JPH0523859A - プラズマ切断装置とそのプラズマ切断用トーチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】プラズマ切断用トーチ２０において外部水によ
る自然冷却方式を採用した電極棒１とノズル２をそなえ
たプラズマ切断用装置２０。および、ノズル２の先端の
消耗をおさえるためにノズル２の先端にアーク絞束板２
ｄ″を設けてノズル寿命を改善し、また、ノズル２をノ
ズル本体２ａとノズルチップ２ｂとに分割することでノ
ズル交換作業を簡単にする。 【効果】プラズマ切断装置の構成の簡素化，プラズマ切
断用トーチのノズル交換作業における作業者の負担の軽
減、および、使用済燃料プールにおけるプラズマ切断の
実現ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、廃棄物の切断作業とし
て水中プラズマ切断作業を実現するためのプラズマ切断
装置およびそのプラズマ切断用トーチと、それに用いる
ノズル，電極棒に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のプラズマ切断装置及びプラズマ切
断用トーチの例は日立精工株式会社製のプラズマ切断機
ＵＲ−ＣＴＹ，プラズマ切断用トーチＵＷ−５１Ｙ（ノ
ズル，電極棒を含む）が実用化されている。このプラズ
マ切断機は、トーチのノズル及び電極棒を冷却するため
の冷却水装置を必要としている。また、ノズル及び電極
棒を冷却水により冷却するためトーチの構造も複雑であ
り、ノズルは冷却水を流すための溝を設ける必要から二
つの部品から構成され、それをろう付けすることで製作
していたため、製作が難しい。また、ノズル材質は導電
率が高く、熱伝導度も良好なものとして銅を用いている
ため、原子力発電所の使用済燃料プール等で使用した場
合、銅イオンがプール水に溶け込むため、その銅イオン
が原子炉燃料に付着して腐食をおこす可能性がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の例で示したよう
な従来の一般的なプラズマ切断装置では、本来、気中で
の切断（あるいは溶接）作業を念頭に開発しているた
め、プラズマ切断用トーチは冷却水装置等により強制冷
却する必要があった。そのため、プラズマ切断装置の付
属設備として冷却水装置を必要としていた。また、トー
チのノズル及び電極棒を冷却水により強制冷却するに
は、ノズルと電極棒の絶縁を保ちつつ冷却し、しかも、
効率よく冷却する必要があったため、ノズル及び電極棒
を含むトーチ部分の構造が複雑になっていた。

【０００４】本発明の目的は、切断用プール等を設けて
水中プラズマ切断を実施する場合に、トーチの冷却にト
ーチ廻りのプール水等外部水を利用することで、冷却水
装置を不要とするか、または、冷却水装置による強制冷
却と外部水による自然冷却とを組合せることで、トーチ
の構造の簡素化を図ることにある。

【０００５】また、従来の一般的なプラズマ切断用トー
チに用いるノズルは、本来、気中での切断（あるいは溶
接）作業を念頭に開発しており、作業員が直接トーチを
持って行う作業が主であったことから、消耗品として容
易に考えられていた。また、そのノズルの交換作業も、
頻度が高く、多少手間がかかっても、作業員の負担が大
きいものとは考えられていなかった。

【０００６】本発明の目的は、特に、原子力発電所等に
おいて行うプラズマ切断（あるいは溶接）作業におい
て、ノズル等の消耗品交換作業による作業者の被ばく等
の負担を軽減するために、ノズルの長寿命化あるいはノ
ズルの交換時間の短縮を実現することにある。

【０００７】また、従来の一般的なプラズマ切断用トー
チに用いるノズルは、導電率が高く、熱伝導度も良く安
価であるという理由から銅が用いられていた。しかし、
原子力発電所使用済燃料プール等の原子炉燃料の存在す
るプール内で、水中プラズマ切断を実施する場合、プラ
ズマ熱によりノズルの銅成分が銅イオンとしてプール水
中に溶け込む可能性がある。銅イオンが原子炉燃料に付
着すると腐食を生じる可能性があるため、プラズマ切断
により銅成分をプール内に拡散させることは好ましくな
い。

【０００８】本発明の目的は、原子力発電所使用済燃料
プールにおいて水中プラズマ切断作業を実現することに
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的のうちトーチ構
造を簡素化という目的を達成するために、本発明は、プ
ラズマ切断装置を構成するプラズマ切断用トーチにおい
て、プラズマアークを発生させるためのノズル及び電極
棒のうち少なくとも一方は、切断用プールのプール水等
外部水による冷却が可能なように、外部水と直接接触す
るプラズマ切断用トーチの構造とした。

【００１０】また、上記目的のうち、作業者の負担を軽
減するという目的を達成するために、本発明は、プラズ
マ切断装置を構成するプラズマ切断用トーチにおいて、
ノズルの長寿命化を図るために、ノズル先端にセラミッ
ク部材等耐熱性の高い材料を付加する等の手段を用いる
ことにより、ノズルの消耗をおさえた。また、別の手段
として、ノズル先端の消耗可能性の高い部分をノズル本
体と分割することで消耗部品の交換作業を容易にした。

【００１１】また、上記の目的のうち、原子力発電所使
用済燃料プールにおいて水やプラズマ切断作業を実現す
るという目的を達成するために、ノズル材質としてアル
ミニウム等を採用した。

【００１２】

【作用】プラズマ切断装置を用いて、水中プラズマ切断
を行う場合、プラズマ切断トーチ内部の電極棒とノズル
（または被切断物。以下ノズルとして説明する。）との
間で電流が流れ、その電流が動作ガス（アルゴンガス
等）をプラズマ化させ、プラズマアーク（またはプラズ
マジェットと呼ぶ）を発生させ、その熱により被切断物
を溶融するとともに動作ガス流によりふき飛ばして切断
を実現する。このとき、プラズマアークの熱によりプラ
ズマ切断トーチのノズル及び電極棒が熱せられる。この
とき、本発明ではノズルまたは電極棒のうち少なくとも
一方はプール水等外部水に接しており、動作ガス流に伴
う外部水の流れまたはプール水の対流等の影響でノズル
または電極棒が冷却され急激に溶融することはなく所定
の機能を満足する。また、そのノズルまたは電極棒の外
部水との接触面積が大きくなるよう冷却フィン等を設け
ることで冷却性能が向上する。

【００１３】また、例えば本発明のノズル先端部にセラ
ミック等の耐熱性の高い材料を付加したノズルを用い
て、プラズマ切断を行う場合、電流はプラズマ切断トー
チ内部の電極棒とノズル本体部で流れ、先端部でアーク
が絞られることになる。従って、ノズル本体部が多少消
耗してもノズル先端部の穴径が変化しないためアークが
絞られるため、切断性能がほとんど変化せず、ノズル寿
命が延びることになる。また、ノズル本体とノズル先端
部に分割したノズルを用いたプラズマ切断装置におい
て、ノズルが消耗し、交換が必要となった場合、トーチ
のキャップを外すことなく、ノズル先端のみを取外し、
新しいノズル先端を取付けることができるため、ノズル
の交換作業が短縮できる。

【００１４】また、水中プラズマ切断においてノズル材
質として、銅以外の材質を用いた場合、銅イオンが水中
に溶出することが無いため、原子力発電所使用済燃料プ
ール等での使用上の制約が無くなる。

【００１５】

【実施例】

〈実施例１〉以下、本発明の一実施例を実施例１として
図１〜図５により説明する。本実施例１は、水中プラズ
マ切断装置用のプラズマ切断用トーチ２０に本発明を適
用したものである。

【００１６】図１において、本実施例１のプラズマ切断
用トーチ２０は、主にアーク発生時に一方の電極（本例
ではマイナス極とする）となる電極棒１と、電極棒１と
逆極性（本例ではプラス極とする）となり得るノズル２
と、これら電極棒１とノズル２を絶縁するための絶縁カ
ラー３および絶縁本体４と、ノズル２を固定するための
キャップ５と、動作ガスホース７，マイナス側電源ケー
ブル８，プラス側電源ケーブル９を保護するための保護
筒６とで構成されている。また、ノズル２は、ノズル本
体２ａおよび先端にノズル孔２ｃをもつノズルチップ２
ｂより構成され、ホルダ１０および通電導体１１を介し
てプラス側電源ケーブル９と電気的に連結されており、
電極棒１はマイナス側電源ケーブル８と電気的に連結さ
れている。

【００１７】電極棒１および絶縁本体４には、電極棒１
を外部水により冷却するための冷却孔１ａおよび４ａが
開けてあり、電極棒１の内面と外部水が接触する構造と
なっている。また、ノズル２は外面が外部水と直接接触
する構造となっている。

【００１８】本実施例１における水中プラズマ切断で
は、動作ガスボンベ２４から動作ガスを動作ガスホース
７を介して絶縁本体４に設けられた動作ガス孔４ｂを通
してトーチ内部に供給し、図１中の矢印１２ａ，１２
ｂ，１２ｃ及び１２ｄ，１２ｅの順に流す。この状態で
プラズマ電源２２で電源２３から得た電圧をプラズマ切
断用トーチ２０の電極棒１とノズル２との間に無負荷電
圧として印加しておき、高周波発生装置２１により着火
させ、プラズマ電流１３を電極棒１とノズル２との間に
流れ、動作ガスがプラズマ化し、ノズル孔２ｃで絞られ
プラズマアーク１４を生じる。このプラズマアーク１４
の熱により被切断物１５を溶融するとともに動作ガス流
１２ｅでふき飛ばし、切断を実現する。このとき、プラ
ズマアーク１４の熱により電極棒１及びノズル２が加熱
されるが、前述の通り、いずれも外部水に接触しており
冷却されることになる。しかし、特にノズル２のノズル
チップ２ｂが最も高温となるため、ノズルチップ２ｂお
よびノズル本体２ａには、例えば、図３〜図５に示すよ
うに冷却効果をあげるため表面積を大きくする。図３の
例ではノズル２の軸方向に冷却フィン３０を設けてい
る。図４の例ではノズル２の軸と垂直方向に冷却フィン
４０を設けている。また、図５の例ではノズル２の表面
にローレットによりきず５０をつけて表面積を大きくし
ている。

【００１９】また、プラズマアーク１４によるノズル２
の消耗部はノズルチップ２ｂのノズル孔２ｃ側である
が、ノズル消耗時にはキャップ５を取外すことなくノズ
ルチップ２ｂのみを取外せるようにノズルチップ２ｂは
ノズル本体２ａにねじ込み式（図示せず）に取付けられ
ている。

【００２０】〈実施例２〉以下、実施例１とは別の本発
明の一実施例を実施例２として図６および図７により説
明する。本実施例２は、プラズマ切断用トーチ２０のノ
ズル２″に本発明を適用したものである。

【００２１】図６は従来のノズル２の消耗の進行具合と
アークの拡散を示している。図６に示す通り従来のノズ
ル２′ではノズル２′全体が導体（銅）で構成されてい
るため、消耗部分はノズル２′の電流の通電部であるノ
ズル孔２ｃ′付近に集中する。従ってノズル２′の消耗
に従ってノズル孔２ｃ′の径が大きくなるため、徐々に
プラズマアーク流１４′が絞られなくなる。そのため、
プラズマアーク流14′の温度が低下し切断能力の低下に
つながった。

【００２２】本発明の実施例２では、ノズル２″を導体
であるノズル本体（場合によってはノズルチップ）２
ａ″と不導体であり、しかも、耐熱性の良い材料（本例
では耐熱性セラミック）からなるアーク絞束板２ｄ″で
構成されている。この場合、図７に示すように、プラズ
マアークの発生により電流の通電部であるノズル本体２
ａ″が消耗しても先端のアーク絞束板２ｄ″がほとんど
消耗しないため、プラズマアーク流１４″は初期と同様
に絞られるため、ノズル本体２ａ″の消耗に従って切断
能力が低下することがない。従って、ノズル２″の寿命
が従来のノズル２′に比べて長くなる。

【００２３】また、図７に示す実施例２では、ノズル本
体２ａ″の他にアーク絞束板２ｄ″を別に設けている
が、ノズル本体２ａ′にイオン注入等の手法によりノズ
ル本体２ａ″の表面をセラミック化させることも考えら
れる。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、冷却水装置を設けずに
水中プラズマ切断用のプラズマ切断装置を構成できるた
め、装置の簡素化を図ることができる。

【００２５】また、本発明による外部水による自然冷却
式のノズルを用いればノズル構造が簡単になり、その製
作も容易になる。

【００２６】さらに、本発明によれば、プラズマ切断用
トーチのノズルの寿命の延長あるいは交換作業時間短縮
が図れるため、原子力発電所等における廃棄物処理にお
いて被ばく低減等作業者の負担軽減を図ることができ
る。

【００２７】また、ノズル材質として銅以外のノズルを
用いることにより原子力発電所使用済燃料プール等原子
炉燃料の存在するプール内におけるプラズマ切断作業を
実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のプラズマ切断用トーチの断
面図。

【図２】図１に示すプラズマ切断用トーチを用いたプラ
ズマ切断装置の系統図。

【図３】本発明の第二の実施例の、冷却フィンをもつノ
ズルの斜視図。

【図４】本発明の第二の実施例の、冷却フィンをもつノ
ズルの断面図。

【図５】本発明の第二の実施例の、冷却用のローレット
による表面にきずを設けたノズルの一例を示す側面図。

【図６】従来のノズルの消耗の進行の具合とそれに伴う
プラズマアークの広がりを示す断面図。

【図７】本発明の第三の実施例に係り、従来のノズルに
比べ本発明によるノズルを用いればノズルが消耗しても
プラズマアークがほとんど変化しないことを示す断面
図。

【符号の説明】

１…電極棒、２…ノズル、２ａ…ノズル本体、２ｂ…ノ
ズルチップ、２ｃ…ノズル孔、３…絶縁カラー、４…絶
縁本体、５…キャップ、６…保護筒、７…動作ガスホー
ス、８…マイナス側電源ケーブル、９…プラス側電源ケ
ーブル、１０…ホルダ、１１…通電導体、１２ａ〜１２
ｅ…動作ガス流、１３…プラズマ電流、１４…プラズマ
アーク、１５…被切断物、２０…プラズマ切断用トー
チ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉田 富治 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】プラズマトーチへ電流を供給するためのプ
   ラズマ切断用電源と、アーク着火を行うための高周波発
   生装置等の着火装置と動作ガスを供給するためのガスボ
   ンベ等の動作ガス供給装置と、プラズマアークを用いて
   切断あるいは溶接を行うためのプラズマトーチからなる
   プラズマ切断装置において、水中切断時のトーチ冷却を
   切断用プールのプール水等外部水により行えるプラズマ
   トーチを設け、切断用プール等の外部水以外の冷却水を
   供給する冷却水装置を設けないことを特徴とするプラズ
   マ切断装置。
2. 【請求項２】請求項１において、トーチのノズル及び電
   極棒のいずれか一方を切断用プール等の外部水以外の冷
   却水を供給する冷却水装置により冷却するプラズマ切断
   装置。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２に示すプラズマ切
   断装置において、切断用プール等の外部水の冷却効果を
   利用するために、ノズルまたは電極棒の表面積を大きく
   したプラズマ切断装置用ノズルまたは電極棒を設けたプ
   ラズマ切断用トーチ。
4. 【請求項４】プラズマ切断用トーチにおいて、ノズル先
   端にノズル本体と別に不導体でセラミック等耐熱性の高
   い材料をノズル本体に付加することを特徴とするノズル
   を設けたプラズマ切断用トーチ。
5. 【請求項５】請求項４に示すノズルにおいて、ノズル本
   体の先端部にイオン注入等の手法によりノズル先端表面
   をセラミック化等不導体化することを特徴とするノズル
   を有したプラズマ切断用トーチ。
6. 【請求項６】プラズマ切断用トーチにおいて、トーチ先
   端のノズルを押えるキャップを取外すことなく、ノズル
   消耗部分のみが交換できるようノズルをノズル本体とノ
   ズル先端部に分割したことを特徴とするプラズマ切断用
   トーチ。
7. 【請求項７】請求項１または請求項２において、ノズル
   材質として銅以外の材質のノズルを用いるプラズマ切断
   装置。
8. 【請求項８】請求項３において、ノズルを一体化するプ
   ラズマ切断用トーチに用いるノズル。