JPH0450865B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は米国特許第3145287号明細書に記載さ
れるようなプラズマガンに関し、詳細にはこのプ
ラズマガンのサイズを縮小すると同時に部材の寿
命を長くする多数の特徴を有するプラズマガンに
関する。

公知の代表的プラズマガンはプラズマの方向を
きめるノズルを備える。ガンは通常種々の部材を
包囲する液冷ジヤケツトを備え、その溶解が防止
される。電極は一般にノズル近くに配置され、電
極とノズル壁の間にアークが形成される。プラズ
マガスはこのアークへ導入され、アークによつて
励起され、ノズルからプラズマ炎の形で出る。

ガンの出力レベルは電圧および（または）電流
によつて制御される。公知ガンの代表的出力は約
５〜80KWにわたる。このように大きい出力レベ
ルの場合、ノズルおよび電極は両方とも摩耗にさ
らされ、液冷装置を備えるにもかかわらず、短時
間で交換が必要となる。プラズマガン部材の物理
的サイズをたとえばパイプ内面の溶射に使用する
ため縮小する場合、経済的ノズルおよび電極寿命
を達成するため、出力レベルも低下しなければな
らない。

公知技術のプラズマ溶射ガンは米国特許第
3823302号および第4164533号明細書に記載のガン
が代表的である。しかしこの２つの特許明細書に
記載のガン形成はパイプ内面のような小面積に溶
射するためプラズマガンを小サイズに縮小するに
は不適当である。

したがつて本発明の主目的は小さいスペースに
適するように寸法を小さくし、しかも高い効率を
有するプラズマガンを得ることである。

本発明のもう１つの目的は寸法がきわめて小さ
いけれど、同程度のサイズの公知プラズマガンに
比して高い出力レベルで作業しうるプラズマガン
を得ることである。

さらに本発明のもう１つの目的は寸法が小さ
く、同サイズの公知ガンより高出力レベルで作業
し、かつ部材寿命が低出力レベルで作業する同サ
イズの公知ガンと少なくとも同程度に良好である
プラズマ溶射ガンを得ることである。

本発明のこれらの目的、利点および特徴は前方
部材、中間絶縁部材および後方部材のサンドウイ
ツチ構造を有する本発明によるコンパクトな形成
によつて達成される。前方部材はノズルとの電気
的接触部材である。後方部材は少なくとも１部ノ
ズルのテーパ部へ突出する平らなチツプを有する
取りはずし可能の陰極を含む。絶縁部材は陰極を
包囲する、ガス導入通路を有するガス分配室を有
し、ガスを絶縁部材と陰極の間の空間に流す。ガ
ス導入通路はガス流が渦流を生ずるように配置さ
れる。

ガンを電源に接続すると、アークがノズルと陰
極チツプの周縁の間に形成される。このアークの
根本（チツプへの接触点）はガスの渦動のため平
らなチツプの周縁の回りを旋回する。このように
アークはガンの内側で運動し、ガン部材溶解の原
因となる局部加熱が避けられる。

次に本発明の実施例を図面により説明する。

第１図は本発明のプラズマ溶射ガンの主要部を
示す。このプラズマ溶射ガンは陰極体１０、陽極
体１２およびその間に配置した絶縁ブロツク１４
を有する点では公知プラズマ溶射ガンと同様であ
る。陰極体１０、陽極体１２および絶縁ブロツク
１４は陽極体１２と陰極体１０を電気的に絶縁す
る常用の図示されていないボルト配置によつて第
１図に示す位置に支持される。

プラズマガンはとくに銅（またはタングステン
ライナを有する銅）からなるノズル挿入体１６を
有し、この挿入体は陽極１２と電気的に接触して
いる。さらにノズル挿入体１６および陽極体１２
はその間に冷却液通路２０を形成している。冷却
液通路２０は陽極体１２を通る常用の孔によつて
（図示されていない）外部冷却液源に接続され、
冷却液はプラズマガン作業の間常用法により冷却
液通路を介して送られる。ノズル挿入体がプラズ
マガンの通常作業の間に急速に溶解または劣化し
ないように、十分な量の冷却液を冷却液通路２０
を介して送らなければならない。ノズル挿入体１
６が大きいピツトを生じ、または貫通する孔が発
生し、冷却液が冷却液通路２０から孔を通つて全
体的に２２で示すノズルスロートへ出る場合、ノ
ズル挿入体１６は陽極体１２から除去し、新しい
挿入体を備えることができる。ノズル挿入体１６
は金属であり、陽極体１２と電気的に接触しなけ
ればならないので、ノズル挿入体１６を陽極体１
２へ電導性ねじ等によつて固定するのが有利であ
る。この手段は公知であり、本発明の要素ではな
いので、図示されていない。

ガンの適正な冷却を保証するため、ノズルの壁
厚２１はとくに2.5mm（0.1インチ）であるけれ
ど、約1.9〜５mm（0.075〜0.2インチ）の範囲内に
あれば満足な結果が得られる。通路２０を通る十
分な冷却液流はノズル溶解を防ぐために必要であ
り、当業者はこの目的に必要な冷却液流速を決定
することができる。

通路２０内の冷却液が通路から逃げないことを
保証するため、２つの圧縮可能Ｏ−リング２４お
よび２６がノズル挿入体１６と陽極体１２の間の
通路２０の両側に配置され、通路２０から冷却液
が漏れるのが防止される。これらのＯ−リング２
４および２６はとくにシリコーンゴムからなり、
これは第１図に示すタイプのプラズマガン内に生
ずる高熱条件下に使用するために適することが明
らかになつた。

陰極体１０の後面は全体的に３０で示す孔を備
える。孔３０は陰極部材３４のシヤンク部の外側
のねじと結合するための全体的に３２で示すねじ
部を備える。第１図で陰極部材３４のシヤンク部
の最右端にこれと１体に、陰極部材を陰極体１０
へ固くねじこむようにスクリユードライバ等の先
端を受容するためのスロツト４０を備えるヘツド
３６が形成される。陰極部材３４のシヤンクの最
左端にチツプ部４２があり、この部分は円錐台形
のとくにトリエーテツドタングステンからなり、
テーパ部４４の半径方向内側にテーパ部に対し対
称的に配置される。チツプ４２の最左端（最前
端）は円形であり、ノズルスロート２２の縦軸に
対して直角な面を成している。２重矢印Ａで示す
ようにチツプ４２の最前端面の直径はＡである。

第１図に示すようにノズル挿入体１６は一般に
円筒形ノズルスロート２２を含む。円筒形孔の最
左端は所望により直径の大きい円筒形の孔へ無段
または有段に移行することができる。全体的に４
４で示すテーパ部または円錐形部はこのスロート
に通ずる。２重矢印Ｂで示すようにノズルスロー
ト２２の円筒形部の直径はＢである。テーパ部４
４の側壁は円筒形部に対し、テーパ部４４から前
方へノズルスロート２２の最左端の孔に向つて延
長した破線５０および５２で示す角度で配置され
る。図示のように２つの破線５０および５２はそ
の間に約40°の角度を形成し、これは円錐形部が
円筒形部と約160°の角度Ｋで接続することを表わ
す。

同様に破線５４および５６がノズルスロート２
２の最左端に向つて突出するチツプ４２の円錐台
の壁から延長される。これらの線５４および５６
はその間に約30°の角を形成する。したがつてチ
ツプ４２とノズル挿入体１６のテーパ部４４の最
近接点は２重矢印Ｃで示す距離を有する。

線５０および５４を互いに交るまで前方に延長
すれば、その間に形成される角度は約5°である。
この角度は線５０と５２の間の角度または線５４
および５６の間の角度の大きさにかかわらず約5°
であるのが望ましい。しかしこの角度は約０〜
10°にわたつて変化することができる。

ガス分配リング６０の断面が示される。ガス分
配リング６０はとくに耐熱性プラスチツクまたは
セラミツクからなり、その後方に面する面６２は
第１図に全体的に６４で示す陰極体１０の前方に
面する面と接する。ガス分配リング６０の前方に
面する面６６は第１図に全体的に７０で示す陽極
体１２の後面に接する。

第２図に示すようにガス分配リング６０は絶縁
ブロツク１４へ嵌まる。絶縁ブロツク１４および
ガス分配リング６０の形によりその間にほぼ環状
のガス分配室７２が仕切られる。ガス分配室７２
は絶縁ブロツク１４内の通路７４を介して溶射ガ
ン外部に配置したガス源７６と結合される。通路
７４はとくに中心Ｇを通る中心線から距離Ｈで室
７２へガスを導入するように配置される。このよ
うな配置により導入ガスは第２図に矢印Ｊで示す
ように室７２を時計方向に回る。第２図の実施例
の場合孔９０が室７２へ旋回ガスを容易に受入れ
るように、入口通路７４に対し垂直または平行に
配置されていることが指摘される。しかし当業者
には各孔９０によつて空間８０内に生ずる渦流が
互いに増強される限り、もつと多数または少数の
孔９０を使用しうることは明らかである。この配
置は小さいガス分配室を備えるガンにとくに有効
である。というのはさもなければ室内への均一な
分配を保証し、ガス渦流をつくる各孔９０を通る
均一なガス流を得ることが困難であるからであ
る。孔を通る均一なガス分配が達成されなけれ
ば、ガスから出るプラズマ炎はガン部材の作業寿
命を減少する角度にそれる。この問題は平らなチ
ツプの陰極にとくに重要である。

有利な実施例によれば直径Ｄは約15mm（0.6イ
ンチ）、距離Ｈは約５mm（0.2インチ）である。し
かし距離Ｈは直径Ｄに応じて、変化することがで
きる。距離Ｈの最大は環状ガス分配室７２の外径
をD′としてD′／２から通路７４の直径の1/2を控
除した大きさにほぼ等しい。距離Ｈの最小はゼロ
より大きく、有利にはＤ／２より大きい。

ガス源７６自体はチツ素、ヘリウムおよびとく
にアルゴンのようなガス源であり、最適にはプラ
ズマ溶射に使用しうる水素またはヘリウムのよう
な第２ガスを含む。ガスはガス源７６から圧力下
で内部通路７４を介してガス分配室７２へ送られ
る。次にガスはガス分配リング６０を貫通する孔
９０によつて第１図に示すようにほぼ環状のガス
流空間８０へ分配される。この空間８０は陰極部
材３４、陰極体１０、陽極体１２およびノズル挿
入体１６の間に形成される。

ガス分配リング６０を通る各孔９０は渦流発生
に役立つ。とくに第２図から明らかなように多数
の孔９０がガス分配リング６０内に形成される。
これらの孔９０はガス分配室７２から陰極部材３
４を包囲するほぼ環状のガス流空間８０へのガス
の通路を形成する。第２図に示す孔９０は４つあ
り、２重矢印Ｄで示す直径と垂直または平行の方
向に拡がる。各孔９０は破線９１で示す縦軸を有
し、この軸は陰極部材が第１図に示すように貫通
するブロツク１４の孔の中心Ｇから距離Ｆで２重
矢印Ｄで示す直径の1/2の半径と交わる。本発明
の有利な実施例によれば距離Ｆは約Ａ／４〜Ｄ／
２から孔９０の半径を引いた大きさを変化しうる
けれど、とくに陰極部材を包囲するブロツク１４
内の孔の直径Ｄの約1/3が有利なことが明らかに
なつた。

作業の際ガスはガス源から接線方向のガス導入
通路７４を介してガス分配室７２へ供給され、矢
印Ｊの方向に回る。ガスは孔９０を通つて、ガス
流空間８０へ入る。これらの孔９０はガス分配リ
ング６０の中心から離れているので、ガス流空間
８０内に渦流状ガス流を発生させる。次にこのガ
ス渦流はこの空間８０を去り、チツプ４２とノズ
ル挿入体１６のテーパ壁部４４の間を通る。ガス
はさらにノズルスロート２２の円筒形の孔を流
れ、第１図で見てその最左端からガンを流出す
る。電力は陰極体１０および陽極体１２へ外部電
源（図示せず）からプラズマ溶射ガンに常用の方
法で接続される。この電力によりアークがチツプ
４２とノズル挿入体１６の間に形成される。この
アークによりプラズマ炎が発生し、このプラズマ
炎はノズル挿入体１６の前端から噴出する。

ガスが第１図に示す装置から逃げるのを防ぐた
め、付加的Ｏ−リングまたは選択的にガスケツト
１００，１０２およびＯ−リング１０４を備え、
ガスは所望のガス流空間内に保持される。Ｏ−リ
ング１００は絶縁ブロツク１４と陽極体１２の間
のガス漏洩を防止するためのシールとして役立
つ。Ｏ−リング１０２は陰極体１０と絶縁ブロツ
ク１４の間の境界に沿うガス漏洩を防ぐために役
立つ。Ｏ−リング１０４は３２で示すねじ部を通
るガス流を防ぐために役立つ。

第１図に示すような形成のプラズマガンは全体
的に良好な作業性を維持しながら種々の部材の相
対的サイズを変えて製造することができる。１例
として小さいプラズマ溶射ガンの場合、直径Ａは
最小約1.52mm（0.060インチ）から直径Ｂと同じ
大きさに設計することができ、2.8mm（0.11イン
チ）の直径が代表的である。直径Ｂは7.6〜3.2mm
（0.3〜0.125インチ）にわたり、代表的直径は約
5.3mm（0.21インチ）または直径Ａの約２倍であ
る。距離Ｃ（チツプ４２とノズル１６の間の最短
距離）は一般に最大約3.3mm（0.13インチ）、最小
約0.38mm（0.015インチ）であり、1.5mm（0.06イ
ンチ）が代表的である。前記寸法のほかに代表的
形成によればガス分配リングの直径Ｄは約15mm
（0.6インチ）であり、その厚さは約３〜4.8mm
（0.16〜0.19インチ）である。孔のサイズは有効
な渦流を改善するために役立ち、アルゴンガスに
は強い渦流が望ましく、チツ素にはそれより弱い
渦流が望ましいことが明らかになつた。したがつ
てアルゴンガスの場合孔９０の代表的直径は約
0.8mm（0.031インチ）、チツ素の場合孔９０の直
径は約1.6mm（0.062インチ）である。リングを通
る孔９０の直径は最大５mm（0.2インチ）、最小
0.5mm（0.02インチ）である。

本発明による平らなチツプを有する陰極３４は
そのチツプ部４２がノズル挿入体１６の円錐形部
４４によつて包囲される空間へ拡がるように配置
される。ガス分配リング６０によつて導入される
ガスは陰極チツプ４２を通る際旋回する。アーク
はチツプ４２とノズル挿入体１６の間に形成さ
れ、チツプ４２の平らな前面の周縁を高速に回転
する。その結果エロージヨンが減少し、ガン部材
の寿命が高い出力レベルでも長くなる。この形成
によれば比較しうるサイズおよび出力の他の設計
に比して冷却を少ししか必要とせず、高い効率が
達成される。

前記寸法はとくに有用な特徴としてプラズマ溶
射ガン自体がこれまで製造されたプラズマ溶射ガ
ンに比して改善された性能を有しながらきわめて
小サイズである事実を有する本発明の１実施例を
詳細に説明するため便宜上示したものである。し
たがつてこのガンは現在まで溶射できなかつた対
象のプラズマ溶射に使用することができる。しか
し当業者は本発明の目的、利点および特徴を本発
明の思想および範囲からはずれることなく前記と
著しく異なる寸法を有するプラズマ溶射ガンに利
用しうることは明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のプラズマガンの縦断面図、第
２図は第１図のガンの絶縁ブロツクおよびガス分
配リングを右から見た図である。 １０……陰極体、１２……陽極体、１４……絶
縁ブロツク、１６……ノズル挿入体、２０……冷
却液通路、２２……ノズルスロート、３４……陰
極部材、４２……陰極チツプ、６０……ガス分配
リング、７２……ガス分配室、７６……ガス源。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ プラズマ溶射ガンであつて、ほぼ円筒形の孔
   及びこの孔に通じるほぼ円錐形の部分を備えたノ
   ズル部材、円錐台形のチツプを備えかつ少なくと
   もチツプの一部分をノズル部材の円錐台形の部分
   の壁の半径方向内側にノズル部材に対して対称的
   に配置された電極、電極の半径方向外側で電極を
   取り囲むように配置されてプラズマガスを電極と
   ノズル部材との間の範囲内へ導入してかつ電極と
   ノズル部材との間の範囲内に均一な渦流を形成す
   るプラズマガス分配装置、及び一方の端部でプラ
   ズマガス分配装置と接続されかつ他方の端部でプ
   ラズマガス源に通じるガス導入接線方向通路を有
   しており、ガス導入接線方向通路がガス流をプラ
   ズマガス分配装置内へかつプラズマガス分配装置
   の周囲を１つの方向に運動させるように配置され
   ていることを特徴とするプラズマ溶射ガン。 ２ 電極のチツプがトリエーテツドタングステン
   から成つている特許請求の範囲第１項記載のプラ
   ズマ溶射ガン。 ３ ノズル部材がノズル部材の壁を冷却する装置
   を有している特許請求の範囲第１項記載のプラズ
   マ溶射ガン。 ４ プラズマガス分配装置が電極を取り囲むガス
   分配通路、及び複数の接線方向通路を備えてお
   り、接線方向通路が前記ガス分配通路をプラズマ
   ガス分配装置と電極とノズル部材との間の空間に
   接続している特許請求の範囲第１項記載のプラズ
   マ溶射ガン。 ５ 接線方向通路がすべて同じサイズである特許
   請求の範囲第４項記載のプラズマ溶射ガン。 ６ チツプの周壁と、チツプを通る対称軸線との
   間の角度がほぼ15°である特許請求の範囲第４項
   記載のプラズマ溶射ガン。 ７ 電極のチツプの周壁の延長線とノズル部材の
   円錐形部分の壁の延長線との間の角度がほぼ5°で
   ある特許請求の範囲第４項記載のプラズマ溶射ガ
   ン。 ８ ノズル部材がノズルの円筒形の孔を取り囲む
   冷却液通路を有しており、冷却液通路の高さが
   0.76〜1.2mm（0.03〜0.05インチ）の範囲にある特
   許請求の範囲第１項記載のプラズマ溶射ガン。 ９ ノズル部材の円錐形部分が円筒形部分に160°
   の角度で接続されている特許請求の範囲第１項記
   載のプラズマ溶射ガン。 １０ ノズル部材の円錐形部分と電極の円錐台形
   チツプの周壁との前方への２つの延長線が０〜
   10°の角度で交差している特許請求の範囲第１項
   記載のプラズマ溶射ガン。 １１ ２つの延長線が5°の角度で交差している特
   許請求の範囲第１０項記載のプラズマ溶射ガン。 １２ プラズマ溶射ガンであつて、ほぼ円筒形の
   孔及びこの孔に通じるほぼ円錐形の部分を備えた
   ノズル部材、円錐台形のチツプを備えかつ少なく
   ともチツプの一部分をノズル部材の円錐台形の部
   分の壁の半径方向内側にノズル部材に対して対称
   的に配置された電極、及び電極を支持する部材を
   有しており、環状のプラズマガス分配通路が電極
   を取り囲む部材に配置されており、複数のガス導
   入通路がプラズマガス分配通路を、電極を取り囲
   む部材と電極との間の範囲に接続していて、プラ
   ズマガスを電極のチツプとノズル部材の円錐形部
   分との間の範囲に導入するように配置されてお
   り、一方の端部でプラズマガス分配通路と接続さ
   れかつ他方の端部でプラズマガス源に通じるガス
   導入接線方向通路を有しており、ガス導入接線方
   向通路がガス流をプラズマガス分配通路内へプラ
   ズマガス分配通路の周囲を１つの方向に運動させ
   るように配置されていることを特徴とするプラズ
   マ溶射ガン。 １３ 各ガス導入通路の縦軸線が電極の縦中心線
   からガス分配リングの内周面に向かつて引いた半
   径線と直角に交差してかつ電極の縦中心線に対し
   て距離Ｆを置いて延びており、距離Ｆがガス分配
   リング直径の1/3にほぼ等しくなつている特許請
   求の範囲第１２項記載のプラズマ溶射ガン。 １４ チツプの周壁と電極の中心線との間の角度
   がほぼ15°である特許請求の範囲第１２項記載の
   プラズマ溶射ガン。 １５ ノズル部材の円錐形部分の周壁が電極の中
   心線に対して20°の角度を成している特許請求の
   範囲第１２項記載のプラズマ溶射ガン。 １６ プラズマ溶射ガンであつて、電極、電極を
   支持する部材、ノズル部材、ガス導入装置を有し
   ており、環状のガス分配通路が電極に対して対称
   的に配置されており、プラズマガス分配手段が絶
   縁部材内に設けられており、絶縁部材が電極を支
   持する部材とノズル部材との間に配置されてお
   り、複数の接線方向通路がガス分配通路と、電極
   を取り囲む範囲との間に配置されていて、電極を
   取り囲む範囲に渦巻ガス流を形成するようになつ
   ており、ガスが１つの方向で一様に各接線方向通
   路を通してガス分配通路内に導入されようになつ
   ていることを特徴とするプラズマ溶射ガン。 １７ 接線方向通路が環状のガス分配通路の周囲
   に対称的に配置されている特許請求の範囲第１６
   項記載のプラズマ溶射ガン。 １８ 各接線方向通路の縦軸線が環状のガス分配
   通路の縦中心線からガス分配リングの内周面に向
   かつて引いた半径線と直角に交差してかつガス分
   配通路の縦中心線に対して距離Ｆを置いて延びて
   おり、距離Ｆが電極を取り囲む範囲の直径の1/3
   にほぼ等しくなつている特許請求の範囲第１６項
   記載のプラズマ溶射ガン。 １９ ガスがガス分配通路内に接線方向に導入さ
   れるようになつている特許請求の範囲第１６項記
   載のプラズマ溶射ガン。 ２０ ガスがガス分配通路内へ、環状のガス分配
   通路の中心線から距離Ｆよりも大きい距離Ｈで環
   状のガス分配通路の半径線とほぼ直交する方向に
   導入されるようになつている特許請求の範囲第１
   ６項記載のプラズマ溶射ガン。 ２１ ノズル部材が円筒形部分と円筒形部分に連
   通する円錐形部分とを有しており、電極が円錐台
   形チツプを有しており、円錐台形チツプがノズル
   部材の円錐形部分内に突入している特許請求の範
   囲第１６項記載のプラズマ溶射ガン。 ２２ ノズル部材の円錐形部分が円筒形部分に
   160°の角度で接続されている特許請求の範囲第１
   ６項記載のプラズマ溶射ガン。 ２３ ノズル部材の円錐形部分と電極の円錐台形
   チツプの周壁との前方への２つの延長線が０〜
   10°の角度で交差している特許請求の範囲第１６
   項記載のプラズマ溶射ガン。 ２４ ２つの延長線が5°の角度で交差している特
   許請求の範囲第２３項記載のプラズマ溶射ガン。 ２５ ノズル部材が円筒形部分を取り囲む冷却液
   通路を有しており、冷却液通路の高さが0.76〜
   1.2mm（0.03〜0.05インチ）の範囲にある特許請求
   の範囲第２１項記載のプラズマ溶射ガン。 ２６ プラズマ溶射ガンであつて、電極及びノズ
   ル部材を有しており、電極が少なくとも部分的に
   ノズル部材の一方の端部内へ突入するように配置
   されており、絶縁部材が電極とノズル部材との間
   に配置されていて、電極を取り囲む円筒形空間を
   形成しており、ガス分配室が絶縁部材内に形成さ
   れて電極を取り囲んでおり、複数の接線方向通路
   が絶縁部材内に形成されていて、ガス分配室、絶
   縁部材の半径方向内側の範囲及び電極の半径方向
   外側の範囲を接続しており、各接線方向通路の縦
   軸線が円筒形空間の半径線と円筒形空間の縦軸線
   から距離Ｆの箇所で交差するように配置されてお
   り、距離Ｆが円筒形空間の直径のほぼ1/3であり、
   ガス導入通路が一方の端部でガス分配室に接続さ
   れかつ他方の端部でプラズマガス源に接続されて
   いて、ガス流をガス分配室の周囲に一方向に導く
   ように接線方向に配置されていることを特徴とす
   るプラズマ溶射ガン。