JP2929133B2 - プラズマ炎噴霧方法及び装置 - Google Patents

プラズマ炎噴霧方法及び装置

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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) この発明は、極めて高温でかつ高速のプラズマ炎を形
成させるためのプラズマ炎噴霧方法及び装置に関する。
この発明に係る方法及び装置は、金属等の物体の熱処
理や、金属、セラミックス等の被処理物への溶射、被処
理物の切断、溶接、あるいは各種廃棄物の脱水、粉砕、
分解処理等に有効である。
(従来技術) 電気エネルギーを熱源とするプラズマ炎は、高温状態
(2500〜9000℃)を形成できるため、高融点の金属やセ
ラミックス等の粒子を溶融させるのに充分な温度は得ら
れるが、ガス流はそれほど速くない。従来のプラズマ炎
におけるガス流は400〜600m/秒程度である。
このため、ガス流内を飛行する粒子速度が上がらず、
基材に対する強い衝突力を得て皮膜粒子の密着性を高め
ることができない。
米国特許第4,370,538号公報には超高速二重流金属炎
噴霧のための方法と装置とが記載されている。この特許
の方法と装置はアルゴン、ヘリウム、窒素等の不活性ガ
スのプラズマアークによって形成された第1流と、高圧
下の内部バーナ装置内で空気/燃料の燃焼によって形成
された第2流との組合わせによって構成されている。第
1流は比較的低速ではあるが高温状態をつくりだし、第
2流は超高速の噴流をつくりだす。このものは第1流を
取り囲むようにして第2流を送り込む構成を採ることに
より、第1流によって溶融した粒子を第2流によって加
速するようになっている。
この従来の方法と装置に記載されるように、まず、プ
ラズマ炎を形成し、このプラズマ炎内で粒子を溶融させ
た後に、別のプロセスよって形成された燃焼炎によって
粒子を加速させることは知られている。
(発明が解決しようとする課題) この発明は、上記方法とは異なり、従来のプラズマ炎
の形成に使用されていた不活性ガスを使用せず、液体も
しくは気体燃料を内部ガス化させたものをプラズマ炎の
形成ガスとして利用し、さらに燃焼炎を形成させること
によって高温でかつ高速流のプラズマ炎を効率的に形成
させるためのプラズマ炎噴霧方法及び装置を提供しよう
とするものである。
(課題を解決するための手段) すなわち、この発明に係るプラズマ炎噴霧方法は、プ
ラズマアークを発生させる経路内に液体もしくは気体燃
料を導入し、導入した燃料を電気プラズマ化して燃料ガ
スプラズマを形成させるとともに、これに酸素もしくは
圧縮空気を混合して燃焼させることを特徴としている。
又、この発明に係る装置は、プラズマアークを発生さ
せるための電極及び通路を有するトーチ本体と、前記ト
ーチ本体の通路内に液体もしくは気体燃料を導入するた
めの導入手段と、前記トーチ本体の通路内に酸素もしく
は圧縮空気を供給するための供給手段と、前記トーチ本
体の通路に形成され、液体もしくは気体燃料を電気プラ
ズマ化して形成される燃料ガスプラズマに酸素もしくは
圧縮空気を混合して燃焼させるための燃焼室と、を備え
たことを特徴としている。
更に、この発明に係る装置は、液体もしくは気体燃料
を電気プラズマ化するためのプラズマアークの発生を燃
焼室内で行うように構成したことを特徴としている。
この発明に係る方法及び装置の特徴は、液体もしくは
気体燃料を内部ガス化させたものを直接プラズマ炎の形
成ガスとしていることである。
すなわち、燃料ガスを直接プラズマ炎の形成ガスと
し、これに酸素もしくは空気を混合してプラズマ炎の形
成過程の中に燃焼状態を発現させようとするものであ
る。これにより、本来プラズマ炎がもつ熱エネルギーに
燃焼による膨張エネルギーを合わせもったプラズマ炎を
形成することができる。この場合において、燃焼は高
温、高圧の環境下で行なわれるので、臨界膨張よりはる
かるかに大きなガス膨張が生ずる。この膨張エネルギー
は、従来得られなかった高速流のプラズマ炎を形成す
る。
かかる方法及び装置にあってはプラズマ炎の形成と燃
焼炎の形成とを同一のプロスセ内で行なわせることがで
き、高温でかつ高速流のプラズマ炎を効率的に形成させ
ることができる。
なお、本発明に係る方法では、液体もしくは気体燃料
を電気プラズマ化して燃料ガスプラズマを形成させると
ともに、これに酸素もしくは圧縮空気を混合して燃焼さ
せたものを、さらに電気プラズマ化する等、電気プラズ
マ化の工程と燃焼の工程とが繰り返し行われる場合を含
み、また、同時に行われる場合を含んでいる。
気体燃料の電気プラズマ化はその分子分解とイオン化
によって行われ、液体燃料の電気プラズマ化は液体から
気体に気化し、気化した燃料の分子分解とイオン化によ
って行なわれる。この場合、液体燃料の気化は電気プラ
ズマ化により発生する熱によって助長される。
気体燃料には、アセチレン、プロパン、プロピレン、
ブタン、天然ガス、石炭ガス等があげられる。また、液
体燃料には、ガソリン、ケロシン、軽油、アルコール、
油脂等があげられる。これらのうち、アセチレンは高温
で完全燃焼するので還元雰囲気のプラズマ炎を形成する
ことができ、プロピレンは他の炭化水素系の気体燃料に
比べ蒸気圧が高く取り扱いやすい。また、プロパン、天
然ガスは比較的安価であるので手軽に使用することがで
きる。ケロシンもまた安価であり入手が容易で取扱いに
も便利である。
この発明に係る装置の基本的な構成は、プラズマアー
クを発生させるための電極及び通路を有するトーチ本体
と、前記トーチ本体の通路内に液体もしくは気体燃料を
導入するための導入手段と、前記トーチ本体の通路内に
酸素もしくは圧縮空気を供給するための供給手段と、前
記トーチ本体の通路に形成され、液体もしくは気体燃料
を電気プラズマ化して形成される燃料ガスプラズマと酸
素もしくは圧縮空気とを混合して燃焼させるための燃焼
室とを備えていることである。
このような装置は第1図〜第4図の概要図に示すよう
な形態の装置として具体化される。
第1図において、トーチ本体は全体が筒状に形成さ
れ、内部にプラズマ炎を発生させる通路(10)が形成さ
れている。通路(10)の一端にはタングステン等の導電
性部材からなる陰極(11)が設けられている。その陰極
(11)の周囲には通路(10)の一部を構成するように筒
状に作製された導電性部材からなる陽極(12)が設けら
れている。陰極(11)と陽極(12)との間には絶縁性部
材(13)を介在させている。また、これら陰極(11)、
陽極(12)にはこれらを冷却するための冷却水路(14)
(15)が設けられている。
陽極(12)の先端通路口は狭く形成されており、この
先端通路口と陰極(11)の間に形成される空間部(第1
チャンバー)(16)には液体もしくは気体燃料を導入す
る導入口(17)が設けられている。導入口(17)へは、
図示しないがタンク内に充填された液体もしくは気体燃
料の供給管が流量計、制御バルブ等を介して接続されて
いる。
陽極(12)の先端通路口より前方には液体もしくは気
体燃料の電気プラズマ化された燃料ガスプラズマを燃焼
させる燃焼室として、さらに別の空間部(第2チャンバ
ー)(18)が設けられている。
この第2チャンバー(18)は燃料ガスプラズマを燃焼
させるための酸素もしくは圧縮空気が供給されるように
なっており、その供給口(19)が第1チャンバー(16)
と第2チャンバー(18)との間の通路(10)内及び第2
チャンバー(18)内に臨むように設けられている。供給
口(19)へは、図示しないがタンク内に充填された酸素
もしくは圧縮空気を供給する供給管が流量計、制御バル
ブ等を介して接続されている。これら供給口(19)から
の酸素もしくは圧縮空気の供給状態によって第2チャン
バー(18)内における燃料ガスプラズマの燃焼状態を調
整するようになっている。なお、これら供給口(19)は
両方を使用しても、一方を使用してもよい。
燃焼室である第2チャンバー(18)の周囲には冷却水
を循環させる水路(21)が設けられている。第2チャン
バー(18)の先端は吐出口(20)となって狭くスロート
状に形成されている。
この第1図に示す装置にあっては、まず、第1チャン
バーにおいて導入口(17)より液体もしくは気体燃料が
送り込まれる。送り込まれる燃料が液体燃料の場合に
は、窒素ガス等のガスにより圧送するかあるいはポンプ
により圧送し、霧状にして第1チャンバー(16)内に送
り込まれるようにする。次いで導入口(17)から導入さ
れた液体もしくは気体燃料は、陰極(11)と陽極(12)
との間に印加された電圧によって形成されるプラズマア
ークにより電気プラズマ化される。これによって、燃料
ガスプラズマが形成される。燃料ガスプラズマはプラズ
マ流となって供給口(19)より供給された酸素もしくは
圧縮空気と混合される。混合比率は使用する燃料によっ
て異なる。なお、同一燃料を使用している場合におい
て、酸素あるいは圧縮空気の供給量を増減させることに
より酸化雰囲気あるいは還元雰囲気のプラズマ炎を形成
できる。
次いで、燃料ガスプラズマに酸素もしくは圧縮空気が
混合され、第2チャンバー(18)おいて、高温状態にあ
る燃料ガスプラズマにより燃焼が生ずる。これによっ
て、高温で高速流のプラズマ炎が形成され、吐出口(2
0)から放出される。この発明の方法、装置では、理論
上、2500〜5000℃、ガス流が400〜4000m/秒の範囲のプ
ラズマ炎の形成が可能である。
なお、上記プラズマ炎により溶射を行なう場合には、
例えば吐出口(20)先端に側方からノズル(図示せず)
を臨ませノズル内を通して材料をプラズマ炎内に投入す
るようにする。
第2図に示す装置は、その形態は第1図に示す装置と
同様であるが、燃焼室である第2チャンバー(18)が導
電性部材からなる陽極(12)として構成されている。し
たがって、この例の場合には、第2チャンバー(18)に
おいては燃焼と電気プラズマ化の両方を生じさせ、さら
に高温のプラズマ炎の形成を可能にしている。
さらに第3図に示す装置は、トランスファーアークに
応用したものである。この装置は主として金属の切断、
溶接に用いられるため、高温状態にある燃焼ガスプラズ
マのみ利用するようにしてもよい。
なお、これら第1図〜第3図に示す装置では、酸素も
しくは圧縮空気を供給する供給口(19)が第1チャンバ
ー(16)と第2チャンバー(18)との間の通路(10)内
及び第2チャンバー(18)内に臨むように設けられてい
るが、上記装置にあっては、これら供給口(19)のう
ち、一方のみが設けられた装置であってもよい。
第4図に示す装置は、燃料ガスプラズマの形成と燃焼
とが同時に行われる形態を備えている。この装置は、液
体もしくは気体燃料を導入する導入口(17)と酸素もし
くは圧縮空気を供給する供給口(19)とが並設され、同
一のチャンバー(22)内に導かれるようになっている。
第5図に示す装置は、液体もしくは気体燃料を電気プ
ラズマ化して形成された燃料ガスプラズマを直接空気中
へ放出させるようになっており、その放出される燃料ガ
スプラズマの吐出口(20)に向けて積極的に酸素もしく
は圧縮空気を供給する供給口(23)が配置されている。
供給口(23)は第6図に示すように吐出口(20)の周縁
に複数配置される形態の他、第7図に示すように吐出口
(20)の周縁全体を環状に囲う形態であってもよい。こ
の第5図に示す装置は空気中で燃料ガスプラズマを燃焼
させるもので第1図〜第4図に示す装置ように区画され
た燃焼室を備えていない。このため、第1図〜第4図に
示す装置により発生するプラズマ炎ほど高速度化をはか
ることはできないが、燃焼によるエネルギーを利用しな
い通常のプラズマ炎に比べ、速い速度のプラズマ炎を確
保することができる。
なお、上記図示された装置では、トーチ本体の通路内
に液体もしくは気体燃料を導入するための導入手段とし
て、導入口(17)を第1チャンバー内に送り込む形態を
採っているが、更に燃焼を助成するために第2チャンバ
ー内に燃料の導入口を設けてもよい。
本発明に係る装置は、上記に図示された構造のものに
限定されるものでなく、これら図示された各装置の構造
を種々組み合わせたものを含んでいる。
(発明の効果) 以上説明したように、この発明に係る方法及び装置
は、燃料ガスを直接プラズマ炎の形成ガスとすることに
より、プラズマ炎を形成するプロセスと燃焼炎を形成す
るプロセスとを同一のプロセス内で行なわせ、高温でか
つ高速流のプラズマ炎を効率的に形成させることができ
る。
また、この発明に係る方法及び装置を使用すると、電
気プラズマ化によるエネルギーと、燃焼によるエネルギ
ーとの組み合せによって温度、速度の様々なプラズマ炎
を形成することができる。
したがって、この発明に係る方法及び装置は、金属等
の物体の熱処理や、金属、セラミックス等の被処理物へ
の溶射、被処理物の切断、溶接の他、各種廃棄物の脱
水、粉砕、分解処理、プラズマ炉等に応用することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
第1図から第4図まではこの発明に係る装置の各実施例
を示す各断面図、第5図はこの発明に係る方法を使用す
る装置を示す断面図、第6図及び第7図は第5図に示す
装置の供給口の各例を示す正面図である。 符号の説明 10……通路、11……陰極、12……陽極、 16……第1チャンバー、17……導入口、 18……第2チャンバー、19……供給口、 20……吐出口。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】プラズマアークを発生させる経路内に液体
    もしくは気体燃料を導入し、導入した燃料を電気プラズ
    マ化して燃料ガスプラズマを形成させるとともに、これ
    に酸素もしくは圧縮空気を混合して燃焼させることを特
    徴とするプラズマ炎噴霧方法。
  2. 【請求項2】プラズマアークを発生させるための電極及
    び通路を有するトーチ本体と、前記トーチ本体の通路内
    に液体もしくは気体燃料を導入するための導入手段と、
    前記トーチ本体の通路内に酸素もしくは圧縮空気を供給
    するための供給手段と、前記トーチ本体の通路に形成さ
    れ、液体もしくは気体燃料を電気プラズマ化して形成さ
    れる燃料ガスプラズマに酸素もしくは圧縮空気を混合し
    て燃焼させるための燃焼室と、を備えたことを特徴とす
    るプラズマ炎噴霧装置。
  3. 【請求項3】請求項2記載のプラズマ炎噴霧装置におい
    て、液体もしくは気体燃料を電気プラズマ化するための
    プラズマアークの発生を燃焼室内で行うように構成した
    ことを特徴とするプラズマ炎噴霧装置。
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