JPH01319297A - Method and apparatus for high speed and temperature-controlled plasma display - Google Patents

Method and apparatus for high speed and temperature-controlled plasma display

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JPH01319297A
JPH01319297A JP1111884A JP11188489A JPH01319297A JP H01319297 A JPH01319297 A JP H01319297A JP 1111884 A JP1111884 A JP 1111884A JP 11188489 A JP11188489 A JP 11188489A JP H01319297 A JPH01319297 A JP H01319297A
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Abstract

PURPOSE: To prolong the life of an anode region in the vicinity of the periphery of a nozzle outlet by providing a discontinuous portion on the surface of a place along a nozzle bore having a sufficient size on the upstream side of a nozzle outlet orifice. CONSTITUTION: A bore 57 spreading exists on the outlet end portion 52a of a nozzle anode 52, the spreading bore 57 forms a radial direction shoulder portion, and a peripheral shelf 58, constituting an effective path, an anode ring 59 is arranged apart by a certain distance from the outlet end portion 52a of the anode nozzle 52. Vortex-like gas flow 53 revolving in the periphery of a cathode electrode 32 passes in the cone-like decreasing region 35 of a nozzle path 54 formed by an anode bore 51, centers an arc column 55 along the bore 51, and passes a downstream point 56 exceeding a nozzle outlet. Thereby, the life of a peripheral anode region of the outlet of the outlet nozzle of a plasma torch can be prolonged.

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かなり
高い電流及び電圧でのプラズマアークスプレ一方法及び
装置に関し、特に、プラズマトーチの出口ノズルの端部
で周囲のアノード領域の寿命を伸ばすシステムに関する
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to a method and apparatus for plasma arc spraying at considerably higher currents and voltages than conventional plasma spray systems, and in particular to a method and apparatus for plasma arc spraying at substantially higher currents and voltages than conventional plasma spray systems. Concerning a system for extending the life of the surrounding anode region.

〔従来の技術、発明が解決しようとする課題〕電力イン
ジエクシジンを使用する全ての電流プラズマスプレーシ
ステムにおいては、アーク柱それ自体あるいはアークの
イオン化された羽毛状の物(plume )が非常に高
温の熱源として使用されるように、装置は構成されてい
る。この事実は、1987年3月11日に出願された水
出痴人の係属中の米国特許出願節024,485号にお
いて、非常に重要であり、この米国出願では、アーク柱
が従来のプラズマトーチよりもノズル出口をはるかに越
えるようにしている。図面の第1図によれば、従来のプ
ラズマスプレートーチ10′が示され、図において、水
冷却手段は、簡単化のために意図的に図面から除去され
た。円柱状でカップ形状の電気絶縁本体片10は、カソ
ード電極12を同軸的に支持し、本体片10のうちカソ
ード電極12を支持する端部と反対側の端部では、カソ
ード電極12は、カップ形状の本体片10の開口端部を
閉じる第2の本体片11に向かって突出しているが、該
第2の本体片11から間隔を置いている。第2の本体片
11には、プラズマスプレートーチノズル通路9を構成
する軸方向ボアllaが設けられている。カソード電極
12及びアノードとして作用する第2の本体片11間に
電位差を接続することにより、アーク17が形成される
。アーク17は、電極12からノズル通路9の内壁に通
過する。このアーク17の長さは、ガス供給管15を通
りカソード電極12のまわりの環状マニホールド24に
入る矢印Gで示されるプラズマ形成ガスの流れにより、
伸ばされる。管15は、円柱状本体片の側部にある整合
した半径孔15aを介して、本体片につながっている。
[Prior Art and Problem to be Solved by the Invention] In all current plasma spray systems using electric power injection, the arc column itself or the ionized plume of the arc is exposed to very high temperatures. The device is configured to be used as a heat source. This fact is of great importance in Mizude's pending U.S. Patent Application No. 024,485, filed March 11, 1987, in which the arc column is It also extends far beyond the nozzle exit. According to FIG. 1 of the drawings, a conventional plasma spray torch 10' is shown, in which water cooling means have been intentionally removed from the drawing for the sake of simplicity. The cylindrical, cup-shaped electrically insulating body piece 10 supports the cathode electrode 12 coaxially, and at the end of the body piece 10 opposite to the end that supports the cathode electrode 12, the cathode electrode 12 supports the cathode electrode 12 coaxially. It projects towards, but is spaced from, a second body piece 11 which closes the open end of the shaped body piece 10 . The second body piece 11 is provided with an axial bore lla defining the plasma spray torch nozzle passage 9. By connecting a potential difference between the cathode electrode 12 and the second body piece 11 acting as an anode, an arc 17 is formed. The arc 17 passes from the electrode 12 to the inner wall of the nozzle passage 9. The length of this arc 17 is determined by the flow of plasma-forming gas, indicated by arrow G, through the gas supply tube 15 and into the annular manifold 24 around the cathode electrode 12.
Stretched. The tube 15 connects to the body piece through a matched radius hole 15a in the side of the cylindrical body piece.

本体片10の横断仕切りのような絶縁材質の横断仕切り
13は、電極12を支持する。仕切り13には、複数の
小径の通路23が設けられ、該通路23は、カソード電
極12のテーバ状の先端部12aのまわりに流れが生じ
るように、ノズル通路9に至る。矢印Pで示されるよう
に、噴霧されるべきパウダーは、アーク17のアノード
足18を越えた点で、アーク加熱ガス内に通過する。パ
ウダーは、管16を通って導かれ、護管1.6に整合さ
せられかつボア11aに開口する通路16′内に流れ、
ノズル9の端部から出る高温ガス噴射25に沿ってパウ
ダーの流れができるだけ中心化するのを確実にするよう
にしている。
A transverse partition 13 of insulating material, such as the transverse partition of the body piece 10 , supports the electrode 12 . The partition 13 is provided with a plurality of small-diameter passages 23 that reach the nozzle passage 9 so that flow occurs around the tapered tip 12a of the cathode electrode 12. As indicated by arrow P, the powder to be atomized passes into the arc heating gas at a point beyond the anode foot 18 of the arc 17. The powder is directed through the tube 16 and flows into a passage 16' aligned with the protection tube 1.6 and opening into the bore 11a;
This is to ensure that the powder flow is as centered as possible along the hot gas jet 25 exiting the end of the nozzle 9.

非常に明るい円すい状アーク領域1つは、ノズル9の出
口を短距離だけ越えて拡がっており、この領域は、イオ
ン化されたガス種の異なる拡がりを構成している状態で
ある。大きな熱伝達率は、円すい状領域19内で生じる
。認識され得るように、高温ガス噴射25内でイオン化
された領域19を越えて粒子Pの流れにガス加熱が加え
られる。更に、粒子は、高速(しかしながら音速より遅
い)噴射25内の速度を出し、被加工物22の表面に当
たって該被加工物の表面にコーティング21を形成する
ようにする。例示として、従来のプラズマスプレートー
チ10′には、5/16インチのノズル通路9ボア直径
を使用する窒素ガスの100SCFHの流れが与えられ
、そして、トーチには、750アンペアの作動電流及び
80ボルトのアーク電圧が与えられる。イオン化された
区域すなわち領域19は、ノズルの端部9aを約1/3
インチ越えるように、観察される。達成される全体の電
力レベルは、60KWである。カソード及びアノードの
組合せ損失は、約30ボルトであり、正味加熱能力(ガ
スのI2R加熱)が37.5KWの状態である。更なる
加熱損失が冷却水の20%であるとすると、ガス加熱は
、統計30KWになる。前述された従来の作動パラメー
タの下でのこのような従来のシステムにおけるプラズマ
ガスのエンタルピー増加は、約14.5008 t u
/ボンドである。
A very bright conical arc region extends a short distance beyond the exit of the nozzle 9, with this region constituting a distinct spread of ionized gas species. A large heat transfer coefficient occurs within the conical region 19. As can be appreciated, gas heating is applied to the flow of particles P across the ionized region 19 within the hot gas jet 25. Additionally, the particles develop a high velocity (but less than the speed of sound) in the jet 25 such that they impinge on the surface of the workpiece 22 and form a coating 21 on the surface of the workpiece. By way of example, a conventional plasma spray torch 10' is provided with a flow of 100 SCFH of nitrogen gas using a 5/16 inch nozzle passage 9 bore diameter, and the torch is provided with an operating current of 750 amps and 80 volts. arc voltage is given. The ionized area or region 19 extends approximately 1/3 the end 9a of the nozzle.
Observed to exceed an inch. The overall power level achieved is 60KW. The combined cathode and anode losses are approximately 30 volts with a net heating capacity (I2R heating of gas) of 37.5 KW. Assuming that the further heating loss is 20% of the cooling water, the gas heating will be a statistical 30KW. The enthalpy increase of the plasma gas in such a conventional system under the conventional operating parameters described above is approximately 14.5008 tu
/ Bond.

いわゆる低電圧アーク(約80ボルト)を使用する全て
の電流プラズマ装置において、装置は、第1図に示され
るように作動する。噴霧されるべき材質が熱無感応であ
る場合に、高加熱領域は、非常に有益である。しかしな
がら、熱損傷され得る材質について、このようなプラズ
マシステムは、米国特許第4,416.;421号に示
されるように、“D−ガン”あるいは本出願人の従来の
高速燃焼システムの品質に調和することができなかった
In all current plasma devices using the so-called low voltage arc (approximately 80 volts), the device operates as shown in FIG. High heating areas are very beneficial when the material to be sprayed is heat insensitive. However, for materials that can be thermally damaged, such plasma systems are not suitable for materials that can be thermally damaged. ;421, could not match the quality of the "D-Gun" or Applicants' prior fast combustion systems.

従来のプラズマトーチは、パウダーが第1図の円すい1
9に入り該円すい19を通過するにつれて、はとんど瞬
時の粒子加熱に依存していた。これらの粒子(特により
小さいサイズ)の多くは、実際に、充分に溶融され、多
分、蒸発さえする。
In a conventional plasma torch, the powder is shaped like cone 1 in Figure 1.
9 and passing through the cone 19 relied on almost instantaneous particle heating. Many of these particles (particularly the smaller sizes) are actually sufficiently fused and perhaps even vaporized.

タングステンカーバイド(WC)のような熱感応材質は
、炭素除去され、望ましくないW2を形成する。更に、
溶融粒子は、かなり酸化され得る。
Heat sensitive materials such as tungsten carbide (WC) are decarbonized to form undesirable W2. Furthermore,
The molten particles can be significantly oxidized.

米国特許節4,416,421号の“D■ガン1及び装
置は、従来のプラズマ装置のほぼ瞬時の加熱に比較して
かなり減少した温度の拡大高速熱源を与える。このよう
な装置における伴出されたパウダー粒子は、溶融される
よりも、熱軟化され、それゆえ、開いた大気において保
持される被加工物に噴霧されるときでさえ、化学組成を
保持し、ただわずかに酸化される。
The "D" gun 1 and apparatus of U.S. Pat. Rather than being melted, the powder particles are thermally softened and therefore retain their chemical composition and are only slightly oxidized even when sprayed onto workpieces held in the open atmosphere.

第2図は、本出願人の係属中の米国出願節024.48
5号の主要部により拡大したアークを有し改良された非
転移のプラズマアークトーチの縦断面図である。第2a
図は、第2図のプラズマアークトーチのノズルボア31
aの出口端部の拡大縦断面図である。第2.2a図を参
照して、改良されたプラズマスプレートーチは、符号1
0で示され、第1図の従来技術のプラズマトーチにおけ
る符号10′の本体片と同様な円柱状の電気絶縁性本体
片30を使用する。本体片30は、第2の円柱状本体片
31により閉じられ、本体片10の反対側の端部は、横
断端部壁30aを含み、該横断端部壁30aは、カソー
ド電極32を同軸的に支持し、かつ、本体片30の内方
の環状室41を通って該カソード電極32を突出させる
FIG. 2 shows applicant's pending U.S. application Section 024.48.
5 is a longitudinal cross-sectional view of an improved non-displacement plasma arc torch with an enlarged arc due to the main part of No. 5; FIG. 2nd a
The figure shows the nozzle bore 31 of the plasma arc torch in Figure 2.
FIG. 3 is an enlarged longitudinal cross-sectional view of the outlet end of FIG. With reference to Figure 2.2a, the improved plasma spray torch is designated by the number 1
A cylindrical electrically insulating body piece 30, designated 0 and similar to the body piece 10' in the prior art plasma torch of FIG. 1, is used. The body piece 30 is closed by a second cylindrical body piece 31, and the opposite end of the body piece 10 includes a transverse end wall 30a that coaxially connects the cathode electrode 32. The cathode electrode 32 is supported by the main body piece 30 and protrudes through an annular chamber 41 inside the main body piece 30 .

カソード電極32の足32aは、トーチノズル通路34
を形成するボア31aの円すい状の減少領域35内に突
出している。高い渦強度のプラズマガスの流れは、カソ
ード電極32を取り囲む環状室41に関してガス供給パ
イプすなわち管26が接線方向に配置されることにより
達成される拡大しイオン化されたアーク柱領域を生じさ
せ、矢印Cで示されるガスの流れは、第2図に明確に示
されるように通路33を通って接線方向に室41に入り
、ボア31aに至る円すい状の減少領域35を通って出
るような状態である。このように、円すい状の減少領域
35は、減少した直径のノズル通路34内に渦流を滑ら
かに通過させる。角運動量の保存の原理は、ガス流の外
側境界直径の減少により、より大きな渦強度を生じさせ
る。渦の小さい直径コアは、通路34の壁(ボア31a
)に近いガス層のガス圧に関して低いガス圧を示す。
The legs 32a of the cathode electrode 32 are connected to the torch nozzle passage 34.
It projects into a conical reduction area 35 of the bore 31a forming a . The flow of plasma gas with high vortex strength produces an enlarged ionized arc column region achieved by tangentially arranging the gas supply pipe or tube 26 with respect to the annular chamber 41 surrounding the cathode electrode 32, as indicated by the arrows. The gas flow, designated C, enters the chamber 41 tangentially through the passage 33 and exits through the conical reduction region 35 leading to the bore 31a, as clearly shown in FIG. be. In this way, the conical reduction region 35 smoothly passes the vortex flow into the reduced diameter nozzle passage 34. The principle of conservation of angular momentum gives rise to greater vortex strength due to the reduction of the outer boundary diameter of the gas flow. The small diameter core of the vortex is located on the wall of the passageway 34 (bore 31a
) indicates a low gas pressure with respect to the gas pressure of the gas layer close to ).

低圧のコアを通りノズル34の出口34aを充分に越え
て通過するように配置されたアーク柱で、拡大したアー
ク柱37の結果となる。出願人により充分には理解され
ていない物理現象により、ノズル34の直径の減少及び
/又はアーク電流の増加は、ノズル34を通り大気への
通路においてより大きな臨界圧力降下を生じさせ、亜音
速の対応するものに関連するアークアノードスポットの
気まぐれを除去するようにする。超音速の流れにより、
アノード領域は、より拡げられ、ノズル出口34aの近
くのノズル34の内壁にわたって拡がり、ノズルの出口
34aを取り囲む本体片31の薄い周辺半径領域にわた
って拡がる。拡大したアーク37(イオン化された領域
)は、第1図の従来技術のトーチのイオン化された領域
19と比較して、減少した直径である。ノズル出口34
aを越えて拡がるアークの長さは、また、第1図の従来
技術の装置のイオン化された領域19の長さを越えてか
なり増加させられる。例えば、第2゜2a図のトーチ1
0は、400アンペアの電流のカソード電極32及びア
ノード31間のギャップの両端の200ボルトの適用電
圧の下で窒素の12O8CFHを使用して、適切に作動
する。このような例において、ノズル直径は、3/16
インチであり、作動パラメータおいて、イオン化された
領域は、ノズル出口34aを1−1/4インチ越えて拡
がっており、電極損失を再び約30ボルトとした状態で
、正味のガスエンタルピー(20%の冷却損失の後で)
は、27,000Btu/ボンドであり、第1図の従来
技術の装置の約2倍である。
An enlarged arc column 37 results with the arc column positioned to pass well past the outlet 34a of the nozzle 34 through the low pressure core. Due to physical phenomena not fully understood by Applicants, a decrease in the diameter of the nozzle 34 and/or an increase in the arc current creates a greater critical pressure drop in the passage through the nozzle 34 to the atmosphere, resulting in a subsonic So as to eliminate the vagaries of arc anode spots related to their counterparts. Due to supersonic flow,
The anode area is more enlarged and extends over the inner wall of the nozzle 34 near the nozzle outlet 34a and over a thin peripheral radius area of the body piece 31 surrounding the nozzle outlet 34a. The enlarged arc 37 (ionized region) is of reduced diameter compared to the ionized region 19 of the prior art torch of FIG. Nozzle outlet 34
The length of the arc extending beyond a is also increased considerably over the length of ionized region 19 of the prior art device of FIG. For example, torch 1 in Fig. 2゜2a
0 works well using nitrogen 12O8CFH under an applied voltage of 200 volts across the gap between cathode electrode 32 and anode 31 at a current of 400 amperes. In such an example, the nozzle diameter is 3/16
inch and at operating parameters, the ionized area extends 1-1/4 inch beyond the nozzle exit 34a, and the net gas enthalpy (20% after cooling loss)
is 27,000 Btu/bond, approximately twice that of the prior art device of FIG.

第2a図は、拡大図にて、拡大したアーク42を示し、
該アーク42のアノード足36は、ノズル34の出口に
ある状態であり、容易に利用可能な大気の酸素の存在内
での激しいアノード加熱の相互作用により、キャビティ
39は、ノズル31に腐食される。キャビティ39の形
成は、数時間の作動を要し、キャビティがより深くノズ
ルに腐食するにつれて、腐食率は、より小さくなる。こ
の減少は、おそらく、酸素がキャビティに流れるのを禁
止するガスの存在のためである。いずれにしても、キャ
ビティは、見えずに最もよく除去さ・  れる。
FIG. 2a shows an enlarged arc 42 in an enlarged view,
The anode foot 36 of the arc 42 remains at the exit of the nozzle 34 and the interaction of intense anode heating in the presence of readily available atmospheric oxygen causes the cavity 39 to erode into the nozzle 31. . Formation of the cavity 39 requires several hours of operation, and as the cavity corrodes deeper into the nozzle, the corrosion rate becomes smaller. This reduction is probably due to the presence of a gas that prohibits oxygen from flowing into the cavity. In any case, cavities are best removed invisible.

従って、本発明の目的は、係属中の米国出願節024.
485号において述べられたタイプのプラズマトーチの
出口ノズルの出口で周囲のアノード領域の寿命を伸ばす
方法及び装置を提供することにある。
Accordingly, it is an object of the present invention to utilize pending U.S. Application No. 024.
The object of the present invention is to provide a method and apparatus for extending the life of the surrounding anode region at the exit of the exit nozzle of a plasma torch of the type described in No. 485.

〔課題を解決するための手段、作用〕[Means and actions for solving problems]

本発明は、プラズマアークトーチにおける改良であり、
該プラズマアークトーチは、室を形成する円柱状のケー
シングを有し、該ケーシングは、軸方向に伸びるアノー
ドノズル通路を形成するボアを含みアノード電極を形成
する第1の導電端部壁と第2の反対側の端部壁とを有し
ている状態である。カソード電極は、円柱状のケーシン
グの反対側の端部壁の内に同軸的に取り付けられ、第1
の端部壁から電気的に絶縁されており、該第1の端部壁
の手前で終わっている。アノードノズル通路は、カソー
ド電極に面する端部で、外方に張り出し、円すい状に拡
がっている。円柱状のケーシング、カソード電極、及び
両端部壁により形成される室内に加圧ガスを生じさせる
ブラスマを導く手段が設けられている。カソード電極と
アノードノズルを構成する第1の端部壁との間に、電位
差が生じさせられ、アノードノズル通路から通常出るプ
ラズマアーク炎(フレーム)を生じさせ、ノズル出口オ
リフィスを取り囲む周囲の金属リングによりアノード足
が通常構成される状態である。
The present invention is an improvement in plasma arc torches,
The plasma arc torch has a cylindrical casing defining a chamber, the casing including a bore defining an axially extending anode nozzle passageway, a first conductive end wall defining an anode electrode, and a second conductive end wall defining an anode electrode. It has an opposite end wall. A cathode electrode is mounted coaxially within the opposite end wall of the cylindrical casing and a first
and is electrically insulated from the first end wall and terminating before the first end wall. At the end facing the cathode electrode, the anode nozzle passage bulges outward and expands into a conical shape. Means are provided for directing a plasma generating pressurized gas into the chamber formed by the cylindrical casing, the cathode electrode, and the end walls. A potential difference is created between the cathode electrode and a first end wall forming the anode nozzle, creating a plasma arc flame that typically exits the anode nozzle passageway, with a surrounding metal ring surrounding the nozzle exit orifice. This is the condition in which the anode foot is normally configured.

改良は、ノズル出口オリフィスの充分に上流で充分なサ
イズのノズルボアに沿った個所での表面の不連続部にあ
り、アークが不連続部の近くのアノード壁に通過するよ
うにし、それゆえ、下流のイオン化された領域で、拡大
したアノードボア内に全て保持されるアーク柱を確立し
、それゆえ、ノズルの出口の近くの周囲のアノード領域
の寿命を伸ばし、一方、アーク長特性の充分な制御を与
える。
The modification is at a discontinuity in the surface at a location along the nozzle bore sufficiently upstream of the nozzle exit orifice and of sufficient size to allow the arc to pass to the anode wall near the discontinuity, thus allowing the downstream Establishing an arc column with an ionized region of give.

好ましくは、プラズマ発生ガスは、アノードノズル通路
から離れた室の端部内に接線方向に供給され、ガスは、
ノズル通路を通って伸びる低圧コアを示す渦流を確立す
る状態であり、コアは、ノズル通路を通って部分的に伸
びる小直径のアーク柱を確立する状態であり、アノード
ボア壁に沿ったガスの渦流の境界層は、ノズル通路壁表
面の不連続部により与えられるかく乱領域であるいは該
かく乱領域のまさに下流ですぐにアノードノズル通路壁
にアークがa遇するような経路を与えるようにしている
。表面の不連続部は、ノズル軸の一部に沿ってノズル出
口から軸方向内方に伸びておリアノードノズルの主ボア
により半径方向肩部を形成してなる広がったボアにより
、形成されてもよい。代わりに、充分な深さ及び幅のア
ノードノズルボア内に機械加工された浅い環状溝は、表
面の不連続部を形成するように、機能する。アノードノ
ズル通路は、ノズル出口の上流で短い軸方向領域にわた
って減少した直径のノズルボアであって、ノズル出口の
上流に面するノズルボアにより半径方向肩部を形成する
減少した直径のノズルボアを有し、前記表面の不連続部
を構成するようにしてもよい。好ましくは、アーク柱の
下流の高速高温ガス流れ及び下流のイオン化された領域
に、噴霧されるべき材質を導く手段が設けられ、これに
より、トーチにより噴霧される粒子の過度の加熱を除去
するようにしている。更に、アーク柱の終端及び/又は
これに関連した下流のイオン化された領域と噴霧される
べき材質を導く手段との間に、減少した直径のノズルボ
ア領域が配置され、該減少した直径のノズルボアは、ノ
ズル出口で超音速の噴射流れを生じさせるように機能す
る拡大ノズルのノズルスロートを形成している状態であ
る。
Preferably, the plasma-generating gas is fed tangentially into the end of the chamber remote from the anode nozzle passage, and the gas is
A condition that establishes a vortex flow indicating a low-pressure core extending through the nozzle passage, the core establishing a small diameter arc column extending partially through the nozzle passage, and a vortex flow of gas along the anode bore wall. The boundary layer provides a path for the arc to strike the anode nozzle passage wall immediately at or just downstream of the disturbed area provided by the discontinuity in the nozzle passage wall surface. The surface discontinuity is formed by a flared bore extending axially inwardly from the nozzle outlet along a portion of the nozzle axis and forming a radial shoulder with the main bore of the rear nozzle. Good too. Instead, a shallow annular groove machined into the anode nozzle bore of sufficient depth and width functions to form a surface discontinuity. The anode nozzle passage has a reduced diameter nozzle bore over a short axial region upstream of the nozzle outlet, the reduced diameter nozzle bore forming a radial shoulder with the nozzle bore facing upstream of the nozzle outlet; Surface discontinuities may also be provided. Preferably, means are provided for directing the material to be atomized into the high velocity hot gas flow downstream of the arc column and into the downstream ionized region, so as to eliminate excessive heating of the particles atomized by the torch. I have to. Furthermore, a reduced diameter nozzle bore region is arranged between the end of the arc column and/or the associated downstream ionized region and the means for guiding the material to be atomized, the reduced diameter nozzle bore region , which forms the nozzle throat of an enlarged nozzle that functions to produce a supersonic jet stream at the nozzle exit.

〔実施例〕〔Example〕

第3図に言及して、非拡大アークタイプのプラスマスプ
レートーチは、符号10’で示され、第2図に示される
プラズマスプレートーチに、たとえ同一でなくとも、多
くの点で同様であり、第2図に示されるプラズマスプレ
ートーチに共通な要素は、同じ数字を使用する。それゆ
え、円柱状の電気絶縁本体片30は、本体片31′に結
合され、カソード電極32のテーパ状先端部32aに環
状室41の端部を閉じるようにしており、この位置で、
カソード電極先端部すなわち足32aは、トーチノズル
通路54を形成するボア31′の円すい状減少領域35
内に突出する。本体片31′は、ノズル通路54ととも
に示され、このノズル通路54は、本出願人の以前の第
2図の装置のノズル通路34よりかなり長い。第3図の
本発明の実施例の特徴は、ノズルアノード52の出口端
部52aに広がったボア57が存在することであり、こ
の広がったボア57は、有効な道を構成する半径方向肩
部すなわち周囲棚58を形成し、アノードノズル52の
出口端部52aからある距離を置いてアノードリング5
9を配置するようにしている。本出願人の従来の第2図
の装置と同様に、プラズマトーチの基本要素は、ノズル
ボア51に整合させられたカソード電極により、構成さ
れる。
Referring to FIG. 3, a plasma spray torch of the non-expanding arc type is designated 10' and is similar in many respects, if not identical, to the plasma spray torch shown in FIG. Elements common to the plasma spray torch shown in FIG. 2 use the same numerals. Therefore, the cylindrical electrically insulating body piece 30 is coupled to the body piece 31' and closes the end of the annular chamber 41 to the tapered tip 32a of the cathode electrode 32, and in this position,
The cathode electrode tip or foot 32a forms a conical reduced area 35 of the bore 31' forming the torch nozzle passageway 54.
protrude inward. The body piece 31' is shown with a nozzle passage 54, which is considerably longer than the nozzle passage 34 of Applicant's previous apparatus of FIG. A feature of the embodiment of the invention of FIG. 3 is the presence of a flared bore 57 at the outlet end 52a of the nozzle anode 52, which flared bore 57 defines a radial shoulder defining an effective channel. That is, a peripheral shelf 58 is formed and the anode ring 5 is placed at a distance from the outlet end 52a of the anode nozzle 52.
I try to place 9. Similar to Applicant's prior device of FIG. 2, the basic elements of the plasma torch are constituted by a cathode electrode aligned with the nozzle bore 51. As shown in FIG.

カソード電極32のまわりで旋回している渦状ガス流5
3は、アノードボア51により形成されるノズル通路5
4の円すい状の減少する領域35内に通過し、これによ
り、ボア51に沿ってアーク柱55を中心化して、ノズ
ル出口を越えて符号56で示されるある下流点に通過す
るようにする。
A swirling gas flow 5 swirling around the cathode electrode 32
3 is a nozzle passage 5 formed by an anode bore 51;
4 into the conical decreasing region 35 of 4, thereby centering the arc column 55 along the bore 51 to pass beyond the nozzle exit to some downstream point indicated at 56.

ボア51及び広がったボア57により形成される半径方
向肩部すなわち周囲棚58は、比較的小さい幅であり、
大気の酸素の拡散により達し得ないノズル52内の軸方
向位置にある。本出願人は、ノズルボア直径51より約
1/10大きい広がったボアの直径が、アノードリング
59を望まれるように配置するのに充分であることを、
定めた。
The radial shoulder or peripheral shelf 58 formed by bore 51 and flared bore 57 is of relatively small width;
There are axial locations within the nozzle 52 that cannot be reached due to diffusion of atmospheric oxygen. Applicants have determined that a flared bore diameter approximately 1/10 greater than the nozzle bore diameter 51 is sufficient to position the anode ring 59 as desired.
Established.

典型的な高電圧作動は、カソードの先端から3−3/4
インチにアノードリング59を配置し、この場合に、主
ノズルボア51は、5−1/16インチであり、広がっ
たボア57は、11/32インチである。典型的なプラ
ズマアークトーチにおいて、室41を通って渦を巻くガ
スGは、トーチについて400ボルトの作動電圧で窒素
であった。
Typical high voltage operation is 3-3/4 from the cathode tip.
The anode ring 59 is placed in an inch, where the main nozzle bore 51 is 5-1/16 inches and the flared bore 57 is 11/32 inches. In a typical plasma arc torch, the gas G swirling through chamber 41 was nitrogen at an operating voltage of 400 volts for the torch.

アノードノズル52の出口端部52aから破線面Aで示
される位置に広がったボア57の軸方向深さを増加する
ことにより、電圧は、更に減少され得、1インチのボア
の5/16インチ有効長で、電圧は、100ボルトに減
少する。
By increasing the axial depth of the bore 57, which extends from the outlet end 52a of the anode nozzle 52 to the location shown in dashed plane A, the voltage can be further reduced by increasing the axial depth of the bore 57 to an effective 5/16 inch of a 1 inch bore. At the end, the voltage is reduced to 100 volts.

本出願人は、このような小さい表面領域の棚すなわち半
径方向肩部58を設けることがアーク長特性に充分な制
御を与えることが、非常に驚くべきことであるとわかっ
た。これにより、独特なプラズマスプレー装置10′は
、有効に作動できる。
Applicants have found it very surprising that providing such a small surface area shelf or radial shoulder 58 provides sufficient control over the arc length characteristics. This allows the unique plasma spray device 10' to operate effectively.

本出願人の結論として、アノード壁(ボア51、広がっ
たボア57)に沿った周辺(境界層)流れのかく乱は、
かく乱領域であるいはかく乱領域のちょうど下流の壁に
直接にアークが通過する経路を与え、アノードリング5
9を形成する。
Applicant's conclusion is that the disturbance of the peripheral (boundary layer) flow along the anode wall (bore 51, widened bore 57)
The anode ring 5 provides a path for the arc to pass directly to the wall in the disturbed region or just downstream of the disturbed region.
form 9.

第3図の実施例のわずかな変更において、第3図の実施
例と本質的に同一の構成で示されるアークトーチについ
て、広がったボア57の代わりに、第3a図のトーチは
、アノード壁内に機械加工された浅い環状溝60を有し
、アノード壁は、第3図の実施例のアノード壁と同一サ
イズでありもし環状溝がなかったら連続的であるボア5
1を有している。
In a slight modification of the embodiment of FIG. 3, for an arc torch shown in essentially the same configuration as the embodiment of FIG. 3, instead of a flared bore 57, the torch of FIG. The anode wall has a shallow annular groove 60 machined into the bore 5 which is the same size as the anode wall of the embodiment of FIG.
1.

第3b図の参照は、第3図の実施例の他の変更を示す。Reference to FIG. 3b shows another modification of the embodiment of FIG. 3.

この場合に、ノズルアノード52′には、第3図と同様
のボア51が設けられているが、ノズル出口端部52′
 aでは、減少した直径のボア74を有するわずかな環
状突出部が設けられ、この減少した直径のボア7.4は
、肩部75を有し、該肩部75は、上流に面しており、
ボアに沿ったノズル出口52′ aの上流の個所でノズ
ルボアの表面の不連続部を構成している。また、下流の
イオン化された領域でアーク柱55は、広がったアノー
ドボア内に全体的に保持され、それゆえ、プラズマトー
チのノズル出口の近くの周囲アノード領域の寿命を伸ば
し、一方、アーク長特性に充分な制御を与える。
In this case, the nozzle anode 52' is provided with a bore 51 similar to that in FIG. 3, but at the nozzle outlet end 52'.
At a, a slight annular projection with a reduced diameter bore 74 is provided, which reduced diameter bore 7.4 has a shoulder 75, which shoulder 75 faces upstream. ,
A discontinuity in the surface of the nozzle bore is provided at a point along the bore upstream of the nozzle outlet 52'a. Also, in the downstream ionized region the arc column 55 is retained entirely within the enlarged anode bore, thus extending the lifetime of the surrounding anode region near the nozzle exit of the plasma torch, while improving arc length characteristics. Gives you plenty of control.

代わりに、第3C図において、薄く半径方向内方に突出
しているリング76は、アノード内壁に機械加工されて
もよく、このリング76の条件としては、表面の不連続
部が、室41内で始まりノズルボア51を通過する均一
な渦巻きガス流に沿った所望の軸方向位置に配置され、
アークが該所望の軸方向位置でアノード52″に通過す
るのに充分なサイズであることである。
Alternatively, in FIG. 3C, a thin, radially inwardly projecting ring 76 may be machined into the anode inner wall, provided that the surface discontinuities are within the chamber 41. located at a desired axial position along the uniform swirling gas flow that begins and passes through the nozzle bore 51;
The arc should be of sufficient size to pass through the anode 52'' at the desired axial location.

新しいプラズマ作動モードは、パウダーが、本出願人の
従来の第2図の装置のアーク柱37あるいは従来技術の
第1図のプラズマアークトーチのイオン化された円すい
状領域19内にパウダーが導かれるのと同じように、ア
ーク柱55の下流の高速ガス流に導かれ得るような装置
をffl (jtする。
The new plasma mode of operation is such that the powder is directed into the arc column 37 of Applicant's prior FIG. 2 apparatus or the ionized conical region 19 of a prior art FIG. 1 plasma arc torch. Similarly, ffl (jt) is a device that can be guided by the high-velocity gas flow downstream of the arc column 55.

第4図は、第3図の本出願人の実施例の他の変更例によ
る非転移プラズマアークトーチ10′〜の縦断面図であ
り、トーチ10”’は、同様のカップ形状本体30を含
み、該カップ形状本体30は、カソード電極足32aの
下流にアノードノズル61を同軸に取り付けており、こ
れは、現在可能である更に従来のプラズマ装置を使用す
るよりも、先頭の矢印ラベル“パウダー”により示され
るように、管69を介して放出ガス流に導かれる粒子に
かなり低い熱入力率を与える。また、第4図の実施例に
おいて、かなり高い出口噴射速度は、熱軟化粒子をかな
りの速度に加速するように、使用され得る。また、カソ
ード電極32は、アノードノズルすなわちアノード片6
1のボア74により形成されるアノードノズル通路74
に軸方向に整合させられている。ガス渦流は、カソード
電極32の周辺のまわりであって環状室41内に、第2
図の装置のように、確立される。この場合に、半径方向
肩部すなわちアノード棚66についての広がったボア6
5には、アノードリング62が、アーク柱64の終端部
の下流に伴う。更に、減少した横断面領域のスロート6
7が設けられ、上流のガス圧を所望の上昇圧力に維持す
るようにする。
FIG. 4 is a longitudinal cross-sectional view of a non-transfer plasma arc torch 10'' according to another variation of Applicant's embodiment of FIG. , the cup-shaped body 30 coaxially mounts an anode nozzle 61 downstream of the cathode electrode foot 32a, which is preferable to the leading arrow labeled "powder" than is currently possible using more conventional plasma devices. The relatively high exit jet velocity in the embodiment of FIG. The cathode electrode 32 can also be used to accelerate the velocity of the anode nozzle or anode piece 6.
An anode nozzle passage 74 formed by a bore 74 of 1
axially aligned. The gas vortex flows around the periphery of the cathode electrode 32 and into the annular chamber 41.
Established as in the device shown. In this case, the enlarged bore 6 for the radial shoulder or anode shelf 66
5, an anode ring 62 accompanies the terminal end of the arc column 64 downstream. Furthermore, the reduced cross-sectional area of the throat 6
7 is provided to maintain the upstream gas pressure at the desired elevated pressure.

発散する拡大ノズル68は、衝撃ダイアモンド72によ
り特徴付けられる超音速噴射流れ71を形成する。パウ
ダーは、該パウダーを半径方向管69及び斜め孔70に
通すことにより、広がったガス流内に導かれ、パウダー
材質が超音波噴射71内に入るようにする。パウダー粒
子73が、熱感応可能のガスのみに、多分、超音速噴射
流れを形成する小パーセントの分離されたガスのみに従
うことを気付くことが重要である。イオン化された種は
、アーク作用を維持し、すなわち、圧力に通常関連する
光り輝く円すいを形成するのに充分な数存在しない。イ
オン化された領域が20、.000°Fの範囲の温度に
達し得る場合に、本発明の実施例によってより充分に発
展された流れは、多分、半分である。放射の危険は、特
に紫外線の範囲において、本質的に除去される。しかし
ながら、噴射の温度は、内燃システムで利用可能な噴射
の温度の充分に上である。それゆえ、伴出された粒子7
3は、第1図の基体22のような基体に堆積21する以
前に、溶融温度に急速にされる。ガスエンタルピー、噴
射速度、及び、超音速噴射71の経路で基体に衝突する
以前の粒子存在距離の関係を調整することにより、粒子
73を、基体22′あるいはコーティングされるべき他
の片に衝突するように熱軟化状態にすることが可能であ
る。第3,4図の実施例において、正負の電気結合は、
電源(あるいは図示されていない)から、両側でのカソ
ード電極32に、及び、それぞれ第3図のアノード電極
52、第4図のアノード電極61に、なされる。
The diverging enlarged nozzle 68 forms a supersonic jet stream 71 characterized by an impact diamond 72 . Powder is directed into the expanded gas stream by passing the powder through radial tubes 69 and diagonal holes 70 so that the powder material enters the ultrasonic jet 71 . It is important to note that the powder particles 73 follow only the thermally sensitive gas, perhaps only a small percentage of the separated gas forming a supersonic jet stream. Ionized species are not present in sufficient numbers to sustain arc action, ie, to form the glowing cone normally associated with pressure. The ionized regions are 20, . Flows more fully developed by embodiments of the present invention are perhaps half where temperatures in the range of 1,000°F can be reached. Radiation risks are essentially eliminated, especially in the ultraviolet range. However, the temperature of the injection is well above the temperature of the injection available in internal combustion systems. Therefore, the entrained particle 7
3 is rapidly brought to melting temperature before being deposited 21 on a substrate, such as substrate 22 in FIG. Impact the particles 73 on the substrate 22' or other piece to be coated by adjusting the relationship between gas enthalpy, injection velocity, and the distance the particles exist before impacting the substrate in the path of the supersonic jet 71. It is possible to make it into a thermally softened state. In the embodiments shown in Figures 3 and 4, the positive and negative electrical connections are
From a power source (or not shown) to the cathode electrode 32 on both sides and to the anode electrode 52 in FIG. 3 and anode electrode 61 in FIG. 4, respectively.

本発明は、実施例を参照しながら詳細に示され述べられ
てきたが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく
、形式及び細部において各種の変形がなされ得ることは
、本発明が属する技術の当業者に理解される。
Although the present invention has been shown and described in detail with reference to illustrative embodiments, it is understood that various modifications may be made in form and detail without departing from the spirit and scope of the invention. will be understood by those skilled in the art.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、基体のスプレーコーティングに使用される従
来のプラズマスプレートーチの縦断面図、第2図は、係
属中の米国特許出願第024゜485号の非転移プラズ
マアークトーチの縦断面図、 第2a図は、第2図のプラズマアークトーチノズルの出
口端部の拡大縦断面図、 第3図は、アノード足の位置従ってプラズマアークトー
チの全体の電圧レベルを制御するようにノズルの出口端
部内に広がったボアを含んでおり本発明の好適な実施例
を形成する非転移プラズマアークトーチのノズル出口部
の縦断面図、第3a、3b、3c図は、本発明の他の実
施例を形成しており、第3図の非転移プラズマアークト
ーチについて変更されたノズル出口部の断面図、第4図
は、本発明の他の実施例を形成する非転移プラズマアー
クトーチノズル部の縦断面図であり、広がったボアの下
流の拡大ノズルは、ノズル内で内方にアノード足の位置
を制御している状態であり、プラズマ加熱ガスの均一な
高速流を促進して、噴霧されているパウダーの熱軟化を
行わせるようにしていることを示す図である。 10’、10’″・・・プラズマスプレートーチ30・
・・電気絶縁本体片 31′・・・本体片、 32・・・カソード電極 41・・・室 51・・・ノズルボア 57・・・広がったボア 58・・・半径方向肩部 59・・・アノードリング 60・・・環状溝 61・・・アノードノズル 62・・・アノードリング 65・・・広がったボア 66・・・半径方向肩部 67・・・スロート 68・・・拡大ノズル 69・・・管 70・・・斜め孔 74・・・減少した直径のボア 75・・・肩部 76・・・リング
FIG. 1 is a longitudinal cross-sectional view of a conventional plasma spray torch used for spray coating a substrate; FIG. 2 is a longitudinal cross-sectional view of the non-transitional plasma arc torch of pending U.S. patent application Ser. No. 024.485; FIG. 2a is an enlarged longitudinal cross-sectional view of the exit end of the plasma arc torch nozzle of FIG. 2; FIG. Figures 3a, 3b and 3c, longitudinal cross-sectional views of the nozzle exit section of a non-transferred plasma arc torch including a flared bore therein and forming a preferred embodiment of the present invention, illustrate another embodiment of the present invention. FIG. 3 is a cross-sectional view of a modified nozzle exit section for the non-transitional plasma arc torch forming the non-transitional plasma arc torch of FIG. 3; FIG. The enlarged nozzle downstream of the enlarged bore is shown in FIG. FIG. 3 is a diagram showing that powder is thermally softened. 10', 10'''...Plasma spray torch 30・
...Electrical insulation body piece 31'...Body piece, 32...Cathode electrode 41...Chamber 51...Nozzle bore 57...Enlarged bore 58...Radial shoulder 59...Anode Ring 60...Annular groove 61...Anode nozzle 62...Anode ring 65...Enlarged bore 66...Radial shoulder 67...Throat 68...Enlarged nozzle 69...Tube 70...Diagonal hole 74...Bore of reduced diameter 75...Shoulder 76...Ring

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、室を形成する円柱状のケーシングであり、軸方向に
伸びるアノードノズル通路を形成する広がった長さ方向
のノズルボアを含みアノード電極を形成する第1の導電
端部壁と、及び、第2の反対側の端部壁と、を有してお
り、カソード電極は、円柱状のケーシングの反対側の端
部壁の内に同軸的に取り付けられ、前記第1の端部壁か
ら電気的に絶縁され、該第1の端部壁の手前で終わって
おり、前記アノードノズル通路は、前記カソード電極に
面する端部で、外方に張り出し、円すい状に拡がってい
る円ずい状のケーシングと、 前記円柱状のケーシング、前記カソード電極、及び前記
両端部壁により形成される室内に加圧ガスを生じさせる
プラズマを導く手段と、及び前記カソード電極と前記ア
ノードノズルを構成する第1の端部壁との間に電位差を
生じさせ、前記アノードノズル通路から通常出るプラズ
マアーク炎を生じさせ、ノズル出口オリフィスを取り囲
む周囲の金属リングによりアノード足が通常構成される
状態である手段と、 を含むプラズマアークトーチにおいて、 ノズル出口オリフィスの充分に上流で充分なサイズのノ
ズルボアに沿った個所にある表面の不連続部であり、ア
ークが不連続部の近くのアノードノズル通路壁に通過す
るようにし、それゆえ、下流のイオン化された領域で、
拡大した長さ方向ノズルボア内に全て保持されるアーク
柱を確立し、それゆえ、プラズマトーチのノズルの出口
の近くの周囲のアノード領域の寿命を伸ばし、一方、ア
ーク長特性の充分な制御を与えるようにする表面の不連
続部を含むプラズマアークトーチであって、前記室内に
加圧ガスを生じさせるプラズマを導く手段は、 前記アノードノズル通路から離れた室の端部内に接線方
向に前記ガスを供給する手段であり、アノードノズル通
路を通って伸びる低圧コアを示すガスの渦流を確立する
ようにし、前記コアは、前記ノズル通路を通って部分的
に伸びる小直径のアーク柱を確立する状態であり、アノ
ードノズル通路壁に沿ったガスの渦流の境界層は、ノズ
ル通路壁表面の不連続部により与えられるかく乱領域で
あるいは該かく乱領域のまさに下流ですぐにアノードノ
ズル通路壁にアークが通過するような経路を与えるよう
にしているガス供給手段を含むプラズマアークトーチで
あって、 前記アーク柱及び下流のイオン化された領域よりかなり
低い温度で、アーク柱の下流の高速で本質的にイオン自
由の高温ガス流れ及び下流のイオン化された領域に、噴
霧されるべき材質を導き、これにより、トーチにより噴
霧される粒子の過度の加熱を除去するようにする手段を
含むことを特徴とするプラズマアークトーチ。 2、拡がったボアは、ノズル軸の一部に沿って、ノズル
出口から軸方向内方に伸び、アノードノズルの主ボアに
より半径方向肩部を形成し、該半径方向肩部が前記不連
続部を構成するような状態である請求項1記載のプラズ
マアークトーチ。 3、拡がったボアは、ノズルボアの直径を 25%未満越えている直径を有する請求項2記載のプラ
ズマアークトーチ。 4、拡がったボアは、ノズルボアの直径を 40%未満越えた直径を有し、半径方向肩部の軸方向位
置は、半径方向肩部でカソード電極とアノード電極との
間でアークについて予め定められた所望のアーク電圧を
形成するように選択されている請求項2記載のプラズマ
アークトーチ。 5、浅い環状溝は、充分な深さ及び幅のアノードノズル
ボアに機械加工され、アノードノズル通路出口の充分に
上流の軸方向位置に前記表面の不連続部を形成して、ア
ノードノズルボア内にアノード壁へのアーク通路を確実
にするようにしている請求項1記載のプラズマアークト
ーチ。 6、前記アノードノズル通路は、ノズル出口の上流で短
い軸方向領域にわたって半径方向肩部を形成する減少し
た直径のノズルボアを有し、該ノズルボアは、ノズル出
口の上流に面し前記表面の不連続部を構成する状態であ
る請求項1記載のプラズマアークトーチ。 7、前記アノードノズルボアは、短い軸方向長さにわた
ってノズル出口の上流に前記表面の不連続部を構成して
いる半径方向内方に突出するリングを有する請求項1記
載のプラズマアークトーチ。 8、アーク柱の終端及び/又はこれに関連した下流のイ
オン化された領域と噴霧されるべき材質を導く手段との
間に、減少した直径のノズルボア領域を含み、該減少し
た直径のノズルボア領域は、ノズル出口で超音速の噴射
流れを生じさせるように機能する拡大ノズルのノズルフ
ロートを形成する請求項1記載のプラズマアークトーチ
。 9、円柱状のケーシングと、軸方向に伸びるアノードノ
ズル通路を形成する広がった長さ方向のノズルボアを含
みアノード電極を形成する第1の導電端部壁と、及び、
第2の反対側の端部壁と、を有しており、カソード電極
は、円柱状のケーシングの反対側の端部壁の内に同軸的
に取り付けられ、前記第1の端部壁から電気的に絶縁さ
れ、該第1の端部壁の手前で終わっており、前記アノー
ドノズル通路は、前記カソード電極に面する端部で、外
方に張り出し、円すい状に拡がっているプラズマアーク
トーチを作動する方法において、前記室内に加圧ガスを
生じさせるプラズマを生じさせ、前記カソード電極と前
記アノードノズルとの間に電位差を生じさせ、前記アノ
ードノズル通路から通常出るプラズマアーク炎を生じさ
せるステップを含むプラズマアークトーチを作動する方
法であって、前記ノズル出口オリフィスの充分に上流で
充分なサイズの拡がった長さ方向のノズルボアに沿った
個所で不連続部を与え、アークが不連続部の近くのアノ
ードノズル通路壁に通過するようにし、それゆえ、下流
のイオン化された領域で、拡大した長さ方向ノズルボア
内に全て保持されるアーク柱を確立し、それゆえ、アノ
ードノズルの出口の近くの周囲のアノード領域の寿命を
伸ばし、一方、アーク長特性の充分な制御を与えるよう
にするステップと、及び、 前記アーク柱の下流の前記プラズマアーク炎内の個所で
噴霧されるべき粒子を導き、該下流のイオン化された領
域は、非イオン化を示す高速高温ガス流の形式で前記プ
ラズマアーク炎の領域にある状態であり、前記粒子は、
コーティングされるべき被加工物の表面に衝突するため
にかなりの速度に加速される状態であり、これにより、
衝突の前に粒子の過度の加熱を除去するステップと、を
含むことを特徴とするプラズマアークトーチを作動する
方法。 10、表面の不連続部の位置は、アノード及びカソード
間に予め定められた所望のアーク電圧を選択するように
選ばれている請求項9記載の方法。 11、非イオン化を示す前記高速高温ガス流を生じさせ
、アーク柱の終端及び/又はこれに関連したイオン化さ
れた領域の下流であって噴霧されるべき粒子の射出点の
上流の減少した直径のノズルボア領域に通過するように
するステップと、及び、ノズルスロートを形成している
前記減少した直径のノズルボア領域の下流の拡がったノ
ズルボア部内に高温ガス流を拡げ、拡がった長さ方向ノ
ズルボアの端部から出る超音速の噴射流れを生じさせる
ようにするステップと、を含む請求項10記載の方法。 12、円柱状のケーシングと、軸方向に伸びるアノード
ノズル通路を形成する広がった長さ方向のノズルボアを
含みアノード電極を形成する第1の導電端部壁と、及び
、第2の反対側の端部壁と、を有しており、カソード電
極は、円柱状のケーシングの反対側の端部壁の内に同軸
的に取り付けられ、前記第1の端部壁から電気的に絶縁
され、該第1の端部壁の手前で終わっており、前記アノ
ードノズル通路は、前記カソード電極に面する端部で、
外方に張り出し、円すい状に拡がっているプラズマアー
クトーチを作動する方法において、前記室内に加圧ガス
を生じさせるプラズマを生じさせ、前記カソード電極と
前記アノードノズルとの間に電位差を生じさせ、前記ア
ノードノズル通路から通常出るプラズマアーク炎を生じ
させるステップを含むプラズマアークトーチを作動する
方法であつて、 前記ノズル出口オリフィスの充分に上流で拡がった長さ
方向ノズルボアに沿った個所で充分なサイズのアークが
アノードノズル通路に通過するようにし、それゆえ、下
流のイオン化された領域で、拡大した長さ方向ノズルボ
ア内に全て保持されるアーク柱を確立し、それゆえ、ア
ノードノズルの出口の近くの周囲のアノード領域の寿命
を伸ばし、一方、アーク長特性の充分な制御を与えるよ
うにするステップと、及び、 前記アーク柱の下流の前記プラズマアーク炎内の個所で
噴霧されるべき粒子を導き、該下流のイオン化された領
域は、非イオン化を示す高速高温ガス流の形式で前記プ
ラズマアーク炎の領域にある状態であり、前記粒子は、
コーティングされるべき被加工物の表面に衝突するため
にかなりの速度に加速される状態であり、これにより、
衝突の前に粒子の過度の加熱を除去するステップと、を
含むことを特徴とするプラズマアークトーチを作動する
方法。
Claims: 1. A first conductive end wall that is a cylindrical casing defining a chamber and that includes an enlarged longitudinal nozzle bore that defines an axially extending anode nozzle passageway and that defines an anode electrode. and a second opposite end wall, wherein the cathode electrode is coaxially mounted within the opposite end wall of the cylindrical casing and the cathode electrode is mounted coaxially within the opposite end wall of the cylindrical casing. the anode nozzle passage is electrically insulated from the first end wall and terminates in front of the first end wall, the anode nozzle passageway projecting outwardly and conically widening at the end facing the cathode electrode; a conical casing; means for guiding plasma to generate pressurized gas in a chamber formed by the cylindrical casing, the cathode electrode, and both end walls; and the cathode electrode and the anode nozzle. creating a potential difference between a first end wall and a first end wall of the anode nozzle passage, causing a plasma arc flame typically exiting the anode nozzle passageway, with the anode foot typically defined by a peripheral metal ring surrounding the nozzle exit orifice. a surface discontinuity at a location along a nozzle bore of sufficient size and sufficiently upstream of a nozzle exit orifice to cause the arc to strike an anode nozzle passageway wall near the discontinuity; so that in the downstream ionized region,
Establishing an arc column that is entirely retained within the enlarged longitudinal nozzle bore, thus extending the lifetime of the surrounding anode region near the exit of the plasma torch nozzle, while providing sufficient control over the arc length characteristics A plasma arc torch including a surface discontinuity such that the means for directing the plasma to produce a pressurized gas in the chamber tangentially directs the gas into an end of the chamber remote from the anode nozzle passageway. means for supplying the gas to establish a vortex flow of gas indicative of a low pressure core extending through the anode nozzle passageway, said core being in a position to establish a small diameter arc column extending partially through said nozzle passageway; , the boundary layer of the gas vortex along the anode nozzle passage wall is such that the arc passes through the anode nozzle passage wall immediately at or just downstream of the disturbed area provided by the discontinuity in the nozzle passage wall surface. A plasma arc torch comprising a gas supply means adapted to provide a path such as: A plasma arc torch characterized in that it includes means for directing the material to be atomized into the hot gas stream and the downstream ionized region, thereby eliminating excessive heating of the particles atomized by the torch. . 2. A flared bore extends axially inwardly from the nozzle outlet along a portion of the nozzle axis and forms a radial shoulder with the main bore of the anode nozzle, the radial shoulder extending from the discontinuity. 2. The plasma arc torch according to claim 1, wherein the plasma arc torch is in a state such that it constitutes a plasma arc torch. 3. The plasma arc torch of claim 2, wherein the flared bore has a diameter that exceeds the diameter of the nozzle bore by less than 25%. 4. The flared bore has a diameter that exceeds the diameter of the nozzle bore by less than 40%, and the axial position of the radial shoulder is predetermined for the arc between the cathode electrode and the anode electrode at the radial shoulder. 3. The plasma arc torch of claim 2, wherein the plasma arc torch is selected to provide a desired arc voltage. 5. A shallow annular groove is machined into the anode nozzle bore of sufficient depth and width to form a discontinuity in said surface at an axial location sufficiently upstream of the anode nozzle passageway exit to form a discontinuity within the anode nozzle bore. 2. The plasma arc torch of claim 1, wherein said plasma arc torch is adapted to ensure arc passage to the anode wall. 6. said anode nozzle passage has a reduced diameter nozzle bore forming a radial shoulder over a short axial region upstream of the nozzle outlet, said nozzle bore facing upstream of the nozzle outlet and discontinuing said surface; 2. The plasma arc torch according to claim 1, wherein the plasma arc torch is in a state of forming a part of the plasma arc torch. 7. The plasma arc torch of claim 1, wherein the anode nozzle bore has a radially inwardly projecting ring defining a discontinuity in the surface upstream of the nozzle exit over a short axial length. 8. between the end of the arc column and/or the associated downstream ionized region and the means for directing the material to be atomized, a reduced diameter nozzle bore region, the reduced diameter nozzle bore region 2. The plasma arc torch of claim 1, further comprising a nozzle float of an enlarged nozzle which is operative to produce a supersonic jet stream at the nozzle outlet. 9. a cylindrical casing and a first electrically conductive end wall including an enlarged longitudinal nozzle bore forming an axially extending anode nozzle passageway and forming an anode electrode;
a second opposite end wall, the cathode electrode being coaxially mounted within the opposite end wall of the cylindrical casing and having a cathode electrode electrically connected from the first end wall. insulated and terminating before the first end wall, the anode nozzle passageway projecting outwardly at the end facing the cathode electrode and carrying a conically expanding plasma arc torch. The method of operation includes the steps of creating a plasma that creates a pressurized gas in the chamber and creating a potential difference between the cathode electrode and the anode nozzle to create a plasma arc flame normally exiting the anode nozzle passageway. A method of operating a plasma arc torch comprising: providing a discontinuity at a point along a lengthwise nozzle bore of sufficient size sufficiently upstream of the nozzle exit orifice, the arc proximate the discontinuity; into the anode nozzle passage wall, thus establishing an arc column in the downstream ionized region that is all retained within the enlarged longitudinal nozzle bore, and therefore near the anode nozzle exit. directing the particles to be atomized at a location within the plasma arc flame downstream of the arc column; The downstream ionized region is in the region of the plasma arc flame in the form of a high velocity hot gas flow exhibiting non-ionization, and the particles are
is accelerated to a significant velocity to impact the surface of the workpiece to be coated, thereby
A method of operating a plasma arc torch comprising: removing excessive heating of particles prior to impact. 10. The method of claim 9, wherein the location of the surface discontinuity is selected to select a predetermined desired arc voltage between the anode and cathode. 11. producing said high-velocity hot gas flow exhibiting non-ionization and of reduced diameter downstream of the end of the arc column and/or associated ionized region and upstream of the injection point of the particles to be atomized; and extending the hot gas flow into a flared nozzle bore section downstream of said reduced diameter nozzle bore region forming a nozzle throat and an end of the flared longitudinal nozzle bore. 11. The method of claim 10, including the step of generating a supersonic jet stream exiting from the jet stream. 12. a cylindrical casing and a first conductive end wall including an enlarged longitudinal nozzle bore forming an axially extending anode nozzle passageway and forming an anode electrode; and a second opposite end; a cathode electrode is coaxially mounted within the opposite end wall of the cylindrical casing and is electrically insulated from the first end wall; 1, the anode nozzle passageway terminates at the end facing the cathode electrode,
A method of operating an outwardly projecting, conical plasma arc torch in which a plasma is generated in the chamber to generate a pressurized gas and a potential difference is created between the cathode electrode and the anode nozzle; A method of operating a plasma arc torch comprising the step of producing a plasma arc flame normally exiting from said anode nozzle passageway, said method comprising: producing a plasma arc flame generally extending from said anode nozzle passageway, the plasma arc torch having a plasma arc flame of sufficient size at a point along a flared longitudinal nozzle bore sufficiently upstream of said nozzle exit orifice; of arc passes into the anode nozzle passage, thus establishing an arc column in the downstream ionized region that is all retained within the enlarged longitudinal nozzle bore, and therefore near the anode nozzle exit. and directing particles to be atomized at a location within the plasma arc flame downstream of the arc column, while providing sufficient control over the arc length characteristics. , the downstream ionized region is in the region of the plasma arc flame in the form of a high velocity hot gas flow exhibiting non-ionization, and the particles are
is accelerated to a significant velocity to impinge on the surface of the workpiece to be coated, thereby
A method of operating a plasma arc torch comprising: removing excessive heating of particles prior to impact.
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