JPH09511035A - プラズマ爆破方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 プラズマ爆破方法及び装置(10)は、電荷を蓄積するためのキャパシタバンク(28)を備え、これにはインダクタンス(60)が接続されて、上記電荷を電流としてスイッチを経て爆発性導体(16)へ供給し、この爆発性導体は、プローブ(14)の一部分より成る。爆発性導体(16)は、円筒状マンドレル(108)の周りに螺旋状に巻かれたリボンであり、このリボンは、インダクタンスとキャパシタンスについて、所与の長さ対断面積比を有し、キャパシタンスに蓄積された電気的エネルギーの最適な量を効率的に消散するよう確保する。

Description

【発明の詳細な説明】 プラズマ爆破方法及び装置発明の分野 本発明は、一般に、パルス高電流をプローブに供給してプラズマを発生し、プ ラズマから得られる衝撃波によって地層を破砕するための駆動装置を備えたプラ ズマ爆破装置に係る。より詳細には、本発明は、駆動装置が高電圧において多量 の電荷を蓄積するためのキャパシタンスを有するような装置に係る。駆動装置の インダクタは、このキャパシタンスからの放電電流パルスを保持し、そしてそれ を、プローブに接続された電気的に整合された除去可能な爆発導体へ供給する。 この爆発導体は、地層又は他の固体物質の孔内に配置される。先行技術の説明 推進ガスの爆発又は吐出を形成するための爆発ワイヤ及びスパークギャップの 両システムが知られている。爆発ワイヤシステムは、「アルミニウム燃料粉末／ 水の反応から生成された水素ガスによる発射物の発射(Launching Projectiles W ith Hydrogen Gas Generated From Aluminum Fuel Power/Water Reactions)」と 題するリー氏の米国特許第５，０５２，２７２号に例示されている。リー氏は、 パルス電力技術をトリガーワイヤ及びアルミニウム燃料粉末−酸化剤の混合物に 適用することにより高いエネルギー効率で水素ガスを発生する方法を開示してい る。アルミニウム燃料粉末の好ましい酸化剤は、水である。この装置は、誘導コ イルに接続されたキャパシタバンクを備えている。金属導体ワイヤが誘導コイル 及び高速スイッチに接続される。スイッチが閉じると、キャパシタバンクからの 電気エネルギーがインダクタ及びスイッチとワイヤとに流れる。電荷の全エネル ギーは、アルミニウム燃料１グラムあたり０．５０ないし１５キロジュールであ るのが好ましい。放電は、１０ないし１０００マイクロ秒間続く。 パドバーグ二世の米国特許第３，５８３，７６６号は、鉱物堆積物の層に形成 されて沈積海底へと延びる孔に向かうドリルパイプを有する深海探査乗物を開示 している。ドリルパイプの下端にはドリルヘッドが配置され、ドリルヘッドの上 にプラズマ放電区分が配置される。付勢回路は、電源から、プラズマ放電区分を 経て延びる細いニッケルワイヤへ電気エネルギーを接続する。スイッチが閉じる と、高電流が細いニッケルワイヤに急激に流れてこれを爆破し、先鋭な圧力波を 伴う大きなプラズマ放電を形成する。プラズマ放電区分の開口は、圧力波を放出 させ、爆発を模擬する衝撃波を伴う急激に膨張して崩壊する気泡を発生する。こ の交互の気泡の膨張と崩壊は、先鋭な圧力パルスの形態の音波を伝播する。 ユトキン氏のソビエトユニオン第３５７３４５Ａ号は、付勢時に衝撃波を発生 するために、砂のような湿った誘電体塊材料が装填された岩石の穴に挿入される 一対の電極及び導電性ワイヤストリップを有する岩石破壊装置を開示している。 ワイヤは、電極に接続され、そして誘電体プレートの周りに延ばされる。誘電体 プレートは、爆破作業のために岩石の穴に配置される。 スパークギャップ即ち非爆発ワイヤシステムは、水又はオイルを回収するため に地球に深い穴を掘削するためのスパークギャッププローブを開示した「衝撃プ ラズマ地球掘削(Shock Plasma Earth Drill)」と称するオヘア氏の米国特許第３ ，６７９，００７号に例示されている。プローブは、中心電極と、そこから分離 されそしてそれを取り巻く外部電極とを有している。４００μＦのキャパシタン スを有しそして６０００ボルトの電位に充電されるコンデンサ又はキャパシタバ ンクが電極に電気エネルギーを供給する。衝撃波は水中で発生され、中心電極の 外面と、その周囲電極の内面は、０．７５インチのギャップで分離される。中心 電極は、０．２５インチの直径を有する。図４に示す実施形態は、高電圧整流器 と高電圧変成器との組合せにより６０００ボルト以上に充電されるキャパシタ又 はコンデンサバンクを有している。図５に示す実施形態では、キャパシタバンク は、地球の柔軟なエリアで作業する場合は６０００ボルトに充電され、そして硬 い土壌又は岩石エリアで作業する場合には３０，０００ボルトの高電圧に充電さ れる。各々の実施形態において、スイッチが閉じると、電圧の初期サージが水中 に配置された電極に到達する。水は電流パルスによってプラズマに変換されるの で、水の抵抗値は下げられる。水のプラズマの抵抗にまたがる電気エネルギーが 迅速に解除すると、多量の熱が発生し、電極の前方で地球から離れる衝撃及び水 力を与える爆発作用を生じる。 モエニー氏等の米国特許第４，７４１，４０５号は、地中鉱山のスパーク放電 ドリルを開示している。このドリルは、数キロジュールから１００キロジュール 以上までの範囲のエネルギーのパルスを１ないし１０パルス／秒以上のレートで 岩石面に供給する。泥又は水のようなドリル流体は、スパークエネルギーが岩石 面へ伝播するのを助成する。 「電気機械的にトリガされるスパークギャップ(Electromechanically Trigger ed Spark Gaps)」と題するキッツジンガー氏の米国特許第４，８９７，５７７号 は、ギャップを画成する対向面を有するアノード及びカソードを開示している。 ギャップの付近にトリガ電極が配置される。トリガ電極とカソードとの間に接続 された圧電ジェネレータがスパークギャップスイッチをトリガする。このスイッ チは、キャパシタ放電回路からの約１００，０００アンペア以上の電流を取り扱 うことができる。 「プラズマ爆破方法(Plasma Blasting Method)」と題するキッツジンガー氏等 の米国特許第５，１０６，１６４号は、硬い岩石の鉱山の営業において岩石を破 砕するためのプラズマ爆破プロセスを開示している。キャパシタバンクからの電 気エネルギーがスイッチされて、岩石面の穴内に配置された爆破電極に５００キ ロアンペアを供給し、好ましくは硫酸銅を含む電解液の絶縁破壊を生じさせ、プ ラズマを形成する。電解液は、ベントナイト又はゼラチンでゲル化され、爆破の 前に、閉じ込められたエリアから漏出することのない充分な粘性にされる。爆破 装置は、電力ロスを減少すると共に、岩石へエネルギーを迅速に放電するように 確保するために最小のインダクタンス及び抵抗値を有する。 公知システムの１つの欠点は、キャパシタンスから爆発導体又はスパークギャ ップへのエネルギー伝達効率が比較的悪いことである。エネルギーの伝達効率が 悪い結果として、爆発導体又はスパークギャップを駆動して所与の量の爆発エネ ルギーを与えるために比較的大きなキャパシタバンクを設ける必要がある。 又、スパークギャップシステムは、エネルギーを消散すべきゾーン、即ち電極 間のギャップが、最初に高いインピーダンスを有し、その後、印加電圧によって ギャップに絶縁破壊が生じて、比較的低いインピーダンスのプラズマが形成され るという欠点もある。その結果、高インピーダンスから低インピーダンスへのギ ャップインピーダンスの変化は、ギャップのエネルギーを爆発ワイヤシステムの ように効率的に消散しない。発明の要旨 本発明の方法及び装置は、大きなマルチキャパシタのキャパシタバンクをもつ 駆動回路を有したプラズマ爆破装置を構成する。キャパシタバンクは、イグナイ トロンのような高電流スイッチに電流を供給するように接続され、イグナイトロ ンは、そのグリッドに接続されたトリガー回路によって制御される。キャパシタ バンクの大きなキャパシタンスと一緒に考えたときの駆動回路の分布インダクタ ンスは、比較的大きな無効インピーダンスを比較的低い消散即ち抵抗性インピー ダンスと共に有する回路を生じる。 公知技術に関連した問題、特に、爆発ワイヤを駆動するに充分なエネルギーを 供給するために比較的キャパシタンスの大きなシステムの使用を必要とする低い エネルギー伝達効率の問題を克服するために、本発明の重要な特徴は、駆動回路 の誘導性及び容量性インピーダンス成分と特定の電気的関係を有する爆発性導体 の使用にある。より詳細には、爆発性導体は、信管の長さ（ｌ）と信管の断面積 （Ａ）との積により定められた体積を有していなければならず、これは、キャパ シタバンクの蓄積エネルギーＣＶ²及び長さ対断面積比に比例し、これは、分布 インダクタンスのインダクタンスの平方根をキャパシタンスで除算したものに比 例することが発見された。長さ（ｌ）は、電流の流れる方向に測定される。断面 積（Ａ）は、電流の流れる方向に対して横に測定される。２つの式を組み合わせ ると、信管の長さ（ｌ）は、 ｌ＝ｋ₁（ＬＣ）^1/4Ｖ に等しくなるように導出され、そして信管の断面積は、 Ａ＝ｋ₂Ｃ^3/4Ｌ^-1/4Ｖ のように導出される。但し、ｋ₁及びｋ₂は、経験的に決定された定数である。ア ルミニウム信管即ち爆発性導体を使用する場合には、 ｋ₁＝１．８ｘ１０^-1ｃｍ／（ボルト−秒^1/2） ｋ₂＝３．６ｘ１０^-5ｃｍ²／（アンペア−秒^1/2） であり、そして更に、銅については、 ｋ₁＝２．３ｘ１０^-1ｃｍ／（ボルト−秒^1/2） ｋ₂＝１．６ｘ１０^-5ｃｍ²／（アンペア−秒^1/2） である。又、信管の長さ（ｌ）は、断面積よりも重要でないことも分かった。 更に、信管にピーク電流が流れるときに爆発する傾向をもつように爆発性導体 の特性を選択することにより所望のエネルギー伝達が向上される。その点におい て、大量の電流が流れ、信管の場所にわたるプラズマの抵抗値は、固体の爆発性 導体がプラズマに変換されるときに増加し、爆発導体の場所にＩ²Ｒの電圧降下 を更に増加させる。これは、信管の場所での局部的なエネルギー消散を、回路の 他の部分でのエネルギー消散に比して向上させ、そして更に、信管の場所へのエ ネルギー伝達に対して良好な整合を与える。 又、本発明は、螺旋状に巻かれた金属リボン導体の形態、マンドレルに巻かれ た多数の螺旋体の形態、或いはカップ状導体の形態の爆発導体を有するプラズマ 破砕システムにも係る。リボン型及びカップ型の両爆発導体は、爆発導体の場所 から迅速な熱消散を与えて機械的なエネルギーを迅速に解放し周囲の岩石を破砕 するために比較的大きな表面積対体積比を有する。 比較的小さなキャパシタバンクからの所望のエネルギー伝達特性は、爆発導体 のすぐ近くの位置に粉末金属及び酸化物混合物を配置することにより更に増加す ることができる。本発明においては、好ましい混合物は、アルミニウム及び水で 構成されるが、他の粉末金属を使用してもよい。爆発力は著しく向上することが 分かった。 爆発導体を交換できる特徴により、同じプローブを多数の発射に再使用するこ とができ、比較的安い経費となる。装置の他部分のコストは、低く抑えられる。 というのは、公知技術に比して比較的小さなキャパシタンスバンクを使用するこ とができ、ケーブルを経てプローブへ流れそしてバックアウトする比較的小さな 電流を与え、これにより、従来のケーブルネットワークを使用することができ、 装置のコストを低減するからである。図面の簡単な説明 図１は、本発明によるプラズマ破砕装置の回路図である。 図２は、図１に示されたプラズマ破砕装置のプローブの側面図で、その細部を 示す図である。 図３Ａは、図２に示すプローブのプローブチップの概略図で、交換可能な信管 カートリッジが取り付けられた取り外し可能な爆発性導体をもたない状態を示す 図である。 図３Ｂは、図３Ａに示すプローブチップの概略図で、単一導体巻線を有する取 り外し可能な信管カートリッジを備えた取り外し可能な爆発性導体をプローブチ ップにいかに取り付けて電気的に接続するかを詳細に示す図である。 図３Ｃは、図３Ａ及び３Ｂに示すプローブチップの概略図で、単一巻線の取り 外し可能な信管カートリッジが配置された状態を示す図である。 図３Ｄは、図３Ａないし３Ｃに示されたプローブチップの概略図で、多巻回の 信管が形成された多巻線の取り外し可能な信管カートリッジを有するプローブチ ップを示す図である。 図４は、図２に示すプローブの部分断面図で、点火の前にボアホールに取り外 し可能な信管カートリッジが配置されたプローブを示す図である。 図５は、図２に示したプローブ及び信管カートリッジが配置されたブロックの 部分断面図で、プローブの点火により生じる破砕線を点線で示した図である。 図６Ａは、例１としてプローブに流れる電流（単位１０，０００アンペア）を 時間（単位ミリ秒）に対して示すグラフである。 図６Ｂは、例１のテストに対しプローブの電圧降下（単位ボルト）を時間（単 位ミリ秒）に対して示すグラフである。 図６Ｃは、例１のテストに対しプローブに転送される電力（単位メガワット） を時間（単位ミリ秒）に対して示すグラフである。 図６Ｄは、例１のテスト結果として、プローブに転送されるエネルギー（単位 ジュール）を時間（単位ミリ秒）に対して示すグラフである。 図７Ａは、例２のテスト結果として、プローブに流れる電流（単位１０，００ ０アンペア）を時間に対して示すグラフである。 図７Ｂは、例２のテストに対しプローブの電圧降下（単位ボルト）を時間（単 位ミリ秒）に対して示すグラフである。 図７Ｃは、例２のテストに対しプローブに転送される電力（単位メガワット） を時間（単位ミリ秒）に対して示すグラフである。 図７Ｄは、例２のテストに対しプローブに転送されるエネルギー（単位ジュー ル）を時間（単位ミリ秒）に対して示すグラフである。 図８Ａは、例３のテスト結果として、プローブに流れる電流（単位１０，００ ０アンペア）を時間に対して示すグラフである。 図８Ｂは、例３のテストに対し爆発プローブの電圧降下（単位ボルト）を時間 （単位ミリ秒）に対して示すグラフである。 図８Ｃは、例３のテストに対しプローブに転送される電力（単位メガワット） を時間（単位ミリ秒）に対して示すグラフである。 図８Ｄは、例３のテストに対しプローブに転送されるエネルギー（単位ジュー ル）を時間（単位ミリ秒）に対して示すグラフである。 図９Ａは、例４のテスト結果として、プローブに流れる電流（単位１０，００ ０アンペア）を時間に対して示すグラフである。 図９Ｂは、例４のテストに対しプローブの電圧降下（単位ボルト）を時間（単 位ミリ秒）に対して示すグラフである。 図９Ｃは、例４のテストに対しプローブに転送される電力（単位メガワット） を時間（単位ミリ秒）に対して示すグラフである。 図９Ｄは、例４のテストに対しプローブに転送されるエネルギー（単位ジュー ル）を時間（単位ミリ秒）に対して示すグラフである。 図１０Ａは、例５のテスト結果として、プローブに流れる電流（単位１０，０ ００アンペア）を時間に対して示すグラフである。 図１０Ｂは、例５のテストに対し、プローブの電圧降下（単位ボルト）を時間 （単位ミリ秒）に対して示すグラフである。 図１０Ｃは、例５のテストに対し、プローブに転送される電力（単位メガワッ ト）を時間（単位ミリ秒）に対して示すグラフである。 図１０Ｄは、例５のテストに対しプローブに転送されるエネルギー（単位ジュ ール）を時間（単位ミリ秒）に対して示すグラフである。 図１１Ａは、例６のテストに対し、プローブに流れる電流（単位１０，０００ アンペア）を時間に対して示すグラフである。 図１１Ｂは、例６のテストに対し、プローブの電圧降下（単位ボルト）を時間 （単位ミリ秒）に対して示すグラフである。 図１１Ｃは、例６のテストに対し、プローブに転送される電力（単位メガワッ ト）を時間（単位ミリ秒）に対して示すグラフである。 図１１Ｄは、例６のテストに対しプローブに転送されるエネルギー（単位ジュ ール）を時間（単位ミリ秒）に対して示すグラフである。好ましい実施形態の詳細な説明 添付図面の特に図１には、本発明を用いたプラズマ爆破装置が参照番号１０で 一般的に示されている。このプラズマ爆破装置１０は、岩石層に配置されるべき 爆破プローブ１４へパルス状の高電流・高電圧エネルギーを供給する駆動回路を 備えている。プローブ１４には、整合された取り外し可能な爆発導体１６が取り 外し可能に電気的に接続される。 駆動回路１２にエネルギーを供給するために、従来の高電圧電源２０が接地リ ード２２及びリード２４を経て駆動回路に接続される。リード２６は、電気エネ ルギーを蓄積するためのキャパシタ３０、３２、３４、３６及び３８を有するキ ャパシタバンクより成る容量性即ちキャパシタンス手段２８に接続される。キャ パシタバンク２８の全キャパシタンスは、１１，０００ボルトの公称ピーク定格 電圧において４１９０μＦである。接地リード４０は、キャパシタンスバンク２ ８を接地点４２に接続し、この接地点には、接地リード２２も接続される。高電 圧電源２０は、キャパシタンスバンク２８を、例えば、５ｋＶ又は１０ｋＶの高 い電位に充電する。蓄積された電荷は、次いで、電流パルスとして駆動回路１２ の他の部分を経てプローブ１４へ解放される。駆動回路１２は、分布抵抗記号４ ４により例示された２２ミリオームの分布抵抗値を有する。電流パルスは、カソ ード４８、アノード５０及び制御電極５２を有するイグナイトロン４６より成る スイッチ手段と、リード２６とに流れる電流により形成される。イグナイトロン ４６は、キャパシタバンク２８から爆発導体１６へと電気エネルギーを選択的に 接続する。これは、電流の流れを制御し、そしてそれ自身は、リード５６を経て トリガー５２に接続されたトリガー回路５４によって制御される。このトリガー 電極５４がイグナイトロンのトリガー５２に電位を供給するときには、電流パル スがイグナイトロン４６及びリード５８を経てプローブ１４へ流れる。駆動回路 １２の１４７μＨの分布インダクタンスより成る誘導性手段は、インダクタ６０ によって表される。この分布インダクタンス６０は電流を受け取り、そして爆発 導体１６へ送られる電流の変化率を低速化する。この低速化された電流パルスは リード５８を経て送られ、該リードは、従来の００００ゲージ溶接ケーブルより 成るねじれ対６０に接続され、これは、第１ケーブル６２及び第２ケーブル即ち 接地ケーブル６４を有する。リード５８を経てケーブル６２へ流れる電流は、リ ード５８に誘導的に接続されたロゴウスキー(Rogowski)コイル６６によって感知 され、リード５８を経てプローブ１４へ流れる電流を測定する。プローブ１４に またがる電圧は、ケーブル６２と６４との間に接続された電圧測定装置７０によ って効果的に測定される。ケーブル６４は、共通の接地点４２に接地され、キャ パシタバンク２８への電流戻り路を形成する。 図２に詳細に示されたように、電気的爆発プローブ１４は、全長が４２．７５ インチの同軸電極である。外側の接地戻り導体７１の塊は、２．８７５インチ外 径の円筒状スチールパイプ７２より成る。このスチールパイプ７２の端７４及び ７６の対は、各々部分７８及び８０においてねじが切られていて、駆動回路１２ に電気的に接続される。スチールパイプ７２の上端７４において、アルミニウム の電流分散プレート８２は、該アルミニウムプレート８２の下にねじ込まれる黄 銅のスパナナット８４と、該アルミニウムプレート８２の上にねじ込まれる黄銅 のスパナナット８６とで固定される。特大の４インチ長さの高電圧絶縁スタンド オフ８８がスチールパイプ７２及び黄銅のスパナナット８６の上に配置され、そ してポリエチレンのフラッシュシールド９０が第２のアルミニウムの電流分散プ レート９２のための付加的な電気絶縁を与え、該プレート９２は、スパナナット ９４とエーコンナット９６との間に固定され、図４に断面図で示された内側管状 黄銅高電圧電極９８に接続される。フラッシュシールド９０は、爆発導体１６が オープンしたときに予想外に高い電圧が発生した場合に追加絶縁を与える。 ねじれ対６０は、従来の溶接ケーブルラグ９７、９９に接続され、そしてボル ト−ナット対１００及び１０２によって各々アルミニウム電流分散プレート８２ 及び９２に接続され、これらは、電流を受け取って電気エネルギーを爆破プロー ブ１４へ供給するための手段を形成する。外側のスチール保持カラー／接地電極 １０４は、スチールパイプ７２の底部にねじ込まれる。接地電極１０４は、爆発 導体１６と電気的に接触される。 爆発性導体１６は、信管カートリッジ１１０を形成するようにマンドレル１０ ８に螺旋状に巻かれた金属リボンである。マンドレル１０８は、ＰＶＣより成る 長さ４．５インチの円筒状パイプであるが、爆発導体１６を巻き付けるデキシー (Dixie)カップのような絶縁材料でも充分である。或いは又、リボンの爆発導体 １６を金属カップに置き換えてもよい。 図４に示したように、管状の黄銅高電圧電極９８は、爆破プローブ１４の上部 から下部へと延び、スチールの高電圧電極チップ１１２が管状の黄銅高電圧電極 ９８へとプレスフィットされ、柔軟な円形の銅シートエンドピース１１４を経て 爆発導体１６との良好な電気的接続を行う。カラー／接地電極１０４の接地接触 端１１６は、接地戻りのために爆発導体１６への電気的接触を与える。 Ｇ−１０のガラスファイバ絶縁体１１８は、内側の高電圧電極と外側の接地戻 り電極との間に同軸的に配置される。ここに示す実施形態では、Ｇ−１０ガラス ファイバ絶縁体１１８は、プローブ１４の下端部から約１８インチ上方に延び、 ラップジョイント１２０は、円筒状のデルリンアセタールポリマー絶縁材１２２ への界面を形成し、絶縁材１２２は、円筒状スチールパイプ７２内を同軸的に延 び、爆破プローブ１４の上端の特大の高電圧スタンドオフ１２４まで延びる。 スチール保持カラー／接地電極１０４は、段状の肩部領域１２６を形成し、こ こで、Ｇ−１０ガラスファイバ絶縁体１１８が巾広になり、従って、スチール保 持カラー／接地電極１０４により機械的に捕獲される。Ｇ−１０ガラスファイバ 絶縁体１１８を爆破プローブ１４の下端に捕獲し、そしてラップジョイント１２ ０に接合された爆破プローブ１４の上端に円筒状のアセタールポリマー絶縁体１ ２２を使用することにより、爆破に耐えそして再使用することのできる同軸的な 絶縁組立体が形成される。 スチール保持カラー／接地電極１０４の端において爆破プローブ１４を巾広に することにより、環状又は爆発性導体領域１３０が以下に詳細に述べる作用流体 を含むことのできるドリル穴１２９内の限定エリアが画成される。或いは又、作 用流体は、爆発性導体１６の限定エリア内に収容されてもよい。 図３Ａに最も良く示されたように、スチールの高電圧電極チップ１１２は、Ｇ −１０ガラスファイバ絶縁体１１８から僅かな距離に延びる。図３Ｂに示された ように、マンドレル１０８は、爆発導体１６が一端１３２において円形の端部片 １１４に接続されている。図３Ｃに示されたように、爆発導体１６は、接地接触 端１１６と、円形の端部片１１４を外方に押すスチールの高電圧電極チップ１１ ２との両方に電気的接続するように配置される。シート状の円形の端部片１１４ は、マンドレル１０８の区分の一端を閉じ、爆発導体１６の両端に良好に電気的 接触するよう助成するために柔軟な銅シートで構成される。 図３Ｄに示されたように、多数の爆発導体１６’の各々は、他のリボン１６’ と平行にマンドレル１０８の周りに螺旋状に巻かれた金属リボンで構成される。 このように構成した２つ以上のリボンの組立体を以下に述べる例Ｖにおいてテス トした。この例は、爆発導体１６’と反応作用流体との間の密接な接触を促進す るために４つの平行なリボン１６’の使用について説明するものである。爆発性 導体１６及び１６’は、５．５ミル厚みのアルミニウムホイルの種々の長さのス トリップで構成され、これらは長手方向に折り曲げられて、０．７５インチの巾 にされた。 図５に示すように、電気的爆破プローブ１４は、３７インチ立方の高強度（１ ０，０００ｐｓｉ）のコンクリートテストサンプル１４０に配置される。このよ うなコンクリートテストサンプルは、以下の例ＩＩＩ−ＶＩにおいて使用した。 破線１４２は、図示されたように直角に交差する壁を有する円形穴のストレス増 強内側角から均一に外方にクラックが延びる場合に観察されると予想される円錐 形の破砕表面を表している。このような「基本円錐形」又は「噴火口形状」がテ スト後の部片に一様に見られる。最も対象的な円錐は、最大エネルギー放射によ り得られた。 作用流体は、ドリル穴１２９の環状部１３０に入れられ、爆発性導体１６から 熱を受けて、岩石を砕くための圧力−体積（ｐｖ）作用を行う。水が作用流体と して使用されるので、これは酸素源でもあり、岩石のプラズマ破砕を化学的に増 強するのに使用されるアルミニウムのような粉末金属と発熱反応するための酸化 剤又は酸化物質として働く。 プローブ１４の下端は、コンクリートのテストサンプルに向かって約１９イン チ延び、そこに掘削された穴１２９は、直径が２．８８インチであり、これは、 標準的な岩石ドリルにより形成された穴である。爆破プローブ１４の全直径は、 スチールの保持カラー／接地電極４０において２．８７５インチであり、これは 穴の直径よりも若干小さい。爆破プローブ１４とドリル穴１２９との間の密接な 嵌合は、爆発中に環状部１３０の環状領域に収容された作用流体が吹き出すのを 防止する。 化学的に増強される実施形態では、環状部１３０に、水と混合されたノックス (Knox)ゼラチンのようなゲル化剤と、微細な懸濁アルミニウム粉末とが充填され る。或いは又、水と発熱反応して急激に膨張するガスを発生するチタンや鉄のよ うな他の金属粉末も、本発明により受け入れられる燃料である。 爆発信管を駆動するアルミニウム−水の混合物の化学的反応の解放エネルギー 密度は、混合物１立方センチメータ当たり約１０キロジュールに達する。このエ ネルギー密度においては、マンドレル１０８の直線１インチ当たり約０．５メガ ジュールのエネルギーが発生する。キャパシタバンクのエネルギーは、全解放エ ネルギーの約１０％である。必要なエネルギーが高く、大きな爆発で爆破する必 要性を排除するときには、化学的な増強が所望される。アルミニウム−水の混合 物は、燃料又はエネルギー推進剤として機能する。エネルギーは、信管付近の局 部的な減少により解放されるのであって、自己伝播化学反応によるのではない。 アルミニウム及び水が爆発信管及びプラズマにより加熱されると、それらが発熱 反応して水素を発生し、水素は急激に膨張して、ドリル穴の岩石破砕のための機 械的なエネルギーを与える。 岩石を砕くのに必要なエネルギーが大きくないときには、エネルギー推進剤を 排除しそして不活性な作用流体（ゲル化した水）に置き換える更に基本的な実施 形態が望ましい。この実施形態では、使用する爆破機構は、気体成分に解離して プラズマを形成できるようにする混合物内で信管が爆発したときに発生するプラ ズマだけである。 上記のように、爆発性導体は、効率的なエネルギー伝達を与えると共に、数十 キロアンペア程度の適度な高エネルギー放電で硬い岩石を容易に掘削するように 駆動回路１２と適切に整合される。適切な整合により、爆発性導体１６は、電流 パルスのピーク電流において固体からプラズマに変換することができる。分布イ ンダクタンス６０は、次いで、インピーダンスジャンプによって電流を更に上昇 させ、このインピーダンスジャンプは、導体がその比較的低いインピーダンスの 固体状態から高いインピーダンスのプラズマ状態へ変化するときに生じる。爆発 場所でのインピーダンスが高いほど、環状部１３０において多くのエネルギーが 消散される。 信管の体積及び相対的なインピーダンスは、以下の式に基づいて最適化される ２つの基準である。これらの式から明らかなように、電流の流れる方向に測定さ れる信管長さ（ｌ）と、電流に対して横方向に測定される断面積（Ａ）は、信管 体積（ｌＡ）が蓄積エネルギー∫Ｉ²（ｔ）ｄｔに比例するように決定され、但 し、Ｉ（ｔ）は上記電流パルスである。又、信管の相対的インピーダンス（ｌ／ Ａ）は、エネルギー源のインピーダンスに比例しなければならない。信管の寸法 は、ｌを信管長さとしそしてＡを断面積とすれば、次の関係に基づいて決定され る。 １．信管体積 ∝ 蓄積エネルギー、即ち ｌＡ ∝ ＣＶ² ２．信管の相対的インピーダンス ∝ 回路インピーダンス、即ち これらの関係から、信管長さｌ及び信管断面積Ａを次のように導出することが できる。 ｌ＝ｋ₁（ＬＣ）^1/4Ｖ Ａ＝ｋ₂Ｃ^3/4Ｌ^-1/4Ｖ 但し、ｋ₁及びｋ₂は、各材料に対して経験的に決定される定数である。次の値は 、高度の電力増幅を発生すると共に、電気エネルギーを信管に効率的に結合する のに最適であると分かっている。 アルミニウムの場合： ｋ₁＝１．８ｘ１０^-1ｃｍ／（ボルト−秒^1/2） ｋ₂＝３．６ｘ１０^-5ｃｍ²／（アンペア−秒^1/2） 銅の場合： ｋ₁＝２．３ｘ１０^-1ｃｍ／（ボルト−秒^1/2） ｋ₂＝１．６ｘ１０^-5ｃｍ²／（アンペア−秒^1/2） 爆発性導体の断面積は、爆発性導体の爆発をほぼピーク電流において生じさせる ためには上記計算値に近いものでなければならない。上記のように、特定の動作 条件に対し最適化された所与の爆発性導体の寸法は、別の物理的寸法（ｌ、Ａ） に換算してもよいことが明らかであろう。信管長さｌは、あまり重要ではなく、 最適値から２の係数で変化しても、性能はほとんど変化しない。各々の実施形態 において、爆発性導体１６は、作用流体へのエネルギー伝達を向上するために比 較的大きな表面積対体積比を有する。 例１ 装置１０は、砂を充填したボール紙の箱への全電気的及び化学的パワーにおい てテストされた。作用流体は、３ミクロンのアルミニウム粉末と水との５０：５ ０（重量で）混合物に、アルミニウムを懸濁状態に保つために１％のゼラチンを 添加したものであった。この同じ作用流体を以下の全ての例に使用したが、例６ は、不活性作用流体として純粋な水を使用した。この例における作用流体の体積 は、平均直径が２．５インチ、厚みが０．２５インチそして長さが４．５インチ の環状体で構成され、これは、完全反応状態のもとで１．５メガジュールの化学 的エネルギーを放出する２１１グラムの混合物を保持した。爆発性導体１６は、 ５．５ミル厚みのアルミニウムホイルの巾１．５インチ、長さ２０インチのスト リップで構成された。このホイルは、０．７５インチの巾となるように長手方向 に曲げられ、ＰＶＣマンドレル１０８に螺旋状に巻かれ、作用流体（水）との非 常に密接な接触を形成した。キャパシタバンク２８は、１０キロボルトに充電さ れ、２０９．５キロジュールの電気的エネルギーを蓄積した。このうち１７９． ４キロジュールは、３３６メガワットのピーク電力において信管へ結合された。 デルリンアセタールポリマー絶縁体は、管の全長に延ばされた。アセタールポリ マー絶縁体は出力端において破砕された。この装置の電流、電圧、電力及びエネ ルギー対時間を各々図６Ａ、６Ｂ、６Ｃ及び６Ｄにグラフで示した。 例２ 全ての条件は、例１と公称同じであったが、アセタールポリマー絶縁体が出力 端で破砕されたので、ラップジョイントは絶縁体に作られ、最後の１８インチが Ｇ−１０ガラスファイバより成る絶縁体部分に置き換えられた。電気的性能は、 同様であり（図７Ａ、７Ｂ、７Ｃ及び７Ｄ参照）、信管４２に本来あるランダム な変化を受けた。４４２メガワットのピーク電力が観察され、全部で１８２．３ キロジュールが結合された。Ｇ−１０ガラスファイバ絶縁体をもつ装置はこれに 耐え、再使用可能となった。 例３ キャパシタバンク２８、爆破プローブ１４、作用流体、及び爆発性導体１６の 条件は、例２と同じであった。電力のピーク伝達率は、４５０メガワットであっ た。１７８．３キロジュールの全エネルギーが信管に結合された（図８Ａ、８Ｂ 、８Ｃ及び８Ｄを参照）。このときは、砂の箱の破砕に代わり、装置１０は、図 ５に示すコンクリートのテストサンプルを破砕した。破砕の激しさは、著しいも のであった。コンクリートのテストサンプルは、少なくとも２３の部片に破砕さ れ、その最大直線寸法は、１０インチないし３５インチの範囲で、平均±標準偏 差は、１９インチ±７インチであった。多数の小さな部片も形成された。大きな 部片の幾つかは、テストエリアから約３０フィート投げ出された。 例４ 環状のスチール延長部がスチールの保持カラー／接地電極として作られ、爆発 性導体／作用流体領域の長さが４．５インチから約１．５インチに減少された。 これは、使用可能な最大の化学的エネルギーを５００キロジュールに減少した。 電気的エネルギー出力は、４の係数でスケールダウンされ、これは、公称全充電 電圧の半分であるキャパシタバンクの５キロボルトに対応するものであった。爆 発性導体１６の長さも、２の係数で１０インチまでスケールダウンされた。その 巾、ひいては、断面積も、同様に、半分にされて０．７５インチにされたが、そ の厚みは、例１ないし３で使用された信管と同じままであった。爆発性導体１６ は、駆動回路１２の特性と適切に整合された。キャパシタバンクの初期条件の唯 一の変更は電圧Ｖであった。それ故、関係式ｌ∝（ＬＣ）^1/4Ｖ；Ａ∝Ｃ^3/4Ｌ^{-1 /4} Ｖから、ｌ及びＡの両方が以前の値の半分に減少された。キャパシタバンク２ ８に蓄積される減少された電気的エネルギーから予想されるように、爆発は例３ の場合よりあまり激しくなかった。というのは、キャパシタバンクには５２．４ キロジュールの電気的エネルギーしか蓄積されず、そして４２．５キロジュー ルが爆発性導体１６に接続されたからである。ピーク電力は、５９．６メガワッ トであった。図９Ａ、９Ｂ、９Ｃ及び９Ｄを参照されたい。興味あることに、コ ンクリートのテストサンプルは、５２．４キロジュールの蓄積エネルギーだけで ４つの大きな部片に分割された。 例５ キャパシタバンクは、５キロボルトに充電され、そして全４．５インチの作用 流体を使用し、アルミニウム−酸素反応により化学的エネルギーを放出するのに ５２．４キロジュールのみの蓄積エネルギーを使用できるかどうか決定した。爆 発性導体１６’は、例４で使用した爆発性導体１６と同じ長さ及び厚みを有する ものであった。というのは、５キロボルトバンクを接続する必要があったからで ある。爆発性導体と反応流体との間の密接な接触を促進するために、４つの平行 な３／１６インチ巾の爆発性導体リボン即ちストリップ１６’は、各々１０イン チの長さで、４本の平行な螺旋として４．５インチ長さのＰＶＣマンドレル１０ ８に巻き付け、隣接ストリップ１６’間を約１インチとした。例５は、エネルギ ー出力を首尾よく増大し、テストサンプルを１０個の大きな部片に切断した。し かしながら、図１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ及び１０Ｄに示された新たな爆発性導体 形状の電気的性能は、前記の例とは若干異なるものであった。爆発性導体には、 最初に、２２４メガワットのピーク電力に対応する高電圧が現れたが、この電圧 は、おそらく、多巻回の爆発性導体における巻回対巻回のフラッシュオーバーに より迅速に減衰した。結合された全電気的エネルギーは、最初に蓄積された５２ ．４キロジュールのうちの４０キロジュールであった。 例６ キャパシタバンク２８は、１０キロボルトに充電され、そして単一の螺旋状の ２０インチ長さの爆発性導体１６、５．５ミル厚み、１．５インチ巾の信管が、 ４．５インチ長さのマンドレル１０８に巻き付けられた。作用流体は、アルミニ ウムを含まない純粋な水であり、従って、プラズマエネルギーの放出に対し化学 的な増大は与えなかった。水の高い誘電率は、アルミニウムを付加した水に比し て、プラズマの有効インピーダンスを増加し、これにより、信管に高い持続電圧 降下を発生すると共に、良好な電力消費を生じた。ピーク電力は６５８メガワッ トであり、１７４．２キロジュールの電気的エネルギーが信管に結合された（図 １１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ及び１１Ｄ参照）。コンクリートのテストサンプルは、 １３個の大きな断片に破砕された。 以下のテーブルは、例１ないし６の要約を示す。 本発明の特定の実施形態を以上に説明したが、本発明の真の精神及び範囲は、 請求の範囲のみによって限定されるものとする。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ)，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，Ｃ Ｎ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ， ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，Ｍ Ｘ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．固体をプラズマ爆破する装置において、 電気エネルギーを蓄積するための容量性手段と、 所与の長さ及び断面積を有し、上記容量性手段に電気的に接続されて電流を受 け取る爆発性導体とを備え、上記電流は、この爆発性導体を、固体に作用するた めの蒸発性作用流体の付近で固体からプラズマへと加熱し、 更に、上記容量性手段から上記爆発性導体へ電荷電位を選択的に結合するため のスイッチ手段と、 上記容量性手段に接続され、電荷の流れを受け取って、上記爆発性導体への電 流の変化率を低速化する誘導性手段とを備え、上記爆発性導体が固体からプラズ マへと変化してプラズマへの電流を生じさせるときに上記爆発性導体の抵抗値が 増加してプラズマ間に増加した電圧降下を形成し、これに伴って作用流体への熱 の消散を増大し、上記誘導性手段のインダクタンスを上記容量性手段のキャパシ タンスで除算した比の平方根は、上記爆発性導体の長さをその断面積で除算した 比に比例し、そして上記爆発性導体の体積は、上記容量性手段に蓄積される電気 エネルギーに比例し、上記容量性手段から上記爆発性導体への最適なエネルギー 伝達を与えるようにしたことを特徴とする装置。 ２．上記爆発性導体は、比較的大きな表面積対体積比を有する導電性材料のシ ートより成る請求項１に記載の固体をプラズマ爆破する装置。 ３．上記爆発性導体は、金属リボンより成る請求項１に記載の固体をプラズマ 爆破する装置。 ４．上記爆発性導体は、支持本体の周りに巻かれた螺旋リボンより成る請求項 １に記載の固体をプラズマ爆破する装置。 ５．固体をプラズマ爆破する方法において、 キャパシタンスに電荷を充電し、そして 上記電荷をインダクタンスを経て爆発性導体へ転送し、インダクタンスとキャ パシタンスの比の平方根は、爆発性導体の長さをその断面積で除算したものに比 例し、爆発性導体の体積は、キャパシタに蓄積される電気エネルギーに比例する ことを特徴とする方法。 ６．粉末状金属と酸化剤の混合物の付近に爆発性導体を配置し、爆発性導体が プラズマに変換されることにより上記混合物を反応させて熱エネルギーを放出さ せ、爆発性導体の爆発力を増大するという段階を更に備えた請求項５に記載の固 体をプラズマ爆破する方法。 ７．上記粉末状金属はアルミニウムより成る請求項６に記載の固体をプラズマ 爆破する方法。 ８．上記酸化剤は水より成る請求項７に記載の固体をプラズマ爆破する方法。 ９．上記アルミニウム及び水を爆発性導体の付近に維持するために上記アルミ ニウム及び水にゲル化剤が組み合わされる請求項８に記載の固体をプラズマ爆破 する方法。