(57)【要約】【課題】アークフラッシュを消去する際に使用するためのアブレーションプラズマガンを提供すること。【解決手段】アブレーションプラズマガン（１００）は、第１の直径（１１０）を有する第１の部分（１０６）と、第１の直径（１１０）より大きな第２の直径（１１２）を有する第２の部分（１０８）とを含み、チャンバ（１０４）は、第１の部分（１０６）および第２の部分（１０８）によって画定される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の直径（１１０）を有する第１の部分（１０６）と、前記第１の直径（１１０）より大きな第２の直径（１１２）を有する第２の部分（１０８）とを備え、チャンバ（１０４）が、前記第１の部分（１０６）および前記第２の部分（１０８）によって画定される、アブレーションプラズマガン（１００）。
【請求項２】
前記第２の部分（１０８）が前記第１の部分（１０６）の上に配置される、請求項１記載のアブレーションプラズマガン（１００）。
【請求項３】
前記第１の部分（１０６）と前記第２の部分（１０８）が一体形成される、請求項１記載のアブレーションプラズマガン（１００）。
【請求項４】
第１の端部（１２６）を備える第１のガン電極（１２２）と、第２の端部（１２８）を備える第２のガン電極（１２４）とをさらに備え、前記第１の端部（１２６）と前記第２の端部（１２８）が前記チャンバ（１０４）の中心軸から反対方向に延びる、請求項１記載のアブレーションプラズマガン（１００）。
【請求項５】
前記第１のガン電極（１２２）の前記第１の端部（１２６）および前記第２のガン電極（１２４）の前記第２の端部（１２８）が、前記チャンバ（１０４）の径方向両側で前記チャンバ（１０４）に入る、請求項４記載のアブレーションプラズマガン（１００）。
【請求項６】
前記チャンバ（１０４）が、開放端（１２０）がノズル（１１８）を画定するように、前記第２の直径（１１２）を部分的に横切って延びる開放端（１２０）をさらに備える、請求項１記載のアブレーションプラズマガン（１００）。
【請求項７】
開放端（１２０）を有し、中に前記チャンバ（１０４）が形成されるカップ（１０２）と、
前記カップ（１０２）を囲繞するようにサイズ設定され、ノズル（１１８）を備えるカバー（１１４）とをさらに備える、請求項１記載のアブレーションプラズマガン（１００）。
【請求項８】
基部（１１６）をさらに備え、前記カバー（１１４）が前記基部（１１６）に取り付けられ、前記カップ（１０２）が前記基部（１１６）と前記カバー（１１４）の間に配置される、請求項７記載のアブレーションプラズマガン（１００）。
【請求項９】
それぞれが電気回路（３１０、３１２）の異なる部分に結合される複数の主電極（３０４、３０６）と、
前記複数の主電極（３０４、３０６）に対して配置されたアブレーションプラズマガン（１００）であって、第１の直径（１１０）を有する第１の部分（１０６）と、前記第１の直径（１１０）より大きな第２の直径（１１２）を有する第２の部分（１０８）とを備え、チャンバ（１０４）が前記第１の部分（１０６）および前記第２の部分（１０８）によって画定される、アブレーションプラズマガン（１００）とを備えるアークフラッシュ消去システム（３００）。
【請求項１０】
前記複数の主電極（３０４、３０６）が、前記複数の主電極間の領域が主ギャップ（３０８）を画定するように離隔され、前記アブレーションプラズマガン（１００）が、アブレーションプラズマ（３１８）を前記主ギャップ（３０８）内に注入して前記複数の主電極（３０４、３０６）間でアークをトリガするように構成される、請求項９記載のアークフラッシュ消去システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書において説明する実施形態は、一般にプラズマガンに関し、より詳細には、アークフラッシュを消去（ｅｌｉｍｉｎａｔｅ）する際に使用するためのアブレーションプラズマガン（ａｂｌａｔｉｖｅ  ｐｌａｓｍａ  ｇｕｎ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気アークデバイスは、たとえば直列コンデンサの保護、高電力スイッチ、音響発生器、衝撃波発生器、パルスプラズマスラスタ、およびアーク軽減デバイスを含むさまざまな用途で使用することができる。このような既知のデバイスは、一般に、空気のギャップによって分離された２つ以上の主電極を含む。次に、そのギャップを横切って主電極にバイアス電圧が印加される。しかし、少なくともいくつかの既知の電気アークデバイスでは、主電極が互いに接近して配置されることが必要である。汚染物が、またはギャップ内の空気の固有インピーダンスですら、好ましくないときに主電極間のアーク形成をもたらすことがあり、それにより、普通なら不必要であるはずの回路遮断器が作動することがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７，２８１，４７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、少なくともいくつかの既知の電気アークデバイスは、そのような誤検出の結果を回避するために、単に主電極を遠く離して配置する。しかし、これらのデバイスは、一般に、プラズマガンからのプラズマの拡散があまり効果的でないために信頼性が低い。たとえば、少なくともいくつかの既知のプラズマガンは、主電極間の空気のギャップ内での効果的な絶縁破壊およびインピーダンスの低下を促進するのに効果的でないプラズマの拡散をもたらす。したがって、このようなプラズマガンは、より低いレベルの信頼性を示す可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一態様では、アブレーションプラズマガンは、第１の直径を有する第１の部分と、第１の直径より大きな第２の直径を有する第２の部分とを含み、チャンバは、第１の部分および第２の部分によって画定される。
【０００６】
別の態様では、アークフラッシュ消去システムは、それぞれが電気回路の異なる部分に結合される複数の主電極を含む。このアークフラッシュ消去システムは、複数の主電極に対して配置されたアブレーションプラズマガンも含む。このアブレーションプラズマガンは、第１の直径を有する第１の部分と、第１の直径より大きな第２の直径を有する第２の部分とを含み、チャンバは、第１の部分および第２の部分によって画定される。
【０００７】
別の態様では、アークフラッシュ消去システムを組み立てる方法は、複数の主電極のそれぞれを電気回路の異なる部分に結合するステップと、アブレーションプラズマガンを複数の主電極に対して配置するステップとを含む。このアブレーションプラズマガンは、第１の直径を有する第１の部分と、この第１の部分の上に配置され、かつ第１の直径より大きな第２の直径を有する第２の部分とを含み、チャンバは、第１の部分および第２の部分によって画定される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】例示的なアブレーションプラズマガンの断面図である。
【図２】アブレーションプラズマガンの代替実施形態の断面図である。
【図３】図１または図２に示されたアブレーションプラズマガンを含む例示的なアーク消去システムの簡略化された回路図である。
【図４】図３に示されたアーク消去システムの断面図である。
【図５】図３に示されたアーク消去システムの斜視図である。
【図６】図３〜５に示されたアーク消去システムを組み立てる例示的な方法を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
自己完結（ｓｅｌｆ−ｃｏｎｔａｉｎｅｄ）デバイス内での隔離された（ｉｓｏｌａｔｅｄ）アークの開始によるアークフラッシュ消去で使用するためのシステム、方法、および装置の例示的な実施形態について、本明細書において説明する。これらの実施形態は、第１の直径を有する第１の部分すなわち下部と、第１の直径より大きな第２の直径を有する第２の部分すなわち上部とを有するチャンバを含むアブレーションプラズマガンを提供する。このプラズマガンの設計によって、信頼性の向上が容易になり、アーク消去システムの主電極間でのプラズマブレークダウンおよびアーク生成が向上される。たとえば、本明細書において説明する実施形態は、アークが主電極間で生成された後にプラズマ拡散の増加を実現し、それによって、主電極間の主ギャップ内での絶縁破壊の向上が容易になる。さらなるプラズマ拡散および絶縁破壊によって、アーク消去システムは、２００ボルトと同程度のバイアス電圧を含めて、主電極間のより広い範囲のバイアス電圧および主ギャップ内のより広い範囲のインピーダンス下で機能することができる。
【００１０】
図１は、チャンバ１０４が形成されたカップ１０２を含む例示的なアブレーションプラズマガン１００の断面図である。カップ１０２は、第１の部分１０６と、チャンバ１０４を画定するように第１の部分１０６に対して配置された第２の部分１０８とを含む。たとえば、例示的な実施形態では、第２の部分１０８は、第１の部分１０６の上に配置される。さらに、第１の部分１０６は、第１の直径１１０を有する。例示的な実施形態では、第１の直径１１０は約０．１３８インチである。加えて、第２の部分１０８は、第１の直径１１０より大きな第２の直径１１２を有する。例示的な実施形態では、第２の直径１１２は約０．２２１インチである。本明細書において説明するようにプラズマガン１００が機能することを可能にする第１の直径１１０および／または第２の直径１１２に、任意の適切な大きさが使用され得ることに留意されたい。さらに、例示的な実施形態では、第１の部分１０６と第２の部分１０８は一体形成され、その中にチャンバ１０４が画定される。代替実施形態では、第１の部分１０６および第２の部分１０８は、個別に形成され、互いに結合されてチャンバ１０４を形成する。例示的な実施形態では、カップ１０２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）、他のアブレーションポリマー、またはこれらの材料の種々の混合物などのアブレーション材料から形成される。
【００１１】
さらに、プラズマガン１００は、カバー１１４と、基部１１６とを含む。例示的な実施形態では、カバー１１４は基部１１６に取り付けられ、カップ１０２を囲繞するようにサイズ設定される。具体的には、カップ１０２は、基部１１６とカバー１１４の間に配置される。加えて、カバー１１４の中にノズル１１８が形成される。ノズル１１８は、カップ１０２の開放端１２０の上に配置される。例示的な実施形態では、カバー１１４および／または基部１１６は、カップ１０２と同じアブレーション材料から形成される。あるいは、カバー１１４および／または基部１１６は、耐熱材料またはセラミック材料など、カップ１０２とは異なる１つまたは複数のアブレーション材料から形成される。
【００１２】
さらに、例示的な実施形態では、プラズマガン１００は、第１のガン電極１２２および第２のガン電極１２４を含む複数のガン電極を含む。第１のガン電極１２２は第１の端部１２６を含み、第２のガン電極１２４は第２の端部１２８を含み、各端部はチャンバ１０４の中へ延びる。たとえば、第１の端部１２６および第２の端部１２８は、チャンバ１０４の中心軸（図示せず）周りで、チャンバ１０４の径方向両側からチャンバ１０４に入る。さらに、第１の端部１２６と第２の端部１２８は、チャンバ１０４を横切って対角線上で対向し、アーク１３０を形成するためのギャップを画定する。電極１２２および１２４、または少なくとも第１の端部１２６および第２の端部１２８は、たとえばタングステン鋼、タングステン、他の高温耐熱性の金属または合金、カーボンまたはグラファイト、またはアーク１３０の形成を可能にする他の任意の適切な材料から形成することができる。電位のパルスが電極１２２と１２４の間に印加されることによって、アーク１３０が生じ、このアーク１３０がカップ１０２のアブレーション材料の一部分を加熱しアブレーションして、高導電性プラズマ１３２が高圧で生成される。プラズマ１３２は、分散パターンで超音速にてノズル１１８から排出される。速度、イオン濃度、および拡散領域などのプラズマ１３２の特性は、電極１２２および１２４の寸法によって、および／または第１の端部１２６と第２の端部１２８の間の分離距離によって制御することができる。プラズマ１３２のこれらの特性はまた、チャンバ１０４の内部寸法、カップ１０２を形成するために使用されたアブレーション材料の種類、トリガパルスの形状、および／またはノズル１１８の形状によって制御することができる。
【００１３】
図２は、アブレーションプラズマガン２００の代替実施形態の断面図である。図２に示すように、プラズマガン２００は、単一のアブレーション材料から一体形成される。プラズマガン２００は、第１の部分２０４および第２の部分２０６によって画定されたチャンバ２０２を含み、第２の部分２０６は第１の部分２０４の上に配置され、第１の部分２０４と一体形成される。さらに、第１の部分２０４は第１の直径２０８を有し、第２の部分２０６は第２の直径２１０を有する。図２の例示的な実施形態では、第２の直径２１０は第１の直径２０８より大きい。さらに、図２に示すように、チャンバ２０２は、第２の部分２０６を部分的に横切って延び、ノズル２１４を形成する開放端２１２を含む。
【００１４】
図３は、図１のプラズマガン１００などのアブレーションプラズマガンを含む例示的なアーク検出および消去システム３００の簡略化された回路図である。ただし、図２のプラズマガン２００もシステム３００と共に使用できることを理解されたい。例示的な実施形態では、システム３００は、アーク閉じ込めデバイスなどの主アークデバイス３０２も含み、主アークデバイス３０２は、空気または別の気体の主ギャップ３０８によって分離された２つ以上の主電極３０４および３０６などの複数の主電極を含む。たとえば、主電極３０４および３０６は、第２の直径１１２（図１に示されている）があるために約０．２７５インチ離れて配置される。この主電極３０４と３０６の間の距離によって、低電圧におけるアーク消去システム３００の応答が改善される。各主電極３０４および３０６はそれぞれ、異なる位相、中性点、またはグランドなど、電源回路の電気的に異なる部分３１０および３１２に結合される。主電極３０４および３０６を電源回路の部分３１０および３１２に結合することによって、主ギャップ３０８を横切ってバイアス電圧３１４が形成される。例示的な実施形態では、バイアス電圧３１４は、約６５０ボルトと約８１５ボルトの間である。システム３００は、プラズマガン１００に電気パルスを送ることによってプラズマガン１００を起動するトリガ回路３１６も含む。
【００１５】
さらに、システム３００は、リレーまたはプロセッサなどの論理回路３２２を含む。「論理回路」および「プロセッサ」という用語は、一般に、システムおよびマイクロコントローラ、縮小命令セット回路（ＲＩＳＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理回路、および本明細書において説明する機能を実行することが可能な他の任意の回路またはプロセッサを含む任意のプログラマブルシステムを指すことを理解されたい。上記の例は例示的なものに過ぎず、したがってこれらの用語の定義および／または意味を限定することを意図したものではない。例示的な実施形態では、論理回路３２２は１つまたは複数のセンサ３２４に通信可能に結合され、１つまたは複数のセンサ３２４は、光センサ、音センサ、電流センサ、電圧センサ、またはこれらの任意の組み合わせを含んでよい。さらに、システム３００は、論理回路３２２に通信可能に結合された１つまたは複数の回路遮断器３２６を含む。
【００１６】
動作中、センサ３２４は、アークフラッシュが電源回路上で発生していることを示す事象を検出する。たとえば、電流センサは、電源回路の導体を通る電流の急激な増加を検出することができ、電圧センサは、電源回路の複数の導体間での電圧の急激な低下を検出することができ、または光センサは、光フラッシュを検出することができる。いくつかの実施形態では、センサ３２４は、アークフラッシュの発生を示す複数の事象が指定の期間内に検出され得るように、電流センサ、電圧センサ、および／または光センサの組み合わせを含む。例示的な実施形態では、センサ３２４は、検出を表す信号を論理回路３２２に送る。いくつかの実施形態では、論理回路３２２は、検出を分析して、その事象がアークフラッシュを示すのか、それとも回路遮断器３２６の作動などの他の何らかの事象を示すのかを判断する。論理回路３２２が、事象がアークフラッシュを示すと判断すると、論理回路３２２は、起動信号をトリガ回路３１６に送る。次に、主アークデバイス３０２が、トリガ回路３１６からプラズマガン１００への電圧パルスまたは電流パルスによってトリガされる。プラズマガン１００は、電圧パルスまたは電流パルスに応答して、アブレーションプラズマ３１８を主ギャップ３０８内に注入し、それによって、主ギャップ３０８のインピーダンスが、主電極３０４と３０６の間の保護アーク３２０を開始できるのに十分なほど低下する。アーク３２０は、アークフラッシュからエネルギーを吸収して、回路遮断器３２６を開き、それによって、アークフラッシュが停止され、電源回路が保護される。本明細書では、「主」という用語は、一般に、アークを用いた、より大きなデバイスの要素を指し、これらの要素をプラズマガン１００の要素と区別する。
【００１７】
図４はアーク消去システム３００の断面図で、図５はアーク消去システム３００の斜視図である。例示的な実施形態では、主アークデバイス３０２およびアブレーションプラズマガン１００は、耐圧ケース３２８内にある。いくつかの実施形態では、ケース３２８は、１つまたは複数の制御された圧力開放用の穴３３０を含む。さらに、ケース３２８は、外側カバー３３２と、アーク３２０によって生じたエネルギーを安全に閉じ込める内部チャンバ３３６を画定する隔離容器または衝撃保護具３３４とを含む。
【００１８】
図６は、システム３００（図３〜５に示される）を組み立てる例示的な方法を示す流れ図４００である。例示的な実施形態では、各主電極３０４および３０６（図３〜５に示される）は、電源回路などの電気回路の異なる部分３１０および３１２（図３および４に示される）に結合される（４０２）。各主電極３０４および３０６の位置によって、空気または他の気体で満たされた主ギャップ３０８（図３および４に示される）が形成される。さらに、アブレーションプラズマガン１００のチャンバ１０４がカップ１０２内に形成され（４０４）、ノズル１１８がカバー１１４内に形成される（４０６）（各要素は図１に示される）。次いで、カバー１１４が、カップ１０２が基部１１６とカバー１１４の間に配置されるように、基部１１６（図１に示される）に取り付けられる（４０８）。あるいは、図２を参照すると、プラズマガン２００は、単一のアブレーション材料から一体形成される。このような一実施形態では、チャンバ２０２は、アブレーション材料から形成され、第１の部分２０４と第２の部分２０６とを含む。
【００１９】
図６を再度参照すると、例示的な実施形態では、ガン電極１２２および１２４（図１に示される）の第１の端部１２６および第２の端部１２８（両方とも図１に示される）はそれぞれ、第１の端部１２６および第２の端部１２８がチャンバ１０４の中心軸から径方向に対向する方向に延びるように、チャンバ１０４内に挿入される（４１０）。次いで、アブレーションプラズマガン１００、あるいはアブレーションプラズマガン２００は、主電極３０４および３０６に対して配置される（４１２）。加えて、ガン電極１２２および１２４は、トリガ回路３１６（図３および４に示される）と信号通信で結合される（４１４）。
【００２０】
アークフラッシュ消去において使用するためのシステム、方法、および装置の例示的な実施形態は、上記で詳細に説明されている。このシステム、方法、および装置は、本明細書において説明される特定の実施形態に限定されるものではなく、システムおよび／または装置の方法および／または構成要素の動作は、本明細書において説明される他の動作および／または構成要素とは別に独立して利用することができる。さらに、説明される動作および／または構成要素はまた、他のシステム、方法、および／または装置内で画定されてもよいし、これらと組み合わせて使用されてもよいし、本明細書において説明されるようなシステム、方法、および記憶媒体のみを用いた実施に限定されない。
【００２１】
本発明は例示的な電源回路環境に関して説明されているが、本発明の実施形態は、多数の他の汎用または特殊目的の電気回路環境または構成と共に使用可能である。電源回路環境は、本発明の任意の態様の使用または機能の範囲に関する限定を示唆することを意図するものではない。さらに、電源回路環境は、例示的な動作環境で示された任意の１つの構成要素または諸構成要素の組み合わせに関連する任意の依存関係または要件を有するように解釈されるべきではない。
【００２２】
本明細書において図示および説明された本発明の実施形態の実行または実施の順序は、特に明記しない限り、重要ではない。すなわち、動作は、特に明記しない限り、任意の順序で実施されてよく、本発明の実施形態は追加の動作を含んでもよいし、本明細書で開示される動作より少なくてもよい。たとえば、別の動作の前、それと同時に、またはその後に、特定の動作を実行または実施することが本発明の態様の範囲内に含まれることが企図されている。
【００２３】
本発明の態様またはその実施形態の要素を紹介するとき、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」および「前記（ｓａｉｄ）」は、要素のうちの１つまたは複数が存在することを意味することが意図されている。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は、包括的であることを意図し、列挙された要素以外の追加の要素が存在してもよいことを意味することを意図するものである。
【００２４】
本書では、いくつかの例を使用して、最良の形態を含めて本発明を開示し、また、すべての当業者が、任意のデバイスまたはシステムを作製および使用し、任意の採用した方法を実施することを含めて本発明を実施することができるようにしている。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の例を含むことができる。このような他の例は、請求項の文言と異ならない構造要素を有する場合、または請求項の文言とのわずかな違いを有する等価な構造要素を含む場合、請求項の範囲内に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００２５】
１００  プラズマガン
１０２  カップ
１０４  チャンバ
１０６  第１の部分
１０８  第２の部分
１１０  第１の直径
１１２  第２の直径
１１４  カバー
１１６  基部
１１８  ノズル
１２０  開放端
１２２  第１のガン電極
１２４  第２のガン電極
１２６  第１の端部（第１のガン電極）
１２８  第２の端部（第２のガン電極）
１３０  アーク
１３２  プラズマ
２００  プラズマガン
２０２  チャンバ
２０４  第１の部分
２０６  第２の部分
２０８  第１の直径
２１０  第２の直径
２１２  開放端
２１４  ノズル
３００  アーク検出および消去システム
３０２  主アークデバイス
３０４  主電極
３０６  主電極
３０８  主ギャップ
３１０  電源回路の電気的に異なる部分
３１２  電源回路の電気的に異なる部分
３１４  バイアス電圧
３１６  トリガ回路
３１８  アブレーションプラズマ
３２０  アーク
３２２  論理回路
３２４  センサ
３２６  回路遮断器
３２８  ケース
３３０  穴
３３２  外側カバー
３３４  衝撃保護具
３３６  内部チャンバ
４００  流れ図
４０２  主電極を電気回路に結合する
４０４  チャンバをカップ内に形成する
４０６  ノズルをカバー内に形成する
４０８  カバーを基部に取り付ける
４１０  ガン電極の第１の端部および第２の端部をチャンバ内に挿入する
４１２  プラズマガンを主電極に対して配置する
４１４  ガン電極をトリガ回路に結合する
【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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