JPH0316231B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、プラズマアーク式切断トーチに関
し、特に、冷却効果を高め、トーチノズルの初期
高さ検出の信頼度を高める改良されたノズル構造
に関する。

本発明は、米国特許第3641308号および第
4203022号に記載された切断トーチおよび高さ検
出方法の改良である。米国特許第3641308号は、
冷却液（通常は水）の層状ジエツト（噴流）によ
りプラズマを囲包して収束するようにしたプラズ
マアーク式切断トーチを開示している。冷却液ジ
エツトは、トーチのノズルを構成する１対の環状
部材によつて形成される。内側の環状部材は、電
極からその下に位置する加工物へ向けてイオン化
可能ガスを噴射する中央通路を有しており、外側
の環状部材は、内側環状部材と協同して、液体ジ
エツトを噴射する環状ノズルを形成する。この構
造のアーク集中化作用の効果は、１つには、アー
ク収束液を創生する水の質量流量と流速に依存し
ている。

米国特許第4203022号は、切断すべき加工物か
らのトーチの高さを、該トーチを加工物の方に向
つて下降させる際に検出するための方法および装
置を開示している。トーチノズルの外側環状部材
は、通常、加工物に接触すると損傷されるおそれ
があるセラミツク材で形成されているので、ノズ
ルの高さを検出することは大切である。米国特許
第4203022号は、トーチを下降させながら、ガス
送給系を通してガス流を渦流として導入しうるこ
とを教示している。トーチが加工物に接近する
と、渦流の先端が加工物に接触し、渦圧に急激な
変化が生じる。この変化を検出してトーチの高さ
を測定する。この方式の不確実性の１つの原因
は、特にノズルが摩耗している場合往々にしてノ
ズルの水噴出部に残つている残留水である。ま
た、高さ検出操作中、残留水の液滴がガス流に誘
引されて吐出されると、その液滴が圧力変動を起
し、その圧力変動が、加工物からのトーチの下向
き下端が適正な高さにあることを示すしるしとし
て誤つて解釈されることがある。

一般に、プラズマアーク式切断トーチの性能
は、トーチのノズルを冷却させる切断装置の能力
に直接関連している。即ち、ノズルをより低い温
度に冷却することができればできるほど、プラズ
マを通して導通させる電流を大きくすることが可
能になる。また、ノズルの温度が低いと、ノズル
に付着する付着物が少くなるので、ノズルの寿命
が長くなる。しかしながら、上記２つの米国特許
に示された型式の水冷トーチにおいては、プラズ
マを収束するための環状ジエツトは流量パラメー
タに敏感であるため単に水流を増大させることに
よつて冷却量を増大させるわけにはいかない。

従つて、本発明の目的は、プラズマアークを冷
却液のジエツト（噴流）によつて収束するととも
に、従来のこの種のトーチに比べて著しく大きい
冷却作用をもたらすようにしたプラズマアーク式
トーチを提供することである。

本発明の他の目的は、有効寿命の長いノズル構
造体を提供することである。

本発明の他の目的は、ノズル内の残留水の存在
により初期高さ検出が不正確になるのを回避する
ノズル構造を提供するとである。

本発明の更に他の目的は、従来のトーチに比べ
て整造コストが比較的安いプラズマアーク式切断
トーチを提供することである。

第１図には、米国特許第3641308号および第
4203022号に開示されている米国ハイパーサー
ム・インコーポレイテツド社製のPAC−500型プ
ラズマアーク式切断トーチ１２の下方部分が示さ
れている。このトーチおよびその支持機構の詳細
な説明は、上記特許に記載されているのでここで
は繰返さない。この種のトーチは、窒素などのイ
オン化可能ガス内にプラズマアークを創生し、切
断特性を高めるためにトーチ内のガスにつる巻状
の渦流を創生する。アークは、電極１４から鋼板
などの金属加工物に向つて延長する。このトーチ
は、また、そのノズル１６を冷却するとともに、
トーチから放出されるプラズマアークを収束する
（拘束しすぼめる）ために水噴射装置を使用する。

ノズル１６は、２つの主要部品即ち内側ノズル
部材１８と外側ノズル部材２０を有している。内
側ノズル部材１８は通常銅で製造し、外側部材２
０はセラミツク製とする。図示のように、セラミ
ツク製の外側部材２０は、金属製の内側部材１８
の側部および下部表面を囲包する。部材１８は、
電極１４と協同してプラズマガスのための流路２
２を画定する。ガスは、内側部材１８の直ぐ上に
リングの形に配列された一連の接線方向の噴射口
によつて付与されるらせん渦巻流の形で流路２２
に部位２２ａから流入する。次いで、プラズマガ
スは、部材１８の中央通路２４を通り加工物に向
つて下方へ噴射される。

部材１８と２０とは、それらの界面に画定され
る総体的に半径方向のチヤンネル２６の部分を除
いて互いに衝接されている。チヤンネル２６は、
冷却洋流体（通常は水）を両部材の上方側部表面
１８ａ，２０ａに隣接する環状領域からトーチの
噴出口近くでプラズマアークに近接する部位２６
ａへ導くようになされている。チヤンネル２６を
通つて流れる冷却液は、部材１８を冷却する。チ
ヤンネル２６の排出口２６ａから噴射される半径
方向の水ジエツトは、プラズマを上記米国特許に
記載されているような態様で収束し集中させる層
状水ジエツトを創生する。

本発明の主要な特徴は、セラミツク製の外側部
材２０に１組の補助噴出口２８を形成したことに
ある。各噴出口２８は、チヤンネル２６の部位３
０からセラミツク部材２０の下面２０ｂにまで延
長させる。図示の好ましい実施形態では、中央通
路２４の周りにほぼ等間隔に８つの補助噴出口２
８が配設されている。各噴出口２８は、それから
噴出される冷却水がトーチの切断作業を妨害する
ことがないように通路２４から半径方向に十分に
離隔させてある。これと同じ配慮から、噴出口２
８は、電極から加工物へのアークの径路に平行に
ほぼ垂直に向けてある。噴出口２８の位置および
個数（密度）は、それから出る噴出水が切断作業
を妨害しない限り、変更することができる。

噴出口２８は、冷却水がチヤンネル２６の最終
区間２６ｃ（点３０から２６ａまでの区間）に入
る前に冷却水の一部を分流させる。従つて、ノズ
ル冷却水の全部がプラズマを収束する層状ジエツ
トとして噴射されるようにした従来のこの種のト
ーチとは異なり、チヤンネルの上流部分２６ｄに
比べて点30より下流の冷却水の質量流量および／
または流速が増大される。この増大した冷却水流
は、ノズルの冷却効果を高め、従つてノズルをよ
り高い電流レベルのもとで作動させることを可能
にし、あるいは従来と同じ電流レベルで作動させ
た場合ノズルの作動温度をより低くすることがで
きる。

本発明によれば、最大電流を約25％増大させて
もノズルの使用が可能であることが認められた。
また、従来慣用のレベルの電流を使用した場合、
ノズルの作動温度が低くなるのでノズルの有効寿
命が長くなる。なぜなら、作動温度が低いと、ノ
ズルに付着するスケールや付着物が少くなるから
である。

噴出口２８の寸法は、チヤンネル区間２６ｃを
通る水流が上記米国特許に教示されているプラズ
マアークを収束するのに十分な流量および流速と
なるようにチヤンネル２６の寸法との関係におい
て選定する。ノズル口径0.12in（3.05mm）のハイパ
ーサームPAC−500型トーチの場合、噴出口２８
は、冷却水のほぼ30％を分流させ、冷却水の70％
がチヤンネル区間２６ｃ通るようにする。その場
合、各噴出口の直径は約0.032in（0.81mm）とすれ
ばよいことが認められた。ただし、トーチが異れ
ば、噴出口の寸法および割合も変つてくる。噴出
口２８から噴出される水の割合は、通常20〜50％
の範囲となる。

本発明のノズル構造は、また、米国特許第
4203022号に記載されているような高さ検出操作
にも使用することができる。上記特許の場合、ノ
ズルの冷却水系への供給を止めて、ガス流系にガ
スを供給する。上述した接線方向の噴射口がこの
ガス流に渦巻運動を与え渦流を創成する。ノズル
を加工物に向つて徐々に下降させていき、ガス渦
流の先端が加工物に接触すると、渦流の圧力が急
激に降下するので、この圧力降下をトランスジユ
ーサによつて検出してノズルの加工物からの初期
高さを検出する。しかしながら、先にも述べたよ
うにこの従来の方法の１つの問題は、チヤンネル
２６内の残留水が高さ検出用ガス流に吸引されて
液滴として引出されるため上記圧力の読出値に誤
差を生じ、トーチの位置に関する表示が狂うこと
である。このような状況は、ノズルの噴出部が摩
耗しており、残留水膜が不安定である場合特に厄
介である。本発明によれば、初期高さ検出操作に
先立つて、ガス流により残留水を噴出口２８を通
してノズルから放逐しておく。かくして、残留水
が高さ検出操作を坊害することがない。また、噴
出口２８からガス噴流も高さ検出操作を妨害する
ことはない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のプラズマアーク式切断トーチ
の立断面図、第２図は第１図のトーチの下からみ
た平面図である。 １６：ノズル、１８：内側ノズル部材、２０：
外側部材、２４：中央通路、２６：チヤンネル、
２８：補助噴出口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ プラズマアークを電極から加工物へ導く中央
   通路を有する内側部材と、該内側部材の側部及び
   下部表面を囲繞する外側部材とから成るプラズマ
   アーク噴射ノズルを備えており、冷却液の流れを
   該内側部材の周りに導くために該内側部材と外側
   部材との間に流体通路が形成されており、該流体
   通路は前記プラズマアークの周りに冷却液の環状
   ジエツトを創生するようになされたほぼ半径方向
   のチヤンネル部分を有しているプラズマアーク式
   切断トーチにおいて、 前記外側部材には、各々前記流体通路と連通
   し、前記冷却液を切断作業領域からそらす方向に
   該外側部材の外表面にまで延長した複数の補助噴
   出口が形成されれており、該補助噴出口の断面積
   は、前記チヤンネルを通る冷却液の流量を、切断
   作業の効率を最大限にするような値とするととも
   に、前記ノズルを通る冷却液の流量を増大させる
   ように定められていることを特徴とするプラズマ
   アーク式切断トーチ。 ２ 前記各補助噴出口は、冷却液の前記環状ジエ
   ツトから半径方向に離れたところで、かつ、前記
   プラズマアークの方向とほぼ同じ方向に延長して
   いる特許請求の範囲第１項に記載のプラズマアー
   ク式切断トーチ。 ３ 前記各補助噴出口は、断面ほぼ円形の通路で
   ある特許請求の範囲第２項に記載のプラズマアー
   ク式切断トーチ。 ４ 前記補助噴出口は、全部で８個あり、前記中
   央通路の周りにほぼ等間隔に配列されている特許
   請求の範囲第２項に記載のプラズマアーク式切断
   トーチ。 ５ 前記補助噴出口を通る冷却液の流れは、前記
   ノズルを通る総冷却液流の20〜50％の範囲である
   特許請求の範囲第１項に記載のプラズマアーク式
   切断トーチ。 ６ プラズマアークを電極から加工物へ導く中央
   通路を有する内側部材と、該内側部材の側部及び
   下部表面を囲繞する外側部材とから成るプラズマ
   アーク噴射ノズルを備えており、冷却液の流れを
   該内側部材の周りに導くために該内側部材と外側
   部材との間に流体通路が形成されており、該流体
   通路は前記プラズマアークの周りに冷却液の環状
   ジエツトを創生するようになされたほぼ半径方向
   のチヤンネル部分を有しており、アークを発生す
   るイオン化可能ガスに渦流運動を付与するように
   なされているプラズマアーク式切断トーチを最初
   に加工物に対して位置ぎめする方法であつて、該
   トーチを加工物から引込めた状態でイオン化可能
   ガス流を供給し、該トーチを加工物に向つて漸次
   接近させ、トーチ内のガス渦流の急激な圧力変化
   が検出されたときそれに応答して加工物に向つて
   ノズルの接近移動を停止させることから成る方法
   において、 各々前記流体通路と連通し、前記加工物の方に
   向けて前記外側部材の外表面にまで延長する複数
   の補助噴出口を該外側部材に形成し、 前記トーチを加工物から引込めた状態で該補助
   噴出口を通してガス流を噴出させて、切断作業の
   前に前記ノズルから残留冷却液を除去することを
   特徴とする方法。