(57)【要約】【課題】高周波熱プラズマ流の均質化、特に、半径方向の流速分布、温度分布の平坦化を図る。【解決手段】シースガス(1)、セントラルガス(2)及び原料搬送ガス(3)の３系統のガスを供給し、圧力100Torr〜760Torrで発生させ、3000℃より高い温度を有する高周波誘導熱プラズマ(4)のプラズマ尾炎部に、水平面上で半径方向に対し４５°以上の角度で旋回流(5)を供給し、かつ旋回流のガス供給量をシースガス、セントラルガス及び原料搬送ガスの３系統のガス供給量の総計の５０％以下とし、旋回流の向きを水平面から下方向の傾角３０°以下とする。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シースガス、セントラルガス及び原料搬送ガスの３系統のガスを供給し、圧力100Torr〜760Torrで発生させ、3000℃より高い温度を有する高周波誘導熱プラズマのプラズマ尾炎部に、水平面上で半径方向に対し４５°以上の角度で旋回流を供給し、かつ旋回流のガス供給量をシースガス、セントラルガス及び原料搬送ガスの３系統のガス供給量の総計の５０％以下とし、旋回流の向きを水平面から下方向の傾角３０°以下とすることを特徴とする高周波熱プラズマ流の均質化方法。
【請求項２】
シースガス、セントラルガス及び原料搬送ガスの３系統のガスを供給し、圧力100Torr〜760Torrで発生させ、3000℃より高い温度を有する高周波誘導熱プラズマのプラズマ尾炎部に、水平面上で半径方向に対し４５°以上の角度で旋回流を供給し、かつ旋回流のガス供給量をシースガス、セントラルガス及び原料搬送ガスの３系統のガス供給量の総計の５０％以下とし、旋回流の向きを水平面から下方向の傾角３０°〜６０°の範囲とすることを特徴とする高周波熱プラズマ流の均質化方法。
【請求項３】
シースガス、セントラルガス及び原料搬送ガスの３系統のガスを供給し、圧力100Torr〜760Torrで発生させ、3000℃より高い温度を有する高周波誘導熱プラズマのプラズマ尾炎部に、水平面上で半径方向に対し４５°以上の角度で旋回流を供給し、かつ旋回流のガス供給量をシースガス、セントラルガス及び原料搬送ガスの３系統のガス供給量の総計の５０％以上とし、旋回流の向きを水平面から下方向の傾角４５°以下とすることを特徴とする高周波熱プラズマ流の均質化方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、高周波熱プラズマ流の均質化方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、高周波熱プラズマ流の均質化、特に、半径方向の流速分布、温度分布の平坦化を図ることのできる高周波プラズマ流の均質化方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱プラズマプロセスでは、高周波プラズマ発生領域の温度は、１万度以上の非常に高い温度である。熱プラズマ流が高温領域を離れるとき、プラズマは、１０5〜7Ｋ／秒という非常に速い冷却速度で冷却される。このため、気相中の過飽和度が高くなり、多数の核が生成し、成長が抑制され、100nm以下のナノサイズ粒子が合成される。プラズマ尾炎部に冷却ガスを注入すると、粒子サイズはさらに小さくなり、数十nm以下の微粒子の合成が可能になる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、熱プラズマ流は、半径方向に流速、温度分布が大きいので、どの位置を通過するかにより温度履歴が異なり、生成物の粒径、結晶構造、化学組成に分布が生じる。粒径分布は用途によっては問題になることがあるため、熱プラズマ流を均質化する必要がある。
【０００４】
また、プラズマ尾炎部に冷却ガスを注入する場合、冷却ガスの噴出方向は従来半径方向であったので、急冷効果はあるが（たとえば、非特許文献１参照）、生成物の粒径、結晶構造、化学組成は大きな分布を持つことがあった。
【０００５】
この出願の発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、高周波熱プラズマ流の均質化、特に、半径方向の流速分布、温度分布の平坦化を図ることのできる高周波プラズマ流の均質化方法を提供することを解決すべき課題としている。
【０００６】
【非特許文献１】
G. Soucy，外３名，マテリアル・サイエンス・エンジニアリングＡ(Mater. Sci. Eng. A)，2001年，第300巻，ｐ．226
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、シースガス、セントラルガス及び原料搬送ガスの３系統のガスを供給し、圧力100Torr〜760Torrで発生させ、3000℃より高い温度を有する高周波誘導熱プラズマのプラズマ尾炎部に、水平面上で半径方向に対し４５°以上の角度で旋回流を供給し、かつ旋回流のガス供給量をシースガス、セントラルガス及び原料搬送ガスの３系統のガス供給量の総計の５０％以下とし、旋回流の向きを水平面から下方向の傾角３０°以下とすることを特徴とする高周波熱プラズマ流の均質化方法（請求項１）を提供する。
【０００８】
また、この出願の発明は、シースガス、セントラルガス及び原料搬送ガスの３系統のガスを供給し、圧力100Torr〜760Torrで発生させ、3000℃より高い温度を有する高周波誘導熱プラズマのプラズマ尾炎部に、水平面上で半径方向に対し４５°以上の角度で旋回流を供給し、かつ旋回流のガス供給量をシースガス、セントラルガス及び原料搬送ガスの３系統のガス供給量の総計の５０％以下とし、旋回流の向きを水平面から下方向の傾角３０°〜６０°の範囲とすることを特徴とする高周波熱プラズマ流の均質化方法（請求項２）を提供する。
【０００９】
さらに、この出願の発明は、シースガス、セントラルガス及び原料搬送ガスの３系統のガスを供給し、圧力100Torr〜760Torrで発生させ、3000℃より高い温度を有する高周波誘導熱プラズマのプラズマ尾炎部に、水平面上で半径方向に対し４５°以上の角度で旋回流を供給し、かつ旋回流のガス供給量をシースガス、セントラルガス及び原料搬送ガスの３系統のガス供給量の総計の５０％以上とし、旋回流の向きを水平面から下方向の傾角４５°以下とすることを特徴とする高周波熱プラズマ流の均質化方法（請求項３）を提供する。
【００１０】
以下、実施例を示しつつこの出願の発明の高周波熱プラズマ流の均質化方法についてさらに詳しく説明する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
この出願の発明の高周波熱プラズマ流の均質化方法では、図１に示したように、シースガス（１）、セントラルガス（２）及び原料搬送ガス（３）の３系統のガスを供給し、圧力100Torr〜760Torrで発生させ、3000℃より高い温度を有する高周波誘導熱プラズマ（４）のプラズマ尾炎部に、図２にも示したように、旋回流（５）を、水平面上で半径方向からの角度（θ1）を４５°以上で供給する。プラズマ尾炎部に供給する旋回流（５）の角度を半径方向に対し４５°以上とすることにより、旋回流（５）によって熱プラズマ流を包み込むことができ、流路を制限することができる。角度（θ1）が４５°未満の場合、旋回流（５）は熱プラズマ流の中に侵入して流れを乱すことになり、熱プラズマ流の均質化には寄与しない。供給量、ガスの線速度等により異なるが、角度（θ1）は、好ましくは６０°以上である。
【００１２】
また、この出願の発明の高周波熱プラズマ流の均質化方法では、旋回流（５）のガス供給量をシースガス（１）、セントラルガス（２）及び原料搬送ガス（３）の３系統のガス供給量の総計の５０％以下とする場合、旋回流（５）の向きを、図３に示したように、水平面から下方向の傾角（θ2）を３０°以下とすることができる。このように、旋回流（５）のガス供給量が、シースガス（１）、セントラルガス（２）及び原料搬送ガス（３）の３系統のガス供給量の総計の５０％以下と比較的小流量の場合、旋回流（５）の向き、すなわち、水平面から下方向の傾角（θ2）を３０°以下とすることにより、旋回流（５）のない時と比較すると、熱プラズマ流の温度が同一地点で高くなり、プラズマ流速が小さくなる。また、熱プラズマ流が均質化し、半径方向の流速分布、温度分布が平坦化する。
【００１３】
この出願の発明の高周波熱プラズマ流の均質化方法では、旋回流（５）のガス供給量を、同様に、シースガス（１）、セントラルガス（２）及び原料搬送ガス（３）の３系統のガス供給量の総計の５０％以下とする場合、旋回流（５）の水平面から下方向の傾角（θ2）を３０°〜６０°の範囲とすることもできる。この場合には、熱プラズマ流の温度は同一地点で低くなり、プラズマ流速が高くなる。だが、熱プラズマ流は均質化し、半径方向の流速分布、温度分布が平坦化する。傾角（θ2）が６０°を超えると、プラズマを包み込む効果がなくなり、熱プラズマ流の均質化に寄与しなくなる。単純に、冷却速度が大きくなるだけである。
【００１４】
一方、この出願の発明の高周波熱プラズマ流の均質化方法では、旋回流（５）のガス供給量をシースガス（１）、セントラルガス（２）及び原料搬送ガス（３）の３系統のガス供給量の総計の５０％以上と大流量とする場合、旋回流（５）の向き、すなわち、水平面から下方向の傾角（θ2）を４５°以下とすることができる。旋回流（５）のガス供給量が大流量の場合、旋回流（５）のない時と比べ、プラズマ温度は同一地点で低下し、流速が大きくなる。傾角（θ2）を４５°以下とすることにより、熱プラズマ流は均質化し、半径方向の流速分布、温度分布が平坦化する。
【００１５】
熱プラズマ流の均質化により、生成するナノ粒子が均質化する。
【００１６】
【実施例】
［実施例１］
高周波電力４０kW、圧力500Torrで発生させたアルゴン−酸素プラズマ（シースガス：アルゴン８０リットル／分、酸素１０リットル／分；セントラルガス：アルゴン３０リットル／分；原料搬送ガス：アルゴン５リットル／分）中に、チタンエトキシドを供給速度５グラム／分でミストにして供給した。旋回流として３０リットル／分の酸素ガスを水平面上で半径方向に対し６０°の角度でかつ水平面から下方向の傾角１５°で供給した。
【００１７】
エンタルピープローブ法により、熱プラズマ流の温度、流速を測定した結果を旋回流なしの時と比較して図４（ａ）〜（ｄ）に示した。図４（ａ）〜（ｄ）に示したｔ、ｘ及びｈは、図１図中に示したｔ、ｘ及びｈを示している。図４（ａ）〜（ｄ）に示したように、熱プラズマ流の温度、流速ともに、旋回流なしの時と比較して半径方向の分布に平坦に近い領域が現れていることが確認される。プラズマ尾炎部に近い位置では、熱プラズマ流の温度が高くなり、流速が小さくなっている。
【００１８】
生成した微粒子の粒径を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真の解析により粒径分布を求めた。旋回流なしの時、平均粒径５５nm、標準偏差４４nmであった。一方、旋回流を供給した時、平均粒径７０nm、標準偏差３０nmと、平均粒径は大きくなり、標準偏差は小さくなった。
［実施例２］
実施例１と同様に、高周波電力４０kW、圧力500Torrで発生させたアルゴン−酸素プラズマ（シースガス：アルゴン８０リットル／分、酸素１０リットル／分；セントラルガス：アルゴン３０リットル／分；原料搬送ガス：アルゴン５リットル／分）中に、チタンエトキシドを供給速度５グラム／分でミストにして供給した。旋回流として３０リットル／分の酸素ガスを水平面上で半径方向に対し６０°の角度でかつ水平面から下方向の傾角４５°で供給した。
【００１９】
エンタルピープローブ法により、熱プラズマ流の温度、流速を測定した結果を旋回流なしの時と比較して図５（ａ）〜（ｄ）に示した。図５（ａ）〜（ｄ）に示したｔ、ｘ及びｈは、図１図中に示したｔ、ｘ及びｈを示している。図５（ａ）〜（ｄ）に示したように、熱プラズマ流の温度、流速ともに、旋回流なしの時と比較して半径方向の分布に平坦に近い領域が現れていることが確認される。プラズマ尾炎部に近い位置では、熱プラズマ流の温度が低くなり、流速が大きくなっている。
【００２０】
生成した微粒子の粒径を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真の解析により粒径分布を求めた。旋回流なしの時、平均粒径５５nm、標準偏差４４nmであった。一方、旋回流を供給した時、平均粒径４０nm、標準偏差２０nmと、平均粒径は小さくなり、標準偏差も小さくなった。
［実施例３］
実施例１と同様に、高周波電力４０kW、圧力500Torrで発生させたアルゴン−酸素プラズマ（シースガス：アルゴン８０リットル／分、酸素１０リットル／分；セントラルガス：アルゴン３０リットル／分；原料搬送ガス：アルゴン５リットル／分）中に、チタンエトキシドを供給速度５グラム／分でミストにして供給した。旋回流として100リットル／分の酸素ガスを水平面上で半径方向に対し６０°の角度でかつ水平面から下方向の傾角３０°で供給した。
【００２１】
エンタルピープローブ法により、熱プラズマ流の温度、流速を測定した結果を旋回流なしの時と比較して図６（ａ）〜（ｄ）に示した。図６（ａ）〜（ｄ）に示したｔ、ｘ及びｈは、図１図中に示したｔ、ｘ及びｈを示している。図６（ａ）〜（ｄ）に示したように、熱プラズマ流の温度、流速ともに、旋回流なしの時と比較して半径方向の分布に平坦に近い領域が現れていることが確認される。プラズマ尾炎部に近い位置では、熱プラズマ流の温度が低くなり、流速が大きくなっている。
【００２２】
生成した微粒子の粒径を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真の解析により粒径分布を求めた。旋回流なしの時、平均粒径５５nm、標準偏差４４nmであった。一方、旋回流を供給した時、平均粒径３５nm、標準偏差２０nmと、平均粒径は小さくなり、標準偏差も小さくなった。
［比較例１］
実施例１と同様に、高周波電力４０kW、圧力500Torrで発生させたアルゴン−酸素プラズマ（シースガス：アルゴン８０リットル／分、酸素１０リットル／分；セントラルガス：アルゴン３０リットル／分；原料搬送ガス：アルゴン５リットル／分）中に、チタンエトキシドを供給速度５グラム／分でミストにして供給した。旋回流として３０リットル／分の酸素ガスを水平面上で半径方向に対し６０°の角度でかつ水平面から下方向の傾角７０°で供給した。
【００２３】
エンタルピープローブ法により、熱プラズマ流の温度、流速を測定した結果を旋回流なしの時と比較して図７（ａ）〜（ｄ）に示した。図７（ａ）〜（ｄ）に示したｔ、ｘ及びｈは、図１図中に示したｔ、ｘ及びｈを示している。図７（ａ）〜（ｄ）に示したように、熱プラズマ流の温度、流速ともに、旋回流なしの時と比較して半径方向の分布の平坦性は改善されていない。プラズマ尾炎部に近い位置では、熱プラズマ流の温度が低くなり、流速が大きくなっている。
【００２４】
生成した微粒子の粒径を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真の解析により粒径分布を求めた。旋回流なしの時、平均粒径５５nm、標準偏差４４nmであった。一方、旋回流を供給した時、平均粒径４５nm、標準偏差３５nmと、平均粒径は小さくなったが、標準偏差に顕著な差はない。
［比較例２］
実施例１と同様に、高周波電力４０kW、圧力500Torrで発生させたアルゴン−酸素プラズマ（シースガス：アルゴン８０リットル／分、酸素１０リットル／分；セントラルガス：アルゴン３０リットル／分；原料搬送ガス：アルゴン５リットル／分）中に、チタンエトキシドを供給速度５グラム／分でミストにして供給した。旋回流として100リットル／分の酸素ガスを水平面上で半径方向に対し６０°の角度でかつ水平面から下方向の傾角６０°で供給した。
【００２５】
エンタルピープローブ法により、熱プラズマ流の温度、流速を測定した結果を旋回流なしの時と比較して図８（ａ）〜（ｄ）に示した。図８（ａ）〜（ｄ）に示したｔ、ｘ及びｈは、図１図中に示したｔ、ｘ及びｈを示している。図８（ａ）〜（ｄ）に示したように、熱プラズマ流の温度、流速ともに、旋回流なしの時と比較して半径方向の分布の平坦性は改善されていない。プラズマ尾炎部に近い位置では、熱プラズマ流の温度が低くなり、流速が大きくなっている。
【００２６】
生成した微粒子の粒径を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真の解析により粒径分布を求めた。旋回流なしの時、平均粒径５５nm、標準偏差４４nmであった。一方、旋回流を供給した時、平均粒径４０nm、標準偏差３０nmと、平均粒径は小さくなったが、標準偏差に顕著な差はない。
【００２７】
もちろん、この出願の発明は、以上の実施例によって限定されるものではない。細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この出願の発明によって、高周波熱プラズマ流の均質化、特に、半径方向の流速分布、温度分布の平坦化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】高周波誘導熱プラズマ反応装置の概要を示した断面図である。
【図２】旋回流の供給方向を示した平面図である。
【図３】旋回流の供給方向を示した断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、実施例１における、図１図中に示したｔにおける熱プラズマ流の半径方向の温度分布、流速分布、熱プラズマ流の中心軸上の温度分布、流速分布を示したグラフである。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、実施例２における、図１図中に示したｔにおける熱プラズマ流の半径方向の温度分布、流速分布、熱プラズマ流の中心軸上の温度分布、流速分布を示したグラフである。
【図６】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、実施例３における、図１図中に示したｔにおける熱プラズマ流の半径方向の温度分布、流速分布、熱プラズマ流の中心軸上の温度分布、流速分布を示したグラフである。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、比較例１における、図１図中に示したｔにおける熱プラズマ流の半径方向の温度分布、流速分布、熱プラズマ流の中心軸上の温度分布、流速分布を示したグラフである。
【図８】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、比較例２における、図１図中に示したｔにおける熱プラズマ流の半径方向の温度分布、流速分布、熱プラズマ流の中心軸上の温度分布、流速分布を示したグラフである。
【符号の説明】
１    シースガス
２    セントラルガス
３    原料搬送ガス
４    高周波誘導熱プラズマ
５    旋回流
【図１】
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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６】
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【図７】
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【図８】
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