JPH04206398A - プラズマトーチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、特にプラズマ化された作動流体を被燃焼流体
か超音速で通過する燃焼器内へ噴射し、着火及び燃焼を
促進させる航空機のエンジン、或いは自動車用エンジン
等の着火用或いは切断溶接用、溶射用等のプラズマトー
チに関する。

［従来の技術］ 一般に、その流速かあまりにも速いため着火させること
か困難といわれている超音速で流れる被燃焼流体を着火
させる技術として第５図に示すものか知られている。

図示するように、空気が超音速で流れる燃焼器ａ内に臨
んで燃焼を促進させる作動流体を噴出するプラズマトー
チｂが設けられている。このプラズマトーチｂ内にはア
ーク発生手段としてのタングステン陰極Ｃ及び銅陽極ｄ
が設けられている。また、上記プラズマトーチｂの燃焼
器ａに臨んだ部分には、上記作動流体を燃焼器ａ内へ噴
射させるための噴射孔ｅが設けられ、燃焼器ａに臨んで
いない部分には、作動流体の流入口ｒが設けられている
と共にアーク放電によって加熱する上記陰極Ｃ及び陽極
ｄをそれぞれ冷却するための冷却水の流入口ｇ、ｈ及び
流出口ｊ、ｊが設けられている。この流入口ｇから流出
口ｉを通る冷却水は、ノズル部を形成する陽極ｄにおい
てア〜り柱を絞る熱ピンチ効果を発揮する。また、上記
プラズマトーチｂが臨んでいる燃焼器ａ内に流れる超音
速空気流路の上流には、燃料である水素を超音速空気流
へ噴射する燃料噴射ノズルｋが設けられている。

上記燃焼器ａ内を流れる超音速の被燃焼流体を着火させ
るときは、ます、上記燃料噴射ノズルｋから燃料である
水素を超音速空気流へ噴射して、この超音速空気流に水
素を混合させ超音速の混合流体にする。そして、図示さ
れないアルゴン、水素、窒素ボンベ等からそれら単独あ
るいはそれらを混合した状態の作動流体として、プラズ
マトーチｂに設けられた作動流体の流入口ｒへ流入させ
、プラズマトーチｂ内の陰極Ｃと陽極ｄとに所要の電圧
をかけアークを発生させ、この作動流体を超高温に加熱
することによってプラズマ状態にし、生じたプラズマ！
を上記超音速の被燃焼流体か流れる燃焼器ａ内へ噴射さ
せる。

プラズマ化された作動流体を、上記混合流体か超音速で
流れる燃焼器ａ内へ噴射すると、噴射されたプラズマ！
のもつ熱・運動エネルギー及び活性基発生に伴う化学反
応促進効果により、超音速で流れる混合流体の燃焼を促
進させることかでき自発着火させることかできる。

上記作動流体としてこれまで試ろられたアルゴン、水素
、窒素の単独あるいはそれらの混合気のうち、アルゴン
と水素の混合気か効果あると言われ用いられているか、
アルゴンを用いる−とアルゴンホンへを搭載しなくては
ならないことになり、機体重量が増大してしまうという
問題がある。

この点、大気中に豊富に存在する酸素もしくは空気その
ものを作動流体に使用できれば、機体重量増大の原因と
なる作動流体貯蔵用ボンベを搭載しなくてもよいことに
なる。なお、酸素プラズマもしくは空気プラズマの燃焼
促進効果は、前述のアルゴンと水素の混合気プラズマの
燃焼促進効果とほぼ同等であると共に、酸素もしくは空
気は比較的低容量の電源で安定したアークの発生・保持
か行えることが知られている。

しかし、従来のプラズマトーチにおいては、第５図に示
すように、作動流体をプラズマ化するためのアーク発生
手段を構成する陰極Ｃに、タングステン電極を用いてい
るため、作動流体に酸素を含有する流体を用いると、タ
ングステン電極が短時間に著しく損耗し、アークがとば
なくなり、プラズマジェットによる燃焼促進効果かほと
んど発揮できず、着火装置としての機能か発揮できない
問題があり、このため、近年ては高融点酸化膜を促進形
成する金属を陰極に用いることが行われている。

［発明が解決しようとする課題］ 上記したようなプラズマトーチを航空機のエンジンやデ
ィーゼルエンジン等で実際に適用する場合は、できるだ
け構成が簡単で小型化することができ、しかも周辺の装
置も簡略化できるものか要求されるか、従来一般のプラ
ズマトーチは、該プラズマトーチを冷却するための構造
か複雑となって小型化が困難であり、しかも特に水を用
いて冷却する方式においては、水を循環するための周辺
の複雑な設備を必要とする、等の問題を有していた。

本発明は、上記従来の問題点に着目してなしたもので、
冷却のための流体流路の構造を簡略化することにより小
型化を可能にし、且つ周辺機器を複雑化することなく、
効果的なプラズマを形成できるプラズマトーチを提供す
ることを目的としている。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、ノズルケーシング内に備えられた陰極ロフト
と、該陰極ロッドの先端部に噴出流路を介して対峙して
おり、前記陰極ロッドの軸心上にノズル口を有すると共
に、該ノズル口と同心円上に形成した複数の外側通路と
該外側通路の内側に形成した内側通路とを有し陽極を構
成する噴射ノズルと、前記陰極ロッドの外周に形成され
、先端が前記噴出流路に連通された供給通路と、前記外
側通路の上流側に連通ずる流入通路と、前記内側通路の
上流側に連通ずる流出通路と、前記外側通路及び内側通
路の先端同志を連通ずる連通路とを備えたことを特徴と
し又供給通路に作動流体を供給し、流入通路にヘリウム
Ｈｅを導入するようにしたことを特徴とし、又供給通路
と流出通路を接続通路によって連通し、流入通路に作動
流体を供給するようにしたことを特徴とするものである
。

［作　　　用］ 請求項１の発明では、陰極ロッドはその外周に形成した
供給通路を流れる作動流体によって冷却され、又陽極を
構成する噴射ノズルは噴射ノズルに形成した外側通路を
通った後、連通路を経て再び内側通路を通る冷却用の流
体によって効果的に冷却される。このように簡略化され
た構成にて効果的な冷却を達成できるので、プラズマト
ーチを小型化することかできる。

請求項２の発明では、ヘリウムＨｅによる噴射ノズルの
強い冷却によって熱ピンチ効果を高め、高密度プラズマ
を形成することができる。

請求項３の発明では、作動流体にて噴射ノズル及び陰極
ロッドの冷却を行い、自身を昇温さ・　　せてプラズマ
化させるようにしているので、プラスマ化が容易となり
、熱効率が向上し、噴射されるプラズマのエネルギーを
増大することができる。

［実　施　例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

第１図は本発明の一実施例であり、図示するように、プ
ラズマトーチを構成するノズル本体１は燃焼器２の通路
３に臨んで取付けられた筒体状のノズルケーシング４に
よって区画形成されている。このノズルケーシング４内
には軸心部に軸方向に所定の長さ延出され、アーク発生
電極を構成する円柱形状の陰極ロッド５が設けられてい
る。この陰極ロッド５の先端部にはその表面部に高融点
酸化膜を促進形成する金属、例えばハフニウムによって
成形された陰極６が形成されている。この陰極６はハフ
ニウムと同様の特性を持つジルコニウム、レニウム、イ
ツトリウム等を単体あるいはそれらを複合材にして用い
て形成しても良い。

この陰極６には所定の間隙を隔ててアーク発生電極の陽
極７を構成する噴射ノズル８が設けられている。アーク
発生電極を構成する陰極６と陽極７との間隙には上記作
動流体が通過する噴出通路９が形成されており、この噴
出通路９は、噴射ノズル８の前記陰極ロッド５の軸心上
位置に形成した下流のノズル口１ｏに接続されている。

前記陰極６の上流側の外周には陰極６を包囲するように
リング状の供給通路１Ｊが形成されており、該供給通路
１１の上流側には通路１１°を介して作動流体供給管Ｉ
２が接続され、又供給通路１１の陰極６の先端近傍まで
延びた下端には前記噴出通路９に連通ずる供給口Ｌ３及
びプラズマ２７にスワ−ルを与えるための旋回通路１３
°が形成されている。

前記陽極７を構成する噴射ノズル８は陽極フロック１４
を介してノズルケーシング４に支持されるようになって
おり、前記噴射ノズル８と陽極ブロック１４とが組合わ
されたときに相互間にリング状の連通路■５が形成され
るようになっている。

前記噴射ノズル８は、第２．３図に示す如く軸心部に陰
極ロッド５の挿入孔１６とノズル口１゜を有している。

噴射ノズル８の上部外周には外側溝１７と内側に１８が
ノズル口ｉ（ｌと同心円トに形成されており、外側溝１
７には連通路１５に連なる複数の外側通路１９が等間隔
て形成され、又内側溝１８には連通路１５に連なる複数
の内側通路２０か等間隔で形成されている。

前記外側溝１７の上流側には第１図に示す如く、流入管
２１に接続した流入通路２２が連通しており、更に内側
溝１８の上流側には流出管２３に接続した流出通路２４
が連通している。図中２５は酸素を含有する作動流体、
２６はヘリウムＨｅからなる冷却用流体、２７はプラズ
マを示す。

上記実施例においては、作動流体供給管１２から作動流
体２５を高圧で供給すると共に、流入管２１から冷却用
流体（ヘリウムＨｅ）２Ｂを供給するようにしている。

作動流体供給管１２から供給された高圧の作動流体２５
は、通路１１“からリング状の供給通路１１を通る間に
陰極ロッド５を冷却し、その後供給口１３から噴出流路
９に導かれ、アーク発生電極６．７を通過してプラズマ
化され、発生したプラズマ２７はノズル口ＩＯにより加
速されて燃焼器２内に深く入り込むように噴射される。

又、流入管２１から供給されたＨｅは、流入通路２２を
介して陽極７を構成する噴射ノズル８の外側溝１７及び
外側通路１９を通って連通路１５に導かれる間に噴射ノ
ズル８を均−且つ強烈に冷却し、続いて内側通路２０を
通る間に同様に噴射ノズル８を冷却した後、内側溝１８
、流出通路２４及び流出管２３を介して外部に排出され
る。

上記したように噴射ノズル８は外側通路１９及び内側通
路２０を通るヘリウムＨｅによって強烈に冷却されるた
め、ノズル口１０による熱ピンチ効果を増大させて、第
１図に示すように良好に絞り込まれた高密度のプラズマ
２７を形成することができる。

上記実施例では、内外側通路１９．２０と連通路１５を
備えた簡単な構成で噴射ノズル８を効果的−に冷却する
ことかできるので、プラズマトーチ全体の小型化を可能
にすることかでき、よって航空機やディーセルエンンン
等への適用か容易となる。

又、冷却用流体２６としてｌ＼ツリウムｅを用（２るよ
うにしているので、冷却温度を調整して高密度のプラズ
マ２７を安定して形成することができる。

第４図は本発明の他の実施例を示すもので、第１図にお
ける作動流体供給管１２と流出管２３とを接続管等によ
る接続通路２８で接続し、前記流入管２１に作動流体２
５を供給するようにしている以外は前記実施例と全く同
様である。接続通路２８は供給通路１１と流出通路２４
とを直接接続するようにしても良い。

第４図の実施例において、流入管２１から供給された高
圧の作動流体２５は、流入通路２２を介して陽極７を構
成する噴射ノズル８の外側溝１７及び外側通路１９を通
って連通路１５に導かれる間に、噴射ノズル８を均一に
冷却し、続いて連通路１５を介して内側通路２０を通る
間に同様に噴射ノズル８を冷却した後、内側通路２０、
流出通路２４、流出管２３、接続通路を介して作動流体
供給管１２に導かれる。

作動流体供給管１２に導かれた高圧の作動流体２５は、
通路１１゛からリング状の供給通路ＩＩを通る間に陰極
ロッド５を冷却した後、供給口１３から噴出流路９に導
かれ、アーク発生電極６，７を通過してプラズマ化され
、発生したプラズマ２７はノズル口１０により加速され
て燃焼器２内に深く入り込むように噴射される。

このとき、前記作動流体２５は、噴射ノズル８及び陰極
ロッド５を冷却することにより自身か昇温されているの
で、プラズマ化か容易となる。

又噴射ノズル８を強烈に冷却することはできないので、
高い熱ピンチ効果を期待することはてきないか、その反
面、冷却によるプラズマ２７のエネルギーの低下を押え
ることかでき、従って発生プラズマのエネルギーの殆ん
どを燃焼器２内に噴出することかでき。従って太く長い
プラズマ２７を形成して高速気流に負けることを防止し
、着火性を高めることかできる。又、この実施例ではプ
ラズマ化が容易になるため、電源の小型化、給電ライン
の簡略化も図れる。

尚、本発明のプラズマトーチは、上述の実施例にのみ限
定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲
内において種々変更を加え得ることは勿論である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明のプラズマトーチによれは
、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

請求項１の発明では、陰極ロッドはその外周に形成した
供給通路を流れる作動流体によって冷却され、又陽極を
構成する噴射ノズルは噴射ノズルに形成した外側通路を
通った後、連通路を経て再び内側通路を通る冷却用の流
体によって冷却されるようになっているので、簡略化さ
れた構成にて効果的な冷却を達成でき、よって製作を容
易にしてプラズマトーチの小型化を達成することかでき
る。

請求項２の発明では、ヘリウムＨｅによる噴射ノズルの
強い冷却によって熱ピンチ効果を高め、高密度プラスマ
を形成することができる。

請求項３の発明では、作動流体にて噴射ノズル及び陰極
ロッドの冷却を行い、自身を昇温させてプラズマ化させ
るようにしているので、プラズマ化が容易となり、熱効
率が向上し、噴射されるようプラズマのエネルギーを増
大することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の縦断面図、第２図は第１図
の噴射ノズルを取り出して示した縦断面図、第３図は第
２図のＩＩＩ−ＩＩ＋矢視図、第４図は本発明の他の実
施例を示す縦断面図、第５図は従来のプラズマトーチの
一例を示す部分断面図である。 ４はノズルケーシンク、５は陰極ロッド、７は陽極、８
は噴射ノズル、９は噴出流路、１０はノズル口、１１は
供給通路、１１°は通路、１５は連通路、１９は外側通
路、２０は内側通路、２２は流入通路、２４は流出通路
、２５は作動流体、２６は冷却用流体（ヘリウムＨｅ）
、２８は接続通路を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ノズルケーシング内に備えられた陰極ロッドと、該
   陰極ロッドの先端部に噴出流路を介して対峙しており、
   前記陰極ロッドの軸心上にノズル口を有すると共に、該
   ノズル口と同心円上に形成した複数の外側通路と該外側
   通路の内側に形成した内側通路とを有し陽極を構成する
   噴射ノズルと、前記陰極ロッドの外周に形成され、先端
   が前記噴出流路に連通された供給通路と、前記外側通路
   の上流側に連通する流入通路と、前記内側通路の上流側
   に連通する流出通路と、前記外側通路及び内側通路の先
   端同志を連通する連通路とを備えたことを特徴とするプ
   ラズマトーチ。 ２）供給通路に作動流体を供給し、流入通路にヘリウム
   Ｈｅを導入するようにした請求項１記載のプラズマトー
   チ。 ３）供給通路と流出通路を接続通路によって連通し、流
   入通路に作動流体を供給するようにした請求項１記載の
   プラズマトーチ。