JPH06105639B2

JPH06105639B2 - 電気アークヒータ

Info

Publication number: JPH06105639B2
Application number: JP60046308A
Authority: JP
Inventors: チヤールズ・バーナード・ウルフ; トーマス・ノラン・メイヤー; モーリス・ジエラード・フエイ; ジヨン・エドワード・ヘイドリツチ
Original assignee: ウエスチングハウスエレクトリックコ−ポレ−ション
Priority date: 1984-03-12
Filing date: 1985-03-07
Publication date: 1994-12-21
Anticipated expiration: 2009-12-21
Also published as: US4535225A; CA1247177A; JPS60208085A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は電気アークヒータ、特に長時間にわたって高出
力動作可能なノン・トランスファ形電気アークヒータに
係わる。

工業用に設計された電気アークヒータは広範囲のガス組
成物を高温に加熱するのに利用される。この高温ガスを
炉の加熱や化学または冶金プロセスに利用することがで
きる。多くの場合、この種のアークヒータは炉または化
学反応器の開口部にフランジを介して取付けられ、アー
ク加熱ガスの出口端がフランジアタッチメントのところ
に位置するか、または炉や反応器の壁から突出するよう
に設計される。この種のアークヒータの例は米国特許第
3,705,975号及び第4,214,736号明細書に記載されてい
る。これらの特許明細書に記載されているアークヒータ
はアークを簡単に発生させ、安定化するための、軸方向
で間隔を保つように配置した、小さい電極ギャップを有
する水冷電極や、電極の表面に沿ってアークを回転させ
てアークによる摩耗及び腐食を減少するための水冷界磁
コイルなどのような構成要件を含む。従来このようなア
ークヒータを商業的に利用した例で得られる出力レベル
はたかが３メガワットであった。しかし電気的加熱への
交換が経済的に見合うためには多くの応用分野において
その総加熱出力は10〜40メガワット以上でなければなら
ない。比較的高い出力動作が可能な電気アークヒータが
得られるならば、このような高い出力条件を満たすのに
必要な総ユニット数及び関連設備を極力少なくして設備
全体を簡略化することが出来る。

ガス流量を増大させると同時に下流電極を長くすること
により上記のような公知のアークヒータの出力レベルを
所期の高出力レベルにまで高めることができるとも考え
られるが、このようなアプローチでは下流電極が重くな
り、交換が困難だけでなく製造コストも増大する。ま
た、アークは下流電極の全長に沿った種々の位置で絶え
ず再点弧する傾向があるため、高出力レベルに必要な下
流電極の長さが平均アーク長よりも長くなる。電極の長
さがアークヒータで達成可能な最大アーク長に対して大
きい比率を占める場合に顕著に現われるこのアーク長の
変動は出力を不安定にし、動作効率を低下させる。更
に、下流電極によって生ずる広い伝熱面が電気アークヒ
ータの能率を一段と低下させる。従って、適正な効率レ
ベル（平均的には80％以上）で上記高出力レベル動作が
可能な電気アークヒータを得ることが望ましい。その構
成はアークヒータ内でのアーク長及び出力を最大とする
ためアークの再点弧を防止するものでなければならな
い。

アーク長を最大限にすると共に電極における再点弧を防
止する１つの解決策としてアークヒータの両電極間に単
数または複数の電極間セグメントを組込むことが提案さ
れた。この構成の例は米国特許第3,953,705号及び英国
特許第1,360,659号の明細書に開示されている。いずれ
もアーク長を増大させるため両電極間に単数または複数
の電極間セグメントを介在させるというものであり、ア
ーク再点弧の発生を極力防止するために前記セグメント
を電極から電気的に絶縁する。

アークからガスへの伝熱を極力大きくし、従ってアーク
電圧を最大限に高めるために、電極間セグメントによっ
て形成される通路を縮径する。こうしてガス流動を狭
め、乱流性を増大させる。このように構成した場合、縮
径部の直径は電極の直径よりもはるかに小さいから、縮
径部内のガス圧は高い値に維持される。このことはアー
クを維持するためにアークヒータの両電極間の電位差が
比較的高くなければならないことを意味する。なぜな
ら、アークヒータの電圧勾配は圧力の平方根に比例する
からであり、高いアーク圧を維持することによりガスへ
の総入力が増大する。入力が増大すれば被加熱ガスに伝
達される正味エネルギーも増大する。こうして高出力動
作は得られるものの、多くの場合1500psig程度の高いガ
ス圧が必要である。ガス圧がこのように高ければ当然の
結果として高価な高圧コンプレッサーを含む複雑なガス
供給系が要求される。従って、低ガス圧で動作可能な高
出力アークヒータを得ることが望ましい。また、出力レ
ベルが高いから電極の寿命が比較的短く数時間しかもた
ない。そこで電極の寿命がわずか数時間ではなく数百時
間に及ぶような高出力アークヒータの実現が望まれる。
電極間セグメントの通路は使用電極の直径よりもはるか
に小さいから、アーク発生が困難となるおそれがある。
従って、電極間セグメントの構成によってアーク発生を
容易にした高出力アークヒータを実現することも望まれ
る。

本発明の目的は工業的に利用可能な電極寿命を有する高
出力電気アークヒータを提供することにある。本発明の
他の望ましい特徴としては、アーク発生が容易であり、
電極間セグメントへのアーク再点弧を極力回避できるこ
とである。更に他の望ましい特徴としては1500psigより
はるかに低いガス圧で動作可能なことである。

本発明は、ほぼ円筒形を呈し、互いに間隔を保つ中空の
上流電極セグメント及び下流電極セグメントと、上流電
極セグメント及び下流電極セグメントの間に介在して軸
方向に整列し、それぞれがほぼ円筒形の中空体として互
いにかつ両電極セグメントと軸方向に間隔を保って一連
の軸方向ギャップを形成すると共に内部にアークチェン
バを形成する複数の電気的に絶縁された電極間セグメン
トと、軸方向ギャップを介してアークチェンバにガスを
流入させてその表面に沿って境界ガス層を形成するガス
入口手段と、一方の電極セグメントがアノードとして、
他方の電極セグメントがカソードとして作用するように
それぞれ上流電極セグメント及び下流電極セグメントと
接続して両電極間に電極間セグメントを貫通するアーク
を形成するDC電源手段とから成るアークヒータであっ
て、上流電極セグメントに隣接する電極間セグメントが
上流電極セグメントの内径よりも小さい内径を有し、下
流電極セグメントに隣接する電極間セグメントが下流電
極セグメントの内径よりも小さいかまたはこれと等しい
内径を有し、電極間セグメントの内径が下流に向かって
段階的に増大し、アークが流入ガスの一部を加熱してア
ーク加熱ガスコアを形成し、アーク加熱ガス及び境界ガ
ス層が下流電極セグメントの下流端においてアークヒー
タ外に流出し、境界ガス層がセグメント間の電気的絶縁
を維持しながら高温ガスコア域からセグメントへの対流
熱損失を減少させることを特徴とする電気アークヒータ
を提供する。

好ましくは、上流電極に隣接する電極間セグメントの内
径を上流電極の内径よりも小さく設定し、下流電極に隣
接する電極間セグメントの内径を下流電極の内径よりも
小さくまたはこれと等しくなるように設定する。電極間
セグメントの内径は下流にむかって段階的に増大して段
のあるアークチェンバを形成する。段のあるアークチェ
ンバは軸方向に下流へむかってガスを流動させるのに好
都合であり、始動時における下流電極へのアーク移行を
容易にし、更にまた、高温ガスコアと比較的低温の壁面
との間に充分な間隔を維持して壁面への伝熱率を減少し
ながら高温ガスコアの直径を比較的大きく設定すること
を可能にする。アークチェンバにガスを流入させてその
表面に境界ガス層を形成するためのガス入口を設ける。
ほかに上流及び下流電極のそれぞれ上流及び下流にガス
入口を別設する。これらの別設ガス入口は電極の表面に
アークを軸方向に位置させるための流体力学手段として
利用される。下流電極ガス入口ではこのアーク位置ぎめ
に逆流ガス流を利用する。出口において所期のプロセス
ガスを生成させるためまたは電極寿命を延ばすためいた
るところでまたは任意の流入点で種々の組成のガスを使
用することができる。更に、上流電極セグメント、下流
電極セグメント及び電極間セグメントの周りに界磁コイ
ルを設置すれば、アークチェンバ内でアークを回転させ
るための磁場が得られる。

別の実施態様では、各電極間セグメントとカソードとし
て接続された電極セグメントの間に抵抗器を設けること
により、各電極間セグメントの電位をアークチェンバ内
でアークによって形成される電位勾配の値とほぼ等しく
なるようにする。アークヒータ全長に沿った電極間セグ
メントの各隣接部分に現われるアーク電圧レベルはほぼ
等しく、従って電位差は極めて小さいから、電極間セグ
メントに対するアーク点弧は減少される。

本発明の更に他の実態態様では、複式下流電極または複
式上流電極、あるいはこの双方を設け、アーク電流を複
式電極に配分して電極の延命に寄与させる。アークヒー
タの上流及び下流電極セグメントのどちらにも複式電極
を設ける場合、それぞれが一方の上流電極セグメントと
一方の下流電極セグメントから成る電極対に複式定電流
源を設けることができる。

以下添付図面を参照しながら実施例に基づいて本発明を
説明する。

第１図は上流電極セグメント20、下流電極セグメント4
0、及びこれら上流電極セグメント20及び下流電極セグ
メント40と軸方向に整列してその中間に配置された複数
の電極間セグメント60を具備するアークヒータ10を示
す。アークヒータのセグメントは（図示しないが）電気
的に絶縁された締付けボルトによって一体的に結合され
ている。電極セグメント及び電極間セグメントはほぼ円
筒形の中空体であり、上流電極セグメント20及び下流電
極セグメント40はその内径がほぼ同じである。アークヒ
ータの各セグメントはアークチェンバ100の内面を画定
する、好ましくは銅または銅合金製の内側スリーブ80を
具備する。各セグメントの外筐82に、各スリーブ80と各
外筐82の間に冷却用の流体、例えば水を循環させること
のできる通路84が形成されるようにスリーブ80を滑り込
ませる。冷却水の循環を可能にするため各セグメントに
冷却水入口86及び冷却水出口88を設ける。この循環は第
１図のように並列にセグメントを連結することによって
達成できる。

アークヒータの隣接セグメント間に、各セグメントを隣
接のセグメントから電気的に絶縁するため環状絶縁板11
0を設ける。絶縁板110はアークヒータ10のセグメント間
に軸方向ギャップ112を維持する機能をも果たす。上流
電極セグメント20の上流端22を閉鎖するためエンドキャ
ップ120を設ける。このエンドキャップ120はまたアーク
チェンバ100へ炉心ガス流123を流入させるための、ほぼ
アークヒータ中心軸に沿った炉心ガス入口122を具備す
る。各セグメント20、40及び60には単数または複数の境
界ガス流146を流入させるため通路142、環状ヘッダー14
3及び軸方向ギャップ112を介してアークチェンバ100と
連通する境界ガス入口140を設ける。絶縁板110と、この
絶縁板またはセグメント、または双方の表面に環状溝を
設けることによって前記絶縁板を取付けてある電極また
は電極間セグメントとの間にヘッダ143を形成する。絶
縁板110には環状ヘッダー143とアークチェンバ100の間
に複数の（図示しない）溝を設ければよい。軸方向及び
半径方向の上記溝を利用することにより、流入する境界
ガスに渦パターンを与えることができる。例えば接線方
向に平坦な溝を配置すれば、流入境界ガスはアークチェ
ンバ100を画定するスリーブ80の表面周りを接線方向に
旋回する。通路142からのガス流量を増減するには各絶
縁板に形成する溝の数を増減すればよい。

単数または複数の境界ガス146を流入させるため境界ガ
ス入口140を利用する。ギャップ112を通ってアークチェ
ンバ100に流入する境界ガス流はアーク加熱されたガス
炉心104の温度、即ち、1000℃〜10,000℃よりも低く、
周囲温度に近いガスの境界層102を形成する。この流入
境界ガスの熱伝達特性は金属スリーブ80のそれよりも低
いから、境界層は断熱ブランケットのように作用し、ス
リーブ80の表面を保護する。これにより電極及び電極間
セグメントの耐用寿命が延びる。

ギャップ112に通される境界ガスは、絶縁板110及びギャ
ップ112の電気的絶縁性能維持にも寄与する。境界層102
とアーク加熱されたコア又は中心部104とのガス混合が
２つの層の界面において起こる。所期の反応生成物の形
成を促進することができるから、このことはプロセスの
種類によっては有利である。

アークヒータへの各種ガス流の流量を制御するにはガス
供給マニホルド147に弁Ｖを設置すればよい。常態では
すべての入口にガスが供給されるが、アークヒータの運
転中は必ずしもすべての入口を使用しなくてもよい。入
口をいくつ設けるべきか、またどの入口を使用すべきか
はアークヒータを使用するプロセスの需要に応じて異な
る。コアガス流123を使用するのが普通であるが、この
ガス流が不要なこともある。その場合、アーク加熱され
るガスコアは境界ガスを加熱するアークによって形成さ
れる。

第１図にはコアガス流及び境界ガス流の双方を提供する
単一ガス供給源148を示したが、２つ以上のガス供給源
及び２種類以上のガスを使用してもよい。例えばコアガ
ス123として窒素を供給する一方で電極間セグメント60
にアルゴンを供給する場合が考えられる。アークヒータ
には種々の組合わせの混合ガスを供給することも可能で
あり、アークヒータに使用できるガスとしては水素、一
酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、空気、窒素、酸素、ア
ルゴン、及びこれを任意に組合わせた混合ガスを挙げる
ことができる。入口ガス圧は約１〜50気圧の範囲内であ
り、正確な入口圧範囲はプロセスに応じて異なるが、経
験に照らして入口圧はアークヒータの所期の出口圧に対
して約２倍であればよい。従来は約４〜６気圧の入口圧
が採用されている。

上流電流20の上流端22への境界ガス流入はエンドキャッ
プ120に好ましくは着脱自在な環状リング124を設け、そ
の内部に上流端22のガス入口144と接続する環状路126を
形成することによって達成する。環状路126は一連の通
路128を介してアークチェンバ100と連通する。アークチ
ェンバ100の半径に対する通路128の半径方向または軸方
向位置を変えることにより、接線方向、半径方向、また
は軸方向に境界ガスを他のガスと同方向または逆方向に
流入させることができる。また、これにより上流電極セ
グメント20の内側スリーブ80の表面にアークを軸方向に
位置させることができる。第１図には示さないが、絶縁
板110と同形状の板を利用してエンドキャップ120と上流
電極20の上流電極20の上流端22との間に軸方向ギャップ
112と同様の軸方向ギャップを介在させることができ
る。多くの場合アークヒータ10の運転中はエンドキャッ
プ120が上流電極20と同電位にある。ただし電気的絶縁
値を有する板を使用すれば、必要に応じてエンドキャッ
プを上流電極20から電気的に絶縁することができる。

軸心断面図で見てアークヒータ10の内部はステップ状を
呈する。上流電極20に隣接する電極間セグメントの内径
は上流電極の内径よりも小さい。下流に近づくに従って
電極間セグメントの内径は段階的に増大し、下流電極に
隣接する電極間セグメントの内径は下流電極の内径と等
しいかまたはこれよりも小さい。好ましくは単位面積当
たりの総ガス流量がほぼ一定となるように各電極間セグ
メント60の内径を設定する。上流電極に隣接する電極間
セグメントに対応するスリーブの上流端86には、通過す
るガスにできるだけ流線形の開口部を提供するため、丸
みを施す。電極間セグメント60の個数は使用するガスの
種類、出力レベル、軸方向ギャップへのガス分配、及び
特定用途に必要なエンタルピー及び流量に応じて設定さ
れる。

ステップ状の電極間セグメント60によって形成されるス
テップ状アークチェンバ100は流入する境界ガスが軸方
向に下流へむかって流動しやすくし、従って始動時にお
ける下流電極40へのアーク移行と境界層102の形成とを
容易にする。また、このステップ状の構成により、アー
ク加熱されたガスコア104と内側スリーブ80の表面との
間の境界層102の厚さをほぼ同じに維持しながら、生成
するアーク加熱ガスコア104の直径を大きくすることが
できる。即ち、高温ガスの容積が増大しても壁への熱伝
達率はアークヒータの全長にわたってほとんど変化しな
い。これによってアークヒータの動作効率を高めること
ができる。

下流電極セグメント40の下流に内側スリーブ162及び外
筐164を含む水冷ノズル160を設けることができる。絶縁
板110を利用して外筐164に設けたガス入口168と接続す
る軸方向ギャップ166を設ける。絶縁板110には上述のよ
うに変更を加えることができる。好ましくは、軸方向ギ
ャップ166を通って流入する境界ガスをアーク加熱ガス
コア104に対して向流方向に流動させる。向流ガスを採
用することにより、下流電極セグメント40の内側スリー
ブ80の表面でアーク104を軸方向に位置ぎめすることが
できる。

ガスによるアーク位置ぎめにより、直線的、放散形また
は収斂形など多様なノズル・スタイルの採用も可能にな
る。従来の構成では下流電極からノズル内へまたはこれ
を越えてアークが移行するのを防止するのに充分な背圧
が得られるようにノズル・スタイルが選択された。アー
クヒータの使用に際して、動作効率を高めるためにガス
流量を増大させることが１つのねらいである。ガス流量
が増大するとアークがノズル内へ移行し易くなるから下
流電極域に比較的高い背圧が必要となる。本発明でアー
ク移行を防止するためにノズルを利用する必要はほとん
どない。比較的大きい直径の下流電極はガス流速を低下
させることを可能にするとともにアークが更に下流側へ
流されることなくこの下流電極域にとどまることを可能
にする。アークヒータ内でアークを位置ぎめするこれら
の流体力学手段のほかに、各セグメント周りに環状界磁
コイル180を取付けることができる。各電極及び電極間
セグメントによって外筐82及び内側スリーブ80によって
形成されるチェンバ182をこの目的に利用する。外筐82
にチェンバ182と連通する（図示しない）適当な孔を介
して界磁コイル180との電気的接続を形成する。給電さ
れると、これらの界磁コイルはアーク106中を流れる電
流と相互作用する磁場を発生させ、この磁場がアーク10
6を２つの電極セグメント20、40及び電極間セグメント6
0の表面周りに回転させて、アーク接触点における腐食
率を軽減する。

界磁コイル180と内側スリーブ80との間に環状スペーサ
リング184を配置して内径沿いに冷却通路84を形成する
と共に外径に沿ってチェンバ182の一部を形成する。ス
ペーサリング184の幅はアークチェンバ180の直径が拡が
ると狭くなり、電極セグメント20、40において最も狭く
なる。

第２図には第１図のアークヒータの基本的な作動構成を
示す。図中、同じ特性を有する素子には同じ参照番号を
付した。好ましくは直流の電源200を上流電極セグメン
ト20及び下流電極セグメント40に電気的に接続する。使
用電源はアーク発生に充分なレベルの電圧を提供すると
共に、いったんアークが発生したら充分な電流を提供で
きるものでなければならない。電流制御が可能であるか
ら、多相AC整流サイリスタ‐制御DC電源が好ましい。ア
ーク発生に必要な電圧レベルを下げるためには従来のア
ーク発生手段を利用すればよい。どちらの電極セグメン
トもアノードまたはカソードとして作用させることがで
きる。多くの場合、上流電極セグメント20を電源200の
正端子202に接続してアノードとして作用させ、下流電
極セグメント40を電源のリターン204またはアース側と
接続してカソードとして作用させる。各電極間セグメン
ト60とカソードとして接続された電極セグメントとの間
に抵抗器220を電気的に接続する。これらの抵抗器はア
ークの発生を助け、アーク発生中の漏れ電流を制限する
ように作用する。

アークヒータの始動時に、抵抗器220は印加電圧をセグ
メント間に配分して、アーク完成に先立ってアークヒー
タ中に電圧勾配を発生させる。これがアーク発生を容易
にする。両電極セグメント20、40間にアークが形成され
る時、アークヒータ10内に電圧勾配が存在する。この時
抵抗器220は各電極間セグメントからの漏れ電流を制限
する。好ましくはこれらの抵抗器を漏れ電流を１アンペ
ア以下に制限するように寸法設定する。各抵抗器の実際
の値は各抵抗器が接続されている電極間セグメントのア
ーク電圧勾配値と所期の漏れ電流値とによって決定され
る。電源のリターンに接続している電極に近づくにつれ
て抵抗器の値は低くなり、この電極セグメントに隣接す
る電極間セグメントに接続する抵抗器の値が最も低い。
多くの場合これは下流電極セグメント40である。動作
中、アークと電極間セグメントとの間の電位差はアーク
が電極間セグメントへ点弧（strikeover）するのに必要
なアーク破壊電圧よりも小さいから、電極間セグメント
60とのアーク点弧は軽減される。

アーク発生に先立って、またはこれと同時に、境界ガス
入口またはコアガス入口、あるいは双方からガス、通常
はアルゴンの流入が始まる。次いでアーク破壊に必要な
レベルの電圧が両電極セグメント20、40間に印加され
る。抵抗器220の作用及び上記接続により、上流電極20
の下流端とこれに隣接する電極間セグメント60の間の第
１軸方向ギャップにほぼ全電圧が現れる。次いで残りの
軸方向ギャップに順次一連の低電流アークが形成され
る。軸方向ギャップにこのような低電流アーク（１〜２
アンペア）が形成されると総電流は数百アンペアにまで
増大する。この時点でアークヒータを流動するガス流が
アークを長くし、下流にむかって押し進め、下流で各ア
ークが結合して上流電流セグメント20から下流電極セグ
メント40に至る単一アークを形成する。即ち、電極間セ
グメント60に接続された抵抗器220は次の３つの機能を
果たす。その１つは始動時にアーク放電開始（breakdow
n）を助けること、残る２つの動作中にセグメントとの
アーク点弧及び漏れ電流を制限することである。再アー
ク点弧及び漏れ電流はアークヒータの効率を著しく妨げ
る要因である。第１及び２図のアークヒータを４回にわ
たってテストした結果、表１に示す動作データを得た。

本発明の他の実施例を第３図の部分断面図に示す。第３
図にはそれぞれ複式の上流電極セグメント及び下流電極
セグメントと、同じく複式の電源を示した。電極及び電
極間セグメントの構造は先に述べたのとほぼ同じであ
る。上流電極セグメント20aと下流電極セグメント40aと
の間に定電流源300を接続し、上流電極セグメント20bと
下流電極セグメント40bとの間に定電流源320を接続す
る。電極セグメントと定電流源300、320との間の接続は
第２図の電源及びアークヒータに関して述べたのとほぼ
同じである。ただし、一方の電極セグメントをアノード
として接続する場合には隣接の電極セグメントもまたは
アノードとしてその連携電源に接続する。第３図には複
式電源を示した２組の電極セグメントに必要電流及び電
圧を提供するように適当な変更を加えた単一電源を使用
することも可能である。複式の上流及び下流電極セグメ
ントを採用した場合、２つのアーク106a、106bが発生
し、電極間セグメント60aを通過する際に互いに結合し
て１つになる。このように構成すれば個々の上流及び下
流電極セグメントを低電流が流れるから個々の電極セグ
メントの延命に寄与する。

（図示しないが）電極セグメントの他の実施態様として
単一の上流電極を使用してこれをアノードとして接続
し、下流電極を複式に構成して共にカソードとして接続
する態様が考えられる。経験に照らして、カソードとし
て作用する電極セグメントに顕著な摩耗が発生する場合
が多く、この摩耗または腐食はアーク電流と深く関連す
る。カソードを複式に構成すればそれぞれに半分のアー
ク電流が作用することになり、電極摩耗がそれだけ軽減
される。この構成と適当な変更を加えた単一電源または
複式電源を併用すればよい。多重電極の場合、電極間セ
グメント60の場合と同様に個々の電極を互いに電気的に
絶縁する。境界ガスをアークヒータに流入させることが
できるように軸方向ギャップも設ける。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ガス電気アークヒータの軸心断面図。第２図は、第１図のアークヒータに必要な電気的接続を
略示する説明図。第３図は、複式の上流及び下流電極を採用したアークヒ
ータを示す部分的軸心断面図である。 20……上流電極セグメント 40……下流電極セグメント 60……電極間セグメント 80……内側スリーブ 86……冷却水入口 88……冷却水出口 110……絶縁板 120……エンドキャップ 122……炉心ガス入口 140……境界ガス入口 160……水冷ノズル 200……DC電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者モーリス・ジエラード・フエイアメリカ合衆国ペンシルベニア州、ピツツバーグテトン・ドライブ 105 (72)発明者ジヨン・エドワード・ヘイドリツチアメリカ合衆国、カリフオルニア州、リバーモアロクサヌ・ストリート 1175

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ほぼ円筒形を呈し、互いに間隔を保つ中空
の上流電極セグメント及び下流電極セグメントと、上流
電極セグメント及び下流電極セグメントの間に介在して
軸方向に整列し、それぞれがほぼ円筒形の中空体として
互いにかつ両電極セグメントと軸方向に間隔を保って一
連の軸方向ギャップを形成すると共に内部にアークチェ
ンバを形成する複数の電気的に絶縁された電極間セグメ
ントと、軸方向ギャップを介してアークチェンバにガス
を流入させてその表面に沿って境界ガス層を形成するガ
ス入口手段と、一方の電極セグメントがアノードとし
て、他方の電極セグメントがカソードとして作用するよ
うにそれぞれ上流電極セグメント及び下流電極セグメン
トと接続して両電極間に電極間セグメントを貫通するア
ークを形成するDC電源手段とから成るアークヒータであ
って、上流電極セグメントに隣接する電極間セグメント
が上流電極セグメントと内径よりも小さい内径を有し、
下流電極セグメントに隣接する電極間セグメントが下流
電極セグメントと内径よりも小さいかまたはこれと等し
い内径を有し、電極間セグメントの内径が下流に向かっ
て段階的に増大し、アークが流入ガスの一部を加熱して
アーク加熱ガスコアを形成し、アーク加熱ガス及び境界
ガス層が下流電極セグメントの下流端においてアークヒ
ータ外に流出し、境界ガス層がセグメント間の電気的絶
縁を維持しながら高温ガスコア域からセグメントへの対
流熱損失を減少させることを特徴とする電気アークヒー
タ。
【請求項２】上流電極セグメントの上流に配置された上
流ガス入口手段及び下流電極セグメントの下流に配置さ
れた下流ガス入口手段を含み、上流及び下流ガス入口手
段が上流及び下流電極セグメント内にそれぞれガスを流
入させてそれらのセグメントの表面上において軸方向に
アークを位置させることを特徴とする特許請求の範囲第
１項に記載の電気アークヒータ。
【請求項３】それぞれを各電極間セグメントとカソード
として接続された電極セグメントとの間に電気的に接続
されて軸方向ギャップに順次アークを発生させるのに充
分な電圧を軸方向ギャップ間に提供すると共に電極セグ
メント間にアークが発生するとアークから各電極間セグ
メントを通る漏れ電流を１アンペア以下の値に制限して
電極間セグメントに対するアーク点弧を減少する複数の
抵抗手段を含むことを特徴とする特許請求の範囲第２項
に記載の電気アークヒータ。
【請求項４】上流電極セグメントをアノードとして、下
流電極セグメントをカソードとしてそれぞれ電気的に接
続したことを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載の
電気アークヒータ。
【請求項５】下流電極セグメントの近傍に第２下流電極
セグメントを設け、第２カソードとしてDC電源手段に電
気的に接続してアーク電流を２つの下流電極セグメント
に分配することを可能にしたことを特徴とする特許請求
の範囲第４項に記載の電気アークヒータ。
【請求項６】上流電極セグメントの近傍に第２上流電極
セグメントを設け、第２アノードとしてDC電源手段に電
気的に接続してアーク電流を２つのアノードに配分する
ことを可能にしたことを特徴とする特許請求の範囲第５
項に記載の電気アークヒータ。
【請求項７】アークチェンバ周りに磁場を発生させてア
ークチェンバ内でアークを回転させるため各電極セグメ
ント及び電極間セグメント周りに配置した複数のコイル
手段と、コイル手段に給電するためのコイル電源手段と
を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項から第６
項までのいずれか一つの項に記載の電気アークヒータ。
【請求項８】ガスの入口圧が約１気圧ないし約50気圧で
あることを特徴とする特許請求の範囲第１項から第７項
までのいずれか一つの項に記載の電気アークヒータ。
【請求項９】ガスの入口圧が約４気圧ないし約６気圧で
あることを特徴とする特許請求の範囲第８項に記載の電
気アークヒータ。
【請求項１０】ガスを水素、一酸化炭素、二酸化炭素、
水蒸気、空気、窒素、酸素、アルゴン及びこれらの組合
わせから選択することを特徴とする特許請求の範囲第８
項または第９項に記載の電気アークヒータ。
【請求項１１】ガスの入口温度がほぼ周囲温度であり、
高温ガスコアの温度が約1000℃ないし約10,000℃である
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項から第10項まで
のいずれかに記載の電気アークヒータ。
【請求項１２】各電極間セグメントの内径を、単位面積
当りの総ガス流量がほぼ一定となるように設定したこと
を特徴とする特許請求の範囲第１項から第11項までのい
ずれか一つの項に記載の電気アークヒータ。
【請求項１３】上流電極セグメントの上流に上流ガス入
口手段を配置し、下流電極セグメントの下流に下流ガス
入口手段を配置し、上流及び下流ガス入口手段が上流及
び下流電極セグメントにそれぞれガスを流入させること
により対応セグメントの表面上にアークを軸方向に位置
させることを特徴とする特許請求の範囲第１項から第12
項までのいずれか一つの項に記載の電気アークヒータ。
【請求項１４】上流電極セグメントの近傍に第２上流電
極セグメントが設けられると共に下流電極セグメントの
近傍に第２下流電極セグメントが設けられ、上流電極セ
グメントの一方及び下流電極セグメントの一方と接続し
て両セグメント間に電極間セグメントを貫通するアーク
を形成する第１のDC定電流源手段が設けられ、他方の上
流電極セグメント及び他方の下流電極セグメントと接続
して両セグメント間に電極間セグメントを貫通する第２
アークを形成する第２のDC定電流源手段が設けられ、２
つのアークがその全長の一部にわたって組合わされ、流
入ガスの一部を加熱してアーク加熱ガスコア域を形成す
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項から第３項ま
でのいずれかに記載の電気アークヒータ。
【請求項１５】両上流電極セグメントをアノードとし
て、両下流電極セグメントをカソードとして、それぞれ
の前記DC定電流源手段に電気的に接続したことを特徴と
する特許請求の範囲第14項に記載の電気アークヒータ。
【請求項１６】コアガスをアークチェンバ内で加熱する
ことを可能にするコアガス入口手段を含むことを特徴と
する特許請求の範囲第１項から第15項までのいずれか一
つの項に記載の電気アークヒータ。