JP2002086274A - プラズマトーチ用のノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】インナーノズルとアウターノズルからなるプラ
ズマトーチ用のノズルであって、熱膨張による影響を可
及的に排除して安定した絶縁性能を維持する。 【解決手段】ノズルＡは、銅又は銅合金からなるインナ
ーノズル２及びアウターノズル３と、両ノズルの間に配
置された合成樹脂からなる絶縁部材４とを有し、プラズ
マトーチＢに取り付けた電極１との間で放電してパイロ
ットアークを形成すると共に形成したパイロットアーク
を孔２ａ，３ａから外部に噴射する。前記インナーノズ
ル２に於ける絶縁部材４との接触部位（筒部２ｃ）及
び、又はアウターノズル３に於ける絶縁部材４との接触
部位（嵌合部３ｃ）に絶縁部材４の膨張を受け入れる受
入部21を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、安定した絶縁性能
を発揮することが出来るプラズマトーチ用のノズルに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】被加工材に向けてプラズマアークを噴射
して切断や溶接、或いは溶射等の加工を行うプラズマ加
工法が普及している。このようなプラズマ加工を行うた
めのプラズマトーチとして、非移行式プラズマトーチと
移行式プラズマトーチとがあり、更に、プラズマアーク
の周囲に二次ガスを噴射する多気流式のプラズマトーチ
がある。そして目的の加工に応じて前記各プラズマトー
チの中から最適なものを選択して用いるのが一般的であ
る。

【０００３】例えば、鋼板に代表される被加工材を切断
する場合、最近では、プラズマトーチの本体に取り付け
た電極と、該電極に対向して配置したノズルとの間で放
電させてパイロットアークを形成し、このパイロットア
ークを被加工材に向けて噴射して、該パイロットアーク
が被加工材に接触したときに電極と被加工材との間で放
電させてプラズマアークを形成する移行式プラズマトー
チを用い、更に、プラズマアークの周囲に目的の加工に
応じて酸素ガスや窒素ガス等のガスを二次気流として供
給することで、切断性能やピアシング性能を向上させた
プラズマトーチを用いるのが一般的である。

【０００４】上記プラズマトーチでは、電極とノズルは
互いに電気的に絶縁されている。またプラズマアークの
周囲に二次気流を供給し得るように構成されたノズル
は、プラズマアークを通過させるインナーノズルと、プ
ラズマアークの周囲に二次気流を噴射するアウターノズ
ルと、の複数のノズル部材によって構成されている。前
記アウターノズルはプラズマトーチの最先端に配置され
るため、切断作業中に鋼板と接触した場合、漏電による
トラブルが発生する虞がある。このため、インナーノズ
ルとアウターノズルの間に絶縁材を配置して両ノズルを
電気的に絶縁し得るように構成されている。

【０００５】上記ノズルを構成するインナーノズル及び
アウターノズルは銅を素材とし、絶縁材はセラミックス
や合成樹脂を素材とし、各部材は互いに圧入により組み
立てられるのが一般的である。またプラズマアークの周
囲に二次気流を供給し得るようなプラズマトーチ以外の
プラズマトーチであっても、ノズルを互いに電気的に絶
縁した二重構造とし、プラズマトーチに何らかの物体が
接触した場合の漏電を防止し得るように構成することも
ある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記プラズマトーチで
は、プラズマアークがノズルを通過する際に該ノズルの
温度を上昇させる。このため、ノズルを構成するインナ
ーノズル，アウターノズル及び絶縁材に熱膨張が生じる
が、各素材の熱膨張率が異なるため、これに伴う応力が
発生して寿命に悪影響を与え、長期間安定した絶縁性能
を維持し得ないという問題がある。

【０００７】本発明の目的は、熱膨張による影響を可及
的に排除して安定した絶縁性能を維持し得るプラズマト
ーチのノズル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
に本発明に係るプラズマトーチ用のノズルは、インナー
ノズルとアウターノズルと前記インナーノズルとアウタ
ーノズルの間に配置された絶縁部材とからなりプラズマ
トーチに取り付けた電極との間で放電してパイロットア
ークを形成すると共に形成したパイロットアークを外部
に噴射するプラズマトーチ用のノズルであって、銅又は
銅合金からなるインナーノズル及びアウターノズルと合
成樹脂からなる絶縁部材を用い、インナーノズルに於け
る絶縁部材との接触部位及び、又はアウターノズルに於
ける絶縁部材との接触部位に前記絶縁部材の膨張を受け
入れる受入部を形成したものである。

【０００９】上記プラズマトーチのノズルでは、インナ
ーノズル，絶縁材，アウターノズルに於ける熱膨張率
は、合成樹脂からなる絶縁材が最も大きく、各ノズルは
同一の材料を用いるため同一である。このため、プラズ
マトーチを作動させて被加工材を加工する際の温度上昇
に伴って前記各部材に熱膨張が発生したとき、絶縁材の
膨張部分をインナーノズル及び、又はアウターノズルに
形成した受入部に受け入れることで、熱膨張に伴う応力
の発生を防止することが出来る。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明に係るプラズマトーチ用の
ノズルは、銅又は銅合金からなるインナーノズル及びア
ウターノズルと、合成樹脂からなり前記各ノズルの間に
配置されて両ノズルを電気的に絶縁する絶縁材とを有し
て構成され、プラズマトーチの作動によって形成された
プラズマアークの影響を受けて温度が上昇したとき、絶
縁材に発生した熱膨張部分をインナーノズル，アウター
ノズルの両方或いは何れかに形成した受入部に受け入れ
ることで、熱膨張に伴う熱応力の発生を可及的に低減さ
せて絶縁材の寿命を向上させ、これにより、長期間安定
した絶縁性能を維持し得るように構成したものである。

【００１１】インナーノズル，アウターノズルを構成す
る場合、銅以外の銅合金として特に限定するものではな
いが、通常のプラズマトーチに於ける電極に利用されて
いる材料や、従来のノズルに利用されている材料、例え
ばタフピッチ銅やテルリウム銅等を用いることが可能で
ある。これらの材料は、両ノズル共に同一の材料を用い
ても良く、またインナーノズル，アウターノズル夫々異
なる材料を用いることも可能である。

【００１２】絶縁材を構成する合成樹脂材料としては、
高い電気絶縁性と耐熱性及び硬度を有するものが好まし
い。このような合成樹脂材料としてポリイミド系のもの
があり、例えばベスペル（登録商標、デュポン社）を好
ましく使用することが可能である。

【００１３】インナーノズル，アウターノズルに於ける
絶縁材との接触部位に形成する受入部は、絶縁材の熱膨
張した部分を受け入れることが目的であり、この機能を
有するものであれば、形状や容積を限定するものではな
い。また受入部は、インナーノズル，アウターノズルの
両方、或いは何れか一方に形成してあれば良く、必ずし
も両方に形成することが必須ではない。

【００１４】以下、上記プラズマトーチ用のノズルの好
ましい実施形態について図を用いて説明する。図１はノ
ズルの構成を説明する組立図である。図２はインナーノ
ズルの構成を説明する一部断面図である。図３は絶縁材
の構成を説明する一部断面図である。図４はアウターノ
ズルの構成を説明する一部断面図である。図５はプラズ
マトーチの要部の構成を説明する断面図である。

【００１５】ノズルＡの説明に先立って、このノズルＡ
を使用するプラズマトーチＢの構成について図５により
説明する。

【００１６】図５に示すプラズマトーチＢは移行式プラ
ズマトーチとして構成されており、電極１とノズルＡを
構成するインナーノズル２との間に通電してパイロット
アークを形成し、形成されたパイロットアークをインナ
ーノズル２の孔２ａ及びアウターノズル３の孔３ａから
噴射し、該パイロットアークがプラズマトーチＢと対向
して配置された図示しない被加工材に接触したとき、電
極１と被加工材との間に通電してメインアークを形成
し、同時に電極１とインナーノズル２との間の通電を停
止させてパイロットアークを停止させることで、メイン
アークによって被加工材に目的の加工を行なうように構
成したものである。

【００１７】特に、ノズルＡを構成するインナーノズル
２とアウターノズル３は絶縁材４を介して一体化してお
り、これにより、プラズマトーチＢの先端部分に配置さ
れたアウターノズル３が被加工材や周辺機器に接触した
場合であっても漏電の発生を防止して電気的なトラブル
の発生を防止し得るように構成されている。

【００１８】また上記プラズマトーチＢは、プラズマガ
スとして酸素ガスを用い、この酸素ガスを電極１の周囲
に供給してプラズマ化することで、被加工材を切断する
プラズマ切断トーチとして構成されている。

【００１９】電極１は銅或いは銅合金によって形成され
た電極材ホルダーの略中心にハフニウム或いはジルコニ
ウムからなる電極材１ａを埋設して構成されており、導
電性を持った電極台５にネジ１ｂを介して着脱可能に装
着されている。この電極台５は導電性を有する筒状の部
材として形成され、プラズマトーチＡの本体６に固着さ
れている。また電極台５の内部には冷却水を供給する冷
却管７が設けられており、該冷却管７から供給された冷
却水は電極１の裏面１ｃと接触して該電極１を冷却し、
その後、冷却管６と電極台５の間に形成された通路８を
通ってインナーノズル２を冷却する通路８に導かれ、そ
の後、プラズマトーチＢの外部に排出される。

【００２０】電極１の外周には絶縁性を有するセンタリ
ングストーン９が配置され、電極台５の外周にも絶縁性
を有する絶縁材10が配置され、該絶縁材10は本体６に装
着されている。前記電極台５と絶縁材10との間にプラズ
マガスを流通させる流通路11が形成され、該流通路11を
流通したプラズマガスがセンタリングストーン９に形成
された孔９ａからプラズマ室14に供給される。

【００２１】センタリングストーン９の先端に銅或いは
銅合金によって形成されたインナーノズル２が配置さ
れ、該センタリングストーン９がインナーノズル２の内
部に嵌入して両者が当接している。またインナーノズル
２はカップ状の取付部材12に嵌合しており、該取付部材
12をノズル台13の外周部に形成したネジ部13ａに螺合す
ることで、インナーノズル２をノズル台13の先端部に形
成した窪み13ｂに嵌入させて装着し得るように構成され
ている。また取付部材12によるインナーノズル２のノズ
ル台13への装着に伴って、インナーノズル２に当接させ
たセンタリングストーン９を電極１とノズル台13の間に
装着することが可能である。

【００２２】そしてインナーノズル２，取付部材12をノ
ズル台13に取り付けることで、これらの部材によって冷
却水の通路８が構成される。また電極１とインナーノズ
ル２及びセンタリングストーン９とによってプラズマ室
14が構成される。

【００２３】インナーノズル２の外周に設けた絶縁材４
を介してアウターノズル３が設けられており、該アウタ
ーノズル３はキャップ15によって本体６に取り付けられ
ている。そしてインナーノズル２とアウターノズル３と
によって二次気流室16が形成され、該二次気流室16に酸
素ガスを含む予め設定されたガスが供給され、プラズマ
アークに沿わせてアウターノズル３の孔３ａから外部に
向けて噴射される。

【００２４】上記の如く構成されたプラズマトーチＢで
は、プラズマ室14に酸素ガスを供給すると共に電極１と
インナーノズル２との間で放電させることで、供給され
た酸素ガスによってパイロットアークを形成することが
可能である。形成されたパイロットアークは、インナー
ノズル２の孔２ａ，アウターノズル３の孔３ａを通過し
て外部に吹き出されて図示しない被加工材と接触する。
このとき、電極１と被加工材との間に電圧を印加して放
電させると両者の間にプラズマアークが形成され、同時
に電極１とインナーノズル２との間の通電を停止させる
ことでパイロットアークを停止させ、これにより、電極
１と被加工材との間に形成されたプラズマアークを維持
する。

【００２５】プラズマアークの形成に伴って、二次気流
室16に酸素ガス或いは他のガスを供給して夫々アウター
ノズル３の孔３ａから噴射させることで、プラズマアー
クに沿わせて二次気流を噴射することが可能である。そ
して、被加工材に向けてプラズマアーク及び二次気流を
噴射しつつ、プラズマトーチＢを予め設定された方向に
移動させると、この移動過程で、プラズマアークが被加
工材を酸化させると共に溶融させ、同時に酸化物，溶融
物を被加工材から排除して連続的な溝を形成して該被加
工材を切断することが可能である。

【００２６】次に、ノズルＡの構成について図１〜図４
により具体的に説明する。本実施例では、受入部21はア
ウターノズル３の嵌合部３ｃに形成されており、インナ
ーノズル２には受入部は形成されていない。前述したよ
うに、受入部はインナーノズル，アウターノズルの両方
或いは何れか一方に形成すれば良く、従って、本実施例
であっても、充分安定した絶縁性能を発揮することが可
能である。またインナーノズル２と絶縁材４、絶縁材４
とアウターノズル３は夫々圧入されており、この圧入に
よってノズルＡとして一体化されている。

【００２７】インナーノズル２は、先端にパイロットア
ーク及びメインアークを通過させる孔２ａが形成されて
おり、この孔２ａを含む突起部分がテーパ部２ｂと筒部
２ｃとによって構成されている。これらのテーパ部２ｂ
と筒部２ｃは、後述するアウターノズル３のテーパ状内
周面３ｄとによって二次気流室16を形成する。また２ｄ
は、ノズルＡをプラズマトーチＢに取り付けたとき取付
部材12と接触してシールするＯリング17ａを装着するた
めの溝である。

【００２８】上記筒部２ｃは絶縁材４を装着する機能を
有するものであり、絶縁材４との接触部位を構成するも
のである。本実施例では、筒部２ｃには受入部は形成さ
れていない。

【００２９】アウターノズル３は、先端にパイロットア
ーク，メインアーク及び二次気流を通過させる孔３ａが
形成されており、基部３ｂの内周面に絶縁材４を嵌合す
る嵌合部３ｃが形成されている。また嵌合部３ｃに連続
してテーパ状内周面３ｄが形成され、該テーパ状内周面
３ｄと嵌合部３ｃの間に二次気流を供給する供給孔３ｅ
が形成されている。尚、２ｆは、ノズルＡをプラズマト
ーチＢに取り付けたとき取付部材キャップ15と接触して
シールするＯリング17ｂを装着するための溝である。

【００３０】上記嵌合部３ｃは絶縁材４を嵌合する機能
を有するものであり、絶縁材４との接触部位を構成する
ものである。嵌合部３ｃには受入部21が形成されてい
る。この受入部21は、ノズルＡの温度が上昇したときに
発生する絶縁材４の膨張部分を受け入れる機能を有する
ものであり、この機能を発揮し得る形状であれば良い。

【００３１】本実施例では、嵌合部３ｃの全周にわたっ
て６０度の開き角度を持ち且つ深さが0.2mm〜0.5mmのＶ
字状の溝を形成し、この溝によって受入部21を構成して
いる。前記の如き受入部21をアウターノズル３の嵌合部
３ｃにのみ形成した場合であっても、プラズマトーチＢ
の作動に伴って発生する絶縁材４の熱膨張を受け入れて
該絶縁材４に余計な熱応力の発生を防止することが可能
である。

【００３２】絶縁材４はポリイミド系の合成樹脂材料に
よって形成されると共に、フランジ４ａとボス４ｂとか
らなり、ボス４ｂの内周面がインナーノズル２の筒部２
ｃに嵌合されると共に外周面がアウターノズル３の嵌合
部３ｃに嵌合される。特に、インナーノズル２と絶縁材
４、絶縁材４とアウターノズル３は夫々互いに圧入する
ことで強固に一体化されている。このため、夫々の接触
部位の寸法は部材の材料に応じて所定の圧入代を持って
形成されている。

【００３３】上記の如く構成されたノズルＡでは、パイ
ロットアークを形成する際には電極１とインナーノズル
２との間で放電することが可能であり、このとき、アウ
ターノズル３は絶縁材４によって絶縁されるため、アウ
ターノズル３が被加工材に接触したような場合であって
も漏電することがなく、安全を確保することが可能であ
る。

【００３４】パイロットアークからメインアークに移行
して目的の加工（切断）が進行するのに伴って伴ってノ
ズルＡの温度が上昇したとき、絶縁材４の膨張部分がア
ウターノズル３の嵌合部３ｃに形成された受入部21に入
り込むことで、絶縁材４に発生する熱応力は小さいもの
となる。このため、プラズマトーチＢの作動，非作動に
応じて発生する繰り返し応力の値が小さくなり、疲労の
度合いが向上して長期間安定した絶縁性能を維持するこ
とが可能となる。

【００３５】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明に係る
プラズマトーチのノズルでは、インナーノズルと絶縁材
との接触部位及び、又はアウターノズルと絶縁材との接
部位に絶縁材の熱膨張部分を受け入れる受入部を設ける
ことによって、熱膨張率の違いによって生じる絶縁材の
膨張部分を受入部に受け入れることが出来る。このた
め、絶縁材に発生する熱応力を可及的に低減すると共に
繰り返し応力の値を小さくすることが可能となり、長期
間安定した絶縁性能を維持することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】ノズルの構成を説明する組立図である。

【図２】インナーノズルの構成を説明する一部断面図で
ある。

【図３】絶縁材の構成を説明する一部断面図である。

【図４】アウターノズルの構成を説明する一部断面図で
ある。

【図５】プラズマトーチの要部の構成を説明する断面図
である。

【符号の説明】

Ａ ノズル Ｂ プラズマトーチ １ 電極 １ａ 電極材 １ｂ ネジ １ｃ 裏面 ２ ノズル部材 ２ａ，３ａ 孔 ２ｂ テーパ部 ２ｃ 筒部 ２ｄ，３ｆ 溝 ３ 第２ノズル部材 ３ｂ 基部 ３ｃ 嵌合部 ３ｄ テーパ状内周面 ３ｅ 供給孔 ４ 絶縁材 ４ａ フランジ ４ｂ ボス ５ 電極台 ６ 本体 ７ 冷却管 ８ 通路 ９ センタリングストーン ９ａ 孔 10 絶縁部材 11 通路 12 取付部材 13 ノズル台 13ａ ネジ 13ｂ 窪み 13ｃ 突き当て部 14 プラズマ室 15 キャップ 16 二次気流室 17ａ，17ｂ Ｏリング 21 受入部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉崎 法嗣 群馬県伊勢崎市長沼町 222番地１ 株式 会社群馬コイケ内 (72)発明者 水野 成司 群馬県伊勢崎市長沼町 222番地１ 株式 会社群馬コイケ内 Ｆターム(参考） 4E001 LD14 LE10 LH08 ME04

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インナーノズルとアウターノズルと前記
   インナーノズルとアウターノズルの間に配置された絶縁
   部材とからなりプラズマトーチに取り付けた電極との間
   で放電してパイロットアークを形成すると共に形成した
   パイロットアークを外部に噴射するプラズマトーチ用の
   ノズルであって、銅又は銅合金からなるインナーノズル
   及びアウターノズルと合成樹脂からなる絶縁部材を用
   い、インナーノズルに於ける絶縁部材との接触部位及
   び、又はアウターノズルに於ける絶縁部材との接触部位
   に前記絶縁部材の膨張を受け入れる受入部を形成したこ
   とを特徴とするプラズマトーチ用のノズル。