JPH0763033B2 - 大出力プラズマジェット発生装置 - Google Patents

大出力プラズマジェット発生装置

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JPH0763033B2
JPH0763033B2 JP59132783A JP13278384A JPH0763033B2 JP H0763033 B2 JPH0763033 B2 JP H0763033B2 JP 59132783 A JP59132783 A JP 59132783A JP 13278384 A JP13278384 A JP 13278384A JP H0763033 B2 JPH0763033 B2 JP H0763033B2
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    • H05H1/3468—Vortex generators

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、プラズマジェットを発生する装置に関する
ものである。
従来のプラズマジェット発生装置は、例えば第７図に示
すように、タングステン製のセンター電極71とノズル72
を有するノズル電極73との間に電源74によってアークを
発生させ、センター電極71に沿って作動ガスを供給する
ことによってこれをプラズマ化し、ノズル72よりプラズ
マジェット75を大気中などに噴出させるものである。な
お、ノズル電極73は熱損傷を防ぐために水套76によって
冷却されている。
このようなプラズマジェット75は、10000K以上の高温と
毎秒1000m以上の流速を持つ高エネルギーの集中熱源で
あるために、例えばステンレス鋼、アルミ合金などの溶
断または溶接、金属またはセラミックス材料の溶射、純
金属または合金の溶解または精錬、高分子などの高温化
学反応等への工業化が進んでいる。
プラズマジェットは、熱量発生のための効率が高いの
で、その利用価値は高いが、その反面に大出力化が極め
て困難で、その原因は負特性であるアーク放電を利用し
ていることにする。すなわち通常は数10V、数100A程度
の低電圧大電流のアーク放電を用いているが、大出力化
のためには電流を増大させるしかないのに対し、電流の
増大は電極の消耗等の問題を伴うために限界があり、従
って従来は100KW程度が限度であった。
この発明は、高電圧大電流を用いてプラズマの大出力化
を可能にしようとするものである。
以下、図示の実施例に基いてこれを説明する。
第１図において、１はノズル２を有するノズル電極で、
絶縁物３に支持されたセンター電極４がノズル２に対面
しており、センター電極４の周囲には作動ガスの供給路
５が形成されている。６はノズル電極１の冷却水套、７
はノズル電極１とセンター電極４との間に接続された放
電用電源であり、これらの構成は従来のプラズマジェッ
ト発生装置とほぼ同じである。
ノズル電極１の前面には、絶縁物製の二重円筒形の渦流
室壁11が存在し、外壁12と内壁13との間には円筒形のガ
ス供給室14が形成されている。外壁12はガス供給室14に
通ずるガス供給管15を有する。内壁13には、第２図に示
すように、円周上に等間隔で位置する４箇所にそれぞれ
複数個（第１図では４個）の小孔16、16‥‥が、中心軸
線について対称な接線方向に穿孔されており、この小孔
16、16‥‥を有する内壁13の内部は渦流室17を形成して
いる。
渦流室17の前面には、中心にガスダイバータノズル18を
有するガスダイバータノズル電極19が位置する。ノズル
電極１とガスダイバータノズル電極19との間には放電用
電源20が接続されている。なお、21はガスダイバータノ
ズル電極19に設けた冷却水套である。
上述の装置において、電源７を動作させ、供給路５より
作動ガスを送入しながらノズル電極２とセンター電極４
との間でアーク放電を発生させると、生成したプラズマ
ジェットは渦流室17内へ噴出する。
次に、供給管15より作動ガスを供給しながら電源20を作
動させてノズル電極２とガスダイバータノズル電極19と
の間に主放電を起こさせると、エネルギーが増強された
プラズマジェット22が、ガスダイバータノズル18より外
界へ噴出する。
ここで、接線方向から渦流室17内へ、小孔16、16‥‥よ
り噴出した作動ガスの流速の円周方向成分をＶθ、半径
方向成分をVrとすると、第３図に示すように、両成分と
も中心軸線23から半径Rwの位置にある内壁13の内面位置
より中心へ向うに従って増大し、ガスダイバータノズル
半径Rnよりも内側の半径Rm位置で最大値を示し、中心で
は０に近づく。特に円周方向成分Ｖθの最大値は音速Va
付近にまで達する。なお、音速の室温における値は、水
素ガスの場合は約1300m/s、空気は約340m/s、アルゴン
ガスの場合は約330m/sである。
その結果、中心部のガス圧は大幅に低下し、あたかも半
径Rmのトンネル壁によって包囲されたような低圧部分を
生ずるのであり、このような高速渦流のトンネル壁内に
存する低ガス圧領域をガストンネルと称することにす
る。ガストンネル内のガス圧は、供給管15より供給され
るガス流量が多い程、及びガスダイバータノズル径Rnが
小さい程低くなり、、ガスダイバータノズル18の先端が
大気圧に開放されている場合は、ガストンネル内のガス
圧を約200Torrにまで引下げることが可能である。
第４図は、ガスダイバータノズル18の径を8mmとし、そ
の出口側の空間を真空排気し、供給管15よりアルゴンガ
スを毎分340lの流量で供給した場合の渦流室17内の圧力
分布を示し、ガストンネルの中心部ではガス圧が40Torr
にまで低下していることがわかる。
なお、実験によれば、このようなガストンネルは１方向
から作動ガスを渦流室内に噴出させた場合には形成され
ず、対称な２方向から噴出させた場合には偏平なものと
なり、対称な４方向から噴出させた場合に円形の好まし
い形状になった。
電源20によるノズル電極とガスダイバータノズル電極19
との間の主放電は、ノズル２より渦流室17内へ噴射され
るプラズマジェットによって点弧され、上述のガストン
ネルを通して行なわれ、プラズマのサーマルピンチ効果
はガス流の半径方向速度成分Vrにより増強される。この
ようなガストンネルが存在しない場合は、放電は電極１
及び19間をほぼ最短径路で結んで発生するが、ガストン
ネルが存在する場合はガストンネルに沿う長い距離を通
って行なわれる。
その結果、第７図に示した従来のプラズマジェット発生
装置の電流−電圧特性は、第５図に曲線51で示すように
負特性を示すのに対し、上述のガストンネルを通しての
放電は曲線52で示すように正特性を示し、かつ放電電圧
が大幅に上昇する。なお、第５図の曲線52は、渦流室の
長さが20mm、ガスダイバータノズル径が8mm、長さが40m
mで、渦流室17にアルゴンガスを毎分400l供給した場合
の値である。
従って放電電圧を高めることによってプラズマジェット
が持つエネルギーを増大させることが可能になるばかり
でなく、放電点の局部集中を回避して放電電流を増大さ
せたことによる電極の消耗を軽減することができる。
実験によれば、センター電極４及びノズル電極１間に80
0A、35Vの放電を行わせて得た28KWのプラズマジェット
に、ノズル電極１及びガスダイバータノズル電極19間の
1000A、210Vの放電による200KW強のエネルギーを容易に
注入することができ、これによりプラズマジェットの輝
度及び長さがともに格段と増大した。そしてその熱効率
は80％以上になり、従来のプラズマジェット発生装置の
60％以下に較べると非常に高い。
なお、電源20による電極１、19間の主放電が点弧された
後は、電源７による電極４、１間の放電を停止しても主
放電は継続する。
第６図は、第１図に示したような渦流室17及びガスダイ
バータノズル電極19よりなる本発明のプラズマジェット
増強手段を多段に設けたものである。すなわち、第１図
に示すものと同様なガスダイバータノズル電極19の前面
には、更に渦流室17と同構成の渦流室27が設けられ、そ
の前方にはガスダイバータ電極19と同構成のガスダイバ
ータ電極29が設けられている。そして、電源30により両
電極19、29間でも放電を行なわせることにより、第１図
示の装置によて得たプラズマジェット22にこの放電エネ
ルギーを追加注入することができる。
以上の実施例によって明らかなように、この発明による
ときは、従来放電電圧及び放電電流の双方の制約によっ
て限定されていたプラズマジェットのネネルギーを大幅
に増大できるために、プラズマジェットの工業的利用に
際しての作業速度及び作業量を高め、或いは利用分野を
拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明の実施例の縦断面図、第２図は同実施
例における渦流室部分の横断面図、第３図は同渦流室内
における速度成分の分布図、第４図は同渦流室内におけ
る圧力分布図、第５図は同実施例及び従来装置の電流−
電圧特性線図、第６図はこの発明の他の実施例の縦断面
図、第７図は従来のプラズマジェット発生装置の縦断面
図である。 １〜７……プラズマジェットの供給手段 １……ノズル電極（第１の電極） ２……ノズル 11……渦流室壁 12……外壁 13……内壁 16……小孔 17……渦流室 18……ガスダイバータノズル 19……ガスダイバータノズル電極（第２の電極） 20……作動電源 22……プラズマジェット 23……中心軸線
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭48−59793（ＪＰ，Ａ) 特公 昭37−11415（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】同一中心軸線上に配置された入射ノズル及
    びガスダイバータノズルをそれぞれ有する入射電極及び
    ガスダイバータ電極と、これら両電極に挟まれた上記中
    心軸線を中心とする筒状周壁によって囲まれた渦流室
    と、上記渦流室内面の上記中心軸線について対称な複数
    位置より接線方向に作動ガスを供給してガスダイバータ
    ノズル内に高速ガス渦流によって囲まれたトンネル状の
    低ガス圧領域を形成する手段と、上記入射電極の背後に
    あって上記入射ノズルに対面して配置されたセンター電
    極と、このセンター電極の方向から上記入射ノズル内へ
    作動ガスを供給する手段と、上記入射ノズルより上記渦
    流室内へ点弧用プラズマジェットを供給するための放電
    を生ずるように上記センター電極及び上記入射電極間に
    接続された電源と、上記入射電極及び上記ガスダイバー
    タ電極間に上記トンネル状低ガス圧領域を通して放電を
    生ずるように接続された高電圧大容量電源とを有し、上
    記トンネル状低ガス圧領域を通しての放電によって生成
    されたプラズマジェットが上記ガスダイバータノズルよ
    り上記中心軸線に沿って噴出するよう構成してなる大出
    力プラズマジェット発生装置。
JP59132783A 1984-06-27 1984-06-27 大出力プラズマジェット発生装置 Expired - Lifetime JPH0763033B2 (ja)

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