JPH0121600B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電気アークの集中された熱エネルギー
が融解炉の中で金属を加熱するために用いられる
電気冶金法に関するものであり、更に詳しくいえ
ばプラズマ−アーク・トーチ内でプラズマを発生
する方法および金属を加熱するために用いられる
プラズマ−アーク・トーチにおける装置に関する
ものである。

この明細書で用いるプラズマ−アーク・トーチ
という用語は「冷えた」プラズマを発生するよう
になつている装置を意味するものである。

プラズマ−アーク・トーチはノズルを有する水
冷式のトーチ・ボデーと、タングステンまたはモ
リブデンのような耐熱金属で作られ、物質を放出
する性質を持つた添加物を有する中心に置かれる
電極とを一般に備えている。移送形プラズマ−ア
ーク・トーチでは水素、窒素、アルゴン、ヘリウ
ムなどのようなプラズマ発生ガスが耐熱陰極と陽
極として機能する加工物との間に発生されている
アーク放電中でプラズマへ変る。

非移送形プラズマ−アーク・トーチでは、陰極
と環状ノズルとして作られている陽極との間にプ
ラズマが発生される。

電極の腐蝕はプラズマ−アーク・トーチの寿命
の特徴である。

プラズマ−アーク・トーチのパワーはアーク電
流によつて主として決定される。アーク電流が増
加すると電子とイオンが電極に衝突する量が増す
ために電極はより強く加熱される。また、電流の
増大にともなつてアークの自己ピンチング作用が
増大し、実効表面とくにアーク・スポツトにおけ
る電流密度と熱束が急激に増大する。そのために
電極温度が高くなつてその腐蝕が大となる。

電極の単位横断面積当りの熱流は非常に大きい
から陰極の表面が融け、沸騰して飛散するから融
解金属が汚染されることになる。

したがつて、電極の寿命が短くなるために大電
流用のプラズマ−アーク・トーチの設計は困難で
ある。この問題はいくつかの方法で解決される。

所要のアーク電流でプラズマ−アーク・トーチ
を動作させるために、電極の横断面面積はアーク
電流の増大に正比例して増加すべきであることが
知られている（米国特許第313029号参照）。

大きな横断面面積を有する電極の動作電流を選
択する場合には、電極電流密度は電極物質の放出
能力とその熱特性とに応じて臨界値を超えるべき
でないと仮定する。

しかし、電極電流密度が臨界値をこえると電極
は極めて速やかに破壊される。そのようなプラズ
マ−アーク・トーチの大きな欠点は、大電流を流
した時にアークのピンチ作用のためにアーク・ス
ポツトの電流密度が急上昇することにより電極の
腐蝕が著るしくなることである。

小電流アークは不安定であり、とくに大きな直
径の電極間で発生されている小電流アークは不安
定であり、しかもアーク・スポツトの電流密度は
かなり高いために、小電流でもプラズマ−アー
ク・トーチの性能は改善されない。

直流パイロツト・アークを用いた、プラズマ−
アーク・トーチ内でプラズマを発生する方法と、
プラズマ−アーク・トーチ内でその方法を実施す
る装置が知られている（米国特許第3147329号参
照）。

この方法は、プラズマ発生ガス流の中でまずパ
イロツト・アークを発生させ、次に主アークを発
生させるものである。それらのアークは冷えたガ
スが供給される電極領域に飛ばされる。

冷えたガスは主アーク柱の向きを安定にする
が、その電極領域の通電能力と、その電極領域を
流れる電流とに悪影響を及ぼす。

主アーク中の電流が増大すると過度的なアー
ク・スポツトが明らかとなる。主アーク中の電流
を増大させるためには電極の横断面面積を大きく
しなければならない。小電流パイロツト・アーク
は電極の腐蝕を減少させることはできない。

従来の装置はノズルを有する水冷トーチ・ボデ
ーと、耐熱金属から作られ、トーチ・ボデーの中
に位置させられ、かつ中心通路を有する中空電極
とを備えている。この装置は動作時には中空電極
とノズルとの間に主アークを安定させる直流アー
クが維持される。プラズマ発生ガスが中空電極と
ノズルとの間および中空電極の中心通路の中へ供
給される。そのような組合せは4000A以上の電流
の場合に電極の腐蝕を減少させるためのものであ
る。

しかし、そのようなプラズマ−アーク・トーチ
の構成は、アーク柱の指向性をある程度まで安定
させるが、電極腐蝕の問題はあまり適切には解決
していない。

中空電極とノズルとの間に発生されているパイ
ロツト・アークにより冷れているガスが加熱さ
れ、イオン化されるために二重アーキング現象が
生じ、アーク・スポツトがノズル面を横切つて現
われてノズルに大きな損傷を与える。

電極とノズルおよび加熱された物質の表面上に
おけるアーク・スポツトの不安定な移動を伴う二
重アーキングのために、主アークが不安定になる
とともに、ノズルの中心通路の軸線に対して主ア
ークが自然に動きまわる。

中空電極の中心通路に供給される冷えたガスは
電極領域の通電容量に悪影響を及ぼし、その電極
領域を流れるアーク電流を不安定にする。

そのためにアーク柱が収縮させられ、かつ電極
表面上のアーク・スポツトも収縮させられるから
電極の著るしい腐蝕が起る。

帯電粒子の大部分は高温度電極から飛び出した
電子から成るが、その電子放出も電極が著るしく
腐蝕される別の原因である。

以上の説明は前記したような構造を有するプラ
ズマ−アーク・トーチの用途が限られている原因
を示したものである。

本発明の目的は、電極領域の中で電荷を発生
し、電極の有効表面上にアーク・スポツトを分散
させることにより、電極表面上の電流密度と熱束
密度を低くして電極の腐蝕を少くし、アーク・ス
ポツトの移動とノズルの腐蝕とをなくす、プラズ
マ−アーク・トーチ内でプラズマを発生する方法
およびその方法を実施する装置を提供することで
ある。

この方法は、プラズマ発生ガス流の中でまずパ
イロツト・アークを発生させ、次にそのガス流の
中で主アークを発生させる。プラズマ−アーク・
トーチ内でプラズマを発生させる方法であつて、
ガスを主アークの電極領域へ供給する前にそのガ
スをイオン化するのに十分な温度までパイロツト
アーク中で加熱し、パイロツト・アークの電流を
主アークの電流の少くとも0.05倍の値に調整する
ようにしたプラズマ−アーク・トーチ内にプラズ
マを発生する方法により達成される。

そのような動作順序と動作条件は電極領域の上
流側でプラズマを発生するための最適変数を選択
する助けとなる。

そのプラズマにより電極領域の導電度が主アー
ク電流を通すのに十分な値にされる。その結果、
同じ電極横断面面積で主アーク電流を広範囲に調
節できる。まずガスがイオン化されて、その後で
のみ主アークの電極領域へ供給されることによ
り、主アーク電流をその領域に流すために欠くこ
とができないとともに、電極の実効表面に近接し
ている空間電荷を補償するのに十分である数の帯
電粒子が発生される。

その結果、電極領域における電圧降下したがつ
て電極へ伝えられるエネルギーが低下し、アーク
柱の収縮とアーク・スポツトの移動がなくなり、
電極温度が低下し、したがつて電極の腐蝕が少く
なる。

また、電極領域へ供給されるイオン化されたガ
スによつて安定した主アークが得られ、アーク柱
の方向安定度が高くなるからノズルの腐蝕も減少
する。

本発明の目的は、ノズルを有する水冷トーチ・
ボデーと、耐熱金属から作られ、トーチ・ボデー
の中にそのボデーに対して半径方向へ隔てられた
関係で設けられてトーチ・ボデーとの間に環状の
ガス通路を形成し、かつ中心通路を有する中空電
極とを備えるプラズマ−アーク・トーチ内でプラ
ズマを発生する装置であつて、中空電極の材料に
類似する材料で作られた補助電極がガス通路を形
成するために前記中心通路の中にそれから半径方
向に隔てられた関係で位置させられ、中空電極と
補助電極とは電気回路に接続され、それにより電
気回路が動作させられた時に中空電極と補助電極
の間にパイロツト・アークが発生されるようにな
つているプラズマ−アーク・トーチ内にプラズマ
を発生する装置によつても達成される。

このような構造により非常に安定な主アークを
得ることができるとともに、中空電極とノズルの
電極を著るしく少くできる。

そのような効果が得られる理由は、パイロツ
ト・アーク中でイオン化されたガスが中空電極と
加工物との間に発生されている主アークの電極領
域へ送られると、主アーク電流を流すためと、電
極の有効表面に近い領域に存在する空間電荷を補
償するために欠くことのできない数の帯電粒子が
発生されることである。

その結果、電極領域における電圧降下が小さく
なり、そのために中空電極へ伝えられるエネルギ
ーが減少し、アーク・スポツトが分散して中空電
極の表面における電流密度と中空電極の温度が低
下し、従つて電極の腐蝕が減少する。また、主ア
ークは静かで、プラズマ柱はノズル通路の中心線
に関して安定する。

この場合にはノズルはプラズマ−アーク・トー
チの始動時と動作中の双方において実際に中性で
ある。その理由は、パイロツト・アークが中空電
極と補助電極との間に発生されているからであ
る。したがつて、中空電極とノズルとの間に供給
される冷えたガスはパイロツト・アークによりイ
オン化されず、そのために二重アーキングが完全
になくなり、二重アーキングに起因するノズルの
大きな損傷がなくなる。その結果としてノズルの
寿命は今までの数倍となる。

最適な長さのパイロツト・アークを発生し、所
望のイオン化を行うのに適切な温度まで供給され
たガスを効果的に加熱するために、中空電極と補
助電極とのアーキング・チツプを中空電極のアー
キング・チツプに対して中空電極の外径の0.1〜
0.5だけくぼませるとよい。

主アーク電流を増大させると中空電極の直径が
大きくなることはわかるであろう。

供給されるガスを指定された程度にイオン化す
るのに十分な温度まで加熱するのに必要なパイロ
ツト・アーク電流は主電流の増加とともに増加す
べきである。したがつて、補助電極を流れるパイ
ロツト・アーク電流の必要な値を維持するために
補助電極の直径を大きくせねばならない。補助電
極の直径はなるべく中空電極の少くとも0.1倍に
せねばならない。そのような電極を用いることに
よりプラズマ−アーク・トーチの全動作範囲にわ
たつて電極は非常に高い安定度を示す。

電極領域をより安定に形成するためには、中空
電極の中心通路に中空電極と補助電極との間中空
電極のアーキング・チツプからの中空電極の外径
の0.1〜0.2倍の長さを持ち、アーキング・チツプ
の表面の近くの直径が中心通路の残りの部分の直
径の２〜５倍の拡がつた部分をなるべく設けるべ
きである。

この拡げられた部分は円錐台形または円筒形と
することができる。

そのような構成とすることにより、電極領域の
形成と、中心通路の拡げられた部分全体に電極領
域を分散させること。したがつて電極表面上の電
流密度を低くすることのための最適な条件が得ら
れる。ガスが分散される領域は拡げられた部分に
設けられる。その場所は拡げられた部分の鋭い曲
りの部分である。ガスが分散するために電極領域
におけるアーク収縮が著るしく減少し、アークが
電極先端部の縁部へ動きまわつたり、電極の側面
へ動くことが防止される。

これらの全ての要因により電極の腐蝕は非常に
少くなり、プラズマ柱が適切に形成され、二重ア
ーキングが解消される。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。

第１図は本発明の技術的思想を示すためだけの
プラズマ−アーク・トーチの縦断面図で、このト
ーチはノズル２を有するトーチ・ボデー１と、直
流動作用の中空電極３とを備えている。この中空
電極３はタングステン、タンタル、ニオブ、モリ
ブデンのような耐熱金属で作られ、電子放出を容
易にするためにトリウム、イツトリウムのような
金属が少量添加される。中空電極３はトーチ・ボ
デー１の中に設けられる。電極３は電極ホルダ４
によつて保持される。電極３から過剰な熱を取り
去り、電極３が融けることを防ぐために、銅のよ
うな熱良導体から作られた電極ホルダ４は水のよ
うな液状冷却剤により冷却される。冷却流体は冷
却管７と電極ホルダ４の内壁８との間に形成され
ている環状通路６の中へ入口５から入れられ、冷
却管７と電極ホルダ４の外壁１０との間に設けら
れている環状通路９と出口１１を通つて出てゆ
く。

ノズル２は電極ホルダ４と同様に水冷式であ
る。冷却水は冷却管１４と、トーチ・ボデー１の
内壁１５との間の環状通路１３の中へ入口１２か
ら入れられ、そこから、冷却管１４とトーチ・ボ
デー１の外壁１７との間の環状通路１６の中へ入
れられ、出口１８から出てゆく。内壁１５はノズ
ル２に終端し、外壁１７もノズル２に終端する。

トーチ・ボデー１とノズル２は電極ホルダ４か
ら電気絶縁される。電極ホルダ４は中空電極３を
絶縁体１９により支持する。

本発明に従つて、中空電極３の構成材料に類似
する材料で作られた補助電極２１が中心通路２０
の中に電極ホルダ２２により支持される。補助電
極２１の外面と中心通路２０の内面との間にガス
を通すための通路が形成される。補助電極２１の
冷却は、入口２３から冷却管２５の中心通路２６
の中に入り、冷却管２５の外壁と電極ホルダ２２
の内壁２７との間の環状通路に入り、出口２８を
通つて出てゆく水によつても行われる。

中空電極３と補助電極２１は絶縁体２９により
互いに電気絶縁される。

本発明に従つて電極３と２１は電源回路に接続
される。この回路を第２図に示す。この電源回路
は中空電極３と補助電極２１に接続される電源３
０を有する。電源３０はたとえば発振器３１によ
り閉じられた時に直流電流または交流電流をそれ
らの電極３，２１へ供給する。そうするとパイロ
ツト・アークが電極３と２１の間に発生される。
中空電極３と金属３２との間に生ずる主アークは
電源３３から直流電流または交流電流を供給され
て発生される。

次に第３図を参照する。中空電極３のアーキン
グ・チツプ３４と補助電極２１のアーキング・チ
ツプ３５との間の軸線方向距離が電極３の外径Ｄ
の0.1〜0.5倍であるように、補助電極２１は中空
電極３の中に入れられる。電極２１の直径ｄは電
極３の外径Ｄの少くとも0.1倍である。

このプラズマ−アーク・トーチは不活性ガスを
アーク領域へ入れるために環状通路３６，３７の
ような通路を有する。それらの通路３６，３７へ
は入口３８，３９をそれぞれ通つてガスが送られ
る。

本発明のプラズマ−アーク・トーチは、電極表
面における電流密度を低くし、アーク・スポツト
の移動をなくす特長をそれぞれ有するその他の実
施例も有する。

中空電極３の中心通路２０の中には（第４図）、
電極３のアーキング・チツプ３４と補助電極２１
のアーキング・チツプ３５との間の部分にアーキ
ング・チツプ３４の先端から内側に向つて長さｌ
だけ延びる拡がつた部分が設けられる。この長さ
ｌは中空電極３の外径の0.1〜0.2倍に等しい。こ
の拡げられた部分のアーキング・チツプ３４にお
ける直径Ｄ１は中心通路２０の残りの部分の直径
ｄ１の２〜５倍である。

中心通路２０の拡げられた部分は第４，５図に
それぞれ示すように円筒形または円錐台形とする
ことができる。

本発明の方法を実施するための以上説明したプ
ラズマ−アーク・トーチは金属の融解と精練に使
用できる。このトーチはそれに適切な電力を供給
するための適当な直流または交流の電源を有す
る。

次にトーチの動作を説明する。まず、電源３０
からプラズマ−アーク・トーチへ電力が供給され
る。アークを発生させる前に、ガスが入口３８，
３９を通つて環状通路３６，３７へ供給される。
それから電源３０と発振器３１が作動させられ、
発振器３１によりパイロツト・アークが中空電極
３と補助電極２１の間に発生される。ガスが環状
通路３７を通つて供給され、補助電極２１の周囲
を流れ、更に中心通路２０を通つてパイロツト・
アーク領域を流れてからノズル通路４０に入る。

パイロツト・アーク電流は主アーク電流の0.05
倍となるように調節される。パイロツト・アーク
により加熱されてイオン化されたガスが中空電極
３の中心通路２０から出て、中空電極と金属加工
物との間に導電領域を形成する。これにより主ア
ークの発生と維持に良好な条件が整えられる。

それから、電源３０から電力が供給されて主ア
ークが中空電極３と金属３２の間に発生される。
電極３と金属３２の間にはパイロツト・アークに
よりイオン化されたガスが存在するからアークは
容易に発生される。

パイロツト・アークの電流値を主アーク電流値
の0.05という設定点をこえるように調節すること
により、主アーク電流値に比例してパイロツト・
アーク電流値を変えて主アーク電流値を増加また
は減少させることが可能である。

本発明の方法と装置を確かめるために行つたい
くつかの試験例を以下に示す。

例 １ 金属の加熱と融解のために第１図に示されてい
るのに類似のプラズマ−アーク・トーチを用い
た。

３％のイツトリウムを含み、直径が６mmの補助
タングステン電極を、直径が10mmの中心通路を有
する水冷中空タングステン電極の中に入れた。中
空電極の長さは15mm、横断面の面積は1600mm²であ
つた。補助電極の先端部は中空電極の先端部から
中へ８mmだけ入れた。このようにした中空電極
を、直径が50mmの水冷の銅製ノズルを有する水冷
トーチ・ボデーの中に置いた。中空電極のチツプ
をノズル出口から奥へ25mmだけひつこめて入れ
た。中空電極の中心通路へアルゴンを８／分の
割合で供給した。このガスは補助電極の周囲を流
れ、中心通路を通つて出てゆく。アルゴンガスは
中空電極とトーチ・ボデーとの間のスペースへも
120／分の割合で供給した。18V、300Aのパイ
ロツト・アークを補助電極すなわち陰極と中空電
極すなわち陽極との間で発生させた。このパイロ
ツト・アークは交流80V、3000Aの主アークを中
空電極と融解する金属との間の電極領域に発生さ
せる始動要素と、帯電粒子源とを構成する。

銅ノズルは電極から常に電気絶縁していた。３
時間動作の後でアークを消した。電極を調べた結
果、電極はほとんど損傷すなわち腐蝕されず、ノ
ズルも全く損傷を受けなかつた。

例 ２ 金属の加熱と融解のために第１図に示すのと同
様のプラズマ−アーク・トーチを用いた。

直径が８mmでイツトリウム３％を含む補助電極
（タングステン製）を、直径が10mmの中心通路を
有する水冷中空タングステン電極の中に入れた。
中空電極３の長さは18mmで、横断面の面積は1800
mm²であつた。補助電極のチツプを中空電極のチツ
プから12mm中へくるようにした。このように補助
電極を入れられた中空電極を、直径55mmの水冷銅
製ノズルを有する水冷トーチ・ボデーの中に入れ
た。中空電極のチツプをノズルの出口から中へ30
mm入つた位置に置いた。中空電極の中心通路へア
ルゴンガスを10／分の割合で供給した。このガ
スは補助電極の周囲を通つて中心通路から出る。
また、アルゴンガスは中空電極とトーチ・ボデー
との間に140／分の割合で供給した。補助電極
（陰極）と中空電極（陽極）の間に直径18V、
300Aのパイロツト・アークを発生させた。

このパイロツト・アークは中空電極と融かす金
属との間に交流87V、5000Aの主アークを発生さ
せるアーク発生要素と帯電粒子源として機能す
る。ノズルは電極から常に電気絶縁した。主アー
クは安定であつた。このプラズマ−アーク・トー
チを50時間動作させた。このトーチの動作を停止
させてから電極とノズルとの表面を視覚検査した
ところによるも何らの損傷も認められなかつた。

例 ３ 例１、２で用いたのと同様なプラズマ−アー
ク・トーチを金属の融解に用いた。

直径が12mmでイツトリウムを３％含む補助タン
グステン電極を、直径が12mmの中心中路を有する
水冷中空タングステン電極の中に、補助電極のチ
ツプが中空電極のチツプよりも25mm中に入るよう
にして入れた。中空電極の長さは23mmで横断面の
面積は2000mm²であつた。補助電極を中に入れられ
た中空電極を、直径が62mmの水冷銅製ノズルを有
する水冷トーチ・ボデーの中に、中空電極のチツ
プがノズルの出口から中へ40mmだけひつこめて入
れた。中空電極の中心通路の中にアルゴンガスを
40／分の割合で供給した。

そのガスは中空電極の周囲を流れて中心通路か
ら出る。アルゴンガスは中空電極とトーチ・ボデ
ーとの間へも200／分の割合で供給した。補助
電極（陰極）と中空電極（陽極）の間に直流
18V、600Aのパイロツト・アークを発生させ、
それから交流100V、6000Aの主アークを発生さ
せた。ノズルは電極から常に電気絶縁していた。
50時間動作させた後でアークを消失させた。電極
とノズルを調べた結果、電極の表面は少し損傷を
受けていたが、ノズルの表面は全く損傷を受けて
いなかつた。

例 ４ 第１図に示すのに類似のプラズマ−アーク・ト
ーチを用いた。しかし、中空電極は第４図に示す
ものを用いた。

直径８mmでイツトリウムを３％含む補助タング
ステン電極を、直径が10mmの中心通路を有する水
冷中空タングステン電極の中に、補助電極のチツ
プが中空電極のチツプから中へ12mm入るようにし
て入れた。50mmの外径を有する中空電極の長さ８
mm、直径30mmの拡がつた部分を有していた。中空
電極の長さは18mmで、横断面の面積は1800mm²であ
つた。補助電極を中に入れられた中空電極を、直
径が55mmの水冷銅製ノズルを有する水冷トーチ・
ボデーの中に入れた。中空電極のチツプはノズル
出口から30mmだけ中に位置させた。中空電極の中
心通路の中へアルゴンガスを18／分の割合で供
給した。このガスは補助電極の周囲を流れて中心
通路から出る。中空電極とノズルとの間にもアル
ゴンガスを150／分の割合で供給した。補助電
極と中空電極の間に直流18V、240Aのパイロツ
ト・アークを発生させ、それから交流83V、
4000Aの主アークを発生させた。ノズルは電極か
ら常に電気絶縁した。３時間の動作後にアークを
消した。その後で電極を調べるとその表面はわず
かに損傷を受けていたが、ノズルは全く損傷を受
けていなかつた。

例 ５ 第４図に示す中空電極を有する第１図に示すの
に類似のプラズマ−アーク・トーチを金属の融解
に用いた。

直径６mmで３％のイツトリウムを含む補助タン
グステン電極６を、直径が10mmの中心通路を有す
る水冷タングステン中空電極の中へ、補助電極の
チツプが中空電極のチツプから中へ８mmひつこん
だ状態で入れた。中空電極の外径は45mmであり、
直径が20mmで長さが５mmの拡がつた部分を有す
る。中空電極の長さは15mmで、横断面の面積は
1600mm²であつた。このようにして補助電極を内部
に含む中空電極を、直径50mmの水冷銅ノズルを有
するトーチ・ボデーの中に、中空電極のチツプが
ノズル出口のチツプから中へ25mmひつこんだ状態
で入れた。中空電極の中心通路へアルゴンガスを
８／分の割合で供給した。そのガスは補助電極
の周囲を通つて中心通路から出た。中空電極とノ
ズルとの間にアルゴンガスを120／分の割合で
供給した。補助電極（陰極）と中空電極またはア
ノードとの間に直流18V、300Aのパイロツト・
アークを発生した。そして主アークは3000A、
80Vである。ノズルは電極から常に電気絶縁し
た。３時間の運転後にアークを消してから調べた
ところ、電極の表面は少し損傷を受けていたが、
ノズルの表面は全く異常がなかつた。

例 ６ 第４図に示す中空電極を有する第１図に示すプ
ラズマ−アーク・トーチを金属の融解に用いた。

直径が12mmで、イツトリウムを３％含む補助タ
ングステン電極を、直径が16mmの中心通路を有す
る水冷タングステン中空電極の中に、中空電極の
チツプから25mmだけひつこんだ状態となるように
して入れた。中空電極の長さは23mmで、外径は60
mm、横断面の面積は2000mm²であり、直径が55mmで
長さが11mmの拡げられた部分を有していた。この
ようにして補助電極を入れた中空電極を、直径が
62mmの水冷銅製ノズルを有するトーチ・ボデーの
中に、中空電極のチツプがノズルの出口から40mm
ひつこんでいるようにして入れた。中空電極の中
心通路の中にアルゴンガスを40／分の割合で供
給した。このガスは補助電極の周囲を流れて中心
通路から出た。アルゴンガスは中空電極とノズル
との間にも200／分の割合で供給した。補助電
極（陰極）と中空電極（陽極）との間に、直流
18V、300〜500Aのパイロツト・アークを発生さ
せ、それから交流87V、5000Aの主アークを発生
させた。ノズルは常に電気絶縁した。３時間の運
転後にアークを消してから調べたところ、電極表
面はわずかに損傷を受けていたが、ノズルには全
く異常がなかつた。

例 ７ 第４図に示す中空電極を有する第１図に示すの
に類似のプラズマ−アーク・トーチを金属の融解
に用いた。

直径が６mmで、イツトリウムを３％含む補助タ
ングステン電極を、直径が10mmの中心通路を有す
るタングステン水冷中空電極の中に、補助電極の
チツプが中空電極のチツプから８mmひつこむよう
にして入れた。中空電極の外径は45mm、長さは15
mm、横断面の面積は1600mm²であつて、そのチツプ
には長さが５mmで、直径が20mmの拡げた部分を有
していた。その拡げた部分は頂角が100度である
直円錐台形であつた。補助電極を内部に入れた中
空電極をそのチツプがノズル出口から25mmひつこ
むようにしてトーチ・ボデーの中に入れた。この
トーチ・ボデーは直径が50mmの水冷銅ノズルを有
していた。中空電極の中心通路の中にアルゴンガ
スを20／分の割合で供給した。このガスは補助
電極の周囲を流れてから中心通路を出た。アルゴ
ンガスは中空電極とノズルとの間にも150／分
の割合で供給した。補助電極（陰極）と中空電極
（陽極）の間に直流18V、120〜200Aのパイロツ
ト・アークを発生し、それから交流78V、2000A
の主アークを発生した。銅ノズルは電極から常に
電気絶縁していた。

例 ８ 第５図に示す中空電極を有する第１図に示すも
のに類似のプラズマ−アーク・トーチを金属の融
解に用いた。

直径が８mmで、イツトリアを３％含む補助タン
グステン電極を、直径が12mmの中心通路を有する
水冷中空タングステン電極の中に、補助電極のチ
ツプが中空電極のチツプから12mmだけ中にひつこ
んだ状態で入れた。中空電極の外径は50mm、長さ
は18mm、横断面の面積は1800mm²であり、チツプに
おける直径が30mmで、長さが８mmの拡がつた部分
は頂角が140度の直円錐台形であつた。

このようにして補助電極を内部に含む中空電極
を、そのチツプがトーチ・ボデーのノズル出口か
ら30mmだけ内側へひつこむようにして、トーチ・
ボデーの中に入れた。このトーチ・ボデーは直径
が55mmの水冷銅ノズルを有していた。中空電極の
中心通路へアルゴンガスを25／分の割合で供給
した。このガスは補助電極の周囲を流れて中心通
路から出た。中空電極とノズルとの間に180／
分の割合でアルゴンガスを供給した。補助電極
（陰極）と中空電極（陽極）の間に直径18V、
60Aのパイロツト・アークを発生させてから、交
流75V、1000Aの主アークを発生させた。銅ノズ
ルは電極から常に電気絶縁していた。３時間運転
してからアークを消したのち調べたところ、電極
の表面は少し損傷を受け、ノズルには異常がない
ことがわかつた。

例 ９ 第５図に示す中空電極を含む第１図に示すのと
類似のプラズマ−アーク・トーチを金属融解のた
めに用いた。

直径が12mmで、イツトリウムを３％含む補助タ
ングステン電極を、そのチツプが中空電極のチツ
プから25mmだけ内側へひつこむ状態で中空電極の
中に入れた。中央電極は直径が16mmの中心通路を
有する水冷タングステン電極で、その長さは23
mm、横断面の面積は2000mm²であり、チツプの所に
直径が55mmで長さが11mmの拡がつた部分を有す
る。この拡がつた部分は頂角が160度の直円錐台
形である。このようにして補助電極を内部に有す
る中空電極を、そのチツプがトーチ・ボデーのノ
ズル出口から40mmだけ内側へひつこむようにし
て、トーチ・ボデーの中に入れた。トーチ・ボデ
ーのノズルの直径は62mmで、水冷式の銅製であ
る。中空電極の中心通路へアルゴンガスを40／
分の割合で供給した。このガスは補助電極の周囲
を流れて中心通路から出た。中空電極とノズルと
の間にアルゴンガスを200／分の割合で供給し
た。補助電極（陰極）と中空電極（陽極）の間に
直流18V、300〜600Aのパイロツト・アークを発
生させ、それから交流100V、6000Aの主アーク
を発生させた。銅ノズルは電極から常に電気絶縁
した。３時間運転してアークを消してから調べた
ところ、電極の表面は少し損傷を受けていたが、
ノズルには異常はなかつた。

以上、説明した諸例は、本発明の方法により、
同じ電極を有するプラズマ−アーク・トーチのパ
ワーを広い範囲で変えられることを示している。
また、従来の方法と比較して電極の損傷は少く、
適切なアーク安定度も確保されている。

電極の損傷が少くなるためにプラズマ−アー
ク・トーチの寿命は非常に長くなり、信頼度が高
くなるとともに、処理される金属の汚染がなくな
るから得られる金属の品質は高くなる。

順極性直流電源でパイロツト・アークを発生さ
せる以上の説明とは別に、本発明の装置は逆極性
直流電源および交流電源もパイロツト・アークと
主アークの双方に電力を供給する場合に用いられ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従つて作られたプラズマ−ア
ーク・トーチの縦断面図、第２図は電源に接続さ
れた本発明のプラズマ−アーク・トーチのブロツ
ク回路図、第３図はプラズマ−アーク・トーチの
電極アセンブリの拡大図、第４図は中空電極が中
心通路の拡がつた部分を有する本発明の一実施例
の略図、第５図は中心通路の拡げられた部分を中
央電極が有する本発明の別の実施例の略図であ
る。 １……トーチ・ボデー、２……ノズル、３……
中空電極、２０……中心通路、２１……補助電
極、３４……中空電極、のアーキング・チツプ、
３５……補助電極のアーキング・チツプ、３６，
３７……ガスの環状通路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ (a) ノズルを有する細長い水冷トーチボデー
   と、 (b) このトーチボデーとの間に第１の環状ガス通
   路を形成するように径方向に離間して前記トー
   チボデー内に配された耐熱金属製の中空電極
   と、 (c) 前記中空電極のものと同様の金属で形成さ
   れ、前記中空電極との間に第２の環状ガス通路
   を形成するように径方向に離間して前記中空電
   極の中心通路内に配された補助電極とをそな
   え、 前記第２の環状ガス通路は前記第１の環状ガ
   ス通路と別個のものであり、 前記補助電極は前記中空電極内に該中空電極
   で取囲まれ、かつ前記補助電極のアーキングチ
   ツプと前記中空電極のアーキングチツプとの軸
   線方向距離が前記中空電極の外径の0.1乃至0.5
   倍であるように配され、 前記中空電極および前記補助電極は１つの電
   源回路に接続されていてこの電源回路を動作さ
   せたときに前記中空電極と前記補助電極との間
   にパイロツトアークを点火し、 前記パイロツトアークは前記補助電極のアー
   キングチツプとこのアーキングチツプを取囲む
   前記中空電極の内部部分との間で点火され、 前記中空電極は前記パイロツトアーク内でイ
   オン化されるガスの存在により前記中空電極と
   加工物との間に他の電源回路によつて主アーク
   を同時に点火し、 前記パイロツトアークは前記主アークの上流
   でしかも該アークの近くにおいて点火されるよ
   うに構成されており、 さらに、 (d) 前記耐熱金属製中空電極および前記補助電極
   の各々用に１つづつ設けられ、また各一つが各
   ホルダの全長を通して冷却液を循環させる液体
   通路を有する細長い２つの電極ホルダと、 (e) これらホルダの各々の全長を通して画成され
   前記電極を冷却するために前記ノズル部分に冷
   却液を循環する通路とをそなえることにより電
   極の腐蝕を抑制し、 さらにまた、 (f) 前記パイロツトアークが維持されている間は
   前記主アークおよびパイロツトアークを点火す
   る手段をそなえることによりパイロツトアーク
   の電流値を主アーク電流値の少くとも0.05倍に
   するようにしたプラズマ−アーク・トーチ。 ２ 特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、 前記補助電極は前記中空電極の外径の少くとも
   0.1倍の直径を有するプラズマ−アーク・トーチ。 ３ 特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、 前記中空電極のアーキングチツプと前記補助電
   極のアーキングチツプとの間の前記中空電極の中
   心通路は前記中空電極のアーキングチツプから前
   記中空電極の外径の0.1乃至0.2倍に等しい部分に
   拡大部分を有し、前記中空電極のアーキングチツ
   プの表面の直径は前記中心通路の他の部分の直径
   の２乃至５倍に等しいように構成されたプラズマ
   −アーク・トーチ。 ４ 特許請求の範囲第３項記載のものにおいて、 前記中空電極の中心通路の拡大部分は中空円筒
   状であるプラズマ−アーク・トーチ。 ５ 特許請求の範囲第３項記載のものにおいて、 前記中空電極の中心通路の拡大部分は截頭円錐
   形であるプラズマ−アーク・トーチ。