JPS6213272A - ハイブリツド非トランスフアア−クプラズマト−チ及びその操作方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はプラズマアーク技術に関し、詳細にはハイブリ
ット非トランスファアークプラズマトーチおよびその操
作方法に関する。

〔従来技術〕

ここ２５年間にわたるプラズマアーク技術の発展中、機
器の改良により非トランスファアークよシも信頼性の者
しく高いトランスファアークトーチが実現されている。

これは荷に高いガス圧高いアークカラム電流あるいはこ
れら両方の条件下で動作する時に特に云えることである
。

トランスファアークプラズマトーチは金属の切断および
浴接において広く使用されている。尚い信頼性はアノー
ド電極をトーチの外側に配置したことによる。アークは
事実上切断または酊接されている部分を通り、その部分
がアークプロセス中のカソードとして愼能する。制限ノ
ズルはアーク力２ム用の通路としてのみ機能する。この
ノズルには別のア−クカラムは重畳されない。

他方、非トランスファアークトーチはコーティングをつ
くるだめの金ｌＩ４またはセラミックの火焔処理にしば
しば用いられるものであるが、その場合プラズマ指向ノ
ズルはアノード１極としても作用しなければならない（
直線形極性と仮定して）。これらノズルは容易に過熱し
、トランスファア−りに関連して用いられる場合よりも
極めて容易に故障する。非トランスファ形のノズルはそ
のように弱いから高い噴流速度をつくるに必要な小径の
ノズルの使用は径済的に不利である。四方、金属切断用
のトランスファアーク装置は高醋流超音速噴流をつくる
ようにしばしば設計される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

約１２．５ミリ（（１５インチ）厚の鋼板に穴を明ける
ように機能するトランスファアークトーチを観察したと
ころアークカラムはまず小径の孔をつくりそして金属を
通りその通路に浴った部分を溶すことがわかった。アー
ク加熱とプラズマ流を連続的とすることによシこの穴の
直径が大きくなる。その直径が約１２．５ミリとなると
、アーク・電圧要求は非常に高くなり、電源がそれに応
じきれずアークが消滅する。

〔問題を解決するための手段〕

この観察結果にもとづき、本発明の目的はトランスファ
アークトーチの利点を、そのトーチおよびカソードから
離されあるいは電気的に絶縁され且つトランスファアー
クトーチに関連した流れ制限ノズルから離されてはいる
が同心の新規なアノードと組合せ、トランスファアーク
トーチを非トランスファアークトーチとして機能しうる
ようにすることである。

本発明のハイブリット非トランスファアークプラズマト
ーチはアークプラズマトーチを含み、このトーチはカソ
ードを含むと共にアーク焔を軸線に清って出すための比
較的小径のノズルを有する。更にこの装置はノズルと同
心の電気的に絶ｉｆ＆されたアノードと上記カソードと
アノードを接続する回路装置を含んでおシ、このアノー
ドはトーチノズルから出るアーク焔の軸から半径方向外
向きに比較的大きな面積を有する活性アノード面をＭし
ており、またこの回路装置はカソードとアノード間に電
位差を与えるように作用する。このトーチとアノードは
アーク焔がこの活性アノード面を越えて伸びるように配
置され、そしてこの回路装置はアーク焔において電子の
逆流が一つの回路をつくるようにするだめの手段を含ん
でいる。

このアノードはトランスファアークトーチノズルの孔に
整合するそれよシも大きい直径の孔を有する環形部材か
らなり、このアノードの孔を通るアーク焔力２ムはアノ
ードの孔がアーク焔に対し等電位面を与える活性７ノー
ド而を構成するごとくするものである。更に外側アノー
ドは、トーチ本体に固定されてノズルを支持する本体端
部においてその本体を越えて軸方向に伸び、トーチノズ
ルから出て外側アノード通路を通るアーク焔のまわりに
第２ガスチャンバを限定するカップ形の部材で形成され
る。また、２次ガスチャンバに２次ガスを供給する手段
が設けてあり、これは２次ガスがアークカラムと通路を
限定するトーチ本体ノズルと軸方向に整合した外側アノ
ードの量との間に非イオン化ガスのシースを形成させる
。このシースは外側アノード通路を通るハイブリット非
トランスファアークプラズマトーチ装置のアークと活性
アノード面を軸方向に越えて伸びるそのアークの部分と
を抑制する機能を有する。

本発明は更に、大きな活性アノード面がアーク焔に等ミ
ノ参与えるように、大きな′電圧降下を特徴とするアー
クプラズマトーチの比較的小径のノズル通路内でそこか
ら突出する短い軸方向距離を通じて小径のアークカラム
をつくりそしてトーチノズルの下流側でアーク焔カラム
に面する大きな活性アノード面を与える外側または電気
的に絶縁されたアノードをａｂ上記アークカラムを伸長
させるコトにより熱エネルギーの高いアーク焔を発生す
る方法を提供する。この方法は更にアークトーチ内の比
較的小径のアノードノズル通路から出るアーク焔により
つくられる小径のアークカラムのまわりで電気的に杷ａ
されたアノードの内部を。

通り２次ガス流を与えて外側アノードを通り活性アノー
ド面を越えて自由に伸びるアーク力２ムを抑制する段階
を含んでいる。

〔作　用〕

このように本発明によれば新規な外側アノードの適用に
より従来のトランスファアークプラズマトーチの利点を
非トランスファアークプラズマトーチにおいて有効に利
用しうろことになる。

〔実　施　例〕

第１図に示すように、本発明はプラズマトーチ自体のカ
ソードから電気的に絶縁されたアノードを用いることを
特徴とする。一般に参照数字２で示す本発明の装置はア
ークプラズマトーチ４と環形の外側アノードを構成する
外側導電殻５０からなる。これら２要索から基本的に構
成される本装置はトランスファアークをつくるに有効な
装置を非トランスファアークトーチとして機能するよう
にしうるのであり、本質的に、トーチ４からトーチ本体
１０内の小径のノズル孔１２を介して出される強いアー
クカラム１９を発生する。

トーチ４のまわりに同心配ｄされる外側導体殼３０は一
般にトーチ本体１０と同様にカップ形の金鶏部材からな
り、本体内と−ｔ！！、６ｃｌの内部との間に固定され
る環形の絶縁部材４１によシミ気的に絶縁されており、
そしてこれら両部材の間に部材４１と本体の端壁１０α
とにより一端の密閉した環形の空胴すなわちチャンバ４
２を形成している。

一般に円筒状であるトーチ本体１０はその中空内部に円
筒状カソード電極１１を有し、この成極は端壁１０αを
通り中空内部°を軸方向に伸びてカソード１１とトーチ
本体１０の円筒量との間に環形のチャンバ１４を限定す
る。トーチ本体の他端の壁１０Ａはチャンバ１４と４２
に夫々開いた貫通孔ノズル１２を有する。プラズマ形成
ガス６２は矢印６２で示すように殻６０の外側から、本
体１０内部まで伸び且つチャンバ１４に対して開イた管
４８を通して送られる。この１次プラズマ形成ガスはト
ーチ本体１０からノズル１２を通りアークカラム１９と
共に排出される。アークカラム１９は一般に切析される
べき被加工物Ｗに指向される。カップ形の殻５０は横壁
３０αを有し、この横壁には本体１０のノズル１２と同
心の外ｉ！１１１４体殻孔４３が貫通する。トーチ本体
の壁１０６は横壁６０αからいくらか離されており、本
体１０の直径は、ノズル１２を支持する本体の壁１０ｈ
に向って伸びる壌：杉のチャンバ４２を限定する殻３０
の内径よりかなり小さい。

２次ガス４９は半径方向通路４４内へと突出する１個以
上の管５１を通シチャンバ４２に送られて殻３０の内部
からノズル４３を経てアークカラム１９と共に逃がされ
る。そのように、２次ガス４９はアークカラム１９とノ
ズル４３の量との間に非イオン化ガスのシースを形成す
る。本発明に依れば、外側アノードを構成する殻６０は
ノズル４６のまわりの横壁３０αの外面により限定され
る平坦なアノード面４７を形成するように機能する。殻
５０は銅のような熱伝導性の高い材料で形成するとよく
、水（図示せず）のような循環する流体により冷却され
てもよい。第１図では説明の便宜上冷却系を省いている
。アークを形成するために電圧源１６がカソード１１と
殻６０で形成される外側アノードとの間に導線１７を介
して高い電位差を与える。更に導ｆａ１７から分岐して
トーチ本体１０に接続する導線１８には抵抗Ｒとそれに
直列となったスイッチ３７が加えられている。

スイッチ３７はカソード１１と本体１０との間の初期ア
ークを確実につくるためのスタート期間中に一時的に閉
じられる。数秒後にスイッチ６７は図示のように開かれ
てアークが連続しアノード面４７を越えて伸びることに
なる。２次ガスはアークカラム１９とノズル３３の孔量
との間に非イオ　　−ン化ガスのシースを形成する。こ
の温度の低いシースはアーク１９を狭い範囲に制限する
。２次ガス４９が管４８を通じてチャンバ１４に送られ
る例えば窒素ガスのような１次ガスと同じガスでｂっで
も電圧は増加する。２次ガス４９を異ったものとしても
よい。水素または他の水素を含むプロパン等のガスに切
換えた場合には更に電圧が増加してアークの制限は大き
くなる。２次ガス４９はまた例えば水素と酸素のような
異ったガスの混合物でもよい。これら反応剤は化学的に
結合して装置の熱出力を更に増加させることができる。

２次ガスを用いない場合には、第１図の装置のアノード
装着領域は図示したものとは異り、拡散する。第１図に
おいて適当な２次ガス４９を用いることによシ、アノー
ドの環形面積は更に小さくなり、平坦なアノード面４７
の使用が可能になる。このように、逆アーク流４６がノ
ズル４３の出口を囲む誓約３．２ミリの狭いリングに当
る。図示の実施例においては外側アノードノズル４６は
トーチ本体１０の出口ノズル１２の出口かう約３．２ミ
リから約６．３　ミリ離れて軸方向に配ｄｇれる。

明らかなようにこの寸法的な関係は変更可能である。

動作について述べると、５００Ａのアーク電流温度がア
ノード冷却用の水流（図示せず）についての上流圧力が
約１３５Ｕ（１８０ｐｓ１ダ）のとき得られた。カソー
ドに当るアークカラム１９はアノードの孔４３を通シ輝
度の高い狭いアーク焔を形成する。アークの帯４６がカ
ラム１９から分離して背恢へと動き外向きに頌斜をもっ
て拡大するアノード面２４に直角に当る。活性の外側ア
ノード部分は本発明では１めて大きく、外径約２５．４
Ｍ、６００アンペア電流条件で３０分動作させてもアノ
ード金属の腐食は殆んどみられない。

更に、アークスポットがこの広い面積にわたり高速で通
過してアノードの加熱を外側アノードを形成する良好に
冷却された大体積の金属に分散させる。

拡大したアーク焔１９を形成する極めて高温のプラズマ
とガスを、通常は従来の非トランスファアーク装置を用
いて行われる金属被力ｌ工物Ｗの切断に加えて多くの而
に使用することが出来る。一般に本発明の装置と方法に
よりつくられるアーク焔１９は従来の非トランスファア
ーク装ｄよシも着しく高温である。ファストモーメント
はもはやアノードを長寿命とするための必要条件とはな
らなくなるからガス流を減らすことができる。アークト
ーチ４のノズル１２を小径とすることによυ高電圧が実
現出来る。このように全体としての熱効率は極めて高い
。

図示の装置ｉ２の応用範囲は金属熱処理および硬化、焔
スゲレイおよび危険な廃棄吻の有効な処理を含むすべて
の非トランスファアーク加熱に広がっている。他の面と
しては導電材料、セラミック、プラスチックのＲｆＥｆ
Ｔおよび非イオン化焔を用いての貧属のガス浴接がある
。

更に、粉末またはワイヤ供給についての焔スプレィは図
示の装置を用いれば可能である。材料（図示せず）はこ
の場合、本体１０と外側電極の上面との間の領域内に従
来のプラズマスプレィ装置におけるごとくに直接ノズル
１２にあるいはアノード３０の下面４７を越えたアーク
焔にさえも導入することが出来る。

最適性能を得るにはアノード６０への電子流がアノード
３０自体を越えて自由に伸びるアーク焔から与えられそ
して活性アノード面の形状がアークカラム１９に対する
等電位面に出来るだけ近いものである必要がある。

更にアノード寿命を延ばすにはアークスポットが磁場に
よシ高速回転するようにするとよい。そのような磁場は
例えば直後約４．８ミリの中窒鋼管（図示せず）を数回
巻き、その一端をアノード５０にそして導線１７に接続
して電源１６への回路をつくることＫよりつくることが
出来る。

従来のトランスファアークプラズマ装置とは異り、カソ
ード１１は高圧で動作しアノードは低圧で動作し、それ
により極めて高温の焔をもつ長いアークをつくっている
。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば新規な外側アノードを
設けたことによシ、トランスファアークプラズマトーチ
装４の利点を備えた非トランスファアークプラズマトー
チ装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す図である。 ４・・・アークプラズマトーチ１ｏ・・・トーチ本体１
２・・・ノズル　　　　　　１１・・・カソード１４・
・・チャンバ　　　　　１６・・・電源１９・・・アー
クコラム　　　３ｏ・・・外側導体数６６・・−ノズル
　　　　　　３７・・・スイッチ４２・・・チャンバ４
．６・・・逆アーク４７・・・アノード面　　　　４８
・・・管４９・・・２次ガス

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）中空であつて比較的小径のノズルを通じて外部に
   開いているチャンバを有するプラズマトーチ本体を含む
   プラズマトーチと、このチャンバにプラズマガスを供給
   する通路手段と、上記ノズルと同心に上記プラズマトー
   チ本体により支持されて、発生されたアークのもとで同
   心配置されたトーチ本体アノードと共に上記ノズルを通
   じてアーク焔を与えるカソードと、上記カソードおよび
   上記ノズルと同心の上記プラズマトーチ本体から電気的
   に絶縁され且つそれらから下流側において離されており
   、そして上記ノズルと軸方向において整合する通路およ
   び上記トーチから出るアーク焔の軸から半径方向に離れ
   ている比較的大面積の、上記通路を囲む活性アノード面
   を有する外部アノードと、はじめに上記プラズマトーチ
   本体のカソードとアノードの間にアークを形成させるに
   充分な電位差を与え、そして次に上記外部アノード通路
   を通り上記アークが伸長するような電位差を上記カソー
   ドと外部アノードに与えるための手段と、から成り、上
   記トーチと外部アノードは、アーク焔からアノード面を
   越えて上記活性アノード面に電子の逆流回路をつくるよ
   うに上記アーク焔が上記活性アノード面にそしてそれを
   越えて自由に伸長するように配置されており、上記外部
   アノードは上記トーチ本体に固定されて上記ノズルを受
   けるその端部において上記本体を越えて軸方向に伸びて
   上記ノズルから出て上記外部アノード通路を通るアーク
   焔のまわりに２次ガスチャンバを限定するカップ形の部
   材と、２次ガスがアークカラムと上記通路を限定する上
   記外部アノードの量との間に上記トーチ本体ノズルに軸
   方向において整合する非イオン化ガスのシースを形成す
   るように上記２次ガスチャンバに第２ガスを供給するた
   めの手段とを有し、上記２次ガスのシースが上記外部ア
   ノード通路を通るハイブリット非トランスファアークプ
   ラズマトーチシステムのアークおよび上記活性アノード
   面を越えて自由に伸びる上記アークの部分を抑圧するご
   とくなつたハイブリット非トランスファアークプラズマ
   トーチ装置。
2. （２）前記外部アノードは、前記ノズルと軸方向におい
   て整合すると共にこのノズルを支持する前記トーチ本体
   から離された前記通路をつくる横壁からなるカップ形の
   外側導体殼からなり、この殼は更に上記トーチ本体を同
   心的に囲むと共にそれから半径方向に離れている円筒壁
   を有しており、この円筒壁と上記トーチ本体との間で上
   記ノズルから離れたトーチ本体端部のところに環形の絶
   縁体が配置されており、前記第２ガスチャンバに第２ガ
   スを供給する手段は上記環形絶縁体に隣接し且つ上記横
   壁から離れた上記円筒壁を半径方向に通り２次ガスを供
   給する手段を有するごとくなつた特許請求の範囲第１項
   記載のハイブリット非トランスファアークプラズマ装置
   。
3. （３）前記活性アノード面は前記通路が貫通する前記殼
   の横壁の、前記ノズルに軸方向に整合する平坦な外面を
   有するごとくなつた特許請求の範囲第２項記載のハイブ
   リット非トランスファアークプラズマ装置。
4. （４）カソードと同心円筒状アノードとを有するアーク
   トーチ本体内にまずアーク焔を発生させてそれを上記ア
   ークトーチ本体内にある比較的小径のノズル通路から放
   出して、上記アークトーチカソードとトーチ本体アノー
   ドとの間で上記小径のアノードノズル通路のところに大
   きな電圧降下を生じさせるごとくなつた比較的短い軸方
   向距離を通り小径のアークカラムを発生させる段階と、
   上記アークトーチ本体アノードから出るアーク焔の軸か
   ら半径方向に離れ且つそれから電気的に絶縁される大面
   積の活性アノード面を与えることにより、上記アークト
   ーチ本体の上記小径のアノードノズル通路の下流で電気
   的に絶縁されたアノードの中空内部に上記アーク焔を通
   すことにより上記アークカラムを著しく伸長させる段階
   と、アークが上記絶縁されたアノードにそしてそれを越
   えて自由に伸びるように電子の逆流が上記アーク焔を通
   り上記活性アノード面へとつくられるごとくに上記小径
   のアノードノズル通路において上記トーチ本体から上記
   アークを上記活性アノード面に移し、上記アークトーチ
   内の上記比較的小径のアノードノズル通路から出るアー
   ク焔によりつくられる小径のアークカラムのまわりで電
   気的に絶縁されたアノードの内部を通り第２ガスを放出
   して上記外部アノードを通りそして上記活性アノード面
   を越えて自由に伸びるアークカラムを抑圧する段階とか
   ら成る熱容量の高いアーク焔を発生する方法。
5. （５）前記第２ガスの放出段階は前記アークカラムの熱
   出力を増大するために化学的に結合する異つた反応ガス
   の混合物の放出を含む特許請求の範囲第４項記載の方法
   。