JPH0541292A - 自己冷却式プラズマトーチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 冷却ガスによる冷却のための流路の構造を簡
略化することにより小型化を図り、且つ噴射ノズルの効
果的な冷却を行って良好なプラズマを形成できる自己冷
却式プラズマトーチを提供する。 【構成】 ノズルケーシング４と陰極ロッド５との間に
備えられ、前記陰極ロッド５の先端部との間にノズル口
１０と連通する噴出通路９を形成すると共に、前記ノズ
ルケーシング４の先端内部との間に先端リング溝１５を
形成する陽極噴射ノズル８と、前記先端リング溝１５に
連通し前記噴射ノズル８の内部を通って反先端側に延び
る冷却ガス２８導入用の導入流路１９と、前記先端リン
グ溝１５に連通し前記噴射ノズル８の外周面に有したね
じ山２０により前記ノズルケーシング４との間に形成さ
れる冷却ガス２８導出用の螺旋導出流路２１とを備え
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、特にプラズマ化された
作動流体を被燃焼流体が超音速で通過する燃焼器内へ噴
射し、着火及び燃焼を促進させる航空機のエンジン、或
いは自動車用エンジン等の着火用或いは切断溶接用、溶
射用等の自己冷却式プラズマトーチに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】流速があまりにも速いために着火させる
ことが困難といわれている超音速で流れる被燃焼流体を
着火させる技術として図４に示すようなプラズマトーチ
が知られている。

【０００３】図４では、空気が超音速で流れる燃焼器ａ
内に臨んで、燃焼を促進させる作動流体を噴出するよう
にしたプラズマトーチｂが設けてあり、このプラズマト
ーチｂ内にはアーク発生手段としてのタングステン等に
て形成された陰極ｃ及び銅等にて形成された陽極ｄが設
けられている。また、上記プラズマトーチｂの燃焼器ａ
に臨んだ部分には、上記作動流体を燃焼器ａ内へ噴射さ
せるための噴射孔ｅが設けられ、燃焼器ａに臨んでいな
い部分には、作動流体の流入口ｆが設けられている。更
にアーク放電によって加熱する上記陰極ｃ及び陽極ｄを
それぞれ冷却するための冷却水の流入出口ｇ，ｉ及び流
出口ｈ，ｊが設けられている。この流入出口ｇ，ｉを通
る冷却水は、ノズル部を形成する陽極ｄにおいてアーク
柱を絞る熱ピンチ効果を発揮する。また、上記プラズマ
トーチｂが臨んでいる燃焼器ａ内に流れる超音速空気流
路の上流には、燃料である水素を超音速空気流へ噴射す
る燃料噴射ノズルｋが設けられている。

【０００４】上記燃焼器ａ内を流れる超音速の被燃焼流
体を着火させるときは、まず、上記燃料噴射ノズルｋか
ら燃料である水素を超音速空気流へ向けて噴射して、こ
の超音速空気流に水素を混合させ超音速の混合流体にす
る。そして、図示されないアルゴン、水素、窒素ボンベ
等からそれら単独あるいはそれらを混合した状態の作動
流体として、プラズマトーチｂに設けられた作動流体の
流入口ｆへ流入させ、プラズマトーチｂ内の陰極ｃと陽
極ｄとに所要の電圧をかけてアークを発生させ、この作
動流体を超高温に加熱することによってプラズマ状態に
し、生じたプラズマｌを上記超音速の被燃焼流体が流れ
る燃焼器ａ内へ噴射させる。

【０００５】プラズマ化された作動流体を、上記混合流
体が超音速で流れる燃焼器ａ内へ噴射すると、噴射され
たプラズマｌのもつ熱・運動エネルギー及び活性基発生
に伴う化学反応促進効果により、超音速で流れる混合流
体の燃焼を促進させることができ自発着火させることが
できる。

【０００６】上記したようなプラズマトーチｂを航空機
のエンジンやディーゼルエンジン等で実際に適用する場
合には、プラズマｌの吹き消え等を生じることがなく常
にプラズマｌを安定且つ確実に形成できることが望ま
れ、更にできるだけ構成が簡単で小型化することがで
き、しかも周辺の装置も簡略化できるものが要求され
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のプラズ
マトーチｂは、一般に冷却水を用いて冷却を行うように
しているために、冷却するための構造が複雑となって小
型化が困難であり、しかも冷却水を用いた冷却は流速を
余り大きくできないために冷却効果が劣り、そのために
プラズマｌの熱ピンチ効果が小さく、プラズマｌを絞っ
て安定に保持させる保持力が弱く、よって燃焼器ａ内の
空気の超音速流の中にプラズマｌを形成しようとすると
き、不安定になったり吹き消えてしまう問題があり、そ
のためにプラズマトーチｂを使用できる条件（航空機の
高度等）が狭く制限されてしまう問題点を有していた。

【０００８】本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなし
たもので、冷却ガスによる冷却のための流路の構造を簡
略化することにより小型化を可能にし、且つ噴射ノズル
の効果的な冷却を行って良好なプラズマを形成できる自
己冷却式プラズマトーチを提供することを目的としてい
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、ノズルケーシ
ング内に備えられた陰極ロッドと、該陰極ロッドとノズ
ルケーシングとの間に備えられ、前記陰極ロッドの先端
部との間にノズル口と連通する噴出通路を形成すると共
に、前記ノズルケーシングの先端内部との間に先端リン
グ溝を形成する陽極噴射ノズルと、前記先端リング溝に
連通し前記噴射ノズルの内部を通って反先端側に延びる
導入流路と、前記先端リング溝に連通し前記噴射ノズル
の外周面に有したねじ山により前記噴射ノズルと前記ノ
ズルケーシングとの間に形成される螺旋導出流路と、前
記導入流路に連通する冷却ガス供給路と、前記螺旋導出
流路に連通する冷却ガス排出路とを備えたことを特徴と
する自己冷却式プラズマトーチ、に係るものである。

【００１０】

【作用】冷却ガス供給路から噴射ノズルの導入流路に導
入された冷却ガスは、先端リング溝に導かれて噴射ノズ
ルの先端部に於けるノズル口周辺を効果的に冷却し、そ
の後螺旋導出流路を通って更に噴射ノズルを外周から冷
却した後、冷却ガス排出路から外部に排出される。前記
ノズル口周辺の効果的な冷却と、前記螺旋導出流路を冷
却ガスが高速で流れることによる噴射ノズル全体の冷却
とにより、噴射ノズルが効果的に冷却されてプラズマの
熱ピンチ効果が増大され、プラズマが安定化する。

【００１１】

【実施例】以下本発明の実施例を図面を参照しつつ説明
する。

【００１２】図１は本発明の一実施例であり、図示する
ように、プラズマトーチを構成するノズル本体１は燃焼
器２の通路３に臨んで取付けられた筒体状のノズルケー
シング４によって区画形成されている。このノズルケー
シング４内には軸心部に軸方向に所定の長さ延出され、
アーク発生電極を構成する円柱形状の陰極ロッド５が設
けられている。この陰極ロッド５の先端部にはその表面
部に高融点酸化膜を促進形成する金属、例えばハフニウ
ムによって成形された陰極６が形成されている。この陰
極６はハフニウムと同様の特性を持つジルコニウム、レ
ニウム、イットリウム等を単体あるいはそれらを複合材
にして用いて形成しても良い。

【００１３】前記ノズルケーシング４と陰極ロッド５と
の間には前記陰極６と所定の間隙を隔ててアーク発生電
極の陽極７を構成する噴射ノズル８が設けられている。
アーク発生電極を構成する陰極６と陽極７との間隙には
作動流体２６が通過する噴出通路９が形成されており、
この噴出通路９は、前記陰極ロッド５の軸心上に位置す
る噴射ノズル８先端部に形成したノズル口１０に接続さ
れている。

【００１４】前記陰極６の上流側の外周には陰極６を包
囲するようにリング状の供給通路１１が形成されてお
り、該供給通路１１の上流側には通路１１’を介して作
動流体供給管１２が接続され、又供給通路１１の陰極６
の先端近傍まで延びた下端には前記噴出通路９に連通す
る供給口１３及びプラズマ２７にスワールを与えるため
の旋回通路１３’が形成されている。

【００１５】前記陽極７を構成する噴射ノズル８は陽極
ブロック１４を介してノズルケーシング４に支持される
ようになっており、前記噴射ノズル８とノズルケーシン
グ４とが組合わされたときに先端部相互間に先端リング
溝１５が形成されるようになっている。

【００１６】前記噴射ノズル８は、図２、図３に示す如
く軸心部に陰極ロッド５の挿入孔１６を有していると共
に、先端部にノズル口１０を有している。噴射ノズル８
の反先端側（上部）の内周には内側溝１７が、又外側に
は外側溝１８が夫々ノズル口１０と同心円上に形成され
ており、内側溝１７には噴射ノズル８内部を通って前記
先端リング溝１５に連通する複数の導入流路１９が設け
られている。

【００１７】又前記噴射ノズル８の外周面にはねじ山２
０が形成されていて、噴射ノズル８をノズルケーシング
４に嵌合した際に、前記ねじ山２０とノズルケーシング
４とによって、外側溝１８と先端リング溝１５とを連通
する螺旋導出流路２１が形成されるようになっている。

【００１８】前記内側溝１７の上流側には図１に示す如
く、供給管２２に接続した冷却ガス供給路２３が連通し
ており、更に外側溝１８の上流側には排出管２４に接続
した冷却ガス排出路２５が連通している。２８はヘリウ
ム、水素、酸素、窒素等からなる冷却ガスを示す。

【００１９】上記実施例においては、作動流体供給管１
２から作動流体２６を高圧で供給すると共に、供給管２
２から冷却用流体２８を供給するようにしている。

【００２０】作動流体供給管１２から供給された高圧の
作動流体２６は、通路１１’からリング状の供給通路１
１を通る間に陰極ロッド５を冷却し、その後供給口１３
から噴出流路９に導かれ、アーク発生電極６，７を通過
してプラズマ化され、発生したプラズマ２７はノズル口
１０により加速されて燃焼器２内に深く入り込むように
噴射される。

【００２１】又、供給管２２から冷却ガス供給路２３に
供給された冷却ガス２８は、陽極７を構成する噴射ノズ
ル８の内側溝１７及び導入流路１９を通って先端リング
溝１５に導かれ、この間に噴射ノズル８の特に内側先端
部を強烈に冷却し、続いて螺旋導出流路２１を通る間に
噴射ノズル８全体を外周から冷却した後、外側溝１８、
冷却ガス排出路２５及び排出管２４を介して外部に排出
される。

【００２２】上記したように噴射ノズル８は、導入流路
１９、先端リング溝１５及び螺旋導出流路２１を通る冷
却ガス２８によって強烈に冷却されるため、ノズル口１
０による熱ピンチ効果を増大させて、図１に示すように
良好に絞り込まれた高密度のプラズマ２７を形成するこ
とができる。

【００２３】上記実施例では、噴射ノズル８に導入流路
１９と、先端リング溝１５と、螺旋導出流路２１とを備
えた簡単な構成で噴射ノズル８を効果的に冷却すること
ができるので、プラズマトーチ全体の小型化を可能にす
ることができ、よって航空機やディーゼルエンジン等へ
の適用が容易となる。

【００２４】又、前記冷却ガス２８による冷却温度を調
整することにより高密度のプラズマ２７を安定して形成
することができる。

【００２５】尚、本発明は上記実施例にのみ限定される
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内に於い
て種々変更を加え得ることは勿論である。

【００２６】

【発明の効果】上記した本発明の自己冷却式プラズマト
ーチによれば、冷却ガスを噴射ノズルに形成した導入流
路を介して先端リング溝に導くことにより噴射ノズルの
内側先端部を冷却し、その後螺旋導出流路に導いて更に
噴射ノズル全体を外周から冷却するようにしているの
で、前記噴射ノズルのノズル口周辺の効果的な冷却と、
前記螺旋導出流路を冷却ガスが高速で流れることによる
冷却効果の向上とにより、噴射ノズルが良好に冷却され
てプラズマの熱ピンチ効果が増大され、プラズマを安定
化することができる優れた効果を奏し得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す縦断面図である。

【図２】図１の噴射ノズルの詳細を示す側面図である。

【図３】図２の噴射ノズルの縦断面図である。

【図４】従来のプラズマトーチの一例を示す部分断面図
である。

【符号の説明】

４ ノズルケーシング ５ 陰極ロッド ８ 噴射ノズル（陽極） ９ 噴出通路 １０ ノズル口 １５ 先端リング溝 １９ 導入流路 ２０ ねじ山 ２１ 螺旋導出流路 ２３ 冷却ガス供給路 ２５ 冷却ガス排出路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ノズルケーシング内に備えられた陰極ロ
   ッドと、該陰極ロッドとノズルケーシングとの間に備え
   られ、前記陰極ロッドの先端部との間にノズル口と連通
   する噴出通路を形成すると共に、前記ノズルケーシング
   の先端内部との間に先端リング溝を形成する陽極噴射ノ
   ズルと、前記先端リング溝に連通し前記噴射ノズルの内
   部を通って反先端側に延びる導入流路と、前記先端リン
   グ溝に連通し前記噴射ノズルの外周面に有したねじ山に
   より前記噴射ノズルと前記ノズルケーシングとの間に形
   成される螺旋導出流路と、前記導入流路に連通する冷却
   ガス供給路と、前記螺旋導出流路に連通する冷却ガス排
   出路とを備えたことを特徴とする自己冷却式プラズマト
   ーチ。