JP4271926B2 - 破砕装置用電極および破砕装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、破砕装置用電極および破砕装置に関し、より特定的には、耐久性に優れた破砕装置用電極および破砕装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
岩石などを破壊するための従来の破砕方法としては、電極において放電を発生させて、その放電エネルギーを利用して破砕する方法が知られている（例えば、特許文献１および非特許文献１参照）。
【０００３】
非特許文献１では、以下のような破砕方法が示されている。まず、岩石などの破砕対象物に下孔を形成し、この下孔に水などの液体を注入する。そして、この下孔に同軸電極を挿入する。この同軸電極に高電圧で充電したコンデンサを接続することにより、同軸電極の先端部の電極間にて放電を起こす。このとき、同軸電極の先端付近の水が放電エネルギーによってプラズマ化することにより、圧力波が発生する。この圧力波により、同軸電極の周囲の破砕対象物（岩石など）を破壊できる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平４−２２２７９４号公報
【０００５】
【非特許文献１】
岡崎徹、外５名，「プラズマ音響破砕装置の開発」，ＳＥＩテクニカルレビュー，住友電気工業株式会社，２００１年９月，第１５９号，ｐ．１００−１０５
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の破砕方法に用いられる破砕装置用電極の一例である同軸電極は、放電エネルギーに起因する圧力波の衝撃により、その先端部が変形するといった損傷を受ける場合があった。また、同軸電極には所定の圧力波を発生させるために大電流が供給されるが、その大電流に起因する電磁力によっても、同軸電極は損傷を受ける場合があった。
【０００７】
さらに、同軸電極を構成する電極部の材質としては、通常導電率の高い銀や銅、あるいはこれらの合金を用いるが、このような材料は機械的強度が比較的低い。そのために、上述した圧力波による衝撃や電磁力によって、同軸電極の電極部は比較的容易に変形する。このように破砕装置用電極としての同軸電極が損傷を受けると、同軸電極の先端部で正常に放電を発生させることができなくなる。この結果、破砕装置の破砕能力が低下することになる。
【０００８】
この発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、この発明の目的は、充分な耐久性を有する破砕装置用電極および破砕装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明の１の局面に従った破砕装置用電極は、中心導電体と絶縁部材と外周導電体とを備える。中心導電体は中心軸に沿って延在し、外周面を有する。絶縁部材は中心導電体の外周面上に配置される。外周導電体は絶縁部材を囲むように積層された複数の導電体層を含む。複数の導電体層は、下層導電体層と上層導電体層とを含む。下層導電体層は絶縁部材の外周面に接続される。上層導電体層は下層導電体層の外周面上に配置される。下層導電体層を構成する材料の引張強度は、上層導電体層を構成する材料の引張強度より高い。下層導電体層は硬鋼よりなる。
【００１０】
このようにすれば、外周導電体を複数の導電体層により構成するので、複数の導電体層ごとに強度や性質の異なる材料を用いることができる。この結果、外周導電体全体の強度や特性を任意に変更できる。
【００１１】
たとえば、破砕装置用電極における放電点に隣接する外周導電体の部分に位置する導電体層（たとえば外周導電体の最外周に位置する導電体層）を、導電性の高い材料により構成する。一方、外周導電体において、導電性の高い材料により構成した導電体層以外の他の導電体層（たとえば、導電性の高い材料により構成した導電体層より内側に位置する導電体層）については、外周導電体の強度を確保するために機械的強度の高い材料により構成する。このようにすれば、破砕装置用電極の放電性能を確保するとともに、破砕装置用電極の外周導電体の強度を高めることができる。したがって、破砕装置用電極において放電を発生させて破砕対象物の破砕を行なう際、放電に伴う圧力波により外周導電体が変形すると言った事故の発生確率を低減できる。つまり、十分な破砕能力を有すると共に、耐久性に優れた破砕装置用電極を実現できる。また、下層導電体層を相対的に引張強度の高い（すなわち機械的強度の高い）材料である硬鋼により構成することで、外周導電体の機械的強度を向上させることができる。つまり、下層導電体層を外周導電体の補強部材として利用できる。
【００１２】
上記１の局面に従った破砕装置用電極において、外周導電体は複数の外周導電体部分を含んでいてもよい。複数の外周導電体部分は、中心軸の延びる方向において互いに間隔を隔てて配置されていてもよい。複数の外周導電体部分は、それぞれ複数の導電体層を含むことが好ましい。
【００１３】
この場合、破砕装置用電極に電流を投入すると、外周導電体部分の間の間隙（ギャップ）において、それぞれ放電を発生させる事ができる。このため、破砕装置用電極において、一度に複数の放電を発生させることができる。このように放電が起きる個所の数を増やすことにより、破砕装置用電極に投入する電流値を一定にした場合において、従来より放電抵抗を増加させることができる。ここで、放電により消費されるエネルギー（つまり破砕に利用されるエネルギー）は放電抵抗に比例する。したがって、破砕に利用されるエネルギーを大きくできる。この結果、破砕装置用電極の破砕能力を増大させることができる。
【００１６】
上記１の局面に従った破砕装置用電極において、下層導電体層を構成する材料の引張強度は３００ＭＰａ超えであってもよく、上層導電体層を構成する材料の引張強度は３００ＭＰａ以下であってもよい。
【００１７】
この場合、下層導電体層を構成する材料として十分な機械的強度を有する材料を用いることになるので、下層導電体層により外周導電体を確実に補強することができる。この結果、外周導電体の機械的強度を高くすることができる。
【００１８】
上記１の局面に従った破砕装置用電極において、上層導電体層を構成する材料の電気伝導率は、下層導電体層を構成する材料の電気伝導率より高いことが好ましい（上層導電体層を構成する材料の抵抗率は、下層導電体層を構成する材料の抵抗率より小さいことが好ましい）。
【００１９】
ここで、破砕装置用電極の外周側面上において放電が発生する場合を考えると、この放電発生個所（放電点）に隣接する上層導電体層として相対的に電気伝導率の高い材料を用いる事になる。このため、放電が発生する際に電流の流れる部分となる上層導電体層における電気抵抗を低減できるので、破砕装置用電極でのエネルギーロスを低減できる。この結果、破砕装置用電極の電気的特性を良好に保つことができる。
【００２０】
上記１の局面に従った破砕装置用電極において、上層導電体層は、銅、銀およびこれらを含む合金からなる群から選択される少なくとも１種を含んでいてもよい。
【００２１】
このような材料の組合わせを用いる事により、下層導電体層の機械的強度を向上させることができるとともに、上層導電体層の導電性を向上させることができる。したがって、十分な耐久性を有するとともに、電気的特性の優れた破砕装置用電極を容易に実現できる。
【００２２】
この発明の他の局面に従った破砕装置は、上記１の局面に従った破砕装置用電極を備える。このようにすれば、十分な耐久性を有する破砕装置を実現できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
【００２４】
図１は、本発明による破砕装置用電極およびその破砕装置用電極を用いた破砕装置の実施の形態の構成を説明するための模式図である。図２は、図１に示した破砕装置用電極の先端部を示す側面模式図である。図３は、図２の線分ＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面模式図である。図４は図２の線分ＩＶ−ＩＶにおける断面模式図である。図１〜図４を参照して、本発明による破砕装置用電極および破砕装置の実施の形態を説明する。
【００２５】
図１〜図４を参照して、本発明による破砕装置は、破砕装置用電極である電極１と、この電極１にパルスパワーを供給するためのパルスパワー供給部４とからなる。電極１は、その後端部にコネクタ部１９が形成される。電極１は、コネクタ部１９に接続された同軸ケーブル５を介してパルスパワー供給部４に接続されている。パルスパワー供給部４は、コンデンサ８、このコンデンサ８に電荷を供給する電源９、さらに電極１への電荷の投入を制御するためのスイッチ７などを含む。パルスパワー供給部４は図示していないが接地されている。
【００２６】
電極１は、中心軸４０（図２参照）に沿って延在し、外周面を有する中心導電体としての中心電極１２と、この中心電極１２の外周面上に配置され、中心電極１２を囲むように形成された絶縁部材としての絶縁体１３と、絶縁体１３の外周面上に配置された外周導電体としての外周電極１５とからなる。外周電極１５は、絶縁体１３の外周面上において、電極１の中心軸４０（図２参照）の延びる方向において互いに間隔を隔てて配置された外周導電体部分としての外周電極部分１４ａ〜１４ｃからなる。外周電極部分１４ａ〜１４ｃは、図３および図４から分かるように、それぞれ複数の導電体層としての内周側導電体１８ａ〜１８ｃと外周側導電体１７ａ〜１７ｃとからなる。下層導電体層としての内周側導電体１８ａ〜１８ｃは、絶縁体１３を囲むように配置されるとともに絶縁体１３の外周面に接続されている。上層導電体層としての外周側導電体１７ａ〜１７ｃは、内周側導電体１８ａ〜１８ｃの周囲を囲むように配置されるとともに、内周側導電体１８ａ〜１８ｃの外周面に接続されている。終端電極１６は、絶縁体１３を囲むように配置され、鉄などの導電体からなる。
【００２７】
中心電極１２を構成する材料としては、導電体であれば金属など任意の材料を用いることができる。また、絶縁体１３の材料としては、ＦＲＰ（Fiber reinforced plastics）やその他の絶縁性の材料を用いてもよい。
【００２８】
そして、内周側導電体１８ａ〜１８ｃを構成する材料としては、導電体であって比較的機械的強度の高い材料、具体的には引張強度が３００ＭＰａ超えである材料を用いることができる。また、内周側導電体１８ａ〜１８ｃを構成する材料の引張強度は、好ましくは４００ＭＰａ以上、より好ましくは５００ＭＰａ以上である。
【００２９】
ここで、内周側導電体１８ａ〜１８ｃを構成する材料としては、鉄およびニッケルの少なくともいずれか一方を含む合金を用いることができる。たとえば、内周側導電体１８ａ〜１８ｃを構成する材料として硬鋼やステンレス鋼など用いることができる。なお、硬鋼とは圧延した鋼材を焼入れし、引張強度を向上させたものをいう。内周側導電体１８ａ〜１８ｃを構成する材料として用いる硬鋼の引張強度は、５００ＭＰａ以上であることが好ましい。また、内周側導電体１８ａ〜１８ｃを構成する材料として用いるステンレス鋼の引張強度は、４００ＭＰａ以上であることが好ましい。
【００３０】
また、外周側導電体１７ａ〜１７ｃを構成する材料としては、導電性の高い材料、たとえば銀、銅、あるいはこれらの合金を用いることができる。ここで、上述のように内周側導電体１８ａ〜１８ｃを比較的強度の高い材料により構成するので、この内周側導電体１８ａ〜１８ｃにより外周電極部分１４ａ〜１４ｃの補強を行なうことができる。そのため、外周側導電体１７ａ〜１７ｃを構成する材料としては、内周側導電体１８ａ〜１８ｃより引張強度の低い材料（相対的に機械的強度の低い材料）であっても、導電性などの放電性能（電気的特性）に優れた材料（上述した銀や銅など）を適用することができる。
【００３１】
たとえば、外周側導電体１７ａ〜１７ｃを構成する材料の引張強度は３００ＭＰａ以下とすることができる。なお、外周側導電体１７ａ〜１７ｃを構成する材料として用いる銀の引張強度はたとえば１２０ＭＰａ程度であり、外周側導電体１７ａ〜１７ｃを構成する材料として用いる軟銅の引張強度はたとえば２５０ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下である。ここで、軟銅とは、圧延した銅を焼きなまして引張強度を下げ軟らかくし、導電率を向上させたものである。
【００３２】
このように、図１〜４に示した破砕装置用電極としての電極１では、外周導電体としての外周導電体部分１４ａ〜１４ｃを外周側導電体１７ａ〜１７ｃおよび内周側導電体１８ａ〜１８ｃという複数の導電体層により構成するので、複数の導電体層ごとに（外周側導電体１７ａ〜１７ｃおよび内周側導電体１８ａ〜１８ｃごとに）強度や性質の異なる材料を用いることができる。この結果、外周電極部分１４ａ〜１４ｃの強度や特性を任意に変更できる。
【００３３】
また、下層導電体層としての内周側導電体１８ａ〜１８ｃを構成する材料の引張強度は、上述したように上層導電体層としての外周側導電体１７ａ〜１７ｃを構成する材料の引張強度より高い。このようにすれば、内周側導電体１８ａ〜１８ｃを機械的強度の高い材料により構成することで、外周電極部分１４ａ〜１４ｃの機械的強度を向上させることができる。つまり、内周側導電体１８ａ〜１８ｃを構成する材料として上述したような引張強度を有する材料（たとえば、上述した硬鋼やステンレス鋼など）を用いることにより、内周側導電体１８ａ〜１８ｃを外周電極部分１４ａ〜１４ｃの補強部材として利用できる。
【００３４】
また、外周側導電体１７ａ〜１７ｃを構成する材料である銀や銅などの抵抗率は、内周側導電体１８ａ〜１８ｃを構成する材料であるステンレス鋼などの抵抗率より小さいので、外周電極部分１４ａ〜１４ｃの全体をステンレス鋼などにより構成する場合より、放電が発生する際に電流の流れる部分となる外周側導電体１７ａ〜１７ｃの電気抵抗を小さくしできる。このため、電極１でのエネルギーロスを小さくできる。
【００３５】
このように、外周側導電体１７ａ〜１７ｃおよび内周側導電体１８ａ〜１８ｃを構成する材料について上述したような組合せを適用することにより、内周側導電体１８ａ〜１８ｃの機械的強度を向上させることができるとともに、外周側導電体１７ａ〜１７ｃの導電性を向上させることができる。この結果、十分な耐久性を有するとともに、電気的特性の優れた電極１、さらにこの電極１を備えた耐久性の高い破砕装置を実現できる。
【００３６】
また、外周導電体部分としての外周電極部分１４ａ〜１４ｃが間隔を隔てて配置されているので、電極１にパルスパワー供給部４（図１参照）から電流を投入すると、外周電極部分１４ａ〜１４ｃの間の間隙（ギャップ）において、それぞれ放電を発生させる事ができる。このため、電極１において、一度に複数の放電を発生させることができる。このように放電が起きる個所の数を増やすことにより、破砕に利用されるエネルギーを大きくできる。この結果、電極１の破砕能力を増大させることができる。
【００３７】
また、内周側導電体１８ａ〜１８ｃ（図３参照）の材料として機械的強度の高い材料を用いるので、内周側導電体１８ａ〜１８ｃの厚み（電極１の中心軸４０の伸びる方向に対してほぼ垂直な方向における厚み）をある程度薄くしても、外周電極部分１４ａ〜１４ｃの強度を充分高くできる。このため、外周電極部分１４ａ〜１４ｃを銀などの材料のみで構成する場合より、外周電極部分１４ａ〜１４ｃの厚みを薄くできる。この結果、上述のように外周電極部分１４ａ〜１４ｃを銀などの材料のみで構成する場合より、電極１の外径を小さくできる。したがって、電極１をコンパクトにできるので、電極１のハンドリングを容易に行なうことができる。
【００３８】
また、上述のように電極１の外径を小さくできるので、破砕のために破砕対象物２（図１参照）に形成する下孔１０（図１参照）の直径も小さくできる。このため、破砕の際に下孔１０を形成するために要する手間や時間を削減できる。この結果、破砕作業の施工コストを低減できる。
【００３９】
また、外周電極部分１４ａ〜１４ｃの内周側導電体１８ａ〜１８ｃを硬鋼などにより構成するので、外周電極部分１４ａ〜１４ｃの全体を銀などで形成する場合より電極１の製造コストを低減できる。
【００４０】
次に、図１〜図４に示した破砕装置を用いた破砕方法を簡単に説明する。図１に示すように、岩石などの破砕対象物２の所定部分に電極１を挿入することが可能な大きさの下孔１０を形成する。そして、下孔１０の内部に電極１の先端部を挿入するとともに、下孔１０の内部に液体としての水１１を配置する。一方、パルスパワー供給部４においては、電源９からコンデンサ８に所定量の電荷を蓄積する。
【００４１】
そして、コンデンサ８に必要な量の電荷を蓄積した状態で、パルスパワー供給部４のスイッチ７を閉じる。このようにすれば、パルスパワー供給部４のコンデンサ８に蓄えられた電荷が、パルスパワー供給部４から同軸ケーブル５およびコネクタ部１９を介して電極１に導入される。この結果、電極１の先端部における中心電極１２と外周電極部分１４ａとの間のギャップにおいて放電が発生し、アークが形成される。また、同様に外周電極部分１４ａ〜１４ｃの間のギャップにおいてそれぞれ放電が発生し、アークが形成される。また、同様に外周電極部分１４ｃと終端電極１６との間のギャップにおいても放電が発生し、アークが形成される。このため、下孔１０の内部の水１１が放電エネルギーによってプラズマ化することにより圧力波が発生する。この圧力波により、電極１の周囲の破砕対象物２を破壊できる。そして、電極１の内周側導電体１８ａ〜１８ｃ（図３参照）はステンレス鋼などの機械的強度の高い材料から構成されているので、上述した圧力波により電極１の外周電極部分１４ａ〜１４ｃの位置がずれたり、その形状が変形するといった不良の発生を抑制できる。したがって、電極１の寿命を延ばす（電極１において放電可能な回数を増加させる）ことができる。
【００４２】
ここで、図１〜図４に示した電極１の外周電極１５は２層構造となっているが、外周電極１５を構成する外周電極部分１４ａ〜１４ｃの内周側（たとえば絶縁体１３と接続された部分）に機械的強度の大きな材料からなる内周側導電体１８ａ〜１８ｃを配置すれば、外周側導電体１７ａ〜１７ｃと内周側導電体１８ａ〜１８ｃとの間に１層以上の導電体層を配置してもよい（つまり、外周電極部分１４ａ〜１４ｃを３層以上の導電体層が積層した積層構造を有する筒状体としてもよい）。このようにすれば、上記導電体層を、内周側導電体１８ａ〜１８ｃと外周側導電体１７ａ〜１７ｃとの間の接合層、あるいは緩衝層として利用できる。このため、外周電極部分１４ａ〜１４ｃの構造の自由度を大きくできる。なお、外周電極部分１４ａ〜１４ｃを構成する積層された導電体層の数は任意に変更することができる。また、図１〜図４では、外周電極１５が３つの外周電極部分１４ａ〜１４ｃにより構成されているが、この外周電極部分の数（浮遊電極の数）は任意に変更可能である。また、外周電極１５が１つの筒状体である場合（電極１が通常の同軸電極の構造を有する場合）であっても、その外周電極を外周電極部分１４ａ〜１４ｃと同様に積層構造としてもよい。
【００４３】
また、積層構造を構成する外周側導電体１７ａ〜１７ｃにおいては、外周電極部分１４ａ〜１４ｃの間の間隙に面する部分が、少なくとも銀や銅などの導電性の高い材料から構成されている事が好ましい。
【００４４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、破砕装置用電極の外周導電体を多層構造として、その多層構造のうちの少なくとも１つの層を機械的強度の高い材料により構成することで、高い耐久性を有する破砕装置用電極を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による破砕装置用電極およびその破砕装置用電極を用いた破砕装置の実施の形態の構成を説明するための模式図である。
【図２】 図１に示した破砕装置用電極の先端部を示す側面模式図である。
【図３】 図２の線分ＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面模式図である。
【図４】 図２の線分ＩＶ−ＩＶにおける断面模式図である。
【符号の説明】
１ 電極、２ 破砕対象物、４ パルスパワー供給部、５ 同軸ケーブル、７スイッチ、８ コンデンサ、９ 電源、１０ 下孔、１１ 水、１２ 中心電極、１３ 絶縁体、１４ａ〜１４ｃ 外周電極部分、１５ 外周電極、１６ 終端電極、１７ａ〜１７ｃ 外周側導電体、１８ａ〜１８ｃ 内周側導電体、１９コネクタ部、４０ 中心軸。

Claims (5)

1. 中心軸に沿って延在し、外周面を有する中心導電体と、
   前記中心導電体の外周面上に配置された絶縁部材と、
   前記絶縁部材を囲むように積層された複数の導電体層を含む外周導電体とを備え、
   前記複数の導電体層は、前記絶縁部材の外周面に接続された下層導電体層と、前記下層導電体層の外周面上に配置された上層導電体層とを含み、
   前記下層導電体層を構成する材料の引張強度は、前記上層導電体層を構成する材料の引張強度より高く、
   前記下層導電体層は硬鋼からなる、破砕装置用電極。
2. 前記外周導電体は、前記中心軸の延びる方向において互いに間隔を隔てて配置された複数の外周導電体部分を含み、
   前記複数の外周導電体部分は、それぞれ前記複数の導電体層を含む、請求項１に記載の破砕装置用電極。
3. 前記下層導電体層を構成する材料の引張強度は３００ＭＰａ超えであり、前記上層導電体層を構成する材料の引張強度は３００ＭＰａ以下である、請求項１または２に記載の破砕装置用電極。
4. 前記上層導電体層は、銅、銀およびこれらを含む合金からなる群から選択される少なくとも１種を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の破砕装置用電極。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の破砕装置用電極を備える破砕装置。

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