(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応チャンバー（１２；４４；８２）と、マイクロ波放射をチャンバー内に結合する手段と、一対の対向する場助長電極（１８、２１；６２、６３）であり、場助長電極（１８、２１；６２、６３）間の局所領域にプラズマを形成する様にマイクロ波エネルギーを集中するための場助長電極と、ガス状媒体が前記プラズマの局所領域を通過する様に、ガス状媒体のチャンバー（１２；４４；８２）に対する入出をおこなうためのガス通路（１３、１４、１８、２１；５１、５１、６２、６３）とから成るプラズマ助長ガス反応装置であり、前記場助長電極（１８、２１；６２、６３）が、チャンバー壁に位置する電極ホルダー（１７、１９；５３、５４）内に保持される導電管から成り、電極管が、前記装置の外部から取り外し且つ置換え可能であり、
前記電極管（１８、２１）の少なくとも一方は、前記電極管（２１、１８）の周りに位置するコレット（２７、３１）によって位置がクランプされ、該コレットは、電極ホルダー（１９、１７）内に設けられる肩（２８）と電極ホルダー内にネジ込まれるスリーブ（２６、３２）との間で締めつけられて、長手方向圧縮が前記コレット（２７、３１）に加えられ、前記コレット（２７、３１）に半径方向の膨張を与え、該半径方向の膨張により電極管（１８、２１）の位置をクランプすることを特徴とする、プラズマ助長ガス反応装置。
【請求項２】
前記場助長電極（１８、２１；６２、６３）が、タングステン管から成ることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記電極管（６２、６３）の少なくとも一方が、電極管の残りの部分よりも大きい直径のネジが切られた部分を有し、前記管（６２、６３）のネジが切られた部分が、前記電極ホルダー（５３、５４）のネジが切られた部分と協働して、ロックナット（６４、６５）によって選択された位置で固定されることを特徴とする請求項１又は２記載の装置。
【請求項４】
前記反応チャンバー（４４）が、側壁部分を有する２つのプレート部材（４１、４２）の間の空間によって形成されて、一方のプレート部材（４１）の側壁部分が、他方のプレート部材（４２）の側壁部分に、支持されて互いに固定されている請求項１乃至３の何れかに記載の装置。
【請求項５】
２つのプレート部材（４１、４２）の間の前記空間は、仕切り板（４６）によって一端が閉じられており、他端は、マイクロ波放射を反応チャンバー（４４）に供給するための導波管への接続に適合されている（４５）ことを特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項６】
前記電極ホルダーの一方又は両方（１７、１９；５３、５４）は、結合される電極管（１８、２１；６２、６３）の中空内部に通じる中空内部を有し、ガス状媒体が反応チャンバー（１２；４４；８２）へ入出するための通路を与え、ガス状媒体が反応チャンバー（１２；４４；８２）へ入出するための別の通路（１３、１４、５２、５１）が、チャンバー（１２；４４；８２）の壁を通過して設けられていることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】  本発明は、反応チャンバーに供給されるガス状媒体中で反応を助長するために、プラズマが反応チャンバーで発生される装置に関する。
【０００２】  材料を処理するか、ガズ状媒体間の反応を促進するためにプラズマを利用する多数の異なる形態の装置が考案された。本発明は、ＧＢ２２７３０２７特許に記載される装置の形態の改良である。ＧＢ２２７３０２７特許は、チャンバー、このチャンバー内にマイクロ波場を作り出すための手段、チャンバー内の一対の円錐状場助長電極、ガス状媒体がプラズマ状態に励起することを可能にする手段、及び励起されたガス状媒体がチャンバーから引き出されることを可能にする一方の電極における軸状穴から成るマイクロ波プラズマ発生器を開示している。特許明細書ＧＢ２３１９９４１は、プラズマの近くを横切る第１の反応ガス及び第２の反応ガスの流れを提供し、且つ反応チャンバーから反応物を取り出す改良を記述している。
【０００３】  本発明に従うと、反応チャンバー、マイクロ波放射をチャンバーに結合するための手段、電極間の局所領域内にプラズマを形成するようにマイクロ波エネルギーを集中するための一対の対向する場（フィールド）助長電極、ガズ状媒体が前記プラズマの局所領域を介して通過するように、ガス状媒体をチャンバー中へ通し又はこれから出すためのガス通路から成るプラズマ助長ガス反応装置が提供され、電極は、チャンバー壁に位置される電極ホルダーに保持された、好ましくは、ダングステンから作られる導電管からなる。電極管は取り外し可能であり、装置の外部から置き換えることが可能である。
【０００４】  本発明に従う一つの構成において、少なくとも一方の電極管は、電極管の周りに位置するコレットによって位置が固定され、電極ホルダー内に設けられる肩と電極ホルダー内にねじ留めされたスリーブとの間で締めつけられ、コレットに長手方向圧力が与えられる。結果として起こる半径方向の膨張は、電極の位置をクランプして固定する様に機能する。
【０００５】  本発明に従う代替の実施の形態において、少なくとも一方の電極管は、管の残りの部分よりより大きい直径のねじ部分を有している。管のねじ部分は、電極ホルダーのねじ部分と協働し、ロックナットによって、選択された位置に固定される。
【０００６】  好適には、反応チャンバーは、側壁部分を有する２つのプレート部材の間の空間によって形成され、延びた「ｎ」の文字形状の断面形状を形成する。２つのプレート部材は、一方のプレート部材の側壁部分が他方のプレート部材の側壁部分に支持されて、結合されている。
【０００７】  ２つのプレート部材の間の前記空間は、閉鎖プレートによって、一端で閉じられている。他端は、マイクロ波放射を反応チャンバーに供給するための導波管に接続するために適合される。
【０００８】  好適には、電極ホルダーの一方又は両方は、関連する電極管の中空内部と通じる中空内部を有し、反応チャンバーへ入る及び／又はこれから出るガス状媒体の通路を与え、反応チャンバーへ入る及び／又はこれから出る別の通路が、チャンバーの壁を通過して与えられる。
【０００９】  本発明を具体化する装置の特定の実施の形態が、添付された図面を参照して記述される。
【００１０】  図１及び２を参照する。装置本体は、ステンレススチールのブロック１１を鋳造、組立て、又は固まりから機械加工することによって、形成される。反応チャンバー１２は、スロットであり、このスロットは、ブロック１１の幅に渡って延びる。このスロットの一端は、カバープレート（図示せず）によって閉じられており、使用の際に、他端には、アダプタープレート（図示せず）を介して、マイクロ波エネルギ源からの導波管が取り付けられている。マイクロ波エネルギ源は、導波管を介して反応チャンバー１２に結合されている。カバープレート及びアダプタプレートの実例を、第２の装置の実施の形態を図示する図５に見ることができる。
【００１１】  ガスフローポート１３及び１４のそれぞれが、反応チャンバー１２の各側部に設けられている。反応チャンバー１２内へ、反応ガス状媒体に対する供給パイプラインを結合することができる。これらのガスフローポート１３、１４が図１に点線で示されている。図２に示される様に、ガスフローポート１３は反応チャンバー１２を形成するスロットの一端に近接している。他端上のガスフローポート１４は、反応チャンバー１２を形成するスロットの反対側端部に近接している。
【００１２】  ブロック１１の中心に、反応チャンバー１２を形成するスロットの横方向に円筒孔１５及び１６が延びる。孔１５及び１６の各々は、それぞれ、直径が増大した部分１５ａ及び１６ａを有する。各々の孔において、最外部分にネジが切られており、これは、孔１５の一部１５ａ、及び孔１６内のより小さい直径の部分である。孔１５は、図４に示された電極ホルダー１７及び電極１８を受け入れる。孔１６は、図３に示す電極ホルダー１９及び電極２１を受入れる。これらの電極ホルダー１７、１９及び電極１８、２１は以下により完全に記述される。
【００１３】  孔１５を囲んで、環状チャンバー２２がある。対応する環状チャンバー２３は孔１６を囲む。これらのチャンバー２２及び２３は、円筒供給チャネル２４、２４ａ、２５を介して、それぞれ供給される冷却水の流れを受け入れるために、設けられている。冷却水チャネル２４を介して流入し、チャネル２４ａを介して流出する。チャネル２４ａは、外部パイプラインによって、チャネル２５に接続されており、チャンバー２３内に導かれる。冷却水は、別のチャネルを介してチャンバー２３内から流出する。この別のチャネルは、図示されないが、図１で見られるチャネル２５の後にある。環状チャンバー２２、２３の最外の部分は、直径が増大しており、ネジが切られており、半加工品（図示せず）がチャンバーの各々へネジ込まれて、水チャンバー２２、２３を封止する様にされる。
【００１４】  図３を参照する。円筒状ホルダー１９は、孔１６にネジ込まれる形状を有しており、電極ホルダー１９のヘッド部分は、直径が増大した部分１６ａと係合して、反応チャンバー１２内への円錐状突起を提供する。電極ホルダー１９の中空内部は、円錐状部分に隣接する直径を有する。円錐状部分において、タングステン又はタンクステン合金から成る電極管２１は、滑りばめである。ホルダー１９内の短い距離で、中空内部の直径は徐々に増加して、テーパー状肩２８を形成する。ホルダー１９の反対側端部の近くに、更に直径の更なるステップ状の増加があり、管２６のネジ部を受け入れる様にネジが設けられている。コレット２７は、電極管２１を囲み、テーパー状肩２８と係合する。コレット２７の他端は、内側管２６の最も内側の端と係合している。内側管２６は、２９に、反対方向に向いたテーパーを設けている。
【００１５】  組立のために、電極管２１は、電極管１８から所定の空隙を与える様にして、ホルダー１９内に位置されており、且つ、内側管２６をコレット２７を締めつけることによって、位置が固定される。コレット２７の結果の長手方向圧縮は、半径方向膨張を与え、電極管２１の位置をクランプする。
【００１６】  図４に示されるホルダー１７は、電極ホルダー１９よりも長く、孔１５内に受け入れられる様に適合されており、孔１５のネジ部分１５ａと係合する、増大した直径のネジ部分を有する。その他は、電極ホルダー１７は、電極ホルダー１９と略類似している。電極管１８及びコレット３１は、電極管２１及びコレット２７と同じであり、内側管３２によって同じ方法で位置がクランプされる。
【００１７】  電極管１８、２１は、反応チャンバー１２に供給されるマイクロ波エネルギーを集中する様に機能する。この目的にために、電極管は、導電性材料から成る必要がある。この例において、電極ホルダー構成要素は、同様に、金属であり、従って、導電性である。しかしながら、これらは、必要な場合、電気的絶縁材料から作ることもできる。
【００１８】  作動において、冷却水の流れは、環状チャンバー２２及び２３に供給される。反応ガス状媒体は、反応チャンバー１２に供給され、マイクロ波カネルギーは反応チャンバー１２内に、導波管を介して送られる。電位が、特許明細書ＧＢ２３１９９４１に詳細に記述された仕方で、電極間のプラズマの局所領域を設定する様に、電極１８及び２１を横切って達成される。
【００１９】  装置は、ポート１３、１４を介し、又両方の電極１８及び２１の両方が中空内部を介するガスフローに対応していることか分かる。このことは、ガスフロー構成に対して種々の異なるオプションが使用可能であることを意味している。しかしながら、局在するプラズマ内に集中したエネルギーの有効利用にために、プラズマによって励起されるべきガス状媒体の流れは、ガス状媒体が局所プラズマを介して通過することを保証する様なものである必要がある。このことは、プラズマに曝されるべき単一のガス状媒体について、ガスフローポート１３、１４の一方又は両方を通してガス状媒体を送り込み、電極管１８、２１の中空内部及び関連するホルダー１７、１９の一方又は両方からの流出ガス媒体を収集することによって、達成される。
【００２０】  代替的に、この流れの構成は、電極管１８、２１の中空内部を通過して流入し、ポート１３、１４を通過して流出して、逆にすることができる。２つ又は３つもの異なるガス状媒体を、プラズマによって促進される相互作用のために供給することができる。例えば、一つのガス状媒体を、カズフローポート１３を介し及び他のガスをフローポート１４を介して導入することができ、電極１８、２１の関連するホルダー１７、１９の中空内部の一方又は両方を介して流出される。メインガス流を、電極の一方の中空内部を介して内部に通過し、且つ他方の電極を介して外部に通過するように構成することができ、反応ガスはガスフローポート１３、１４の一方及び両方を介して導入され、エキルギーが加えられるか、又は、電極の中空内部内のメインガスフローと混合する直前に、プラズマのカーテンを通過することによって、反応ガス又は反応ガスの一部が反応種に変えられる。更に、３つの異なるガス状媒体を、それぞれ、ガスフローポート１３、ガスフローポート１４、及び一方の電極の中空内部を介して導入することかできる。混合した、反応後のガス媒体は、他方の電極を介して、流出する。他の流れの構成が可能であるが、この例の装置の構成では、ガス状媒体が、ガスフローポートの一つ、即ち１３を通して、流入し、且つ他のガスフローポート１４を介して流出する構成は、満足を与えるものではないかも知れないことが記されるべきである。その理由は、ガスのある部分が、局所プラズマ又はこれから出現する励起反応ガスと相互作用すること無しに、入口から出口へ直接通過することが可能であるからである。
【００２１】  図５及び６は、製造を容易にするための多数の改良を含む第２の装置を図示している。
【００２２】  この第２の装置の本体は、図６に最もよく見ることができる様に、延びた「ｎ」断面形状を有する様に、側壁が付随するプレートの形態を各々有する一対の略同じステンレススチール構成要素４１、４２から形成される。構成要素４１及び４２は、図示されないボルトによって一体にボルト締めされているが、ボルトの位置は、図５の４３で、例とし図示されている。この仕方で組み立てられると、構成要素４１及び４２は、内部チャンバー４４を形成し、この内部に、アダプタープレート４５を介して導波管（図示ぜず）からマイクロ波エネルギーを結合することができる。チャンバー４４は、カバープレート４６によって、アダプタープレート４５から遠い側の端で閉じられている。構成要素４１及び４２の付随する側壁の隣接面に沿って、一方の構成要素４２において、直立した隆起部分４７（図６を見よ）及び他方の構成要素４１において、隆起部分４７と係合する対応する溝が設けられている。このことは、チャンバー４４からマイクロ波が漏れ出る通路が存在しないことを保証する。
【００２３】  チャンバー４４内に、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエタン）のブロック４８がサンドイッチされている。ブロック４８の外側は、チャンバー４４内に嵌合する矩形形状である。ブロック４８は、反応チャンバー４９を形成するために、中央に円筒状開口を有する。一端に、ＰＴＦＥブロック４８の一側部が、スカラップ型の溝５１を有し、この溝がガスフローパイプライン５２と通じ、パイプライン５２を介して送られる流入ガスが反応チャンバー４９内に螺旋状に流れさせる様に構成されている。ガスフローに回転を与える目的は、プラズマを最適にするために、電極片を横切ってガス内に均一な圧力低下を達成することである。
【００２４】  ＰＴＦＥブロック４８の中央開口を囲み、且つスカラップ型の溝５１の外には、「Ｏ」リング６０を受け入れる溝がある。この「Ｏ」リング６０は、整合溝及びＰＴＦＥブロック４８の他方の側上の「Ｏ」リング７０と共に、反応チャンバー４９をシールする様に機能する。
【００２５】  円筒反応チャンバー４９の中央軸と整列して、構成要素４１及び４２内に、円状開口がある。これらの開口内に、同じ構成の一対の電極ホルダー５３、５４が溶接されている。電極ホルダー５３、５４の各々は、反応チャンバー４９内に円錐台突出部が設けられる。各電極ホルダーは３つの直径で孔が開けられている。円錐台端部の５５、５６で最小直径を有する。孔５５、５６の各々は、より広いネジが切られた孔５７、５８へと開口し、各孔５７、５８は、更に広いアクセス孔５９、６１に開口している。
【００２６】  各電極６２、６３は、増大した直径の短い外面にネジが切られた端部分を有するタングステンから成る中空管からなる。電極６２、６３は、電極ホルダー５３３、５４内にそれぞれ受け入れられ、電極のネジが切られた部分が、電極ホルダーの孔５７、５８に設けられた協働するネジと係合する。電極６２及び６３は、反応チャンバー４９内の電極間に必要とされるギャップを設定しつつ、所定の位置にネジ留めされる。電極６２、６３は、各ロックナット６４、６５によって位置がロックされる。
【００２７】  使用される反応器に結合されるマイクロ波エネルギーの１／４波長分分離され、且つ電極６２、６３にマイクロ波エネルギーを集中するように、電極６２、６３及びアダプタープレート４５が、位置される。アダプタープレートの幾何形状は、マイクロ波の電極６２、６３への結合を同調し／最適化するために極めて重要である。アダプタープレート４５の幾何形状を図示する様に固定することができるが、マニュアル又は自動チューニングを可能とする絞り開口についても、同様にして、種々の幾何形状を提供することが有利な場合がある。
【００２８】  反応チャンバー４９から離れた電極ホルダー５９、６１の端の外面には、ネジ（図６に示されていない）が切られており、ガス供給又は閉鎖ナットの何れかの取り付けを容易にする。
【００２９】  冷却水ジャケット６６、６７が、電極ホルダー５９及び６１を囲んで、且つこれらとの間でシール係合されており、そして、構成要素４１、４２に対して、それぞれ６８、６９で溶接されている。パイプ７１、７２、７３、７４が、水ジャケット６６、６７へのを水の流入出のために設けられる。
【００３０】  中央供給ワイヤー７６を有する導電性リードスルー７５は、プラズマ形成を開始するに必要とされる時に、高電位トリガーパルスが供給されることを可能にする。
【００３１】  使用において、図５及び６に示される様な第２の装置の作動は、図１乃至４の装置に対して記述されるものと対比的である。３つのみのガスフローポートが、図５及び６の装置において示されているが、反応チャンバー４９内への別のガスフローポートを、５２、５１に示されるものと直径方向で反対側に容易に設けることができる。
【００３２】  図７及び８は、反応チャンバー８２を含むブロック８１の修正された形態を概略的に示す。反応チャンバー８２を形成するスロットは、ステップ８３を有して形成され、反応チャンバー８２は、電極管の領域でより狭く、電極管に対するホルダー８４、８５は、図８に点線によってのみ示されている。この修正された構成は、図１−４又は図５、６の例の何れかにおいて、採用することができる。ステップ８３の直径は、マイクロ波エネルギーの電極チップへの結合係数を最適にする様に計算される。
【００３３】  この例の装置に対する応用は、スペクトル分析／診断源及び検出器、改質、ＮＯｘ減少又は非所望の有機材料の様な触媒工程、人工関節（例えば、股関節）の殺菌に適用することができる、ガス中の励起酸化種を介しての医療殺菌、金属揮発性／プラズマスプレイ、材料の表面改変、及び不要物のガラス化のためにガスフローで実行されるガス又は材料の励起を含む。
【００３４】  本発明は、上述の例に詳細に限定されることはない。例えば、必要とされる電極は、タングステンが作られる必要はなく、耐腐食性を改善するために、例えば、炭化タングステンから作ることができ且つ／又はダイアモンドチップを用いて提供することができる。水ジャケット冷却の代わりに、空気流冷却及び／又は冷却フィンの様なものを使用することができる。
【００３５】  反応チャンバー４４をマイクロ波からシールして分離する成形ＰＴＦＥブロックは、ＰＴＦＥの単純な窓、又は他の好適なマイクロ波透過材料で置き換えることができる。この場合、しかしながら、ガスフローの改良された制御を失う。
【００３６】  電極管は「犠牲電極」として使用することかできる。短い電極管を時々取り替えるよりも、より長い電極管を使用して、反応チャンバー内に送り込むことができる。より好都合には、モータ及びフィードバックセンサー機構によって、電極管の相対位置を及び分離を維持する。この方法で、チャンバー内への電極管の送りが、管先端での侵食を自動的に補償する。このような機構は、先ず、小さいな電極分離を与えて、プラズマを発生開始し、次に、ギャップを増大して、放電強度を安定化し、そして電極侵食速度を最小にすることによって、プラズマの自動着火を達成する追加の利点を与える。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１の装置の一部断面図。
【図２】  図１の線２−２に沿った断面図。
【図３】  図１及び図２の装置の一部てあるが、それら図面に示されていない部分を形成する電極及び電極ホルダーの断面図。
【図４】  図１及び図２の装置の一部てあるが、それら図面に示されていない部分を形成する電極及び電極ホルダーの断面図。
【図５】  第２の装置の斜視図。
【図６】  図５の６−６に沿った断面図。
【図７】  装置の修正された形態の一部の破断斜視図である。
【図８】  図７に示される部分の長手方向断面図。
【図１】
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【図６】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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