(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁材料で離隔された往路および復路の導体を平行に有し、該導体の一方あるいは両方が２層以上の複数層構造であって、該複数層の内の、上記絶縁材料に接する側の層を非磁性体材料で構成したことを特徴とするプラズマ破砕装置用プローブ。
【請求項２】
絶縁材料で離隔された往路および復路の導体が中心導体と外部導体とからなる同軸構造をなし、前記中心導体の外側表面または外部導体の内側表面の少なくとも一方の表面には長手方向に形成した溝を有することを特徴とするプラズマ破砕装置用プローブ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、岩石などを破砕するためのプラズマ破砕装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマ破砕技術（ＰＢＴ）は、例えば特開平４−２２２７９４号公報に示されるように、破砕対象となる岩石等にドリル等で予めあけた穴に電解液および破壊電極であるプローブを挿入し、コンデンサバンク、スイッチ等から構成されるパルスパワー電源から供給される高電圧パルス電流によって、プローブ先端での放電を生じさせ、当該放電部分での電解液が放電エネルギーによってプラズマ化することによって発生する衝撃波によって岩石等を破壊する技術である。図４にＰＢＴの構成を示す。図４において、１はプローブであり、先端を破砕対象に取り付けた後、パルスパワー電源３から供給されるパルス電流をケーブル２を通じてプローブ先端に送ると、プローブ１の先端において放電が生じる。
【０００３】
ここで、プローブ１の代表的な構造は、例えば図５に断面構造（図５（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は正面図）を示すように、絶縁された同軸構造の導体４１，４２で構成されており、当該導体を収納するケース（図示せず）やパルス電流を供給するケーブル２との接続部等を必要に応じて加えた装置である。プローブは岩石等の穴中に挿入されて先端での放電を発生させる役割をもつ。
【０００４】
従って、プローブは先端で発生する衝撃波に耐える強度と、岩石への挿入やその他の作業中に容易に破損したり曲がることのない堅牢な構造が要求され、主たる構成材料は鋼であった。
【０００５】
鋼は導体としては導電率が低く一般的ではないが、かかる理由から強度を得る目的で安価に使用されるものとして選択されており、この点は例えば同種のプローブに関する特表平１１−５００７９９号公報にも「銅、黄銅、鋼、（中略）エルコナイト、ニッケル等から作製できる。鋼は、変形を受け難く安価でかつ容易に入手できるので最も好ましい」と示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
鋼など磁性体を導体材料として用いてプローブを作成した場合、プローブのインダクタンスが大となるため急峻なパルス入力が難しいという問題があった。
【０００７】
すなわちプラズマ衝撃波を生じるには急峻な立ち上がりを有するパルス電流をプローブに供給して、先端における放電を生じる必要があるが、プローブのインダクタンスが大きいと高周波電流に対する抵抗が大きくなるために低周波成分のみが通過しやすくなり、プローブ先端に急峻なパルスが伝達されない。つまりパルスの立ち上がり部の電流増加率をパワー増加率として急峻さを表すとすれば、インダクタンスの大きいプローブではパワー増加率の小さい電流しか入力出来ないと言うことになる。
【０００８】
プローブのインダクタンスは一般的に電磁気学において知られているように構成材料の透磁率に応じて、透磁率が大きくなるとインダクタンスが大きくなる。これは導体構造が同軸構造か並行導体構造かによらない。
【０００９】
ＰＢＴにおける破砕能力は入力する電流のパワー増加率にも関連しており、パワー増加率が大きい、すなわち急峻な電流を入力する方が大きな破砕能力を得られるため、鋼を使用したプローブではその性能に限界があった。
【００１０】
一方、導電率を重視して導体材料を鋼以外の導体材料、例えば銅にて構成した場合、プローブ自体に十分な強度が得られないという問題があった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
（解決手段１）
本発明は、上記の課題を解決し、パワー増加率の大きな電流を入力するためになされたものであり、その構成は以下の通りである。
【００１２】
プローブを構成する導体および絶縁材料のうちプローブに流すパルス電流により生ずる磁束が交差する領域の材料を非磁性材料のみで構成した。
【００１３】
これにより、インダクタンスを大きくすることなくプローブを構成することができ、パルス電流の高周波成分に対する抵抗値を下げ、パワー増加率の大きな電流をプローブ先端に与えることが可能となる。
【００１４】
ここで、インダクタンスに影響するのは、構成材料の内、電流によって生じる磁束が交差する領域の材料であり、透磁率の大きい材料中を磁束が鎖交することにより磁気回路としての磁気抵抗が小さくなり、その結果としてインダクタンスが大きくなる。
【００１５】
電流によって生じる磁束が交差する領域とは、導体が同軸構造であり中心導体と外部導体を電流が往復する場合には、導体内を電流が均一に流れる場合には外部導体に囲まれた内部の領域であり、外部導体の外側は往復電流により生ずる磁場がうち消す関係になるため該当しない。現実には往復電流の差分としての誤差分だけ外部に磁場が形成されるが無視できる量としてここでは考えないこととする。
【００１６】
したがって、中心導体と外部導体を含む外部導体に囲まれた部分を主に構成する材料を非磁性体材料とすることによりインダクタンスを小さくすることが可能である。
【００１７】
導体が平行導体の場合は、うち消されることがないために理論上は導体内外を含む全空間に磁束が生じることになる。したがって導体の周囲に配される部材の材料においても非磁性体を使用する必要がある。
【００１８】
ここで、導体に使用出来る非磁性体としては、ステンレス鋼、アルミニウムおよびアルミニウム合金、銅、および銅合金、などが考えられ、硬度の点ではステンレス鋼が望ましく、アルミニウム合金なども適している。一方導電率の点を重視すると銅、アルミニウムおよびそれらの合金が好ましく、これらは適宜選択可能である。
【００１９】
（解決手段２）
プローブの強度を落とすこと無く、パワー増加率の大きなプラズマ破砕装置用プローブを得る方法として、電流の往路および復路を構成する導体の一方あるいは両方を２層以上の複数層構造とし、当該複数層の内の、往路と復路の導体を絶縁する絶縁層に接する側の層を非磁性材料で構成し、残りの層を磁性材料または非磁性材料で構成した。
【００２０】
導体を電流が流れる場合、その電流が高周波になるほど、電流は導体表面のみを流れることが知られており、この導体表面の電流が流れる領域の厚さは「表皮厚さ」と呼ばれる。
【００２１】
プローブに流れる電流は、高周波成分を多く含むパルス電流であるため、その立ち上がりのはやさを決める主な電流成分は一定の表皮厚さをもって導体の表面を流れることとなり、同軸構造の場合には、中心導体と外部導体それぞれの互いに向き合う表面に電流が流れる。
【００２２】
従って、導体構造および材料と電流の周波数によってきまる表皮厚さ部分のみを非磁性体で構成すれば導体のインダクタンスを小さく抑えることが可能であり、電流の高周波成分に対する抵抗値を下げることができる。
【００２３】
この構成によれば、パルス電流の立ち上がりに寄与する高周波電流が実質的に流れない部分については磁性体である鋼材料を用いてもよく、プローブの強度を落とすことなく、パワー増加率を大きく保つことが可能である。
【００２４】
（解決手段３）
また別の構造としてプローブの強度を落とすこと無く、かつ安価な磁性材料を使用する手段として、絶縁材料で離隔された往路および復路の導体が中心導体と外部導体とからなる同軸構造をなしており、中心導体の外側表面または外部導体の内側表面の少なくとも一方の表面に長手方向に溝を形成した。
【００２５】
同軸構造の導体においては、中心導体の電流の向きに対して、いわゆる右ネジの法則により電流を周回する向きに磁束が生じる。導体が磁性体の場合は磁束の大部分が磁性体内を鎖交し、導体表面を周回するように磁気回路を形成する。
【００２６】
当該磁気回路において、導体表面に溝、すなわち凹部を形成すると、磁気回路内に空隙を構成することになり、磁気抵抗を大きくすることができる。そして磁気抵抗を大きくすることは等価的に透磁率を下げてインダクタンスを低減することになる。したがって、導体材料に磁性体を使用しても、上述の非磁性体を使用する方法に近い効果が得られ、インダクタンスの低下により電流の高周波成分に対する抵抗値を下げ、早い立ち上がりの電流すなわちパワー増加率の大きな電流注入を実現することが可能となるのである。
【００２７】
なお、空隙を形成する方法であれば、導体自体を複数に分割した構造としても良い。
【００２８】
【発明の実施の形態】
（解決手段１）
図１は解決手段１の構成によるプローブの例であり、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は正面図である。本図では中心導体６２および外部導体６１が絶縁体５で隔たれて同軸構造をなす場合を示している。中心導体と外部導体はそれぞれ電流の往路および復路としての役割を果たすが、いずれが往路かという決まりはない。プローブの基本機能としては中心導体、外部導体、絶縁体により構成されるが、プローブ全体の強度保持あるいは外傷保護等の必要に応じてケーシング７を設ける場合もある。
【００２９】
また、高周波パルス電流を、パルスパワー電源から効率よく供給するためにはケーブルは同軸構造が好ましく、そのため、ケーブルと接続しやすい同軸構造のプローブとするのが一般的である。しかし、電流の往路及び復路をなす導体は必ずしも同軸構造である必要はなく、２本の導体を平行に並べ、絶縁体で隔離したような、いわゆる平行導体であってもよい。さらには、１本あるいは複数本で構成する中心導体の周囲に複数本の外部導体を配置して同軸構造に類似の構造とすることなども考えられる。
【００３０】
ここで、中心導体６２および外部導体６１の導体材料は非磁性体のみで構成される。材料には上述の通り銅（軟銅、硬銅および銅合金を含む）、アルミ（純アルミおよびアルミ合金を含む）、ステンレススチールなどが考えられる。非磁性体金属であれば、いかなる金属も可能であるが、例えばプローブの軽量化のためにはアルミが望ましく、導電率を重視するためには銅が望ましく、機械強度を重視する場合にはステンレススチールが望ましいなど、設計者の選択が可能である。
【００３１】
さらには、往路および復路の導体は別々の材料で構成することも可能である。例えば、中心導体は導電率の良い銅を用い、外部導体として強度の強いステンレススチールを用いる場合である。この組み合わせとしては、この他に銅とアルミ、アルミとステンレススチールなども可能であり、もちろん他の非磁性金属を用いる場合はその組み合わせも可能である。
【００３２】
図１では中心導体は棒材としているが、電流の表皮効果、コスト低減、軽量化等の観点からパイプ材料を使用することも可能である。
【００３３】
導体間の絶縁離隔としての絶縁材料は、一般的にはエポキシ樹脂やポリエチレン、ポリビニル等が用いられるが、その他にも磁器、紙、ポリエチレンテレフタレートなど電力ケーブルや電力機器等の絶縁に用いられる非磁性材料であれば特に本発明の効果において限定するものではない。
【００３４】
さらに、同軸構造の場合の外部導体の外側は電流による磁束が交差せずインダクタンスに影響しないため、材料の限定はなく、例えば図１の例ではプローブの補強材として磁性体である鉄材料で構成したケーシング７を設けている。ケーシングは必要に応じて設ければ良く必須ではない。
【００３５】
（解決手段２）
図２に導体を二層構造として高周波電流が流れる表面層のみを非磁性材料とした例を示す。この例では、中心導体を鋼の芯材（中心導体磁性体部分８２ａ)と銅の表面材（中心導体非磁性体部分８２ｂ）によって構成し、外部導体を同じく銅の内面材（外部導体非磁性体部分８１ｂ）と鋼の表面材（外部導体磁性体部分８１ａ）によって構成した。銅の代わりに非磁性材料であるアルミ等上述の非磁性金属を用いても良い。
【００３６】
中心導体の表面材あるいは外部導体の内面材である非磁性材料の厚さは、通電するパルス電流の周波数成分と使用する材料の導電率に応じて計算される表皮厚さ以上とすれば効果的である。
【００３７】
ただし、中心導体または外部導体の一方のみを二層構造にしたり、非磁性材料の厚さを表皮厚さ以下とすることも、効果が比較的低減する不利益はあるものの、製造性やコスト等とのバランスを考慮して選択可能であることは言うまでもない。
【００３８】
さらに、二重構造にする範囲は導体全長である方が好ましいが、必ずしも全長でなくともインダクタンスの低減には効果がある。よって導体端部等の加工性を考慮して可能な部分のみを二重構造とすることでも良い。
【００３９】
二重構造の２つの層は、芯材の表面に表面材をめっきで構成したり、テープ状の表面材を芯材に巻き付けたり、表面材のパイプに芯材を挿入するなどの構造が考えられる。芯材と表面材は電気的に一体と見なされるように導通していれば機械的に全長が接着されて一体になっているという意味の二重構造になっていることは必ずしも必要ではない。
【００４０】
ここで、二重構造の２つの層は必ずしも一方のみを磁性材料にする必要がある訳ではなく、両方の層に非磁性材料を使用しても良いことはもちろんである。例えば芯材に強度の高いステンレススチールを使用して表面材に導電率の高い銅を使用するなどである。この他、アルミと銅、ステンレススチールとアルミなども可能である。
【００４１】
（解決手段３）
図３は導体表面に長手方向に連続する溝を形成した構造であり、（Ａ）はプローブの縦断面図、（Ｂ）は正面図を示す。中心導体４２の表面に溝８３が構成され、外部導体４１の内面に２つの溝８３が構成されている。上述のように、インダクタンスは導体横断面内を周方向に鎖交するところの磁束に起因しており、この方向に透磁率が高くなるとインダクタンスが大きくなる。そこで、磁性体である導体の断面において空隙を設けることにより周方向の透磁率を等価的に小さくし、インダクタンスを小さくしたものである。
【００４２】
ここで、図３では中心導体に溝を１本、外部導体には溝を２本設けているが、本数を限定するものではない。また、溝内を埋める材料は非磁性体であれば良く、絶縁体で充填されても、あるいは気体による空隙でも、さらには他の非磁性金属により埋めることによって導電率を下げる効果を併せ持つ構造であっても良い。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように、本発明ではＰＢＴにおけるプローブを非磁性体のみで構成し、またはプローブ中の導体材料のうち電流の流れる割合の多い部分のみを非磁性体で構成し、あるいは磁性体材料を使用した材料の一部に磁気抵抗を大きくする空隙を設けたので、プローブのインダクタンスを低減させることが出来、高周波成分を含むパルス電流を、その急峻な立ち上がりを保持したまま効率よく先端に伝えることができるため、衝撃破壊力の大きいＰＢＴを構成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の導体に非磁性材料を使用したプローブの断面構造例で、図１（Ａ）は縦断面図、図１（Ｂ）は正面図である。
【図２】  本発明の導体を二重構造としたプローブの断面構造例で、図２（Ａ）は縦断面図、図２（Ｂ）は正面図である。
【図３】  本発明の導体表面に溝を設けたプローブの例である断面構造例で、図３（Ａ）は縦断面図、図３（Ｂ）は正面図である。。
【図４】  従来技術に基づくプラズマ破砕装置の概念図である。
【図５】  従来技術に基づくプラズマ破砕装置のプローブを示す断面構造例で、図５（Ａ）は縦断面図、図５（Ｂ）は正面図である。
【符号の説明】
１  プローブ
２  ケーブル
３  パルスパワー電源
４１  外部導体
４２  中心導体
５  絶縁体
６１  非磁性体外部導体
６２  非磁性体中心導体
７  ケーシング
８１ａ  外部導体磁性体部分
８１ｂ  外部導体非磁性体部分
８２ａ  中心導体磁性体部分
８２ｂ  中心導体非磁性体部分
８３  溝
【図１】
0004531195.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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