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JP4531451B2 - Plasma generation apparatus in atmospheric pressure and plasma generation support apparatus in atmospheric pressure - Google Patents
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Plasma generation apparatus in atmospheric pressure and plasma generation support apparatus in atmospheric pressure Download PDF

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Description

本発明は、大気圧中においてプラズマを生成する方法、及び大気圧中においてプラズマを生成する装置に関する。   The present invention relates to a method for generating plasma in atmospheric pressure and an apparatus for generating plasma in atmospheric pressure.

従来より、プラズマの着火及び維持は、一般的には低圧状態で行われている。大気圧中では周囲の低温の中性ガス密度(プラズマでない通常のガスの密度)が非常に大きく、高温のプラズマの着火と維持が非常に困難となるためである。
従来技術として、プラズマの放電開始時では減圧しておき、減圧状態にてマイクロ波を用いてプラズマを生成し、生成したプラズマを維持しながら大気圧に戻し、大気圧中にて高温のプラズマで基板表面を熱処理するプラズマ処理装置が提案されている(例えば特許文献1参照)。
また、図8に示すように、大気圧中において、整合器で整合可能なキャビティ20A内に設けた棒状のアンテナ30Aにマイクロ波を照射して、アンテナ30Aの先端が収容されているキャビティ20A内にてプラズマを生成するプラズマ生成装置も提案されている。
特開2004−031509号公報
Conventionally, plasma ignition and maintenance are generally performed in a low pressure state. This is because the ambient low-temperature neutral gas density (ordinary gas density that is not plasma) is very large at atmospheric pressure, and it is very difficult to ignite and maintain the high-temperature plasma.
As a conventional technique, the pressure is reduced at the start of plasma discharge, plasma is generated using microwaves in a reduced pressure state, the pressure is returned to atmospheric pressure while maintaining the generated plasma, and the plasma is heated at high temperature in atmospheric pressure. A plasma processing apparatus for heat-treating the substrate surface has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
Further, as shown in FIG. 8, in the atmospheric pressure, the microwave is applied to the rod-shaped antenna 30A provided in the cavity 20A that can be matched by the matching unit, and the inside of the cavity 20A in which the tip of the antenna 30A is accommodated. A plasma generation apparatus for generating plasma has also been proposed.
JP 2004-031509 A

特許文献1に記載された従来技術は、マイクロ波を用いてプラズマを生成する際、プラズマの着火性を向上させ、プラズマの生成を安定化させているが、プラズマを安定的に着火させる際に減圧(100Torr程度まで減圧)する必要がある。減圧するためには排気ポンプ、バルブ等の減圧用の設備と、減圧に要する時間が必要となり、プラズマを生成するには非常に手間がかかる。
図8に示す従来技術は、キャビティ20A(共鳴箱)にてマイクロ波を共鳴(共振)させてマイクロ波を増幅させているが、生成されたプラズマの影響で共鳴点が微妙に変動するため、常に整合を取る必要がある。つまり、生成したプラズマを維持するためには、キャビティ用整合器20Bを常に調整し続けなければならず、非常に手間がかかる。また、キャビティ20Aはより大きな共鳴(共振)を得るために、比較的小さなサイズ(10[cm]四方程度)で構成されており、数10[cm]以上の径を有する比較的大きな体積のプラズマを生成することはできない。また、生成されたプラズマがアンテナ30Aの先端部分を覆ってしまうと、アンテナ30Aの電場が遮断され、プタズマの維持が非常に困難となるため、ガス(例えば窒素、ヘリウム等)を流してプラズマの位置をアンテナ30Aの先端部から強制的に移動させている。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、減圧用の設備等を必要とせず、大気圧中で比較的容易にプラズマを着火及び維持することが可能な、大気圧中でのプラズマ生成方法及びその装置を提供することを課題とする。
The prior art described in Patent Document 1 improves the ignitability of plasma and stabilizes the generation of plasma when generating plasma using microwaves. However, when generating plasma stably, It is necessary to reduce the pressure (reduced pressure to about 100 Torr). In order to reduce the pressure, equipment for reducing pressure such as an exhaust pump and a valve and the time required for pressure reduction are required, and it takes much time to generate plasma.
In the prior art shown in FIG. 8, the microwave is resonated (resonated) in the cavity 20A (resonance box) to amplify the microwave. However, because the resonance point slightly changes due to the generated plasma, There is always a need to be consistent. That is, in order to maintain the generated plasma, it is necessary to constantly adjust the cavity matching unit 20B, which is very laborious. The cavity 20A has a relatively small size (about 10 [cm] square) in order to obtain a larger resonance (resonance), and has a relatively large volume of plasma having a diameter of several tens [cm] or more. Cannot be generated. Further, if the generated plasma covers the tip of the antenna 30A, the electric field of the antenna 30A is cut off and it becomes very difficult to maintain the plasma. Therefore, a gas (for example, nitrogen, helium, etc.) is flowed to cause the plasma to flow. The position is forcibly moved from the tip of the antenna 30A.
The present invention was devised in view of such points, and does not require a decompression facility or the like, and can ignite and maintain plasma relatively easily at atmospheric pressure. It is an object of the present invention to provide a plasma generation method and apparatus therefor.

上記課題を解決するための手段として、本実施の形態に記載のプラズマ生成方法では、導電体で囲まれるとともに内部が大気圧の処理空間内に、当該処理空間内における長さが所定長さとなるように、且つ処理空間内における一方の端が前記導電体に接地するように導電性を有するアンテナ部材を配置し、前記処理空間内にマイクロ波を照射してプラズマを生成する。   As a means for solving the above problem, in the plasma generation method described in the present embodiment, the inside of the processing space surrounded by the conductor and at the atmospheric pressure is the predetermined length in the processing space. Then, an antenna member having conductivity is arranged so that one end in the processing space is grounded to the conductor, and plasma is generated by irradiating microwaves in the processing space.

また、本実施の形態に記載の大気圧中でのプラズマ生成装置は、導電体で囲まれるとともに内部が大気圧の処理空間と、アンテナ部材と、マイクロ波発生手段とを備えた大気圧中でのプラズマ生成装置であって、マイクロ波発生手段は処理空間内にマイクロ波を照射し、アンテナ部材は導電性を有するとともに略柱状の形状であり、処理空間内における一方の端が前記導電体に接地するように、且つ処理空間内における長さが所定長さとなるように設けられている。   In addition, the atmospheric pressure plasma generation apparatus described in this embodiment is surrounded by a conductor and has an atmospheric pressure processing space, an antenna member, and a microwave generation unit. The microwave generating means irradiates the processing space with microwaves, the antenna member has conductivity and has a substantially columnar shape, and one end in the processing space is connected to the conductor. It is provided so as to be grounded and to have a predetermined length in the processing space.

また、本実施の形態に記載の大気圧中でのプラズマ生成装置では、アンテナ部材は所定長さ以上の長さを有しているとともに、処理空間を構成する導電体と接地した個所から任意の長さを処理空間内に挿入可能であり、更に、処理空間内におけるアンテナ部材の長さを検出可能な長さ検出手段と、当該検出手段による検出量に基づいて処理空間内に挿入するアンテナ部材の長さを所定長さに調節可能な長さ調節手段とを備える。   Further, in the plasma generation apparatus in the atmospheric pressure described in the present embodiment, the antenna member has a length equal to or longer than a predetermined length, and is arbitrarily selected from a portion grounded with a conductor constituting the processing space. Length detection means capable of inserting a length into the processing space, and capable of detecting the length of the antenna member in the processing space, and an antenna member inserted into the processing space based on a detection amount by the detection means And a length adjusting means capable of adjusting the length to a predetermined length.

また、本実施の形態に記載の大気圧中でのプラズマ生成装置では、生成したプラズマを保持する保持容器を備える。そして、保持容器の上部は略球状または略半球状の形状を有しているとともに、保持容器の上部には所定サイズの穴が設けられており、前記保持容器は、処理空間内に且つアンテナ部材を覆うように配置されている。   In addition, the atmospheric pressure plasma generation apparatus described in this embodiment includes a holding container that holds generated plasma. The upper part of the holding container has a substantially spherical or substantially hemispherical shape, and a hole of a predetermined size is provided in the upper part of the holding container. It is arranged so as to cover.

また、本実施の形態に記載の大気圧中でのプラズマ生成装置は、マイクロ波発生手段と、導電体で囲まれるとともに内部が大気圧の処理空間と、マイクロ波発生手段から出力されたマイクロ波を処理空間に導くとともに前記マイクロ波の反射波を逃がすサーキュレータと、処理空間へのマイクロ波の入射波と処理空間からのマイクロ波の反射波とを計測可能な方向性結合器と、前記反射波の量を調節可能な整合器と、処理空間内に配置されるとともに生成したプラズマを保持する保持容器と、保持容器内に配置され、導電性を有するとともに略柱状の形状を有し、処理空間を構成する導電体と接地した個所から任意の長さを処理空間内に挿入可能なアンテナ部材とを備える。
そして、処理空間内におけるアンテナ部材の長さを検出可能な長さ検出手段と、当該長さ検出手段による検出量に基づいて処理空間内に挿入するアンテナ部材の長さを所定長さに調節可能な長さ調節手段と、生成したプラズマの温度を検出可能な温度検出手段と、当該温度検出手段による検出量に基づいてマイクロ波の出力を制御する出力制御手段とを備える。
Further, the plasma generation apparatus in the atmospheric pressure described in this embodiment includes a microwave generation unit, a processing space surrounded by a conductor and having an atmospheric pressure inside, and a microwave output from the microwave generation unit. A circulator for guiding the reflected wave of the microwave to the processing space, a directional coupler capable of measuring the incident wave of the microwave to the processing space and the reflected wave of the microwave from the processing space, and the reflected wave A matching unit that can be adjusted in amount, a holding container that is disposed in the processing space and that holds the generated plasma, and is disposed in the holding container and has conductivity and a substantially columnar shape, And an antenna member capable of inserting an arbitrary length into the processing space from the grounded portion.
The length detecting means capable of detecting the length of the antenna member in the processing space, and the length of the antenna member inserted into the processing space can be adjusted to a predetermined length based on the amount detected by the length detecting means. Length adjusting means, temperature detecting means capable of detecting the temperature of the generated plasma, and output control means for controlling the output of the microwave based on the detection amount by the temperature detecting means.

また、本実施の形態に記載の大気圧中でのプラズマ生成装置は、導電体で囲まれるとともに内部が大気圧の処理空間と、処理空間の任意の面に設けられた単数または複数のマイクロ波発生手段と、マイクロ波発生手段に近接して設けられ、マイクロ波発生手段から出力されたマイクロ波を拡散させる反射板と、処理空間内に配置されるとともに生成したプラズマを保持する保持容器と、保持容器内に配置され、導電性を有するとともに略柱状の形状を有し、処理空間を構成する導電体と接地した個所から任意の長さを処理空間内に挿入可能なアンテナ部材と、処理空間内におけるアンテナ部材の長さを検出可能な長さ検出手段と、当該長さ検出手段による検出量に基づいて処理空間内に挿入するアンテナ部材の長さを所定長さに調節可能な長さ調節手段と、生成したプラズマの温度を検出可能な温度検出手段と、当該温度検出手段による検出量に基づいてマイクロ波の出力を制御する出力制御手段とを備える。   In addition, the atmospheric pressure plasma generator described in this embodiment includes a processing space surrounded by a conductor and an atmospheric pressure inside, and one or a plurality of microwaves provided on an arbitrary surface of the processing space. A generating means, a reflector provided in proximity to the microwave generating means and diffusing the microwaves output from the microwave generating means, a holding container disposed in the processing space and holding the generated plasma, An antenna member that is disposed in the holding container, has conductivity and has a substantially columnar shape, and can be inserted into the processing space at any length from a grounded portion with the conductor constituting the processing space, and the processing space A length detecting means capable of detecting the length of the antenna member in the inside, and a length capable of adjusting the length of the antenna member inserted into the processing space to a predetermined length based on a detection amount by the length detecting means Comprising a regulating means, a detectable temperature detecting means the temperature of the generated plasma, and output control means for controlling the output of the microwave based on the detected amount by the temperature detection means.

また、本実施の形態に記載の大気圧中でのプラズマ生成装置では、保持容器は比較的小さな径の内保持容器と、比較的大きな径の外保持容器との2つの容器を重ねて構成されており、内保持容器と外保持容器との間の空間には冷却用流体が流されている。   Further, in the plasma generation apparatus in the atmospheric pressure described in the present embodiment, the holding container is configured by stacking two containers, an inner holding container having a relatively small diameter and an outer holding container having a relatively large diameter. The cooling fluid is flowing in the space between the inner holding container and the outer holding container.

また、本発明の第1発明は、請求項1に記載されたとおりの大気圧中でのプラズマ生成装置である。
請求項1に記載の大気圧中でのプラズマ生成装置は、導電体で囲まれるとともに内部が大気圧の処理空間と、マイクロ波発生手段と、導電性を有するとともに略柱状の形状を有する第1所定長さの第1アンテナ部材と、導電性を有するとともに略柱状の形状を有する第2所定長さの第2アンテナ部材と、耐熱性の誘電体で構成したベース部と、生成されたプラズマを保持する保持容器と、を備えた大気圧中でのプラズマ生成装置である。
前記マイクロ波発生手段は、前記処理空間内にマイクロ波を照射し、前記第1アンテナ部材は、前記処理空間内における一方の端が前記導電体に接地するように、且つ前記処理空間内における長さが第1所定長さとなるように設けられており、前記保持容器は、上部が略球状または略半球状の形状を有するとともに、当該上部には所定サイズの穴が設けられて、前記処理空間内に且つ前記第1アンテナ部材を覆うように配置されている。
そして、前記ベース部は、前記保持容器内に配置されており、前記第2アンテナ部材は、前記ベース部の上にほぼ水平に配置されている。
The first aspect of the present invention is a plasma generation apparatus in atmospheric pressure as described in claim 1.
The plasma generation apparatus under atmospheric pressure according to claim 1 is a first chamber that is surrounded by a conductor and has a processing space having an atmospheric pressure inside, a microwave generation means, a conductivity and a substantially columnar shape. A first antenna member having a predetermined length, a second antenna member having a second column length having conductivity and a substantially columnar shape, a base portion made of a heat-resistant dielectric, and generated plasma And a holding vessel for holding the plasma generating apparatus in an atmospheric pressure.
The microwave generation means irradiates the processing space with microwaves, and the first antenna member is long in the processing space so that one end in the processing space is grounded to the conductor. The holding container has a substantially spherical or substantially hemispherical shape at the top, and a hole of a predetermined size is provided at the top, so that the processing space is provided. It arrange | positions so that the said 1st antenna member may be covered inside.
The base portion is disposed in the holding container, and the second antenna member is disposed substantially horizontally on the base portion .

また、本発明の第2発明は、請求項2に記載されたとおりの大気圧中でのプラズマ生成支援装置である。
請求項2に記載の大気圧中でのプラズマ生成支援装置は、導電体で囲まれるとともに内部が大気圧の処理空間内に配置して、マイクロ波を照射することでプラズマを生成する、大気圧中でのプラズマ生成支援装置であって、上部が略球状または略半球状の形状を有するとともに、当該上部には所定サイズの穴が設けられて、生成されたプラズマを保持する保持容器と、導電性を有するとともに平板状の底部材と、導電性を有するとともに略柱状の形状を有する第1所定長さの第1アンテナ部材と、導電性を有するとともに略柱状の形状を有する第2所定長さの第2アンテナ部材と、耐熱性の誘電体で構成したベース部と、を備えている。
前記底部材は、前記保持容器内に配置され、前記第1アンテナ部材は、一方の端が前記底部材に固定されて前記保持容器内に配置されている。
そして、前記ベース部は、前記保持容器内に配置されており、前記第2アンテナ部材は、前記ベース部の上にほぼ水平に配置されている。
The second invention of the present invention is the plasma generation support device in the atmospheric pressure as described in claim 2 .
The apparatus for supporting plasma generation in atmospheric pressure according to claim 2, wherein the apparatus is surrounded by a conductor and disposed inside a processing space having an atmospheric pressure, and generates plasma by irradiating microwaves. A plasma generation support device having a substantially spherical or hemispherical upper portion, and a hole of a predetermined size provided in the upper portion to hold the generated plasma, and a conductive A flat bottom member, a first antenna member having conductivity and a substantially columnar shape, and a second predetermined length having conductivity and a substantially columnar shape. The second antenna member and a base portion made of a heat-resistant dielectric are provided.
The bottom member is arranged in the holding container, and one end of the first antenna member is fixed to the bottom member and arranged in the holding container.
The base portion is disposed in the holding container, and the second antenna member is disposed substantially horizontally on the base portion .

本実施の形態に記載の大気圧中でのプラズマ生成方法を用いれば、減圧用の設備等を必要とせず、マイクロ波を用いて大気圧中で比較的容易にプラズマを着火及び維持することが可能である。   If the method for generating plasma at atmospheric pressure described in this embodiment is used, it is possible to ignite and maintain plasma relatively easily at atmospheric pressure using microwaves without the need for equipment for decompression. Is possible.

また、本実施の形態に記載の大気圧中でのプラズマ生成装置によれば、減圧用の設備等を必要とせず、マイクロ波を用いて大気圧中で比較的容易にプラズマを着火及び維持することが可能である。   In addition, according to the plasma generation apparatus in the atmospheric pressure described in the present embodiment, it is possible to ignite and maintain plasma relatively easily in the atmospheric pressure using a microwave without using a decompression facility or the like. It is possible.

また、本実施の形態に記載の大気圧中でのプラズマ生成装置によれば、アンテナ部材の長さが変動した場合(マイクロ波を吸収して放電することによる溶融、蒸発等により短くなった場合等)であっても、アンテナ部材の長さをマイクロ波を最も吸収し易い適切な長さに維持することが可能である。   Further, according to the plasma generation apparatus in the atmospheric pressure described in the present embodiment, when the length of the antenna member fluctuates (when the length is shortened by melting, evaporation, etc. by absorbing and discharging microwaves) Etc.), it is possible to maintain the length of the antenna member at an appropriate length that most easily absorbs microwaves.

また、本実施の形態に記載の大気圧中でのプラズマ生成装置によれば、処理空間内に漂うプラズマを保持容器内に維持することができるので便利である。また、上部に設けた所定サイズの穴により、生成された高温のプラズマが保持容器内にて浮力で自動的に上部に移動し、アンテナ部材を覆ってしまわないようにすることができる(アンテナ部材がプラズマで覆われると、生成したプラズマを維持することが困難になる)。   Further, according to the plasma generation apparatus in the atmospheric pressure described in the present embodiment, it is convenient because the plasma drifting in the processing space can be maintained in the holding container. Also, the hole of a predetermined size provided in the upper part can prevent the generated high-temperature plasma from automatically moving to the upper part by buoyancy in the holding container and covering the antenna member (antenna member Is covered with plasma, it becomes difficult to maintain the generated plasma).

また、本実施の形態に記載の大気圧中でのプラズマ生成装置によれば、数時間〜数日継続して比較的大きな出力のマイクロ波を安定的に照射することが可能であり、工業的な用途等にて数時間〜数日継続してプラズマを生成及び維持することが可能な大気圧中でのプラズマ生成装置を実現することができる。   In addition, according to the plasma generation apparatus in the atmospheric pressure described in the present embodiment, it is possible to stably irradiate a microwave having a relatively large output continuously for several hours to several days, and industrially. Therefore, it is possible to realize a plasma generation apparatus in an atmospheric pressure capable of continuously generating and maintaining plasma for several hours to several days in various applications.

また、本実施の形態に記載の大気圧中でのプラズマ生成装置によれば、請求項5に記載した大気圧中でのプラズマ生成装置よりも、より単純な構成にて比較的大きな出力のマイクロ波を安定的に照射してプラズマを生成及び維持することが可能な大気圧中でのプラズマ生成装置を実現することができる。   In addition, according to the plasma generation apparatus in the atmospheric pressure described in the present embodiment, a relatively large output micrometer with a simpler configuration than the plasma generation apparatus in the atmospheric pressure described in claim 5. It is possible to realize a plasma generation apparatus in an atmospheric pressure capable of generating and maintaining plasma by stably irradiating waves.

また、本実施の形態に記載の大気圧中でのプラズマ生成装置によれば、保持容器を2重構造にして冷却することで、保持容器の耐久性をより向上させることができる。   Moreover, according to the plasma generation apparatus in the atmospheric pressure described in the present embodiment, the durability of the holding container can be further improved by cooling the holding container with a double structure.

また、請求項1に記載の大気圧中でのプラズマ生成装置によれば、(耐熱性の)誘電体の上にほぼ水平に配置した第2アンテナ部材をプラズマの着火用に用い、接地しているアンテナ部材をプラズマの維持に用いることができ、着火性をより向上させることができる。   In addition, according to the plasma generation apparatus in the atmospheric pressure according to claim 1, the second antenna member disposed substantially horizontally on the (heat-resistant) dielectric is used for plasma ignition and grounded. The antenna member can be used for maintaining plasma, and the ignitability can be further improved.

また、請求項2に記載の大気圧中でのプラズマ生成支援装置を用いれば、例えば当該大気圧中でのプラズマ生成支援装置を家庭用の電子レンジ等に入れてマイクロ波を照射することで、容易にプラズマを生成することができ、実験用の教材、玩具等に容易に適用することができる。 Moreover, if the plasma generation support apparatus in the atmospheric pressure according to claim 2 is used , for example, by putting the plasma generation support apparatus in the atmospheric pressure into a home microwave oven or the like and irradiating microwaves, Plasma can be generated easily and can be easily applied to experimental teaching materials, toys, and the like.

以下に本発明を実施するための最良の形態を図面を用いて説明する。図1は、本発明の大気圧中でのプラズマ生成装置の一実施の形態(第1の実施の形態)の概略構成図を示している。
◆[第1の実施の形態(図1〜図3)]
第1の実施の形態は、例えば5kWを越えるような比較的出力が大きなマイクロ波を数時間〜数日継続して、比較的大容量のプラズマを生成及び維持することが可能な、大気圧中でのプラズマ生成装置の例を示している。
●[プラズマ生成装置の全体構成(図1)]
本実施の形態における、大気圧中でのプラズマ生成装置は、マイクロ波発生手段10と、サーキュレータ11と、方向性結合器12と、整合器13と、ホーン14と、筐体20とを構成要素に含んでいる。また、筐体20は導電体で略箱状に構成されており、筐体20の内部は導電体で囲まれ、且つ大気圧の処理空間20aが形成されている。
処理空間20a内には、保持容器40が配置され、保持容器40内にはアンテナ部材30が立てられている。なお、保持容器40(ガラス、セラミック等のマイクロ波を通す耐熱性の材質にて形成されている)の上部は、球状または半球状の形状であることが好ましい。球状または半球状の形状により、特定部位に熱応力の集中等が発生することがなく、耐久性が良いからである。
The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of an embodiment (first embodiment) of a plasma generation apparatus under atmospheric pressure according to the present invention.
◆ [First embodiment (FIGS. 1 to 3)]
In the first embodiment, a microwave having a relatively large output, for example, exceeding 5 kW, can be continuously generated for several hours to several days to generate and maintain a relatively large volume of plasma. 2 shows an example of a plasma generating apparatus in FIG.
● [Overall configuration of plasma generator (Fig. 1)]
The plasma generation apparatus in the atmospheric pressure in the present embodiment includes a microwave generation means 10, a circulator 11, a directional coupler 12, a matching unit 13, a horn 14, and a housing 20. Is included. Moreover, the housing | casing 20 is comprised in the substantially box shape with the conductor, the inside of the housing | casing 20 is enclosed with the conductor, and the processing space 20a of atmospheric pressure is formed.
A holding container 40 is disposed in the processing space 20 a, and an antenna member 30 is erected in the holding container 40. In addition, it is preferable that the upper part of the holding container 40 (formed of a heat-resistant material that allows microwaves such as glass and ceramic) to have a spherical or hemispherical shape. This is because the spherical or hemispherical shape does not cause a concentration of thermal stress at a specific site and has high durability.

マイクロ波発生手段10は、出力制御手段10aからの制御信号に基づいた出力のマイクロ波を出力する。出力制御手段10aは、温度検出手段10b(光スペクトル等、非接触の温度検出手段にて温度を推定する)からの検出量に基づいて、生成したプラズマ50の所定位置(中心部分等)の温度が目標温度(例えば6000[℃]程度)となるように、マイクロ波発生手段10の出力を制御する。
サーキュレータ11は、マイクロ波発生手段10から出力されたマイクロ波を処理空間20aに導く(矩形)導波管中に配置され、処理空間等から反射してきたマイクロ波がマイクロ波発生手段10に戻らないように逃がしている。更にその先に取り付けられたダミーロード11aは、この反射の電力を消費するものである。これにより、数時間〜数日継続してマイクロ波発生手段10を稼動させても、マイクロ波発生手段10が自身で出力したマイクロ波を受けることがなく(反射されたマイクロ波はダミーロード11aに吸収されて)、安定して稼動(安全に稼動)させることができる。
The microwave generation means 10 outputs an output microwave based on the control signal from the output control means 10a. The output control means 10a is based on the detected amount from the temperature detection means 10b (the temperature is estimated by a non-contact temperature detection means such as an optical spectrum), and the temperature at a predetermined position (center portion etc.) of the generated plasma 50. The output of the microwave generation means 10 is controlled so that becomes a target temperature (for example, about 6000 [° C.]).
The circulator 11 is disposed in a (rectangular) waveguide that guides the microwave output from the microwave generation means 10 to the processing space 20a, and the microwave reflected from the processing space or the like does not return to the microwave generation means 10. To escape. Further, the dummy load 11a attached to the tip consumes the reflected power. Thereby, even if the microwave generating means 10 is operated continuously for several hours to several days, the microwave generating means 10 does not receive the microwave output by itself (the reflected microwave is applied to the dummy load 11a). Absorbed) and stable operation (safe operation).

結合器12(方向性結合器等)は、マイクロ波発生手段10から出力されて処理空間20aに向かうマイクロ波の量と、処理空間20a等から反射してマイクロ波発生手段10に戻る反射波の量を計測可能である。そして、反射波の量が最小(ほぼゼロ)となるように、整合器13(スタブチューナ等)を調節する。
処理空間20aは、マイクロ波の波長λよりも充分大きくすることで、共鳴を抑制することができる。また、本実施の形態では、処理空間20aを波長λよりも充分大きくしているので、処理空間20aのマイクロ波に対するQ値が低く、プラズマの生成状態に応じて常時整合を取り続ける必要はない。一度整合を取れば、その後整合器13を調整する必要は、ほとんどない。
The coupler 12 (such as a directional coupler) outputs the amount of microwaves that are output from the microwave generation means 10 and travel toward the processing space 20a, and the reflected waves that are reflected from the processing space 20a and return to the microwave generation means 10. The amount can be measured. Then, the matching unit 13 (stub tuner or the like) is adjusted so that the amount of the reflected wave is minimized (substantially zero).
Resonance can be suppressed by making the processing space 20a sufficiently larger than the wavelength λ of the microwave. Further, in the present embodiment, since the processing space 20a is sufficiently larger than the wavelength λ, the Q value for the microwave in the processing space 20a is low, and it is not necessary to always keep matching according to the plasma generation state. Once matching is achieved, there is little need to adjust the matcher 13 thereafter.

そしてマイクロ波は、処理空間20aに入射される際、開口部が所定開口角度に設定されたホーン14から処理空間20aに照射される。なお、ホーン14の所定開口角度は、照射されたマイクロ波が保持容器40を包み込むことが可能な角度に設定されている。なお、ホーン14は省略してもよい。
保持容器40は、処理空間20a内に配置され、例えば略円筒状の形状であり、上部は略球状または略半球状の形状を有しており、ガラス、セラミック等のマイクロ波を通す耐熱性の材質にて形成されている。また、保持容器40の上部には所定サイズの穴41が設けられている。
アンテナ部材30は、保持容器40内に所定角度(例えば45[°]〜90[°])で配置されている。なお、アンテナ部材30は溶融して垂れる場合も考えられるので、ほぼ垂直(90[°])に設定することが好ましい。本実施の形態では処理空間20aの底面からほぼ垂直に配置されている。また、アンテナ部材30は導電性を有するとともに略柱状の形状をしており、処理空間内における一方の端(下端)は処理空間20aを形成している導電性を有する面と接地(接触)している。また、アンテナ部材30の他方の端は接地することなく処理空間20a内に位置している。
なお、アンテナ部材30の長さを検出可能な長さ検出手段32及び33、処理空間20a内に挿入するアンテナ部材30の長さを所定長さに調節可能な長さ調節手段31及び34についての説明は後述する。
Then, when the microwave is incident on the processing space 20a, the processing space 20a is irradiated from the horn 14 whose opening is set to a predetermined opening angle. The predetermined opening angle of the horn 14 is set to an angle at which the irradiated microwave can wrap the holding container 40. The horn 14 may be omitted.
The holding container 40 is disposed in the processing space 20a and has, for example, a substantially cylindrical shape, and an upper portion has a substantially spherical or substantially hemispherical shape, and is heat resistant to pass microwaves such as glass and ceramic. It is made of material. In addition, a hole 41 of a predetermined size is provided in the upper part of the holding container 40.
The antenna member 30 is arranged in the holding container 40 at a predetermined angle (for example, 45 [°] to 90 [°]). Since the antenna member 30 may be melted and drooped, it is preferable to set the antenna member 30 to be substantially vertical (90 [°]). In the present embodiment, the processing space 20a is disposed substantially vertically from the bottom surface. The antenna member 30 is conductive and has a substantially columnar shape, and one end (lower end) in the processing space is grounded (contacted) with the conductive surface forming the processing space 20a. ing. Further, the other end of the antenna member 30 is located in the processing space 20a without being grounded.
The length detecting means 32 and 33 capable of detecting the length of the antenna member 30 and the length adjusting means 31 and 34 capable of adjusting the length of the antenna member 30 inserted into the processing space 20a to a predetermined length. The description will be described later.

●[アンテナ部材の構造及びプラズマが生成される様子(図2)]
次に、図2(A)及び(B)を用いてアンテナ部材30の構造について説明する。
アンテナ部材30は、マイクロ波の電場を集中させるために、導電性の板(この場合、筐体20の底面、または側面等の任意の面)からほぼ垂直に配置(例えば底面に立てる場合は垂直、側面に立てる場合は水平(側面に対して垂直)に配置)することが好ましい。また、図2(B)に示すように底部材35(導電性の板)に対して垂直に立てるようにしてもよい。なお、アンテナ部材30を筐体20の任意の面または導電性の板のどちらに立てる場合であっても、アンテナ部材30の一方の端は導電性の部材に接地(接触)している。
また、マイクロ波の波長をλとすると、アンテナ部材30の長さLver(処理空間20a内における長さ)を、片側接地のアンテナの場合(本実施の形態の場合)はλの1/4の長さに設定すると、マイクロ波の電場がアンテナにおける接地側の端と反対の端で最大となるので好ましい。例えば周波数が2.45[GHz]のマイクロ波を用いた場合、その波長λは12.2[cm]であるので、アンテナ部材30の長さを12.2/4=3.05[cm](ほぼ3[cm])に設定する。
● [Structure of antenna member and appearance of plasma generation (Figure 2)]
Next, the structure of the antenna member 30 is demonstrated using FIG. 2 (A) and (B).
The antenna member 30 is arranged substantially vertically from a conductive plate (in this case, any surface such as the bottom surface or side surface of the housing 20) in order to concentrate the microwave electric field (for example, vertical when standing on the bottom surface). In the case of standing on the side, it is preferably arranged horizontally (perpendicular to the side). Further, as shown in FIG. 2B, the bottom member 35 (conductive plate) may be erected vertically. Note that, regardless of whether the antenna member 30 stands on an arbitrary surface of the housing 20 or a conductive plate, one end of the antenna member 30 is grounded (contacted) with the conductive member.
When the wavelength of the microwave is λ, the length Lver of the antenna member 30 (the length in the processing space 20a) is ¼ of λ in the case of a one-side grounded antenna (in this embodiment). Setting the length is preferable because the electric field of the microwave becomes maximum at the end opposite to the end on the ground side of the antenna. For example, when a microwave having a frequency of 2.45 [GHz] is used, the wavelength λ is 12.2 [cm], and thus the length of the antenna member 30 is set to 12.2 / 4 = 3.05 [cm]. (Approximately 3 [cm]).

次に、図2(C)〜(E)を用いてプラズマが生成される様子について説明する。
図1に示す大気圧中でのプラズマ生成装置にてマイクロ波発生手段10からマイクロ波を出力すると、アンテナ部材30がマイクロ波の電場を集中させるため、端部30T(導電性の部材に接地していない側の先端部)に電界が集中し(図2(C))、この電界にて大気中のガスが電離されてプラズマ50が着火される(図2(D))。更に電離が進みプラズマ50の体積が大きくなると、プラズマ50はやがて保持容器40の上方に浮力で移動する(図2(E))。この状態にてマイクロ波の出力を継続していれば、プラズマ50は移動先で温度及び密度が上昇し、マイクロ波がよく吸収されて維持される。
Next, how the plasma is generated will be described with reference to FIGS.
When a microwave is output from the microwave generation means 10 in the plasma generation apparatus in the atmospheric pressure shown in FIG. 1, the antenna member 30 concentrates the electric field of the microwave, so that the end 30T (grounded on the conductive member) The electric field concentrates on the tip of the non-contact side (FIG. 2C), and the gas in the atmosphere is ionized by this electric field, and the plasma 50 is ignited (FIG. 2D). When ionization further progresses and the volume of the plasma 50 increases, the plasma 50 eventually moves above the holding container 40 by buoyancy (FIG. 2E). If the output of the microwave is continued in this state, the temperature and density of the plasma 50 increase at the destination, and the microwave is well absorbed and maintained.

電界をより集中させるためには、アンテナ部材30は、導電性を有し、より細い形状が好ましいが(径φA(図2(A)及び(B)参照)が小さい方が好ましい)、細すぎると溶融または蒸発等の進行が早いため好ましくない。このため、本実施の形態では径φAが1[mm]以下(0.3[mm]〜1.0[mm]程度が好ましい)のアンテナ部材30を用いた。また、溶融または蒸発を抑制するためには高融点の材質であることが好ましく、タングステン、モリブデン、炭素棒(シャープペンシルの芯等)が好ましい。もちろん、鉄、アルミ等の金属を用いてもよい。また、アンテナ部材30の形状は、円柱でも多角柱でもよい。
なお、プラズマ50の量(サイズ)は保持容器40の容量でほぼ決まり、プラズマ50の上昇した移動先の高さは保持容器50の高さでほぼ決まる。また、プラズマ50の温度はマイクロ波発生手段10からのマイクロ波の出力で制御することができる。
また、アンテナ部材30の長さはマイクロ波の波長λの1/4の長さに設定することが最も好ましいことは上述した通りであるが、プラズマ50の着火及び維持をしていると、アンテナ部材30の先端部が溶融または蒸発して、λの1/4よりも短くなってしまう。アンテナ部材30の長さが、λの1/4近傍の許容誤差範囲をはずれると、先端部に集中する電界強度が大きく落ち込み、プラズマ50の着火及び維持をすることが困難となる。
In order to concentrate the electric field more, the antenna member 30 has conductivity and preferably has a thinner shape (the diameter φA (refer to FIGS. 2A and 2B) is preferably smaller), but is too thin. And the progress of melting or evaporation is not preferable. For this reason, in this embodiment, the antenna member 30 having a diameter φA of 1 [mm] or less (preferably about 0.3 [mm] to 1.0 [mm]) is used. In order to suppress melting or evaporation, a material having a high melting point is preferable, and tungsten, molybdenum, and a carbon rod (such as a mechanical pencil core) are preferable. Of course, you may use metals, such as iron and aluminum. The shape of the antenna member 30 may be a cylinder or a polygonal column.
The amount (size) of the plasma 50 is substantially determined by the capacity of the holding container 40, and the height of the moving destination of the plasma 50 is substantially determined by the height of the holding container 50. Further, the temperature of the plasma 50 can be controlled by the microwave output from the microwave generating means 10.
Further, as described above, it is most preferable to set the length of the antenna member 30 to ¼ of the wavelength λ of the microwave. However, when the plasma 50 is ignited and maintained, the antenna The tip of the member 30 melts or evaporates and becomes shorter than ¼ of λ. If the length of the antenna member 30 deviates from an allowable error range in the vicinity of ¼ of λ, the electric field strength concentrated on the tip portion is greatly reduced, and it becomes difficult to ignite and maintain the plasma 50.

そこで図1に示すように、アンテナ部材30の長さLver(処理空間20a内に位置している長さ)を常にλの1/4に維持するために、処理空間20a内におけるアンテナ部材30の長さLverを検出可能な長さ検出手段32及び33と、長さ検出手段32及び33の検出量に基づいて処理空間20a内に挿入するアンテナ部材30の長さを調節可能な長さ調節手段31及び34とを備える。例えば長さ検出手段32及び33は非接触の光電センサであり、処理空間20a内におけるアンテナ部材30の長さLverが3[cm]よりも長いまたは短いことを検出可能である。長さ調節手段31は、長さ検出手段32及び33の検出結果、所定長さ(この場合3[cm])よりも短い場合は長さ調節手段34にてアンテナ部材30を送り出して所定長さに維持し、所定長さよりも長い場合は長さ調節手段34にてアンテナ部材30を引き出して所定長さに維持する。   Therefore, as shown in FIG. 1, in order to always maintain the length Lver (the length located in the processing space 20a) of the antenna member 30 at ¼ of λ, the antenna member 30 in the processing space 20a has a length Lver. Length detection means 32 and 33 capable of detecting the length Lver, and length adjustment means capable of adjusting the length of the antenna member 30 inserted into the processing space 20a based on the detection amount of the length detection means 32 and 33 31 and 34. For example, the length detection means 32 and 33 are non-contact photoelectric sensors, and can detect that the length Lver of the antenna member 30 in the processing space 20a is longer or shorter than 3 [cm]. The length adjusting means 31 sends out the antenna member 30 by the length adjusting means 34 when the detection result of the length detecting means 32 and 33 is shorter than the predetermined length (in this case, 3 [cm]). When the length is longer than the predetermined length, the length adjusting means 34 pulls out the antenna member 30 to maintain the predetermined length.

図2(F)に示すように、プラズマ50が保持容器40の上方に移動して維持されている場合、プラズマ50の下端部分がアンテナ部材30の上端近傍にあると、アンテナ部材30の先端に集中する電場でプラズマ粒子が加速され、それにより更に電離が進み、プラズマ50の高温化、高密度化が促進され、プラズマ50が維持される。
また、図2(G)はアンテナ部材30の別の実施例を示しており、アンテナ部材30を筒状カバー36(例えばガラス、セラミック(Al23)等で構成)内に収容している。なお、図2(H)は図2(G)をアンテナ部材30の軸を通る面で切断した断面図である。この場合、筒状カバー36の下方から窒素ガス等を供給すれば、アンテナ部材30の先端部の溶融または蒸発を抑制することができる。なお、図2(H)に示す断面ではアンテナ部材30と底部材35とが接触していないが、アンテナ部材30と底部材35とは一部の面で接触(接地)している。
As shown in FIG. 2 (F), when the plasma 50 is moved and maintained above the holding container 40, if the lower end portion of the plasma 50 is near the upper end of the antenna member 30, The plasma particles are accelerated by the concentrated electric field, whereby further ionization proceeds, and the plasma 50 is maintained at a higher temperature and higher density, and the plasma 50 is maintained.
FIG. 2G shows another embodiment of the antenna member 30. The antenna member 30 is accommodated in a cylindrical cover 36 (for example, composed of glass, ceramic (Al 2 O 3 ), etc.). . 2H is a cross-sectional view of FIG. 2G cut along a plane passing through the axis of the antenna member 30. FIG. In this case, if nitrogen gas or the like is supplied from below the cylindrical cover 36, melting or evaporation of the tip of the antenna member 30 can be suppressed. In the cross section shown in FIG. 2H, the antenna member 30 and the bottom member 35 are not in contact, but the antenna member 30 and the bottom member 35 are in contact with each other (grounded).

●[第2アンテナ部材の追加と効果(図3)]
以上に説明したように、アンテナ部材30を用いれば大気圧中でプラズマ50の着火及び維持が可能であるが、プラズマ50の着火性をより向上させるためには、第2アンテナ部材30Hを追加することが好ましい。
次に、図3(A)及び(B)を用いて第2アンテナ部材30Hの構造及び配置について説明する。
第2アンテナ部材30Hの形状及び材質はアンテナ部材30と同様である。ただし、長さLhorは、マイクロ波の波長をλとした場合、実験の結果、λの1/4〜1/2に設定すると良い結果が得られた(着火性が向上した)。
● [Addition and effect of second antenna member (Fig. 3)]
As described above, if the antenna member 30 is used, the plasma 50 can be ignited and maintained at atmospheric pressure. However, in order to further improve the ignitability of the plasma 50, the second antenna member 30H is added. It is preferable.
Next, the structure and arrangement of the second antenna member 30H will be described with reference to FIGS.
The shape and material of the second antenna member 30H are the same as those of the antenna member 30. However, when the length Lhor was set to λ as the wavelength of the microwave, it was found from experiments that a good result was obtained when the length Lhor was set to ¼ to ½ of λ (improved ignitability).

第2アンテナ部材30は、誘電体43(例えば粉末または固形のセラミック(Al23)、レンガ等の高融点(1000[℃]以上)の誘電体が好ましい)の上にほぼ水平に配置するだけでよい。なお、本実施の形態では誘電体43(ベース部)に粉末のアルミナを用いたため、容器42に誘電体43を入れているが、板状のセラミック、レンガ等を用いた場合は容器42は不要である。
そして、誘電率の大きな誘電体43(ベース部)の上に置かれた第2アンテナ部材30Hの両端にマイクロ波の電界が集中し、ガスが電離されてプラズマ50が着火される。
The second antenna member 30 is disposed substantially horizontally on a dielectric 43 (for example, a dielectric having a high melting point (1000 [° C.] or higher) such as powder or solid ceramic (Al 2 O 3 ), brick, etc.) is preferable. Just do it. In this embodiment, since powdered alumina is used for the dielectric 43 (base portion), the dielectric 43 is placed in the container 42. However, the container 42 is not necessary when plate-like ceramics, bricks, or the like are used. It is.
Then, the electric field of the microwave is concentrated on both ends of the second antenna member 30H placed on the dielectric 43 (base portion) having a large dielectric constant, the gas is ionized, and the plasma 50 is ignited.

次に、図3(C)〜(E)を用いて、第2アンテナ部材30Hを追加した場合において、プラズマ50が生成される様子について説明する。
第2アンテナ部材30Hは、誘電体43の上に横たわらせて配置されており、保持容器40内の任意の位置に載置されている。そして、図1に示す大気圧中でのプラズマ生成装置(第2アンテナ部材30Hを追加している)にてマイクロ波発生手段10からマイクロ波を出力すると、まず第2アンテナ部材30Hがマイクロ波を集中させ、先端部の電界が強くなり(図3(C))、この電界にて大気中のガスが電離されてプラズマ50が着火される(図3(D))。更に電離が進みプラズマ50の体積が大きくなると、プラズマ50はやがて保持容器40の上方に浮力で移動する(図3(E))。この状態にてマイクロ波の出力を継続していれば、プラズマ50は移動先で維持される。プラズマ50が維持されている場合、アンテナ部材30の先端に集中する電場でプラズマ粒子が加速され、それにより更に電離が進み、プラズマ50の高温化、高密度化が促進され、プラズマ50が維持され、アンテナ部材30がプラズマ50の維持に寄与している。
Next, how the plasma 50 is generated when the second antenna member 30H is added will be described with reference to FIGS.
The second antenna member 30 </ b> H is disposed so as to lie on the dielectric 43 and is placed at an arbitrary position in the holding container 40. Then, when the microwave is output from the microwave generation means 10 in the plasma generation apparatus (added the second antenna member 30H) in the atmospheric pressure shown in FIG. 1, first, the second antenna member 30H generates the microwave. The electric field at the tip is concentrated (FIG. 3C), and gas in the atmosphere is ionized by this electric field, and the plasma 50 is ignited (FIG. 3D). When ionization further proceeds and the volume of the plasma 50 increases, the plasma 50 eventually moves above the holding container 40 by buoyancy (FIG. 3E). If the microwave output is continued in this state, the plasma 50 is maintained at the destination. When the plasma 50 is maintained, the plasma particles are accelerated by an electric field concentrated at the tip of the antenna member 30, thereby further ionization is promoted, the plasma 50 is increased in temperature and density, and the plasma 50 is maintained. The antenna member 30 contributes to the maintenance of the plasma 50.

なお、保持容器40の材質にはガラスを用いたが、薄いガラス(1[mm]〜2[mm]程度)の方が厚いガラスよりも内側と外側の温度差が小さいため、熱膨張差による歪みが少なく耐久性がよいことが実験結果から判った。また保持容器40の形状は、角のない軸対称のおわん状(半球状)のもののほうが熱歪みの均一性がよく耐久性がよいことが確かめられた。
また、保持容器40の耐久性を更に向上させるためには、図3(F)に示すように、保持容器40を2重構造にして(小さい径の保持容器を大きい径の保持容器の内部に収容する)その間隙Sに冷却用流体(冷却用のガス等)を流すとよい。なお、保持容器40の底面は開放されており、処理空間20aの底面を形成している導電体に立てられたアンテナ部材30及び載置された第2アンテナ部材30Hの上から覆うように保持容器40を被せている。
Although glass is used as the material of the holding container 40, a thin glass (about 1 [mm] to 2 [mm]) has a smaller temperature difference between the inside and the outside than a thick glass. The experimental results showed that there was little distortion and good durability. In addition, it was confirmed that the shape of the holding container 40 is an axially symmetrical bowl-shaped (hemispherical) shape having no corners and better thermal strain uniformity and better durability.
In order to further improve the durability of the holding container 40, as shown in FIG. 3 (F), the holding container 40 has a double structure (a holding container having a small diameter is placed inside a holding container having a large diameter). A cooling fluid (cooling gas or the like) is preferably allowed to flow through the gap S. Note that the bottom surface of the holding container 40 is open, and the holding container is covered so as to cover the antenna member 30 standing on the conductor forming the bottom surface of the processing space 20a and the mounted second antenna member 30H. 40 is covered.

◆[第2の実施の形態(図4)]
図4は、本発明の大気圧中でのプラズマ生成装置の一実施の形態(第2の実施の形態)の概略構成図を示している。第2の実施の形態は、例えば10kW未満の比較的出力が小さなマイクロ波を数時間継続して、プラズマを生成及び維持することが可能な、大気圧中でのプラズマ生成装置の例を示している(各マイクロ波発生手段10の出力は、各々1kW程度)。
第2の実施の形態は、第1の実施の形態に対してマイクロ波発生手段10から筐体20にマイクロ波を導く導波経路を省略し、筐体20にマイクロ波発生手段10を直接設けている点が異なり、第1の実施の形態に示す構成を簡略化した構成である。このため、第2の実施の形態では、第1の実施の形態からサーキュレータ11、結合器12、整合器13が省略されている。なお、第2の実施の形態では、マイクロ波発生手段10を単数または複数備えている。
また、マイクロ波発生手段10が自身で出力したマイクロ波を受けることがないように、且つ他のマイクロ波発生手段10から出力されたマイクロ波も受けることがないように、マイクロ波発生手段10に対応させて反射部材10Rが設けられている。なお、反射部材10Rは、出力されたマイクロ波を拡散させるためにも用いられている。
その他の構成(保持容器40、アンテナ部材30等)は、第1の実施の形態と同様であるため説明を省略する。
◆ [Second Embodiment (FIG. 4)]
FIG. 4 shows a schematic configuration diagram of an embodiment (second embodiment) of a plasma generation apparatus under atmospheric pressure according to the present invention. The second embodiment shows an example of a plasma generation apparatus in an atmospheric pressure that can generate and maintain a plasma by continuing a microwave having a relatively small output of, for example, less than 10 kW for several hours. (The output of each microwave generating means 10 is about 1 kW each).
In the second embodiment, the waveguide path for guiding the microwave from the microwave generation means 10 to the housing 20 is omitted from the first embodiment, and the microwave generation means 10 is directly provided in the housing 20. However, the configuration shown in the first embodiment is a simplified configuration. For this reason, in the second embodiment, the circulator 11, the coupler 12, and the matching unit 13 are omitted from the first embodiment. In the second embodiment, one or more microwave generating means 10 are provided.
Further, the microwave generation means 10 is provided with the microwave generation means 10 so that the microwave generation means 10 does not receive the microwave output by itself and the microwave output from other microwave generation means 10 is not received. Correspondingly, a reflecting member 10R is provided. The reflecting member 10R is also used for diffusing the output microwave.
Other configurations (such as the holding container 40 and the antenna member 30) are the same as those in the first embodiment, and thus description thereof is omitted.

◆[産業への適用例]
次に、以上に説明した大気圧中でのプラズマ生成装置を産業へ適用した例を説明する。
●[実施例1:被処理ガスの熱処理装置(図5)]
図5は、被処理ガス(製造上で発生する有害ガス等)を、プラズマの高温で熱処理(分解)する熱処理装置に適用した例であり、図1に示す大気圧中でのプラズマ生成装置に対して保持容器40が異なる(マイクロ波発生手段10、サーキュレータ11等は図示を省略している)。本実施例は、大気よりも質量の小さな物質を下方から供給し、上方から回収するものである。
保持容器40は略円筒状の形状であり、上部は球状または半球状の形状に設定されているとともに所定サイズの穴41が形成されている。そして穴41には排出管43bが接続されている。また、保持容器40は所定角度θ1に傾斜させて設けられている。
上記の構成にて、保持容器40に縦長のプラズマ50を生成及び維持し、被処理ガスを比較的長距離で反応させる(熱処理する)。また所定角度θ1は、被処理ガスを熱処理する時間等に応じて設定される。また穴41のサイズは、マイクロ波発生手段10からの出力、生成するプラズマの体積、保持容器40の容量及び径等に応じて設定される。
保持容器40の下方には、被処理ガスを導入する導入管43aが設けられている。被処理ガスは、導入管43aから保持容器40内に導入され、プラズマ50にて熱処理(分解)されて排出管43bから排出される。なお、保持容器40内において導入管43aをプラズマ50の中心付近まで延長した補助導入管43c(図5中に点線で示す)を設けると、被処理ガスをより確実に熱処理することができるので、好ましい。
これにより、従来のガスバーナ等による熱処理(1000[℃]程度)に対して、プラズマ50による非常に高温の熱処理(例えば6000[℃]以上)が可能になり、被処理ガスの分解を、より確実に、より短時間に行うことができる。
◆ [Industry application example]
Next, an example in which the above-described plasma generation apparatus at atmospheric pressure is applied to industry will be described.
[Example 1: Heat treatment apparatus for gas to be treated (FIG. 5)]
FIG. 5 shows an example in which a gas to be treated (such as a harmful gas generated in manufacturing) is applied to a heat treatment apparatus that performs heat treatment (decomposition) at a high temperature of plasma, and is applied to the plasma generation apparatus at atmospheric pressure shown in FIG. On the other hand, the holding container 40 is different (the microwave generating means 10, the circulator 11 and the like are not shown). In this embodiment, a substance having a mass smaller than that of the atmosphere is supplied from below and recovered from above.
The holding container 40 has a substantially cylindrical shape, the upper part is set in a spherical or hemispherical shape, and a hole 41 of a predetermined size is formed. A discharge pipe 43 b is connected to the hole 41. Further, the holding container 40 is provided to be inclined at a predetermined angle θ1.
With the above configuration, the vertically long plasma 50 is generated and maintained in the holding container 40, and the gas to be processed is reacted (heat-treated) over a relatively long distance. The predetermined angle θ1 is set according to the time for heat-treating the gas to be processed. The size of the hole 41 is set according to the output from the microwave generation means 10, the volume of plasma to be generated, the capacity and diameter of the holding container 40, and the like.
Below the holding container 40, an introduction pipe 43a for introducing a gas to be processed is provided. The gas to be treated is introduced into the holding container 40 from the introduction pipe 43a, is heat-treated (decomposed) by the plasma 50, and is discharged from the discharge pipe 43b. In addition, if the auxiliary introduction pipe 43c (indicated by a dotted line in FIG. 5) in which the introduction pipe 43a is extended to the vicinity of the center of the plasma 50 is provided in the holding container 40, the gas to be treated can be more reliably heat-treated. preferable.
This enables a very high temperature heat treatment (for example, 6000 [° C.] or higher) with the plasma 50, compared to the heat treatment with a conventional gas burner or the like (about 1000 [° C.]), and the decomposition of the gas to be treated is more reliable. Moreover, it can be performed in a shorter time.

●[実施例2:被処理物質(粉状物質)の熱処理装置及び材料の合成、組成改質等(例えば複数種類の材質を高温で合成等する)(図6)]
図6は、被処理物質(高温処理を要する粉末物質等)を、プラズマの高温で熱処理(有用成分の合成等)する熱処理装置に適用した例であり、図1に示す大気圧中でのプラズマ生成装置に対して保持容器40が異なる(マイクロ波発生手段10、サーキュレータ11等は図示を省略している)。本実施例は、大気よりも質量の大きな物質を上方から供給し、下方から回収するものである。
保持容器40の上方には、穴41に被処理物質を供給する供給管44bが接続されており、供給管44bの上部には熱処理前の被処理物質を蓄える処理前貯蔵部44aが設けられている。
保持容器40の下方には、プラズマ50にて熱処理(有用成分の合成等)された被処理物質を回収する回収管44cが接続されており、回収管44cの終端は処理後貯蔵部44dの位置に配置されている。
被処理物質は、処理前貯蔵部44aから供給管44bを経由して保持容器40内に落下し、プラズマ50にて熱処理されて回収管44cから処理後貯蔵部44dに貯まる。なお、保持容器40内に、熱処理されて落下してきた被処理物質を回収管44cに誘導するように傾斜をつけた補助誘導部材44e(図6中に点線で示す)を設けると、被処理物質を効率良く回収することができるので、好ましい。
これにより、従来のガスバーナ等による熱処理(1000[℃]程度)に対して、プラズマ50による非常に高温の熱処理(例えば6000[℃]以上)が可能になり、被処理物質の熱処理を、より確実に、より短時間に行うことができる。
[Embodiment 2: Heat treatment apparatus for material to be treated (powder substance), synthesis of material, composition modification, etc. (for example, synthesis of plural kinds of materials at high temperature) (FIG. 6)]
FIG. 6 shows an example in which a material to be treated (powder material that requires high-temperature treatment) is applied to a heat treatment apparatus that performs heat treatment (such as synthesis of useful components) at a high temperature of plasma. The holding container 40 is different from the generation device (the microwave generation means 10, the circulator 11 and the like are not shown). In this embodiment, a substance having a mass larger than that of the atmosphere is supplied from above and recovered from below.
A supply pipe 44b for supplying a material to be processed is connected to the hole 41 above the holding container 40, and a pre-treatment storage unit 44a for storing the material to be processed before heat treatment is provided above the supply pipe 44b. Yes.
Below the holding container 40 is connected a recovery pipe 44c for recovering the material to be treated that has been heat-treated by the plasma 50 (synthesis of useful components), and the end of the recovery pipe 44c is located at the position of the post-treatment storage section 44d. Is arranged.
The substance to be treated falls from the pre-treatment storage unit 44a via the supply pipe 44b into the holding container 40, is heat-treated by the plasma 50, and is stored in the post-treatment storage unit 44d from the recovery tube 44c. In addition, when an auxiliary guide member 44e (indicated by a dotted line in FIG. 6) is provided in the holding container 40 so as to guide the material to be treated that has been heat-treated and dropped to the recovery tube 44c, the material to be treated is provided. Can be efficiently recovered.
As a result, a very high temperature heat treatment (for example, 6000 [° C.] or more) by the plasma 50 can be performed with respect to the heat treatment by a conventional gas burner or the like (about 1000 [° C.]), and the heat treatment of the material to be treated can be performed more reliably. Moreover, it can be performed in a shorter time.

●[実施例3:実験器具、玩具(図7)]
図7は、マイクロ波発生手段10及び筐体20(処理空間20a)として家庭用の電子レンジを用い、処理空間20a内に配置する保持容器40、アンテナ部材30、底部材35とで構成された、大気圧中でのプラズマ生成支援装置の例を示している。なお図7に示す例では、第2アンテナ部材30Hと容器42と誘電体43とを追加しているが、これらは省略してもよい。また本実施例では、実験器具または玩具等に適用するため、保持容器40の穴41を省略してもよい。
底部材35は、導電体(例えば鉄、アルミ等)で形成された板状部材であり、アンテナ部材30の一方の端を固定(本実施例ではほぼ垂直に固定)するための保持部35aが設けられている。なお、保持部35aも導電体で形成されている。
アンテナ部材30は、所定長さ(マイクロ波の波長λの1/4であり、電子レンジのマイクロ波を用いる場合は、約3[cm]))の導電体であり、例えば径が0.5[mm]のシャープペンシルの芯が用いられる。そしてアンテナ部材30は、底部材35の保持部35aに固定される。
● [Example 3: laboratory equipment, toy (FIG. 7)]
FIG. 7 shows a microwave oven 10 and a housing 20 (processing space 20a) using a household microwave oven, and is composed of a holding container 40, an antenna member 30, and a bottom member 35 disposed in the processing space 20a. 2 shows an example of a plasma generation support device in atmospheric pressure. In the example shown in FIG. 7, the second antenna member 30H, the container 42, and the dielectric 43 are added, but these may be omitted. In this embodiment, the hole 41 of the holding container 40 may be omitted because it is applied to a laboratory instrument or a toy.
The bottom member 35 is a plate-like member formed of a conductor (eg, iron, aluminum, etc.), and a holding portion 35a for fixing one end of the antenna member 30 (fixed substantially vertically in this embodiment). Is provided. The holding part 35a is also formed of a conductor.
The antenna member 30 is a conductor having a predetermined length (1/4 of the wavelength λ of the microwave, and approximately 3 [cm] in the case of using the microwave of the microwave oven), for example, the diameter is 0.5. [Mm] mechanical pencil lead is used. The antenna member 30 is fixed to the holding portion 35 a of the bottom member 35.

第2アンテナ部材30Hは、第2所定長さ(マイクロ波の波長λの1/4〜1/2であり、電子レンジのマイクロ波を用いる場合は、約3〜6[cm]))の導電体であり、例えば径が0.5[mm]のシャープペンシルの芯が用いられる。そして第2アンテナ部材30Hは、誘電体43の上にほぼ水平に載置される。誘電体43及び第2アンテナ部材30Hが配置された容器42は、底部材35の上に載置される。
そして、アンテナ部材30及び第2アンテナ部材30Hが配置された底部材35を、電子レンジの庫内に置き、底部材35の上から保持容器40を覆い被せる(図7(A))。
すると、電子レンジ内には図7(B)に示す状態で、大気圧中でのプラズマ生成支援装置が配置される。
なお、第2アンテナ部材30H、容器42、誘電体43は省略してもよい。また、電子レンジの庫内の面は導電体であるので、底部材35は保持部35aのみで構成されていてもよく、処理空間内におけるアンテナ部材30の一方の端が導電体に接触(接地)していればよい。
また、保持容器40の上部は略球状または略半球状の形状を有しており、上部には所定サイズ(径が約3[cm])の穴41が設けられていることは、第1及び第2の実施の形態にて説明した通りである。
The second antenna member 30H has a second predetermined length (about 1/4 to 1/2 of the wavelength λ of the microwave, and about 3 to 6 [cm] when microwaves in the microwave oven are used)) For example, a mechanical pencil lead having a diameter of 0.5 mm is used. The second antenna member 30H is placed almost horizontally on the dielectric 43. The container 42 in which the dielectric 43 and the second antenna member 30 </ b> H are disposed is placed on the bottom member 35.
Then, the bottom member 35 on which the antenna member 30 and the second antenna member 30H are arranged is placed in a microwave oven, and the holding container 40 is covered from above the bottom member 35 (FIG. 7A).
Then, the plasma generation support apparatus in atmospheric pressure is arrange | positioned in the state shown in FIG.7 (B) in a microwave oven.
Note that the second antenna member 30H, the container 42, and the dielectric 43 may be omitted. Further, since the surface of the inside of the microwave oven is a conductor, the bottom member 35 may be constituted only by the holding portion 35a, and one end of the antenna member 30 in the processing space is in contact with the conductor (grounding). ).
Further, the upper part of the holding container 40 has a substantially spherical or substantially hemispherical shape, and a hole 41 having a predetermined size (diameter of about 3 [cm]) is provided in the upper part. This is as described in the second embodiment.

図7(B)に示す状態で、電子レンジ内に大気圧中でのプラズマ生成支援装置を配置した後、電子レンジの電源を投入してマイクロ波を出力させると、図3(C)〜(E)に示した例で既に説明した通り、プラズマ50が着火され、マイクロ波の出力を継続している間、プラズマ50が維持される。
例えば約1kWの反応炉で、保持容器40に直径20[cm]程度のガラス容器を用い、穴41を約3[cm]の円形に形成した場合、保持容器40内で空気の対流が発生し、生成されたプラズマ50は浮力で保持容器40の上部にまで上昇し、そこで維持されることを実験にて確認した。なお生成されたプラズマ50は保持容器40内の上部に上昇するが、穴41が約3[cm]以上の径であればプラズマは上方に移動するが流出することがないことも実験にて確認した。また、穴41が約3[cm]よりも小さい場合は生成されたプラズマ50が保持容器40内で上昇せず、着火した位置(第2アンテナ部材30H(アンテナ部材30)の近傍)で停滞してしまい、生成されたプラズマ50が不安定となることも実験にて確認した(プラズマ50が第2アンテナ部材30H(アンテナ部材30)を覆うと第2アンテナ部材30H(アンテナ部材30)がマイクロ波を吸収することを妨げ、ガスの電離が進行しない)。穴41の径の上限については、保持容器40の径等に応じて変化するため、穴41の径は実験等にて設定値を決めることが好ましい。
In the state shown in FIG. 7B, after placing the plasma generation support device in the atmospheric pressure in the microwave oven, when the microwave oven is turned on and microwaves are output, FIGS. As already described in the example shown in E), the plasma 50 is ignited, and the plasma 50 is maintained while the microwave output is continued.
For example, in a reactor of about 1 kW, when a glass container having a diameter of about 20 [cm] is used as the holding container 40 and the hole 41 is formed in a circular shape of about 3 [cm], air convection occurs in the holding container 40. It was confirmed by experiments that the generated plasma 50 rose to the upper part of the holding container 40 by buoyancy and was maintained there. The generated plasma 50 rises to the upper part in the holding container 40, but if the hole 41 has a diameter of about 3 [cm] or more, it is confirmed by experiments that the plasma moves upward but does not flow out. did. Further, when the hole 41 is smaller than about 3 [cm], the generated plasma 50 does not rise in the holding container 40 and stagnates at the ignited position (near the second antenna member 30H (antenna member 30)). It has also been confirmed by experiments that the generated plasma 50 is unstable (when the plasma 50 covers the second antenna member 30H (antenna member 30), the second antenna member 30H (antenna member 30) is microwaved. The gas is not ionized). Since the upper limit of the diameter of the hole 41 varies depending on the diameter of the holding container 40 and the like, it is preferable to determine the set value of the diameter of the hole 41 through experiments or the like.

以上に説明したように、導電体で囲まれた筐体20における、内部が大気圧の処理空間20a内に、当該処理空間20a内における長さが所定長さ(マイクロ波の波長の1/4に相当する長さ)となるように、且つ処理空間20a内における一方の端が導電体に接地するようにアンテナ部材30を立て、当該処理空間20a内にマイクロ波を照射すれば、大気圧中でプラズマを生成することができる。また、更に保持容器40、第2アンテナ部材30H等を追加すれば、プラズマ50の着火、高温化、高密度化、及び維持をより安定的に行うことができる。   As described above, in the casing 20 surrounded by the conductor, the inside is in the processing space 20a having the atmospheric pressure, and the length in the processing space 20a is a predetermined length (1/4 of the wavelength of the microwave). If the antenna member 30 is erected so that one end in the processing space 20a is in contact with the conductor and microwaves are irradiated into the processing space 20a, the atmospheric pressure can be increased. Can generate plasma. Further, if the holding container 40, the second antenna member 30H, and the like are further added, the ignition, high temperature, high density, and maintenance of the plasma 50 can be performed more stably.

本発明の大気圧中でのプラズマ生成方法及びその装置は、本実施の形態で説明した方法、構成、構造、材質、形状、寸法等に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。
本実施の形態の説明に用いた数値は一例であり、この数値に限定されるものではない。
本実施の形態では、プラズマを生成するためにマイクロ波を用いたが、種々の電波を用いることができる。
保持容器40の材質は、ガラス、セラミックの他にも、比較的耐熱性が高いものを用いることができる。
The method and apparatus for generating plasma in the atmospheric pressure of the present invention are not limited to the method, configuration, structure, material, shape, size, etc. described in the present embodiment, and are various within the scope not changing the gist of the present invention. Can be changed, added, or deleted.
The numerical values used in the description of the present embodiment are examples, and are not limited to these numerical values.
In this embodiment mode, microwaves are used to generate plasma, but various radio waves can be used.
As the material of the holding container 40, a material having relatively high heat resistance can be used in addition to glass and ceramic.

本発明の大気圧中でのプラズマ生成装置の第1の実施の形態の概略構成図を説明する図である。It is a figure explaining the schematic block diagram of 1st Embodiment of the plasma production apparatus in the atmospheric pressure of this invention. アンテナ部材30の構造と配置、及びプラズマ50が生成される様子を説明する図である。It is a figure explaining a mode that the structure and arrangement | positioning of the antenna member 30, and the plasma 50 are produced | generated. 第2アンテナ部材30Hの構造と配置、及びプラズマ50が生成される様子を説明する図である。It is a figure explaining a mode that the structure and arrangement | positioning of the 2nd antenna member 30H, and the plasma 50 are produced | generated. 本発明の大気圧中でのプラズマ生成装置の第2の実施の形態の概略構成図を説明する図である。It is a figure explaining the schematic block diagram of 2nd Embodiment of the plasma production apparatus in the atmospheric pressure of this invention. 大気圧中でのプラズマ生成装置を、被処理ガスの熱処理装置に適用した例を説明する図である。It is a figure explaining the example which applied the plasma production apparatus in atmospheric pressure to the heat processing apparatus of to-be-processed gas. 大気圧中でのプラズマ生成装置を、被処理物質の熱処理装置に適用した例を説明する図である。It is a figure explaining the example which applied the plasma production apparatus in atmospheric pressure to the heat processing apparatus of a to-be-processed substance. 本発明の大気圧中でのプラズマ生成支援装置の概略構成図を説明する図である。It is a figure explaining the schematic block diagram of the plasma production assistance apparatus in the atmospheric pressure of this invention. 従来の、大気圧中でのプラズマ生成装置を説明する図である。It is a figure explaining the conventional plasma generator in atmospheric pressure.

10 マイクロ波発生手段
10a 出力制御手段
10b 温度検出手段
11 サーキュレータ
12 結合器
13 整合器
14 ホーン
20 筐体
20a 処理空間
30 アンテナ部材
30H 第2アンテナ部材
31、34 長さ調節手段
32、33 長さ検出手段
40 保持容器
41 穴
50 プラズマ

DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Microwave generation means 10a Output control means 10b Temperature detection means 11 Circulator 12 Coupler 13 Matching device 14 Horn 20 Case 20a Processing space 30 Antenna member 30H Second antenna member 31, 34 Length adjustment means 32, 33 Length detection Means 40 Holding container 41 Hole 50 Plasma

Claims (2)

導電体で囲まれるとともに内部が大気圧の処理空間と、
マイクロ波発生手段と、
導電性を有するとともに略柱状の形状を有する第1所定長さの第1アンテナ部材と、
導電性を有するとともに略柱状の形状を有する第2所定長さの第2アンテナ部材と、
耐熱性の誘電体で構成したベース部と、
生成されたプラズマを保持する保持容器と、を備えた大気圧中でのプラズマ生成装置であって、
前記マイクロ波発生手段は、前記処理空間内にマイクロ波を照射し、
前記第1アンテナ部材は、前記処理空間内における一方の端が前記導電体に接地するように、且つ前記処理空間内における長さが第1所定長さとなるように設けられており、
前記保持容器は、上部が略球状または略半球状の形状を有するとともに、当該上部には所定サイズの穴が設けられて、前記処理空間内に且つ前記第1アンテナ部材を覆うように配置されており、
前記ベース部は、前記保持容器内に配置されており、
前記第2アンテナ部材は、前記ベース部の上にほぼ水平に配置されている、
大気圧中でのプラズマ生成装置。
A processing space surrounded by a conductor and having an atmospheric pressure inside,
Microwave generation means;
A first antenna member having a first predetermined length having conductivity and a substantially columnar shape;
A second antenna member having a second predetermined length having conductivity and a substantially columnar shape;
A base composed of a heat-resistant dielectric,
A plasma generation device in atmospheric pressure, comprising a holding container for holding the generated plasma,
The microwave generation means irradiates the processing space with microwaves,
The first antenna member is provided so that one end in the processing space is in contact with the conductor, and the length in the processing space is a first predetermined length,
The holding container has a substantially spherical or hemispherical upper part, and a hole of a predetermined size is provided in the upper part, and is disposed in the processing space so as to cover the first antenna member. And
The base is disposed in the holding container;
The second antenna member is disposed substantially horizontally on the base portion.
Plasma generator at atmospheric pressure.
導電体で囲まれるとともに内部が大気圧の処理空間内に配置して、マイクロ波を照射することでプラズマを生成する、大気圧中でのプラズマ生成支援装置であって、
上部が略球状または略半球状の形状を有するとともに、当該上部には所定サイズの穴が設けられて、生成されたプラズマを保持する保持容器と、
導電性を有するとともに平板状の底部材と、
導電性を有するとともに略柱状の形状を有する第1所定長さの第1アンテナ部材と、
導電性を有するとともに略柱状の形状を有する第2所定長さの第2アンテナ部材と、
耐熱性の誘電体で構成したベース部と、を備え、
前記底部材は、前記保持容器内に配置され、
前記第1アンテナ部材は、一方の端が前記底部材に固定されて前記保持容器内に配置されており、
前記ベース部は、前記保持容器内に配置されており、
前記第2アンテナ部材は、前記ベース部の上にほぼ水平に配置されている、
大気圧中でのプラズマ生成支援装置。
A plasma generation support device in atmospheric pressure, which is surrounded by a conductor and arranged in a processing space of atmospheric pressure, and generates plasma by irradiating microwaves,
The upper part has a substantially spherical or substantially hemispherical shape, and a hole of a predetermined size is provided in the upper part to hold the generated plasma,
A flat bottom member having electrical conductivity;
A first antenna member having a first predetermined length having conductivity and a substantially columnar shape;
A second antenna member having a second predetermined length having conductivity and a substantially columnar shape;
A base portion made of a heat-resistant dielectric,
The bottom member is disposed in the holding container;
The first antenna member is disposed in the holding container with one end fixed to the bottom member,
The base is disposed in the holding container;
The second antenna member is disposed substantially horizontally on the base portion.
Plasma generation support device at atmospheric pressure.
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