JPH06511109A - 化学的プロセスのためのトーチ装置 - 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】 化学的プロセスのためのトーチ装置 本発明は、プラズマトーチへ反応物質を供給するための引き込み管に関する。プ ラズマトーチは、反応物質の化学的処理のために使用され、プラズマ形成ガスと 反応物質の両方を供給することができる。

ノールウェイ国特許第１６４　８４６号からは、電気的に絶縁された混合用供給 管が公知であるが、それは冶金精錬の冠水用に設計されたプラズマトーチの内側 電極内の中央に設けられている。

米国特許第４　１２２　２９３号においては、ガスと混合剤と電流を電気アーク 精錬炉に使用される中空電極に供給するための外部液冷供給管が記載されている 。

更に、欧州特許第ＥＰ０　１７８　２８８号は、冶金溶融ポットを加熱するため に特別に設計されたプラズマトーチ用のノズルが記載されている。該ノズルは、 プラズマ形成ガスと電流用の供給管として同時に作用する液冷電極ホルダーに取 り付けられた電極チップを有する。該電極チップは、プラズマガス用の中央ポア ーを有し、該ボアーの出口は、まずラバル（Ｌａｖａｌ）ノズルとして設計され 、その後、ガスが電極から出るときに噴射できるようにする拡散器として設計さ れる。

反応物質の化学的処理、例えば、熱分解の間、ガスがプラズマ炎に達する時にガ スが適正な温度を有することは本質的なことである。もしガスの温度がある数値 を越えた場合、ガスは、余りにも早く反応しすぎる。

このことは、ガスがプラズマ炎に達する前に分解生成物が形成されてしまうので 望ましくなく、このことは、引き込み器具内と電極上へのそのような生成物の堆 積につながる。

これらの公知の設計のガスの供給器具は、反応物質の化学的処理に利用されるプ ラズマトーチに使用されるときには、不満足な結果が生じることが判明した。

従って、必要な温度とプラズマトーチに供給された反応物質の正確な速度が達成 される引き込み器具を提供することが本発明の目的である。

この目的は、提出された請求の範囲の各請求項の特徴によって特徴づけられる引 き込み管によって達成される。

プラズマトーチは、互いに内側に共軸上に配置される管状電極で構成される。最 も簡単な形状では、トーチは、２つの電極即ち外側の電極と内側の電極から成る 。プラズマトーチは、又、もっと多くの電極を備えることができる。

電極は、冷媒の輸送用の冷却チャンネルを備えた中空のものであっても良い。優 れた熱伝導性と電導性を有する全てのタイプの固体材料が、液冷電極用に使用さ れる。

中実電極を使用することが好ましい。中実電極は、通常、例えば、グラファイト のような、高い溶融点と優れた電導率を有する材料で組み立てられる。

反応物質は、内側の電極内で共軸上に配設された分離式の引き込み管を通って供 給される。

用語「反応物質」は、化学反応がそれによってプラズマ炎内で行われる純ガス又 は液体粒子又は固体粒子と混合されたガスに関する。

引き込み管がプラズマ領域内で加熱されたときには、それを冷却することが必要 である。従って、それは冷媒輸送用のチャンネルを備える。

冷却チャンネルは、例えば、引き込み管の基部上で、ある程度の距離で終了する 内部分画板を該引き込み管に設けることによって、形成される。

最低温度が引き込み管の内部で得られるように、冷媒の流れる方向が提供される 。

反応物質がプラズマ領域に供給された時に、反応物質が適正な温度を有すること が大切である。例えば、メタンにとっての望ましい温度は、６５０℃乃至７００ ℃の範囲内である。例えば、引き込み管内に配設された熱電対により、引き込み 管の放出ノズルの温度を計測することによって、反応物質が放出ノズルを出た時 に反応物質が望ましい温度に達するように冷媒の温度は調整される。

引き込み管の外面と、特に、プラズマ炎に面する下面には、断熱コーティングが 施される。

該断熱コーティングを施された引き込み管は、内側電極の内径よりも小さな直径 を有する。該引込み管と内側電極の間に形成される環状通路内に、プラズマ形成 ガス、若しくは、反応物質が供給される。プラズマ形成ガス、若しくは、反応物 質が供給されるとき、それは低温であり、従って、引き込み管の冷却に更に貢献 する。

プラズマ形成ガスは、例えば、窒素又はアルゴンのような不活性ガスであっても よいが、それは通常プラズマ炎内で生じる化学反応を伴うものでも、影響を与え るものでもない。反応物質は、又、プラズマ形成ガスとしても使用される。

プラズマ炎に対する的確な位置決めを達成するために、該引き込み管は、軸方向 に移動してノズルの調節ができるようにする。反応物質がプラズマ領域に達した ときに反応物質内で有利な温度状況がそれによって達成され、最適な効率が化学 的プロセスにおいて達成される。

プラズマトーチに、消耗電極が使用できるが、それはある程度の溶融損失を有す るので、従って、電極の長さが変化する。このために、引き込み管が再調節可能 なように移動でき、その結果電極に消耗が生じる場合にも有利である。プラズマ 炎に対面するノズル又は引き込み管の下部は、交換可能なように設けられる。引 き込み管のこの部分は高温に曝され、腐食や破裂が引き込み管に生じることがあ る。従って、ノズルを一定の間隔で交換することができるのは有利である。

引き込み管のノズルには、円錐形の狭搾部、又は、ベンチュリーノズル、若しく は、ラバル（Ｌａｖａｌ）ノズルを設けることができる。反応物質は、それによ って、より高速の流速を達成し、プラズマ炎に向かってより早くそれを供給する 。ガスの流速は、各種の化学的プロセス用に設計されたプラズマトーチの最適作 動状況を達成するためのパラメーターである。ベンチュリーノズルが交換可能な ので、使用中の反応物質に対する最適なガスの流速を提供するノズルが選択でき る。

本発明の引き込み管によって、この目的は達成され、所望の温度で、並びに、適 正な流速で反応物質を供給可能とし、更に、放出ノズルをプラズマ炎に関して適 正位置に置くことで、反応物質が反応領域に達する以前の反応物質の反応を阻止 する。このことは、又、引き出し管のノズル内と電極上での反応物の堆積即ち分 解生成を阻止する。

本発明の範囲内で、引き出し管は多くの異なるタイプのプラズマトーチ、例えば 、出願人のノールウェイ特許出願第９１　４９０７号に記載のプラズマトーチの 様なものに使用される。

本発明のプラズマトーチ用の引き込み管は、好ましい実施例を略式に示した図面 に関してより詳細に記載される。

図１は、本発明の引き込み管を備えたプラズマトーチの縦断面図である。

図２は、本発明のプラズマトーチ用の引き込み管の第２の設計例の縦断面図であ る。

図１においては、プラズマトーチが、■で示されている。ここでは、それが２つ の電極、即ち、外側電極２と内側電極３を備えている。

両電極２と３は、好ましくは円管状であり、互いに内側に同心的に配置される。

両者は、冷媒の輸送のための冷却チャンネルを備えた中実電極、又は、中空電極 とすることもできる。中実電極は、好ましくは、例えば、グラファイトやシリコ ンカーバイトのような、高い溶融点と優れた電導率を有する材料で組み立てられ る。あらゆるタイプの優れた電導率と優れた熱伝導率を有する固体材料、例えば 、銅のような材料は、液冷電極用に使用される。

プラズマトーチには、反応物質用の引き込み管５が設けられている。

該引き込み管５は、好ましくは、銅のような優れた熱伝導性を有する材料で構成 される。引き込み管は、内壁６と外壁７を有し、引き込み管の基部上で若干の距 離を有して終了する内側分画板８を装備し、それによって、冷媒用のチャンネル を形成する。

冷媒の供給は、冷媒が管の内面６に沿ってチャンネル内に流入し、外面７に沿っ て該チャンネルから流出するようになされる。このことは、両矢印によって示さ れている。示された流れの方向によって、最低温が引き込み管の内面で得られる という目的が達成される。

外面７と、特に、引き込み管の下面９には、断熱コーティング１０と１１が施さ れている。反応物質は、引き込み管５を通ってプラズマ炎に供給される。このこ とは、矢示１２によって示されている。用語「反応物質」は、ここでは、化学反 応がそれによってプラズマ炎内で行われる純ガス又は液体粒子又は固体粒子と混 合されたガスに関する。

引き込み管と内側電極の間、及び、内側電極と外側電極の間には、環状通路が形 成される。これらの通路を通過して、プラズマ形成ガスが供給される。このこと は、矢印１３と１４によって示されている。プラズマ形成ガスは、例えば、窒素 又はアルゴンのような不活性ガスであってもよいが、それは通常プラズマ炎内で 生じる化学反応を伴うものでも、それに影響を与えるものでもない。

引き込み管と内側電極の間の環状通路を通って供給されたプラズマ形成ガスが、 矢印１３によって示されている。このガスは、予め冷却されおり、従って、引き 込み菅の冷却に更に貢献する。

反応ガス用の引き込み管５は、軸方向に移動される。該引き込み管の移動装置は 、図面には示されていない。該引き込み管を移動する目的は、プラズマ炎に対し て的確な位置決めを達成するために、ノズルの調節ができるようにすることであ る。

ノズル又は引き込み管の下部は、交換可能である。引き込み管の内壁と外壁には 、好ましくは、もし引き込み管のこの部分が破損した場合にノズルを取り外して 交換するための螺合部を設ける。この螺合部は、内管壁用には番号１６で、外管 壁用には番号１７で示されている。

図２には、プラズマ炎に面するノズル又は引き込み管の下部が、円錐形に設計さ れ、ベンチュリノズル１５の形状をした管状出口に向かっての狭搾部が生じる引 き込み管１５が図示されている。引き込み管の設計と引用番号は、この変更を除 いて、図１に関連するものである。

反応物質がノズル１５を強制的に通過するときには、より早い流速が達成され、 プラズマ炎へのより早急な供給となる。

ノズルと引き込み管の下部は、交換可能である。引き込み管の内壁と外壁には、 好ましくは、損耗と破損の場合にノズルを取り外して交換するための螺合部を設 ける。この螺合部は、内管壁用には番号１６で、外管壁用には番号１７で示され ている。

明　細　書 化学的プロセスのためのトーチ装置 本発明は、プラズマトーチへ反応物質を供給するための引き込み管に関する。プ ラズマトーチは、反応物質の化学的処理のために使用され、プラズマ形成ガスと 反応物質の両方を供給することができる。

ノールウェイ国特許第１６４　８４６号がらは、電気的に絶縁された混合用供給 管が公知であるが、それは冶金精錬の冠水用に設計されたプラズマトーチの内側 電極内の中央に設けられている。

米国特許第４　１２２　２９３号においては、ガスと混合剤と電流を電気アーク 精錬炉に使用される中空電極に供給するための外部液冷供給管が記載されている 。

更に、欧州特許第ＥＰ０　１７８　２８８号は、冶金溶融ポットを加熱するため に特別に設計されたプラズマトーチ用のノズルが記載されている。該ノズルは、 プラズマ形成ガスと電流用の供給管として同時に作用する液冷電極ホルダーに取 り付けられた電極チップを有する。該電極チップは、プラズマガス用の中央ボア ーを有し、該ボアーの出口は、まずラバル（Ｌａｖａｌ）ノズルとして設計され 、その後、ガスが電極がら出るときに噴射できるようにする拡散器として設計さ れる。

英国特許第０８９９５１５２号は、切削装置用の電気アークトーチを記載してい るが、その装置は、トーチ本体とワークピースの間に飛ばされる電気アークによ って非常に高温に加熱されたガス噴射を行うものである。該トーチ本体は、アー チ型のチャンバ内の１の電極で構成されると共に、切削ガス供給管の出端には、 ベンチュリノズルが設けられている。しかしながら、該ノズルは、交換できない 。

米国特許第４２７５２８７号がらは、プラズマトーチに反応物質を供給するため の水冷の引き込み管が公知である。該引き込み管の下部は、使用後に消耗した時 の交換を容易にするために移動できる。しがしながら、引き込み管は、動かない 。

反応物質の化学的処理、例えば、熱分解の間、ガスがプラズマ炎に達する時にガ スが適正な温度を有することは本質的なことである。もしガスの温度がある数値 を越えた場合、ガスは、余りにも早く反応しすぎる。

このことは、ガスがプラズマ炎に達する前に分解生成物が形成されてしまうので 望ましくなく、このことは、引き込み器具内と電極上へのそのような生成物の堆 積につながる。

これらの公知の設計のガスの供給器具は、反応物質の化学的処理に利用されるプ ラズマトーチに使用されるときには、不満足な結果が生じることが判明した。

従って、必要な温度とプラズマトーチに供給された反応物質の正確な速度が達成 される引き込み器具を提供することが本発明の目的である。

この目的は、提出された請求の範囲の各請求項の特徴によって特徴づけられる引 ぎ込み管によって達成される。

プラズマトーチは、互いに内側に共軸上に配置される管状電極で構成される。最 も簡単な形状では、トーチは、２つの電極即ち外側の電極と内側の電極から成る 。プラズマトーチは、又、もっと多くの電極を備えることができる。

電極は、冷媒の輸送用の冷却チャンネルを備えた中空のものであっても良い。優 れた熱伝導性と電導性を有する全てのタイプの固体材料が、液冷電極用に使用さ れる。

中実電極を使用することが好ましい。中実電極は、通常、例えば、グラファイト のような、高い溶融点と優れた電導率を有する材料で組み立てられる。

反応物質は、内側の電極内で共軸上に配設された分離式の引き込み管を通って供 給される。

用語「反応物質」は、化学反応がそれによってプラズマ炎内で行われる純ガス又 は液体粒子又は固体粒子と混合されたガスに関する。

引き込み管がプラズマ領域内で加熱されたときには、それを冷却することが必要 である。従って、それは冷媒輸送用のチャンネルを備える。

冷却チャンネルは、例えば、引き込み管の基部上で、ある程度の距離で終了する 内部分画板を該引き込み管に設けることによって、形成される。

最低温度が引き込み管の内部で得られるように、冷媒の流れる方向が提供される 。

反応物質がプラズマ領域に供給された時に、反応物質が適正な温度を有すること が大切である。例えば、メタンにとっての望ましい温度は、６５０℃乃至７００ ℃の範囲内である。例えば、引き込み管内に配設された熱電対により、引き込み 管の放出ノズルの温度を計測することによって、反応物質が放出ノズルを出た時 に反応物質が望ましい温度に達するように冷媒の温度は調整される。

引き込み管の外面と、特に、プラズマ炎に面する下面には、断熱コーティングが 施される。

該断熱コーティングを施された引き込み管は、内側電極の内径よりも小さな直径 を有する。該引咳込み管と内側電極の間に形成される環状通路内に、プラズマ形 成ガス、若しくは、反応物質が供給される。プラズマ形成ガス、若しくは、反応 物質が供給されるとき、それは低温であり、従って、引き込み管の冷却に更に貢 献する。

プラズマ形成ガスは、例えば、窒素又はアルゴンのような不活性ガスであっても よいが、それは通常プラズマ炎内で生じる化学反応を伴うものでも、影響を与え るものでもない。反応物質は、又、プラズマ形成ガスとしても使用される。

プラズマ炎に対する的確な位置決めを達成するために、該引き込み管は、軸方向 に移動してノズルの調節ができるようにする。反応物質がプラズマ領域に達した ときに反応物質内で有利な温度状況がそれによって達成され、最適な効率が化学 的プロセスにおいて達成される。

プラズマトーチに、消耗電極が使用できるが、それはある程度の溶融損失を有す るので、従って、電極の長さが変化する。このために、引き込み管が再調節可能 なように移動でき、その結果電極に消耗が生じる場合にも有利である。プラズマ 炎に対面するノズル又は引き込み管の下部は、交換可能なように設けられる。引 き込み管のこの部分は高温に曝され、腐食や破裂が引き込み管に生じることがあ る。従って、ノズルを一定の間隔で交換することができるのは有利である。

引き込み管のノズルには、円錐形の狭搾部、又は、ベンチュリーノズル、若しく は、ラバル（Ｌａｖａｌ）ノズルを設けることができる。反応物質は、それによ って、より高速の流速を達成し、プラズマ炎に向かってより早くそれを供給する 。ガスの流速は、各種の化学的プロセス用に設計されたプラズマトーチの最適作 動状況を達成するためのパラメーターである。ベンチュリーノズルが交換可能な ので、使用中の反応物質に対する最適なガスの流速を提供するノズルが選択でき る。

本発明の引き込み管によって、この目的は達成され、所望の温度で、並びに、適 正な流速で反応物質を供給可能とし、更に、放出ノズルをプラズマ炎に関して適 正位置に置（ことで、反応物質が反応領域に達する以前の反応物質の反応を阻止 する。このことは、又、引き出し管のノズル内と電極上での反応物の堆積即ち分 解生成を阻止する。

本発明の範囲内で、引き出し管は多くの異なるタイプのプラズマトーチ、例えば 、出願人のノールウェイ特許出願第９１　４９０７号に記載のプラズマトーチの 様なものに使用される。

本発明のプラズマトーチ用の引き込み管は、好ましい実施例を略式に示した図面 に関してより詳細に記載される。

図１は、本発明の引き込み管を備えたプラズマトーチの縦断面図である。

図２は、本発明のプラズマトーチ用の引き込み管の第２の設計例の縦断面図であ る。

図１においては、プラズマトーチが、１で示されている。ここでは、それが２つ の電極、即ち、外側電極２と内側電極３を備えている。

両電極２と３は、好ましくは円管状であり、互いに内側に同心的に配置される。

両者は、冷媒の輸送のための冷却チャンネルを備えた中実電極、又は、中空電極 とすることもできる。中実電極は、好ましくは、例えば、グラファイトやシリコ ンカーバイトのような、高い溶融点と優れた電導率を有する材料で組み立てられ る。あらゆるタイプの優れた電導率と優れた熱伝導率を有する固体材料、例えば 、銅のような材料は、液冷電極用に使用される。

プラズマトーチには、反応物質用の引き込み管５が設けられている。

該引き込み管５は、交換可能な上部４と下部１８で構成される。引き込み管５は 、好ましくは、例えば、銅のような優れた熱伝導性のある材料で構成される。引 き込み管は、内壁６と外壁７を有し、引き込み管の基部上で若干の距離を有して 終了する内側の分画板８を装備し、それによって、冷媒用のチャンネルを形成す る。

冷媒の供給は、冷媒が管の内面６に沿ってチャンネル内に流入し、外面７に沿っ て該チャンネルから流出するようになされる。このことは、両矢印）こよって示 されている。示された流れの方向によって、最低温が引き込み管の内面で得られ るという目的が達成される。

外面７と、特に、引き込み管の下面９には、断熱コーティング１０と１１が施さ れている。反応物質は、引き込み管５を通ってプラズマ炎に供給される。このこ とは、矢示１２によって示されている。用語「反応物質」は、ここでは、化学反 応がそれによってプラズマ炎内で行われる純ガス又は液体粒子又は固体粒子と混 合されたガスに関する。

引き込み管と内側電極の間、及び、内側電極と外側電極の間には、環状通路が形 成される。これらの通路を通過して、プラズマ形成ガスが供給される。このこと は、矢印１３と１４によって示されている。プラズマ形成ガスは、例えば、窒素 又はアルゴンのような不活性ガスであってもよいが、それは通常プラズマ炎内で 生じる化学反応を伴うものでも、それに影響を与えるものでもない。

引き込み管と内側電極の間の環状通路を通って供給されたプラズマ形成ガスが、 矢印１３によって示されている。このガスは、予め冷却されおり、従って、引き 込み管の冷却に更に貢献する。

反応ガス用の引き込み管５は、軸方向に移動される。該引き込み管の移動装置は 、図面には示されていない。該引き込み管を移動する目的は、プラズマ炎に対し て的確な位置決めを達成するために、ノズルの調節ができるようにすることであ る。

ノズル又は引き込み管の下部（１８）は、交換可能である。引き込み管の内壁と 外壁には、好ましくは、ノズルを取り外して交換するための螺合部を設ける。こ の螺合部は、内管壁用には番号１６で、外管壁用には番号１７で示されている。

プラズマ炎に面する引き込み管の下部は、円錐形に設計され、そのため、引き込 み管の出口に向かってテーパー状となりベンチュリノズルの形状となる。

反応物質がノズル１５を強制的に通過するときには、より早い流速が達成され、 プラズマ炎へのより早急な供給となる。流速は、ベンチュリノズルの形状に依存 する。引き込み管５の下部１８は、交換可能なので、適正な流速が、所望の特性 が使用された反応物質に応じて生み出されるように調節できる。

ノズルと引き込み管の下部（１８）は、交換可能である。引き込み管の内壁と外 壁には、好ましくは、損耗と破損の場合にノズルを取り外して交換するための螺 合部を設ける。この螺合部は、内管壁用には番号１６で、外管壁用には番号１７ で示されている。

請求の範囲 １、互いに内側に共軸上に配置されたー又はそれ以上の管状電極（２，３）から なるプラズマトーチ（１）の内側電極（３）内の中央に配置されると共に、液冷 され、その外面（７）と下面（９）が断熱コーティング（１０，１１）を施され た反応物質の供給用の引、き込み管（５）において、引き込み管（５）の位置が 、プラズマ炎に対するノズルの調節をするために、軸方向に移動されることと、 引き込み管（５）の下部（１８）は、交換可能であり、ベンチュリノズル（１５ ）の形状の円錐形のテーパ一部を設け、それが使用された反応物質にとっての最 適なガス流速を提供するように、ベンチュリ（１５）を含む引き込み管（５）の 下部（１８）が選択されることを特徴とする反応物質の供給用の引き込み管。

２、温度測定用の素子が、使用された反応物質の適正な温度を得られるように冷 媒を調節するために、放出ノズルに配置されていることを特徴とする請求項１に 記載のプラズマトーチへの反応物質の供給用の引き込み管。

フロントページの続き （８１）指定国　ＥＰ（ＡＴ、ＢＥ、ＣＨ，ＤＥ。

ＤＫ、ＥＳ、ＦＲ，ＧＢ、ＧＲ，ＩＥ、ＩＴ、ＬＵ、ＭＣ３，ＤＥ、ＤＫ、ＥＳ 、ＦＩ、ＧＢ、ＨＵ、ＪＰ、ＫＰ、ＫＲ，ＬＫ、ＬＵ、ＭＧ、ＭＮ、ＭＷ、ＮＬ 、Ｎ。

、　ＮＺ、　ＰＬ、　ＰＴ、　ＲＯ，ＲＵ、　ＳＤ、　ＳＥ、　ＵＡ。

（７２）発明者　ホックス　ヒエティルノールウェイ国　エヌー７０２１トロン ハイム　ユルトレルヴエイエン　１０ （７２）発明者　フグダール　ヤン ノールウェイ国　エヌー７０１１トロンハイム　ハラール　ポットネルスヴエイ グ１０（７２）発明者　ミュクレブスト　ニルスツールウェイ国　エヌー７０３ ０トロンハイム　二一グロイガータ　６べ一

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．プラズマトーチが互いに内側に共軸上に配置された一又はそれ以上の管状の 、又は、消耗電極からなり、液冷引き込み管の外面と下面が断熱コーティングを 施され、該引き込み管が、内側電極内で共軸上に配置される、例えば、反応物質 の熱分解又はクラッキングのような化学的処理のために設計されたプラズマトー チヘの反応物質の供給用の引き込み管において、引き込み管が、プラズマ炎に対 してのノズルの調節をするために、軸方向に移動されることと、引き込み管の下 部には、交換可能な、ベンチュリノズルの形状をした円錐形の狭搾部が設けられ 、そのために、ノズルを選択して、使用された反応物質の最適なガス流速を提供 することを特徴とするプラズマトーチヘの反応物質の供給用の引き込み管。
2. ２．温度測定用の素子が、使用された反応物質の適正な温度を得られるように冷 媒を詞節するために、放出ノズルに配設されていることを特徴とする請求項１に 記載のプラズマトーチヘの反応物質の供給用の引き込み管。