JP2009527882A - トランスファ・アーク型プラズマトーチ - Google Patents

Abstract

本発明は、冷却剤（２１）を使用して冷却される円筒（２５）と、そしてこの円筒内に挿入された電極とを備えるトランスファ・アーク型プラズマトーチに関する。上記電極は、消耗材料から作られ、そして上記プラズマトーチは、この材料の侵食を相殺するように上記電極にこの材料を供給する手段（６０）を備える。

Description

本発明は、プラズマトーチの分野、より詳しくはトランスファ・アーク型プラズマトーチに関する。

プラズマトーチは、物体（固体、液体、又は気体）を極めて高い温度において、制御された反応度を有する雰囲気（制御反応雰囲気）中で処理するのに使用される。プラズマトーチは従来、特に溶接、マーキング、熱スプレー、及び廃棄物処理に使用される。

プラズマは、イオン化した状態、すなわち従来、物質の第４の状態と考えられた状態にある気体（ガス）である。大気圧においてガスのイオン化状態を得るためにプラズマトーチが使用される。これらは、電磁波（高周波又はマイクロ波）を、又は電気アークを使用してガスをイオン化するために必要なエネルギーを与える。ここではアークトーチ（アーク型プラズマトーチ）のみを考慮する。アークトーチは、顕著な動作出力に到達することを可能にする唯一の技術を構成する。

アークトーチは、２つの種類、すなわちスプレイ・アーク型トーチ及びトランスファ・アーク型トーチに分類される。スプレイ・アーク型トーチの場合、アークを確立することを可能にする２つの電極がトーチ内に包含され、したがってアークはその内部に閉じ込められる。アーク内のガスの通路によって生成されるプラズマ・プルーム（プラズマの流れ）がトーチの外部に射出される。トランスファ・アーク型トーチの場合には、トーチは電極を１つだけ備え、そしてアークはトーチと対向電極としての役をなす別の材料との間に確立される。スプレイ・アーク型トーチ及びトランスファ・アーク型トーチの例が、欧州特許出願公開第７０６３０８号に述べられている。

２つのトランスファ・アーク型トーチを一緒に使用することができ、これらのトーチは、陰極としての役をなす１つのトーチと、陽極の役をなす他方のトーチとの間にアークを維持するために使用される。このデバイスは、「ツイントーチ」の名で知られる。

ツイントーチの一例が、欧州特許出願公開第１２８１２９６号に述べられている。

実現されたこのアーク・トーチ技術にかかわらず、主たる問題が電極の寿命の短さであることは変わらない。

何年もの間、数多くの研究プロジェクトは本質的に、電極の材料の選択を通してプラズマトーチ電極の寿命を改善することに関連してきた。これらの電極は、２つの種類、すなわちタングステン及びジルコニウムのような高沸点又は高昇華点を有する耐火材で作られるいわゆるホット電極、並びに銅のような低沸点及び高熱伝導率を有する材料で作られるいわゆるコールド電極に分類される。使用される材料の種類に関係なく、電極は侵食を介して損耗を受ける。

電極の損耗速度を低減させるために、タングステンのトリウム添加、電極の端部の機械加工等、種々の技術的解決法が開発されて来た。内部の水循環を通して電極自体を冷却する必要性は早々に出現し、そして得られた主たる結果は、トーチの構造がいっそう複雑になり、２つあるいは３つにもなる別個の冷却回路の存在が、熱プラズマトーチのような、限られた大きさのシステムには適合しないということであった。その上、冷却回路の接続部の接続をまず切る必要性が、電極の維持及び交換作業を困難にする。

また、プラズマトーチから遠く離れた分野、すなわちアルミ電解又は鉄鋼業界においては、単純な固形黒鉛円筒の形状で存在する消耗電極を使用することが知られている。しかし、これらの電極の唯一可能な用途は、ガス状雰囲気の還元にある。その理由は、酸化雰囲気中では黒鉛の燃焼がこれら電極の急速侵食をもたらすからである。

本発明の目的は、冷却電極プラズマトーチと同じ使用特性を有するが、その欠点、特に膨大な容積並びに組立て及び維持の複雑性という欠点を有しない、トランスファ・アーク型プラズマトーチを提供することである。

本発明は、冷却流体を使用して冷却される套管と、そしてこの套管内に挿入された電極とを備えるトランスファ・アーク型プラズマトーチにおいて、この電極が消耗材料から作られ、そしてこのプラズマトーチが、この材料の侵食を相殺するようにこの電極にこの材料を供給する手段を備える、トランスファ・アーク型プラズマトーチとして定義される。

したがって、電極を冷却するために追加の冷却回路を設ける必要がない。

一実施例によれば、上記電極に上記材料を供給する上記手段が、上記電極を上記プラズマトーチの遠端に向けて自動的に前進させるための手段を含む。詳しくは、上記電極を上記プラズマトーチの遠端に向けて摩擦を介して前進させるローラを設けることが可能である。

上記プラズマトーチは、上記電極を上記套管内部において中性且つプラズマ生成源であるガスによって被覆することを確実にするガス被覆手段を備えるので有利である。

このようにすることで、電極の侵食がかなり減速され、その寿命がかなり延長されることになる。上記ガス被覆手段が、保護を最適化するように、上記ガスによる上記電極の掃払及び上記ガスの上記電極の遠端への拡散を確実化する。

上記套管は、上記套管の遠端における２次ガスの受入れのための受入れ導管を備え、上記プラズマトーチは、この受入れ導管に接続され且つ上記電極から下流のこの２次ガスの注入を確実化する注入手段を備える。このコンパクトな配置により、望ましい組成のプラズマを上記電極の下流で得ることが可能となる。

上記プラズマトーチは、ガス、冷却流体、及び電気の供給接続部の組立を支持する固定のトーチ本体を備えるので有利である。上記套管は、トーチヘッドと一体の管状部を有し、上記套管がこのトーチ本体を完全に貫通し、このトーチヘッドがこのトーチ本体上に載り且つこの接続部と上記套管との間のガス、冷却流体、及び電気の供給回路の連続性を確実にするように上記トーチ本体と協働する。

このようにすることで、電極変更時にガス、冷却流体、及び電気の供給接続部を分解する必要がない。

一般に、上記套管の上記管状部は、上記冷却回路に接続された空洞部を定義する２つの同心の囲周体（周りを取り囲む構造体エンベロープ）を含む。

その上、上記トーチヘッドを上記トーチ本体上の予め定められた位置に位置させそして上記トーチ本体のこの位置において固定するように、ガイド及びメンテナンス装置を設けることができる。こうして、組立て及び分解がより容易になり、具体的には上記トーチ本体と上記トーチヘッドとの間の位置合わせの不具合から生じる封止問題を回避することができる。

上記電極の給電が、上記トーチヘッド上に搭載され且つばねの作用を介して上記電極の表面を押圧する少なくとも１つの金属製ワイヤブラシによって行われる。ここでも再び、その結果として電極の組立て及び分解がより容易になる。

本発明の他の特徴及び利点が、添付図面によってなされた本発明の一推奨実施例を通読することで現出しよう。

本発明の基本にある第１の考えは、材料が連続的に供給される消耗電極を提供することである。本発明の基本にある第２の考えは、套管内で中性ガスの被覆を介してこの電極を保護することである。

本発明は、陽極の役をなす１つのトーチと、陰極としての他方のトーチとのツインプラズマトーチの実現のために有利に使用できることになる。しかし、これら２つのトーチは構造的に同一なので、１つだけについて説明することにする。

図１は、本発明によるトランスファ・アーク型プラズマトーチを示す。このトーチは、トーチ本体と称される支持体１０と、好ましくは金属製の套管であって管状部を有しその上部においてトーチヘッド２０と一体であるような套管２５と、例えば黒鉛電極である、消耗電極３０と、ガイド及びメンテナンス装置４０と、拡散部５０（ディフューザ）と、電極を前進させるデバイス６０と、ブラシによる電極への電気接続手段７０とを備える。

トーチ本体１０はトーチの固定部分を構成し、このトーチの固定部分は決して分解されることがなく且つ流体、ガス、及び電気の供給接続部の全てを支持する。これらの接続部は、トーチヘッド及び套管に対する冷却水の受入れ及び排出、プラズマ生成ガス（プラズマを生成させる源であるガス）の受入れ、２次ガスの受入れ、及び給電を行う。トーチ本体１０はその上部分において、板部材１１を備え、この板部材にガス、冷却流体回路、及び電気の供給接続部が通じている。

トーチヘッド２０は、ガイド及びメンテナンス装置４０を使用してトーチ本体１０の板部材１１上に取り付けられる。このデバイスが、トーチ本体１０上での予め定められた位置へのトーチヘッド２０のガイド及び固定を確実にする。ガイドは、支持体であるトーチ本体１０上のガイド柱又は心合わせ手段又はこれら手段の組合せによって得られる。メンテナンスは例えば、急速固定メカニズムを使用して行われる。支持体であるトーチ本体１０とトーチヘッド２０との間の流体及びガスの回路の連続性が、板部材１１上の適切な封止（シーリング）システムによって、例えばジョイント（結合部）、詳しくはＯリング、又は他の特殊接合手段によって確実なものとされる。

円筒状の黒鉛電極３０が、トーチヘッド２０を完全に貫通して套管内へと延びる。その給電は、ばね７１によって電極上に押圧されるワイヤブラシ接点７０によって行われる。例えば、トーチヘッド２０に設置される自動前進手段を使用して電極への消耗材料の供給を可能にする手段が設けられる。これらの前進手段は例えば、可変速度を有するモータ駆動のローラ６０で、これらのローラは、直径方向対抗位置で電極に対して押圧されトーチの遠端に向けて摩擦を介して電極を前進させる。

このようにすることで、トーチヘッドを分解しなければならないときにメンテナンスシステム４０だけを操作すればよく、これにより単にトーチヘッド２０を板部材１１から垂直に持ち上げるだけでトーチヘッド２０をトーチ本体１０から解放することが可能になる。ここで、トーチ本体１０から流体及びガスの回路の接続を切る必要なしにトーチの機械部の全部を取り外すことができるという利点があることが分かる。

図２は、本発明によるトーチヘッドの端部をより正確に説明している。

前に指摘したように、電極３０は套管２５及びトーチヘッド２０によって保護される。電極の遠端３１はトーチの先端部２６に関して後退した位置にあるので有利である。套管は、冷却流体２１、例えば水の内部循環によって冷却される。套管は、２つの同心の囲周体を設けた円筒状の形状を有し、これら２つの囲周体によって定義される空洞内をこの冷却流体が循環する。その上、この空洞の内部に配置された導管２２が、トーチの遠端までの２次ガス２３の受入れを可能にする。

プラズマトーチは、電極のまわりでの中性且つ保護性のガスでの被覆を維持するのに適するガス被覆手段を備える。この中性ガスはまた、プラズマを生成させるのにも使用される。より正確には、このガス被覆手段が、この中性ガスによる電極の掃払のみならず、電極の遠端又は活性端におけるこのガスの拡散をも確実にする。このようにすることで、電極は外部環境から、特に外部環境が酸化性の場合に保護される。

ガス被覆手段は、ガス供給回路と、拡散部５０とを備える。実際には、この拡散部はいくつもの機能を受け持つ。すなわち電極３０と套管２５との間でのプラズマ生成中性ガス８０の循環、及び電極の活性端へのこのガスの拡散に加えて、これが、套管２５に対しての電極３０の同心の中心合わせ、そして同じく電極と套管との相互の電気絶縁を確実にする。拡散部５０は、その下部に締め具５１（クランプ）を設けた絶縁リングの形状を取る。この絶縁リングは、金属ばね式保持リング又は同等の保持方式によって套管２５内に保持される。リングの内径は、套管をわずかに超過圧下に維持するように且つ中性且つプラズマ生成源であるガスによる電極３０の掃払を確実にするように、選択される。その上、２次ガス用の受入れ管２２によって供給されるノズル５２が締め具５１のそばを通り、これにより２次ガスが、電極から下流のプラズマ領域内へ注入される。

プラズマの生成源となるプラズマ生成ガスにより、安定したアークでのプラズマの生成が可能となり、他方、２次ガスにより、望ましい化学組成又は物理特性を有するプラズマを得ることが可能となる。プラズマの生成源である中性ガスとしてアルゴンを、そして２次ガスとして酸素を使用すると有利である。

このようなシステムは、プラズマの生成を必要とする全ての用途に、そして特に廃棄物処理の分野に使用することが可能である。

本発明によるトランスファ・アーク型プラズマトーチの概略図である。 本発明によるトランスファ・アーク型プラズマトーチの詳細図である。

Claims (10)

1. 冷却流体（２１）を使用して冷却される套管（２５）と、該套管内に挿入された電極（３０）とを備えるトランスファ・アーク型プラズマトーチにおいて、
   該電極が、消耗材料から作られること、及び
   該プラズマトーチが、該材料の侵食を相殺するように該電極に該材料を供給する手段（６０）を備えることを特徴とする、トランスファ・アーク型プラズマトーチ。
2. 該電極に該材料を供給する該手段が、該電極を該プラズマトーチの遠端に向けて自動的に前進させる手段を含むことを特徴とする、請求項１に記載のプラズマトーチ。
3. 該電極を該套管内部において中性且つプラズマ生成源であるガスで被覆することを確実化するガス被覆手段を備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載のプラズマトーチ。
4. 該ガス被覆手段が、該ガスによる該電極の掃払及び該ガスの該電極の遠端への拡散を確実化することを特徴とする、請求項３に記載のプラズマトーチ。
5. 該套管が、該套管の遠端における２次ガスの受入れのための受入れ導管を備え、該プラズマトーチが、該受入れ導管に接続された注入手段であって該電極の下流の該２次ガスの注入を確実化する注入手段を備えることを特徴とする、請求項４に記載のプラズマトーチ。
6. 該プラズマトーチが、ガス、冷却流体、及び電気の供給接続部の組立を支持する固定のトーチ本体を備えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のプラズマトーチ。
7. 該套管が、トーチヘッドと一体の管状部を有し、該套管が該トーチ本体を完全に貫通し、該トーチヘッドが該トーチ本体上に載り且つ該接続部と該套管との間のガス、冷却流体、及び電気の供給回路の連続性を確実にするように該トーチ本体と協働することを特徴とする、請求項６に記載のプラズマトーチ。
8. 該管状部が、該冷却回路に接続された空洞部を定義する２つの同心の囲周体を有することを特徴とする、請求項７に記載のプラズマトーチ。
9. 該プラズマトーチが、該トーチヘッドを該トーチ本体上での予め定められた位置に配置しそして該トーチヘッドを該トーチ本体に該予め定められた位置において固定するガイド及びメンテナンス装置を備えることを特徴とする、請求項７又は８に記載のプラズマトーチ。
10. 該電極が、該トーチヘッド上に搭載され且つばねの作用を介して該電極の表面を押圧する少なくとも１つのワイヤブラシを使用して給電されることを特徴とする、請求項７から９までのうちのいずれか１項に記載のプラズマトーチ。

Images