JPH1071472A - 間接冷却方式プラズマジェットトーチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プラズマジェット切断法の間接冷却方式を確
立し、冷却水の漏洩を無くすとともに、安定したプラズ
マ流が得られるようにする。 【解決手段】 プラズマ流を出射するノズル口が形成さ
れたチップを、冷却水が循環する火口筒に嵌合させ、火
口筒を通してチップまで延びる電極とチップ間で放電さ
せてプラズマガスを電離させて、前記ノズル口よりプラ
ズマ流を噴出させる間接冷却方式プラズマジェットトー
チにおいて、チップと火口筒との嵌合を面接触とし、接
触部をテーパー形状としたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、核燃料施設のデコ
ミッショニング用切断治具、金属・非金属材料の切断治
具として利用可能なプラズマジェットトーチに係り、特
にプラズマ流を出射するノズル口が形成されたチップ
を、冷却水が循環する火口筒に嵌合させ、火口筒を通し
てチップまで延びる電極とチップ間で放電させて中性ガ
スを電離させてノズル口よりプラズマ流を噴出させる間
接冷却方式プラズマジェットトーチに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】物質は温度の上昇により液体から気体へ
と変化し、さらに温度を上昇させると原子が激しい運動
をおこし、自由に運動する正と負の荷電粒子が共存して
電気的中性になっている物質の状態をプラズマとよんで
いる。気体放電により生じたプラズマを、冷却した金属
（チップ）の細孔（ノズル）から噴射させて作った高温
高速のガス気流をプラズマ流といい、伝導度の高い気流
の周辺（チップ）が冷却されるために中央部に電流が集
中し、また気流が電流を伴うときには、その磁場によっ
て流れの径が絞られるので通常の放電と比較しはるかに
細く、かつ、高温（摂氏１〜２万℃）のプラズマ流が得
られる。

【０００３】このような高温のプラズマを利用したプラ
ズマ切断法は、金属を対象物としたプラズマアーク切断
法と、金属・非金属を対象としたプラズマジェト切断法
があり、プラズマアーク切断法は電極と被切断物との間
で電流を流してプラズマ流を発生させ、金属からなる被
切断物を切断するものである。

【０００４】プラズマジェット切断法は、図１に示すよ
うに、タングステン電極１とチップ２との間に作動ガス
（例えばアルゴンガス）を流し、高周波発生器４により
高周波アーク放電を生じさせてガスを電離し、プラズマ
電源装置３からアーク電流を持続して流すことによりア
ーク熱によりプラズマを発生させ、プラズマガス自体の
熱膨張によってチップ２のノズルからプラズマ流５を噴
出させて被切断物６を切断するものである。チップ２は
プラズマ流により高温に晒されるためそのままでは溶融
してしまうので、冷却水をチップ内に循環させて冷却す
る。このプラズマジェット切断法では、アーク電流は被
切断物６の中を流れないため、耐火レンガ、コンクリー
ト等の非導電性材料の切断が可能である。ただし、発生
したプラズマ流は、ノズルから離れるに従ってエネルギ
密度が急激に減衰し、被切断物に対する熱効率は１０〜
２０％（プラズマアーク切断法の熱効率は６０〜７０
％）と低く能率的な切断法でないため、一般的には実用
化されていないのが現状である。市販品としては、アク
リル板切断用として３０Ａ級のトーチがあり、また、溶
接および溶射用としてプラズマジェット切断法を適用す
る場合があるが稀である。

【０００５】核燃料施設のデコミッショニング作業時に
おいては、施設の構成機器等の材質・形状は金属、コン
クリート、プラスチック等多種・多様であることから、
金属・非金属材料の切断が可能であるプラズマジェット
切断法は、デコミッショニング用切断治具として有効な
切断法である。そこで、小型・軽量のプラズマジェット
トーチを試作し、チップの材質、形状等をパラメータと
した試験を行うことで、安定したプラズマ流の確保と金
属で板厚約４５ｍｍ（材質はＳＵＳ３０４）の切断能力
を有する実用型トーチチップを既に提案している（特開
平７ー３２１５７号公報）。

【０００６】図２は上記実用型トーチチップを説明する
図であり、材質をＣｕーＺｒ合金、ノズル口径ａが３．
０〜３．５ｍｍ、ノズル拘束比（ノズル口径ａに対する
ノズル拘束部の長さｂの比ｂ／ａ）が２．５〜３として
小型、軽量化、耐久性を向上させて安定したプラズマ流
を発生させるようにしたものである。

【０００７】しかしながら、図２の実用型トーチチップ
は発生したプラズマ流のサーマルピンチ効果（周囲から
の冷却で緊縮して高温となる効果）を向上させるため
に、チップ内に水を循環させる直接冷却方式としている
が、チップは消耗品であるため５時間程度の使用で交換
しなければならない。直接冷却方式であると、チップを
火口筒（チップを装着する部品で、チップ内に冷却水を
供給している）から取り外した場合、冷却水が漏洩して
しまうために、メンテナンス性に課題を有していた。

【０００８】図３により直接冷却方式における冷却水循
環経路について説明する。冷却水は、プラズマ電源装置
３内の冷却水タンク１１、ラジエータ１２からストレー
ナー１３を介してポンプ１４によりプラズマジェットト
ーチ本体２０まで供給される。プラズマジェットトーチ
本体２０に供給された冷却水は、チップ２を装着する火
口筒２１の冷却水（往）ライン２１ａを通して流入し、
チップ内を循環した後、火口筒２１の冷却水（復）ライ
ン２１ｂからプラズマ電源装置３内に戻る。このような
構造のため、チップ２は火口筒２１の蓋の役割をしてお
り、チップ２を取り外した場合、火口筒２１のライン２
１ａ、２１ｂは完全にオープンしてしまうため、パイプ
内に残っている冷却水は漏洩することになる。なお、プ
ラズマ電源装置における１６は給水口、１７はオーバー
フロー用のドレンである。

【０００９】核燃料施設等のデコミッショニングにおい
てプラズマ設備を使用する場合、プラズマ電源装置は大
型（１０３８ｍｍ（Ｗ）×１５５１ｍｍ（Ｌ）×１３０
８ｍｍ（Ｈ））であるためグリーン区域に、プラズマジ
ェットトーチ本体をレッド区域に配置し使用するのが一
般的である。したがって、チップを取り外して冷却水が
レッド区域内の設備機器等からの影響で放射性廃液とな
ってしまった場合には、グリーン区域に設置しているプ
ラズマ電源装置内に放射性廃液が循環することも考えら
れることから、汚染防止の観点からも水封性を保持する
必要がある。

【００１０】ところで、チップ交換時における冷却水の
漏洩や、冷却水の放射能汚染を防止するためには、一般
的なプラズマアーク切断法の間接冷却方式がある。この
間接冷却方式は、チップを装着する火口筒先端に冷却水
が循環しており、冷却された火口筒にチップをネジ込み
式で装着し、火口筒からの熱伝達によりチップを冷却し
ているものである。この方式によれば、チップを取り外
しても冷却水が漏洩することはない。そこで、プラズマ
ジェット切断法にこの間接冷却方式を適用するために、
火口筒と電極間に絶縁挿入物（セラミックス）を配置
し、電極とチップ間に電圧を印加するようにした間接冷
却方式のトーチの試作を行ったが、発生するプラズマ流
は不安定であるとともに、数秒のプラズマ流の出射でチ
ップが灼熱し、チップ先端が溶融した。したがって、プ
ラズマジェット切断法チップの冷却にプラズマアーク切
断法の間接冷却方式はそのままでは適用不可能であり、
プラズマジェット切断法に適した間接冷却方式を確立す
る必要がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記課題を解
決するためのものであり、核燃料施設等のデコッミッシ
ョニングにプラズマジェット切断法を適用するために、
これまでに開発した小型・軽量のプラズマジェットトー
チ（実用型トーチ）のチップ冷却方式を直接冷却方式か
ら間接冷却方式に改善してプラズマジェット切断法の間
接冷却方式を確立し、消耗品であるチップの交換に際し
ても冷却水の漏洩を無くしてメンテナンス性の向上を図
るとともに、安定したプラズマ流が得られるようにする
ことを目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】核燃料施設をデコミッシ
ョニングする場合、金属・非金属の切断が可能であるプ
ラズマジェット切断法は有効な切断法であるが、切断能
力が低いこと等から一般的に実用化されていないのが現
状である。デコミッショニング用切断治具としてプラズ
マジェット切断法を実用化するため、小型・軽量の実用
型トーチを開発し、安定したプラズマ流の確保と板厚約
４５ｍｍ（材質はＳＵＳ３０４）の切断が可能となった
が、実用型トーチチップの冷却方式は、チップ内を水が
循環する直接冷却方式であるため、消耗品であるチップ
を取り外した場合、冷却水が漏洩してしまうことからメ
ンテナンス性に課題を有していた。また、プラズマアー
ク切断法の間接冷却方式を適用した間接冷却トーチの試
作を行ったが、プラズマジェット切断法への適用は不可
能であった。そこで、本発明は、プラズマジェット切断
法に適する間接冷却方式を確立し、メンテナンス性の向
上を目的に、熱伝導解析を用いて間接冷却方式のプラズ
マジェットトーチを設計・製作を行ったものである。本
発明の間接冷却トーチは、チップを装着する火口筒の先
端に冷却水が循環しており、火口筒からの熱伝達により
チップを冷却するため、チップ交換に際しても冷却水の
漏洩はなく、また、熱伝達効率を向上させるため、火口
筒材質をチップ材と同一（Ｃｕ−Ｚｒ合金）とし、解析
で求めた面接触率７０％以上を担保するために装着部を
テーパ形状とし、面接触としたことを特徴としている。
本発明の間接冷却方式のプラズマジェットトーチでは、
安定したプラズマ流の確保と板厚約３５ｍｍ（材質はＳ
ＵＳ３０４）の切断が可能であることからデコミッショ
ニング用の切断治具として適用可能となった。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。プラズマジェット切断法に適した間接冷却
方式を確立し、メンテナンス性の向上と冷却水の放射能
汚染の防止を目的に、汎用非線形構造解析システム（Ｆ
ＩＮＡＳ：Finite Element Nonlinear Structural Anal
ysis System ）を用いた冷却効率の解析を行い、間接冷
却方式のプラズマジェットトーチの開発を行った。ＦＩ
ＮＡＳは、高速増殖炉の分野において、その特徴的な解
析法である非弾性解析法を含む幅広い非線形解析機能を
有する汎用構造解析プログラムとして開発され、静的応
力解析、動的応力解析、熱伝導解析等に多様な機能を備
えている。本発明では、その中の熱伝導解析を用いてチ
ップの冷却効率を解析したものである。

【００１４】以下、本発明について詳細に説明する。 （ｉ）直接冷却方式チップの温度解析 解析ではモデル（チップ）を有限要素に分割して、各マ
トリックスを作成しマトリックス演算を行っており、熱
伝導解析の一般的な基礎方程式は次式のように表せられ
る。 〔Ｃ〕Δ｛ｄＴ／ｄｔ｝＋（〔Ｋ₁ 〕＋〔Ｋ₂ 〕）Δ｛Ｔ｝ ＝Δ｛Ｑ₁ ｝＋Δ｛Ｑ₂ ｝＋Δ｛Ｑ₃ ｝ 〔Ｃ〕 ： 熱量マトリックス 〔Ｋ₁ 〕 ： 熱伝導マトリックス 〔Ｋ₂ 〕 ： 熱伝導マトリックスまたは熱伝導リンクマトリックス Δ｛Ｔ｝ ： 節点温度増分ベクトル Δ｛ｄＴ／ｄｔ｝： 節点温度の時間による微分 Δ｛Ｑ₁ ｝ ： 発熱に等価な節点熱流増分ベクトル Δ｛Ｑ₂ ｝ ： 入熱に等価な節点熱流増分ベクトル Δ｛Ｑ₃ ｝ ： 熱伝達及び輻射による節点熱流増分ベクトル である。上式左辺の〔Ｃ〕Δ｛ｄＴ／ｄｔ｝、
（〔Ｋ₁ 〕＋〔Ｋ₂ 〕）Δ｛Ｔ｝はチップから冷却水へ
伝導される熱量を示し、上式右辺のΔ｛Ｑ₁ ｝はチップ
の発熱量、Δ｛Ｑ₂ ｝は伝導により冷却水に伝えられる
熱量、Δ｛Ｑ₃ ｝は輻射により伝わる熱量をそれぞれ示
している。

【００１５】ＦＩＮＡＳを用いてプラズマ流出射時のチ
ップ温度を解析するためには、入力する物性値や境界条
件等の確認を行う必要がある。そのため、結果が得られ
ている直接冷却方式のチップ（仮にチップＡという）を
用いて、以下に示す物性値と、図４に示す間接冷却方式
チップのモデル、図５に示す間接冷却方式の境界条件を
入力して行った。図４は対称軸に対してチップ半分の断
面図を示したもので、チップ形状を規定する各点の座標
値を図のように設定した。また、図５に示す境界条件
は、チップ外表面Ｓ１から外気への熱伝達、ノズル内表
面Ｓ２からプラズマによる熱の伝導、火口筒内表面Ｓ３
（冷却水で冷却）の温度計測値、表面Ｓ４、Ｓ５を断熱
条件とた。

【００１６】 〈物性値〉 構造体（チップ） 材 質 ： Ｃｕ−Ｚｒ合金（Ｃｕ＞99.5％，Ｚｒ＝0.10〜0.20％） 熱伝導率： γ＝0.8 Ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃ 比 重 ： ρ＝8.96×0.9985＋6.489 ×0.0015 ＝8.9563ｇ／ｃｃ（20℃） 比 熱 ： Ｃ＝0.095 ×0.9985＋6.489 ×0.0015 ＝0.09496 Ｃａｌ／ｇ・℃（20℃） 冷却水（Ｑｗａｔｅｒの計算に使用） 流 量 ： ｗ＝31／ｍｉｎ＝3000ｃｍ³ ／ｍｉｎ 比 重 ： ρ＝1.0 ｇ／ｃｍ³ 比 熱 ： Ｃ＝4.18Ｊ／ｇＫ（20℃） 平均温度上昇 ： δＴ＝12℃（実測値） 重量流量 ： Ｗ＝ρｗ＝3000ｇ／ｍｉｎ 冷却水が奪う熱量： Ｑｗａｔｅｒ＝Ｗ×Ｃ×δＴ ＝3000×4.18×12Ｊ／ｍｉｎ ＝1.5 ×10⁵ Ｊ／ｍｉｎ 外気 熱伝達率 ｈ＝０（断熱） プラズマ 電 流： 250 Ａ 電 圧： 100 Ｖ プラズマによる発熱量 Ｑｐｌａｓｍａ＝Ｉ・Ｖ〔Ｗａｔｔ＝Ｊ／ｓｅｃ〕 ＝2.5 ×10⁴ Ｊ／ｓｅｃ ＝1.5 ｅ×10⁵ Ｊ／ｍｉｎ なお、プラズマ流の出射により高温となっているチップ
は冷却水により冷却されているので、冷却水が奪う熱量
（Ｑｗａｔｅｒ）を予め求めておかなければ、チップの
熱伝導解析はできない。そこで、Ｑｗａｔｅｒを求める
ために平均温度上昇δＴ＝１２℃（実測値）とした。す
なわち、冷却水の（往）、（復）のラインに熱電対をセ
ットし、プラズマ流出射時の冷却水温度を測定したとこ
ろ、プラズマ流の出射開始直後、及び３分後においても
冷却水（往）、（復）の温度差は１２℃であったことか
らδＴ＝１２℃としてＱｗａｔｅｒを算出した。

【００１７】図６は直接冷却方式のチップＡにおいて、
解析ポイントＰを示したもので、Ｌ（ノズル中心から解
析ポインＰトまでの距離）を１．５ｍｍ、２．５ｍｍ、
３．５ｍｍ、４．５ｍｍ、５．５ｍｍ、６．０ｍｍと変
化させた場合の各解析ポイントについてチップＡのプラ
ズマ流出射時温度を解析した結果を図７に示す。

【００１８】図７において、ノズル中心（プラズマ流の
中心）から離れるに従い温度は低下し、最もプラズマ流
に近接する箇所では約４００℃に達していた。チップＡ
と冷却水温度を任意に設定し、チップＡの温度が冷却水
温度と同じ温度になるまでの時間（冷却効率または速
度）を解析した結果を図８に示す。図８（ａ）は横軸が
時間（ｓｅｃ）、縦軸が温度（℃）であり、図８（ｂ）
の各解析ポイント１，２，３，４，５についての温度変
化を示したものである。図８（ａ）に示すように、各ポ
イントとも０．３７秒でチップＡと冷却水温度が同一と
なった。

【００１９】次に、解析結果（入力データ）の信頼性を
確認するため、熱電対による実測を行った結果、図９に
示すようなチップ先端温度測定結果が得られた。この結
果を図７のグラフに重ねて表示したのが図１０である。
図１０から分かるように、解析値と実測値の温度変化の
傾向が同様な傾きであることから、直接冷却方式チップ
Ａの解析に用いた入力データと解析手法が健全であるこ
とが確認された。

【００２０】次に、間接冷却方式チップにおける熱伝導
解析を行う場合、その解析結果が、直接冷却方式チップ
Ａと冷却速度が０．３７秒と同等であれば，間接冷却方
式チップでも安定したプラズマ流が得られ、かつ極めて
消耗が少ないものと予想を立てて製作可能であるが、冷
却速度が０．３７秒よりも遅くなった場合、どの程度の
冷却速度が得られていれば安定したプラズマ流が得ら
れ、かつ消耗が少ないか判断できない。そこで、予め安
定したプラズマ流が得られ、かつ消耗が少ない冷却速度
を把握するために、直接冷却方式のチップで冷却効率を
低下させた場合のチップＢを間接冷却方式を模擬したチ
ップとして製作し、熱解析コードで冷却速度を求めてみ
た。

【００２１】なお、直接冷却方式のチップで冷却効率を
低下させたチップＢとは、図１１に示すように、冷却水
が循環するチップ内の通路（体積）を、約２．５ｃｍ³
（チップＡ）（図２参照）から、約１．１ｃｍ³ （チッ
プＢ）に小さくしたものである。

【００２２】このチップＢによる試験では安定したプラ
ズマ流が得られ、ＦＩＮＡＳによりプラズマ流出射時の
チップＢの温度を解析した結果、図１２に示すようにチ
ップＢ先端温度は９０７．２℃でありチップＢ（チップ
Ａも同様）の融点である９８０℃近傍まで達し、冷却効
率を解析するとチップＢと冷却水温度が同一となる時間
は１．６４秒となり、冷却水循環通路の体積が約２．５
ｃｍ³ のチップＡと比較すると約４．５倍の時間を要す
ることが分かった。

【００２３】したがって、間接冷却方式とした場合にお
けるチップの冷却効率は、０．３７秒から１．６４秒内
になければ安定したプラズマ流を得ることができないと
ともに、数秒のプラズマ流の出射でチップが灼熱し溶融
に至るものと考えられる。

【００２４】（ｉｉ）間接冷却方式チップのモデル化 チップの冷却を間接冷却方式とする場合、前述の試作し
た間接冷却トーチでは、冷却が必要な部分（ノズル拘束
部）がネジ込み式となっていることなどのため、火口筒
の熱が十分にチップに伝達されないことが分かった。そ
こで、冷却された火口筒からの熱伝達効率を向上させる
ためには、 火口筒の材質をチップ材と同じ材質にすること、 チップと火口筒のノズル拘束部における面接触率を向
上させること等が考えられる。そこで、これまで真鍮製
であった火口筒をチップと同じ材質であるＣｕ−Ｚｒと
することとし、火口筒へのチップ装着方法と火口筒とチ
ップとの面接触率を向上させたモデルを開発した。

【００２５】図１３は開発した本発明のチップを説明す
る図である。モデル化した間接冷却方式のチップ３０
は、ノズル拘束部周囲が冷却された火口筒３１に嵌合し
て面接触部３４で接触している。チップ３０と火口筒３
１との面接触率を向上させるために、火口筒の内径とこ
れに嵌まるチップの外径とを嵌合する内部にいくにつれ
て小さくして１／５０テーパ形状としている。なお、テ
ーパは１／５０に限定されるものではなく、必要に応じ
て適宜設定すればよい。このようにテーパを設けるの
は、テーパ形状でない凹部に凸部をはめ込むと、凹部の
内径を大きくし、凸部の外径を小さくしなければ嵌め込
むことができないため、凹部の内径を大きくした分のギ
ャップの影響により面接触率が低下してしまうので、こ
れを避けるためである。

【００２６】（ｉｉｉ）間接冷却方式チップの冷却効率
の解析 図１３に示すモデルのチップを使用し、チップ３０と火
口筒３１との面接触部３４の面接触率をパラメータ（７
０〜１００％）として、ＦＩＮＡＳによる冷却効率（チ
ップと冷却水温度を仮定し、チップが冷却水温度と同じ
温度となるまでの時間）の解析を行った結果、面接触率
が１００％の場合のチップ冷却効率は０．７８秒であ
り、面接触率が７０〜８０％では０．９６秒であった。
前述したように、間接冷却方式で必要な冷却効率の範囲
は０．３７〜１．６４秒であることから、冷却効率が
０．７８〜０．９６秒であった本発明の間接冷却方式モ
デルは、安定したプラズマ流が得られることが確認され
た。

【００２７】（ｉｖ）間接冷却トーチの製作 次いで、上記（ｉｉｉ）項での解析結果、及び図１３に
示す間接冷却方式のモデルを基に、間接冷却方式のプラ
ズマジェットトーチを製作した。こうして製作したトー
チを図１４に示す。図１４のプラズマジェットトーチに
おいて、火口筒３１の材質をチップ３０と同一のＣｕ−
Ｚｒ合金とし、チップと火口筒の接触部３４は１／５０
テーパ形状としている。また、チップと火口筒の材質が
同一である場合、かつ、装着部がテーパ形状である場合
は、チップと火口筒が密着してしまい消耗品であるチッ
プが取り外せなくなる可能性がある。そのため、チップ
と火口筒の接触部（火口筒側）に５μ厚のＡｇメッキ３
５を施し、異種金属を介することで、取り外せなくなる
可能性を低減している。なお、Ａｇは金属のなかで最も
熱伝導度が高い材料であることから、火口筒からのチッ
プへの熱伝導率の影響は全くない。また、火口筒３１と
電極３２間には絶縁挿入物（セラミック）を間挿して絶
縁している。なお、３７は中間体（ポリイミド樹脂）、
３８は頭部供給体、３９はパイロットアークケーブルで
あり、図示は省略するがパイロットアークケーブルの周
囲にはプラズマガスホースが配されている。

【００２８】また、火口筒に対し面接触率が９０〜１０
０％のチップを製作する場合、コスト的に問題（仮に１
００個のチップを製作しても、製作上の加工精度から面
接触率９０〜１００％のチップができる割合は２割程度
である）が生じてしまう。

【００２９】また、面接触率を高めるためにテーパ角度
を大きくすることが考えられるが、余り大きい角度のテ
ーパ形状であると、火口筒に装着したチップが密着して
取り外すことができなくなる可能性がある（油圧等を使
用すれば可能であるが、テーパ面を損傷させてしま
う）。したがって、好ましい実施の形態としては、１／
５０テーパ形状において、製作上の加工精度が担保可能
で、かつ、安定したプラズマ流が得られる８０％の面接
触率を間接冷却トーチと言うことができる。

【００３０】（ｖ）性能確認 本発明の間接冷却方式のプラズマジェットトーチによ
り、安定したプラズマ流の出射確認及び切断能力の確認
を行った結果、図１５に示すように安定したプラズマ流
の出射が可能であった。また、金属（材質はＳＵＳ３０
４）に対する切断能力を確認した結果、切断電流２５０
Ａ、スタンドオフ（トーチ（チップ）先端と被切断物表
面との距離）５ｍｍ、切断速度１ｍｍ／ｓｅｃにおい
て、板厚約３５ｍｍの切断が可能であることから、直接
冷却方式のプラズマジェットトーチの切断能力（同一条
件で板厚約４５ｍｍの切断が可能）と比較すると、図１
６に示すように、約２０％程度の能力低下であった。し
かし、間接冷却方式のプラズマジェットトーチは、チッ
プの冷却を金属（火口筒）を介して行うための限界（熱
伝導や構造、製作上の火口精度等）があり、また、間接
冷却方式チップで得られるサーマルピンチ効果について
も限界があることを考慮すると、十分実用可能な性能で
あるということができる。

【００３１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、以下のよ
うな効果が得られる。 チップの冷却時間を０．３７〜１．６４秒の範囲とす
ることにより、安定したプラズマ流が得られる。 製作上の加工精度を考慮すると、チップと火口筒の面
接触率を８０％とするのが好ましく、この面接触率によ
り、面接触率９０％と同一の冷却効率（０．９６秒））
が得られる。 チップと火口筒の面接触率を７０％と以上とするため
に、接触部をテーパ形状としたチップ及び火口筒（同一
材質）を製作し、かつ、接触部に６μ厚のＡｇメッキを
施して異種金属を介することで、安定したプラズマ流を
得ることが可能となった。 プラズマジェット切断法の間接冷却方式が確立された
ことで、チップ等消耗品の交換作業においても冷却水の
漏洩がなくなりメンテナンス性が向上した。また、冷却
水の放射能汚染の防止が可能となった。 間接冷却方式としたプラズマジェットトーチでは、直
接冷却方式のプラズマジェットトーチで得られた安定し
たプラズマ流と同等のプラズマ流が得られた。また、電
流２５０Ａ、スタンドオフ５ｍｍ、切断速度１ｍｍ／ｓ
ｅｃで板厚約３５ｍｍ（材質はＳＵＳ３０４）の切断が
可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】 プラズマジェット切断法を説明する図であ
る。

【図２】 実用型トーチチップ説明する図である。

【図３】 直接冷却方式における冷却水循環経路図であ
る。

【図４】 間接冷却方式チップのモデルを示す図であ
る。

【図５】 間接冷却方式の境界条件を示す図である。

【図６】 直接冷却方式のチップＡの解析ポイントを示
す図である。

【図７】 解析ポイントにおけるチップＡのプラズマ流
出射時温度の解析結果を示す図である。

【図８】 チップＡの温度が冷却水温度と同じ温度にな
るまでの時間の解析結果を示す図である。

【図９】 熱電対によるチップ先端温度測定結果を示す
図である。

【図１０】 チップＡのプラズマ流出射時温度の解析結
果とチップ先端温度測定結果重ねて表示した図である。

【図１１】 間接冷却方式を模擬したチップＢを示す図
である。

【図１２】 プラズマ流出射時のチップＢの温度を解し
た結果を示す図である。

【図１３】 本発明のチップを説明する図である。

【図１４】 図１３に示す間接冷却方式のモデルを基に
製作した間接冷却方式のプラズマジェットトーチを示す
図である。

【図１５】 プラズマ流の出射確認、及び切断能力の確
認結果を示す図である。

【図１６】 直接冷却方式と間接冷却方式のプラズマジ
ェットトーチの切断能力速度の比較図である。

【符号の説明】

３０…チップ、３１…火口筒、３２…電極、３３…冷却
水、３４…面接触部、３５…Ａｇメッキ、３６…頭部供
給体、３７…絶縁挿入物。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマ流を出射するノズル口が形成さ
   れたチップを、冷却水が循環する火口筒に嵌合させ、火
   口筒を通してチップまで延びる電極とチップ間で放電さ
   せて中性ガスを電離させて、前記ノズル口よりプラズマ
   流を噴出させる間接冷却方式プラズマジェットトーチに
   おいて、 チップと火口筒との嵌合を面接触とし、接触部をテーパ
   ー形状としたことを特徴とする間接冷却方式プラズマジ
   ェットトーチ。
2. 【請求項２】 請求項１記載のトーチにおいて、接触部
   は１／５０テーパー形状であることを特徴とする間接冷
   却方式プラズマジェットトーチ。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載のトーチにおい
   て、接触部の面接触率が７０％以上であることを特徴と
   する間接冷却方式プラズマジェットトーチ。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のうち何れか１項記載のト
   ーチにおいて、チップと火口筒を同一材質とし、かつチ
   ップと火口筒の接触部にＡｇメッキを施したことを特徴
   とする間接冷却方式プラズマジェットトーチ。