JP5729514B1 - プラズマ発生装置、液上溶融方法及び給電装置 - Google Patents

プラズマ発生装置、液上溶融方法及び給電装置 Download PDF

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Abstract

【課題】小型化が可能であり、より効率的なプラズマ発生装置及びこれを用いた液上溶融方法を提供する。【解決手段】プラズマ発生装置は、直流電源2と、直流電源2に接続される第一のチョークコイルCH1、第一のチョークコイルCH1に接続される第一のコンデンサC1、第一のコンデンサC1に接続される第一のスイッチング素子SW1及び第二のチョークコイルCH2、を備えるトロイダルコア発振回路3と、第二のチョークコイルCH2に接続される第三のチョークコイルCH3を備えるトロイダルコア共振回路4と、第三のチョークコイルCH3に接続される一対の電極E1と、を備える。【選択図】図1

Description

本発明は、プラズマ発生装置及び液上溶融方法に関する。
溶接とは複数の部材に熱や圧力を加えて当該複数の部材を強固に接合する方法をいう。溶接のうち、一方に電極を、他方に導電性材料を用いることで、この電極と導電性材料の間にアークプラズマ(以下「プラズマ」という。)を発生させ、これらの間の溶接を行ういわゆるプラズマ溶接がある。
プラズマを発生させ溶接しようとする技術が例えば下記特許文献1に開示されている。
特開2013−252540号公報
しかしながら、上記特許文献1で示されるようなプラズマ溶接には非常に高い温度のプラズマの発生が必要であり、高い電圧すなわち電力が必要となる。またこの結果、装置構造も大きくなるといった課題がある。
そこで、本発明は、上記課題に鑑み、小型化が可能であり、より効率的なプラズマ発生装置及びこれを用いた液上溶融方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決する本発明の一観点に係るプラズマ発生装置は、直流電源と、直流電源に接続される第一のチョークコイル、第一のチョークコイルに接続される第一のコンデンサ、第一のコンデンサに接続される第一のスイッチング素子及び第二のチョークコイル、を備えるトロイダルコア発振回路と、第二のチョークコイルに接続される第三のチョークコイルを備えるトロイダルコア共振回路と、第三のチョークコイルに接続される一対の電極と、を備える。
また、本発明の他の一観点に係る液上溶融方法は、直流電源と、直流電源に接続される第一のチョークコイル、第一のチョークコイルに接続される第一のコンデンサ、第一のコンデンサに接続される第一のスイッチング素子及び第二のチョークコイル、を備えるトロイダルコア発振回路と、第二のチョークコイルに接続される第三のチョークコイルを備えるトロイダルコア共振回路と、第三のチョークコイルに接続される一対の電極と、を備えるプラズマ発生装置を用い、一方の電極を溶液に浸す一方、他方の電極を前記溶液の液面に近づけることによって前記液面と前記他方の電極の間にアークを発生させ、溶融を行うものである。
なお、本発明の他の一観点に係る給電装置は、直流電源と、直流電源に接続される第一のチョークコイル、第一のチョークコイルに接続される第一のコンデンサ、前記第一のコンデンサに接続される第一のスイッチング素子及び第二のチョークコイル、を備えるトロイダルコア発振回路と、第二のチョークコイルに接続される第二のコンデンサを備える電力供給回路と、電力供給回路における導線を囲うよう配置されるフェライトを備える電力取出回路と、を備える。
以上、本発明によって、より効率的なプラズマ発生装置及び液上溶融方法を提供することができる。
実施形態に係るプラズマ発生装置の概略を示す図である。 実施形態に係る第一のチョークコイルの巻き方のイメージ図である。 実施形態に係る第二のチョークコイルの巻き方のイメージ図である。 実施形態に係る第三のチョークコイルの巻き方のイメージ図である。 実施形態に係るプラズマ発生装置の概略を示す図である。 実施形態に係るプラズマ発生装置の概略を示す図である。 実施形態に係るプラズマ発生装置の概略を示す図である。 実施形態に係るプラズマ発生装置の写真図である。 実施形態に係るプラズマ装置における電極間に発生する電力波形を示す図である。 本実施形態に係る第三のチョークコイル銅電極を食塩水に浸す一方、ステンレスの細棒を水面に近づけた時の写真図である。
以下、本発明の実施形態に関し、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は多くの異なる形態による実施が可能であり、以下に示す実施形態、実施例の具体的な例示にのみ限定されるわけではない。
(プラズマ発生装置)
図1は、本実施形態に係るプラズマ発生装置(以下「本装置」という。)1の概略を示す図である。本図で示すように、本装置1は、直流電源2と、直流電源2に接続される第一のチョークコイルCH1、第一のチョークコイルCH1に接続される第一のコンデンサC1、第一のコンデンサC1に接続される第一のスイッチング素子SW1及び第二のチョークコイルCH2、を備えるトロイダルコア発振回路3と、第二のチョークコイルCH2に接続される第三のチョークコイルCH3を備えるトロイダルコア共振回路4と、第三のチョークコイルCH3に接続される一対の電極E1と、を備える。
本実施形態において、直流電源2は、直流電流又は直流電圧を供給することができる装置である。直流電源2はプラス、マイナスの出力端子を有しており、それぞれが導線に接続されることによって、下流の回路部分に直流電流、直流電圧を供給することができる。
本実施形態において直流電圧2は、一対の電極E1間に発生させる電圧、電流の大きさに合わせて適宜調整可能であるが、好ましい出力を得るためには3V以上200V以下好ましくは5V以上100V以下の直流電圧、2A以上10A以下の直流電流を供給することができるものであることが望ましい。また本実施形態における直流電源2は、直流を発生させることができる限りにおいて限定されるわけではないが、商用の交流電流の入力を受け、これを直流電源に変換するいわゆるAC−DCアダプターであることも好ましい一例である。
また、本実施形態において直流電源2には、チョークコイルを冷却するためのファンFが接続されていることも好ましい。
また本実施形態において、第一のチョークコイルCH1は、コアに独立した二つの導線が巻き回されたコイルであって、例えば図2で示すように、そのそれぞれの導線の巻き方が逆になっている。そして、一方の導線の一端は直流電源のプラスに接続されており、他方の一端は第一のコンデンサC1及び第二のチョークコイルCH2に接続されている。また他方の導線の一端は直流電源のマイナスに接続されており、他方の一端は第一のコンデンサC1及び第一のスイッチング素子SW1に接続されている。なお第一のチョークコイルにおける「第一」は、他のコモンモードチョークコイルと区別するために用いられる用語であって、「第一」自体に技術的な特別の意味は含まれていない。
また本実施形態において、第一のチョークコイルCH1のコアは、フェライトであることが出力を高くする観点から好ましいが、単に鉄芯であってもよい。
また本実施形態において、第一のチョークコイルのインダクタンスは、限定されるわけではないが、0.5mH以上5.0mH以下であることが好ましく、より好ましくは1.0μH以上3.0μH以下の範囲内である。
また、本実施形態において、第一のコンデンサC1は、上記のとおり第一のチョークコイルに接続されている。より具体的には第一のコンデンサC1の一方の端子は第一のチョークコイルの一方の導線の一端及び第二のチョークコイルCH2に、他方の端子は第一のチョークコイルCH1の他方の導線の一端及び第一のスイッチング素子SW1に接続されている。また第一のコンデンサC1、第二のチョークコイルCH2、第一のスイッチング素子SW1は直列に接続されるとともに一周を構成する回路を形成している。
本実施形態において、第一のコンデンサC1の容量は、特に限定されず適宜調整可能であるが、0.5μF以上10μF以下であることが好ましく、より好ましくは1μF以上5μ以下である。
本実施形態において、第一のスイッチング素子SW1は、スイッチング信号の入力に応じて配線の導通、非導通を制御する素子である。スイッチング素子としては、この機能を有する限りにおいて限定されるわけではないが、電界効果トランジスタ、IGBT等を例示することができるがこれに限定されない。本実施形態では、スイッチング素子としてn型の電界効果トランジスタを用いており、ソースドレイン領域が第二のチョークコイルCH2と第一のチョークコイルCH1に接続されており、ゲートが並列に接続された第一の抵抗RG1及びコンデンサCGを介して直流電流2のプラス側に接続されている。また、スイッチング素子SW1のゲートは、第二の抵抗RG2を介して第一のチョークコイルCH1とスイッチング素子SW1のソースドレイン領域の一方(第一のチョークコイルCH1と接続されている側)の間の導線と接続されている。
また、本実施形態において、第二のチョークコイルCH2は、上記第一のチョークコイルCH2と同様、コアと、このコアに巻き回された一対の導線を有する構成を採用することができるが、本実施形態においては、一対の導線が二重で同じ向きで巻かれているものであることが好ましい。この場合のイメージ図を図3に示しておく。このようにすることで電力の伝達を高効率にできるといった効果がある。なお、本実施形態において「第二」とは上記「第一」と同様、他のチョークコイルと異なるという区別のために用いられる用語であって、「第二」という言葉自体に特別な技術的意味は含まれていない。
また、本実施形態において、第二のチョークコイルCH2としては、本装置の効果を発揮することができる限りにおいて限定されず、そのインダクタンスは5μH以上50μH以下であることが好ましく、より好ましくは10μH以上30μH以下の範囲内である。
上記の記載及び図面から明らかなように、第二のチョークコイルCH2の一方の導線の一端は、上記第一のコンデンサC1及び第一のチョークコイルCH1に接続されており、他方の一端は第一のスイッチング素子SW1に接続されている。また、他方の導線の一端は、第三のチョークコイルCH3に接続されており、他方の一端も第三のコンデンサC3を介して第三のチョークコイルCH3に接続されている。なお他方の導線の一端と他方の導線の他の一端の間には第二のコンデンサC2に接続されている。
また本実施形態において、第二のチョークコイルのコアは、特に限定されるわけではないが、フェライトよりもカーボニル鉄を含むものであることが好ましい。
また、本実施形態において、第三のチョークコイルCH3は、上記第一のチョークコイルと同様、コアとこのコアの周囲に同じ向きに巻かれた一対の導線が巻きまわされて一方の巻き回しの先端が他方の巻き回しの末端に接続されている。また、第二のチョークコイルCH2に接続された導線がこの第三のチョークコイルCH3に巻かれている。この場合のイメージ図を図4に示しておく。
また本実施形態において、第三のチョークコイルCH3の一方の導線の一端は、第二のチョークコイルCH2に接続されており、一方の導線の他の一端も、上記のとおり第二のチョークコイルCH2に接続されている。一方、第三のチョークコイルCH3の導線の両端はそれぞれ電極E1に接続されている。
また、本実施形態において、第三のチョークコイルCH3としては、本装置の効果を発揮することができる限りにおいて限定されず、そのインダクタンスは5mH以上40mH以下であることが好ましく、より好ましくは5mH以上30mH以下の範囲内である。
また、本実施形態において、一対の電極E1は、電力を供給するためのものであって、第三のチョークコイルCH4に接続される。
また、本実施形態において、一対の電極E1の材質としては、限定されるわけではないが、例えば金、銀、銅、鉄等導電性を備えているものであれば特に限定されない。
一方で、本実施形態において電極E1の一方は、導電性の保持部を有するものであることが好ましい。この保持部を有することで、後述の記載からも明らかであるが、被加工対象を保持し、この被加工対象を加工することができるようになる。
ここで、本実施形態に係るプラズマ発生装置の動作原理について説明する。まず、直流電源2から第一のチョークコイルCH1を介して第一のコンデンサC1に電力が供給される。すると第一のコンデンサC1に一定量の電荷が蓄積される。一方、第二のチョークコイルCH2には、第一のコンデンサC1又は直流電源から電力が供給され、第二のチョークコイルCH2に電力が供給される。この場合において、スイッチング素子SW1のゲートは直流電源2のプラス側に接続されているため、オン状態となっており、第二のチョークコイルCH2に供給された電力はそのままスイッチング素子SW1のソースドレイン領域を透過する。しかしながら、第二のチョークコイルCH2及びスイッチング素子SW1が導通していると第一のコンデンサC1の電圧が下がり、結果的に第一のコンデンサC1と第一のスイッチング素子SW1の電圧が下がることとなる。すると、スイッチング素子SW1のゲートに接続されている電圧もこれに従い下がることとなるため、スイッチング素子SW1はオフ状態となる。すると、直流電源2から第一のコンデンサC1に再び電荷が蓄積され始める。そして十分な電量に達すると、再びスイッチング素子SW1のゲートがオン状態となり、第二のコンデンサC2及びスイッチング素子SW1のソースドレイン領域が導通することとなる。すなわち、これが一定周期をおいて繰り返されることで高周波の電力を安定的に供給することができ、プラズマ発生装置として機能することができる。
また本実施形態では、直流電源のプラス側に第二のチョークコイルCH2を接続しているが、直流電源のマイナス側に第二のチョークコイルCH2を配置しても良い。この場合の図を図5に示しておく。なお、この場合、第一のスイッチング素子SW1のゲートは、直流電源のマイナス側に接続されることとなるとともに、p型の電界効果トランジスタとなっている。また、スイッチング素子SW1のゲートは、スイッチング素子SW1の一方のソースドレイン領域(第二のチョークコイルに接続されていない側)と第一のチョークコイルを接続する導線にも接続されている。この結果、上記と同様の効果を得ることができる。
以上、本装置によって、より効率的なプラズマ発生装置となる。
(給電装置)
ところで、本装置は、給電装置に応用することができる。具体的に説明すると、第三のチョークコイルを省略して第二のコンデンサに変えた回路とし、この周囲にフェライトを配置させることでフェライトに電力を生じさせることができる。
すなわち具体的に本装置の応用例としての高周波電力発生装置、又は、給電装置は、直流電源2と、直流電源2に接続される第一のチョークコイルCH1、第一のチョークコイルに接続される第一のコンデンサC1、第一のコンデンサC1に接続される第一のスイッチング素子SW1及び第二のチョークコイルCH2、を備えるトロイダルコア発振回路3と、第二のチョークコイルCH2に接続される導線及び第二のコンデンサC2を備える電力供給回路と、を備えた高周波電力発生装置、更には、この電力供給回路における導線を囲うよう配置されるフェライトコアを備える電力取出回路と、を備える給電装置となる。この図を図6、図7に示しておく。
本高周波電力発生装置によると、一対の導線間を接続することで高周波電力を取り出すことができ、本給電装置によると、上記導線間を接続し、フェライトコア中に通すことでフェライトコアと接触しなくとも、電磁誘導によってフェライトコアから電力を伝達することができる。
(液上溶融方法)
ここで、上記プラズマ発生装置を用いた液上溶融方法(以下「本方法」という。)について説明する。本方法は、上記プラズマ発生装置を用い、一方の電極を溶液に浸す一方、他方の電極を前記溶液の液面に近づけることによって液面と前記他方の電極の間にアークを発生させ、溶融を行う。
本方法において、用いる液としては、特に限定されるわけではないが、導電性を備えたものであることが必要であり、特に電解質を備えた水であることが好ましい。このようにすることで、液体を介してアークを発生させることが可能となる。
ここで、実際に上記装置について作製し、その効果を確認した。以下具体的に説明する。
直流電源として12V、3.8Aの直流電源を、第一のチョークコイルとして、コモンモードノイズフィルター(FK130G−1020R)を、第一のコンデンサとして2.2μF250Vのフィルムコンデンサーを、第二のチョークコイルとして、23.7μHのトロイダルコイルHKBS−20D140−1412を、スイッチング素子としてNチャンネルのMOS−FET(2SK3628)、第三のチョークコイルとして、コモンモードノイズフィルター(DRC−38−S41327A)を同じ導線で2ターン追加したものを用い、上記図1で示される等価回路となるよう接続した。この構成した装置の写真図を図8で示しておく。
そして、これに対し、直流電源から上記電圧、電流を印加したところ、約50kHz、100Vの高周波電流を得ることができた。この場合における電極間に発生する電力波形を図9に示しておく。
そして、第三のチョークコイルの一方に平板の銅電極を、他方に導電性のクリップを介してステンレスの細棒を接続し、銅電極を食塩水に浸す一方、ステンレスの細棒を水面に近づけたところ、アーク電流が発生し、ステンレス細棒が溶融したことを確認した。この結果、十分な溶接ができることを確認した。この場合における写真図を図10に示しておく。
以上、本装置によって、より効率的なプラズマ発生装置を提供することができるとともに、液上においてプラズマ溶接を行うことができるのを確認した。
本発明は、プラズマ発生装置、及び液上溶融方法として産業上の利用可能性がある。

Claims (7)

  1. コアに独立した二つの導線が巻き回されており、当該二つの導線のうちの一方の導線の一方の端が直流電源のプラスの端に、当該二つの導線のうちの他方の導線の一方の端が直流電源のマイナスの端に接続される第一のチョークコイル、前記第一のチョークコイルの前記一方の導線の他方の端に一方の端が、前記第一のチョークコイルの前記他方の導線の他方の端に他方の端が接続される第一のコンデンサ、コアに独立した二つの導線が巻き回されており、当該二つの導線のうちの一方の導線の一方の端が前記第一のチョークコイルの前記一方の導線の他方の端に接続される第二のチョークコイル、前記第二のチョークコイルの前記一方の導線における他方の端に一方の端が接続され、他方の端が前記第一のチョークコイルの前記他方の導線の他方の端及び前記第一のコンデンサの前記他方の端に接続され、かつゲートが前記直流電源のプラス側に接続された導線に接続されている第一のスイッチング素子、を備えるトロイダルコア発振回路と、
    コアに独立した二つの導線が巻き回されており、当該二つの導線のうちの一方の導線の一方の端が前記第二のチョークコイルの前記他方の導線の一方の端に、他方の端が前記第二のチョークコイルの前記他方の導線の他方の端に接続される第三のチョークコイルを備えるトロイダルコア共振回路と、
    前記第三のチョークコイルの前記二つの導線のうちの他方の導線の一対の端に接続される一対の電極と、を備えるプラズマ発生装置。
  2. コアに独立した二つの導線が巻き回されており、当該二つの導線のうちの一方の導線の一方の端が直流電源のプラスの端に、当該二つの導線のうちの他方の導線の一方の端が直流電源のマイナスの端に接続される第一のチョークコイル、前記第一のチョークコイルの前記一方の導線の他方の端に一方の端が、前記第一のチョークコイルの前記他方の導線の他方の端に他方の端が接続される第一のコンデンサ、一方の端が前記第一のチョークコイルの前記一方の導線の他方の端に接続され、かつゲートが前記直流電源のマイナス側に接続された導線に接続されている第一のスイッチング素子、コアに独立した二つの導線が巻き回されており、当該二つの導線のうちの一方の導線の一方の端が前記第一のスイッチング素子の他方の端に接続され、前記一方の導線の他方の端が前記第一のチョークコイルの前記他方の導線の他方の端に接続される第二のチョークコイル、を備えるトロイダルコア発振回路と、
    コアに独立した二つの導線が巻き回されており、当該二つの導線のうちの一方の導線の一方の端が前記第二のチョークコイルの前記他方の導線の一方の端に、他方の端が前記第二のチョークコイルの前記他方の導線の他方の端に接続される第三のチョークコイルを備えるトロイダルコア共振回路と、
    前記第三のチョークコイルの前記二つの導線のうちの他方の導線の一対の端に接続される一対の電極と、を備えるプラズマ発生装置。
  3. コアに独立した二つの導線が巻き回されており、当該二つの導線のうちの一方の導線の一方の端が直流電源のプラスの端に、当該二つの導線のうちの他方の導線の一方の端が直流電源のマイナスの端に接続される第一のチョークコイル、前記第一のチョークコイルの前記一方の導線の他方の端に一方の端が、前記第一のチョークコイルの前記他方の導線の他方の端に他方の端が接続される第一のコンデンサ、コアに独立した二つの導線が巻き回されており、当該二つの導線のうちの一方の導線の一方の端が前記第一のチョークコイルの前記一方の導線の他方の端に接続される第二のチョークコイル、前記第二のチョークコイルの前記一方の導線における他方の端に一方の端が接続され、他方の端が前記第一のチョークコイルの前記他方の導線の他方の端及び前記第一のコンデンサの前記他方の端に接続される第一のスイッチング素子、を備えるトロイダルコア発振回路と、
    コアに独立した二つの導線が巻き回されており、当該二つの導線のうちの一方の導線の一方の端が前記第二のチョークコイルの前記他方の導線の一方の端に、他方の端が前記第二のチョークコイルの前記他方の導線の他方の端に接続される第三のチョークコイルを備えるトロイダルコア共振回路と、
    前記第三のチョークコイルの前記二つの導線のうちの他方の導線の一対の端に接続される一対の電極と、を備えるプラズマ発生装置であって、
    前記第一のコンデンサの他方の端と前記直流電源のプラス側を接続するとともに、直列に接続された第一の抵抗及び第二の抵抗を備えた導線を備え、
    前記第一の抵抗及び前記第二の抵抗の間の導線に、前記第一のスイッチング素子のゲート電極が接続されているプラズマ発生装置。
  4. コアに独立した二つの導線が巻き回されており、当該二つの導線のうちの一方の導線の一方の端が直流電源のプラスの端に、当該二つの導線のうちの他方の導線の一方の端が直流電源のマイナスの端に接続される第一のチョークコイル、前記第一のチョークコイルの前記一方の導線の他方の端に一方の端が、前記第一のチョークコイルの前記他方の導線の他方の端に他方の端が接続される第一のコンデンサ、一方の端が前記第一のチョークコイルの前記一方の導線の他方の端に接続される第一のスイッチング素子、コアに独立した二つの導線が巻き回されており、当該二つの導線のうちの一方の導線の一方の端が前記第一のスイッチング素子の他方の端に接続され、前記一方の導線の他方の端が前記第一のチョークコイルの前記他方の導線の他方の端に接続される第二のチョークコイル、を備えるトロイダルコア発振回路と、
    コアに独立した二つの導線が巻き回されており、当該二つの導線のうちの一方の導線の一方の端が前記第二のチョークコイルの前記他方の導線の一方の端に、他方の端が前記第二のチョークコイルの前記他方の導線の他方の端に接続される第三のチョークコイルを備えるトロイダルコア共振回路と、
    前記第三のチョークコイルの前記二つの導線のうちの他方の導線の一対の端に接続される一対の電極と、を備えるプラズマ発生装置であって、
    前記第一のコンデンサの一方の端と前記直流電源のマイナス側を接続するとともに、直列に接続された第一の抵抗及び第二の抵抗を備えた導線を備え、
    前記第一の抵抗及び前記第二の抵抗の間の導線に、前記第一のスイッチング素子のゲート電極が接続されているプラズマ発生装置。
  5. 前記一対の電極のうち一方は、金属を保持するとともに前記金属に通電する電極保持部を有する請求項1記載のプラズマ発生装置。
  6. 請求項1又は2に記載のプラズマ発生装置を用い、
    一方の電極を溶液に浸す一方、他方の電極を前記溶液の液面に近づけることによって前記液面と前記他方の電極の間にアークを発生させ、溶接を行う液上溶融方法。
  7. コアに独立した二つの導線が巻き回されており、当該二つの導線のうちの一方の導線の一方の端が直流電源の一方の端に、当該二つの導線のうちの他方の導線の一方の端が直流電源の他方の端に接続される第一のチョークコイル、前記第一のチョークコイルの前記一方の導線の他方の端に一方の端が、前記第一のチョークコイルの前記他方の導線の他方の端に他方の端が接続される第一のコンデンサ、コアに独立した二つの導線が巻き回されており、当該二つの導線のうちの一方の導線の一方の端が前記第一のチョークコイルの前記一方の導線の他方の端に接続される第二のチョークコイル、前記第二のチョークコイルの前記一方の導線における他方の端に一方の端が接続され、他方の端が前記第一のチョークコイルの前記他方の導線の他方の端及び前記第一のコンデンサの前記他方の端に接続され、かつゲートが前記直流電源の前記一方の端側に接続された導線に接続されている第一のスイッチング素子、を備えるトロイダルコア発振回路と、
    前記第二のチョークコイルの他方の導線の両端の間を接続する導線及び第二のコンデンサを備える電力供給回路と、
    前記電力供給回路における導線を囲うよう配置されるフェライトを備える電力取出回路と、を備える給電装置。
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