JPH06290896A - 高周波プラズマヒータおよびその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】減圧装置（真空ポンプや真空チャンバ）を不要
とし、多量の超高温ガスを得るため、常圧で高周波無極
放電によりプラズマを発生させ、プラズマを保持しなが
らプラズマトーチ内の圧力を高めて、ガス流速を著しく
増すことなく多量の超高温ガスを得る。 【構成】プラズマトーチ２にコロナ放電電極１１を設
け、微小な放電を生じさせそこへマイクロ波電界変換器
８で高周波電力を重畳し、放電部１にプラズマを発生
し、それを保持しながら供給ガス圧力を上げ、超高温ガ
スを得る。 【効果】効率よく多量の純度の高い超高温ガスを、少な
い設備コストで得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高周波プラズマヒータ
およびその運転方法に係り、特に、純度の高い高温ガス
を供給できる高周波プラズマヒータおよびその運転方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】高周波プラズマヒータは、ガス（空気を
含む）を超高温度(〜１０⁴Ｋ）に加熱できるため、宇宙
用耐熱材料の開発試験や、超高温空気力学の研究に使用
される他に、実用的応用として、金属の溶融、石炭のガ
ス化、超高温度を利用した安定物質のフロンやＰＣＢの
分解および無毒化、産業廃棄物の高温処理に適用されて
いる（“A SPACE-AGE FLAME FOR LYON．REVUE AEROSPAT
IAL．”Nov.１９９２ No.９３．参照）。

【０００３】宇宙用耐熱材料の開発やフロン、ＰＣＢの
分解では、空気中に含まれる酸素分子を超高温にして原
子状酸素にして活性化し、材料の侵蝕試験や原子状酸素
によるフロン、ＰＣＢの分解を進行させるために、長時
間にわたって多量の空気を超音温(〜１０⁴Ｋ）にする必
要がある。特に、宇宙用耐熱材料の開発や超高温空気力
学の研究用風洞では、不純物を含まない超高温空気を、
長時間大量に供給する必要がある。

【０００４】しかし、通常の燃焼では、３５００℃程度
が限度であって、それより高温のガスを得ることは困難
である。

【０００５】そこで、このような超高温ガスを得るた
め、従来は、アーク放電を利用したアークプラズマヒー
タが使われてきた。アークプラズマヒータは、通常、直
流電源に接続された、棒状の陰極電極と、それを内包
し、内側にプラズマ化されるガスを流すノズル状の陽極
電極とから構成され、アーク放電をその両電極間に発生
される。

【０００６】発生したアーク放電によって、陽極に供給
されるそのノズルの間隙から噴出されるガスが超高温に
加熱され、ノズルで拘束され高速で噴出し、その超高温
ガスを直接用いたり、あるいは、そのガスによって披処
理物を加熱する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、アーク放電
は、アーク発生時に、電極の一部が消耗し、その電極の
構成金属材料が高温ガス中に混入するため、純度の高い
超高温ガスを作ることは難しい。さらに、大出力のアー
ク放電は、電極の消耗が激しいため、長時間の連続運転
が困難であり、それに伴う保守作業の繁雑さがある。さ
らに、アークの中心温度が数万度Ｋと高く、そのために
輻射損失が大きくなって熱効率を低下させる欠点があ
る。

【０００８】また、超高温ガスを得るために、核融合、
ＣＶＤ装置、あるいは、人工ダイヤ製造装置などで使用
されている高周波プラズマを、利用することもできる。
しかし、減圧下でプラズマを発生させているため、多量
の超高温ガスを発生させるのは非常に難しい。

【０００９】本発明の目的は、純度が高い１０⁴Ｋ程度
の超高温ガスを、多量かつ長時間にわたって供給するこ
とができる、高周波プラズマヒータおよびその運転方法
を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的は、ガスを一方
から供給し、そのガスが放電によって加熱されることで
プラズマを発生し、さらに、そのプラズマを維持する放
電部を有するプラズマトーチと、プラズマトーチの放電
部へ高周波誘導によって、プラズマに電力エネルギーを
供給する高周波電力供給手段と、プラズマトーチの放電
部へプラズマ化されるガスを供給するプラズマガス供給
手段とを有する高周波プラズマヒータにおいて、プラズ
マトーチの放電部で高周波放電を開始するため、放電部
に補助的放電を発生し、その放電開始電圧を下げるプラ
ズマ着火手段と、プラズマトーチの放電部で発生したプ
ラズマとその内周壁面との間に、ガスを供給するため
に、プラズマトーチ内部に連通して、その外周面に接合
されたシースガス供給路と、シースガス供給路へガスを
供給するシースガス供給手段とをさらに有し、プラズマ
ガス供給手段は、常圧以上のプラズマガスを供給するこ
とを特徴とする高周波プラズマヒータによって達成でき
る。

【００１１】また、上記目的は、上記手段を有する高周
波プラズマヒータの運転方法において、予め定められた
電力の高周波を重畳している放電部に、常圧以上のガス
圧でコロナ放電または沿面放電によってプラズマを起動
し、そこへ常圧以上の予め定められた圧力のガスを流
し、プラズマを発生し、発生したプラズマを維持しなが
ら、高周波電力の供給電力を増やすと共に、プラズマガ
スの供給圧力を順次増加させ、プラズマ起動時よりも高
いプラズマガス供給圧力下において、プラズマを維持す
ることを特徴とする高周波プラズマヒータの運転方法に
よって達成できる。 また、上記目的は、ガスを一方か
ら供給し、そのガスが放電によって加熱されることでプ
ラズマを発生し、さらに、そのプラズマを維持する放電
部を有するプラズマトーチにおいて、プラズマトーチの
放電部で発生したプラズマと放電部の内周壁面との間
に、ガスを流すための、プラズマトーチ内部に連通し
て、外周面の一部に接合されたシースガス供給路を有す
ることを特徴とするプラズマトーチを有するプラズマヒ
ータによって達成できる。

【００１２】

【作用】最初に、ガス圧力と加熱効率に関する原理につ
いて説明する。図１は、空気の温度（横軸）とエンタル
ピー（縦軸）との関係を、いくつかの圧力の空気に対し
て示したグラフである。図１から容易に分かるように、
空気の圧力を高くすると、少ないエンタルピーで空気温
度を高くすることができ、加熱効率がよくなる。例え
ば、２０atm の空気１グラムに４kcalの熱を加えると、
空気温度は約７２００度Ｋとなるが、０.０１ 気圧の空
気１グラムに４kcalの熱を投入しても、空気温度は、約
５２００度Ｋにしかならない。

【００１３】したがって、本発明では、供給するガス圧
力を常圧以上の高圧力にして加熱することで、超高温の
空気を効率良く大量に発生する。

【００１４】次に、本発明における高圧ガスにおいての
高周波プラズマの発生について説明する。一般に、空気
（ガス）中に放電を発生させるためには、パッシェンの
法に示されるように、ガス圧に比例して放電電界強度が
低下し、約１８０Ｖ／ｃｍで最小値をとり、圧力が高く
なるにつれて、放電開始の電界強度が大きくなる。しか
し、実用されている高周波プラズマ発生用電源によって
得られる電界強度は、数百Ｖ／ｃｍから数千Ｖ／ｃｍ程
度であり、この値では、常圧のガス中では放電を開始し
得ない。

【００１５】したがって、本発明では、プラズマトーチ
内の放電部にかけられている高周波電界に重畳して、数
千ボルトから数万ボルト、数ミリアンペア以下の電圧、
電流を加えることで発生したプラズマ起動用の放電によ
って、電離気体の小さな電流流路を生じさせる。する
と、放電部の放電開始電圧は、急激に低下し、数十Ｖ／
ｃｍ以下となる。そのため、その放電部に、高周波電界
あるいは磁界によって誘導された高周波電流が流れ、気
体のイオン化が進行して高周波プラズマが成長する。プ
ラズマガスは、熱膨張により電離気体を拡散させて、ガ
スの加熱体積を増加させてゆく。この過程において、ガ
スの加熱体積、その温度、および、投入高周波電力のバ
ランスをとることによってプラズマを維持するが、その
範囲はかなり広い。

【００１６】図２に示すグラフは、ガスの種類とガス圧
力をパラメータとした場合、プラズマを維持するために
必要な投入電力を、ある寸法のトーチに対して計算した
結果を示す。例えば、周波数１ＭＨｚの高周波電源を用
いたとき、１気圧の空気では、５０〜６０ＫＷ以上の電
力を投入すれば、プラズマはトーチ内で維持することが
でき、１０ＭＨｚの高周波電源を用いれば、７〜８ＫＷ
以上の電力で、１気圧の空気中にプラズマを維持するこ
とができる。これら周波数によるプラズマ維持電力の差
は、主として、ガス中で放電している体積の差による。
つまり、周波数が高くなると、表皮効果によって実効的
な放電部がその表面に限定されるため、ガスを加熱し電
離させる体積が減少するためである。

【００１７】本発明では、このように、常圧程度のガス
で高周波プラズマが発生したのち、プラズマが維持でき
る以上の高周波電力を加え、ガス圧を昇圧することによ
って、常圧以上の高圧ガスを加熱し、超高温の空気を効
率良く大量に発生する。ここで、ガス圧に対応する高周
波入力を、なるべく低く設定すると、全体のガス温度が
低くなり、アーク放電のような輻射損失による効率低下
が防止できる。

【００１８】

【実施例】以下に、本発明の実施例について、図面を参
照して説明する。最初に、本発明を適用したプラズマヒ
ータの一実施例の構造を図８および図３によって説明
し、このプラズマヒータにおけるプラズマトーチの構造
例を二つ、図４と図５によって説明する。その後、図６
を用いてその運転方法を説明し、最後に、本発明の他の
一実施例を図７によって述べる。

【００１９】最初、本発明の一実施例を説明する。本実
施例では、プラズマ着火手段として、コロナ放電装置を
使用し、高周波電力供給手段として高周波電源には、例
えば、２.４５ＧＨｚのマイクロ波を発生するマグネト
ロンを使用する。

【００２０】図８は、本実施例における装置の概要を説
明するブロック図である。図８において、２はプラズマ
トーチである。このプラズマトーチ２は、プラズマ化さ
れるガス（以下はプラズマガスと略す）を一方から供給
し、他の一方の端面から放出し、その外側においてプラ
ズマを発生維持する放電部１を形成する内筒３と、それ
と同心軸を持ち放電部１を覆う円筒構造を有し、その放
電部１を覆う部位の内表面と発生したプラズマとの間に
プラズマ化されないガス（以下シースガスと略す）を流
すことができる外筒４と、その一方を外筒４の底部近く
の外周に直角に連通して、結合し、他の一方からシース
ガスを供給することができるシースガス供給路５とから
構成される。

【００２１】さらに、図８において、６はマイクロ波を
発生する高周波電源、７は発生したマイクロ波をプラズ
マトーチ２付近まで導入する導波管、８は導波管７によ
って導入されたマイクロ波の電界を放電部１にかけるマ
イクロ波電界変換器、９はプラズマガスを供給する供給
圧力調整可能なプラズマガス供給装置、１０はシースガ
スを供給する供給圧力調整可能なシースガス供給装置、
１１は放電部１内にプラズマを起動するためにコロナ放
電を発生させる外筒４の先端部に取付けられたコロナ電
極、１２はコロナ電極１１に高電圧を供給するコロナ放
電用高電圧発生装置、１３はコロナを発生させる際放電
しやすいようにアルゴン等の単原子ガスを供給するプラ
ズマ着火用ガス供給装置、１４はプラズマガスの出口で
ある。ここで、もう一方のコロナ電極は、発生したコロ
ナが放電部１内を通るように、放電部１をはさむように
配置されるが、その位置については、プラズマトーチ２
の詳細構造によって変るため、以下に挙げるプラズマト
ーチ構造例とともに説明する。

【００２２】本実施例において、高周波電源６によって
発生され、導波管７を通して送られたマイクロ波の電界
は、マイクロ波電界変換器８によって数百Ｖ／ｃｍに変
換し、プラズマトーチ２の放電部１に加えられる。

【００２３】次に、低い放電開始電圧を持つ単原子ガ
ス、例えば、アルゴンガスをプラズマ着火用ガス供給装
置１３から、シースガス供給路５を通して放電部１に流
すとともに、コロナ電極１１ともう一方の電極（図示せ
ず）に、コロナ放電用高電圧発生装置１２から供給され
る電圧を加え、放電部１内にコロナを発生させる。

【００２４】コロナが発生すると、それをトリガーとし
て、放電部１に高周波放電が開始される。高周波放電が
開始されたら、プラズマ着火用ガス供給手段１３を操作
して単原子ガスの供給を停止し、代わりにシースガス供
給装置１０とプラズマガス９からシースガスとプラズマ
ガスを供給する。

【００２５】放電部１にプラズマガスが流されると、マ
イクロ波放電によってプラズマが発生、維持され、そこ
で加熱されたプラズマガスは、プラズマガス出口１４か
ら放出される。

【００２６】外筒４内部に供給されるシースガスは、外
筒４の外周に直角に連通して接合されているシースガス
供給路５を通過するため、まず内筒３と外筒４との間隙
を旋回しながら移動し、放電部１では発生したプラズマ
と外筒４の内表面との間を流れるため、プラズマを外筒
４内表面から隔離する。さらに、シースガスはプラズマ
化されていないため、温度が低い。そのため、シースガ
スは、その外筒４の内表面を旋回しながら流れることに
よって、外筒４およびそれに取付けられているコロナ電
極１１を冷却する。

【００２７】プラズマガスとしては、窒素や空気等の気
体の他に、高温加熱をしたい材料の微小粉体を混入した
気体を使用することもできる。また、シースガスとして
は、要求される高温ガスの条件によって、プラズマガス
と同じガス、または、異なるガスを用いることが出来
る。

【００２８】本実施例では、プラズマガスを流す内筒３
を一本だけ使用したが、発生するプラズマガス量を増加
させるため、これらを数本組み合わせ、外筒４の中に配
置することもできる。図９に、内筒３を２本組み合わせ
たプラズマトーチの他の一実施例を示す。図９におい
て、プラズマトーチは、放電部１にプラズマガスを噴出
する２本の内筒３と、それらを内包する外筒２と、その
外筒２にシースガスを供給するシースガス供給路５と、
放電部１に高周波電力エネルギーを供給するマイクロ波
電界変換器８とから構成される。

【００２９】さらに、プラズマ着火手段として、コロナ
放電を用いたが、これに限られない。例えば、高周波電
界が重畳される放電部１に放電を発生することができ、
さらに、その電極の冷却手段（プラズマ化されていない
ガスまたは水による冷却）があれば、他の着火方法を用
いても良い。冷却手段は、放電電極が、発生したプラズ
マにより直接、あるいは、輻射によって間接的に加熱さ
れるために、これを冷却するため必要である。

【００３０】また、単原子ガスを放電開始用のガスとし
て用いたが、放電電極に供給する電圧を増加させること
によって、プラズマガスあるいはシースガスを、プラズ
マ着火時からそのまま用いることもできる。また、逆
に、放電開始用ガスを用い、供給する高周波電界を増加
させることによって、プラズマを着火することもでき
る。 また、放電開始電圧の低いガスと、それを高周波
電界あるいは磁界を利用してプラズマ化し、放電部１に
放出する独立した小型の補助プラズマトーチを、プラズ
マ着火手段として用いることもできる。

【００３１】さらに、放電部１へ電力を供給するための
高周波として、本実施例では、マイクロ波を用いたが、
数ＭＨｚから数ＧＨｚまでの、いわゆる、ＶＨＦ帯また
はＵＨＦ帯の高周波も、マイクロ波と同様に用いること
ができる。

【００３２】発生したプラズマの維持や、供給ガス圧力
の増加等の本実施例の詳細な運転方法については、以下
に図６を用いて説明する。

【００３３】図３は、本実施例の一部截断斜視図であ
る。本実施例のプラズマヒータは、図８に示される導波
管７、マイクロ波電界変換器８、コロナ電極１１を有す
る。ここで、プラズマトーチ２は、その放電部１が円筒
状のマイクロ波電界変換器８の中心部の開口部に面する
ように配置され、その先端部にはコロナ電極１１が装着
されている。さらに、１４は発生したプラズマガスの出
口、１５はプラズマガスをプラズマトーチ２内部の内筒
に供給するプラズマガス供給口、１６はプラズマガスの
流れる方向とは直角の方向にシースガスを供給するシー
スガス供給口、１７は高周波電源て発生したマイクロ波
を、マイクロ波電界変換器８に導入するマイクロ波入力
口である。

【００３４】次に、本実施例において用いられるプラズ
マトーチの構造例を以下に述べる。

【００３５】図４（ａ）は、図８に模式的に示されたプ
ラズマトーチの一構造例の詳細断面図、図４（ｂ）はプ
ラズマガスが供給される方向から見た図４（ａ）のＡ−
Ａ線断面図である。図４において、プラズマトーチは、
２重筒構造を有し、プラズマガスを、プラズマガス入口
２０から供給し、プラズマガス流路２２を通って、マイ
クロ波電界変換器８によって高周波電界が加えられてい
る放電部１へ流すノズル形状を持つ内筒３と、放電部１
と内筒３を覆い、それとの間隙にシースガスを流すシー
スガス流路２３を有する外筒４と、シースガスをシース
ガス入口２１からシースガス流路２３へ供給し、シース
ガスがシースガス流路２３では旋回しながら放電部１ま
で流れだすように、プラズマガス流の進行方向とは直角
方向に外筒４の外周に連通して接合されたシースガス供
給路５によって構成される。

【００３６】さらに、図４において、プラズマを着火す
るため、放電部１の中に、例えば、コロナパス２４に示
される位置にコロナを発生させるプラズマ着火手段は、
外筒４のプラズマが放出される方向の先端部に、コロナ
電極支持リング１８で装着されたコロナ電極１１と、内
筒３の中心部に挿入されたコロナ電極１９と、それら両
電極に高電圧を供給するコロナ放電用高電圧発生装置１
２とから構成される。

【００３７】コロナ電極１１、１９以外のプラズマトー
チ構成要素は、例えば、透明度の高い、うすい石英ガラ
スによって構成する。これは、高い電気絶縁性と耐熱性
が要求され、さらに、プラズマの発生するトーチ内部と
外部との温度差を小にして、割れをなくす必要性がある
ためである。

【００３８】本構造例のプラズマトーチでは、コロナ電
極１１、１９にコロナ放電用電力供給装置１２によっ
て、数ｍＡの電流で、数千から数万Ｖの電圧を加える
と、その電極間に、コロナが放電部１内にコロナパス２
４のように飛ぶ。プラズマ化されるプラズマガスは、プ
ラズマガス入口２０から供給され、内筒３内のプラズマ
ガス流路２２を通って、放電部１に流される。さらに、
放電部１には、マイクロ波電界変換器８によって高周波
電界が加えられているため、コロナ放電によって放電部
１の放電開始電圧が急激に低下すると、高周波電流が集
中し、放電部１にプラズマが発生する。その後、徐々に
供給ガス圧および電力を増加することで、常圧以上のガ
ス圧で高温ガスを得ることが出来る。

【００３９】この時、シースガスは、トーチの外周に取
付けられたシースガス供給路５のシースガス入口２１よ
り注入される。そのため、シースガスは、シースガス流
路２３を通り、外筒４と内筒３との間隙を円周方向に旋
回しながら、放電部１の方向へ流れる。この結果、放電
部１で発生したプラズマは、外筒４の内側に円周状に拡
がるが、このシースガスによって周囲を包まれ、外筒４
内壁面から隔離される。シースガスは、また、外筒４お
よびコロナ電極１１の冷却を行う。

【００４０】次に、本実施例におけるプラズマトーチの
他の構造例を、図５によって説明する。図５（ａ）は、
プラズマトーチの一構造例の断面図であり、図５（ｂ）
は、そのプラズマトーチをプラズマガスの供給側から見
たＡ−Ａ線断面図である。

【００４１】図５（ａ）において、プラズマトーチを構
成する要素は、その外筒の外周に取付けられたシースガ
ス供給路の接合位置、および、コロナ放電電極の配置以
外は、全て図４と同じである。

【００４２】本構造例のプラズマトーチでは、コロナ放
電電極として、図４と同じ位置にあるコロナ電極１１
と、他方の電極としてマイクロ波電界変換器８の導体部
分とが使用され、コロナパス２４のようなコロナが放電
部１に発生する。この構造であれば、トーチに他方の電
極を設けなくても良いので、トーチの構造が簡単にな
る。 さらに、シースガス供給路５は、図５（ｂ）のよ
うに、その中心軸とトーチ本体中心軸とがオフセットさ
れるように、外筒４に接合されている。この構造では、
供給されるシースガスは、シースガス流路２３を旋回し
ながら（この例では反時計方向）、プラズマトーチ下部
から上部に流れていく。そのため、図４のプラズマトー
チに比べ、シースガス流の旋回速度が大きく、それが形
成するガス流層（シース）はより安定しており、発生し
たプラズマを外筒４の内壁面から、より完全に隔離し、
さらに効率良く外筒４壁面およびコロナ電極１１を冷却
できる。

【００４３】次に、本実施例の運転方法を、図６を用い
て以下に説明する。図６は、図３に示した本実施例の断
面図で、プラズマトーチとしては、図４に示されたもの
を使用している。

【００４４】最初、高周波電力発生手段としての高周波
電源、例えば、マグネトロン（図示せず）を作動させ、
マイクロ波入口１７から予め定めた電力のマイクロ波を
供給する。この時、プラズマは発生していないので、供
給電力のほとんどは反射される。

【００４５】次に、プラズマ着火用ガス供給装置（図示
せず）を作動させ、アルゴン等の放電開始電圧が低い単
原子ガスを、シースガス入口１６あるいはプラズマガス
入口１５から放電部１へ少量供給すると同時に、コロナ
放電用高電圧発生装置（図示せず）によってコロナ電極
１１および１９に高電圧を加え、コロナパス２４のよう
に、放電部１にコロナを発生させる。すると、その発生
したコロナパス２４付近からマイクロ波放電が発生し、
供給されているマイクロ波電力が単原子ガスに吸収さ
れ、ガスが加熱される。

【００４６】マイクロ波放電が開始されたらすぐに、単
原子ガスの供給を止め、代わりに加熱、プラズマ化を行
ないたいガス、例えば、通常の高温ガスを得たい場合に
は、空気または窒素ガス（以下ガスと略す）を、プラズ
マガス入口１９から供給する。シースガス入口１６から
シースガス供給路５を通り供給されるシースガスとして
は、要求されるガス条件によって、プラズマガスと同じ
でも異なっても良い。ただし、プラズマガス入口１５か
ら供給するガス量は、シースガス入口１６から供給され
る量よりも少ない。

【００４７】プラズマガス入口１５からガスを流すこと
で、プラズマを吹き飛ばす。これによって、発生したプ
ラズマが、ピンチ効果によって放電部１の中央部へ集中
したり、円筒３内部へ後退することによる、プラズマの
過熱を防いで、プラズマを安定維持するとともに、プラ
ズマトーチ２の温度上昇を防ぐ。ここまでの操作は、常
圧下以上あるいは数気圧にて行なう。

【００４８】次に、プラズマを維持しながら、供給する
プラズマガス圧力およびシースガス圧力を高める。この
時、それぞれのガス入口１５および１６から供給するガ
ス圧と、プラズマトーチ２の外側の圧力との差は、外筒
４が耐えることができる差圧を限度とする。

【００４９】本実施例では、外筒４を初めとするプラズ
マトーチ２の主な構成要素は、厚さ数ｍｍ程度の透明な
石英ガラスを使用しているため、数十気圧程度の高圧ガ
スを供給する場合は、以下の実施例で述べるように、プ
ラズマヒータ全体を加圧タンクに封入し、供給ガス圧力
に比例してタンク内圧力を高める。さらに、プラズマ化
されるガス流量は、以下の関係を満足するように行な
う。

【００５０】通常、ガス供給装置において、ガス圧とガ
ス流量とは、ある比例関係を持つ。また、一定流量（大
気圧換算のＮｌ／ｍｉｎ）のガスプラズマを維持するに
は、それと比例関係にある電力量のマイクロ波を加え
（図２参照）、ある一定以上の温度にプラズマを加熱す
る。したがって、ガス供給装置のガス圧を増加する際に
は、図１に示されるように、そのガス圧に対応するガス
の温度の関数となるエントロピー値を満足するように、
供給マイクロ波電力を増加することによって、高圧でも
プラズマを維持できる。

【００５１】例えば、本実施例において、図４に示され
る構造の２０ｍｍφ径のプラズマトーチを使用し、３ｋ
Ｗのマイクロ波を入力した場合、約１５Ｎｌ／ｍｉｎか
ら少なくとも１１０Ｎｌ／ｍｉｎの範囲でプラズマガス
（空気）の流量を変化させても、プラズマを安定に維持
できることが観測された。

【００５２】次に、本発明を適用した高圧力の供給ガス
を使用できる、プラズマヒータの一実施例を図７によっ
て説明する。図７は、図３に示す上記実施例のプラズマ
ヒータにおいて、プラズマトーチの内外圧力の差を小さ
くするために、プラズマヒータを、供給ガス圧と同程度
の圧力を有する高圧容器に収容した実施例の部分断面斜
視図である。

【００５３】図７において、２６は、図３に示されたプ
ラズマトーチ２およびマイクロ波電界変換器８等の構成
要素を高圧ガス内部に収容するための高圧に耐える円筒
状の圧力タンクで、圧力タンク２６外部から加圧下にあ
るプラズマトーチ２へプラズマガスを供給するプラズマ
ガス供給管２７と、圧力タンク２６外部からプラズマト
ーチ２へシースガスを供給するとともに、圧力タンク２
６の圧力を高めるためのガスを供給するシースガス供給
管２８と、マグネトロン等の高周波電力発生装置（図示
せず）にて発生されたマイクロ波の入力口２９と、その
マイクロ波を導入するチョーク回路を有する導波管３０
と、ガスは通さないが、マイクロ波に対しては透明であ
る材料、例えば、アルミナ等から構成され、加圧タンク
２６に装着された導波管の圧力隔壁３１と、プラズマト
ーチ２から放出されたプラズマガスを圧力タンク２６の
外部へ噴出するための圧力タンクに２６に装着されたプ
ラズマガス噴出口３２と、プラズマガス噴出口３２から
噴出されるプラズマガスを膨張させ、高速度にして取り
だすための膨張ノズルの取付け座３３と、加圧タンク２
６内部に位置するプラズマトーチ２を外部から点検する
ための点検口３４とから構成される。ここで、図示され
ていないが、図１に示された実施例と同じように、接続
されたコロナ放電装置の電力供給装置およびガス供給装
置、マグネトロンへの給電装置、および、プラズマガス
およびシースガス供給装置がある。

【００５４】ここで、圧力タンク２６は、プラズマガス
供給管２７とシースガス供給管２８から供給されるガス
圧力と同程度の内部圧力に保持することにより、プラズ
マガスおよびシースガスが流れるプラズマトーチ２の内
側と、その外側の圧力をほぼ等しくすることができる。
したがって、高圧のプラズマガスを使用して、効率良く
加熱することができ、しかも、そのために、プラズマト
ーチ２の構成要素に、特別に強度の高い材料を使うこと
を要しない。

【００５５】加圧タンク２６の圧力を保持するには、供
給されるシースガスを圧力タンク内部あるいは外部にお
いて分流し、その一方を加圧タンク内部へ放出する方法
が単純である。

【００５６】本実施例において、シースガスは、プラズ
マトーチ２内部と発生したプラズマを隔離し、その内部
を冷却するとともに、圧力タンク２６内部に放出され、
そのガス圧を高めるために用いられる。このシースガス
とプラズマガスは、同じガスで、単一の供給装置から供
給することができるが、また、それぞれにほぼ等しい圧
力のガス供給を装置を独立して設けることもできる。

【００５７】本実施例におけるプラズマトーチ２の構造
は、図４あるいは図５に示された構造例を含む、本発明
を適用した構造であれば良い。

【００５８】本実施例の動作を、図７を用いて以下に述
べる。最初、導波管３０および導波管圧力隔壁３１を通
して送られたマイクロ波の電界は、マイクロ波電界変換
器８によって数百Ｖ／ｃｍに変換され、プラズマトーチ
２に加えられる。次に、低い放電開始電圧を持つ単原子
ガス、例えば、アルゴンガスを、シースガス供給路２８
を通して、プラズマトーチ２内部に流すとともに、コロ
ナ着火手段（図示せず）によってプラズマトーチ２内に
コロナを発生させる。

【００５９】コロナが発生すると、それをトリガーとし
て、プラズマトーチ２内に高周波放電が開始される。高
周波放電が開始されたら、単原子ガスの供給を停止し、
代わりにシースガスとプラズマガスを、それぞれの供給
管２７および２８から供給する。プラズマガスがプラズ
マトーチ２内部へ流されると、そこで発生しているマイ
クロ波放電によって、ガスが加熱され、プラズマが発生
し、維持される。加熱されたプラズマガスは、プラズマ
ガス噴出口３２から圧力タンク２６外部へ放出される。

【００６０】その後、徐々に、プラズマを維持しなが
ら、供給するプラズマガスおよびシースガス圧力および
高周波電力を増加することで、供給するプラズマガスの
圧力を高圧にすることができ、効率的に大量の超高温ガ
スを得ることが出来る。

【００６１】本発明は、高温高速度のガス流を得られる
種々の熱的試験、例えば、耐熱材料の開発や、高速流体
の研究に使用できる他、ガスとして空気あるいは酸素を
用いると、７×１０³Ｋ〜１０⁴Ｋに加熱されたプラズマ
状の酸素を発生させることが出来るため、ＰＣＢやフロ
ンなど安定物質の分解や、超高温による廃棄物の処理に
使用することができる。

【００６２】

【発明の効果】本発明によれば、高周波プラズマを高い
圧力で維持するため、超高温で多量のプラズマガスを、
プラズマトーチ内のガス流速を高くすることなく、安定
して発生することができる。さらに、高周波プラズマを
常圧以上で発生させるため、減圧用の真空ポンプ等の排
気装置が不要となり、装置のコストダウンになる。

【００６３】

【図面の簡単な説明】

【図１】いくつかの圧力値の空気における温度とガスエ
ンタルピーの関係を示したグラフ。

【図２】本発明を適用したある特定の寸法のプラズマト
ーチに、ある特定の流速のガスを流した場合において、
プラズマを維持できる高周波電力と周波数を、ガスの種
類と圧力をパラメータとして示したグラフ。

【図３】本発明を適用したプラズマヒータの一実施例の
一部截断斜視図。

【図４】本発明を適用した図３の一実施例のプラズマト
ーチの一構造例において、（ａ）はそのプラズマトーチ
の断面図、（ｂ）はそのプラズマトーチのＡ−Ａ線断面
図。プラズマトーチ部分だけを拡大した断面図。

【図５】本発明を適用したプラズマトーチの他の一構造
例において、（ａ）はそのプラズマトーチの断面図、
（ｂ）はそのプラズマトーチのＡ−Ａ線断面図。

【図６】本発明を適用した図３の一実施例における中心
部の構造断面図。

【図７】本発明を適用した他の一実施例として、プラズ
マトーチ内のガス供給圧力を高めるとともに、プラズマ
トーチ内外の圧力差をなくして高圧にできるプラズマヒ
ータの部分断面斜視図。

【図８】本発明を適用したプラズマヒータの一実施例を
説明するブロック図。

【図９】本発明を適用したプラズマトーチの一実施例を
説明するブロック図。

【符号の説明】

１…放電部、 ２…プラズマトーチ、 ３…内筒、 ４
…外筒、 ５…シースガス供給路、 ６…高周波電源、
７…導波管、 ８…マイクロ波電界変換器、９…プラ
ズマガス供給装置、 １０…シースガス供給装置、 １
１…コロナ電極、 １２…コロナ放電用高電圧発生装
置、 １３…プラズマ着火用ガス供給装置、 １４…プ
ラズマガス出口、 １５…プラズマガス注入口、 １６
…シースガス注入口、 １７…マイクロ波入力口、 １
８…コロナ電極支持リング、 １９…コロナ電極、 ２
０…プラズマガス入口、 ２１…シースガス入口、 ２
２…プラズマガス流路、 ２３…シースガス流路、 ２
４…コロナパス、 ２５…変換器開口部、 ２６…圧力
タンク、 ２７…プラズマガス供給管、 ２８…シース
ガス供給管、 ２９…マイクロ波入力口、 ３０…導波
管、 ３１…導波管圧力隔壁、 ３２…プラズマガス噴
出口、３３…膨張ノズル取付け座、 ３４…点検口。

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガスを一方から供給し、そのガスが放電に
   よって加熱されることでプラズマを発生し、さらに、そ
   のプラズマを維持する放電部を有するプラズマトーチ
   と、プラズマトーチの放電部へ高周波誘導によって、プ
   ラズマに電力エネルギーを供給する高周波電力供給手段
   と、プラズマトーチの放電部へプラズマ化されるガスを
   供給するプラズマガス供給手段とを有する高周波プラズ
   マヒータにおいて、 プラズマトーチの放電部で高周波放電を開始するため、
   放電部に補助的放電を発生し、その放電開始電圧を下げ
   るプラズマ着火手段と、 プラズマトーチの放電部で発生したプラズマとその内周
   壁面との間に、ガスを供給するために、プラズマトーチ
   内部に連通して、その外周面に接合されたシースガス供
   給路と、 シースガス供給路へガスを供給するシースガス供給手段
   とをさらに有し、 プラズマガス供給手段は、常圧以上の圧力でプラズマガ
   スを供給することを特徴とする高周波プラズマヒータ。
2. 【請求項２】請求項１において、プラズマガスの供給圧
   力の増減手段と、高周波電力の供給電力量の増減手段と
   を有することを特徴とする高周波プラズマヒータ。
3. 【請求項３】請求項１または２において、前記高周波電
   力供給手段は、高周波電界発生装置と、発生した高周波
   を前記放電部へ導く導波路とを有することを特徴とする
   高周波プラズマヒータ。
4. 【請求項４】請求項１から３のいずれかにおいて、前記
   プラズマ着火手段は、着火時に用いるガスの供給装置
   と、一対の電極と、それらに高電圧を供給する高電圧発
   生装置とを有し、 一対の電極は、その間にコロナ放電を発生し、そのコロ
   ナ放電が前記プラズマトーチの放電部内を通る位置に配
   置された構造を有することを特徴とする高周波プラズマ
   ヒータ。
5. 【請求項５】請求項３において、前記プラズマ着火手段
   の一方の電極は、前記プラズマトーチの放電部外側近傍
   に存在する導体であることを特徴とする高周波プラズマ
   ヒータ。
6. 【請求項６】請求項４または５において、前記プラズマ
   着火手段の一方の電極は、プラズマが発生する前記プラ
   ズマトーチの放電部からはずれた位置に装着されている
   ことを特徴とする高周波プラズマヒータ。
7. 【請求項７】請求項１から６のいずれかにおいて、少な
   くとも、発生したプラズマに面している前記プラズマト
   ーチの構成要素は、耐熱性および電気絶縁性を有する材
   料によって構成されることを特徴とする高周波プラズマ
   ヒータ。
8. 【請求項８】請求項７において、耐熱性および電気絶縁
   性を有する材料は、透明な石英ガラスであることを特徴
   とする高周波プラズマヒータ。
9. 【請求項９】請求項１から８のいずれかにおいて、前記
   プラズマトーチを収容し、発生したプラズマの放出口を
   有する圧力容器と、プラズマトーチの内外部における圧
   力差を、予め定めた範囲内に保持する加圧装置とをさら
   に有することを特徴とする高周波プラズマヒータ。
10. 【請求項１０】請求項１から９のいずれかの高周波プラ
    ズマヒータの運転方法において、 予め定められた電力の高周波を重畳している放電部に、
    常圧以上のガス圧でプラズマを起動し、そこへ常圧以上
    の予め定められた圧力のプラズマ化されるガスを流し、
    プラズマを発生し、 発生したプラズマを維持しながら、高周波電力の供給電
    力を増やすと共に、プラズマ化されるガスの供給圧力を
    順次増加させ、プラズマ起動時よりも高いガス供給圧力
    下において、プラズマを維持することを特徴とする高周
    波プラズマヒータの運転方法。
11. 【請求項１１】ガスを一方から供給し、そのガスが放電
    によって加熱されることでプラズマを発生し、さらに、
    そのプラズマを維持する放電部を有するプラズマトーチ
    において、 プラズマトーチの放電部で発生したプラズマと放電部の
    内周壁面との間に、ガスを流すための、プラズマトーチ
    内部に連通して、外周面の一部に接合されたシースガス
    供給路を有することを特徴とするプラズマトーチ。
12. 【請求項１２】請求項１１において、放電部におけるプ
    ラズマ放出側の、プラズマトーチ内周壁面の一部に、電
    極が露出するように装着された、プラズマ着火手段とし
    てのコロナ放電用の一方の電極をさらに有し、 前記シースガス供給路は、プラズマトーチ内周壁面とプ
    ラズマとの間に流れ、その内周壁面と電極とを冷却する
    ガスを供給することを特徴とするプラズマトーチ。
13. 【請求項１３】請求項１１または１２において、シース
    ガス供給路は、ここからプラズマトーチ内部に供給され
    るガスが、プラズマトーチ内周を流れる際、その内周接
    線方向の速度成分を持つ角度で、プラズマトーチ外周面
    に接合されることを特徴とするプラズマトーチ。
14. 【請求項１４】請求項１３において、シースガス供給路
    は、その中心軸とプラズマトーチ本体の中心軸とが交わ
    らない線上の位置で連通して、接合されることを特徴と
    するプラズマトーチ。