JP2005171812A - 着火方法、及び着火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 超高速流状態の被燃焼流体に対する安定的な着火を実現する。
【解決手段】 被燃焼流体Ｇの流れ方向において、第１のプラズマ点火器２０及び第２のプラズマ点火器３０を所定の距離Ｄ３だけ離隔して配置し、これらの間に被燃焼流体Ｇの低速領域ＬＡを形成するとともに、第１のプラズマ点火器２０の第１のプラズマジェットトーチＰ１による被燃焼流体Ｇの燃焼操作を、第２のプラズマ点火器３０の第２のプラズマジェットトーチＰ２で補償するようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、着火方法、及び着火装置に関する。

次世代宇宙往還機の開発には、超高速流状態の被燃焼流体に対しても安定的に着火することが可能な着火装置の開発が不可欠とされている。このような着火装置の一つとして、以前より、プラズマ点火器の研究開発がなされてきた。しかしながら、このようなプラズマ点火器でも、超音速流状態の被燃焼流体に対しては、前記プラズマ点火器の先端ノズルから噴出させたプラズマジェットトーチが吹き消えてしまい、十分な着火性能を発揮することができないでいた。

このような観点より、特許第２８７３０１３号公報には、プラズマ点火器内に旋回リングを設け、被燃焼流体中にプラズマジェットトーチを旋回流の状態で噴出させたり、前記プラズマジェットトーチを噴出させるノズルをラバルノズルから構成させたりすることによって、前記プラズマジェットトーチを前記被燃焼流体中に十分深く侵入するようにし、前記被燃焼流体の燃焼効果を促進する試みなどがなされている。

しかしながら、このような方法においても、種々の環境条件によっては、超高速流状態の被燃焼流体に対して安定的な着火を実現することができないでいた。

本発明は、超高速流状態の被燃焼流体に対する安定的な着火を実現することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、
先端部にアーク発生電極を有し、このアーク発生電極によって所定の作動流体をプラズマ化し、プラズマ化した前記作動流体を前記先端部に設けられたノズルよりプラズマジェットトーチとして吹き出すように構成された、複数のプラズマ点火器を準備する工程と、
前記複数のプラズマ点火器を、被燃焼流体の流れ方向と直交するようにして配列し、前記プラズマジェットトーチで前記被燃焼流体を燃焼させる工程と、
前記被燃焼流体の上流側に位置する前記プラズマ点火器と、前記被燃焼流体の下流側に位置する前記プラズマ点火器との間に、前記被燃焼流体の低速領域を形成する工程と、
を具えることを特徴とする、着火方法（第１の着火方法）に関する。

また、本発明は、
先端部にアーク発生電極を有し、このアーク発生電極によって所定の作動流体をプラズマ化し、プラズマ化した前記作動流体を前記先端部に設けられたノズルよりプラズマジェットトーチとして吹き出すように構成された、複数のプラズマ点火器を準備する工程と、
前記複数のプラズマ点火器を、被燃焼流体の流れ方向に対して直交するように配列し、前記プラズマジェットトーチで前記被燃焼流体を燃焼させる工程と、
前記被燃焼流体の上流側に位置する前記プラズマ点火器の前記プラズマジェットトーチによる前記被燃焼流体の燃焼操作を、前記被燃焼流体の下流側に位置する前記プラズマ点火器の前記プラズマジェットトーチによって補償する工程と、
を具えることを特徴とする、着火方法（第２の着火方法）に関する。

本発明の第１の着火方法によれば、複数のプラズマ着火器を準備し、被燃焼流体の上流側及び下流側に位置するプラズマ点火器間に、前記被燃焼流体の低速領域を形成するようにしている。したがって、前記低速領域が前記被燃焼流体に対する保炎効果を発揮するようになり、前記被燃焼流体が超高速状態にあっても十分安定的な着火を実現することができる。

また、本発明の第２の着火方法によれば、複数のプラズマ着火器を準備し、被燃焼流体の上流側に位置するプラズマ点火器による前記被燃焼流体の燃焼操作を、前記被燃焼流体の下流側に位置するプラズマ点火器で補償するようにしている。例えば、前記上流側のプラズマ点火器の、プラズマジェットトーチの形成に寄与せずに、そのまま放出された作動流体を、前記下流側に位置するプラズマ点火器のプラズマジェットトーチで燃焼するようにしている。

この結果、装置全体における作動流体の燃焼効率（使用効率）が増大し、より高密度のプラズマジェットトーチが形成されるようになるので、前記被燃焼流体が超高速状態にあっても十分安定的な着火を実現することができる。

なお、上記第１の着火方法及び第２の着火方法は互いに組み合わせることもできる（第３の着火方法）。この場合は、上述した作用効果の相乗効果によって、超高速状態の被燃焼流体のより安定的な着火を実現することができるようになる。

以上説明したように、本発明によれば、超高速流状態の被燃焼流体に対する安定的な着火を実現することができる。

以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、最良の形態に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の着火装置の一例を概略的に示す構成図である。図１に示すように、所定の流路１０内には、被燃焼流体Ｇが左方（上流）から右方（下流）に向かって流れており、流路１０に対して先端部が突出した第１のプラズマ点火器２０及び第２のプラズマ点火器３０が、被燃焼流体Ｇの流れ方向に直交するようにして配列されている。第１のプラズマ点火器２０のノズル２１からは第１のプラズマジェットトーチＰ１が噴出し、第２のプラズマ点火器３０のノズル３１からは第２のプラズマジェットトーチＰ２が噴出している。

（第１の着火方法）
本発明の第１の着火方法においては、第１のプラズマ点火器２０及び第２のプラズマ点火器３０を所定の距離Ｄ１だけ離隔して配置することによって、これらの間に被燃焼流体Ｇの低速領域ＬＡを形成する。この場合、被燃焼流体Ｇが超高速流状態にある場合においても、低速領域ＬＡにおいては比較的低速の状態になるので、この領域にある被燃焼流体Ｇに対しては第１のプラズマジェットトーチＰ１及び第２のプラズマジェットトーチＰ２による着火を十分に行うことができるようになる。

すなわち、低速領域ＬＡは、被燃焼流体Ｇに対して保炎効果を発揮するようになるので、結果として、第１のプラズマジェットトーチＰ１及び第２のプラズマジェットトーチＰ２による安定的な着火を行うことができるようになる。

なお、第１の着火方法において、実用的な第１のプラズマ点火器２０及び第２のプラズマ点火器３０の大きさは、１ｃｍのオーダであるので、これらの間の距離Ｄ１は１
ｃｍ〜５ｃｍとすることが好ましい。これによって、被燃焼流体Ｇに対して十分な保炎効果を発揮すべき、低速領域ＬＡを簡易に形成することができる。

（第２の着火方法）
本発明の第２の着火方法においては、第１のプラズマ点火器２０及び第２のプラズマ点火器３０を所定の距離Ｄ２だけ離隔して配置し、第１のプラズマ点火器２０の第１のプラズマジェットトーチＰ１による被燃焼流体Ｇの燃焼操作を、第２のプラズマ点火器３０の第２のプラズマジェットトーチＰ２で補償するようにする。

具体的には、上流側に位置する第１のプラズマ点火器２０の、第１のプラズマジェットトーチＰ１の形成に寄与せずに、そのまま放出された作動流体を、下流側に位置する第２のプラズマ点火器３０のプラズマジェットトーチで燃焼するようにしている。この結果、図１に示す着火装置全体における作動流体の燃焼効率（使用効率）が増大し、特に下流側に位置する第２のプラズマ点火器３０の、第２のプラズマジェットトーチＰ２の密度が増大するようになり、前記被燃焼流体が超高速状態にあっても十分安定的な着火を実現することができる。

なお、第１のプラズマ点火器２０は、被燃焼流体Ｇに対して通常の燃焼操作を施すものであるので、その作動流体としては、水素、メタン、エチレン及びプロパンの少なくとも一つを用いることができる。

また、第２のプラズマ点火器３０は、第１のプラズマ点火器２０の燃焼操作を補償するためのものであるので、その作動流体としては補助燃焼ガスとしての酸素を含むことができる。

図１に示す着火装置を第２の着火方法として使用する場合、実用的な第１のプラズマ点火器２０及び第２のプラズマ点火器３０の大きさは、１ｃｍのオーダであるので、これらの間の距離Ｄ２は１ｃｍ〜１０ｃｍとすることが好ましい。これによって、第１のプラズマ点火器２０に対する第２のプラズマ点火器３０の補償操作をより効果的に行うことができるようになる。

（第３の着火方法）
本発明の第３の着火方法においては、第１のプラズマ点火器２０及び第２のプラズマ点火器３０を所定の距離Ｄ３だけ離隔して配置することによって、これらの間に被燃焼流体Ｇの低速領域ＬＡを形成するとともに、第１のプラズマ点火器２０の第１のプラズマジェットトーチＰ１による被燃焼流体Ｇの燃焼操作を、第２のプラズマ点火器３０の第２のプラズマジェットトーチＰ２で補償するようにする。

この場合、第１の着火方法における低速領域ＬＡによる保炎効果と、第２の着火方法における、第２のプラズマ点火器３０による第１のプラズマ点火器２０の燃焼操作の補償効果との相乗効果によって、超高速状態にある被燃焼流体に対して十分安定的な着火を実現することができるようになる。

なお、第１のプラズマ点火器２０で使用する作動流体の種類は第２の着火方法で例示したものと同じものを使用することができ、第２のプラズマ点火器３０では補償燃焼ガスとしての酸素を作動流体として使用することができる。

第３の着火方法において、第１のプラズマ点火器２０及び第２のプラズマ点火器３０の実用的な大きさを考慮することにより、距離Ｄ３は１ｃｍ〜１２ｃｍに設定する。

（プラズマ点火器の具体的態様）
図２は、上述した第１のプラズマ点火器２０及び第２のプラズマ点火器３０の、具体的な態様を説明するための図である。

図２に示すように、第１のプラズマ点火器２０及び第２のプラズマ点火器３０は、着火ノズル本体４１と、この着火ノズル本体４１内に作動流体を供給する作動流体供給手段４２と、着火ノズル本体４１内に設けられた、前記作動流体をプラズマ化するためのアーク発生電極４３と、このアーク発生電極４３によりプラズマ化される前記作動流体に旋回流を与えるための旋回リング４４とを有している。

着火ノズル本体４１の先端部にはノズル４６が設けられており、このノズル４６に設けられた噴出口４６Ａから所定のプラズマジェットトーチが噴出するように構成されている。

着火ノズル本体４１内には、アーク発生電極４３の陰極４３Ａを支持する円柱形状の陰極ロッド４５が設けられている。陰極ロッド４５の先端部には、その表面部に高融点酸化膜を促進形成する金属で成形された陰極４３Ａが設けられている。なお、陰極４３Ａは、ハフニウム、ジルコニウム、レニウム、イットリウムなどの金属、あるいはこれらの金属を含む複合材から構成することができる。陰極４３Ａの外方には、陰極４３Ａを漏斗状に囲繞するように形成されたアーク発生電極４３の陽極４３Ｂが設けられている。

さらに、着火ノズル本体４１内には、作動流体供給手段４２と連続した作動流体供給管４７と、一端が開放されることによって供給管４７と連続した冷却管４８と、この冷却管４８と連結した（図面では明示されていない）冷却管４９と、この冷却管４９と連続した作動流体噴出管５０とが設けられている。

作動流体供給手段４２から供給された作動流体は、供給管４７を通じて陰極ロッド４５に至り、冷却管４９を通過することによって陰極ロッド４５（陰極４３Ａ）を冷却する。その後、前記作動流体は冷却管４９を通過することによって陽極４３Ｂを冷却した後、噴出管５０を通り、旋回リング４４で旋回流とした後に、アーク発生電極４３の陰極４３Ａ及び陽極４３Ｂ間に噴出され、プラズマ化された後、ノズル４６の噴出口４６Ａから噴出され、上述したようなプラズマジェットトーチが形成されるようになる。

このような態様によれば、被燃焼流体中にプラズマジェットトーチを旋回流の状態で噴出させることができるので、前記プラズマジェットトーチを前記被燃焼流体中に十分深く侵入するようにし、前記被燃焼流体の燃焼効果を促進することができるようになる。

さらに、ノズル４６をラバルノズルから構成すれば、この場合においても前記プラズマジェットトーチを前記被燃焼流体中に十分深く侵入するようにすることができ、前記被燃焼流体の燃焼効果を促進することができる。

なお、図２に示すプラズマ点火器を、図１の第１のプラズマ点火器２０として使用する場合は、前記作動流体として水素やメタンなどの燃料ガスを用いる。また、図２に示すプラズマ点火器を、図１の第２のプラズマ点火器３０として使用する場合は、前記作動流体として補助燃焼ガスである酸素を用いる。

以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。例えば、上記具体例では、第１のプラズマ点火器２０及び第２のプラズマ点火器３０のみを用いているが、３以上のプラズマ点火器を用いることもできる。

本発明は、航空機や将来型宇宙往還機の強制点火器、及び各種エンジンの点火器などとして用いることができる。

本発明の着火装置の一例を概略的に示す構成図である。 図１に示す着火装置の、プラズマ点火器の具体的な態様を説明するための図である。

符号の説明

１０ （被燃焼流体の）流路
２０ 第１のプラズマ点火器
３０ 第２のプラズマ点火器
２１ 第１のプラズマ点火器のノズル
３１ 第２のプラズマ点火器のノズル
Ｇ 被燃焼流体
Ｐ１ 第１のプラズマジェットトーチ
Ｐ２ 第２のプラズマジェットトーチ
ＬＡ （被燃焼流体の）低速領域

Claims (20)

1. 先端部にアーク発生電極を有し、このアーク発生電極によって所定の作動流体をプラズマ化し、プラズマ化した前記作動流体を前記先端部に設けられたノズルよりプラズマジェットトーチとして吹き出すように構成された、複数のプラズマ点火器を準備する工程と、
   前記複数のプラズマ点火器を、被燃焼流体の流れ方向と直交するようにして配列し、前記プラズマジェットトーチで前記被燃焼流体を燃焼させる工程と、
   前記被燃焼流体の上流側に位置する前記プラズマ点火器と、前記被燃焼流体の下流側に位置する前記プラズマ点火器との間に、前記被燃焼流体の低速領域を形成する工程と、
   を具えることを特徴とする、着火方法。
2. 前記被燃焼流体の前記低速領域を形成すべき、前記被燃焼流体の前記上流側に位置する前記プラズマ点火器と、前記被燃焼流体の前記下流側に位置する前記プラズマ点火器との距離が１ｃｍ〜５ｃｍであることを特徴とする、請求項１に記載の着火方法。
3. 先端部にアーク発生電極を有し、このアーク発生電極によって所定の作動流体をプラズマ化し、プラズマ化した前記作動流体を前記先端部に設けられたノズルよりプラズマジェットトーチとして吹き出すように構成された、複数のプラズマ点火器を準備する工程と、
   前記複数のプラズマ点火器を、被燃焼流体の流れ方向と直交するようにして配列し、前記プラズマジェットトーチで前記被燃焼流体を燃焼させる工程と、
   前記被燃焼流体の上流側に位置する前記プラズマ点火器の前記プラズマジェットトーチによる前記被燃焼流体の燃焼操作を、前記被燃焼流体の下流側に位置する前記プラズマ点火器の前記プラズマジェットトーチによって補償する工程と、
   を具えることを特徴とする、着火方法。
4. 前記被燃焼流体の前記上流側に位置する前記プラズマ点火器の作動流体は、水素、メタン、エチレン及びプロパンの少なくとも一つの燃料ガスを含むことを特徴とする、請求項３に記載の着火方法。
5. 前記被燃焼流体の前記下流側に位置する前記プラズマ点火器の作動流体は、補助燃焼ガスとして酸素ガスを含むことを特徴とする、請求項３又は４に記載の着火方法。
6. 前記被燃焼流体の前記上流側に位置する前記プラズマ点火器に対して、前記被燃焼流体の前記下流側に位置する前記プラズマ点火器は、１ｃｍ〜１０ｃｍ離隔して配置することを特徴とする、請求項３〜５のいずれか一に記載の着火方法。
7. 先端部にアーク発生電極を有し、このアーク発生電極によって所定の作動流体をプラズマ化し、プラズマ化した前記作動流体を前記先端部に設けられたノズルよりプラズマジェットトーチとして吹き出すように構成された、複数のプラズマ点火器を準備する工程と、
   前記複数のプラズマ点火器を、被燃焼流体の流れ方向と直交するようにして配列し、前記プラズマジェットトーチで前記被燃焼流体を燃焼させる工程と、
   前記被燃焼流体の上流側に位置する前記プラズマ点火器と、前記被燃焼流体の下流側に位置する前記プラズマ点火器との間に、前記被燃焼流体の低速領域を形成する工程と、
   前記被燃焼流体の前記上流側に位置する前記プラズマ点火器の前記プラズマジェットトーチによる前記被燃焼流体の燃焼操作を、前記被燃焼流体の前記下流側に位置する前記プラズマ点火器の前記プラズマジェットトーチによって補償する工程と、
   を具えることを特徴とする、着火方法。
8. 前記被燃焼流体の前記上流側に位置する前記プラズマ点火器の作動流体は、水素、メタン、エチレン及びプロパンの少なくとも一つの燃料ガスを含むことを特徴とする、請求項７に記載の着火方法。
9. 前記被燃焼流体の前記下流側に位置する前記プラズマ点火器の作動流体は、補助燃焼ガスとして酸素ガスを含むことを特徴とする、請求項７又は８に記載の着火方法。
10. 前記被燃焼流体の前記上流側に位置する前記プラズマ点火器に対して、前記被燃焼流体の前記下流側に位置する前記プラズマ点火器は、１ｃｍ〜１２ｃｍ離隔して配置することを特徴とする、請求項７〜９のいずれか一に記載の着火方法。
11. 先端部にアーク発生電極を有し、このアーク発生電極によって所定の作動流体をプラズマ化し、プラズマ化した前記作動流体を前記先端部に設けられたノズルよりプラズマジェットトーチとして吹き出すように構成された、複数のプラズマ点火器を具え、
    前記複数のプラズマ点火器は、被燃焼流体の上流側に位置する前記プラズマ点火器と、前記被燃焼流体の下流側に位置する前記プラズマ点火器との間に、前記被燃焼流体の低速領域を形成するようにして、前記被燃焼流体の流れ方向と直交するようにして配列したことを特徴とする、着火装置。
12. 前記被燃焼流体の前記低速領域を形成すべき、前記被燃焼流体の前記上流側に位置する前記プラズマ点火器と、前記被燃焼流体の前記下流側に位置する前記プラズマ点火器との距離が１ｃｍ〜５ｃｍであることを特徴とする、請求項１１に記載の着火装置。
13. 先端部にアーク発生電極を有し、このアーク発生電極によって所定の作動流体をプラズマ化し、プラズマ化した前記作動流体を前記先端部に設けられたノズルよりプラズマジェットトーチとして吹き出すように構成された、複数のプラズマ点火器を具え、
    前記複数のプラズマ点火器は、被燃焼流体の上流側に位置する前記プラズマ点火器の前記プラズマジェットトーチによる前記被燃焼流体の燃焼操作を、前記被燃焼流体の下流側に位置する前記プラズマ点火器の前記プラズマジェットトーチによって補償するようにして、前記被燃焼流体の流れ方向と直交するようにして配列したことを特徴とする、着火装置。
14. 前記被燃焼流体の前記上流側に位置する前記プラズマ点火器の作動流体は、水素、メタン、エチレン及びプロパンの少なくとも一つの燃料ガスを含むことを特徴とする、請求項１３に記載の着火装置。
15. 前記被燃焼流体の前記下流側に位置する前記プラズマ点火器の作動流体は、補助燃焼ガスとして酸素ガスを含むことを特徴とする、請求項１３又は１４に記載の着火装置。
16. 前記被燃焼流体の前記上流側に位置する前記プラズマ点火器に対して、前記被燃焼流体の前記下流側に位置する前記プラズマ点火器は、１ｃｍ〜１０ｃｍ離隔して配置することを特徴とする、請求項１３〜１５のいずれか一に記載の着火装置。
17. 先端部にアーク発生電極を有し、このアーク発生電極によって所定の作動流体をプラズマ化し、プラズマ化した前記作動流体を前記先端部に設けられたノズルよりプラズマジェットトーチとして吹き出すように構成された、複数のプラズマ点火器を具え、
    前記複数のプラズマ点火器は、被燃焼流体の上流側に位置する前記プラズマ点火器と、前記被燃焼流体の下流側に位置する前記プラズマ点火器との間に、前記被燃焼流体の低速領域を形成し、前記被燃焼流体の前記上流側に位置する前記プラズマ点火器の前記プラズマジェットトーチによる前記被燃焼流体の燃焼操作を、前記被燃焼流体の前記下流側に位置する前記プラズマ点火器の前記プラズマジェットトーチによって補償するようにして、前記被燃焼流体の流れ方向と直交するようにして配列したことを特徴とする、着火装置。
18. 前記被燃焼流体の前記上流側に位置する前記プラズマ点火器の作動流体は、水素、メタン、エチレン及びプロパンの少なくとも一つの燃料ガスを含むことを特徴とする、請求項１７に記載の着火装置。
19. 前記被燃焼流体の前記下流側に位置する前記プラズマ点火器の作動流体は、補助燃焼ガスとして酸素ガスを含むことを特徴とする、請求項１７又は１８に記載の着火装置。
20. 前記被燃焼流体の前記上流側に位置する前記プラズマ点火器に対して、前記被燃焼流体の前記下流側に位置する前記プラズマ点火器は、１ｃｍ〜１２ｃｍ離隔して配置することを特徴とする、請求項１７〜１９のいずれか一に記載の着火装置。

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