JP4568503B2 - プラズマトーチ - Google Patents

Description

本発明は、焼却灰や医療廃棄物を溶融して無害化をはかる際に用いるプラズマトーチに関するものである。

生ゴミを含む可燃ゴミの焼却灰に向けてプラズマアークを噴射することによってこの焼却灰を溶融させて容積を減少させることで廃棄効率を向上させたり、鉱物にプラズマアークを噴射することで溶融させたり、更に、ステンレス鋼を含む金属やガラス，合成樹脂等からなる医療廃棄物にプラズマアークを噴射することで、燃焼，溶融させて無害化をはかることが行われている。

このような目的で用いられるプラズマアークを発生させるプラズマトーチは、中空円筒状の銅製の電極と、該電極に対向させて配置したノズルとを有して構成され、電極とノズルとの間に形成された室にプラズマガスとしての空気を供給しつつ、電極を陽極としプラズマトーチの外部に設けた陰極に通電することで、プラズマアークを形成してノズルから噴射し、このプラズマアークの熱によって焼却灰を含む被溶融物を加熱，溶融し得るように構成されているのが一般的である。

上記プラズマトーチでは、電極とノズルとの間に形成された室にプラズマガスを供給したとき、電極の中心に形成された中空部は負圧となり、プラズマアークは電極の中心に形成された中空部の表面から発生する。このため、アーク発生点の温度が高くなって部分的な溶損が生じ、この溶損が成長して限界に到達したとき電極の寿命になる。従って、アーク発生点が１箇所に停滞していると寿命が短くなることとなる。

電極の寿命を延長するために、プラズマガスの流量を周期的に変化させて電極に形成された中空部の負圧の状態を変動させ、これに伴って中空部の表面に於けるアーク発生点を移動させるようにした技術がある（例えば特許文献１参照）。しかし、この技術ではプラズマトーチを作動させた状態でプラズマガスの流量を周期的に変化させることが困難であるという問題がある。

上記問題を解決するために、ノズル（コリメーター）の径と電極の中空部の径の比率を一定の範囲内に設定したプラズマトーチが提案されている（例えば特許文献２参照）。この特許文献２には、電極とノズルとの間に形成された間隙を狙ってプラズマガスの旋回流を供給し得るように構成されたプラズマトーチが記載されている。また電極の出口近傍に於ける電極中心部のプラズマガスと壁面のプラズマガスとの圧力差が一定の値以上であるとき電極の寿命を延長出来ること、前記圧力差は電極とノズルとの間にプラズマガスの旋回流を供給するガス吹込孔の数によって変化することが記載されている。

米国特許第３６７３３７５号 特開平０７−１７６３９７号公報。

前述したように、特許文献１に記載された技術では、プラズマトーチからプラズマアークを噴射させつつ、プラズマガスの流量を周期的に変化させることが困難であり、且つプラズマガスの流量を周期的に変化させても、必ずしもこの変化に伴ってアーク発生点が移動しないという問題がある。

また特許文献２に記載されたプラズマトーチでは、電極の先端面と該先端面と対向するノズル面との間にプラズマガスの旋回流を供給しているため、プラズマガスの供給量に限界があるという問題がある。

本発明の目的は、電極の中心の形成された中空部の先端部から最も奥部にかけての深い範囲で中心部分を負圧にすることが出来、これによりアーク発生点の範囲を長くして寿命を延長することが出来るプラズマトーチを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係るプラズマトーチは、中心に中空部が形成された円筒状の電極と該電極と対向して配置されプラズマアークを通過させる孔が形成されたノズルとを有し、前記電極とノズルとの間にプラズマガスを供給してプラズマアークを形成するプラズマトーチに於いて、前記電極の先端の外周部分に予め設定された角度を持ったテーパ部を形成すると共に、該電極の外周に嵌合されるリング部材を有し、該リング部材は、前記テーパ部に対向した位置に、前記電極の軸心方向に３段の異なる位置に形成された旋回孔を有し、各段毎に、該旋回孔は、前記軸心方向に対して直交する平面によって前記リング部材を切断した切断面において、前記軸心を中心として等角度分割された位置に、かつ、前記リング部材の内周の接線方向に形成され、さらに、該旋回孔のいずれかの前記切断面に対する投影位置が、互いに異なるように形成され、該旋回孔から噴射されたプラズマガスが全て前記テーパ部に衝突するように構成されているものである。

上記プラズマトーチでは、電極の先端部分にテーパ部を形成すると共に、該電極の外周に嵌合されるリング部材を有し、該リング部材は、前記テーパ部に対向した位置に、前記電極の軸心方向に３段の異なる位置に形成された旋回孔を有し、各段毎に、該旋回孔は、前記軸心方向に対して直交する平面によって前記リング部材を切断した切断面において、前記軸心を中心として等角度分割された位置に、かつ、前記リング部材の内周の接線方向に形成され、さらに、該旋回孔のいずれかの前記切断面に対する投影位置が、互いに異なるように形成され、該旋回孔から噴射されたプラズマガスが全て前記テーパ部に衝突するように構成されているので、プラズマガスを供給すると、旋回したプラズマガスは電極のテーパ部に沿って先端側に流れる。このプラズマガスは電極の先端部分で強い旋回流を形成し、電極の中心に形成された中空部の中心に強い負圧を作用させることが出来る。

即ち、旋回孔を３段の構成とすることで、各段から電極のテーパ部に向けて供給されたプラズマガスが流速の減衰を互いに補い、これにより、高い旋回作用を維持することが出来る。このため、電極の中空部の入り口部分に強い旋回流が作用することとなり、該中空部内に於けるプラズマガスの旋回流速が向上して深い部位まで強い負圧を作用させることが出来る。

特に、リング部材に３段で形成した旋回孔は、平面視で互いに位置をずらしておくことが好ましい。各旋回孔をこのように形成することによって、各旋回孔から噴射されたプラズマガスが相互に作用して流速を維持することが出来る。

上記本発明に係るプラズマトーチでは、電極の先端外周にリング部材を嵌合すると共に、該リング部材に３段にわたって形成された旋回孔からプラズマガスを噴射することによって、電極の中心に形成された中空部の奥側まで強い負圧を作用させることが出来、これにより、中空部の表面に於けるアーク発生点の範囲を拡大することが出来る。このため、電極の寿命を延長することが出来る。

以下、上記プラズマトーチの好ましい実施形態について図を用いて説明する。図１はプラズマトーチの全体構成を説明する図である。図２はプラズマトーチの先端部分の構成を説明する拡大図である。図３はリング部材の構成を説明する断面図である。図４は旋回孔の構成を説明する図であり、図３のａ断面〜ｃ断面図である。

本発明に係るプラズマトーチＡは、焼却灰，金属，合成樹脂等からなる被溶融物を溶融して廃棄処理すべき容積を減少させ、或いは医療廃棄物を無害化処理するような際に用いるものであり、リング部材１からアルゴンガス，窒素ガス，空気等のガスの中から選択されたガス、例えば空気を旋回させて電極２とノズル３とによって構成された室４に供給し、この状態で電極２と図示しない陰極に高い電圧で大電流を付与することで、空気をプラズマガスとしたプラズマアークを形成してノズル３から噴射し、このプラズマアークの熱によって被溶融物を溶融させるものである。

特に、リング部材１から室４にプラズマガスを供給する際に、該リング部材１に３段にわたって且つ各段毎に複数形成した旋回孔５を通過させることによって、室４に於けるプラズマガスを強い旋回流とし、これによって、電極２の中心に形成された中空部２ａの中心軸６（プラズマトーチＡの中心軸と一致している）に沿って奥側まで強い負圧を作用させることを可能としたものである。

上記の如く、電極２の中空部２ａの奥まで強い負圧を作用させることで、該中空部２ａの表面に於けるアーク発生点の移動範囲を拡大することが可能となり、これにより、電極２の溶損可能部分の範囲を拡げて寿命を延長することが可能となる。

先ず、本発明に係るプラズマトーチＡの概略構成について簡単に説明する。プラズマトーチＡは筒体からなる本体11を有しており、該本体11の中心に導電性を持ったパイプからなる電極台12が設けられている。この電極台12は先端（図１の左側）に電極２を着脱可能に取り付けることが可能なように構成されており、また内部に冷却水が供給されると共に該冷却水を電極２の周囲に形成された冷却水通路13に供給し得るように構成されている。電極台12の外周には先端が電極２の先端近傍に至るように成形された筒部材14が設けられており、この筒部材14によって冷却水通路13が規定されている。

本体11と筒部材14との間に筒部材15が配置されており、該筒部材15と前記筒部材14との間にプラズマガス通路16が形成されると共に、筒部材15と本体11との間に冷却水の戻り通路である冷却水通路13が形成されている。即ち、冷却水通路13は、電極２の外周に沿って形成されると共に、該電極２の先端部から後方に戻った後、ノズル３の内面に沿って形成され、更に、本体11の内面に沿ってプラズマトーチＡの後方から排出されるような経路を持って形成されている。

筒部材14の先端部には円筒状のガイド部材17が着脱可能に嵌合しており、該ガイド部材17に内周にリング部材１、及びカップ状の絶縁部材18が嵌合している。ガイド部材17には複数のプラズマガス通孔17ａが形成されており、プラズマガス通路16を通って供給されたプラズマガスは、プラズマラス通孔17ａを通過することでリング部材１と絶縁部材18との間に形成された室19に供給される。

本体11の先端にはノズル３が着脱可能に取り付けられている。このノズル３は、中心にプラズマアークを噴射する噴射孔３ａが形成されており、外周にはテーパ部３ｂが形成されると共に本体11に対して着脱されるネジ部３ｃが形成されている。噴射孔３ａは、ノズル３の先端部分から電極２に向けて接近し得るように突出して形成された突部３ｄに形成されている。

そしてノズル３を本体11に取り付けたとき、突部３ｄが絶縁部材18に嵌合すると共に電極２の先端面に接近することで、リング部材１，電極２，ノズル３，絶縁部材18とによって室４が構成される。

次に本発明に係るプラズマトーチの具体的な構成について説明する。電極２は、図示しない陰極との間に大電圧，大電流の通電がなされる際の電極であり、室４に対してプラズマガスを供給しつつ通電することで、該プラズマガスをプラズマアークとしてノズル３の噴射孔３ａから噴射する機能を有するものである。この電極２は銅又は銅合金によって形成されており、中心には中空部２ａが形成されている。

電極２の長さを限定するものではないが、被溶融物を溶融するためのプラズマトーチでは、電極２は約３００mm程度の長さを持って形成されており、中空部２ａも約２８０mm程度に形成され、且つノズル３の噴射孔３ａと対向する側（開口側）の径と、反対側（奥側）の径とが互いに異なる値で形成されている。即ち、中空部２ａは開口側の径が大きく、奥側の径が小さい２段階の中空部として形成されている。

電極２の先端外周にはテーパ部２ｂが形成されており、該テーパ部２ｂの基部にリング部材１を嵌合する部位である段部２ｃが形成されている。テーパ部２ｂのテーパ角度はリング部材１から噴射されたプラズマガスが円滑に電極２の先端面側に流れるような角度に設定されている。このような角度としては、約４０度〜５０度の範囲であることが好ましい。例えば、本実施例では、テーパ部２ｂのテーパ角度は４５度に設定されている。

またテーパ部２ｂの長さは、リング部材１に３段にわたって形成された旋回孔５が対向し得る範囲に設定されており、複数の旋回孔５から噴射されたプラズマガスが全てテーパ部２ａの何れかに衝突し得るように構成されている。

リング部材１は電極２の外周に嵌合し得る円筒状に形成されており、先端にフランジ１ａが形成され、該フランジ１ａから後方側にかけて３段にわたって旋回孔５が形成されている。また旋回孔５の後方側の端部の段から所定距離離隔した位置に、電極２に嵌合したとき該電極２の外周に形成された段部２ｃに係合するフランジ状の突起部１ｂが形成されている。また内周面及び外周面の所定位置には、夫々Ｏリングを収容する溝１ｃが形成されている。

リング部材１に形成された旋回孔５は、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、各段毎に３個が等角度（１２０度）に分割した位置に且つ内周の接線方向に形成されており、更に、隣接する段毎に３０度ずらした位置に形成されている。従って、リング部材１に形成された旋回孔５を中心軸６方向から見たとき、９個の旋回孔５が３０度ずらして形成されている。

上記の如く本実施例では、各段毎に３個の旋回孔５が形成され、全体で９個の旋回孔５が形成されている。しかし、本発明では、旋回孔５の数をこの実施例に限定するものではなく、各段毎に４個、全体で１２個の旋回孔５を形成しても良く、旋回孔５の数をより多く形成しても良い。

上記電極２を電極台12の先端に螺合させて取り付け、その後、電極２にリング部材１を嵌合させて該電極２に形成された段部２ｃにリング部材１の突起１ｂを係合させ、更にリング部材１に絶縁部材18を嵌合すると共にノズル３を嵌合して該ノズル３を本体11に螺合することで、プラズマトーチＡを組み立てることが可能である。

このとき、リング部材１に形成された旋回孔５は電極２のテーパ部２ｂに対向する。従って、プラズマトーチＡの後端側に設けた図示しない供給口からプラズマガス通路16に空気からなるプラズマガスを供給すると、供給されたプラズマガスは、旋回孔５から室４に向けて旋回しつつ噴射し、テーパ部２ｂの外周面に沿って流れる。このため、プラズマガスは強い旋回を維持しつつ電極２の先端側に流れ、更に、電極２の先端面とノズル３との間の間隙に流れて電極２の中空部２ａの奥側にわたって強い負圧を作用させることが可能である。

本件発明者が、上記状態で電極２の中空部２ａに於ける中心軸６に沿った位置の圧力と、中空部２ａの壁面に於ける圧力を測定したところ、中心軸６に沿った圧力は、中空部２ａの最も奥部で水柱約−３０mm、中空部２ａの先端部分で水柱約−１００mmであった。また壁面の圧力は中空部２ａの最も奥部で水柱約４００mm、中空部２ａの先端部分で水柱約５５０mmであった。これらの測定結果は、従来のプラズマトーチの性能と比較して充分に満足する値である。

更に、図示しない電源の陽極を電極２に接続すると共に、プラズマトーチＡと対向した図示しない電極としての機能を有する部位に電源の陰極を接続し、プラズマトーチＡにプラズマガスを供給しつつ、電極２及び陰極に通電することで、両極の間に放電してプラズマガスをプラズマ化してノズル３の噴射孔３ａからプラズマアークを噴射することが可能である。

そしてノズル３の噴射孔３ａから噴射されたプラズマアークによって被溶融物に熱を作用させて溶融することが可能である。

本発明に係るプラズマトーチＡは焼却灰や金属或いは非金属を溶融する際に用いたとき、寿命を延長することが可能となり有利である。

プラズマトーチの全体構成を説明する図である。 プラズマトーチの先端部分の構成を説明する拡大図である。 リング部材の構成を説明する断面図である。 旋回孔の構成を説明する図であり、図３のａ断面〜ｃ断面図である。

Ａ プラズマトーチ
１ リング部材
１ａ フランジ
１ｂ 突起部
１ｃ 溝
２ 電極
２ａ 中空部
２ｂ テーパ部
２ｃ 段部
３ ノズル
３ａ 噴射孔
３ｂ テーパ部
３ｃ ネジ部
３ｄ 突部
４ 室
５ 旋回孔
６ 中心軸
11 本体
12 電極台
13 冷却水通路
14，15 筒部材
16 プラズマガス通路
17 ガイド部材
17ａ プラズマガス通路
18 絶縁部材
19 室

Claims (1)

1. 中心に中空部が形成された円筒状の電極と該電極と対向して配置されプラズマアークを通過させる孔が形成されたノズルとを有し、前記電極とノズルとの間にプラズマガスを供給してプラズマアークを形成するプラズマトーチに於いて、
   前記電極の先端の外周部分に予め設定された角度を持ったテーパ部を形成すると共に、
   該電極の外周に嵌合されるリング部材を有し、
   該リング部材は、前記テーパ部に対向した位置に、前記電極の軸心方向に３段の異なる位置に形成された旋回孔を有し、
   各段毎に、該旋回孔は、前記軸心方向に対して直交する平面によって前記リング部材を切断した切断面において、前記軸心を中心として等角度分割された位置に、かつ、前記リング部材の内周の接線方向に形成され、さらに、該旋回孔のいずれかの前記切断面に対する投影位置が、互いに異なるように形成され、
   該旋回孔から噴射されたプラズマガスが全て前記テーパ部に衝突するように構成されていることを特徴とするプラズマトーチ。

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