JPH11345699A - 液体プラズマ発生方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 新規な作動液体搬送系を用いた液体プラズマ
発生方法及びその装置を提供する。 【解決手段】 陰極４と陽極２との間に発生させたアー
クで液体蒸気を電離させてプラズマを作る液体プラズマ
装置において、該液体を収容する液収容部の液体２４
を、交番電気エネルギーを機械振動に変換する素子２８
で液滴化してアーク発生箇所１１側に供給することを特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱プラズマ発生方
法及びその装置に関し、詳しくは、陰極と陽極との間に
発生させたアークで液体を気化させた蒸気を電離させて
プラズマジェットあるいはプラズマアークを作る液体プ
ラズマ発生方法及びその装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】熱プラズマ発生装置は、鉄鋼業での溶解
・精錬や、化学工業での毒性廃棄物処理、アセチレンな
どのガス合成等のためのプロセスで使用されている。ま
た、微粒子合成、溶射、焼結などのプロセスでも使用さ
れている。実用化されている熱プラズマ発生装置の多く
は、プラズマ源あるいは作動媒体（以下、作動媒体とい
う）として、アルゴン、水素、窒素等のガスを用いたい
わゆるガスプラズマ装置であるが、作動媒体として水な
どの液体を用いた液体プラズマ装置も提案され、一部実
用化もされている。例えば、液体として水を用い、か
つ、プラズマジェットを溶射に用いた水プラズマ溶射装
置が知られている。また、液体として水を用い、かつプ
ラズマジェットを溶接に用いる装置も知られている。

【０００３】図３は米国特許第５６０９７７７号で提案
されている液体を用いたプラズマトーチの概略構成図で
ある。このプラズマトーチは、放電室11を備えたプラズ
マトーチ本体1と、作動流体用の容器６とを備えてい
る。本体１は、吐出口が形成されたアノード２と、この
吐出口と同軸の棒状のカソード４とを有する。このカー
ド４はホルダ３に固定されている。このホルダ３は電気
絶縁性のチューブ１２に囲まれ、さらにこの電気絶縁性
のチューブ１２が熱伝導性のチューブ１３に囲まれてい
る。また、本体１は、熱伝導性材料からなるリング９を
有する。このリング９はアノード２に接触し、かつ、こ
のアノード２との接触部に接線方向に形成された放電室
１１への通路１０を有している。この通路はリング９の
中心を軸とする円周方向に、少し（例えば３度〜１０度
程度）傾斜している。

【０００４】上記容器６は上記本体１側のスリーブ部５
を介して本体１に接続され、その内部が湿気吸収材７で
満たされている。この湿気吸収材７としては例えばカオ
リンウールやガラスウールなどを使用できる。

【０００５】本体１と容器６とのギャップは、多孔質の
熱伝導性材８で満たされている。この多孔質熱伝導性材
８は本体１側で上記リング９に接触しており、また容器
６側で上記湿気吸収材７に接触している。この多孔質熱
伝導性材８としては焼結銅ショットや銅チップなどを使
用できる。

【０００６】上記カソードホルダ３、電気絶縁性チュー
ブ１２及び熱導電性チューブ１３は、上記多孔質熱伝導
性材８や湿気吸収材７を貫通して後端側に延びている。
このうち両チューブ１２、１３の後端側は構造体２１に
固設されている。上記カソードホルダ３は、電気絶縁性
チューブ１２内で軸線方向に可動にされており、その後
端部にボタン１６が取り付けられている。このボタン１
６は、その先端部が構造体２２に取り付けられた蓋１４
のセンタ孔を貫通して外部に露出し、かつ、その基端側
のフランジ部２０が該孔の内周縁部に突き当たるように
配置されている。そして、スプリング１５で後端側に付
勢されている。そして、図示を省略した外部電源からの
電圧がアノード２及びカソード４に印加できるようにな
っている。

【０００７】このプラズマトーチを使用する場合には、
まず、栓１７を外して作動流体補充孔１８から容器６内
に作動流体としての水を入れ、容器内の湿気吸収材に水
を含ませる。その後栓１７を取り付ける。この状態で外
部電源のスイッチを入れてアノード２等への電圧印加を
開始する。そして、ボタン１６を押し、カソードホルダ
３を移動させ、その先端にあるカソード４をアノード２
に接触させる。そして、ボタン１６の押し込みを止め
る。押し込みを止めるとスプリング１５の付勢力でボタ
ン１６が押し戻され、これに伴ってカソードホルダ３も
初期位置に戻る。この戻りに伴いカソード４がアノード
２から離れるときに放電室１１内でアーク放電が開始す
る。

【０００８】このアーク放電で電流が流れて発生した熱
は、熱伝導性リンク９を介して多孔質熱伝導性材８に含
まれている水に伝わる。この結果、水は蒸気になる。そ
して、過剰圧力が生じ、この蒸気はリング9の接線の流
路10を通り抜けて放電室11に進入する。ここで水蒸気は
プラズマ化される。それからアノード2の中心軸の穴を
通して外部に吹き出す。これにより、そのアーク柱を安
定させ、同時にアノード２やカソード４を冷やす。水蒸
気は通路１０を通過するときに前記した円周方向の傾斜
により、スパイラル方向の推進力を得る。プラズマ化さ
れてもこの推進力は受け継がれ、アークをより一層安定
させ、かつ、アノード２の中心軸の孔より吹き出すプラ
ズマを安定させる。

【０００９】このプラズマトーチでは、１ＫＷの入力パ
ワーで２５分間連続作動させたときに、水を７０ｍｌ程
度消費するとされている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】この公知のプラズマト
ーチでは、作動液体としての水をアーク放電に伴って発
生した熱で蒸気にし、しかも、その蒸気圧で放電室側に
移動させるので、プラズマジェットの生成初期のプラズ
マジェットの不安定な時期が生じたり、アーク放電に伴
って発生する熱を水のメインの収容部、あるいは、その
近傍まで伝え得るような構造を必要とする等の構造上の
制約が生じたりする。

【００１１】本発明は以上の背景に鑑みなされたもので
あり、その目的とするところは、新規な作動液体搬送系
を用いた液体プラズマ発生方法及びその装置を提供する
ことである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の発明は、陰極と陽極との間に発生させた
アークで液体蒸気を電離させてプラズマを作る液体プラ
ズマ発生方法において、該液体を収容する液収容部の液
体を、交番電気エネルギーを機械振動に変換する素子で
液滴化してアーク発生箇所側に供給することを特徴とす
るものである。

【００１３】また、請求項２の発明は、陰極と陽極との
間に発生させたアークで液体蒸気を電離させてプラズマ
を作る液体プラズマ装置において、該液体を収容する液
収容部の液体を、交番電気エネルギーを機械振動に変換
する素子で液滴化してアーク発生箇所側に供給すること
を特徴とするものである。

【００１４】ここで、交番電気エネルギーを機械振動に
変換する素子としては、磁気ひずみ型と圧電型のいずれ
の素子でもよい。特に、20kHz以上の交番電流エネルギ
ーを，同じ周波数をもった機械的振動に変換する超音波
変換器が好適である。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図１及び図２を用いて、本
発明を液体プラズマ装置である、作動液体として水を用
いたプラズマトーチに適用した一実施形態について説明
する。本実施形態のプラズマトーチは、前述の図３に示
す公知のプラズマトーチに改良を加えたものである。図
１において、上記公知のプラズマトーチの構成に対応す
る部分には同一の符号を付している。

【００１６】図１において、本実施形態のプラズマトー
チが、上記公知のプラズマトーチと異なる点は、次の点
である。 （１）作動流体用の容器６から湿気吸収材７を取り出
し、容器内部を仕切部材２５で仕切って、後端側の内部
空間に直接水２４を収容する水収容室を形成した。 （２）追加して設けた仕切壁２６、２７で水収容室より
トーチ本体１側に超音波振動で水をミスト化するための
ミスト化室を形成し、ここに圧電素子、例えば超音波振
動子としての例えばピエゾ素子２８を配置した。このピ
エゾ素子２８には外部電源から電圧を印加するための図
示を省略した外部駆動回路やスイッチを接続した。 （３）水収容室の水をミスト化室に供給するため、両室
にまたがるように水伝達用部材としてのフェルト２９を
配置した。このフェルト２９のミスト化室側の端部は上
記ピエゾ素子２８に接するように位置決めした。 （４）多孔質熱伝導性材８を短めにし、後述するように
形状を変更した。更に、この形状変更に伴ってリンク９
の形状も変更した。 （５）多孔質熱導電性材８の外周面とトーチ本体１の内
周面との間の間隙と上記ミスト化室内とを複数本の耐熱
性パイプ３０で接続した。 （６）なお、アノード２とカソード４は、互いに電圧を
逆にしてカソード２，アノード４として使用してもよ
い。

【００１７】図２（ａ）及び（ｂ）において、上記多孔
質熱伝導性材８は、図３の多孔質熱導電性材に対し、ト
ーチ本体１の内周面に対向する部分のみを残しそれより
後端側を切断した形状にした。また、外周面に無数の突
起３１を螺旋状に設けた。更にリンク９との接触先端部
にテーパを設け、このテーパ部に接線方向の溝通路３２
を複数本形成した。そして、リンク９の後端面形状を、
上記テーパ部に接触するように逆テーパ形状にした。そ
して、リンク９の外周面には複数本（図示の例では８
本）の溝通路１０ａを形成した。またリンク９のアノー
ト２と接触する先端テーパ部に、上記外周面の複数の溝
１０ａのうちの一部（図示の例では３本）についてのみ
連続させて、通路用の溝通路１０を形成した。

【００１８】図２（ｃ）において、上記ピエゾ素子とし
ては平板状のピエゾ素子２８を使用し、その状面に接触
するようにフェルト端部を重ねた。このフェルト端には
四角の孔３３を形成した。このような形状に代え図２
（ｄ）に示すように複数の丸状の孔３４を形成してもよ
い。更には同図（ｄ）に仮想線で示すように上記耐熱性
パイプの一端をこの丸状の孔３４に接続してもよい。

【００１９】以上の構成において、本実施形態のプラズ
マトーチを使用する場合には、まず、栓１７を外して作
動流体補充孔１８から容器６内の水収容室に作動流体と
しての水を入れる。この水収容室内の水２４はフェルト
２９を伝ってミスト化室に供給され、ピエゾ素子２７上
面に重なっているフェルト端部に水が保持され、フェル
ト２９に形成された孔３３内も水で満たされる。その後
栓１７を取り付ける。この状態で外部電源のスイッチを
入れてアノード２等への電圧印加を開始する。そして、
ボタン１６を押し、カソードホルダ３を移動させ、その
先端にあるカソード４をアノード２に接触させる。そし
て、ボタン１６の押し込みを止める。押し込みを止める
とスプリング１５の付勢力でボタン１６が押し戻され、
これに伴ってカソードホルダ３も初期位置に戻る。この
戻りに伴いカソード４がアノード２から離れるときに放
電室１０内でアーク放電が開始する。ふた１４とプラス
チックカバー１９の接触部はネジになっている。このネ
ジを手で廻すことにより、ふた１４とプラスチックカバ
ー１９の位置関係を調整できる。これにより、アノード
２とカソード４の距離を調整することができる。従って
アークの最適な長さを得ることができる。

【００２０】ここで、本実施形態では、上記外部電源の
スイッチを入れるのに伴い、あいるは、上記ボタン１６
を押すのに伴い、前述のピエゾ素子２８の駆動回路にも
電圧が印加されピエゾ素子２８が超音波振動を開始す
る。この超音波振動で、ピエゾ素子上のフェルト端部に
保持されている水がミスト化される。特に、フェルト端
部に形成された孔３３内に満たされている水が効率良く
ミスト化される。そして、水のミストは耐熱性パイプ３
０を介して多孔質熱導電性材８の外周面とトーチ本体１
の内周面との間の間隙に供給される。

【００２１】そして、上記アーク放電で電流が流れて発
生した熱は、熱伝導性リンク９を介して多孔質熱伝導性
材８に伝わる。この結果、多孔質熱導電性材８の外周面
とトーチ本体１の内周面との間の間隙に供給されている
水のミストが蒸気になる。そして、過剰圧力が生じ、こ
の蒸気は、図２（ａ）中に符号Ａで示すように、リンク
９の外周面の通路１０ａ及び先端テーパ部の溝通路１０
を介して放電室１１に進入する。なお、リンク９の外周
面の複数の通路１０ａのうち、先端テーパ部の通路１０
に連続していないものに進入した蒸気は逆流する。ま
た、上記過剰圧力で、上記蒸気の一部は、図２（ａ）中
に符号Ｂで示すように、多孔質熱導電性材９の先端テー
パ部の通路３２を通って直接放電室１１に進入する。上
記逆流した上記の一部もこの通路３２を通って直接放電
室１１に進入する。それから、放電室１１に進入した蒸
気はプラズマ化され、アノード2の中心軸の穴を通して
外部に吹き出す。これにより、そのアーク柱を安定さ
せ、同時にアノード２やカソード４を冷やす。

【００２２】以上の実施形態に係るプラズマトーチによ
れば、超音波振動子でミスト化した水をトーチ本体１側
に供給するので、トーチ本体側への水供給を超音波振動
子の駆動制御によりコントロールできる。よつて、例え
ば連続駆動により安定した水の供給が可能である。ま
た、作動開始直後から安定したプラズマジェット流の噴
射が可能である。これに対し、前述の図３に示す公知の
プラズマトーチでは、環境や使用履歴によって変動する
容器９内の水部分状態等によりトーチ本体１側への水供
給状態や加熱により蒸気発生状態が左右され、特に、作
動開始直後はプラズマジェット流が不安定になりがちで
ある。

【００２３】また、本実施形態のプラズマトーチでは、
湿気吸収材７に吸収させた状態ではなく、水収容室内に
直接水を収容しているので、湿気吸収材７を用いない分
だけ、水収容量を多めに確保できる。よって、プラズマ
トーチ全体の内容量の小型化あるいは収容水容量の増大
が図れる。

【００２４】なお、以上の実施形態に係る液体プラズマ
装置は、手に持って扱えるものであるが、本発明は、固
定式の液体プラズマ装置にも適用できる。また、上記実
施形態に係るプラズマ装置は、プラズマジェット流とし
て噴出するプラズマジェットあるいは非移行性アーク生
成タイプのものであるが、本発明は、移行性アークを生
成するタイプのものにも適用できる。更に、上記実施形
態は、アーク放電を起こすのに、陰極と陽極を接触させ
て電流を通電し、その後電極を引き離す方法を採用した
ものであるが、これに代え、電極間に高周波高電圧を印
加して電極間の気体を電離する方法、電極間を細いワイ
ヤーで短絡し、電流によってワイヤーが溶断する際のア
ークを種プラズマとする方法などを採用したものにも、
本発明は適用できる。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、新規な作動液体搬送系
を用いた液体プラズマ発生方法及びその装置を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態に係るプラズマトーチの概略構成図。

【図２】（ａ）乃至（ｄ）は同プラズマトーチの部分説
明図。

【図３】従来例に係るプラズマトーチの概略構成図。

【符号の説明】

１ プラズマトーチ本体 ６ 作動流体用の容器 ２ 吐出口が形成されたアノード ３ カソードホルダ ４ カード ５ 容器のスリーブ部 ８ 多孔質熱伝導性材 ９ 熱伝導性リング １０ 接線方向の通路 １１ 放電室 １２ 電気絶縁性の管 １３ 熱導電性の管 １４ ふた １５ スプリング １６ ボタン １７ 栓 １８ 作動流体補充用孔 １９ プラスチックカバー ２０ ボタンのフランジ部 ２５ 仕切部材 ２６ 仕切部材 ２７ 仕切部材 ２８ ピエゾ素子 ２９ フェルト ３０ 耐熱性パイプ ３１ 突起 ３２ 溝通路 ３３ 孔 ３４ 孔

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】陰極と陽極との間に発生させたアークで液
   体を気化させた蒸気を電離させてプラズマを作る液体プ
   ラズマ発生方法において、該液体を収容する液収容部の
   液体を、交番電気エネルギーを機械振動に変換する素子
   で液を滴化してアーク発生箇所側に供給することを特徴
   とする液体プラズマ発生方法。
2. 【請求項２】陰極と陽極との間に発生させたアークで液
   体蒸気を電離させてプラズマを作る液体プラズマ装置に
   おいて、該液体を収容する液収容部の液体を、交番電気
   エネルギーを機械振動に変換する素子で液を滴化してア
   ーク発生箇所側に供給することを特徴とする液体プラズ
   マ発生装置。