JP2002331366A - プラズマアークトーチの電極及びその製造方法 - Google Patents
プラズマアークトーチの電極及びその製造方法Info
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- H05H1/24—Generating plasma
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- H05H1/32—Plasma torches using an arc
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- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 電子放出要素を形成するのに粉末材料を使用
する利点を確保しながら、電極の熱伝導率を更に向上さ
せると共に、電子放出要素とホルダとの間に強い結合を
維持する電極およびその製造方法を提供する。 【解決手段】 電極１４は、前端２０にキャビティ２４
を画成している銅製ホルダ１６を備えている。電子放出
要素２８およびセパレータ３２のアセンブリはこのキャ
ビティ２４内に配置される。電子放出要素は少なくとも
二種の材料の粉末から形成されており、セパレータ３２
は、電子放出要素を形成する材料の一つと実質的に同等
の材料を含んでいる。電子放出要素が加熱され、そして
電子放出要素内部からセパレータ３２へと延びる複数の
熱伝導路が形成され、これが電極の熱伝導率を良くす
る。
する利点を確保しながら、電極の熱伝導率を更に向上さ
せると共に、電子放出要素とホルダとの間に強い結合を
維持する電極およびその製造方法を提供する。 【解決手段】 電極１４は、前端２０にキャビティ２４
を画成している銅製ホルダ１６を備えている。電子放出
要素２８およびセパレータ３２のアセンブリはこのキャ
ビティ２４内に配置される。電子放出要素は少なくとも
二種の材料の粉末から形成されており、セパレータ３２
は、電子放出要素を形成する材料の一つと実質的に同等
の材料を含んでいる。電子放出要素が加熱され、そして
電子放出要素内部からセパレータ３２へと延びる複数の
熱伝導路が形成され、これが電極の熱伝導率を良くす
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマアークト
ーチに関し、特に、プラズマアークトーチにおいて電気
アークを持続させるための電極およびその製造方法に関
するものである。
ーチに関し、特に、プラズマアークトーチにおいて電気
アークを持続させるための電極およびその製造方法に関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】プラズマアークトーチは、切断、溶接、
表面処理、溶融および焼鈍しを含む金属の諸加工のため
に普通に使用されている。このようなトーチは電極を含
んでおり、該電極は、移行式アーク動作モードで母材へ
と延びる電気アークを持続させる。この電気アークをガ
スの渦流で囲むことも通常のことであり、また、あるト
ーチ構造においては、ガスと電気アークを渦巻き状のジ
ェット水流で囲むことも従来から行われている。
表面処理、溶融および焼鈍しを含む金属の諸加工のため
に普通に使用されている。このようなトーチは電極を含
んでおり、該電極は、移行式アーク動作モードで母材へ
と延びる電気アークを持続させる。この電気アークをガ
スの渦流で囲むことも通常のことであり、また、あるト
ーチ構造においては、ガスと電気アークを渦巻き状のジ
ェット水流で囲むことも従来から行われている。
【０００３】上述した形式のトーチに使用される電極
は、銅または銅合金のような熱伝導率の高い材料からな
る管状の金属部材を有するのが一般的である。この管状
部材の前端もしくは放電端は、電気アークを持続させる
電子放出(emissive)インサートが埋設された底端壁部を
含んでいる。このインサートは、当該技術において電位
ステップ(potential step)と定義される電子ボルト(ev)
で測定される比較的に低い仕事関数（電子がポテンシャ
ル障壁を超えるために必要とする最小エネルギー）を有
する材料で構成されており、この電位ステップが所定温
度で金属の熱電子放出を可能にする。従って、放出イン
サートは、その低い仕事関数のために、電位が印加され
るときに容易に電子を放出することができる。通常使用
される電子放出材料には、ハフニウム、ジルコニウム、
タングステンおよびそれらの合金が含まれる。
は、銅または銅合金のような熱伝導率の高い材料からな
る管状の金属部材を有するのが一般的である。この管状
部材の前端もしくは放電端は、電気アークを持続させる
電子放出(emissive)インサートが埋設された底端壁部を
含んでいる。このインサートは、当該技術において電位
ステップ(potential step)と定義される電子ボルト(ev)
で測定される比較的に低い仕事関数（電子がポテンシャ
ル障壁を超えるために必要とする最小エネルギー）を有
する材料で構成されており、この電位ステップが所定温
度で金属の熱電子放出を可能にする。従って、放出イン
サートは、その低い仕事関数のために、電位が印加され
るときに容易に電子を放出することができる。通常使用
される電子放出材料には、ハフニウム、ジルコニウム、
タングステンおよびそれらの合金が含まれる。
【０００４】上述した形式のプラズマアークトーチに関
連した問題は、特に該トーチが酸素または空気のような
酸化ガスと共に使用されるときに、電極の使用寿命が短
いことにある。具体的には、放出インサートはトーチの
使用中に腐蝕するので、放出インサートと金属性のホル
ダとの間にキャビティもしくは穴が形成される。このキ
ャビティが十分に大きくなると、アークは、放出インサ
ートからホルダへ「ジャンプする(jump)」或いは伝わ
る。アークが金属性のホルダへジャンプするのを防止す
るか、あるいは少なくとも邪魔するために、放出インサ
ートと金属性ホルダとの間に、電位が印加されても比較
的電子を放出しない非電子放出性のセパレータが配置さ
れた電極もある。このセパレータは、米国特許第５,０
２３,４２５号明細書に開示されている。
連した問題は、特に該トーチが酸素または空気のような
酸化ガスと共に使用されるときに、電極の使用寿命が短
いことにある。具体的には、放出インサートはトーチの
使用中に腐蝕するので、放出インサートと金属性のホル
ダとの間にキャビティもしくは穴が形成される。このキ
ャビティが十分に大きくなると、アークは、放出インサ
ートからホルダへ「ジャンプする(jump)」或いは伝わ
る。アークが金属性のホルダへジャンプするのを防止す
るか、あるいは少なくとも邪魔するために、放出インサ
ートと金属性ホルダとの間に、電位が印加されても比較
的電子を放出しない非電子放出性のセパレータが配置さ
れた電極もある。このセパレータは、米国特許第５,０
２３,４２５号明細書に開示されている。
【０００５】米国特許第３,１９８,９３２号明細書は、
プラズマアークトーチにおいて使用するための電極を開
示しており、電極の寿命、従ってトーチの特性を向上さ
せることを試みている。この点について、米国特許第
３,１９８,９３２号明細書は、ジルコニウム、ランタ
ン、トリウムまたはストロンチウムのような粉末材料か
ら形成された放出インサートを有する電極を開示してい
る。また、銀粉末を該粉末材料に加えることにより、実
質的に仕事関数を増やさずに放出インサートからの熱伝
達を改善することができる。放出インサートは、一般的
には銅で形成されるが銀から形成することもできるホル
ダに挿入される。
プラズマアークトーチにおいて使用するための電極を開
示しており、電極の寿命、従ってトーチの特性を向上さ
せることを試みている。この点について、米国特許第
３,１９８,９３２号明細書は、ジルコニウム、ランタ
ン、トリウムまたはストロンチウムのような粉末材料か
ら形成された放出インサートを有する電極を開示してい
る。また、銀粉末を該粉末材料に加えることにより、実
質的に仕事関数を増やさずに放出インサートからの熱伝
達を改善することができる。放出インサートは、一般的
には銅で形成されるが銀から形成することもできるホル
ダに挿入される。
【０００６】米国特許第３,１９８,９３２号明細書に記
載されたような従来のトーチを形成するのに用いられる
別の方法では、ろう付けにより放出インサートをホルダ
内に固定している。この方法によると、一般的には銀合
金であるろう付け材料の温度は、放出インサートを銅製
のホルダにろう付けするため、銀合金の溶融点まで上昇
される。しかし、ろう付けは、付加的な製造工程を必要
とすると共に、完成電極に高価な材料を添加することを
含んでいる。
載されたような従来のトーチを形成するのに用いられる
別の方法では、ろう付けにより放出インサートをホルダ
内に固定している。この方法によると、一般的には銀合
金であるろう付け材料の温度は、放出インサートを銅製
のホルダにろう付けするため、銀合金の溶融点まで上昇
される。しかし、ろう付けは、付加的な製造工程を必要
とすると共に、完成電極に高価な材料を添加することを
含んでいる。
【０００７】従って、プラズマアークトーチ電極の電子
放出要素を形成するのに粉末材料を使用することによる
上記利点を確保しておくことが望ましい。また、ろう付
け工程を用いずに電極の熱伝導率を更に向上させること
も望ましい。更に、電子放出要素とホルダとの間に強い
結合もしくは接着層を維持することが望ましい。
放出要素を形成するのに粉末材料を使用することによる
上記利点を確保しておくことが望ましい。また、ろう付
け工程を用いずに電極の熱伝導率を更に向上させること
も望ましい。更に、電子放出要素とホルダとの間に強い
結合もしくは接着層を維持することが望ましい。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、従来の電極お
よびその製造方法、特に、米国特許第３,１９８,９３２
号明細書に開示された電極およびその製造方法を改良す
るためになされた。上述した電極についての問題、即
ち、粉末金属の電子放出要素を有する電極の熱伝導率お
よび導電率を向上させることは、放出要素の内部から、
放出要素と金属性ホルダとの間に配置されたセパレータ
へ延びる熱伝導路を有する電極を設けることによって克
服できることが分かった。
よびその製造方法、特に、米国特許第３,１９８,９３２
号明細書に開示された電極およびその製造方法を改良す
るためになされた。上述した電極についての問題、即
ち、粉末金属の電子放出要素を有する電極の熱伝導率お
よび導電率を向上させることは、放出要素の内部から、
放出要素と金属性ホルダとの間に配置されたセパレータ
へ延びる熱伝導路を有する電極を設けることによって克
服できることが分かった。
【０００９】これは、少なくとも二種の材料の粉末を含
む放出要素を設けること、および一実施形態によると、
この放出要素を形成している材料の一つと実質的に同等
の材料から形成されるセパレータを設けることにより達
成される。放出要素およびセパレータのアセンブリは、
例えば銅製ホルダである金属ホルダに挿入され、そして
熱伝導路が放出要素の内部に形成されてセパレータへと
延びるような温度まで加熱される。加熱プロセスの後、
放出要素の材料は異なる相を有しており、そして第２の
材料の相の少なくとも一部は、電子放出要素内からセパ
レータへの熱および電気伝導路を形成するよう放出要素
内に配置されている。熱伝導路は、放出要素およびセパ
レータの双方に共通の材料で形成するのが有利である
が、二種またはそれ以上の材料から形成することができ
る。一実施例において、放出要素は銀およびハフニウム
の粉末を含み、セパレータは銀を含み、熱伝導路は銀で
形成されている。また、電極の電子放出性を更に向上す
るために、酸化ランタンのようなドーパントを添加する
ことが可能である。熱伝導路は、アークにより発生され
た熱を放出要素からセパレータへと、熱伝導路のない電
極よりも大きな比率で伝えることによって電極の特性を
向上させている。
む放出要素を設けること、および一実施形態によると、
この放出要素を形成している材料の一つと実質的に同等
の材料から形成されるセパレータを設けることにより達
成される。放出要素およびセパレータのアセンブリは、
例えば銅製ホルダである金属ホルダに挿入され、そして
熱伝導路が放出要素の内部に形成されてセパレータへと
延びるような温度まで加熱される。加熱プロセスの後、
放出要素の材料は異なる相を有しており、そして第２の
材料の相の少なくとも一部は、電子放出要素内からセパ
レータへの熱および電気伝導路を形成するよう放出要素
内に配置されている。熱伝導路は、放出要素およびセパ
レータの双方に共通の材料で形成するのが有利である
が、二種またはそれ以上の材料から形成することができ
る。一実施例において、放出要素は銀およびハフニウム
の粉末を含み、セパレータは銀を含み、熱伝導路は銀で
形成されている。また、電極の電子放出性を更に向上す
るために、酸化ランタンのようなドーパントを添加する
ことが可能である。熱伝導路は、アークにより発生され
た熱を放出要素からセパレータへと、熱伝導路のない電
極よりも大きな比率で伝えることによって電極の特性を
向上させている。
【００１０】本発明により電極を形成する方法も提供さ
れている。この好適な実施例において、少なくとも二つ
の異種材料から選択された粉末は互いに混合されるが、
少なくともこれらの材料のうち一種は電子放出性であ
る。この混合物は、銀のように、電位を印加しても電子
を比較的放出しない非電子放出性を有する電気的および
熱的伝導材料で形成されたセパレータの開口内に挿入さ
れる。具体的には、この混合物は、セパレータにより画
成された開口中に理論密度の６０％以上、好ましくは理
論密度の約８０％ないし９０％になるよう押し込まれる
（理論密度の１００％とは内部にボイドのない中実材料
と定義される）。
れている。この好適な実施例において、少なくとも二つ
の異種材料から選択された粉末は互いに混合されるが、
少なくともこれらの材料のうち一種は電子放出性であ
る。この混合物は、銀のように、電位を印加しても電子
を比較的放出しない非電子放出性を有する電気的および
熱的伝導材料で形成されたセパレータの開口内に挿入さ
れる。具体的には、この混合物は、セパレータにより画
成された開口中に理論密度の６０％以上、好ましくは理
論密度の約８０％ないし９０％になるよう押し込まれる
（理論密度の１００％とは内部にボイドのない中実材料
と定義される）。
【００１１】混合物とセパレータとの組合せは、加熱さ
れてセパレータに結合された単一電子放出要素を画成す
る。特に、混合物が加熱されると拡散接合というタイプ
の結合が放出要素とセパレータとの間に起こる。この拡
散接合により、放出要素とセパレータとの間に熱伝導路
が形成される。例えば第１の粉末材料がハフニウム、第
２の材料が銀の場合、拡散接合により熱伝導路を形成す
るために混合物を約７６０℃（１４００#Ｆ)の温度まで
加熱すれば十分である。
れてセパレータに結合された単一電子放出要素を画成す
る。特に、混合物が加熱されると拡散接合というタイプ
の結合が放出要素とセパレータとの間に起こる。この拡
散接合により、放出要素とセパレータとの間に熱伝導路
が形成される。例えば第１の粉末材料がハフニウム、第
２の材料が銀の場合、拡散接合により熱伝導路を形成す
るために混合物を約７６０℃（１４００#Ｆ)の温度まで
加熱すれば十分である。
【００１２】従って、本発明は、従来のプラズマアーク
トーチの電極よりも優れた熱伝達特性を有する電極およ
びその製造方法を提供する。粉末材料を加熱して放出要
素とセパレータとの間に熱伝導路を形成することによっ
て、放出要素およびセパレータは、該放出要素とセパレ
ータとの間の熱伝導率を向上させながら両者の間に比較
的強い結合を形成する。その上、放出要素内に存在する
粉末材料の一つと実質的に同等の材料で形成されたセパ
レータを使用することによって、金属性のホルダ全体が
同一材料で形成されている場合と比較して、電極のコス
トが低減される。
トーチの電極よりも優れた熱伝達特性を有する電極およ
びその製造方法を提供する。粉末材料を加熱して放出要
素とセパレータとの間に熱伝導路を形成することによっ
て、放出要素およびセパレータは、該放出要素とセパレ
ータとの間の熱伝導率を向上させながら両者の間に比較
的強い結合を形成する。その上、放出要素内に存在する
粉末材料の一つと実質的に同等の材料で形成されたセパ
レータを使用することによって、金属性のホルダ全体が
同一材料で形成されている場合と比較して、電極のコス
トが低減される。
【００１３】
【発明の実施の形態】一般的な用語で本発明を説明して
きたが、次に、添付図面を参照して本発明を説明する。
きたが、次に、添付図面を参照して本発明を説明する。
【００１４】本発明の好適な実施形態が示されている添
付図面を参照して、本発明を以下に更に十分に説明す
る。しかし、本発明は、異なる形態でも実施可能であ
り、ここに記載された実施形態に限定されず、むしろ、
これらの実施形態は、この開示を徹底し且つ完全にする
ように提案されていて、本発明の範囲を当業者に十分に
知らせるものである。以下に使用する符号は、全体を通
して同一要素を指している。
付図面を参照して、本発明を以下に更に十分に説明す
る。しかし、本発明は、異なる形態でも実施可能であ
り、ここに記載された実施形態に限定されず、むしろ、
これらの実施形態は、この開示を徹底し且つ完全にする
ように提案されていて、本発明の範囲を当業者に十分に
知らせるものである。以下に使用する符号は、全体を通
して同一要素を指している。
【００１５】図１ないし図３を参照すると、本発明の特
徴を具現するプラズマアークトーチ１０が記載されてい
る。このプラズマアークトーチ１０は、ノズルアセンブ
リ１２と管状電極１４とを含んでいる。電極１４は、銅
か銅合金で製作するのが好ましく、そして上側の管状部
材１５と下側のコップ状部材即ちホルダ１６とで構成さ
れている。上側の管状部材１５は、細長くて開口してい
る管状構造であり、プラズマアークトーチ１０の長手方
向軸線を画成している。管状部材１５は、内部にねじを
形成してある下端部分１７を含んでいる。また、ホルダ
１６も管状構造であって、下側の前端と上側の後端とを
含んでいる。横方向の端壁１８がホルダ１６の前端を閉
じていて、この横方向の端壁１８により外側前面２０が
画成されている。ホルダ１６における後端の外部には、
ねじが形成されていて、このねじで管状部材１５の下端
部分１７に螺合している。
徴を具現するプラズマアークトーチ１０が記載されてい
る。このプラズマアークトーチ１０は、ノズルアセンブ
リ１２と管状電極１４とを含んでいる。電極１４は、銅
か銅合金で製作するのが好ましく、そして上側の管状部
材１５と下側のコップ状部材即ちホルダ１６とで構成さ
れている。上側の管状部材１５は、細長くて開口してい
る管状構造であり、プラズマアークトーチ１０の長手方
向軸線を画成している。管状部材１５は、内部にねじを
形成してある下端部分１７を含んでいる。また、ホルダ
１６も管状構造であって、下側の前端と上側の後端とを
含んでいる。横方向の端壁１８がホルダ１６の前端を閉
じていて、この横方向の端壁１８により外側前面２０が
画成されている。ホルダ１６における後端の外部には、
ねじが形成されていて、このねじで管状部材１５の下端
部分１７に螺合している。
【００１６】図３に示すように、ホルダ１６は、その後
端１９が開口していてコップ状の構造であり、その内部
にキャビティ２２を画成している。内部キャビティ２２
は、長手方向軸線に沿って延びて同キャビティ内に入る
円筒形柱状部２３を含む表面３１を有している。端壁１
８の前面２０には、ほぼ円筒形のキャビティ２４が形成
されており、該キャビティ２４は、長手方向軸線に沿っ
て後方（同図における上方）に延びており、ホルダ１６
の部分に入り込んでいる。該キャビティ２４は内側面２
７を有している。
端１９が開口していてコップ状の構造であり、その内部
にキャビティ２２を画成している。内部キャビティ２２
は、長手方向軸線に沿って延びて同キャビティ内に入る
円筒形柱状部２３を含む表面３１を有している。端壁１
８の前面２０には、ほぼ円筒形のキャビティ２４が形成
されており、該キャビティ２４は、長手方向軸線に沿っ
て後方（同図における上方）に延びており、ホルダ１６
の部分に入り込んでいる。該キャビティ２４は内側面２
７を有している。
【００１７】相対的に非電子放出性のセパレータ３２
は、長手方向軸線に沿って同軸状に配置され、キャビテ
ィ２４内に位置付けられている。このセパレータ３２
は、キャビティ２４の実質的に全長にわたり延びる外周
壁３３を有している。外周壁３３は、セパレータ３２の
全長にわたり実質的に一定の外径を有するように図示さ
れているが、切頭円錐形のようなその他の外形構造も本
発明の範囲に属する。また、セパレータ３２は、表面３
７を有する内部キャビティ３５も画成している。このセ
パレータ３２は、ホルダ１６の前面２０とほぼ面一の外
端面３６を含んでいる。
は、長手方向軸線に沿って同軸状に配置され、キャビテ
ィ２４内に位置付けられている。このセパレータ３２
は、キャビティ２４の実質的に全長にわたり延びる外周
壁３３を有している。外周壁３３は、セパレータ３２の
全長にわたり実質的に一定の外径を有するように図示さ
れているが、切頭円錐形のようなその他の外形構造も本
発明の範囲に属する。また、セパレータ３２は、表面３
７を有する内部キャビティ３５も画成している。このセ
パレータ３２は、ホルダ１６の前面２０とほぼ面一の外
端面３６を含んでいる。
【００１８】電子放出要素ないしはインサート２８は、
セパレータ３２内に位置付けられて、長手方向軸線に沿
って同軸状に配置されている。具体的には、電子放出要
素２８は、セパレータ３２および電子放出要素２８の加
熱により行われる拡散接合と組み合わせて、しまりばめ
或いはプレスばめによりセパレータ３２に固定されてい
る。この電子放出要素２８は、ホルダ１６の前面２０お
よびセパレータ３２の外端面３６により規定される平面
に位置する円形の外端面２９を有している。また、放出
要素２８は、セパレータ３２により画成されたキャビテ
ィ３５内に配置されると共に外端面２９の反対側にある
ほぼ円形の内端面３０も有している。しかし、この内端
面３０は、セパレータ３２への放出要素の固定を支援す
るために、尖頭形、多角形または球形のようなその他の
形状を有することができる。また、放出要素２８の直径
は、セパレータ３２の外端面３６の外径の約３０％ない
し８０％であり、このセパレータ３２は、外端面３６の
ところで、かつその全長に沿って、少なくとも約０．２
５ｍｍ(０.０１インチ)の半径方向厚さを有している。
特別な例としては、放出要素２８が約２.０３ｍｍ（０.
０８インチ）の直径および約６.３５ｍｍ（０.２５イン
チ）の長さを有し、セパレータ３２が約６.３５ｍｍ
（０.２５インチ）の外径を有するのが典型的である。
セパレータ３２内に位置付けられて、長手方向軸線に沿
って同軸状に配置されている。具体的には、電子放出要
素２８は、セパレータ３２および電子放出要素２８の加
熱により行われる拡散接合と組み合わせて、しまりばめ
或いはプレスばめによりセパレータ３２に固定されてい
る。この電子放出要素２８は、ホルダ１６の前面２０お
よびセパレータ３２の外端面３６により規定される平面
に位置する円形の外端面２９を有している。また、放出
要素２８は、セパレータ３２により画成されたキャビテ
ィ３５内に配置されると共に外端面２９の反対側にある
ほぼ円形の内端面３０も有している。しかし、この内端
面３０は、セパレータ３２への放出要素の固定を支援す
るために、尖頭形、多角形または球形のようなその他の
形状を有することができる。また、放出要素２８の直径
は、セパレータ３２の外端面３６の外径の約３０％ない
し８０％であり、このセパレータ３２は、外端面３６の
ところで、かつその全長に沿って、少なくとも約０．２
５ｍｍ(０.０１インチ)の半径方向厚さを有している。
特別な例としては、放出要素２８が約２.０３ｍｍ（０.
０８インチ）の直径および約６.３５ｍｍ（０.２５イン
チ）の長さを有し、セパレータ３２が約６.３５ｍｍ
（０.２５インチ）の外径を有するのが典型的である。
【００１９】放出要素２８は、少なくとも２種の材料の
粉末から形成されており、その１つは良好なエミッター
として知られている。このような材料の適当な例は、ハ
フニウム、ジルコニウム、タングステンおよびそれらの
混合物である。放出要素２８を形成する材料の１つは、
同放出要素２８を形成する他の材料と比較して、相対的
に大きな熱伝導率を有していなければならず、また、相
対的に大きな導電率を有していることが好ましい。以下
に詳しく説明するように、この材料は、セパレータ３２
を形成する材料と実質的に同等であることが好ましい。
粉末から形成されており、その１つは良好なエミッター
として知られている。このような材料の適当な例は、ハ
フニウム、ジルコニウム、タングステンおよびそれらの
混合物である。放出要素２８を形成する材料の１つは、
同放出要素２８を形成する他の材料と比較して、相対的
に大きな熱伝導率を有していなければならず、また、相
対的に大きな導電率を有していることが好ましい。以下
に詳しく説明するように、この材料は、セパレータ３２
を形成する材料と実質的に同等であることが好ましい。
【００２０】放出要素２８中には、他の材料、特に、プ
ラズマアークトーチの作動中に電極の電子放出率(emiss
ivity)を高くする材料が存在していてもよい。ドーパン
トとして知られているこれらの電子放出強化材料は、例
えば、放出要素２８の全重量組成の０.１％ないし１０.
０％のような少量を添加することができる。現在好適な
ドーパントは、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化イッ
トリウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化
バリウムおよびそれらの混合物である。同様の利点を得
るためにその他のドーパントも使用できるが、上述した
酸化物が比較的に高い融解温度および／または他の有益
な特性を有することが知られている。
ラズマアークトーチの作動中に電極の電子放出率(emiss
ivity)を高くする材料が存在していてもよい。ドーパン
トとして知られているこれらの電子放出強化材料は、例
えば、放出要素２８の全重量組成の０.１％ないし１０.
０％のような少量を添加することができる。現在好適な
ドーパントは、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化イッ
トリウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化
バリウムおよびそれらの混合物である。同様の利点を得
るためにその他のドーパントも使用できるが、上述した
酸化物が比較的に高い融解温度および／または他の有益
な特性を有することが知られている。
【００２１】セパレータ３２は、ホルダ１６および放出
要素２８と比較してアークを容易に持続させることが少
ない金属材料から構成されている。好適な実施例におい
て、セパレータ３２は、主材料として銀で形成されてい
るが、金、プラチナ、アルミニウム、ロジウム、イリジ
ウム、パラジウム、ニッケルおよびそれらの合金のよう
なその他の金属材料を使用してもよい。上述したよう
に、セパレータ３２を形成する材料の選択が、放出要素
２８を形成する粉末材料の一つと実質的に同等であるこ
とが好ましいが、このような選択は必ずしも必要ではな
い。
要素２８と比較してアークを容易に持続させることが少
ない金属材料から構成されている。好適な実施例におい
て、セパレータ３２は、主材料として銀で形成されてい
るが、金、プラチナ、アルミニウム、ロジウム、イリジ
ウム、パラジウム、ニッケルおよびそれらの合金のよう
なその他の金属材料を使用してもよい。上述したよう
に、セパレータ３２を形成する材料の選択が、放出要素
２８を形成する粉末材料の一つと実質的に同等であるこ
とが好ましいが、このような選択は必ずしも必要ではな
い。
【００２２】例えば、本発明の特定の一実施形態におい
て、セパレータ３２は、銅、アルミニウム、鉄、鉛、亜
鉛およびそれらの合金からなるグループから選択された
約０．２５％ないし１０％の付加材料を銀に混合して合
金とした銀合金材料から構成されている。付加材料は、
元素形態または酸化物形態でよく、従って、この明細書
において使用されている用語「銅」は、元素形態はもち
ろんのこと酸化物形態についても言及するものであり、
用語「アルミニウム」等も同様である。この例における
放出要素２８もまた、セパレータ３２を構成する銀と実
質的に同様の銀粉末を含んでいる。この用語「実質的に
同様」とは、材料の加熱により後述する熱伝導路９０
（図９）の形成に十分になり得る程度に同様であること
をいう。例えば、純銀およびスターリング銀は、本発明
によると実質的に同様と考えられる。これらの熱伝導路
９０は、実質的に同様の材料で形成されるのが好ましい
が、該熱伝導路は、放出要素２８およびセパレータ３２
について述べてきた諸材料の任意の組合せのような、二
種の異なる材料から形成することができる。
て、セパレータ３２は、銅、アルミニウム、鉄、鉛、亜
鉛およびそれらの合金からなるグループから選択された
約０．２５％ないし１０％の付加材料を銀に混合して合
金とした銀合金材料から構成されている。付加材料は、
元素形態または酸化物形態でよく、従って、この明細書
において使用されている用語「銅」は、元素形態はもち
ろんのこと酸化物形態についても言及するものであり、
用語「アルミニウム」等も同様である。この例における
放出要素２８もまた、セパレータ３２を構成する銀と実
質的に同様の銀粉末を含んでいる。この用語「実質的に
同様」とは、材料の加熱により後述する熱伝導路９０
（図９）の形成に十分になり得る程度に同様であること
をいう。例えば、純銀およびスターリング銀は、本発明
によると実質的に同様と考えられる。これらの熱伝導路
９０は、実質的に同様の材料で形成されるのが好ましい
が、該熱伝導路は、放出要素２８およびセパレータ３２
について述べてきた諸材料の任意の組合せのような、二
種の異なる材料から形成することができる。
【００２３】再び図１を参照すると、電極１４は、ガス
通路４０および液体通路４２を含むプラズマトーチ本体
３８内に設けられている。このプラズマトーチ本体３８
は、外側にある絶縁ハウジング部材４４により囲まれて
いる。水のような液冷却媒体を電極１４に通して循環さ
せるため、電極１４の中央孔部４８内に管４６が懸架さ
れている。この管４６は、孔部４８の直径よりも小さな
外径を有しているので、管４６と孔部４８との間にはス
ペース４９が存在しており、水が、管４６の開口してい
る下端から排出される際にそのスペース４９内を流れる
ことが可能である。水源（図示せず）からの水は、管４
６を通り、内部キャビティ２２およびホルダ１６の内側
を流れ、スペース４９を通って戻り、トーチ本体３８に
ある開口５２に行き、排水ホース（図示せず）に向かっ
て流れる。液体通路４２は、噴射水をノズルアセンブリ
１２内に案内し、そこで噴射水は以下に更に説明するよ
うに、プラズマアークを囲むための渦流に変わる。ガス
通路４０は、適当なガス源（図示せず）からのガスを案
内し、このガスが、適当な耐高温材料のガスバッフル５
４を経て、複数の入口穴５８からガスプレナム室５６に
入る。複数の入口穴５８は、ガスを渦巻き式にプレナム
室５６に流入させるように配列されている。流入したガ
スは、ノズルアセンブリ１２の同軸状孔部６０、６２を
介してプレナム室５６から流出する。電極１４がガスバ
ッフル５４を保持している。耐高温プラスチック絶縁本
体部５５は、ノズルアセンブリ１２を電極１４から電気
的に絶縁する。
通路４０および液体通路４２を含むプラズマトーチ本体
３８内に設けられている。このプラズマトーチ本体３８
は、外側にある絶縁ハウジング部材４４により囲まれて
いる。水のような液冷却媒体を電極１４に通して循環さ
せるため、電極１４の中央孔部４８内に管４６が懸架さ
れている。この管４６は、孔部４８の直径よりも小さな
外径を有しているので、管４６と孔部４８との間にはス
ペース４９が存在しており、水が、管４６の開口してい
る下端から排出される際にそのスペース４９内を流れる
ことが可能である。水源（図示せず）からの水は、管４
６を通り、内部キャビティ２２およびホルダ１６の内側
を流れ、スペース４９を通って戻り、トーチ本体３８に
ある開口５２に行き、排水ホース（図示せず）に向かっ
て流れる。液体通路４２は、噴射水をノズルアセンブリ
１２内に案内し、そこで噴射水は以下に更に説明するよ
うに、プラズマアークを囲むための渦流に変わる。ガス
通路４０は、適当なガス源（図示せず）からのガスを案
内し、このガスが、適当な耐高温材料のガスバッフル５
４を経て、複数の入口穴５８からガスプレナム室５６に
入る。複数の入口穴５８は、ガスを渦巻き式にプレナム
室５６に流入させるように配列されている。流入したガ
スは、ノズルアセンブリ１２の同軸状孔部６０、６２を
介してプレナム室５６から流出する。電極１４がガスバ
ッフル５４を保持している。耐高温プラスチック絶縁本
体部５５は、ノズルアセンブリ１２を電極１４から電気
的に絶縁する。
【００２４】ノズルアセンブリ１２は、第１の孔部６０
を画成する上側ノズル部材６３と、第２の孔部６２を画
成する下側ノズル部材６４とを備えている。上側ノズル
部材６３は金属材料であることが好ましく、下側ノズル
部材６４は、金属またはセラミック材料であることが好
ましい。上側ノズル部材６３の孔部６０は、トーチの電
極１４の長手方向軸線と軸方向に整列している。下側ノ
ズル部材６４は、プラスチック製のスペーサ要素６５と
水旋回リング６６とにより上側ノズル部材６３から隔て
られている。上側ノズル部材６３と下側ノズル部材６４
との間に設けられるスペースは、水室６７を形成する。
を画成する上側ノズル部材６３と、第２の孔部６２を画
成する下側ノズル部材６４とを備えている。上側ノズル
部材６３は金属材料であることが好ましく、下側ノズル
部材６４は、金属またはセラミック材料であることが好
ましい。上側ノズル部材６３の孔部６０は、トーチの電
極１４の長手方向軸線と軸方向に整列している。下側ノ
ズル部材６４は、プラスチック製のスペーサ要素６５と
水旋回リング６６とにより上側ノズル部材６３から隔て
られている。上側ノズル部材６３と下側ノズル部材６４
との間に設けられるスペースは、水室６７を形成する。
【００２５】下側ノズル部材６４は円筒形の本体部７０
を備えており、該本体部７０は、そこを同軸状に通って
延びる孔部６２を有し、前端部もしくは下端部と後端部
もしくは上端部とを規定している。後端部には環状の装
着フランジ７１が配置されており、第２の孔部６２と同
軸である前端部の外面上には、切頭円錐面７２が形成さ
れている。環状の装着フランジ７１は、コップ状部材７
４の下端のところにある内向きフランジ７３により下方
から支持されている。コップ状部材７４は、ねじ部を外
側のハウジング部材４４に螺着することによって着脱自
在に装着されている。２つのフランジ７１、７３の間に
はガスケット７５が配置されている。
を備えており、該本体部７０は、そこを同軸状に通って
延びる孔部６２を有し、前端部もしくは下端部と後端部
もしくは上端部とを規定している。後端部には環状の装
着フランジ７１が配置されており、第２の孔部６２と同
軸である前端部の外面上には、切頭円錐面７２が形成さ
れている。環状の装着フランジ７１は、コップ状部材７
４の下端のところにある内向きフランジ７３により下方
から支持されている。コップ状部材７４は、ねじ部を外
側のハウジング部材４４に螺着することによって着脱自
在に装着されている。２つのフランジ７１、７３の間に
はガスケット７５が配置されている。
【００２６】下側ノズル部材６４にある孔部６２は、円
筒形であり、任意の適当なプラスチック材料製の心出し
スリーブ７８によって上側ノズル部材６３にある孔部６
０と軸方向に整列した状態に保持される。水は、液体通
路４２から、スリーブ７８にある開口８５を通って水旋
回リング６６の複数の噴射ポート８７へと流れ、該噴射
ポート８７が水を水室６７内に噴射する。該噴射ポート
８７は、水旋回リング６６の回りに接線方向に配置され
ていて、旋回成分の速度を水室６７中の水流に与える。
水は孔部６２を経由して水室６７から出る。
筒形であり、任意の適当なプラスチック材料製の心出し
スリーブ７８によって上側ノズル部材６３にある孔部６
０と軸方向に整列した状態に保持される。水は、液体通
路４２から、スリーブ７８にある開口８５を通って水旋
回リング６６の複数の噴射ポート８７へと流れ、該噴射
ポート８７が水を水室６７内に噴射する。該噴射ポート
８７は、水旋回リング６６の回りに接線方向に配置され
ていて、旋回成分の速度を水室６７中の水流に与える。
水は孔部６２を経由して水室６７から出る。
【００２７】電源（図示せず）は、通常接地される金属
母材に対して直列回路関係にあるトーチの電極１４に接
続されている。動作中、アークに対して陰極端子として
作用する電極の放出要素２８と、上述した電源の陽極に
接続されると共に下側ノズル部材６４の下方に位置決め
される母材との間にプラズマアークが確立される。プラ
ズマアークは、電極１４とノズルアセンブリ１２との間
にパイロットアークを瞬間的に生成することによって通
常の方法で開始され、次いでこのプラズマアークは孔部
６０、６２を経て母材に移動される。
母材に対して直列回路関係にあるトーチの電極１４に接
続されている。動作中、アークに対して陰極端子として
作用する電極の放出要素２８と、上述した電源の陽極に
接続されると共に下側ノズル部材６４の下方に位置決め
される母材との間にプラズマアークが確立される。プラ
ズマアークは、電極１４とノズルアセンブリ１２との間
にパイロットアークを瞬間的に生成することによって通
常の方法で開始され、次いでこのプラズマアークは孔部
６０、６２を経て母材に移動される。
【００２８】製造方法 本発明は、上述した形式の電極を製造するための簡単な
方法も提供している。図４ないし図７は、本発明に従っ
て電極を製造する好適な方法を例示している。図４に示
すように、少なくとも二種の材料の粉末から構成された
放出要素２８は、セパレータ３２により画成されたキャ
ビティ３５内に配置されている。粉末材料はばらばらの
粉末としてキャビティ３５内に配置されてもよいが、好
ましいのは粉末が予混合されて円筒形ペレット等に成形
されていることである。特に、放出要素２８を形成する
粉末材料は、ほぼ平坦な円形の作業面８１を有する工具
８０を用いてキャビティ３５内で突き固められる。約５
２７３０ｋｇ/ｃｍ2(７５０,０００ｐｓｉ)までの圧力
を出すことができる工具８０は、その作業面８１をキャ
ビティ３５内の粉末材料と接触させて、配置される。作
業面８１の外径は、セパレータ３２により画成されたキ
ャビティ３５の直径よりも若干小さい。工具８０は、作
業面８１をトーチ１０の長手方向軸線とほぼ同軸にして
保持され、軸方向の圧縮力が長手方向軸線に沿って粉末
材料およびセパレータ３２に伝わるように工具に力が加
えられる。例えば、工具８０は、粉末材料およびセパレ
ータ３２と接触して位置決めされ、その後、機械のラム
のような適当な装置で叩かれる。使われる特定の技術と
は関係なく、粉末材料混合物を理論密度の６０％以上
に、好ましくは理論密度の約８０％ないし９０％に圧縮
するように十分な力が加えられて、放出要素２８にす
る。一実施形態において、工具８０は粉末材料に対して
約３５１５４ｋｇ/ｃｍ2(５００,０００ｐｓｉ)の圧力
を加える。粉末混合物の圧縮作用により粉末材料および
セパレータ３２が半径方向の外方に若干変形されるよう
になるので、放出要素２８はセパレータ３２によりしっ
かりと把持され保持される。
方法も提供している。図４ないし図７は、本発明に従っ
て電極を製造する好適な方法を例示している。図４に示
すように、少なくとも二種の材料の粉末から構成された
放出要素２８は、セパレータ３２により画成されたキャ
ビティ３５内に配置されている。粉末材料はばらばらの
粉末としてキャビティ３５内に配置されてもよいが、好
ましいのは粉末が予混合されて円筒形ペレット等に成形
されていることである。特に、放出要素２８を形成する
粉末材料は、ほぼ平坦な円形の作業面８１を有する工具
８０を用いてキャビティ３５内で突き固められる。約５
２７３０ｋｇ/ｃｍ2(７５０,０００ｐｓｉ)までの圧力
を出すことができる工具８０は、その作業面８１をキャ
ビティ３５内の粉末材料と接触させて、配置される。作
業面８１の外径は、セパレータ３２により画成されたキ
ャビティ３５の直径よりも若干小さい。工具８０は、作
業面８１をトーチ１０の長手方向軸線とほぼ同軸にして
保持され、軸方向の圧縮力が長手方向軸線に沿って粉末
材料およびセパレータ３２に伝わるように工具に力が加
えられる。例えば、工具８０は、粉末材料およびセパレ
ータ３２と接触して位置決めされ、その後、機械のラム
のような適当な装置で叩かれる。使われる特定の技術と
は関係なく、粉末材料混合物を理論密度の６０％以上
に、好ましくは理論密度の約８０％ないし９０％に圧縮
するように十分な力が加えられて、放出要素２８にす
る。一実施形態において、工具８０は粉末材料に対して
約３５１５４ｋｇ/ｃｍ2(５００,０００ｐｓｉ)の圧力
を加える。粉末混合物の圧縮作用により粉末材料および
セパレータ３２が半径方向の外方に若干変形されるよう
になるので、放出要素２８はセパレータ３２によりしっ
かりと把持され保持される。
【００２９】図５を見ると、銅または銅合金製の円筒形
の素材９４が前面９５とその反対側の後面９６を有して
用意されている。その後、前述したキャビティ２４を形
成するように、前面９５に長手方向軸線に沿って、例え
ば穿孔によりほぼ円筒形の孔部を形成する。その後、放
出要素２８およびセパレータ３２のアセンブリは、セパ
レータの周壁３３がキャビティの内壁２７に滑動係合し
そこに固定されるように、例えばプレスばめによりキャ
ビティ２４内に挿入される。クリンプ加工、半径方向の
圧縮または、電磁エネルギの利用のような他の方法を使
用して、放出要素２８およびセパレータ３２のアセンブ
リをキャビティ２４内に固定することができる。
の素材９４が前面９５とその反対側の後面９６を有して
用意されている。その後、前述したキャビティ２４を形
成するように、前面９５に長手方向軸線に沿って、例え
ば穿孔によりほぼ円筒形の孔部を形成する。その後、放
出要素２８およびセパレータ３２のアセンブリは、セパ
レータの周壁３３がキャビティの内壁２７に滑動係合し
そこに固定されるように、例えばプレスばめによりキャ
ビティ２４内に挿入される。クリンプ加工、半径方向の
圧縮または、電磁エネルギの利用のような他の方法を使
用して、放出要素２８およびセパレータ３２のアセンブ
リをキャビティ２４内に固定することができる。
【００３０】図６に示した一実施形態によると、ほぼ平
坦な円形の作業面１００を有する工具９８が、その作業
面１００を放出要素２８およびセパレータ３２の各端面
２９、３６とそれぞれ接触させて、置かれている。作業
面１００の外径は、円筒形素材９４にあるキャビティ２
４の直径よりも僅かに小さい。工具９８は、作業面１０
０をトーチ１０の長手方向軸線とほぼ同軸にして保持さ
れ、そして力は、軸方向の圧縮力を長手方向軸線に沿っ
て放出要素２８およびセパレータ３２に伝えるように工
具に加えられる。例えば、工具９８は、放出要素２８お
よびセパレータ３２と接触して位置決めされ、その後、
機械のラムのような適当な装置で工具９８を叩く。使わ
れる特定の技術とは関係なく、十分な力が加えられて放
出要素２８およびセパレータ３２が半径方向の外方に変
形されるようになるので、放出要素２８は、セパレータ
３２によりしっかりと把持され保持され、そしてセパレ
ータ３２は、図７に示すように、キャビティ２４により
しっかりと把持され保持される。
坦な円形の作業面１００を有する工具９８が、その作業
面１００を放出要素２８およびセパレータ３２の各端面
２９、３６とそれぞれ接触させて、置かれている。作業
面１００の外径は、円筒形素材９４にあるキャビティ２
４の直径よりも僅かに小さい。工具９８は、作業面１０
０をトーチ１０の長手方向軸線とほぼ同軸にして保持さ
れ、そして力は、軸方向の圧縮力を長手方向軸線に沿っ
て放出要素２８およびセパレータ３２に伝えるように工
具に加えられる。例えば、工具９８は、放出要素２８お
よびセパレータ３２と接触して位置決めされ、その後、
機械のラムのような適当な装置で工具９８を叩く。使わ
れる特定の技術とは関係なく、十分な力が加えられて放
出要素２８およびセパレータ３２が半径方向の外方に変
形されるようになるので、放出要素２８は、セパレータ
３２によりしっかりと把持され保持され、そしてセパレ
ータ３２は、図７に示すように、キャビティ２４により
しっかりと把持され保持される。
【００３１】図７はまた、電極に特性および寿命の向上
になる円筒形素材９４への熱の付加を説明している。加
熱プロセスは、放出要素２８およびセパレータ３２のア
センブリを円筒形素材９４に挿入する前に、或いは後述
するように更なる機械加工ステップを円筒形素材につい
て行った後に、このアセンブリに対しても行うことがで
きる。厳正な加熱プロセスは、放出要素２８に使用され
た粉末材料や、セパレータ３２に使用された材料に左右
される。特に、加熱プロセスは、粉末材料の融解温度に
より決定される。
になる円筒形素材９４への熱の付加を説明している。加
熱プロセスは、放出要素２８およびセパレータ３２のア
センブリを円筒形素材９４に挿入する前に、或いは後述
するように更なる機械加工ステップを円筒形素材につい
て行った後に、このアセンブリに対しても行うことがで
きる。厳正な加熱プロセスは、放出要素２８に使用され
た粉末材料や、セパレータ３２に使用された材料に左右
される。特に、加熱プロセスは、粉末材料の融解温度に
より決定される。
【００３２】例えば、好適な一実施形態において、放出
要素２８は、ハフニウムおよび銀の粉末から２／１の比
で形成されている。ハフニウムの融解温度は約２２２
６.７℃(４０４０#Ｆ)、銀の融解温度は約９６０.６℃
(１７６１#Ｆ)である。放出要素２８の全組成の約５％
というような小さなパーセンテージで酸化ランタンも添
加される。セパレータ３２は銀で形成されている。放出
要素２８およびセパレータ３２のアセンブリをキャビテ
ィ２４内に入れた後、このアセンブリが約７６０℃（１
４００#Ｆ）の温度まで加熱され、熱および電流を運ぶ
特別の通路を形成しながら、放出要素２８をセパレータ
３２に更に固定する。もっと高い温度或いは低い温度を
使用することもできる。
要素２８は、ハフニウムおよび銀の粉末から２／１の比
で形成されている。ハフニウムの融解温度は約２２２
６.７℃(４０４０#Ｆ)、銀の融解温度は約９６０.６℃
(１７６１#Ｆ)である。放出要素２８の全組成の約５％
というような小さなパーセンテージで酸化ランタンも添
加される。セパレータ３２は銀で形成されている。放出
要素２８およびセパレータ３２のアセンブリをキャビテ
ィ２４内に入れた後、このアセンブリが約７６０℃（１
４００#Ｆ）の温度まで加熱され、熱および電流を運ぶ
特別の通路を形成しながら、放出要素２８をセパレータ
３２に更に固定する。もっと高い温度或いは低い温度を
使用することもできる。
【００３３】図８および図９は、加圧および加熱動作前
後の放出要素２８およびセパレータ３２の詳細断面図を
示している。特に、図８は、図７の８−８線に沿った放
出要素２８とセパレータ３２との間の界面の拡大図を示
している。この好適な実施例において、放出要素２８
は、２／１の比のハフニウムおよび銀のような二種の材
料の粉末から主として形成されている。ハフニウム粉末
微粒子８８および銀粉末微粒子８９が、セパレータ３２
により画成されたキャビティ３５を占めている。微粒子
８８、８９の直径は約１マイクロメートルないし１０マ
イクロメートル、好ましくは約３マイクロメートル未満
である。例えば約５％のような少量の酸化ランタンを微
粒子８８、８９に添加することもできる。
後の放出要素２８およびセパレータ３２の詳細断面図を
示している。特に、図８は、図７の８−８線に沿った放
出要素２８とセパレータ３２との間の界面の拡大図を示
している。この好適な実施例において、放出要素２８
は、２／１の比のハフニウムおよび銀のような二種の材
料の粉末から主として形成されている。ハフニウム粉末
微粒子８８および銀粉末微粒子８９が、セパレータ３２
により画成されたキャビティ３５を占めている。微粒子
８８、８９の直径は約１マイクロメートルないし１０マ
イクロメートル、好ましくは約３マイクロメートル未満
である。例えば約５％のような少量の酸化ランタンを微
粒子８８、８９に添加することもできる。
【００３４】図９は、本発明の好適な実施例による加圧
および加熱の動作後における放出要素２８およびセパレ
ータ３２の詳細断面図を図７の８−８線に沿って示して
いる。図から分かるように、放出要素２８の粉末材料
は、異なる相（distinct phases）を有しており、銀粉
末微粒子８９の相の少なくとも一部は、放出要素２８内
からセパレータ３２への熱伝導路９０を形成するように
放出要素２８中に配列されている。好適な実施形態にお
いて、熱伝導路９０は、実質的に銀から形成されてお
り、そのため、この熱伝導路９０は、放出要素２８とセ
パレータ３２との間に導電路も提供する。熱伝導路９０
を形成するのに、金、プラチナ、ロジウム、イリジウ
ム、パラジウム、アルミニウム、ニッケルおよびそれら
の合金のようなその他の金属材料を使用してもよい。好
適な実施例において、熱伝導路９０を形成する材料は、
放出要素２８およびセパレータ３２の双方に共通である
か、或いは放出要素およびセパレータにおける材料と少
なくとも実質的に同等である。
および加熱の動作後における放出要素２８およびセパレ
ータ３２の詳細断面図を図７の８−８線に沿って示して
いる。図から分かるように、放出要素２８の粉末材料
は、異なる相（distinct phases）を有しており、銀粉
末微粒子８９の相の少なくとも一部は、放出要素２８内
からセパレータ３２への熱伝導路９０を形成するように
放出要素２８中に配列されている。好適な実施形態にお
いて、熱伝導路９０は、実質的に銀から形成されてお
り、そのため、この熱伝導路９０は、放出要素２８とセ
パレータ３２との間に導電路も提供する。熱伝導路９０
を形成するのに、金、プラチナ、ロジウム、イリジウ
ム、パラジウム、アルミニウム、ニッケルおよびそれら
の合金のようなその他の金属材料を使用してもよい。好
適な実施例において、熱伝導路９０を形成する材料は、
放出要素２８およびセパレータ３２の双方に共通である
か、或いは放出要素およびセパレータにおける材料と少
なくとも実質的に同等である。
【００３５】以下の表は、従来例のデータおよび実験の
データを提示しており、該データは放出要素２８の直
径、使用されるドーパント(この場合、酸化ランタン)の
割合、電極の使用寿命を測定する電極の形成方法の諸効
果を示している。なお、材料欄における用語「Ｐ」は、
放出要素の粉末をダイの中に入れて圧縮してペレットを
形成し、このペレットを銀セパレータ内に押し込み、次
いでそれらの組合せを銅ホルダ内に押し込むことによ
り、電極を形成することを表わしている。更に、材料欄
における用語「Ｎ」は、放出要素の粉末を銀セパレータ
中で直接に圧縮してから、それらの組合せを銅ホルダ内
に押し込むことにより、電極を形成することを表わして
いる。電極を形成する２つの方法の間に有意な寿命変化
は認められなかったが、データは説明のため提示されて
いる。この表から分かるように、実験データは、従来の
電極よりも寿命が明らかに改善されている。以下の表に
おけるデータの収集に用いられた試験条件は、切断ガス
として酸素を用いるＥＳＡＢＰＴ-１５型水噴射トーチ
であり、３６０アンペアで３０秒の切断、切断ガスの流
量が２.８３ｍ3/ｈ(１００ｃｆｈ)であった。
データを提示しており、該データは放出要素２８の直
径、使用されるドーパント(この場合、酸化ランタン)の
割合、電極の使用寿命を測定する電極の形成方法の諸効
果を示している。なお、材料欄における用語「Ｐ」は、
放出要素の粉末をダイの中に入れて圧縮してペレットを
形成し、このペレットを銀セパレータ内に押し込み、次
いでそれらの組合せを銅ホルダ内に押し込むことによ
り、電極を形成することを表わしている。更に、材料欄
における用語「Ｎ」は、放出要素の粉末を銀セパレータ
中で直接に圧縮してから、それらの組合せを銅ホルダ内
に押し込むことにより、電極を形成することを表わして
いる。電極を形成する２つの方法の間に有意な寿命変化
は認められなかったが、データは説明のため提示されて
いる。この表から分かるように、実験データは、従来の
電極よりも寿命が明らかに改善されている。以下の表に
おけるデータの収集に用いられた試験条件は、切断ガス
として酸素を用いるＥＳＡＢＰＴ-１５型水噴射トーチ
であり、３６０アンペアで３０秒の切断、切断ガスの流
量が２.８３ｍ3/ｈ(１００ｃｆｈ)であった。
【００３６】
【表１】
【００３７】図１０は、本発明による完成電極の断面図
である。ホルダ１６の製造を完了するために、円筒形素
材９４の後面９６を機械加工して、内部にキャビティ２
２を画成する開口コップ状の構造を形成する。このキャ
ビティ２２は、円筒形の柱状部２３を画成すると共にセ
パレータ３２および放出要素２８の対応部分を同軸的に
囲む内側環状凹部８２を含むのが有利である。特に、こ
の内側環状凹部８２は、内側面８３を有している。換言
すれば、内側環状凹部８２は、円筒形の柱状部２３を画
成するように、例えば、トレパニングまたはその他の加
工作業により形成されている。
である。ホルダ１６の製造を完了するために、円筒形素
材９４の後面９６を機械加工して、内部にキャビティ２
２を画成する開口コップ状の構造を形成する。このキャ
ビティ２２は、円筒形の柱状部２３を画成すると共にセ
パレータ３２および放出要素２８の対応部分を同軸的に
囲む内側環状凹部８２を含むのが有利である。特に、こ
の内側環状凹部８２は、内側面８３を有している。換言
すれば、内側環状凹部８２は、円筒形の柱状部２３を画
成するように、例えば、トレパニングまたはその他の加
工作業により形成されている。
【００３８】円筒形素材９４の外周壁もまた、ホルダ１
６の後端１９における雄ねじ部１０２の形成を含め、所
望の形状にすることができる。最後に、円筒形素材９４
の前面９５並びに放出要素２８およびセパレータ３２の
端面２９、３６が実質的に平らで互いに面一になるよう
に機械加工される。
６の後端１９における雄ねじ部１０２の形成を含め、所
望の形状にすることができる。最後に、円筒形素材９４
の前面９５並びに放出要素２８およびセパレータ３２の
端面２９、３６が実質的に平らで互いに面一になるよう
に機械加工される。
【００３９】図１１は、ホルダ１６の端面図を示してい
る。セパレータ３２の端面３６が放出要素２８の端面２
９をホルダ１６の前面２０から分離させていることが分
かる。端面３６は、環状であって内周１０４と外周１０
６とを有している。セパレータ３２は、アークが放出要
素から離れてホルダ１６につくようになるのを妨げる働
きをする。
る。セパレータ３２の端面３６が放出要素２８の端面２
９をホルダ１６の前面２０から分離させていることが分
かる。端面３６は、環状であって内周１０４と外周１０
６とを有している。セパレータ３２は、アークが放出要
素から離れてホルダ１６につくようになるのを妨げる働
きをする。
【００４０】従って、本発明は、プラズマアークトーチ
において使用するための電極１４を提供すると共に、電
極を製造するための方法を提供しており、この電極にお
いては、セパレータ３２への複数の熱伝導路９０が放出
要素２８内に形成されていて、電極の熱伝導率および電
気伝導率を改善している。放出要素２８を形成するのに
粉末材料を使用することによって、該粉末材料の加熱に
より、拡散接合プロセス中に熱伝導路９０を形成するこ
とができる。その上、セパレータ３２を用いることによ
り、ホルダ１６について銅のように価格の安い材料の使
用を可能としながら、セパレータに対して銀のように比
較的に高価な材料の使用を制限することで、電極の製造
コストが低減する。更に、銀のセパレータ３２を使用す
ると、放出要素２８の形成に粉末材料を使用した場合、
銅ホルダにおいてのみ圧縮される粉末材料を使用する場
合と比較して、電極１４の寿命が向上する。
において使用するための電極１４を提供すると共に、電
極を製造するための方法を提供しており、この電極にお
いては、セパレータ３２への複数の熱伝導路９０が放出
要素２８内に形成されていて、電極の熱伝導率および電
気伝導率を改善している。放出要素２８を形成するのに
粉末材料を使用することによって、該粉末材料の加熱に
より、拡散接合プロセス中に熱伝導路９０を形成するこ
とができる。その上、セパレータ３２を用いることによ
り、ホルダ１６について銅のように価格の安い材料の使
用を可能としながら、セパレータに対して銀のように比
較的に高価な材料の使用を制限することで、電極の製造
コストが低減する。更に、銀のセパレータ３２を使用す
ると、放出要素２８の形成に粉末材料を使用した場合、
銅ホルダにおいてのみ圧縮される粉末材料を使用する場
合と比較して、電極１４の寿命が向上する。
【図１】本発明の一実施形態を適用したプラズマアーク
トーチの縦断面図である。
トーチの縦断面図である。
【図２】図１の電極のホルダの拡大斜視図である。
【図３】図１の電極のホルダの拡大縦断面図である。
【図４】本発明の電極を製造する方法の一工程を概略し
て示す縦断面図である。
て示す縦断面図である。
【図５】本発明の電極を製造する方法の一工程を概略し
て示す縦断面図である。
て示す縦断面図である。
【図６】本発明の電極を製造する方法の一工程を概略し
て示す縦断面図である。
て示す縦断面図である。
【図７】本発明の電極を製造する方法の一工程を概略し
て示す縦断面図である。
て示す縦断面図である。
【図８】圧縮および加熱作業前における図７の８−８線
による電極の拡大断面図である。
による電極の拡大断面図である。
【図９】圧縮および加熱作業後における図７の８−８線
による電極の拡大断面図である。
による電極の拡大断面図である。
【図１０】本発明の電極の拡大縦断面図である。
【図１１】図１０の電極の端面図である。
１０ プラズマアークトーチ １４ 電極 １６ ホルダ ２０ 前面 ２４ キャビティ（受け部） ２８ 電子放出要素 ３２ セパレータ（非電子放出性の部材） ３５ キャビティ（開口） ８８ ハフニウム粉末微粒子 ８９ 銀粉末微粒子 ９０ 熱伝導路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２２Ｃ 19/03 Ｃ２２Ｃ 19/03 Ｍ Ｆターム(参考） 4E001 LE02 LE06 LE16 LH09 ME04 ME06 4K018 AA06 AA19 AA40 AB01 AC01 DA11 HA10 KA37
Claims (14)
- 【請求項１】 プラズマトーチにおいてアークを持続さ
せるのに適応した電極であって、 長手方向軸線を画成するホルダと、該ホルダに固定され
ると共に前記長手方向軸線に沿って同軸状に配置される
相対的に非電子放出性の部材であって、少なくとも部分
的に前記長手方向軸線が通過する開口を画成している部
材と、前記開口内に配置されると共に、異なる相を有す
る少なくとも二種の材料で形成された電子放出要素とを
備え、 前記少なくとも二種の材料は、電子放出性の第１の材料
と導電性および熱伝導性の第２の材料とを含み、 該第２の材料の相の少なくとも一部が、電極として使用
する前に前記電子放出要素内で加熱されて、それによっ
て前記電子放出要素から前記非電子放出性の部材へと前
記アークによる熱を伝えるように熱伝導路を形成した、
プラズマトーチの電極。 - 【請求項２】 前記第１の材料は、ハフニウム、ジルコ
ニウム、タングステンおよびそれらの化合物からなるグ
ループから選択した少なくとも一種の材料から構成さ
れ、前記前記第２の材料は、銀、金、プラチナ、アルミ
ニウム、ロジウム、イリジウム、パラジウム、ニッケル
およびそれらの化合物からなるグループから選択した少
なくとも一種の材料から構成された請求項１に記載のプ
ラズマトーチの電極。 - 【請求項３】 前記第１の材料はハフニウムを含み、前
記第２の材料は銀を含む請求項１に記載のプラズマトー
チの電極。 - 【請求項４】 前記ホルダは銅から構成されている請求
項１に記載の電極。 - 【請求項５】 前記電子放出要素は、酸化ランタン、酸
化セリウム、酸化イットリウム、酸化カルシウム、酸化
ストロンチウム、酸化バリウムおよびそれらの混合物か
らなるグループから選択したドーパントを含む請求項１
に記載のプラズマトーチの電極。 - 【請求項６】 プラズマアークトーチにおいてアークを
持続させるのに適応した電極であって、 受け部を画成する前端を有するホルダと、前記受け部内
に位置付けられると共に、少なくとも主要部が金属によ
り形成された、実質的に非電子放出性の導電および伝熱
材料からなるセパレータと、前記受け部内に位置付けら
れた電子放出要素であって、前記ホルダの前記前端のと
ころで、前記ホルダとの間に前記セパレータを配置させ
るようになっていると共に、少なくとも二種の材料から
構成されている電子放出要素とを備え、 前記少なくとも二種の材料は、電子放出性の第１の材料
と、前記アークによる熱を前記電子放出要素から前記セ
パレータへ導くように、前記セパレータの金属と同一の
金属で少なくとも主要部を構成する第２の材料とを含
む、プラズマアークトーチの電極。 - 【請求項７】 前記第１の材料は、ハフニウム、ジルコ
ニウム、タングステンおよびそれらの化合物からなるグ
ループから選択した少なくとも一種の材料から構成さ
れ、前記第２の材料は、銀、金、プラチナ、ロジウム、
アルミニウム、イリジウム、パラジウム、ニッケルおよ
びそれらの化合物からなるグループから選択した少なく
とも一種の材料から構成された請求項６に記載のプラズ
マアークトーチの電極。 - 【請求項８】 前記第１の材料はハフニウムを含み、前
記第２の材料は銀を含む請求項６に記載のプラズマアー
クトーチの電極。 - 【請求項９】 前記第１および第２の材料は互いに異な
る相を有しており、前記第２の材料の相の少なくとも一
部は、前記電子放出要素内から前記セパレータへの熱伝
導路を形成するように前記電子放出要素中に配置されて
いる請求項６に記載のプラズマアークトーチの電極。 - 【請求項１０】 プラズマアークトーチにおいて使用す
るための電極を形成する方法であって、 電子放出性である第１および第２の材料を含む少なくと
も二つの異種材料の粉末を互いに混合するステップと、 この混合物を、実質的に非電子放出性である導電および
伝熱材料から構成されたセパレータにある開口内に配置
するステップと、 前記セパレータに結合される電子放出要素を画成するた
めに前記混合物を加熱するステップとを含むプラズマア
ークトーチの電極製造方法。 - 【請求項１１】 前記加熱ステップの前に、理論密度の
６０％以上に前記混合物を圧縮するステップを更に含む
請求項１０に記載のプラズマアークトーチの電極製造方
法。 - 【請求項１２】 前記第１の材料をハフニウム、ジルコ
ニウム、タングステンおよびそれらの化合物からなるグ
ループのうちの少なくとも一種の材料から選択するステ
ップと、前記第２の材料を銀、金、プラチナ、ロジウ
ム、イリジウム、パラジウム、ニッケル、アルミニウム
およびそれらの化合物からなるグループのうちの少なく
とも一種の材料から選択するステップとを更に含む請求
項１０に記載のプラズマアークトーチの電極製造方法。 - 【請求項１３】 前記第１の材料はハフニウムを含み、
前記第２の材料は銀を含み、前記加熱ステップは、前記
混合物を約７６０℃まで加熱することを含む請求項１０
に記載のプラズマアークトーチの電極製造方法。 - 【請求項１４】 前記加熱ステップによって前記第１お
よび第２の材料に異なる相を生じさせ、前記第２の材料
の相の少なくとも一部が、前記電子放出要素内から前記
セパレータへの熱伝導路を形成するように前記電子放出
要素中に配置される請求項１０に記載のプラズマアーク
トーチの電極製造方法。
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|---|---|
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| DE10210421B4 (de) * | 2002-03-06 | 2007-11-22 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Elektrodenelement für Plasmabrenner sowie Verfahren zur Herstellung |
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| CN117483772B (zh) * | 2023-12-29 | 2024-03-29 | 西安赛隆增材技术股份有限公司 | 一种等离子雾化制粉设备的制粉方法 |
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|---|---|---|---|---|
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