JPS58675B2 - プラズマア−クロ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はプラズマアーク炉、特にその種の炉内で発生さ
れるプラズマ柱内の粒状物質の処理方法に係る。

英国特許第１，３９０，３５１号には、拡大されたプラ
ズマ柱が、軌道電極の軌道軸線と同軸で、前記軌道電極
の通路と平行の平面に配置された軌道電極とリング型静
止電極との間に発生させられるようなプラズマ炉が記載
されている。

この型の装置では、プラズマの拡がらない粘性の柱が軌
道電極の軌道速度が低い時に形成される。

その軌道内における軌道電極の角速度が十分に増大され
る時は、拡げられた処理プラズマ柱が発生され、軌道電
極の通路の平面と、静止電極が横わる平面との間の空間
を、全部ではなくても大部分充満させる。

このようにして拡げられたプラズマアーク柱の利点は、
それが比較的多量の外部物質、特に粒状固体物質をプラ
ズマ柱の安定性を覆すこと無くプラズマ柱内に導入され
、プラズマ柱内に存在する高度のエネルギー状態下のそ
のような外部物質中に化学的および、または物理的変化
を開始させる点にある。

英国特許第１，３９０，３５１号に記載された装置の任
意の形態では、軌道電極、普通いわゆるプラズマガンは
、静止電極の直径より実質的に小さい直径の円形通路中
を移動し、その結果プラズマ充満区域は截頭円錐形状を
とる。

プラズマ柱を確立するためには軌道電極の先端をリング
型静止電極と密接に接近させる必要があり、またその要
件を簡単に充たすためには軌道電極がそれ自体の軸線に
沿って長手方向に移動できるような構造に作られる。

軌道電極は静止電極の方に向けられ、従って軌道電極は
その軌道の軸線から傾斜させられていることが判るであ
ろう。

その結果、電極の先端の通路の直接内側への軌道電極の
、回転軸線の付近の空間は、電極構造物の外端によって
除かれる。

従って円錐形プラズマ柱の軸線上またはその近くに配置
されたフィードにより供給ストックをプラズマアークに
導くことは実行不可能であり、事実軌道電極の通路より
大きい直径をもつ実質的に連続状の円筒形カーテンの形
状をした供給ストックをその作動または引込位置へ導く
ことが望ましいことが判つた。

その結果プラズマガンと直接隣接するプラズマ柱の部分
には全く粒状物質が置かれない。

本発明によれば、軌道電極または数個の軌道電極が回転
軸線の方に向けられて、その結果発生されたプラズマ柱
が、少くともその上端で、大体逆円錐形を成すように配
置することによって、この一般型プラズマアーク炉に種
々の利点が生ずることが判った。

そのような装置における電極の外端が回転軸線から離れ
た方向を取っているため実質的に回転軸上の供給ストッ
クの供給には障害が生ずることはない。

軌道電極または数電極の通路または軌跡が、静止電極が
横わる平面と平行であって、その上方の大体水平面にあ
るものと仮定すれば、電極が十分な速度で回動する時に
発生されるプラズマ柱の頂端は浅い、幾分林状の窪みを
もち、その中に供給ストックがプラズマ柱に入るように
静止電極に対して軸方向に供給されるであろう。

これは軌道電極の道路の外側の円筒形カーテンに供給ス
トックを供給するよりも簡単で一層効果的な配置である
。

本発明のプラズマアーク炉のある使用例では、静止電極
は炉の底部に堆積する溶融金属の湯によって形成される
が、しかし開始目的上は炉の底部は、それ自体静止電極
を形成するか、または適当な位置に置かれた電極を設け
てもよい。

最も簡単な形状における本発明による構造のプラズマア
ーク炉は、軌道電極の通路の直径より小さい直径の静止
電極を含み、そのため拡げられたプラズマ円錐体は静止
電極の方に輻合し、その結果最高エネルギーの位置では
プラズマは静止電極の平面にあるか、または平面に近接
する。

しかし他の装置では、軌道電極は回転軸線を越えて方向
を定められ、好ましい場合は静止電極上で直径上反対点
に向けられて、軌道電極を静止電極上の指向点に結合す
る線によって限定される母線か、電極の軌道通路の軸線
を通るようにされる。

この母線の運動により限定される表面はこのため、それ
らの頂点で結合され、それぞれ移動する電極の軌道通路
の直径および静止電極の直径に対応する直径の基部をも
つ二つの円錐体を成すように見える。

この場合静止電極はリング型でよく、また軌道電極の通
路の直径を超過する直径をもっていてもよい。

このため本装置により発生された拡大されたプラズマ柱
は、前記の観念上の円錐面の共通珀点の周りに高エネル
ギーの制約された区域をもつ。

軌道電極の通路を通りその軸線に沿ってプラズマ柱に供
給されるすべての粒状物質はこの特別の高エネルギー区
域を通るであろう。

粒状物質は急速に移動する軌道電極によってその発生か
ら生ずるプラズマの前進運動の故に、多少とも螺旋状の
通路を辿ることを理解すべきである。

ラジオ周波コイルおよび、または電極がプラズマ区域の
制約部分の周りに配置されること、コイルが余分のエネ
ルギーをプラズマ柱に加えるために使用されることは本
装置の特別の利点の一つである。

本発明のプラズマアーク炉内で行わるべき化学的工程の
性質が、反応体を、少くともその一つがある所定臨界高
温度以上に上げられた時にのみ集められるようにする場
合には、制約されたプラズマ区域は余分な反応体および
、または触媒または他の反応促進添加剤を導入するため
適当な位置を提供する。

これは好ましい場合担体ガスに伴われた物質の流れ、ま
たは液体をプラズマ柱の軸線の方へ向けることによって
得られる。

これはプラズマ柱の軸線の周りで、プラズマ柱の軸線で
、またはそれと小角度を成した３個または３個以上の等
角度の点にフィードの別々の流れを導くようにすること
によって行われるようにする。

添付図面において、第１図は本発明のプラズマアーク炉
の縦断面略図で、主として高度の吸熱化学反応を行うた
めの炉の図で、第２図はその説明図である。

炉は炉本体１を含み、その中にはリング型電極構造物２
が配置されており、その構造物は単独のリングでもよい
し、または数個の別々の部片の形状をもつ構造でもよい
。

しかし電極は実質的に連続状でなければならない、すな
わち別々の部片間の間隔が、もしあっても小さくなけれ
ばならない。

電極構造物は普通炭化水素油のような冷却剤の内部の流
れを通すことによって冷却される。

軌道電極３は、便宜上制約されたアーク型のプラズマガ
ンまたは非消耗電極、例えはプラズマ形成ガスの流れを
浴するトリエーテッドタングステンが支持構造物（図示
せず）上に配置され、この構造物がそれをその円形軌道
の周りに動かす。

電極３を作動量の開始と制御の両目的のため電極構造物
２の方へ、またそれから離れてそれ自体の軸線に沿って
長手方向に動かすための装置もまた設けられている。

電極３はプラズマ柱パラメーター中の変化の修正のため
、作動中に自動的長手運動を行う装置が設けられてもよ
い。

電極３を支えるローターは炉の頂部を密封するが、ただ
中央孔を設け、この孔を通して特に固体粒子の形状をし
た供給ストック材料が炉中に供給されるようにする点は
例外である。

炉本体にはコレクター４が設けられている。

コレクター４内に蓄積する製品が急冷を必要とする場合
には、そのような年収された物質を急速に冷却する方法
も設けられる。

コレクター４はリング型電極を設ける方がよく、または
他の場合それ自体、以下説明する目的用の電極として作
用するようにした方がよい。

本体にはまた１個または１個以上のガス流出通路５が設
けられ、底部にはコレクターから溶解物質の除去用の１
個または１個以上の従来型揚出孔が設けられる。

前記の説明から電極構造物２の軸線の周りを十分速い角
速度で、内方傾斜電極３が運動することは、大体６で示
した形状の区域内に拡大されたプラズマ柱を発生させる
ことが判るであろう。

電極搬送ローター用駆動が拡大されたプラズマ柱を発生
させるため適当な速度で（普通２５０ｒ、ｐ、ｍ。

以上）ローターを駆動できることが理解できるであろう
。

プラズマ柱の上端が大体畦草のプラズマの無い区域７を
限定し、その区域中に粒状物質が便宜的に矢印８の方向
に送られることは、この配置の特殊な利点の一つである
。

拡大されたプラズマ柱が鎖線で示した円錐体の共通頂点
で示されたレベルで最高輻合度（また最高エネルギー）
の区域をもつことが判るであろう。

前記説明のように、補助物質フィードをプラズマ柱中に
導いて、主供給の粒子が高度加熱状態におけるプラズマ
柱の制約された中心区域に達した後にのみ、第２物質を
主供給ストック供給物と接触させることが便利であり有
利であろう。

第２の供給ストック供給物は炉体の周辺の周りに等角度
間隔で配置された導管９（３個が好ましい）を通して導
かれるのが普通である。

導管９を他の場合ガス状流出物の引出し用に使用しても
よい。

供給ストックの導入のため、またガス状流出物の除去の
ため別々の導管を使用してもよい。

そのような場合二つの目的のための導管は炉体内の異っ
た高さに配置した方がよい。

ラジオ周波コイル１０をプラズマ柱に付加エネルギーを
加えるために作り込んでもよい。

他の場合または付加的には、補助静止カウンター電極を
開始目的のためこの位置に設けてもよい。

プラズマ柱は最初は補助カウンター電極と軌道電極との
間に設定され、次いで主静止電極２に切換えられる。

他の場合、１０における静止カウンター電極は主静止電
極２によって構成された第２陽極より低い電位で配設さ
れた第１陽極として処理され、通常作動中この電位に留
まるであろう。

すでに述べたように、ある例ではコレクター４は別の電
極を構成または含んでもよい。

この別の電極はカウンター電極２より高い電位で、陽極
として接続でき、また電極２の代りに用いることができ
るであるう。

しかし他の場合には、コレクター４と関連した電極はカ
ウンター電極２に対して負性の方がよい。

これは年収さるべき製品が陽電荷イオンまた粒子で、コ
レクター電極に引付けられるものの形状を取ってプラズ
マ区域を離れる場合に特に然りである。

プラズマが最高制約度の区域から下降する際、極めて急
速な膨張がを断熱的状態の下で起り、その結果プラズマ
区域からの流出物が、電極２を下降し、プラズマ区域内
で達し得る最高温度より遥かに低い温度で離れることが
本装置の特徴である。

これは陰電荷コレクター底部の使用と関連して、高度吸
熱金属原鉱環元反応の製品を、いく分でも逆反応が起る
前に相互に分離できるようにする。

急速な逆後退を蒙らなくても、所要の製品が高度に反応
的または不安定であり、更に望ましからぬ化学変化を受
ける傾向のある反応も、またこの範疇に入る。

処理の観点から本発明が提供する最も重要な利点の一つ
は、所与の反応に加わる相異る反応体は、プラズマ中で
異る滞留時間を必要とすること、また一般に反応体の一
つをプラズマ柱内の異る位置から他の位置へ導くこと、
およびそれら二つを臨界制御時間と区域で接触させるこ
とは、効果的な製品の出来高または製品の回収の意味で
大なる恩恵をあたえるという事実にある。

そのような現象がプラズマ柱内の滞留時間に主として依
るものであり、イオン化または励起された種（ｓｐｅｃ
ｉｅｅ）の存在に関連があるか、または反応体間に起る
接触の性質によるか、または他の理由によるか否かはこ
の段階では明瞭ではない。

しかし、供給ストックの注入という主装置（すなわち上
部凹所を介して）に加えて、他の補助装置を異る場所、
特に輪台の近接場所で使用できることは、前記型の方法
の作動を臨界的に制御できるようにする重要な特徴であ
る。

本文では一般にプラズマ炉設備の本質、すなわちそれが
小型容量で、高出力反応炉であること、またその理由の
みで、一般にそのような炉内で行われる一切の反応およ
び、その逆傾向のもの、または特に別の望ましからぬ反
応が、高度の制御さえ得られれば、正統的炉におけるよ
りもより効率的に得られることを強調することが重要で
ある。

軌道電極（それ自体の軸線の周りに回転するか、それに
対して静止的である）の数を望ましい軸方向供給ストッ
クの導入を妨げること無しに容易に増すことができるこ
とは本発明の装置の特別の利点の一つである。

このため軌道電極が運ばれる回転搬送体の寸法を増すこ
となく、３個の電極またはプラズマガンを、これらをそ
の個々の軸線に沿って動かすための必要な装置と共に、
搬送体内に支えることができるし、これは炉中へ導入さ
れるエネルギーを非常に増加させる。

そのような装置では、各軌道電極を静止電極構造物上の
直径方向と反対点に向けることは全く必要ではない。

多重電極を使用することは、制御設備に応じた電極の長
手運動が、プラズマ柱の安定に用いられる場合特に有利
である。

もしすべての電極が共に一緒に移動するならば、ロータ
ーは均衡を保ち一貫して高速度で回転される。

第２図を参照すると、軌道電極の長手運動が空間的な困
難をもたらさないことが判るであろう。

この例では電極３の長手軸が向けられる点Ｐは、可動電
極３における軌道Ｏとの接線Ｔの面と円形静止電極の面
との交叉によって限定された主部片の周辺上に横わるよ
うにしである。

しかしエネルギーの最高集中度を得るためには、電極３
は軸線Ａに対して直径方向に反対の位置で点Ｐ′に向け
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるプラズマアーク炉の縦断面図。 第２図は説明図。図面中、符号１は炉本体、２はリング
型電極構造物、３は軌道電極、４はコレクター、５はガ
ス流出通路、６はプラズマ区域、７はプラズマの無い区
域、８は矢印、９は導管、１０はラジオ周波コイルをそ
れぞれ示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 炉本体と、炉本体内に載置された静止電極と、実質
   的に円形の通路を移動する少くとも一つの軌道電極と、
   軌道電極の通路と静止電極の間の区域に放射状に拡がっ
   たプラズマ柱を発達させるのに十分な速度でその回転軌
   道軸線の周りに軌道電極を移動させる装置と、供給スト
   ックをプラズマ柱に導く装置とを含み、軌道電極が回転
   軸線の方へ内方に、静止電極上の一点に向けられ軌道電
   極の付近で大体逆円錐形の一部分をもつプラズマ柱を発
   生するようにしたことを特徴とするプラズマアーク炉。