JPH10212891A - 電気破砕方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】液体の悪影響を招くことなく該液体中で電気破
砕を行い、もって環境問題を回避しつつ効率良く電気破
砕作業を行うことができる電気破砕方法を提供するこ
と。 【解決手段】電極１３の周辺に設けた保水カバー内に導
電性の液体である水１５を供給し、この電極１３間の放
電により破砕対象物１６を絶縁破壊する際に、印加電圧
算定部１０が、水１５及び破砕対象物１６の絶縁破壊曲
線の交点からなるクロス点に至る時間に基づいて、この
算定時間よりも早く破砕対象物１６を絶縁破壊できる絶
縁破壊電圧を求めて高電圧パルス発生部１１に出力し、
高電圧パルス発生部１１では、この絶縁破壊電圧を満足
する立ち上がりが急峻な電圧パルスを発生して電極１３
に印加する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電極と破砕対象物
との間に絶縁性媒体を供給し、前記電極間の放電により
破砕対象物を絶縁破壊する電気破砕方法に関し、特に、
液体の悪影響を招くことなく該液体中で電気破砕を行
い、もって環境問題を回避しつつ効率良く電気破砕作業
を行うことができる電気破砕方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、トンネルの掘削、解体、砕石及び
産業廃棄物の処理等を行う際に、岩やコンクリート等の
絶縁性のある固体を破砕する必要が生じる。かかる場合
に、この絶縁性固体を機械的に破砕する機械的工法や、
火薬を用いて破砕する発破工法や、衝撃波を用いて破砕
する衝撃波工法が用いられることが多い。

【０００３】ところが、この機械的工法には、破砕工具
又は破砕装置が消耗し易いという問題があり、発破工法
には、安全性、騒音並びに振動という問題があり、衝撃
波工法には、段取りに要する時間がかかるという問題が
ある。

【０００４】このため、最近、オイル等の絶縁破壊電圧
が高い液体中で、岩盤やコンクリート等の非導電性の固
体を電気エネルギーの放電により破砕する技術（以下、
「電気破砕技術」と言う。）が登場してきた。

【０００５】例えば、特開平４−２２２７９４号公報に
は、ドリル等によって岩石等の固体絶縁物に穴をあけ、
この穴の中に粘性のある電解液（例えば、硫酸銅電解
液）を入れた状態で高電圧パルスを供給することによ
り、プラズマ放電の電気エネルギーを用いた電気破砕を
行う技術が開示されている。

【０００６】すなわち、かかる従来の電気破砕技術で
は、非導電性の固体よりも絶縁破壊電圧が高い電解液や
オイルのような液体を介して、間接的にかかる固体の電
気破砕を行っている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術を用いて、オイルのような液体中で岩盤やコンク
リートを破砕することとすると、コンクリートの破片等
の破砕物がオイルまみれとなるため、作業効率及び環境
面で大きな問題が生ずる。

【０００８】すなわち、電気破砕したオイルまみれの断
片は、その後の作業の進捗状況を著しく阻害することに
なるため、かかる断片に対して何らかの放置を施す必要
が生じる。

【０００９】具体的には、断片に付着したオイルを浄化
したり、断片そのものを作業地域外に排出する処置等が
考えられるが、いずれにしても電気破砕後の２次作業を
要し、効率的ではない。

【００１０】また、例えば岩石を掘開する場合などのよ
うに、電気破砕の対象となる非導電性固体（以下「破砕
対象物」と言う。）が大量に存在すると、オイル自体の
みならず、オイルの運搬及び保管についてもコストがか
かるため、電気破砕作業がコスト面から制約を受ける。

【００１１】さらに、かかる断片に付着したオイルは、
環境面にも重大な影響を及ぼすため、電気破砕を行い得
る場面が限定されるのが現状である。

【００１２】このように、オイル等の液体中での電気破
砕を行う際に、かかる液体のもたらす悪影響を除去し、
作業効率及び環境面への悪影響をいかに改善するかが重
要な課題となっている。

【００１３】そこで、本発明では、上記課題を解決し、
液体の悪影響を招くことなく該液体中で電気破砕を行
い、もって環境問題を回避しつつ効率良く電気破砕作業
を行うことができる電気破砕方法を提供することを目的
とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段および効果】上記目的を達
成するため、第１の発明は、電極と破砕対象物との間に
絶縁性媒体を供給し、前記電極間の放電により破砕対象
物を絶縁破壊する電気破砕方法において、前記絶縁性媒
体及び破砕対象物がともに同一の絶縁破壊電圧で絶縁破
壊を開始する電圧印加時間を算定し、算定した電圧印加
時間よりも早く前記破砕対象物の絶縁破壊電圧に達する
電圧パルスを前記電極に供給することを特徴とする。

【００１５】このため、作業環境及び環境面に悪影響を
与えるオイル等の液体に代えて、かかる悪影響をもたら
さない水等の液体を採用し、もって効率良く電気破砕を
行うことが可能となる。

【００１６】また、第２の発明は、前記破砕対象物の絶
縁破壊電圧から求められる電流のリーク値以上の電気容
量を有する回路を用いることを特徴とする。

【００１７】このため、絶縁破壊に必要な電圧を保持で
きずに電圧降下を招くという不具合を除去し、もって効
率良く破砕対象物を電気破砕することが可能となる。

【００１８】また、第３の発明は、電極と破砕対象物と
の間に絶縁性媒体を供給し、前記電極間の放電により破
砕対象物を絶縁破壊する電気破砕方法において、前記破
砕対象物の所定の位置に孔を開けて前記電極を挿入し、
前記絶縁性媒体及び破砕対象物がともに同一の絶縁破壊
電圧で絶縁破壊を開始する電圧印加時間を算定し、算定
した電圧印加時間よりも早く前記破砕対象物の絶縁破壊
電圧に達する電圧パルスを前記電極に供給することを特
徴とする。

【００１９】このため、絶縁性媒体の絶縁破壊に要する
電圧値を相対的に上げ、もって破砕対象物の絶縁破壊を
効率良く行うことが可能となる。

【００２０】また、第４の発明は、電極と破砕対象物と
の間に絶縁性媒体を供給し、前記電極間の放電により破
砕対象物を絶縁破壊する電気破砕方法において、前記絶
縁性媒体及び破砕対象物がともに同一の絶縁破壊電圧で
絶縁破壊を開始する電圧印加時間を前記電極間の距離に
基づいて算定した後、該算定した電圧印加時間よりも早
く前記破砕対象物の絶縁破壊電圧に達する電圧パルスを
前記電極に供給する処理を、前記電極間の距離から当該
電圧パルスにより形成された放電路に相当する長さを除
外した距離を新たな電極間の距離としつつ、前記破砕対
象物が絶縁破壊されるまで繰り返すことを特徴とする。

【００２１】このため、一度の電圧パルスの供給で電気
破砕できない破砕対象物を効率良く電気破砕することが
可能となる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態
について図面を参照して説明する。

【００２３】まず最初に、本発明の概念について図２を
用いて説明する。

【００２４】図２は、固体及び液体に関する絶縁破壊電
圧と時間の関係を示す図である。

【００２５】同図（ａ）に示すように、固体の絶縁破壊
電圧及び液体の絶縁破壊電圧は、それぞれ時間の経過と
ともに低下するという点で共通するが、液体の電圧低下
率は、固体の電圧低下率よりも大きい。

【００２６】このため、固体の絶縁破壊曲線と液体の絶
縁破壊曲線は、所定の位置（以下「クロス点」と言
う。）ｐで交差することとなるが、このクロス点ｐが固
体を電気破砕し得るかを示す指標となる。

【００２７】すなわち、図中の曲線２１に示すように、
絶縁性固体に印加する電圧の立ち上りが早く、クロス点
ｐの時間ｔｐ以内に固体の絶縁破壊電圧を上回る電圧を
所定時間印加することができれば、この固体は絶縁破壊
される。

【００２８】一方、図中の曲線２２に示すように、絶縁
性固体に印加する電圧の立ち上がりが遅く、少なくとも
クロス点の時間ｔｐの時点で固体の絶縁破壊電圧を上回
ることができない場合には、固体を絶縁破壊することが
できない。

【００２９】このように、液体の絶縁破壊曲線と固体の
絶縁破壊曲線のクロス点を求めることにより、少なくと
も固体を絶縁破壊するための時間的条件及び電気的条件
が判明する。

【００３０】したがって、本実施の形態では、かかる液
体の絶縁破壊曲線と固体の絶縁破壊曲線のクロス点に基
づいて、該固体を絶縁破壊するための条件を求め、この
条件を満たす高電圧パルスを破砕対象物に供給すること
により、該破砕対象物の電気破砕を行っている。

【００３１】なお、本実施の形態では、従来のようにオ
イルを液体として採用するのではなく、取得及び保管が
容易で、かつ、環境上問題を生じない水を液体として採
用している。

【００３２】図２（ｂ）に示すように、同じ液体であっ
ても、オイルと水とでは絶縁破壊電圧が異なり、オイル
の絶縁破壊電圧は、水の絶縁破壊電圧よりも相対的に高
いという特性があるため、この液体がオイルの場合に
は、クロス点に達するまでの時間を稼ぐことができる。

【００３３】このため、従来は、オイルを液体として採
用するとともに、マルクスジェネレータ等の通常のパル
ス発生器を用いて、このオイル中で固体を電気破砕する
こととしていた。

【００３４】しかしながら、オイル中で絶縁性固体を電
気破砕すると、作業効率の低下及び環境問題というオイ
ルのもたらす悪影響を除去する必要が生ずるため、本実
施の形態では、水を使用して電気破砕を行っている。

【００３５】つまり、取得及び保管が容易で、かつ、環
境上問題を生じない水を液体として使用することが本発
明の前提となる。

【００３６】そこで、この水の絶縁破壊曲線を参照する
と、固体の絶縁破壊曲線とクロス点ｐｗで交差するた
め、このクロス点ｐｗに達する時間ｔｗ内に、電気破砕
を行い得る電圧を印加せねばならない。

【００３７】そして、このクロス点ｐｗの時間ｔｗは、
オイルと固体のクロス点よりも短時間であるため、かか
る水を用いて電気破砕を行うためには、急峻な立ち上が
りを持つ電圧を利用する必要がある。

【００３８】このため、本実施の形態では、水を液体と
して採用するとともに、立ち上がりが急峻なパルス電圧
を供給できるパルス発生器を用いることにより、固体の
電気破砕を可能ならしめている。

【００３９】以上、本実施の形態の基本概念について説
明した。

【００４０】次に、本実施の形態で用いる電気破砕装置
の構成について説明する。

【００４１】図１は、本実施の形態で用いる電気破砕装
置の構成を示す図である。

【００４２】図１に示す電気破砕装置は、水を液体とし
て採用し、この水の絶縁破壊曲線と破砕対象物の絶縁破
壊曲線とのクロス点に達する時間よりも短時間に立ち上
がる電圧パルスを供給することにより、この破砕対象物
を電気破砕する。

【００４３】同図に示すように、この電気破砕装置は、
絶縁破壊電圧の算定式に基づいて電気破砕に要する印加
電圧を算定する印加電圧算定部１０と、この印加電圧算
定部１０が算定した電圧を持つ立ち上がりの早いパルス
を発生する高電圧パルス発生部１１と、取得及び保管が
容易な水を蓄えるタンク１２と、破砕対象物に接触され
る一対の電極１３と、タンク１２から注入した水を保水
する保水カバー１４とからなる。

【００４４】そして、破砕対象物１５を電気破砕する場
合には、まず最初に一対の電極１３を距離ｄ1 だけ離隔
して破砕対象物１５に接触し、その周辺を保水カバー１
４で覆った後に、タンク１２に保持した水を注入する。

【００４５】また、印加電圧算定部１０は、電極間の距
離ｄ1 及び電圧パルスの立ち上がり率等に基づいて、そ
の間に破砕対象物の電気破砕に要する電圧を算定し、高
電圧パルス発生部１１は、この算定値を満たす高電圧パ
ルスを発生して電極１３に供給する。

【００４６】ここで、液体及び固体の絶縁破壊電圧Ｖ
は、 Ｖ ＝ ｍＶ0Ａ^0.25ｄ1ⁿ の算定式を用いて算定することができる。ただし、’
ｍ’は、液体又は破砕対象物の構造に基づく係数であ
り、’Ｖ0 ’は、１センチ厚の液体又は破砕対象物を破
砕する場合を示す係数とし、’Ａ’は、電圧パルス上昇
率とし、’ｄ1 ’は、電極間の距離とし、’ｎ’は、電
圧パルス上昇率に基づく係数とする。

【００４７】例えば、破砕対象物が大理石（Marble）の
場合には、 ｍ＝０．５、 Ｖ0 ＝６１．４(KV)、ｎ＝０．５ となり、火成岩（Clay stone）の場合には、 ｍ＝０．５、 Ｖ0 ＝６０(KV)、 ｎ＝０．５ となり、砂岩（Sand stone）の場合には、 ｍ＝０．５、 Ｖ0 ＝４３(KV)、 ｎ＝０．３３ となる。

【００４８】このため、上記印加電圧算定部１０では、
かかる算定式を用いることにより、印加すべき絶縁破壊
電圧Ｖを算定する。

【００４９】また、この高電圧パルス発生部１１は、印
加電圧算定部１０が算定した高電圧パルスを、少なくと
もクロス点ｐｗに対応する時間ｔｗよりも短い時間で発
生できるよう構成されている。

【００５０】このように、この電気破砕装置では、環境
面等への問題が残るオイルではなく、保管や取り扱いが
容易な水を液体として採用し、この水の中で破砕対象物
を電気破砕することとしている。このため、破砕断片に
対する２次作業が不要となり、また液体の運搬保管が容
易となり、さらに環境面への悪影響もなくなる。

【００５１】次に、図１に示す高電圧パルス発生部１１
の具体的な構成について説明する。

【００５２】図３は、図１に示す高電圧パルス発生部１
１の回路例を従来の高電圧パルス発生器と対比して示す
図である。

【００５３】同図（ａ）は、本実施の形態で用いる高電
圧パルス発生部１１の一例を示している。ただし、
ｒ ＝ ４０ｋΩ ×２８ ｒ１＝ ８０ｋΩ × ２ Ｒ0 ＝ ２２０Ω ×１０ Ｒ ＝ ２０ Ω Ｃ ＝ ０．５μＦ×２０ とする。

【００５４】また、同図（ｂ）は、内部抵抗３２０オー
ムの従来のマルクスジェネレータを示す図である。

【００５５】 ここで、 ｒ ＝ ４０ｋΩ ×２８ ｒ１＝ ８０ｋΩ × ２ Ｒ0 ＝ ２２０Ω ×１０ Ｒs1＝ １０ Ω ×２０ Ｒs2＝ ３０ Ω × ４ Ｃ ＝ ０．５μＦ×２０ とする。

【００５６】したがって、両者を比較してみると、本実
施の形態で用いる高電圧パルス発生部１１は、従来のマ
ルクスジェネレータと比べて、抵抗Ｒs1及び抵抗Ｒs2と
いう抵抗成分を低減していることが分かる。

【００５７】すなわち、この高電圧パルス発生部１１で
は、抵抗成分を減じることにより、電圧パルスの立ち上
がりの急峻化を実現している。

【００５８】具体的には、パルス発生器は、通常、静電
容量成分Ｃと抵抗成分Ｒとの組み合わせとして形成さ
れ、その電圧の立ち上がり速度は、回路全体の静電容量
成分Ｃと抵抗成分Ｒの積によって決定される。

【００５９】このため、電圧の立ち上がり速度は、 ｔａｎ（τ）＝１／ｆ（Ｃ，Ｒ） として表現できる。

【００６０】このことから、回路上の静電容量成分Ｃと
抵抗成分Ｒの一方若しくは両方を減らし、ｔａｎ（τ）
を大きくすることが、電圧の急峻な立ち上がりにつなが
ることが分かる。

【００６１】そこで、本実施の形態で採用する高電圧パ
ルス発生部１１では、電圧の立ち上がりに影響を与える
静電容量成分Ｃと抵抗成分Ｒのうち、従来のマルクスジ
ェネレータの内部抵抗を２０オームに減じる改善を施す
ことにより、電圧の立ち上がりを急峻化している。

【００６２】なお、本実施の形態では、マルクスジェネ
レータから抵抗成分Ｃを低減して、電圧の立ち上がりを
急峻にする場合を示したが、静電容量成分Ｃ及び抵抗成
分Ｒの両者を減じるか、又は静電容量成分Ｃのみを低減
することによっても、電圧の立ち上がりを急峻化するこ
とができる。

【００６３】次に、かかる高電圧パルス発生部１１に求
められる電気容量について説明する。

【００６４】図４は、上記電気破砕装置が破砕対象物を
破砕する際の等価回路を示す図である。

【００６５】図４に示すように、この等価回路は、液体
の抵抗成分と固体の抵抗成分とを並列接続した並列回路
である。ただし、パルス電圧をＶとし、インダクタンス
成分をＬとし、液体の抵抗成分をＲL とし、固体の抵抗
成分をＲS としている。

【００６６】すなわち、パルス電圧Ｖが固体の絶縁破壊
電圧に達するまでは、電流が液体中にリークするため、
固体の抵抗値ＲS が液体の抵抗値ＲL よりも圧倒的に大
きくなる（ＲS ＞＞ ＲL）。

【００６７】なお、回路全体のインピーダンス成分をＺ
とすると、回路に流れる電流ｉは、 ｉ ＝ Ｖ／Ｚ となる。

【００６８】ここで、図５に示すように、高電圧パルス
発生部１１が発生するパルス電圧は、時間とともに上昇
するので、この電圧上昇に伴って、固体の絶縁破壊前に
液体の抵抗成分ＲL にリークする電流が増加する。

【００６９】具体的には、固体の絶縁破壊電圧をＶ1 、
電圧立ち上がりから絶縁破壊電圧に達するまでの時間を
ｔ1 とすると、固定の絶縁破壊前にリークする電気容量
Ｑ1は、 Ｑ1 ＝ （１／２）・ｉ1・ｔ1 ＝ （１／２）・（Ｖ1／Ｚ）・ｔ1 ＝ Ｖ1・ｔ1／２Ｚ となる。

【００７０】したがって、少なくともこのＱ1 以上の電
気容量を回路上に保持しない限り、絶縁破壊に必要な電
圧を保持できずに電圧降下を招くため、結果的に固体を
絶縁破壊できなくなる。

【００７１】また、固体を絶縁破壊するためには、上記
電気容量Ｑ1 に加えて、実際に固体を電気破砕するため
の電気容量Ｑ2 が必要となる。

【００７２】ここで、この電気容量Ｑ2 は、絶縁破壊電
圧に達した時間ｔ1 から、固体と液体の絶縁破壊曲線の
クロス点に達するまでの時間ｔ2 までに印加する電気容
量となる。クロス点以降に電圧を印加したとしても、固
体よりも先に液体の絶縁破壊を招くためである。

【００７３】このため、この電気容量Ｑ2 は、 Ｑ2 ＝ ｉ1・（ｔ2−ｔ1） ＝ Ｖ1・（ｔ2−ｔ1）／Ｚ として表すことができる。

【００７４】これらのことから、破砕対象物に電圧パル
スを供給して電気破砕を行う際に必要な電気容量Ｑは、 Ｑ ＝ Ｑ1 ＋ Ｑ2 ＝ Ｖ1・ｔ1／２Ｚ ＋ Ｖ1・（ｔ2−ｔ1）／Ｚ ＝ Ｖ1・（２ｔ2−ｔ1）／２Ｚ となる。

【００７５】以上のことから、上記高電圧パルス発生部
１１は、 Ｑ ＝ Ｖ1・（２ｔ2−ｔ1）／２Ｚ の電気容量を印加することにより、破砕対象物１６の電
気破砕を行うことができることが分かる。

【００７６】次に、本実施の形態に示す電気破砕を適用
した掘削機の一例について説明する。

【００７７】図６及び図７は、本実施の形態に示す電気
破砕を適用した掘削機の斜視図である。

【００７８】この掘削機６０は、走行自在な下部走行体
６１を備えており、下部走行体６１上の中央部には旋回
自在に上部旋回体６２が設けられている。上部旋回体６
２の前方には上下方向に揺動自在に揺動部材６５が取着
され、この揺動部材６５は揺動駆動シリンダ６６によっ
て揺動される。

【００７９】なお、この上部旋回体６２の上部には、少
なくともクロス点よりも早く破砕対象物の絶縁破壊電圧
に達するパルス電気の発生が可能なパルス発生器６８が
組み込まれている。

【００８０】また、揺動部材６５の先端部には、作業機
駆動シリンダ６７を介して電気破砕用作業機６４が取着
されており、作業用駆動シリンダ６７の作動によって、
電気破砕用作業機６４の向きは３次元空間の任意の方向
を向くことができるようになっている。

【００８１】すなわち、電気破砕用作業機６４の前面
は、上部旋回体６２に対して任意の３次元方向に傾斜で
きるようになっている。さらに、電気破砕用作業機６４
の下方から掘削機の後方にわたって、コンベア６３が配
設されており、掘削された土砂等を排土するようになっ
ている。

【００８２】また、この掘削機６０は、電気破砕した破
砕物を排出するバケット６９を備え、このバケット６９
及びコンベア６３による排土によって、電気破砕を連続
して実施できるようにしている。

【００８３】すなわち、オイルを液体として使用する従
来の電気破砕装置では、オイルまみれとなった破砕物に
対する処理が必要となるため、この破砕物をそのまま排
土することができなかったが、ここでは水を液体として
採用しているため、通常の土砂と同様にバケット６９及
びコンベア６３で排土することができる。

【００８４】電気破砕用作業機６４には、複数の電極が
６４１が２次元的に面状に配列されている。各電極６４
１は、正極６４２と負極６４３とからなり、本実施の形
態では、負極６４３は四角柱で、かつ、中空の形状に構
成され、正極６４２は、この負極６４３の中空部中央に
設けられている。そして、各電極６４１は、同一方向を
向いて配設されており、複数の電極６４１の掘削面全体
で電気破砕用作業機６４の掘削面を構成している。

【００８５】また、図７の円内に示すように、この電気
破砕用作業機６４は、各電極６４１がスプリング６４４
をもって破砕対象物に圧着する保水機構を有し、各負極
６４３内には水が供給されている。

【００８６】なお、ここでは本発明を掘削機に適用した
場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではな
く、地面と垂直方向に掘削を進める縦穴掘削機や、高所
に所在する被破砕物を破砕するビル解体機や、発破用の
穿孔機へ適用することも可能である。

【００８７】上述してきたように、第１の実施の形態で
は、取得及び保管が容易で、かつ、環境上問題を生じな
い水を液体として採用するとともに、立ち上がりが急峻
な電圧パルスを供給できる高電圧パルス発生部７１を用
いて、導電性固体の電気破砕を行うよう構成したので、
以下に示す効果が得られる。

【００８８】１）液体のもたらす環境への悪影響を排除
することができる。

【００８９】２）効率良く電気破砕作業を行うことがで
きる。

【００９０】なお、本実施の形態では、水を液体として
電気破砕を行うこととしたが、保水性を向上させるため
に、例えば吸水性ポリマー、粘土又はベントナイト等の
液体の粘性を上げる成分を水に加えることも可能であ
る。ただし、この場合には、液体の絶縁破壊電圧が下が
りすぎてクロス点がなくならないようにする。

【００９１】以上、第１の実施の形態について説明し
た。

【００９２】ところで、上記第１の実施の形態では、１
度のパルス放電で破砕対象物を電気破砕する場合を示し
たが、常に１度のパルス放電で破砕対象物を電気破砕で
きない場合もある。

【００９３】すなわち、破砕対象物を１度のパルス放電
で電気破砕するためには、該破砕対象物の絶縁破壊電圧
を越える電圧を所定時間以上印加することが必要となる
が、水を液体として採用した場合のようにクロス点に達
するまでの時間が短いと、破砕対象物が電気破砕される
前にクロス点に対応する時間に至り、液体の絶縁破壊が
先に起こる結果となる。

【００９４】そこで、以下では、かかる場合に適用でき
る第２の実施の形態について説明する。なお、この第２
の実施の形態では、破砕対象物の絶縁破壊電圧を越える
電圧パルスを供給した場合に該破砕対象物に発生する放
電路（トリー）を伸延して電気破砕を行っている。

【００９５】まず最初に、第２の実施の形態の具体的な
説明を行う前に、本実施の形態が利用するトリーイング
現象の概念について説明する。

【００９６】図８は、本実施の形態が利用するトリーイ
ング現象の概念を示す図である。

【００９７】同図に示すように、破砕対象物の絶縁破壊
電圧を越えるパルス電圧を印加すると、たとえ破砕対象
物の電気破壊に至らなくとも、細い溝からなる樹枝上の
トリー（tree）が破砕対象物内に形成される。

【００９８】このため、破砕対象物の両端に対して繰り
返しパルス電圧を印加すると、このトリーが順次伸延
し、結果的にトリーが橋絡した時点で破砕対象物が電気
破砕されることになる。

【００９９】同図に示すトリーイング現象の場合には、
第１回目〜第４回目までのパルス電圧の印加によって接
地側にトリーが発生するとともに、第６回目の印加によ
って高圧側にもトリーが発生し、第７回目の放電を終え
た時点では、高圧側及び設置側の両側からトリーが伸延
している。なお、図中に示す番号は、パルス電圧の印加
回数を示している。

【０１００】このように、ここで言うトリーイング現象
とは、破砕対象物の絶縁破壊電圧を越えるパルス電圧を
印加した場合に生ずる樹枝上の放電路の形成を意味す
る。ただし、液体が先に絶縁破壊されることがないよう
に、かかるパルス電圧は、少なくともクロス点に対応す
る時間までに印加する必要がある。

【０１０１】次に、第２の実施の形態で用いる電気破砕
装置について説明する。

【０１０２】図９は、第２の実施の形態で用いる電気破
砕装置の構成を示す図である。

【０１０３】同図に示すように、この場合の電気破砕装
置は、図１に示す電気破砕装置と同様の構成に、高電圧
パルス発生部９１の出力電圧を制御する出力電圧制御部
９２を加えた構成となる。なお、この出力電圧制御部９
２の動作説明については後述する。

【０１０４】電気破砕装置でトリーイング現象を考慮す
る場合には、印加電圧算定部９０が一旦印加電圧を算定
した後に、高電圧パルス発生部９１が単に該電圧を持つ
電圧パルスを繰り返し発生するよりも、この高電圧パル
ス発生部９１では、常に印加電圧算定部９０の算定値に
基づいて動作した方が効率的である。

【０１０５】すなわち、上記トリーイング現象を利用し
て電気破砕を行う場合には、トリーの伸延に応じて印加
すべき電圧が低下するため、印加電圧算定部９０は、電
圧パルスを発生する都度、最新の印加電圧を算定し直
す。

【０１０６】なぜならば、破砕対象物１６の絶縁破壊電
圧は電極間の距離に比例し、また、かかるトリーが伸延
すると、電極間の実質上の距離が放電の度に短くなるか
らである。

【０１０７】しかしながら、実際には、トリーの伸延距
離を計測するのは困難であるため、電気破砕をするのに
必要な回数分で電極間距離を割った長さとするのが適当
である。

【０１０８】このように、高電圧パルス発生部９１が、
印加電圧算定部９０の算定電圧を持つ電圧パルスを電極
１３に出力する処理を繰り返すことにより、破砕対象物
１６の表面に生ずるトリー９３が逐次伸延し、最終的に
破砕対象物１６を電気破砕することができる。

【０１０９】図１０は、トリーイング現象を伴う場合の
固体の絶縁破壊電圧と時間の関係を示す図である。ただ
し、図９に示したように、電極１３間の距離をｄ1 と
し、第１回目のパルス放電によるトリーの距離をｄ１か
ら差し引いた距離がｄ2 であるものとする。

【０１１０】同図に示すように、第１回目のパルス放電
時には、絶縁破壊電圧算定に要する電極間距離ｄが本来
の電極１３間の距離ｄ1 と等しくなるため、絶縁破壊曲
線は、ｄ＝ｄ1 として図中に示す曲線となる。

【０１１１】このため、徐々に立ち上がったパルス電圧
が、ｄ＝ｄ1 の曲線と交わった際の電圧Ｖ1 が、第１回
目に印加電圧算定部１０が算定する電圧値となる。な
お、かかる電圧Ｖ1 を印加し続けると、この時点からｔ
1 時間を経過した時点で、液体の絶縁破壊電圧に達し、
該液体が絶縁破壊を起こしてしまう。

【０１１２】したがって、第１回目のパルス放電時に
は、電圧Ｖ1 をｔ1 時間まで電極１３に印加できること
になる。

【０１１３】これに対して、第２回目のパルス放電時に
は、電極１３の間の距離からトリーの距離を差し引いた
距離ｄ2 が実質的な電極間距離となるため、かかる場合
の絶縁破壊曲線は、ｄ＝ｄ2 として図中に示す曲線とな
る。

【０１１４】すなわち、かかる絶縁破壊電圧は電極間距
離に比例し、また第１回目のパルス放電によるトリーの
影響を受けて第２回目のパルス放電を行う際の電極間距
離は短くなるため、第２回目に要する絶縁破壊電圧は低
下する。

【０１１５】したがって、徐々に立ち上がったパルス電
圧が、ｄ＝ｄ2 の曲線と交わった際の電圧Ｖ2 が、第２
回目に印加電圧算定部１０が算定する電圧値となり、ま
た、かかる電圧Ｖ1 を印加し続けると、ｔ2 時間を経過
後に液体の絶縁破壊電圧に達するため、第２回目のパル
ス放電時には、電圧Ｖ2 をｔ2 時間まで電極１３に印加
できることになり、（ｔ2 −ｔ1 ）時間分、トリーの距
離が長くなり、結果的に少ない回数で電気破砕に至らし
めることができる。

【０１１６】このように、パルス放電の繰り返し回数が
進むにつれて、破砕対象物の絶縁破壊電圧に相当する電
圧を印加することで、破壊効率が向上することになる。

【０１１７】ここで、１８８９年にパッシェンが実験的
に見いだしたパッシェンの法則（Paschen's law ）によ
れば、破壊電圧は気体圧力とギャップ長の積の関数とな
るため、パルス発生器の充電電圧の調整や、図３（ａ）
に示す最終ギャップのギャップ長ｌや、封入されたエア
圧の調整により、出力電圧を簡単に制御することが可能
である。

【０１１８】このため、図９に示す出力電圧制御部９２
では、高電圧パルス発生部９１に係わるこれらの要因を
制御することにより、高電圧パルス発生部９１が発生す
る出力電圧を制御している。

【０１１９】以上、トリーイング現象を利用して電気破
砕を行う第２の実施の形態について説明した。

【０１２０】ところで、上記第１及び第２の実施の形態
では、破砕対象物の表面に電極を接触させることとした
が、破砕対象物の表面に電極を挿入する穴を設け、この
穴の中に電極を挿入することにより、効率良く電気破砕
を行うことができる。

【０１２１】そこで、次に、破砕対象物の表面に電極を
挿入する穴を設けた場合を示す第３の実施の形態につい
て説明する。

【０１２２】図１１は、第３の実施の形態で用いる電気
破砕装置の構成を示す図である。

【０１２３】同図に示すように、この場合の電気破砕装
置は、図９に示す電気破砕装置と同様の構成に、電極１
３を挿入するための穴を開ける穿孔部１１０を追加した
ものである。ただし、説明の便宜上、出力電圧制御部９
２を省略する。

【０１２４】すなわち、この電気破砕装置では、穿孔部
１１０を用いて電気破砕を開始する前に破砕対象物に穿
孔作業を施し、穿孔した穴の中に電極１３を挿入した後
に、パルス電圧の印加を行っている。ただし、電極１３
の間の距離をｄ1 とし、また穿孔部１１０が穿孔した穴
の深さをｄ3 とする。

【０１２５】ここで、かかる穿孔を行う理由について説
明する。

【０１２６】上記第２の実施の形態で説明したように、
絶縁体の破砕対象物に高電圧を印加すると、細かな溝か
らなるトリーが発生し、このトリーが橋絡した時点で破
砕対象物が電気破砕される。

【０１２７】すなわち、パルス電圧が破砕対象物の絶縁
破壊電圧に達したとしても、完全破砕に至るまでにはあ
る程度の時間を要するため、水のような絶縁破壊電圧の
低い液体中では、破砕対象物が完全破砕される前に水の
絶縁破壊が先に起こるケースが多い。

【０１２８】このため、第２の実施の形態では、トリー
の伸延に伴って電極間距離が小さくなり、結果的に破砕
対象物の絶縁破壊電圧が下がるという性質を利用しつ
つ、電気破砕を行っている。

【０１２９】これに対して、本実施の形態では、さらに
水の絶縁破壊電圧を上げ、トリーイングの形成に要する
時間を稼ぐために、破砕対象物に穴を開ける構成を採用
している。

【０１３０】すなわち、本来の電極間距離がｄ1 である
場合に、破砕対象物に深さｄ3 の穴を開けると、水の絶
縁破壊電圧の算定基準となる電極間距離は、ｄ1 ＋２ｄ
3 となる。

【０１３１】このため、かかる穿孔を施した場合の水の
絶縁破壊電圧は、穿孔を施さない場合の水の絶縁破壊電
圧よりも高くなる。したがって、穿孔部１１０を用いて
破砕対象物に穴を開けることにより、水の絶縁破壊電圧
を相対的に上昇させ、もって破砕対象物を効率良く電気
破砕することが可能となる。

【０１３２】図１２は、破砕対象物の穿孔を伴う場合の
液体の絶縁破壊電圧と時間の関係を示す図である。

【０１３３】同図に示すように、破砕対象物に穿孔しな
い場合には、水の絶縁破壊電圧の算定に要する電極間距
離ｄが本来の電極１３間の距離ｄ1 と等しくなるため、
水の絶縁破壊電圧は、Ｖ ＝ ｍＶ0Ａ^0.25ｄ1ⁿの算定
式から求まり、その概形はｄ＝ｄ1 として図中に示す曲
線となる。

【０１３４】このため、固体の絶縁破壊電圧に至ったパ
ルス電圧が、ｄ＝ｄ1 の曲線と交わるまでの時間ｔ3 を
経過するまでの間は、液体の絶縁破壊を招くことなくト
リーイングを進めることができる。

【０１３５】これに対して、破砕対象物に穿孔を施す場
合には、水の絶縁破壊電圧の算定に要する電極間距離ｄ
が、本来の電極１３間の距離ｄ1 と穴の深さｄ1 の２倍
に等しくなるため、水の絶縁破壊曲線は、 Ｖ ＝ ｍＶ0Ａ^0.25（ｄ1＋２ｄ3）ⁿ の算定式から求まり、その概形はｄ＝ｄ1 ＋２ｄ3 とし
て図中に示す曲線となる。

【０１３６】このため、固体の絶縁破壊電圧に至ったパ
ルス電圧が、ｄ＝ｄ1 ＋２ｄ3 の曲線と交わるまでの時
間ｔ4 を経過するまでの間は、液体の絶縁破壊を招くこ
となくトリーイングを進めることができる。

【０１３７】これらのことから、固体に穿孔した後にパ
ルス電圧を印加する場合には、かかる穿孔を行わない第
２の実施の形態に示す場合よりも、１回のパルス電圧に
よるトリーイングを進め、もって効率良く電気破砕を行
うことができる。

【０１３８】このように、第３の実施の形態では、破砕
対象物１６に電極１３を挿入するための穴を開ける穿孔
部１１０を設け、この穿孔部１１０による穿孔を行った
後にパルス電圧を印加することとしたので、破砕対象物
の電気破砕を効率良く行うことができる。

【０１３９】以上、破砕対象物に穿孔を行った後に電気
破砕を行う第３の実施の形態について説明した。

【０１４０】なお、第３の実施の形態では、電気破砕装
置内部に穿孔部１１０を設けることとしたが、本発明は
これに限定されるものではなく、ドリリングマシン等の
別個に設けた穿孔用機械と併用することも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態で用いる電気破砕装置の構成
を示す図。

【図２】固体及び液体に関する絶縁破壊電圧と時間の関
係を示す図。

【図３】図１に示す高電圧パルス発生部の回路例を従来
の高電圧パルス発生器と対比して示す図。

【図４】図１に示す電気破砕装置が破砕対象物を破砕す
る際の等価回路を示す図。

【図５】図１に示す電気破砕装置に要する電気容量を示
す図。

【図６】第１の実施形態で用いる電気破砕を適用した掘
削機の斜視図。

【図７】第１の実施形態で用いる電気破砕を適用した掘
削機の斜視図。

【図８】第２の実施の形態が利用するトリーイング現象
の概念を示す図。

【図９】第２の実施の形態で用いる電気破砕装置の構成
を示す図。

【図１０】トリーイング現象を伴う場合の固体の絶縁破
壊電圧と時間の関係を示す図。

【図１１】第３の実施の形態で用いる電気破砕装置の構
成を示す図。

【図１２】破砕対象物の穿孔を伴う場合の液体の絶縁破
壊電圧と時間の関係を示す図。

【符号の説明】

１０…印加電圧算定部、 １１…高電圧パルス発生部、
１２…タンク、１３…電極、 １４…保水カバー、
１５…水、 １６…破砕対象物、６０…掘削機、 ６１
…下部走行体、 ６２…上部旋回体、６３…コンベア、
６４…電気破砕用作業機、 ６５…揺動部材、６６…
揺動駆動シリンダ、 ６７…作業機駆動シリンダ、６８
…パルス発生器、 ６９…バケット、 ６４１…電極、
６４２…正極、 ６４３…負極、 ６４４…スプリン
グ、９０…印加電圧算定部、 ９１…高電圧パルス発生
部、９２…出力電圧制御部、 ９３…トリー、 １１０
…穿孔部

フロントページの続き (72)発明者 塩飽 正祥 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製 作所研究所内 (72)発明者 伊能 崇雄 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製 作所研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電極と破砕対象物との間に絶縁性媒体を
   供給し、前記電極間の放電により破砕対象物を絶縁破壊
   する電気破砕方法において、 前記絶縁性媒体及び破砕対象物がともに同一の絶縁破壊
   電圧で絶縁破壊を開始する電圧印加時間を算定し、 算定した電圧印加時間よりも早く前記破砕対象物の絶縁
   破壊電圧に達する電圧パルスを前記電極に供給すること
   を特徴とする電気破砕方法。
2. 【請求項２】 前記破砕対象物の絶縁破壊電圧から求め
   られる電流のリーク値以上の電気容量を有する回路を用
   いることを特徴とする請求項１記載の電気破砕方法。
3. 【請求項３】 電極と破砕対象物との間に絶縁性媒体を
   供給し、前記電極間の放電により破砕対象物を絶縁破壊
   する電気破砕方法において、 前記破砕対象物の所定の位置に孔を開けて前記電極を挿
   入し、 前記絶縁性媒体及び破砕対象物がともに同一の絶縁破壊
   電圧で絶縁破壊を開始する電圧印加時間を算定し、 算定した電圧印加時間よりも早く前記破砕対象物の絶縁
   破壊電圧に達する電圧パルスを前記電極に供給すること
   を特徴とする電気破砕方法。
4. 【請求項４】 電極と破砕対象物との間に絶縁性媒体を
   供給し、前記電極間の放電により破砕対象物を絶縁破壊
   する電気破砕方法において、 前記絶縁性媒体及び破砕対象物がともに同一の絶縁破壊
   電圧で絶縁破壊を開始する電圧印加時間を前記電極間の
   距離に基づいて算定した後、該算定した電圧印加時間よ
   りも早く前記破砕対象物の絶縁破壊電圧に達する電圧パ
   ルスを前記電極に供給する処理を、前記電極間の距離か
   ら当該電圧パルスにより形成された放電路に相当する長
   さを除外した距離を新たな電極間の距離としつつ、前記
   破砕対象物が絶縁破壊されるまで繰り返すことを特徴と
   する電気破砕方法。