(57)【要約】【課題】メインプラズマ生成ガスとして蒸気で作動しながら、長い電極寿命を有する高出力蒸気プラズマトーチシステムを提供する。【解決手段】本発明は高出力ＤＣ蒸気プラズマトーチシステム(S)に関する。当該システム(S)はプラズマトーチアセンブリ(1)を含み、過熱蒸気(46)がメインプラズマ生成ガスとして利用され、これによって非常に反応性の高い蒸気プラズマプルームが生成される。プルームに到達する前に過熱蒸気(46)が、蒸気凝縮を低減するためにセラミック張り蒸気供給チューブ(25)を介してプルーム内に内部に直接注入される。過熱蒸気(46)は接線方向に穿たれた孔を有するガス渦(16)を通って流れ、これによって電極侵食を最小化する高速ガススワールが生じる。システム(S)においてアセンブリ(1)は、その外部に収容された点火接触器を用いて点火される。過熱蒸気(46)は水冷蒸気渦発生器アセンブリ(15)を用いてプラズマプルーム内に注入される。【選択図】図１
2020123586.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高出力ＤＣ非転移プラズマトーチシステムであって、
例えばステンレススチールハウジング内に収容されたプラズマトーチアセンブリと、
冷却スキッドと、
蒸気スキッドと、
ＤＣプラズマ電源と、
ガス流量制御キャビネットと、
点火制御キャビネットと、
前記システム用のプログラム可能なロジックコントローラを備えた制御キャビネットと、
トーチ点火シーケンスと、
トーチ制御シーケンスと、
人間機械インターフェイスと、
を具備するプラズマトーチシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１３年２月１５日に出願された米国仮出願第６１／７６５，５１８号（現在係属中）の優先権を主張するものであり、当該米国仮出願は、この引用によって本明細書中に組み込まれる。
【０００２】
本発明の対象事項は、メインプラズマ生成ガスとして蒸気を用いるプラズマトーチに関する。
【背景技術】
【０００３】
メインプラズマ生成ガスとして蒸気と共に作動するプラズマトーチは多くの用途を持っている。メインプラズマ生成ガスとして蒸気を使用するプラズマトーチは、高濃度のＨ  ＋およびＯＨ−イオンを含むプラズマプルームを生成する。これらの化学的に非常に反応性種に富む蒸気プラズマプルームは、石炭ガス化から始まって有害廃棄物処理に至る広範な用途で使用することができる（特許文献１および非特許文献１〜３参照）。蒸気プラズマトーチは、特に塩素化および／またはフッ素化炭化水素の破壊のための困難な化学変換を達成する上で大きな成功を収めている（非特許文献４〜６参照）。
【０００４】
Ｈ＋およびＯＨ−イオンに富む蒸気プラズマプルームは、プラズマトーチアセンブリ内での蒸気の内部注入によってのみ達成することができ、すなわち注入された蒸気は、メインプラズマ生成ガスとなるプラズマプルーム中でＨ＋およびＯＨ−イオンへと解離しなければならない。蒸気がプラズマトーチの先端に注入される場合、注入された蒸気の解離は制限されるかあるいは起こらず、これによって非反応性プラズマプルームを生成するが、これは、そうしたシステムの低い破壊効率によって明らかである（非特許文献７参照）。
【０００５】
プラズマ生成ガスとして蒸気を使用する既存のプラズマトーチは、外的蒸気注入、低い総電力、大きな電極浸食およびプラズマトーチアセンブリ内に可動部品を有する複雑な設計といった制限を有している（特許文献２および３ならびに非特許文献８参照）。蒸気がプラズマ生成ガスの一つとして使用される、ほとんどのプラズマトーチでは、蒸気はプラズマトーチの出口に向かって外的に注入される。
【０００６】
外的蒸気注入は、非反応性蒸気プラズマプルームおよび／または非常に低い濃度を有するＨ＋およびＯＨ−イオンを有するプラズマプルームを生じる（非特許文献８参照）。蒸気が外部から注入されるとき、メインプラズマプルームと、この外部から注入された蒸気との相互作用は制限され、したがって注入された蒸気は、反応性のＨ＋およびＯＨ−イオンの生成に必要な高温に到達しない（非特許文献８参照）。これは、低い濃度あるいはゼロ濃度のＨ＋およびＯＨ−イオンを伴うプラズマプルームを生じる。低い濃度の反応性イオンを伴う蒸気プラズマは化学反応を推進する、その能力の損失につながる。
【０００７】
高出力スチームプラズマトーチはまた、工業用途には使用できない。現在利用可能な蒸気プラズマトーチは、＜５０キロワットのトーチ総出力を持つラボスケールに限定されている（非特許文献９および１０参照）。利用可能な中出力プラズマトーチシステムは、激しい電極の腐食といった問題を抱えている。報告された電極寿命は５０時間以下のオーダーである（非特許文献１１参照）。また、中出力プラズマトーチシステムは、それを長期的産業用途には実用的に適さないものとする、プラズマトーチアセンブリ内に可動部品を必要とする複雑な設計である（特許文献３参照）。
【０００８】
したがって、メインプラズマ生成ガスとして蒸気で作動しながら、より長い電極寿命を有する高出力蒸気プラズマトーチシステムが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第5,498,826号明細書（Dummersdorf他）
【特許文献２】米国特許出願公開第0252537号明細書（Li他）
【特許文献３】米国特許出願公開第0007320号明細書（Severance J.R.他）
【非特許文献】
【００１０】
【特許文献１】Hiroshi N. 他、「Vacuum」、73巻、2004年、p589-p593
【特許文献２】Xinli他、「ChemComm」、2009年、p2908-p2910
【特許文献３】Xinli他、「J. Phys. D : Appl. Phys. 44」、2011年
【特許文献４】Murphy A.B.他、「Plasma Chemistry and Plasma Processing」、22巻、第3号、2002年
【特許文献５】Narengerile他、「Plasma Chemistry and Plasma Processing」、第30巻、2010年、p813-p829
【特許文献６】Kim Dong-yun他、「Surface and Cating Technology」、第202巻、2008年、p5280-p5283
【特許文献７】Kim Soek-Wan他、「Vacuum」、第70巻、2003年、p59-p66
【特許文献８】Watanabe T.、「AJChE」、第5巻、第1号、2005年、p30-p34
【特許文献９】Glocker B.他、「Vacuum」、第59巻、2000年、p35-p46
【特許文献１０】Watanabe T.他、「Thin Solid Films」、第516巻、2008年、p4391-p4396
【特許文献１１】http://www.httcanada.com/arc.html
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって新規な蒸気プラズマトーチシステムを提供することが非常に望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
したがって、本明細書で説明する実施形態は、ある態様において、高出力ＤＣ非転移（non-transferred）プラズマトーチシステムを提供するが、当該システムは、例えばステンレススチールハウジングに収容されたプラズマトーチアセンブリと、冷却スキッドと、蒸気スキッドと、ＤＣプラズマ電源と、ガス流量制御キャビネットと、点火制御キャビネットと、システム用のプログラム可能なロジックコントローラと一緒になった制御キャビネットと、トーチ点火シーケンスと、トーチ制御シーケンスと、人間機械インターフェイスとを備える。
【００１３】
本明細書で説明する実施形態は、別な態様において、プラズマトーチシステムを提供するが、当該システムは、プラズマトーチアセンブリと、このプラズマトーチアセンブリのための冷却システムと、プラズマトーチアセンブリのための蒸気システムと、プラズマ電源と、ガス流量制御システムと、点火制御システムと、プラズマトーチシステム用のコントローラとを備える。
【００１４】
本明細書で説明する実施形態は、さらなる態様において、プラズマトーチアセンブリを提供するが、当該アセンブリは、プラズマトーチアセンブリを点火するための電極アセンブリと、ガス供給システムと、冷却システムと、プラズマプルーム内に直接蒸気を注入するように構成された蒸気供給システムとを備える。
【００１５】
本明細書に記載された実施形態のより良い理解のために、そしてどのようにしてそれらを実施できるかをより明確に示すために、単なる一例として、図面を参照するが、これは少なくとも一つの例示的な実施形態を示している。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】例示的実施形態に係るプラズマトーチシステムの概略図である。
【図２】プラズマトーチシステムのプラズマトーチアセンブリの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、渦安定化ＤＣ蒸気プラズマトーチシステムについて説明するが、これは、以下のように、その他のシステムの欠点を軽減する。
・（効果的な反応のために）プラズマプルーム中に反応性のＨ＋およびＯＨ−イオンに富む非常にイオン化されたガスを得るためのプラズマアークへの直接的な蒸気の注入
・可動部品および／またはトーチ点火のための外部高周波エネルギー源を必要としないボタン型カソードデザインの使用（それによってより簡素なデザインが得られる）
・筒状点火電極と筒状アノードとの間に注入された蒸気と、ボタン型カソード、筒状点火電極および筒状アノードの使用（これは電極の架橋現象を防止する機能をもたらす）
【００１８】
本プラズマトーチシステムは以下のものを提供する。
・反応性のＨ＋およびＯＨ−イオンの生成を最大化する、注入蒸気の高度のイオン化を伴う蒸気プラズマプルーム
・電極上での凝縮蒸気といった激しい電極腐食の主な原因を軽減することにより、数百時間のオーダーの電極寿命を持つ蒸気プラズマトーチ。過熱蒸気はメインプラズマ生成ガスとして使用される。過熱蒸気は、短い金属チューブを介してプラズマプルーム内に直接注入される。この設計は、プラズマプルームに到達する前の蒸気の凝縮のリスクを抑止するか妨げ、したがって、より軽度な電極の腐食を実現する。さらに、過熱蒸気は、接線方向に穿たれた孔を有することができる渦を通って流れる。この設計は、電極の腐食を最小限に抑える高速ガススワールを生じる。従来技術のプラズマトーチ設計はプラズマトーチに点火するために電極動作システムあるいは高周波パルスのいずれかを使用する。すなわちプラズマトーチ電極は短絡させられ、その後、アークを点火するために動作システムを用いて分離させられるか、あるいは高周波、高電圧、低電流パルスがプラズマ生成雰囲気を創出するために電極間に注入される。本システムでは、プラズマトーチは、プラズマトーチアセンブリの外部に収容されかつ電極動作システムを必要としない点火接触器を用いて点火される。
【００１９】
本システムは、メインプラズマ生成ガスとして内部で注入された蒸気を使用する高出力ＤＣプラズマトーチシステムであり、これによって非常に反応性に富む蒸気プラズマプルームが生じる。本システムでは、過熱蒸気は、蒸気がプラズマトーチの先端に注入される現在の技術状態に対して、水冷渦を用いてプラズマプルーム内に直接注入される。また、本システムでは、電極を短絡させ、電気アークを点火するべく電極を分離させるために電力動作システムを使用する従来の技術状況に見られるもののようなプラズマトーチアセンブリ内の可動部品が存在しない。
【００２０】
図１に示すように、プラズマトーチシステムＳは、プラズマトーチアセンブリ１と、プラズマトーチアセンブリ１に必要な冷却を提供する冷却スキッド２と、プラズマトーチアセンブリ１へ過熱蒸気を供給しかつその流量を制御する蒸気スキッド３と、トーチ点火接触器および水‐電力マニホールドを収容する点火および電力統合制御キャビネット６と、正ケーブル４８ｘおよび負ケーブル４８ｙを介して点火および電力統合制御キャビネット６にＤＣ電力を供給するＤＣプラズマ電源４と、点火およびシュラウドガスの流量を制御するガス流量制御キャビネット５と、システム全体用のプログラム可能なロジックコントローラを収容する制御キャビネット７と、ガス流量、蒸気流量およびトーチ電力といったシステム全体パラメータをやりとりしかつ制御するためのオペレータ用のインターフェイスを提供する人間機械インターフェイス８とを含む。
【００２１】
図２に示すように、プラズマトーチアセンブリ１は、
１．取り付けフランジ１７を備えたステンレススチールプラズマトーチハウジング９と、
２．三つのトーチ電極、すなわち、
・Ｌａ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、ＴｈＯ２およびＭｇＯといった希土類酸化物をドープしたハフニウムあるいはタングステンなどの電子放出材料のロッドから機械加工された円錐形のカソード１０（このロッドは、通常、真空鋳造銅に埋め込まれる）と、
・通常は銅から機械加工される筒状の点火電極１１と、
・通常は銅から機械加工される筒状のアノード１２と、
３．カソード１０の周囲にガスシュラウドを形成するために接線方向に穿たれた孔を備える、Macor（商標）などの高温セラミックから機械加工された、後方カソード１０と点火電極１１との間に設けられたシュラウド／点火ガス渦発生器と、
４．点火電極１１とアノード１２との間に注入される補助プラズマ生成ガス用のガス渦を形成するために接線方向に穿たれた孔を備える、ステンレススチールから機械加工された、点火電極１１の前方に設けられた補助ガス渦発生器１４と、
５．アノード１２の後方に取り付けられた蒸気プラズマ生成ガス用のガス渦を形成するための接線方向に穿たれた孔を備える、ステンレススチールから機械加工された、蒸気渦発生器１６およびその適所において蒸気渦発生器１６を保持するための水冷ステンレススチールハウジングを備える水冷蒸気渦発生器アセンブリ１５と、
６．プラズマトーチアセンブリ１の長さ方向に沿った冷却水流チャネル５０，５２，５３，５４およびガス流チャネル５１と、
を具備する。
【００２２】
プラズマトーチハウジング９は、例えば、ステンレススチールから製造された単一のユニットであり、標準フランジ付き接続ポートを備えた反応器／容器へのトーチアセンブリの容易な取り付けを促進するために標準的な前方取り付けフランジ１７を備える。
【００２３】
三つのトーチ電極１０，１１，１２は、組み立てられたときカソード１０と点火電極１１との間のギャップが点火シーケンスの点火ステップの間に自己持続プラズマ生成条件を創出するのにちょうど十分であるように、各電極間に固定ギャップを伴ってプラズマトーチハウジング９内に同軸状に設けられる。同様に、点火電極１１とアノード１２との間のギャップは、トーチ点火シーケンスの転移（transfer）ステップの間、プラズマ生成条件を喪失することなく、点火電極１１およびアノード１２からアークを転移するのにちょうど十分である。
【００２４】
渦発生器１３，１４，１６は、電極腐食を最小限に抑えるための接線方向のガス流パターンを創出するために、その中心線が電極のそれと一致するように製造されかつ同軸状にに取り付けられる。冷却チャネル５０，５２，５３および５４（これは、例えば、高温プラスチックハウジング内に、あるいは電極とステンレススチールハウジングとの間の環状部として刻設される）が、各電極の長さに沿った高速冷却流回路を創出するように形成され、これによって膜沸騰状況が回避または防止される。
【００２５】
例えば非導電性高温ポリマーから機械加工されたカソードベース１８が、例えばボルトを用いてトーチハウジング９に対して取り付けられる。銅ロッドから製造されたカソードホルダー１９は、例えば、カソードベース１８内にねじ込みによって取り付けられる。円錐状のカソード１０は、例えば、カソードホルダー１９にねじ込まれる。カソードホルダー１９は、トーチ冷却水用の流体導管として機能し、そしてまたプラズマトーチアセンブリ１にＤＣ電力４１を伝達する。
【００２６】
例えば非導電性の高温ポリマーから製造されたカソードマニホールド２０は、例えば、カソード１０の周囲にねじ込みによって取り付けられ、そして点火電極冷却チャネル５２に対してカソード冷却チャネル５０を接続する。
【００２７】
冷却スキッド２から供給された冷却水３９は、点火および電力統合制御キャビネット６内に収容された電力マニホールドを通って流れる。電源４からのＤＣケーブル４８ｘおよび４８ｙもまた電力マニホールドに接続される。電力マニホールドは、電力および冷却水の両方をミックスし、電力ホース４１および４２を経てプラズマトーチアセンブリ１へと電力および冷却水の両方を輸送する。電力ホース４１および４２は中心コアとしての銅線と共に可撓性ゴムから形成されている。ＤＣ電力は中心銅線を通って流れ、一方、冷却水は電力ホース４１および４２の環状空間内を流れる。
【００２８】
冷却水は、カソードホルダー１９を経てプラズマトーチアセンブリ１に入り、カソード１０の後方まで移動して、これによってカソード１０のための必要な冷却を提供し、そして点火電極１１に向かってカソードマニホールド２０を経てカソードホルダー１９の半径方向開口を通って流れ出す。
【００２９】
また、カソードマニホールド２０は、シュラウド／点火ガス流チャネル５５を提供し、かつ、カソード１０の周囲に例えばねじ込まれた渦発生器１３へとシュラウド／点火ガス４３／４４を輸送する。
【００３０】
真鍮あるいは銅などの導電性金属から製造された点火チューブ２１はカソードマニホールド２０を包囲し、かつ、点火電極１１に点火プラグ２２を接続する。点火ケーブル４７は、制御キャビネット内に収容された点火コンタクタと、点火プラグ２２とを接続する。点火電極１１は、例えば、点火チューブ２１の前方端部にねじ込まれ、かつ、点火プラグ２２は、例えば、点火チューブ２１の後方端部にねじ込まれる。カソード１０から出てくる冷却水は、点火チューブ２１の長さに沿って移動し、点火電極１１に到達する。
【００３１】
高温ポリマーから製造されたシュラウドチューブ２３は、その適所において点火チューブ２１を固定し、かつ、チューブに開けられた一連のチャネルは、アルゴン、空気、窒素、酸素などの補助ガス４５のための流体導管として機能する。補助ガスポート２４を経て注入された補助ガス４５はシュラウドチューブ２３の開口内を移動し、補助ガス渦発生器１４に到達する。
【００３２】
補助ガス渦発生器１４（これは、例えば、アークコラムを安定させるためのガススワールを形成するために接線方向に穿たれた孔を備えて、ステンレススチールから製造される）は、例えば、点火電極１１に対してねじ込みによって取り付けられる。補助ガス４５はトーチ点火シーケンスの間に注入される。補助ガス４５は、点火シーケンスの間、点火電極１１からアノード１２へとアークを転移させるために必要な駆動力を提供する。
【００３３】
蒸気渦発生器アセンブリ１５は、ステンレススチール蒸気渦発生器１６と、真鍮チューブから製造された、セラミック絶縁蒸気供給チューブ２５とを備える。蒸気渦発生器１６および蒸気供給チューブ２５は、例えばステンレススチールから製造された水冷体へと組み付けられ、かつ、補助ガス渦１４とアノードアセンブリ２６との間に挟み込まれる。補助ガス渦１４と蒸気渦発生器アセンブリ１５の間に配置された、高アルミナセラミックリング２７といった絶縁高温セラミックリングは、点火電極１１とアノード１２との間の電気的絶縁を提供する。
【００３４】
点火電極１１を出た冷却水は、蒸気渦発生器アセンブリ１５のためにちょうど十分な冷却を提供するために、蒸気渦発生器アセンブリ１５の冷却チャネル５３を通って移動する。蒸気供給チューブ２５は、例えば、蒸気渦発生器１６に対してねじ込みによって取り付けられ、二段設計は、組み立て時に蒸気供給チューブ２５がロックされたままであることを保証する。入口過熱蒸気４６は、蒸気渦発生器１６に到達するように、セラミック絶縁蒸気供給チューブ２５を通って流れる。蒸気渦発生器アセンブリ１５は、蒸気渦発生器１６に到達する前に、その経路に沿った蒸気凝縮を防止するために、過熱蒸気４６と水冷蒸気渦発生器アセンブリ１５との間の接触面を最小化するように設計される。
【００３５】
銅から製造された、筒状のアノード１２を備えたアノードアセンブリ２６と、ステンレススチールから製造された、アノード１２の周りの水冷チャネル５４とは、、例えば、トーチハウジング９に対してボルト止めされる。シリコンベースＯリングが、漏れ出しから水冷チャネル５４をシールするために使用される。蒸気渦発生器アセンブリ１５からの冷却水はアノード１２の冷却チャネル５４を通って流れ、そして冷却水出口ポート２８を通って外に出る前に必要な冷却を提供する。冷却水出口ポート２８（これはステンレススチールのような導電性材料から製造される）は、冷却水戻りホース４２を接続するための導管として機能し、そしてまたＤＣ電力をアノード１２に伝達する。
【００３６】
制御キャビネット７内に収容されたプログラム可能なロジックコントローラ（ＰＬＣ）にインストールされているトーチ点火および制御プログラムは、オペレータ入力電力設定ポイントに従って、プラズマトーチアセンブリ１を点火しかつ制御するために使用される。人間機械インターフェイス８は、ＰＬＣへとオペレータ入力電力設定ポイントを伝達する。全システムは、通信ネットワークケーブル４９を介して、人間機械インターフェイス（ＨＭＩ）８およびＰＬＣにリンクされる。
【００３７】
自動点火シーケンスは、起動させられたとき、閉ループ冷却スキッド２を始動させ、そしてプラズマトーチアセンブリ１を通って流れる十分な冷却水が存在することを保証する。蒸気スキッド３が始動させられ、そしてプラズマトーチアセンブリ１に蒸気を輸送する蒸気ラインが、これらのラインを通って生成された過熱蒸気を循環させることにより、その作用条件まで加熱される（これはドレインへと廃棄される）。ヘリウムまたは類似のものといった点火ガス４３の流れおよび補助ガス４５の流れが開始され、かつ、ガス流量制御キャビネット５にインストールされたガス質量流量コントローラを使用して最小設定ポイントにおいて制御される。点火制御キャビネット６内に配置された点火接触器はアノード１２および点火電極１を短絡させるために閉じられる。ＤＣ電源４はトーチ点火電流設定ポイントによって始動される。プラズマトーチアセンブリ１の機械的な設計（これは、自己持続プラズマ条件が電極間の点火がスリーブの存在状態で存在することを補償する）は、点火電極１１とカソード１０との間にプラズマアークの点火をもたらす。点火時、現在の設定ポイントは徐々に増加させられ、そして補助ガス４５の流れもまた増加させられる。いったん安定すると、点火ガス４３は、ヘリウムまたは類似のものから、窒素またはアルゴン４４といった不活性シュラウドガスへと切り替えられる。点火接触器は、点火電極１１とアノード１２との間の電気的接触を開くために開かれ、これによって点火電極１１から作用アノード１２へとプラズマアークアタッチメントポイントの転移が生じる。いったん安定すると、過熱蒸気流４６は、補助ガス流４５をゼロへと徐々に低減させながら、徐々に増大させられる。いったん安定した蒸気プラズマアーク５６が電極間に存在すると、点火シーケンスは完了に進み、制御はオペレータ制御のための人間機械インターフェイス８へと戻される。
【００３８】
上記説明は実施形態の実例を提供するが、説明した実施形態のいくつかの特徴および／または機能は、説明した実施形態の趣旨および動作原理から逸脱することなく改変可能であることは明らかである。したがって、上述したものは、実施形態の例示であって非限定的であることを意図されており、特許請求の範囲に規定されるような実施形態の範囲から逸脱することなく、それ以外の変更および改変をなし得ることは当業者にとって自明である。さらに本発明は以下の条項による実施形態を含む。
条項1．高出力ＤＣ非転移プラズマトーチシステムであって、
例えばステンレススチールハウジング内に収容されたプラズマトーチアセンブリと、
冷却スキッドと、
蒸気スキッドと、
ＤＣプラズマ電源と、
ガス流量制御キャビネットと、
点火制御キャビネットと、
前記システム用のプログラム可能なロジックコントローラを備えた制御キャビネットと、
トーチ点火シーケンスと、
トーチ制御シーケンスと、
人間機械インターフェイスと、
を具備するプラズマトーチシステム。
条項２．前記システムは、３０ｋＷないし１５０ｋＷ総出力（電気）の広範な作動ウインドウにおいて安定した作動条件で作動するよう構成される、条項１に記載のプラズマトーチシステム。
条項３．前記システムは、安定した作動のための補助プラズマ生成ガスを使用することなく、唯一のメインプラズマ生成ガスとして、２００℃および３０psi（ゲージ）の過熱蒸気を用いて作動するよう構成される、条項１または条項２に記載のプラズマトーチシステム。
条項４．供給チューブ内での蒸気凝縮を回避しながらプラズマプルームに過熱蒸気を注入するために、絶縁過熱蒸気注入チューブを備えた水冷渦発生器アセンブリを含む、条項１ないし条項３のいずれか１項に記載のプラズマトーチシステム。
条項５．前記システムは、蒸気プラズマプルームを安定化するために渦発生器のみを使用するよう構成され、かつ、前記プラズマプルームを安定化するために外的印加磁場を必要としない、条項１ないし条項４のいずれか１項に記載のプラズマトーチシステム。
条項６．プラズマトーチに点火するために自動点火シーケンスを利用する、条項１に記載のプラズマトーチシステム。
条項７．前記システムは、プラズマトーチに点火するために、ＤＣプラズマ電源と、点火接触器と、近接離間カソード‐点火電極アセンブリとの組み合わせを利用するよう構成される、条項１または条項６に記載のプラズマトーチシステム。
条項８．前記システムは、プラズマトーチハウジング内でプラズマアークに点火するのに十分な開回路電圧を備えた前記ＤＣプラズマトーチ電源を使用するよう構成され、これによってプラズマトーチに点火するための外部電源／デバイスが排除された、条項１、条項６および条項７のいずれか１項に記載のプラズマトーチシステム。
条項９．前記システムは、プラズマトーチに点火するために前記プラズマトーチアセンブリの外部に配置された点火接触器を使用するよう構成され、これによってプラズマトーチハウジング内の可動パーツが排除される、条項１、条項７および条項８のいずれか１項に記載のプラズマトーチシステム。
条項１０．前記システムは、閉ループ内を循環すると共に膜沸騰を回避しながら前記プラズマトーチアセンブリの冷却チャンネル内を高い線速度で移動する室温高圧脱イオン水を利用するよう構成される、条項１に記載のプラズマトーチシステム。
条項１１．前記システムはシュラウドガスとしてアルゴンを用いて作動するよう構成され、これによって大気汚染物質窒素酸化物ＮＯｘの生成の可能性が低減される、条項１に記載のプラズマトーチシステム。
条項１２．前記システムは、前記プラズマトーチアセンブリ内の水およびガスチャネルを冷却するためにポリエーテルイミドからなる耐熱プラスチックを、そして冷却水およびガスチャネルをシールするために合成ゴムからなる耐熱シーリングリングを利用する、条項１に記載のプラズマトーチシステム。
条項１３．プラズマトーチシステムであって、
プラズマトーチアセンブリと、
前記プラズマトーチアセンブリ用の冷却システムと、
前記プラズマトーチアセンブリ用の蒸気システムと、
プラズマ電源と、
ガス流量制御システムと、
点火制御システムと、
前記プラズマトーチシステムのためのコントローラと、
を備えた、プラズマトーチシステム。
条項１４．前記システムは、約３０ｋＷないし１５０ｋＷ総出力（電気）の範囲において作動するよう構成される、条項１３に記載のプラズマトーチシステム。
条項１５．前記システムは、過熱蒸気を用いて作動するよう構成される、条項１３または条項１４に記載のプラズマトーチシステム。
条項１６．前記過熱蒸気は２００℃および３０psi（ゲージ）である、条項１５に記載のプラズマトーチシステム。
条項１７．前記過熱蒸気は、例えば補助プラズマ生成ガスを必要とせずに、前記システムにおいて使用される唯一のメインプラズマ生成ガスである、条項１５または条項１６に記載のプラズマトーチシステム。
条項１８．プラズマプルームに過熱蒸気を注入するための蒸気渦発生器アセンブリをさらに含む、条項１３ないし条項１７のいずれか１項に記載のプラズマトーチシステム。
条項１９．前記蒸気渦発生器アセンブリは水冷式である、条項１８に記載のプラズマトーチシステム。
条項２０．前記蒸気渦発生器アセンブリは絶縁過熱蒸気注入チューブを含む、条項１８または条項１９に記載のプラズマトーチシステム。
条項２１．蒸気プラズマプルームを安定化するために渦発生器をさらに含む、条項１３ないし条項２０のいずれか１項に記載のプラズマトーチシステム。
条項２２．前記システムは、プラズマプルームを安定化するために外部印加磁場が排除される、条項２１に記載のプラズマトーチシステム。
条項２３．前記プラズマトーチアセンブリを点火するために自動点火シーケンスが提供される、条項１３ないし条項２２のいずれか１項に記載のプラズマトーチシステム。
条項２４．前記プラズマトーチアセンブリに点火するために、プラズマ電源と、点火接触器と、近接離間カソード‐点火電極アセンブリとの組み合わせが利用される、条項１３ないし条項２３のいずれか１項に記載のプラズマトーチシステム。
条項２５．前記プラズマ電源はＤＣプラズマ電源を含む、条項１３ないし条項２４のいずれか１項に記載のプラズマトーチシステム。
条項２６．前記ＤＣプラズマ電源と、点火接触器と、近接離間カソード‐点火電極アセンブリとの組み合わせが前記プラズマトーチアセンブリに点火するために利用される、条項２５に記載のプラズマトーチシステム。
条項２７．前記システムは、前記プラズマトーチアセンブリ内でプラズマアークに点火するのに十分な開回路電圧を備えた前記ＤＣプラズマ電源を使用するよう構成され、これによって前記プラズマトーチアセンブリに点火するために外部電源／デバイスが必要とされない、条項２５または条項２６に記載のプラズマトーチシステム。
条項２８．前記プラズマトーチアセンブリの外部に配置された点火接触器がプラズマトーチに点火するために設けられる、条項１３ないし条項２７のいずれか１項に記載のプラズマトーチシステム。
条項２９．前記点火制御システムは前記点火接触器を含む、条項２８に記載のプラズマトーチシステム。
条項３０．前記点火制御システムは、点火および電力統合制御キャビネットを含み、このキャビネットはトーチ点火接触器および水‐電力マニホールドを収容する、条項２９に記載のプラズマトーチシステム。
条項３１．前記冷却システムは、前記プラズマトーチアセンブリ内に設けられた冷却チャネルを含み、かつ、閉ループ内を循環すると共に前記冷却チャンネル内を高い線速度で移動する室温高圧脱イオン水を利用するよう構成される、条項１３ないし条項３０のいずれか１項に記載のプラズマトーチシステム。
条項３２．前記システムはシュラウドガスとしてアルゴンを用いて作動するよう構成され、これによって大気汚染物質窒素酸化物ＮＯｘの生成の可能性が低減される、条項１３ないし条項３１のいずれか１項に記載のプラズマトーチシステム。
条項３３．前記プラズマトーチアセンブリの冷却水チャネルおよびガスチャネルは、ポリエーテルイミドからなる耐熱プラスチックからなる、条項１３ないし条項３２のいずれか１項に記載のプラズマトーチシステム。
条項３４．冷却水およびガスチャネルをシールするために、合成ゴムからなる耐熱シーリングリングが設けられる、条項３３に記載のプラズマトーチシステム。
条項３５．前記プラズマトーチアセンブリはステンレススチールハウジング内に収容される、条項１３ないし条項３４のいずれか１項に記載のプラズマトーチシステム。
条項３６．前記冷却システムは冷却スキッドを含む、条項１３ないし条項３５のいずれか１項に記載のプラズマトーチシステム。
条項３７．前記蒸気システムは蒸気スキッドを含む、条項１３ないし条項３６のいずれか１項に記載のプラズマトーチシステム。
条項３８．前記ガス流量制御システムはガス流量制御キャビネットを備える、条項１３ないし条項３７のいずれか１項に記載のプラズマトーチシステム。
条項３９．前記点火制御システムは点火制御キャビネットを備える、条項１３ないし条項３８のいずれか１項に記載のプラズマトーチシステム。
条項４０．前記プラズマトーチシステム用のコントローラは制御キャビネットを備える、条項１３ないし条項３９のいずれか１項に記載のプラズマトーチシステム。
条項４１．前記プラズマトーチシステム用のコントローラは、前記システム用のプログラ可能なロジックコントローラを備える、条項１３ないし条項４０のいずれか１項に記載のプラズマトーチシステム。
条項４２．オペレータが、通信し、かつ／または、ガス流量、蒸気流量およびトーチパワーといったシステムパラメーターを制御することを可能にするための人間機械インターフェイスをさらに備える、条項１３ないし条項４１のいずれか１項に記載のプラズマトーチシステム。
条項４３．トーチ点火シーケンスおよびトーチ制御シーケンスをさらに備える、条項１３ないし条項４２のいずれか１項に記載のプラズマトーチシステム。
条項４４．前記プラズマトーチアセンブリは、このプラズマトーチアセンブリに点火するための電極アセンブリを備え、この電極アセンブリは、円錐形カソード、筒状点火電極および筒状アノードを含む、条項１３ないし条項４３のいずれか１項に記載のプラズマトーチシステム。
条項４５．前記プラズマトーチアセンブリは、前記円錐形カソードと点火電極との間に設けられたシュラウド／点火ガス渦発生器を備える、条項４４に記載のプラズマトーチシステム。
条項４６．前記シュラウド／点火ガス渦発生器は、前記円錐形カソードの周りにガスシュラウドを形成するために接線方向に穿たれた孔を備える、条項４５に記載のプラズマトーチシステム。
条項４７．前記プラズマトーチアセンブリは、点火電極の前方に取り付けられた、補助ガス渦発生器を備える、条項４４ないし条項４６のいずれか１項に記載のプラズマトーチシステム。
条項４８．前記補助ガス渦発生器は、前記点火電極と前記筒状アノードとの間に注入される補助プラズマ生成ガスのためのガス渦を形成するために接線方向に穿たれた孔を備える、条項４７に記載のプラズマトーチシステム。
条項４９．前記プラズマトーチアセンブリは、蒸気渦発生器を備える水冷蒸気渦発生器アセンブリを備える、条項４４ないし条項４８のいずれか１項に記載のプラズマトーチシステム。
条項５０．前記蒸気渦発生器は、前記筒状アノードの後方に設けられる、条項４９に記載のプラズマトーチシステム。
条項５１．前記蒸気渦発生器は、蒸気プラズマ生成ガスのためのガス渦を形成するために接線方向に穿たれた孔を備える、条項４９または条項５０に記載のプラズマトーチシステム。
条項５２．水冷ステンレススチールハウジングが、その適所にて前記蒸気渦発生器を保持するために設けられる、条項４９ないし条項５１のいずれか１項に記載のプラズマトーチシステム。
条項５３．前記プラズマトーチアセンブリは、冷却水流チャネルおよびガス流チャネルを備える、条項４４ないし条項５２のいずれか１項に記載のプラズマトーチシステム。
条項５４．前記円錐形カソードはボタン型カソードである、条項４４ないし条項５３のいずれか１項に記載のプラズマトーチシステム。
条項５５．蒸気は、前記筒状点火電極と前記筒状アノードとの間に注入されるよう構成される、条項４４ないし条項５４のいずれか１項に記載のプラズマトーチシステム。
条項５６．過熱蒸気はプラズマプルーム内に直接注入されるよう構成される、条項４４ないし条項５５のいずれか１項に記載のプラズマトーチシステム。
条項５７．前記過熱蒸気は、水冷蒸気渦発生器アセンブリを用いて前記プラズマプルーム内に直接注入されるよう構成される、条項５６に記載のプラズマトーチシステム。
条項５８．前記水冷蒸気渦発生器アセンブリは蒸気渦発生器および供給チューブを含み、入口過熱蒸気は、前記供給チューブを経て前記蒸気渦発生器に到達するように流れる、条項５７に記載のプラズマトーチシステム。
条項５９．プラズマトーチアセンブリであって、
前記プラズマトーチアセンブリに点火するための電極アセンブリと、
ガス供給システムと、
冷却システムと、
プラズマプルーム内に直接蒸気を注入するよう構成された蒸気供給システムと、
を備える、プラズマトーチアセンブリ。
条項６０．前記プラズマトーチアセンブリは、約３０ｋＷないし１５０ｋＷ総出力（電気）の範囲において作動するよう構成される、条項５９に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項６１．前記プラズマトーチアセンブリは過熱蒸気を用いて作動するよう構成される、条項５９または条項６０に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項６２．前記過熱蒸気は２００℃および３０psi（ゲージ）である、条項６１に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項６３．前記過熱蒸気は、例えば補助プラズマ生成ガスを必要とせずに、前記プラズマトーチアセンブリにおいて使用される唯一のメインプラズマ生成ガスである、条項６１または条項６２に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項６４．前記蒸気供給システムは、プラズマプルームに過熱蒸気を注入するための蒸気渦発生器アセンブリを含む、条項５９ないし条項６２のいずれか１項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項６５．前記蒸気渦発生器アセンブリは水冷式である、条項６４に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項６６．前記蒸気渦発生器アセンブリは、絶縁過熱蒸気注入チューブを含む、条項６４または条項６５に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項６７．蒸気プラズマプルームを安定化するために渦発生器をさらに含む、条項５９ないし条項６６のいずれか１項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項６８．前記プラズマトーチアセンブリを点火するために自動点火シーケンスが提供される、条項５９ないし条項６７のいずれか１項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項６９．前記冷却システムは、前記プラズマトーチアセンブリ内に設けられた冷却チャネルを含むと共に、閉ループ内を循環すると共に前記冷却チャンネル内を高い線速度で移動する室温高圧脱イオン水を利用するよう構成される、条項５９ないし条項６８のいずれか1項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項７０．前記プラズマトーチアセンブリはシュラウドガスとしてアルゴンを用いて作動するよう構成され、これによって大気汚染物質窒素酸化物ＮＯｘの生成の可能性が低減される、条項５９ないし条項６９のいずれか１項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項７１．前記プラズマトーチアセンブリの冷却水チャネルおよびガスチャネルは、ポリエーテルイミドからなる耐熱プラスチックからなる、条項５９ないし条項７０のいずれか１項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項７２．冷却水およびガスチャネルをシールするために、合成ゴムからなる耐熱シーリングリングが設けられた、条項７１に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項７３．前記プラズマトーチアセンブリはステンレススチールハウジングを含む、条項５９ないし条項７２のいずれか１項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項７４．前記冷却システムは冷却スキッドを含む、条項５９ないし条項７３のいずれか１項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項７５．蒸気システムは蒸気スキッドを含む、条項５９ないし条項７４のいずれか１項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項７６．トーチ点火シーケンスおよびトーチ制御シーケンスをさらに備える、条項５９ないし条項７５のいずれか１項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項７７．前記プラズマトーチアセンブリに点火するための前記電極アセンブリは、円錐形カソード、筒状点火電極および筒状アノードを含む、条項５９ないし条項７６のいずれか１項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項７８．前記円錐形カソードと点火電極との間に設けられたシュラウド／点火ガス渦発生器をさらに備える、条項７７に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項７９．前記シュラウド／点火ガス渦発生器は、前記円錐形カソードの周りにガスシュラウドを形成するために接線方向に穿たれた孔を備える、条項７８に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項８０．点火電極の前方に設けられた補助ガス渦発生器をさらに備える、条項７７ないし条項７９のいずれか１項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項８１．前記補助ガス渦発生器は、前記点火電極と前記筒状アノードとの間に注入される補助プラズマ生成ガスのためのガス渦を形成するために接線方向に穿たれた孔を備える、条項８０に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項８２．蒸気渦発生器を備える水冷蒸気渦発生器アセンブリをさらに備える、条項７７ないし条項８１のいずれか１項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項８３．前記蒸気渦発生器は、前記筒状アノードの後方に設けられる、条項８２に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項８４．前記蒸気渦発生器は、蒸気プラズマ生成ガスのためのガス渦を形成するために接線方向に穿たれた孔を備える、条項８２または条項８３に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項８５．水冷ステンレススチールハウジングが、その適所にて前記蒸気渦発生器を保持するために設けられる、条項８２ないし条項８４のいずれか１項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項８６．冷却水流チャネルおよびガス流チャネルをさらに備える、条項７７ないし条項８５のいずれか１項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項８７．前記円錐形カソードはボタン型カソードである、条項７７ないし条項８５のいずれか１項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項８８．蒸気は、前記筒状点火電極と前記筒状アノードとの間に注入されるよう構成される、条項７７ないし条項８７のいずれか１項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項８９．過熱蒸気は前記プラズマプルーム内に直接注入されるよう構成される、条項７７ないし条項８８のいずれか１項に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項９０．前記過熱蒸気は、水冷蒸気渦発生器アセンブリを用いて前記プラズマプルーム内に直接注入されるよう構成される、条項８９に記載のプラズマトーチアセンブリ。
条項９１．前記水冷蒸気渦発生器アセンブリは蒸気渦発生器および供給チューブを含み、入口過熱蒸気は、前記供給チューブを経て前記蒸気渦発生器に到達するように流れる、条項９０に記載のプラズマトーチアセンブリ。
【符号の説明】
【００３９】
１  プラズマトーチアセンブリ
２  閉ループ冷却スキッド
３  蒸気スキッド
４  プラズマ電源
５  ガス流量制御キャビネット
６  点火および電力統合制御キャビネット
７  制御キャビネット
８  人間機械インターフェイス
９  プラズマトーチハウジング
１０  カソード
１１  点火電極
１２  アノード
１３  渦発生器
１４  補助ガス渦発生器
１５  水冷蒸気渦発生器アセンブリ
１６  蒸気渦発生器
１７  フランジ
１８  カソードベース
１９  カソードホルダー
２０  カソードマニホールド
２１  点火チューブ
２２  点火プラグ
２３  シュラウドチューブ
２４  補助ガスポート
２５  セラミック絶縁蒸気供給チューブ
２６  アノードアセンブリ
２７  高アルミナセラミックリング
２８  冷却水出口ポート
３９  冷却水
４１  電力ホース
４２  ホース
４３  点火ガス
４４  アルゴン
４５  補助ガス
４６  過熱蒸気
４７  点火ケーブル
４８ｘ  正ケーブル
４８ｙ  負ケーブル
４９  通信ネットワークケーブル
５０  カソード冷却チャネル
５１  ガス流チャネル
５２  点火電極冷却チャネル
５３  冷却チャネル
５４  水冷チャネル
５５  点火ガス流チャネル
５６  蒸気プラズマアーク
【図１】
2020123586.tif 000003
【図２】
2020123586.tif 000004
【外国語明細書】
2020123586000001.pdf