JPH0766871B2 - 高速・温度制御式プラズマスプレー法及び装置 - Google Patents
高速・温度制御式プラズマスプレー法及び装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、従来のプラズマスプレーシステムよりも高い
電流と高い電圧を使用するプラズマアークスプレー法及
びその装置に関するものであり、さらに特定すれば、プ
ラズマトーチノズル噴出口周辺の陽極部の使用寿命を延
長するプラズマスプレーシステムに関するものである。
電流と高い電圧を使用するプラズマアークスプレー法及
びその装置に関するものであり、さらに特定すれば、プ
ラズマトーチノズル噴出口周辺の陽極部の使用寿命を延
長するプラズマスプレーシステムに関するものである。
（従来技術及び発明が解決しようとする課題） 粉末を注入するプラズマスプレーシステムにおいては、
超高温熱源としてアーク柱自体あるいはそのイオン体が
利用されている。この利用はアーク柱を従来型プラズマ
トーチの場合よりもノズル噴出口からさらに遠方に伸び
出させる技術において重要な役割を果たす。添付の図１
には従来式プラズマスプレートーチ10′が図示されてい
る。図面の簡素化のため、その水冷手段は取り除かれて
いる。円筒カップ形状の電気絶縁体10は、その底部閉鎖
壁にて絶縁体10の中央軸に沿って延びる陰極棒体12を保
持している。この陰極棒体12は電気絶縁体10の開口部に
搭載されたノズル部材11とは接触していない。ノズル部
材11はその中央部にノズル穴11aを有しており、プラズ
マスプレートーチノズル通路９を提供している。アーク
体17は、陰極棒体12と陽極として作用するノズル部材11
との間の電位差によって発生する。アーク体17は陰極棒
体12とノズル通路９の内壁との間を通過する。アーク体
17は、ガス供給管15から環状マニフォールド体24内の陰
極棒体12周囲に供給されるプラズマ形成ガス（Ｇ）によ
ってその長さが延ばされる。ガス供給管15は電気絶縁体
10の円筒状側壁に設けられた挿通孔15aに同軸的に接続
されている。円筒カップ形状の絶縁体10内部において、
絶縁体10のごとき絶縁材料でなる横断仕切体13な陰極棒
体12を安定的に支持している。仕切体13には多数の小径
挿通孔23が提供されており、陰極棒体12のテーパー状先
端部12a周辺を通過させてノズル通路９にプラズマ形成
ガスを送る。ノズル噴射口から噴射される粉末（Ｐ）は
アーク体17の先端部18を越えた箇所にて、アーク体17に
加熱されたガス内へと送られる。この粉末は管体16か
ら、ノズル穴11aに通じる通路16′を通過してノズル穴1
1a内へと最適条件下にて導入される。
超高温熱源としてアーク柱自体あるいはそのイオン体が
利用されている。この利用はアーク柱を従来型プラズマ
トーチの場合よりもノズル噴出口からさらに遠方に伸び
出させる技術において重要な役割を果たす。添付の図１
には従来式プラズマスプレートーチ10′が図示されてい
る。図面の簡素化のため、その水冷手段は取り除かれて
いる。円筒カップ形状の電気絶縁体10は、その底部閉鎖
壁にて絶縁体10の中央軸に沿って延びる陰極棒体12を保
持している。この陰極棒体12は電気絶縁体10の開口部に
搭載されたノズル部材11とは接触していない。ノズル部
材11はその中央部にノズル穴11aを有しており、プラズ
マスプレートーチノズル通路９を提供している。アーク
体17は、陰極棒体12と陽極として作用するノズル部材11
との間の電位差によって発生する。アーク体17は陰極棒
体12とノズル通路９の内壁との間を通過する。アーク体
17は、ガス供給管15から環状マニフォールド体24内の陰
極棒体12周囲に供給されるプラズマ形成ガス（Ｇ）によ
ってその長さが延ばされる。ガス供給管15は電気絶縁体
10の円筒状側壁に設けられた挿通孔15aに同軸的に接続
されている。円筒カップ形状の絶縁体10内部において、
絶縁体10のごとき絶縁材料でなる横断仕切体13な陰極棒
体12を安定的に支持している。仕切体13には多数の小径
挿通孔23が提供されており、陰極棒体12のテーパー状先
端部12a周辺を通過させてノズル通路９にプラズマ形成
ガスを送る。ノズル噴射口から噴射される粉末（Ｐ）は
アーク体17の先端部18を越えた箇所にて、アーク体17に
加熱されたガス内へと送られる。この粉末は管体16か
ら、ノズル穴11aに通じる通路16′を通過してノズル穴1
1a内へと最適条件下にて導入される。
非常に明るく輝く略円錐状アーク部19はノズル部９から
少々伸び出ている。このアーク部19はイオン化されたガ
ス体の延長部である。アーク部19内では大量の熱交換が
行われる。粉末粒子（Ｐ）はアーク部19を越えて高熱ガ
ス流25内でさらに加熱される。粉末粒子（Ｐ）は高速
（音速以下）のガス流25内でさらに加速し、加工対象物
22の表面に激突して塗膜21を形成する。
少々伸び出ている。このアーク部19はイオン化されたガ
ス体の延長部である。アーク部19内では大量の熱交換が
行われる。粉末粒子（Ｐ）はアーク部19を越えて高熱ガ
ス流25内でさらに加熱される。粉末粒子（Ｐ）は高速
（音速以下）のガス流25内でさらに加速し、加工対象物
22の表面に激突して塗膜21を形成する。
従来式プラズマスプレートーチ10′の１例 使用プラズマ形成ガス：窒素（G:100SCFH） ノズル通路９の半径：約4mm 使用電流:750アンペア 使用電圧:80ボルト 円錐状アーク部突出長：約8.5mm 最大達成電力:60kw 陽極・陰極損失電圧:30ボルト 加熱能力:37.5kw 実動加熱能力（冷却水への熱損失20％の場合）:30kw プラズマガスエンタルピー増加：約14,500BTU/ポンド いわゆる低電圧アーク（約80ボルト）を採用する現在の
プラズマ装置は図１のごとくに構成されている。噴射す
る材料が耐熱性であれば、高温加熱領域を設けることは
大きな利点となる。しかし、非耐熱性の材料であれば、
このようなプラズマシステムは利用が困難であった。
プラズマ装置は図１のごとくに構成されている。噴射す
る材料が耐熱性であれば、高温加熱領域を設けることは
大きな利点となる。しかし、非耐熱性の材料であれば、
このようなプラズマシステムは利用が困難であった。
従来のプラズマトーチは、図１の略円錐状アーク部19通
過時に粉末粒子をほとんど瞬時に加熱するものであっ
た。この粉末粒子のほとんど（特に小型のもの）は完全
に溶融し、蒸発することさえある。炭化タングステン
（WC）のごとき耐熱性材料はデカーボナイズされ、不都
合なW2Cを形成する。溶融粒子は重度に酸化することも
ある。
過時に粉末粒子をほとんど瞬時に加熱するものであっ
た。この粉末粒子のほとんど（特に小型のもの）は完全
に溶融し、蒸発することさえある。炭化タングステン
（WC）のごとき耐熱性材料はデカーボナイズされ、不都
合なW2Cを形成する。溶融粒子は重度に酸化することも
ある。
「Ｄ−GUN」と呼称される装置は、従来の瞬時加熱式プ
ラズマ装置とは異なり、ずっと低温で、長く延びた高速
熱源を提供する。この低温・高速熱源により、粉末粒子
は溶融することなく加熱されて軟化する。その軟化した
粒子はその化学的組成を維持し、大気中の加工対象物に
噴射されたときでさえもわずかに酸化するだけである。
ラズマ装置とは異なり、ずっと低温で、長く延びた高速
熱源を提供する。この低温・高速熱源により、粉末粒子
は溶融することなく加熱されて軟化する。その軟化した
粒子はその化学的組成を維持し、大気中の加工対象物に
噴射されたときでさえもわずかに酸化するだけである。
図２はアークを伸張させる改良非トランスファー型プラ
ズマアークトーチの縦方向断面図である。図2aは、図２
に図示されたトーチのノズル噴出口部分の拡大断面図で
ある。この改良型プラズマスプレートーチ10は電気絶縁
材料でなる円筒カップ体30を有している。円筒カップ体
30の開口部には円筒形ノズル部材31が係合している。円
筒カップ体30の底部は底部壁30aを定義する。底部壁30a
は、円筒体30の内部である円柱状チャンバー41の中央軸
部に沿って延びた陰極棒体32を保持している。陰極棒体
32の先端部32aは、トーチノズル通路34を定義するノズ
ル穴壁31aのノズル上流開口部に形成されており、チャ
ンバー41内に開いた略円錐形状部35内に突き出ている。
ズマアークトーチの縦方向断面図である。図2aは、図２
に図示されたトーチのノズル噴出口部分の拡大断面図で
ある。この改良型プラズマスプレートーチ10は電気絶縁
材料でなる円筒カップ体30を有している。円筒カップ体
30の開口部には円筒形ノズル部材31が係合している。円
筒カップ体30の底部は底部壁30aを定義する。底部壁30a
は、円筒体30の内部である円柱状チャンバー41の中央軸
部に沿って延びた陰極棒体32を保持している。陰極棒体
32の先端部32aは、トーチノズル通路34を定義するノズ
ル穴壁31aのノズル上流開口部に形成されており、チャ
ンバー41内に開いた略円錐形状部35内に突き出ている。
プラズマ形成ガス流（Ｇ）は、円柱状チャンバー41に対
して垂直に提供されているガス供給管26から通路33を介
してチャンバー41内に供給され、強力な渦流となり、先
細となった略円錐形状部35でさらに加速されてノズル通
路34内へと導かれる。高速渦流の小径となった中心コア
部は、通路34の壁であるノズル穴壁31a近辺のガス層よ
りもガス圧が低い。ノズル穴34a内に伸び出したアーク
柱37は、その低圧中心部を通過することにより、ノズル
通路34の噴出部34aを越えて伸び出すことができる。こ
の現象の解明は為されていないが、通路34の径を減少さ
せ、又／あるいは、アーク電流を増加させることによっ
て、音速以下の場合に生じるアーク陽極に関する抑圧力
を排除するような臨界圧力降下が、通路34を介して大気
に通じるその通過経路において創出されるからであろう
と考えられる。超音速流を利用すれば、アーク陽極領域
はさらに拡張可能である。
して垂直に提供されているガス供給管26から通路33を介
してチャンバー41内に供給され、強力な渦流となり、先
細となった略円錐形状部35でさらに加速されてノズル通
路34内へと導かれる。高速渦流の小径となった中心コア
部は、通路34の壁であるノズル穴壁31a近辺のガス層よ
りもガス圧が低い。ノズル穴34a内に伸び出したアーク
柱37は、その低圧中心部を通過することにより、ノズル
通路34の噴出部34aを越えて伸び出すことができる。こ
の現象の解明は為されていないが、通路34の径を減少さ
せ、又／あるいは、アーク電流を増加させることによっ
て、音速以下の場合に生じるアーク陽極に関する抑圧力
を排除するような臨界圧力降下が、通路34を介して大気
に通じるその通過経路において創出されるからであろう
と考えられる。超音速流を利用すれば、アーク陽極領域
はさらに拡張可能である。
伸張されたアーク部37（イオン化領域）は、前述従来例
のイオン化された略円錐状アーク部19（図１）より小径
のアーク部となっており、その長さも圧倒的に長くなっ
ている。
のイオン化された略円錐状アーク部19（図１）より小径
のアーク部となっており、その長さも圧倒的に長くなっ
ている。
プラズマスプレートーチ10の使用例 使用プラズマ形成ガス：窒素（G:120SCFH） ノズル通路の半径：約2.4mm 使用電流:400アンペア 使用電圧:200ボルト 円錐状アーク部突出長：約30mm 最大達成電力:80kw 陽極・陰極損失電圧:30ボルト プラズマガスエンタルピー増加：約27,000BTU/ポンド
（冷却水への熱損失20％の場合） このエンタルピーは前述例のほぼ２倍である。
（冷却水への熱損失20％の場合） このエンタルピーは前述例のほぼ２倍である。
図2aに示すノズル通路34の陽極噴出部36において、陽極
での加熱と、大気中の酸素とによって円筒形ノズル部材
31には侵食部39が略円錐台形状に形成される。この形成
開始には装置使用開始後の数時間を要し、侵食部39が拡
大するにつれ、侵食速度は減速する。この減速は、侵食
部39内への酸素の流入を妨害するガスのためであろうと
考えられる。このような侵食部39の存在は不都合であ
り、排除するに越したことはない。
での加熱と、大気中の酸素とによって円筒形ノズル部材
31には侵食部39が略円錐台形状に形成される。この形成
開始には装置使用開始後の数時間を要し、侵食部39が拡
大するにつれ、侵食速度は減速する。この減速は、侵食
部39内への酸素の流入を妨害するガスのためであろうと
考えられる。このような侵食部39の存在は不都合であ
り、排除するに越したことはない。
従って、本発明の目的は、前述のごときプラズマトーチ
ノズル噴出口付近の陽極ノズル部の使用寿命を延長する
方法及び装置の提供にある。
ノズル噴出口付近の陽極ノズル部の使用寿命を延長する
方法及び装置の提供にある。
（課題を解決するための手段及び作用） 本発明は改良型プラズマアークトーチに関するものであ
る。このプラズマアークトーチは内部にチャンバーを提
供する円筒形絶縁体を含んでいる。円筒体の一方の端部
は陽極である円筒状ノズル体であり、その中央軸部には
ノズル通路が設けられている。閉鎖された他方の端部か
らは陰極棒体が円筒体内部チャンバーの中央軸に沿って
延び出ている。陰極棒体は陽極とは電気的に絶縁されて
いる。略円錐形状の陰極棒体先端部に面したノズル通路
の端部はチャンバー内に略円錐状に広がっており、陰極
棒体先端部を非接触的に包んでいる。
る。このプラズマアークトーチは内部にチャンバーを提
供する円筒形絶縁体を含んでいる。円筒体の一方の端部
は陽極である円筒状ノズル体であり、その中央軸部には
ノズル通路が設けられている。閉鎖された他方の端部か
らは陰極棒体が円筒体内部チャンバーの中央軸に沿って
延び出ている。陰極棒体は陽極とは電気的に絶縁されて
いる。略円錐形状の陰極棒体先端部に面したノズル通路
の端部はチャンバー内に略円錐状に広がっており、陰極
棒体先端部を非接触的に包んでいる。
円筒体内には内部チャンバーに加圧ガスを導入するガス
供給手段が提供されている。陰極棒体の先端部と陽極と
の間には電位差が生じており、陽極から陰極にプラズマ
アークが創出される。陽極ノズル噴出口の周囲には通
常、環状の金属製リング体が提供されている。本発明の
改良点は、ノズル通路内に不連続部、すなわち変形部を
提供することにあり、この変形部によってアーク柱は延
長され、アーク柱はノズル通路噴出口に至るまで充分な
制御下に置かれる。
供給手段が提供されている。陰極棒体の先端部と陽極と
の間には電位差が生じており、陽極から陰極にプラズマ
アークが創出される。陽極ノズル噴出口の周囲には通
常、環状の金属製リング体が提供されている。本発明の
改良点は、ノズル通路内に不連続部、すなわち変形部を
提供することにあり、この変形部によってアーク柱は延
長され、アーク柱はノズル通路噴出口に至るまで充分な
制御下に置かれる。
好適には、プラズマ形成ガスは陽極ノズル通路から離れ
た位置で、円筒絶縁体内部チャンバーに垂直方向に供給
され、ノズル通路内に延びる低圧渦流コア部を形成さ
せ、この低圧渦流ガスコア部はノズル通路内を部分的に
延びる小径のアーク柱を形成させる。ノズル通路の壁部
に沿った渦流ガスの境界層によりノズル通路内をアーク
柱が通過し、ノズル通路の変形部において、あるいはそ
の直後の下流側においてアーク部が提供されるのがよ
い。
た位置で、円筒絶縁体内部チャンバーに垂直方向に供給
され、ノズル通路内に延びる低圧渦流コア部を形成さ
せ、この低圧渦流ガスコア部はノズル通路内を部分的に
延びる小径のアーク柱を形成させる。ノズル通路の壁部
に沿った渦流ガスの境界層によりノズル通路内をアーク
柱が通過し、ノズル通路の変形部において、あるいはそ
の直後の下流側においてアーク部が提供されるのがよ
い。
このような変形部は、ノズル通路の噴出口から、あるい
はノズル通路の他端から適当な環状溝部形成機を挿入し
て、ノズル通路内部を削加工することで形成つることが
できる。あるいは、ノズル通路の双方向からの加工によ
って、通路内部に環状突起部を提供することも可能であ
る。
はノズル通路の他端から適当な環状溝部形成機を挿入し
て、ノズル通路内部を削加工することで形成つることが
できる。あるいは、ノズル通路の双方向からの加工によ
って、通路内部に環状突起部を提供することも可能であ
る。
好適には、トーチによって噴射粒子が加熱過多とならな
いように、アーク柱の下流側の高速熱ガス流内に噴射用
材料を提供する手段が提供される。ノズル通路内の変形
部は、アーク柱の終了部と噴射材料提供手段との中間に
提供されることが望ましい。
いように、アーク柱の下流側の高速熱ガス流内に噴射用
材料を提供する手段が提供される。ノズル通路内の変形
部は、アーク柱の終了部と噴射材料提供手段との中間に
提供されることが望ましい。
（好適実施例の解説） 図３を解説する。プラズマスプレートーチ10″は円筒カ
ップ状電気絶縁体30と、その閉じた底部から延び出てお
り、略円錐状先端部32aを有し、電気絶縁体30の中央軸
部に提供された陰極棒体32と、電気絶縁体30内部のチャ
ンバー41と、カップ体30の底部の反対側の開口部に提供
された陰極ノズル体31′と、を含んでいる。陰極棒体32
の略円錐状先端部32aは、ノズル通路54（ノズル穴51）
を有するノズル本体31′のチャンバー41に向かって略円
錐状に開いた略円錐形状部35内に非接触式に挿入されて
いる。本発明のノズル本体31′は図１及び図２のノズル
本体よりも長く形成されている。本実施例の陰極ノズル
体52のノズル通路54の先端部（ノズル噴出口）52aに
は、チャンバー41側の他のノズル部分よりも径が大きく
加工された大径ノズル穴部57が提供されている。大径ノ
ズル穴部57の上流部（噴出口の反対側）には環状棚部58
が提供されており、その形状の作用によってアーク陽極
リング59をノズル先端部52aから距離を置いて形成させ
る。
ップ状電気絶縁体30と、その閉じた底部から延び出てお
り、略円錐状先端部32aを有し、電気絶縁体30の中央軸
部に提供された陰極棒体32と、電気絶縁体30内部のチャ
ンバー41と、カップ体30の底部の反対側の開口部に提供
された陰極ノズル体31′と、を含んでいる。陰極棒体32
の略円錐状先端部32aは、ノズル通路54（ノズル穴51）
を有するノズル本体31′のチャンバー41に向かって略円
錐状に開いた略円錐形状部35内に非接触式に挿入されて
いる。本発明のノズル本体31′は図１及び図２のノズル
本体よりも長く形成されている。本実施例の陰極ノズル
体52のノズル通路54の先端部（ノズル噴出口）52aに
は、チャンバー41側の他のノズル部分よりも径が大きく
加工された大径ノズル穴部57が提供されている。大径ノ
ズル穴部57の上流部（噴出口の反対側）には環状棚部58
が提供されており、その形状の作用によってアーク陽極
リング59をノズル先端部52aから距離を置いて形成させ
る。
陰極棒体32周囲の渦流ガス53はノズル通路54の略円錐形
状部35を通過し、ノズル通路54に沿ってアーク柱55を集
束させる。集束したアーク柱55はノズル通路54の下流先
端部52に送られ、噴出口から噴出される。環状棚部58は
比較的その幅が狭く、外気中の酸素が到達しない箇所に
設けられている。大径ノズル穴部57の直径は他の狭いノ
ズル穴部51の直径よりも1/10大きければよい。典型的な
高電圧操作においては、アーク陽極リング59は、陰極棒
体下流先端部から約95mmの箇所に形成される。この場合
のノズル穴51は約129mmであり、大径ノズル穴部57は約9
mmである。典型的なプラズマアークトーチにおいては、
プラズマ形成ガス（Ｇ）は窒素ガスであり、作業電圧は
400ボルトである。大径ノズル穴部57の長さを相対的に
増加させることにより、使用電圧を低下させることが可
能である。
状部35を通過し、ノズル通路54に沿ってアーク柱55を集
束させる。集束したアーク柱55はノズル通路54の下流先
端部52に送られ、噴出口から噴出される。環状棚部58は
比較的その幅が狭く、外気中の酸素が到達しない箇所に
設けられている。大径ノズル穴部57の直径は他の狭いノ
ズル穴部51の直径よりも1/10大きければよい。典型的な
高電圧操作においては、アーク陽極リング59は、陰極棒
体下流先端部から約95mmの箇所に形成される。この場合
のノズル穴51は約129mmであり、大径ノズル穴部57は約9
mmである。典型的なプラズマアークトーチにおいては、
プラズマ形成ガス（Ｇ）は窒素ガスであり、作業電圧は
400ボルトである。大径ノズル穴部57の長さを相対的に
増加させることにより、使用電圧を低下させることが可
能である。
狭い幅の環状棚部58によってアークの長さに関する特質
を充分に制御することが可能であることは特筆に値す
る。この特徴によって本発明のプラズマスプレー装置は
従来式のプラズマスプレー装置と比して一段と優れたも
のになっている。
を充分に制御することが可能であることは特筆に値す
る。この特徴によって本発明のプラズマスプレー装置は
従来式のプラズマスプレー装置と比して一段と優れたも
のになっている。
この改良現象は、陽極ノズル穴壁に沿った周辺流の撹乱
によって、アークがこの撹乱箇所の下流直後にノズル穴
壁との間でアーク陽極リング59を形成させるためである
と考えられる。
によって、アークがこの撹乱箇所の下流直後にノズル穴
壁との間でアーク陽極リング59を形成させるためである
と考えられる。
本発明の別例を紹介する。この例では、大径ノズル穴部
57に代わって環状溝部60が提供されている（図3a）。こ
の環状溝部60の深さは前記の環状棚部58の幅と同一でよ
い。この環状溝部60の作用によってアーク柱55は前記例
と同様にノズル穴51内を安定制御下に延長される。
57に代わって環状溝部60が提供されている（図3a）。こ
の環状溝部60の深さは前記の環状棚部58の幅と同一でよ
い。この環状溝部60の作用によってアーク柱55は前記例
と同様にノズル穴51内を安定制御下に延長される。
図3bにおいて本発明のさらに別例を紹介する。本例で
は、大径ノズル穴部57、あるいは環状溝部60に代わっ
て、上流の他のノズル穴部51よりも小径の小径ノズル穴
部74が提供されている。この小径ノズル穴部74の上流側
環状棚部75の幅も前記の環状棚部58の幅と同一でよい。
この場合も、この環状棚部75の物理的作用によってアー
ク柱55は前記２例同様にノズル穴51内を制御下に延長さ
れる。
は、大径ノズル穴部57、あるいは環状溝部60に代わっ
て、上流の他のノズル穴部51よりも小径の小径ノズル穴
部74が提供されている。この小径ノズル穴部74の上流側
環状棚部75の幅も前記の環状棚部58の幅と同一でよい。
この場合も、この環状棚部75の物理的作用によってアー
ク柱55は前記２例同様にノズル穴51内を制御下に延長さ
れる。
図3cにおいて本発明のさらに別例を紹介する。本例で
は、大径ノズル穴部57、環状溝部60、あるいは小径ノズ
ル穴部74に代わって、環状突起部76が提供される。この
環状突起部76の高さも前記の環状棚部58の幅と同一でよ
い。この場合においても、この環状突起部76の作用によ
ってアーク柱55は前記３例と同様にノズル穴51内で制御
下に延長される。
は、大径ノズル穴部57、環状溝部60、あるいは小径ノズ
ル穴部74に代わって、環状突起部76が提供される。この
環状突起部76の高さも前記の環状棚部58の幅と同一でよ
い。この場合においても、この環状突起部76の作用によ
ってアーク柱55は前記３例と同様にノズル穴51内で制御
下に延長される。
以上の本発明の全好適実施例のプラズマアークトーチに
おいても、噴射用粉体は従来と場合と同様にアーク柱55
の下流側の高速ガス流（イオン化領域）内に供給され
る。
おいても、噴射用粉体は従来と場合と同様にアーク柱55
の下流側の高速ガス流（イオン化領域）内に供給され
る。
図４において、前記４実施例、特に図３の実施例のさら
に改良型を紹介する。このプラズマアーク装置は、噴射
用粉体に対する入力熱量をさらに低減するものである。
本装置は、ノズルから噴出する熱軟化粒子の噴出速度を
さらに高めるのに適している。前例同様に、本装置10
は円筒カップ状電気絶縁体30と、略円錐状先端部32aを
有した陰極棒体32と、陽極ノズル体61と、を含み、陽極
ノズル体61のノズル通路63の上流開口部はチャンバー41
に向かって略円錐形状に開いている。プラズマ形成ガス
は電気絶縁体30内部の内部チャンバー41に垂直に供給さ
れ、陰極棒体32周囲を渦状に通過する。
に改良型を紹介する。このプラズマアーク装置は、噴射
用粉体に対する入力熱量をさらに低減するものである。
本装置は、ノズルから噴出する熱軟化粒子の噴出速度を
さらに高めるのに適している。前例同様に、本装置10
は円筒カップ状電気絶縁体30と、略円錐状先端部32aを
有した陰極棒体32と、陽極ノズル体61と、を含み、陽極
ノズル体61のノズル通路63の上流開口部はチャンバー41
に向かって略円錐形状に開いている。プラズマ形成ガス
は電気絶縁体30内部の内部チャンバー41に垂直に供給さ
れ、陰極棒体32周囲を渦状に通過する。
ノズル下流先端部付近のノズル穴中間部には、上流側の
他のノズル穴74よりも大径の円筒状大径ノズル部65が提
供されており、その上流側の縁部には環状棚部66が形成
されており、その下流側の縁部には丸みを帯びた狭搾部
67が形成されている。環状棚部66は、前記の環状棚部5
8、環状溝部60、環状棚部75、あるいは環状突起部76と
同様に作用し、アーク陽極リング62を創出する。狭搾部
67はガス流の加速により、上流ガス流を望ましいガス圧
に維持させるためのものである。下流に向かってノズル
先端部であるノズル噴出口まで徐々に開いている略円錐
台状ノズル穴部68は超音速ジェット流71を形成する。超
音速ジェット流71はノズル噴出口の下流側で断続的衝撃
部72を形成する。
他のノズル穴74よりも大径の円筒状大径ノズル部65が提
供されており、その上流側の縁部には環状棚部66が形成
されており、その下流側の縁部には丸みを帯びた狭搾部
67が形成されている。環状棚部66は、前記の環状棚部5
8、環状溝部60、環状棚部75、あるいは環状突起部76と
同様に作用し、アーク陽極リング62を創出する。狭搾部
67はガス流の加速により、上流ガス流を望ましいガス圧
に維持させるためのものである。下流に向かってノズル
先端部であるノズル噴出口まで徐々に開いている略円錐
台状ノズル穴部68は超音速ジェット流71を形成する。超
音速ジェット流71はノズル噴出口の下流側で断続的衝撃
部72を形成する。
噴射用粉末物73は管体69から通路70を介して略円錐台状
ノズル穴部68内の膨張ガス流内に投入され、超音速ジェ
ット流71へと搬出される。粉末粒子73は主にその高温ガ
スのみに影響を受けるが、恐らくは、超音速ジェット流
71を形成する多少の解離ガスにも影響を受けるであろ
う。本例においても、アーク現象を維持し、通常のトー
チにおいて創出される明るく輝く略円錐形状部を形成す
るほどイオン化された粒体は存在しない。イオン化領域
の温度が華氏20,000度程度に達する場合にも、本発明の
改良システムを使用すれば、イオン化された粒子数を半
分にまで減少させることができる。
ノズル穴部68内の膨張ガス流内に投入され、超音速ジェ
ット流71へと搬出される。粉末粒子73は主にその高温ガ
スのみに影響を受けるが、恐らくは、超音速ジェット流
71を形成する多少の解離ガスにも影響を受けるであろ
う。本例においても、アーク現象を維持し、通常のトー
チにおいて創出される明るく輝く略円錐形状部を形成す
るほどイオン化された粒体は存在しない。イオン化領域
の温度が華氏20,000度程度に達する場合にも、本発明の
改良システムを使用すれば、イオン化された粒子数を半
分にまで減少させることができる。
本発明システムにおいては紫外線の危険性は排除されて
いる。しかし、ジェット流の温度は内燃方式のものより
もずっと高い。従って、運搬される粒子73は、加工対象
物に到達するまでに素早く軟化される。加工対象物と衝
突する前のガスエンタルピーと、ジェット流速度と、粒
子運搬距離との間の関係を調整することにより、粒子73
を適当な熱軟化状態にすることが可能である。
いる。しかし、ジェット流の温度は内燃方式のものより
もずっと高い。従って、運搬される粒子73は、加工対象
物に到達するまでに素早く軟化される。加工対象物と衝
突する前のガスエンタルピーと、ジェット流速度と、粒
子運搬距離との間の関係を調整することにより、粒子73
を適当な熱軟化状態にすることが可能である。
図１は加工対象物のスプレー塗布加工に採用される従来
型のプラズマスプレートーチの縦方向断面図である。 図２は非トランスファー型プラズマアークトーチの別例
の縦方向断面図である。 図2aは図２のプラズマアークトーチのノズル噴出口の拡
大断面図である。 図３は本発明の１好適実施例による非トランスファー型
プラズマアークトーチ先端部の縦方向断面図である。 図3aは本発明の別好適実施例よる非トランスファー型プ
ラズマアークトーチ先端部の縦方向断面図である。 図3bは本発明の別好適実施例よる非トランスファー型プ
ラズマアークトーチ先端部の縦方向断面図である。 図3cは本発明の別好適実施例よる非トランスファー型プ
ラズマアークトーチ先端部の縦方向断面図である。 図４は本発明のさらに別な好適実施例よる非トランスフ
ァー型プラズマアークトーチ先端部の縦方向断面図であ
る。
型のプラズマスプレートーチの縦方向断面図である。 図２は非トランスファー型プラズマアークトーチの別例
の縦方向断面図である。 図2aは図２のプラズマアークトーチのノズル噴出口の拡
大断面図である。 図３は本発明の１好適実施例による非トランスファー型
プラズマアークトーチ先端部の縦方向断面図である。 図3aは本発明の別好適実施例よる非トランスファー型プ
ラズマアークトーチ先端部の縦方向断面図である。 図3bは本発明の別好適実施例よる非トランスファー型プ
ラズマアークトーチ先端部の縦方向断面図である。 図3cは本発明の別好適実施例よる非トランスファー型プ
ラズマアークトーチ先端部の縦方向断面図である。 図４は本発明のさらに別な好適実施例よる非トランスフ
ァー型プラズマアークトーチ先端部の縦方向断面図であ
る。
Claims (11)
- 【請求項１】プラズマアークトーチであって、 円筒状電気絶縁容器（30）と、 該円筒状容器の一方の底部に提供された電気絶縁底部壁
と、 該円筒状容器の他方の底部に提供され、該円筒状容器の
中心軸に沿って下流側に延びたノズル穴（51）を含み、
陽極として作用する導電性ノズル体（52）と、を備え、 前記電気絶縁底部壁の中央から、前記円筒状容器の中心
軸に沿って該円筒状容器内部に突き出し、前記導電性ノ
ズル体（52）とは接触せずに該ノズル体（52）とは電気
的に絶縁された陰極棒体（32）と、 を含んでおり、 前記円筒状容器内部に面した前記ノズル穴（51）端部に
は該円筒状容器内部に向かって略円錐台状に開いた略円
錐台形状部（35）が提供されており、前記円筒状容器内
部の前記陰極棒体（32）の先端部は略円錐形状であり、
該円錐形状陰極棒体先端部は前記ノズル穴の前記略円錐
台形状部（35）内に非接触式に挿入されており、 さらに、 前記円筒体容器内部に加圧プラズマ形成ガスを導入する
ガス供給手段を含み、該容器内部に導入された加圧プラ
ズマ形成ガス（53）が前記陰極棒体周囲を渦状に進行し
て前記ノズル穴（51）に達するようにデザインされてお
り、 さらに、 前記陰極棒体（32）と前記ノズル体（52）との間に電位
差を付与する電位左付与手段を含み、前記ノズル穴（5
1）から前記陰極棒体先端部にプラズマアークを創出さ
せ、 さらに、 前記ノズル穴（51）の噴出口から上流側に距離をおいた
前記ノズル穴内に該ノズル穴の径を変化させるように変
形部が設けられており、該変形部近辺にて発生プラズマ
アークを好適に変形し、該変形部直下流にイオン化領域
を有するアーク柱（55）はノズル穴噴出口に至るまで好
条件に維持され、前記陽極ノズル穴噴出部周辺の使用寿
命を延長し、前記ノズル穴内全長にわたって前記アーク
は充分な制御下に置かれており、前記プラズマ形成ガス
は前記容器内に垂直方向に供給されて前記陰極棒体周囲
を渦流となって進行し、前記ノズル穴内に低圧・高速コ
アガス流を創出し、該コアガス流は前記ノズル穴内の途
中まで小径の集束アーク柱（55）を提供し、前記ノズル
穴壁に沿った渦ガス流層は前記変形部あるいはその直下
流に該変形部の作用によってアーク陽極リング（59）を
形成し、 さらに、 前記アーク柱（55）の下流側の、高速であって、実質的
にイオンが含まれない高温ガス流内に噴出材料を導入す
る材料供給手段を含み、該高温ガス流の該材料供給領域
温度は前記アーク柱の温度よりも低温であり、前記材料
の加熱過多を防止している、 ことを特徴とするプラズマアークトーチ。 - 【請求項２】前記変形部は前記ノズル穴の噴出口から該
ノズル穴内部に延びている柱状大径ノズル穴部（57）の
上流側縁部に提供された環状棚部（58）であり、該柱状
大径ノズル穴部の径は上流側の他のノズル穴部の径より
も大きいことを特徴とする請求項１記載のプラズマアー
クトーチ。 - 【請求項３】前記柱状大径ノズル穴部の直径は、その上
流の他のノズル穴部の直径よりも25％以内の範囲で大き
いことを特徴とする請求項２記載のプラズマアークトー
チ。 - 【請求項４】前記柱状大径ノズル穴部の直径は、その上
流の他のノズル穴部の直径よりも40％以内の範囲で大き
く、前記ノズル穴内の前記環状棚部の位置は望むアーク
電圧によって決定されることを特徴とする請求項２記載
のプラズマアークトーチ。 - 【請求項５】前記変形部は環状溝部（60）であり、該環
状溝部のノズル穴（51）内での位置、その深さ及び幅
は、該環状溝部の直下流にアーク陽極リング（59）を創
出させるように決定されることを特徴とする請求項１記
載のプラズマアークトーチ。 - 【請求項６】前記変形部は、上流のノズル穴部よりも径
が小さな柱状小径ノズル穴部（74）の上流側に提供され
た環状棚部（75）であり、該環状棚部のノズル穴（51）
内での位置は、該環状棚部の直下流にアーク陽極リング
（59）を創出させるように決定されることを特徴とする
請求項１記載のプラズマアークトーチ。 - 【請求項７】前記変形部は環状突起部（76）であり、該
環状突起部のノズル穴（51）内での位置は、該環状突起
部の直下流にアーク陽極リング（59）を創出させるよう
に決定されることを特徴とする請求項１記載のプラズマ
アークトーチ。 - 【請求項８】前記変形部はノズル穴（74）内部の中間部
に提供された柱状大径ノズル穴部（65）の上流側縁部に
提供された環状棚部（66）であり、該柱状大径ノズル穴
部の下流側縁部には狭搾部（67）が提供されており、該
柱状大径ノズル穴部の下流には該狭搾部より前記ノズル
穴噴出口まで徐々に径が大きく形成されている略円錐台
状ノズル穴部（68）が提供されており、前記ノズル穴噴
出口にて超音速ジェット流が創出されることを特徴とす
る請求項１記載のプラズマアークトーチ。 - 【請求項９】プラズマアークトーチのプラズマスプレー
法であって、 該プラズマアークトーチは、 円筒状電気絶縁容器と、 該円筒状容器の一方の底部に提供された電気絶縁底部壁
と、 該円筒状容器の他方の底部に提供され、該円筒状容器の
中心軸に沿って下流側に延びたノズル穴を含み、陽極と
して作用する導電性ノズル体と、 前記電気絶縁底部壁の中央から、前記円筒状容器の中心
軸に沿って該円筒状容器内部に突き出し、前記導電性ノ
ズル体とは接触せず、該ノズル体とは電気的に絶縁され
た陰極棒体と、 を含んでおり、 前記円筒状容器内部に面した前記ノズル穴端部には、前
記円筒状容器内部に向かって略円錐台状に開いた略円錐
台形状部が提供されており、前記円筒状容器内部の前記
陰極棒体の先端は略円錐状の略円錐形状体となってお
り、略円錐形状の該陰極棒体先端部は前記ノズル穴の前
記略円錐台形状部内に非接触的に挿入されており、 前記プラズマアークトーチのプラズマスプレー法は、 前記円筒状容器内部に加圧プラズマ形成ガスを導入する
ガス供給手段から加圧ガスを供給し、該容器内部の前記
陰極棒体周囲を渦状に進行させ、 前記陰極棒体と前記ノズル体との間に電位差を付与する
電位差付与手段にて両者間に電位差を創出させ、前記ノ
ズル穴から前記陰極棒体先端部にプラズマアークを創出
し、 該ノズル穴噴出口から適当な距離にて前記ノズル穴内に
適当な大きさと形状の変形部を設け、該変形部近辺にて
発生プラズマアークを好適に変形し、該変形部の直下流
にアーク陽極リングを創出させ、その下流にイオン化領
域を有するアーク柱を前記ノズル穴噴出口に至るまで維
持し、該ノズル穴内全長にわたって前記アークを充分な
制御下に置き、前記陽極ノズル穴噴出口周辺部の使用寿
命を延長させ、 前記アーク柱の下流側の高速で実質的にイオンが含まれ
ない高温ガス流内に噴出用材料を導入する材料供給手段
にて前記高温ガス流内に材料粒子を供給し、該材料粒子
の過剰加熱を排除し、加工対象物の表面に軟化された前
記材料粒子を超音速で衝突させて加工する、 ことを特徴とするプラズマアークトーチのプラズマスプ
レー法。 - 【請求項１０】前記変形部の前記ノズル穴内での位置
は、前記陽極ノズル体と前記陰極棒体との間の望まれる
アーク電圧の強度によって決定されることを特徴とする
請求項９記載のプラズマアークトーチのプラズマスプレ
ー法。 - 【請求項１１】前記変形部の下流側に狭搾部を提供し、
イオンを含まない高温ガスを超音速に加速し、該狭搾部
の下流側には前記ノズル噴出口に向かって徐々に径を大
きくする略円錐台形状ノズル部を提供し、該略円錐台形
状ノズル部に噴出用材料を供給することを特徴とする請
求項10記載のプラズマアークトーチのプラズマスプレー
法。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/024,485 US4788402A (en) | 1987-03-11 | 1987-03-11 | High power extended arc plasma spray method and apparatus |
| US07/193,702 US4841114A (en) | 1987-03-11 | 1988-05-13 | High-velocity controlled-temperature plasma spray method and apparatus |
| US193702 | 1988-05-13 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01319297A JPH01319297A (ja) | 1989-12-25 |
| JPH0766871B2 true JPH0766871B2 (ja) | 1995-07-19 |
Family
ID=26698505
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1111884A Expired - Fee Related JPH0766871B2 (ja) | 1987-03-11 | 1989-04-28 | 高速・温度制御式プラズマスプレー法及び装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0766871B2 (ja) |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6114649A (en) * | 1999-07-13 | 2000-09-05 | Duran Technologies Inc. | Anode electrode for plasmatron structure |
| JP4678973B2 (ja) * | 2001-03-29 | 2011-04-27 | 西日本プラント工業株式会社 | 溶射トーチのプラズマアークの発生装置及び発生方法 |
| SE529053C2 (sv) | 2005-07-08 | 2007-04-17 | Plasma Surgical Invest Ltd | Plasmaalstrande anordning, plasmakirurgisk anordning och användning av en plasmakirurgisk anordning |
| KR101380793B1 (ko) * | 2005-12-21 | 2014-04-04 | 슐저메트코(유에스)아이엔씨 | 하이브리드 플라즈마-콜드 스프레이 방법 및 장치 |
| KR100807806B1 (ko) * | 2006-04-04 | 2008-02-27 | 제주대학교 산학협력단 | 직류 아크 플라즈마트론 장치 및 사용 방법 |
| ES2534215T3 (es) * | 2006-08-30 | 2015-04-20 | Oerlikon Metco Ag, Wohlen | Dispositivo de pulverización de plasma y un método para la introducción de un precursor líquido en un sistema de gas de plasma |
| CN101653047B (zh) * | 2007-02-02 | 2013-08-14 | 普拉斯马外科投资有限公司 | 等离子体喷涂装置和方法 |
| US9089319B2 (en) | 2010-07-22 | 2015-07-28 | Plasma Surgical Investments Limited | Volumetrically oscillating plasma flows |
| US10703653B2 (en) | 2016-02-17 | 2020-07-07 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Liquid treatment device utilizing plasma |
| EP4205515A2 (en) | 2020-08-28 | 2023-07-05 | Plasma Surgical Investments Limited | Systems, methods, and devices for generating predominantly radially expanded plasma flow |
-
1989
- 1989-04-28 JP JP1111884A patent/JPH0766871B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01319297A (ja) | 1989-12-25 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |