JP3084393B2 - 増殖型イオン火炎発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、灯油、重油等の化
石燃料とか、合成燃料等を主燃料として用い、これらの
燃料の燃焼により発せられる炭化水素火炎をイオン化さ
せて通常の燃焼火炎（中性火炎）よりも高熱のイオン火
炎を発生させるイオン火炎発生装置に関するものであ
り、焼却炉、高炉等の各種高熱を要する装置の熱源、ロ
ケット等の各種高推進力を要する装置の推力源、イオン
ビーム加工装置等の各種イオンを利用する装置のイオン
源、等として利用可能なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、灯油等の燃料からイオン火炎を発
生させるイオン火炎発生装置としては、焼却炉に用いら
れるイオンバーナーがあった。図１２、１３はこのイオ
ンバーナーを用いた焼却炉の例であり、その構造は次の
ようなものであった。

【０００３】この焼却炉は、キャスターブル耐火物で筒
状に作製された焼却炉本体Ａの内部に火格子Ｂ、Ｃを介
して上下に中性火炎室Ｄ、準プラズマ（準イオン）火炎
室Ｅ、プラズマ（イオン）火炎室Ｆが形成され、イオン
火炎室Ｆ部分の炉壁に３機の灯油バーナーＧが取り付け
られ、イオン火炎室Ｆ内の灯油バーナーＧの先に火炎接
触電離材Ｈなるものが配置され、また灯油バーナーＧの
火炎が当たる部分の炉壁面に電磁コイルＩが配備されて
なる。ここで灯油バーナーＧと火炎接触電離材Ｈと電磁
コイルＩはイオンバーナーを構成する。この焼却炉で
は、前記電磁コイルＩにパルス電流等を印加して高周波
磁場（例えば磁束密度１００００以上、周波数２０〜５
０ＭＨｚ程度の高周波磁場）を発生すると、高周波磁場
で火炎接触電離材Ｈが活性化されて、同火炎接触電離材
Ｈにエネルギー印加作用がもたらされ、この火炎接触電
離材Ｈに触れた灯油バーナーＧの燃焼火炎（炭化水素火
炎）がイオン化（プラズマ化）されてイオン火炎とな
る。このイオン火炎はイオン火炎室Ｆにおいてイオン数
が多い状態にあるが、準イオン室Ｅにおいてはイオン数
が減少して準イオン火炎となり、中性火炎室Ｄでは通常
の中性火炎となる。この焼却炉では、ゴミ投入口Ｊにゴ
ミ等の処理対象物を投入すると、中性火炎室Ｄで乾燥、
燃焼され、準イオン火炎室Ｅ、イオン火炎室Ｆを落下し
ながら徐々に溶融されて排出口Ｋから溶融物となって排
出される。

【０００４】ところで、通常の燃焼による炭化水素火炎
中にも価電粒子（炭素イオン、水素イオン、酸素イオン
等）の存在するイオン火炎の状態が存在するが、発生さ
れるイオンの数は少なく、また磁場の無い状態ではイオ
ン同士がすぐに再結合してＨ２Ｏ、ＣＯ２等を生成し、
中性火炎の状態になってしまう。イオン火炎から中性火
炎に移行する段階では、吸熱作用を有する再結合反応が
起きて火炎から熱が奪われるため、中性火炎はイオン火
炎に比べてエネルギー量が減少した状態となる。例え
ば、灯油は１リットル当り約８０００Ｋカロリーのエネ
ルギーを持つと言われ、原子状の解離反応で放出される
カロリーは１００００Ｋカロリーを超えるとされている
が、通常の燃焼ではイオン火炎状態が非常に短命であ
り、すぐに中性火炎の状態に移行してしまうため、高温
を発生させることができなかった。

【０００５】しかし図１２、１３の焼却炉では、火炎接
触電離材Ｈの助けで多数のイオンを発生してイオン火炎
を作ることができ、また発生したイオンの再結合を電磁
コイルＩの高周波磁場で幾分阻止することができるた
め、比較的長い時間に渡ってイオン火炎の状態を維持す
ることができ、炉内温度を３０００度以上にすることが
可能となっていた。

【０００６】なお、前記焼却炉で用いられる火炎接触電
離材Ｈは、光活性物質に磁性体を配合してなる組成物
を、酸化雰囲気中で結晶することにより製造されるもの
である。前記光活性物質は、セレン、カドミウム、チタ
ニウム、リチウム、バリウム、タリウム等の単体や、そ
の酸化物、硫化物、ハロゲン化物等の化合物であり、磁
性体としては、強磁性体（鉄、ニッケル、コバルト及び
その化合物等）や常磁性体（マンガン、アルミニウム、
スズ及びその化合物）、反磁性体（ビスマス、リン、
銅、カルシウム、及びその化合物）である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前記焼却炉におけるイ
オンバーナーは、化石燃料を通常燃焼させる灯油バーナ
ーＧ単体に比べて格段の高温を発生することができ、焼
却炉を３０００度以上の高温にできるものであるが次の
ような問題もあった。 １．火炎接触電離材Ｈだけでは多量のイオンを含む高温
のイオン火炎を発生することができない。 ２．発生されるイオン火炎中には、陽イオンと陰イオン
とが混在するため、両イオンの再結合を阻止することが
できず、中性火炎になりやすい。 ３．以上のことからイオン火炎を４０００度を越すよう
な高温にすることができない。

【０００８】本発明の目的は、より高温でより強力なイ
オン火炎を発生することができ、焼却炉等の熱源として
以外にも、各種推進源、イオン源として利用可能な増殖
型イオン火炎発生装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のうち請求項１記
載の増殖型イオン火炎発生装置は、灯油等の燃焼火炎を
イオン化（プラズマ化）してイオン火炎が発生されるよ
うにしたイオン火炎発生装置２と、同イオン火炎発生装
置２から発生されたイオン火炎に高周波磁場／電場を作
用させるイオン増殖器４を設け、イオン増殖器４の高周
波磁場／電場はイオン火炎中の陽イオンと陰イオンを夫
々逆方向に加速してイオンの再結合を妨げることを特徴
とするものである。

【００１０】本発明のうち請求項２記載の増殖型イオン
火炎発生装置は、灯油等の燃焼火炎をイオン化（プラズ
マ化）してイオン火炎が発生されるようにしたイオン火
炎発生装置２と、同イオン火炎発生装置２から発生され
たイオン火炎に高周波磁場／電場を作用させるイオン増
殖器４と、鉄、アルミ等の金属粉末、或いは灯油等の液
体燃料に前記金属粉末を混入させた金属紛混合油を供給
可能とする金属燃料供 給器７３を備えたことを特徴とす
るものである。

【００１１】本発明のうち請求項３記載の増殖型イオン
火炎発生装置は、灯油等の燃焼火炎をイオン化（プラズ
マ化）してイオン火炎が発生されるようにしたイオン火
炎発生装置２と、同イオン火炎発生装置２から発生され
たイオン火炎に高周波磁場／電場を作用させるイオン増
殖器４と、水或いは灯油等の液体燃料に水を混入させた
水燃料を供給可能とする水供給器７２を備えたことを特
徴とするものである。

【００１２】本発明のうち請求項４記載の増殖型イオン
火炎発生装置は、灯油等の燃焼火炎をイオン化（プラズ
マ化）してイオン火炎が発生されるようにしたイオン火
炎発生装置２と、同イオン火炎発生装置２から発生され
たイオン火炎に高周波磁場／電場を作用させるイオン増
殖器４と、鉄、アルミ等の金属粉末、或いは灯油等の液
体燃料に前記金属粉末を混入させた金属紛混合油を供給
可能とする金属燃料供給器７３を設け、前記イオン増殖
器４の高周波磁場／電場はイオン火炎中の陽イオンと陰
イオンを夫々逆方向に加速してイオンの再結合を妨げる
ことを特徴とするものである。

【００１３】本発明のうち請求項５記載の増殖型イオン
火炎発生装置は、灯油等の燃焼火炎をイオン化（プラズ
マ化）してイオン火炎が発生されるようにしたイオン火
炎発生装置２と、同イオン火炎発生装置２から発生され
たイオン火炎に高周波磁場／電場を作用させるイオン増
殖器４と、水或いは灯油等の液体燃料に水を混入させた
水燃料を供給可能とする水供給器７２を設け、前記イオ
ン増殖器４の高周波磁場／電場はイオン火炎中の陽イオ
ンと陰イオンを夫々逆方向に加速してイオンの再結合を
妨げることを特徴とするものである。

【００１４】本発明のうち請求項６記載の増殖型イオン
火炎発生装置は、灯油等の燃焼火炎をイオン化（プラズ
マ化）してイオン火炎が発生されるようにしたイオン火
炎発生装置２と、同イオン火炎発生装置２から発生され
たイオン火炎に高周波磁場／電場を作用させるイオン増
殖器４と、鉄、アルミ等の金属粉末、或いは灯油等の 液
体燃料に前記金属粉末を混入させた金属紛混合油を供給
可能とする金属燃料供給器７３と、水或いは灯油等の液
体燃料に水を混入させた水燃料を供給可能とする水供給
器７２を設け、前記イオン増殖器４の高周波磁場／電場
はイオン火炎中の陽イオンと陰イオンを夫々逆方向に加
速してイオンの再結合を妨げることを特徴とするもので
ある。

【００１５】本発明のうち請求項７記載の増殖型イオン
火炎発生装置は、請求項１乃至請求項６記載のいずれか
の増殖型イオン火炎発生装置において、イオン増殖器４
の高周波磁場／電場がイオン火炎中のイオンを加振する
ことを特徴とするものである。

【００１６】本発明のうち請求項８記載の増殖型イオン
火炎発生装置は、請求項１乃至請求項７記載のいずれか
の増殖型イオン火炎発生装置において、イオン増殖器４
が、磁性体と非磁性体を交互に配した筒状本体６０の磁
性体部分の外周に電磁コイル６３を設けたことを特徴と
するものである。

【００２５】

【発明の実施の形態１】本発明の増殖型イオン火炎発生
装置の第１の実施形態を図３、４に基づいて説明する。
この増殖型イオン火炎発生装置は、図３に示すターボフ
ァン３０と、モータ３１と、同モータ３１により駆動さ
れる軸流圧縮機（タービン）３２と、イオン火炎発生部
４０とからなるイオン火炎発生装置２に、図４に示すイ
オン増殖器４を付加したものであり、前記イオン火炎発
生部４０にはパイプを介して図９に示す燃料装置７０及
びエアータンク７４を接続してある。

【００２６】前記ターボファン３０は空気を取り込んで
タービン３２に送り出す。このターボファン３０は図３
に示すようにエア調整弁（ダンパー）３３を備え、同ダ
ンパー３３の開度を調整することにより空気吸入量を調
整して、タービン３２に供給する空気量を調整すること
が可能である。タービン３２はモータ３１で回転駆動さ
れるシャフト３４に動翼３５、圧縮翼３６、分配翼３７
を取り付けてあり、これら翼３５、３６が固定された静
翼３８の内側で回転されると、ターボファン３０から送
り込まれた空気がイオン火炎発生部４０側に圧縮されて
噴射される。ここで噴射されるエアは分配翼３７で攪拌
され、均圧化されてイオン火炎発生部４０の５本の燃料
煙霧化器４３に送り出される。

【００２７】前記イオン火炎発生部４０は図３に示すよ
うに、その筒状本体４１を強磁性金属（鉄、ニッケル、
コバルト等）で作製し、同筒状本体４１内に図６に示す
燃料煙霧化器４３を５本、図５のように配置して取り付
け、燃料煙霧化器４３の先方には略筒状の火炎接触電離
材４４を取り付けてある。また筒状本体４１の外周には
鉄芯入の電磁コイル４５を取り付けてある。なお、燃料
煙霧化器４３は図５に示した金属板４２により筒状本体
４１内に固定してある。

【００２８】前記燃料煙霧化器４３は図６に示すよう
に、その筒状本体５０を非磁性金属（真鍮、ステンレス
等）で作製し、その後端部内側に、約１５ｋ圧の高圧空
気を噴射する非磁性金属製の空気噴射ノズル（ノズル内
径１〜２ｍφ）５１と、燃料（灯油、金属粉末混合油、
水）を滴下する非磁性金属製の燃料滴下ノズル５２を挿
入・固定してある。この燃料煙霧化器４３の筒状本体５
０の先端部５３内面は図示されているごとく外広がりに
テーパー加工され、テーパー面の角度θは４０〜６０
度、テーパー部長ｄは１０〜１５ｍｍである。この燃料
煙霧化器４３の筒状本体５０の後端部外周面は、その周
方向に間隔を空けて幅１．５〜２ｍｍのスリット５４を
１５〜２０個程度設け、これらスリット５４の先方部分
の角度φを４５度としてある。前記燃料滴下ノズル５２
はこれらスリット５４の一つから差し込んである。な
お、燃料煙霧化器４３の筒状本体５０の内径ｃは３５〜
４５ｍｍ、全長（ａ＋ｂ＋ｄ）は１７０〜２１５ｍｍで
ある。ちなみにａは１６０〜２００ｍｍ、ｂは５０〜６
０ｍｍである。また、前記燃料滴下ノズル５２は、燃料
装置７０から供給される燃料を攪拌するための攪拌器５
５を備え、この攪拌器５５はスパイラル状の回転翼５６
を有し、モータ５７で回転翼５６が回転される。

【００２９】前記燃料煙霧化器４３では、燃料滴下ノズ
ル５２から滴下される燃料が、その後方のタービン３３
から送風される高速の空気と、空気噴射ノズル５１から
噴射される高圧の空気で０．０１μ以下の微粒子に煙霧
化されて、先端部５３から噴射される。この燃料煙霧化
器４３では、先端部５３のテーパーにより、一度煙霧化
した燃料が再液化されることなくスムーズに噴出され、
高い煙霧化効率が達成される。

【００３０】前記火炎接触電離材４４は、光活性物質に
磁性体を配合してなる組成物を酸化雰囲気中で結晶する
ことにより製造されるものである。前記光活性物質は、
セレン、カドミウム、チタニウム、リチウム、バリウ
ム、タリウム等の単体や、その酸化物、硫化物、ハロゲ
ン化物等の化合物であり、磁性体は、強磁性体（鉄、ニ
ッケル、コバルト及びその化合物等）や常磁性体（マン
ガン、アルミニウム、スズ及びその化合物）、反磁性体
（ビスマス、リン、銅、カルシウム、及びその化合物）
である。

【００３１】前記電磁コイル４５は図３に示すように、
鉄芯４７に銅線コイル４６を取り付けたものであり、銅
線コイル４６には図示されていない電源装置を接続して
ある。この電磁コイル４５は、電源装置からパルス電流
が印加されると同コイル内側に強力な高周波磁場を発生
し、イオン火炎発生部４０の強磁性金属製筒状本体４１
を強力に磁化する。前記高周波磁場は、例えば磁束密度
１００００以上、周波数２０〜５０ＭＨｚ程度のもので
ある。電磁コイル４５で磁化された筒状本体４１はその
内側に高周波磁場を発生し、火炎接触電離材４４を活性
化し、火炎接触電離材４４に触れる炭化水素火炎を陽イ
オン（炭素イオン、水素イオン、鉄イオン等）と陰イオ
ン（酸素イオン）を多数有するイオン火炎にする。な
お、高周波磁場で活性化された火炎接触電離材４４では
煙霧化された燃料が触れるだけで発火が誘発されるが、
火炎接触電離材４４に着火電極４８を設けて火炎着火の
確実性を高めてある。

【００３２】図１のイオン増殖器４は図４に示すよう
に、その筒状本体６０を非磁性金属（真鍮、ステンレス
等）のリング６１と強磁性金属（鉄、ニッケル、コバル
ト等）のリング６２を交互につないで筒状に作製し、各
強磁性金属リング６２の外周に電磁コイル６３を取り付
けてある。強磁性金属リング６２は３段有り、電磁コイ
ル６３も３段ある。各電磁コイル６３は強磁性金属リン
グ６２の外周に絶縁紙６４を挟んでホルマル銅線６５を
巻き付け、その外周に絶縁紙６４を挟んで冷却用銅パイ
プ６６を巻き付け、その外周に絶縁紙６４を挟んで金属
カバー６７を巻き付けて作製してある。なお、個々の電
磁コイル６３は発生した磁力やバーナー２の振動で位置
ずれ等を起こさないよう、筒状本体６０の外周のフラン
ジ６８に強固に固定してある。

【００３３】前記各電磁コイル６３のホルマル銅線６５
は図示されていない電源装置と配線し、同電源装置から
大パルス電流を印加できるようにしてある。この電磁コ
イル６３は、大パルス電流を流すとコイル内側に強力な
高周波磁場を発生し、この高周波磁場で内側の強磁性金
属リング６２を強力に磁化し、磁化された各強磁性金属
リング６２はその内側に強力な高周波磁場を形成する。
この強磁性金属リング６２の内側の高周波磁場はイオン
火炎発生部４０で発生されるイオン火炎中のイオンを振
動させると共に陽イオンを火炎噴射口側に加速し、陰イ
オンをイオン火炎発生部側に加速し、また陽イオンや陰
イオンを他の粒子（イオン化された粒子やされていない
粒子）に弾性衝突させながら陽イオン及び陰イオンの数
を増大する。また、交互に配した強磁性金属リング６２
及び非磁性金属リング６１により、イオン火炎に段階的
な磁気絞りをかけて圧縮し（ピンチ効果）、圧縮した陽
イオン火炎を焼却炉本体１内に噴射する。なお、陰イオ
ン火炎はイオン火炎発生部４０側に噴射される。

【００３４】前記各電磁コイル６３の冷却用銅パイプ６
６は図示されていない冷却装置と配管し、冷却用銅パイ
プ６６に冷却水を流して電磁コイル６３を冷却すること
ができるようにしてある。電磁コイル６３は、大電流が
流れるホルマル銅線６５の熱と、内側のイオン火炎によ
る熱を受けて高温になるが、前記冷却水により加熱防止
を達成している。電磁コイル６３の冷却には、水、その
他の各種冷媒を用いる他、強制空冷方式を採用すること
もできる。

【００３５】以上説明したイオン火炎発生装置２におい
て、イオン増殖器４は多段式の電磁コイル６３による高
周波磁場を用いたが、イオン増殖器４の筒状本体６０内
にイオンを振動させ、加速させることのできる強電場を
形成するようにしてもよい。

【００３６】前記イオン火炎発生装置２に燃料を供給す
る燃料装置７０は図９に示すように、灯油、金属粉末混
合油、水を供給するための灯油供給器７１、水供給器７
２、金属燃料供給器７３の３つからなる。このうち灯油
供給器７１は灯油を溜めるタンク、水供給器７２は水を
溜めるタンクである。

【００３７】前記金属燃料供給器７３は図７に示すよう
に、絶縁物質で作製した灯油タンク８０の底にマイナス
電極８１を取り付け、同マイナス電極８１に近接して２
本のプラス電極棒８２を取り付ける。マイナス電極８１
はタンク８０の底の中央部に垂直に縦て固定し、２本の
プラス電極棒８２は、タンク８０の両側壁に水平に差し
込む形態で取り付け、同差し込み部には差し込んだプラ
ス電極棒８２を抜き差し自在にすると共に液漏れを防止
するグランドパッキン８４を取り付ける。

【００３８】前記マイナス電極８１は導電性金属を円柱
状に作製したものであるが、左右両側のプラス電極棒８
２との間で効率の良い放電が実現されるような他の形状
に作製することもできる。また前記２本のプラス電極棒
８２のうち１本は鉄を長尺な丸棒状に作製したものであ
り、１本はアルミを長尺な丸棒状に作製したものであ
る。夫々のプラス電極棒８２はマイナス電極８１との間
に効率の良い放電が実現される他の形状や、角棒状等に
も作製することができる。

【００３９】前記各プラス電極棒８２は自動送込機（電
極可動装置）８５により支持し、その先端部を燃料タン
ク８０の側面のグランドパッキン８４から同燃料タンク
８０の内側に差し込ませてマイナス電極８１との間で放
電が起こりやすい間隔に調整してある。自動送込機８５
は、プラス電極棒８２の先端が減って短くなると、その
短くなった分だけをマイナス電極８１側に自動的に送り
出すことができ、電極間距離を常時一定に保持すること
ができる。ちなみに、前記自動送込機８５によるプラス
電極棒８２の送り出し量制御は、例えばタンク８０の外
側から光学センサで電極間の距離を測定する、電極間の
電位や電流をモニタして適切な放電が起こるようにす
る、放電による電極棒の減り具合を単位時間当りの減少
量として予め求めておく、等の各種方法により実現する
ことができる。

【００４０】前記マイナス電極８１とプラス電極棒８２
とには高圧電源装置８６を接続してあり、両極間に例え
ば３００００〜１０００００Ｖ位を印加することができ
る。なお、この印加電圧や電流はマイナス電極８１やプ
ラス電極棒８２の形状や極間距離、電極素材に応じて適
宜設定することができる。

【００４１】前記燃料タンク８０には、タンク内の燃料
量を計測する燃料量監視装置（図示されていない）も設
けてあり、タンク８０内のマイナス電極８１及びプラス
電極棒８２が液面から露出するのを防止できるようにし
てある。この燃料量監視装置は例えば、燃料が所定量減
るとその分を追加供給する、或いは管理者に報知するも
のである。この燃料量監視装置により、液面から電極が
露出された状態で放電が起こるのを防止し、燃料である
灯油に着火して燃料タンク８０が火災、爆発するのを防
ぐ。

【００４２】燃料タンク８０の上部には攪拌装置８７を
設けてある。この攪拌装置８７は、モータ８８と同モー
タ８８により駆動されて回転するプロペラ８９とからな
り、燃料タンク８０内の灯油をプロペラ８９により攪拌
することができる。プロペラ８９の回転数は適宜設定す
ることができる。

【００４３】前記金属燃料供給器７３では、マイナス電
極８１と鉄、アルミのプラス電極棒８２との間に３００
００〜１０００００Ｖの電圧を印加して両極間に放電を
起こすと、プラス電極棒８２の表面から微粒子（０．５
ｍｍ以下の粉末）状の鉄粉末、アルミ粉末が剥ぎ取られ
て灯油中に放出され、このとき灯油中で炭化水素の炭素
が折出され、その折出された炭素に鉄やアルミの金属粉
末が付着して金属粉末と灯油が混合した金属粉末混合油
が製造される。この金属粉末混合油には必要に応じて界
面活性剤を加えることができ、このようにすれば金属粉
末混合油を比較的長時間貯蔵しておくことも可能とな
る。但し、使用する界面活性剤は燃焼を妨げないもので
あることとする。

【００４４】なお、図９の灯油供給器７１には、クラッ
キング装置なるものを設けることもできる。クラッキン
グ装置は、沸点の高い重質石油を分解して沸点の低い軽
質石油（ガソリン等）を製造するものである。このクラ
ッキング装置は、例えばシリカ−アルミナ触媒を用いる
接触分解方式のものや、触媒を用いずに高温（８００〜
８５０度）で行なう熱分解方式のものがある。また、ニ
ッケル、タングステン等をシリカ−アルミナに担持させ
た触媒を用い、高圧の水素を利用して行なう水素化分解
方式のものもある。このクラッキング装置は、灯油に替
わり重油等の沸点の高い燃料を用いる場合に特に有効で
ある。

【００４５】図９の灯油供給器７１、水供給器７２、金
属燃料供給器７３は燃料パイプを介してイオン火炎発生
装置２の燃料滴下ノズル５２と接続し、同燃料滴下ノズ
ル５２へ灯油、金属粉末混合油、水を供給できるように
してある。これら供給器７１、７２、７３からは燃料切
替器等により必要な燃料だけを一つ或いは２以上を組み
合わせて燃料滴下ノズル５２に供給することができる。
例えば、イオン火炎発生装置２の点火開始から１８００
度程度までは灯油のみを供給し、その後２５００度程度
までは金属粉末混合油を供給し、その後は金属粉末混合
油と水とを供給することができ、燃焼温度に応じて適切
な燃料を選択して供給することができるようにしてあ
る。

【００４６】

【使用例１】前記増殖型イオン火炎発生装置を用いた焼
却炉の例を図１、２に基づいて説明する。図１に示す焼
却炉は、架台１０の上に略円筒状の焼却炉本体１を設置
してあり、同焼却炉本体１の周囲に、イオン増殖器４を
付加したイオン火炎発生装置２、即ち増殖型イオン火炎
発生装置を４機、放射状に配置して設けてある。この焼
却炉本体１の上部中央には排煙筒１１を設けてあり、ま
たこの排煙筒１１を取り囲むように４本の耐熱性パイプ
３を設けてある。この焼却炉本体１の外側は防磁性を有
する鉄板でカバーしてあり、これにより鉄製ケーシング
（外ケーシング）１３を設けてある。

【００４７】前記焼却炉本体１は、４５００度程度の高
温に耐えうるキャスターブル耐火物、即ち耐火性骨材と
アルミナセメント又はリン酸等の水硬剤を混合した耐火
物で作製し、同キャスターブル耐火物の外表面を鉄板で
被覆して内ケーシング１４を設けてある。なお、焼却炉
本体１は黒鉛、その他の耐火物で作製することもでき
る。

【００４８】前記耐熱性パイプ３は図８に示すように、
黒鉛素材をパイプ状に成型圧縮した後に焼成した黒鉛パ
イプ２５であり、その外表面に酸化物被膜２６を形成し
てある。黒鉛パイプ２５は導電性であり、同パイプ２５
に電源装置２７のマイナス極を、焼却炉本体１の鉄製内
ケーシング１４にプラス極を接続してある。電源装置２
７は、電圧１５０００〜３００００Ｖ、電流２０〜５０
ｍＡの直流電圧を発生し、この直流電圧により黒鉛パイ
プ２５をマイナス電位に設定することができる。黒鉛そ
のものは融点が４５００度程度の高耐熱性素材である
が、空気（酸素）雰囲気中では１５００度程度で酸化さ
れ、すぐに劣化してしまう。しかし、黒鉛パイプ２５に
酸化物被膜２６を形成し、且つ黒鉛パイプ２５をマイナ
ス電位とすることにより、酸化を促進する酸素イオン
（陰イオン）の結合を阻止し、４０００度前後の高温下
でも長期使用できるようにしてある。

【００４９】前記耐熱性パイプ３は図２に示すように焼
却炉本体１の内側に設けた上下２枚の黒鉛製火格子板１
５、１６によって支持され、各耐熱性パイプ３はイオン
火炎発生装置２の真正面に配置されるようにしてある。
この耐熱性パイプ３はその上端を焼却炉本体１の上部の
ゴミ投入ホッパー１７へ配管してあり、下端を焼却炉本
体１の底の溶融溜１８内へ通してある。ゴミ投入ホッパ
ー１７に投入された処理対象物は耐熱性パイプ３内を落
下して焼却炉本体１の溶融溜１８内に溶融物となって溜
められる。

【００５０】前記火格子板１５、１６のうち上側のもの
はイオン火炎発生装置２の取り付け位置より上側に、下
側のものはイオン火炎発生装置２の取り付け位置より下
側に、夫々配置され、イオン火炎発生装置２の噴射火炎
（陽イオン火炎）は第１、２両火格子板１５、１６の間
の空間内に収まるようにしてある。但し、この陽イオン
火炎は、炉内に形成される後述の高周波磁場により焼却
炉本体１の内側にドーナツ状に閉じ込められ、火格子板
１５、１６や炉壁に触れることはない。

【００５１】前記排気筒１１は焼却炉本体１と同じキャ
スターブル耐火物で筒状に作製してあり、炉内で発生し
た煙や熱を外に排気することができる。この排気筒１１
の先端は図９の排気ガス浄化装置群と接続してある。焼
却炉本体１の底部中央には筒状の溶解取出筒１２を設け
てあり、排気筒１１同様にキャスターブル耐火物で作製
してある。この溶解取出筒１２の先には開閉シャッター
１９を設けてあり、同シャッター１９は図示されていな
い駆動装置により開閉駆動され、溶融溜１８が溶融物で
一杯になると自動的に開いて溶融物を排出し、溶融物が
排出されて空になると自動的に閉じる。

【００５２】前記焼却炉本体１の溶融溜１８部分の外壁
には水冷ジャケット２０を取り付け、その外周に高周波
コイル２１を取り付けてある。この高周波コイル２１か
ら発せられる高周波磁場は溶融溜１８内の溶融物を加熱
し、溶融物の固化を防止して、溶解取出筒１２からのス
ムーズな排出を可能にする。

【００５３】前記焼却炉本体１の外側を覆う外ケーシン
グ１３は図１に示すごとく４本の熱風回収パイプ２２を
取り付けてあり、各熱風回収パイプ２２の先は対応する
イオン火炎発生装置２と接続してある。この熱風回収パ
イプ２２は焼却炉本体１からの輻射熱で加熱された高温
の空気を回収し、高温の空気をイオン火炎発生装置２に
送り込んで熱の再利用を行ない、焼却炉のエネルギー効
率を高めるものである。

【００５４】前記イオン火炎発生装置２は焼却炉本体１
の外周に４本、十字状（放射状）に取り付け、各２本づ
つが対向するようにしてある。イオン火炎発生装置２を
十字状に配置することにより、各装置２から発せられる
爆発的な燃焼（１３〜１５ｍ／ｓの燃焼）による高燃焼
音を互いに衝突させ、音波の打ち消し作用や音波の衝突
により生じるドップラー効果により減音できるようにし
てある。またイオン火炎発生装置２を均等間隔の放射状
に配置することで、各装置２のイオン増殖器４から発せ
られる高周波磁場をトカマク方式の閉じ込めに必要な磁
場に成形できるようにもしてある。即ち、イオン火炎発
生装置２から噴射される陽イオン火炎を前記成形磁場に
よりトラップし、焼却炉本体１内においてドーナツ状に
閉じ込めできるようにしてある。このトカマク方式の磁
場により高温で侵食性の強い陽イオン火炎を耐熱性パイ
プ３にのみ集中して効果的な焼却ができるようにし、ま
た焼却炉本体１の内壁や火格子板１５、１６等には当た
らないようにして炉の耐久性を高めている。

【００５５】図９に示す排気ガス浄化装置群は、排気ガ
ス冷却タンク９０、クーリングタワー９１、脱塩装置
（脱塩槽）９２、脱硫装置（脱硫槽）９３、脱硝装置
（脱窒素槽）９４、水槽９５からなる。焼却炉本体１の
排気筒１１から排気される高温で有害ガスは、排気ガス
冷却タンク９０で冷却され、脱塩槽９２で塩化物が除去
され、脱硫槽９３で硫化物が除去され、脱窒素槽９３で
窒素ガスが除去されて、低温、無公害のガスを大気中に
放出できるようにしてある。

【００５６】前記焼却炉は図９に示すように、搬送され
てきた処理対象物を高所のゴミ投入ホッパー１７に送り
込む搬送装置９５や、焼却炉の溶解取出筒１２から排出
される溶融物を冷やし、固化し、粉砕してダンプカー等
に積載するための処理装置９６等を備える。

【００５７】次に前記焼却炉の動作例を以下に説明す
る。前記イオン火炎発生装置２は、スタートすると、１
８００度位まで灯油を燃焼して陽イオン火炎を発生し、
その後１８００度を超えたころから金属粉末混合油を燃
焼して陽イオン火炎を発生し、その後２５００度を超え
るころから水も燃焼して４０００度を超える強力な陽イ
オン火炎を発生する。

【００５８】焼却炉本体１内には４機のイオン火炎発生
装置２から高エネルギーの陽イオン火炎が噴射され、こ
の陽イオン火炎がドーナツ状に閉じ込められ、炉内温度
が４０００〜４５００度程度に保たれる。この状態でゴ
ミ投入ホッパー１７に処理対象物を投入すると、これら
処理対象物は耐熱性パイプ３を落下する際、炉内の陽イ
オン火炎及びその熱にさらされて瞬時に焼却、溶融さ
れ、高温の溶融物となって溶融溜１８に溜められる。溶
融溜１８内は高周波により加温されており、溶融物は固
化することなく溶融状態のまま溜められる。溶融溜１８
が溶融物で一杯になると開閉シャッター１９が開き、排
出される溶融物は後段の装置９６により冷却、固化さ
れ、粉砕されてスラグとなり、トラック等により搬出さ
れる。

【００５９】

【使用例２】本発明の増殖型イオン火炎発生装置の焼却
炉における他の使用例を説明する。イオン増殖器４を付
加したイオン火炎発生装置２、即ち増殖型イオン火炎発
生装置は焼却炉本体１に２機以上、放射状に設けること
が望ましく、例えば３機、５機、６機等と設ける。図１
１の焼却炉は５機のイオン火炎発生装置２を備えるもの
であり、各イオン発生装置２のイオン増殖器４から放射
される高周波磁場がトカマク式の閉じ込めに適する磁場
に成形され、また各イオン火炎発生装置２から噴射され
る燃焼音が焼却炉本体１内で互いに衝突されて消音され
る。なお、放射状にイオン火炎発生装置２を配置しても
十分なトカマク式の閉じ込め磁場が形成されない場合に
は、別途電磁コイルを設けてイオン火炎をドーナツ状に
封じ込めするようにすることも可能である。

【００６０】

【使用例３】本発明の増殖型イオン火炎発生装置の焼却
炉における他の使用例を説明する。イオン増殖器４を付
加したイオン火炎発生装置２、即ち増殖型イオン火炎発
生装置は焼却炉本体１に１機だけ設けることも可能であ
る。図１０はその例であり、イオン火炎発生装置２の対
向位置、及び左右位置に別途電磁コイル（強磁場／電場
発生器）１００を設けるものである。この電磁コイル１
００は図４に示したイオン増殖器４と同一の構造を有す
るものであり、筒状本体６０を非磁性金属（真鍮、ステ
ンレス等）のリング６１と強磁性金属（鉄、ニッケル、
コバルト等）のリング６２を交互につないで筒状に作製
し、各強磁性金属リング６２の外周に電磁コイル６３を
取り付けるものである。

【００６１】この焼却炉において、焼却炉本体１内に噴
射される陽イオン火炎は、イオン増殖器４から発生され
る高周波磁場と電磁コイル１００から発生される高周波
磁場によりドーナツ状に閉じ込められる。焼却炉本体１
に設ける耐熱性パイプ３はイオン火炎発生装置２に近付
けて配置することもできるが、図中に仮想線で示される
ように炉の中心に配置することもできる。

【００６２】本発明の増殖型イオン火炎発生装置は、以
上説明した焼却炉用熱源としての利用の他、各種高温を
必要とする装置に使用することができる。例えば将来の
ロケット用推進装置として期待されているイオン推進装
置や、各種イオンビームを用いる装置のイオン源として
も利用が可能である。この場合、例えばロケット用エン
ジンでは、図３のターボファン３０を無くし、代わりに
タービン３２を大型化し、また図４のイオン増殖器４に
おいて電磁コイル６３の冷却方式を改良する。

【００６３】

【発明の効果】本発明の増殖型イオン火炎発生装置を用
いれば次のような効果を得ることができる。 １．イオン火炎発生装置で発生されるイオン火炎がイオ
ン増殖器の高周波磁場／電場により高エネルギー化され
る。２．各 種装置において強力な熱源、強力な推進源、強力
なイオン源として有効に利用することができる。３．陽イオンと陰イオンとが夫々逆方向に加速されて分
離されるため、両者の 結合が妨げられ、火炎の中性化が
抑制される。

【００６４】本発明のうち請求項２記載のイオン火炎発
生装置を用いれば次のような効果を得ることができる。１．イオン火炎発生装置で発生されるイオン火炎がイオ
ン増殖器の高周波磁場／電場により高エネルギー化され
る。 ２．各種装置において強力な熱源、強力な推進源、強力
なイオン源として有効に利用することができる。 ３．鉄やアルミ等の金属燃料を使用すると、火炎中のイ
オン数をより増大することができ、強力なイオン火炎を
発生することができる。

【００６５】本発明のうち請求項３記載のイオン火炎発
生装置を用いれば次のような効果を得ることができる。１．イオン火炎発生装置で発生されるイオン火炎がイオ
ン増殖器の高周波磁場／電場により高エネルギー化され
る。 ２．各種装置において強力な熱源、強力な推進源、強力
なイオン源として有効に利用することができる。 ３．高温で解離された水のイオンがイオン数を増大し、
強力なイオン火炎を発生することができる。 ４．殆どコストのかからない水を燃料として使用するた
め経済的である 。

【００６６】本発明のうち請求項４記載のイオン火炎発
生装置を用いれば、請求項１と請求項２のイオン火炎発
生装置の両者の効果を併せ持った効果が得られる。

【００６７】本発明のうち請求項５記載のイオン火炎発
生装置を用いれば、請求項１と請求項３のイオン火炎発
生装置の両者の効果を併せ持った効果が得られる。

【００６８】本発明のうち請求項６記載のイオン火炎発
生装置を用いれば、請求項１、２、３のイオン火炎発生
装置の三者の効果を併せ持った効果が得られる。

【００６９】本発明のうち請求項７記載のイオン火炎発
生装置を用いれば、請求項１〜請求項６のイオン火炎発
生装置の効果の他に、高周波磁場／電場による正負両イ
オン粒子の加速で、イオン化されていない粒子にイオン
を弾性衝突してイオン数を増大することができる、とい
う効果をも併せ持った効果が得られる。

【００７０】本発明のうち請求項８記載のイオン火炎発
生装置を用いれば、請求項１〜請求項６のイオン火炎発
生装置の効果の他に、交互に配置された磁性体と非磁性
体による段階的な磁気絞り効果でイオン火炎を強力に絞
り込み、高エネルギー化することができる、という効果
をも併せ持った効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の焼却炉の第１の実施形態を示した概略
斜視図。

【図２】図１の焼却炉の縦断面図。

【図３】図１のイオン火炎発生装置の縦断面図。

【図４】図１のイオン増殖器の縦断面図。

【図５】図３のイオン火炎発生装置に取り付けられる燃
料煙霧化器の取り付け説明図。

【図６】図５の燃料煙霧化器の縦断面図。

【図７】図１の焼却炉に取り付けられる燃料装置のうち
金属燃料供給器の縦断面図。

【図８】図１の耐熱性パイプの酸化防止構造を示した説
明図。

【図９】図１の焼却炉の付加設備を示した概略図。

【図１０】本発明の焼却炉の第２の実施形態を示した横
断面図。

【図１１】本発明の焼却炉の第３の実施形態を示した横
断面図。

【図１２】従来のイオン火炎発生装置を用いた焼却炉の
縦断面図。

【図１３】（ａ）は図１２の焼却炉の横断面図、（ｂ）
は（ａ）の部分断面図。

【符号の説明】

２ イオン火炎発生装置 ４ イオン増殖器 ２５ 黒鉛パイプ ６０ 筒状本体 ６３ 電磁コイル ７２ 水燃料供給器 ７３ 金属燃料供給器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F23C 11/00

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】灯油等の燃焼火炎をイオン化（プラズマ
   化）してイオン火炎が発生されるようにしたイオン火炎
   発生装置（２）と、同イオン火炎発生装置（２）から発
   生されたイオン火炎に高周波磁場／電場を作用させるイ
   オン増殖器（４）を設け、イオン増殖器（４）の高周波
   磁場／電場はイオン火炎中の陽イオンと陰イオンを夫々
   逆方向に加速してイオンの再結合を妨げるものであるこ
   とを特徴とする増殖型イオン火炎発生装置。
2. 【請求項２】灯油等の燃焼火炎をイオン化（プラズマ
   化）してイオン火炎が発生されるようにしたイオン火炎
   発生装置（２）と、同イオン火炎発生装置（２）から発
   生されたイオン火炎に高周波磁場／電場を作用させるイ
   オン増殖器（４）と、鉄、アルミ等の金属粉末、或いは
   灯油等の液体燃料に前記金属粉末を混入させた金属紛混
   合油を供給可能とする金属燃料供給器（７３）を備えた
   ことを特徴とする増殖型イオン火炎発生装置。
3. 【請求項３】灯油等の燃焼火炎をイオン化（プラズマ
   化）してイオン火炎が発生されるようにしたイオン火炎
   発生装置（２）と、同イオン火炎発生装置（２）から発
   生されたイオン火炎に高周波磁場／電場を作用させるイ
   オン増殖器（４）と、水或いは灯油等の液体燃料に水を
   混入させた水燃料を供給可能とする水供給器（７２）を
   備えたことを特徴とする増殖型イオン火炎発生装置。
4. 【請求項４】灯油等の燃焼火炎をイオン化（プラズマ
   化）してイオン火炎が発生されるようにしたイオン火炎
   発生装置（２）と、同イオン火炎発生装置（２）から発
   生されたイオン火炎に高周波磁場／電場を作用させるイ
   オン増殖器（４）と、鉄、アルミ等の金属粉末、或いは
   灯油等の液体燃料に前記金属粉末を混入させた金属紛混
   合油を供給可能とする金属燃料供給器（７３）を設け、
   前記イオン増殖器（４） の高周波磁場／電場はイオン火
   炎中の陽イオンと陰イオンを夫々逆方向に加速してイオ
   ンの再結合を妨げるものであることを特徴とする増殖型
   イオン火炎発生装置。
5. 【請求項５】灯油等の燃焼火炎をイオン化（プラズマ
   化）してイオン火炎が発生されるようにしたイオン火炎
   発生装置（２）と、同イオン火炎発生装置（２）から発
   生されたイオン火炎に高周波磁場／電場を作用させるイ
   オン増殖器（４）と、水或いは灯油等の液体燃料に水を
   混入させた水燃料を供給可能とする水供給器（７２）を
   設け、前記イオン増殖器（４）の高周波磁場／電場はイ
   オン火炎中の陽イオンと陰イオンを夫々逆方向に加速し
   てイオンの再結合を妨げるものであることを特徴とする
   増殖型イオン火炎発生装置。
6. 【請求項６】灯油等の燃焼火炎をイオン化（プラズマ
   化）してイオン火炎が発生されるようにしたイオン火炎
   発生装置（２）と、同イオン火炎発生装置（２）から発
   生されたイオン火炎に高周波磁場／電場を作用させるイ
   オン増殖器（４）と、鉄、アルミ等の金属粉末、或いは
   灯油等の液体燃料に前記金属粉末を混入させた金属紛混
   合油を供給可能とする金属燃料供給器（７３）と、水或
   いは灯油等の液体燃料に水を混入させた水燃料を供給可
   能とする水供給器（７２）を設け、前記イオン増殖器
   （４）の高周波磁場／電場はイオン火炎中の陽イオンと
   陰イオンを夫々逆方向に加速してイオンの再結合を妨げ
   るものであることを特徴とする増殖型イオン火炎発生装
   置。
7. 【請求項７】 請求項１乃至請求項６記載のいずれかの増
   殖型イオン火炎発生装置において、イオン増殖器（４）
   の高周波磁場／電場がイオン火炎中のイオンを加振する
   ものであることを特徴とする増殖型イオン火炎発生装
   置。
8. 【請求項８】 請求項１乃至請求項７記載のいずれかの増
   殖型イオン火炎発生装置において、イオン増殖器（４）
   が、磁性体と非磁性体を交互に配した筒状本体（６０）
   の磁性体部分の外周に電磁コイル（６３）を設けたもの
   であることを特徴とする増殖 型イオン火炎発生装置。