JP3284660B2 - 爆薬発電機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば電磁加速装置
や電磁波発生装置などの電源に使用される大電流パルス
発電機、とくに、爆薬の爆発エネルギーを大電流に変換
して出力する発電機に関する。

【０００２】

【従来の技術】図７は、爆薬発電機の発電原理を説明す
る分解斜視図であり、それぞれ（Ａ）は動作前、（Ｂ）
はプラズマ流の生成中、（Ｃ）は発電中の爆薬発電機の
状態を示している。図７（Ａ）は、ライナ１がガス空間
２を内部に形成し、右方端に開口部１Ａを備えている。
ライナ１の外側には爆薬３が配され、爆薬３の左端に接
するように起爆装置４が嵌挿されている。ガス空間２の
開口部１Ａ側に隣接して空隙部９が配され、この空隙部
９の上下には電極対６Ａ，６Ｂが設けられている。この
空隙部９内には電極対６Ａ，６Ｂに平行な方向に図示さ
れていない磁石装置によって磁界が形成され、磁束Φが
矢印のように貫通している。さらに、電極対６Ａ，６Ｂ
は電流リード７を介して負荷８に並列接続されている。

【０００３】図７（Ａ）の状態において起爆装置４を動
作させると、爆薬３が左端から爆発を開始する。これに
伴って、ガス空間２は、爆発の伝搬速度（約９ｋｍ／
ｓ）と同一の速度で左側から右側へ潰されて行く。その
途中の状態を示した図が図７（Ｂ）である。爆薬３の爆
発による爆轟波３Ａによってライナ１が圧縮されガス空
間２が潰されて行く。このガス空間２内に予めガス体を
介在させておくと、爆発力によって圧力が数万気圧、温
度が数万度のプラズマが形成される。このプラズマは、
図７（Ｂ）における点々で示された領域で発生し、これ
らすべてプラズマ流５となって矢印のように右方へ高速
で進む。

【０００４】図７（Ｂ）において、プラズマ流５がライ
ナ１の開口部１Ａまで来ると、電極対６Ａ，６Ｂ間の空
隙部９に入り込んで行く。その状態を示した図が図７
（Ｃ）である。図７（Ｃ）において、プラズマ流５の方
向と磁束Φの方向とが直交している。一般に、磁界中を
導電性物質が運動するとき、電磁誘導の法則により磁界
と運動方向に対して垂直な方向に電圧が誘起される。プ
ラズマは導電性を有しているので、電極対６Ａ，６Ｂ間
に起電力Ｅが発生し負荷８に電流Ｉ_O が出力される。

【０００５】この起電力Ｅは、プラズマ流５の速度ｕ
と、磁界の強さＢと、電極対６Ａ，６Ｂの間隙長ｄとの
積で決まる。これらのディメンジョンをそれぞれＥ
〔Ｖ〕、ｕ〔ｍ／ｓ〕、Ｂ〔Ｔ〕、ｄ〔ｍ〕とすると、 Ｅ＝Ｂ・ｕ・ｄ ・・・（１） となる。

【０００６】例えば、間隙長ｄ＝２ｃｍの空隙部９に磁
界Ｂ＝０．５Ｔを加え、そこに速度ｕ＝９ｋｍ／ｓのプ
ラズマ流５を通すと、（１）式によりＥ＝９０Ｖの起電
力が発生する。プラズマ流に磁界をかけて発電させるこ
の発電原理は、一般にＭＨＤ（Magnet Hydro Dynamics
) 型発電と呼ばれ従来からよく知られている。図８は
従来の爆薬発電機の構成を示す断面図である。アルミニ
ウム材よりなるライナ１の外周に爆薬３が装填され、上
部に起爆装置４が嵌挿されている。ライナ１内のガス空
間２の上部には円錐状の駒１０が配されるとともに、そ
の中心にガス流通穴１１が貫通している。さらに、ライ
ナ１下部にももう一つのガス流通穴１２が貫通してい
る。ライナ１下端面（開口部）はダイヤフラム１５が配
され、ガス空間２を密封している。ダイヤフラム１５の
下面側に（反ガス空間側）には絶縁体２０を介して電極
対６Ａ，６Ｂが接合され、空隙部９を形成している。電
極対６Ａ，６Ｂの外周には後述される継鉄１７が絶縁体
１８を介して取り巻いている。電極対６Ａ，６Ｂからは
電流リード７が引き出されているとともに電極対６Ａ，
６Ｂの下端面にポリカーボネート材よりなるプラズマ排
気管１６が接合されている。なお、ダイヤフラム１５の
外周には保護板１３が、ライナ１と絶縁体２０とのジョ
イント１４Ａ，１４Ｂによって挟持されている。

【０００７】図９は図８のＡ−Ａ断面図である。円筒状
のライナ１の全外周面に爆薬３が装填され、円柱状のガ
ス空間２が形成されている。図１０は図８のＢ−Ｂ断面
図である。平板状の電極対６Ａ，６Ｂによって空隙部９
が方形体に形成されている。電極６Ａ，６Ｂの上下に絶
縁体１８を介して永久磁石１９が配され、その外周を継
鉄１７が周回している。永久磁石１９と継鉄１７とは空
隙部９内に図の上下方向の磁界を形成するための磁石装
置２３である。

【０００８】図８に戻り、発電させる前準備として、ま
ず、ガス流通穴１１，１２とガス空間２とを介して、ア
ルゴンガスを流通させ、ガス空間２内にアルゴンガスを
充填する。一方、空隙部９はプラズマ排気管１６の下方
端から図示されていない真空ポンプによって排気され、
空隙部９内を真空状態にする。この状態で起爆装置４を
起爆させると、ライナ１が上部から潰れて行く。駒１０
の存在によってライナ１が図７（Ｂ）で示したようにテ
ーパ状に潰れ、ガスをより高圧に圧縮することができプ
ラズマ流の形成を容易にしている。プラズマ流がダイヤ
フラム１５に達すると、その圧力と熱とでダイヤフラム
１５は瞬時に溶融し空隙部９にプラズマ流が入り込む。
これによって、図７において説明した原理に基づいて電
極対６Ａ，６Ｂ間に起電力が発生する。なお、図８にお
いて、保護板１３は、爆薬３による爆轟波が電極対６
Ａ，６Ｂや電流リード７など電流出力側を破壊させない
ようにするための衝壁である。また、図１０における空
隙部９は必ずしも方形体でなくてもよい。

【０００９】図１１は、従来の異なる爆薬発電機の構成
を示す断面図であり、電極対６０Ａ，６０Ｂおよび絶縁
体２２が空隙部９０を円柱形状にするように湾曲して形
成され、その外周に絶縁体２１を介して磁石装置２３が
配されている。その他の構成は図８，図９と同じであ
る。図１１の断面は図８のＢ−Ｂ断面の別の構成でもあ
り、図１０とは空隙部の形状が異なるだけである。空隙
部９０をガス空間２と同じ径の円柱形状にすることで装
置の組立構成が非常に容易になる。なお、円柱形の空隙
部９０における電極対６０Ａ，６０Ｂの間隙長ｄは場所
によって一定しないが、（１）式において間隙長の平均
値をｄとして代入した値が起電力Ｅとして得られる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
たような従来の装置はプラズマ流の速度と磁石装置の発
生磁界とが一定のときに起電力を高めようとして電極対
の間隙長ｄを増すと、ガス空間側の断面も大きくしなけ
ればならないという問題があった。すなわち、空隙部に
おける電極対の間隙長ｄを増すと、その空隙部の断面形
状に合わせてガス空間の幅も増す必要がある。ガス空間
の幅の一方をあまり大きくしすぎると、例えば、一方の
幅を他方の幅の２倍にすると、プラズマ密度をその断面
内でどこでも一定にするのが非常に困難になる。その結
果、電極対間に発生する起電力Ｅが間隙長ｄに比例しな
くなり、結局はガス空間を正四角形や真円形の断面形状
にせざる得なくなる。したがって、電極の間隙長ｄを増
すためには、ガス空間の幅を両辺とも増す必要が生じ、
ライナが大きくなるとともに爆薬の必要装填量も増して
いた。

【００１１】この発明の目的は、ガス空間側の断面を大
きくすることなしに起電力を高めることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明によれば、爆薬を爆発させて得られるプラ
ズマ流に磁界をかけてパルス電流を発生させるものであ
って、一方端に開口部を備え内部にガス空間を形成する
ライナと、このライナの外側に沿って配され爆発するこ
とによってガス空間にプラズマ流を発生させる爆薬と、
ライナの反開口部側に配され爆薬に接するように嵌挿さ
れた起爆装置と、ライナの開口部に隣接されガス空間か
らのプラズマが流れ込む空隙部と、この空隙部の両側に
配されプラズマの流れに直角な方向に磁界を発生させる
磁石装置と、空隙部の両側に配されプラズマの流れ方向
および磁界の方向に平行な電極対と、この電極対に一方
端が接続され他方端が外部に引き出される電流リードと
により構成されたものにおいて、電極対が空隙部ととも
に絶縁隔壁を介して複数対に分割され、各電極対が直列
接続されてなるものとする。

【００１３】また、上記目的を達成するために、この発
明によれば、爆薬を爆発させて得られるプラズマ流に磁
界をかけてパルス電流を発生させるものであって、一方
端に開口部を備え内部にガス空間を形成するライナと、
このライナの外側に沿って配され爆発することによって
ガス空間にプラズマ流を発生させる爆薬と、ライナの反
開口部側に配され爆薬に接するように嵌挿された起爆装
置と、ライナの開口部に隣接されガス空間からのプラズ
マが流れ込む空隙部と、この空隙部の両側に配されプラ
ズマの流れに直角な方向に磁界を発生させる磁石装置
と、空隙部の両側に配されプラズマの流れ方向および磁
界の方向に平行な電極対と、この電極対に一方端が接続
され他方端が外部に引き出される電流リードとにより構
成されたものにおいて、電極対がその電極の間隙長方向
に複数対並べて配されるとともに直列接続され、かつ、
前記ガス空間が複数設けられるとともにこれらの複数の
ガス空間のそれぞれが前記の複数対の電極対の各電極間
の空隙部にそれぞれダイヤフラムを介して隣接するよう
にして配置されてなるものとし、かかる構成において、
直列接続された電極対のうち、導電接続される電極が一
体に形成されたものとする。

【００１４】

【作用】この発明の構成によれば、電極対が空隙部とと
もに絶縁隔壁を介して複数対に分割された。ガス空間よ
り入り込んだプラズマ流は分割された各空隙部に分流
し、それぞれ電極対に起電力を発生させる。従来の装置
に対して、電極対の間隙長を変えずに電極対の幅だけを
狭めれば、ガス空間側の断面積を増すことなしに多数対
の電極対を配置することができる。しかも、電極対が直
列接続されているので起電力が複数倍に高められる。

【００１５】また、この発明によれば、電極対が電極の
間隙長方向に複数対並べて配された。各電極対の空隙部
にそれぞれ隣接する複数のガス空間が設けられた。各ガ
ス空間からのプラズマ流がそれぞれの電極対に起電力を
発生させる。複数対の電極対を電極の間隙長方向に並べ
ると、全体として細長くなるが、ガス空間も電極の間隙
長方向に複数並べるだけでよいので、従来の装置のよう
にガス空間側の幅を両辺とも増す必要がなく、ガス空間
側の断面が大きくならない。しかも、電極対が直列接続
されているので、起電力が複数倍に高められる。

【００１６】さらに、かかる構成に加えて、直列接続さ
れた電極対のうち、導電接続される電極を一体に形成し
た。これにより導電接続する部分のインダクタンスが最
小になるので、電極対から取り出すことのできる電流を
増すことができる。

【００１７】

【実施例】以下この発明を実施例に基づいて説明する。
図１はこの発明の実施例にかかる爆薬発電機の構成を示
す断面図である。２対の電極対６１Ａ，６１Ｂおよび６
２Ａ，６２Ｂが絶縁板よりなる絶縁隔壁２５を介して空
隙部９１，９２とともに互いに分離されている。電極６
１Ａと６２Ｂとは接続リード２４によって導電接続さ
れ、電極６２Ａと６１Ｂに電流リード７が接続され外部
の図示されていない負荷につながる。その他は図１０の
従来の装置と同じである。同じ部分には同一参照符号を
用いることにより詳細な説明は省略する。

【００１８】図１において、図示されていないガス空間
より入り込んだプラズマ流は空隙部９１，９２に分流す
る。したがって，それぞれの電極対６１Ａ，６１Ｂおよ
び６２Ａ，６２Ｂが起電力を発生する。図１０における
従来の装置の空隙部９内に図１のような２つの空隙部９
１，９２を納めると、電極対の間隙長は変わらないので
電流リード７間の起電力は２倍に高まる。しかも、ガス
空間側の断面形状は図１０と同じものでよいので、ライ
ナを大きくすることなしに起電力を高めることができ
る。

【００１９】なお、図１における電極対は２対である
が、一般にＮ対の電極対を並べてもよく、それによって
Ｎ倍の起電力が得られる。その場合でも、ライナ側のガ
ス空間は大きくする必要はない。図２は、この発明の異
なる実施例にかかる爆薬発電機の構成の断面図である。
２対の湾曲した電極対６３Ａ，６３Ｂおよび６４Ａ，６
４Ｂが絶縁体２７，２８によって支持され、半円柱状の
空隙部９３，９４が絶縁隔壁２９を介して互いに分離さ
れている。電極６３Ａと６４Ｂとは接続リード２６によ
って導電接続され、電極６４Ａと６３Ｂに電流リード７
が接続され外部の図示されていない負荷につながる。そ
の他の構成は図１と同じである。

【００２０】図２において、図示されていないガス空間
より入り込んだプラズマ流は空隙部９３，９４に分流す
る。したがって、それぞれの電極対６３Ａ，６３Ｂおよ
び６４Ａ，６４Ｂが起電力を発生する。この場合も図１
１における従来の装置の空隙部９０内に図２のような２
つの空隙部９３，９４を納めると、ライナを大きくする
ことなしに起電力を２倍に高めることができる。

【００２１】図３はこの発明のさらに異なる実施例にか
かる爆薬発電機の構成を示す断面図である。ライナ１が
２個並べて配され、このライナ１の外周に爆薬３が装填
され単一の起爆装置４が嵌挿されている。このライナ１
のガス空間２のそれぞれにダイヤフラム１５を介して２
つの空隙部９が形成されている。電極対６Ａ，６Ｂが各
空隙部９の一方に配され、空隙部９の他方には共通の中
間電極６５が配されている。各空隙部９の下方にはそれ
ぞれプラズマ排気管１６が接続されている。その他の構
成は、図８と同じである。

【００２２】また図４は図３のＣ−Ｃ断面図であり、爆
薬３がライナ１を共通に囲んでいる。さらに図５は図３
のＤ−Ｄ断面図であり、絶縁体３０の外周に磁石装置２
３が配され、２つの空隙部９内に共通して磁界を発生さ
せている。図５において、図示されない２つのガス空間
からのプラズマ流がそれぞれ空隙部９に入り込むので、
電極６Ａと中間電極６５間、および中間電極６５と電極
６Ｂ間に発生する起電力が重畳して電流リード７間に生
ずる。中間電極６５は互いに導電接続された２つの電極
にし、それぞれ電極６Ａ、電極６Ｂに対向させてもよ
い。しかし、その場合は中間の電極間を導電接続させる
リード線が必要になるためリード線の分によるインダク
タンスが増加する。これを中間電極６５とすることによ
り共通化しインダクタンスが最小になる。これによっ
て、電極リード７から得られる出力電流が増す。

【００２３】空隙部から発生する起電力を増すために図
１０における空隙部９の電極間隙長を大きくすることは
容易に考えられる。前述したように、空隙部をあまり細
長くするとプラズマ密度がその断面内で一定にならない
ので、満足な出力電圧が得られなかった。図５における
実施例のように空隙部９をほぼ正四角形に形成し、それ
ぞれ独立したプラズマ流を流すことによって、それぞれ
確実に起電力を発生させることができる。ガス空間はそ
れに応じて２個必要になるが、各ガス空間の一方の幅は
大きくならないのでライナも小さくて済む。

【００２４】なお、図５における空隙部９は２個である
が一般にＮ個並べてもよく、それによってＮ倍の起電力
が得られる。その場合でも、ライナ側のガス空間の一方
の幅は大きくならずライナも小さくて済む。図６は、こ
の発明のさらに異なる実施例にかかる爆薬発電機の構成
を示す断面図である。湾曲した電極対６６Ａ，６６Ｂが
各空隙部９０の一方に配され、空隙部の他方には接続導
体３３を介して配された中間電極６７が配され、絶縁体
３１，２２によって支持されている。その他の構成は図
５と同じである。図６は、また図３のＤ−Ｄ断面の別の
構成でもある。

【００２５】図６も図５と同様に図示されていない２つ
のガス空間からプラズマ流がそれぞれ空隙部９０に入り
込むので電極６６Ａと中間電極６７間、および中間電極
６７と電極６６Ｂ間に発生する起電力が重畳して電流リ
ード７間に生ずる。中間電極６７と接続導体３３とは一
体に形成してもよい。この場合も、ガス空間の一方の幅
は大きくならずライナも小さくて済む。なお、図６にお
ける空隙部９０は２個であるが一般にＮ個並べてもよ
く、それによってＮ倍の起電力が得られる。

【００２６】

【発明の効果】この発明は前述のように、電極対が絶縁
隔壁を介して複数対に分割され、各電極対が直列接続さ
れた。これにより、ガス空間側の断面を大きくすること
なしに起電力が高められるので装置を大幅に小形化する
ことができる。また、直列接続された複数の電極対が電
極の間隙長方向に並べられた。これによってもガス空間
側の断面の一方幅を大きくすることなしに起電力が高め
られるので装置を大幅に小形することができる。

【００２７】さらに、かかる構成において、直列接続さ
れた電極対のうち、導電接続される電極を一体に形成し
たことにより、電流リードから取り出す電流を増すこと
ができ装置の発電効率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例にかかる爆薬発電機の構成を
示す断面図

【図２】この発明の異なる実施例にかかる爆薬発電機の
構成を示す断面図

【図３】この発明のさらに異なる実施例かかる爆薬発電
機の構成を示す断面図

【図４】図３のＣ−Ｃ断面図

【図５】図３のＤ−Ｄ断面図

【図６】この発明のさらに異なる実施例にかかる爆薬発
電機の構成を示す断面図

【図７】爆薬発電機の発電原理を説明する分解斜視図で
あり、（Ａ）は動作前、（Ｂ）はプラズマ流の生成中、
（Ｃ）は発電中の爆薬発電機の状態を示す図

【図８】従来の爆薬発電機の構成を示す断面図

【図９】図８のＡ−Ａ断面図

【図１０】図８のＢ−Ｂ断面図

【図１１】従来の異なる爆薬発電機の構成を示す断面図

【符号の説明】

６１Ａ，６１Ｂ，６２Ａ，６２Ｂ，６３Ａ，６３Ｂ，６
４Ａ，６４Ｂ，６Ａ，６Ｂ，６６Ａ，６６Ｂ：電極、６
５，６７：中間電極、１：ライナ、２：ガス空間、４：
起爆装置、３：爆薬、７：電流リード、９，９０，９
１，９２，９３，９４：空隙部、１０：駒、１１，１
２：ガス流通穴、１３：保護板、１５：ダイヤフラム、
１６：プラズマ排気管、１７：継鉄、１９：永久磁石、
２３：磁石装置、２４，２６：接続リード、２５，２
９：絶縁隔壁、２０，３０，１８，２７，２８，２２，
３１：絶縁体、１４Ａ，１４Ｂ：ジョイント

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02K 44/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】爆薬を爆発させて得られるプラズマ流に磁
   界をかけてパルス電流を発生させるものであって、一方
   端に開口部を備え内部にガス空間を形成するライナと、
   このライナの外側に沿って配され爆発することによって
   ガス空間にプラズマ流を発生させる爆薬と、ライナの反
   開口部側に配され爆薬に接するように嵌挿された起爆装
   置と、ライナの開口部に隣接されガス空間からのプラズ
   マが流れ込む空隙部と、この空隙部の両側に配されプラ
   ズマの流れに直角な方向に磁界を発生させる磁石装置
   と、空隙部の両側に配されプラズマの流れ方向および磁
   界の方向に平行な電極対と、この電極対に一方端が接続
   され他方端が外部に引き出される電流リードとにより構
   成されたものにおいて、電極対が空隙部とともに絶縁隔
   壁を介して複数対に分割され、各電極対が直列接続され
   てなることを特徴とする爆薬発電機。
2. 【請求項２】爆薬を爆発させて得られるプラズマ流に磁
   界をかけてパルス電流を発生させるものであって、一方
   端に開口部を備え内部にガス空間を形成するライナと、
   このライナの外側に沿って配され爆発することによって
   ガス空間にプラズマ流を発生させる爆薬と、ライナの反
   開口部側に配され爆薬に接するように嵌挿された起爆装
   置と、ライナの開口部に隣接されガス空間からのプラズ
   マが流れ込む空隙部と、この空隙部の両側に配されプラ
   ズマの流れに直角な方向に磁界を発生させる磁石装置
   と、空隙部の両側に配されプラズマの流れ方向および磁
   界の方向に平行な電極対と、この電極対に一方端が接続
   され他方端が外部に引き出される電流リードとにより構
   成されたものにおいて、電極対がその電極の間隙長方向
   に複数対並べて配されるとともに直列接続され、かつ、
   前記ガス空間が複数設けられるとともにこれらの複数の
   ガス空間のそれぞれが前記の複数対の電極対の各電極間
   の空隙部にそれぞれダイヤフラムを介して隣接するよう
   にして配置されてなることを特徴とする爆薬発電機。
3. 【請求項３】請求項２記載のものにおいて、直列接続さ
   れた電極対のうち、導電接続される電極が一体に形成さ
   れたことを特徴とする爆薬発電機。