JP4602105B2 - 放電破砕装置の電極 - Google Patents

Description

本発明は放電破砕装置の電極に関し、特に、強い衝撃波を得られる構造を備えた電極に関する。

岩石やコンクリート等の破壊対象物を破砕するために放電破砕装置を用いた放電破砕方法が知られている。例えば図８に示すように、破壊対象物６０に予め電解液充填孔６１を形成し、この電解液充填孔６１内に水等の電解液６３を充填してこの電解液６３中に放電破砕装置５０の電極７０を挿入し、電極７０に大電流パルスを印加して放電を行わせる。この放電エネルギーにより電解液６３が衝撃波を発生するので、この衝撃波で電解液充填孔６１の周囲を破砕することで、破壊対象物６０を破砕する。放電破砕装置５０は、大容量（例えば約５００ｋＪ）のコンデンサ８２及びスイッチ８３；８４を備えた回路で構成されたパルスパワー源８０と、コンデンサ８２の一方の極８２ａに接続されるとともにコンデンサ８２の他方の極８２ｂにスイッチ８３を介して接続された発電機等の電源部８１と、コンデンサ８２の一方の極８２ａに接続された一方電極とコンデンサ８２の他方の極８２ｂにスイッチ８４を介して接続された他方電極とこれら一方電極と他方電極とを絶縁する絶縁体とで形成された電極７０とを備える。図示しないが、パルスパワー源８０の回路は接地（アース）されている。
図８；図９に示すように、電極７０は、例えば一方電極としての棒状の内部導体７３と内部導体７３の外周囲を被覆する筒状の絶縁体７４と絶縁体７４の外周囲に設けられた他方電極としての外部導体７５とで構成される。外部導体７５は、内部導体７３の中心線に沿った方向に間隔を隔てて設けられた複数の浮遊電極７６；７６・・・を構成する。「浮遊電極」とは、電源側と電気的に絶縁された電極のことである。絶縁体７４の先端７４ｔより突出して露出する内部導体７３の先端部７３ｔとこの先端部７３ｔに最も近い浮遊電極７６の先端部７６ｔとで放電を生じさせる先端側放電ギャップ７７が形成され、互いに対向する浮遊電極７６同士の端部７６ｓと端部７６ｓとで放電を生じさせる中間側放電ギャップ７８が形成される。中間側放電ギャップ７８は複数形成される。
スイッチ８４及びスイッチ８３の非導通の状態で、破壊対象物６０の電解液充填孔６１内の電解液６３中に電極７０を挿入した後に、スイッチ８３を導通してコンデンサ８２に電源部８１からの電荷を蓄積させる。そしてスイッチ８４を導通して、コンデンサ８２に蓄えられた電荷を電極７０に印加すると、先端側放電ギャップ７７で放電を生じ、この放電エネルギーによって電解液６３が衝撃波を発生する。同様に、複数の中間側放電ギャップ７８で放電を生じ、この放電エネルギーによって電解液６３が衝撃波を発生する。これら衝撃波により破壊対象物６０が破砕する。
特開２００３−３１１１７５号公報 特開２００３−３２０２６８号公報

従来の放電破砕装置の電極では、内部導体７３の先端部７３ｔとこの先端部７３ｔに最も近い浮遊電極７６の先端部７６ｔとの間、及び、中間側放電ギャップ７８；７８・・・を隔てて配置された複数の浮遊電極７６；７６・・・間において、放電が安定せず、放電が集中しないので、衝撃波の威力も小さいという課題があった。

本発明は、破壊対象物の内側に設けられた電解液に電極を介して放電エネルギーを付与して衝撃波を発生させその衝撃波で破壊対象物を破砕する放電破砕装置の電極であって、内部導体と内部導体の外周に設けられた筒状の絶縁体と絶縁体の外周に設けられた外部導体とを備え、内部導体の先端側に設けられた先端側電極と外部導体とが放電ギャップを隔てて配置された放電破砕装置の電極において、先端側電極と外部導体とが導体により電気的に接続されたことを特徴とする。外部導体が、絶縁体の外周面において絶縁体の延長方向に放電ギャップを形成する空間を隔てて配置された複数の電極により形成され、これら複数の電極と先端側電極とが導体により電気的に接続されたことも特徴とする。導体が、先端側電極と外部導体とにより形成された外周面において複数本設けられ、この複数本の導体が、内部導体の中心線の通る位置となる先端側電極及び外部導体の外周の中心を基準として互いに等間隔の角度を隔てた位置にそれぞれ別々に設けられたことも特徴とする。導体による先端側電極と外部導体との電気的接続状態を維持する固定具を備えたことも特徴とする。

本発明の電極によれば、先端側電極と外部導体とが導体により電気的に接続された構造を備えたので、導体に電気が流れて導体の近傍において導体に沿って放電（スパーク）が集中して、放電の効率が向上し、強い衝撃波を発生できる。外部導体が複数の電極により形成されたことで、放電効率を向上できる。先端側電極と外部導体とにより形成された外周面において設けられた複数本の導体が、内部導体の中心線の通る位置となる先端側電極及び外部導体の外周の中心を基準として互いに等間隔の角度を隔てた位置にそれぞれ別々に設けられたことで、衝撃波による力が互いに相殺し合う構成となり、電極の先端側が曲がってしまうようなことを防止できる。固定具を備えたので、導体と先端側電極及び外部導体の外周面とを電気的に接続させた状態に導体を付設するための付設作業を簡単化できる。

実施形態１
図１〜図４は実施形態１を示し、図１（ａ）は放電破砕装置及び電極を示し、図１（ｂ）は結束線により導線と電極の外周面との電気的な接触が維持された状態を示し、図２は電極の断面を示し、図３は本形態による電極と比較例による電極とで生じる衝撃波の速度と印加電圧との関係を示し、図４は本形態による電極と比較例による電極とで生じる衝撃波の圧力と印加電圧との関係を示す。尚、図８と同一又は相当部分は同一符号を付す。

図１；図２に示すように、実施形態１の放電破砕装置の電極１は、一方の電極（例えば正電極）を構成する心線のような棒状の内部導体（心線）２と、内部導体２の先端２ｔ側以外の外周面２ａを被覆するよう設けられた筒状の絶縁体３と、絶縁体３の外周面３ａに設けられた外部導体４と、内部導体２の先端２ｔ側において内部導体２の外周面２ａと電気的に接続された筒状導体５Ａにより形成された先端側電極５と、内部導体２の中心線に沿った方向に放電ギャップＧ１を形成する空間を隔てて配置された先端側電極５と外部導体４とを互いに電気的に接続する導体６と、導体６による先端側電極５と外部導体４との電気的接続状態を維持する固定具７とを備える。電極１から導体６と固定具７とを取り除いた構成で電極本体１Ａが形成される。外部導体４は、内部導体２の中心線に沿った方向に放電ギャップＧ２を形成する空間を隔てて設けられた複数の浮遊電極８；８・・・を構成する。先端側電極５と先端側の浮遊電極８Ａ（８）、及び、複数の浮遊電極８；８・・・同士が１本の細い導体線（例えば線径φ＝０．１ｍｍ〜２ｍｍ程度）により形成された導体６により互いに電気的に接続される。導体６としては、放電により瞬時に溶融する程度の径を持った導体６を用いる。放電ギャップＧ１；Ｇ２は、導体６がなくても放電可能なギャップに設定される。固定具７は、例えば、先端側電極５及び複数の浮遊電極８毎に対応して設けられた複数の結束具７Ａにより形成される。結束具７Ａは、先端側電極５の外周面５ａ上から複数の浮遊電極８の外周面８ａ上を通過する導体６の外側を経由して先端側電極５の外周面５ａや浮遊電極８の外周面８ａに個々に巻付けられるもので、導体６を外周面５ａや８ａに押し付けて導体６と外周面５ａや８ａとを電気的に接触させた状態に保持する係合係止部等による状態保持部７ａ（図１（ｂ）参照）を備えた腰ベルトのような構造である。

電極１の基端１０はコネクタ７２を介してケーブル７１に接続されてパルスパワー源８０に接続される。電極１の基端１０における内部導体２はコネクタ７２を介してケーブル７１の正極線に接続され、電極１の基端１０における外部導体４はコネクタ７２を介してケーブル７１の負極線に接続される。パルスパワー源８０にはケーブル８５を介して電源部８１が接続される。

電極１を破壊対象物６０の電解液充填孔６１内に充填された水等の電解液６３中に挿入し、パルスパワー源８０を操作して電極１に大電流パルスを印加すると、放電ギャップＧ１；Ｇ２を介して放電を生じ、この放電エネルギーにより電解液充填孔６１内の電解液６３が衝撃波を発生し、これにより、破壊対象物６０を破砕できる。

実施形態１では、１本の導体線により形成された導体６により、先端側電極５の外周面５ａと先端側の浮遊電極８Ａ（８）の外周面８ａ、及び、複数の浮遊電極８；８・・・の外周面８ａ；８ａ・・・同士を互いに電気的に接続した構造としたことで、電極１に大電流パルスを印加すると、導体６に電気が流れて導体６の近傍において導体６に沿って放電（スパーク）が集中し、放電の効率が向上し、結果、放電により生じる衝撃波の速度は速くなり、衝撃波の圧力も増加した。

比較例
実験により、実施形態１の電極１により発生する衝撃波と、電極１と比較して導体６を備えない構造の電極１Ｓにより発生する衝撃波とを比較した。図３は実験による衝撃波速度を比較した結果を示し、図４は実験による衝撃波圧力を比較した結果を示す。図３；４から明らかなように、実施形態１の電極１により発生した衝撃波の速度は電極１Ｓにより発生した衝撃波の速度より速く、実施形態１の電極１により発生した衝撃波の圧力は電極１Ｓにより発生した衝撃波の圧力より高いことがわかる。すなわち、電極１Ｓと実施形態１の電極１とを比較した場合、実施形態１の電極１を使用することで、強い衝撃波を得られることが判明した。

また、内部導体２の先端２ｔ側において内部導体２の外周面２ａと電気的に接続された筒状導体５Ａによる先端側電極５を備えるので、筒状導体５Ａの外径を変更することで放電ギャップＧ１の形態を変更でき、放電効率の良い放電ギャップＧ１を選定できるので、放電ギャップＧ１の調整が容易となる。また、先端側電極５の外周面５ａの位置を浮遊電極８Ａ（８）の外周面８ａの位置との高低差を少なくできて導体６に加わる機械的ストレスを少なくでき、又、先端側電極５側と浮遊電極８側とで同じ規格の結束具７Ａを使用できて経済的に有利である。

さらに、外部導体４が、絶縁体３の外周面３ａに、絶縁体３の延長方向に放電ギャップＧ２；Ｇ２・・・を形成する空間を隔てて配置された複数の浮遊電極８；８・・・により形成され、先端側電極５と複数の浮遊電極８：８・・・とが導体６により電気的に接続されたので、放電ギャップが多くなって、かつ、導体６に沿って放電が集中するので、放電効率をさらに向上できる。

実施形態２
図５に示すように、本形態の電極１は、電極１から導体６と固定具７とを取り除いた構成である電極本体１Ａの外周面上、すなわち、筒状導体５Ａと外部導体４とにより形成された外周面において、導体６が複数本設けられ、この複数本の導体６；６が、内部導体２の中心線の通る位置となる筒状導体５Ａ及び外部導体４の外周の中心１Ｃを基準として等間隔の角度を隔てた複数の位置に設けられた構成とした。例えば、図５（ｃ）に示すように、２本の導体６；６が電極本体１Ａの外周面上において電極本体１Ａの外周の中心１Ｃを基準として互いに１８０度隔てて配置された構成とした。実施形態１では、１本の導体６を電極本体１Ａの外周面上において電極本体１Ａの中心線に沿った方向に延長させたものであるため、導体６の配置された面側に放電が集中する結果、図１（ａ）の矢印Ｆの方向に電極１の先端１ｔ側が曲がってしまうことがあり、このため、電極本体１Ａを再使用できなくなる場合があったが、実施形態２によれば、導体６；６が電極本体１Ａの外周の中心Ｃ１を基準として互いに１８０度隔てて配置されているので、衝撃波が電極本体１Ａの外周面において互いに１８０度隔てた箇所より発生するため、衝撃波による力が互いに相殺し合い、電極１の先端１ｔ側が曲がってしまうようなことを防止できる。また、本形態の電極１に大電流パルスを印加すると、２本の導体６に電気が流れて２本の導体６の近傍において導体６に沿って放電が集中し、放電の効率が向上する。その結果、実施形態１と同じように、放電により生じる衝撃波の速度は速くなり、衝撃波の圧力も増加する。尚、例えば、図６（ａ）に示すように、４本の導体６が電極本体１Ａの外周面上において電極本体１Ａの外周の中心を基準として互いに９０度隔てて配置された構成としたり、図６（ｂ）に示すように、３本の導体６が電極本体１Ａの外周面上において電極本体１Ａの外周の中心Ｃ１を基準として互いに１２０度隔てて配置された構成としても良い。つまり、衝撃波による力が互いに相殺し合うように、電極本体１Ａの外周の中心を基準としてバランスする複数の箇所に導体６；６・・・を配置すればよい。ただし、導体６を設ける本数を多くしすぎると、放電が分散するので好ましくない。

固定具７としては、放電エネルギーを消費しない絶縁物で形成され、かつ、放電時に放電を妨げない形状（例えば、電極をおおわない形状）に形成された固定具を用いることが望ましい。例えば、リング状のゴムバンドや、図５（ｃ）に示すような絶縁被覆された針金７Ｂなどを用いても良い。導体の固定具７を用いた場合には放電箇所を分散させてしまう可能性があるからである。固定具７を用いることで、導体６と外周面５ａや８ａとを電気的に接続させた状態に導体６を付設するための付設作業を簡単に行えるようになる。

導体６と外周面５ａや８ａとを溶接や導電性接着剤などの導電性固着材を用いて電気的に接続させた状態としても良い。

図７に示すように、先端側電極が内部導体２の先端２ｔ側で構成され、電極本体の先端側電極である内部導体２の先端２ｔ側の外周面２ａと浮遊電極８；８・・・の外周面８ａ；８ａ・・・とを導体６で電気的に接続した構成の電極１Ｘとしても良い。この場合、筒状導体５Ａによる先端側電極５が不要となり、電極構成を簡素化できる。また、図示しないが、複数に分割されていない外部導体４と先端側電極との間だけで放電を生じさせるような構造の電極本体に導体６を付加した構成の電極も本発明の範囲である。

本発明の実施形態１を示し、（ａ）は放電破砕装置及び電極を示す図、（ｂ）は結束線により導線と電極の外周面との電気的な接触が維持された状態を示す図。 実施形態１による放電破砕装置の電極の断面図。 実施形態１による電極と導体を備えない電極とによる衝撃波の速度と印加電圧との関係を示す図。 実施形態１による電極と導体を備えない電極とによる衝撃波の圧力と印加電圧との関係を示す図。 実施形態２による放電破砕装置の電極を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は電極の先端側から電極を見た図。 実施形態２による放電破砕装置の電極の他例を示す図。 本発明による放電破砕装置の電極の他例を示す図。 従来の放電破砕装置及び電極を示す図。 従来の放電破砕装置の電極を示す図であり、（ａ）は電極の断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ端面図。

符号の説明

１ 電極、１Ａ 電極本体、２ 内部導体、３ 絶縁体、４ 外部導体、
５ 先端側電極、５Ａ 筒状導体、６ 導体、７ 固定具、７Ａ 結束線、
８ 浮遊電極（複数の電極）、６０ 破壊対象物、６３ 電解液、
Ｇ１ 放電ギャップ。

Claims (4)

1. 破壊対象物の内側に設けられた電解液に電極を介して放電エネルギーを付与して衝撃波を発生させその衝撃波で破壊対象物を破砕する放電破砕装置の電極であって、内部導体と内部導体の外周に設けられた筒状の絶縁体と絶縁体の外周に設けられた外部導体とを備え、内部導体の先端側に設けられた先端側電極と外部導体とが放電ギャップを隔てて配置された放電破砕装置の電極において、先端側電極と外部導体とが導体により電気的に接続されたことを特徴とする放電破砕装置の電極。
2. 外部導体が、絶縁体の外周面において絶縁体の延長方向に放電ギャップを形成する空間を隔てて配置された複数の電極により形成され、これら複数の電極と先端側電極とが導体により電気的に接続されたことを特徴とする請求項１に記載の放電破砕装置の電極。
3. 導体が、先端側電極と外部導体とにより形成された外周面において複数本設けられ、この複数本の導体が、内部導体の中心線の通る位置となる先端側電極及び外部導体の外周の中心を基準として互いに等間隔の角度を隔てた位置にそれぞれ別々に設けられたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の放電破砕装置の電極。
4. 導体による先端側電極と外部導体との電気的接続状態を維持する固定具を備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の放電破砕装置の電極。

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