JPS61133592A - プラズマアークによる大量空気加熱装置 - 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、商業上および工業上の使用のため大量の空気
を加熱するためにプラズマアークを利用する装置に関す
る。

商業的あるいは工業的規模で種々の原材料を乾燥するた
めの現在のシステムは、典型的に化石燃料の燃焼によっ
て大量の空気を加熱すること、また原材料の湿気含量を
蒸発させるためｌこ加熱空気を使用することを含んでい
る。そのようなシステムは、火事または爆発を回避する
ために燃料が注意深く設計されたやり方で運送され、保
管され、また使用されねばならないという事実を含めて
、いくつかの不利な条件を抱えている。さらに、燃料を
燃やすことは空気汚染を惹起することがあり、また燃焼
工程自体が湿気を発生するが、これは加熱空気の湿気除
去能力を低下させる。

化石燃料を燃やすことの不利な点を解消するために、電
気アークを大量の空気の加熱に利用することがこれまで
提案されている。技術上、自由なアーク長トーチとして
知られる先行の電気装置において、互いに間隔を持つ後
部および前部電極が、これらの両電極間にアークを発生
させるための電力システムと共に提供される。

両電極の間に可変量の空気を導入するための装置も提供
されるため、空気はアークにより加熱されて、前部電極
を通って乾燥されるべき材料を含む適当な炉内へと前方
に排出される。

電気アークにより加熱される空気に供給できる力すなわ
ち熱エネルギーはアークの長さに直接的に比例すること
が技術的に認識されており、それゆえ、加熱の度合を制
御するために、アークの長さを変え得ることが望まれる
。したがって、例えば、高度の加熱を得ゐために、アー
クの長さを最大にすることが望才れる。自由なアーク長
トーチにおいて、導入される空気の量がアークの長さを
ある程度まで制御するが、この変化量したがってトーチ
の最大加熱ポテンシャルは、多すぎる空気がアークを消
してしまうという事実によって制約されるのである。

技術上、固定されたアーク長トーチとして知られる他の
提案された電気加熱装置において、前部電極は軸方向に
整列されて互いに間隔を持つ一連のセグメントからなる
。アークは先ず後部電極に最も近い前部電極のセグメン
トに触れ、次いでアーク長さを伸長するために最外セグ
メントへ動かされ、つまり「前へ進められる」が、これ
は内側のセグメントを電気的に絶縁しながら、セグメン
ト間への空気の導入を選択的に制御することによって達
せられる。このようにしく　１０　） て最外の′セグメントに到達したならば、アーク接触点
は戻ることはできない。しかし、この型式の装置は電極
セグメント間に絶縁が必要であるということによって構
造的に複雑であり、またアークを前進させるための電気
および空気の制御も相対的に複雑である。それに加えて
、電極セグメントが一時的なアーク接触に対して設計さ
れているだけであり、それゆえアークはその完全な稼動
長さで保持されねばならないため、稼動電力レベルは容
易に調節され得ないのである。

したがって、本発明の目的は、商業上および工業上の使
用のため、気体の大量加熱のために電気アークを利用し
、この形式の公知の装置の上記のような不便や制約を実
質的に軽減する装置を提供することにある。

本発明のより詳しい目的は、アーク長さを変えることに
よってトーチの加熱能力を広範に変化させる機構と、ア
ークの効率を最適化するためにアークにより加熱される
気体の全体の流量（１１）　・ を変化させる機構とを具備した気体の大量加熱に適合し
たプラズマアーク・トーチを提供することにある。

本発明のこれらの、また他の目的並びに特長は、その中
に細長い加熱室を含む支持ハウジングと、加熱室の一方
の端に取り付けられた管状の前部電極と、加熱室の反対
側の端に取り付けられた後部電極を含むプラズマアーク
・トーチとからなるプラズマアークによ石加熱装置を提
供するここに例示された実施態様において達成される。

好ましい実施態様において、前部電極はハウジングに固
定的に取りつけられており、またトーチは加熱室内へ並
びに前部電極の方へと軸方向に選択的（こ移動できるよ
うに設置されている。さらに、後部電極から加熱室を通
って前部電極へと軸方向ζこ伸長するように適合したア
ークを発生させるためｌこ、電力供給装置が提供される
。その外に、加熱されるべき気体をトーチと前部電極と
の間の加熱室に導入させ、ガスがアークＩこよって加熱
されて、前部電極を通つて外部へ流れるようにする装置
が提供される。

この装置によって、アークの長さ、したがって加熱室へ
供給される気体を加熱するために用いられる電力が、ト
ーチ並びに前部電極の軸方向の分離を変化させることに
よって変えられるのである。

本発明の他の態様として、加熱室へ導入される気体の量
が選択的に変えられる。これにより、装置の特別な加熱
要求に合致するように、装置の効率を最適化するために
アークの長さと気体の流量全体の調節が可能となる。し
たがって、例えばアークの長さはトーチを前部電極から
分離することによって増すが、それによって力つまり空
気加熱能力が増大する。それに加えて、加熱されるべき
で室内へ導入される気体の流量全体が適切に増加するた
め、外的な加熱要求に合致するように装置の加熱能力は
増加するが、温度は同じレベルに維持される。好ましい
ことには制御装置が提供されるため、室内への気体の流
量全体はトーチと前部電極との間の分離間隔の関数とし
て自動的に増加する。したがって、加熱室におけ石アー
クをより安定させるために、気体が渦巻状の流路を通っ
て加熱室内へ導入されることが望ましい。

鎖目的並びに諸特長のいくつかは記述されたが、その他
については、添付図面に関連して説明が進むにつれて明
らかにされる。

第１図は、本発明の諸特徴を具体化するプラズマアーク
による加熱装置のいく分概略的な透視図である。

第２図は、本発明の加熱装置において用いられるプラズ
マアーク・トーチの側面図であるが、それはいくつかの
内部の構成要素を点線で図示している。

第３図は、第２図に示されたトーチの拡大された部分側
面図である。

第４図は、第１図に示された加熱装置のいく分概略的で
、部分的に断面を示した側面図である。

第５図は、装置の加熱室内へ空気を導入するための開口
のリングのひとつの断片的な断面図である。

これらの図面をより詳しく説明するならば、第１図およ
び第４図は本発明に照応するプラズマアークによる加熱
装置を示しているが、それは全般的に１４と表示された
ハウジングを搭載した支持架枠１２からなる。ハウジン
グ１４は外側の一般に円筒形状のカバー１５を含むが、
このカバーは着脱可能な前部セグメント１５ｍを含んで
いる。ハウジングはまた、カバー内に同軸的に配設され
た細長い一般に円筒形状の加熱室１６を搭載している。

管状の前部電極１８は、ハウジングのカバー内に、つま
り細長い加熱室１６の一端に固定的に取りつけられてい
る。前部電極は二つの要素すなわち円筒形の内側部材１
９と、内側部材１９の外端にねじ山を以て取りつけられ
ている外側フランジ２０とから構成されている。内側部
材１９は、加熱室の軸と同軸的に整合されている管状の
内側腔部２１を定めており、またフランジ２０は、前方
に面するラジアル肩部２４を定めるカップ状の外側腔部
２２を定めている。フランジ２０と内側部材１９との間
のねじによる結合のため、以下に詳述するように、ラジ
アル肩部２４の表面がアーク接触により侵食された際に
フランジを容易に交換することができる。

プラズマアーク・トーチ２６は、加熱室１６の反対側に
おいてハウジング１４に取りつけられている。トーチ２
６は第２図および第３図において最もよく図示されてい
るが、それは閉じた内側端２９と開いた外側端３０とを
持つ内部の後部電極２８を含んでいる。平行ノズル３２
は後部電極の隣りに、しかし離れて取りつけられており
、このノズルは後部電極と軸方向に整列している中央腔
３３を含んでいる。また、後部電極２８とノズル３２が
、加熱室１６並びに前部電極１８と軸方向に整列されて
いることがみられる。ノズル３２の中央腔３３の直径は
前部電極の内側腔部２１の直径よりも実質的に小さいこ
とがみられるが、また腔部２１の直径が正しいアークの
安定化のためには中央腔３３の直径の約２−倍を越えて
はならないと思われる。

さらに、トーチ２６は後部電極とノズルの中間位置にお
いて気体の渦流を発生させるための渦発生装置３４を含
んでいる。

プラズマアーク・トーチ２６はさらに内部の冷却水流路
装置３６を含んでおり、それによって後部電極２８とノ
ズル３２により吸収された熱が排除される。それに加え
て、トーチ２６は空気を渦発生器３４に供給するための
空気供給システム３８を含んでいる。トーチ２６の内部
構造の詳細は、米国特許第３６７３３７５号、第３８１
８１７４号、第４５４９０６５号から得られるが、それ
ら・の開示は本書の参考として取り入れられている。

本発明の加熱装置は、部分的に加熱室１６内へ、また前
部電極１８の方へおよびそれから逆の方へ選択的な運動
ができるように、プラズマアーク・トーチ２６をハウジ
ング１４に取りつけるための装置を含んでいる。より詳
述するならば、トーチは一対の環状支持体４１によって
滑動可能に支持されており、これらはハウジングの一端
に取りつけられ、またトーチをハウジングから電気的に
絶縁するように電気的な絶縁プラスチック材料から構成
されている。第４図にみられるように、トーチ２６はそ
の軸方向に後退した位置で図示されているが、その最前
位置は点線で表わされている。作動棒４０（第１図）は
、トーチの所要の滑動をなすために、トーチの後部に適
切に取りつけられている。

加熱装置はさらに直流電力供給装置４２を具備するが、
これは後部電極２８から渦発生器３４およびノズル３２
を通って前部電極１８へ軸方向に伸長するように適合し
たアークを発生させるために、プラズマアーク・トーチ
の後部電極２８と前部電極１８とに有効に接続されてい
る。

電力レベル並びに以下Ｅこ述べる渦発生器３４および室
１６へ供給される空気量を正しく調節することによって
、アークは前部電極のラジアル肩部２４に接触するよう
にされる。したがって、前部電極の材料の侵食は、電極
を通る半径方向よりも、むしろ軸方向の走行路に沿って
生じる。

フランジ２０が過度に侵食された時には、前部セグメン
）１５Ｍがカバーの残留部から外されるタメ、フランジ
をハウジング１４から外し、内側部材１９から抜き取り
、新しいフランジと交換することができる。図示された
ように、直流電源は後部電極２８に接続され、また電源
の負側ないし接地側は前部電極１８に接続されている。

第４図において最もよく判るように、ワイヤーコイル４
５を含むスプール状の環状ハウジング４４は、前部電極
の内側部材１９のまわりに同軸的に配設されている。コ
イル４５は、内側部材のまわりに回転する磁界を発生さ
せる目的のために、適切な制御装置４６によって励起さ
れる。回転する磁界は、ラジアル肩部２４のまわりの環
状走行路においてアークの接触点を移動させ、それによ
り侵食を分散させ、さらに前部電極の寿命を長くする。

また、加熱室１６並びに前部電極１８からの熱を除去す
るために、水冷システムがハウジング１４に対して提供
できる。図示された実施態様において、冷却システムは
入口４７と、水をハウジング１４を通ってスプール状の
環状ハウジング４４へと前方へ導くための環状室４８と
を含んでいる。ハウジング４４は内側部材１９から少し
離れてぢり、それとの間に狭く、高速の環状水流路４９
を形成する。水を出口５１へと後方に導くために、第２
の環状室５０が提供される。

この加熱装置はさらに、加熱されるべき気体（通常は空
気）を加熱室１６内へ、またトーチ２６と前部電極１８
との間に導くための装置を含んでいる。このようにして
導入された空気はアークによって加熱されて、前部電極
を通って外部へ流出し、第１図において全般的に５２と
記された適切な炉、バーナ一部などへ入り、その中で加
熱空気は乾燥目的あるいは熱エネルギーの他の工業的使
用のために、原材料にさらされる。

空気を導入するための装置は軸方向に間隔を持つ合計五
つの環状リング５４からなるが、各リングは第５図にお
いて最もよく示されているように、加熱室内へ接線的に
開いている複数の開口を含んでいる。リングは加熱室の
内壁を形成する耐熱管５３＋こより分離されており、ま
た管５３とリング５４は管状の金属外被５６によってお
おわれている。各リング５４はカバー１５を貫いて後方
に伸長する空気管５７に接続されており、またこれらの
管５７のそれぞれは管を圧力制御装置５９を介して圧力
空気源に選択的に接続するための弁５Ｂを好ましく含ん
でいる。

したがって、室への空気の流量全体は、開いている弁５
８の数と空気の圧力とを選択的に変えることによって制
御できる。好ましいことに、室へ導入される空気の流量
全体がトーチ２６と前部電極１８との間の分離の関数で
あり、分離が大きくなれば流量が増加する。この目的の
ために自動制御装置６０が提供されるが、これはトーチ
の後方運動により制御されるシーケンスにおいでこれら
の弁を個々のリング５４に対して開くために、トーチの
位置に反応するものである。第４図に示されたように、
トーチ２６は加熱室へ進入する際に少なくともいくつか
のリング５４を塞ぐようになっている。好ましいことに
、この制御装置６０は、トーチがおおっているこれらの
リングの開口５５が閉じられ、またトーチと前部電極１
８との間にあるリングの開口５５が開かれるように、弁
５８を自動的に作動させるためにプログラミングされて
いる。

リング５４のそれぞれにセける接線方向の開口５５は、
加熱室内で空気の渦流を生み出すように照応して向けら
れているが、これはアークを中央に安定させることｉこ
有効であると思われる。さらに、室壁へのアークの接着
を回避するために室１６の壁が相対的に低い温度に維持
されることも重要であり、またリング５４の図示された
相互に離れた配置は、この目的のためｌこ室壁の全長に
沿って相対的に冷たい空気を供給することに役立つ。

本装置の稼動を始めるために、先ずトーチ２６が第４図
において点線で示された最前位置つまり始動位置へ動か
される。開口の少なくとも最前のリングに対する電力シ
ステム並びに空気供給システムが作動して、アークがト
ーチの後部電極２８と前部電極１８との間に生じる。加
熱室の中へ導かれる空気がアークによって加熱され、加
熱された空気は前部電極１８を通って炉５２の方へ前進
する。炉の加熱要求が増すにつれて、トーチが後方へ戻
され、アーク長が伸びるため、利用される力が増大する
。同時に、加熱要求により指示された全流量を供給する
ために、追加のリング５４への弁５８を開くことによっ
て追加の空気が室内へ導入できる。

各図面および明細書において、本発明の好ましい実施態
様が記載されており、固有な術語が使用されてはい石が
、それらは一般的かつ説明的な意味においてのみ用いら
れているのであって、限定の目的に用いられているので
はない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の諸特徴を具体化するプラズマアーク
による加熱装置のいく分概略的な透視図である。 第２図は、本発明の加熱装置において用いられるプラズ
マアーク・トーチの側面図であるが、それはいくつかの
内部の構成要素を点線で図示している。 第３図は、第２図に示されたトーチの拡大された部分側
面図である。 第４図は、第１図に示された加熱装置のいく分概略的で
、部分的に断面を示した側面図である。 第５図は、装置の加熱室内へ空気を導入するための開口
のリングのひとつの断片的な断面図である。 特許出願人　　プラスマのエナージイのコーポレイショ
ン

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、商業上あるいは工業上の使用のために、空気などの
   気体を大量に加熱することに適し、後部電極（２８）を
   含むプラズマアーク・トーチ（２６）と、前記後部電極
   に隣接するが、それから間隔を持つ平行ノズル（３２）
   と、前記後部電極と前記ノズルとの中間位置において気
   体の渦流を発生させるための渦発生装置とからなり、そ
   れにおける細長い加熱室（１６）を含む支持ハウジング
   （１４）と、前記加熱室の一端に、またそれと軸方向に
   整合して取りつけられた管状の前部電極（１８）と、互
   いの方向へ、また互いに離れる方向へと軸方向の選択的
   な相対運動のために前記ハウジングの反対側に前記前部
   電極並びに前記プラズマアーク・トーチを取りつける装
   置（４１）と、前記プラズマアークの前記後部電極並び
   に前記後部電極から気体の前記渦流およびノズルを通っ
   て前記前部電極へ軸方向に伸長するように適合したアー
   クを発生させるための前記前部電極に有効に接続されて
   いる電力供給装置（４２）と、加熱されるべき気体の可
   変量を気体が前記アークにより加熱されて前記前部電極
   を通って外へ流出するように、前記プラズマアーク・ト
   ーチと前記前部電極との間の加熱室内へ導く装置（５４
   、５５、５７）とを特徴とする改良を有し、それによっ
   て、アークの長さとしたがって前記加熱室へ導入される
   気体を加熱するために用いられる力がトーチと前部電極
   との間の軸方向の分離を変化させることにより変えられ
   、また気体の温度が加熱室へ導入される気体の量を制御
   することにより制御できるプラズマアークによる加熱装
   置。 ２、加熱されるべき気体を前記加熱室へ導くための前記
   装置が、さらに前記室において軸方向に間隔を持つ複数
   の入気開口（５５）と、前記入気開口を選択的に開閉す
   るための弁装置（５８）とからなる特許請求の範囲第１
   項記載のプラズマアークによる加熱装置。 ３、加熱されるべき気体を前記加熱室へ導くための前記
   装置がさらに、前記室へ導入される気体の量がトーチと
   前部電極との間の分離の関数であるように、前記前部電
   極に相対する前記トーチの位置に照応して前記入気開口
   を開閉する前記弁装置を自動的に作動させるための制御
   装置（６０）を含んでいる特許請求の範囲第２項記載の
   プラズマアークによる加熱装置。 ４、前記前部電極（１８）が、一般に円筒形の内側部（
   ２１）並びに外側に面するラジアル肩部（２４）を定め
   る皿状の外側部（２２）からなるそれを貫く中央孔を含
   んでおり、また前記電力供給装置により作られたアーク
   が前記中央孔を通って伸長し、前記ラジアル肩部へ接触
   するように適合している特許請求の範囲第１項記載のプ
   ラズマアークによる加熱装置。 ５、前記前部電極（１８）が、前記中央孔の前記内側部
   を定める円筒形の内側部材（１９）と前記孔の前記外側
   部の前記の外側に面するラジアル肩部を定める外側フラ
   ンジ（２０）とからなり、前記外側フランジが前記円筒
   形内側部材に着脱可能に取りつけられている特許請求の
   範囲第４項記載のプラズマアークによる加熱装置。 ６、前記前部電極のまわりに、前記アーク接触点が前記
   ラジアル肩部付近の環状路を動くように、回転する磁界
   を発生させるための電磁装置（４５）をさらに具備する
   特許請求の範囲第４項記載のプラズマアークによる加熱
   装置。 ７、前記トーチ並びに前記前部電極に有効に接触する冷
   却液流路装置（２８、４７、４８、４９、５０）をさら
   に具備し、冷却液が前記トーチから並びに前記前部電極
   からの熱を除去するために前記流路装置を通って循環さ
   れる特許請求の範囲第１項記載のプラズマアークによる
   加熱装置。 ８、商業上あるいは工業上の使用のために、空気などの
   気体を大量に加熱することに適し、後部電極（２８）を
   含むプラズマアーク・トーチ（２６）と、前記後部電極
   に隣接するが、それから間隔を持つ平行ノズル（３２）
   と、前記後部電極と前記ノズルとの中間位置において気
   体の渦流を発生させるための渦発生装置とからなり、そ
   れにおける細長い加熱室（１６）を含む支持ハウジング
   （１４）と、前記加熱室の一端に、またそれと軸方向に
   整合して固定的に取りつけられた管状の前部電極（１８
   ）と、前記室内へ並びに前記前部電極に向って軸方向に
   選択的に運動するために前記ハウジングの他端に前記ト
   ーチを取りつける装置（４１）と、前記プラズマアーク
   の前記後部電極並びに前記後部電極から気体の前記渦流
   およびノズルを通って前記前部電極へ軸方向に伸長する
   ように適合したアークを発生させるための前記前部電極
   に有効に接続されている電力供給装置（４２）と、加熱
   されるべき気体をそれが前記アークにより加熱されて前
   記前部電極を通って外へ流出するように前記プラズマア
   ーク・トーチと前記前部電極との間の前記加熱室の中へ
   導き、前記加熱室内に気体の渦流路を提供できるように
   接線的に向けられている前記室における軸方向に間隔を
   持つ複数の入気開口（５５）と、前記トーチが前記加熱
   室内へ選択的に動かされる際に少なくともいくつかの前
   記開口をおおうように、前記入気開口を選択的に開閉す
   るための弁装置（５８）とからなる装置（５４、５５、
   ５７）とを特徴とする改良を有し、それによって、アー
   クの長さとしたがって前記加熱室へ供給される気体を加
   熱するために用いられる力がトーチと前部電極との間の
   軸方向の分離を変化させることによって変えられるプラ
   ズマアークによる加熱装置。 ９、加熱されるべき気体を前記加熱室へ導くための前記
   装置がさらに、前記加熱室内へ前記トーチが前進する際
   にトーチがおおっているこれらの開口が閉じられるよう
   に、前記加熱室における前記トーチの位置に照応して前
   記入気開口を開閉する前記弁装置を自動的に作動させる
   ための制御装置（６０）を含んでいる特許請求の範囲第
   ８項記載のプラズマアークによる加熱装置。 １０、前記入気開口が軸方向に間隔を持つ複数のリング
   （５４）の形式をしており、また各リングが前記加熱室
   内へ接線方向に開いている複数の開口を含んでいる特許
   請求の範囲第９項記載のプラズマアークによる加熱装置
   。 １１、前記トーチを前記ハウジングに取りつける装置（
   ４１）が、前記トーチを前記ハウジングから電気的に絶
   縁するための装置を含んでいる特許請求の範囲第８項記
   載のプラズマアークによる加熱装置。