(57)【要約】      （修正有）【課題】エネルギー結合効率を損失することなくアーク発生を除去し、プラズマ放電キャビティへの出力／エネルギー密度を増加させる。【解決手段】誘導プラズマトーチは、管状トーチ本体と、管状トーチ本体内に同軸上に配置されたプラズマ閉込管と、プラズマ閉込管の一方の端部に配置され、プラズマ閉込管内に少なくとも１つの気体状物質を供給するガス分配器ヘッドと、プラズマ閉込管内にプラズマを生成および維持するエネルギーを加えるための誘導結合部材と、プラズマ閉込管の外側表面または管状トーチ本体の内側表面に施された導電材料の膜を含む容量性シールド部とを含む。導電材料の膜は、一方の端部において相互接続された軸方向ストリップに分割される。導電材料の膜は、計算される表皮厚さよりも小さい厚さを有する。軸方向溝は、プラズマ閉込管の外側表面または管状トーチ本体の内側表面に加工され、軸方向ストリップ間に配置され得る。【選択図】図６
2016192408.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導プラズマトーチに使用するためのプラズマ閉込管であって、幾何学的軸および外側表面を画成し、前記外側表面に施され軸方向ストリップに分割された導電材料の膜を含む容量性シールド部を含み、前記軸方向ストリップは、一方の端部において相互接続されており、前記膜は、前記誘導プラズマトーチの動作周波数、および前記膜の前記導電材料の電気伝導率に関して計算される表皮厚さよりも小さい厚さを有することを特徴とするプラズマ閉込管。
【請求項２】
導電材料の前記膜は、前記外側表面上に堆積されることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ閉込管。
【請求項３】
導電材料の前記膜は、金属材料から作られることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ閉込管。
【請求項４】
高い熱伝導率、高い電気抵抗率、および高い熱衝撃抵抗性を有する、純粋または複合的なセラミック材料から作られることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマ閉込管。
【請求項５】
導電材料の前記膜は、１００ミクロン以下の厚さを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマ閉込管。
【請求項６】
誘導プラズマトーチに使用するためのプラズマ閉込管であって、幾何学的軸および外側表面を画成し、
前記外側表面に施され一方の端部において相互接続された軸方向ストリップに分割された導電材料の膜を含む容量性シールド部と、
前記外側表面の軸方向溝であって、前記軸方向ストリップ間に配置される軸方向溝と、
を含むことを特徴とするプラズマ閉込管。
【請求項７】
前記軸方向溝の１つは、側方に隣接する軸方向ストリップの各対の間に配置されることを特徴とする請求項６に記載のプラズマ閉込管。
【請求項８】
前記軸方向溝は、導電材料の前記膜を含まない表面を画定することを特徴とする請求項６または７に記載のプラズマ閉込管。
【請求項９】
前記軸方向溝は、１ｍｍ〜１０ｍｍの幅および１ｍｍ〜２ｍｍの深さを有することを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載のプラズマ閉込管。
【請求項１０】
内側表面を有する管状トーチ本体と、
前記管状トーチ本体内に前記管状トーチ本体と同軸上に配置され、外側表面を有するプラズマ閉込管と、
前記プラズマ閉込管の一方の端部に配置され、前記プラズマ閉込管内に少なくとも１つの気体状物質を供給するように構成されたガス分配器ヘッドと、
前記プラズマ閉込管内にプラズマを生成および維持するのに前記気体状物質にエネルギーを加えるために前記管状トーチ本体の前記内側表面の外側に配置された誘導結合部材と、
前記プラズマ閉込管の前記外側表面または前記管状トーチ本体の前記内側表面に施された導電材料の膜を含む容量性シールド部であって、導電材料の前記膜は軸方向ストリップに分割され、前記軸方向ストリップは一方の端部において相互接続され、前記膜は、前記誘導結合部材に供給される電流の周波数および前記膜の前記導電材料の電気伝導率に関して計算される表皮厚さよりも小さい厚さを有する容量性シールド部と、
を含むことを特徴とする誘導プラズマトーチ。
【請求項１１】
導電材料の前記膜は、前記プラズマ閉込管の前記外側表面または前記管状トーチ本体の前記内側表面上に堆積される、請求項１０に記載の誘導プラズマトーチ。
【請求項１２】
導電材料の前記膜は、金属材料から作られることを特徴とする請求項１０または１１に記載の誘導プラズマトーチ。
【請求項１３】
前記プラズマ閉込管は、高い熱伝導率、高い電気抵抗率、および高い熱衝撃抵抗性を有する、純粋または複合的なセラミック材料から作られることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の誘導プラズマトーチ。
【請求項１４】
導電材料の前記膜は、１００ミクロン以下の厚さを有することを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の誘導プラズマトーチ。
【請求項１５】
導電材料の前記膜および前記プラズマ閉込管の両方を冷却するための冷却流体の流れを導くのに、前記プラズマ閉込管の前記外側表面と前記管状トーチ本体の前記内側表面との間の環状チャンバを含むことを特徴とする請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の誘導プラズマトーチ。
【請求項１６】
前記環状チャンバは、約１ｍｍの厚さを有し、冷却流体の前記流れは、冷却流体の高速の流れである、請求項１５に記載の誘導プラズマトーチ。
【請求項１７】
プラズマ点火中に前記容量性シールド部を浮動電位に維持するための手段と、前記プラズマが点火され、維持されるとき、導電材料の前記膜上に発現する任意の容量性電位を排出するために前記容量性シールド部をグランドに接続するための手段とを含むことを特徴とする請求項１０〜１６のいずれか一項に記載の誘導プラズマトーチ。
【請求項１８】
内側表面を有する管状トーチ本体と、
前記管状トーチ本体内に前記管状トーチ本体と同軸上に配置され、外側表面を有するプラズマ閉込管と、
前記プラズマ閉込管の一方の端部に配置され、前記プラズマ閉込管内に少なくとも１つの気体状物質を供給するように構成されたガス分配器ヘッドと、
前記プラズマ閉込管内にプラズマを生成および維持するのに前記気体状物質にエネルギーを加えるために前記管状トーチ本体の前記内側表面の外側に配置された誘導結合部材と、
前記プラズマ閉込管の前記外側表面または前記管状トーチ本体の前記内側表面に施された導電材料の膜を含む容量性シールド部であって、導電材料の前記膜は軸方向ストリップに分割され、前記軸方向ストリップは一方の端部において相互接続される、容量性シールド部と、
前記プラズマ閉込管の前記外側表面または前記管状トーチ本体の前記内側表面の軸方向溝であって、前記軸方向ストリップ間に配置された軸方向溝と、
を含むことを特徴とする誘導プラズマトーチ。
【請求項１９】
前記軸方向溝の１つは、側方に隣接する軸方向ストリップの各対の間に配置されることを特徴とする請求項１８に記載の誘導プラズマトーチ。
【請求項２０】
前記軸方向溝は、導電材料の前記膜を含まない表面を画定する、請求項１８または１９に記載の誘導プラズマトーチ。
【請求項２１】
前記軸方向溝は、１ｍｍ〜１０ｍｍの幅および１ｍｍ〜２ｍｍの深さを有することを特徴とする請求項１８〜２０のいずれか一項に記載の誘導プラズマトーチ。
【請求項２２】
導電材料の前記膜は、前記プラズマ閉込管の前記外側表面または前記管状トーチ本体の前記内側表面上に堆積される、請求項１８〜２１のいずれか一項に記載の誘導プラズマトーチ。
【請求項２３】
導電材料の前記膜は、金属材料から作られることを特徴とする請求項１８〜２２のいずれか一項に記載の誘導プラズマトーチ。
【請求項２４】
前記プラズマ閉込管は、高い熱伝導率、高い電気抵抗率、および高い熱衝撃抵抗性を有する、純粋または複合的なセラミック材料から作られることを特徴とする請求項１８〜２３のいずれか一項に記載の誘導プラズマトーチ。
【請求項２５】
導電材料の前記膜は、１００ミクロン以下の厚さを有することを特徴とする請求項１８〜２４のいずれか一項に記載の誘導プラズマトーチ。
【請求項２６】
導電材料の前記膜および前記プラズマ閉込管の両方を冷却するための冷却流体の流れを導くのに、前記プラズマ閉込管の前記外側表面と前記管状トーチ本体の前記内側表面との間の環状チャンバを含む、誘導プラズマトーチであって、前記冷却流体は前記軸方向溝内にも流れることを特徴とする請求項１８〜２５のいずれか一項に記載の誘導プラズマトーチ。
【請求項２７】
前記環状チャンバは、約１ｍｍの厚さを有し、冷却流体の前記流れは、冷却流体の高速の流れであることを特徴とする請求項２６に記載の誘導プラズマトーチ。
【請求項２８】
プラズマ点火中に前記容量性シールド部を浮動電位に維持するための手段と、前記プラズマが点火され、維持されるとき、導電材料の前記膜上に発現する任意の容量性電位を排出するために前記容量性シールド部をグランドに接続するための手段とを含むことを特徴とする請求項１８〜２７のいずれか一項に記載の誘導プラズマトーチ。
【請求項２９】
誘導プラズマトーチに使用するための管状トーチ本体であって、幾何学的軸および内側表面を画成し、前記管状トーチ本体の前記内側表面に施され軸方向ストリップに分割された導電材料の膜を含む容量性シールド部を含み、前記軸方向ストリップは、一方の端部において相互接続されており、前記導電材料の膜は、前記誘導プラズマトーチの動作周波数、および前記膜の前記導電材料の電気伝導率に関して計算される表皮厚さよりも小さい厚さを有する、管状トーチ本体。
【請求項３０】
導電材料の前記膜は、１００ミクロン以下の厚さを有することを特徴とする請求項２９に記載の管状トーチ本体。
【請求項３１】
誘導プラズマトーチに使用するための管状トーチ本体であって、幾何学的軸および内側表面を画成し、
前記管状トーチ本体の前記内側表面に施され一方の端部において相互接続された軸方向ストリップに分割された導電材料の膜を含む容量性シールド部と、
前記管状トーチ本体の前記内側表面の軸方向溝であって、前記軸方向ストリップ間に配置される軸方向溝と、
を含むことを特徴とする管状トーチ本体。
【請求項３２】
前記軸方向溝の１つは、側方に隣接する軸方向ストリップの各対の間に配置されることを特徴とする請求項３１に記載の管状トーチ本体。
【請求項３３】
前記軸方向溝は、導電材料の前記膜を含まない表面を画定することを特徴とする請求項３１または３２に記載の管状トーチ本体。
【請求項３４】
前記軸方向溝は、１ｍｍ〜１０ｍｍの幅および１ｍｍ〜２ｍｍの深さを有することを特徴とする請求項３１〜３３のいずれか一項に記載の管状トーチ本体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、誘導プラズマトーチに関する。より詳細には、それに限定されないが、本開示は、容量性シールド部（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  ｓｈｉｅｌｄ）を含むプラズマ閉込管および管状トーチ本体と、実験室および工業規模の生産条件で超高純度および高出力密度条件の下で動作させるための、そのようなプラズマ閉込管および管状トーチ本体を備えた誘導プラズマトーチとに関する。
【背景技術】
【０００２】
誘導プラズマトーチは、高温プラズマ条件の下で材料合成およびプロセッシングを行うための貴重なツールとして、ますます注目が集まってきている。基本的な概念は、６０年以上の間、知られており、実験室のツールから工業的に価値のある高出力デバイスに着実に発展してきた。誘導プラズマトーチの動作は、４〜６回巻きの誘導コイルなどの誘導結合部材を使用して、プラズマにエネルギーを電磁結合させることを含む。ガス分配器ヘッドは、プラズマが生成される放電領域に適切なガス流パターンを作るために使用される。このガス流パターンは、たとえば石英から作られたプラズマ閉込管の中央でプラズマを安定化させるだけでなく、誘導コイルの中央にプラズマを維持し、プラズマからの高い熱負荷によるダメージからプラズマ閉込管を保護する。（５〜１０ｋＷを超える）比較的高い出力レベルにおいて、プラズマ閉込管を保護するために追加の冷却が必要となる。これは、通常、プラズマ閉込管の外側表面上を流れる脱イオン化された冷却水などの冷却流体を使用して達成される。
【０００３】
誘導プラズマトーチの標準的な構造が図１に示される。図１のプラズマトーチは、高周波電流を供給される水冷誘導銅コイルによって取り囲まれた円筒状包囲体を含む。プラズマガスは、円筒状包囲体の内側空間に軸方向に導入される。電流が誘導コイルを流れるとき、電流は、放電キャビティ内のプラズマガスの電気絶縁破壊の原因となる軸方向交番磁場を作る。絶縁破壊に達すると、誘導コイル領域内のプラズマガスに接線方向誘導電流が広がる。この接線方向誘導電流は、放電キャビティ内のプラズマガスを加熱し、プラズマを点火、生成、および維持する。
【０００４】
基本的に同じ原理に基づいて誘導プラズマトーチを構成するために、いくつかの設計が開発および実験されてきた。誘導プラズマトーチの様々な改良は、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、および特許文献５にも教示されており、それらの対象のすべてが参照により本明細書に組み込まれている。
【０００５】
また、プラズマ閉込管の保護を改善するために試みが行われてきた。プラズマ閉込管の保護を改善するために、たとえば、分割された金属壁挿入物が使用されてきたが、これは、プラズマトーチのエネルギー効率全体を大幅に低減するという弱点を示す。また、多孔質のセラミック材料から作られたプラズマ閉込管は、限定的な保護しか提供しない。放射線によって冷却される閉込管に関して、それらのセラミック材料は、比較的高い動作温度に耐え、優れた熱衝撃抵抗性を示さなければならず、ＲＦ（高周波）磁場を吸収してはならない。ほとんどのセラミック材料は、これらの厳しい要件のうちの１つまたは複数を満たすことができない。
【０００６】
現行の誘導プラズマトーチの継続する懸念事項は、プラズマと、トーチの出口ノズルおよび／またはトーチが取り付けられるリアクタの本体との間のアーク発生の問題である。ストライクオーバ（ｓｔｒｉｋｅ−ｏｖｅｒ）の問題の概略図は、どちらの場合に関しても図２に示される。
【０００７】
より具体的には、図２は、プラズマを生成するためのプラズマ閉込管を含む管状トーチ本体を含む誘導プラズマトーチを示す。誘導コイルは、管状トーチ本体内に埋め込まれている。プラズマ内でプロセッシングされる任意の粉末材料または前駆物質は、プラズマトーチ本体の頂部に着座するガス分配器ヘッドを通して軸方向に取り付けられた粉末注入器プローブを介して注入される。水冷ノズルを介してリアクタ壁によって画定されたリアクタ内にプラズマ放電が発生する。図２は、プラズマと、トーチの出口ノズルおよびリアクタ本体との間のアーク発生（ストライクオーバ）を示す。
【０００８】
誘導プラズマトーチ内のアーク発生の問題を解決するための初期の試みは、１９９１年にＧ．Ｆｒｉｎｄによって報告され、１９９３年８月３日に発行された特許文献６の対象であった。この特許は、アーク発生は、誘導コイルとプラズマとの間の容量結合によるものであることを特定し、誘導コイルと、プラズマ閉込管の外側表面との間の容量性シールド部の付加による解決策を提案した。さらに、Ｆｒｉｎｄによって提案された容量性シールド部の導入は、プラズマ点火の困難性の増大、および金属シールド部のエネルギー散逸による、コイルとプラズマとの間のエネルギー結合効率（ｅｎｅｒｇｙ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）の大幅な損失をもたらした。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第５，２００，５９５号
【特許文献２】米国特許出願第０８／６９３，５１３号
【特許文献３】米国特許第５，５６０，８４４号
【特許文献４】米国特許第６，６９３，２５３号
【特許文献５】米国特許第６，９１９，５２７号
【特許文献６】米国特許第５，２３３，１５５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、エネルギー結合効率を損失することなくアーク発生を除去し、プラズマ放電キャビティへの出力／エネルギー密度を増加させる必要性が依然として残っている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の態様によれば、本開示は、誘導プラズマトーチに使用するためのプラズマ閉込管に関する。プラズマ閉込管は、幾何学的軸および外側表面を画成し、プラズマ閉込管の外側表面に施され軸方向ストリップに分割された導電材料の膜を含む容量性シールド部を含む。軸方向ストリップは、一方の端部において相互接続されており、導電膜は、誘導プラズマトーチの動作周波数、および膜の導電材料の電気伝導率に関して計算される表皮厚さよりも小さい厚さを有する。
【００１２】
別の態様は、誘導プラズマトーチに使用するためのプラズマ閉込管に関し、プラズマ閉込管は、幾何学的軸および外側表面を画成し、プラズマ閉込管の外側表面に施され一方の端部において相互接続された軸方向ストリップに分割された導電材料の膜を含む容量性シールド部と、プラズマ閉込管の外側表面の軸方向溝とを含む。軸方向溝は、軸方向ストリップ間に配置される。
【００１３】
第３の態様によれば、さらに、本開示は、誘導プラズマトーチに使用するための管状トーチ本体に関する。管状トーチ本体は、幾何学的軸および内側表面を画成し、管状トーチ本体の内側表面に施され軸方向ストリップに分割された導電材料の膜を含む容量性シールド部を含む。軸方向ストリップは、一方の端部において相互接続されており、導電膜は、誘導プラズマトーチの動作周波数、および膜の導電材料の電気伝導率に関して計算される表皮厚さよりも小さい厚さを有する。
【００１４】
第４の態様は、誘導プラズマトーチに使用するための管状トーチ本体に関し、管状トーチ本体は、幾何学的軸および内側表面を画成し、管状トーチ本体の内側表面に施され一方の端部において相互接続された軸方向ストリップに分割された導電材料の膜を含む容量性シールド部と、管状トーチ本体の内側表面の軸方向溝とを含み、軸方向溝は、軸方向ストリップ間に配置される。
【００１５】
第５の態様によれば、本開示は、誘導プラズマトーチに関し、誘導プラズマトーチは、内側表面を有する管状トーチ本体と、管状トーチ本体内に管状トーチ本体と同軸上に配置され、外側表面を有するプラズマ閉込管と、プラズマ閉込管の一方の端部に配置され、プラズマ閉込管内に少なくとも１つの気体状物質を供給するように構成されたガス分配器ヘッドと、プラズマ閉込管内にプラズマを生成および維持するのに気体状物質にエネルギーを加えるために管状トーチ本体の内側表面の外側に配置された誘導結合部材と、プラズマ閉込管の外側表面または管状トーチ本体の内側表面に施された導電材料の膜を含む容量性シールド部であって、導電材料の膜は軸方向ストリップに分割され、軸方向ストリップは一方の端部において相互接続され、導電膜は、誘導結合部材に供給される電流の周波数および膜の導電材料の電気伝導率に関して計算される表皮厚さよりも小さい厚さを有する、容量性シールド部とを含む。
【００１６】
最後に、第６の態様によれば、本開示は、誘導プラズマトーチに関し、誘導プラズマトーチは、内側表面を有する管状トーチ本体と、管状トーチ本体内に管状トーチ本体と同軸上に配置され、外側表面を有するプラズマ閉込管と、プラズマ閉込管の一方の端部に配置され、プラズマ閉込管内に少なくとも１つの気体状物質を供給するように構成されたガス分配器ヘッドと、プラズマ閉込管内にプラズマを生成および維持するのに気体状物質にエネルギーを加えるために管状トーチ本体の内側表面の外側に配置された誘導結合部材と、プラズマ閉込管の外側表面または管状トーチ本体の内側表面に施された導電材料の膜を含む容量性シールド部であって、導電材料の膜は軸方向ストリップに分割され、軸方向ストリップは一方の端部において相互接続される、容量性シールド部と、プラズマ閉込管の外側表面または管状トーチ本体の内側表面の軸方向溝であって、軸方向ストリップ間に配置された軸方向溝とを含む。
【００１７】
上記および他の特徴は、添付の図面のみを参照して例として与えられる、例示的な実施形態の以下の非限定的な説明を読むと、より明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】誘導プラズマトーチの概略図である。
【図２】プラズマと、トーチの出口ノズルおよびリアクタの本体との間のアーク発生を示す、リアクタの頂部に取り付けられた誘導プラズマトーチの概略図である。
【図３】複数の粉末注入プローブ、およびプラズマ閉込管の外側表面上の容量性シールド部を有する誘導プラズマトーチの立面断面概略図である。
【図４】図３の誘導プラズマトーチの上面図である。
【図５】プラズマ閉込管の外側表面上の容量性シールド部を有する別の誘導プラズマトーチの部分概略斜視図である。
【図６】分割された膜導電容量性シールド部を含み、誘導コイルのレベルにおいてプラズマ閉込管の外側表面に加工された軸方向溝とともに形成された外側表面を有するプラズマ閉込管の概略図である。
【図７】プラズマ閉込管の外周の周りの溝の典型的な分布を示す、図６のプラズマ閉込管の断面図である。
【図８】図６および図７のプラズマ閉込管を含む誘導プラズマトーチの概略斜視図である。
【図９】典型的な動作条件の下での、プラズマトーチおよびプラズマ閉込管の壁内への流れ、温度、および濃度の場の数学的モデリングによって得られた、図６および図７のプラズマ閉込管の壁の温度場の三次元図である。
【図１０】図９の動作条件と同じ動作条件の下での、プラズマ閉込管の溝部分の中央におけるプラズマ閉込管の壁の温度場の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
概説すると、本開示は、管状トーチ本体、プラズマ閉込管、ガス分配器ヘッド、誘導結合部材、およびプラズマ閉込管または管状トーチ本体に結合する容量性シールド部を含む誘導プラズマトーチを提供する。プラズマは、閉込管内に生成される。プラズマ閉込管は、内側表面および外側表面ならびに第１の端部および第２の端部を含む。プラズマ閉込管の冷却を改善するために、誘導結合部材のレベルにおいてプラズマ閉込管の外側表面の周囲に、側方に隣接する一連の軸方向溝が加工され得る。ガス分配器ヘッドは、少なくとも１つのガス状物質をプラズマ閉込管内に供給するためにプラズマ閉込管の第１の端部に配置されるが、ガス状物質（複数可）は、閉込管をその第１の端部からその第２の端部の方へ流れる。誘導結合部材は、閉込管内にプラズマを誘導的に点火し、生成し、維持するために、閉込管を流れるガス状物質にエネルギーを誘導的に加える。容量性シールド部は、エネルギー結合効率を損失することなくアーク発生を防ぎ、プラズマ放電がもたらされる閉込管への出力／エネルギー密度の増加を可能にする。一実施形態によれば、この容量性シールド部は、導電性薄膜から形成され得る。
【００２０】
図３は、高性能誘導プラズマトーチ１０を示す。
【００２１】
プラズマトーチ１０は、たとえば鋳造用セラミックまたは複合重合体から作られ内側キャビティ１３を画定する管状トーチ本体１２を含む。水冷銅管から作られた、誘導コイル１４の形態の誘導結合部材は、トーチ本体１２内に埋め込まれている。誘導コイル１４の２つの端部は、どちらも円筒形のトーチ本体１２の外側表面１６まで延び、ＲＦ（高周波）電流をコイル１４に供給することができる電気端子１８および２０の対にそれぞれ接続されている。図示した実施形態では、トーチ本体１２および誘導コイル１４は、どちらも円筒形で、同軸上にある。
【００２２】
環状プラズマ出口ノズル２２は、トーチ本体１２の下端部に取り付けられており、プラズマ閉込管２６の下端部を受けるために環状の座２４とともに形成される。図３に示すように、環状の座２４は、直角の断面を有し得る。
【００２３】
ガス分配器ヘッド２８が、管状トーチ本体１２の上端部に固定される。ディスク３０は、トーチ本体１２の上端部とガス分配器ヘッド２８の間に配置される。ディスク３０が、プラズマ閉込管２６の上端部を受けることができる環状の座３４を、ガス分配器ヘッド２８の底面部３２とともに形成する。図３に示すように、環状の座３４も、直角の断面を有する。
【００２４】
図３に示す実施形態では、管状トーチ本体１２およびプラズマ閉込管２６は、同軸上にあり、共通の幾何学的軸を定める。
【００２５】
また、ガス分配器ヘッド２８は、中間管３６を含む。中間管３６は、プラズマ閉込管２６よりも短く、直径が小さい。また、中間管３６は、円筒形であり、トーチ本体１２、プラズマ閉込管２６、および誘導コイル１４と同軸上にあり得る。したがって、円筒状キャビティ３７が、中間管３６とプラズマ閉込管２６との間に画定される。
【００２６】
ガス分配器ヘッド２８は、粉末注入プローブ構造体４０が取り付けられる中央開口部３８を設けられる（図４も参照）。注入プローブ構造体４０は、管２６および３６、誘導コイル１４、およびトーチ本体１２と同軸上にある、少なくとも１つの粉末注入プローブ（図５の実施形態では４２’）を含む。別の実施形態によれば、図３および図４は、管２６および３６の共通の幾何学的軸に沿って、これらの管２６および３６内に延び中央に集まる（図４）、３つの粉末注入プローブ４２を示す。
【００２７】
粉末およびキャリアガスは、プローブ（複数可）４２、４２’を通してプラズマトーチ１０に注入される。キャリアガスによって輸送されプラズマ閉込管２６に注入される粉末は、当技術分野で知られているように、プラズマによって溶融または気化される材料を構成する。
【００２８】
ガス分配器ヘッド２８は、円筒状キャビティ３７にシースガスを注入しプラズマ閉込管２６の内側表面全体にわたってシースガスの長手方向の流れを起こすのに適した導管（図示せず）を含む。また、ガス分配器ヘッド２８は、中央ガスを中間管３６の内側に注入し、この中央ガスの接線方向流を起こすために導管４４を含む。これらのシースガスおよび中央ガスの機能は、誘導プラズマトーチの技術分野においてよく知られており、したがって、本明細書に説明しない。
【００２９】
たとえば約１ｍｍの厚さの薄い環状チャンバ４５が、プラズマ閉込管２６の外側表面と管状トーチ本体１２の内側表面との間に形成される。より具体的には、環状チャンバ４５は、プラズマ閉込管２６の前記外側表面および管状トーチ本体１２の内側表面を小さい公差で加工することによって作られる。脱イオン冷却水などの冷却流体は、薄い環状チャンバ４５に供給され、内側表面がプラズマの高温に曝されるプラズマ閉込管２６を効率的に冷却するためにチャンバ４５を高速で流れる。より具体的には、冷却流体は、プラズマによって生成される熱に曝される出口ノズル２２の内側表面を効率的に冷却するために、この出口ノズル２２に達する、トーチ本体１２内の一連の円筒状チャネル（図示せず）を流れるように、ガス分配器ヘッド２８内の入口（図示せず）を介して供給され得る。その際、冷却流体は、薄い環状チャンバ４５を通して、プラズマ閉込管２６の外側表面に加工された上述の軸方向溝内を高速で上向きに流れ、したがって、ガス分配器ヘッド２８のレベルにおいて最終的にトーチを出る前に、内側表面がプラズマからの高熱に直接曝されるプラズマ閉込管２６を効果的に冷却する。
【００３０】
動作中、プラズマ閉込管２６内にＲＦ磁場を生成するために誘導コイル１４にＲＦ電流を供給することによって、誘導結合プラズマが、点火、生成、および維持される。ＲＦ磁場は、プラズマ閉込管２６内のイオン化されるガス物質に渦電流を誘導し、ジュール加熱を通して、安定なプラズマが、点火、生成、および維持される。プラズマの点火を含む、誘導プラズマトーチの動作は、当業者にはよく知られていると思われ、そのため、本明細書にさらには説明しない。
【００３１】
プラズマ閉込管２６は、様々な添加物および充填物を含む、たとえば、焼結されたもしくは反応結合した窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、およびアルミナ、またはそれらの任意の組合せに基づくセラミック材料、すなわち純粋なセラミック材料または複合セラミック材料のいずれかから作られ得る。このセラミック材料は、高密度であり、高い熱伝導率、高い電気抵抗率、および高い熱衝撃抵抗性によって特徴付けられる。
【００３２】
プラズマ閉込管２６の材料が高い熱伝導率を示すとき、環状チャンバ４５を流れる冷却流体の高い速度は、プラズマ閉込管２６を適切に冷却するのに適し、かつ要求される高い熱伝達率をもたらす。以後、図６、図７、および図８を参照してより詳細に説明するように、プラズマ閉込管２６の外側表面の、側方に隣接する上述の一連の軸方向溝の追加は、利用可能な熱伝達面の増加を通して、また溝の底部において管２６の壁の有効厚さを低減することによってプラズマ閉込管２６の冷却を高める。プラズマ閉込管２６の外側表面の集中的で効率的な冷却は、石英から作られた閉込管を含む標準的なプラズマトーチ内に通常必要とされるものよりも低いガス流量ではるかに高い出力密度のプラズマを生成することを可能にする。次に、これは、プラズマトーチの出口においてガスのより高い比エンタルピレベルをもたらす。
【００３３】
図５は、プラズマトーチ１０’が１つの中央粉末注入プローブ４２’しか含まない相違点がある、上述の図３および図４のプラズマトーチ１０と同様のプラズマトーチ１０’を示し、したがって、プラズマトーチ１０’は、他のすべての要素がプラズマトーチ１０と同様であることをさらに説明する必要がない。
【００３４】
容量性シールド部５０が、プラズマ閉込管２６の外側表面に施される。
【００３５】
容量性シールド部５０は、たとえば、プラズマ閉込管２６の外側表面をコーティングする導電材料の薄膜の堆積を通して施され得る。導電材料は、銅、ニッケル、金、もしくはプラチナなどの金属材料、または他の金属であり得る。膜の厚さは、容量性シールド部５０によってもたらされる磁気結合エネルギー損失を低減するために、印加されるＲＦ磁場の周波数および膜の導電材料の電気伝導率に関して計算される表皮厚さよりも小さく、その結果、それに応じて、トーチ効率の増加をもたらす。一般に、膜の厚さは、１００ミクロン以下である。１つの実施形態では、膜の厚さは、約１００ミクロン〜約１０ミクロンまでの範囲に位置する。別の実施形態では、膜の厚さは、１０ミクロン〜１ミクロンまでの範囲である。さらに別の実施形態では、膜の厚さは、１ミクロンよりも小さい。
【００３６】
表皮厚さは、次のように定義され得る。表皮効果は、電流密度が導体の表面近傍で最も大きく、深くなるほど減少していくように導体内を流通する、交流電流の傾向である。電流は、外側表面と、表皮厚さと呼ばれレベルとの間の、導体の「表皮」を主として流れる。表皮効果は、表皮厚さがより小さく、したがって導体の有効断面積を低減する、より高い周波数で増加する、導体の実効抵抗値をもたらす。
【００３７】
【数１】
2016192408.tif 000003
【００３８】
ここで、
ξ０＝自由空間の透磁率＝４πｘ１０−７（Ｈ／ｍ）または（Ｖ．ｓ／Ａ．ｍ）
σ＝容量性シールド材料の電気伝導率（ｍｈｏ／ｍ）または（Ａ／Ｖ．ｍ）
ｆ＝発振器周波数（ｓ−１）
【００３９】
環状チャンバ４５を流れるトーチ冷却流体と直接接触する、プラズマ閉込管２６の外側表面上への容量性シールド部５０の堆積は、容量性シールド部５０の効率的な冷却およびその長期間の機械的完全性の保護を確実にする。
【００４０】
図３〜図５に示すように、容量性シールド部５０を形成する導電材料の膜の電磁結合をできる限り防ぐために、膜は、狭く側方に隣接する複数の軸方向ストリップ５１を形成することによって分割される。ストリップ５１は、隣接する軸方向ストリップ５１の各対の間の間隔が等しい状態で、管２６の長さのほとんどにわたってプラズマ閉込管２６の外側表面上を軸方向に延びる。すべての軸方向ストリップ５１は、一方の端部において、より具体的には、プラズマ閉込管２６の上端部において電気的に相互接続される。
【００４１】
プラズマの点火を可能にするために、プラズマ点火が達成されるまで、容量性シールド部５０を浮動電位に維持するための手段が提供され得る。プラズマは、点火され、生成され、維持されるとき、容量性シールド部５０をその上端部でグランドに接続するための手段が提供され、すべての軸方向ストリップ５１は、容量性シールド部５０を形成する膜の表面上に発現する任意の容量性電位（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）を排出するために相互接続される。
【００４２】
容量性シールド部５０を形成する導電材料の膜が、側方に隣接するストリップ５１’の各対の間の間隔が等しい状態で、側方に隣接する複数の軸方向ストリップ５１’とともに形成される別の実施形態では、プラズマ閉込管２６の外側表面は、軸方向ストリップ５１’間に配置された、参照番号５１０の上述の軸方向溝を形成するために加工される。より具体的には、軸方向溝の１つは、側方に隣接する軸方向ストリップ５１’の各対の間の空間を占有する。図６および図７に示すように、この実施形態では、軸方向溝５１０は、導電膜によって覆われておらず、軸方向ストリップ５１’および軸方向溝５１０は、誘導コイル１４のレベルにおいてプラズマ閉込管２６の外側表面上に長手方向に配置される。軸方向ストリップ５１’のすべては、管２６の上端部で電気的に相互接続される。軸方向ストリップ５１’および軸方向溝５１０を有するプラズマ閉込管２６を含むプラズマトーチ１０”が図８に示される。
【００４３】
プラズマ閉込管２６の外側表面の長さのほとんどに沿って、または誘導コイル１４のレベルにおいて軸方向ストリップ５１または５１’内に容量性シールド部５０を形成する導電材料の膜の分割は、誘導コイル１４によって生成されるＲＦ磁場と、プラズマ閉込管２６内のプラズマとの結合も大幅に改善し、容量性シールド部５０によってもたらされる磁気結合エネルギー損失も大幅に低減し、その結果、それに応じて、トーチ効率の増加をもたらす。
【００４４】
軸方向溝５１０は、軸方向溝５１０の内側表面と、環状チャンバ４５を高速で流れる冷却流体との間の熱交換を改善するために、プラズマ閉込管２６の壁の厚さを低減し、熱伝達表面積を拡張する。より具体的には、プラズマ閉込管２６の壁厚さが、軸方向溝５１０間の壁厚さと比較して軸方向溝５１０の底部において薄いので、溝５１０の底部における表面と、冷却流体との間の熱交換は、より大きくなり、プラズマ閉込管２６から高速冷却流体への熱伝達の増加をもたらす。プラズマ閉込管内の対応する温度場パターンは、図９および図１０に示される。
【００４５】
また、プラズマ閉込管２６の外側表面内に加工される軸方向溝５１０は、プラズマ閉込管２６の壁内への冷却流体のより深い侵入を可能にすることによって、容量性シールド部５０の軸方向ストリップ５１’を形成する導電材料の膜のより良い絶縁をもたらす。
【００４６】
プラズマ閉込管の材料が高い熱伝導率によって特徴付けられるので、薄い環状チャンバ４５を流れる、したがってプラズマ閉込管２６の外側表面内に加工された軸方向溝５１０内を流れる冷却流体の高い速度は、高い熱伝達率をもたらす。プラズマ閉込管２６の外側表面のこの集中的で効率的な冷却は、より低いガス流量ではるかに高い出力／エネルギー密度のプラズマを生成することを可能にする。また、これは、プラズマトーチの出口においてガスのより高い比エンタルピレベルをもたらす。
【００４７】
上記の機能を満たすために、プラズマ閉込管２６の外側表面の個々の溝５１０は、１ｍｍ〜１０ｍｍの間で変化し得る幅、および１ｍｍ〜２ｍｍの間で変化し得るが、プラズマ閉込管２６の全体厚さを超えない深さを有する。
【００４８】
別の可能な構成によれば、容量性シールド部５０の導電材料の膜は、分割されているか否かにかかわらず、プラズマ閉込管２６を取り囲み誘導コイル１４が埋め込まれたトーチ本体１２の内側表面上に堆積されるなど、トーチ本体１２の内側表面に施されている。また、軸方向溝は、以上に説明した、プラズマ閉込管２６の外側表面上と同様に、導電材料の膜の軸方向ストリップ間の管状トーチ本体１２の内側表面に加工され得る。この構成では、容量性シールド部５０の導電材料の膜は、容量性シールド部５０の熱保護ならびに機械的および電気的完全性を確実にするために、環状チャンバ４５内を流れるトーチ冷却流体によってもたらされる冷却効果から等しく利益を得る。また、プラズマ点火のために容量性シールド部５０を浮動電位に維持するための手段が提供され得、容量性シールド部５０上に、その膜の表面上に発現する任意の容量性電位を排出するために容量性シールド部５０をグランドに接続するための手段が提供される。
【００４９】
薄膜容量性シールド部５０の機能は、プラズマと、プラズマトーチ内の金属構成要素、その出口ノズル、および／またはプラズマトーチが取り付けられるリアクタデバイスとの間のアークストライクを防ぐことである。また、容量性シールド部５０は、粉末材料をプラズマ放電内により十分に分散させるために、図３および図４に示すようにトーチ内側キャビティ１３に複数の粉末注入プローブ４２を導入することを可能にする。
【００５０】
たとえば、薄膜容量性シールド部５０は、誘導コイル１４と粉末注入プローブ４２との間のアーク発生の可能性を防ぎ、その際、粉末注入プローブ４２は、図２に示すようにプローブがトーチ内の中央に同軸上に配置される場合と比較して、プラズマ閉込管２６の内側壁の極めて近くに配置され得る。
【００５１】
誘導コイル１４がトーチ本体１２の材料内に完全に埋め込まれているとき、誘導コイル１４とプラズマ閉込管２６との間のスペースは、誘導コイル１４とプラズマとの間のエネルギー結合効率を改善するように正確に制御され得る。これは、誘導コイル１４によってもたらされるどんな干渉もなく、環状チャンバ４５の厚さの正確な制御も可能にし、この制御は、トーチ本体１２の内側表面およびプラズマ閉込管２６外側表面を小さい公差で加工することによって得られる。
【００５２】
プラズマ閉込管２６の品質は、高い熱伝導率、高い電気抵抗率、および高い熱衝撃抵抗性の要件に緊密に関連する。本開示は、セラミック材料の使用に限定されず、上記の厳しい要件を満たすならば、純粋または複合的な他の材料の使用も含む。たとえば、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、またはアルミナ複合材料は、可能な代替物を構成する。
【００５３】
環状チャンバ４５の小さい厚さ（約１ｍｍ）は、薄い環状チャンバ４５を通る冷却流体、したがってプラズマ閉込管２６の外側表面または管状トーチ本体の内側表面全体にわたる冷却流体の速度を増加させる役割を果たし、それによって、高い熱伝達率に達する。より具体的には、冷却流体の品質およびプラズマ閉込管２６の外側表面全体にわたる冷却流体の速度は、この管２６の効率的な冷却、およびプラズマによって管２６が曝される高い熱流束に対する管２６の保護を実行するために選択される。
【００５４】
上記の説明は、非限定的な例示的実施形態を述べてきたが、これらの実施形態は、本開示の趣旨および本質から逸脱することなく、添付の特許請求の範囲の範囲内で変更され得る。
【符号の説明】
【００５５】
１０  誘導プラズマトーチ
１２  管状トーチ本体
１４  誘導コイル
２６  プラズマ閉込管
３２  ガス分配器ヘッド
４２  粉末注入プローブ
５０  容量性シールド部
５１  軸方向ストリップ
５１０  軸方向溝
【図１】
2016192408.tif 000004
【図２】
2016192408.tif 000005
【図３】
2016192408.tif 000006
【図４】
2016192408.tif 000007
【図５】
2016192408.tif 000008
【図６】
2016192408.tif 000009
【図７】
2016192408.tif 000010
【図８】
2016192408.tif 000011
【図９】
2016192408.tif 000012
【図１０】
2016192408.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成28年6月20日(2016.6.20)
【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】
誘導プラズマトーチに使用するためのプラズマ閉込管であって、
前記プラズマ閉込管は、熱伝導性及び電気抵抗性の材料から製造されており、幾何学的軸および外側表面を画成し、
前記外側表面に施され一方の端部において相互接続された軸方向ストリップに分割された導電材料の膜を含む容量性シールド部と、
前記熱伝導性及び電気抵抗性の材料を通じた前記プラズマ閉込管の前記外側表面の軸方向溝であって、前記軸方向ストリップ間に配置される軸方向溝と、
を含み、
前記軸方向溝は、熱伝達表面積を通じた熱交換を改善するために、前記プラズマ閉込管の厚さを減少させ、且つ前記軸方向ストリップの間で前記プラズマ閉込管の前記外側表面の前記熱伝達表面積を拡張しており、
前記プラズマ閉込管の前記熱伝導性及び電気抵抗性の材料における前記軸方向溝は、前記導電材料の膜の前記軸方向ストリップ間の絶縁を改善することを特徴とするプラズマ閉込管。
【請求項２】
前記軸方向溝の１つは、側方に隣接する軸方向ストリップの各対の間に配置されることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ閉込管。
【請求項３】
前記軸方向溝は、導電材料の前記膜を含まない表面を画定することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ閉込管。
【請求項４】
前記軸方向溝は、１ｍｍ〜１０ｍｍの幅および１ｍｍ〜２ｍｍの深さを有することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ閉込管。
【請求項５】
内側表面を有する管状トーチ本体と、
熱伝導性及び電気抵抗性の材料から製造されたプラズマ閉込管であって、前記管状トーチ本体内に前記管状トーチ本体と同軸上に配置され、外側表面を有するプラズマ閉込管と、
前記プラズマ閉込管の一方の端部に配置され、前記プラズマ閉込管内に少なくとも１つの気体状物質を供給するように構成されたガス分配器ヘッドと、
前記プラズマ閉込管内にプラズマを生成および維持するのに前記気体状物質にエネルギーを加えるために前記管状トーチ本体内に埋め込まれた誘導結合部材と、
前記プラズマ閉込管の前記外側表面上または前記管状トーチ本体の前記内側表面上の導電容量性シールド部であって、前記導電容量性シールド部は軸方向ストリップに分割され、前記軸方向ストリップは一方の端部において相互接続される、導電容量性シールド部と、
前記プラズマ閉込管の前記熱伝導性及び電気抵抗性の材料を通じた前記プラズマ閉込管の前記外側表面における、または前記管状トーチ本体の材料を通じた前記管状トーチ本体の前記内側表面における軸方向溝であって、前記軸方向ストリップ間に配置された軸方向溝と、
を含むことを特徴とする誘導プラズマトーチ。
【請求項６】
前記軸方向溝の１つは、側方に隣接する軸方向ストリップの各対の間に配置されることを特徴とする請求項５に記載の誘導プラズマトーチ。
【請求項７】
前記軸方向溝は、前記導電容量性シールド部を含まない表面を画定する、請求項５に記載の誘導プラズマトーチ。
【請求項８】
前記軸方向溝は、１ｍｍ〜１０ｍｍの幅および１ｍｍ〜２ｍｍの深さを有することを特徴とする請求項５に記載の誘導プラズマトーチ。
【請求項９】
前記導電容量性シールド部は導電材料の膜を含み、前記導電材料の膜は、前記プラズマ閉込管の前記外側表面上に堆積される、請求項５に記載の誘導プラズマトーチ。
【請求項１０】
前記導電容量性シールド部は、金属材料から作られることを特徴とする請求項５に記載の誘導プラズマトーチ。
【請求項１１】
前記プラズマ閉込管は、純粋または複合的なセラミック材料から作られることを特徴とする請求項５に記載の誘導プラズマトーチ。
【請求項１２】
導電材料の前記膜は、１００ミクロン以下の厚さを有することを特徴とする請求項９に記載の誘導プラズマトーチ。
【請求項１３】
前記導電容量性シールド部および前記プラズマ閉込管の両方を冷却するための冷却流体の流れを導くのに、前記プラズマ閉込管の前記外側表面と前記管状トーチ本体の前記内側表面との間の環状チャンバを含む、誘導プラズマトーチであって、前記冷却流体は前記軸方向溝内にも流れることを特徴とする請求項５項に記載の誘導プラズマトーチ。
【請求項１４】
前記環状チャンバは、約１ｍｍの厚さを有することを特徴とする請求項１３に記載の誘導プラズマトーチ。
【請求項１５】
プラズマ点火中に前記導電容量性シールド部を浮動電位に維持するための手段と、前記プラズマが点火され、維持されるとき、前記導電容量性シールド部上に発現する任意の容量性電位を排出するために前記導電容量性シールド部をグランドに接続するための手段とを含むことを特徴とする請求項５に記載の誘導プラズマトーチ。
【請求項１６】
誘導プラズマトーチに使用するための管状トーチ本体であって、前記管状トーチ本体はその内に埋め込まれた誘導結合部材を備えており、幾何学的軸および内側表面を画成し、
前記管状トーチ本体の前記内側表面上の導電容量性シールド部であって、一方の端部において相互接続された軸方向ストリップに分割された導電容量性シールド部と、
前記管状トーチ本体の材料を通じた前記管状トーチ本体の前記内側表面の軸方向溝であって、前記軸方向ストリップ間に配置される軸方向溝と、
を含むことを特徴とする管状トーチ本体。
【請求項１７】
前記軸方向溝の１つは、側方に隣接する軸方向ストリップの各対の間に配置されることを特徴とする請求項１６に記載の管状トーチ本体。
【請求項１８】
前記軸方向溝は、前記導電容量性シールド部を含まない表面を画定することを特徴とする請求項１６に記載の管状トーチ本体。
【請求項１９】
前記軸方向溝は、１ｍｍ〜１０ｍｍの幅および１ｍｍ〜２ｍｍの深さを有することを特徴とする請求項１６に記載の管状トーチ本体。
【外国語明細書】
2016192408000001.pdf