JP2020123586A - 高出力dc非転移蒸気プラズマトーチシステム - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2013年2月15日に出願された米国仮出願第61/765,518号(現在係属中)の優先権を主張するものであり、当該米国仮出願は、この引用によって本明細書中に組み込まれる。
・(効果的な反応のために)プラズマプルーム中に反応性のH+およびOH−イオンに富む非常にイオン化されたガスを得るためのプラズマアークへの直接的な蒸気の注入
・可動部品および/またはトーチ点火のための外部高周波エネルギー源を必要としないボタン型カソードデザインの使用(それによってより簡素なデザインが得られる)
・筒状点火電極と筒状アノードとの間に注入された蒸気と、ボタン型カソード、筒状点火電極および筒状アノードの使用(これは電極の架橋現象を防止する機能をもたらす)
・反応性のH+およびOH−イオンの生成を最大化する、注入蒸気の高度のイオン化を伴う蒸気プラズマプルーム
・電極上での凝縮蒸気といった激しい電極腐食の主な原因を軽減することにより、数百時間のオーダーの電極寿命を持つ蒸気プラズマトーチ。過熱蒸気はメインプラズマ生成ガスとして使用される。過熱蒸気は、短い金属チューブを介してプラズマプルーム内に直接注入される。この設計は、プラズマプルームに到達する前の蒸気の凝縮のリスクを抑止するか妨げ、したがって、より軽度な電極の腐食を実現する。さらに、過熱蒸気は、接線方向に穿たれた孔を有することができる渦を通って流れる。この設計は、電極の腐食を最小限に抑える高速ガススワールを生じる。従来技術のプラズマトーチ設計はプラズマトーチに点火するために電極動作システムあるいは高周波パルスのいずれかを使用する。すなわちプラズマトーチ電極は短絡させられ、その後、アークを点火するために動作システムを用いて分離させられるか、あるいは高周波、高電圧、低電流パルスがプラズマ生成雰囲気を創出するために電極間に注入される。本システムでは、プラズマトーチは、プラズマトーチアセンブリの外部に収容されかつ電極動作システムを必要としない点火接触器を用いて点火される。
1.取り付けフランジ17を備えたステンレススチールプラズマトーチハウジング9と、
2.三つのトーチ電極、すなわち、
・La2O3、Y2O3、CeO2、ZrO2、ThO2およびMgOといった希土類酸化物をドープしたハフニウムあるいはタングステンなどの電子放出材料のロッドから機械加工された円錐形のカソード10(このロッドは、通常、真空鋳造銅に埋め込まれる)と、
・通常は銅から機械加工される筒状の点火電極11と、
・通常は銅から機械加工される筒状のアノード12と、
3.カソード10の周囲にガスシュラウドを形成するために接線方向に穿たれた孔を備える、Macor(商標)などの高温セラミックから機械加工された、後方カソード10と点火電極11との間に設けられたシュラウド/点火ガス渦発生器と、
4.点火電極11とアノード12との間に注入される補助プラズマ生成ガス用のガス渦を形成するために接線方向に穿たれた孔を備える、ステンレススチールから機械加工された、点火電極11の前方に設けられた補助ガス渦発生器14と、
5.アノード12の後方に取り付けられた蒸気プラズマ生成ガス用のガス渦を形成するための接線方向に穿たれた孔を備える、ステンレススチールから機械加工された、蒸気渦発生器16およびその適所において蒸気渦発生器16を保持するための水冷ステンレススチールハウジングを備える水冷蒸気渦発生器アセンブリ15と、
6.プラズマトーチアセンブリ1の長さ方向に沿った冷却水流チャネル50,52,53,54およびガス流チャネル51と、
を具備する。
条項1.高出力DC非転移プラズマトーチシステムであって、
例えばステンレススチールハウジング内に収容されたプラズマトーチアセンブリと、
冷却スキッドと、
蒸気スキッドと、
DCプラズマ電源と、
ガス流量制御キャビネットと、
点火制御キャビネットと、
前記システム用のプログラム可能なロジックコントローラを備えた制御キャビネットと、
トーチ点火シーケンスと、
トーチ制御シーケンスと、
人間機械インターフェイスと、
を具備するプラズマトーチシステム。
条項2.前記システムは、30kWないし150kW総出力(電気)の広範な作動ウインドウにおいて安定した作動条件で作動するよう構成される、条項1に記載のプラズマトーチシステム。
条項3.前記システムは、安定した作動のための補助プラズマ生成ガスを使用することなく、唯一のメインプラズマ生成ガスとして、200℃および30psi(ゲージ)の過熱蒸気を用いて作動するよう構成される、条項1または条項2に記載のプラズマトーチシステム。
条項4.供給チューブ内での蒸気凝縮を回避しながらプラズマプルームに過熱蒸気を注入するために、絶縁過熱蒸気注入チューブを備えた水冷渦発生器アセンブリを含む、条項1ないし条項3のいずれか1項に記載のプラズマトーチシステム。
条項5.前記システムは、蒸気プラズマプルームを安定化するために渦発生器のみを使用するよう構成され、かつ、前記プラズマプルームを安定化するために外的印加磁場を必要としない、条項1ないし条項4のいずれか1項に記載のプラズマトーチシステム。
条項6.プラズマトーチに点火するために自動点火シーケンスを利用する、条項1に記載のプラズマトーチシステム。
条項7.前記システムは、プラズマトーチに点火するために、DCプラズマ電源と、点火接触器と、近接離間カソード‐点火電極アセンブリとの組み合わせを利用するよう構成される、条項1または条項6に記載のプラズマトーチシステム。
条項8.前記システムは、プラズマトーチハウジング内でプラズマアークに点火するのに十分な開回路電圧を備えた前記DCプラズマトーチ電源を使用するよう構成され、これによってプラズマトーチに点火するための外部電源/デバイスが排除された、条項1、条項6および条項7のいずれか1項に記載のプラズマトーチシステム。
条項9.前記システムは、プラズマトーチに点火するために前記プラズマトーチアセンブリの外部に配置された点火接触器を使用するよう構成され、これによってプラズマトーチハウジング内の可動パーツが排除される、条項1、条項7および条項8のいずれか1項に記載のプラズマトーチシステム。
条項10.前記システムは、閉ループ内を循環すると共に膜沸騰を回避しながら前記プラズマトーチアセンブリの冷却チャンネル内を高い線速度で移動する室温高圧脱イオン水を利用するよう構成される、条項1に記載のプラズマトーチシステム。
条項11.前記システムはシュラウドガスとしてアルゴンを用いて作動するよう構成され、これによって大気汚染物質窒素酸化物NOxの生成の可能性が低減される、条項1に記載のプラズマトーチシステム。
条項12.前記システムは、前記プラズマトーチアセンブリ内の水およびガスチャネルを冷却するためにポリエーテルイミドからなる耐熱プラスチックを、そして冷却水およびガスチャネルをシールするために合成ゴムからなる耐熱シーリングリングを利用する、条項1に記載のプラズマトーチシステム。
条項13.プラズマトーチシステムであって、
プラズマトーチアセンブリと、
前記プラズマトーチアセンブリ用の冷却システムと、
前記プラズマトーチアセンブリ用の蒸気システムと、
プラズマ電源と、
ガス流量制御システムと、
点火制御システムと、
前記プラズマトーチシステムのためのコントローラと、
を備えた、プラズマトーチシステム。
条項14.前記システムは、約30kWないし150kW総出力(電気)の範囲において作動するよう構成される、条項13に記載のプラズマトーチシステム。
条項15.前記システムは、過熱蒸気を用いて作動するよう構成される、条項13または条項14に記載のプラズマトーチシステム。
条項16.前記過熱蒸気は200℃および30psi(ゲージ)である、条項15に記載のプラズマトーチシステム。
条項17.前記過熱蒸気は、例えば補助プラズマ生成ガスを必要とせずに、前記システムにおいて使用される唯一のメインプラズマ生成ガスである、条項15または条項16に記載のプラズマトーチシステム。
条項18.プラズマプルームに過熱蒸気を注入するための蒸気渦発生器アセンブリをさらに含む、条項13ないし条項17のいずれか1項に記載のプラズマトーチシステム。
条項19.前記蒸気渦発生器アセンブリは水冷式である、条項18に記載のプラズマトーチシステム。
条項20.前記蒸気渦発生器アセンブリは絶縁過熱蒸気注入チューブを含む、条項18または条項19に記載のプラズマトーチシステム。
条項21.蒸気プラズマプルームを安定化するために渦発生器をさらに含む、条項13ないし条項20のいずれか1項に記載のプラズマトーチシステム。
条項22.前記システムは、プラズマプルームを安定化するために外部印加磁場が排除される、条項21に記載のプラズマトーチシステム。
条項23.前記プラズマトーチアセンブリを点火するために自動点火シーケンスが提供される、条項13ないし条項22のいずれか1項に記載のプラズマトーチシステム。
条項24.前記プラズマトーチアセンブリに点火するために、プラズマ電源と、点火接触器と、近接離間カソード‐点火電極アセンブリとの組み合わせが利用される、条項13ないし条項23のいずれか1項に記載のプラズマトーチシステム。
条項25.前記プラズマ電源はDCプラズマ電源を含む、条項13ないし条項24のいずれか1項に記載のプラズマトーチシステム。
条項26.前記DCプラズマ電源と、点火接触器と、近接離間カソード‐点火電極アセンブリとの組み合わせが前記プラズマトーチアセンブリに点火するために利用される、条項25に記載のプラズマトーチシステム。
条項27.前記システムは、前記プラズマトーチアセンブリ内でプラズマアークに点火するのに十分な開回路電圧を備えた前記DCプラズマ電源を使用するよう構成され、これによって前記プラズマトーチアセンブリに点火するために外部電源/デバイスが必要とされない、条項25または条項26に記載のプラズマトーチシステム。
条項28.前記プラズマトーチアセンブリの外部に配置された点火接触器がプラズマトーチに点火するために設けられる、条項13ないし条項27のいずれか1項に記載のプラズマトーチシステム。
条項29.前記点火制御システムは前記点火接触器を含む、条項28に記載のプラズマトーチシステム。
条項30.前記点火制御システムは、点火および電力統合制御キャビネットを含み、このキャビネットはトーチ点火接触器および水‐電力マニホールドを収容する、条項29に記載のプラズマトーチシステム。
条項31.前記冷却システムは、前記プラズマトーチアセンブリ内に設けられた冷却チャネルを含み、かつ、閉ループ内を循環すると共に前記冷却チャンネル内を高い線速度で移動する室温高圧脱イオン水を利用するよう構成される、条項13ないし条項30のいずれか1項に記載のプラズマトーチシステム。
条項32.前記システムはシュラウドガスとしてアルゴンを用いて作動するよう構成され、これによって大気汚染物質窒素酸化物NOxの生成の可能性が低減される、条項13ないし条項31のいずれか1項に記載のプラズマトーチシステム。
条項33.前記プラズマトーチアセンブリの冷却水チャネルおよびガスチャネルは、ポリエーテルイミドからなる耐熱プラスチックからなる、条項13ないし条項32のいずれか1項に記載のプラズマトーチシステム。
条項34.冷却水およびガスチャネルをシールするために、合成ゴムからなる耐熱シーリングリングが設けられる、条項33に記載のプラズマトーチシステム。
条項35.前記プラズマトーチアセンブリはステンレススチールハウジング内に収容される、条項13ないし条項34のいずれか1項に記載のプラズマトーチシステム。
条項36.前記冷却システムは冷却スキッドを含む、条項13ないし条項35のいずれか1項に記載のプラズマトーチシステム。
条項37.前記蒸気システムは蒸気スキッドを含む、条項13ないし条項36のいずれか1項に記載のプラズマトーチシステム。
条項38.前記ガス流量制御システムはガス流量制御キャビネットを備える、条項13ないし条項37のいずれか1項に記載のプラズマトーチシステム。
条項39.前記点火制御システムは点火制御キャビネットを備える、条項13ないし条項38のいずれか1項に記載のプラズマトーチシステム。
条項40.前記プラズマトーチシステム用のコントローラは制御キャビネットを備える、条項13ないし条項39のいずれか1項に記載のプラズマトーチシステム。
条項41.前記プラズマトーチシステム用のコントローラは、前記システム用のプログラ可能なロジックコントローラを備える、条項13ないし条項40のいずれか1項に記載のプラズマトーチシステム。
条項42.オペレータが、通信し、かつ/または、ガス流量、蒸気流量およびトーチパワーといったシステムパラメーターを制御することを可能にするための人間機械インターフェイスをさらに備える、条項13ないし条項41のいずれか1項に記載のプラズマトーチシステム。
条項43.トーチ点火シーケンスおよびトーチ制御シーケンスをさらに備える、条項13ないし条項42のいずれか1項に記載のプラズマトーチシステム。
条項44.前記プラズマトーチアセンブリは、このプラズマトーチアセンブリに点火するための電極アセンブリを備え、この電極アセンブリは、円錐形カソード、筒状点火電極および筒状アノードを含む、条項13ないし条項43のいずれか1項に記載のプラズマトーチシステム。
条項45.前記プラズマトーチアセンブリは、前記円錐形カソードと点火電極との間に設けられたシュラウド/点火ガス渦発生器を備える、条項44に記載のプラズマトーチシステム。
条項46.前記シュラウド/点火ガス渦発生器は、前記円錐形カソードの周りにガスシュラウドを形成するために接線方向に穿たれた孔を備える、条項45に記載のプラズマトーチシステム。
条項47.前記プラズマトーチアセンブリは、点火電極の前方に取り付けられた、補助ガス渦発生器を備える、条項44ないし条項46のいずれか1項に記載のプラズマトーチシステム。
条項48.前記補助ガス渦発生器は、前記点火電極と前記筒状アノードとの間に注入される補助プラズマ生成ガスのためのガス渦を形成するために接線方向に穿たれた孔を備える、条項47に記載のプラズマトーチシステム。
条項49.前記プラズマトーチアセンブリは、蒸気渦発生器を備える水冷蒸気渦発生器アセンブリを備える、条項44ないし条項48のいずれか1項に記載のプラズマトーチシステム。
条項50.前記蒸気渦発生器は、前記筒状アノードの後方に設けられる、条項49に記載のプラズマトーチシステム。
条項51.前記蒸気渦発生器は、蒸気プラズマ生成ガスのためのガス渦を形成するために接線方向に穿たれた孔を備える、条項49または条項50に記載のプラズマトーチシステム。
条項52.水冷ステンレススチールハウジングが、その適所にて前記蒸気渦発生器を保持するために設けられる、条項49ないし条項51のいずれか1項に記載のプラズマトーチシステム。
条項53.前記プラズマトーチアセンブリは、冷却水流チャネルおよびガス流チャネルを備える、条項44ないし条項52のいずれか1項に記載のプラズマトーチシステム。
条項54.前記円錐形カソードはボタン型カソードである、条項44ないし条項53のいずれか1項に記載のプラズマトーチシステム。
条項55.蒸気は、前記筒状点火電極と前記筒状アノードとの間に注入されるよう構成される、条項44ないし条項54のいずれか1項に記載のプラズマトーチシステム。
条項56.過熱蒸気はプラズマプルーム内に直接注入されるよう構成される、条項44ないし条項55のいずれか1項に記載のプラズマトーチシステム。
条項57.前記過熱蒸気は、水冷蒸気渦発生器アセンブリを用いて前記プラズマプルーム内に直接注入されるよう構成される、条項56に記載のプラズマトーチシステム。
条項58.前記水冷蒸気渦発生器アセンブリは蒸気渦発生器および供給チューブを含み、入口過熱蒸気は、前記供給チューブを経て前記蒸気渦発生器に到達するように流れる、条項57に記載のプラズマトーチシステム。
条項59.プラズマトーチアセンブリであって、
前記プラズマトーチアセンブリに点火するための電極アセンブリと、
ガス供給システムと、
冷却システムと、
プラズマプルーム内に直接蒸気を注入するよう構成された蒸気供給システムと、
を備える、プラズマトーチアセンブリ。
条項60.前記プラズマトーチアセンブリは、約30kWないし150kW総出力(電気)の範囲において作動するよう構成される、条項59に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項61.前記プラズマトーチアセンブリは過熱蒸気を用いて作動するよう構成される、条項59または条項60に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項62.前記過熱蒸気は200℃および30psi(ゲージ)である、条項61に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項63.前記過熱蒸気は、例えば補助プラズマ生成ガスを必要とせずに、前記プラズマトーチアセンブリにおいて使用される唯一のメインプラズマ生成ガスである、条項61または条項62に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項64.前記蒸気供給システムは、プラズマプルームに過熱蒸気を注入するための蒸気渦発生器アセンブリを含む、条項59ないし条項62のいずれか1項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項65.前記蒸気渦発生器アセンブリは水冷式である、条項64に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項66.前記蒸気渦発生器アセンブリは、絶縁過熱蒸気注入チューブを含む、条項64または条項65に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項67.蒸気プラズマプルームを安定化するために渦発生器をさらに含む、条項59ないし条項66のいずれか1項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項68.前記プラズマトーチアセンブリを点火するために自動点火シーケンスが提供される、条項59ないし条項67のいずれか1項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項69.前記冷却システムは、前記プラズマトーチアセンブリ内に設けられた冷却チャネルを含むと共に、閉ループ内を循環すると共に前記冷却チャンネル内を高い線速度で移動する室温高圧脱イオン水を利用するよう構成される、条項59ないし条項68のいずれか1項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項70.前記プラズマトーチアセンブリはシュラウドガスとしてアルゴンを用いて作動するよう構成され、これによって大気汚染物質窒素酸化物NOxの生成の可能性が低減される、条項59ないし条項69のいずれか1項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項71.前記プラズマトーチアセンブリの冷却水チャネルおよびガスチャネルは、ポリエーテルイミドからなる耐熱プラスチックからなる、条項59ないし条項70のいずれか1項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項72.冷却水およびガスチャネルをシールするために、合成ゴムからなる耐熱シーリングリングが設けられた、条項71に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項73.前記プラズマトーチアセンブリはステンレススチールハウジングを含む、条項59ないし条項72のいずれか1項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項74.前記冷却システムは冷却スキッドを含む、条項59ないし条項73のいずれか1項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項75.蒸気システムは蒸気スキッドを含む、条項59ないし条項74のいずれか1項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項76.トーチ点火シーケンスおよびトーチ制御シーケンスをさらに備える、条項59ないし条項75のいずれか1項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項77.前記プラズマトーチアセンブリに点火するための前記電極アセンブリは、円錐形カソード、筒状点火電極および筒状アノードを含む、条項59ないし条項76のいずれか1項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項78.前記円錐形カソードと点火電極との間に設けられたシュラウド/点火ガス渦発生器をさらに備える、条項77に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項79.前記シュラウド/点火ガス渦発生器は、前記円錐形カソードの周りにガスシュラウドを形成するために接線方向に穿たれた孔を備える、条項78に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項80.点火電極の前方に設けられた補助ガス渦発生器をさらに備える、条項77ないし条項79のいずれか1項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項81.前記補助ガス渦発生器は、前記点火電極と前記筒状アノードとの間に注入される補助プラズマ生成ガスのためのガス渦を形成するために接線方向に穿たれた孔を備える、条項80に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項82.蒸気渦発生器を備える水冷蒸気渦発生器アセンブリをさらに備える、条項77ないし条項81のいずれか1項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項83.前記蒸気渦発生器は、前記筒状アノードの後方に設けられる、条項82に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項84.前記蒸気渦発生器は、蒸気プラズマ生成ガスのためのガス渦を形成するために接線方向に穿たれた孔を備える、条項82または条項83に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項85.水冷ステンレススチールハウジングが、その適所にて前記蒸気渦発生器を保持するために設けられる、条項82ないし条項84のいずれか1項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項86.冷却水流チャネルおよびガス流チャネルをさらに備える、条項77ないし条項85のいずれか1項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項87.前記円錐形カソードはボタン型カソードである、条項77ないし条項85のいずれか1項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項88.蒸気は、前記筒状点火電極と前記筒状アノードとの間に注入されるよう構成される、条項77ないし条項87のいずれか1項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項89.過熱蒸気は前記プラズマプルーム内に直接注入されるよう構成される、条項77ないし条項88のいずれか1項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項90.前記過熱蒸気は、水冷蒸気渦発生器アセンブリを用いて前記プラズマプルーム内に直接注入されるよう構成される、条項89に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項91.前記水冷蒸気渦発生器アセンブリは蒸気渦発生器および供給チューブを含み、入口過熱蒸気は、前記供給チューブを経て前記蒸気渦発生器に到達するように流れる、条項90に記載のプラズマトーチアセンブリ。
2 閉ループ冷却スキッド
3 蒸気スキッド
4 プラズマ電源
5 ガス流量制御キャビネット
6 点火および電力統合制御キャビネット
7 制御キャビネット
8 人間機械インターフェイス
9 プラズマトーチハウジング
10 カソード
11 点火電極
12 アノード
13 渦発生器
14 補助ガス渦発生器
15 水冷蒸気渦発生器アセンブリ
16 蒸気渦発生器
17 フランジ
18 カソードベース
19 カソードホルダー
20 カソードマニホールド
21 点火チューブ
22 点火プラグ
23 シュラウドチューブ
24 補助ガスポート
25 セラミック絶縁蒸気供給チューブ
26 アノードアセンブリ
27 高アルミナセラミックリング
28 冷却水出口ポート
39 冷却水
41 電力ホース
42 ホース
43 点火ガス
44 アルゴン
45 補助ガス
46 過熱蒸気
47 点火ケーブル
48x 正ケーブル
48y 負ケーブル
49 通信ネットワークケーブル
50 カソード冷却チャネル
51 ガス流チャネル
52 点火電極冷却チャネル
53 冷却チャネル
54 水冷チャネル
55 点火ガス流チャネル
56 蒸気プラズマアーク
Claims (1)
- 高出力DC非転移プラズマトーチシステムであって、
例えばステンレススチールハウジング内に収容されたプラズマトーチアセンブリと、
冷却スキッドと、
蒸気スキッドと、
DCプラズマ電源と、
ガス流量制御キャビネットと、
点火制御キャビネットと、
前記システム用のプログラム可能なロジックコントローラを備えた制御キャビネットと、
トーチ点火シーケンスと、
トーチ制御シーケンスと、
人間機械インターフェイスと、
を具備するプラズマトーチシステム。
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