JPH05502189A - プラズマアークトーチのための改良されたノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 プラズマアークトーチのための改良されたノズル支皿立１ 本発明は、金属工作物を切断するための切断用プラズマアークトーチに関し、特 に、そのようなトーチにおいて電極又はノズルに印加される高電圧、高周波信号 を用いてプラズマアークを始動させるための改良されたノズル構造体に関する。

支丘亙１ プラズマアーク（以下、単に「アーク」とも称する）の始動は、永年に亙って、 プラズマアークトーチの開発において問題の分野であり、大きな工学的研究の課 題となっている。

現在、プラズマアーク放電を開始させてプラズマアークトーチを始動させる方法 として、下記の３つの方法が知られている。

（１）高周波放電法、又は高電圧スパーク放電法、（２）接触始動法、及び （３）爆発ワイヤ法。

上記いずれの方法においても、アークは、イオン化ガス中で陰極（電極）と陽極 （ノズル又はノズルの構成部品）との間に発生する。

最も古い、そして最も広く使用されている方法は、高周波、高電圧スパーク放電 法である。この方法は、陰極（電極）と陽極（ノズル）の開の隙間のガス中に電 流路を創生する電荷キャリアを発生し、直流電流、即ちパイロットアーク放電を 起こす。この方法では一般に、電極又はノズルに通じる電力供給導線に高周波コ イルを付設するが、定格電力の低い、例えば直流電流２００アンペア未満の比較 的小型の装置では、高周波コイルは、通常、電極（陰極）に通じる電力供給導線 に付設される。

この高周波、高電圧始動法の一例は、米国特許第３゜６４１．３０８号に開示さ れている。陰極に印加された短時間高電圧パルスが、スイッチと抵抗器を介して 接地に接続されているノズルとの隙間にアークを創始する。

工作物も接地に接続されており、ガス流が設定されると、アークはノズルから工 作物へ伸びる。そこでスイッチが開放され、ノズルが電気的に浮いた状態になり 、工作物は接地に接続されたままに維持される。この一般的な始動法は、米国特 許第３，０８２．３１４号、３，１３１．２９８号、３，５３４，３８８号、３ ，６１９．５４９号、３，７８７，２４７号、３，８３３，７８７号及び４，２ ０３．０２２号にも開示されている。

従来のプラズマアークトーチでは、電極は、上記米国特許第３．６４１．３０８ 号及び４，２０３，０２２号に開示されているような、銅製チューブに座着させ た円筒形ディスクであれ、あるいは、米国特許第４，４２１．９７０号、４，７ ９１，２６８号及び４，８６１，９６２号に開示されているような、電極／ノズ ル組立体であれ、総体的に円筒形である。それらの構成では、電極の、ノズルに 近接した側の下端は、通常、円筒形である。電極に直接対面したノズルの表面は 、電極の外表面を写した形状であり、平滑で、下向きに収斂した円錐形である。

いずれの場合も、ノズルは、プラズマを工作物に向けて噴射する中央出口ボート を有している。ノズルの内表面から出口ボートへの遷移部が鋭いコーナー（かど ）となる場合があり、そのようなコーナーが電極に近接している場合があるが、 そのようなコーナーは、ノズルの該コーナーに隣接する他の部分よりも、電極に 近い領域に位置しないようにすることが肝要であるとされている。換言すれば、 コーナーと電極との離間距離が、ノズルの該コーナーに隣接する他の部分と電極 との離間距離より小さくならないようにすることが肝要であるとされている。

上述のような従来の構成には、２つの主要な欠点がある。第１に、アークを創始 する際、プラズマアーク放電を開始するためにガスの絶縁破壊を誘起するのが困 難な場合があることである。従って、アークを創始するための絶縁破壊電位を確 実に得るために、電極に印加する電圧レベルを増大させなければならない。しか しながら、それは、どの高周波、高電圧始動装置にも随伴する電磁騒音干渉の問 題を一層悪くすることになる。

第２の重要な欠点は、アークが開始される電極及びノズルの部位が安定していな いという・：とである。アークの発生部位に対する制御の欠落は、摩耗問題を惹 起する。例えば、高周波スパークが電極の側面の高い部位（出口ポートから離れ た部位）で始まると、スパークが電極（通常、電子放出素子を備えている）の下 方部分に到達する前に、直流電流及び電圧が、いわゆるダブルアークを起こすよ うなレベルにまで増大することがある。斯界において周知のように、ダブルアー クは、ノズルや電極等のプラズマアークトーチの構成部品を早期に破壊してしま う。

電極に機械加工によってマークをつけておき、始動時にそのマークのところでガ スの絶縁破壊が始まるようにしておくことは、従来技術において周知である。し かしながら、絶縁破壊電位を下げる（従って、絶縁破壊を達成するのに必要な所 要時間を短くする）ように、又、ノズル又は電極へ高周波、高電圧電流を印加す ることによってパイロットアークが創始される部位を制御するように特別に設計 されたノズル構造は、まだ知られていない。これは、高電圧、高周波コイルが電 極ではなくノズルに通じる電力線に付設されている場合に特に当てはまる。従来 技術のノズル構造では、電極の外面形状を変更しても、アークの発生部位にほと んど、あるいは、全く影響を及ぼさない。

免豆立１ｊ 従って、本発明の目的は、アークを電極とノズルの小さな明確に規定された環状 領域内に安定して創始するこ出るプラズマアークトーチの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、同じ条件下で作動される従来の同等のノズルに比べて、電 極の摩耗を少なくすることである。

本発明の更に他の目的は、所定のプラズマアークトーチにおいてアーク放電を開 始させるのに必要とされる絶縁破壊電位を下げることである。

本発明の他の目的は、高周波、高電圧始動中、作動区域内の他の電気及び電子装 置に対する電磁騒音干渉を減少させるノズル構造体を提供することである。

本発明の更に他の目的は、構造が簡単で、製造コストが比較的安く、既存のプラ ズマアークトーチの慣用のノズルと交換するための交換用部品として使用するこ とができる、上記諸利点を備えたノズル構造体を提供することである。

本発明が対象とするプラズマアークトーチは、工作物に近接する側の一端におい て長手軸線に関して互いに対称的に離隔して取付けられた電極とノズルを有し、 イオン化ガスを電極とノズルの間の隙間を通し、電極の下端に整列した該ノズル の中央出口ボートを通して噴出させ、該ガス中にプラズマアークを創始するため に該ノズルと電極のどちらか一方に高周波、高電圧信号を印加するようになされ ている。直流電源が電極とノズルに接続され、高周波、高電圧コイル／発生器が 、直流電源の負側又は正側導線のどちらかに電磁的に結合される。

ノズルは、通常、カップ形であり、電極を受容する。

電極の外側表面と、それに対面するノズルの内側表面との間隔は、はぼ均一であ る。

上記目的を達成するために、本発明によれば、電極に対面したノズルの内側表面 に、内方に突出した、円周方向に延長した連続的な（途切れのない）山形キンク （曲り）を形成する。この山形キンクは、鋭いコーナー又は丸み付きコーナーで あってよく、あるいはより複雑な断面形状を有するものであってもよいが、いず れにしても、ノズルの中央出口ボートに近接しており、かつ、電極に対峙したノ ズルの表面上の幅の狭い環状区域内に最も小さい曲率半径を画定することを特徴 とする。この環状区域が、プラズマアーク放電の優先的開始部位を規定する。こ の山形キンクは、電極とノズルの間の最も狭い隙間部位に位置しており、ノズル の中央出口ボートの内端とノズルの内側表面との交差によって画定されるコーナ ー（かど）からは隔てられている。

好ましい実施例では、上記山形キンクは、プラズマアークトーチの長手軸線に対 して異なる傾斜角を有する２つの円錐形表面の交差によって形成する。比較的扁 平な山形キンク、例えば約１６５°の夾角を有する山形キンクが、有効である。

本発明の好ましい実施例では、電極にも、その円筒形の側面又は下端部の円錐形 側面と、長手軸線にたして垂直な平坦な端面との交差によって画定されろ、外方 に突出した山形キンクを設ける。電極の山形キンクも、電極とノズルの間の最も 狭い隙間部位に位置させ、ノズルの山形キンクに対峙させる。電極及びノズルの 山形キンクは、円周方向に延長する環状区域の中心に位置する。

上記山形キンクの曲率半径がそれらに隣接する他のどの表面部分の曲率半径より も小さく、かつ、それらの山形キンクは電極とノズルの間の最も狭い隙間部位に 位置しているので、（１）前記高周波、高電圧始動信号によって創生される電界 の強度が高められ、（２）山形キンクの領域におけるプラズマの絶縁破壊が、電 極及びノズルの他の部分に優先して安定的に、迅速に発生する。

以下に、添付図を参照して本発明の構造を詳しく説明する。

ｍと薩連」」笈望 第１図は、本発明の高周波、高電圧プラズマアーク創始システムの概略説明図で ある。

第２図は、第１図に示された電極及びノズルの下方部分の一部断面による側面図 である。

第３図は、平滑な円錐形内側表面を有する従来技術のノズル構造体を示す、第２ 図と同様の図である。

第４図は、本発明の別の実施例によるノズル構造体を示す、第２図と同様の図で ある。

Ｋ上皇 第１図を参照して説明すると、本発明に従って構成されたノズル１２及び電極１ ４を有するプラズマアークトーチ（以下、単に「トーチ」とも称する）１０は、 直流電源１６に接続されている。図に示されるように、電源１６の正の出力端は 、導線１８によってノズル１２に接続され、電源１６の負側は、導線２０によっ て電極１４に接続されている。このプラズマアークトーチ１ｏは、現在入手し得 る広範囲のトーチ構造のうちの任意のものであってよい。本発明を実施するのに 好適な構造は、例えば上記米国特許第３，６４１，３０８号、４，２０３．０２ ２号、４，７９１，２６８号及び４，８６１，９６２号に開示されている。

高周波コイル２２を図に示されるように正側の導１１１８に、あるいは負側の導 線２０にｔＭｉ的に結合することができる。この高周波コイル２２を備えた高周 波コイル／発生器は、高周波、高電圧信号を発生し、その信号は、導線１８又は ２ｏを通してノズル１２又は電極１４へ送られる。高周波コイル／発生器は、直 流電源１６と同様に、周知の慣用構造のものである。この高周波コイル／発生器 によって発生される典型的な電圧は、２〜３ｍＨｚの周波数でほぼ５，０００■ の範囲である。

作動において、イオン化ガスの流れ２４が、電極／ノズルチャンバー２５を通し て創始され、ノズルの下方壁に穿設された出口ボート４４を通してトーチから噴 出する。イオン化ガスの流れ２４は、電極の下端からノズルの出口ボート４４の 直前まで渦巻流経路をとる。コイル２２により系に高周波が印加されると、電極 １４とノズル１２の間に高レベルの振動電界が発生する。

本発明の重要な特徴は、ノズル１２の内側表面２６に、円周方向に延長する（閉 ループの）山形キンク（曲り）と称される突起２８を形成したことである。この 山形キンク２８は、電極Ｉ４とノズル２２の開の間隔が最も狭い部位に設け、電 極１４とノズル１２の間に局部的な最小隙間間隔を設定する線を画定するように することが肝要である。この構成は、従来技術では、例えば第３図に示されるよ うにノズル１２の出口ボート４４の内端のところのコーナー（かど）が最も小さ い曲率半径を有しており、そのコーナーが、それに隣接するノズルの内側表面２ ６のどの部分よりも電極から遠く離間している従来技術の構成とは対照的である 。本発明のこの構成は、ノズルの内側表面２６上の山形キンク２８を中心とする 狭い環状区域３０と、電極１４の外側表面上の山形キンク３４を中心とする狭い 環状区域３２との間の絶縁破壊電圧を低下させることが認められた。

を極１４は、テーバした円錐形端部表面３６と、トーチとノズルと電極の共通の 長手軸線４０に対して垂直な平坦な端面３８を有し、表面３６と端面３８との交 差部に山形キンク３４が画定されている。ノズルの内側表面２６の上述した山形 キンク２８は、図示のように軸線４０から約４５°の傾斜角Ａを有する円錐形表 面２６ａと、図示のように軸線４０から約６０”の傾斜角Ｂを有する円錐形表面 ２６ｂとの交差によって画定されている。

従って、図示の好ましい実施例では、山形キンク２８は、１６５°の夾角を有し 、丸みのない線交差を画定する。山形キンク２８及びそれを中心とする環状区域 ３０と山形キンク３４及びそれを中心とする環状区域３２とは、電極／ノズルチ ャンバー２５内の隙間４２によって離隔される。図では山形キンク２８と３４と は互いに真向いに対峙するものとして示されているが、これは好ましい実施形態 であって、そのような正確な対峙整列は本発明の作動にとって必須の要件ではな い。

山形キンク２８と３４の間の隙間４２、少くともそれらの山形キンクに隣接した 区域と区域の間の隙間４２は、ノズルと電極の間の最も狭い間隔部位であること に留意されたい。その結果として、正側導線１８を通してノズル１２に高周波を 印加すると、電界強化がノズルの山形キンク２８に集中され、環状区域３０と３ ２の間に安定した絶縁破壊が発生する。又、ノズルの内側表面２６に形成する山 形キンク２８は、上述した電界強化を起こさせるように、内側表面２６の隣接部 分に比べて最も小さい曲率半径を有するようにすることが肝要である。同様に、 電極の外側表面に形成する山形キンク３４も、電極とノズルの間の隙間４２の最 も狭い間隔の部位にできるだけ近接した領域で最も小さい曲率半径を有するよう にすべきである。

高周波コイル２２を直流電源の負側導線２０に付設した場合にも、環状区域３２ と３０との間の絶縁破壊電圧を電極／ノズルチャンバー２５の他の部分における 絶縁破壊電圧よりも低くすることができる。その場合、ノズルと電極の両方にい ずれも最小限の曲率半径を有する山形キンク２８，３４が形成されているので、 電極側の山形キンク３４が環状区域３０と３２の間に電界強化を起こさせる。こ の電界強化により、隙間４２に絶縁破壊が発生するのを保証するとともに、ノズ ル１２が第３図示のように単純な円錐形内側表面を有する場合に必要とされる絶 縁破壊電位に比べて、絶縁破壊発生のための所要電位を低下させる。

第４図は、本発明の変形実施例を示す。この実施例の構成部分のうち第２図の実 施例のちとと同様な部分は、同じ参照番号に°を付して示されている。この実施 例では、ノズル１２°は、円筒形の側壁１２ａ°と、出口ボート４４°を有する 下端壁１２ｂ°とによって形成された総体的に円筒形の内部形状を有している。

やはり、ノズル１２°は、電極１４“から対称的に離隔している。

ノズルの端壁１２ｂ°は、その側壁１２ａ°よりも、電極の対向表面に近接して いる。即ち、端壁１２ｂ°とそれに対向した電極の端面３８゛との離間距離は、 側壁１２ａ’　とそれに対向した電極の端部表面３６°との離間距離より小さい 。

ノズルの内側表面２６°には、その端壁１２ｂ°を画定するほぼ平坦な内側表面 部分２６ａ゛と、出口ボート４４゛と内側表面部分２６ａ゛との間に延長した円 錐形表面２６ｂ°との交差によって山形キンク２８°が形成されている。円錐形 表面２６ｂ゛は、典型的な例では、内側表面部分２６ａ゛の平面から約１０°傾 斜させる。

山形キンク２８゛は、内側表面２６゛の他のどの部分よりも、電極１４′に近い 位置に位置させ、かつ、好ましくは電極の下端に形成された山形キンク３４°に 対して翼内かいに対峙させる。図示のように、山形キンク３４゛は、電極の円錐 形表面３６°と端面３８゛との交差によって画定された円周方向に延長した連続 した（途切れのない）山形突起である。電極１４゛は、その下端面３８°の中心 に、出口ボート４４’　４４”　と対向して埋設された円筒形の電子放出インサ ート４８を有している。

山形キンク２８゛及び３４°は、プラズマアーク放電を優先的に起こすべき帯域 を画定する狭い環状区域３０°、３２°の中心に位置させる。山形キンク２８° と３４゛の間の隙間４２は、電極とノズルの間の隙間で最も間隔の狭い部位であ る。

作動において、ハイパーサーム・インコーホレイテッド社からＭＡＸ２００型と して販売されている２００アンペアのプラズマアークトーチに組合せて使用した 場合、本発明のノズル構造体は、最大絶縁破壊電位を１０％も低下させ、電極の 摩耗を３０％も減少させた。これと同等の効果が、標準的作動条件下で他の型の トーチにおいても得られた。更に、パイロットアーク放電が、環状国際調査報告

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．プラズマアークトーチの一端において長手軸線に関して互いに対称的に離隔 して取付けられた電極とノズルを有し、イオン化ガスを電極とノズルの間の隙間 を通し、該ノズルの中央出口ボートを通して噴出させ、該ガス中にプラズマアー クを創始するために該ノズルと電極のとちらか一方に高周波、高電圧信号を印加 するようになされたプラズマアークトーチにおいて、前記ノズルは、前記出口ポ ートに近接したところに位置する前記電極に対面した内側表面を有し、該内側表 面に山形キンクが形成されており、該山形キンクは（１）該キンクに隣接する該 内側表面の他の部分の曲率半径に比べて最も小さい曲率半径を有し、（２）前記 電極とノズルの間の最も狭い隙間部位に位置しており、それによって、該山形キ ンクが、前記ノズルに高周波、高電圧信号が印加されたとき該高周波、高電圧信 号によって創生される電界強度を高め、それによって前記プラズマアークを創始 するのに必要とされる絶縁破壊電位を低下し、該山形キンクに近接する幅の狭い 区域内に安定してプラズマアークを創始するようになされていることを特徴とす るプラズマアークトーチ。
2. ２．前記山形キンクは、前記長手軸線に対して横断方向に閉ループ経路として連 続して延長していることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のプラズマアーク トーチ。
3. ３．前記山形キンクは、第１の円錐形表面と第２の表面との交差によって形成さ れていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のプラズマアークトーチ。
4. ４．前記第２の表面も円錐形であり、前記長手軸線に関して前記第１の円錐形表 面とは異なる角度を有してい、ることを特徴とする請求の範囲第３項に記載のプ ラズマアークトーチ。
5. ５．前記電極も、該電極と前記ノズルとの間の隙間の最も狭い部位において該ノ ズルの方に向って突出した山形キンクを有していることを特徴とする請求の範囲 第３項に記載のプラズマアークトーチ。
6. ６．前記電極の山形キンクは、該電極の、平常作動中摩耗度の低い部分で、かつ 、前記出口ポートの真上に位置する部分に配置されていることを特徴とする請求 の範囲第５項に記載のプラズマアークトーチ。
7. ７．前記電極の山形キンクと前記ノズルの山形キンクとは、該電極とノズルの間 の隙間の最も狭い部位において互いに対持した離隔関係にあることを特徴とする 請求の範囲第５項に記載のプラズマアークトーチ。
8. ８．イオン化ガスを電極とノズルの間の隙間を通し、該ノズルの中央出口ポート を通して噴出させ、該ガス中にプラズマアークを創始するために該ノズルと電極 のとちらか一方に高周波、高電圧信号を印加するようになされた工作物加工用プ ラズマアークトーチにおいて、該電極と協同するようにプラズマアークトーチの 一端に取付けられたノズルであって、 前記電極に対して整列せしめられた工作物にプラズマアークを噴射するための中 央出口ポートを有する導電性部材から成り、前記出口ポートに近接したところに 位置する前記電極に対面した表面を有し、該表面に山形キンクが形成されており 、該山形キンクは、前記電極とノズルの間の最も狭い隙間部位に配置されており 、それによって、該山形キンクの領域内にパイロットアークを優先的に安定して 、かつ、比較的低い絶縁破壊電位で創生するようになされていることを特徴とす るノズル。
9. ９．前記山形キンクは、該プラズマアークトーチの長手軸線にから測定してそれ ぞれ異なる傾斜角の２つの円錐形表面の交差によって形成されていることを特徴 とする請求の範囲第８項に記載のノズル。
10. １０．プラズマアークトーチの一端において長手軸線に関して互いに対称的に離 隔して取付けられた電極とノズルを有し、イオン化ガスを電極とノズルの間の隙 間を通し、該ノズルの中央出口ポートを通して噴出させ、該ガス中にプラズマア ークを創始するために該ノズルと電極のどちらか一方に高周波、高電圧信号を印 加するようになされたプラズマアークトーチにおいて、前記ノズルと電極は、前 記隙間を画定するように互いに離隔し対面した内側表面及び外側表面を有してお り、該ノズルの内側表面は、前記出口ボートに近接したところに位置し、該ノズ ルの内側表面と、該電極の外側表面にそれぞれ山形キンクが形成されており、そ れらの山形キンクは、（１）それぞれのキンクに隣接する該内側表面及び外側表 面の他の部分の曲率半径に比べて最も小さい曲率半径を有し、（２）前記電極と ノズルの間の最も狭い隙間部位に位置しており、それによって、それらの山形キ ンクが、前記ノズル又は電極のとちらか一方に高周波、高電圧信号が印加された とき該高周波、高電圧信号によって創生される電界強度を高め、それによって前 記プラズマアークを創始するのに必要とされる絶縁破壊電位を低下し、それらの 山形キンクに近接する内側表面及び外側表面上の幅の狭い区域内に安定してプラ ズマアークを創始するようになされていることを特徴とするプラズマアークトー チ。