(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外側管（１０）と、中間管（１４）と、中央噴射器（１６）とを含む誘導プラズマトーチであって、
前記中央噴射器（１６）が、少なくとも１つの中央リアクティブ噴射管（２０、２１）及び１つの周囲被覆管（２２）を備えており、該少なくとも１つの中央リアクティブ噴射管（２０、２１）及び該１つの周囲被覆管（２２）は同心であって、互いの間に環状の空間を形成しており、
プラズマガスと同じ性質のガスが、層流を得るに適する状態で前記中央リアクティブ噴射管（２０、２１）と前記周囲被覆管（２２）との間の前記環状の空間に噴射され、該ガスの流れは、前記トーチの中央プラズマ領域に達するまで層流の状態を維持し、該周囲被覆管は、前記外側管の外側を取り囲む誘導コイル（１２）の最初の巻き付け部の高さに位置しており、該中央リアクティブ噴射管の端は、該周囲被覆管の端よりもわずかに凹んでおり、該中央リアクティブ噴射管により、層流の状態を維持したプラズマガスと同じ性質の該ガスの流れによって全てが被覆されるリアクティブガスの乱流が形成されることを特徴とする誘導プラズマトーチ。
【請求項２】
タングステンその他の耐熱材料の微粒子粉末を形成するために、アルゴン及び窒素の混合気で構成された搬送ガスと共にタングステンその他の耐熱材料の冶金粉末を前記中央リアクティブ噴射管の中に噴射し、前記環状の空間にアルゴンを送ることを特徴とする請求項１に記載の誘導プラズマトーチを使用する方法。
【請求項３】
前記中央リアクティブ噴射管内の流れは１３_ｌ／ｍｉｎのオーダであり、前記中央リアクティブ噴射管と前記周囲被覆管との間の前記環状の空間内の流れは１２_ｌ／ｍｉｎのオーダであり、前記中央噴射器と前記中間管との間の環状の空間内の流れは１４_ｌ／ｍｉｎのオーダであり、該中間管と前記外側管との間の環状の空間内の流れは７５_ｌ／ｍｉｎのオーダであることを特徴とする請求項２に記載の誘導プラズマトーチを使用する方法。
【請求項４】
微粒子アルミナ粉末を製造するために、前記中央リアクティブ噴射管（２０）内に搬送ガスと共にアルミニウム粉末を、及び周囲被覆管（２１）内に酸素を噴射し、該中央リアクティブ噴射管と該周囲被覆管との間の環状の空間にアルゴンを送ることを特徴とする請求項１に記載の誘導プラズマトーチを使用する方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は、誘導プラズマトーチに関する。詳細には、試薬（リアクティブ）の噴射の結果、生成物及び材料を高温度のプラズマに加工するプラズマトーチの使用に関する。
このようなシステムは、例えば仏国特許第２，７１４，３７１号（Cabloptic SA）に記載されている。この特許は、詳細には、小球にシリカを形成することを目的とする。この特許において、プラズマトーチは、外側管、中間管及び中央噴射器を含む。外側管と中央管との間に、例えば酸素ようなプラズマガスが噴射される。中間管と噴射器との間に、例えばアルゴンのような中性ガスが提供される。噴射器は、例えばＳｉＣｌ4及びＯ2のような試薬（リアクティブ）生成物がその中に噴射される中央管を含み、該中央噴射器管は別の管で囲まれている。この別の管と中央管との間に、例えばアルゴンのような被覆ガスが噴射される。被覆ガスの正確な働きは明らかではない。それは、噴射器管の端において、試薬（リアクティブ）ガスから形成された生成物の新しいデポジションを避けようとしていると考えることもできる。噴射器を、プラズマ形態の領域よりも明らかに凹ませる。
本発明は、例えばタングステンその他の耐熱材料又はアルミニウムのような超微粒子粉末を製造するために、プラズマトーチを使用することを目的とする。冶金粉末から超微粒子粉末を製造するために、噴射された生成物が、コア若しくはプラズマの中央領域を介して十分な時間で移動することが必要となる。これには問題が生じる。それは、電気的に誘導するプラズマに作用する電磁力（Laplace力）のために、射出のガスの流れが、プラズマの周囲で直接（噴射口へ）下流し、軸領域内で直接上流する。このような再循環は、プラズマ内に噴射される物質を周囲に向かって送ろうとする。プラズマの軸領域を通るリアクティブを強めるために、噴射ガスの速度を増加する。しかし、噴射の流れの縁にある物質は、周囲のプラズマへ向かって再循環によって扱われる。これは、結果として、噴射された粉末の処理の不均衡となる。従って、既存の粉末溶解装置（球状、高密度化・・・）では、不規則に処理された粉末が得られ、そのいくつかは小さく且つ尖った球状になり、その他のものは傾いた形状を維持し、使用に不適切なものを作る。例えば、５０μｍのオーダの径を有する冶金タングステン粉末が導入され、球状（及び溶解される）又は微粒子（及び全体の発散に起因する）の５０％〜７０％の歩留まりしか、既存の方法では得られないことが明らかである。
従って、本発明は、冶金粉末を細かい粒子の粉末へ変換する効率性を改善し、又はガス状の前駆物質から細かい粒子の粉末を製造する、プラズマトーチの構造とそれらの応用とを目的とする。
これらの目的を達成するために、本発明は、外側管と、中間管と、少なくとも１つの中央リアクティブ噴射管及び１つの周囲被覆管を含む中央噴射器とを有する誘導プラズマトーチを提供する。プラズマガスと同じ性質のガスが、層流を得るに適する状態の中で中央管と被覆管との間の空間に噴射され、この流れは、トーチの中央プラズマ領域に達するまで層を維持する。被覆管は、誘導コイルの最初の巻き付け部の高さに実質的に位置する。
本発明はまた、タングステンその他の耐熱材料の微粒子粉末を形成するために、アルゴン及び窒素の混合気のような搬送ガスと共にタングステンその他の耐熱材料の冶金粉末を中央噴射管に噴射し、別のガス噴射の環はアルゴンを送る、前述したプラズマトーチを使用する方法を目的とする。
中央管の端を、被覆管の端よりもわずかに凹ませることが好ましい。
本発明はまた、微粒子アルミニウム粉末を製造するために、中央噴射管内にアルゴン及び水素の混合気のような搬送ガスと共にアルミニウム粉末を、及び周囲管内に酸素を噴射し、別のガス噴射の環にアルゴンを送る、前述したプラズマトーチを使用する方法を目的とする。
前述した本発明の目的、特徴及び効果は、添付図面についての特定の実施形態における以下の限定しない記載の中で、詳細に説明する。
図１は、誘導プラズマトーチの概略的な構成図である。
図２は、本発明による単一噴射器の構成図である。
図３は、本発明による二重噴射器の構成図である。
図１に表されたように、プラズマトーチ装置は、誘導コイル１２でその周りを巻かれた外側管１０を含む。中間管１６は外側管内に構成され、噴射器１６は中間管内に構成される。Ｄ１０は外部管１０の内径を示し、Ｄ１４ｅは中間管１４の外径を示し、Ｄ１４ｉは中間管１４の内径を示す。Ｈｉは、中間管１４の端に対する、フレーム側面の噴射器の端の凹みを示す。Ｈａは、中間管の端と誘導コイル１２の第１の巻きとの間の間隔を示す。Ｑｐは外側管１０と中間管１４との間のガスの流れを示す。Ｑａｕｘは、中間管１４と噴射器１６との間のガスの流れを示す。簡単な実施形態として、トーチは、中間管を含まなくてもよく、この場合、副流Ｑａｕｘは存在しない。
この場合、プラズマトーチは、（４ｋＷ以下の）低電力であり、非冷却シリカから作られてもよく、２５ｍｍのオーダの内径Ｄ１０を有する。例えば１００ｋＷのオーダの高電力に対して、約５０ｍｍ以上の内径Ｄ１０を有するのが好ましい冷却管が、管１０に対して選択される。
本発明は、詳細には、噴射器構造と誘導コイルに対するその構成とに関する。
図２は、噴射器１６がその中に単一中央噴射器管２０を含む本発明の第１の実施形態を表す。ガスの流れＱｉを提供する噴射器自身は被覆管２２で囲まれており、ガスの流れＱｓは管２０と２２との間に提供される。
図３の実施形態において、噴射器自身は、２つの内部同心円管２０及び２１と被覆管２２とを含む二重流噴射器である。従って、以下の例で理解されるように、リアクティブ成分を、ガスの流れＱｉ及びＱｒに従って、内部管の各々に噴射することができる。図２及び図３において、中央管は、噴射器の下流側端に対して凹みＨ１を有することも好ましい。
本発明の主な見地によれば、内部管２０内、又は２０及び２１内に噴射された生成物を流すためだけに用いられる被覆ガス又は犠牲ガスの流れＱｓは、被覆管２２と直ぐ内側の管２０（図２）又は２１（図３）との間を流れる。大きさ、流量率及び速度は、犠牲ガスの流れが層流となるように選択される。しかしながら、特に図３の場合において、ガスの流れＱｉは、被覆の流れＱｓの層を変更することなく、流れＱｒと適切に混合するために乱流となるのが好ましい。
本発明の様相によれば、図１に指示された間隔Ｈｉ及びＨａは、実質的に零となるように選択される。即ち、噴射器は誘導コイル１２の最初の巻き付け部の高さに実質的に位置する。そのとき、犠牲ガスの流れＱｓは、トーチの軸領域のプラズマ領域に達するようにリアクティブ生成物を効果的に方向付けることができる。噴射器とプラズマとの間の結合の外乱を制限することを望むならば、犠牲ガスは、プラズマガスと同じ性質のものが選択される。
本発明による噴射器を使用する方法の例が、以下に示されている。
例１−冶金粉末から、非常に細かい粒子で楕円状のタングステン粉末を製造する方法
トーチは内径Ｄｉ＝４８ｍｍであり、内径４０ｍｍ及び内径３６ｍｍの中間管１４が用いられる。図２のタイプの単一噴射器が用いられ、噴射管２０の内径は５ｍｍのオーダである。犠牲ガスが流れる環は、６ｍｍのオーダの内径と、８ｍｍのオーダの外径とを有する。
以下の表は、事前に規定された流れＱｐ、Ｑａｕｘ、Ｑｓ及びＱｉの特定の状態の一例である。Ｖは所定の流れの速度を示し、Ｒｅはこの流れに対応するレイノルド数を示す。
0004320790.tif 000002
層状態と乱状態との間の移動は、２０００のオーダのレイノルド数の値に対して、管内に発生する。それは、異なるガスの再結合の前に、（中央管以外の）状態が層状態となることが理解できる。
パラメータＨｉ、Ｈａ及びＨｌは、Ｈｉについて０ｍｍ〜１ｍｍの値を、Ｈａについて０ｍｍの値を、Ｈｌについて５ｍｍの値をそれぞれ有する。炉電力は５０ｋＷである。中央管内のタングステン粉末の流量率は、６００ｇ／ｈである。従来のシステムにおける５０％〜７０％のオーダの変換速度と比較して、９５％のオーダの変換速度が観測される。この変換速度は、値Ｈａが増加する際に高速に下がり、Ｈａが１５ｍｍに達した際に７０％よりも大きくならない。
例２−非常に細かい粒子で且つ純粋なアルミニウム粉末を製造する方法
実現すべき所望の反応は、反応２Ａｌ＋３／２Ｏ2→Ａｌ2Ｏ3である。このために、粉末及び酸素が均質に混合されることが望ましい。但し、噴射器の噴射口の高さでのみ混合される。
粉末は、アルゴン及び水素の混合気を搬送噴射ガスとして用いて噴射される。リアクティブガスは酸素である。水素の働きは、生成力を増加するために熱導電率を増加することである。それは、アルミニウムと反応しないために用いることができ、この場合では窒素である。混合気を改善するために、中央噴射管を、乱領域を作るために周囲噴射管よりも凹ます。しかしながら、その乱流は、全てのリアクティブガスが層流によって効果的に被覆されるように弱い。
以下の表は、事前に規定された流れＱｐ、Ｑａｕｘ、Ｑｓ、Ｑｒ及びＱｉの特定状態の一例である。
0004320790.tif 000003
パラメータＨｉ、Ｈａ及びＨｌは、Ｈｉについて０〜１ｍｍの値を、Ｈａについて０ｍｍの値を、Ｈｌについて１０ｍｍの値をそれぞれ有する。炉電力は４５ｋＷである。中央管内のアルミニウム粉末の流量率は９００ｇ／ｈである。従って、アルミニウムを非常に細かい粒子の粉末へ完全に変換することが観測される。しかしながら、Ｈａが１０〜１５ｍｍのオーダの値に達するとすぐに、未処理のアルミニウム粒子が、もはや完全に純粋ではないアルミニウム粉末と混合することがわかる。
本発明における種々の変更、修正及び改良は、当業者によれば容易にできる。前述したように、この解決策が好ましいけれども、被覆ガスはプラズマガスと同じである必要はない。
ガスの流れと同様に、噴射管の大きさ及び位置は、考えられる用途に従って選択される。現在、２つの主な用途のカテゴリが存在する。これは、（例えば球状又は高密度化のような）非化学変換を有する粉末の物理的処理と、化学反応を含む粉末の生成とである。化学変換の場合、できる限り粉末の発散を制限するために、単一噴射器と噴射及び被覆の層流とが選択される。噴射ガスの性質は、粉末との化学的な互換性と、所望の熱導電率とに従って選択される。粉末の発散を制限するために、Ｈｌは０に等しいのが好ましい。化学変換の場合、リアクティブのいくつかが最後の瞬間で一緒に混合されるだけにしなければならない（例えば水素及び酸素）ならば、二重噴射器が選択される。被覆のガスの流れは、層流となる。リアクティブの混合気を改善するために、高いＨｌは、環２１の径よりも１０倍まで大きくすることができ、従って前段混合チャンバを生成する。このチャンバのガスの状態は、リアクティブの混合を改善するために乱流となる。
管２０及び２１について、それら端で再循環領域の形成を避けるために機械的及び構造的な制約があるならば、できるだけ小さい厚さが選択される。
一般的な前述した基準に従って径及び流れを選択するために、ガスの流れの各々に対する速度及びレイノルド数の計算を可能にする従来の公式が用いられる。より正確な大きさについて、Fluent、又はプラズマテクノロジのリサーチセンタ（ＣＲＴＰ，Faculte des Sciences Appliquees，Sherbrooke，Quebec，J1K 2R1，Canada）で販売されている誘導プラズマシミュレーションプログラムのようなのような商用の計算プラグラムが、噴射器又は前段混合チャンバの内部のために用いられる。
【図１】
0004320790.tif 000004
【図２】
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【図３】
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