JPH0670407B2

JPH0670407B2 - プラズマジェット生成法とプラズマ発生器

Info

Publication number: JPH0670407B2
Application number: JP2245851A
Authority: JP
Inventors: 徹三谷; 登桜中; 宗男泉川
Original assignee: 科学技術庁航空宇宙技術研究所長
Priority date: 1990-09-14
Filing date: 1990-09-14
Publication date: 1994-09-07
Anticipated expiration: 2009-09-07
Also published as: JPH04124445A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、プラズマジェット生成法と該方法によるプラ
ズマ発生器、特にラムあるいはスクラムジェットエンジ
ンの着火と火炎保持に必要なプラズマイグナイタの高効
率化を可能にする高効率プラズマジェット生成法とプラ
ズマ発生器に関する。

（従来の技術）ラムあるいはスクラムジェットエンジンでは、燃焼器の
中を流れる空気流速が大きく、それに水素等の燃料を噴
射しても通常の手段では着火しにくい。また、着火して
も火炎を燃焼室内に安定に保持し、効率良く燃焼させる
ことも難しい。そこで、近年プラズマトーチによって燃
料に着火、燃焼を安定化する試みがなされている。この
方法は、アーク放電によって形成されたプラズマジェッ
トから、高温ガスあるいは活性化した成分を超音速で噴
射させ、燃料に着火せしめるものである。

そのための従来のプラズマイグナイタは、第２図に示す
構造を有し、作動ガス12は棒状の陰電極11の周りより供
給され、その中を陽極ノズル15との間でアーク16が形成
される。そのアークによって加熱され、電離した作動流
体はプラズマジェット19となり、燃焼器の中に吹き込ま
れる。そして、従来のイグナイタでは陽極保護のため、
冷却通路18が設けられており、通常は水によって冷却し
ている。

（発明が解決しようとする問題点）スクラムジェットエンジンの燃焼器では、空気流速は音
速を越え、エンジンの冷却や、燃焼制御の制約により、
空気と燃料の混合比は必ずしも燃焼に最適な理論空燃比
とはならない。それゆえ、確実な着火と火炎保持には効
率の高いプラズマイグナイタが不可欠となる。

効率の良いイグナイタの条件は、イグナイタに投入され
た電力が効率良くプラズマに伝達されること、プラズマ
内で化学反応を促進する活性分子が良く生成され、その
濃度が高いこと、そして、それらの活性分子を消滅する
ことなく燃焼器に送り込むことが必要となる。さらに、
エンジンの作動状態が変化しても、安定で効果の高いプ
ラズマの保持が確保されなければならない。

しかしながら、上記従来のプラズマイグナイタにおいて
は、イグナイタに投入された電力の20〜50％のエネルギ
ーが冷却水に奪われ、損失となっている。一般に環境圧
力が低くなるとプラズマ強度は低下し、投入した大部分
のエネルギーはプラズマイグナイタの冷却水に奪われ
る。そのため、益々効率が低下する悪循環が生じる問題
がある。これは低圧ではガスが電離し易くなり、イグナ
イタの上流側でアークが短絡するためである。これと似
た現象は、作動流体としてアルゴンを用いた実験で観測
されている。

一方、従来のトーチではアークの電流を増加させると、
アーク放電路が拡大し、電極間電圧が低下する。そして
さらに負荷を上げていくと、陰極とノズル上流端で放電
が行なわれ、ここで発生した熱は細いノズルを流れる間
に冷却水に奪われ、放電で生成された活性分子はそこで
失活する。このような短絡現象は飛行高度が高く、燃焼
器の作動圧力が低い時に生じるおそれがある。

本発明は、上記従来のプラズマイグナイタの上記欠点を
解消しようとするもので、投入された電力を効率良くプ
ラズマに伝達し、また、プラズマ内で化学反応を促進す
る活性分子が良く生成され、そして、それらの活性分子
を消滅することなく燃焼器に送り込むことができ、さら
に、エンジンの作動状態が変化しても、安定で効果の高
いプラズマの保持が確保できるようなプラズマイグナイ
タを得ることが出来るプラズマジェット生成法とプラズ
マ発生器を提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段）本発明者は上記問題点解決するために研究を重ねた結
果、従来の冷却水に代えて低温の電離し難いガスを用
い、該ガスをプラズマ発生器のノズル壁より滲み出さ
せ、プラズマの熱ピンチ効果を積極的に利用することを
見出し、本発明に到達したものである。

即ち、本発明のプラズマジェット生成法は、一次作動流
体を陰極の周りより供給して、陰極と陽極ノズル間に発
生するアークによって一次作動流体を加熱してプラズマ
ジェットを生成するプラズマジェット生成法において、
低温の二次作動流体をノズル内壁よりアークの周りに滲
み出させ、プラズマジェットの周囲を冷却することによ
り、鋭いプラズマジェットを生成することを特徴とす
る。

前記二次作動流体は、一次作動流体と同種のガスである
必要はなく低温で電離度の低いガスであれば良い。何れ
の場合も二次作動流体は冷却用流体として作用し、しか
も冷却損失がなくなる。

そして、一次作動流体と二次作動流体の配分を変化させ
ることにより、プラズマの性状を制御することができ
る。

また、該方法による本発明のプラズマ発生器は、ノズル
内壁を多孔質材料で形成し、該ノズル内壁とノズル外壁
とで形成される空間に供給される二次作動流体がノズル
内壁からアークの周囲に滲み出すようにしたことを特徴
とする。前記多孔質材料として、セラミック又は金属の
多孔質材料が採用できる。

前記プラズマ発生器を、プラズマイグナイタに適用する
ことによって、スクラムジェットエンジン等の確実な着
火と火炎保持ができる効率の高いプラズマイグナイタが
得られる。

（作用）ノズル内壁をセラミックや金属の多孔質材料で形成し、
陽極ノズルの冷却通路に低温で非電導性の二次作動流体
を供給することによって、二次作動流体による陽極のフ
イルム冷却構造となる。それにより、陽極が冷却されて
保護されると共に、二次作動流体がノズル内壁から滲み
出て、プラズマジェットの周りに低温の二次作動流体に
よる非電導性の鞘が形成され、熱ピンチ効果と呼ばれる
現象が生じる。即ち、プラズマジェットの周囲を冷却す
ることにより、プラズマが収束強化され、中心部のコア
部分の温度が局所的に上昇する現象が生じる。

そして、ノズル外壁（陽極）近傍に二次作動流体による
低温の電離性の低いガス層が形成されることにより、ア
ークはノズル下流端まで伸されると共に、前記熱ピンチ
効果により収束強化される。その結果、プラズマの中心
部温度は上昇し、活性分子の濃度は指数関数的に飛躍的
に増大する。一方、陽極を冷却した二次作動流体は、そ
のまま燃焼器に吸い込まれるため、再生冷却と同様に熱
損失は生じない、従って、高効率的に鋭いプラズマジェ
ットを生成することができる。

二次作動流体は、一次作動流体と必ずしも同種の気体で
ある必要はなく、低温の液体水素や電離しにくいヘリウ
ムを用いることによって、よりプラズマ濃度を高めるこ
とも可能となる。また、一次作動流体と二次作動流体の
配分を変化することによって、プラズマの性状を容易に
制御できる。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。

第１図は、本発明に係るプラズマ発生器の一実施例であ
るプラズマイグナイタを示し、図中、１は円錐上の先端
を有する棒状陰極であり、２は該陰極の先端部に設けら
れた同軸の陽極ノズルである。該陽極ノズル２は、陽極
となるノズル先端部を含むノズル外壁３とノズル内壁４
とで形成される。ノズル内壁４はセラミック或いは金属
等の多孔質材料によって形成され、その基端側は陰極支
持と共に、一次作動体通路と二次作動体通路の隔壁を兼
ねる陰極と同軸状に設けられた鞘体５に連接されてい
る。６は陰極と前記鞘体５及びノズル内壁との間に形成
された一次作動流体通路、７は陽極と前記鞘体及びノズ
ル内壁との間に形成された二次作動流体通路である。

以上のように構成された本実施例のプラズマイグナイタ
は、前述のようにノズル内壁４より低温の電離しにくい
一次作動流体をアーク８の周りに滲みださせ、プラズマ
の熱ピンチ効果を積極的に利用することにより、プラズ
マを制御し、従来のようにエネルギーが冷却水に奪われ
ることないので、熱損失無しに鋭いプラズマジェット９
を生成することができる。したがって、ラムあるいはス
クラムジェットエンジンに適用して、確実な着火と火炎
保持が可能となる。さらに、エンジンの作動条件が変化
しても安定で効果の高いプラズマの保持が可能となる。

なお、上記実施例はプラズマイグナイタの場合である
が、本発明のプラズマジェット生成法とプラズマ発生器
はプラズマイグナイタに限らず、その他のプラズマ発生
器にも適用できることは言うまでもない。

（効果）本発明は、以上のような構成からなり、次のような格別
の効果を奏する。

プラズマの熱ピンチ効果を積極的に利用してプラズマを
制御するので、従来のようにエネルギーが冷却水に奪わ
れず、熱損失なしに鋭いプラズマジェットを生成するこ
とができる。

また、一次作動流体と二次作動流体の配分を変化するこ
とによって、プラズマの性状を容易に制御できる。

高効率プラズマイグナイタを得ることができるので、ラ
ムあるいはスクラムジェットエンジンにおける燃料の確
実な着火と火炎保持を図ることができる。さらに、エン
ジンの作動条件が変化しても安定で効果の高いプラズマ
の保持が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係るプラズマイグナイタの側
断面図、第２図は従来のプラズマイグナイタの側断面図
である。 1:陰極、2:陽極ノズル、3:ノズル外壁（陽極）、4:ノズ
ル内壁、5:鞘体、6:一次作動流体通路、7:二次作動流体
通路、8:アーク、9:プラズマジェット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一次作動流体を陰極の周りより供給して、
陰極と陽極ノズル間に発生するアークによって一次作動
流体を加熱してプラズマジェットを生成するプラズマジ
ェット生成法において、低温の二次作動流体をノズル内
壁よりアークの周りに滲み出させ、プラズマジェットの
周囲を冷却することにより、鋭いプラズマジェットを生
成することを特徴とするプラズマジェット生成法。
【請求項２】二次作動流体が一次作動流体と同種のガス
である請求項１記載のプラズマジェット生成法。
【請求項３】二次作動流体が一次作動流体と異なる低温
で電離度の低いガスである請求項１記載のプラズマジェ
ット生成法。
【請求項４】一次作動流体と二次作動流体の配分を変化
させることにより、プラズマの性状を制御する請求項３
記載のプラズマジェット生成法。
【請求項５】一次作動流体を陰極の周りより供給して、
陰極と陽極ノズル間に発生するアークによって一次作動
流体を加熱してプラズマジェットを生成するプラズマ発
生器において、ノズル内壁を多孔質材料で形成し、該ノ
ズル内壁とノズル外壁とで形成される空間に供給される
二次作動流体がノズル内壁からアークの周囲に滲み出す
ようにしたことを特徴とするプラズマ発生器。
【請求項６】前記多孔質材料がセラミックの多孔質材料
である請求項５記載のプラズマ発生器。
【請求項７】前記多孔質材料が金属の多孔質材料である
請求項５記載のプラズマ発生器。
【請求項８】前記プラズマ発生器が、プラズマイグナイ
タである請求項５、６又は７記載のプラズマ発生器。