JP2995005B2 - 間接冷却方式プラズマジェットトーチ - Google Patents
間接冷却方式プラズマジェットトーチInfo
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- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
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- H05H1/26—Plasma torches
- H05H1/28—Cooling arrangements
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
- Arc Welding In General (AREA)
Description
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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
る。
る。
る。
す図である。
出射時温度の解析結果を示す図である。
るまでの時間の解析結果を示す図である。
図である。
果とチップ先端温度測定結果重ねて表示した図である。
である。
た結果を示す図である。
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。
認結果を示す図である。
ェットトーチの切断能力速度の比較図である。
水、34…面接触部、35…Agメッキ、36…頭部供
給体、37…絶縁挿入物。
Claims (3)
- 【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、 チップと火口筒を同一材質としてその嵌合を面接触と
し、接触部をテーパー形状として接触部に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。 - 【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。 - 【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。
Priority Applications (3)
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JP8226911A JP2995005B2 (ja) | 1996-08-28 | 1996-08-28 | 間接冷却方式プラズマジェットトーチ |
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