JP6150810B2 - 電気エネルギーを熱エネルギーに変換するためのシステム - Google Patents

Description

本発明の分野は、プラズマ・トーチまたはウェルディング・ステーションなどで使用される、電気エネルギーを熱エネルギーに変換する分野であり、これは電気アークによって起動される。本発明は、より詳細には、電気アークをトリガする装置に関する。

無移送アーク・タイプのプラズマ・トーチは、その一例が図１に示してあり、プラズマ生成ガス３注入チャンバ４によって隔てられた２つの同軸管状電極１、２を備えており、このガスがトーチ内に渦状に注入されるように考案されている。これらの電極は、ガス・フローの方向に対して、上流および下流と呼ばれている。下流電極２には、起動装置ポイント２１が設けられている。

トーチの動作の方式を以下で簡潔に思い起こしてみる。
−連続的な電流を各電極の端子に印加することにより、電極１と電極２の間で電気アーク１０を起動することが可能になる。現在では、２つの電極を「接点」短絡させることにより、高出力の（すなわち８０ｋＷを超える）プラズマ・トーチ内部でのこの電気アークのトリガが実行される。すなわち、上流電極１は、その軸に沿った並進運動において移動可能であり、下流電極２に接触するまでプラズマ・トーチの内部を進む。その後、２つの電極の端子に電流が加えられ、したがって、電気アーク１０を生成するのと同じ時点で、動作距離ｄだけ隔てられるまで、２つの電極は非常に離れている。
−アークに接触すると、ガス３は急速に加熱され、非常に高温のプラズマに変換される。
−界磁コイル５を用いて結合されたトーチにプラズマ生成ガス３を注入することにより、その後、トーチの各電極内部の位置を占めるよう、このアークを伸ばすことが可能になる。
−それに引き続いて、トーチの下流端から縦一列になってイオン化ガスが排出される。この結果として、通常４０００Ｋの非常に高温のプラズマ・ジェットすなわち「ダーツ（ｄａｒｄ）」が生じる。
−上流電極の周りに巻かれた磁場コイル５により、損耗の領域を制御し、電極１の寿命を延ばすよう、アーク末端１０の動きを駆動することが可能になる。
−電極の外部表面に接する水膜の循環を確実におこなう冷却システム６により、アークまたはプラズマに露出している構成部品の冷却が可能になる。
−特定の電流を同時に確定し、トーチに供給されるプラズマ生成ガスの流速を制御することによって、トーチの動作ポイントが選ばれる。

この点孤プロセスは非常に有効であるが、それにもかかわらず欠点がある。
−具体的には、上流電極を液圧ラムに取り付けて、その並進運動を可能にしなければならない。このラムは、関連する水圧プラントとともに、かなりの投資になることを意味し、定期メンテナンス作業が必要となる。
−電極の後退と電流の印加の間の２つの時間ずれを調整することは非常に難しい。
−さらに、電源は、高い無負荷電圧ならびに電流の大きな変動に耐えることができなければならず、この電流変動は通常、「接点」短絡時に必要とされる電圧スパイクと動作電圧との間の点火電流に応じておよそ１００Ａ程度である。これらの電源により、接点短絡と開回路の間で遷移するときに２つの電極から構成される電気回路での電流をサポートすることが可能になるはずであり、この開回路は、２つの電極およびイオン化されたプラズマ生成ガスを含む。

従来のスパーク・プラグまたは高周波放電を使用することなど、低出力プラズマ・トーチにおいて放電をトリガするための他の技法も知られている。しかし、これらの技法に必要とされる電極間の離間距離がわずかであることを考慮すると、これらの技法は、高出力プラズマ・トーチなどのエネルギー伝送システムには適していない。

本発明の目的は、これらの欠点を軽減することである。

本発明の原理は、システムの各電極間にトリガ用レーザ・プラズマを生成することであり、これらの電極は、その動作距離である固定距離だけ隔てられている。トリガ用レーザ・プラズマは、２つの電極間の様々なポイントに集束する強力なレーザ・パルスを使用して生成される。

より正確には、本発明の主題は、電気エネルギーを熱エネルギーに変換するシステムであって、
−２つの電極を結合する軸に沿って距離ｄだけ隔てられ、電位差（ｐｄ）に曝されるときの影響が及ぶ区域を画定する力線を生成することができる２つの電極と、
−この電位差（ｐｄ）をもたらすことができる、これらの電極用の電源装置と、
−これら２つの電極間に電気アークをトリガする装置とを備えるシステムである。

トリガ装置は、レーザ・パルスを放出する装置と、２つの電極の影響が及ぶ区域に配置されたＮ個の集束ポイントでこのパルスを集束させる装置とを備え、集束ポイント当たりのパルスの尖頭パワー密度が１ＧＷ／ｃｍ^２よりも高く、それにより、２つの電極間に導電区域を形成し、パルスの尖頭パワーおよび固定された距離ｄに応じてＮが決定されることが主として特徴になっている。

これにより、以下が可能になる。
−固定距離だけ隔てられた電極を使用すること。したがって、
−前文で述べたラムなど、これらの電極を並進させる装置なしで済ますこと。
−接点短絡と、無負荷電圧が高く電流変動が大きいことに対するその制約条件とによって引き起こされない、エネルギー伝送システムの電源を簡略化すること。
−電極の後退と電流の印加の間の時間ずれの制約条件なしで済ますこと。

本発明の特徴によれば、集束装置は、パルス放出装置の出力に配置され、レーザ・パルスの少なくとも１つの高調波を生成することができる周波数逓倍器と、逓倍器の下流に配置され、各ポイントを集束させ、次いでこれらの高調波に応じて決定される色収束光学素子とを備える。

ある選択肢によれば、集束装置は、いくつかの集束ポイントにパルスを集束させることができる無色収束光学素子を備える。

一方または両方の電極を穿孔して、レーザ・パルスが通過できるようにすることができる。

電極の一部分は、レーザ・パルスの経路上にあって、このパルスと相互作用することが好ましい。

任意選択的に、電極は、起動装置ポイントに置き換えられ、またはそれを追加される。

この伝送システムは、ウェルディング・ステーションとすることができる。

本発明の主題はまた、前述の伝送システム、および２つの電極間にプラズマ生成ガスを注入する装置を備えるプラズマ・トーチである。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照しながら、限定しない例として示した以下の詳細な説明を読むことによって明らかになろう。

従来技術による例示的なプラズマ・トーチを概略的に表す。 本発明による、電気エネルギーを熱エネルギーに変換するシステムの例示的な実施形態を概略的に表す。 本発明による、電気エネルギーを熱エネルギーに変換するシステムの例示的な実施形態を概略的に表す。 本発明による、電気エネルギーを熱エネルギーに変換するシステムの例示的な実施形態を概略的に表す。 本発明による、電気エネルギーを熱エネルギーに変換するシステムの例示的な実施形態を概略的に表す。 離隔距離ｄ、電極の端子の両端に印加される電圧ｐｄ（図３ａでは１００Ｖ、図３ｂでは７００Ｖ）、およびレーザ・パルスのエネルギーの様々な値について、２つの電極間に生成される電気アークの尖頭電圧Ｕの段階的な変化を示す。 離隔距離ｄ、電極の端子の両端に印加される電圧ｐｄ（図３ａでは１００Ｖ、図３ｂでは７００Ｖ）、およびレーザ・パルスのエネルギーの様々な値について、２つの電極間に生成される電気アークの尖頭電圧Ｕの段階的な変化を示す。

各図を通して、同じ要素には同じ参照番号を付してある。

静電学に教示されているように、３ｋＶ・ｍｍ^−１を超える電界が乾燥空気中で印加されると、この乾燥空気はもはや誘電体媒体としての挙動を示さず、電気アークが生成される。この現象の原因となる微視的なメカニズムは、空気中における少数の自由電子の電界による加速である。これらの自由電子は、加速され、衝突し、空気を構成する中性ガス（実質上Ｎ_２およびＯ_２）をイオン化する。１つまたは複数の電子を引き離すことによって、中性ガスのイオン化が顕在化する。したがって、電子なだれ現象が得られ、これは、２つの電極間の軸に沿って電子の数が非常に急激に増加することによって顕在化する。初めは絶縁媒体であった空気が、非常に急速に導電性をもつようになる。次いで、電気アークの原因となるかなり大きな電流が、２つの電極間に流れる。

数センチメートル離れてｐｄに曝されている２つの電極間に、強力なレーザ・パルスを集束させることによって、電気アークが生成されることを示してきた。

電気アーク点孤の原理は、上流電極と下流電極の間にトリガ用レーザ・プラズマを生成することである。トリガ用レーザ・プラズマは、空気中に含まれる様々なガスをイオン化する、集束した強力なレーザ・パルスを使用して生成される。電子は、多光子イオン化によって生成される。電子密度が十分に高くなるとすぐに、初めは自由電子を伴うこれらの電子は、レーザ・パルスのエネルギーを強く吸収する（逆「制動放射」という用語で知られていることもある現象）。レーザ・パルスを伴う電磁界が存在する場合、電子はこのように加熱され、空気またはガスの様々な分子と衝突する。電子は、１つまたは複数の電子を分子から引き離すことによって分子をイオン化する。これにより、電子およびイオンの密度が非常に激しく増加することによって顕在化する電子なだれ現象が生じ、これによって空気の抵抗率が著しく低下する。照射区域では、したがって、きわめて高温のプラズマが生成される。このホット・プラズマが、空気中またはガス中を急速に広がり、可視状態で放射し、次いで、数マイクロ秒のうちに消滅する。１ｎｓ〜５μｓの間のこのプラズマの比較的短い寿命において、レーザ・パルスによって照射される区域は、したがって導電性が強く、大きいｐｄに曝された２つの電極間での電気アークのトリガを容易に可能にすることができる。

しかし、既に指摘してきたように、レーザ・パルスによって誘起されるプラズマは、時間の経過とともに非常に良好に集中するが、やはり空間的に局在化する。したがって、レーザ・プラズマが生成された、レーザ・ビームの軸に沿ったこの区域のみが、電流の経路に対してほとんど抵抗を示さない。レーザ・プラズマを生成するためには、パルス当たりのエネルギーは１ＧＷ／ｃｍ^２よりも大きくなければならない。エネルギーが１０ミリ・ジュールの１ナノ秒のパルスにおいて、ビームの伝搬する軸に沿ってプラズマが延びる範囲は、通常約１ｍｍである。

したがって、レーザ・ビームの軸に沿ったレーザ・プラズマの寸法は、演繹的には数ミリメートルに制限され、垂直方向にはほんのわずかである。したがって、これにより、プラズマ・トーチの電極間の距離が数ミリメートルに制限され、この距離において、前文で述べた技術が容易に実装できるものになる。この区域は、通常１ｍｍ未満であるが、各電極は、その動作位置において典型的には８ｍｍ〜１５ｍｍの間の固定距離だけ離れている。

本発明は、レーザ・プラズマが誘起される区域を広げることに基づいている。２つの電極間の軸に実質的に沿って配置された様々なポイントにおいて（より具体的には、２つの電極によって生成される力線の影響が及ぶ区域であって、この影響が各電極を連結する軸に沿って最も強くなる区域において）レーザ・パルスを集束させることによって、これが得られる。様々な集束ポイントの近傍において、レーザ・プラズマが生成された区域の導電性が強くなる。このようにレーザ・プラズマの数を増やし、２つの電極を連結する軸に沿ってこれらのレーザ・プラズマを位置合わせすることによって、導電性区域が広がる。

集束ポイントのそれぞれにおいて、パルスの尖頭パワーが、指示された尖頭パワーの閾値よりも大きいとき、レーザ・プラズマが生成される。実際には、集束ポイントは事実上、その非ゼロ寸法が焦点距離およびレンズ上のレーザ・ビームのサイズに比例するスポットであり、したがって、有利には、レーザ・スポットのサイズを減らし、したがって、このスポット上にパルスのエネルギーを集中させるよう、短焦点距離の焦点合わせ、およびレンズの入射ひとみをカバーするレーザ・ビームが選ばれる。プラズマは、一連のパルスによって持続されることが好ましく、パルスの放出速度は、その持続時間に依存する。約５ｎｓのパルスに対しては１０Ｈｚの速度で十分であり、それより高い速度でもよいが必要ではない。

電気アークを容易にトリガするためには、導電区域が必ずしも一様でなく、場所によっては導電性が強く、場所によっては導電性が弱い場合でも、様々なレーザ・プラズマは、２つの電極間に連続的な導電区域を生み出すのに十分近くなければならない。したがって、電極は、距離ｄ_１＜ｄを超えて離れてはならず、この距離は、一方では、各電極の端子の両端に印加されるｐｄに依存し、他方では、これらの電極間のガスに依存する。たとえば、乾燥した空気および約１０キロボルトのｐｄにおいては、様々なレーザ・プラズマを分離する距離ｄ_１は、１０ミリメートルよりも長くてはいけない。後者の距離は、先に指摘したように、レンズの焦点距離を変化させることにより、レーザ・スポットのサイズを変更することによって変調することもできる。

もちろん、様々なプラズマ間の距離ｄ_１を長くできるほど、電極間距離ｄを増やすことがより一層可能になる。ＬＩＢＳ効果を介して、レーザ・パルスを用いて電極の一方の一部分を除去することにより、この電極間距離をさらに増やすことができる。このＬＩＢＳという頭辞語は「レーザ誘起破壊分光法（Ｌａｓｅｒ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）」を表している。後者の場合、レーザ・パルスは、上流電極または下流電極の一部分を、気化および／またはイオン化する。このようにして生成される区域は、同様に電流の経路に対してほとんど抵抗を示さない。

したがって、本発明によって以下が可能になる：
−固定距離ｄだけ隔てられた電極を使用すること、
−これらの電極を並進させる装置なしで済ますこと、
−接点短絡と、無負荷電圧が高く電流変動が大きいことに対するその制約条件とによって引き起こされない、エネルギー伝送システムの電源を簡略化すること、
−電極の後退と電流の印加の間の時間ずれの制約条件なしで済ますことであり、実際、システムをオンにすると、動作電圧が各電極の両端に印加され、ついでレーザが照射され、それにより、同じ動作電圧で保たれている電極間での電気アークをトリガすることが可能になること。

本発明による、電気エネルギーを熱エネルギーに変換するシステムの例示的な実施形態を、図２とともに説明する。このシステムは、以下のものを備える。
−たとえば銅で作製され、その動作距離である固定距離ｄだけ隔てられた２つの電極１、２。
−これらの電極間にｐｄ（一般に数ｋＶ）を印加することができ、その端子が、たとえばこれらの電極またはコイルまたは整流器でもよい、これらの電極用の電源装置２０。
−尖頭パワーが１ＧＷ／ｃｍ^２よりも大きいレーザ・パルスを、２つの電極間に位置している影響が及ぶ区域に向けて放出する装置３０。これは、たとえば、エネルギーが３３０ｍＪ、中心の波長が１．０６４μｍ、持続時間が１０ｎｓのパルス、あるいは３３ｍＪで持続時間が１ｎｓのパルスを伝送するＮｄ：ＹＡＧレーザを必要とする。
−Ｎ個の集束ポイントにより、２つの電極間でパルスを集束させる装置４０。これらの集束ポイントは、２つの電極によって生成される力線の影響が及ぶ区域に位置しなければならない。様々な方式で、このようにいくつかのポイントで同時にレーザ・パルスを焦点合わせすることができる。短焦点の色光学素子４１を用いて周波数が２逓倍および３逓倍（さらにその上）されるＮｄ：ＹＡＧパルス・レーザのパルスを集束させるには、図から分かるように、一般に一群のレンズ４１２を要する。この場合、集束装置はさらに、レーザ・パルス放出装置３０の出力および色光学素子４１の上流に配置された周波数逓倍器４２を備え、レーザ・パルスの高調波を生成することができる。一例として引用され、周波数が３逓倍されたレーザの場合、波長の中心が１０６４ｎｍ、５３２ｎｍおよび３３５ｎｍで、パルス伝搬軸３１に沿った３つのポイントにおいて集束されるパルスが、色集束光学素子を使用して得られる。ある選択肢によれば、集束光学素子は、任意選択的に無色でもよいが、たとえば、ビームの中心があるポイントに集束し、その周辺部が別のポイントに集束し、これら２つの集束ポイントがパルス伝搬軸３１に沿っているような構成を有する。２つの実行可能な手段を組み合わせた光学素子を想定することもできる。

本発明の第１の実施形態によれば、図２ａに示すように、２つの電極１、２は、レーザ・ビームの軸３１と平行に、このビームの両側に配置された板である。

図２ａおよび図２ｂに示すように、プラズマ７は、レーザ・ビームの伝搬軸３１に沿って延在することが好ましいことを指摘したので、図２ｂに示すように第２の実施形態を考案した。すなわち、２つの電極１、２は、レーザ・ビームの伝搬軸３１と平行に配置された板であり、各電極は、約１ｍｍ径の孔で穿孔されてレーザ・パルスが通過できるようになっている。レーザ放出装置の側に配置された電極１のみが穿孔されることが好ましいが、それは、もう一方の電極２に対するレーザ・パルスの衝撃が、電極２の金属の一部分を除去し、したがって、レーザ・プラズマ７の生成を容易にし、それにより電極間距離ｄを増やすことが可能になるからである。レーザ誘起破壊分光法（Ｌａｓｅｒ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）の頭辞語であるＬＩＢＳ効果により、パルスは、この電極のレベルで銅の様々な種をイオン化する。従来のレーザ・プラズマに追加されるＬＩＢＳプラズマは、トリガ・レーザのパワー閾値を容易に低下させる。

図２ｃから分かる第３の実施形態によれば、電極２は、図１の例で使用されているように、起動装置ピン２１に置き換えられるか、またはそれが追加され、レーザ・パルスを遮るように配置されることが好ましい。

離隔距離ｄ（８、１０、または１２ｍｍ）、電極の端子の両端に印加される電圧ｐｄ（図３ａでは１００Ｖ、図３ｂでは７００Ｖ）、およびレーザ・パルスのエネルギーの様々な値について、２つの電極１、２の間に生成される電気アークの尖頭電圧Ｕの段階的な変化が図３ａおよび図３ｂに示してある。これらの値は、図２ｃに示すようなシステムで得られた。このシステムは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザに基づいて、中心が１０６４ｎｍおよび５３２ｎｍのパルスを生成する周波数２倍器が設けられた集束装置と、焦点距離が約７ｃｍでレーザ・パルスを２つのポイントに集束させる色光学装置とを装備している。

図２ｄと関連して説明する第４の実施形態によれば、たとえば、電極の近傍で必要以上に締め付けられた機械的な状態により、パルス放出装置３０は、２つの電極を連結する軸上に配置しなくてもよい。一群のレンズ４１２に加えて、次いで、各電極を連結する軸を外して配置された集束装置の光学素子は、ミラーまたはプリズム４１１など各電極間のビームを戻すための構成要素を備える。プリズムは、たとえば、優れた光学特性を有し、エネルギーが大きくて温度が高いパルスに、損傷することなく耐えることができる材料であるサファイヤから作製される。

この変換システムは、たとえば、電気ウェルディング・ステーションに適用される。現在は、接点短絡によりウェルディング・ステーションの２つの電極間に電気アークが生成され、電極間距離を操作者が手動で調整してアークを伸ばす。レーザ・ベースのトリガ装置を備えた、本発明によるウェルディング・ステーションにより、この電極間距離の手動調整を回避することが可能になる。

このウェルディング・ステーションは、プラズマ・トーチに適用することもできる。この場合、このウェルディング・ステーションには、２つの電極間にプラズマ生成ガスを注入する装置が設けられている。プラズマ・トーチの構成と電極の近傍で締め付けられた機械的状態とを考慮すると、パルス放出装置は、２つの電極を連結する軸上に配置しなくてもよい。この場合、第４の実施形態が好ましい。トリガ・プラズマにより、およそ数ｋＶ程度の電位差（ｐｄ）に曝された２つの電極間で電気アークを起動することが可能になる。このレーザ・ベースのトリガ装置は、現在使用されているラム・システムに取って代わる。従来のプラズマ・トーチの場合と同様に、その後、プラズマ生成ガスを注入することにより、この電気アークは上流電極および下流電極へと移動する。

Claims (8)

1. ２つの電極を結合する軸に沿って距離ｄだけ隔てられ、電位差（ｐｄ）に曝されるときの影響が及ぶ区域を画定する力線を生成することができる２つの電極（１、２）と、前記電位差（ｐｄ）をもたらすことができる、前記電極用の電源装置（２０）と、前記２つの電極間に電気アークをトリガする装置とを備え、前記トリガ装置が、レーザ・パルスを放出する装置（３０）と、前記２つの電極の影響が及ぶ前記区域に配置されたＮ個の集束ポイントで前記レーザ・パルスを集束させる装置（４０）とを備え、集束ポイント当たりの前記レーザ・パルスの尖頭パワー密度が１ＧＷ／ｃｍ^２よりも高く、前記レーザ・パルスの尖頭パワーおよび固定された前記距離ｄに応じてＮが決定され、それにより、前記２つの電極間に導電区域を形成することを特徴とする、電気エネルギーを熱エネルギーに変換するシステム。
2. 前記集束装置（４０）が、レーザ・パルス放出装置の出力に配置され、前記レーザ・パルスの少なくとも１つの高調波を生成することができる周波数逓倍器（４２）と、前記逓倍器の下流に配置され、各ポイントを集束させ、次いで前記高調波に応じて決定される色収束光学素子（４１）とを備えることを特徴とする、請求項１に記載のエネルギーを変換するシステム。
3. 前記集束装置が、いくつかの集束ポイントに前記レーザ・パルスを集束させることができる、無色収束光学素子（４１）を備えることを特徴とする、請求項１に記載のエネルギーを変換するシステム。
4. 一方または両方の電極（１、２）を穿孔して、前記レーザ・パルスが通過できるようにすることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のエネルギーを変換するシステム。
5. 電極（２）の一部分が、前記レーザ・パルスの経路上にあって、このレーザ・パルスと相互作用することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のエネルギーを変換するシステム。
6. 電極（２）が、起動装置ポイント（２１）に置き換えられてもよく、または前記起動装置ポイント（２１）を追加されてもよいことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のエネルギーを変換するシステム。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の変換システムと、２つの電極間にプラズマ生成ガスを注入する装置とを備える、プラズマ・トーチ。
8. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の変換システムを備える、ウェルディング・ステーション。

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