JPS60208085A - 電気アークヒータ - 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】 本発明は電気アークヒータ、特に長時間にわたって高出
力動作可能なノン・トランスファ形電気アークヒータに
係わる。

工業用に設計された電気アークヒータは広範囲のガス組
成物を高温に加熱するのに利用される。この高温ガスを
炉の加熱や化学または冶金プロセスに利用することがで
きる。多くの場合、この種のアークヒータは炉または化
学反応器の開口部にフランジを介して取付けられ、アー
ク加熱ガスの出口端がフランジアタッチメントのところ
に位置するか、または炉や反応器の壁から突出するよう
に設計される。この種の７−クヒータの例は米国特許第
３，７０５．！３７５号及び第４，２１４，７３８号明
細書に記載されている。これらの特許明細書に記載され
ているアークヒータはアークを簡単に発生させ、安定化
するための、軸方向で間隔を保つように配置した、小さ
い電極ギャップを有する水冷電極や、電極の表面に沿っ
てアークを回転させてアークによる摩耗及び腐食を減少
するための水冷界磁コイルなどのような構成要件を袷む
、従来このようなアークヒータを商業的に利用した例で
得られる出力レベルはたかが３メガワｚトであった。し
かし電気的加熱への変換が経済的に見合うためには多く
の応用分野においてその総崩熱出力は１０〜４０メグワ
ット以上でなければならない、比較的高い出力動作が可
能な電気アークヒータか得られるならば、このような高
い出力条件を満たすのに必要な総ユニット数及び関連設
備を極力少なくして設備全体を簡略化することが出来る
。

ガス流量を増大させると同時に下流電極を長くすること
により上記のような公知のアークヒータの出力゛レベＪ
ｌ、ｒを所期の高出力レベルにまで高めることかできる
とも考えられるが、このようなアプローチでは下流電極
が重くなり、交換が困難だ（すでなく製造コストも増大
する。また、アークは下流電極の全長に沿った種々の位
置で絶えず再点弧する傾向があるため、高出力レベルに
必要な下流電極の長さが平均アーク長よりも長くなる。

電極の長さかアークヒータで達成可能な最大アーク長に
対して大きい比率を占める場合に顕著に現われるこのア
ーク長の変動は出力を不安定にし、動作効率を低下させ
る。更に、下流電極によって生ずる広い伝熱面が電気ア
ークヒータの能率を一段と低下させる。従って、適正な
効率レベル（平均的には８ｏｚ以上）で上記高出力レベ
ル動作が可能な電気アークヒータを得ることが望ましい
、その構成はアークヒータ内でのアーク長及び出力を最
大とするためアークの再点弧を防止するものでなければ
ならない。

アーク長を最大限にすると共に電極における再点弧を防
止する１つの解決策としてアークヒータの両電極間に単
数または複数の電極間セグメントを組込むことが提案さ
れた９この構成の例は米国特許第３，９５３，７０５号
及び英国特許第１，３８０，６５９号の明細書に開示さ
れている。いずれもアーク長を増大させるため両電極間
に単数または複数の電極間セグメントを介在させるとい
うものであり、アーク再点弧の発生を極力防止、するた
めに前記セグメントを電極から電気的に絶縁する。

アークからガスへの伝熱を極力大きくし、従っ工、アー
ク電圧を最大限に高めるために、電極間セグメントによ
って形成される通路を１１ｉ（径する。こうしてガス流
動を狭め、乱流性を増大させる。このように構成した場
合、縮径部の直径は電極の直径よりもはるかに小さいか
ら、縮径部内のガス圧は高い値に維持される。このこと
はアークを維持するために７−クヒータの両電極間の電
位差が比較的高くなければなら生いことを意味する。な
ぜなら、アークヒータの電圧勾配は圧力の平方根に比例
するからであり、高いアーク圧を維持することによりガ
スへの総入力が増大する。入力が増大すれば被加熱ガス
に伝達される正味エネルギーも増大する。こうして高出
力動作は１１１られるものの、多くの場合１５０Ｑｐｓ
ｉｇ程度の高いガス圧が必要である。ガス圧がこのよう
に高ければ当然の結果として高価な高圧コンプレッサー
を含む複雑なガス供給系が要求される。従って、低ガス
圧で動作可能な高出力アークヒータを得ることが望まし
い、また出力レベルが高いから電極の寿命が比較的短く
数時間しかもたない、そこで電極の寿命がわずか数時間
ではなく数百時間に及ぶような高出力アークヒータの実
現が望まれる。電極間セグメントの通路は使用電極の直
径よりもはるかに小さいから、アーク発生が困難となる
おそれがある。従って、電極間セグメントの構成によっ
てアーク発生を容易にした高出力アークヒータを実現す
ることも望まれる本発明の目的は工業的に利用可能な電
極寿命を有する高出力電気アークヒータを提供すること
にある０本発明の他の望ましい特徴としては、アーク発
生が容易であり、電極間セグメントへのアーク再点弧を
極力回避できることである。更に他の望ましい特徴とし
ては１５００ｐｓｉｇよりはるかに低いガス圧で動作可
１七なことである。

本発明は、ぼは円筒形を呈し、互いに間隔を保つ中空の
上流電極セグメント及び下流電極セグメントと、上流電
極セグメント及び下流電極セグメントの間に介在して軸
方向に整列し、それぞれがほぼ円筒形の中空体として互
いにかつ両電極セグメントと軸方向に間隔を保って一連
の軸方向ギャップを形成すると共に内部にアークチェン
バを形成する複数の電気的に絶縁された電極間セグメン
トと、軸方向ギャップを介してアークチェンバにガスを
流入させてそ・の表面に沿って境界ガス層を形成するガ
ス入口手段と、一方の電極セグメントが７）−ドとして
、他方の電極セグメントがカソードとして作用するよう
にそれぞれ上流電極セグメント及び下流電極セグメント
と接続して両電極間に電極間セグメントを貫通するアー
クを形成するＤＣ電源手段とから成り、」二流電極セグ
メントに隣接する電極間セグメントが上澄電極セグメン
トの内径よりも小さい内径を有し、下流電極セグメント
に隣接する電極間セグメントが下流電極セグメントの内
径よりも小さいかまたはこれと等しい内径を有し、電極
間セグメントの内径が下流に向かって段階的に増大し、
アークが流入ガスの一部を加熱してアーク加熱ガス炉心
を形成し、アーク加熱ガス及び境界ガス層が下流電極セ
グメントの下流端において装置外に流出し、境界ガス層
がセグメント間の電気的絶縁を維持しながら高温ガス炉
心域からセグメントへの対流熱損失を減少させることを
特徴とする電気アークヒータを提供する。

好ましくは、上流電極に隣接する電極間セグメントの内
径を上流電極の内径よりも小さく設定し、下流電極に隣
接する電極間セグメントの内径を下流電極の内径よりも
小さくまたはこれと等しくなるように設定する。電極間
セグメントの内径は下流にむかって段階的に増大して段
のあるアークチェンバを形成する０段のあるアークチェ
ンバは軸方向に下流へむかってガスを流、動させるのに
好都合であり、始動時における下流電極へのアーク移行
を容易にし、更にまた、高温ガス炉心と比較的低環、の
壁面との間に充分な間隔を維持して壁面への伝熱率を減
少しながら高温ガス炉心の直径を比較的大きく設定する
ことを可能にする。アークチェンバにガスを流入させて
その表面に境界ガス層を形成するためのガス入口を設け
る。ほかに上流及び下流電極のそれぞれ上流及び下流に
ガス入口を別設する。これらの別設ガス入口は電極の表
面にアークを軸方向に位置させるための流体力学手段と
して利用される。下流電極ガス入口ではこのアーク位置
ぎめに逆流ガス流を利用する。出口において所期のプロ
セスガスを生成させるためまたは電極寿命を延ばすため
いたるところでまたは任意の流入点で種々の組成のガス
を使用することができる。更に、上流電極セグメント、
下流電極セグメント及び電極間セグメントの周りに界磁
コイルを設置すれば、アークチェンバ内でアークを回転
させるための磁場が得られる。

別の実施態様では、各電極間セグメントとカソードとし
て接続された電極セグメントの間に抵抗器を設けること
により、各電極間セグメントの電位をアークチェンバ内
でアークによって形成される電位勾配の値とほぼ等しく
なるようにする。アークヒータ全長に沿った電極間セグ
メントの各隣接部分に現われるアーク電圧レベルはほぼ
等しく、従って電位差は極めて小さいから、電極間セグ
メントに対するアーク点弧は減少される。

本発明の更に他の実施態様では、複式下流電極または複
式上流電極、あるいはこの双方を設け、アーク電流を複
式電極に配分して電極の延命に寄与させる。アークヒー
タの上流及び下流電極セグメントのどちらにも複式電極
を設ける場合、それぞれが一方の上流電極セグメントと
一方の下流電極セグメントから成る電極対に複式定電流
源を設けることができる。

以下添付図面を参照しながら実施例に基づいて本発明を
説明する。

第１図は上流電極セグメント２０、下流電極セグメント
４０、及びこれら上流電極セグメント２０及び下流電極
セグメント４０と軸方向に整列してその中間に配置され
た複数の電極間セグメント６０を具備するアークヒータ
ｌＯを示す。アークヒータのセグメントは（図示しない
が）電気的に絶縁された締付はボルトによって一体的に
結合されている。電極セグメント及び電極間セグメント
、はほぼ円筒形の中空体であり、上流電極セグメント２
０及び下流電極セグメント４０はその内径がほぼ同じで
ある。

アークヒータの各セグメントはアークチェンバ＋００の
内面を画定する、好ましくは銅または調合金製の内側ス
リーブ８０を具備する。各セグメントの外筐８２に、各
スリーブ８０と各外筐８２の間に冷却用の流体、例えば
水を循環させることのできる通路８４が形成されるよう
にスリーブ８０を滑り込ませる。冷却水の循環を可能に
するため各セグメントに冷却水入口８８及び冷却水出口
８８を設ける。この循環は第１図のように並列にセグメ
ントを連結することによって達成できる。

アークヒータの隣接セグメント間に、各セグメントを隣
接のセグメントから電気的に絶縁するため環状絶縁板１
１Ｇを設ける。絶縁板１１０はアークヒータ１０のセグ
メント間に軸方向ギャップ１１２を維持する機能をも果
たす。

上流電極セグメント２０の上流端２２を閉鎖するためエ
ンドキャップ１２０を設ける。このエンドキャップ１２
０はまたアークチェンバ１００へ炉心ガス流１２３を流
入させるための、はぼアークヒータ中心軸に沿った炉心
ガス入口１２２を具備する。各セグメン）２０．４０及
び８０には単数または複数の境界ガス流１４６を流入さ
せるため通路１４２、環状ヘッダー１４３及び軸方向ギ
ャップ１１２を介してアークチェンバ１００と連通ずる
境界ガス入口１４０を設ける。絶縁板１１０と、この絶
縁板ま五はセグメント、または双方の表面に環状溝を設
けることによって前記絶縁板を取付けである電極または
電極間セグメントとの間にヘッダ１４３を形成する、絶
縁板ｌｌＯには環状ヘッダー１４３とアークチェンバ１
０Ｇの間に複数の（図示しない）溝を設ければよい、軸
方向及び半径方向の上記溝を利用することにより、流入
する境界ガスに渦パターンを与えることができる。例え
ば接線方向に平坦な溝を配置すれば、流入境界ガスはア
ークチェンバ１００を画定するスリーブ８０の表面周り
、を接線方向に旋回する。通路１４２からのガス流量を
増減するには各絶縁板に形成する溝の数を増減すればよ
い。

単数または複数の境界ガス１４Ｇを流入させるため境界
ガス入口１４０を利用する。ギヤ・ンプ１１２を通って
７−クチエン／＜１００に流入する境界ガス流はアーク
加熱されたガス炉心１０４の温度、即ち、１０００℃〜
１０，０００℃よりも低く、周囲温度に近いガスの境界
層１０２を形成する。この流入境界ガスの熱伝達特性は
金属スリーブ８０のそれよりも低いから、境界層は断熱
ブランケットのように作用し、スリーブ８０の表面を保
護する。これにより電極及び電極間セグメントの耐用寿
命が延びる。

ギャップ１１２に通される境界ガスは、絶縁板１１０及
びギャップ１１２の電気的絶縁性能維持にも寄与する。

境界層１０２とアーク加熱された炉心１０４とのガス混
合が２つの層の界面において起こる。所期の反応生成物
の形成を促進することができるから、このことはプロセ
スの種類によっては有利である。

以　下　余　白 アークヒータへの各種ガス流の流量を制御するにはガス
供給マニホルド１４７に弁Ｖを設置すればよい、常態で
はすべての入口にガスが供給されるが、アークヒータの
運転中は必ずしもすべての入口を使用しなくてもよい。

入口をいくつ設けるべきか、またどの入口を使用すべき
かはアークヒータを使用するプロセスの需要に応・少て
暑なる。炉心ガス流１２３を使用するのが普通であるが
、このガス流が不要なこともある。その場合、アーク加
熱されるガス炉心は境界ガスを加熱するアークによって
形成される。

第１図には炉心ガス流及び境界ガス流の双方を提供する
単一ガス供給源１４８を示したが、２つ以上のガス供給
源及び２種類以上のガスを使用してもよい。例えば炉心
ガス１２３として窒素を供給する一方で電極間セグメン
ト６０にアルゴンを供給する場合が考えられる。

アークヒータには種々の組合わせの混合ガスを供給する
ことも可能であり、アークヒータに使用できるガスとし
ては水素、−酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、空気、窒
素、酸素、アルゴン、及びこれを任意に組合わせた混合
ガスを挙げることができる。入口ガス圧は約１〜５０気
圧の範囲内であり、正確な入口圧範囲はプロセスに応じ
て異なるが、経験に照らして入口圧はアークヒータの所
期の出口圧に対して約２倍であればよい、従来は約４〜
６気圧の入口圧が採用されている。

上流電流２０の上流端２２への境界ガス流入はエンドキ
ャップ＋２０に好ましくは着脱自在な環状リング１２４
を設け、その内部に上流端２２のガス入口１４４　と接
続する環状路１２Ｂを形成することによって達成する。

環状路１２６は一連の通路１２８を介してアークチェン
バ１００　と連通ずる。アークチェンバ１００の半径に
対する通路１２８の半径方向または軸方向位置を変える
ことにより、接線方向、半径方向、または軸方向に境界
ガスを他のガスと同方向または逆方向に流入させること
ができる。また、これにより上流電極セグメント２０の
内側スリーブ８０の表面にアークを軸方向に位置させる
ことができる。第１図には示さないが、絶縁板１１０と
同形状の板を利用してエンドキャップ１２０と上流電極
２０の上流電極２０の上流端２２との間に軸方向ギャッ
プ１１２と同様の軸方向ギャップを介在させることがで
きる。多くの場合アークヒータ１０の運転中はエンドキ
ャップ１２０が上流電極２０と同電位にある。ただし電
気的絶縁値を有する板を使用すれば、必要に応じてエン
ドキャップを上流電極２０から電気的に絶縁することが
できる。

軸心断面図で見てアークヒータｌＯの内部はステップ状
を呈する。上流電極２０に隣接する′７１！極間セグメ
ントの内径は上流電極の内径よりも小さい、下流に近づ
くに従って電極間セグメントの内径は段階的に増大し、
下流電極に隣接する電極間セグメントの内径は下流電極
の内径と等しいかまたはこれよりも小さい、好ましくは
単位面積当たりの総ガス流量がほぼ一定となるように各
電極間セグメン）８０の内径を設定する。上流電極に隣
接する電極間セグメントに対応するスリーブの上流端８
Ｂには、通過するガスにできるだけ流線形の開口部を提
供するため、丸みを施す、電極間セグメント６０の個数
は使用するガスの種類、出力レベル、軸方向ギャップへ
のガス分配、及び特定用途に必要なエンタルピー及び流
量に応じて設定される。

ステップ状の電極間セグメント６０によって形成される
ステップ状アークチェンバ１００は流入する境界ガスが
軸方向に下流へむかって流動しやすくし、従って始動時
における下流電極４０へのアーク移行と境界層１０２の
形成とを容易にする。また、このステップ状の構成によ
り、アーク加熱されたガス炉心１０４と内側スリーブ８
０の表面との間の境界ＦＡ’１０２の厚さをほぼ同じに
維持しながら、生成するアーク加熱ガス炉心１０４の直
径を大きくすることができる。即ち、高温ガスの容積が
増大しても壁への熱伝達率はアークヒータの全長にわた
ってほとんど変化しない、これによって７−クヒータの
動作効率を高めることができる下流電極セグメント４ｏ
の下流に内側スリーブ１６２及び外筐１６４を含む水冷
ノズル１６０を設けることができる。絶縁板１１０を利
用して外筐１６４に設けたガス入０１６８と接続する軸
方向ギャップ１８Ｂを設ける。絶縁板１１０には上述の
ように変更を加えることができる。好ましくは、軸方向
ギャップ１８Ｂを通って流入する境界ガスをアーク加熱
ガス炉心１０４に対して向流方向に流動させる。向流ガ
スを採用することにより、下流電極セグメント４０の内
側スリーブ８０の表面でアーク１０４を軸方向に位置ぎ
めすることができる。

ガスによるアーク位置ぎめにより５直線的、放散形また
は収斂形など多様なノズル・スタイルの採用も可能にな
る。従来の構成では下流電極からノズル内へまたはこれ
を越えてアークが移行するのを防止するのに充分な背圧
が得られるようにノズル・スタイルが選択された。７−
クヒータの使用に際して、動作効率を高めるためにガス
流量を増大させることが１つのねらいである。ガス流量
が増大するとアークがノズル内へ移行し易くなるから下
流電極域に比較的高い背圧が必要となる。

本発明でアーク移行を防止するためにノズルを利用する
必要はほとんどない、比較的大きい直径の下流電極はガ
ス流速を低下させることを可能にするとともにアークが
更に下流側へ流されることなくこの下流電極域にとどま
ることを可能にする。アークヒータ内でアークを位置ざ
めするこれらの流体力学手段のほかに、各セグメント周
りに環状界磁コイル１８０を取付けることができる。各
電極及び電極間セグメントによって外筐８２及び内側ス
リーブ８０によって形成されるチェンバ１８２をこの目
的に利用する。外筐８２にチェンバ１８２　と連通する
（図示しない）適当な孔を介して界磁コイル１８０との
電気的接続を形成する。給電されると、これらの界磁コ
イルはアーク１０６中を流れる電流と相互作用する磁場
を発生させ、この磁場がアーク１０６ｉを２つの電極セ
グメント２０．４０及び電極間セグメント６０の表面周
りに回転させて、アーク接触点における腐食率を軽減す
る。

界磁コイル１８αと白濁スリーブ８０との間に環状スリ
ーブペーサリング１８４を配置して内径沿いに冷却通路
８４を形成すると共に外径に沿ってチェンバ１８２の一
部を形成する。スペーサリング１Ｂ４の幅はアークチェ
ンバ１８０の直径が拡がると狭くなり、電極セグメント
２０．４０において最も狭くなる。

第２図には第１図のアークヒータの基本的な作動構成を
示す０図中、同じ特性を有する素子には同じ参照番号を
付した。好ましくは直流の電源２００を上流電極セグメ
ント２０及び下流電極セグメント４０に電気的に接続す
る。

使用電源はアーク発生に充分なレベルの電圧を提供する
と共に、いったんアークが発生したら充分な電流を提供
できるものでなければならない、電流制御が可能である
から、多相ＡＣ整流サイリスター制御ＤＣ電源が好まし
い。

アーク発生に必要な電圧レベルを下げるためには従来の
アーク発生手段を利用すればよい。どちらの電極セグメ
ントも７ノードまたはカソードとして作用させることが
できる。多くの場合、上流電極セグメント２０を電源２
００の正端子２０２に接続してアノードとして作用させ
、下流電極セグメント４０を電源のリターン２０４また
はアース側と接続してカソードとして作用させる。各電
極間セグメント６０とカソードとして接続された電極セ
グメントとの間に抵抗器２２０を電気的に接続する。こ
れらの抵抗器はアークの発生を助け、アーク発生中の漏
れ電流を制限するように作用する。

アークヒータの始動時に、抵抗器２２０は印加電圧をセ
グメント間に配分して、アーク完成に先立ってアークヒ
ータ中に電圧勾配を発生させる。これがアーク発生を容
易にする。

両電極セグメント２０．４０間にアークが形成される時
、アークヒータ１０内に電圧勾配が存在する。この時抵
抗器２２０は各電極間セグメントからの漏れ電流を制限
する。好ましくはこれらの抵抗器を漏れ電流を１アンペ
ア以下に制限するように寸法設定する。各抵抗器の実際
の値は各抵抗、器が接続されている電極間セグメントの
アーク電圧勾配値と所期の漏れ電流値とによって決定さ
れる。電源のリターンに接続している電極に近づくにつ
れて抵抗器の値は低くなり、この電極セグメントに隣接
する電極間セグメントに接続する抵抗器の値が最も低い
、多くの場合これは下流電極セグメント４０である。動
作中、アークと電極間セグメントとの間の電位差はアー
クが電極間セグメントへ再点弧するのに必要なアーク破
壊電圧よりも小さいから、電極間セグメント６０とのア
ーク再点弧は軽減される。

アーク発生に先立って、またはこれと同時に、境界ガス
入口または炉心ガス入口、あるいは双方からガス、通常
はアルゴンの流入が始まる０次いでアーク破壊に必要な
レベルの電圧が両電極セグメント２０．４０間に印加さ
れる。抵抗器２２０の作用及び上記接続により、上流電
極２０の下流端とこれに隣接する電極間セグメント６０
の間の第１軸方向ギヤツプにほぼ全電圧が現れる。次い
で残りの軸方向ギャップに順次一連の低電流アークが形
成される、軸方向ギャップにこのような低電流アーク（
１〜２アンペア）が形成されると総電流は数百アンペア
にまで増大する。この時点でアークヒータを流動するガ
ス流がアークを長くし、下流にむかって押し進め、下流
で各アークが結合して上流電流セグメント２０から下流
電極セグメント４０に至る単一アークを形成する、即ち
、電極間セグメン）８０に接続された抵抗器２２０は次
の３つの機能を果たす、その１つは始動時にアーク放電
開始（ｂｒｅａｋｄｏｗｎ　）を助けること、残る２つ
の動作中にセグメントとのアーク再点弧及び漏れ電流を
制限することである。再点弧及び漏れ電流はアークヒー
タの効率を著しく妨げる要因である。第１及び２図のア
ークヒータを４回にわたってテストした結果、表１に示
す動作データを得た以　下　余　白 Ｌｕ １−」Ｌ二１−五 以　下　余　白 本発明の他の実施例を第３図の部分断面図に示す、第３
図にはそれぞれ複式の上流電極セグメント及び下流電極
セグメントと、同じく複式の電源を示した。電極及び電
極間セグメントの構造は先に述べたのとほぼ同じである
。上流電極セグメン）２０ａと下流電極セグメント４０
ａとの間に定電流源３００を接続し、上流電極セグメン
ト２０ｂと下流電極セグメント４０ｂとの間に定電流源
３２０を接続する。電極セグメントと定電流源３００　
、３２０との間の接続は第２図の電源及びアークヒータ
に関して述べたのとほぼ同じである。ただし、一方の電
極セグメントをアノードとして接続する場合には隣接の
電極セグメントもまたはアノードとしてその連携電源に
接続する。第３図には複式電源を示した２組の電極セグ
メントに必要電流及び電圧を提供するように適当な変更
を加えた単一電源を使用することも可能である。複式の
上流及び下流電極セグメントを採用した場合、２つのア
ーク１０４ａ、　１０４ｂが発生し、電極間セグメント
８０ａを通過する際に互いに結合して１つになる。この
ように構成すれば個々の上流及び下流電極セグメントを
低電流が流れるから個々の電極セグメントの延命に寄与
する。

（図示しないが）電極セグメントの他の実施態様として
単一の上流電極を使用してこれを７ノードとして接続し
、下流電極を複式に構成して共にカソードとして接続す
る態様が考えられる。経験に照らして、カソードにして
作用する電極セグメントに顕著な摩耗が発生する場合が
多く、この摩耗または腐食はアーク電流と深く関連する
。カソードを複式に構成すればそれぞれに半分のアーク
電流が作用することになり、電極摩耗がそれだけ軽減さ
れる。この構成と適当な変更を加えた単一電源または複
式電源を併用すればよい、多ｆｆ１１ｒＬ極の場合、電
極間セグメント６０の場合と同様に個々の電極を互いに
電気的に絶縁する。境界ガスをアークヒータに流入させ
ることができるように軸方向ギャップも設ける。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ガス電気アークヒータの軸心断面図。 第２図は、第１図のアークヒータに必要な電気的接続を
略示する説明図。 第３図は、複式の上流及び下流電極を採用したアークヒ
ー・夕を示す部分的軸心断面図である。 ２０・・・・上流電極セグメント ４０・・・・下流電極セグメント ６０・・・・電極間セグメント ８０・・・・内側スリーブ ８Ｇ・・・・冷却水入口 ８８・・・・冷却水出口 １１０・・絶縁板 １２０・・エンドキャップ １２２・・炉心ガス入口 １４０・・境界ガス入口 １８０・・水冷ノズル ２００　・・ＤＣ電源

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　ぼは円筒形を呈し、互いに間隔を保つ中空の」二
   流電極セグメント及び下流電極セグメントと、上流電極
   セグメント及び下流電極セグメントの間に介在して軸方
   向に整列し、それぞれがほぼ円筒形、居中空体として互
   いにかつ両電極セグメントと軸方向に間隔を保って一連
   の軸方向ギャップを形成すると共に内部にアークチェン
   バを形成する複数の電気的に絶縁された電極間セグメン
   トと、軸方向ギャップを介してアークチェンバにガスを
   流入させてその表面に沿って境界ガス層を形成するカス
   人１」手段と、一方の電極セグメントがアノードとして
   、他方の電極セグメントがカソードとして作用するよう
   にそれぞれ上流電極セグメント及び下流電極セグメント
   と接続して両電極間に電極間セグメントを貫通するアー
   クを形成するＤＣ電源手段とから成り、上流電極セグメ
   ントに隣接する電極間セグメントが上流電極セグメント
   の内径よりも小さい内径を有し、下流電極セグメントに
   隣接する電極間セグメントが下流電極セグメントの内径
   よりも小さいかまたはこれと等しい内径を有し、電極間
   セグメントの内径が下流に向かって段階的に増大し、ア
   ークが流入ガスの一部を加熱してアーク加熱ガス炉心を
   形成し、アーク加熱ガス及び境界ガス層が下流電極セグ
   メントの下流端において装置外に流出し、境界ガス層が
   セグメント間の電気的絶縁を維持しながら高温ガス炉心
   域からセグメントへの対流熱損失を減少させることを特
   徴とする電気７−クヒータ。 ２、　上流電極セグメントの上流に配置された上流ガス
   入口手段及び下流電極セグメントの下流に配置された下
   流ガス入口手段を含み。 上流及び下流ガス入口手段が上流及び下流電極セグメン
   ト内にそれぞれガスを流入させてそれらのセグメントの
   表面上において軸方向にアークを位置させることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載の電気アークヒータ
   ３、　それぞれを各電極間セグメントとカソードとして
   接続された電極セグメントとの間に電気的に接続されて
   軸方向ギャップに順次アークを発生させるのに充分な電
   圧を軸方向ギャップ間に提供、すると、共に電極セグメ
   ント間にアークが発生するとアークから各電極間セグメ
   ントを通る漏れ電流を１アンペア以下の値に制限して電
   極間セグメントに対する点弧電流を減少する複数の抵抗
   手段を含むことを特徴とする特許請求の範囲第２項に記
   載の電気アークヒータ。 ４、　上流電極セグメントを７ノードとして、下流電極
   セグメントをカソードとしてそれぞれ電気的に接続した
   ことを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載の電気ア
   ークヒータ。 ５、　下流電極セグメントの近傍に第２下流電極セグメ
   ントを設け、第２カソードとしてＤＣ電源手段に電気的
   に接続してアーク電流を２つの下流電極セグメントに配
   分することを可能にしたことを特徴とする特許請求の範
   囲第４項に記載の電気アークヒータ。 ６、　上流電極セグメントの近傍の第２上流電極電極セ
   グメントを設け、第２７メードとしてＤＣ電源手段に電
   気的に接続してアーク電流を２つの７ノードに配分する
   ことを可能にしたことを特徴とする特許請求の範囲第５
   項に記載の電気アークヒータ。 ？、　アークチェンバ周りに磁場を発生させてアークチ
   ェンバ内でアークを回転させるため各電極セグメント及
   び電極間セグメント周りに配置した複数のコイル手段と
   、コイル手段に給電するためのコイル電源手段とを含む
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項から第６項まで
   のいずれか、に記載の電気アークヒータ。 ８、　ガスの入口圧が約ｌ気圧ないし約５０気圧である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項から第７項まで
   のいずれかに記載の電気アークヒータ。 ８、　ガスの入口圧が約４気圧ないし約６気圧であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第８項に記載の電気アー
   クヒータ。 １０、ガスを水素、−酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、
   空気、窒素、酸素、アルゴン及びこれらの組合わ斌、か
   ら選択することを特徴とする特許請求の範囲第８項また
   は第９項に記載の電気アークヒータ。 Ｉｌ、ガスの入口温度がほぼ周囲温度であり、高温ガス
   炉心の温度が約１０００℃ないし約１０．０００°Ｃで
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項から第１０
   項までのいずれかに記載の゛電気アークヒータ。 １２、各電極間セグメントの内径を、単位面積当りの総
   ガス流量がほぼ一定となるように設定したことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項から第１１項までのいずれか
   に記載の電気アークヒータ。 １３、上流電極セグメントの上流に上流ガス入口手段を
   配置し、下流電極セグメントの下流に下流ガス入口手段
   を配置し、上流及び下流ガス入口手段が上流及び下流電
   極セグメントにそれぞれガスを流入させることにより対
   応セグメントの表面上にアークを軸方向に位置させるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項から第１２項まで
   のいずれかに記載の電気アークヒータ。 １４、上流電極セグメントのいずれか一方及び下流電極
   セグメントのいずれか一方と接続して両セグメント間に
   電極間セグメントを貫通するアークを形成する第１のＤ
   Ｃ定電流源手段と、他方の上流電極セグメント及び他方
   の下流電極セグメントと接続して両セグメント間に電極
   間セグメントを貫通する第２アークを形成する第２のＤ
   Ｃ定電流源手段とを含み、２つのアークがその全長の一
   部にわたって組合わされ、流入ガスの一部を加熱してア
   ーク加熱ガス、炉心域を形成することを特徴とする特詐
   請求の範囲第１項から第１３項までのいずれかに記載の
   電気７−クヒータ。 １５、上流電極セグメントを７ノードとして電気的に接
   続し、下流電極セグメントをカソードとして電気的に接
   続したことを特徴とする特許請求の範囲第１４項に記載
   の電気アークヒータ。 １Ｂ、炉心ガスをアー、クチェンバ内で加熱することを
   可能にする炉心ガス入口手段を含むことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項から第１５項までのいずれかに記載
   の電気アークヒータ。