特開 2023-60181 高エネルギー効率、高出力のプラズマトーチ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023060181

(43)【公開日】2023-04-27

(54)【発明の名称】高エネルギー効率、高出力のプラズマトーチ

(51)【国際特許分類】

   H05H 1/34 20060101AFI20230420BHJP

【ＦＩ】

H05H1/34

【審査請求】有

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2023033602

(22)【出願日】2023-03-06

(62)【分割の表示】P 2020187867の分割

【原出願日】2015-05-19

(31)【優先権主張番号】61/994,672

(32)【優先日】2014-05-16

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】513235739

【氏名又は名称】パイロジェネシス・カナダ・インコーポレーテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】ミシェル・ジー・ドロエ

(72)【発明者】

【氏名】ピエール・キャラバン

(57)【要約】

【課題】導入されたガスを非常に高い温度に加熱するために電気アークが採用される装置が開示される。
【解決手段】本装置は、４つの内部構成要素、すなわちボタンカソードと、３つの円筒同軸構成要素である第１の短いパイロット挿入部と、第２の長い挿入部と、アノードと、を含む。渦発生器は、これらの構成要素の間に配置され、装置内に導入され、アノードとカソードとの間で発生した電気アークによって非常に高い温度まで加熱されることとなるガスに渦流を発生させる。３つの内部構成要素、すなわち、カソード、アノード及びパイロット挿入部の溶融を防ぐために冷却が行われる。しかし、冷却流体への熱損失を制限するために、長い挿入部は絶縁材料からなる。このため、より多くの電気エネルギーがガスへ伝達される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

無移送アークモードで動作するように適合されたガスヒータープラズマトーチであって、導入されるガスへの高い熱伝達効率を特徴とし、
－円筒形のトーチ本体と、
－前記トーチ本体の内部に同軸上に取り付けられた円筒形の後方電極と、
－前記後方電極と同軸上に、前記後方電極の前方に取り付けられた、貫通穴を有する短いパイロットチューブ状電極と、
－前記短いパイロット電極と同軸上に、前記短いパイロット電極の前方に取り付けられた、貫通穴を有する長いチューブ状挿入部と、
－前記長いチューブ状挿入部と同軸上に、前記長いチューブ状挿入部の前方に取り付けられた、貫通穴を有する短い前方電極と、
－前記電極及び前記長いチューブ状挿入部の両方と前記円筒形のトーチ本体との間に取り付けられ、シールされた通路を提供する円筒チューブ状筐体であって、前記トーチの動作時に前記電極及び前記長いチューブ状挿入部から熱を除去するために前記通路を通して流体冷媒が循環する、円筒チューブ状筐体と、
－前記後方電極と前記パイロット電極との間に提供され、前記後方電極と前記パイロット電極との間のチャンバー内に適切なガスの渦流を発生させるための第１の渦発生器と、
－前記パイロット電極と前記長いチューブ状挿入部との間に提供され、前記長いチューブ状挿入部内に適切なガスの渦流を発生させるための第２の渦発生器と、
－前記長いチューブ状挿入部と前記短い前方電極との間に提供され、前記短い前方電極内に適切なガスの渦流を発生させるための第３の渦発生器と、
－前記後方電極と前記前方電極との間に接続され、前記渦発生器によって提供されたガスの流動を通してアークを維持するための電力供給手段と、
－前記後方電極と前記パイロット電極との間にアーク放電を点火するための手段であって、前記アークが、前記長いチューブ状挿入部内で、前記前方電極に到達するのに十分長くなるようにする、アーク放電を点火するための手段と、
－前記パイロット電極及び前記前方電極の表面におけるアーク発生点が、前記電極からの金属の侵食を均一に分布させ、それによってトーチ寿命を延長するために、円運動で前記電極の表面上を急速に移動するように、電流及び電圧のアークパラメータを、前記渦発生器で提供されるガス流動と協調させるための手段と、を含む、ガスヒータープラズマトーチ。

【請求項2】

前記長いチューブ状挿入部が前記短いパイロット電極よりも大きな直径を有する、請求項１に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項3】

前記長いチューブ状挿入部が絶縁材料からなる、請求項１に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項4】

前記長いチューブ状挿入部が、金属リングによって分離された絶縁材料からなる複数の環状リングを含む、請求項１に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項5】

前記長いチューブ状挿入部が、金属リングによって分離された絶縁材料からなる複数の環状リングを含み、前記金属リングが、前記リング間に電気的絶縁を提供するシールによって分離された、請求項１から３のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項6】

前記後方電極が、電子を放出するために、タングステン挿入部または、例えば、トリウム、ジルコンもしくはランタンでドープされたタングステンを有して提供される、請求項１に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項7】

前記後方電極が、電子を放出するために、ハフニウム挿入部を有して提供される、請求項１に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項8】

前記後方電極、前記パイロット電極及び前記前方電極が銅からなる、請求項１に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項9】

前記長いチューブ状挿入部の絶縁材料がシリコンカーバイドからなる、請求項１に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項10】

前記長いチューブ状挿入部の絶縁材料がＨｅｘｏｌｏｙシリコンカーバイドからなる、請求項１に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項11】

前記長いチューブ状挿入部の絶縁材料が窒化ホウ素からなる、請求項１に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項12】

絶縁材料の前記環状リングがシリコンカーバイドからなる、請求項４または５に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項13】

絶縁材料の前記環状リングがＨｅｘｏｌｏｙシリコンカーバイドからなる、請求項４または５に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項14】

絶縁材料の前記環状リングが窒化ホウ素からなる、請求項４または５に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項15】

オリフィスが、前記チューブ状挿入部の様々な位置に設けられ、前記アークのカラムの周りの渦流において接線方向にガスを導入する、請求項１から３のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項16】

オリフィスが、前記環状リングの様々な位置に設けられ、前記アークのカラムの周りの渦流において接線方向にガスを導入する、請求項４または５に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項17】

磁気コイルまたは永久磁石が前記前方電極の周囲に設けられ、前記電極からの金属の侵食を均一に分布させ、それによってトーチの寿命を延長するように、アーク発生点を前記電極の表面上において円運動で急速に移動させる、請求項１に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項18】

－トーチ本体と、
－前記トーチ本体内に取り付けられたチューブ状後方電極と、
－前記後方電極の前方に取り付けられたパイロットチューブ状電極と
－前記パイロット電極の前方に取り付けられたチューブ状挿入部と、
－前記チューブ状挿入部の前方に取り付けられた前方電極と、
－前記電極及び前記チューブ状挿入部の両方と前記トーチ本体との間に取り付けられて通路を提供する筐体であって、前記通路を通して流体冷媒が循環する、筐体と、
－前記後方電極と前記パイロット電極との間のチャンバー内に適切なガスを提供するための第１の供給システムと、
－前記チューブ状挿入部内に適切なガスを提供するための第２の供給システムと、
－前記前方電極内に適切なガスを提供するための第３の供給システムと、
－前記供給システムによって提供されたガスの流動を通してアークを維持するための電力供給部と、
－前記後方電極と前記パイロット電極との間でアーク放電を点火するための点火システムであって、前記アークが、前記長いチューブ状挿入部内で、前記前方電極に到達するのに十分長くなるようにする、点火システムと、
－電流及び電圧のアークパラメータを前記供給システムによって提供されるガス流動と協調させるための協調システムと、を含む、ガスヒータープラズマトーチ。

【請求項19】

前記チューブ状挿入部が実質的に長い、請求項１８に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項20】

前記パイロット電極が実質的に短い、請求項１８または１９に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項21】

前記前方電極が実質的に短い、請求項１８から２０のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項22】

前記チューブ状挿入部が前記パイロット電極よりも大きな直径を有する、請求項１８から２１のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項23】

前記後方電極、前記パイロット電極、前記チューブ状挿入部及び前記前方電極の少なくとも１つが実質的に円筒形である、請求項１８から２２のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項24】

前記筐体が実質的に円筒形である、請求項１８から２３のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項25】

前記後方電極が、前記トーチ本体内に実質的に同軸上に取り付けられた、請求項１８から２４のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項26】

前記パイロット電極が、前記後方電極と同軸上に、前記後方電極の前方に取り付けられた、請求項１８から２５のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項27】

前記チューブ状挿入部が、前記パイロット電極と同軸上に、前記パイロット電極の前方に取り付けられた、請求項１８から２６のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項28】

前記前方電極が、前記チューブ状挿入部と同軸上に、前記チューブ状挿入部の前方に取り付けられた、請求項１８から２７のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項29】

前記後方電極、前記パイロット電極、前記チューブ状挿入部及び前記前方電極が、実質的に円筒形である、請求項１８から２８のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項30】

前記トーチ本体が実質的に円筒形である、請求項１８から２９のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項31】

前記流体冷媒のための経路がシールされた、請求項１８から３０のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項32】

前記経路を通って循環する前記流体冷媒が、前記トーチの作動時に、前記電極及び前記チューブ状挿入部から熱を除去するように適合された、請求項１８から３１のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項33】

前記第１、第２及び第３の供給システムがそれぞれ、第１、第２及び第３の渦発生器を含む、請求項１８から３２のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項34】

前記第１の渦発生器が、前記後方電極と前記パイロット電極との間に設けられ、前記後方電極と前記パイロット電極との間のチャンバー内に適切なガスの渦流を発生させる、請求項１８から３３のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項35】

前記第２の渦発生器が、前記パイロット電極と前記チューブ状挿入部との間に設けられ、前記チューブ状挿入部内に適切なガスの渦流を発生させる、請求項１８から３３のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項36】

前記第３の渦発生器が、前記チューブ状挿入部と前記前方電極との間に設けられ、前記前方電極内に適切なガスの渦流を発生させる、請求項１８から３３のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項37】

前記電力供給手段が、前記供給システムまたは前記渦発生器によって提供されるガスの流動を通して前記アークを維持するために、前記後方電極と前記前方電極との間に接続された、請求項１８から３６のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項38】

前記協調システムが、前記パイロット電極の表面上及び前記前方電極上のアーク発生点が、前記電極からの金属の侵食を実質的に均等に分布させ、それによってトーチの寿命を延長するように、前記電極の表面上を円運動で急速に移動するように、電流及び電圧のアークパラメータを、前記供給システムまたは前記渦発生器によって提供されたガス流動と協調させるように適合された、請求項１８から３７のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項39】

前記チューブ状挿入部が絶縁性の材料からなる、請求項１８から３８のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項40】

前記チューブ状挿入部が、金属リングによって分離された、絶縁性の材料からなる複数の環状リングを含む、請求項１８から３９のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項41】

前記チューブ状挿入部が、金属リングによって分離された、絶縁性の材料からなる複数の環状リングを含み、前記金属リングが、前記リングの間に電気的絶縁を提供するシールによって分離された、請求項１８から３９のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項42】

前記後方電極が、電子を放出するために、タングステン挿入部または、例えば、トリウム、ジルコンまたはランタンでドープされたタングステンを有して提供される、請求項１８から４１のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項43】

前記後方電極が、電子を放出するために、ハフニウム挿入部を有して提供される、請求項１８から４１のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項44】

前記後方電極、前記パイロット電極及び前記前方電極が銅からなる、請求項１８から４１のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項45】

前記チューブ状挿入部の絶縁性の材料がシリコンカーバイドからなる、請求項１８から４１のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項46】

前記チューブ状挿入部の絶縁性の材料がＨｅｘｏｌｏｙシリコンカーバイドからなる、請求項１８から４１のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項47】

前記長いチューブ状挿入部の絶縁性の材料が窒化ホウ素からなる、請求項１８から４１のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項48】

絶縁性の材料の前記環状リングがシリコンカーバイドからなる、請求項４０または４１に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項49】

絶縁性の材料の前記環状リングがＨｅｘｏｌｏｙシリコンカーバイドからなる、請求項４０または４１に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項50】

絶縁性の材料の前記環状リングが窒化ホウ素からなる、請求項４０または４１に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項51】

前記アークのカラムの周囲の渦流にガスを接線方向に導入するために、オリフィスが前記チューブ状挿入部に様々な位置において設けられた、請求項１８から５０のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項52】

前記アークのカラムの周囲の渦流にガスを接線方向に導入するために、オリフィスが前記環状リングに様々な位置において設けられた、請求項４０または４１に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項53】

前記電極からの金属の侵食を均一に分布させ、それによってトーチの寿命を延長するために、前記アーク発生点を前記電極表面において円運動で急速に移動させるように、磁気コイルまたは永久磁石が前記前方電極の周囲に設けられた、請求項１８から５２のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【請求項54】

前記ガスヒータープラズマトーチが、無移送アークモードで動作するように適合された、請求項１８から５３のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本出願は、２０１４年５月１６日に出願され、本明細書に参照により組み込まれている係属中の米国仮出願第６１／９９４６７２号の優先権を主張する。

【0002】

本発明の対象は、高エネルギー効率、高出力のプラズマトーチに関する。

【背景技術】

【0003】

アークプラズマトーチは、ガスのヒーターとして使用されることが多い。トーチに供給される電力は、トーチ端子間の電流及び電圧の両方に比例し、加熱される導入ガスと接触することにより、トーチ電気アークから伝達される熱量は、トーチ効率に依存する。アーク温度は非常に高く、１００００℃にもなるため、トーチ電極は水冷しなければならない。この水冷も、アークから冷却水への熱の伝達となるため、トーチを出て導入ガスに伝達される熱は、電力供給によって提供される電気的エネルギーよりも低い。

【0004】

このエネルギー損失は、具体的には、水冷される電極の長さに依存することとなる。そのため、排出するガスへの熱の伝達の効率を最大化することができるように、できる限り短い電極を有することが興味深い。しかし、この場合、アーク電圧は、アークの長さに比例するため、小さくなる。必要な電力を得るために、電流を増加しなければならず、これは電流の侵食の増加につながり、より低い電流及び高いアーク電圧で動作する同じ出力の長い電極トーチに比べて、対応する維持コストが高くなる。

【0005】

そのため、高出力アークプラズマガスヒータートーチについて、動作の選択は、
－高エネルギー伝達効率を有するが高い維持コストを要する高電流型、または
－維持コストは低いが冷却水への熱損失が高い高電圧型である。

【0006】

過去５０年の間に文献に示され、及び／または市販されてきた様々なトーチの提案は、これら２つのカテゴリーの一方に分類可能である。

【0007】

高電圧を得るためにアークを伸ばすことについて、Ｒａｍａｋｒｉｓｈｎａｎ、Ｃａｍａｃｈｏ、Ｍｏｇｅｎｓｅｎ、Ｅｓｃｈｅｎｂａｃｈ及びＨａｎｕｓによって報告されたように、Ｔｉｏｘｉｄｅ社、ＳＫＦ社及びＡｃｕｒｅｘ社などのいくつかの企業は、多電極設計及び、必要な高電圧が得られるまで１つの区画から他の区画へアーク発生部を移動させる方法を提案している。この一般的な種類のトーチは、例えば、特許文献１にも示されている。

【0008】

例えば特許文献２に示され、またはＣａｍａｃｈｏによって報告されているように、例えば、Ｗｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅ社、ＳＫＦ社及びＡｅｒｏｓｐａｔｉａｌｅ社によって市販されているデバイスについて、高電流での動作の選択の帰結である電極侵食を制限するために、高電流アーク発生部の脚部を、電極表面上で急速に移動させるための磁場を使用することを選択したものもある。

【0009】

従って、エネルギー効率の高い高出力プラズマトーチが必要とされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】米国特許第４５４３４７０号明細書

【特許文献2】米国特許第５１３２５１１号明細書

【非特許文献】

【0011】

【非特許文献1】Ramakrishnan, et al, Technological Challenges in Thermal Plasma, CSIRO Publishing

【0012】

【非特許文献2】Camacho, Industrial-worthy plasma torches State-of-the-art, Pure & Appl. Chem., Vol. 60, No. 5, pp. 619-632, 1988.

【0013】

【非特許文献3】Mogensen, et al, Electrical and Mechanical Technology of Plasma Generation and Control, in Plasma Technology in Metallurgical Processing by J. Feinman, The Iron and Steel Society, 1987, pp. 65-76

【0014】

【非特許文献4】Eschenbach, et al, Plasma Torches and Plasma torch Furnaces, in Plasma Technology in Metallurgical Processing by J. Feinman, The Iron and Steel Society, 1987, pp. 77-87.

【0015】

【非特許文献5】Hanus, Phoenix Solutions’ Plasma Arc Application and High-Temperature Process Experience, Proceedings Plasma Arc Technology, October 29-30, 1996, pp. 321-352.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0016】

従って、新規なプラズマトーチの提供が強く望まれている。

【課題を解決するための手段】

【0017】

本明細書において説明された実施形態は、１つの態様において、無移送アークモードで動作するように適合されたガスヒータープラズマトーチであって、導入されるガスへの高い熱伝達効率を特徴する、ガスヒータープラズマトーチを提供し、ガスヒータープラズマトーチは、
－円筒形のトーチ本体と、
－トーチ本体の内部に同軸上に取り付けられた円筒形の後方電極と、
－後方電極と同軸上に、後方電極の前方に取り付けられた、貫通穴を有する短いパイロットチューブ状電極と、
－短いパイロット電極と同軸上に、短いパイロット電極の前方に取り付けられた、貫通穴を有する長いチューブ状挿入部と、
－長いチューブ状挿入部と同軸上に、長いチューブ状挿入部の前方に取り付けられた、貫通穴を有する短い前方電極と、
－電極及び長いチューブ状挿入部の両方と円筒形のトーチ本体との間に取り付けられ、シールされた通路を提供する円筒チューブ状筐体であって、トーチの動作時に電極及び長いチューブ状挿入部から熱を除去するために通路を通して流体冷媒が循環する、円筒チューブ状筐体と、
－後方電極とパイロット電極との間に提供され、後方電極とパイロット電極との間のチャンバー内に適切なガスの渦流を発生させるための第１の渦発生器と、
－パイロット電極と長いチューブ状挿入部との間に提供され、長いチューブ状挿入部内に適切なガスの渦流を発生させるための第２の渦発生器と、
－長いチューブ状挿入部と短い前方電極との間に提供され、短い前方電極内に適切なガスの渦流を発生させるための第３の渦発生器と、
－後方電極と前方電極との間に接続され、渦発生器によって提供されたガスの流動を通してアークを維持するための電力供給手段と、
－後方電極とパイロット電極との間にアーク放電を点火するための手段であって、アークが、長いチューブ状挿入部内で、前方電極に到達するのに十分長くなるようにする、アーク放電を点火するための手段と、
－パイロット電極及び前方電極の表面におけるアーク発生点が、電極からの金属の侵食を均一に分布させ、それによってトーチ寿命を延長するために、円運動で電極の表面上を急速に移動するように、電流及び電圧のアークパラメータを、渦発生器で提供されるガス流動と協調させるための手段と、を含む。

【0018】

また、本明細書において説明される実施形態は、別の態様において、
－トーチ本体と、
－トーチ本体内に取り付けられたチューブ状後方電極と、
－後方電極の前方に取り付けられたパイロットチューブ状電極と
－パイロット電極の前方に取り付けられたチューブ状挿入部と、
－チューブ状挿入部の前方に取り付けられた前方電極と、
－電極及びチューブ状挿入部の両方とトーチ本体との間に取り付けられて通路を提供する筐体であって、通路を通して流体冷媒が循環する、筐体と、
－後方電極とパイロット電極との間のチャンバー内に適切なガスを提供するための第１の供給システムと、
－チューブ状挿入部内に適切なガスを提供するための第２の供給システムと、
－第１の電極内に適切なガスを提供するための第３の供給システムと、
－供給システムによって提供されたガスの流動を通してアークを維持するための電力供給部と、
－後方電極とパイロット電極との間でアーク放電を点火するための点火システムであって、アークが、長いチューブ状挿入部内で、前方電極に到達するのに十分長い、点火システムと、
－電流及び電圧のアークパラメータを供給システムによって提供されるガス流動と協調させるための協調システムと、を含む、ガスヒータープラズマトーチを提供する。

【0019】

本明細書で説明される実施形態のより良好な理解のため、及びそれらが効果をどのように奏しうるかをより明確に示すために、単なる例として、少なくとも１つの例示的な実施形態を示す添付図面を参照する。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】ボタンカソードとパイロット挿入部との間のパイロットアークが、長いチューブ状挿入部内に導かれる高温プラズマガスとともに示された、例示的な実施形態に従うプラズマトーチの断面側面図である。

【図2】ボタンカソードとアノードとの間の主アークを示す、プラズマトーチの別の断面側面図である。

【図3】第１及び第２のスイッチを閉じることによってパイロットアークにエネルギーを印加してトーチの動作を可能にし、図２に示されるように、アノードにアークを伝達する際に第２のスイッチが開放されうる、例示的な実施形態に従うプラズマトーチの電気的構成の概略図及び断面側面図である。

【図4】例示的な実施形態に従う長いチューブ状挿入部の第１の実施形態の要部の概略部分断面図である。

【図5】例示的な実施形態に従う長いチューブ状挿入部の第２の実施形態の要部の概略部分断面図である。

【図6】例示的な実施形態に従う長いチューブ状挿入部の第３の実施形態の要部の概略部分断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

本装置は、主に、高電流で動作する、非常に高い維持コストを要するエネルギー効率の高いトーチと、高電圧で動作する、維持コストは低いがエネルギー効率が非常に悪いトーチと、から選択しなければならないという、従来のガスヒーターの前述の欠点の少なくともいくつかに対処することを意図される。

【0022】

そのため、本装置によって、低電流高電圧で動作し、長いアークを有する高出力アークプラズマガスヒータートーチは、ガスへのエネルギー伝達効率が高く、維持コストも低いものとすることができる。

【0023】

そのために、
ａ）例えば銅からなり、水冷され、アークのために必要な電子を放出するためのタングステンまたは例えばトリウム、ジルコンもしくはランタンでドープされたタングステンからなる挿入部を備え、または、タングステンまたはタングステンドープ挿入部を有する場合に不活性パイロットガスで動作する必要があることを避けるためにハフニウム挿入部を備えた、ボタンカソードと、
ｂ）例えば銅からなり、水冷され、ボタンカソードと同軸上に取り付けられ、カソードとパイロット挿入部との間の絶縁破壊に続いて確立されるパイロットアークのための一時アノードとして使用される、短いチューブ状パイロット挿入部と、
ｃ）例えば電気的及び熱的に絶縁性の材料からなり、カソード及びパイロット挿入部の両方に対して同軸上に取り付けられ、まず、カソードとパイロット挿入部との間で確立されたパイロットアークによって発生した高温プラズマガスを導き、動作時には、必要なアーク電圧を得るためにアークを延長させるために使用される、長いチューブ状挿入部と、
ｄ）例えば銅からなり、水冷され、カソード、パイロット挿入部及び長い挿入部のアセンブリと同軸上に取り付けられ、カソードとパイロット挿入部との間のパイロット放電によって発生し、長いチューブ挿入部によって導かれた高温プラズマガス内の電圧絶縁破壊に続いてボタンカソードと電極との間に確立された主アークのためのアノードとして使用される、短いチューブ状電極と、
を含む種類のエネルギー効率の高い高出力プラズマトーチが、絶縁材料を含むアーク延長器の使用が冷却水への熱損失を大きく制限するため、高電圧低電力で、ガスへのエネルギー伝達の高いエネルギー効率で動作可能である。

【0024】

そのため、図面に示されたような、無移送モードの動作のためにのみ適合されたプラズマトーチＴは、本発明の例示的な実施形態の特徴を具現化する。トーチＴは、図に示された４つの構成要素、すなわちカソード１０、パイロット挿入部１２、長いチューブ状挿入部１５及びアノード１６が内部に収容された、例えばステンレス鋼などの金属からなる外部本体（図示されない）を含む。

【0025】

カソード１０は、例えば銅からなり、水冷されたボタン型であり、例えばタングステンまたは例えばトリウム、ジルコンもしくはランタンでドープされたタングステンからなり、アークに必要な電子を放出するための挿入部１１を備え、または、タングステンもしくはタングステンドープ挿入部を有する場合に不活性パイロットガスで動作する必要があることを避けるためにハフニウム挿入部を備える。

【0026】

図１に示されるように、これも例えば銅からなり、水冷されたパイロット挿入部１２は、カソード１０と同軸上に取り付けられる。パイロット挿入部１２は、始動時には、カソード１０とパイロット挿入部１２との間の電気的絶縁破壊に続いて確立されるパイロットアーク１３のための一時アノードとして使用される。

【0027】

また、図１に示されるように、例えば電気的及び熱的に絶縁性の材料からなり、カソード１０及びパイロット挿入部１２の両方に同軸上に取り付けられた長いチューブ状挿入部１５が、始動時には、カソード１０とパイロット挿入部１２との間に確立されたパイロットアーク１３によって発生した高温プラズマガス１４を導くために使用される。長いチューブ状挿入部１５の長さは、少なくとも部分的に、所望の動作電圧およびアークの長さに依存する。

【0028】

図２は、カソード１０と下流アノード１６との間に確立された主アーク２０での通常のトーチ動作を示す。長い挿入部１５は、この場合、アーク２０、及びガス１７、１８と接するように使用され、カソード１０とパイロット挿入部１２との間及びパイロット挿入部１２と長い挿入部１５との間にそれぞれ設けられた渦発生器（図示されない）によってトーチＴ内に導入される。追加的なガス１９は、長い挿入部１５とアノード１６との間に配置された第３の渦発生器（図示されない）によって導入される。

【0029】

ガス１９は、主に、必要な保守の間のトーチ動作時間の長さを延長するために、電極からの金属の侵食を均一に分布させることができるように、アーク発生点をアノード表面上で円運動で急速に移動させるために、アノード表面に対して接線方向に導入される。アーク発生点をアノード表面上でさらに急速に移動させ、それによってさらに電極侵食を低減するために、アークに電磁力を印加することができるように、アノード１６の周囲に、磁気コイルまたは永久磁石を設けること可能である。

【0030】

電気的構成Ｅは図３に示されている。始動から進行するために、第１及び第２のスイッチ２１、２３が共に閉じられ、ＤＣ電力供給部２４がオンにされる。カソード１０とパイロット挿入部１２との間に接続された点火モジュール（図示されない）は、カソードとパイロット挿入部との間のパイロットガスを電離するために使用され、図３に示されるようにＤＣ電力供給部２４によってサポートされるパイロットアーク１３を確立する。

【0031】

図１に示されるように、ガス渦発生器（図示されない）によって生じた渦流１７、１８によって駆動されるパイロットアーク１３は、長い挿入部１５のチューブ状の通路内にある程度伸びる。さらに、パイロットアーク１３によって生じたイオン化したガスは、アノード１６とパイロットアーク１３の下流延長部との間の電気的抵抗経路をかなり低下させる。抵抗器２２は、アノード１６とパイロット挿入部１２との間の電位差をさらに増大させるために使用される。このように、アノード１６の電位がより高くなるため、アーク１３がアノード１６に到達する前に、延長されたアーク１３とアノード１６との間の電気的絶縁破壊が良好に生じることとなる。主アーク２０の開始において、第２のスイッチ２３は接続解除される。

【0032】

図１、２及び３に示されるように、パイロット挿入部１２の内径は長いチューブ状挿入部１５の内径よりも小さい。試験時において、パイロット挿入部１２の直径ｄ１と、長いチューブ状挿入部１５の直径ｄ２との間の比が、アークの安定性に影響を及ぼすことが分かった。１つの実施形態において、主試験を、最大４００ｋＷの出力について、１．１５から１．３５の範囲のｄ２／ｄ１の比を用いておこなった。

【0033】

図４、５及び６において、例示的な実施形態に従う装置のさらなる実施形態が示され、これによって、長いチューブ状挿入部のほとんどの要部のみが示されている。これらの実施形態のそれぞれにおいて、例えばほとんど絶縁性の材料からなる長いチューブ状挿入部は、水冷されたほとんど金属からなるチューブ状構成部内に収容される。

【0034】

図４の実施形態において、内側の挿入部１５は、シーリングリング３２によってシールされ、互いから絶縁された金属リング３１を含むチューブ状構成部内に挿入された１つの部分からなる。

【0035】

図５の実施形態において、内側の挿入部は、それ自体がシーリングリング３５によってシールされ、互いから絶縁された金属リング３４によって分離された、絶縁性の材料のリング３３を含む。

【0036】

図６の実施形態において、内側の挿入部はまた、図５に示されたものとは断面の異なる絶縁性の材料のリング３６を含む。リング３６は、それ自体がシーリングリング３８によってシールされ、互いから絶縁された金属リング３７によって分離される。

【0037】

図５及び６において、絶縁材料のリング３３及び３６の数はそれぞれ、少なくとも部分的に、所望の動作電圧およびアークの長さに依存する。

【0038】

（図１から４に示されるように）単一の長いチューブ１５または（それぞれ図５及び６に示されるように）複数のリング３３及び３６のいずれかを含む長いチューブ状の挿入部は、例えば、シリコンカーバイドやＳａｉｎｔ－Ｇｏｂａｉｎ Ｃｅｒａｍｉｃｓ社製のＨｅｘｏｌｏｙ、またはＳａｉｎｔ－Ｇｏｂａｉｎ社及びＥＳＫ社によって製造される窒化ホウ素のような、例えば良好な電気抵抗及び低い熱伝導率を有し、同時に非常に高い融点を有する材料からなる。シリコンカーバイド、Ｈｅｘｏｌｏｙ、及び窒化ホウ素は、例えば、その熱伝導率が銅よりも約５倍低いため、カソードとアノードとの間の長い挿入部内に導かれた高温プラズマからの熱損失は、銅であった場合のわずか約２０％となる。

【0039】

図面には示していないが、図１、２、３及び４に示されるような単一の長いチューブ１５または図５及び６にそれぞれ示されるような複数のリング３３及び３６のいずれかを含む長いチューブ状挿入部は、その壁に、異なる位置において、ガスを接線方向に導入するためにオリフィスを有して提供される。得られる渦ガス流動は、アークから周囲のガスへの熱伝達を増加させ、そのため、アークを維持するために必要な電圧を増加させる。長いチューブ状挿入部におけるこれらの追加的な渦流動は、挿入部の穴の表面を冷却するだけでなく、アークを安定させ、挿入部の穴の直径を増加させることができ、壁の安定性の必要性が低くなる。

【0040】

例示的な実施形態をさらに、以下の実施例によって示す。

【0041】

実施例
比較のために、長いチューブ状の銅アノードまたは図１に関して説明したような絶縁挿入部を備えるプラズマトーチで試験を行った。

【0042】

両方の場合において、出力は８００アンペア及び５００ボルトで、４００ｋＷであった。空気の流動は１分間に９２０リットルであった。カソード及びノズルの水冷回路は、これらのトーチ構成部の熱損失の測定を分離することができるように、アノード水冷回路とは独立とした。

【0043】

カソード及びアノードへの水流は、それぞれ１分間に４５リットル及び１分間に４０リットルとした。カソードの水温の上昇は、２５ｋＷの冷却水への熱伝達を示す両方の場合で、８℃であった。

【0044】

長いチューブ状銅アノードでは、水温の上昇は、６９．７ｋＷの冷却水への熱伝達に相当する２５℃であった。

【0045】

絶縁挿入部を備える場合、アノードの温度上昇は１４ｋＷに相当するわずか５℃であった。

【0046】

対応するトーチ効率は、通常の銅アノードを備えるトーチで７６％であり、絶縁挿入部を備えるトーチで９０％であり、そのため１４％の効率向上となった。

【0047】

前述の説明は実施形態の例を示しているが、説明された実施形態のいくつかの特徴及び／または機能は、説明された実施形態の動作の思想及び原理から逸脱しない改良を許容することは了解されるであろう。従って、前述したものは、実施形態の例示であり非限定的であることを意図されており、当業者であれば、添付の特許請求の範囲において規定された実施形態の範囲から逸脱せずにその他の変形及び改良がなされうることを理解するであろう。

【符号の説明】

【0048】

Ｔ トーチ
１０ カソード
１２ パイロット挿入部
１３ パイロットアーク
１５ 長いチューブ状挿入部
１６ アノード
１７、１８、１９ ガス
２０ 主アーク
２１ 第１のスイッチ
２３ 第２のスイッチ
２４ ＤＣ電力供給部
３１ 金属リング
３２ シーリングリング
３３ 絶縁性の材料のリング
３４ 金属リング
３５ シーリングリング
３６ 絶縁性の材料のリング
３７ 金属リング
３８ シーリングリング

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【手続補正書】

【提出日】2023-03-09

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

非移行アークモードで動作するように適合されたガスヒータープラズマトーチであって、
－円筒形のトーチ本体と、
－前記トーチ本体の内部に同軸上に取り付けられた円筒形の後方電極と、
－前記後方電極と同軸上に、前記後方電極の前方に取り付けられた、貫通穴を有する、前記後方電極よりも短いチューブ状のパイロット電極と、
－前記パイロット電極と同軸上に、前記パイロット電極の前方に取り付けられた、貫通穴を有する、前記後方電極及び前記パイロット電極よりも長いチューブ状挿入部と、
－前記チューブ状挿入部と同軸上に、前記チューブ状挿入部の前方に取り付けられた、貫通穴を有する、前記チューブ状挿入部よりも短い前方電極と、
－前記後方電極、前記パイロット電極、前記前方電極及び前記チューブ状挿入部の外側と前記円筒形のトーチ本体の内側との間に取り付けられ、シールされた通路を提供する円筒チューブ状筐体であって、前記トーチの動作時に前記チューブ状挿入部から熱を除去するために前記通路を通して流体冷媒が循環する、円筒チューブ状筐体と、
－前記後方電極と前記パイロット電極との間に提供され、前記後方電極と前記パイロット電極との間のチャンバー内に適切なガスの渦流を発生させるための第１の渦発生器と、
－前記パイロット電極と前記チューブ状挿入部との間に提供され、前記チューブ状挿入部内に適切なガスの渦流を発生させるための第２の渦発生器と、
－前記チューブ状挿入部と前記前方電極との間に提供され、前記前方電極内に適切なガスの渦流を発生させるための第３の渦発生器と、
－前記後方電極と前記前方電極との間に接続され、前記第１及び第２の渦発生器によって提供されたガスの流動を通してアークを維持するための電力供給手段と、
－前記後方電極と前記パイロット電極との間にアーク放電を点火するための手段であって、前記アークが、前記チューブ状挿入部内で、前記前方電極に到達するのに十分長くなるようにする、アーク放電を点火するための手段と、を含み、
前記第３の渦発生器で提供されるガス流動が、前記前方電極からの金属の侵食を均一に分布させ、それによってトーチ寿命を延長するために、前記前方電極の表面におけるアーク発生点を、円運動で前記前方電極の表面上を急速に移動させる、ガスヒータープラズマトーチ。

【外国語明細書】