JPH0676945A

JPH0676945A - ６相交流出力装置、及び６相交流６電極アーク放電装置

Info

Publication number: JPH0676945A
Application number: JP4228984A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tsujino; 弘辻野
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-08-27
Filing date: 1992-08-27
Publication date: 1994-03-18

Abstract

(57)【要約】【目的】一般に使用されている３相交流電源から、構
造の複雑化を伴うことなく、６相交流を出力することが
できる６相交流出力装置、及びそれを用いた熱効率が頗
る高い６相交流６電極アーク放電装置を提供すること。【構成】６相交流出力端子の中から、位相差１２０°
の３つの単相交流を、正六角形頂点位置に配置された電
極へひとつおきに通電し、かつ前記各々の電極に対向す
る電極の各々に逆相の交流を通電するようにした。【効果】６電極間で計１５本のアークが途絶えること
なく、放電方向を揃え、且つ高速回転しながら発生する
ので、放電装置の熱効率が大幅に向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、従来使用の３相交流電
源から、単純な構造により６相交流を得ることができる
６相交流出力装置、及びそれを用いた熱効率が頗る高い
６相交流６電極アーク放電装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】アークは低電圧、大電流を特徴とする一
種の放電現象であり、極めて高い熱と強烈な光を発生す
る。このため各分野において、アーク放電が熱源、光源
として利用されており、各用途に応じて多種のアーク放
電装置が開発されている。

【０００３】従来の加熱源としてのアーク放電装置はそ
の大部分が、加熱対象物に直接電圧を印加することによ
り、この加熱対象物と電極との間にアークを発生させ、
加熱対象物を直接に加熱するという方法を採っている。
この方法は、金属の溶接等に使用する各種アーク溶接に
広く採用されているが、上記したように、加熱対象物自
体に電圧を印加しなければならず、加熱対象物は金属な
どの導電体に限られていた。

【０００４】一方、アークを加熱対象物との間ではな
く、トーチ内部の電極とノズルとの間で発生させるアー
ク放電装置もある。プラズマジェット方式と呼ばれるも
のであり、加熱対象物への加熱は、冷却されたノズルに
よるアークの熱的ピンチ効果や動作ガス（普通アルゴン
使用）の回転気流等により、形成される高温高速のプラ
ズマジェットを放射することで、行なわれる。当方式に
おいては、加熱対象物に電圧を印加する必要はないの
で、導体、不導体問わず、あらゆる物質を加熱対象とす
ることができるという利点を持つ。

【０００５】しかし、このプラズマジェット方式には同
時に次のような欠点もあった。上記した加熱対象物へ直
接アーク放電させて加熱する方式に比べ、この方式は熱
効率がとても低く、更に、加熱対象物との間隔が増す
と、エネルギー密度が急激に低下するという欠点であ
る。そのため、加熱が能率的ではなく実用範囲も限られ
ていたのである。

【０００６】上記欠点のために、従来装置において、所
望の高熱を得るためには、放電電流を増大させねばなら
なかったのである。しかし、電極へ通電させる導線自体
の許容電流以上には、放電電流を増加させることはでき
ず、この方法には限界があった。また、電極の本数を増
やすだけでは、高温の得られる範囲が大きくなるだけ
で、温度そのものを上昇させることにはならなかったの
である。

【０００７】本発明者は、従来装置にあった上記のよう
な欠点に着目し、より高温を得るためには、アーク放電
装置の出力を大きくするだけではなく、多電極間アーク
の放電順序を工夫すると、放電装置の熱損失を極端に低
減できるのではないかとの推論を立ててみた。そして、
このような推測を基に、電源交流の相数を増加させ、電
極間に複数のアークを同時に発生させるべく、まず、多
相交流を出力する装置の完成を目指し、ついに、一般に
使用されている３相交流電源から簡単に６相交流を得る
ことのできる６相交流出力装置を発明した。そして、こ
の６相交流出力装置と６電極放電装置とを、接続方法を
工夫して接続して放電したところ、驚くほど、効率の高
いアーク放電を得ることができたのである。

【０００８】

【解決すべき技術的課題】本発明は、高効率のアーク放
電装置に用いる６相交流を、３相交流電源から、複雑な
構造を要することなく簡単に得ることができる６相交流
出力装置を提供することを技術的課題とするものであ
る。

【０００９】また、本発明の他の技術的課題は、上記の
６相交流出力装置を使用して、電極間１５カ所でアーク
を絶え間なく、その放電方向を揃え、かつ高速回転させ
ながら発生させることで、プラズマジェット放射を、よ
り集中的に行なうことにより熱損失を低減した６相交流
６電極アーク放電装置を提供することにある。

【００１０】

【課題解決のために採用した手段】本発明者が上記技術
的課題を解決するために採用した手段は次の通りであ
る。即ち、６相交流出力装置の出力端子と、先端部分が
正六角形状を形成する如く配置された６本の電極とが接
続されて成る６電極アーク放電装置であって、前記６相
交流出力装置から出力される６つの単相交流のうち、位
相差１２０°の関係を有する３つの単相交流を、正六角
形の頂点位置に配置された電極ひとつおきに通電し、且
つ、互いに逆相関係を有する交流を、正六角形の頂点位
置に配置された電極のうち互いに対向する電極へ通電す
るという技術的手段である。

【００１１】また、本発明は、３相交流電源の各相出力
端子毎に並列に２個ずつ３組の変圧器Ｓ₁・Ｓ₄、Ｓ₅
・Ｓ₂、及びＳ₃・Ｓ₆を接続し、並列接続された２個
の変圧器の一方の変圧器二次巻線の巻き終わりと他方の
変圧器二次巻線の巻き始めとを３組６本すべて結線し
て、各相毎に逆相関係にある２つずつの単相交流を出力
させるという手段を採用することにより、６相交流出力
装置を得て上記技術的課題を解決したのである。

【００１２】

【実施例】以下、実施例に基づいて本発明を説明する。
なお、図１は本発明実施例装置の構成概要結線図、図２
は各電極間に加わる交流ベクトル図、図３は各電極間の
アーク放電の方向変化図である。

【００１３】図１において、符号１で指示するものは６
本の電極Ｔ₁〜Ｔ₆を保持する絶縁性の支持部材であ
り、この支持部材１は、前記棒状電極Ｔ₁〜Ｔ₆と電極
先端方向への延長線とが正六角錐を形成する如く電極Ｔ
₁〜Ｔ₆を保持している。この電極Ｔ₁〜Ｔ₆は炭素棒
から成り、直径は１０ｍｍ〜１２ｍｍ、その先端間隔は
２ｍｍ〜１０ｍｍ程度であり、前記支持部材１によりそ
れぞれ絶縁されている。また、図中、符号Ｒ₁〜Ｒ₆で
指示するものは、サイリスタ等使用した点弧制御器であ
り、前記電極Ｔ₁〜Ｔ₆は、この点弧制御器Ｒ₁〜Ｒ₆
を介して、次に述べる６相交流出力装置と接続される。

【００１４】図１中、符号Ｕ−Ｘ、Ｖ−Ｙ、及びＷ−Ｚ
で指示するものは、３相交流電源とデルタ結線（或いは
スター結線でも良い）された一次側端子であり、端子Ｕ
−Ｘには変圧器Ｓ₁．Ｓ₄、端子Ｖ−Ｙには変圧器Ｓ₅
・Ｓ₂、そして端子Ｗ−Ｚには変圧器Ｓ₃・Ｓ₆という
具合に、各相毎に２台ずつ３組６台の単相変圧器がそれ
ぞれ並列接続されている。これら各相２台の変圧器うち
一方の変圧器の二次巻線の巻き終わりと、他方の変圧器
の二次巻線の巻き始めとを接続し、この接続線を更に他
の２組４台の変圧器に対して同様に接続した２本の接続
線と結線する。そして、変圧器二次巻線の共通結線して
いない側の６つの端子を、６相交流の出力端子とするの
である。

【００１５】ここで、単相変圧器Ｓ₁〜Ｓ₆から出力さ
れる単相交流をそれぞれ符号Ａ₁〜Ａ₆で表すと、並列
接続された変圧器Ｓ₁、Ｓ₄から、それぞれ出力される
交流Ａ₁と交流Ａ₄とは互いに逆相になる。同様に交流
Ａ₅と交流Ａ₂、交流Ａ₃と交流Ａ₆も逆相関係を有す
る。更に、変圧器Ｓ₁、Ｓ₅、Ｓ₃から出力される交流
Ａ₁、Ａ₅、Ａ₃は互いに位相差１２０°の関係を有
し、同様なことが、交流Ａ₄、Ａ₂、Ａ₆についても言
える。以上の関係から、本実施例装置は、位相差６０°
の６つの単相交流を出力するのである。

【００１６】次に、上述した６相交流出力装置と、６本
の電極Ｔ₁〜Ｔ₆との接続方法について説明する。

【００１７】まず、前記６相交流出力装置から出力され
る６つ単相交流のうち、相互に位相差１２０°の関係を
有する３つの単相交流を、６本の電極Ｔ₁〜Ｔ₆へ、ひ
とつおきに通電させる。本実施例では、交流Ａ₁、
Ａ₅、Ａ₃が位相差１２０°の関係にあるので、交流Ａ
₁を電極Ｔ₁へ通電させるならば、交流Ａ₅は電極Ｔ₁
の又隣の電極Ｔ₅へ、同様に交流Ａ₃は電極Ｔ₅の又隣
の電極Ｔ₃へそれぞれ通電させるようにする。

【００１８】また、前記６相交流出力装置から出力され
る６つ単相交流のうち、相互に逆相の関係を有する２つ
の単相交流は、６本の前記電極Ｔ₁〜Ｔ₆のうち、互い
に対向する電極へ通電される。本実施例では、上で電極
Ｔ₁へ通電された交流Ａ₁と逆相関係にある交流Ａ
₄は、電極Ｔ₁と正六角形中心を挟んで対向する電極Ｔ
₄へ通電され、同様に、交流Ａ₅と逆相の交流Ａ₂は電
極Ｔ₅と対向する電極Ｔ₂へ、交流Ａ₃と逆相の交流Ａ
₆は電極Ｔ₃と対向する電極Ｔ₆へ、それぞれ通電され
るのである。

【００１９】以上のように、前記６相交流出力装置と電
極Ｔ₁〜Ｔ₆を接続して、アーク放電を開始すると、各
電極間で合計１５本のアークが途絶えることなく、放電
方向を揃え、且つ放電順序に従って高速回転しながら発
生する。図２、図３を参照しながら以下に説明する。

【００２０】図２は、交番電圧の大きさ、位相の関係を
示す交流ベクトル図であり、図中の太線ベクトルＥ₁〜
Ｅ₆は前記６相交流出力装置から出力される位相差６０
°の６つの交流電圧を代表しており、交流Ａ₁〜Ａ₆に
それぞれ対応している。図中の細線ベクトルＶ₁₂〜Ｖ₅₆
は、電極Ｔ₁〜Ｔ₆間（合計１５ヵ所）にそれぞれ印加
される電極間電圧を代表し、例えば、符号Ｖ₁₂は、電極
Ｔ₁とＴ₂とに印加される電圧を、Ｔ₁→Ｔ₂の向きを
正として表している。

【００２１】ここで、ベクトルＥ₁〜Ｅ₆の大きさをＥ
とすると、電極Ｔ₁−Ｔ₂間電圧を代表するベクトルＶ
₁₂は、べクトルＥ₁とベクトルＥ₂とのベクトル差にな
り、その大きさはベクトルＥ₁、Ｅ₂と同じくＥにな
る。同様に、電極Ｔ₁─Ｔ₃間電圧を代表するベクトル
Ｖ₁₃の大きさは、√３Ｅ、電極Ｔ₁─Ｔ₄間電圧を代表
するベクトルＶ₁₄の大きさは、２Ｅ、電極Ｔ₁─Ｔ₅
間電圧を代表するベクトルＶ₁₅の大きさは、√３Ｅ、電
極Ｔ₁─Ｔ₆間電圧を代表するベクトルＶ₁₆の大きさ
は、１Ｅになる。他の電極間の電圧ベクトルＶ₂₃〜Ｖ
₅₆に関しても、同様に、それぞれのベクトル差になる。
図２に、全ての電極間に印加される交流ベクトルを示
す。

【００２２】図３は、６本の電極の先端付近に発生する
アーク放電の移り変わりの様子の一部を示す図であり、
図中の符号イ→ロ→ハ→ニ→ホ→ヘ→ト→チと位相が３
０°進む毎の各瞬間を、電極の真上から見下ろした状態
で示している。図中の太矢印は、その電極間に電圧最大
値が印加され矢印方向に放電電流が流れることを示して
おり、細矢印は、その電極間に最大値ではないが電圧印
加されて矢印方向に放電電流が流れることを示してい
る。

【００２３】この図から明らかなように、本発明装置の
特徴の第一は、最大電圧による最大アーク放電（太矢
印）が、どの瞬間においても、２または３カ所で、平行
に、しかも同方向に発生するということである。他の比
較的弱いアーク放電（細矢印）についても、当該最大ア
ーク放電と平行ではないが、決して、最大アーク放電を
弱める向きには発生しない。

【００２４】ここで、特筆すべきことは、アークを発生
させる際、その電極間の距離に応じた電圧が印加される
という点である。電極間距離が大きければ、その分高い
電圧が印加されるのである。実施例で具体的に説明する
と、図３中、瞬間ロにおいては、電極Ｔ₁→Ｔ₆、電極
Ｔ₂→Ｔ₅、及び電極Ｔ₃→Ｔ₄で矢印方向に最大アー
ク放電が生じるが、６電極が形作る正六角形の一辺長を
Ｌとすると、電極Ｔ₁−Ｔ₆間距離はＬ、電極Ｔ₂−Ｔ
₅間距離は２Ｌ、電極Ｔ₃−Ｔ₄間距離はＬになる。一
方、上記の電極間の印加電圧は、前述した図２から、電
極Ｔ₁−Ｔ₆間はＥ、電極Ｔ₂−Ｔ₅間は２Ｅ、電極Ｔ
₃−Ｔ₄間はＥになる。図３中、瞬間イにおいては、電
極Ｔ₂−Ｔ₆間の距離は√３Ｌ、印加電圧は√３Ｅにな
る。つまり、電極間の単位距離に対する印加電圧が一定
になっているのである。このために、従来の多電極放電
装置のように距離の短い隣接電極間での放電だけでな
く、他の電極との間にもアークが発生するのである。

【００２５】更に、上記の、平行かつ向きの揃った複数
のアークは、互いに引力を及ぼし合い、正六角形の中心
方向へ互いが寄り合う状態になる。これは、平行な２本
の導線に同じ向きの電流を流すと、その電流で生じた磁
界により両導線に引力が生じ引き合うのと同じ現象であ
る。複数アーク同士に見られるこの現象もまた、プラズ
マジェットの集中に貢献するのである。

【００２６】本発明装置の第二の特徴は、図３で明らか
なように、アーク放電が交流１周期につき１回転すると
いうことである。商用周波数５０または６０Ｈｚを用い
た場合には複数のアーク放電が１秒間に５０または６０
回転するのである。図３の各瞬間には、向きの揃ったア
ーク放電が生じるので、それらアークの発生と同時に周
囲には大きな磁界を生じるが、この磁界もまた、アーク
回転と共に高速回転する。この回転磁界によっても、プ
ラズマジェットが緊縮されて、熱効率が向上するのであ
る。

【００２７】次に、本発明装置に対して行なった各種の
試験結果を記す。

【００２８】

【試験１】上記６相交流６電極アーク放電装置に対し、
福井県工業技術センター及び福井県衛生研究所放射能課
において、次の測定を行なった。電極間隔；１〜５ｍｍ放電電圧；６５Ｖ放電電流；２００Ａの条件にて、アーク発生させたところ、プラズマ温度は
１００００°Ｃ近くに達し、有効輝度３００００マイク
ロＷ／ｃｍ²の強力紫外線の放射を得た。当該プラズマ
ジェットを、ゴミ焼却場において１３００°Ｃで処理さ
れた残灰に、３０秒間照射したところ、容積が約１／５
のセラミックとなった。また、溶解温度１３５０°Ｃの
耐火煉瓦に３０秒間照射したところ、この耐火煉瓦に直
径７〜８ｃｍ、深さ３〜５ｍｍの溶解による窪みを生じ
た。この窪み部分は、超硬ドリルでは、きずが付かない
程の硬度を有していた。

【００２９】上記試験２に記載した如く、本発明装置
は、高温のみならず、閃光と共に強烈な各種電磁波を発
生する。放射される電磁波に関し以下の試験を行なっ
た。

【００３０】

【試験２】上記６相交流６電極アーク放電装置に対し、
福井県衛生研究所放射能課において、放射電磁波の波長
を測定した。１．放電電圧；４０Ｖ放電電流；２００Ａの条件にて、発生する紫外線波長は１０^-7ｍ付近であっ
た。２．放電電圧；６５Ｖ放電電流；２００Ａの条件にて、発生する紫外線波長は１０^-8ｍに接近し
た。３．放電電圧；２００Ｖ放電電流；２００Ａの条件にて、発生する電磁波は１０^-9ｍに近く、Ｘ線に
接近していることが判明した（数秒間のみ測定可能）。

【００３１】本発明の具体例である実施例は概ね上記の
ように構成されるが、本発明は前述の実施例に限定され
るものではなく、「特許請求の範囲」の記載内において
種々の変更が可能であり、例えば、電極にタングステン
を使用したりしても良いし、また、上記試験３では、放
電を何れも大気圧下で行なったが、低気圧、又は真空状
態において放電を行うようにすれば、更に強力な紫外
線、更に波長の短い電磁波を得ることもできる。

【００３２】

【本発明の効果】以上、実施例をもって説明したとお
り、本発明の６相交流６電極アーク放電装置において
は、６電極間で合計１５本のアークが途絶えることな
く、放電方向を揃え、且つ放電順序に従い高速回転しな
がら発生するので、アーク及びプラズマジェットをより
集中的に加熱対象物へ放射することができる。従って、
従来装置に比して熱効率を大幅に向上でき、しかも、こ
のような効果を、構造の複雑化を伴うことなく実現でき
るので、その実用的価値は頗る大きい。

【００３３】また、本発明装置は高熱の他、単純な構造
で、強烈な紫外線放射、及びそれによる大量のオゾン発
生が可能なので、各種廃棄物の焼却や分解、排水の浄化
殺菌などに使用したり、多電極間で一様な放電が得られ
るので、光源目的に使用するなど、本発明装置の応用は
広範囲に及ぶ。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例装置の構成概要結線図である。

【図２】各電極間に加わる交流ベクトル図である。

【図３】各電極間のアーク放電の変化図である。

【符号の説明】

Ｒ₁〜Ｒ₆ 点弧制御器Ｓ₁〜Ｓ₆ 単相変圧器Ｔ₁〜Ｔ₆ 電極

【手続補正書】

【提出日】平成４年９月２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】３相交流電源における各相の出力端子毎
に、並列に２個ずつ３組の変圧器Ｓ₁・Ｓ₄、変圧器Ｓ
₅・Ｓ₂、及び変圧器Ｓ₃・Ｓ₆を接続して対となし、
これら対として並列接続された各対の変圧器の一方の変
圧器二次巻線の巻き終わりと他方の変圧器二次巻線の巻
き始めとを結線し、これら結線部同士を更に接続するよ
うにしたことを特徴とする６相交流出力装置。
【請求項２】６相交流出力装置の出力端子と、先端部
分が正六角形状を形成するごとく配置された６本の電極
とが接続されて成る６電極アーク放電装置であって、６
相交流出力装置の出力端子の中から、ａ）位相差１２０°の関係を有する３つの単相交流を出
力する端子を、正六角形の頂点位置に配置された電極へ
ひとつおきに接続し、ｂ）かつ、互いに逆相関係を有する交流を出力する端子
を、正六角形の頂点位置に配置された電極のうち互いに
対向する電極へ接続するようにしたことを特徴とする６相交流６電極アーク放電放置。