JPH04124445A - プラズマジェット生成法とプラズマ発生器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、プラズマジェット生成法と該方法によるプラ
ズマ発生器、特にラムあるいはスクラムジェットエンジ
ンの着火と火炎保持に必要なプラズマイグナイタの高効
率化を可能にする高効率プラズマジェット生成法とプラ
ズマ発生器に関する（従来の技術） ラムあるいはスクラムジェットエンジンでは、燃焼器の
中を流れる空気流速が大きく、それに水素等の燃料を噴
射しても通常の手段では着火しにくい。また１着火して
も火炎を燃焼室内に安定に保持し、効率良く燃焼させる
ことも難しい。そこで、近年プラズマトーチによって燃
料に着火、燃焼を安定化する試みがなされている。この
方法は、アーク放電によって形成されたプラズマジェッ
トから、高温ガスあるいは活性化した成分を超音速で噴
出させ、燃料に着火せしめるものである。

そのための従来のプラズマイグナイタは、第２図に示す
構造を有し、作動ガス１２は棒状の陰電極１１０周りよ
り供給され、その中を陽極ノズル１５との間でアーク１
６が形成される。そのアークによって加熱され、電離し
た作動流体はプラズマジェット１９となり、燃焼器の中
に吹き込まれる。そして、従来のイグナイタでは陽極保
護のため、冷却通路１８が設けられており１通常は水に
よって冷却している。

（発明が解決しようとする問題点） スクラムジェットエンジンの燃焼器では、空気流速は音
速を越え、エンジンの冷却や、燃焼制御の制約により、
空気と燃料の混合比は必ずしも燃焼に最適な理論空燃比
とはならない。それゆえ、確実な着火と火炎保持には効
率の高いプラズマイグナイタが不可欠となる。

効率の良いイグナイタの条件は、イグナイタに投入され
た電力が効率良くプラズマに伝達されること、プラズマ
内で化学反応を促進する活性分子が良く生成され、その
濃度が高いこと、そして、それらの活性分子を消滅する
ことなく燃焼器に送り込むことが必要となる。さらに、
エンジンの作動状態が変化しても、安定で効果の高いプ
ラズマの保持が確保されなければならない。

しかしながら、上記従来のプラズマイグナイタにおいて
は、イグナイタに投入された電力の２０〜５０％のエネ
ルギーが冷却水に奪われ、損失となっている。一般に環
境圧力が低くなるとプラズマ強度は低下し、投入した大
部分のエネルギーはプラズマイグナイタの冷却水に奪わ
れる。そのため、益々効率が低下する悪循環が生じる問
題がある。これは低圧ではガスが電離し易くなり５イグ
ナイタの上流側でアークが短絡するためである。

これと似た現象は、作動流体としてアルゴンを用いた実
験で観測されている。

一方、従来のトーチではアークの電流を増加させると、
アーク放電路が拡大し、電極間電圧が低下する。そして
さらに負荷を上げていくと、陰極とノズル上流端で放電
が行なわれ、ここで発生した熱は細いノズルを流れる間
に冷却水に奪われ。

放電で生成された活性分子はそこで失活する。このよう
な短絡現象は飛行高度が高く、燃焼器の作動圧力が低い
時に生じるおそれがある。

本発明は、上記従来のプラズマイグナイタの上記欠点を
解消しようとするもので、投入された電力を効率良くプ
ラズマに伝達し、また、プラズマ内で化学反応を促進す
る活性分子が良く生成され、そして、それらの活性分子
を消滅することなく燃焼器に送り込むことができ、さら
に、エンジンの作動状態が変化しても、安定で効果の高
いプラズマの保持が確保できるようなプラズマイグナイ
タを得ることが８来るプラズマジェット生成法とプラズ
マ発生器を提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明者は上記問題点解決するために研究を重ねた結果
、従来の冷却水に代えて低温の電離し難いガスを用い、
該ガスをプラズマ発生器のノズル壁より滲み出させ、プ
ラズマの熱ピンチ効果を積極的に利用することを見出し
、本発明に到達したものである。

即ち、本発明のプラズマジェット生成法は、一次作動流
体を陰極の周りより供給して、陰極と陽極ノズル間に発
生するアークによって一次作動流体を加熱してプラズマ
ジェットを生成するプラズマジェット生成法において、
低温の二次作動流体をノズル内壁よりアークの周りに滲
み出させ、プラズマジェットの周囲を冷却することによ
り、鋭いプラズマジェットを生成することを特徴とする
。

前記二次作動流体は、一次作動流体と同種のガスである
必要はなく低温で電離層の低いガスであれば良い。何れ
の場合も二次作動流体は冷却用流体として作用し、しか
も冷却損失がなくなる。

そして、一次作動流体と二次作動流体の配分を変化させ
ることにより、プラズマの性状を制御することができる
。

また、該方法による本発明のプラズマ発生器は、ノズル
内壁を多孔質材料で形成し、該ノズル内壁とノズル外壁
とで形成される空間に供給される二次作動流体がノズル
内壁からアークの周囲に滲み出すようにしたことを特徴
とする。前記多孔質材料として、セラミック又は金属の
多孔質材料が採用できる。

前記プラズマ発生器を、プラズマイグナイタに適用する
ことによって、スクラムジェットエンジン等の確実な着
火と火炎保持ができる効率の高いプラズマイグナイタが
得られる。

（作用） ノズル内壁をセラミックや金属の多孔質材料で形成し、
陽極ノズルの冷却通路に低温で非電導性の二次作動流体
を供給することによって、二次作動流体による陽極のフ
ィルム冷却構造となる。それにより、陽極が冷却されて
保護されると共に、二次作動流体がノズル内壁から滲み
呂で、プラズマジェットの周りに低温の二次作動流体に
よる非電導性の鞘が形成され、熱ピンチ効果と呼ばれる
現象が生じる。即ち、プラズマジェットの周囲を冷却す
ることにより、プラズマが収束強化され、中心部のコア
部分の温度が局所的に上昇する現象が生じる。

そして、ノズル外壁（＃極）近傍に二次作動流体による
低温の電離性の低いガス層が形成されることにより、ア
ークはノズル下流端まで伸されると共に、前記熱ピンチ
効果により収束強化される。

その結果、プラズマの中心部温度は上昇し、活性分子の
濃度は指数関数的に飛躍的に増大する。−方、陽極を冷
却した二次作動流体は、そのまま燃焼器に吸い込まれる
ため、再生冷却と同様に熱損失は生じない、従って、高
効率的に鋭いプラズマジェットを生成することができる
。

二次作動流体は、一次作動流体と必ずしも同種の気体で
ある必要はなく、低温の液体水素や電離しにくいヘリウ
ムを用いることによって、よりプラズマ濃度を高めるこ
とも可能となる。また、次作動流体と二次作動流体の配
分を変化することによって、プラズマの性状を容易に制
御できる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。

第１図は、本発明に係るプラズマ発生器の一実施例であ
るプラズマイグナイタを示し、図中、１は円錐上の先端
を有する棒状陰極であり、２は該陰極の先端部に設けら
れた同軸の陽極ノズルである。該陽極ノズル２は、陽極
となるノズル先端部を含むノズル外壁３とノズル内壁４
とで形成される。ノズル内壁４はセラミック或いは金属
等の多孔質材料によって形成され、その基端側は陰極支
持と共に、一次作動体通路と二次作動体通路の隔壁を兼
ねる陰極と同軸状に設けられた鞘体５に連接されている
。６は陰極と前記鞘体５及びノズル内壁との間に形成さ
れた一次作動流体通路、７は陽極と前記鞘体及びノズル
内壁との間に形成された二次作動流体通路である。

以上のように構成された本実施例のプラズマイグナイタ
は、前述のようにノズル内壁４より低温の電離しにくい
一次作動流体をアーク８の周りに滲みださせ、プラズマ
の熱ピンチ効果を積極的に利用することにより、プラズ
マを制御し、従来のようにエネルギーが冷却水に奪われ
ることないので、熱損失無しに鋭いプラズマジェット９
を生成することができる。したがって、ラムあるいはス
クラムジェットエンジンに適用して、確実な着火と火炎
保持が可能となる。さらに、エンジンの作動条件が変化
しても安定で効果の高いプラズマの保持が可能となる。

なお、上記実施例はプラズマイグナイタの場合であるが
、本発明のプラズマジェット生成法とプラズマ発生器は
プラズマイグナイタに限らず、その他のプラズマ発生器
にも適用できることは言うまでもない。

（効果） 本発明は、以上のような構成からなり、次のような格別
の効果を奏する。

プラズマの熱ピンチ効果を積極的に利用してプラズマを
制御するので、従来のようにエネルギーが冷却水に奪わ
れず、熱損失なしに鋭いプラズマジェットを生成するこ
とができる。

また、一次作動流体と二次作動流体の配分を変化するこ
とによって、プラズマの性状を容易に制御できる。

高効率プラズマイグナイタを得ることができるので、ラ
ムあるいはスクラムジェットエンジンにおける燃料の確
実な着火と火炎保持を図ることができる。さらに、エン
ジンの作動条件が変化しても安定で効果の高いプラズマ
の保持が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係るプラズマイグナイタの側
断面図、第２図は従来のプラズマイグナイタの側断面図
である。 １：陰極　　２：陽極ノズル　　３：ノズル外壁（＠極
）　　４：ノズル内壁　　５：鞘体６：一次作動流体通
路　　７：二次作動流体通路　８：アーク　　９：プラ
ズマジェットＵ塁翌

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）一次作動流体を陰極の周りより供給して、陰極と陽
   極ノズル間に発生するアークによって一次作動流体を加
   熱してプラズマジェットを生成するプラズマジェット生
   成法において、低温の二次作動流体をノズル内壁よりア
   ークの周りに滲み出させ、プラズマジェットの周囲を冷
   却することにより、鋭いプラズマジェットを生成するこ
   とを特徴とするプラズマジェット生成法。 ２）二次作動流体が一次作動流体と同種のガスである請
   求項１記載のプラズマジェット生成法。 ３）二次作動流体が一次作動流体と異なる低温で電離度
   の低いガスである請求項１記載のプラズマジェット生成
   法。 ４）一次作動流体と二次作動流体の配分を変化させるこ
   とにより、プラズマの性状を制御する請求項３記載のプ
   ラズマジェット生成法。 ５）一次作動流体を陰極の周りより供給して、陰極と陽
   極ノズル間に発生するアークによって一次作動流体を加
   熱してプラズマジェットを生成するプラズマ発生器にお
   いて、ノズル内壁を多孔質材料で形成し、該ノズル内壁
   とノズル外壁とで形成される空間に供給される二次作動
   流体がノズル内壁からアークの周囲に滲み出すようにし
   たことを特徴とするプラズマ発生器。 ６）前記多孔質材料がセラミックの多孔質材料である請
   求項５記載のプラズマ発生器。 ７）前記多孔質材料が金属の多孔質材料である請求項５
   記載のプラズマ発生器。 ８）前記プラズマ発生器が、プラズマイグナイタである
   請求項５、６又は７記載のプラズマ発生器。