JP3154659B2

JP3154659B2 - プラズマピンチ法及びプラズマアーク炉

Info

Publication number: JP3154659B2
Application number: JP09094696A
Authority: JP
Inventors: 野間　　彰; 進西川; 昌夫田熊; 一郎山下; 敏明桂
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1996-04-12
Filing date: 1996-04-12
Publication date: 2001-04-09
Anticipated expiration: 2016-04-12
Also published as: JPH09283277A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマピンチ法
及びプラズマアーク炉に関する。例えば、ごみ焼却灰溶
融のためのプラズマピンチ炉、プラズマ溶接、プラズマ
切断等プラズマジェット発生装置に適用できるものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】ごみ焼却灰を溶融して減溶化するため
に、プラズマアーク炉が開発されつつある。このプラズ
マアーク炉の構成を図７、図８に示す。図７は移行型で
あり、図８は非移行型を示す。

【０００３】図７に示すように、移行型プラズマアーク
炉は、炉８の頂部から挿入したカソード１から、炉８の
底部に設けたアノード２に向かってプラズマ７が噴射
し、そのプラズマ７で焼却灰を溶融することにより、そ
の溶融したスラグ９が炉底部に溜まるように構成されて
いる。

【０００４】一方、図８に示すように、非移行型プラズ
マアーク炉は、カソード１から噴射したプラズマ７を周
囲に設けたアノード２でピンチすることにより、溶融ス
ラグ９へ到達するように構成されている。

【０００５】ここで、プラズマジェットをピンチさせる
方法として、特公昭６３−１７０３０号に示すよう
に、水の蒸発潜熱を利用して熱ピンチ効果を高める方
法、特開昭６１−１２８４９９号に示すように、プロ
セスガスをカソード周囲に流し、熱ピンチで内方に絞る
方法、特開平３−１７４９８０号に示すように、外周
に旋回流を与え、熱ピンチ効果を大きくする方法、特
開昭５８−３７８号に示すように、外周旋回流に導電性
ガスを用いることにより、発生する磁場によってピンチ
させる方法が知られている。尚、カソード１の構成は上
記各出願に記載されているものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した〜の方法
は、何れも、熱ピンチ効果を大きくするために、プラズ
マジェットの周囲を冷却する方法であり、冷却装置等が
必要となる。また、上述したの方法は、外周旋回流を
作り、更に、導電性ガスを作る必要があり、装置が複雑
となる。

【０００７】更に、図７の移行型プラズマアーク炉で
は、溶融スラグ内にジュール発熱があるため、下式に示
すように、図８に示す非移行型に比べて、入熱効率は良
いという利点がある。しかし、移行型プラズマアーク炉
は、溶融スラグ内に電流の通り易い所と通り難い所があ
るため、プラズマが電流の通り易い所へと暴れるという
問題がある。

【０００８】また、図８の非移行型では、アノードでプ
ラズマがピンチされるので方向制御はできるが、アノー
ドを水冷しなければならない。また、前述したように、
移行型に比べると、溶融スラグ内のジュール発熱がない
ため、入熱効率が低いという問題もある。

【０００９】入熱効率ｙ＝Ｑ／Ｉ・Ｖ但し、ｙ：入熱効率Ｑ：陽極入熱量〔Ｗ〕Ｉ：電流Ｖ：電圧

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、移行型のプラ
ズマアーク炉において、プラズマの周囲を冷却するので
はなく、プラズマジェットの周囲に作動ガスよりも電離
しにくい状態のガスを流すことにより、電気伝導度に差
を付け、プラズマをピンチさせる方法である。そのた
め、冷却装置の必要がなく、装置が簡単であり、更に、
冷却より効果的にピンチさせることができる。

【００１１】また、高温ガスによるピンチも可能とな
り、そうすれば、冷却による熱損失がないので、より効
率的である。本発明では、外周にただガスを流すだけの
簡単な構成により、プラズマをピンチさせることがで
き、経済的に有利である。

【００１２】

【発明の実施の形態】

〔プラズマの一般的作用〕プラズマジェットの形は、簡
単に述べると、以下のようにして決定される。（１）図２に示すプラズマ電流Ｉが磁界Ｈを作り、それ
がプラズマ外周の電流ｉにフレミング左手の法則で表さ
れる中心向きの電磁力Ｆ_iを及ぼす。（２）プラズマジェット内には電流密度分布があり、中
心に大電流が流れている結果、中心に負電荷、外側に正
電荷の分布ができ、中心向きの電界Ｅが発生し、電荷は
Ｆ_e＝ｅＥの外向きの力を受ける。（３）Ｆ_i＝Ｆ_eとなるように、プラズマの形が決定す
る。

【００１３】〔本発明のもたらす作用〕本発明では、プ
ラズマの周囲に作動ガスよりも電離しにくい状態のガス
を流すことにより、プラズマ外側の電気伝導度を下げ、
電流を流れにくくし、外側電流ｉを小さくする。その結
果、図３に示すように、中心の電流Ｉが増大し、Ｆ_iが
大きくなり、電流ｉは中心へ移動し、プラズマはピンチ
する。

【００１４】

【実施例】本発明の一実施例を図１に示す。本実施例
は、プラズマアーク炉に関するものである。即ち、炉８
の底部にはアノード２が配設されると共に炉８の頂部に
は中空のカソード１が下向きに挿入され、更に、このカ
ソード１の外周に隙間を介して外筒３が外挿されてい
る。カソード１と外筒３とは絶縁されている。

【００１５】カソード１の中空部から炉８内に作動ガス
４が流しこまれる一方、カソード１と外筒５との隙間の
間から炉８内に作動ガス４よりも電離しにくいピンチ用
ガス５、例えば、Ｎ₂等のガスが流しこまれている。従
って、プラズマ７がカソード１からアノード２に向かっ
て噴射され、焼却灰が溶融する一方、ピンチ用ガス５に
よって、プラズマ７の外側の電気伝導度が下がり電流が
流れ難いため、外側電流ｉが小さくなる。

【００１６】その結果、プラズマ７がピンチされて、中
心の電流Ｉが増大し、効率良く溶融スラグ９内を電流が
流れることになる。

【００１７】本実施例のプラズマアーク炉について、図
４に示す試験装置により、作動ガス４の流量を固定し、
電流、アーク長（電圧）、ピンチ用ガス５の種類及び流
量をパラメータとして、次のような実験を行った。尚、
入熱効率ｙは、ｙ＝Ｑ／Ｉ・Ｖで評価した。但し、Ｑは
陽極入熱量〔Ｗ〕、Ｉ〔Ａ〕はプラズマ電流、Ｖ〔ｖ〕
はプラズマ電圧である。その試験結果を図５，６に示
す。

【００１８】〔試験条件〕カソード１：タングステン製、内径３ｍｍ、外径
６．３５ｍｍアノード２：銅製非溶融型外筒３：グラファイト製、内径１０ｍｍ作動ガス４：Ａr、流量５リットル／分ピンチ用ガス５：Ｎ₂ アーク長：最大１００ｍｍギャップ：５ｍｍ

【００１９】図５に示すように、ピンチ用ガス５の流量
が５リットル／分のときの、供給電力に対する入熱効率
は、ピンチ用ガス５がＮ₂ガスであるときに、電流変
化、電圧変化から推定される入熱効率よりも、１０％程
度向上している。図中では、向上分を示した。また、図
６に示すように、ピンチ用ガス５の流量が１０リットル
／分のときの、供給電力に対する入熱効率は、ピンチ用
ガス５がＮ₂ガスであるときに、電流変化、電圧変化か
ら推定される入熱効率よりも、１５％程度向上してい
る。図中では、向上分を示した。

【００２０】尚、電流を一定に保ったまま、供給電力を
大きくするには、アーク長を大きく（電圧を高く）する
必要がある。アーク長を大きくすると、プラズマからア
ノード以外への輻射が大きくなり、アノードへの入熱効
率が小さくなる。また、アノードまでの距離が大きくな
るので、アノードへの衝突流速が下がり、対流熱伝達も
小さくなる。このことから、電圧を高くして、電力を大
きくする場合には、熱効率は下がる。

【００２１】

【発明の効果】以上、実施例に基づいて具体的に説明し
たように、本発明によれば、次の効果を奏する。（１）移行型のプラズマアーク炉において、ガスピンチ
効果によってプラズマをピンチさせているので、方向制
御ができる。（２）電流が溶融スラグ内を通るので、ジュール発熱も
あり入熱効率が高くなる。（３）プラズマをピンチさせであるので、高温高速ガス
ができ、ピンチさせない場合に比べて、対流熱伝達が大
きくなるため、その分入熱効率が向上する。（４）水冷の必要がないため、熱損失がない。装置も簡
単となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るアークプラズマ炉の構
成図である。

【図２】プラズマがピンチしていない状態の原理説明図
である。

【図３】プラズマがピンチした状態の原理説明図であ
る。

【図４】試験装置の構成図である。

【図５】供給電力と入熱効率の関係を示すグラフであ
る。

【図６】供給電力と入熱効率の関係を示すグラフであ
る。

【図７】従来のアークプラズマ炉の構成図である。

【図８】従来のアークプラズマ炉の構成図である。

【符号の説明】

１カソード２アノード３外筒４作動ガス５ピンチ用ガス６雰囲気ガス７プラズマ８炉９溶融スラグ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山下一郎広島県広島市西区観音新町四丁目６番22 号三菱重工業株式会社広島研究所内 (72)発明者桂敏明広島県広島市西区観音新町四丁目６番22 号三菱重工業株式会社広島研究所内 (56)参考文献特開平４−346649（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H05B 7/00 F23G 5/10 ZAB H05H 1/32 F23J 1/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】炉頂部から挿入した中空なカソードか
ら、炉底部に設けたアノードに向かってプラズマジェッ
トを噴射させる移行型のプラズマアーク炉において、該
プラズマジェットの周囲に作動ガスよりも電離しにくい
状態のガスを流すことによりプラズマをピンチさせるこ
とを特徴とするプラズマピンチ法。
【請求項２】炉頂部から挿入した中空なカソードから
炉内に作動ガスを流しながら、該カソードから炉底部に
設けたアノードヘブラズマジェットを噴射させる移行型
のプラズマアーク炉において、前記プラズマの周囲に作
動ガスよりも電離しにくい状態のガスを流すことにより
プラズマをピンチさせることを特徴とするプラズマアー
ク炉。