(57)【要約】      （修正有）【課題】電気アーク装置をより少ないトリガエネルギーでトリガするアブレーションプラズマガンの提供。【解決手段】第１および第２の電極２２、２４、アブレーション材料のカップ２６、および末広ノズル３０を備えたプラズマガン２０であって、第１および第２電極２２、２４間にかけられたパルス電位により、アーク３２が生成され、アーク３２がカップ２６の一部を加熱しアブレーションして高圧で高い導電プラズマすなわちアブレーションプラズマ３４が生成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アブレーション材料性の壁（２６）、開放端部、およびある長さを有するチャンバ（２８）と、
遠位端を備える第１のガン電極と、
遠位端を備える第２のガン電極と、
前記チャンバ（２８）の両端へと延びる前記ガン電極の遠位端と、
前記チャンバ（２８）の前記開放端部上の末広ノズル（３０）とを備える、アブレーションプラズマガン（２０）。
【請求項２】
前記ガン電極の各々が、ワイヤを備え、前記ガン電極の遠位端が、前記チャンバ（２８）の対角線上の両端で前記チャンバ（２８）に入る、請求項１記載のアブレーションプラズマガン（２０）。
【請求項３】
前記チャンバ（２８）が、概ね円筒形である、請求項２記載のアブレーションプラズマガン（２０）。
【請求項４】
前記チャンバ（２８）が、開放端部を有するカップ内に形成され、前記ノズル（３０）が、前記ガン電極および前記カップを封入し、前記カップの開放端部を密封するカバー（３８）内に形成される、請求項２記載のアブレーションプラズマガン（２０）。
【請求項５】
さらに基部（３６）を備え、各々のガン電極の中間部分が、前記基部（３６）を通り抜け、前記カバー（３８）が、前記基部（３６）上に取り付けられ、前記カップが、前記基部（３６）と前記カバー（３８）の間に取り付けられる、請求項４記載のアブレーションプラズマガン（２０）。
【請求項６】
アブレーションプラズマ（３４）を２つ以上のメイン電極間のメインギャップ（５８）内に注入して前記メイン電極間でアークをトリガするようにメインアーク装置（５０）内に取り付けられ、前記メイン電極（５２）の各々が、電気回路の電気的に異なる部分に接続される、請求項１記載のアブレーションプラズマガン（２０）。
【請求項７】
前記メインアーク装置（５０）が、アーククローバ（７０）、直列コンデンサ保護バイパス、ハイパワースイッチ、音響発生器、衝撃波発生器およびパルスプラズマ推進機からなる群から選択される、請求項６記載のアブレーションプラズマガン（２０）。
【請求項８】
前記メインアーク装置（５０）が、音響発生器または衝撃波発生器またはパルスプラズマ推進機として使用される第２のアブレーションプラズマガンである、請求項６記載のアブレーションプラズマガン（２０）。
【請求項９】
前記アブレーションプラズマが、前記メインギャップ（５８）の電気インピーダンスを、その他のギャップまたは前記電気回路上で電気的に異なる部分を分離する他の絶縁体の電気インピーダンスより低減するように設計される、請求項６記載のアブレーションプラズマガン（２０）。
【請求項１０】
トリガ信号の受信時に、アーククローバ（７０）のメイン電極間のギャップ（５８）内にアブレーションプラズマ（３４）を注入し、分散させるように取り付けられる、請求項１記載のアブレーションプラズマガン（２０）。
【請求項１１】
前記ガン電極およびそれへのリードを除き、前記アブレーションプラズマガンのほぼ全体がアブレーションポリマーから製造される、請求項１記載のアブレーションプラズマガン。
【請求項１２】
前記アブレーションポリマーが、ポリオキシメチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアミド、およびポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）からなる群から選択される、請求項１１記載のアブレーションプラズマガン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、プラズマガン、より詳細にはアブレーションプラズマガンに関し、また電気アーク装置用のトリガにも関する。
【背景技術】
【０００２】
電気アーク装置は、本発明の譲受人の米国特許第４，２５９，７０４号に記載された直列コンデンサ保護、ハイパワースイッチ、音響発生器、衝撃波発生器、およびパルスプラズマ推進機を含む様々な用途で使用されている。こうした装置は、空気または他の気体のギャップによって分離された２つ以上の電極を有する。電極には、そのギャップにわたってバイアス電圧がかけられる。ギャップ内のトリガ装置が、そのギャップ内の気体の一部をイオン化し、電極間のアーク放電を開始する導電性パスを提供する。
【０００３】
従来の火花ギャップトリガは、高圧パルスをトリガピンに印加することを伴う。トリガパルスの大きさは、火花ギャップ上のバイアス電圧に大きく依存する。こうしたパルストリガは広く使用されているが、トリガ源およびその電気のコストは、メイン火花ギャップ自体のコストよりも数倍高くなる。例えば、６００Ｖシステムにおいて、必要とされるトリガ電圧は、２０ｍｍのギャップに対して少なくとも２５０ＫＶである。
【特許文献１】米国特許第４，２５９，７０４号公報
【特許文献２】米国特許第６８３９２０９号公報
【特許文献３】米国特許第６７５１５２８号公報
【特許文献４】米国特許第６６８３７６４号公報
【特許文献５】米国特許第６６３３００９号公報
【特許文献６】米国特許第６５３２１４０号公報
【特許文献７】米国特許第６４１７６７１号公報
【特許文献８】米国特許第６２４２７０７号公報
【特許文献９】米国特許第６２０７９１６号公報
【特許文献１０】米国特許第６１４１１９２号公報
【特許文献１１】米国特許第５２３３１５５号公報
【特許文献１２】米国特許第５２２５６５６号公報
【特許文献１３】米国特許第５１２０５６７号公報
【特許文献１４】米国特許第４９０２８７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
よって、より少ないトリガエネルギーでトリガする技術が求められる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様は、アブレーションポリマーなどのアブレーション材料の開放端部を有するチャンバの対角線上の両端に２つのギャップ電極を備えたプラズマガンにある。末広ノズルが、アブレーションプラズマを超音速で放出し分散させる。
【０００６】
本発明の他の態様は、アブレーションプラズマを使用してアーククローバまたはハイパワースイッチなどのメインアーク装置を、既存のトリガより速くかつより少ないトリガエネルギーでトリガすることにある。
【０００７】
本発明の他の態様は、メインアーク装置内のトリガされたア−クの初期特性をアブレーションプラズマの特性によって制御することにあり、このアブレーションプラズマの特性もまた、アブレーションプラズマガンの設計パラメータによって制御可能である。
【０００８】
本発明の他の態様は、安価なアブレーションプラズマガン設計を用いて、トリガエネルギーおよび関連するトリガ回路要求をより少なくすることによってア−ク装置をトリガするコストを低減することにある。
【０００９】
本発明の上記および他の特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明を添付の図を参照して読むことにより、より良好に理解されるであろう。添付の図面中、同様の記号は同様の部分を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、第１および第２の電極２２、２４、アブレーション材料のカップ２６、および末広ノズル３０を備えたプラズマガン２０の断面図である。電極２２、２４間にかけられた電位のパルスにより、アーク３２が生成され、このアーク３２がカップ材料２６の一部を加熱しアブレーションして高圧で高い導電プラズマ３４が生成される。このプラズマは、分散パターンで超音速でノズル３０から排出される。
【００１１】
プラズマジェット３４の速度、イオン濃度、および分散性などの特性は、電極の寸法および分離度、カップ２６の内部チャンバ２８の寸法、アブレーション材料の種類、トリガパルスの波形とエネルギー、ならびにノズル形状によって制御することができる。カップの材料は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリオキシメチレン、ポリアミド、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、その他のアブレーションポリマー、またはこれらの材料の様々な混合物でよい。チャンバ２８は、トリガパルスのエネルギー、アブレーション反応時間、および放出時間を最小に抑えてプラズマ生成が最大になるように、概ね縦長の、閉鎖端部を備える円筒形でよく、あるいは他の形状でもよい。
【００１２】
プラズマガンは、図示するように、電極２２、２４およびカップ２６を支持するための基部３６を有することができる。カバー３８は、他の要素を封入し、ノズル３０を提供することができる。カップ２６は、図示するように、基部３６とカバー３８の間に保持することができる。ベース３６およびカバー３８は、カップと同じ材料で製造されてよく、あるいは耐火性またはセラミック性の材料などの異なる材料で製造されてもよい。各々の電極２２、２４は、カップ２６の壁からチャンバ２８に入るそれぞれの遠位端２３、２５を有する。電極２２、２４は、図示するように、コストを最小に抑えるためにワイヤとして形成されてもよく、あるいは他の公知の形態を有してもよい。電極２３、２５の遠位端は、図示するように、チャンバ２８上で対角線上に向かい合い、チャンバ２８の長さに沿って分離されてガンアーク３２のためのギャップをもたらすことができる。電極の材料または電極の少なくとも遠位端は、タングステン鋼、タングステン、他の高温耐火性金属／合金、カーボン／グラファイト、またはその他の適切なアーク電極材料でよい。
【００１３】
本発明者らは、本発明の態様を具現化するアブレーションプラズマガンが、上述の従来のトリガ方法よりも効率的なア−クギャップトリガを提供することを画期的に認識した。図２は、メインアーク装置５０のメインギャップ５８内のトリガとして使用することができるアブレーションプラズマガン２０の全体の概略図である。上述の文脈では、用語「メイン」は、より大きなアークベースの装置の要素を、本発明のプラズマガンの対応する要素（例えば、トリガとして使用される）と区別するために使用されている。というのは、プラズマガンもまたアークベースの装置を構成しているからである。メインアーク装置は、例えば、アーククローバ、直列コンデンサの保護バイパス、ハイパワースイッチ、音響発生器、衝撃波発生器、パルスプラズマ推進機、または他の公知のアーク装置でよい。
【００１４】
例示のメインアーク装置に関連する一般的な背景情報を望む読者のため、その全体が参照により本明細書に援用される、表題「Arc Flash Elimination Apparatus And Method」の、本発明の譲受人によって２００７年３月３０日に出願された米国特許出願第１１／６９３，８４９号が参照される。本出願は、本発明の態様を具現化するアブレーションプラズマガンによってトリガすることができる革新的なアーククローバを説明している。このアーククローバは、耐圧ケース内に空気または他の気体のギャップによって分離された２つ以上のメイン電極を有する。各々の電極は、電源回路の電気的に異なる部分に接続される。アブレーションプラズマガンは、ギャップ内に取り付けられる。電源回路上で閃光アークが検出されると、プラズマガンへの電圧または電流パルスによりアーククローバがトリガされる。ガンは、アブレーションプラズマをクローバのギャップ内に注入し、それにより、ギャップインピーダンスが低減されて、閃光アークからエネルギーをすばやく吸収し回路遮断器を開放するメイン電極間の保護アークが開始するようになる。このため、閃光アークがすばやく止まり、電源回路が保護される。
【００１５】
一般に、メインアーク装置５０は、空気または他の気体のギャップ５８によって分離された２つ以上のメイン電極５２、５４を有する。各々の電極５２、５４は、例えば異なる相などの回路の電気的に異なる部分６０、６２、中性点、またはグランドに接続される。そのため、アークギャップ５８上にバイアス電圧６１がもたらされる。トリガ回路６４は、アブレーションプラズマガン２０にトリガパルスを与え、それによってそのガンがアブレーションプラズマ３４をギャップ５８内に放出し、ギャップインピーダンスが低減されて極５２、５４間でアーク５９が開始する。
【００１６】
図３は、アーククローバ７０を試験するのに使用される回路の例を示す。回路６０、６２上の閃光アーク６３は、ギャップ５８上で利用可能なバイアス電圧６１を低減して示されている。メイン電極ギャップ５８のインピーダンスは、トリガするまでアーク放電させないように、メイン電極５２、５４のサイズおよび間隔による所与の電圧に対して設計することができる。プラズマ３４の特性は、ガンの電極２２、２４の間隔、アブレーションチャンバ２８の寸法、トリガパルスの波形およびエネルギー、チャンバ２８の材料、ならびにノズル３０の寸法および配置によって決定することができる。したがって、トリガ時のメインギャップ５８のインピーダンスを、比較的速い強いメインアークを生成するように設計することができる。
【００１７】
図４および５は、上述の特許出願で説明したように、１つの例示の実施形態で耐圧ケース７２内においてアーククローバ７０をトリガするように構成されてもよいアブレーションガン２０を示す。トリガ信号７４の受信時、トリガ回路６４は、トリガパルスをアブレーションプラズマガン２０に送り、それによりそのガンがアブレーションプラズマ３４をクローバのメイン電極５２、５４、５６間のギャップ５８に注入して保護アーク５９が開始する。ケース７２は、保護アークによって生じる爆発性の圧力に耐えるように構築されてよく、また、制御された圧力放出用の穴７３を含むこともできる。
【００１８】
アーククローバ電極のギャップ５８は、保護された回路上で閃光アークが検出されるとすぐにトリガされなければならない。１つまたは複数の適切なセンサが、関連する特許出願で詳述されるように、閃光アークを検出しトリガ信号７４を与えるように配置されてよい。６００Ｖシステムの場合、閃光アーク中、ギャップ５８上の電圧は、通常２５０ボルト未満であり、これはアーク５９を開始させるのに十分でないことがある。アブレーションプラズマ３４は、ギャップ５８を約１０００分の１秒未満でブリッジして、アーク５９による保護短絡が、損傷前に閃光アークを消滅させることを可能にする。
【００１９】
アーククローバ７０の一連の成功した試験では、クロ−バ電極５２、５４、５６が、約４０ｍｍ直径の球体であり、各々が隣接する球体から約２５ｍｍ間隔で離間されており、球体中心は共通の中心点から半径約３７．５２ｍｍのところに配置されていた。トリガは、直径約３ｍｍ、長さ約８ｍｍのチャンバ２８を有するポリオキシメチレン製のカッブ２６を備えたアブレーションプラズマガン２０であった。ノズル３０は、電極５２、５４、５６の球中心の平面の約２５ｍｍ下方に配置されていた。
【００２０】
約１２０Ｖ〜約６００Ｖの範囲のギャップのバイアス電圧は、トリガパルス８／２０（例えば、約８マイクロ秒の上昇時間と約２０マイクロ秒の下降時間を有するパルス）を電流および電圧それぞれ約２０ｋＡ〜約５ｋＡおよび約４０ｋＶ〜約５ｋＶと共に用いてアブレーションプラズマガンによってトリガを試験した。例えば、約１５０Ｖのギャップのバイアス電圧が、約２０ｋＶ／５ｋＡのトリガパルスによってトリガされた。それに対して、従来のトリガピンであれば、この同じバイアス電圧に対して約２５０ｋＶのトリガパルスが必要になり、それにより、従来のトリガピンおよびその回路はメイン電極よりも数倍高価なものになるであろう。
【００２１】
図６は、単一金型で単一のアブレーション材料で成型されたプラズマガンの一実施形態２０Ｂを示す。それにより、ポリオキシメチレンなどのポリマーの比較的低コストの好都合な成型特性を考慮すると製造におけるコスト低減が増進されるはずである。こうした構造および低コストにより、プラズマガンがより容易に交換可能および使い捨て可能となり得る。電極リードピン４０、４２が、コネクタ技術分野で公知の適切なロッキングおよび極性変調を備えて、メインアーク装置上のメスコネクタ（図示せず）にプラズマガンをすばやく接続するために設けられてよい。あるいは（図示せず）、図１のカップ２６を、基部３６内のメスコネクタ用のリードピンをそれに設け、カバー３８を基部３６上にねじ込むことによって交換可能にすることができる。
【００２２】
本発明の態様を具現化するアブレーションプラズマガンが、メインアーク装置およびトリガの両方として使用されてよいことが理解されるであろう。例えば、アブレーションプラズマガンは、音響発生器、衝撃波発生器、またはパルスプラズマ推進機内のメインアーク装置として設けられ、本明細書に説明したようにより小型のアブレーションプラズマガンによってトリガされてよい。
【００２３】
本明細書では、本発明の特定の特徴のみを例示し説明してきたが、多くの改変および変更が当業者によってなされるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨内にこうした改変および変更のすべてを含むものとすることを理解されたい。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の態様によるアブレーションプラズマガンの断面図である。
【図２】電気アーク装置をトリガするのに使用されるアブレーションプラズマの一般的な回路図である。
【図３】電気アーク装置のアブレーションプラズマガンのトリガの例示的な回路図である。
【図４】アーククローバをトリガするアブレーションプラズマガンの断面図である。
【図５】アーククローバをトリガするアブレーションプラズマガンの斜視図である。
【図６】単一の金型で単一の材料から成型されたアブレーションプラズマガンの一実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
８  トリガパルス
２０  アブレーションプラズマガン
２０Ｂ  実施形態
２２〜２５  電極
２６  アブレーション材料
２８  チャンバ
３０  末広ノズル
３２  ガンアーク
３４  アブレーションプラズマ
３６  基部
３８  カバー
４０〜４２  電極リードピン
４６  電極
５０  メインアーク装置
５２〜５６  電極
５８  メインアークギャップ
５９  メインアーク
６０  回路
６１  バイアス電圧
６２  回路
６３  閃光アーク
６４  トリガ回路
７０  アーククローバ
７２  アーククローバケース
７３  穴
７４  トリガ信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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