JPH04227405A - アーク加熱式プラズマ・ランス - 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】

本発明は、ポータブル式プラズマ・トーチに関する。

【０００１】本発明の好ましい実施例は、米国特許第４
，６６８，８５３号に記載のプラズマ・トーチに密接に
関連しており、従って、かかる米国特許を本明細書の一
部を形成するものとしてここに引用する。

【０００２】プラズマ・トーチは過熱状態のプロセスガ
スを供給するのに用いられる。一般に、プラズマ・トー
チは石炭燃焼ボイラの点火装置または点火トーチとして
も利用される。上流側の電極と下流側の電極を有し、こ
れらの間に回転状態のアークが発弧するようになったプ
ラズマ・トーチの代表例として、米国特許第３，７０５
，９７５号に記載されているアーク加熱装置がある。 プラズマ・トーチの説明のため、米国特許第３，７０５
，９７５号を本明細書の一部を形成するものとしてここ
に引用する。プラズマ・トーチの考えられる用途の例示
が、米国特許第４，５７１，２５９号に記載されている
。かかる米国特許に記載のプラズマ・トーチは、２つの
電磁コイルによって包囲された中央の細長くて狭い室を
閉鎖端と開口端との間に有する細長い管状ハウジングを
有し、電磁コイルはそれぞれの上方と下方の電極に関連
していて、閉鎖端から開口端までのコイルの磁界の影響
の下で回転状態にあるアークに衝撃を与え、それと同時
にガスを閉鎖端から開口端に向かってアークの長さ全体
に亘って注入する。かかる構成では、ガスはアークによ
って分解されて加熱され、その結果得られたガスは開口
端から火炎として放出され、かくして例えば溶融または
溶解されるべき金属浴または過熱状態のガスを必要とす
るその他のプロセスに利用できる熱源となる。他の用途
としては、過熱ガスの供給から経済的利益を得ることの
できる任意のプロセスを含む。これについては、例えば
、米国特許第４，１０７，４４５号、第４，７１８，４
７７号及び第４，７３４，５５１号を参照されたい。

【０００３】米国特許第４，６６８，８５３号に記載さ
れているプラズマ・トーチと同様に、本発明によるプラ
ズマ・トーチは、狭い円筒形のアーク室を形成する互い
に反対側に位置したアーク支持面を有し、アーク室内で
はアークが長さ方向に自然発生すると共にかかるアーク
室を横切って、高い電極電位にある上方表面と低い電極
電位にある下方表面との間で回転する。所要の磁界を発
生する２つの電磁コイルはそれぞれのアーク支持面を包
囲している。参照番号１４９のところで内側閉鎖端から
、及び２つの電極の間に形成されている狭い隙間６５を
通して、アークによって加熱されるべきガスを電極の中
央軸方向ボア内に導入する手段が設けられている。高い
速度状態で、ガスが隙間及びボアを通って管状ハウジン
グの開口端によって形成される出口ポートに向かって流
れる。壁に全体に沿って且つ上流と下流との間に、適当
な水冷手段が設けられている。また、直列に接続された
電極とコイルとの間には絶縁体が設けられている。出口
ポートから噴出されたアーク加熱プラズマ・ガスは、過
熱状態の空気又は事実上その他任意のガスであり、３０
００°Ｆ〜１２０００°Ｆの温度範囲までの加熱により
プラズマジェットをつくり、これを米国特許第４，５７
１，２５９号に示すような燃焼用の粉末材料又は過熱状
態のガスを必要とする他の任意のプロセスに用いられる
粉末材料中に射出する。

【０００４】トーチ電極の寿命は長く、通常は数百時間
である。電極とコイルの両方について高効率のＤＣ電源
が用いられる。コイルは水冷式のコイルであり、内部は
中空の導体によって接続されている。トーチ接続部は全
て、一端、即ち閉鎖端の上方に配置されている。水蒸気
がプロセスガスである場合、蒸気の復水を防止する高温
状態の冷却剤としてボイラの給水を用いるのがよい。高
周波点火ＨＦ／ＨＶパルスが電極に印加されるが、その
目的は狭い隙間６５にアークによる絶縁破壊を引き起こ
し、それによりアークを発弧させてトーチを始動するこ
とにある。

【０００５】従来設計においては、ガスを高速で空隙間
に吹き込むことによって空隙の上方部分と下方部分の機
能における固有の不均衡のために、従来技術においては
、下方部分、即ちコイルとアーク表面を長くしてアーク
を中央軸方向ボア内に維持させる傾向があった。確実な
こととして、起点が上方表面に、終点が下方表面にある
アークが高速のガス流によって前方に歪む。したがって
従来設計では、２つの等しい互いに隣接する上方区分と
下方区分を備える代わりに（上方区分は短い区分しか必
要としないけれども）、隙間６５と出口ポートとの間の
下方区分の長さを実質的に長くしてアークがトーチから
消えないようにしている。この手法を用いると大抵のプ
ラズマ・トーチの用途に極めて満足のいく成果が得られ
たが、最近判明したことは、ガスがある特定の重化学元
素、例えば炭素を発生すると、狭い室内にその下方表面
に沿って閉塞現象が生じるということである。閉塞が生
じると、ガスの流れは妨げられ、アークの効率が低下す
ると共に出口ポートからの加熱状態のプロセスガスの発
生が失われる。かかる状況は特にトーチ室内へ注入され
るガスがフレオンである場合に顕著である。

【０００６】本発明は閉塞を生じないで炭化水素ガスを
過熱できるアーク加熱式プラズマ・ランスに関する。本
発明のアーク加熱式プラズマ・ランスは、長さ方向円筒
形室が、ガス入口の設けられた内端と火炎出口の設けら
れた開口端との間で軸線に沿って延び、長さ方向円筒形
室は、内端の近傍に位置していて正・負のうち何れか一
方の極性を備える上方の円筒形電極と、開口端の近傍に
位置していて他方の極性を備える下方の円筒形電極とで
構成され、上方及び下方の円筒形電極は前記軸線に沿っ
て配置され、これら電極の間には隙間が形成されており
、上方と下方の電極の間にアークを繰り返し発生させる
ＤＣ電圧が電極間に印加され、前記軸線の周りにアーク
を回転させるコイル手段が設けられ、化合物により特性
が決まる、実質的に高温のプラズマジェットを開口端か
ら放出させるガスが、ガス入口から開口端に向けてアー
ク及び円筒形室中へ注入され、開口端は下方の電極によ
って画定され、円筒形室及び下方電極の外側部分が、開
口端のところに形成され、この外側部分は外面を形成す
るよう半径寸法が次第に増大しており、ガス注入速度及
び極性電極電位に対する下方電極の長さは、回転状態に
あるアークを前記外面上へ定着させ、それにより、下方
電極の閉塞を実質的に無くすると共に下方電極からの外
部放出輻射エネルギを増強させるように選択されている
ことを特徴とする。

【０００７】本発明によれば、室の長さ及びガスの速度
が所与のものである場合、第２の電極の長さは従来設計
の場合よりも実質的に短く形成でき、アーク根元部を受
け入れるよう外部が丸くてフレア状になった端部が、出
口ポートに形成され、それによりアーク発生効果がもは
や全体としては電極境界内に封じ込められ、むしろ出口
ポートを形成する上記のような丸くてフレア状の端部が
あるために、下方電極はその上に、繰り返し生じるアー
クの相当な部分を受け入れる。回転状態のアークとガス
との間の蒸気のような相互作用の大部分が出口ポート近
傍の下流側電極の外面上に生じる結果、炭化水素ガスの
成分による室の閉塞がなくなる。さらに、プロセスによ
っては、出口ポートによる輻射エネルギの発生量の増加
が有利な場合がある。下流側の電極を短くするとトーチ
が高い効率で稼働することになる。

【０００８】本発明の内容は添付の図面に例示的に示す
に過ぎない好ましい実施例の以下の説明を読むと容易に
明らかになろう。

【０００９】第１図（これは米国特許第４，５７１，２
５９号に依拠している）を参照すると、還元室２２が、
ガス供給源３２、電源３４及び冷却用水供給源３６に連
結されていて、還元室２２内に高温の加熱流４４を形成
するプラズマ・トーチ３０を有するものとして示されて
いる。この還元室は、参照番号６２のところで供給され
る材料の還元のために用いられ、かかる供給材料として
は、粉末状金属酸化物、スラグ・フォーマ及び還元体が
挙げられる。金属酸化物は還元体の存在下でプラズマ・
トーチからの高温のプラズマ流４４によって加熱されて
溶解し、還元され溶融状態の金属となって金属浴５４に
溜まる。スラグはこれから分離される。ガスが、軸方向
隙間４０を含む１又は２以上の流路によってプラズマ・
トーチ内へ導入又は注入され、２つの中空円筒形電極４
２間の軸方向隙間４０を横切って発弧しているアーク３
８によって加熱される。好ましくは、プラズマ・トーチ
内へのガスの注入量は、電気アーク３８が還元室内へキ
ャリオーバされないようなレベルに保たれる。ただし、
プラズマ加熱流４４はプラズマ・トーチの端部からはみ
出る。

【００１０】第２図は、本発明のプラズマ・トーチの断
面図である。本発明の好ましい実施例として、本発明の
プラズマ・トーチは、上記米国特許第４，６６８，８５
３号に記載の細長いアーク・ヒーター・プラズマ・ラン
スの特徴のうち多くを有している。しかしながら、かか
る米国特許の第１Ｂ図とは対照的に、第２図は、下流側
の電極６３が、（１）　従来型下流側電極よりも実質的
に短く、（２）　出口１００に、外面１００´を備えた
実質的に外方にフレア状になった開口部を有するよう特
別に設計されていることを明示している。上方電極６１
は比較的短い状態に保たれ、即ちガスの注入内側端部１
４９から電極の中央ボアに軸方向に沿って２つの電極を
分かつ隙間６５上に延びている。２つの電極を横切って
アークが発弧するが、このアークは注入ガスの流量が多
いので下方へ吹き飛ばされている。したがって、ＤＣ電
圧の使用条件下では、上方及び下方の電極は、これらを
分離する隙間６５を横切るアークを支持している。２つ
のコイルは一般に同一のＤＣ電圧の下で直列接続されて
いて、横方向の磁界を生ぜしめ、この磁界により、アー
クは２つの電極の整列状態にある表面によって形成され
る円筒形で比較的狭いチャンネルを横切って発弧しなが
ら回転するようになる。これは米国特許第４，６６８，
８５３号に詳しく説明されている。ガスは２つの流入オ
リフィス１４９からチャンネルの軸線に沿って注入され
るだけでなく電極間の隙間６５を通って参照番号８３，
８５のところでも吹き込まれる。その結果、このガスは
一般に２０ｓｃｆｍ（標準立法フィート／分）の高速で
後部入口１４９から下方電極６３の端部の出口ポートに
向かって注入される際にアークにさらされる。放電状態
下ではガスの原子または分子は少なくとも部分的にイオ
ン化され、ガスはプラズマ状態になる。アーク電流を用
いると、作動圧力、ガス及び電子の温度は非常に高くな
るが、電流密度及び電力密度は等しく高い。電極６１，
６３及びコイル６７，６９の電力は、４００アンペアで
最大２００キロワットのレベルで得られる。大電力を用
いることが出来るが、この場合、構成部品を大型にし、
アーク電流を大きくし且つガスの流量を高くする。その
結果得られるプラズマジェットは、処理されるべき金属
浴に向かって又は高温ガスを必要とする他のプロセスに
向かって出口ポートの外側へ射出される。電力は中空導
体１０９，１１１を通って下流側コイル６９へ流れ、導
体１１３、次に導体１１５，１３１を通って上流側のコ
イル６７に戻る。コイル冷却のための冷却水は１０９か
ら管状導体１１１を通って（下流側コイル６９に沿って
）注入され、ここから上流側コイル６７に通じる導体１
１３を経て流出し、導体１１５を通り管状導体１１７を
経て戻る。コイルスプールと電極との間には（上流側電
極については７５のところ、下流側電極については７７
のところ）、電極冷却水を通す隙間が生じている。これ
はすべて米国特許第４，６６８，８５３号の第１Ｂ図と
関連して詳細に説明されている。

【００１１】第２図に示すように、上方及び下方のコイ
ルと電極の組合せに相当する２つの部分（第３Ｃ図にお
いて部分Ｓ１及びＳ２）の総合長さは、本発明によれば
米国特許第４，６６８，８５３号の第１Ｂ図の場合より
も一層短い。従来技術におけるように、第３Ａ図に示す
ようなＳ１とＳ２を同一の長さにすることが容易である
ことは確かである。しかしながら、アークのこのような
前方へのシフトを補償すると共にアークガスとの相互作
用時間を増加させてプラズマ火炎を最大限に発生させる
ためガスを上方部分Ｓ１の後部から高い流量で下方部分
Ｓ２の出口ボートに向かって吹き込むので、Ｓ２が長く
なっているが、それに付随してＳ１が短くなっている。 これは第１Ｂ図を参照して米国特許第４，６６８，８５
３号に記載されているものである。従来技術の長さの等
しくない長さ部分Ｓ１及びＳ２が第３Ｂ図に概略的に示
されている。しかしながら、実際問題として、この方式
では、トーチを、ガス、例えばメタン、フレオンその他
の炭化水素組成物を用いて使用している場合、化合物が
加熱中に開離して固形物、基本的には炭素を生じ、その
結果トーチの狭い下方端部が閉塞することが判明した。 トーチ表面上への熱分解炭素の堆積によりトーチを通る
ガスの流れが妨げられて止まってしまう。プラズマ・ト
ーチの全体的な再設計を行うことなくこの問題を解決す
るため、第３Ｂ図で提案されている構成とは異なる構成
につき実験が行われた。第３Ｃ図で示すように、本実施
例では下方部分Ｓ２が実質的に短くなっており、出口に
おいて下方電極には中央ボアからフレア状になった、か
くして外見上プラズマジェットに晒されるプロセスに向
かう広い表面が設けられている。このように再設計する
ことにより、下流側の封水装置が不要になると共にアー
クの根元部を下方電極６３のフレア状端部１００で回転
するようになる。一見したところ、この方式は不適切で
あるかのようである。というのは、アークを中央バー内
でガスに当てさせる度合いを少なくすることにより下方
電極６３の機能を最少限に抑える傾向があるからである
。実験の結果、逆のことが判明した。回転状態のアーク
は出口ポート１００の外面１００´に着く傾向があるの
で、その有効性を失うことはないであろう。これにより
、動作中のチャンネルの狭い領域内における酸素の分解
が最少限に抑えられて閉塞が生じなくなる筈である。 さらに、上述のアーク外側部分は輻射エネルギ源となり
、このように設計変更を施したトーチを用いると、全体
的な効率増大は非常に程よいものになる。というのは、
その結果得られる効率は、従来の６０〜７０％とは対照
的に８０〜９０％の範囲に達したからである。得られる
効果として、作動が閉塞のない状態で行われること、効
率が高くなること及び電極の寿命が長くなることが挙げ
られる。空気以外のガスについても実験を行なった。最
も著しい効果は、ＦＲＥＯＮ２３及びＣＨＦ３について
得られた。しかしながら、本発明のトーチはまた、空気
流を従来得られた効率レベルよりも高い効率レベルにし
た状態で、減少した電極腐食速度及び高い割合の輻射エ
ネルギを生じ、これは化学的プロセス、例えば塩素化炭
素の分解によって得られる利益を得るために外部アーク
発生を行なったためである。

【００１２】再設計では、これらは全て、原設計の全体
的品質を損なうこと無く低コストで得られた。かくして
、プラズマ・トーチは、上述の米国特許第４，６６８，
８５３号で説明されているように、依然として、管状電
極、アークの簡単な発弧及び安定化のための電極間の僅
かな隙間、アークを電極表面上に亙り移動させる界磁コ
イルを備え、構成が単純且つ強固であり、しかも機器の
保守が容易である。また、新規なプラズマ・トーチは依
然として、特定の用途に合うよう作られた全長を有する
管状の形になっており、ここでは、接続手段は全て上端
のボアから延びている。管状で軸方向に間隔を置いて配
置された電極（これらの間には、ガスの導入を始める僅
かな隙間が形成されている）は電磁コイルで包囲され、
これら電磁コイルは、アークを回転させると共に電極の
表面上におけるアーク根元部の統計学的な分布を生じさ
せる磁界を形成する。全ての構成部品が電力要件を満た
すよう寸法決めされている。かかるプラズマ・トーチは
比較的短いチップ組立体を取り外すことにより点検修理
が容易である。

【００１３】第４図は、トーチ組立体を通るガスと冷却
水の流れ及び電気的結線構成を示す略図である（第２図
の参照番号が用いられている）。ライン１０９に注入又
は導入される冷却水は中空管１１１に導かれ、下方コイ
ル６９のアンペアターンに流れる。水の流れは、下方コ
イルからライン１１３により示される別の管によって戻
り、上方コイル６７への入力になる。２つのコイルを通
る連続的な水の流れはライン１１５で戻される。コイル
と電極間の空間への冷却水の導入は、Ｗ１で行われ、戻
しはＷ２で行われる。ガスは、入力８５，８３から電極
間隙間６５に流入するだけでなく、入力１４９から電極
のボア内へも注入される。アークに晒されたガスは、出
口ポートからプラズマジェットとして出ることになる。 発生した回転状態のアークはその根元部が電極６１の内
面に付着すると共に電極６３の外面１００′に付着した
状態で示されている。アークは、ＤＣ電源により２つの
電極に給電されるＤＣ電圧により、正極側では導体Ａの
一方の側、負極側では導体Ｂの他方の側に発弧する。導
体Ｂは、図示のように、下方の電極、一般に出口ポート
に直接接続されている。導体Ａは先ず最初にライン１１
３，１１５によりコイル６９，６７を貫通する中空管１
１１に接続され、電気結線が、ライン１１５から上方電
極６７へ延びるライン１３１によって構成されている。

【００１４】図面と明細書において本発明の好ましい実
施例を開示して説明した。しかしながら、開示内容から
、本発明の技術的範囲に属する変形例を想到できること
は言うまでもない。たとえば、上方部分、コイル及び電
極を幾分長くしても良い。また、トーチを第３Ａ図に概
略的に示す従来例に類似させないで、同一構成にしても
良い。下方電極の相当な短さ及びプラズマジェット暴露
プロセスに向かって設けられるフレア状の外面１００′
は、閉塞を生じさせない特性及び効率の増大並びに輻射
エネルギの最大化を発揮させる従来技術と比較した主要
な相違点である。また、電極の中心及び軸方向ボアが出
口ポートに向かって幾分外れるよう下方電極を設計する
よう計画されている。これは、アークと高速のガスの相
互作用に悪影響を及ぼさない程度までは実施されよう。 それにもかかわらず、この手法は、閉塞防止効果を高め
、且つ外部への輻射エネルギレベルを増大させることに
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１図は、プラズマ・トーチと関連のある還元
室を備えた従来型耐火物内張反応炉を示す略図である。

【図２】第２図は、本発明の好ましい実施例に従って構
成されたプラズマ・トーチを示す図である。

【図３】第３Ａ図、第３Ｂ図及び第３Ｃ図は、発生した
アーク上のプラズマ・トーチの電極部分の上方及び下方
区分の相対的な割合の効果を概略的に示す図であり、第
３Ｃ図は本発明に従う設計に関連した図である。

【図４】第４図は、ガス及び水冷流とプラズマ・トーチ
の電気的結線構成を概略的に示す図である。

【符号の説明】

６１　　上方電極 ６３　　下方電極 ６５　　隙間 ６７　　上流側コイル ６９　　下流側コイル １００　　開口端 １４９　　ガス入口

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　アーク加熱式プラズマ・ランスであっ
   て、長さ方向円筒形室が、ガス入口の設けられた内端と
   火炎出口の設けられた開口端との間で軸線に沿って延び
   、長さ方向円筒形室は、内端の近傍に位置していて正・
   負のうち何れか一方の極性を備える上方の円筒形電極と
   、開口端の近傍に位置していて他方の極性を備える下方
   の円筒形電極とで構成され、上方及び下方の円筒形電極
   は前記軸線に沿って配置され、これら電極の間には隙間
   が形成されており、上方と下方の電極の間にアークを繰
   り返し発生させるＤＣ電圧が電極間に印加され、前記軸
   線の周りにアークを回転させるコイル手段が設けられ、
   化合物により特性が決まる、実質的に高温のプラズマジ
   ェットを開口端から放出させるガスが、ガス入口から開
   口端に向けてアーク及び円筒形室中へ注入され、開口端
   は下方の電極によって画定され、円筒形室及び下方電極
   の外側部分が、開口端のところに形成され、この外側部
   分は外面を形成するよう半径寸法が次第に増大しており
   、ガス注入速度及び極性電極電位に対する下方電極の長
   さは、回転状態にあるアークを前記外面上へ定着させ、
   それにより、下方電極の閉塞を実質的に無くすると共に
   下方電極からの外部放出輻射エネルギを増強させるよう
   に選択されていることを特徴とするアーク加熱式プラズ
   マ・ランス。
2. 【請求項２】　　下方電極の選択された長さは、閉塞を
   生じさせないようにする効果を高めると共に外部放出輻
   射エネルギを増強させるよう下方電極の選択された半径
   方向寸法と連関していることを特徴とする請求項１のア
   ーク加熱式プラズマ・ランス。
3. 【請求項３】　　下方電極の選択された半径方向寸法は
   、隙間から開口端まで次第に増大していることを特徴と
   する請求項２のアーク加熱式プラズマ・ランス。