(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のプラズマジェットを収斂するような位置関係へと導き、反応物質流を封じ込めるようなプラズマジェット誘導システムであって、該システムは、中心軸と略同軸上に延びる中央の反応物質注入通路（16）を有する本体及び少なくとも２つのプラズマガス通路（36）からなり、各ガス通路（36）は、入口端部及び出口端部（70）を有し、ガス通路は、入口端部から出口端部（70）まで、収斂ガス通路を通るプラズマガスが流れる方向で、互いに収斂し合い、中央の通路（16）の方向に収斂し、ガス通路は中心軸に対して対称に配置され、各ガス通路（36）は、該ガス通路の軸方向に延び、前記流れの方向で中心軸に向かって鋭角で収斂する長軸（50）、中心軸から略放射状に延びる小軸（40）及び小軸（40）と長軸（50）との交差点で該小軸と該長軸から略垂直に延びる大軸（38）を有し、各小軸（40）は大軸（38）よりも短く、
各ガス通路の断面はその大軸（38）に沿って延びた形をしており、各ガス通路は、プラズマジェット成形壁を有し、該プラズマジェット成形壁はそのガス通路の出口端部において、その通路の側部を形成しており、ジェット成形壁の内壁（72）が小軸（40）と交差する点から、通路（16）（36）間に位置して小軸（40）に略垂直な仮想平面（74）までの距離ｄ１は、ジェット成形壁の内壁（72）上にて小軸（40）の両側に位置する点から仮想平面（74）までの距離ｄ２以上であるプラズマジェット誘導システム。
【請求項２】
中央の反応物質注入通路（16）は、中心軸（14）と同軸上にある単一の注入通路を備えている、請求の範囲第１項に記載のプラズマジェット誘導システム。
【請求項３】
各ガス通路のジェット成形壁は、中心軸（14）に隣接する内壁を備えている、請求の範囲第１項に記載のプラズマジェット誘導システム。
【請求項４】
本体部分は、隣り合うガス通路の隣り合う側部の間に先細のフィン（62）を１つづつ含み、各先細のフィン（62）の広い方の端部は、プラズマガス流の方向に対してガス通路の上流端部に隣接し、各フィンを通る冷却剤の通路（52）は、フィン（62）の上流端部とそのフィンの間を中心軸へ向かって延びる通路の間を延び、フィンの上流端部から離れた下流に配置されている、請求の範囲第１項、第２項又は第３項の何れかに記載のプラズマジェット誘導システム。
【請求項５】
ジェット成形壁の内壁（72）が小軸（40）と交差する点から、通路（16）（36）間に位置して小軸（40）に略垂直な仮想平面（74）までの距離ｄ１は、ジェット成形壁の内壁（72）上にて小軸（40）の両側に位置する点から仮想平面（74）までの距離ｄ２以上である、請求の範囲第１項、第２項又、第３項又は第４項の何れかに記載のプラズマジェット誘導システム。
【請求項６】
小軸（40）に略直交した通路（36）の出口端部（70）の幅Ｌは、反応物質注入通路（16）の直径Ｄの２倍以上である、請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項又は第５項の何れかに記載のプラズマジェット誘導システム。
【請求項７】
大軸の長さｌmajは、出口端部ではガス通路の小軸の長さｌminの１．５倍に等しいか又はそれ以上である、請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項、第５項又は第６項の何れかに記載のプラズマジェット誘導システム。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は、プラズマをスプレーする装置に関するものである。より具体的には、本発明は共通軸を中心として、プラズマジェットを誘導し、対称に収斂させるような収斂システムに関するものである。
発明の背景
プラズマジェットを共通軸（たとえば、その軸に沿って反応物質がプラズマジェットへ注入される）を中心として収斂させるという考え方を初めて明らかにしたのは、おそらく、フカヌマ氏による１９８５年４月５日の出願の日本国特開昭６１−２３０３００号公報（１９８６年）であろう。この公報は、反応物質の注入管を囲むように配置された、複数の別個のプラズマ形成銃を開示しており、これらのトーチから出ているプラズマジェットは、注入管を中心とする環状に対称な空間に配置されたプラズマ通路により誘導され、反応物質注入管から出てくる反応物質流の上に収斂する。このシステムは効果的でないことがわかり、やがて放棄されたものと思われる。
初めて商業的に受け入れられたシステム、即ち商業上効果的に運用されたシステムは、１９９１年４月１６日付けでロス氏に発行された米国特許第５００８５１１号に開示されている。このシステムでは、複数のプラズマ銃が共通軸を中心として対称に配置され、その軸にそって、反応物質パイプを通って、反応物質が注入される。パイプは共通のアノードを通過し、プラズマジェット通路沿いに延びるジェットの収斂エリアにおいて、プラズマジェットに均一に接触される。このシステムは、大きな悪影響もなく、適度な長期間に亘って効果的に運用できることがわかった。
マランティス氏等に対して１９９１年１月１日付けで発行された米国特許第４９８２０６７号及び１９９２年９月１日付けで発行された米国特許第５１４４１１０号は収斂システムを記載しており、そのシステムでは、複数のアーク電流を１つのプラズマコラムへ収斂させ、それを軸に沿って出ている反応物質流上に収斂させている。その軸の周りには、トーチや通路が対称に配置されている。
最近の例では、１９９４年３月２９日付けでムエフルバーガー氏等に発行された米国特許第５２９８８３５号は、プラズマジェット収斂システムを記載しており、そのシステムでは、トーチからのプラズマ出力は、通路を通る各トーチから、それぞれ軸方向に向けられている。これらの通路は、そこから出ているプラズマジェットを収斂し、誘導して、中央の反応物質管から出る反応物質流上で収斂させる。該管の周りには、通路やトーチが対称に配置されている。
上記のすべてのシステムに内在する課題の１つは、収斂している別々のプラズマジェットから形成されたプラズマ流の中で、反応物質流を均一に接触させ、散布させるようにすることである。いくつかのシステムに共通するもう１つの課題は、スピッティング（反応物質がシステムの中に堆積（built up）され、これが定期的に爆発して解放されること）であり、それはいくつかの反応物質が収斂システムつまり収斂ブロックのボディの中で凝固し、閉塞して、それが定期的に分散してプラズマ流の中に入るため、反応物質流は不均一になる。
発明の要旨
本発明の目的は、反応物質流を確実に封じ込める改良された多数ジェットプラズマシステムを提供することである。
本発明の更なる目的は、システム内の反応物質の堆積や解放により起こるスピッティングを減少させることである。
広義において、本発明は、複数のプラズマジェットを収斂した関係へと導き、反応物質流を封じ込めるようなプラズマジェット誘導システムに関するものである。そのシステムは、中心軸と略同軸上に延びる中央の反応物質注入通路手段を有する本体及び少なくとも２つのプラズマガス通路からなり、該ガス通路は、その中を通るプラズマガスが流れる方向に、中央の反応物質通路手段へ向かって収斂し、出口端部で終わっている。ガス通路は中心軸に対して対称に配置され、各ガス通路は、該ガス通路の軸方向に延びる長手方向の軸、中心軸から略放射状に延びる小軸及び該小軸との交差点で該小軸から略垂直に延びる大軸を有し、各小軸は大軸よりも短く、従って各ガス通路の断面はその小軸の反対側で対称に引き延ばされた形をしている。各ガス通路は、プラズマジェット成形壁を有し、その壁はそのガス通路の出口端部では、その通路の主な側部を形成しており、該ジェット成形壁は、小軸に対して略垂直に延びる仮想平面から間隔を空け、該ジェット成形壁と中心軸の間の小軸とジェット成形壁との交差点に、平面及び小軸の反対側にあるジェット成形壁の間の間隔に等しいか又はそれより長い距離で配置される。
中央の反応物質注入通路手段は、中心軸と同軸上にある単一の注入通路を備えていることが望ましい。
各ガス通路のジェット成形壁は、中央軸に隣接する内壁を備えていることが望ましい。
本体部分は、隣り合うガス通路の隣り合う側部の間に先細のフィンを１つづつ含んでいることが望ましく、各先細のフィンの広い方の端部は、プラズマガス流の方向に対してガス通路の上流端部に隣接し、各フィンを通る冷却剤の通路は、フィンの上流端部とそのフィンを通って中心軸へ向かって延びる盲通路の間を延び、フィンの上流端部から離れた下流に配置されている。
小軸と各通路の内壁との交差点は、内壁上の他の箇所よりもその平面から遠くに配置されることが望ましい。
前記平面に沿って測定された前記壁の突出部分の長さＬは、中央の反応物質注入通路手段の外側に、該手段の最短直径Ｄの２分の１以上であることが望ましい。
大軸の長さｌmajは、出口端部では、ガス通路の小軸の長さｌminの１．５倍に等しいか又はそれ以上であることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
本発明の更なる特徴、目的及び利点は、後述する本発明の望ましい実施例の詳細な記載及び添付の図面を参照することにより明らかとなるであろう。
図１は、本発明に従って作られたプラズマジェット収斂システムの断面図である。
図２は、図１の２−２線に沿った部分の断面図である。
図３は、図１の３−３線に沿った部分の断面図である。
図４は、図１の４−４線に沿った部分の断面図であり、反応物質通路を軸方向に図解している。
図５は、プラズマガス通路のうちの一つの出口端部の拡大図である。
図６は、図３と類似するが、本発明の修正版を示している。
図７は、図３及び図６に類似する部分図であり、複数の反応物質注入通路がプラズマ流の収斂ゾーン内で放出を行うようなシステムを図解している。
図８は、本発明を取り入れた異なる形式のプラズマジェット収斂システムの側面図である。
図９は、図８の９−９線に沿った部分の断面図である。
好適な実施例の説明
図１に示すように、本発明のプラズマジェット収斂・反応物質冷却システムは、ハウジング（12）に収容される本体（10）により構成される。ハウジングは一部分だけを図示している。
本体部分（10）は、流体又はプラズマガスを冷却するための様々な通路や、システムの協同成分（cooperating element）を受ける様々な空洞により構成されており、通路や空洞は、プラズマシステムの中心軸（14）に対して略対称に配置されている。プラズマシステムの構成については後で説明するが、それは、少なくとも１つの反応物質注入通路により構成され、該通路は、中心軸（14）の周りに略対称に配置される複数のプラズマガス収斂通路の間に収容されている。
図１乃至図６に示す構成では、反応物質注入通路（16）は軸（14）と同軸上にあり、図１の矢印（20）で示すようにパイプ（18）を経由して、粉末等の反応物質が一般的にはガス流の中で運ばれる。
図２及び図３に示す実施例でのブロックつまり本体部材（10）の上表面（22）には、トーチを受ける空洞（24）（26）（28）が設けられており、それらは軸（14）を中心として、均等間隔で対称に配置されている。空洞の中心（図に示す構成では、空洞（24）（26）（28）は円形に描かれているため）は、軸（14）を中心として互いに１２０度の間隔が空けられている。
空洞（24）（26）（28）は円形として描かれているが、必要に応じて他の形やサイズを用いて、システムと共に用いる予定の特定のプラズマトーチ（単数又は複数）を収容してもよい。図１では、符号30で１つのトーチだけを概略的に示している。図１では、トーチ（30）の一部分だけが概略的に示されており、それはアノード部（32）及びトーチ出口（34）を含んでいる。
空洞（24）（26）（28）のそれぞれには、誘導・収斂通路（36）が設けられており、その中へ出口（34）を通ってトーチ（30）から出るプラズマガスが誘導されている。即ち、空洞（24）（26）（28）はそれぞれ本質的には同じであるので、図２に示すように、それぞれに通路（36）が設けられている。従って、１つの空洞についてのみ説明を行う。３つの空洞は、全て同じ符号で示される。
図に示す構成では、各通路（36）の断面は楕円形であり、その中に大軸（38）及び小軸（40）を有している。各通路（36）の小軸（40）は、軸（14）の略放射方向に延びるのに対し、大軸（38）は、図２に示す構成では、小軸（40）を直角に横断する。そして、大軸（38）は、図２では略直線であるが、僅かに湾曲させてもよい（これについては、図３、図５及び図６を参照しながら後述する）。
図２及び図４に示される構成では、各通路（36）は、３回の側面切削工程により形成され、その工程では、まず一対の外側孔がドリル切削され、中心点（42）（44）の間の間隔が決められ、次に中心点（46）で切削作業を行うことにより、中心部分が切削され、更に壁を滑らかにするためにブローチ加工で少し孔を広げた後、通路（36）の形が定まる。
通路（36）の長軸（50）（１つのみ図示）は、空洞（24）（26）（28）のそれぞれにおける上流端部から、通路（16）の出口に隣接する下流端部に至るまで、軸（14）に向かって収斂し、そこで、通路（36）はプラズマガスを収斂ゾーン（48）に放出することがわかるであろう（図１を参照）。
通路（36）の長軸（50）（軸（50）は、通路（36）の軸方向の長さに沿った大軸（38）及び小軸（40）のそれぞれの交点の軌跡である）と軸（14）との間の角度αは、一般的には約１０度乃至２０度の範囲の鋭角であり、１５度であることが望ましい。
図４に示す実施例では、通路（36）の断面積は、上流端部から下流端部まで略一定である。しかし、これは本質的要素ではなく、通路は例えば先細でもよく、即ち出口端部、つまり下流端部にかけてプラズマガス流が近づけられる方向に縮小してもよく、或いは通路の長手方向で、断面の形を狭めたり変更してもよい。しかし、結果的には、何れの形状を用いても、通路から出るガス流が反応物質流を封じ込め、反応物質注入通路（16）から出る反応物質流とスムーズに合流できる。
また、図４に示す実施例では、通路（36）の輪郭形状は通路の軸方向の全長に亘ってほぼ一定である。通路の形を変更してもよい（いくつかの例を以下に記載する）。何故なら、通路から出るプラズマガス流の形の本質的特徴は、主に通路（36）の断面の形及び収斂角度α並びに通路（36）の軸方向の通路（14）に対する位置関係により決められる。これらは、後述するように、システムの作動にとって重要である。
図２に示すように、複数の冷却水通路（52）があり、図の構成では、これらは軸（14）に略平行である。これらの通路（52）が、空洞（24）（26）（28）以外では、本体部材（10）の上表面（22）の面積のかなりの範囲に亘って設けられ、これらの通路もまた、軸（14）を中心として対称に設けられていることは明らかである。また、冷却流体回収通路（54）も本体（10）を通して設けられており、これらは軸（14）に対して対称に配置され、隣接する各一対の空洞（24）（26）（28）の中間に１つづつ配置されている。これらの通路（54）もまた、軸（14）に平行である。
孔つまり通路（52）のいくつかは、ブロックつまり本体（10）を貫通し、ハウジング（12）内でブロック（10）を包囲しているチャンバ（56）に入る。図の構成では、符号58で示すように、ブロック（10）は下流端部（78）にかけて先細になっている。
上述のように、通路（52）のうち、いくつかは本体部材（10）を貫通するが、通路のうち、軸（14）に対して略放射状の位置にあり、回収通路（54）及び反応材料通路（16）の間に配置されたものはブロック（10）を貫通することができない。同様に、チャンバ（56）によって受けられていない通路は、何れも本体を貫通することができない。従って、軸（14）を中心としたチャンバ（56）の最短半径よりも短い半径上に軸（14）から一定間隔で配置されている軸方向の通路（52）には、チャンバ（56）及び／又は回収通路（54）に接続している回収システムを別個に設けなければならない。
図１に示すように、ブロックには略放射状の穴（60）（各回収通路（54）につき１つの穴（60）がある）があけられ、それは本体（10）の中へ延び、通路（16）に隣接する空洞（24）（26）（28）の間の通路及び通路（16）と通路（54）の間の通路を横切る位置に達する。図１及び図２の符号52Aを参照すること。
穴つまり通路（60）と２つの隣接する通路（36）との間の壁の一体性は維持した儘、穴（60）が所定の深さに達すると、穴（60）の直径は、符号61で示すように縮小される。
通路（52A）及び穴（60）は、通路（36）同士の隣り合う側部の間にある先細の仕切りの中に形成されている。通路（36）の下流端部を、図３に符号64で示している。これらの仕切りはそれぞれフィン（62）を形成し、該フィン（62）は、図２及び図３に示す通路（52A）を通じて冷却流体を循環させることにより、プラズマガス流の上流方向にある幅広の端部から幅の狭い下流端部（64）に至るまで適切に冷却される。フィン（62）を冷却することにより、反応物質注入通路（16）における材料の流れを十分冷たい温度に維持して、堆積を防止することができ、よってスピッティングが防止される。
上記のシステムでは、冷却流体は高圧チャンバ（66）に導入され、該高圧チャンバ（66）は、通路（52A）を含め、通路（52）の全ての上流端部を、矢印（68）で概略的に示す冷却流体源と相互に連結させる。この冷却流体は、通路（52A）を含め、様々な通路（52）を通過し、チャンバ（56）へ入るか、もしくは穴を経由して直接に回収通路（54）に入る。穴は、パイプ（69）を経由して適当な容器又は冷却剤チャンバ（図示せず）に連結されている。即ち、各回収通路（54）へ入った生成物は、通路自身のパイプ（69）又は相互に連結されたパイプを経由して運ばれ、冷却流体を容器等に誘導することができ、必要な調整を行った後、その容器等から再循環され、矢印（68）で示す如く再導入される。
上述の如く、通路（36）の断面の形、特に、各通路（36）からのプラズマガス流の形を一般に決定する出口（70）の形は、これらの出口端部（70）の通路（16）に対する位置と同様に重要である。図３に示すように、出口（70）は、反応物質通路（16）をほぼ完全に包囲するような位置にあるため、通路（16）から出て、通路（36）からの収斂プラズマガス流に注入される反応物質流を実質的に封じこめる。例外は、フィン（62）の部分であり、その下流端（64）は比較的狭い。ブロック（10）の下流端部（78）では、通路（36）から出る収斂プラズマジェットは、通路（36）の内壁（72）の位置で、軸（14）を包囲する周囲の少なくとも９０％、望ましくは９５％を占める。
図３、図５及び図６に示す構成では、通路（36）の出口端部（70）は、軸（14）の周りを包むように湾曲楕円形に描かれている。大軸（38）は、通路（16）を中心とする円の半径上にあって、小軸（40）の中心を通って僅かに湾曲していることが望ましい。これにより、プラズマガスの放出ジェットは、通路（16）から出る反応物質のジェット又は流れをより効果的に封じこめることができる。
何れの実施例においても、通路（36）から出るプラズマガス流は一定に収斂し、通路（16）を通って注入されている反応物質流を完全に包囲することは明らかであろう。
出口端部（70）の幅は、小軸（40）に対して略垂直方向に測定されることが望ましく、その幅は、通路（16）の直径Ｄの２倍以上である（図５を参照）。大軸（38）は、上記のように、小軸（40）上の中心点を通る弧上で湾曲しているのが望ましい（図５を参照）。即ち、各通路（36）の出口端部（70）の内壁（72）が小軸（40）と交差する点と、小軸（40）及び通路（16）（36）間の位置に対して略垂直な仮想平面（74）との間の距離は最大距離ｄ1であり、内壁（72）上の他の全ての地点と平面（74）との間の距離、例えば距離ｄ2は、距離ｄ1と等しいかそれよりも短い。即ち、ｄ1≧ｄ2となる。
上記において、内壁は、通路のプラズマジェット成形壁である。いくつかの実施例では、外壁（73）がプラズマジェット成形壁の場合もあり、その場合、内壁についての上記公式が外壁に適用される。言い換えれば、壁が収斂プラズマジェットの形を決定して反応物質の流れを封じこめることができるようなプラズマジェット成形壁であれば、それが通路（36）のどちら側の壁であっても、上記の公式即ちｄ1≧ｄ2が適用される。
上記の方法で通路（36）の断面を成形することにより、各通路が小軸（40）に垂直な方向へ拡大されて、通路（36）から出るプラズマ流内で反応材料をより効果的に封じこめることができるようになる。この形は、通路（36）の小軸（40）に対するサイズ又は横の長さＬと連結される。即ち２Ｄ≦Ｌであり、ここでＤは出口（16）の直径であり、Ｌ／２は、各通路（36）が小軸（40）の両側に延びる距離であり、それは平面（74）と平行に測定される。
小軸（40）の長さｌminが大軸（38）の長さｌmajに対するの関係もまた重要であり、大軸（38）の長さが小軸（40）の長さの少なくとも１．５倍即ちｌmaj≧ｌ．５minであるときに最も効果的であることがわかった。
プラズマシステムをより効果的に作動するためには、本体（10）の底部面即ち下流端部（78）に空洞（76）を設け、空洞（76）内に、ノズル構造（80）を取り付けることが望ましい。該ノズル構造（80）は、符号86で示すように、初めは角度αと本質的に同じ収斂角度で収斂するような通路を有しているのが望ましく、次に再成形されて符号82で示すように略筒状になり、符号84で示すように次第に広がる。符号81で概略的に示された適切な冷却システムは、ノズルの過熱を防止するために、一般的にノズル（80）を包囲するように設けられている。
上記の説明は、３つの異なるトーチ構造を収容するためのシステムについてのものである。図６では２つの通路だけが示されており、１つは通路（16）の一方の側にあり、もう１つは通路のもう一方の側にある。重要な点は、２つの通路（36）の出口端部（70）が通路（16）をほぼ完全に包囲して、収斂を行い、通路（16）から出た材料を２つの通路（36）から形成されたプラズマジェットの中に封じこめるようにしていることである。
上記のシステムと共に、トーチの空洞が用いられることは明らかである。従って、複数のプラズマガス通路（36）のプラズマ源として、各通路に別個のトーチを用いてもよいし、希望であれば１つのトーチを用いてもよい。
２または３のトーチを収容する構成について説明してきたが、異なる数のトーチを用いることが、反応物質を含む流れをほぼ完全に包囲できるような収斂の流れ又はプラズマガスジェットを形成するのに重要であり、反応物質流及び収斂通路構造が適切に冷却されるならば、異なる数のトーチを用いてもよいことは明らかである。
同様に、上述の実施例では、１つの反応通路（16）が示されているが、希望であれば、複数のそのような通路を、望ましくは軸（14）に対称に配置して、１つ以上の源から反応物質を導入してもよい。図７は、図６及び図３に類似する図であるが、上記の１つの通路（16）の代わりに一対の反応物質注入通路（16A）（16B）が設けられている。通路（16A）（16B）は、中心（14）を挟んで向かい側に等間隔で設けられ、２つの通路（36）に収容されている。この実施例では、通路（36）が通路（16A）（16B）の横方向に延びる量は、各通路（16）の直径と関係がある。
図８及び図９に示す実施例では、プラズマガスは、矢印（100）で示す如く、任意の適当な源（１又は複数のトーチ）から導入され、本体部材（106）に設けられた２つの平行なプラズマ案内通路（102）（104）に沿って誘導される。各通路（102）（104）は、それぞれのプラズマガス通路（108）（110）に接続し、該プラズマガス通路は、それらの通路（102）（104）から任意の角度で延びる。プラズマガス通路（108）（110）は、上述した一対の収斂通路（36）に相当するので、更なる説明は必要でない。
反応物質は、矢印（112）で示すように通路（114）へ導入され、該通路（114）は、上述した通路（16）（又は（16A）（16B））に相当する反応物質注入通路に接続し、通路（108）（110）に対して適切な位置に設けられている。
例示した構成では、本体部材は、複数の冷却流体通路（116）を有し、保持リング（118）中に保持されている。希望であれば、上述のノズル（80）と同様の方法で、適当なノズル（120）を配備して、通路（108）（110）（114）から出る流れを受けるようにしてもよい。
反応物質注入通路（16）（16A）（16B）の断面の形は、常に図に示すような円形である必要はなく、例えば楕円形などのいかなる適当な形でもよい。円形以外の断面の形又は複数の反応通路が用いられる場合、通路の直径Ｄは、これらの条件では決められないことがわかるであろう。プラズマ形成通路の壁の突出部分は、反応物質注入通路の外側にあり、突出部分の長さＬは、少なくとも最短半径に等しい距離である（通路が楕円形の場合、隣接する部分の隣接する反応物質通路の断面の長さ）。
以上、本発明を説明してきたが、当該分野の専門家であれば、添付の請求の範囲に記載される発明の範囲から逸脱することなく、種々の修正が可能であることは明らかである。
【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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【図９】
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