WO1991010342A1

WO1991010342A1 - Chalumeau a plasma

Info

Publication number: WO1991010342A1
Application number: PCT/JP1990/001530
Authority: WO
Inventors: Kazushige Inokuchi; Akio Nagamune; Isamu Komine; Norio Ao; Hiroshi Sekine; Yoshiyuki Kanao; Yoshiyuki Kitano
Original assignee: Nkk Corporation
Priority date: 1990-01-04
Filing date: 1990-11-22
Publication date: 1991-07-11
Also published as: EP0461263B1; CA2048654A1; DE69032205D1; ATE164721T1; DE69032205T2; EP0461263A1; EP0461263A4

Description

明細書移行式プラズマトーチ [技術分野 ]

この発明は、プラズマアークを発生させて加熱 · 溶解に用いられる移行式プラズマトーチに関するものである o

[背景技術 ]

熱プラズマは超高温、高工ネルギ源として加熱 · 溶解をはじめ、反応や表面処理などに広く応用されている。特に、エネルギ密度が高いので設備がコンパクトになりまた雰囲気をプラズマ作動ガスによって自由に制御できること、電流とプラズマ長さを制御することにより投入電力を自在にかつ応答よく調整できる特徴がある。これらの特徴を活かして近年製鋼プロセスにおいては、レードルや夕ンディッシュの中の溶鋼をプラズマによって加熱し溶網温度を制御したり、精練反応を行うことが検討されている。

プラズマトーチの基本型式として、移行式と非移行式とがある。移行式はプラズマトーチ内部の電極と加熱対象物との間に電圧を印加し、この間にプラズマを発生させるもので、一般には 6 0〜 8 0 % の加熱効率が得られる。一方、非移行式はプラズマトーチ内部に陰極と陽極の両電極を持ち、この間にプラズマを発生させ高温ガスを燃焼バーナーのように加熱対象物に吹き付けるもので、加熱効率は 2 Q〜 40 %.である。加熱対象物が金属のように導電性の場合には、加熱効率の点から移行式プラズマトーチが用いられる。

従来の移行式プラズマトーチの典型的な構成を第 1 図に示す。図において、（ 1 ) はプラズマトーチ、（ 2 ) は電極、（ 3 ) はノズルである。電極（ 2 ) には一般にタンダステンが用いられ、これをノズル（3 ) が囲んでいる。ノズル（3 ) は水冷鋦製ゃセラミックス製であることが多い。

(4) はアルゴンや水素などのプラズマ作動ガスであり、電極（2 ) とノズル（3 ) の間に流される。（5 ) は加熱対象物、（ 6 ) はプラズマアーク、（ 7 ) は絶縁スぺーサ、（ 8 ) は冷却水、（ 9 ) は電気端子である。そして、プラズマは電極（2 ) の先端と加熱対象物（5 ) との間に発生するが、ノズル（3 ) で絞られたプラズマ作動ガス（4 ) によって電極（2 ) の近傍では強い軸方向の指向性を持つた安定なプラズマアーク（6 ) が形成される。

従来のプラズマトーチ（1 ) においては、上記のようにプラズマアーク（B ) の指向性 · 安定性を高めるべく、電極（2 ) やノズル（3 ) の形状や配置およびプラズマ作動ガス（4 ) の流し方を決めてきた。このために、電極（ 2 ) の先端を鋭角に尖らせて、プラズマが電極（2 ) と接するプラズマスポット部でのプラズマ自身の電流によるビンチ力で引き起こされる磁気ポンプ効果で軸方向に沿ったプラズマアーク（6 ) を形成するか、またはノズル（3 ) と電極（2 ) との間のギャップを数 mm以下にしてプラズマ作動ガス（4 ) の流速を高めて、軸方向に安定なプラズマァーク（6 ) を維持するようにしている。

以上のように、従来の移行式のプラズマトーチ（1 ) は、プラズマアーク（ 6 ) の指向性や安定性のみに目が向けられ、プラズマアーク（6 ) を不安定にすることは考えられなかった。また、従来の設計ではプラズマアーク（ 6 ) が不安定になると、ノズル（ 3 ) と電極（ 2 ) との間にプラズマが発生してノズル（ 3 ) を焼損する恐れがあるため、安定化が重視されてきた。

従来の移行式プラズマトーチ（1 ) は、安定で軸方向に指向性の強いプラズマアーク（6 ) を発生させるように作られてきた。このように安定なプラズマアーク（6 ) は、当然のことな力らアークの広がりが小さいので、加熱対象物（5 ) を局所的に加熱することになる。このため、例えば溶铜を加熱する場合、局所的な温度上昇や溶鋼の蒸発を招き、温度の不均一性と加熱効率や歩留まりの低下などの問題を生じる。また、窒素や水素の溶網への混入を防止するために、プラズマ作動ガス（4 ) に不活性なァルゴンを用い、また、加熱室内もアルゴン雰囲気に保つ場合がある。この時、アルゴンは次頁の表 1 に示すように、プラズマ単位長さ当りにかかる電圧が他のガスに比ベて低いため、投入電力が低下することになる。

例えば、高温のアルゴン雰囲気ではプラズマの印加電圧は 0,1 〜 0.2V/ 職と低いので、ブラズマ長さ力 500 mm でも 100 〜 150 V程度にしかならない。投入電力は電圧と電流の積であるから、大電力を投入するには電流を増すかプラズマトーチ（1) の数を増加するしかない。特に、電流を増加すると電極（2) の消耗が電流のほぼ 2 乗で増加すると共に、電源および給電回路の設備費が高くなつてしまうという問題がある。また、電圧を高くするためにプラズマを長くすると、加熱効率が低下する。他方、設備制約上、プラズマの長さにも限界がある。このような点から、プラズマ単位長さ当りにかかる電圧が、できるだけ高くなることが望まれる。

さらに、プラズマトーチ（1) の構造からは、電極（2) を尖らせアークを形成している場合には、電極（2) が消耗しその先端形状が崩れるとプラズマアーク（6) の指向性が失われ、ノズル（3 ) にプラズマが飛んでノズル（3 ) を焼損する。また、ノズル（3 ) の構造もアークの安定化のために、電極（2 ) との間隔を数 mm とし、かつ電極（2 ) とノズル（3 ) の中心軸が一致するように調整することが必要である。このように微妙な構造であるので、電極 ( 2 ) の形状の変化や外部磁場によるプラズマアーク（6 ) の偏向などによって、ノズル（3 ) の損傷を招き易いという問題があった。

[発明の開示 ]

この発明の目的は、エネルギー密度を増大させた移行式プラズマトーチを提供することにある。

この発明の他の目的は、加熱対象物を広範囲に加熱できる移行式プラズマトーチを提供することにある。

この発明の他の目的は、電極の消耗を抑制してその寿命を長くすることを可能にした移行式プラズマトーチを提供することにある。

この発明の他の目的は、プラズマアークについての高い制御性が得られる移行式プラズマトーチを提供することにあ。

更に、この発明の他の目的は、プラズマトーチの小型化及び運転費の低減を可能にした移行式プラズマトーチを提供することにある。

この発明の一つの態様に従えば移行式プラズマトーチは、プラズマの本来持っている磁気不安定性を利用し、プラズマアークを流体的に不安定にし问 ¾S 旋回させかつブラズマトーチの電極から放射状に発生させる。これにより、従来の安定なプラズマァ — クに比べ、印加電圧が増加するとともに加熱面積が広がる。

第 2 図に示すように、プラズマ柱 (P) は一旦曲がりを生じると、凹側でブラズマ電流の作る磁場が強くなる一方、凸側では弱まり、このため磁気圧によってプラズマ柱（P) の曲がりがさらに助長される o このようなプラズマ柱 (P) の磁気的不安定性はキンク不安定と呼ばれている。この時の一方の端を固定端とし他方の端を自由端とすると、他方の端が前述の磁場の生じる電磁力 F により振られる。図では二次元で説明したが、三次元空間では同様の磁気不安定により電極軸の周り方向（ 0 方向）の電磁力 F が発生しブラズマ柱（P) は旋回運動を起こす。

キンク不安定による変形力は、次の（1) 式で表される

I 2 λ

0

F d 1 og … （1)

4 π R R c ここで、 F d は単位長さ当たりの変形力、 _Q は真空中の透磁率、 I は電流、 λ は乱れの波長、 R は変形の曲率半径、 R c はプラズマ柱（Ρ) の半径である。一方、これを矯正するにはプラズマ柱（P) の軸方向の流速を上げて、（2) 式で表される矯正力を必要とする。

F c ( I / R ) P V ² d S … （2) ここで、 F c は単位長さ当たりの矯正力、 p はプラズマの密度、 V はプラズマアークの軸方向の速度、 S はプラズマ柱（P ) の断面積である。

従来のプラズマトーチ（1 ) は矯正力 F c を強めるため軸方向の速度 V を大きくしている。これに対し本発明は F d > F c となるようにしてプラズマアークに磁気的不安定（キンク不安定）を引き起こす。さらに放射状のプラズマアークを発生させるために、プラズマトーチ側のプラズマの端部が固定端となるよう、安定な陰極点を形成する熱電子放出型陰極を用いる。熱電子放出型陰極材の代表的なものはタングステンやカーボンが挙げられる。また、溶鋼などは陽極とした場合には自由端となるので、プラズマアークはキンク不安定によって溶鋼表面を高速に動き廻ること力できる。

以上のように本発明によるプラズマトーチでは、熱電子放出型陰極を用い、変形力と矯正力とを

F d > F c に選んで軸方向のプラズマ作動ガスの速度を低下させ、 0 方向の運動を生ずるようにしている。これによりプラズマアークは 0 方向に高速に旋回し、かつ陰極より放射状に広がったものとなる。

従来の安定なプラズマアーク（6 ) と本発明による不安定なプラズマアーク（1 8 )の形状を第 3 a 図及び第 3 b 図に比較して示す。両図からわかるように、加熱対象物 ( 1 5 )上のプラズマアーク（1 6 )の広力《りは従来のプラズマアーク（6 ) より 1 0倍以上に大きくなつており、大面積加熱が可能になっている。また、第 4 図には、プラズマト — チ（1) 及び（11)と加熱対象物（5) 及び（15)との間隔

( L ) を変えた場合の、プラズマアーク（6) 及び（16)に印加される電圧（ V ) の変化を示す。安定なプラズマァーク（6) の時の（ V I ) に比べ 1.5 〜 2倍の電圧（ V II) が印加されていることがわ力、る。これは、一つはプラズマアーク（16)が捩れ曲がっているため実質的な経路が長いこと、さらに、高速に旋回運動しているためプラズマアーク（16)からの放熱が増加するために、これに平衝するように投入エネルギが増加していることが原因である。したがって従来のプラズマトーチに比べ、同じ距離（ L ) でありながら 1.5 〜 2倍の投入電力（ V II) が得られェネルギー密度の向上と大容量化が達成できる。

更に、加熱対象物（15)は広い範囲で、しかも均一に効率よく加熱されているので、従来の局所加熱による蒸発が多力、つたものが減少し、歩留りが良くなると共に、加熱効率が向上する。また、電極の先端形状が尖頭状になつている必要がないので形状が変っても、プラズマァ — ク力《ノズルに飛ぶようなことがなく、電極の寿命が長くなる。また、電極の先端形状やノズルとのギャップに対する管理が容易である。

また、この本発明の他の態様に従えば、移行式プラズマトーチはプラズマ作動ガスを旋回流としてノズルと電極間に流すことによりプラズマジッットの軸方向の速度を低減している。これにより F d の大きさを増大させている

また、この発明の他の態様に従えば、移行式プラズマトーチは、陰極をシールして酸化消耗を抑制するガスの流れと、プラズマアークを高速旋回させるガスの流れとの 2 つのガス流を組み合わせている。このため、移行式プラズマトーチは電極の周りにシールガスを軸方向に流し、更に例えばその外側に半径方向の流れの成分を含んだブラズマ作動ガスを供給する供耠ノズルを備えている電極の周りにはシールガスが軸方向に流れ、その外側に半径方向の流れの成分を含んだプラズマ作動ガスが供給ノズル力、ら吹き出される。この結果、電極力シ一ルガスのガスカーテンで囲まれてシールされながら、外側の供給ノズルから吹き出されたプラズマ作動ガスによって電極から離れるにしたがって旋回半径が拡大されるような高速旋回するプラズマアークが形成される。このため . 発生電圧が大きく加熱面積を拡大させるにもかかわらず , 電極の酸化消耗を少なくすることができる。

また、この発明の他の態様に従えば、移行式プラズマトーチはノズルにプラズマアークを制御するための電磁コィノレを備えている。電磁コイルとして例えばノズルの軸方向に直流磁界を発生させる電磁コイルを装着し、プラズマアークの偏向を抑制すると共に電磁力による回転力を発生させ、このプラズマアークが旋回して加熱対象物に向って広力《るようにしている。

プラズマアークの内部には陽極から陰極に向かって電流が流れている。電磁コイルに直流電流を流すことにより、一方のコィル端から出て他方のコィル端に入る磁束の直流磁界が発生し、この直流磁界はプラズマアークの電流と鎖交する。この結果、プラズマアークの軸を中心に回転する方向に電磁力が発生し、プラズマアークが回転する。印加している外部磁場を弱めると、プラズマ作動ガスの軸方向の流れによって矯正力が働き旋回プラズマ力、ら安定した直線状のプラズマに移る。このようにして、外部磁場の強弱を調節することによって、旋回ブラズマと安定プラズマの切換えや旋回速度等を制御することができる。

また、この発明の他の態様に従えば、移行式プラズマトーチは、ノズルの外側又は本体内にその軸方向に交流磁界を発生させる電磁コイルを装着し、プラズマアークの偏向を抑制すると共に電磁力による回転力を発生させ、このプラズマアークが旋回して加熱対象物に向かって広がるようにしている。そして、交流磁界の周波数を 0 . 5 - 8 0 0 H z の範囲に設定している。

この移行プラズマトーチにおいてはプラズマアークを旋回するのではなく、反転あるいは振動させることにより中心部分が負圧になることを防止している。即ち、プラズマ柱に外部より交流磁場を印加し、プラズマ柱を流れる電流との鎖交によってプラズマ柱内にトーチ軸を中心に交流磁場に等しい周期で反転する電磁力を形成させ、プラズマ自身を反転させ、磁気的不安定性を引き起こし、かつプラズマ柱内に圧力の低い部分が生じないようにしている。

交流磁場はトーチの周囲にコイルを巻き、交流電流を流すことによって発生し、プラズマ柱内電流と鎖交させる。電.磁力の大きさ及び周期はそれぞれ、コイル電流の大きさ、周波数を調整することによって操作することができる。

一般にコイル電流が小さいと安定なプラズマが形成され、コイル電流を増すにつれて電磁力による反転を開始し、流体的に不安定なプラズマ、即ち広力りの大きな発生電圧の高いプラズマが形成される。また、周波数を変ィ匕させることによってプラズマを変化させることも可能で、特に、外気の巻き込みを防止し、効率よく発生電力の高い、広力りの大きなプラズマを発生させるためには、

0 . 5 〜 3 0 0 H z の範囲内で運転すると効果が大きい。最適な周波数はコイル電流によって異なるので、コイルの消費電力が小さくなるように、コイル電流と周波数をバランスよぐ調節することにより決定される。

また、この発明の他の態様に従えば、移行式プラズマトーチは、プラズマ柱に回転磁界を印加する電磁コイルを傭えている。この電磁コィノレは、ノズルの外周りに例えば誘導機内の固定子巻線の如きコイルの組を設置する。このコイルの組に電流を流すことによって、回転磁界を得る。この回転磁界は、前記プラズマ電流と略直交するように鎖交し、プラズマ柱を曲げる方向の電磁力を生ぜしめる。この電磁力は、回転磁界が時間とともに変化する為め、プラズマ柱の軸を中心に回転しつつ働く、プラズマ柱は、軸対称形から僅かでもずれると、それ自体のキンク不安定性と上記電磁力との重畳効果により、流体的に不安定な状態となる。

このような流体的に不安定なプラズマは、コイル電流及び周波数の調節により、その形状及び発生電圧がいかようにも変化する。この性質を利用すれば、第 3 a 図に示すような安定プラズマ状態から、第 3 b 図に示すような流体的に不安定なプラズマ状態、即ちプラズマアークが高速に旋回しかつ加熱対象物に向かって放射状に広がつた状態にまで運転条件に応じた制御が可能になる。トーチ軸に対して軸対称形の旋回プラズマにすることも容易である。しかも、プラズマ作動ガスを少なく一定に保つた運転が実現できる。

また、回転磁界はプラズマ電流に略直交するように作用するので、コイル電流が小さくても或いはコイルの巻数が少なくとも十分にプラズマ柱の流体的不安定化に資することができる。

つまり、電磁力の形成効率が向上し、磁気発生部の小型化ひいてはプラズマトーチの小型化が可能となる。そして、消費電力の低下により、総合熱効率の向上、周辺設備の大型化防止、或は設置箇所等の物理的問題の解消が可能となり、ひいては経済性の向上が可能となる。

更に、この発明の他の態様に従えば、移行式プラズマトーチは、電磁コイルの内側及び外側の少なくとも一方に磁性材料製部材を配置して、磁界がプラズマ柱に効果的に鎖交するよう.にしており、また、陰極先端をこの磁性材料製部材より後退した位置に配置して、陰極点の磁場による影響を軽減させるようにした。

電磁コィルに磁性材料製部材を配置するとノズルの先端部の磁界が強められ、プラズマ電流と鎖交する磁束数が増加する。即ち、磁性材料製部材を配置することによりコイルの巻数及びコイル電流を大幅に減らすことが可能になる。

また、陰極点を磁性材料製部材より後退した位置に設置すると安定した陰極点が形成され、陰極付近のプラズマ柱も安定して形成されるため、外気を巻き込みにくく陰極の酸化防止にも有効である。

[図面の簡単な説明 ]

第 1 図は従来のプラズマトーチの構成図である。

第 2 図はキンク不安定の原理図である。

第 3 a 図及び第 3 b 図はプラズマアークの挙動 · 形状の説明図である。

第 4 図はプラズマの電気特性を示す線図である。

第 5 図はこの発明の一実施例の移行式プラズマトーチの構成図である。

第 6 図は他の実施例の移行式プラズマトーチの要部の構成図である。第 7 図は第 5 図の移行式プラズマトーチの絶縁スぺーザの構成図でめる。

第 8図は絶縁スぺーサの他の例を示す構成図である。第 9 図はこの発明の他の実施例の移行式プズマトーチの構成図である O

第 10図は第 9 図の移行式プラズマトーチの絶緣スぺ一ザの構成図でめ 0

第 11図、第 12A 図及び第 12B 図はそれぞれこの発明の他の実施例の移行式プラズマトーチの要部の構成図であ O

第 1 S図はこの発明の他の実施例の移行式プラズマトーチの構成図でめる。

第 14a 図及び第 14b 図は安定プラズマと旋回プラズマの説明図である o

第 15図はこの発明の他の実施例の移行式プラズマトーチの構成図でめる。

第 16a 図及び第 16b 図は鉄製の導管がない場合及びある場合のコィルによる磁界のコイル軸上における磁界分布図である。

第 17図はこの発明の他の実施例に係る移行式プラズマトーチの構成図である。

第 18a 図及び第 18b 図は第 17図の移行式プラズマトーチの動作説明図である。

第 19図はこの発明の他の実施例の移行式プラズマトーチの構成図でる o 第 20図はこの発明の一実施例の移行式プラズマトーチの構成図である。

第 21図はこの第 20図の実施例における回転磁界発生用のコィルの組の配置を示す平面断面図である。

第 22a 図及び第 22b 図並びに第 23a 図及び第 23b 図はそれぞれ回転磁界発生部の配置とそれに対応する回転磁界の発生方法の具体例を示す図である。

[発明を実施するための最良の形態 ] 第 5 図及第 6 図に示される実施例の移行式プラズマト一チは第 1 図の従来装置と構成が幾分異なり、作用及び効果も相違するので、各構成素子に 1 位を共通にして 10 位に 1 を付加した 2 桁の符号が付されている。これらの実施例には、 1 K Aの移行式プラズマトーチ（ 11 )が示されている。

第 5 図及び第 6 図に示される実施例の電極（12)の材料は、熱電子放出型陰極の 1 つであるタングステンが用いられている。電極（12)の直径は 20ra とし、先端を半球状にしてプラズマの磁気ボンプ効果によるアークの形成を弱めている。第 6 図では電極（12)はその直径をそれよりやや小さくして、断面蒲鋅状に形成している。また、ノズル（13)は従来の安定のプラズマアーク（8) を形成させるプラズマトーチ（1) に見られるように、プラズマ作動ガス（4) を収束させ軸方向の速度を上げる構造ではない o このノズル（ 13 )の主な目的は、夕ングステンの電極（ 12 ) を酸化消耗から保護するために、不活性ガスのアルゴンが電極（ 12 )の周囲を包むことにある。このため、電極 ( 12 )の先端とノズル（ 13 )との間隔は、広くなっている。そして、電極（12)の先端とノズル（13)との間に流すブラズマ作動ガス（14)を 20〜 /rain の流量で供給しながら、プラズマトーチ（11)の軸を中心に円周方向（ 6 方向）に旋回させている。

プラズマ作動ガス（14)をプラズマトーチ（11)の軸を中心に旋回させるために、絶縁スぺーサ（ 20 )は第 7 図に示すようにガスを通過させる孔（20a) を図示のようにブラズマト ― チ（11)の軸に対してスキューさせている。このように孔（17a) をスキューさせることによりガス流を斜めに導いて、プラズマ作動ガス（14)に旋回動作を与えている。プラズマ作動ガス（14)を旋回動作を与えるには、他の構成でもよく例えば第 8 図に示すように、プラズマ作動ガス（14)を絶縁スぺーサ（20)のへッダー（2 Ob) に直接供給し、それからスキューされた孔（20a) に導くようにしても良い。

以上のようにして、プラズマトーチ（11)の軸方向のプラズマアーク（16)の速度成分を抑制する一方、プラズマ作動ガス（14)に 0 方向の速度成分を与え、プラズマァーグ（16)の磁気的な不安定を引き起こし、高速に旋回するプラズマアーク（16)を形成させている。また、陰極を構成する電極（12)に熱電子放出型陰極を用いることにより、陰極点が安定に形成され、この結果、加熱対象物（15)に向けて放射状に広がったプラズマアーク（16)を発生させることができた。

また、電極（12)の先端とノズル（13)との間隔が開いているため、プラズマアーク（ 16 )が不安定であっても、プラズマアーク（ 18 )力ノズル（ 13 )に飛ぶこともなかつた。

そして、このプラズマトーチ（11)によって発生されたブラズマアーク（ 16 )の加熱対象物（ 15 )への広がりは、プラズマトーチ（ 11 )の高さが 200 mmの時に約 200 mm ø と広く、また従来の安定なプラズマアーク（6) では 170 V しか電圧が印加されなかったのに対し、 300 V以上に増加した。また、プラズマアーク（16)は流体的には不安定であるが、電圧変動は小さく実用上問題にはならないことが確認できた。

なお、上述の実施例では電極（12)にタングステンを用いた場合について説明したが、カーボンのような熱電子放出型陰極を利用するようにしても良い。

第 9 図に示される実施例の移行式プラズマトーチにおいては、絶縁スぺ一サ（ 22 )の孔（ 22 a) は第 10図に示されるようにプラズマトーチ（11)の軸に平行であり、プラズマ作動ガス（4) は旋回させたり障害物で乱れを起こさず、従来のものと同様に、プラズマトーチ（ 1 ) の軸方向に流される。更にこの実施例においては、ノズル（ 13 )の先端付近に更に旋回用のもう 1 つのノズル（24)が取り付けられている。外側のノズル（24)は環状に作られ、噴出ロカ円周方向で下に向かって内側に傾斜していて、噴出流が電極（12)からやや離れた位置で交差している。そして、半径方向の流れの成分を含んだプラズマ作動ガス（14)が、このノズル（24)力、ら吹き出されるようになっている。

このような構成の移行式プラズマトーチ（11)においては、電極（12〉の先端と加熱対象物との間にプラズマァーク（16)が発生するが、ノズル（24)が塞がれた状態ではプラズマ作動ガス（14)によつて、電極（12)の近傍では強い軸方向の指向性を持った直線状の安定なプラズマアークが形成される（第 3 a 図図参照）。

しかしな力《ら、半径方向の流れの成分を含んだプラズマ作動ガス（14)が外側のノズル（24)から吹き出されると、ノズル（24)から吹き出される旋回ガスの流れが交差位置付近で、プラズマアーク（16)に当たって、その磁気的な不安定性が助長される。この結果、この付近力、らプラズマアーク（16)の軸を中心に回転する方向の旋回流が発生して旋回プラズマが形成される。このときの状態は、第 3 b 図と同様になる。即ち、電極（12)の近くでは周りを囲んだ柱状で、電極（12)から離れるにしたがって旋回半径が拡がるプラズマアーク（16)が生成される。

このように、ノズル（13)から電極（12)の周りを囲んでプラズマ作動ガス（14)を流すことによって円筒状のガスカーテンができ、電極（12)が旋回するプラズマアーク (16)から遮蔽される。よって、譬え旋回するプラズマァーク（16)が大気中の酸素を巻き込んでも、電極（12)の酸化が発生せずその消耗を抑制することができる。第 11図に示される実施例の移行式プラズマトーチは、第 9 図で示した環状のノズル（24)の代りに、先端を半径方向に曲げた 1 本または複数の簡便なチューブでプラズマの乱れを生じさせるノズル（28)を備えている。

また、第 12A 図及び第 12B 図に示される実施例の移行式ブラズマトーチでは、電極（ 12 )の外径とノズル（ 13 )の内径との中間の外径を有する円筒状の整流器（28)が、電極（12)の近傍のブラズマ作動ガス（14)の流路に設けられている。そして、第 7 図に示されたようなスキュー形式の絶縁スぺ一サ（ 20 )により旋回してノズル（ 13 )から流れるプラズマ作動ガス（14)の一部が、整流器（28)で整流されて電極（12)の周りを囲んで吹き出される。そして、整流器（28)で整流された軸方向のブラズマ作動ガス（14)の流れが電極（12)を包囲し、電極（12)から離れた位置で下方に向かって拡カ《るプラズマアーク（16)が形成される。

第 13図に示される実施例の移行式プラズマトーチにおいては、陰極（12)の先端付近に磁場が形成されるように、ノズル（ 13 )の先端にコイル（ 30 )を取り付けると共に、このコィル（30 )を直流励磁するコィル電源（ 32 )を設けている。

この実施例においては、陰極（12)の先端と加熱対象物との間にプラズマアーク（16)が発生するが、コイル（30) が非励磁の状態ではプラズマ作動ガス（14)によって、陰極（12)の近傍では強い軸方向の指向性を持つた安定なプラズマアークが形成される（第 3 a 図参照）。一方、プラズマアーク（ 16 )の内部には、第 14a 図に示すように、加熱対象物（15)から陰極（12)に向かって電流が流れている。ここでノズル（ 13 )の外周に巻いたコイル (30)に直流電流 J を流すと、プラズマアーク（16)内の電流に直流磁場 B の磁束が鎖交する。この結果、プラズマアーク（16)内に電磁力 Fが発生する。

F = J X B

なる電磁力 F は、プラズマアーク（16)の軸を中心に回転する方向に発生し、第 14b 図矢印のようにプラズマァーク（ 16 )の本体が回転を始める。そして、電流路が軸対称形より僮かにずれると、キンク不安定性並びに外部磁場 B とプラズマアークの電流との鎖交による電磁力 Fが重畳して旋回プラズマが形成される。このときの状態は第 3 b 図と同様な状態になる。

また、印加している外部磁場を弱めると、プラズマ作動ガスの軸方向の流れによって軸方向に安定したプラズマアークを形成しょうとする矯正力が働いて、旋回ブラズマから再び安定したプラズマに移行する。

このように、外部磁場の強弱を調節することによって、プラズマ作動ガスの流量や流し方を変更することなく、旋回プラズマと安定プラズマの切換えや旋回速度等を制御することができる。

因みに、陰極（12)の直径を 2ひ mmにして、プラズマ作動ガス（14)の流量を 30 / min に設定した。また、コイル (30)の卷数を 300 回、プラズマ電流を D C 900A に選定して、陽極にカーボンブロックを用いて、この陽極（図示せず）と陰極（ 12)との間隔を 100 〜 200 鲫の範囲にして、実験的にプラズマを発生させた。

この結果、コイル（30)の励磁電流が D C 3A以下では、ストレ一卜で安定なプラズマアーク（ 16 )が形成され、 D C 4A 以上にすると陰極（12)の近くから陽極に向かつて広がり高速に旋回するプラズマアークが形成された。また、電極間隔を 200 mmにしたときの発生電圧が、安定プラズマ時に 180 V であったものが、旋回プラズマでは 340 V に上昇した。また、コイル（30)の励磁電流が D C 3 〜 4 A の間では、プラズマアーク（16)の下流（陽極側）のみが広がり、旋回の弱いプラズマアークも形成された。このように、連続的に変化するコイル（ 30 )の励磁電流を利用して、旋回プラズマを自由に、しかも再現性良く制御することができた。更に、給電回路等が作る外部磁場によるプラズマアークの偏向が抑制されることも分かつなお、上述の実施例ではノズル（ 13 )の外側にコイル (30)を巻いた場合について説明したが、ノズル（13)の本体内に組み込んでも良い。また、コイル（30)の取付け位置も陰極（12)の先端から外れても良く、コイル（30)で作られる磁場がプラズマ（ 16 )に鎮交できる位置に設けたものであれば良く、陰極（12)の形状も図示のように半球状である必要もない。要するに、トーチ軸を中心に配置したコィノレ（ 30 )による磁束を軸方向に放射されるプラズマアークに鎖交させるものであれば良く、磁場の強さは電極の形状，ガス量及びノズルの形状等に基づくプラズマアークの軸方向に発生する矯正力に打ち勝つ電磁力を生じるものであれば良い。

第 15図に示される実施例の移行式プラズマトーチは、第 13図の実施例との関係では、ノズル（ 1 S )とコイル（ 30 ) との間に鉄製の導管（34)を介在させ、陰極（12)の先端をノズル（13)の先端より後退させた点が相違する。

上述の第 13図の実施例と同様に、ノズル（13)の外周に巻いたコイル（30)に電流を流すと、磁場 Bがプラズマ電流と鎖交し、この結果、電磁力 Fが発生する。

F = J X B

この電磁力はプラズマ柱がトーチ軸を中心に旋回するように機能し、この電磁力によりプラズマ柱が変形すると、電流自身の磁気圧によって形成されるキンク不安定性ならびに磁場とプラズマ電流により形成される電磁力が重畳され、流体的に不安定なプラズマが形成される。

そして、コイル（ 30 )の内側に設置された磁性材料製部材である導管（34)はコイル（30)に電流を流すことにより磁化され、導管（34)の作る磁束はコイル（30)の磁界を乱す。この点を更に詳細に説明する。

導管（34)がないときのコイル（30)の磁界分布は第 16b 図に示した特性図のようになり、導管（S4)があるときのコイル（30)の磁界分布は第 16b 図に示した特性図のようになる。導管（S4)力存在しないコイル（30)に電流を流した時は軸上の端点に比べて中央部に生じる磁界の方が大きくなるが、コィル（30)の内側に導管（34)が存在する場合には、導管（34)の内側にはコィノレ（30)による磁界を打ち消す方向に磁界が生じるため、軸上の端部の方がコィル（ 30 )の中心部よりも磁界が大きくなる。

従って、導管（34)を配置したコイル（30)は導管（34)のないコィルに比べてノズル（ 13 )の先端部の磁界が強められ、プラズマ電流と鎖交する磁束数が増加する。このため、導管（34)即ち磁性材料製部材を配置することによりコイル（30)の巻数及びコイル電流を大幅に減らすことが可能になる。

また、導管（34)をコイル（30)の内側に設置した場合には、第 16b 図にも示すように、コイル（30)の外側に比べて磁界が非常に小さくなり、陰極点が導管（34)の内側にある場合には安定した陰極点が形成され、陰極付近のプラズマ柱も安定して形成されるため、外気を巻き込みにくく陰極の酸化防止にも有効である。

この実施例においてその動作を以下のとおり確認することができた。導管（34)は厚さ 2 mm、長さ 100 删、内径 45 maであり、陰極（12)の先端はノズル（13)の先端より 10 咖後退させている。そしてコイルの卷数を 1500回、トーチ（11)の先端とカーボン製陽極との間隔を lOOmni 、ブラズマ電流を D C 900 A 、プラズマ作動ガス（14)を流量 100 Q /m inとしてプラズマアーク（16)を発生させた。先ず、コイル（ 30 )に電流を流さない状態では安定なプラズマが形成され、発生電圧は 101 V、投入電力は 91 K Wで

—めつ o

次いで、コイル（ 30 )に電流を流してコイル電流を徐々に上げていったところ、 D C 0.3 A で陰極（ 12 )から陽極へ向って（従って、加熱対象（ 15 )に向って）広がるようにプラズマが乱れるのが観察された。プラズマ柱はノズル（13)の先端から約 10mm陽極側で広がり始めたが、陰極点近傍は常に安定していた。この時の発生電圧は 185 V 、投入電力は 167 K Wであった。約 2 時間の運転後、陰極 (12)の表面を観察したところ、酸化は確認されなかった。

次に、ノズル（13)の外側の鉄製の導管（34)の材質を S U S 3 0 4 (非磁性材料製部材）と取り替えて同様の試験を行った。安定なプラズマを形成した後、コイル（SO) に電流を流してコイル電流を徐々に増加していったところ、 D C 1.5Aで陰極（12)から陽極へ向って広がるようにプラズマが乱れるのが観察された、この時の発生電圧は 187V 、投入電力はであった。また、約 2 時間の運転後、陰極（12)の表面を観察したところ、先端が激しく損耗し、黒色に酸化しているのが認められた。

以上の動作確認により磁性材料製部材を使用することで、コイル 0)の消費電力は第 1 図の実施例の約 1 / 5 となり、高い経済的効果とともに、コイルを大幅に小型化できることを確認できた。

なお、鉄製の導管（30)即ち磁性材料製部材の設置位置についてはノズル（ 13 )の外側である必要はなく、ノズル ( 13 )の内部或いは内側に設置することにより、プラズマ電流に鎮交する磁界が強められ、磁界発生部をさらに小型化することができる。特に、外気を巻き込んでも酸化消耗の心配がないような条件下では、陰極背面に部材を設置することにより磁界発生部の一層の小型化が可能になる。磁性材料製部材はコィル（30)の外側に配置してもノズル先端の磁界を強めることができ、トーチの構造に応じて自由に設置箇所を決定することができる。

第 17図に示される実施例の移行式プラズマトーチにおいては、電極（12)の先端付近に交番磁界が形成されるように、ノズル（ 13 )の先端にコイル（ 38 )を取り付けると共に、このコイル（38)を交流励磁するコイル電源（40)を設けている。

この実施例においては、陰極（12)の先端と加熱対象物との間にプラズマアークが発生するが、コイル（38)が非励磁の状態ではプラズマ作動ガス（ 14 )によって、陰極 (12)の近傍では強い軸方向の指向性を持つた安定なブラズマアークが形成される（第 3 a 図）。

—方、プラズマアーク（18)の内部には、第 18a 図に示すように、加熱対象物（15)から陰極（12)に向かって電流が流れている。ここでノズル（ 13 )の外周に巻いたコイル (30)に交流電流を流すと、プラズマアーク（16)内の電流 J に交流磁場 B の磁束が鎖交する。この結果、プラズマアーク（16)内に電磁力 F が発生する。

F = J X B この電磁力はプラズマ柱軸を中心に周波数 f で時計回り、反時計回りに交互に旋回し、プラズマ柱本体が反転を始める。そして軸対称形よりわずかにずれると、電流自身の磁気圧によって形成される第 18b 図に示すようなキンク不安定性ならびに交流磁場とプラズマ電流により形成される電磁力が重畳され、第 3 b 図に示すような反転プラズマが形成される。

反転プラズマは、コイル電流及び周波数を調整することにより、旋回力及び反転周期を自在に変えることができ、第 3 a 図に示すように安定プラズマから第 3 b 図に示すような反転プラズマまで、運転条件に応じた制御がプラズマ作動ガスを少なく、しかも一定に保った状態で可能になる。

以上のような作用により形成された反転プラズマでは、 —定方向の渦が形成されないため周囲に比べて圧力の低くなる領域が生じにくく、外気の巻き込みを防止できる。

ここで、上記の移行式プラズマトーチにおいて、陰極 ( 12 )の直径を 20 mm にして、プラズマ作動ガス（ 14 )にはァルゴンを使用してその流量を 30j? /rainに設定した。また、コイル（38)の巻数を 1500回、プラズマ電流を D C 900 A に選定して、陽極に力一ボンブロックを用いて、この陽極（図示せず）と陰極（12)との間隔を 100 〜 200 mmの範囲に設定した。

コイル（38)に電流を流さない状態では第 3 a 図に示すように、安定なプラズマが形成され、発生電圧は 159 V、投入電力は 143 K Wであった。次にコイル（38)に 50Hzの交流電流を流すと、第 3 b 図に示すように、カーボン陽極付近において陰極から陽極へ向かつて広がるようにプラズマが乱れ始めるのが観察された。プラズマ柱が乱れ始める位置は、コイル電流を上昇させるに従って陰極側へ移動し、これに伴い発生電圧も上昇した。コイル電流 A C 3.5 A 、 50Hzにおける発生電力は 2 4 8 V であり、投入電圧は 2 2 3 K W に上昇した。

次に、コイル電流を 3 A にした時のプラズマ発生電圧の周波数依存性を調べた。コイル電流の周波数を 10 OHz にすると流体的乱れの小さな反転プラズマが形成され、発生電圧は 185 V であった。更に、周波数を下げて行くとプラズマの乱れが大きく成り、 35Hzは発生電圧 250 V に達した。

以上のように、コイルの電流及び周波数を適当に選ぶことにより自由に再現性のよい反転プラズマを形成することができた。また、電極表面の酸化は観察されず、電極消耗防止上極めて有効であることが確認された。

ところで、交流磁場の周波数は 0.5Hz 〜 300Hz の範囲が適当であることが確認されている。 0.5 Hz未满が不適当なのは、周波数によっては反転速度が遅くなり、外気を巻き込み酸化消耗の問題を生じるという点にある。また、 300 Hz を超えた周波数が不適当なのはコィノレのインピ一ダンス及び渦電流が大きぐなりすぎて消費電力が大きくなるという点にある。また、上述の実施例ではノズノレ（ 13 )の外側にコイル (30)を巻いた場合について説明したが、直流コイル（30) の場合と同様にノズル（13)の本体内に組み込んでも良いまた、コイル（38)の取付け位置も陰極（12)の先端から外れても良く、コイル（ 38 )で作られる磁場がプラズマ（ 16 ) に鏆交できる位置に設けたものであれば良く、陰極（12) の形状も図示のように半球状である必要もない。要するに、ト一チ軸を中心に配置したコィル（38 )による磁束を軸方向に放射されるプラズマアークに鱸交させるものであれば良く、磁場の強さは電極の形状、ガス量及びノズルの形状等に基づくプラズマアークの軸方向に発生する矯正力に打ち勝つ電磁力を生じるものであれば良い。

第 19図に示される実施例の移行式プラズマトーチは、第 17図の実施例との関係では、ノズル（13)とコイル（38) との間に鉄製の導管（34)を介在させ、陰極（12)の先端をノズル（13)の先端より後退させた点が相違する。

上述の実施例と同様に、ノズル（ 13 )の外周に巻いたコィル（38)に電流を流すと、磁場 Bがプラズマ電流と鎖交し、この結果、電磁力 Fが発生する。

F = J X B

この電磁力はプラズマ柱がトーチ軸を中心に反転するように機能し、この電磁力によりプラズマ柱が変形すると、電流自身の磁気圧によって形成されるキンク不安定性ならびに磁場とプラズマ電流により形成される電磁力が重畳され、流体的に不安定なプラズマが形成される。そして、コイル（ 38 )の内側に設置された磁性材料製部材である導管（34)はコイル（38)に電流を流すことにより磁化され、導管（34)の作る磁束はコイル（38)の磁界を乱す。この点は第 15図の実施例の場合と同様でありその説明は省略する。

この実施例においてその動作を以下のとおり確認することができた。導管（34)は厚さ 2 、長さ 100 龍、内径 45 MIであり、陰極（12)の先端はノズル（13)の先端より 10 腿後退させている。そしてコイルの巻数を 1500回、トーチ（11)の先端とカーボン製陽極との間隔を 100 mm、ブラズマ電流を D C 900 A 、プラズマ作動ガス（14)を流量 100 J? /in inとしてプラズマアーク（16)を発生させた。先ず、コイル（ 38 )に電流を流さない状態では安定なプラズマが形成され、発生電圧は 1 0 1 V、投入電力は 91 K Wであった 0

次いで、コイル（ 38 )に電流を流してコイル電流を徐々に上げていつたところ、 A C 0.6 A , 50Hz で陰極（12)力、ら陽極へ向力、つて（従って、加熱対象 5)に向かつて）広がるようにプラズマが乱れるのが観察された。プラズマ柱はノズル（13)の先端力、ら約 lOrani陽極側で広がり始めたが、陰極点近傍は常に安定していた。この時の発生電圧は 1 8 5V 、投入電力は 1 6 7K Wであった。約 2 時間の運転後、陰極（12)の表面を観察したところ、酸化は確認されな力、つた。

次に、ノズル（13)の外側の鉄製の導管（13)の材質を S -SOU S 3 0 4 (非磁性材料製部材）と取り替えて同様の試験を行った。安定なプラズマを形成した後、コイル（38) に電流を流してコイル電流を徐々に増加していつたところ、 A C 3. OA で陰極（12)から陽極へ向かって広がるようにプラズマが乱れるのが観察された、この時の発生電圧は 187 V 、投入電力は 168 K Wであった。また、約 2 時間の運転後、陰極（12)の表面を観察したところ、先端が黒色に酸化しているのが認められた。

以上の動作確認により磁性材料製部材を使用することで、コイル（38)の消費電力は第 17図の実施例の約 1 Z 5 となり、高い経済的効果とともに、コイルを大幅に小型化できることを確認できた。なお、鉄製の導管（34)即ち磁性材料製部材の設置位置についてはノズル（13)の外側である必要はなく、第 15図の実施例の場合と同様にこの発明の目的に応じて適宜変更し得るものである。

第 20図に示される実施例の移行式プラズマトーチにおいては、ノズル（13)先端の内壁には幅 15mm、厚ざ 1 mmの鉄製の導管（₃₄)が全周にわたり埋め込まれている。陰極

(12)の先端はノズル（13)の先端より 5 mm後退させてあるノズル（ 13 )の外側には、陰極（ 12 )の先端からカーポンプロック製陽極（図示せず）へ向かってトーチ軸に対称な回転磁界が得られるように、複数組のコイル（42)を誘導機の固定子巻線の如き構造で分布配置してある。即ち、複数のコイルの組をトーチ軸を中心に配置しそれらに位相差のある電流を流し、プラズマ柱に回転磁界を印加する。この実施例では、第 21図に示すように、三相誘導機の固定子巻線の如き構造で配置し、各コイルの卷数は 30 パターンである。 .なお、上記のように複数のコイルの組を配置して回転磁界を印加する場合、その回転磁界は、或る程度大きな垂直磁界成分があれば本発明の目的を達し得るので、トーチ軸に対して絶対的に垂直である必要はない。回転磁界の回転速度は、コイル（42)と回転磁界発生用電源（46)とを介するィンバー夕（44)により制御される。

トーチ（ 11 )の先端と力一ボン製陽極との間隔を 200 mm、プラズマ電流を直流 900 A 、プラズマ作動ガス（14)を流量 / rain のァノレゴンガスとして、プラズマアーク (16)を発生させた。

先ずコイル（42)に電流を流さない状態では、安定なプラズマが形成され、発生電圧は 152 V 、投入電力は 137 k Wであった。

次いでコイル（42 )の u ， V , w端子に三相交流電流を流したところ、陰極〈12)から陽極へ向かって（従って、加熱対象（15)に向かって）広がるようにプラズマが乱れるのが観察された。この時回転磁界の回転速度は 1500 rpin であった。また、プラズマ柱が乱れ始めたのはノズル（13)の先端から約 15mm陽極側であり、その時の発生電圧は 290 V、投入電力は 261 k Wであった。ちなみに、陰極（12)の先端位置をノズル 3)の先端位置と同じにした場合、プラズマ柱は陰極点近傍で既に乱れ始めた。更に、ィンバータ（44)で回転磁界の回転速度を変化きせたところ、回転速度が増加するにつれて発生電圧は上昇し、逆に回転速度が減少するにつれ発生電圧が低下する傾向がみられた。又、コイル電流を增加するにつれ発生電圧が増加し、コイル電流を増加するにつれ発生電圧が低下し安定プラズマの形状となった。

以上の実施例において、コイル電流やその周波数（数 Hz〜数百 kHz ) を適当に選択 · 制御することにより、自在にしかも再現性良く流体的に不安定なプラズマを形成することができた。特に、トーチ軸対称性の高い広がりを有するプラズマアークが得られる。

又、ノズル（13)先端の内壁に導管（34)を埋込んだ場合とそうでない場合とを比較したところ、 100 時間運転の後、後者と異なり前者では陰極表面の酸化は観察されず電極消耗防止の効果もあることも確認された。

回転磁界の採用により、コイル（42)の消費電力は約 20 W即ち従来の半分以下となり、高い経済的効果とともに回転磁界発生部を大幅に小型化できることを確認できたなお、コイル（42)の設置位置については、回転磁界が常に陰極先端付近に生ずるような位置である必要はなくプラズマに磁界が鎖交し得る位置であれば同様の効果が得られることは言うまでもない。従って、第 22a 図及び第 22 b 図に示すように誘導機の固定子巻線の如き形状で複数組のコイルをトーチ先端近くの外側に設置しても良いし、第 23a 図及び第 2Sb 図に示すようにトーチ先端から外側に磁束が集中する構造のコイルの組を設置しても良い。尚、後者の場合、プラズマトーチ先端側のコイルを陰極側に向けて湾曲させるか傾斜させれば、回転磁界がプラズマ電流に直交する位置を比較的陰極近くに近ずけることができる。

又、上記実施例では、回転磁界を得る為にコイルの組をノズル（1 3 )の外側に配置させているが、ノズル（1 3 )本体內に組み込んでも同様の効果が得られる。

Claims

請求の範囲

1 . ノズルと加熱対象との間にプラズマアークを発生させる移行式プラズマトーチにおいて、

プラズマアークを旋回又は反転若しくは振動させる手段を有する移行式プラズマトーチ。

2 . ノズルの陰極として電子放出型陰極を用いた請求の範囲第 1 項記載の移行式プラズマトーチ。

3 . 前記電子放出型陰極の先端部は半球状である請求の範囲第 2 項記載の移行式プラズマトーチ。

4 . プラズマ作動ガスを電子放出型陰極の周囲に半径方向の流れを含んだガス供給手段を有する請求の範囲第 2 項記載の移行式プラズマトーチ。

5 . 前記電子放出型陰極の表面を雰囲気ガスからシールして配化消耗を抑制するシールド手段を有する請求の範囲第 4 項記載の移行式プラズマトーチ。

6 . プラズマ作動ガスを前記電子放出型陰極の周囲にノズルの軸方向に平行に供給するガス供給手段を有する請求の範囲第 2 項記載の移行式プラズマトーチ。

7 . ノズルの先端部に装着され、該ノズルの軸方向に直流磁界を発生させる電磁コィルを有する請求の範囲第 6 項記載の移行式プラズマトーチ。

8 . 前記電磁コイルの内側及び外側の少なくとも一方に装着された磁性材料製部材を有する請求の範囲第 7 項記載の移行式プラズマトーチ。

9 . 電子放出型陰極は前記磁性材料製部材より後退した位置に配置されている請求の範囲第 8 項記載の移行式プラズマトーチ。

10. ノズルの先端部に装着され、該ノズルの軸方向に交流磁界を発生させる電磁コイルを有する請求の範囲第 6 項記載の移行式プラズマトーチ。

11. 前記電磁コイルの内側及び外側の少なくとも一方に装着された磁性材料製部材を有する請求の範囲第 10項記載の移行式プラズマトーチ。

12. 電子放出型陰極の先端は前記磁性材料製部材より後退した位置に配置されている請求の範囲第 11項記載の移行式プラズマトーチ。

13. 交流磁界の周波数を 0.5Hz 〜 300Hz の範囲に設定した請求の範囲第 12項記載の移行式プラズマトーチ。

14. ノズルの先端部に装着され、該ノズルの軸方向に対して直交する回転磁界を発生させる電磁コイルを有する請求の範囲第 6 項記載の移行式プラズマトーチ。

15. 前記電磁コイルの内側及び外側の少なくとも一方に装着された磁性材料製部材を有する請求の範囲第 14項記載の移行式プラズマトーチ。

16. 電子放出型陰極は前記磁性材料製部材ょり後退した位置に配置されている請求の範囲第 15項記載の移行式プラズマトーチ。