(57)【要約】【課題】  安定したプラズマ火炎が得られ、再現性よく特性の安定した製品を造ることができ、かつ稼動中の振動によってトーチに損傷の生ずることのない固体合成用高周波熱プラズマトーチを提供する。【解決手段】  原料ガス導入部材１の外方に、冷却水流路７を形成する内側管２と外側管３が配設され、さらに外側管３の外方に高周波コイル４が巻回され、前記原料ガス導入部材１の中心に原料ガス流路５が形成され、前記内側管２と原料ガス導入部材１との間にプラズマガス流路６が形成されてなる高周波誘導熱プラズマトーチにおいて、前記高周波コイル４とその内側の外側管３との間に絶縁体13を介在させて、高周波コイル４の位置を固定し、プラズマガス流路６と高周波コイル４との位置関係が一定に保持されている。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガス導入部材の外方に、冷却水流路を形成する内側管と外側管が配設され、さらに外側管の外方に高周波コイルが巻回され、前記原料ガス導入部材の中心に原料ガス流路が形成され、前記内側管と原料ガス導入部材との間にプラズマガス流路が形成されてなる高周波誘導熱プラズマトーチにおいて、前記高周波コイルとその内側の外側管との間に絶縁体を介在させて、高周波コイルの位置を固定し、プラズマガス流路と高周波コイルとの位置関係が一定に保持されていることを特徴とする高周波誘導熱プラズマトーチ。
【請求項２】
前記高周波コイルとその内側の外側管との間に、絶縁体として軟質プラスチックを介在させることで、前記高周波コイルの径方向位置が固定されている請求項１に記載の高周波誘導熱プラズマトーチ。
【請求項３】
前記高周波コイルと外側管のフランジ部との間に、絶縁体として軟質プラスチックを介在させることで、前記高周波コイルの軸方向位置が固定されている請求項１に記載の高周波誘導熱プラズマトーチ。
【請求項４】
前記軟質プラスチックがフッ素樹脂製のものである請求項２又は３に記載の高周波誘導熱プラズマトーチ。
【請求項５】
前記高周波コイルが水冷金属パイプからなり、高周波コイル周囲の湿度を調整することで結露を防止している請求項１乃至４のいずれかに記載の高周波誘導熱プラズマトーチ。
【請求項６】
前記高周波コイルから電極に至る金属パイプ製の延長管の長さが、金属パイプの直径の20倍以上である請求項１乃至５のいずれかに記載の高周波誘導熱プラズマトーチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバ用ガラス母材等の固体合成に好適な高周波誘導熱プラズマトーチの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
高周波誘導熱プラズマトーチは、ガス流路の周囲に配設された高周波コイルに高周波電流を印加し、内部のガスをプラズマ化して噴射する装置であり、１万度程度の超高温を得ることができ、比較的遅いプラズマ線速で、しかも酸化・還元雰囲気を自由に選択できることから、超高温の反応場の形成に好適に用いられている。さらに、反応場に電極が存在しないため不純物が入りづらく、結晶やアモルファスの粉体・膜等、高純度固体の合成用に非常に適している。また、超高温の熱源として、廃棄物の減容処理等に利用されている。さらに、超高温を利用して対象物を完全に分解できることから、ICP発光分析やフロンの分解等に用いられている。
【０００３】
図１に、従来の、固体のガラス微粒子や膜の合成等に用いられている高周波誘導熱プラズマトーチの例を示した。
原料ガス導入部材１は、中心に原料ガス及び不活性キャリアガスを流す原料ガス流路５を有し、その外側に内側管２が配設され、原料ガス導入部材１と内側管２の間がプラズマガス流路６となっている。原料ガス導入部材１は、直接高温のプラズマに曝されるため、一般的には内部に冷却水流路を設けて、プラズマに向いた面10を水冷する構造になっている。内側管２の外側には外側管３が配設され、内側管２と外側管３の間は冷却水流路７となっている。
【０００４】
なお、プラズマ出力が低い場合、冷却水を用いずに、二重管構造を採らない場合もある。外側管３のさらに外側に、高周波コイル４が配設されている。高周波コイル４は、延長管12につながっており、延長管12は電極11に接続されている。電極11は、図示していない高周波発信盤に接続され、電極11及び延長管12を介して高周波コイル４に高周波電流が印加される。
【０００５】
プラズマの点火は、特許文献１に記されているように、プラズマトーチ内部にアルゴンのみを流し、冷却水流路７の冷却水を除いた状態で、高周波コイルに高周波電流を流しつつ、プラズマトーチ内部に図示していない高電圧印加手段によって高電圧を印加・放電させることによってなされ、これによってプラズマ火炎８が形成される。
【０００６】
例えば、フッ素ドープ石英ガラス微粒子を合成し、これを純粋石英ガラス棒の周りに堆積させて光ファイバ用ガラス母材を形成するような場合、プラズマ点火後に冷却水流路７に冷却水を、プラズマガス流路６には酸素とアルゴンを流し、続けて原料ガス流路５に四塩化ケイ素、四フッ化ケイ素もしくは四フッ化炭素等のフッ素含有ガス及びアルゴンを流すことで、プラズマ火炎８内部でフッ素ドープ石英ガラス微粒子が合成される。プラズマ火炎８内で合成されたガラス微粒子は、回転・移動する純粋石英ガラス製のターゲット棒９上に堆積され、プリフォームが形成される。プラズマ火炎８は、高周波コイル４に１〜４MHz、20〜100kVA程度の高周波電流を印加することにより維持される。
【特許文献１】特開平05-242995号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般的に、外側管３には石英ガラスやセラミックパイプ等の耐熱絶縁材料が用いられ、高周波コイル４には水冷銅パイプが用いられている。水冷銅パイプには絶縁のためにプラスチックフィルムが被覆されている。従来、外側管３には上記したような脆性材料が用いられているため、高周波コイル４と外側管３の間には数mm前後の間隙を設けておき、装置が多少振動した場合でも、外側管３が高周波コイル４と接触して破損することがないように構成されている。
【０００８】
しかしながら、水冷銅パイプは強い力を加えると曲がってしまい、プラズマトーチのメンテナンス等の際に、外側管３と高周波コイル４の位置関係がずれてしまうことがあった。外側管３と高周波コイル４の中心軸がずれたり、相対的に傾斜してしまった場合は、プラズマトーチ内部での電磁場の対称性が崩れ、プラズマ火炎８に曲がりが生じる。プラズマ火炎８が曲がると、プラズマ火炎中で反応・生成した固体物質が内側管２の内壁に付着したり、ターゲット棒９への固体物質の付着率が悪くなったり、堆積組成が変化してしまうという問題があった。
また、高周波コイル４の位置が軸方向にずれたりして変化した場合には、プレート電流とプレート電圧、グリッド電流の関係が変化し、プラズマ火炎中での固体物質の生成反応に影響を与え、再現性よく特性の安定した製品を造ることができないという問題があった。
【０００９】
本発明は、安定したプラズマ火炎が得られ、再現性よく特性の安定した製品を造ることができ、かつ稼動中の振動によってトーチに損傷の生ずることのない固体合成用高周波熱プラズマトーチを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の固体合成用高周波熱プラズマトーチは、原料ガス導入部材の外方に、冷却水流路を形成する内側管と外側管が配設され、さらに外側管の外方に高周波コイルが巻回され、前記原料ガス導入部材の中心に原料ガス流路が形成され、前記内側管と原料ガス導入部材との間にプラズマガス流路が形成されてなる高周波誘導熱プラズマトーチにおいて、前記高周波コイルとその内側の外側管との間に絶縁体を介在させて、高周波コイルの位置を固定し、プラズマガス流路と高周波コイルとの位置関係が一定に保持されていることを特徴としている。
【００１１】
前記高周波コイルとその内側の外側管との間に、絶縁体として軟質プラスチックを介在させることで、前記高周波コイルの径方向位置を固定することができ、高周波コイルの軸方向位置は、高周波コイルと外側管のフランジ部との間に絶縁体として軟質プラスチックを介在させることで固定することができる。絶縁体には軟質プラスチック、特にはフッ素樹脂製のものを使用するのが好ましい。
なお、高周波コイルは水冷金属パイプからなり、高周波コイル周囲の湿度を調整することで結露を防止することができる。高周波コイルから電極に至る金属パイプ製の延長管の長さを金属パイプの直径の20倍以上とするのが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、プラズマトーチを構成する外側管と高周波コイルとの位置関係がずれることなく、また、稼動中の振動によって脆性材料からなる外側管が高周波コイルと接触して損傷することもなく、安定したプラズマ火炎が得られ、再現性よく特性の安定した光ファイバ用ガラス母材等の固体製品を造ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の固体合成用高周波熱プラズマトーチについて、図２を用いて説明する。
本発明においては、高周波コイル４とその内側の外側管３との間に絶縁体13,14を介在させて、高周波コイル４の位置を固定し、プラズマガス流路６と高周波コイル４との位置関係が一定に保持されている。
【００１４】
具体的には、高周波コイルの径方向位置を固定するために、高周波コイル４とその内側の外側管３との間に、絶縁体13として軟質プラスチックを介在させることで高周波コイル４と外側管３の中心軸が一致するように固定されている。この絶縁体13には、軟質プラスチックシートが好適であり、その中でも耐熱性や疎水性の面からフッ素樹脂シートがより好ましい。薄いフッ素樹脂シートを渦巻き状に隙間の大きさに合わせて巻いたものを挿入することで、高周波コイル４と外側管３との間に隙間なく介在させることができる。
【００１５】
さらに、高周波コイル４と外側管３のフランジ部15との間に、絶縁体14として軟質プラスチックを介在させることで、高周波コイル４のプラズマトーチ軸方向への移動を防止することができる。この絶縁体14には、耐熱性や疎水性の面から軟質プラスチックであるフッ素樹脂リングが好ましい。このフッ素樹脂リングに高周波コイル４を押し当てることで高周波コイルの軸方向位置が固定される。高周波コイル本体は簡単には変形しないため、その一部のみを固定もしくは位置合わせするだけで、十分な安定性が得られる。
【００１６】
なお、高周波コイル４の固定のために絶縁体13,14を用いる理由は、導電体では高周波コイル４からの誘導を受け、それ自体が加熱されるためである。また、軟質プラスチックを用いる理由は、軟質プラスチックの弾性で装置の微振動を吸収させるためである。
また、高周波コイル４が水冷金属パイプ製の場合、高周波コイル４の表面に結露が発生しないように、高周波コイル周囲の湿度を調整することが好ましい。高周波コイル表面に結露が生じると、高周波コイル４に接触している絶縁体13の表面が濡れ、異常放電を起こす可能性がある。
【００１７】
さらに、高周波コイル４が水冷金属パイプ製の場合、高周波コイル４から電極11に至る金属パイプ製の延長管12の長さが短いと、装置の振動によって高周波コイル４と外側管３の間に応力が掛かり、外側管３が破損する可能性があるが、高周波コイル４から電極11までの延長管12の長さを延長管直径の20倍以上とすることで、振動時には延長管12がしなって応力を緩和することができるため、石英ガラスやセラミックパイプ等の脆性材料からなる外側管３が破損することはない。
以下、本発明の実施の形態について、実施例及び比較例を挙げてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【実施例】
【００１８】
［実施例１］ 
図２に示したプラズマトーチを用いてガラス微粒子を合成し、堆積させて光ファイバ用ガラス母材を製造した。
プラズマトーチの内側管２には内径38mmの窒化珪素セラミック製パイプを用いた。外側管３には外径55mmの石英ガラス製パイプを用いた。高周波コイル４及び延長管12には外径10mmの銅製パイプを用い、内部に冷却水を循環させた。高周波コイル４の形状は３ターン・巻き内径57mmとした。高周波コイル４と外側管３の間には、厚さ0.1mmのテフロンシートを渦巻き状に10周巻いたものを挿入し、高周波コイル４の中心軸とプラズマガス流路６の中心軸とが常に一致するようにした。
【００１９】
次に、高周波コイル４の前後方向の位置は、外側管３のフランジ部15にコイル位置調整用の絶縁体（フッ素樹脂リング）14を取り付け、この絶縁体14に高周波コイル４を押し当てて固定した。図示していないプラズマトーチを囲うカバーの中に室内空気を100L/minの流量で流し、高周波コイル４の周囲を除湿した。高周波コイル４から電極11に至る２本の延長管12のうち、短い方の長さをコイル外径10mmの20倍である200mmとした。
【００２０】
プラズマガス流路６にはAr86L/min、O246L/minを、原料ガス流路５にはAr10L/min、SiCl40.8L/min及びSiF40.7L/minを流しながら、高周波コイル４に４MHzの高周波電流を印加してプラズマ火炎８を発生させ、火炎中で合成されたフッ素ドープ石英ガラス微粒子を回転・トラバースするターゲット棒９上に堆積させ、光ファイバ用ガラス母材を合成した。
【００２１】
光ファイバ用ガラス母材の合成を繰り返し、プラズマトーチの分解組み立てを繰り返した場合でも、プラズマ火炎９のプラズマガス流路６の軸線に対する曲がりは最大で0.8°未満であり、堆積速度のバラツキも４％以内であった。なお、装置に振幅３mmの振動を繰り返し与えた場合でも外側管３が破損することはなかった。また、外気湿度が高い場合でもコイル周辺で結露することなく、異常放電も起こらなかった。さらに、プレート入力電力を一定としたときの、プレート入力電力とプレート入力電流の比も一定で安定していた。
【００２２】
［比較例１］ 
図１に示したプラズマトーチを用いてガラス微粒子を合成し、堆積させて光ファイバ用ガラス母材を製造した。
プラズマトーチの内側管２には内径38mmの窒化珪素セラミック製パイプを用いた。外側管３には外径55mmの石英ガラス製パイプを用いた。高周波コイル４及び延長管12には外径10mmの銅製パイプを用い、内部に冷却水を循環させた。高周波コイル４の形状は３ターン・巻き内径57mmとした。高周波コイル４と外側管３の間には、１mmの間隙があり、高周波コイル４が外側管３と接触しないように取り付けた。高周波コイル４から電極11に至る２本の延長管12のうち、短い方の長さを高周波コイル４の外径10mmの12倍である120mmとした。
【００２３】
プラズマガス流路６にはAr86L/min、O246L/minを、原料ガス流路５にはAr10L/min、SiCl40.8L/min、SiF40.7L/minを流しながら、高周波コイル４に４MHzの高周波電流を印加してプラズマ火炎８を発生させ、火炎中で合成されたフッ素ドープ石英ガラス微粒子を回転・トラバースするターゲット棒９上に堆積させ、光ファイバ用ガラス母材を合成した。
【００２４】
光ファイバ用ガラス母材の合成を繰り返し、プラズマトーチの分解組み立てを繰り返した場合、プラズマ火炎８の、プラズマガス流路の軸線に対する曲がりは最大で４°に達し、堆積速度のバラツキは最大で12％であった。プラズマ火炎８の曲がりが大きい場合には、内側管２の内壁に石英ガラスが付着していた。さらに、プレート入力電力を一定としたときの、プレート入力電力とプレート入力電流の比には、７％のバラツキがあった。
【００２５】
［比較例２］ 
高周波コイル４から電極11に至る２本の延長管12のうち、短い方の長さを高周波コイル４のコイル外径10mmの12倍である120mmとした以外は、実施例１と同様の構成からなる図２に示したプラズマトーチを用いて、実施例１と同様にして光ファイバ用ガラス母材の合成を行った。
装置に振幅３mmの振動を繰り返し与えたところ、外側管３にクラックが入り、そこから冷却水が噴出した。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明によれば、装置の稼働率が上がり、特性の安定した固体製品が得られ、生産性の向上に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】比較例１で使用したプラズマトーチの概略を示す断面図である。
【図２】本発明の実施例１で使用したプラズマトーチの概略を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１．原料ガス導入部材、
２．内側管、
３．外側管、
４．高周波コイル、
５．原料ガス流路、
６．プラズマガス流路、
７．冷却水流路、
８．プラズマ火炎、
９．ターゲット棒、
１０．プラズマに向いた面、
１１．電極、
１２．延長管、
１３．絶縁体、
１４．絶縁体、
１５．フランジ部。
【図１】
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【図２】
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