ｃ）に示すように上面が三
角形状の柱体４″等に変更してもよい。As described above, one embodiment of the present invention has been described.
The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications and changes can be made based on the technical idea of the present invention. For example, the voltage generated at the projections 4 varies depending on the shape and material of the projections 4, but the shape, material, and the like can be arbitrarily changed according to the type of the raw material powder and the raw material gas. In particular,
In the above-described embodiment, the shape of the projection 4 is a flat plate as shown in FIG. 2A, but as shown in FIG. 2B, the top surface is a hemispherical column 4 'or FIG. The upper surface may be changed to a triangular column 4 ″ as shown in FIG.

【００２３】[0023]

【発明の効果】以上の如く、本発明は、結合コイルの一
部に導電性の突起部を高周波回路上の開放端として設け
るようにしたものであるから、この突起部の存在により
突起部の電圧が結合コイルの印加電力よりも上昇するた
め、印加電圧が相対的に低くても所定のプラズマ点火電
圧を確保できる。従って、高周波電源から見たプラズマ
点火電圧の低減を図ることができるので、プラズマ点火
が容易かつ円滑となり、点火時の衝撃によるトーチの破
損の可能性を著しく低下させることができる。また、プ
ラズマ点火圧力を高圧側にシフトすることができること
となり、それに応じてプラズマ発生装置（特に、チャン
バー及び排気系）の能力を高度のものにする必要がなく
安価なもので済ますことができる。さらに、プラズマ点
火後に大気圧プラズマジェットへ移行する際の、ガス量
の節約、時間の短縮が可能となる。As described above, according to the present invention, a conductive projection is provided as an open end on a high-frequency circuit in a part of a coupling coil. Since the voltage is higher than the power applied to the coupling coil, a predetermined plasma ignition voltage can be secured even when the applied voltage is relatively low. Therefore, the plasma ignition voltage seen from the high-frequency power supply can be reduced, so that the plasma ignition becomes easy and smooth, and the possibility of damage to the torch due to the impact at the time of ignition can be significantly reduced. In addition, the plasma ignition pressure can be shifted to the high pressure side, and accordingly, the capability of the plasma generator (particularly, the chamber and the exhaust system) does not need to be advanced, and can be inexpensive. Further, it is possible to save the amount of gas and to reduce the time required for the transition to the atmospheric pressure plasma jet after the plasma ignition.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】本発明に係る高周波誘導熱プラズマトーチの正
面図である。FIG. 1 is a front view of a high frequency induction thermal plasma torch according to the present invention.

【図２】（ａ）は結合コイルの一部に設けられた導電性
の突起部の平面図、（ｂ）及び（ｃ）は突起部の形状の
変形例をそれぞれ示す平面図である。FIG. 2A is a plan view of a conductive protrusion provided on a part of a coupling coil, and FIGS. 2B and 2C are plan views each showing a modification of the shape of the protrusion.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１ 高周波誘導熱プラズマトーチ ２ プラズマトーチ本体 ３ 結合コイル ４ 突起部 ４ａ 基端 ４ｂ 開放端 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 High frequency induction thermal plasma torch 2 Plasma torch main body 3 Coupling coil 4 Projection part 4a Base end 4b Open end

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】 筒状のプラズマトーチ本体の周囲に結合
コイルを巻回し、前記結合コイルに高周波電力を供給す
ることにより前記プラズマトーチ本体内のガスに点火し
て熱プラズマ状態にするようにした高周波誘導熱プラズ
マトーチにおいて、前記結合コイルを含む高周波回路上
に、前記結合コイルの一部に基端が連結され、かつ、先
端が開放端となされている導電性の突起部を設けたこと
を特徴とする高周波誘導熱プラズマトーチ。1. A coupling coil is wound around a cylindrical plasma torch main body, and high-frequency power is supplied to the coupling coil to ignite a gas in the plasma torch main body to be in a thermal plasma state. In a high frequency induction thermal plasma torch, on a high frequency circuit including the coupling coil
The proximal end is coupled to a portion of the coupling coil and the high-frequency induction thermal plasma torch, wherein a tip is provided with a projection portion of the conductive which is made an open end.