JPS6229880B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、新規な高周波磁場結合アークプラズ
マ反応装置に関する。

アークプラズマを使つて化学反応を起こさせる
場合に、反応性物質をトーチ内に導入すると、反
応物又は生成物のトーチ内壁との反応若しくはト
ーチ内壁への付着は避け得ず、その結果トーチの
腐蝕、不純物の混入、プラズマの不安定を引き起
こす。又その反応が大きな吸熱反応を伴う場合に
は、エネルギー効率から言つても不利であり、一
般には反応性物質をトーチ内に導入することは好
ましくない。従つて、通常反応物質はプラズマジ
エツトの周囲から導入する手段がよく執られてい
る。しかしアークプラズマジエツトは本質的にそ
の強い熱ピンチ又は磁気ピンチ効果を特色とする
磁気流体である為、反応物質は容易にプラズマジ
エツト中には混入し得ない。即ち、反応物質はプ
ラズマジエツトの周辺部のエネルギー密度の小さ
い所にしか入れず、反応物質の反応場所は主とし
てプラズマジエツトのテイル・フレーム部分に限
られ、アークプラズマのエネルギーを有効に使用
できない。過去においてプラズマジエツト内部に
反応物質を導入する方法の研究例も多く発表され
ているが、直接反応物質をプラズマジエツトに導
入して反応を行わせることに成功しているとは現
段階では言い難い。

一方、高周波プラズマでは、熱ピンチ及び磁気
ピンチの効果はそれ程大きくない為、容積が大き
く、又流速が比較的小さいプラズマ炎が得られ
る。従つて、このプラズマ炎の中で反応を行わせ
ることができれば、反応物質の反応場所も大きく
なり滞留時間も長くとれる筈であるから、有利な
点が多いと考えられる。しかし、この場合にも問
題点がある。その第一は、反応物質を高周波プラ
ズマ炎中に導入しようとしても、既によく知られ
ているように、磁気圧による逆流現象の為、プラ
ズマ炎の周辺部に沿つて通るだけで中心部を通す
ことが容易でない点であり、その第二は、反応物
質をプラズマ炎に導入すると、プラズマ炎が不安
定になり易い点である。

本発明者等は、高周波プラズマ炎の容積の大き
い点と流速が比較的小さく、従つて滞留時間が比
較的大きくとれる点に鑑み、前記第一、第二の問
題点を克服するため鋭意研究の結果、高周波プラ
ズマにアークプラズマを結合することにより前記
問題点を解決し得ることを見出し、本発明に到達
した。

即ち、本発明は、耐熱耐蝕性の電気絶縁体より
なる管、又は軸方向の高周波磁場による磁気誘導
を防ぐように設計された電導体の集合体よりなる
管の上部に直流アークプラズマトーチと、該トー
チから生ずるアークプラズマジエツト周辺に開口
する反応物質の連続導入手段とを設け、かつ、該
アークプラズマジエツトの作用圏内に該トーチと
中心線を共有する高周波誘導用コイルを該管外に
設け、発生する高周波プラズマの中心部に該アー
クプラズマジエツトとそれに伴われる反応物質の
流れが突入するような関係位置に直流アークプラ
ズマトーチ、反応物質の連続導入手段の開口、及
び高周波誘導用コイルを配置してなることを特徴
とするプラズマ反応装置に関するものである。

ところで、これまで高周波プラズマとアークプ
ラズマとを結合する試みは皆無ではない。例えば
ピー・ジエー・ベエルミユーレン（P.J.
Vermeulen）によるAIAA Journal vol.5No.
5May1967.P1015〜1017に、アルゴンガスを用い
た直流アークプラズマを下から上に向けて高周波
誘導電磁場に導いた場合の状況について述べられ
ている。しかし、これらは両者の単なる結合の試
みを一歩も出るものではなく、反応物質を導入し
てプラズマ炎内で化学反応を行わせることには全
く触れられておらず、従つて、本発明とは無関係
である。

本発明の装置において、初めて高周波プラズマ
炎内における有効な化学反応が可能となつた。即
ち、アークプラズマは言わば高周波プラズマ炎の
タネ火役となり、高周波プラズマ炎が反応物質の
導入により不安定性を増してもアークプラズマか
らのイオンやエレクトロンの供給により高周波プ
ラズマは安定に作動することが可能となつた。又
アークプラズマジエツト周辺に開口する反応物質
の導入手段からの反応物質はアークプラズマジエ
ツトの持つ高い運動エネルギーにより高周波プラ
ズマ炎の中央を貫通し得るようになり、言うなれ
ば反応物質が導入されたアークプラズマジエツト
のテール部分を大容量の高周波プラズマ炎の上部
中央にもち来たすことになり、反応物質は安定な
大容量プラズマ炎の全容量のエネルギーをアーク
プラズマジエツトの全エネルギーと共に利用しつ
くす結果となり、安定性とエネルギーの利用効率
の２点において画期的なプラズマ反応装置が現出
したことになる。

このような本発明の装置は、当然備えるべき反
応生成物の冷却捕集手段及びガスの連続排気手段
と結合して用いられる。

このような本発明の装置により、いろいろな反
応物質を導入した場合でも常に安定した大型のプ
ラズマ炎が得られ、かつ、そのプラズマ炎内の反
応物質の滞留時間も十分にとれ、かつ、反応性物
質による装置の腐蝕も少なく、プラズマ炎による
種々の化学反応により高純度の反応生成物が効率
よく得られ、かつ長時間の運転に耐え得ることが
判明した。本発明の装置は、高温における還元、
熱分解、化合物合成、微粉体製造、非晶質体製造
等に特に有用である。

以下に、図面の実施例を用いて本発明を説明す
る。

第１図は、本発明装置の１例を示す縦断面図で
ある。図において、１はアークプラズマトーチ、
２は石英管、３は高周波誘導用コイル（コイルは
都合により端面のみ示す。以下同じ。）、４は冷却
用銅モールド、５は冷却ガス導入口、６は水冷ジ
ヤケツトであり、７は反応物質導入管、８はガス
排出口である。ガス排出口は対称位置に複数個設
け、サイクロン、バツグフイルター、真空ポンプ
の系に導くのが良い。

第２図は、第１図のアークプラズマトーチの１
例を示す縦断面図である。９はタングステン陰
極、１０はガスノズルを兼用する銅陽極であり、
１１はプラズマガス導入口、１２は水冷空間であ
る。

反応物質導入管７（第１図）は、アークプラズ
マトーチの下端に接してリング状に設けられ、下
向き内側に反応物質が噴射されるように複数の小
孔を持つている。

この装置においては図示のようにアークプラズ
マaPと高周波プラズマrfPが発生し、反応物質は
ｌで示すような流線を画いてアークプラズマと共
に直接高周波プラズマ炎中に流入し加熱される。
この装置においてrfPはaPによつて安定に維持さ
れ、反応物質は十分な高温と滞留時間とを与えら
れ、安定して効率の良い高温反応が実施される。
この際円滑な高温反応が行われるだけでなく、反
応性物質によるアークプラズマトーチの電極の腐
蝕が防止できるという効果も奏する。従つて、反
応生成物への不純物の混入が避けられ、長時間運
転も可能となる。反応を終了して生じた目的の反
応生成物は、水冷された石英管の内壁及び下方の
冷却銅モールドに凝縮捕集され、ガスは下部孔か
ら排出される。

第３図は、本発明装置の他の１例の縦断面図を
示す。図において、４′は銅製又はガラス製の冷
却筒、２′は密閉容器を示し、他の符号は第１図
のものと同じものを示す。反応物質はアークプラ
ズマジエツト周辺に開口する導入管７により導入
され、アークプラズマジエツトと共に高周波プラ
ズマ炎に突入する。このような導入管は反応物質
が粉体の場合に適している。第１図の導入管は反
応ガスの導入に適したものである。又第１図のも
のは石英管自体が反応容器を兼ね、第３図のもの
は反応容器内に石英管を設けたものということが
できよう。

図面は本発明の実施例を示したもので、さらに
多数の変形が可能であり、本発明の範囲がこれら
により限定されるものでないことは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図、第３図は夫々本発明装置の一実施態様
を示す縦断面図、第２図はアークプラズマトーチ
の１例を示す縦断面図である。図において、 １……アークプラズマトーチ、２……石英管、
２′……容器、３……高周波誘導用コイル、４…
…冷却用銅モールド、４′……銅製又はガラス製
冷却筒、５……冷却ガス導入口、６……水冷ジヤ
ケツト、７……反応物質導入管、８……ガス排出
口、９……タングステン陰極、、１０……ガスノ
ズル兼用銅陽極、１１……プラズマガス、１２…
…水冷空間。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 耐熱耐蝕性の電気絶縁体よりなる管、又は軸
   方向の高周波磁場による磁気誘導を防ぐように設
   計された電導体の集合体よりなる管の上部に直流
   アークプラズマトーチと、該トーチから生ずるア
   ークプラズマジエツト周辺に開口する反応物質の
   連続導入手段とを設け、かつ、該アークプラズマ
   ジエツトの作用圏内に該トーチと中心線を共有す
   る高周波誘導用コイルを該管外に設け、発生する
   高周波プラズマの中心部に該アークプラズマジエ
   ツトとそれに伴われる反応物質の流れが突入する
   ような関係位置に直流アークプラズマトーチ、反
   応物質の連続導入手段の開口、及び高周波誘導用
   コイルを配置してなることを特徴とするプラズマ
   反応装置。