JPH0658839B2 - インダクションプラズマ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 誘導結合型プラズマ内でセラミックや金属等の粉末を効
率よく加熱して溶解させて噴射でき、主に溶射に使用さ
れるインダクションプラズマ装置に関する。

＜従来の技術＞ 従来この種の技術としては、株式会社学会出版センター
1983年10月10日発行の書籍、日本分光学会測定法シリー
ズ５の「液体試料の発光分光分析」に誘導結合型プラズ
マ発光分光分析における光源部として誘導結合型プラズ
マ装置が開示されている。その概略の構成は、第２図に
示すように、透明石英で形成された、外側管１、中間管
２、キャリアガス導入管３からなる３重構造のトーチに
水冷誘導コイル４を設けたものとなっている。外側管１
は上端が開口し、下端が中間管２の下部外周に接合する
ことで閉じられ、その下端部内に外側ガス供給部５が接
線方向に開口している。中間管２は上端が外側管１の上
端よりも下方に位置しその上端部外径が拡大形成されて
いて外側管１の内周面との間に環状の小間隙６を形成し
ており、下端がキャリアガス導入管３の下部外周に結合
することで閉じられ、その下端部内に中間ガス供給路７
が前記外側ガス供給路５と同じ周方向に沿うように接線
方向に開口している。キャリアガス導入管３は上端部が
小径に形成されて中間管２内の上端近くに開口してお
り、下端部がキャリアガス供給路８とされている。図中
９はプラズマ炎、10は分光器で光軸である。

このプラズマ装置は、外側ガス供給路５から外側ガスと
してアルゴン又は窒素を供給し、中間ガス供給路７から
中間ガスとしてアルゴンを供給し、キャリアガス供給路
８からキャリアガス（アルゴン）と試料霧を供給し、誘
導コイル４を作動させて使用する。外側ガスは主として
外側管１を冷却するために供給され、外側管１の外径が
約20mmのもので外側ガスを毎分10〜15流す。この外側
ガスは外側管１内に接線方向に導入されるから、螺旋状
に回転しながら流出する。小間隙６は１mm程度であり、
これによってガスの線速度が増して冷却効率を高くして
いる。中間ガスは毎分１〜２流すのが普通であり、プ
ラズマをわずかに上方に浮かせるという補助的な作用が
ある。キャリアガスは試料をエアロゾルにしてプラズマ
に導入するためのものであり、キャリアガス導入管３の
先端内径は 1.5〜２mmで、毎分 0.5〜1.5 を流す。

キャリアガスを流さない状態でプラズマを点火すると、
プラズマは内部が均一で底がやや平らなフレーム状をし
ている。ここにキャリアガスを流してその流量を徐々に
増していくと、毎分約0.5 程度になったときプラズマ
の中心に輝度の低い部分が現われ、上部から見るとドー
ナツ状の穴11があいていることが肉眼で確認できる。こ
の中心の穴はキャリアガスの供給によるもので、プラズ
マ発光分光分析においてはこの穴を利用しており、プラ
ズマ内に試料粒子が効率よく導入され、高温のトンネル
を通る間に完全な原子化と励起発光が起こる。なお、プ
ラズマに穴のない状態で試料が供給されると、試料はプ
ラズマの中心に入ることができず、周辺部の比較的低温
の部分を通り、難解離性化合物を完全に原子化発光させ
ることは困難である。

＜発明が解決しようとする課題＞ 前記発光分光分析におけるプラズマ装置は、きわめて少
量の試料がプラズマの高温のトンネル内に導入されるよ
うになっているから、試料を高温に加熱して原子化発光
させる点で目的を達成している。しかし、この発明はイ
ンダクションプラズマ装置により、発光分光分析におけ
る試料よりも格段と多量のセラミックあるいは金属など
の材料を供給し、溶融状態として噴射することにより、
素材表面に被膜を形成する溶射を行うことを目的とする
ものである。従って、従来の発光分光分析におけるプラ
ズマ装置を溶射に適用しようとすると、溶射材料が前述
したプラズマの穴を通ることになり、この穴はプラズマ
炎全体からすれば比較的低温の部分であるから、溶射材
料の加熱効率が必ずしも良くない。また、この穴のない
プラズマに対して溶射材料を供給すると、前述したよう
に穴よりもさらに低温のプラズマ周辺部を通過すること
になり、なおさら加熱効率は悪くなる。

この発明は、溶射材料が効率良く加熱されるようにプラ
ズマ内の高温部を通るようにしたインダクションプラズ
マ装置を提供することを課題とする。

＜課題を解決するための手段＞ この発明の手段は、前述した従来のインダクションプラ
ズマ装置において、前記誘導コイルとトーチとの少なく
とも一方を軸線の方向に移動させて双方の相対的位置関
係を変更できるようにしたことを特徴とするものであ
る。

＜作 用＞ 従来の発光分光分析におけるプラズマ装置と略同様にし
てプラズマを点火し、次にキャリアガスを流してプラズ
マ中心に比較的低温の前記穴を形成した後に、トーチに
対して誘導コイルをキャリアガス流出方向前方へ相対変
位させると、前記穴はそのキャリアガス流出方向前方部
分が消滅し、手前部分で少し残存した状態となる。つま
り、比較的低温の貫通穴として存在していた部分が凹所
に変化し、プラズマは中心部が高温となり、その高温度
部を通るようにキャリアガスが供給されている状態であ
る。従って、この状態でキャリアガス中に粉状の溶射材
料を供給すると、溶射材料はキャリアガスと共にプラズ
マの中心の高温部を通り、効率よく加熱され、溶融状態
となって前方へ噴射される。

＜実施例＞ この発明の１実施例の概略の構成を第１図(a) 乃至(d)
に示す。図において、20は石英製のトーチであり、外側
管21、中間管22、キャリアガス導入管23からなり、24は
誘導コイルである。誘導コイル24は水冷式であり、断面
の端面の片側を図示してある。これらは第２図に示した
従来の発光分光分析用の装置と略同じ構成であるが、ト
ーチ20に対して誘導コイル24が軸線方向に移動調節でき
るようになっている点が主として異なる点である。その
移動調節はコイル支持体とトーチ支持体とを別に形成し
てねじで移動させるようにしてある。図における25は外
側ガス供給路、26は環状の小間隙、27は中間ガス供給
路、28はキャリアガス供給路である。

各部の寸法構成をmm単位で例示すると、外側管21の内径
が24、環状小間隙26が0.5 、キャリアガス導入管23の内
径が２、外側管21と中間管22の軸方向先端間寸法ａが3
0、中間管22とキャリアガス導入管23の先端間軸方向寸
法ｂが５、外側管21の全長ｃが106 、誘導コイル24（巻
線３）の内径が32、同コイルの軸方向長さｄが20、プラ
ズマ点火時の誘導コイル24の先端から外側管21の先端ま
での距離ｅが15である。

このインダクションプラズマ装置は次のようにして使用
する。外側ガス（アルゴン又は窒素）を５/min、中間
ガス（アルゴン）を３/minくらい供給しながら、誘導
コイル24には１KW程度の電力を供給し、テスラーコイル
の放電を使うか接地したカーボン棒を使って従来と同様
にプラズマを点火する。点火後、電源部のマッチング操
作によりプラズマの安定状態を維持しながら、外側ガス
及び中間ガスの供給量を徐々に増大させ、外側ガスを15
〜20/min、中間ガスを５/min程度とすると共に誘導
コイル24へ供給する高周波電力を３KW程度に徐々に上げ
る。

次に、キャリアガスの供給を少量から始めて１〜３/m
inまで上げてプラズマに前記穴を形成する。この間もプ
ラズマの安定のためにマッチング操作を行う。

そして、マッチング操作と共に誘導コイル24を軸線の方
向に沿って外側管21の先端側へ、第１図(a) に元の位置
の反対側を仮想線で示すように、約10mm移動させると、
プラズマは第１図(e) に示す状態から第１図(f) に示す
状態に変化する。すなわち、第１図(e) でプラズマ30a
はキャリアガスによってできた穴31a がプラズマ30a の
全長を貫いていた状態であったのに対し、誘導コイル24
を移動させた後の第１図(f) では、プラズマ30b は前記
穴の大部分が塞がり、キャリアガスの入口側に穴の一部
31b が残った状態となる。従ってキャリアガスの通る径
路の穴の塞った分だけより高温の加熱領域が拡がったこ
とになる。このようにキャリアガスがプラズマの中心部
を確実に通る状態では、トーチ内のガス流速分布の一定
した安定な状態が確保されているのであるから、この状
態で加熱領域が拡がったことはその分キャリアガスによ
って供給される溶射材料粉の加熱効率が上昇する。同図
において、矢印32は外側ガス、矢印33は中間ガス、矢印
34はキャリアガスの夫々の移動方向を示す。

実験によれば、このプラズマ中に、キャリアガスを介し
て溶射材料、例えば、ニッケルクロム、ジルコニア、ア
ルミナ等を粉末の状態で毎分数グラム供給すると、溶射
材料が溶融状態となって噴射され、外側管21の先端から
30〜50mmの位置に置いた鉄板に溶射材料による皮膜の形
成されることが確認された。

また、別の実験によれば、前記実施例の穴を消滅させた
プラズマを使用して平坦な素材表面に対して位置を変え
ないで一定時間溶射した場合に、中心部に厚く周辺部で
薄くなった凸形の被膜が形成されるのに対して、誘導コ
イル24を前方へ移動させない、点火時のままの位置で、
低温の穴のあるプラズマを使用して同じ素材表面に同様
に溶射した場合に、中心部で薄く周辺部がわずかに盛上
った凹形の被膜が形成されたことが認められた。これ
は、低温の穴があるプラズマを使用した場合は供給する
溶射材料の大部分が中心部に集中しているにもかかわら
ず被膜が薄くなるのは中心部でかなりの分量が溶融状態
に至らず、従って粉末のまま飛散していることを示すも
のであり、低温の穴がないプラズマを使用した場合は供
給する溶射材料の殆どが効率よく加熱されてより多くが
溶融状態となって素材表面に付着したことを示すもので
ある。

なお、前述した実験はトーチ20を図示のように下向きに
使用したが、必ずしもこの方向に限る必要はない。

＜発明の効果＞ この発明によれば、従来中心部を低温の穴が貫通したプ
ラズマであった点を、その貫通した穴の先端側の大部分
を塞いだプラズマを中心部にキャリアガスを流した状態
で得ることができるから、そのキャリアガスを介して溶
射材料を供給するときは溶射材料を効率よく加熱できる
効果が得られる。従って、インダクションプラズマ装置
を使用した、効率のよい溶射装置の製作が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の１実施例を示し(a) はそのトーチ及
び誘導コイルの概略縦断側面図、(b) は(a) のＢ−Ｂ断
面図、(c) は (a)のＣ−Ｃ断面図、(d) は(a) のＤ−Ｄ
断面図、(e) は誘導コイル移動前のプラズマの状態を示
す縦断側面図、(f) は誘導コイル移動後のプラズマの状
態を示す縦断側面図、第２図は従来のインダクションプ
ラズマ装置の１例を示し(a) はそのトーチ及び誘導コイ
ルの概略縦断側面図、(b) は(a) のＡ−Ａ断面図であ
る。 20……トーチ、21……外側管、22……中間管、23……キ
ャリアガス導入管、24……誘導コイル、25……外側ガス
供給路、26……環状小間隙、27……中間ガス供給路、28
……キャリアガス供給路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一端から外側ガスを接線方向に導入され他
   端の開口から放出する外側管、その外側管内に同軸的に
   設けられ一端から中間ガスを外側管と同じ接線方向に導
   入され他端の開口から放出する中間管、及びその中間管
   内に同軸的に設けられ一端から供給されるキャリアガス
   を他端の開口から放出するキャリアガス導入管からなる
   三重構造のトーチと、そのトーチの開口側外周に設けら
   れた誘導コイルと、その誘導コイルの高周波電源部とか
   らなるインダクションプラズマ装置において、前記誘導
   コイルとトーチとの少なくとも一方を軸線の方向に移動
   させて双方の相対的位置関係を変更できるようにしたこ
   とを特徴とするインダクションプラズマ装置。