JP2003326188A

JP2003326188A - 放電破砕装置

Info

Publication number: JP2003326188A
Application number: JP2002132847A
Authority: JP
Inventors: Toru Okazaki; 徹岡崎
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd; Kumagai Gumi Co Ltd; Okumura Engineering Corp
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd; Kumagai Gumi Co Ltd; Okumura Engineering Corp
Priority date: 2002-05-08
Filing date: 2002-05-08
Publication date: 2003-11-18

Abstract

(57)【要約】【課題】大きな破砕力を有する放電破砕装置を提供す
る。【解決手段】放電破砕装置１は、誘導性エネルギ蓄積
回路２０と、誘導性エネルギ蓄積回路２０に接続されて
放電可能な破砕電極１０とを備える。誘導性エネルギ蓄
積回路２０は、第１の放電ギャップとしての破砕電極３
０を含む。破砕電極１０は、破砕電極３０に対して並列
に設けられた第２の放電ギャップである。破砕電極３０
は破砕電極１０より放電しやすい。誘導性エネルギ蓄積
回路２０は、破砕電極３０で放電を発生させた直後に破
砕電極１０で放電を発生させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、放電破砕装置に
関し、特に、放電に伴って発生する圧力波を利用して岩
石などを破壊する放電破砕装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】岩石などを破壊するための従来の放電破
砕装置は、たとえば特開平４−２２２７９４号公報（特
許公報第２９５２０６０号）に開示されている。

【０００３】上記公報に開示された放電破砕装置では、
破砕対象となる岩石に、ドリルなどを用いて予め下穴を
形成する。この下穴の中に水などの電解液を注入する。
この下穴に同軸電極を挿入する。同軸電極で放電を起こ
させることにより、放電した部分の近傍の電解液が放電
エネルギによってプラズマ化することにより、衝撃波
（衝撃圧力）が発生する。この衝撃波により岩石を破壊
する。

【０００４】上記公報に開示された放電破砕装置では、
岩石などの破砕の際には、１マイクロ秒あたり少なくと
も１００ＭＷの割合で、少なくとも５ＧＷのピーク値の
パワーが破砕すべき物質の閉じ込めた領域の電解液の中
に浸漬された同軸電極の２電極間を横切って得られるま
で、電気エネルギを同軸電極に供給する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記公報に開示された
ように、放電破砕装置では、瞬時に大量の電力を破砕電
極に供給する必要がある。通常電気エネルギはコンデン
サに蓄えられており、このコンデンサからケーブルを伝
って破砕電極へエネルギが供給される。作業性を向上さ
せるため、このケーブルの長さは長くなっている。ケー
ブルが長くなると、ケーブルのインダクタンスが大きく
なり、急峻なパルス波を形成できない。そのため、一気
に電気エネルギを破砕電極に供給することが困難である
という問題があった。

【０００６】そこで、この発明は上述のような問題点を
解決するためになされたものであり、短時間で大量の電
気エネルギを電極に供給できる放電破砕装置を提供する
ことを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明に従った放電破
砕装置は、誘導性エネルギ蓄積回路と、誘導性エネルギ
蓄積回路に接続されて放電可能な電極とを備える。

【０００８】このように構成された放電破砕装置では、
誘導性エネルギ蓄積回路は立上がりが速い電流を供給す
ることができる。そのため、誘導エネルギ蓄積回路が電
極に立上がりの速い電流を供給することで、電極に短時
間に大量の電気エネルギを与えることができる。その結
果、破砕能力に優れた放電破砕装置を提供することがで
きる。

【０００９】また好ましくは、誘導性エネルギ蓄積回路
は、第１の放電ギャップを含む。電極は、第１の放電ギ
ャップに対して並列に設けられた第２の放電ギャップを
含む。

【００１０】また好ましくは、第２の放電ギャップは、
互いに直列に接続された複数の放電ギャップを含む。こ
の場合、第２の放電ギャップが複数の放電ギャップを含
むため、複数の放電ギャップの各々の部分で放電が起こ
る。その結果、複数の放電ギャップの各々で破砕対象物
を破砕することができる。

【００１１】また好ましくは、誘導性エネルギ蓄積回路
は、第１の破砕電極を含む。第１の破砕電極は、互いに
直列に接続された複数の放電ギャップにより構成される
第１の放電ギャップを含む。電極は、第２の破砕電極で
ある。第２の破砕電極は、互いに直列に接続された複数
の放電ギャップにより構成される第２の放電ギャップを
含む。

【００１２】この場合、第１の放電ギャップとしての第
１の破砕電極と、第２の放電ギャップとしての第２の破
砕電極とが並列に接続されることにより、第２の放電ギ
ャップに速い立上がりの電流を供給することができる。
その結果、第２の破砕電極での破砕能力を向上させるこ
とができる。

【００１３】また好ましくは、第１の放電ギャップは、
第２の放電ギャップより放電しやすい。この場合、先に
第１の放電ギャップで放電が起こり、その後に速い立上
がりの電流が第２の放電ギャップに供給される。そのた
め、第２の放電ギャップの破砕能力を向上させることが
できる。

【００１４】また好ましくは、誘導性エネルギ蓄積回路
はコンデンサを含む。コンデンサから第１の放電ギャッ
プまでのインダクタンスは、コンデンサから第２の放電
ギャップまでのインダクタンスよりも小さい。この場
合、第１の放電ギャップで放電を発生させた後、第２の
放電ギャップで放電を発生させることができる。

【００１５】また好ましくは、第１の放電ギャップは、
放電により破壊困難な容器に収納される。この場合、第
１の放電ギャップの放電の際に発生する騒音などを防止
することができる。

【００１６】また好ましくは、誘導性エネルギ蓄積回路
は、第１の放電ギャップで放電を発生させた直後に第２
の放電ギャップで放電を発生させる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて、図面を参照して説明する。なお、以下の図面にお
いて同一または相当する部分には同一の参照番号を付
し、その説明は繰返さない。

【００１８】（実施の形態１）図１は、この発明に従っ
た放電破砕装置の模式図である。図１を参照して、この
発明に従った放電破砕装置１は、誘導性エネルギ蓄積回
路２０と、誘導性エネルギ蓄積回路２０に接続されて放
電可能な電極としての破砕電極１０とを備える。誘導性
エネルギ蓄積回路２０は、第１の放電ギャップとしての
破砕電極３０を含む。破砕電極１０は、第１の放電ギャ
ップとしての破砕電極３０に対して並列に設けられた第
２の放電ギャップである。

【００１９】誘導性エネルギ蓄積回路２０は、コンデン
サ２２と、コンデンサ２２に接続されたスイッチ２３
と、スイッチ２３に接続されたコイル２４と、コイル２
４に接続された抵抗２５と、抵抗２５に接続された破砕
電極３０とを備える。これらは直列に接続されている。
なお、コンデンサを充電する電源は、コンデンサと並列
に接続されるが、図１では省略した。以下の図６、１０
および１３でも同様に電源を省略している。

【００２０】破砕電極１０は、岩石などの破砕対象物１
３０に設けられた破砕穴１３１内に挿入される。破砕穴
１３１内には媒体としての水１３２が満たされている。
破砕穴１３１の内部に、破砕電極１０が挿入されてい
る。このとき、破砕電極１０の先端部を水１３２に浸漬
させる。

【００２１】この場合、媒体として一般的に入手が容易
で比較的安価な水１３２を用いることで、放電破砕装置
１のランニングコストを低減できる。なお、媒体として
の水１３２に電解質などを溶解した水溶液やその他の液
体を用いてもよい。破砕電極１０の先端では中心電極１
５が露出している。

【００２２】パルス源としてのコンデンサ２２から破砕
対象物１３０近傍までケーブルを延ばし、破砕対象物１
３０近傍でケーブルが２つ以上に分岐している。分岐さ
せた先には、通常の放電破砕装置と同様に破砕電極１０
および３０が接続されている。回路的には、破砕電極１
０および３０が負荷となり、負荷が２つ並列に接続され
たのと同じ回路となる。

【００２３】この中で、コンデンサ２２としては、たと
えば容量が２０ｋＶ−２ｍＦの大きな容量のものを用い
てエネルギを蓄積させる。スイッチ２３を閉じることに
よりこのエネルギを負荷である破砕電極１０および３０
に転送する。その際、回路のインダクタンスが問題とな
る。

【００２４】図１で、第２の負荷である破砕電極１０を
接続しない状態での放電を考える。数１０ｍのケーブル
を接続した場合、回路全体のインダクタンスを数マイク
ロヘンリー以下にすることは極めて難しい。たとえば、
回路インダクタンスを２マイクロヘンリー、負荷も含め
た回路抵抗を３０ミリオームとした場合の放電波形の計
算値を図２に示す。ピーク電流に達するまで８０μｓ
（マイクロ秒）も必要とする。この値では、無駄になる
エネルギが大きく問題であった。なお、全回路の大きさ
は数１０ｍであり、この程度の大きさであれば回路解析
は集中回路定数で計算しても何ら問題はない。

【００２５】ここで、誘導性エネルギ蓄積回路を用いた
放電破砕技術について検討する。図３および図５は、誘
導性エネルギ蓄積回路を示す回路図である。図４は、誘
導性エネルギ蓄積回路に流れる電流を示すグラフであ
る。図３を参照して、誘導性エネルギ蓄積回路は、電源
２０１と、コイル（インダクタンス）２０２と、スイッ
チ２０３および２０４と、負荷２０５とにより構成され
る。

【００２６】まず初期時には、スイッチ２０３（Ｓ１）
を閉じることにより電流ｉ０を流しておく。図４で示さ
れるように、電流値は時間とともに増大する。電流が大
きくなった時点で図５に示すように、スイッチ２０３を
開き、スイッチ２０４（Ｓ２）を同時に閉じる。する
と、スイッチ２０３を介して流れていた電流はスイッチ
２０４を介して流れ始める。

【００２７】電流ｉ０はたとえばコンデンサの短絡によ
って発生させる。電流ｉは電流ｉ０の転流であり、図４
で示すように、非常に速い立上がりの電流波形となる。
電流の立上がりが速いほど衝撃波発生に優れたシステム
を構築できるため、本発明ではこの原理を適用する。

【００２８】図６は、図１で示す放電破砕装置の回路図
である。図６を参照して、本発明に従った放電破砕装置
１では、破砕電極３０および１０は第１の負荷および第
２の負荷であり、各々がコンデンサとして機能してい
る。電圧が印加される前、すなわち、スイッチ２３が閉
じられる前は、単に、２つのコンデンサにより構成され
る２つのギャップが存在するだけである。これらのギャ
ップとしての破砕電極１０および３０は場合によっては
スイッチの役割を果たし、または負荷の役割を果たす。
ギャップ放電の特性として、放電前は抵抗値が非常に大
きく、実質上スイッチが開いている状態となり、放電開
始後は短絡と同等となる。

【００２９】スイッチ２３が閉じられると、破砕電極１
０および３０の２つの放電ギャップに同時に電圧が印加
され、当初は、どちらのギャップにも同じ電圧が印加さ
れる。ここで、破砕電極３０により構成される放電ギャ
ップが、破砕電極１０により構成される放電ギャップよ
りも放電しやすい条件とすると、破砕電極３０において
放電する。放電前は、破砕電極３０は数ｋΩの抵抗があ
り、放電するとアークが発生しギャップ間抵抗は数ｍΩ
と変化し、主電流が破砕電極３０へと流れ込み、破砕電
極３０で破砕が行なえる。

【００３０】破砕電極３０で発生したアークは電磁力に
より外方向へ押しやられ、やがては破砕電極３０で放電
が維持できなくなり、アークが消える。すなわち、放電
が停止する。このとき、破砕電極３０は開放スイッチと
して働くことになる。この放電停止時には回路電流が流
れており、ケーブルのインダクタンス成分にエネルギが
蓄積された状態となっている。この状態では、誘導性エ
ネルギ蓄積回路と同じ状況である。すなわち、図３およ
び５のスイッチ２０３が破砕電極３０に該当し、図３お
よび５のスイッチ２０４および負荷２０５が図６の破砕
電極１０に該当する。

【００３１】この形式の回路では、非常に速い立上がり
の電流波形を破砕電極１０に提供することができるの
で、破砕電極１０での衝撃波発生効率は非常に高くな
る。すなわち、従来型の破砕力を破砕電極３０で発生さ
せ、その電流が切れる際に破砕電極１０で衝撃波をより
効率よく発生させることができるので、破砕効率を大き
く向上させることができる。

【００３２】なお、図３および５のスイッチ２０３の役
割をする破砕電極３０も、スイッチ２０４の役割をする
破砕電極１０も、いずれも単に放電ギャップであるた
め、耐久性に優れている。また、破砕電極３０では従来
型と同じ破砕力を提供し、破砕電極１０で従来型以上の
破砕力を提供することができるため、エネルギ効率的に
大きく改善することができる。

【００３３】図７は、破砕電極１０の長手方向に沿った
断面図である。図７を参照して、破砕電極１０は、中心
に位置する中心電極１５と、中心電極１５を覆う絶縁体
１６と、絶縁体１６を覆う複数の外周電極１１〜１４と
を有する。中心電極１５は１方向に延びるように形成さ
れており、その外周面を絶縁体１６が覆う。絶縁体１６
の外周面に、外周電極１１〜１４が円筒状に設けられて
おり、外周電極１１〜１４は、それぞれ分割されてい
る。

【００３４】図８は、図７で示す破砕電極の回路図であ
る。図８を参照して、破砕電極１０では、複数の放電ギ
ャップとしてのキャパシタＣ１からＣ４が直列に接続さ
れている。すなわち、第２の放電ギャップとしての破砕
電極１０は、互いに直列に接続された複数の放電ギャッ
プとしてのキャパシタＣ１からＣ４を含む。キャパシタ
Ｃ１は外周電極１１および１２により構成されている。
キャパシタＣ２は外周電極１２および１３により構成さ
れている。キャパシタＣ３は外周電極１３および１４に
より構成されている。キャパシタＣ４は外周電極１４お
よび中心電極１５により構成されている。

【００３５】図９は、破砕電極３０の長手方向に沿った
断面図である。図９を参照して、破砕電極３０は、中心
に位置する中心電極３５と、中心電極３５を覆う絶縁体
３６と、絶縁体３６を覆う複数の外周電極３１〜３４と
を有する。中心電極３５は１方向に延びるように形成さ
れており、その外周面を絶縁体３６が覆う。絶縁体３６
の外周面に、外周電極３１〜３４が円筒状に設けられて
おり、外周電極３１〜３４は、それぞれ分割されてい
る。第１の放電ギャップとしての破砕電極３０は、互い
に直列に接続された複数の放電ギャップにより構成され
る。

【００３６】図１０は、図１で示す放電破砕装置の詳細
な回路図である。図１０を参照して、破砕電極１０は、
複数のキャパシタＣ１からＣ４が直列に接続されて形成
されている。また破砕電極３０は、複数のキャパシタＣ
５からＣ８が直列に接続されて形成される。キャパシタ
Ｃ５は外周電極３１および３２により構成される。キャ
パシタＣ６は外周電極３２および３３により構成され
る。キャパシタＣ７は外周電極３３および３４により構
成される。キャパシタＣ８は外周電極３４および中心電
極３５により構成される。

【００３７】スイッチ２３を閉じると、破砕電極１０の
放電ギャップであるキャパシタＣ１からＣ４で放電が起
こる。その後、破砕電極１０で放電が停止すると、破砕
電極３０の放電ギャップであるキャパシタＣ５からＣ８
で放電が起こる。

【００３８】第１の放電ギャップである破砕電極３０
は、第２の放電ギャップである破砕電極１０より放電し
やすい。誘導性エネルギ蓄積回路２０はコンデンサ２２
を含み、コンデンサ２２から第１の放電ギャップとして
の破砕電極３０までのインダクタンスは、コンデンサ２
２から第２の放電ギャップとしての破砕電極１０までの
インダクタンスよりも大きい。

【００３９】誘導性エネルギ蓄積回路２０は、破砕電極
３０で放電を発生させた直後に破砕電極１０で放電を発
生させる。

【００４０】図３および図５で示す誘導性エネルギ蓄積
回路を解析した結果を以下に示す。図１１は、解析に用
いた誘導性エネルギ蓄積回路の回路図を示し、図１２は
誘導性エネルギ蓄積回路の放電電流波形を示す。図１１
を参照して、誘導性エネルギ蓄積回路１００はキャパシ
タ１０１と、コイル１０２と、メインスイッチとしての
スイッチ１０３と、抵抗１０５および１０７と、スイッ
チ１０４と、コイル１０６とを含む。

【００４１】時刻０からｔ１まではスイッチ１０３を閉
じ、スイッチ１０４を閉じておく。時刻ｔ１でスイッチ
１０４を開く。すなわち、アークが消失すると、その消
失する速さに従って抵抗１０７（ＲＬ）に電流が流れ
る。スイッチ１０４に流れる電流も破砕に利用する。一
般に速い電力投入により高い衝撃波発生効率が得られる
ため、抵抗１０７での電力投入は、破砕能力を大いにア
ップさせる。なお、抵抗１０７は破砕電極１０に該当
し、抵抗１０５とスイッチ１０４が破砕電極３０に該当
する。

【００４２】なお、破砕電極３０を挿入するための、破
砕対象物の穴を省略する方法も考えられる。たとえば、
破砕電極３０を図１３で示す、放電により破砕困難な容
器３９（例えば金属箱）に収納する。破砕電極１０の状
況に関わらず、破砕電極３０が開放スイッチとして動作
しさえすればよいため、特に破砕対象物に穴を設けなく
ても破砕電極１０は誘導性エネルギ蓄積回路に即した破
砕力を得ることができる。破砕対象物に予め穴を空ける
ことは、状況によってはコスト高となるため、破砕電極
３０用の穴の作製が不要となるが、施工現場の状況によ
ってコストを低下させることができる。

【００４３】なお、破砕電極１０でもアークは電磁力に
よって広がり、やがてはアークは消失する。その際、他
の負荷としての破砕電極（図示せず）を誘導性エネルギ
蓄積回路２０に接続すれば、この列の破砕電極でも放電
し、さらなる破砕力の増加が考えられる。破砕電極１０
でのアーク消失時には、再度、破砕電極３０でアークが
点灯する可能性もあり、放電条件の設定には注意が必要
である。

【００４４】なお、上述の実施の形態では破砕電極３０
と破砕電極１０とでは、破砕電極３０をより放電しやす
い条件としたが、同じものを用いてもよい。いずれにし
ても、破砕電極１０および３０のどちらかが先に放電を
開始して開放スイッチとしての役割を果たし得る。この
場合は、破砕電極１０または３０のどちらかが大きな破
砕力を出せるかが不確定となる。その欠点を補うために
は、同じギャップ条件とするが、電気回路の分岐点から
破砕電極１０へ向かう回路中にインダクタンス成分を導
入することが考えられる。インダクタンス成分として
は、最も簡単なものとしてケーブルを長くすることが考
えられる。この場合には、破砕電極３０の方が放電開始
しやすい条件となるため、必ず破砕電極３０から放電が
開始される。

【００４５】今回開示された実施の形態はすべての点で
例示であって制限的なものではないと考えられるべきで
ある。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求
の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味お
よび範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。

【００４６】

【発明の効果】この発明に従えば、大きな破砕力を有す
る放電破砕装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に従った破砕電極の模式図である。

【図２】破砕電極３０を接続しない破砕装置での放電
波形を示すグラフである。

【図３】誘導性エネルギ蓄積回路を示す回路図であ
る。

【図４】誘導性エネルギ蓄積回路に流れる電流を示す
グラフである。

【図５】誘導性エネルギ蓄積回路の回路図である。

【図６】図１で示す放電破砕装置の回路図である。

【図７】破砕電極１０の長手方向に沿った断面図であ
る。

【図８】図７で示す破砕電極の回路図である。

【図９】破砕電極３０の長手方向に沿った断面図であ
る。

【図１０】図１で示す放電破砕装置の詳細な回路図で
ある。

【図１１】解析に用いた誘導性エネルギ蓄積回路の回
路図である。

【図１２】誘導性エネルギ蓄積回路の放電電流波形を
示すグラフである。

【図１３】別の局面に従った放電破砕装置の模式図で
ある。

【符号の説明】

１放電破砕装置、１０，３０破砕電極、２０誘導
性エネルギ蓄積回路、２２コンデンサ、２３スイッ
チ、２４コイル、２５抵抗。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岡崎徹大阪市此花区島屋一丁目１番３号住友電気工業株式会社大阪製作所内Ｆターム(参考） 2D065 EA26 4D067 CG06 GA02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】誘導性エネルギ蓄積回路と、前記誘導性エネルギ蓄積回路に接続されて放電可能な電
極とを備えた、放電破砕装置。
【請求項２】前記誘導性エネルギ蓄積回路は、第１の
放電ギャップを含み、前記電極は、前記第１の放電ギャ
ップに対して並列に設けられた第２の放電ギャップを含
む、請求項１に記載の放電破砕装置。
【請求項３】前記第２の放電ギャップは、互いに直列
に接続された複数の放電ギャップを含む、請求項２に記
載の放電破砕装置。
【請求項４】前記誘導性エネルギ蓄積回路は、第１の
破砕電極を含み、前記第１の破砕電極は、互いに直列に
接続された複数の放電ギャップにより構成される前記第
１の放電ギャップを含み、前記電極は、第２の破砕電極であり、前記第２の破砕電
極は、互いに直列に接続された複数の放電ギャップによ
り構成される前記第２の放電ギャップを含む、請求項２
または３に記載の放電破砕装置。
【請求項５】前記第１の放電ギャップは、前記第２の
放電ギャップより放電しやすい、請求項２から４のいず
れか１項に記載の放電破砕装置。
【請求項６】前記誘導性エネルギ蓄積回路はコンデン
サを含み、前記コンデンサから前記第１の放電ギャップ
までのインダクタンスは、前記コンデンサから前記第２
の放電ギャップまでのインダクタンスよりも小さい、請
求項２から５のいずれか１項に記載の放電破砕装置。
【請求項７】前記第１の放電ギャップは、放電により
破壊困難な容器に収納される、請求項２から６のいずれ
か１項に記載の放電破砕装置。
【請求項８】前記誘導性エネルギ蓄積回路は、前記第
１の放電ギャップで放電を発生させた後に前記第２の放
電ギャップで放電を発生させる、請求項２から７のいず
れか１項に記載の放電破砕装置。