JP2000326073A - 加工トーチの冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ガス加工トーチ，プラズマ加工トーチ，レーザ
ー加工トーチに於ける冷却すべき部位の冷却効率を向上
する。 【解決手段】冷却装置Ａ，Ｂを加工トーチに於ける放熱
面と冷媒ガス及び液体を封入する冷却部材とを一体的に
取り付ける。冷却装置Ａは、プラズマトーチ３のノズル
４を構成するノズル本体１の放熱面１ａに該放熱面の外
形と略等しい形状を持った円筒状の冷却部材２を対向さ
せてガスを封入した後、ロー付け等の手段で一体化させ
て取り付ける。そして冷却部材２を冷却水や冷却ガス等
の冷却媒体によって冷却する。放熱面１ａからの熱によ
って冷却部材２の内部で発生するガスの対流、及び冷却
部材２の伝導により、該冷却部材２が略一様に温度上昇
し、放熱面積が拡大することで、冷却効率が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷却水や冷却ガス
による冷却効率を向上させた加工トーチの冷却装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】プラズマトーチは電極とノズルの間で或
いは電極と被加工材との間で放電させると共にガスをプ
ラズマ化して被加工材に噴射することで、被加工材を加
熱，溶融させて溶接，切断，溶射等の加工を行うもので
あり、電極からの放電に伴って発生するプラズマアーク
の温度は約30000度に達するため、電極及びノズルを冷
却水や冷却ガスによって強制的に冷却し得るように構成
されている。

【０００３】即ち、図４に示すように、電極51はプラズ
マトーチ52に設けた導電性を持った内筒53の先端に着脱
可能に装着されており、該電極51に円筒状の絶縁体54が
装着され、更に、ガスガイド55，ノズル56が装着されキ
ャップ57によって固定されている。内筒53の内部には冷
却筒58が配置され、該冷却筒58の内部から冷却水が供給
され且つ該冷却筒58の外周面に沿って矢印方向に流通す
ることで、電極51の裏面側に形成された放熱面に接触
し、これにより電極51を冷却することが出来る。またプ
ラズマトーチ52には冷却ガスの流通路59が形成されてお
り、該流通路59から供給された冷却ガスがノズル56とキ
ャップ57との間の通路に流通してノズル56の放熱面に接
触し、これによりノズル56を冷却することが出来る。

【０００４】ガス加工トーチ、特に熱間ガス切断トーチ
ではトーチ本体の先端部分に取り付けた火口から予熱炎
と切断酸素を噴射して高温状態の被切断材を切断する
が、このとき、予熱炎及び被切断材からの輻射によって
火口の温度が上昇するため、火口の内部に冷却水の流通
路を形成し、該流通路の周囲を放熱面として流通する冷
却水によって冷却するのが一般である。

【０００５】またレーザー加工トーチではレーザー発振
器から発振されたレーザー光を集光するレンズが僅かに
レーザー光のエネルギーを吸収して発熱することがあ
り、この発熱に伴ってレンズ自体が変形して焦点距離が
変化し、これにより、レーザー光の焦点位置と被切断材
との関係が変化して円滑な加工がなし得ないため、レー
ザートーチに於けるレンズ自体及び該レンズを保持する
部位を放熱面として冷却するのが一般的である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記の如く、放熱面に
冷却水や冷却ガス等の冷却媒体を流通させて冷却し得る
ように構成された加工トーチでは、熱の発生部位から放
熱面に伝導された熱を冷却媒体との間で交換して冷却し
得るように構成している。特に、プラズマトーチやレー
ザートーチのレンズのように熱の発生部位の面積が狭い
点熱源であるような場合、該熱源から離隔するのに従っ
て温度が低くなり、熱交換の効率が低下する。従って、
熱交換効率を向上させることが出来れば冷却媒体の量を
低減させる可能性が出てくる。

【０００７】本発明の目的は、熱交換効率を向上させる
ことが出来る加工トーチの冷却装置を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明に係る加工トーチの冷却装置は、ガス加工トー
チ，プラズマ加工トーチ，レーザー加工トーチを含み冷
却媒体により冷却する加工トーチの冷却装置であって、
放熱面に冷媒ガス及び液体を封入した冷却部材を一体的
に取り付けると共に該冷却部材に冷却媒体が接触するよ
うに構成したものである。

【０００９】上記加工トーチの冷却装置では、ガス切断
トーチ或いはガス溶接トーチ等のガス加工トーチ，プラ
ズマ切断トーチやプラズマ溶接トーチ等のプラズマ加工
トーチ，レーザー切断トーチやレーザー溶接トーチ等の
レーザー加工トーチ等の加工トーチに於ける放熱面にガ
スを封入した冷却部材を一体的に取り付けて冷却水や冷
却ガス等の冷却媒体を接触させることによって、該冷却
部材の本体の外周面に冷却媒体が接触して熱交換するこ
とが出来る。このため、冷却効率を向上させることが出
来、冷却媒体の供給量を少なくすることが出来る。

【００１０】即ち、熱源から伝導された熱によって放熱
面の温度が上昇すると、該放熱面に一体的に取り付けた
冷却部材の本体と冷却部材に封入したガスに熱が伝導さ
れる。放熱面と接触した液体が気化して対流が発生する
と、冷却部材の本体は放熱面からの伝導及び対流するガ
スから輻射によって熱を受け、放熱面から離隔した部位
にある冷却部材の本体であっても温度勾配が少なくなっ
て略一様な温度となる。

【００１１】このため、放熱面の面積が大きくなること
となり、且つ冷却部材の外周面に冷却媒体が接触するこ
とから、効率の良い熱交換を実現出来る。従って、ガス
の対流によって、放熱面の熱は効率良く交換されて熱源
と放熱面との間の温度勾配が大きくなり、より効率良く
冷却される。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下上記電極の好ましい実施形態
について図を用いて説明する。図１は加工トーチとして
プラズマトーチを採用し、該プラズマトーチのノズルに
対応させた冷却装置の構成を説明する図である。図２は
熱交換の原理を説明する図である。図３は加工トーチと
してガス切断トーチを採用し、該ガス切断トーチの冷却
ジャケットに対応させた冷却装置の構成を説明する図で
ある。

【００１３】本発明に係る冷却装置は、放熱面に冷媒ガ
ス及び液体を封入した冷却部材を一体的に取り付けると
共に該冷却部材に流通する冷却水や冷却ガス等の冷却媒
体を接触させることで、冷却する際の冷却効率を向上さ
せたものであり、冷却効率の向上に伴って供給する冷却
媒体の量を削減し、加工トーチの容積を小さくすること
が可能である。

【００１４】尚、以下説明する冷却装置Ａ，Ｂは、従来
のプラズマトーチに採用した例及びガス切断トーチに採
用した例を示すものであり、本発明の単なる実施例にす
ぎない。即ち、本発明に係る冷却装置はこれらの実施例
のみに限定されるべきものではなく、輻射や伝導にいよ
って付与された熱が伝導された放熱面側を冷却媒体によ
って冷却し得るように構成した加工トーチの全てに適用
し得るものである。

【００１５】図１に示す冷却装置Ａは、プラズマトーチ
３のノズル４として構成したものであり、導電性を有す
る金属からなるノズル本体１の放熱面１ａに配置され且
つ該放熱面１ａと一体化させた冷却部材２とによって構
成されている。

【００１６】ノズル本体１は導電性を有する銅または銅
合金等の金属からなり、装着すべきプラズマトーチ３の
取付部の構造と寸法に対応した形状と寸法を持って形成
されている。このノズル４はプラズマトーチ３が移行式
プラズマである場合、電極５との間で放電してパイロッ
トアークを形成する機能を有するものであり、孔４ａか
ら外部に噴射したパイロットアークが図示しない被加工
材に到達してメインアークが形成される。またプラズマ
トーチ３が非移行式のプラズマである場合、電極５との
間で放電してメインアークを形成する機能を有するもの
であり、該メインアークを孔４ａから外部に向けて噴射
し被加工材を加熱する。

【００１７】このため、ノズル本体１は内周面がプラズ
マアークに曝されることとなり、該プラズマアークの熱
が輻射により付与され、更に、プラズマアークがノズル
４の孔４ａを通過する際に伝導により付与される。そし
てノズル本体１の内周面から付与された熱は放熱面１ａ
に伝導される。

【００１８】電極５は導電性を持った内筒６の先端に嵌
合して着脱可能に装着されており、この電極５の外周に
円筒状の絶縁体７及びガスガイド８を介してノズル４が
装着され、キャップ９をプラズマトーチ３に螺合するこ
とで固定されている。

【００１９】内筒６の内部には冷却媒体を供給する冷却
筒10が配置されており、該冷却筒10と内筒６とによって
冷却媒体の流通路11ａ，11ｂが形成されている。またプ
ラズマトーチ３にはガスガイド８を通過させて電極５の
周囲にプラズマガスを供給するプラズマガス通路12、冷
却部材Ａとキャップ９との間に形成された室13に冷却媒
体を供給する通路14が夫々形成されている。

【００２０】冷却媒体としては、冷却水や冷却ガスを選
択的に用いることが可能であり、更に、電極５を冷却す
る冷却媒体と、冷却装置Ａを冷却する冷却媒体とが異な
る種類のものであっても良い。

【００２１】本実施例では、電極５を冷却する冷却媒体
として冷却水を利用し、冷却装置Ａを冷却する冷却媒体
として冷却ガスを利用している。そして冷却水をプラズ
マトーチ３に設けた冷却筒10から供給すると共に流通路
11ａ，11ｂに流通させて電極を冷却した後回収し、冷却
ガスを通路14から供給して室13に於いて冷却装置Ａを冷
却した後、キャップ９の先端に形成した孔９ａから外部
に流出させている。

【００２２】電極５にはハフニウム等の金属からなる作
用インサート５ａが埋め込まれている。この作用インサ
ート５ａは、電極５の消耗を軽減させるためのものであ
り、使用するプラズマガスの性質に対応して用いられ
る。例えばプラズマ用のガスが非酸化性ガスの場合には
作用インサート５ａは必要なく、電極５から直接放電し
ても、該電極５の消耗は激しくはない。しかし、プラズ
マガスが酸化性ガスである場合、作用インサート５ａを
用いることで、飛躍的に寿命を延長することが可能であ
る。

【００２３】冷却部材２は、銅やアルミニウム，チタン
或いは金や銀及びこれらの金属と他の金属の合金等の適
度な強度と良好な熱伝導率を有し且つ熱容量（比熱×密
度）の小さい金属からなり、ノズル本体１の外形形状に
対応させて略筒状に形成されている。そして冷却部材２
とノズル本体１の放熱面１ａによって形成される室２ａ
に冷媒ガス及び液体を封入し、ロー付け等の手段によっ
て両者を一体化すると共に密閉することで、冷却装置Ａ
を構成している。

【００２４】冷却部材２は圧力を持って供給される冷却
ガス中に配置されるため、該冷却ガスのもつ圧力に耐え
得る強度を有することが必要である。また熱の伝導と熱
交換を考慮すると厚さは可及的に薄いことが好ましい。
このため、本実施例では、冷却部材２として材質が銅で
厚さが0.5ミリ程度の板を利用している。この材料を用
いた場合、冷却ガスを１平方センチメートルあたり２kg
程度の圧力で供給した場合には充分に耐え得ることが可
能である。

【００２５】冷却部材２に封入される冷媒ガス及び液体
は、熱伝導率が大きく且つ熱容量（比熱×密度）が小さ
いことが好ましい。このような冷媒ガスとしては、窒素
ガスやアルゴンガス或いはヘリウム等のガスがあり、液
体としては、ナトリウム、水銀、水、メチルアルコール
等があり、このような冷媒ガスと液体を選択的に用いる
ことが可能である。また冷却部材２に封入されるガスは
減圧する必要がある。

【００２６】また冷却装置Ａを構成する場合、必ずしも
ノズル本体１を共用する必要はなく、冷却部材２をドー
ナツ状の部材に構成しておき、このドーナツ部材の内部
に冷媒ガス及び液体を封入してノズル本体１の放熱面１
ａに取り付けて構成することも可能である。このよう
に、冷媒ガス及び液体を封入したドーナツ部材をノズル
本体１の補梅津面１ａに取り付ける場合、両者の間に空
隙や不連続な皮膜を形成することなく、互いに直接接触
して熱の伝導を確保することが好ましい。即ち、ドーナ
ツ部材をノズル本体１の外周面に一体的に取り付ける際
に、両者を接着剤を用いても良いが、この場合、使用す
る接着剤は熱伝導率が高いものであることが必要であ
る。またドーナツ部材ノズルと本体１との間には空隙が
形成されると、この空隙に封入された空気が熱の伝導を
阻害する虞があり好ましくない。

【００２７】このため、本実施例のようにノズル本体１
の放熱面１ａを冷却装置Ａの一部として利用すること
で、ノズル本体１の放熱面１ａと冷却部材２との間に不
連続な面が形成されることがなく、合理的に熱を伝導す
ることが可能である。

【００２８】上記の如く構成された冷却装置Ａでは、プ
ラズマトーチ３の内筒６に冷却筒10から冷却水を供給し
て流通路11ａ，11ｂに流通させ、この状態で電極５とノ
ズル４との間で放電させてパイロットアークを形成し、
このパイロットアークをノズル４の孔４ａから外部に噴
射して被加工材に到達すると同時に、電極５と被加工材
との間で放電させてメインアークを形成する。このプラ
ズマアークの形成に伴って、電極５の温度が上昇する
が、該電極５は裏面側に流通する冷却水によって冷却さ
れる。

【００２９】同時に、ノズル本体１にプラズマアークの
熱が付与され、該ノズル本体１の温度が上昇し、内周面
１ａから放熱面１ａに伝導する。放熱面１ａでは、該放
熱面１ａと接触している冷却部材２が伝導により温度上
昇し、図２に示すように、封入された冷媒ガス及び液体
の放熱面１ａ側の温度が上昇して気化対流し、このガス
の対流により、ガスの保有する温度が冷却部材２に伝達
され、該冷却部材２が全長にわたって略一様な温度に上
昇する。

【００３０】このとき、冷却部材２の温度はノズル本体
１の放熱面１ａの温度と同一ではないものの略近い温度
となる。即ち、実質的に放熱面積を拡大することが可能
となる。そして冷却部材２の略全外周が冷却ガスと接触
することにより熱交換がなされ、効率良く冷却すること
が可能となる。そして冷却部材２が冷却されることか
ら、気化したガスは液化して冷却部材２の内周面に沿っ
て落下し、下方に滞留して再度気化対流する。このサイ
クルを繰り返すことで、ノズル本体１を効率良く冷却す
ることが可能となる。

【００３１】図３はガス切断トーチに採用した冷却装置
Ｂの構成を説明する図である。図に示すガス切断トーチ
は、被切断材を高温の状態で切断する熱間切断装置の代
表的な例であり、トーチ本体21に火口22が着脱可能に装
着されると共に、該火口22の外側に水冷ジャケット23が
配置されており、該水冷ジャケット23はトーチ本体21に
固定されている。

【００３２】ジャケット23は、外面23ａが図示しない熱
間の被切断材に対向することで該外面23ａから熱が付与
され、内部に冷却水が流通して冷却することで、被切断
材の熱が火口22に到達することのないように構成されて
いる。即ち、ジャケット23の内周面が放熱面23ｂとして
構成されている。

【００３３】図に於いて、ジャケット23の内部には、該
ジャケット23の内形状と略等しい外形を持った冷却部材
24がジャケット23の放熱面23ｂと対向して配置されてお
り、該冷却部材24と放熱面23ｂとの間に形成された室24
ａにガスを封入してロー付け等の手段によって取り付け
られている。

【００３４】またジャケット23の所定位置には２個のニ
ップル25が設けられており、これらのニップル25に図示
しない冷却水ホースを接続することで、ジャッケと23の
内部に冷却水の流通路23ｃを形成している。

【００３５】上記の如く構成された冷却装置Ｂでは、被
切断材から輻射によってジャケット23に付与された熱
は、該ジャケット23の外面23ａから放熱面23ｂに伝導さ
れる。放熱面23ｂでは主として封入された冷媒ガス及び
液体が熱を受け、温度が上昇して気化対流を惹起する。
この結果、ガスの熱が冷却部材24に付与されて該冷却部
材の温度が上昇し、ジャケット23の内部に形成された流
通路23ｃに流通する冷却水によって冷却部材24が冷却す
る。このとき、放熱面23ｂから伝導された熱を封入され
たガスの対流によって伝導し、冷却部材24の温度を一様
に上昇させることが可能であり、冷却水による冷却効率
を向上することが可能である。

【００３６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明に係る
冷却装置では、放熱面にガスを封入した冷却部材を一体
的に取り付けることによって、放熱面から伝導された熱
を伝導により、及び封入されたガスの対流により冷却部
材を略一様に温度を上昇させることが出来る。このた
め、実質的に放熱面積を大きくすることが出来、冷却水
や冷却ガス等の冷却媒体による熱交換効率を向上させる
ことが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】加工トーチとしてプラズマトーチを採用し、該
プラズマトーチのノズルに対応させた冷却装置の構成を
説明する図である。

【図２】熱交換の原理を説明する図である。

【図３】加工トーチとしてガス切断トーチを採用し、該
ガス切断トーチの冷却ジャケットに対応させた冷却装置
の構成を説明する図である。

【図４】従来のプラズマトーチの構成を説明する図であ
る。

【符号の説明】

Ａ，Ｂ 冷却装置 １ ノズル本体 １ａ 放熱面 ２ 冷却部材 ３ プラズマトーチ ４ ノズル ４ａ，９ａ 孔 ５ 電極 ５ａ 作用インサート ６ 内筒 ７ 絶縁体 ８ ガスガイド ９ キャップ 10 冷却筒 11ａ，11ｂ 流通路 12 プラズマガス通路 13 室 14 通路 21 トーチ本体 22 火口 23 ジャケット 23ａ 外面 23ｂ 放熱面 23ｃ 流通路 24 冷却部材 24ａ 室 25 ニップル

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガス加工トーチ，プラズマ加工トーチ，
   レーザー加工トーチを含み冷却媒体により冷却する加工
   トーチの冷却装置であって、放熱面に冷媒ガス及び液体
   を封入した冷却部材を一体的に取り付けると共に該冷却
   部材に冷却媒体が接触するように構成したことを特徴と
   する加工トーチの冷却装置。