WO1998007959A1

WO1998007959A1 - Procede et dispositif permettant de concasser un materiau par decharges d'energie electrique pulsee, procede et dispositif permettant de generer des impulsions a haute tension

Info

Publication number: WO1998007959A1
Application number: PCT/JP1997/002888
Authority: WO
Inventors: Tadayuki Hanamoto; Kazuyuki Sajiki; Koichiro Itow
Original assignee: Komatsu Ltd.
Priority date: 1996-08-22
Filing date: 1997-08-20
Publication date: 1998-02-26
Also published as: KR19980018739A; JPH1061371A

Description

明細書パルス電気エネルギー放電による物質の破砕方法、その破砕装置、その高電圧パルス発生方法、及びその高電圧パルス発生装置技術分野

本発明は、岩盤やコンクリ一卜等の物質をパルス電気エネルギーの放電により破砕する方法に関する。背景技術

従来、岩盤やコンクリ一卜等を電気エネルギーの放電により破砕する（以下電気破砕という）方法が、いくつか提案されている。

特開平 4 - 2 2 2 7 9 4号公報においては、ドリル等によって岩石等の固体絶縁物に穴を開け、この穴の中に粘性の有る電解液（例えば硫酸銅電解液）を入れた状態で、この穴の中に同軸状の電極を挿入し、この電極に高電圧パルスを印加している。これにより、電極にプラズマ放電が発生し、このとき放射される電気的エネルギーが岩石を破砕して断片化している。そして、電極の周囲の閉じ込められた領域の中を上記電解液で満たし、プラズマ放電で発生した破壊力を増大させるようにしている。また、高電圧パルスの上昇時間を所定値以下に小さくし、電解液中を放電電流が流れ易くしている。

また、特表昭 6 2 - 5 0 2 7 3 3号公報には、岩石等の物質中に所定距離をおいて 2個以上の異なる穴を開け、各穴に電極を挿入し、異なる穴の電極間でブラズマ放電させることにより、岩石を破砕している。このとき、極めて短い時間でパルス状に高電圧エネルギーが岩石に加えられることにより、破砕が行われる。し力、しな力ら、いずれの公報においても、破砕用の電極を挿入するための穴を予め別の手段（例えばドリルなど）により開ける必要がある。このため、実際に電気破砕を行う際は、穴開け用の手段と破碎用の装置を別に準備する必要があり、段取り替え等に工数を要するため作業性があまり良くないという問題がある。また、特表昭 6 2 - 5 0 2 7 3 3号公報では、電気破砕を効率的に行うために、印加する高電圧パルスの上昇時間を所定時間以内にする必要があるとしている。しかし、実用的に電気破砕を行うには、大量の物質を短時間の内に破砕することが求められており、さらに効率的な方法が要求されている。従って、上記のように高電圧パルスの上昇時間を短時間にして岩石等が破砕され易くすると共に、広い範囲において大量に破砕が行われるようにするため、岩石等に投入する電気エネルギー量を増大させる必要がある。

発明の開示

本発明は、かかる従来の問題点に着目してなされたもので、電気破砕時の予備穴掘削及び破砕の作業性が良く、且つ電気破砕を効率的に実施できるパルス電気エネルギー放電による物質の破砕方法、その破砕装置、その高電圧パルス発生方法、及びその高電圧パルス発生装置を提供することを目的としている。本発明に係るパルス電気エネルギー放電による物質の破砕方法の第 1発明は、破砕対象の物質に設けた予備穴に電極を挿入し、この電極の周囲を溶液で満たし、この電極に高電圧パルスを印加し、この電極での放電電流により前記物質を破砕するパルス電気エネルギー放電による物質の破砕方法において、予備穴掘削用の前記電極により放電電流を流して前記物質に予備穴を開けた後、この予備穴に破砕用の前記電極を挿入し、この破砕用の電極で放電電流を流して前記物質を破砕している。

これにより、予備穴の掘削及びこの予備穴を使用した破砕を共にパルス電気工ネルギー放電による電気破砕で行うので、効率的な破砕が可能となる。

第 2発明は、第 1発明の破砕方法において、前記予備穴掘削時には前記物質中に放電電流を流し、また、前記破砕時には前記溶液の中に放電電流を流している。これにより、予備穴掘削時には破砕対象の物質中に放電電流を流すので、この物質が効率よく、深く掘削される。また、破砕時には電極周囲の溶液中に放電電流を流すので、これにより衝撃波が発生し、この衝撃波が破砕対象物質を広範囲に破砕する。この結果、パルス電気エネルギー放電による電気破砕を効率的に行うことが可能となる。

第 3発明は、第 1発明の破砕方法において、前記予備穴掘削時と破砕時とで、前記高電圧パルスの上昇時間を変化させることにより、放電電流を前記物質中又は溶液の中のいずれに流すかを選択して L、る。

このように、高電圧パルスの上昇時間により破砕対象物質の絶縁耐圧と溶液の絶縁耐圧の大きさが入れ換わる特性を利用しており、上昇時間を変化させることで、放電電流が破砕対象物質中を流れるか、又は溶液中を流れるかを選択できる。したがって、予備穴掘削時には破砕対象物質中に放電電流が流れるので、この物質が効率よく、深く掘削される。また、破砕時には電極周囲の溶液中に放電電流が流れるので、衝撃波が破砕対象物質を広範囲に破砕する。この結果、電気破砕を効率的に行うことができる。

第 4発明は、第 1発明の破砕方法において、前記予備穴掘削時には前記電極の先端部を前記物質に接触させてこの物質中に放電電流を流し、また、破砕時には前記電極の先端部を前記物質から離して溶液の中に放電電流を流している。このように、電極の先端部を破碎対象物質に接触させることにより、この物質中に放電電流が流れるので、予備穴掘削時に深く掘削できる。また、電極の先端部を破砕対象物質から離して溶液中に放電電流を流すことにより衝撃波が発生し、この衝撃波で破砕対象物質が広範囲に破砕される。この結果、電気破砕を効率的に ί亍える。

第 5発明は、第 1発明の破砕方法において、前記予備穴掘削時には、前記電極を少なくとも 2個以上使用して前記予備穴 (4) を少なくとも 2個以上開け、前記破砕時には、これら異なる 2個以上の予備穴にそれぞれ前記電極を挿入し、これら異なる電極間に高電圧パルスを印加している。

このように、少なくとも 2個以上の電極で予備穴を同時に開け、この異なる予備穴に挿入した異なる電極間で放電させることにより、予備穴間及びその周辺を広範囲に破砕することができる。

本発明に係るパルス電気エネルギー放電による物質の破碎装置の第 6発明は、破砕対象の物質に開けた予備穴に揷入される電極と、この電極の周囲を満たす溶液と、この電極に高電圧パルスを印加するパルス発生装置とを備え、この電極での放電電流により前記物質を破砕する、。ルス電気工ネルギ一放電による物質の破砕装置において、予備穴掘削用の前記電極と、破砕用の前記電極とを備えている。このように、予備穴掘削用の電極及び破砕用の電極を使用して、それぞれ予備穴掘削及び破砕をパルス電気エネルギー放電による電気破砕で行うので、効率的な破砕ができる。

第 7発明は、第 6発明の破砕装置において、それぞれ異なる上昇時間の前記高電圧パルスを出力する予備穴掘削用及び破枠用のパルス発生装置を備えている。このように、高電圧パルスの上昇時間により破砕対象物質の絶縁耐圧と溶液の絶縁耐圧の大きさが入れ換わる特性を利用している。この上昇時間が異なる高電圧パルスを出力する予備穴掘削用及び破砕用のパルス発生装置によって、電極に放電電流を流す。これにより、予備穴掘削時に破砕対象物質中に放電電流が流れるので、この物質が効率よく、深く掘削される。また、破砕時に電極周囲の溶液中に放電電流が流れるので、このときの衝撃波が破砕対象物質を広範囲に破砕する。この結果、電気破砕を効率的に行うことができる。

第 8発明は、第 6発明の破砕装置において、予備穴掘削用及び破砕用のそれぞれの前記電極とパルス発生装置とを、前記予備穴掘削時及び破砕時に共用していこのように、予備穴掘削用及び破砕用の電極とパルス発生装置とを予備穴掘削時及び破砕時に共用するので、さらに効率的な破砕ができる。この場合、パルス発生装置の出力波形を、予備穴掘削用と破砕用とで切り換えること等で可能とな。

第 9発明は、第 6発明の破砕装置において、少なくとも 2個以上の前記予備穴を同時に開ける少なくとも 2個以上の予備掘削用の前記電極と、これら 2個以上の異なる予備穴に挿入され、且つその間に前記高電圧パルスが印加される少なくとも 2個以上の破砕用の前記電極とを備え、これら異なる 2個以上の予備穴に揷入された前記電極間に放電電流を流して物質を破砕する。

このように、少なくとも 2個以上の電極で予備穴を同時に開け、この異なる予備穴に挿入した異なる破砕用電極間で放電させることにより、予備穴間及びその周辺を広範囲に破砕することができる。

本発明に係る高電圧パルス発生方法の第 1 0発明は、電極に高電圧パルスを印加し、この電極での放電電流により破砕対象の物質を掘削又は破碎するパルス電気エネルギー放電による物質破砕の高電圧パルス発生方法において、互いに異なる容量を有する少なくとも 2個のコンデンサに、異なる端子電圧値でそれぞれェネルギ一を蓄積し、高電圧で蓄積された側の前記コンデンザのエネルギーを物質の絶縁破壊時の放電初期に前記電極で放電させた後、これより低電圧で蓄積された側の前記コンデンサのエネルギーを継続して放電させている。

このように、破壊対象物質の絶縁破壤時の放電初期には、高電圧で蓄積したコンデンザのエネルギーを放電して放電し易いようにする。その後、より低電圧で蓄積した、より大容量のエネルギーを放電することによって、破砕に必要な大きなエネルギーを投入することができる。したがって、電気破砕を効率的に行うことが可能となる。

本発明に係る高電圧パルス発生装置の第 1 1発明は、電極に高電圧パルスを印加し、この電極での放電電流により破砕対象の物質を掘削又は破砕するパルス電気エネルギー放電による物質破砕の高電圧パルス発生装置において、異なる出力電圧値を有する 2個の直流電源と、これら 2個の直流電源の内の高い電圧電源からエネルギーが蓄積される第 1のコンデンサと、これより低い電圧電源からエネルギ一が蓄積され、この第 1のコンデンサの容量より大きな容量を有する第 2のコンデンザと、これら第 1又は第 2のコンデンサに蓄積されたエネルギーを前記電極で放電させる少なくとも 2個以上のトリガスィツチ回路とを備えている。このように、互いに異なる容量を有するコンデンサを備え、容量が小さい方の第 1のコンデンサには高電圧電源からエネルギーを蓄積し、容量が第 1のコンデンサより大きい第 2のコンデンザには電圧がより低、方の電源からエネルギーを蓄積する。破壊対象物質の絶縁破壊時の放電初期には、高電圧で蓄積したコンデンサのエネルギーをトリガスィツチ回路を介して放電するので、放電し易くなる

。その後、より低電圧で蓄積した、より大容量のエネルギーを他の卜リガスイツチ回路によって放電するので、破砕に必要な大きなエネルギーを投入することができる。したがって、電気破砕を効率的に行うことが可能となる。

本発明に係る高電圧パルス発生装置の第】 2発明は、電極に高電圧パルスを印加し、この電極での放電電流により破砕対象の物質を掘削又は破砕するパルス電気エネルギー放電による物質破砕の高電圧パルス発生装置において、異なる出力電圧値を有する 2個の直流電源と、これら 2個の直流電源の内の低い電圧電源のエネルギーを前記電極から直接放電させる手段と、これより高い電圧電源からェネルギ一が蓄積されるコンデンサと、このコンデンサに蓄積されたエネルギーを前記電極で放電させるトリガスィツチ回路とを備えている。

このように、電圧が高 ^、方の直流電源からコンデンサにエネルギーを蓄積する。破壊対象物質の絶縁破壊時の放電初期には、このコンデンサのエネルギーを卜リガスイッチ回路を介して放電するので、放電し易くなる。その後、電圧が低い方の直流電源のエネルギーを電極から直接放電させる手段（例えば、抵抗等）を介して放電するので、破砕に必要な大きなエネルギーを投入することができる。したがって、電気破砕を効率的に行うことが可能となる。図面の簡単な説明

図 1は本発明に係る第 1実施形態の破砕装置の構成図を示す。

図 2は第 1実施形態の破砕装置に係る予備穴掘削時の作用説明図である。

図 3は第 1実施形態の破砕装置に係る破砕時の作用説明図である。

図 4は第 2実施形態のパルス発生装置の回路構成図を示す。

図 5は図 4のパルス発生装置の出力電圧波形図の例である。図 6は図 4のパルス発生装置の出力電圧波形図の他の例である。

図 7は本発明に係るパルス電圧の上昇時間と各種絶縁物の絶縁耐圧との関係を示す図表である。

図 8は第 3実施形態のパルス発生装置の回路構成図を示す。

図 9は図 8のパルス発生装置の出力電圧波形図である。

図 1 0は第 3実施形態における電極の使用方法例の説明図である。

図 1 1は第 3実施形態における他の電極の使用方法例の説明図である。

図 1 2は本発明の第 4実施形態のパルス発生装置の回路構成図を示す。

図 1 3は図 1 2のパルス発生装置の出力電圧波形図である。

図 1 4は第 5実施形態における電極の使用方法例の説明図である。

図 1 5は第 5実施形態における他の電極の使用方法例の説明図である。発明を実施するための最良の形態

本発明に係る各実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

先ず、第 1実施形態を図 1〜図 3に基づいて説明する。電極 1は、図 1に示すように予備穴掘削及び本破砕に兼用される電極で、パルス発生装置 1 0に接続されている。パルス発生装置 1 0は、所定の出力波形を有する高電圧パルスを出力する。電極 1は円筒形状の負極 3と、負極 3の中心軸に沿って設けられた正極 2 とからなり、正極 2と負極 3間は絶縁体によって絶縁されている。負極 3の内部は中空状態でもよいし、あるいは絶縁体によって満たされていてもよい。この正極 2及び負極 3は、それぞれパルス発生装置 1 0に接続されている。電極 1の先端部の周囲は、所定の絶縁抵抗を有する溶液 9により囲まれている。

図 2及び図 3は本実施形態の作用の説明図であり、それぞれ予備穴掘削時と破砕時を表している。予備穴掘削時は、図 2に示すように電極 1の先端部を岩石等の表面に接触させて高電圧パルスを印加している。このとき、正極 2と負極 3間に流れる放電電流は岩石中を流れるので、確実に岩石の穴を掘削することが可能である。この放電電流は電極 1の近傍のみに流れるので、掘削された穴は電極 1 の外形と略同様の形状をした穴となる。したがって、この穴を予備穴 4として使用することができる。破砕時は、図 3に示すように電極 1の先端部をこの予備穴 4の底面から離し、予備穴 4の中に満たされた溶液 9中で放電させる。このときは、放電電流が溶液 9の中を流れることにより衝撃波が発生し、この衝撃波は溶液 9の中を伝搬して予備穴 4の側面方向に広がり、この衝撃波のエネルギーで岩石を広範囲に破砕する。したがって、破砕を効率的に行うことができる。

次に、第 2実施形態を図 4〜図 7に基づいて説明する。本実施形態では、高電圧パルスの上昇時間を制御することにより、放電電流の流れる経路を制御する例を示している。

電源 1 1は、図 4に示すように所定の直流高電圧を所定の繰り返し周波数で出力しており、この出力は抵抗 1 2を介してコンデンサ 1 3に印加される。また、コンデンサ 1 3の端子電圧は、卜リガスイッチ回路 1 4を介してコンデンサ 1 5 に印加されている。卜リガスィツチ回路 1 4は、例えばサイラ卜口ン管等の高電圧及び高電流用のスィッチと、インダクタンス（コイル）とから構成されている。さらに、コンデンサ 1 5の端子電圧は磁気スィッチ 1 6を経由してコンデンサ 1 7に、また、コンデンサ 1 7の端子電圧は磁気スィッチ 1 8を経由してコンデンサ 1 9に印加されている。ここで、磁気スィツチ 1 6、コンデンサ 1 7、磁気スィッチ 1 8、及びコンデンサ 1 9はパルス圧縮回路を構成しており、入力されるパルス電圧の立ち上がり時の上昇時間を短時間にし、急峻にパルス電圧を変化させるようになっている。

このパルス圧縮回路の出力側には、出力切り換えスィッチ 2 0が設けられており、この出力切り換えスィッチ 2 0の共通端子は電極 1の正極 2に接続されている。出力切り換えスィッチ 2 0の 2つの出力端子の内のいずれか一^ 3は、コンデンサ 1 5の出力に接続されており、他の出力の端子はコンデンサ 1 9の出力に接続されている。そして、この出力切り換えスィッチ 2 0によって、コンデンサ 1 5の端子電圧とコンデンサ 1 9の端子電圧が選択され、電極 1の正極 2に印加される。各コンデンサ 1 3、 1 5、 1 7、 1 9の他端、及び電極 1の負極 3は、それぞれ電源 1 1の負極端子に接続されている。

ここで、磁気スィッチ 1 6、 1 8は磁気的に電流をスィッチできるものであり、通常、磁気スィッチ 1 6、 1 8を流れる電流値が小さい間は未飽和状態にあつて、その未飽和インダク夕ンスは非常に大きくなつている。また、磁気スィッチ 1 6、 1 8を流れる電流値が所定値以上に大きくなると、飽和状態になってこのィンダクタンスは非常に小さくなる。

このような構成のパルス発生装置 1 0によると、以下のようにして、ヒ昇時間が短いパルス電圧波形を得ることができる。

先ず、電源 1 1が所定時間（繰り返し周期時間）の間に抵抗 1 2を介してコンデンサ 1 3に所定電圧で電荷を蓄積する。次に、卜リガスィッチ回路 1 4のスィツチが〇Nし、コンデンサ 1 3に蓄積された電荷はこのトリガスィッチ回路 1 4 を経由してコンデンサ 1 5に移行する。このとき、卜リガスイッチ回路 1 4内の前記コイルとこれらのコンデンサ 1 3、 1 5とによって構成される L C発振回路の固有発振周波数で決まる周期時間の半周期の間に、上記電荷の移行は完了する。磁気スィッチ 1 6の未飽和インダクタンスの大きさ力く、上記半周期の間は、卜リガスィツチ回路 1 4内の前記コイルのィンダク夕ンスより大きくなるように設定されているので、コンデンサ i 3の電荷は殆ど全部コンデンサ 1 5に移行する。そして、電荷移行完了時、コンデンサ 1 5の端子電圧はピーク値に達する。この後、磁気スィツチ 1 6を流れる電流値が大きくなって飽和状態に達するようになつている。磁気スィッチ 1 6の飽和状態でのインダクタンスの大きさは卜リガスィツチ回路 1 4内の前記コイルのィンダクタンスより非常に小さくなるように設定されているので、次の半周期にはコンデンサ 1 5の電荷はコンデンサ 1 3に戻らずに、磁気スィッチ 1 6を経由してコンデンサ 1 7に移行する。このとき、磁気スィツチ 1 6の飽和ィンダクタンスとコンデンサ 1 5、 1 7とによって構成される L C発振回路の発振周期時間の半周期の間に、上記電荷の移行は完了する。この場合も、同様にして、磁気スィッチ 1 8の未飽和インダクタンスの大きさ力く、上記半周期の間は、磁気スィッチ 1 6の飽和インダクタンスより大きくなるように設定されているので、コンデンサ 1 5の電荷はほとんど全部コンデンサ 1 7に移行する。そして、電荷移行完了時、コンデンサ 1 7の端子電圧はピ一ク値に達する。

以後、上記と同様にして、磁気スィッチ〗 8の飽和インダクタンスの大きさは磁気スィツチ 1 6の飽和ィンダクタンスより非常に小さくなるように設定されているので、次に半周期にはコンデンサ 1 7の電荷はコンデンサ 1 5に戻らずに、磁気スィッチ 1 8を経由してコンデンサ 1 9に移行する。このとき、磁気スイツチ 1 8の飽和ィンダクタンスとコンデンサ 1 7、 1 9とによって構成される L C 発振回路の発振周期時間の半周期の間に、上記電荷の移行は^了する。コンデンサ 1 3、 1 5、 1 7、 1 9の大きさがそれぞれ等しいとすると、コンデンサ 1 3の電荷が順次次段のコンデンサ 1 5、 1 7、 1 9に移行するときの半周期時間は短くなつて行く。したがって、コンデンサ 1 5に電荷が蓄積されるときの電圧の上昇時間よりも、コンデンサ 1 9に電荷が蓄積されるときの電圧の上昇時間の方が短くなる。図 5及び図 6は、このときのコンデンサ 1 5及びコンデンサ 1 9 の電圧波形を表している。このようにして、パノレス圧縮回路によって、パルス電圧の立ち上がりを速くすることができる。

そして、出力切り換えスィッチ 2 0により、コンデンサ 1 5の電圧とコンデンサ 1 9の電圧を切り換えて、電極 1に印加するパルス電圧の上昇時間を選択することが可能となる。さらに、パルス電圧の上昇時間を切り換えることによって、以下の理由から、溶液 9の中で放電させるか、あるいは、岩石中で放電させるかを選択可能となる。このことは、第 1実施形態と同じく、同一の電極 1を使用して予備穴 4を掘削したり、本破砕を行うことができることを意味している。図 7は、印加パルス電圧の上昇時間と、このパルス電圧を印加したときの各絶縁物の絶縁耐圧との一般的な関係を示している。ここで、横軸は印加パルス電圧の上昇時間（通常、パルス電圧の最大値の 1 0 %から 9 0 %まで上昇するのに要する時間）を、縦軸は絶縁耐圧を表しており、また横軸を対数目盛りとした片対数で表している。同図において、曲線 4 1、 4 2、 4 3はそれぞれ水、大理石、砂岩の特性を表している。同図でも分かるように、溶液 9として例えば水を使用した場合、大理石や砂岩等の岩石の絶縁耐圧は、パルス電圧の上昇時間が短いとき、水よりも小さい絶縁耐圧を有している。したがって、このときは、溶液（水 ) よりも岩石の方に放電電流が流れ易くなり、よって、岩石に予備穴 4を掘削したり、あるいは、岩石を深く破砕するのに適している。また、上記において、パルス電圧の上昇時間が長いとき、大理石や砂岩等の岩石の絶緣耐圧は水よりも大きい絶縁耐圧を有している。したがって、このときは、岩石より溶液（水）の方に放電電流が流れ易くなり、よって、溶液の衝撃波により広範囲に破砕するのに適している。

以上のように、同一の溶液 9を使用している場合でも、印加するパルス電圧の上昇時間と、この上昇時間に対する、破砕の対象としている岩石等の成分の絶縁耐圧と、溶液 9の絶縁耐圧との関係から、印加するパルス電圧の上昇時間を変化させることによって放電電流の経路を選択できる。これが、本発明により、溶液 9の中で放電させるか、あるいは、岩石中で放電させるかが選択可能となる理由である。

なお、本実施形態では、一台のパルス発生装置 1 0内に、異なった上昇時間を有するパルス波形を発生させることができる回路をいくつか備え、この出力回路を切り換えることによつて高電圧パルスの上昇時間を変えている例を示している。しかし、構成としてはこれに限定されずに、例えば、異なった上昇時間を有するパルス波形を発生させるパルス発生装置をそれぞれ別々に設け、この出力電圧を予備穴掘削時と破砕時とで切り換えるようにしてもよい。この際に、電極も、予備穴掘削用と破砕用とで異なつた電極としてもよいし、同一の電極を共用しても構わない。

次に、第 3実施形態を図 8及び図 9に基づいて説明する。本実施形態は、パルス電圧波形を変化させて投入エネルギーを増大させている。

各電源 2 1、 3 1は、図 8に示すようにそれぞれ所定の電圧 V I 、 V 2 を出力する直流電源である。ここで、所定電圧 V I 、 V2 は数式 V I < V2

を満足するように、例えば V I - 3 0 K V . V 2 二 2 0 0 K Vに設定している。電源 2 1の出力は、抵抗 2 2を介してコンデンサ 2 3に印加され、コンデンサ 2 3の出力電圧はトリガスィッチ回路 2 4を介してコンデンサ 2 5に印加される。コンデンサ 2 5の出力電圧は、コイル 2 6を介して電極 1の正極 2に印加される。また、電源 3 1の出力は抵抗 3 2を介してコンデンサ 3 3に印加され、コンデンサ 3 3の出力電圧は、トリガスィッチ回路 3 4を介してコンデンサ 3 5に印加される。そしてコンデンサ 3 5の出力電圧も、正極 2に印加される。なお、各コンデンサ 2 3、 2 5の容量は、各コンデンサ 3 3、 3 5より大きなものとする。また、各トリガスィッチ回路 2 4、 3 4には、第 2実施形態と同様に、例えばサイラトロン等で構成されるスィツチと、所定のインダクタンスを有するコイルとの直列回路が設けられている。

図 9は上記構成のパルス発生装置 1 0からの出力電圧波形を表しており、同図を参照して本実施形態での作用を説明する。

電源 2 1から電圧 V I が出力されると、所定時間後にコンデンサ 2 3の端子電圧が略 V I と等しくなり、所定量の電荷がコンデンサ 2 3に蓄積される。また、電源 3 1から電圧 V2 が出力されると、所定時間後にコンデンサ 3 3の端子電圧が略 V 2 と等しくなり、所定量の電荷がコンデンサ 3 3に蓄積される。そして、トリガスィツチ回路 2 4のスィツチが O Nすると、コンデンサ 2 3の電荷がコンデンサ 2 5に移行し、コンデンサ 2 5の端子電圧が略 V I に達する。このとき、トリガスィツチ回路 2 4内の前記コイルのィンダクタンスがコイル 2 6のィンダクタンスより小さくなるように設定されているので、コンデンサ 2 3の略全ての電荷は、各コンデンサ 2 3、 2 5の容量とトリガスィッチ回路 2 4内の前記コィルのィンダクタンスとによって決まる固有発振周期時間でもって、コンデンサ 2 5に移行する。

次に、コンデンサ 2 5の端子電圧が略 V I に達したとき、トリガスィッチ回路 3 4のスィツチが O Nすると、コンデンサ 3 3の電荷がコンデンサ 3 5に移行し、コンデンサ 3 5の端子電圧が V 2 になる。このとき、トリガスィッチ回路 3 4 内の前記コイルのィンダクタンスがコイル 2 6のィンダク夕ンスより小さくなるように設定されているので、コンデンサ 3 3の略全ての電荷は、コンデンサ 3 5 に移行する。各コンデンサ 3 3、 3 5の容量は、各コンデンサ 2 3、 2 5の容量より小さいので、トリガスィッチ回路 2 4、 3 4内の前記各コイルのインダクタンスが等しいとすると、上記のコンデンサ 3 5への電荷の移行時間は前述のコンデンサ 2 5への移行時間よりも速くなる。したがって、コンデンサ 3 5の端子電圧の立ち上がり速度が速くなる。この結果、正極 2と負極 3間にピーク電圧値 ( V 2 と等しい）が高く、且つ上昇時間が短いパルス電圧が印加されることになり、絶縁破壊が起こり易くなる。

上記のように、コンデンサ 3 5の電荷によって放電が開始した後、コンデンサ 3 5の端子電圧が低下して来ると、コンデンサ 2 5の電荷がコイル 2 6を経由して所定の発振周期時間でもってコンデンサ 3 5に移行するようになる。これによつて、コンデンサ 2 5の電荷が上記のピーク電圧パルスの放電より時間をかけてゆつくりと電極 1から放電される。コンデンサ 2 5の容量はコンデンサ 3 5より大きいので、コンデンサ 2 5に蓄積された電荷量（エネルギー）は大きく、したがって、岩石に投入する放電エネルギーが増大される。この結果、広範囲の岩石を破碎すること可能となり、効率的な電気破砕ができる。

このときの電極 1の使用方法を、図 1 0及び図 1 1に示す。ここでは、電極 1 の各正極 2及び負極 3の形状が棒状となっている例を示している。図 1 0のように、パルス発生装置 1 0に接続された電極 1の正極 2及び負極 3を、溶液 9で満たした一つの予備穴 4内に所定距離をおいて挿入する。このとき、溶液 9で放電させることにより衝撃波を発生させ、予備穴 4を中心にして広範囲に大量に破砕することができる。あるいは、図 1 1のように少なくとも二つ以上の異なる予備穴 4 , 4内に正極 2及び負極 3を別々に挿入し、この正極 2と負極 3の間にパルス発生装置 1 0を接続してもよい。これにより、正極 2と負極 3の間の岩石等に電流が流れ、本破砕が行われる。この場合、本実施形態で説明したパルス発生装置 1 0によると、立ち上がりの早い高電圧パルスで岩石等の絶縁が破壊された後、ゆっくりした放電時間で大量のエネルギーが岩石に投入される。したがって、電気破砕の破壊力を増大させることができる。

次に、第 4実施形態を図 1 2及び図〗 3に基づいて説明する。なお、図 1 2において図 8の構成部品と同じ構成には、同一の符号を付して説明を省略する。各電源 2 し 3 1の出力電圧 V I 、 V 2 は、前記问様に数式

V】 < V 2

を満足するように設定している。電源 2 1の出力は、抵抗 2 7を介してコンデンサ 3 5に印加され、コンデンサ 3 の出力電圧は電極 1の正極 2に印加される。また、電源 3 1の出力は抵抗 3 2を介してコンデンサ 3 3に印加され、コンデンサ 3 3の出力電圧はトリガスィツチ回路 3 4を介してコンデンサ 3 5に印加される。

図 1 3は上記のパルス発生装置 1 0の出力電圧波形を示しており、同図を参照して本実施形態の作用を説明する。電源 2 1から電圧 V I が出力されると、抵抗 2 7を経由してコンデンサ 3 5に電流が流れ、所定時間後にコンデンサ 3 5の端子電圧が略 V I と等しくなり、所定量の電荷がコンデンサ 3 5に蓄積される。このとき、正極 2と負極 3間の電圧は上記電圧 V I と等しくなる力電圧が低いので、まだ放電を開始していない。また、電源 3 1力、ら電圧 V 2 が出力されると、所定時間後にコンデンサ 3 3の端子電圧が略 V 2 と等しくなり、所定量の電荷がコンデンサ 3 3に蓄積される。次に、トリガスィッチ回路 3 4のスィッチが O N すると、コンデンサ 3 3の電荷がコンデンサ 3 5に移行し、コンデンサ 3 5の端子電圧が V 2 に上昇する。このとき、トリガスィッチ回路 3 4内の前記コイルのィンダクタンスが抵抗 2 7より小さくなるように設定されているので、コンデンサ 3 3の略全ての電荷は、コンデンサ 3 5に移行する。各コンデンサ 3 3、 3 5 の容量を十分に小さくしているので、コンデンサ 3 5への電荷の移行時問は短時間となる。したがって、コンデンサ 3 5の端子電圧の立ち上がり速度が速くなる。この結果、正極 2と負極 3間にピーク電圧値が V 2 と等しく、力、つ、上昇時間が短いパルス電圧が印加され、絶縁が破壊されて放電が開始される。

このように、コンデンサ 3 5の電荷によって放電が開始した後、コンデンサ 3 5の端子電圧が低下して来ると、電源 2 1から抵抗 2 7を介してコンデンサ 3 5 に電荷が蓄積される。正極 2と負極 3間の絶縁が破壊されているので、コンデンサ 3 5の端子電圧が V I になっても、放電は継続される。これによつて、上記のピーク電圧パルスの放電より時間をかけてゆつくりと、電源 2 1からの電荷が電極 1から放電される。これにより、岩石に投入する放電エネルギーが増大される。この結果、広範囲の岩石を破砕すること可能となり、効率的な電気破砕ができる。

次に、第 5実施形態によって、複数の予備穴を掘削して広範囲に破碎を行う例を、図 1 4及び図 1 5に基ずいて説明する。

先ず、複数の予備穴 4 , 4を図 1 4に示すように掘削する。このとき、同一の電極 1を繰り返し使って掘削してもよいし、あるいは、少なくとも 2個以上の電極 1， 1 と、各電極 1， 1にそれぞれ接続されたパルス発生装置 I Q , 1 0とを使用して同時に掘削してもよい。

また、図 1 5に示すように、 2つの予備穴 4， 4内にそれぞれ別々の破砕用の電極 1 a , 1 bを挿入する。このとき、破砕用の各電極 1 a , 1 bと各パルス発生装置 1 0 a , 1 0 bとの間には各切り換えスィッチ 4 5、 4 6を設け、り換ぇスィツチ 4 5により一方の電極 1 aの負極 3 aとパルス発生装置 1 0 aの負極間を切断可能とし、切り換えスィッチ 4 6により他方の電極 1 bの正極 2 bとパルス発生装置 1 0 bの正極間を切断可能としている。破砕時には、各切り換えスイッチ 4 5、 4 6を共に O F Fしておき、いずれか一方のパルス発生装置 1 0 a から高電圧パルスを出力すると、電極 1 aの正極 2 aと電極 1 bの負極 3 b間で放電電流が流れる。これによつて、両予備穴間の岩石等の中を放電電流が流れるので、広範囲で大量の物質の破砕が可能となる。産業上の利用可能性

本発明は、電気破砕時の予備穴掘削及び破砕の作業性が良く、 11つ電気破砕を効率的に実施できるパルス電気エネルギー放電による物質の破砕方法、その破砕装置、その高電圧パルス発生方法、及びその高電圧パルス発生装置として有用である。

Claims

請求の範囲

1 . 破碎対象の物質に設けた予備穴 (4) に電極を挿入し、この電極の周囲を溶液 (9) で満たし、この電極に高電圧パルスを印加し、この電極での放電電流により前記物質を破砕するパルス電気エネルギー放電による物質の破砕方法において、予備穴掘削用の前記電極により放電電流を流して前記物質に予備穴 (4 ) を開けた後、この : T'備穴に破砕用の前記電極を挿入し、この破砕用の電極で放電電流を流して前記物質を破砕することを特徴とするパルス電気エネルギー放電による物質の破砕方法。

2 . 前記予備穴掘削時には前記物質中に放電電流を流し、また、前記破砕時には前記溶液（9) の中に放電電流を流すことを特徴とする請求の範囲 1記載のパルス電気エネルギー放電による物質の破砕方法。

3 . 前記予備穴掘削時と破砕時とで、前記高電圧パルスの上昇時間を変化させることにより、放電電流を前記物質中又は溶液（9) の中のいずれに流すかを選択することを特徴とする請求の範囲 1記載のパルス電気エネルギー放電による物質の破砕方法。

4 . 前記予備穴掘削時には前記電極の先端部を前記物質に接触させてこの物質中に放電電流を流し、また、破砕時には前記電極の先端部を前記物質から離して溶液（9) の中に放電電流を流すことを特徴とする請求の範囲 1記載のパルス電気工ネルギ一放電による物質の破砕方法。

5 . 前記予備穴掘削時には、前記電極を少なくとも 2個以上使用して前記予備穴 (4) を少なくとも 2個以上開け、前記破砕時には、これら異なる 2個以上の予備穴にそれぞれ前記電極を揷入し、これら異なる電極間に高電圧、。ルスを印加することを特徴とする請求の範囲 1記載のパルス電気エネルギー放電による物質の破砕方法。

6 . 破砕対象の物質に開けた予備穴 (4) に挿入される電極と、この電極の周囲を満たす溶液（9) と、この電極に高電圧パルスを印加するパルス発生装置（10)とを備え、この電極での放電電流により前記物質を破砕するパルス電気エネルギー放電による物質の破砕装置において、

予備穴掘削用の前記電極と、破砕用の前記電極とを備えたことを特徴とするパルス電気エネルギー放電による物質の破砕装置。

7 . それぞれ異なる上昇時間の前記高電圧パルスを出力する予備穴掘削用及び破砕用のパルス発生装置（10)を備えたことを特徴とする請求の範囲 6 載のパルス電気エネルギー放電による物質破砕装置。

8 . 予備穴掘削用及び破砕用のそれぞれの前記電極とパルス発生装置（10)とを、前記予備穴掘削時及び破砕時に共用することを特徴とする請求の範囲 6記載のパルス電気エネルギー放電による物質の破碎装置。

9 . 少なくとも 2個以上の前記予備穴（4) を同時に開ける少なくとも 2個以上の予備掘削用の前記電極と、これら 2個以上の異なる予備穴 (4) に挿入され、且つその間に前記高電圧パルスが印加される少なくとも 2個以上の破砕用の前記電極とを備え、これら異なる 2個以上の予備穴に挿入された前記電極間に放電電流を流して物質を破砕することを特徴とする請求の範囲 6記載のパルス電気工ネルギ一放電による物質の破砕装置。

1 0 . 電極に高電圧パルスを印加し、この電極での放電電流により破砕対象の物質を掘削又は破砕するパルス電気エネルギー放電による物質破砕の高電圧パルス発生方法において、瓦いに異なる容量を有する少なくとも 2個のコンデンサに、異なる端子電圧値でそれぞれエネルギーを蓄積し、高電圧で蓄積された側の前記コンデンサのエネルギーを物質の絶緣破壊時の放電初期に前記電極で放電させた後、これより低電圧で蓄積された側の前記コンデンサのエネルギ一を継続して放電させることを特徴とする高電圧ノ、°ルス発生方法。

1 1 . 電極に高電)王パルスを印加し、この電極での放電電流により破碎対象の物質を掘削又は破砕するパルス電気エネルギー放電による物質破砕の高電圧パルス発生装置において、

異なる出力電圧値を有する 2個の直流電源 (21， 31) と、これら 2個の直流電源の内の高い電圧電源（31)からエネルギーが蓄積される第 1のコンデンサ（33, 35) と、これより低い電圧電源 (21)からエネルギーが蓄積され、この第 1のコンデンザの容量より大きな容量を有する第 2のコンデンサ（23， 25) と、これら第 1又は第 2のコンデンザに蓄積されたエネルギーを前記電極で放電させる少なくとも 2 個以上の卜リガスィツチ回路 (24, 34) とを備えたことを特徴とする高電圧パルス発生装置。

1 2 . 電極に高電圧パルスを印加し、この電極での放電電流により破砕対象の物質を掘削又は破砕するパルス電気エネルギー放電による物質破砕の高電圧パルス発生装置において、

異なる出力電圧値を有する 2個の直流電源（21, 3】）と、これら 2個の直流電源の内の低い電圧電源 (21)のエネルギーを前記電極から直接放電させる手段と、これより高い電圧電源（31)からエネルギーが蓄積されるコンデンサ（33, 35) と、このコンデンサに蓄積されたエネルギーを前記電極で放電させるトリガスィツチ回路 (34)とを備えたことを特徴とする高電圧パルス発生装置。