(57)【要約】  プラズマスプレーの装置および方法が開示されている。この装置は、カソードと、アノードと、アノードおよび中間電極によって形成されたプラズマチャネルと、１台以上の流動性材料インジェクタとを備える。プラズマチャネルは、プラズマチャネルを、少なくとも１個の中間電極により形成されたカソード付近の高圧部と、アノード付近の低圧部とに分割する絞り部を有する。動作中に、プラズマ生成ガスは、カソードとアノードとの間に保持されたアークによって加熱され、プラズマを形成する。プラズマが絞り部を通過するとき、プラズマの速度は超音速に増加し、同時にプラズマの静圧が減少する。流動性材料は低圧部内のプラズマ流に注入される。流動性材料中の粒子はプラズマによって加熱され、結果として生じる加熱粒子およびプラズマはプラズマチャネルの出口から出力される。【選択図】図１
2010521042.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．アノードと、
ｂ．カソードと、
ｃ．前記カソードと前記アノードとの間にアノードを通過して長手方向に延在し、アノード端に出口開口を有し、一部分が２個以上の互いに電気的に絶縁された中間電極および前記アノードによって形成され、絞り部を有するプラズマチャネルであって、絞り部がプラズマチャネルを、
ｉ．カソードに最も近い絞り部の側に位置付けられ、少なくとも１個の中間電極によって形成されている高圧部と、
ｉｉ．アノードに最も近い絞り部の側に位置付けられている低圧部と、
に分割し、
絞り部の喉部が、（１）プラズマチャネルの長手方向を横断する高圧部の最小断面積、および、（２）プラズマチャネルの長手方向を横断する低圧部の最小断面積より小さいプラズマチャネルの長手方向を横断する断面積を有している、
プラズマチャネルと、
ｄ．１台以上の流動性材料インジェクタであって、各流動性材料インジェクタが、
ｉ．入口を有する流動性材料チャンバと、
ｉｉ．プラズマチャネルの低圧部において流動性材料チャンバをプラズマチャネルに接続する流動性材料フィーダと、を備える流動性材料インジェクタと、
を備える、プラズマ生成装置。
【請求項２】
前記高圧部が２個以上の中間電極によって形成されている、請求項１に記載のプラズマ生成装置。
【請求項３】
前記低圧部が１個以上の中間電極によって形成されている、請求項１に記載のプラズマ生成装置。
【請求項４】
前記低圧部が２個以上の中間電極によって形成されている、請求項２に記載のプラズマ生成装置。
【請求項５】
前記絞り部が超音速ノズルである、請求項３に記載のプラズマ生成装置。
【請求項６】
前記プラズマチャネルの長手方向を横断する前記高圧部の最小断面積が前記プラズマチャネルの長手方向を横断する前記低圧部の最小断面積以下である、請求項３に記載のプラズマ生成装置。
【請求項７】
前記絞り部が中間電極によって形成されている、請求項３に記載のプラズマ生成装置。
【請求項８】
前記アノードを冷却する手段をさらに備える、請求項７に記載のプラズマ生成装置。
【請求項９】
前記アノードを冷却する手段と別個に、前記絞り部を形成する中間電極を冷却する手段をさらに備える、請求項８に記載のプラズマ生成装置。
【請求項１０】
各流動性材料フィーダが、（ａ）前記プラズマチャネルの長手方向に垂直の方向、（ｂ）前記アノードへ向かって角度が付けられた方向、および、（ｃ）前記アノードから遠ざかるように角度が付けられた方向のうちの１つの方向を有している、請求項３に記載のプラズマ生成装置。
【請求項１１】
隣接したフィーダのいずれかのペアの間のプラズマチャネルの部分が２個以上の中間電極によって形成されている、請求項３に記載のプラズマ生成装置。
【請求項１２】
１個以上の流動性材料をプラズマスプレーする方法であって、
ａ．プラズマ流を作るステップと、
ｂ．前記プラズマ流中のプラズマを少なくとも１０，０００°Ｋまで加熱するステップと、
ｃ．前記プラズマを加熱した後、前記プラズマ流中の加熱されたプラズマの速度圧を増加させ、同時に前記プラズマ流中の加熱されたプラズマの静圧を減少させるステップと、
ｄ．前記プラズマ流中の加熱されたプラズマの静圧を減少させた後、１個以上の流動性材料を前記プラズマ流に注入するステップと、
ｅ．各流動性材料が注入された後、前記プラズマ流中のプラズマを加熱することにより前記プラズマ流中のすべての流動性材料の粒子を加熱するステップと、
ｆ．結果として生じた加熱された粒子およびプラズマを出力するステップと、
を含む、方法。
【請求項１３】
前記速度圧を増加させるのと同時に前記プラズマ流中のプラズマの速度を増加させるステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記プラズマ流中のプラズマが増加させられる速度が超音速である、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記粒子を加熱するステップが、少なくとも１個の流動性材料の少なくとも一部の粒子が所定の温度に到達するまで実行される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
注入される少なくとも１個の流動性材料の量が経時的に変えられる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
少なくとも１個の流動性材料がナノ粒子前駆体溶液である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
少なくとも１個の流動性材料が水素と炭化水素との混合物である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
少なくとも１個の流動性材料が（ａ）廃棄物と（ｂ）有害な材料とのうちの一方である、請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
少なくとも１個の流動性材料について、流動性材料を炭素を含む２個以上の元素に分解するステップをさらに備える、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプラズマスプレー技術の分野である。特に、流動性材料を噴霧するプラズマ生成装置および方法が開示されている。
【背景技術】
【０００２】
プラズマスプレー装置は、例えば、コーティング加工に関連した多くの用途において、粉末材料（または、単に粉末）のような種々の流動性材料を噴霧するために使用される。このような装置は、典型的に、カソードと、アノードと、カソードとアノードとの間に延在しアノードを通過するプラズマチャネルとを備える。動作中に、プラズマ生成ガスはプラズマチャネルに供給される。カソードとアノードとの間に形成される電気アークは、プラズマチャネルの中を流れるガスを加熱し、プラズマ流（プラズマストリームまたはプラズマジェットと呼ばれることもある）を形成する。プラズマ流は、プラズマチャネルの端部でアノードの出口を通って装置から出る。数種のタイプのプラズマスプレー装置が知られている。これらのタイプは、流動性材料がプラズマ流の中に導入（または注入）される位置によって特徴付けられる。以下の検討は粉末スプレー装置に関する。しかし、当業者はその他の材料が噴霧のため使用され得ることを理解するであろう。
【０００３】
あるタイプの装置では、粉末はアノード領域でプラズマ流に導入される。このタイプのいくつかの装置では、例えば、米国特許第３，１４５，２８７号（特許文献１）、第４，２５６，７７９号（特許文献２）および第４，４４５，０２１号（特許文献３）に開示されているように、粉末はアノード内の入口を通ってプラズマ流に導入される。このタイプのその他の装置では、例えば、米国特許第４，６９６，８５５号（特許文献４）に開示されているように、粉末はプラズマ生成装置の外側に位置しているフィーダによってプラズマ流に導入される。典型的に、粉末はプラズマ流に対し実質的に垂直に注入される。
【０００４】
このタイプの装置に関連した１つの利点は、粉末がプラズマ流に注入されるときに、プラズマ流が十分に生み出され、温度、速度、エネルギー等のいくつかの既知特性を有することである。これらの特性は、プラズマチャネルの内部幾何形状と、プラズマを生成するために使用されるガスの性質と、ガスが供給される圧力と、カソードとアノードとの間の電位差などに依存しており、制御することができる。アノード領域で粉末を供給する別の利点はプラズマ流の形成が粉末による影響を受けないことである。
【０００５】
しかし、アノード領域で粉末を導入することには欠点がある。典型的な粉末は異なるサイズの粒子を有している。このような粉末がプラズマ流に注入されるとき、より高い運動エネルギーを有する重い方の粒子は、軽い方の粒子より速くプラズマストリームの中心に到達する。したがって、軽い方の粒子はアノードからさらに離れた場所にあるプラズマ流の比較的低温のゾーンでプラズマ流の中心に到達することがあり、または、軽い方の粒子はプラズマ流の周辺にとどまることがあり、プラズマ流の中心に決して到達しない。これは２つの望ましくない効果を生み出す。第一に、重い方の粒子は軽い方の粒子より長い期間に亘ってより高温に晒されるので、プラズマ流における粉末の均一性が低い。軽い方の粒子はコーティング加工のため十分に加熱されない場合がある。第二に、コーティングの分布は均一でなく、一部の粒子は表面を単に被覆し損ねることがあり、材料的に不経済である。換言すると、粉末噴霧コーティングは、供給された粉末の一部だけを使用して生成される。このことは特に高価な粉末が使用されるときに不利である。この問題は等しい質量の粒子をもつ粉末を使用することによりある程度まで緩和される。しかし、このような粉末の製造はより高価となり、このような粉末の使用はすべての用途において現実的な代替案ではない。
【０００６】
プラズマチャネルのアノード領域内の粉末の実質的に垂直な注入と関連した問題を回避するために、長手方向に粉末供給チャネルを設けることが試みられている。粉末供給チャネルはプラズマチャネルの内側に配置され、装置の動作中にプラズマ流によって取り囲まれる。粉末供給チャネルの出口はプラズマチャネルのアノード領域にある。プラズマチャネルの内側に配置されたこの内部粉末供給チャネルは、プラズマ流の適切な加熱を阻止し、一般に、プラズマ流特性に望ましくない影響を及ぼす。
【０００７】
アノードでの粉末の導入に関連したさらなる欠点は、高度に均一なコーティングが得られるように大量のエネルギーがプラズマの高温および特定のパワー（単位容積当たりのパワー）を維持するために必要とされることである。この問題の原因は、プラズマ流の温度分布および速度分布が、粉末が注入されるプラズマチャネルの出口で実質的に放物線状であることにある、と考えられる。よって、プラズマ流の温度勾配および速度勾配と熱エンタルピーとがプラズマ流の径に反比例する。噴霧コーティングの均一性を高めるため、したがって、プラズマ流の径を増大させることが必要であり、大量のエネルギーもまた必要とする。
【０００８】
第２のタイプの装置では、粉末は、カソードでプラズマチャネルの入口に供給される。これらの装置では、電気アークはプラズマ生成ガスと粉末の両方を加熱する。カソード領域は、低温ゾーンであり、粉末がプラズマ流の中心に導入されることを可能にすると考えられる。第２のタイプの装置の例は、例えば、米国特許第５，２２５，６５２号（特許文献５）、米国特許第５，３３２，８８５号（特許文献６）、および、米国特許第５，４０６，０４６号（特許文献７）に開示されている。
【０００９】
プラズマが、プラズマ生成ガスをプラズマチャネルに供給し、所定の放電電流の電気アークでガスを加熱することにより生成されるとき、ガスの僅かな一部だけが高温であるプラズマ流の中心を形成する。残りのガスはより低温であるプラズマチャネルの壁のより近くを流れ、プラズマ流の低温層を形成する。低温粉末粒子は、流れの中のプラズマの温度上昇を妨害し、流れの周辺における粉末は決して望ましい温度に達しない。プラズマ流中のこの温度分布のため、プラズマチャネルの入口に供給された粉末の僅かな一部だけがプラズマ流の高温中心に流入し、電気アークによって十分に加熱される。残りの粉末はプラズマ流の低温層に流入する。これは、粉末の一様でない加熱を引き起こし、表面コーティングの品質に影響を与える。さらに、プラズマチャネルが粉末によって詰まる危険性があり、このことは安定したプラズマ流に求められる条件に悪影響がある。
【００１０】
ガス流および粉末流の速度を高めることによりチャネルの中心部分への質量の移動を増加させることは、実用的な代替案ではない。ガスおよび粉末の流れが増加し、電流が一定のままであるとき、電気アークの径が減少し、プラズマチャネル壁に沿って低温層に堆積する粉末の問題をまさに悪化させる。さらに、プラズマ流の中心に最終的に達する粒子にとっても、これらの粒子の速度は増加するので、プラズマ流中で経過する時間は減少する。したがって、高温プラズマ流中心における粉末の量は、電流が一定のままである場合、増加し得ない。しかし、動作電流の増大は、プラズマスプレー装置の設計および取り扱いの両方に関連した不利益を生ずる。
【００１１】
第３のタイプの装置では、プラズマチャネルの一部分は、アノードおよびカソードから電気的に絶縁された中間電極によって形成される。粉末は、典型的に２個の電極の間で、中間電極によって形成されたプラズマチャネルの部分におけるプラズマ流に導入される。よって、粉末はプラズマチャネルの入口にもプラズマチャネルの出口にも供給されない。第３のタイプの装置の例は、例えば、米国特許出願公開第２００６／００９１１１６Ａ１号明細書（特許文献８）に開示されている。
【００１２】
米国特許出願第２００６／００９１１１６Ａ１号明細書（特許文献８）に開示されている装置は、２個のプラズマチャネルセクションを有する。粉末フィーダから上流に位置しているプラズマチャネルのセクションは、１個以上の中間電極によって形成され、プラズマ流に最適な条件を生じさせるため使用される。特に、動作中に、プラズマは、プラズマチャネルの断面全体に亘って粉末を溶かすために十分な温度まで加熱される。これは、流れの低温層内を進む粉末粒子に関連した問題を取り除き、粒子がプラズマチャネルの壁に張り付いて目詰まりする危険性を低下させる。粉末フィーダから下流に位置しているセクションもまた１個以上の中間電極によって形成され、流れの中の粉末粒子の高水準の均一性および温度を実現し、よって、粉末をアノードに供給することに関連した問題を未然に防ぐために使用される。セクションの長さおよびセクションを形成する中間電極の個数のような下流セクションの特性を制御することにより、粉末の最適条件が実現される。これらの条件は、パワー材料およびコーティング加工の特定の組み合わせのための噴霧コーティングにおける所要の粘着力、構造、多孔性を得るために必要な速度レベルおよび温度レベルを含む。しかし、プラズマ流およびプラズマ流が運ぶ粉末粒子の速度は比較的低いので、粉末粒子は、装置から出るときに低い運動エネルギーを有している。
【００１３】
より高速の粉末粒子を実現するため、いくつかのスプレー装置は絞り部を使用する。例えば、いわゆる低温スプレーまたは速度スプレー装置は、粉末を運ぶ比較的低温のガスを加圧し、そして、粉末を運ぶガスを高速まで加速するために絞り部を使用する。このような装置は、コーティングのため粉末粒子の運動エネルギーを使用する。絞り部は以前から公知である。簡単に言えば、絞り部はガス流の圧力を速度に変換するために使用される。絞り部は、初めにジェットエンジンで使用されたが、今ではプラズマ生成装置でも使用されている。絞り部の知られている変形は、プラズマ流を超音速まで加速する能力がある超音速ノズル（ラバルノズルとも呼ばれる）である。米国特許出願第１１／４８２，５８２号（特許文献９）は、生物学的組織の切断、気化、および、凝固のため使用される多電極プラズマ生成装置における超音波ノズルの使用を開示する。しかし、米国特許出願第１１／４８２，５８２号（特許文献９）は、粉末の注入を促進するプラズマ流の静圧の低下、および、噴霧のためナノ粒子を使用することなどのスプレー加工のために役立つ絞り部の特徴とは関係がない。
【００１４】
絞り部を使用するプラズマスプレー装置は、上述の三つのカテゴリーのうちのいずれかに分類される。しかし、絞り部の使用により、それらを別々に検討する。米国特許出願公開第２００６／０１０８３３２号明細書（特許文献１０）は、プラズマスプレー装置における絞り部の使用を開示する。特に、この刊行物は、カソードに最も近いプラズマチャネルの端部に原則的に位置している絞り部を開示する。この装置の動作中に、プラズマ生成ガスがカソードの近くにある加熱チャンバ内でカソードによって短時間加熱された後、ガスは絞り部を通過する。絞り部は、いくつかの実施形態では音速を超えてガスの速度を増加させ、ガスの静圧を減少させる。粉末は、プラズマがその最高速に到達し最低静圧を有するプラズマチャネル内の点で絞り部を通過した後、プラズマ流に注入される。しかし、絞り部はプラズマチャネルのカソード端部に原則的に配置されているので、プラズマ流は、絞り部を通過する間に限り電気アークによって加熱される。したがって、プラズマは、原則的に低温である間に音速に到達する。音速は温度が高くなるほど高いので、プラズマ生成ガスが実現する絶対速度は比較的低い。比較的低い速度のため、プラズマは高パワー密度を達成しない。さらに、粉末は米国特許出願公開第２００６／０１０８３３２号明細書（特許文献１０）に開示された装置内のアノードの領域に注入されるので、装置は上述の第１のタイプの装置とほぼ関連した制限を示す。
【００１５】
米国特許出願公開第２００６／００３７５３３号明細書（特許文献１１）は、熱スプレー装置における絞り部の使用を開示する。この装置は、（１）ガス（または、いくつかの実施形態ではプラズマ）の流れを加熱するために使用される加熱モジュールと、（２）ガスストリームの静圧を減少させ、速度を増加させるため使用される形成モジュールと、（３）粉末を流れに注入するために使用される粉末送りモジュールと、（４）ストリーム中で粉末を運ぶため使用されるバレルモジュールとを備え、粉末が必要な特性を実現する。この刊行物は、加熱モジュールを実施するいくつかの異なる方法を開示する。例えば、いくつかの実施形態では、加熱モジュールは、アセチレンを燃やすことによりガスを加熱する燃焼タイプの加熱モジュールである。ガスが３１００℃まで加熱された後、ガスは形成モジュールへ送り出される。ガス流の速度および圧力が形成モジュールによって変換された後、粉末は粉末送りモジュール内でガス流に注入される。ガス流によって運ばれる粉末粒子は、バレルモジュールにおける特有のスプレー加工に要する特性を実現する。
【００１６】
米国特許出願公開第２００６／００３７５３３号明細書（特許文献１１）は、マルチ電極プラズマトーチとして実施される加熱部の別の実施形態を開示する。このプラズマトーチは、カソードと、アノードと、複数個の中間電極とを有する。アノードと中間電極はプラズマチャネルを形成する。この刊行物は、形成モジュール内の絞り部とは別個の、カソードに最も近いプラズマチャネルの端部に原則として位置している絞り部をさらに開示する。本加熱モジュールの動作中に、プラズマ生成ガスがカソードの近くにある加熱チャンバ内でカソードによって加熱された後、ガスは絞り部を通過する。絞り部は、いくつかの実施形態では音速を超えるまで流れを加速し、ガスの静圧を減少させる。
【００１７】
上述の米国特許出願公開第２００６／００９１１１６Ａ１号（特許文献８）に開示された装置のようないくつかの装置は、様々な流動性材料を注入する。この機能はいくつかのプラズマスプレー用途のため望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】米国特許第３，１４５，２８７号
【特許文献２】米国特許第４，２５６，７７９号
【特許文献３】米国特許第４，４４５，０２１号
【特許文献４】米国特許第４，６９６，８５５号
【特許文献５】米国特許第５，２２５，６５２号
【特許文献６】米国特許第５，３３２，８８５号
【特許文献７】米国特許第５，４０６，０４６号
【特許文献８】米国特許出願公開第２００６／００９１１１６Ａ１号明細書
【特許文献９】米国特許出願第１１／４８２，５８２号
【特許文献１０】米国特許出願公開第２００６／０１０８３３２号明細書
【特許文献１１】米国特許出願公開第２００６／００３７５３３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
従って、現在、装置の出口で粉末粒子を運ぶプラズマ流の運動エネルギーと熱エネルギーの両方の制御を可能としつつ、装置のエネルギー密度を最大化することにより、これまでに知られている装置の制限を解決するプラズマスプレー装置の必要性がある。特に、比較的低い圧力を加えることにより、１個以上の流動性材料がプラズマ流に注入されることを可能とし、同時に、プラズマおよび流動性材料がプラズマチャネルから出るときにプラズマおよび流動性材料の特性の制御をさらに可能とする温度および速度を有するプラズマ流を生成するプラズマスプレー装置および方法の必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明は、アノードと、カソードと、カソードとアノードとの間で長手方向に延在するプラズマチャネルとを備えるプラズマ生成装置を提供する。プラズマチャネルは、装置のアノード端部にある出口開口部と、絞り部とを有する。プラズマチャネルの一部分は、相互に電気的に絶縁された２個以上の中間電極と、アノードとによって形成されている。装置の絞り部は、プラズマチャネルを、カソードの最も近くで絞り部の側に位置付けられている高圧部と、アノードの最も近くで絞り部の側に位置付けられている低圧部とに分割する。絞り部の喉部は、プラズマチャネルの長手方向に対し横断する高圧部の最小断面積および低圧部の最小断面積の両方より小さい断面積を有する。プラズマチャネルの低圧部では、装置は、入口を有する流動性材料チャンバと、流動性材料チャンバをプラズマチャネルに連結する流動性材料フィーダとを含む、１個以上の流動性材料インジェクタをさらに有する。流動性材料フィーダおよび流動性材料チャンバは合わせて流動性材料インジェクタと呼ばれる。
【００２１】
プラズマスプレー装置では、プラズマチャネルの高圧部は、少なくとも１個、好ましくは２個以上の中間電極によって形成されている。これは、絞り部に到達するプラズマ流が、プラズマ流に注入される粉末のような、所与の流動性材料の高水準の均一性を達成するために十分に加熱されることを可能とする。プラズマチャネルの低圧部は、少なくとも１個、好ましくは、２個以上の中間電極によって形成されている。これは、流動性材料がプラズマ流に注入された後に所与のスプレー加工のための流動性材料の十分な加熱を可能とする。
【００２２】
動作中に、プラズマ生成ガスはプラズマチャネルに供給される。ガスがプラズマチャネルの中を流れるとき、ガスはカソードとアノードとの間に形成された電気アークによって加熱される。電気アークの温度上昇はガスイオン化およびプラズマ形成を生じさせる。プラズマチャネルの高圧部におけるプラズマの静圧は比較的高い。プラズマが絞り部の中を通るとき、プラズマの速度圧は増加し、静圧は減少する。速度圧の増加はプラズマ流を超音速まで加速することがある。アノードに最も近い絞り部の端部で、プラズマの静圧は最小である。流動性材料は、プラズマの低静圧のため最小限の圧力を必要とする低圧部内でプラズマ流に注入される。
【００２３】
上記の装置における流動性材料の注入は、プラズマが高圧部を通過する間に十分に加熱されるので、流動性材料の高水準の均一性をもたらす。流動性材料搬送ガスは高温プラズマと混合するので、プラズマの温度は下降し、流動性材料が注入される前のプラズマの温度より低い。いくつかのスプレー加工の場合、流動性材料粒子に高い温度を要求されることがある。流動性材料の粒子を搬送するプラズマの凝集流が低圧部の残りの部分を通過するとき、電気アークはプラズマを加熱し、プラズマが粒子を加熱する。
【００２４】
いくつかの実施形態では、装置は、２種類以上の流動性材料の注入を可能とする。２種類の流動性材料の注入を可能とする典型的な実施形態では、装置は第２の流動性材料インジェクタを備える。第２の流動性材料インジェクタは、第２の流動性材料が注入される前に、注入された第１の流動性材料の粒子が十分に加熱されることを可能とするように配置されている。同時に、第２の流動性材料インジェクタは、凝集流が装置から出る前に、両方の流動性材料の粒子が所与のスプレー加工のため十分に加熱されることを可能とするように配置されている。いくつかの実施形態では、装置は、以下の条件、すなわち、（１）プラズマと所与の流動性材料から上流に注入されたすべての流動性材料の粒子とが、所与の流動性材料が流れの中へ注入される前に十分に加熱されるべきであること、および、（２）ある点まで注入されたすべての流動性材料の粒子が、（ｉ）所与のスプレー加工のため装置から出る前に、または、（ｉｉ）別の流動性材料を注入する前に、十分に加熱されなければならないこと、が満たされるならば、付加的な流動性材料インジェクタを備えることがある。但し、別の流動性材料を注入する前に、流動性材料は、装置から流れが出るときに要求される温度まで加熱される必要はないかもしれない。何故ならばその第２の流動性材料を注入するには、両方の流動性材料の粒子が加熱されるからである。したがって、本発明は、１個以上の流動性材料をプラズマスプレーする方法であって、少なくとも１０，０００°Ｋまで加熱されるプラズマ流を作り出すステップと、その後に、１個以上の流動性材料がプラズマ流に注入されるとすぐに、プラズマ流中の加熱されたプラズマの速度圧を増加させ、同時に、プラズマ流中の加熱されたプラズマの静圧を減少させるステップと、を備える方法をさらに提供する。本発明の方法では、各流動性材料が注入された後、プラズマ流中のすべての流動性材料の粒子は、プラズマ内に出力される前に、プラズマ流内のプラズマを加熱することにより、適切な温度まで加熱される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】単一の流動性材料インジェクタを備える本発明の装置の実施形態の縦断面図を示している。
【図２】単一の流動性材料インジェクタを備える本発明の装置の実施形態の縦断面図を、図１に示された図に対して直交して示している。
【図３】プラズマ流と逆向きに角度が付けられたフィーダを示している。
【図４】プラズマ流の向きに角度が付けられたフィーダを示している。
【図５】複数の流動性材料インジェクタを備える装置の実施形態の縦断面図を示している。
【図６】絞り部を冷却するために使用される冷却システムの分水器を示している。
【図７】アノードおよびその他の中間電極を冷却するために使用される冷却システムの分水器を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１および２は本発明によるプラズマスプレー装置の一実施形態を示している。図１および２に描かれた実施形態は、単一の流動性材料インジェクタを備える粉末スプレー装置である。しかし、本実施形態は例示的な実施形態であり、本発明の範囲を粉末の使用または単一の流動性材料もしくは単一のインジェクタの使用に制限するように意図されていないことが理解されるべきである。本明細書の目的のために、「流動性材料」という表現は、圧力を受けている容器内を流れる材料として定義されている。流動性材料は、流体によって搬送される、液体、ガス、または、固体の粒子を含むが、これらに限定されない。本明細書において「粉末」という用語は、ガスのような流体によって搬送することができる材料の小さい粒子として理解されるべきであり、本明細書の目的のため、「粉末」は流動性材料である。流動性材料の別の変形は、例えば、懸濁液前駆体プラズマスプレー（ＳＰＰＳ）として知られている噴霧技術において、使用される液体前駆体中のナノ粒子のような粉末粒子の溶液である。動作中に、この溶液は噴霧状にされ、流動性材料としてプラズマ流に注入される。
【００２７】
図１は装置の縦断面を示している。以下の説明は粉末の使用に言及するが、任意の他のタイプの流動性材料が使用されてもよいことが理解されるであろう。図１の実施形態において、ケーシング２と、流動性材料組立体６０と、座金５６と、ケーシング４８とが、装置の外側を形成する。本実施形態では、装置は円筒状であり、すべての要素は環状であり、同軸上に配置されている。しかし、他の実施形態では、装置は円筒状でなくてもよく、異なる内部または外部幾何形状が使用されることがある。装置は、好ましくは、ランタンを含有するタングステンで作られ、カソードホルダー６に配置されたカソード４と、アノード８とを備える。絶縁体要素１０はアノード８から最も遠いカソード４の一部と、カソードホルダー６の一部とを取り囲む。絶縁体要素１０は、カソード４の熱的絶縁および電気的絶縁の両方を行う。
【００２８】
環状中間電極１２、１４、１６、１８、２０、２２、および２４と、アノード８は、プラズマチャネル２６を形成する。プラズマチャネル２６は、カソード４に最も近い端部に入口３２を有し、カソード４から最も遠い端部に出口（または開口部）３４を有する。環状絶縁体３６、３８、４０、４２、および４４は、中間電極１２、１４、１６、１８、２０、２２、および２４の間に位置し、隣接した中間電極の間で電気的絶縁を行う。環状絶縁体４６は、中間電極２４とアノード８との間に位置し、それらの間で電気的絶縁を行う。
【００２９】
アノード８から最も遠い中間電極１２は、カソード先端部３０の周りにプラズマチャンバ２８を形成する。プラズマチャンバ２８はプラズマチャネル３２の入口に接続されている。スペース６１はプラズマ生成ガスのためプラズマチャンバ２８までの通路を提供する。
【００３０】
図２は図１に示された縦断面に対し直交する縦断面を示している。図２は、プラズマチャネルの一部を示している。中間電極１８は絞り部８０を形成する。絞り部８０はプラズマチャネル２６を、高圧部８２と低圧部８４との２個の部分に分割する。高圧部８２は１個以上の中間電極によって形成されている。好ましくは、高圧部８２は２個以上の中間電極によって形成されている。図１および２に示された実施形態では、プラズマチャネル２６の高圧部８２は、３個の中間電極１２、１４、および１６によって形成されている。高圧部は、粉末がプラズマに注入されたとき、プラズマがプラズマチャネル２６の断面全体に亘って粉末を融解するために十分な温度を有することを保証するため、十分な長さを有するべきである。
【００３１】
低圧部８４は、少なくとも１個、好ましくは、２個以上の中間電極によって形成されている。図１および２に示された実施形態では、低圧部８４は３個の中間電極２０、２２、および２４によって形成されている。低圧部８４は、プラズマによって搬送される粉末の粒子が所与のスプレー加工のため求められる温度まで加熱されることを保証するために十分な長さを有するべきである。
【００３２】
絞り部８０は砂時計形状を有している。絞り部８０の最も狭い部分は、絞り部を収束部８８と拡散部９０とに分割する喉部８６である。好ましい実施形態では、絞り部８０は超音速ノズルであり、ラバルノズルとも呼ばれている。（明瞭さのため、本明細書中、特に断らない限り、「断面積」という句は「プラズマチャネル２６の長手方向を横切る断面積である。」）喉部８６の断面積は、（ａ）高圧部８２の断面積、および、（ｂ）低圧部８４の断面積の両方より小さい。好ましい実施形態では、高圧部８２の断面積は低圧部８４の断面積以下である。他の実施形態では、高圧部８２の断面積は低圧部８４の断面積より大きい。
【００３３】
動作中に、装置の初期始動後、カソード４とアノード８との間に電気アークが維持されている。プラズマ生成ガスは、入口３２から出口３４へプラズマチャネル２６中を流れる。電気アークは、プラズマ生成ガスを加熱し、プラズマの生成をもたらすプラズマ生成ガスのイオン化の原因となる。プラズマが入口３２から出口３４までプラズマチャネル２６を通過する向きは、プラズマ流の向きとして表わされる。
【００３４】
プラズマ生成ガスは、スペース６１を介して、圧力がかけられたプラズマチャネル２６の入口３２へ供給される。プラズマの全圧力は、速度圧と静圧とにより構成されている。本明細書においては、速度圧はプラズマ流をプラズマチャネルに沿って押す圧力を指し、静圧はプラズマがプラズマチャネルの壁に加える圧力を指している。プラズマの速度圧はプラズマ流の速度の二乗に比例する。逆に、プラズマ流の速度はプラズマの速度圧の平方根に比例する。プラズマが収束部８８に入るとき、質量流量（単位時間当たりの質量）は一定であるため、プラズマの速度圧は増加する。プラズマチャネルの断面積が最小限である喉部８６において、プラズマ速度は、超音速、マッハ１、すなわち、チョークフローと称される条件になる。断面積は拡散部９０で増加するにつれて、プラズマの静圧が減少し、プラズマの速度圧が増加するように、プラズマは膨張し続ける。拡散部９０において、プラズマ流の速度は超音速マッハ＞１．０まで増加する。同時に、拡散部９０において、プラズマの静圧が減少する。プラズマの全圧力は実質的に一定のままである。
【００３５】
プラズマの速度圧およびプラズマ流の速度は、アノード８に最も近い絞り部８０の端部においてそれぞれの最大値に到達する。逆に、プラズマの静圧はアノード８に最も近い絞り部８０の端部でその最小値に達する。プラズマが絞り部８０を通過するときにプラズマが受ける物理過程は等エントロピーであり、プラズマのエントロピーが変化しないことを意味している。本質的に、絞り部８０は、高圧部８２で観測された圧力と相対的に、プラズマの速度圧を増加させ、プラズマの静圧を減少させる。
【００３６】
したがって、高圧部８２は、（１）好ましくは、５乃至１００バールの範囲であるプラズマの高い静圧と、（２）プラズマの低い速度圧と、（３）プラズマ流の低い速度と、によって特徴付けられる。高圧部内のプラズマ流の平均温度は、好ましくは、１０，０００乃至２０，０００°Ｋである。アルゴンがプラズマ生成ガスとして使用される場合、プラズマの電界は、好ましくは、５乃至５０Ｖ／ｍｍである。高圧部におけるプラズマのパワー密度は、好ましくは、０．５乃至１０ｋＷ／ｍｍ３の範囲である。
【００３７】
プラズマが絞り部８０の収束部８８に入るとき、プラズマの温度は、好ましくは、１０，０００乃至２０，０００°Ｋである。プラズマが絞り部８０の拡散部９０を出るとき、プラズマの温度は、好ましくは、８，０００乃至１３，０００°Ｋまで低下する。アノード８に最も近い拡散部９０の端部でのプラズマの速度は、好ましくは、１乃至１０ｋｍ／ｓであり、１．２乃至３の範囲であるマッハ数をもつ。拡散部９０内のプラズマの圧力は、好ましくは、１乃至５バールの範囲である。
【００３８】
低圧部８４は、（１）好ましくは、大気圧に近いプラズマの低い静圧と、（２）プラズマの高い速度圧と、（３）好ましくは、４００乃至１，０００ｍ／ｓである高い平均粉末流を生じる高いプラズマ流速と、によって特徴付けられる。プラズマ流の平均温度は、好ましくは、１０，０００乃至１５，０００°Ｋの範囲である。平均粉末温度は、粉末の融解温度である。低圧部８４におけるプラズマの電界は、好ましくは、１乃至１０Ｖ／ｍｍである。低圧部８４におけるプラズマのパワー密度は、好ましくは、０．２乃至０．８ｋＷ／ｍｍ３の範囲である。
【００３９】
図２に示された実施形態では、粉末は２つの粉末入口９４および９５を介して装置に入る。他の実施形態では、異なる個数の粉末入口が使用されることがある。粉末入口９４および９５は粉末チャンバ９６に接続されている。粉末チャンバ９６は中間電極１８の周りに配置され、装置の周囲に沿って粉末粒子の均一な分布を促進する。粉末フィーダ９８は、粉末チャンバ９６をプラズマチャネル２６に接続する。好ましい実施形態では、粉末フィーダ９８は絞り部８０に最も近い低圧部８４の端部でプラズマチャネル２６に接続する。他の実施形態では、粉末粒子が、温度、速度、および、均一性のような必要とされる特性を実現するためにプラズマチャネル２６内で十分な時間を費やすならば、粉末フィーダ９８は、プラズマチャネル２６を、低圧部８４においてプラズマチャネル２６に沿った他の点で粉末チャンバ９６に接続することが可能である。
【００４０】
好ましい実施形態では、フィーダ９８はスリットである。他の実施形態では、粉末フィーダ９８は、粉末チャンバ９６をプラズマチャネル２６に接続する複数個のチャネルとして実施されてもよい。さらに他の実施形態では、粉末フィーダ９８は、粉末チャンバ９６とプラズマチャネル２６との間を連通させる任意の開口部または複数個の開口部でもよい。図１および２は、スリット９８が装置の軸に垂直である実施形態を示している。しかし、この角度はすべてのタイプの粉末に対しプラズマ内での粉末粒子の最良の分布を生じるものではない。上述のように、高品質コーティングでは、粉末粒子がプラズマ流中で均一に分布していることが望ましい。比較的重い粒子を有する粉末を噴霧するために、図１および２に示された実施形態を使用することは、異なる方向からの粒子がプラズマチャネル２６の中心で衝突する結果となり得る。比較的軽い粒子を有する粉末を噴霧するために、図１および２に示された実施形態を使用することは、粒子が流れの中心に到達し得る前にプラズマ流によって粒子をプラズマチャネルの壁に押し付けるかもしれない。粉末粒子のより均一な分布を実現するため、フィーダ９８は角度が付けられてもよい。図３は、フィーダ９８がプラズマ流と逆向きに角度が付けられている実施形態を示している。本実施形態は、望ましくは、軽い粒子をもつ粉末のため使用される。図４は、スリット９８がプラズマ流の向きに角度を付けられている実施形態を示している。本実施形態は、望ましくは、より重い粒子をもつ粉末のため使用される。
【００４１】
上述のように、プラズマチャネル２６中のプラズマは、カソード４とアノード８との間に設けられた電気アークによって加熱される。好ましい実施形態では、絞り部８０に入るプラズマの温度は１０，０００°Ｋ以上である。この温度上昇は、プラズマが高圧部８２を通過する間に起こる。絞り部に入るプラズマの温度は、高圧部８２の特性、特に、高圧部８２を形成するために使用された中間電極の幾何形状および個数に依存するその長さに基づく。
【００４２】
粉末がプラズマチャネル２６に注入されるとき、粉末は低温搬送ガスによって供給される。低温搬送ガスが加熱プラズマと混合するとき、流れの中のプラズマの温度は著しく低下し、粉末が注入される前のプラズマの温度より低くなる。いくつかのコーティング加工では、プラズマ流中のプラズマは、粉末粒子が出口３４で装置を出るとき、必要とされる温度および高水準の均一性を実現するように、粉末が注入された後に低圧部８４において加熱されるべきである。カソード４とアノード８との間に設けられた電気アークは、低圧部８４に沿って流れる注入された粉末の粒子を搬送するプラズマを加熱する。好ましい実施形態では、出口３４で装置から出るプラズマの温度は、１０，０００°Ｋ以上である。粉末粒子の温度は、低圧部８４の長さによって制御される粉末粒子がプラズマ流中で経過した時間に依存する。ナノ粒子のようないくつかのタイプの粉末粒子は、加熱されたプラズマの温度に晒され、その後、ある一定の時間に亘ってその温度に維持されるならば、気化するであろう。低圧部８４内のプラズマの超音速は、このような粒子が気化することなく所望の粘度まで融解することを可能とする。しかし、粉末の粒子は、プラズマから粉末粒子への理想的でない運動エネルギーの転換のため、流れの中のプラズマより低速で移動することに注意する必要がある。粉末の所与のタイプに対して、粉末の粒子が低圧部８４内で加熱される温度と、粒子が低圧部８４を通過するために要する時間とは、低圧部８４を形成する中間電極の幾何形状と個数とによって制御されることができる。
【００４３】
ナノ粒子によるコーティングはさらなる問題をもたらす。特に、ナノ粒子の低質量のため、ナノ粒子は、低圧部８４内でのプラズマ流の静圧が比較的低い場合でも、プラズマ流の所望の侵入を実現するために十分なモーメントを得ることができない。このようなナノ粒子に対し、装置の本実施形態およびその他の実施形態はＳＰＰＳで使用されることがある。ＳＰＰＳを用いると、プラズマ流に注入される流動性材料は液体前駆体を含むナノ粒子の噴霧溶液である。噴霧溶液がプラズマ流に注入されるとき、前駆体は急速に気化し、加熱および加速されるプラズマ流中にナノ粒子を残す。
【００４４】
もう一度図２を参照すると、動作中に、すべての要素は、特に、アノード８と、絞り部８を形成する中間電極１８は、加熱される。中間電極１８の冷却のため、冷却剤、好ましくは水が入口６４から供給される。冷却剤は、プラズマ流の向きに長手方向冷却剤チャネル６５を流れる。長手方向冷却剤チャネル６５は、好ましくは喉部８６の断面で中間電極１８を取り囲む環状冷却剤チャネル６６（図１示）に繋がる。冷却剤は、次に、循環チャネル６６に接続された別の長手方向冷却剤チャネル６７を通るプラズマ流と反対向きに流れる。冷却剤は出口６８を介して装置から出る。図６において別に示されている冷却剤分割器１５は、他の要素と一緒に、冷却剤チャネル６５、６６、および６７を形成する。アノード８の冷却システムも同様である。冷却剤、好ましくは水は、入口７０を介して装置に入る。冷却剤は、次に、長手方向冷却剤チャネル７１を通るプラズマ流の向きに流れる。その後、冷却剤は、アノードの周りで循環チャネル７２の中を流れる（図１示）。その後、冷却剤は別の長手方向チャネル７３を通るプラズマ流の向きと反対向きに流れ、そして、出口７４を介して装置から出る。図７において別に示されている冷却剤分割器１７は、他の要素と一緒に、冷却剤チャネル７１、７２、および７３を形成する。いくつかの実施形態では、同じ冷却剤がアノード８および中間電極１８を冷却するために使用される。他の実施形態では、異なる冷却剤がアノード８および中間電極１８を冷却するために使用される。
【００４５】
図５は、２台の流動性材料インジェクタを備えた装置の実施形態を示している。本実施形態では、高圧部８２は、上述された第１の実施形態と同じ中間電極１２、１４、および１６と、同じ絶縁体３６、３８、および４０とによって形成されている。低圧部８４は、中間電極２０、２２、２４、１４０、１４２、および１４４と、アノード８と、絶縁体４２、４４、４６、１５２、１５４、および１５６によって形成されている。フィーダ９８とフィーダ１２８との間のプラズマチャネル１６０の部分は、少なくとも１個、好ましくは２個以上の中間電極によって形成されている。図５に示された実施形態では、部分１６０は、３個の中間電極２０、２２、２４によって形成されている。フィーダ１２８とアノード８内の開口部３４との間のプラズマチャネル１６２の部分もまた、少なくとも１個、好ましくは２個以上の中間電極によって形成されている。図５に示された実施形態では、部分１６２は３個の中間電極１４０、１４２、および１４４と、アノード８とによって形成されている。一般に、２台以上の流動性材料インジェクタを有する実施形態では、隣接したフィーダは、少なくとも１個の、好ましくは２個以上の中間電極によって分離されている。
【００４６】
再び図５を参照すると、部分１６０および１６２には、冷却システムが設けられている。描かれているように、各部分は、その固有の冷却システムを有している。入口７０と、チャネル７１、７３、および７２（図５に示されていない）と、出口７４とを備える冷却システムは、上記の説明に従って、中間電極１４６を冷却するために使用される。入口１３０と、チャネル１３１、１３２と、アノードを取り囲むチャネル（図５に示されていない）および出口１３４とを備える類似した冷却システムが、上記の説明に従ってアノード８を冷却するために使用される。２台以上の流動性材料インジェクタを有する実施形態では、フィーダに隣接したペア毎にプラズマチャネルの一部を形成するそれぞれの電極グループに冷却システムを持ってもよい。これらの冷却システムは、異なる冷却剤を使用することがあり、互いに独立に動作することができる。
【００４７】
複数の流動性材料インジェクタを備えた実施形態では、対応するフィーダは同様に角度を付けても、付けなくてもよい。例えば、図５の実施形態では、フィーダ９８とフィーダ１２８の両方は、プラズマ流の向きに垂直である。他の実施形態では、一方のフィーダが図４に示されているようにプラズマ流の向きに角度を付けることができるし、もう一方のフィーダは図３に示されているようにプラズマ流と反対向きに角度を付けることができる。いくつかの他の実施形態では、両方のフィーダが同じ方向に、異なる角度で角度を付けることができる。
【００４８】
図５に示された実施形態の動作は、上述された図１および２に示された実施形態の動作と類似している。実際上、フィーダ１２８より上流で起こるプロセスは実質的に同じである。動作中に、第１の流動性材料がフィーダ９８を介してプラズマ流に注入された後、プラズマによって搬送される第１の流動性材料の粒子は、プラズマチャネルの低圧部を通過する。第１の流動性材料の粒子が適切な温度まで加熱された点で、第２の流動性材料がフィーダ１２８を介してプラズマ流に注入される。フィーダ１２８は第２の流動性材料チャンバ１２６に接続されている。第２の流動性材料は、入口１２４および１２５を介して第２の流動性材料チャンバ１２６に供給される。プラズマによって搬送される２種類の流動性材料の粒子は、プラズマチャネルの残りを通過し、アノード８の開口部３４を介して出る。
【００４９】
フィーダ９８と１２８との間の部分１６０の長さは、第１の流動性材料の特性に依存する。この特性は、部分１６０を形成するために使用される中間電極の個数および幾何形状によって制御される。第２の流動性材料が流れに注入されるとき、その粒子は、第１の流動性材料の粒子と共に流れの中のプラズマによって加熱される。フィーダ１２８とアノード８の開口部３４との間の部分１６２の長さは、第２の流動性材料の特性に依存している。この特性は、部分１６２を形成するために使用される中間電極の個数および幾何形状によって制御される。部分１６２の長さは、（第１の流動性材料の粒子と共に加熱される）第２の流動性材料の粒子がアノード８の開口部３４に到達するときまでに特定のスプレー加工によって必要とされる特性を実現するように、選択される。部分１６０および１６２の長さの合計は、第１の流動性材料の粒子がアノード８の開口部３４に到着するときまでに特定のスプレー加工によって必要とされる特性を実現するように、選択される。第１の流動性材料の粒子は、部分１６０で加熱され、次に、フィーダ１２８がプラズマチャネル２６に接続する領域で冷却され、その後、部分１６２において（第２の流動性材料の粒子と共に）再度加熱されることに注意すべきである。部分１６０の長さは、部分１６０および１６２の長さの総計と、部分１６２の長さとから決定可能である。３台以上の流動性材料インジェクタを備える実施形態において、様々な部分の長さは同様に決定されることができる。
【００５０】
発明の装置は、プラズマスプレーによるコーティング以外の用途に使用されることがある。例えば、１つの可能な用途は、プラズマ増強化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）である。簡単に言えば、化学蒸着法（ＣＶＤ）は、粒子が加熱され、被覆されるべき表面に向かって進められ、粒子の高エネルギーの結果として、化学反応が被覆されるべき表面上で起こり、膜が形成される、薄膜の堆積法である。ＣＶＤが使用される１つの用途はダイヤモンド膜の堆積である。表面上にダイヤモンド膜の堆積を実現するため、ダイヤモンドの成長のため必要とされる条件が表面上で生成されなければならない。プラズマ生成装置は、このような条件を作り出すため使用され得る。アルゴンプラズマは、例えば、１０，０００°Ｋ以上の温度を維持する。この温度で、水素およびいくつかの炭化水素が原子状水素および原子状炭素に分解される。プラズマ流は表面に向かって原子状水素および原子状炭素を加速し、表面上に原子状炭素が（特定の前駆体の存在下で）ダイヤモンド膜を形成し始める。単一の流動性材料インジェクタを備える実施形態を使用して、カソードから炭素および水素を分離し、それによって、カソード腐食を阻止し、同時に、２つの気体が元素状態の粒子に完全に分解するために加熱されたプラズマ内で十分な時間を経過することを確実にする。
【００５１】
ＣＶＤにおける重要な因子は、境界層と呼ばれるダイヤモンドが成長する層の厚さである。境界層の厚さはダイヤモンド膜が成長する速度を決定し、理想的には境界層の厚さはできる限り薄くすべきである。層の厚さは、元素状態の粒子を送り出すため使用されるプラズマ流の速度の平方根に反比例する。絞り部を使ってプラズマを超音速に加速することは、したがって、より薄い境界層の形成を促進する。
【００５２】
本発明の装置の実施形態は、固体、液体および気体状の有害な材料または廃棄物の破壊のためにも使用されることができる。例えば、プラズマ生成装置の実施形態は、廃棄物管理システムまたは自動車排気システムに統合してもよい。高温で、有機材料は熱分解される。そして、システムのより低温のセクションにおいて、元素状態の粒子およびイオンは、単純な分子を形成するため、急速なアルカリ性反応のクエンチより前に再結合する。結果として生じる最終生成物は、アルゴン、二酸化炭素、および、水蒸気からなる気体と、無機ナトリウム塩の水溶液とを含む。
【００５３】
有害な材料および廃棄物の破壊の機能をＣＶＤと組み合わせることも可能である。例えば、装置の実施形態を使用するとき、破壊チャンバは、ダイヤモンドが元素状態の炭素から成長することが可能である基板ホルダーを含むことができる。
【００５４】
複数台の流動性材料インジェクタを備える装置の実施形態は、単一の流動性材料を備える装置の実施形態が適していない用途における装置の使用を可能とする。
【００５５】
例えば、タービン部品を被覆するために使用される遮熱コーティング（ＴＢＣ）のようないくつかのコーティング加工の場合、保護膜と接着膜の２層のコーティングを有することが必要である。接着層は、被覆される金属の熱膨張率と、一般的にセラミックである保護層の熱膨張率との不一致のため必要である。接着膜は、最初に、被覆されるべき金属表面に塗布される。接着膜は、保護膜と金属表面との間の粘着層として機能する。より優れた粘着のため、および、より厚いコーティングを生成するため、機能傾斜コーティングとして知られている方法が使用される。機能傾斜コーティングされた２つの粉末がプラズマ流に注入される。しかし、注入される粉末の相対的な量は経時的に変化する。コーティングプロセスの初めに、接着膜を形成するために使用される粉末だけが注入される。徐々に、保護膜を形成するために使用される粉末の分量が増加され、接着膜を形成するために使用される粉末の分量が減少する。最終的に、保護膜を形成するために使用される粉末だけが供給される。２つの膜の形成のために使用された粉末は、粒子サイズ、融点などのような特性が非常に異なるものとなっている。仮に単一の流動性材料インジェクタを備える装置の実施形態を使用することは、２種類の粉末に対し、装置のパラメータの最適化を必要とするであろう。満足できるパラメータが見つかるとしても、このような装置の性能は最適ではない。
【００５６】
複数台の流動性材料インジェクタを備える装置を使用することは、両方の粉末を噴霧するための最適条件を実現する装置の作成を可能とする。例えば、図５に示された装置の実施形態を参照すると、保護セラミック層を形成するために使用される粉末は、接着層を形成するために使用される粉末より高い融点をもつ。したがって、保護層を形成するために使用される粉末は入口９４および９５を介して上流の流動性材料インジェクタに供給される。接着膜を形成するために使用される粉末は、入口１２４および１２５を介して下流の流動性材料インジェクタに供給される。それぞれの部分１６０および１６２の長さは、両方の粉末が、アノード８の出口３４から出る前に、プラズマチャネル２６内で最適な時間を経過し、その後、最適温度で出口３４から装置を出ることを保証するように構成されることができる。
【００５７】
以上、本発明の実施形態の説明は例示と解説のため提示されている。網羅的であること、または、発明を開示されたそのままの形に制限することは意図されていない。多数の変更および変形が当業者には明らかであろう。実施形態は、発明の原理および発明の実際的な用途を最もうまく説明するために選択され記載され、それによって、当業者が発明を理解することを可能とする。特定の使用に適した種々の実施形態および変更が考慮される。発明の範囲は添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定められることが意図されている。
【図１】
2010521042.tif 000003
【図２】
2010521042.tif 000004
【図３】
2010521042.tif 000005
【図４】
2010521042.tif 000006
【図５】
2010521042.tif 000007
【図６】
2010521042.tif 000008
【図７】
2010521042.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成22年2月1日(2010.2.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ生成装置であって、
ａ．アノードと、
ｂ．カソードと、
ｃ．前記カソードと前記アノードとの間にアノードを通過して長手方向に延在し、アノード端に出口開口を有し、一部分が２個以上の互いに電気的に絶縁された中間電極および前記アノードによって形成され、２個以上の中間電極の１個により形成された絞り部を有するプラズマチャネルであって、絞り部がプラズマチャネルを、
ｉ．カソードに最も近い絞り部の側に位置付けられ、絞り部を形成する中間電極と異なる少なくとも１個の中間電極によって形成されている高圧部と、
ｉｉ．アノードに最も近い絞り部の側に位置付けられている低圧部と、
に分割し、
絞り部が喉部を有し、喉部がプラズマチャネルの長手方向を横断する断面積を有し、該断面積が、（１）プラズマチャネルの長手方向を横断する高圧部の最小断面積、および、（２）プラズマチャネルの長手方向を横断する低圧部の最小断面積より小さい、
プラズマチャネルと、
ｄ．１台以上の流動性材料インジェクタであって、該流動性材料インジェクタが、プラズマチャネルの絞り部とアノードとの間にある低圧部への開口を備える流動性材料フィーダを備える、前記流動性材料インジェクタと、
を備える、前記プラズマ生成装置。
【請求項２】
前記高圧部が前記絞り部を形成する中間電極と異なる２個以上の中間電極によって形成されている、請求項１に記載のプラズマ生成装置。
【請求項３】
前記低圧部が１個以上の中間電極によって形成されている、請求項１に記載のプラズマ生成装置。
【請求項４】
前記低圧部が２個以上の中間電極によって形成されている、請求項２に記載のプラズマ生成装置。
【請求項５】
前記絞り部が超音速ノズルである、請求項３に記載のプラズマ生成装置。
【請求項６】
前記プラズマチャネルの長手方向を横断する前記高圧部の最小断面積が前記プラズマチャネルの長手方向を横断する前記低圧部の最小断面積以下である、請求項３に記載のプラズマ生成装置。
【請求項７】
前記低圧部が前記絞り部を形成する中間電極と異なる中間電極によって形成されている、請求項３に記載のプラズマ生成装置。
【請求項８】
前記アノードを冷却する手段をさらに備える、請求項７に記載のプラズマ生成装置。
【請求項９】
前記アノードを冷却する手段と別個に、前記絞り部を形成する中間電極を冷却する手段をさらに備える、請求項８に記載のプラズマ生成装置。
【請求項１０】
前記流動性材料フィーダが、（ａ）前記プラズマチャネルの長手方向に垂直の方向、（ｂ）前記アノードへ向かって角度が付けられた方向、および、（ｃ）前記アノードから遠ざかるように角度が付けられた方向のうちの１つの方向を有している、請求項３に記載のプラズマ生成装置。
【請求項１１】
隣接したフィーダのいずれかのペアの間のプラズマチャネルの部分が２個以上の中間電極によって形成されている、請求項３に記載のプラズマ生成装置。
【請求項１２】
絞り部を備えたチャネルを有する装置によって１個以上の流動性材料をプラズマスプレーする方法であって、
ａ．前記絞り部の上流における前記チャネル内のプラズマ流中の少なくとも１部のプラズマを加熱するステップと、
ｂ．前記チャネルの前記絞り部を通してプラズマを通過させるステップと、
ｃ．前記絞り部の下流における前記チャネル内の１個以上の流動性材料入口を通して、１個以上の流動性材料を前記プラズマ流に注入するステップと、
ｄ．前記チャネル内の１個以上の流動性材料入口の各々の下流における前記プラズマ流中の少なくとも１部のプラズマを加熱することにより前記プラズマ流中のすべての流動性材料の粒子を加熱するステップと、
を含む、方法。
【請求項１３】
前記絞り部を通してプラズマを通過させるステップが、前記プラズマ流中のプラズマの速度を超音速まで増加させるステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
結果として生じた加熱された粒子およびプラズマを出力するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記粒子を加熱するステップが、少なくとも１個の流動性材料の少なくとも一部の粒子が所定の温度に到達するまで実行される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記注入するステップにおいて、注入される少なくとも１個の流動性材料の注入レートが経時的に変えられる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
少なくとも１個の流動性材料がナノ粒子前駆体溶液である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
少なくとも１個の流動性材料が水素と炭化水素との混合物である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
少なくとも１個の流動性材料が（ａ）破壊されるべき廃棄物と（ｂ）有害な材料とのうちの一方である、請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
少なくとも１個の流動性材料について、元素状炭素を含む混合物に分解するステップをさらに備える、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記プラズマ流中の一部のプラズマが、少なくとも１０，０００°Ｋまで加熱される、請求項１２に記載の方法。
【請求項２２】
前記プラズマ流中の少なくとも１部のプラズマを、少なくとも１０，０００°Ｋまで加熱するステップが、前記チャネル中の電気アークを維持することにより達成される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記プラズマ流中の少なくとも１部のプラズマを加熱することにより前記プラズマ流中のすべての流動性材料の粒子を加熱するステップが、前記チャネル中の電気アークを維持することにより達成される、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記１台以上の流動性材料インジェクタが入口を有する流動性材料チャンバをさらに備える、請求項１に記載のプラズマ生成装置。
【請求項２５】
前記チャネルの前記絞り部を通してプラズマを通過させるステップが、前記プラズマ流中の加熱されたプラズマの速度圧を増加させ、前記プラズマ流中の加熱されたプラズマの静圧を減少させる、請求項１２に記載の方法。
【国際調査報告】
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