JP2010043341A - Composite torch type plasma generator - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To simplify and miniaturize a sub-torch as a whole by reducing the number of components of the sub-torch, and to increase plasma output by enhancing the direct-advancing property and stability of plasma and plasma flame. <P>SOLUTION: A composite torch type plasma generator comprises a main torch 1 and the sub-torches 2, the main torch and the sub-torches, each of which has a cathode, an anode and a plasma gas supply means. In the plasma generator, several sub-torches 2, 39 are disposed on radial lines around the main torch axial center, and the anodes 10A, 40 of the respective sub-torches 2, 39 are surrounded by outer sheathes 11, 41. The internal walls of the outer sheathes 11, 41 are provided with cathodes. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

この発明は、複合トーチ型プラズマ発生装置に関するものであり、更に述べると、気体中を流れる大電流、いわゆるアークやそれによって、発生する1万℃前後の高温度のプラズマによって、金属やセラミックス等の物質を溶融して処理対象物に吹き付け、その表面に強固な皮膜を形成するための、いわゆるプラズマ溶射の技術の改良に関するものである。近年では、この安定した高温のプラズマを熱源として、セラミックスの熱衝撃試験やガス分解などに利用されている。   The present invention relates to a composite torch-type plasma generator, and more specifically, a large current flowing in a gas, a so-called arc, and a high-temperature plasma around 10,000 ° C. generated thereby, such as metal or ceramics. The present invention relates to an improvement in so-called plasma spraying technology for melting a substance and spraying it on an object to be processed to form a strong film on the surface. In recent years, this stable high-temperature plasma has been used as a heat source for thermal shock tests and gas decomposition of ceramics.

図4に示したのは、従来の汎用的な複合トーチ型プラズマ溶射装置の主要な部分を図示したものである。
図4において主陰極3の軸上に放出口を有する主外套4及び主第二外套31と、旋回流ガス形成手段52を有する絶縁物27及び絶縁物29によって同心に保持されている。
FIG. 4 shows a main part of a conventional general-purpose composite torch type plasma spraying apparatus.
In FIG. 4, the main jacket 4 and the main second jacket 31 each having an emission port on the axis of the main cathode 3, and the insulator 27 and the insulator 29 having the swirling gas forming means 52 are concentrically held.

図2に示された如く、主プラズマガス送入口5より主プラズマガス6がまずガス環状室53へ送入され、一個の旋回流形成孔54或いは等分に配置された複数個の旋回流形成孔54を通って、絶縁物27の内壁55を旋回するように矢印56の如く送入される。同様に主第二ガス33も主第二ガス送入口32を通って、絶縁物29の内壁を旋回すべく送入される。   As shown in FIG. 2, the main plasma gas 6 is first fed into the gas annular chamber 53 from the main plasma gas inlet 5 to form one swirl flow forming hole 54 or a plurality of swirl flow arranged equally. It passes through the hole 54 and is fed as shown by an arrow 56 so as to turn the inner wall 55 of the insulator 27. Similarly, the main second gas 33 is also fed through the main second gas inlet 32 to swivel the inner wall of the insulator 29.

主電源7の負端子は、主陰極3に接続され、主電源7の正端子は、スイッチ手段8を介して主外套4、スイッチ手段34を介して主第二外套31に接続されており、これらが全体として主トーチ1を構成している。   The negative terminal of the main power supply 7 is connected to the main cathode 3, and the positive terminal of the main power supply 7 is connected to the main outer jacket 4 via the switch means 8 and to the main second outer jacket 31 via the switch means 34, These constitute the main torch 1 as a whole.

次に、主トーチ1の中心軸、すなわち、主陰極3の中心軸と交叉するように配置された副トーチ起動電極10があり、この副トーチ起動電極10を囲んで、かつ先端に放出口を有する副外套11及び副第二外套36と、主トーチ1の絶縁物27と同様の旋回流ガス形成手段を有する絶縁物28及び絶縁物30によって同心に保持されている。   Next, there is a sub-torch activation electrode 10 arranged so as to intersect with the central axis of the main torch 1, that is, the central axis of the main cathode 3. The auxiliary mantle 11 and the auxiliary second mantle 36 are concentrically held by the insulator 28 and the insulator 30 having the swirl gas forming means similar to the insulator 27 of the main torch 1.

副電源14は、その正端子がスイッチ手段15を介して副外套11と主電源7の正端子に接続されており、副電源14の負端子は副トーチ起動電極10に接続されており、これらが全体として副トーチ2を構成している。そして、主トーチ1と副トーチ2は、連結管26で固定され、各々は容易に脱着でき、絶縁性が保たれた構造となっている。   The secondary power source 14 has its positive terminal connected to the secondary mantle 11 and the positive terminal of the main power source 7 via the switch means 15, and the negative terminal of the secondary power source 14 is connected to the secondary torch starting electrode 10. Constitutes the auxiliary torch 2 as a whole. The main torch 1 and the sub torch 2 are fixed by a connecting pipe 26, and each has a structure that can be easily detached and kept insulative.

図4において主プラズマガス送入口5より、主プラズマガス6としてアルゴン等の不活性ガスを流し、スイッチ手段9及びスイッチ手段34を開いた状態で、スイッチ手段8を閉じて、主電源7の高周波により主陰極3と主外套4との間で印加すると、主陰極3の先端から主外套4の放出口に向かって主起動アーク16が形成され、これによって主プラズマガス6が加熱され、プラズマ18となって主外套4の先端より放出される。   In FIG. 4, an inert gas such as argon is flowed from the main plasma gas inlet 5 as the main plasma gas 6, the switch means 8 and the switch means 34 are opened, the switch means 8 is closed, and the high frequency of the main power supply 7. Is applied between the main cathode 3 and the main mantle 4 to form a main starting arc 16 from the tip of the main cathode 3 toward the outlet of the main mantle 4, thereby heating the main plasma gas 6 and plasma 18. And is discharged from the tip of the main mantle 4.

更に、スイッチ手段34を閉じて、スイッチ手段8を開くことによって、プラズマ18の陽極点は主外套4から主第二外套31へと移行し、主第二起動アークが形成され、主第二外套31の先端より主トーチ1の外部に向かって放出される。   Further, by closing the switch means 34 and opening the switch means 8, the anode point of the plasma 18 is transferred from the main mantle 4 to the main second mantle 31, a main second starting arc is formed, and the main second mantle is formed. It is discharged from the tip of 31 toward the outside of the main torch 1.

次にスイッチ手段15を閉じて、副電源14の高周波により副トーチ起動電極10と副外套11との間に印加し、かつ、副ガス送入口12より、副ガス13として、アルゴン等の不活性ガスを送入すると、副起動アーク17が発生し、副外套11の先端の放出口を通って副第二外套36の放出口よりプラズマ18が噴出される。   Next, the switch means 15 is closed and applied between the auxiliary torch starting electrode 10 and the auxiliary mantle 11 by the high frequency of the auxiliary power source 14, and inert gas such as argon is used as the auxiliary gas 13 from the auxiliary gas inlet 12. When the gas is sent in, the secondary starting arc 17 is generated, and the plasma 18 is ejected from the outlet of the auxiliary second mantle 36 through the outlet of the tip of the auxiliary mantle 11.

このようにして主トーチ1と副トーチ2の先端から噴出される各々のプラズマ18は、主トーチ1の中心軸と副トーチ2の中心軸が交叉するように設けられているので、その先端で交叉するが、このプラズマ18は導電性であるので、この状態において、スイッチ手段9を閉じると同時にスイッチ手段15及びスイッチ手段34を開くと、主陰極3の先端から副外套11の陽極点に至るヘアピン状のプラズマ18による導電路が形成される。   Thus, each plasma 18 ejected from the tips of the main torch 1 and the sub-torch 2 is provided so that the central axis of the main torch 1 and the central axis of the sub-torch 2 cross each other. However, since the plasma 18 is conductive, in this state, when the switch unit 9 is closed and the switch unit 15 and the switch unit 34 are opened at the same time, the tip of the main cathode 3 reaches the anode point of the auxiliary mantle 11. A conductive path is formed by the hairpin-shaped plasma 18.

この時、連結管26上の材料送入管19により搬送された溶射材料20は、プラズマ18軸に交叉する方向で高温のプラズマ18中に送入される。そこで溶射材料20は、プラズマ18熱により、溶融粒子21となって、プラズマ炎23に同伴されながら、あまり広がらないで母材25に向かって進行する。   At this time, the thermal spray material 20 conveyed by the material feeding pipe 19 on the connecting pipe 26 is fed into the high-temperature plasma 18 in a direction crossing the plasma 18 axis. Therefore, the thermal spray material 20 becomes molten particles 21 due to the heat of the plasma 18 and proceeds toward the base material 25 without spreading so much while being accompanied by the plasma flame 23.

この溶融粒子21を含むプラズマ炎23は、母材25に及ぼす熱負荷を軽減すべく母材25の直前で、連結管26上に設けられたプラズマ分離手段22によって、プラズマ18のみが分離され、その直後に溶融粒子21は母材25に衝突し、溶射皮膜24を形成する。   In the plasma flame 23 containing the molten particles 21, only the plasma 18 is separated by the plasma separation means 22 provided on the connecting pipe 26 immediately before the base material 25 in order to reduce the thermal load on the base material 25. Immediately thereafter, the molten particles 21 collide with the base material 25 to form a sprayed coating 24.

以上の説明では、主外套4,主第二外套31及び副外套11、副第二外套36の内面は、通常何れも二重構造となっており、その内部を水等の循環によって冷却されているが、これは省略し図示していない。尚、以下の説明においては、各該当の冷却システムは何れもこれを省略する。   In the above description, the inner surfaces of the main mantle jacket 4, the main second mantle 31 and the sub mantle 11 and the sub second mantle 36 are usually of a double structure, and the inside is cooled by circulation of water or the like. This is omitted and not shown. In the following description, each corresponding cooling system is omitted.

従来例には、次のような問題がある。
(1)副トーチは、少なくとも陰極を保護するチャンバー(副外套)と陽極を保護するチャンバー(副第二外套)の2つを有し、部品点数も多く、コストがかさみ、保守・点検も容易でない。
The conventional example has the following problems.
(1) The auxiliary torch has at least two chambers, a chamber that protects the cathode (sub-cladding) and a chamber that protects the anode (sub-cladding), which has many parts, is expensive, and is easy to maintain and inspect. Not.

(2)前記副トーチの陰極部は、プラズマ起動する時に使用するが、運転中は、不要な部位となる。
(3)副トーチからのプラズマやヘアピン状のプラズマによる磁場の影響で、主トーチのプラズマ及びプラズマ炎が経時的に曲ってしまう。そのため、プラズマ及びプラズマ炎の直進性、安定性が損なわれ、結果としてプラズマ出力の低下を招く。
(2) The cathode part of the auxiliary torch is used when plasma is activated, but becomes an unnecessary part during operation.
(3) The plasma and plasma flame of the main torch bend with time due to the influence of the magnetic field due to the plasma from the sub-torch and the hairpin-shaped plasma. For this reason, the straightness and stability of the plasma and the plasma flame are impaired, resulting in a decrease in plasma output.

本発明は、上記事情に鑑み、副トーチの部品点数を少なくして、コストを低減させるとともに、副トーチ全体の簡素化、小型化を図ることを目的とする。他の目的は、プラズマ及びプラズマ炎の直進性、安定性を向上させ、プラズマ出力の増加を図ることである。   In view of the above circumstances, an object of the present invention is to reduce the number of parts of the sub-torch to reduce the cost, and to simplify and reduce the size of the sub-torch as a whole. Another object is to improve the straightness and stability of plasma and plasma flame and increase the plasma output.

この発明は、陰極及び陽極並びにプラズマガス供給手段を有する、主トーチと副トーチからなる複合トーチ型プラズマ発生装置において、前記副トーチが、前記主トーチ軸芯を中心として放射線上に複数個設けられているとともに、前記各副トーチの陽極は、外套により囲まれており、該外套の内壁には、陰極が設けられていることを特徴とする。   The present invention provides a composite torch-type plasma generator comprising a main torch and a sub-torch having a cathode and an anode and a plasma gas supply means, wherein a plurality of sub-torches are provided on the radiation centering on the main torch axis. In addition, the anode of each of the sub-torches is surrounded by a mantle, and a cathode is provided on the inner wall of the mantle.

この発明の副外套の先端には、狭窄口が設けられ、該狭窄口の内壁に前記陰極が設けられていることを特徴とする。この発明の前記外套の材質は、熱伝導率330kcal/mh°C以上の材料であることを特徴とする。この発明の前記主トーチおよび前記副トーチは、使用する全てのプラズマガスを旋回せしめる旋回流送入手段を設けることを特徴とする。   A narrowing opening is provided at the tip of the auxiliary mantle of the present invention, and the cathode is provided on the inner wall of the narrowing opening. The material of the jacket of the present invention is a material having a thermal conductivity of 330 kcal / mh ° C. or more. The main torch and the sub torch according to the present invention are characterized in that they are provided with swirl flow-in means for swirling all plasma gases to be used.

この発明の前記主トーチ又は前記副トーチに、電極をもたない独立したチャンバーを設けることによって、前記プラズマガスとして活性ガスを使用できることを特徴とする。この発明の前記副トーチの陰極は、タングステンの張り付け、又は、タングステン溶射により形成されることを特徴とする。   An active gas can be used as the plasma gas by providing an independent chamber having no electrode in the main torch or the sub torch of the present invention. The cathode of the auxiliary torch according to the present invention is formed by attaching tungsten or spraying tungsten.

この発明は、副トーチの陽極を外套により囲み、該外套の内壁に陰極を設けたので、従来の複合トーチ型プラズマ発生装置の副トーチで、陽極手前に設けられていたタングステン陰極部が不要となり、更には、それに付随する陽極間に位置する保護ガス送入手段を有する絶縁部及び配線・配管も不要となり、部品点数が削減できてコスト低減がはかれるのみならず、副トーチ全体が簡素化され、小型になり保守・点検も容易になった。   In the present invention, the anode of the sub-torch is surrounded by a jacket, and the cathode is provided on the inner wall of the jacket, so that the tungsten cathode portion provided in front of the anode is unnecessary in the sub-torch of the conventional composite torch type plasma generator. In addition, an insulating portion and wiring / piping having a protective gas feeding means located between the anodes associated therewith are not required, so that not only can the number of parts be reduced and the cost can be reduced, but also the entire sub-torch is simplified. It has become smaller and easier to maintain and inspect.

この発明は、前記副トーチが、前記主トーチ軸芯を中心として放射線上に複数個設けられているので、プラズマ及びプラズマ炎の直進性、安定性が向上し、結果としてプラズマの出力の増加が可能となった。   In the present invention, since a plurality of the sub torches are provided on the radiation centering on the main torch axis, the straightness and stability of the plasma and the plasma flame are improved, resulting in an increase in plasma output. It has become possible.

この発明の第1の実施形態を図1、図2により説明する。
図1は、複数個の副トーチ、例えば、副トーチを2個用いた汎用的な複合トーチ型プラズマ溶射装置の主要な部分を図示したものである。
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 shows a main part of a general-purpose composite torch type plasma spraying apparatus using a plurality of sub-torches, for example, two sub-torches.

図1において、3は主陰極であり、該主陰極3の中心軸上に放出口を有する主外套4と、旋回流ガス形成手段52を有する絶縁物27によって同心に保持されている。前記旋回流ガス形成手段52では、図2示された如く、プラズマガス送入口5より主プラズマガス6がまずガス環状室53へ送入され、一個の旋回流形成孔54或いは等分に配置された複数個の旋回流形成孔54を通って、絶縁物27の内壁55を旋回するように矢印54の如く送入される。   In FIG. 1, reference numeral 3 denotes a main cathode, which is held concentrically by a main mantle 4 having an emission port on the central axis of the main cathode 3 and an insulator 27 having a swirling gas forming means 52. In the swirling gas forming means 52, as shown in FIG. 2, the main plasma gas 6 is first fed into the gas annular chamber 53 from the plasma gas inlet 5, and is arranged in one swirling flow forming hole 54 or equally. Through the plurality of swirling flow forming holes 54, the inner wall 55 of the insulator 27 is swirled as indicated by an arrow 54.

主電源7の負端子は、主陰極3に接続されており、主電源7の正端子は主外套4にスイッチ手段8を介して接続されており、これらが全体として主トーチ1を構成している。   The negative terminal of the main power supply 7 is connected to the main cathode 3, and the positive terminal of the main power supply 7 is connected to the main jacket 4 via the switch means 8, and these constitute the main torch 1 as a whole. Yes.

次に、主トーチ1の中心軸、すなわち、主陰極3の中心軸と交叉するように配置された副トーチ陽極10Aがあり、この副トーチ陽極10Aを囲んで、かつ先端に放出口を有する副外套11と、主トーチ1の絶縁物27と同様の旋回流ガス形成手段52を有する絶縁物28によって同心に保持されている。前記副外套の放出口は、ノズル状の狭窄口に形成されている。   Next, there is a sub-torch anode 10A disposed so as to intersect with the central axis of the main torch 1, that is, the central axis of the main cathode 3, and the sub-torch anode 10A surrounds the sub-torch anode 10A and has a discharge port at the tip. The outer casing 11 and the insulator 28 having the swirl gas forming means 52 similar to the insulator 27 of the main torch 1 are held concentrically. The discharge port of the auxiliary mantle is formed in a nozzle-like constriction port.

第二電源42の正端子は、スイッチ手段47を介して、副トーチ陽極10Aの正端子へ接続されており、第二電源42の負端子は、スイッチ手段48を介して、副外套11に接続されており、これらが全体として副トーチ2を構成している。   The positive terminal of the second power source 42 is connected to the positive terminal of the auxiliary torch anode 10A via the switch means 47, and the negative terminal of the second power source 42 is connected to the auxiliary mantle 11 via the switch means 48. These constitute the auxiliary torch 2 as a whole.

そして、副トーチ2に対向する位置に同型の第二副トーチ39が設けられている。この第二副トーチ39は、副トーチ2と同様に第二副トーチ陽極40を囲んで、かつ先端に放出口を有する第二副外套41と、主トーチ1の絶縁物27と同様の旋回流ガス形成手段52を有する絶縁物49によって同心に保持されている。   A second auxiliary torch 39 of the same type is provided at a position facing the auxiliary torch 2. Similar to the sub torch 2, the second sub torch 39 surrounds the second sub torch anode 40 and has a second sub jacket 41 having a discharge port at the tip, and a swirl flow similar to the insulator 27 of the main torch 1. It is held concentrically by an insulator 49 having gas forming means 52.

第二電源42の正端子は、スイッチ手段43を介して、第二副トーチ陽極40の正端子へ接続されており、第二電源42の負端子は、スイッチ手段44を介して、第二副外套41に接続されており、これらが全体として第二副トーチ39を構成している。   The positive terminal of the second power source 42 is connected to the positive terminal of the second secondary torch anode 40 via the switch means 43, and the negative terminal of the second power source 42 is connected to the second secondary torch anode 40 via the switch means 44. These are connected to the outer sleeve 41, and these constitute a second auxiliary torch 39 as a whole.

前記副トーチ2、39の陽極10A、40を保護するチャンバー(副外套11、41)は、陽極10A、40との絶縁を保ち、プラズマ放熱に耐えうる冷却構造を有する熱伝達の良い部材で形成されている。この部材として、熱伝導率330kcal/mh°C以上の材料が好的であり、例えば、W、Cu、Ag、Au、Ptなどが用いられる。   The chambers (sub jackets 11 and 41) for protecting the anodes 10A and 40 of the auxiliary torches 2 and 39 are formed of a heat transfer member having a cooling structure capable of withstanding plasma radiation while maintaining insulation from the anodes 10A and 40. Has been. As this member, a material having a thermal conductivity of 330 kcal / mh ° C. or more is preferable, and for example, W, Cu, Ag, Au, Pt or the like is used.

前記副外套11,41の表面は、プラズマアークが接触しにくく、かつ、溶射材料が付着しないように表面処理されており、例えば、表面の粗さは、Ra0.8以下であるが、Ra0.25以下が好的である。   The surface of the auxiliary mantle 11 and 41 is surface-treated so that the plasma arc is difficult to contact and the thermal spray material does not adhere. For example, the surface roughness is Ra 0.8 or less, but Ra0. 25 or less is preferable.

前記陰極は、前記外套11、41に設けられるが、その配設位置として、例えば、該外套の内壁や該外套先端の放出口(狭窄口)内壁、に設けられる。   The cathode is provided on the mantles 11 and 41, and the arrangement position thereof is provided, for example, on the inner wall of the mantle or the inner wall of the discharge port (constriction port) at the tip of the mantle.

前記陰極からは熱電子を放出するため、陰極点は3000℃以上にも達し、当然のことながら銅などで作製された外套11,41は、溶融し気化するが、このときの損傷を極力抑えるため、本発明では、電流負荷を20〜30Aでプラズマをヘアピンアークプラズマ形成に至る短時間だけ形成させることができる様にしている。   Since the cathode emits thermoelectrons, the cathode spot reaches 3000 ° C. or more, and the outer jackets 11 and 41 made of copper or the like naturally melt and vaporize, but the damage at this time is suppressed as much as possible. Therefore, in the present invention, the plasma can be formed only for a short time until the hairpin arc plasma is formed with a current load of 20 to 30 A.

なお、副外套の多くは、コストや加工性で最適な銅で制作されているが、大気中では、緑青が発生し、溶射皮膜中のコンタミの原因となるので、メッキなどの表面処理をすることが望ましい。   Most of the sub-coats are made of copper, which is optimal for cost and workability. However, in the atmosphere, patina is generated, which causes contamination in the sprayed coating. It is desirable.

前記外套に設ける陰極の材料として、例えば、タングステンが用いられるが、陰極を全てタングステンで作製することは、その材質が硬くて脆いので、技術的に難しく、コストも嵩むことになるので、陰極となる部分のみに、該タングステンを貼り付けたり、又は、タングステン溶射(コーテング)して陰極を形成するが好ましい。   For example, tungsten is used as the material of the cathode provided in the jacket, but it is technically difficult and costly to manufacture the cathode entirely from tungsten because the material is hard and brittle. It is preferable to form the cathode by attaching the tungsten only to the portion to be formed or by spraying tungsten (coating).

主トーチ1、副トーチ2及び第二副トーチ39は、連結管26で固定され、各々は容易に脱着でき、絶縁性が保たれた構造となっている。   The main torch 1, the sub torch 2 and the second sub torch 39 are fixed by the connecting pipe 26, and each has a structure that can be easily detached and kept insulative.

図1において、主プラズマガス送入口5より、主プラズマガス6としてアルゴン等の不活性ガスを流し、スイッチ手段45及びスイッチ手段46を開いた状態で、スイッチ手段8を閉じて、主電源7の高周波により主陰極3と主外套4との間で印加すると、主陰極3の先端から主外套4の放出口に向かって主起動アーク16が形成され、これによって主プラズマガス6が加熱され、プラズマ18となって主外套4の先端より主トーチ1の外部に向かって放出される。   In FIG. 1, an inert gas such as argon is flowed from the main plasma gas inlet 5 as the main plasma gas 6, the switch means 8 and the switch means 46 are opened, the switch means 8 is closed, and the main power supply 7 is turned on. When a high frequency is applied between the main cathode 3 and the main mantle 4, a main starting arc 16 is formed from the tip of the main cathode 3 toward the outlet of the main mantle 4, thereby heating the main plasma gas 6, and plasma 18 is discharged from the front end of the main mantle 4 toward the outside of the main torch 1.

次に、スイッチ手段43及びスイッチ手段44を開いた状態で、スイッチ手段47及びスイッチ手段48を閉じて、第二電源42の高周波により副トーチ陽極10Aと副外套11との間に印加し、かつ、副ガス送入口12より、副ガス13として、アルゴン等の不活性ガスを送入すると、副起動アーク17が発生し、副外套11の先端の放出口よりプラズマ18が噴出される。   Next, with the switch means 43 and the switch means 44 open, the switch means 47 and the switch means 48 are closed and applied between the auxiliary torch anode 10A and the auxiliary mantle 11 by the high frequency of the second power source 42, and When an inert gas such as argon is sent as the secondary gas 13 from the secondary gas inlet 12, the secondary starting arc 17 is generated, and the plasma 18 is ejected from the discharge port at the tip of the secondary mantle 11.

このようにして主トーチ1と副トーチ2の先端から噴出される各々のプラズマ18は、主トーチ1の中心軸と副トーチ2の中心軸が交叉するように設けられているので、その先端で交叉するが、この交差する点は、例えば、主トーチ1の主外套4の先端から12mm〜15mmで、副トーチ2の副外套11の先端から5mm〜8mmに位置する。このプラズマ18は、導電性であるので、この状態において、スイッチ手段45を閉じると同時にスイッチ手段8を開き、かつ、スイッチ手段47及びスイッチ手段48を開くと、副トーチ陽極10Aの先端から主陰極3の陰極点に至るヘアピン状のプラズマ18による導電路が形成される。   Thus, each plasma 18 ejected from the tips of the main torch 1 and the sub-torch 2 is provided so that the central axis of the main torch 1 and the central axis of the sub-torch 2 cross each other. The crossing points are, for example, 12 mm to 15 mm from the tip of the main mantle 4 of the main torch 1 and 5 mm to 8 mm from the tip of the sub mantle 11 of the sub torch 2. Since the plasma 18 is conductive, in this state, when the switch means 45 is closed and the switch means 8 is opened at the same time, and the switch means 47 and the switch means 48 are opened, the main cathode starts from the tip of the auxiliary torch anode 10A. A conductive path is formed by the hairpin-shaped plasma 18 that reaches the cathode point 3.

その直後、第二副トーチ39のプラズマ18を印加すべく第二副ガス送入口50より、第二副ガス51としてアルゴン等の不活性ガスを流し、スイッチ手段45及びスイッチ手段48を開いた状態で、スイッチ手段43及びスイッチ手段44を閉じて、第二電源42の高周波により第二副トーチ陽極40と第二副外套41との間で印加する。   Immediately after that, an inert gas such as argon is flowed as the second auxiliary gas 51 from the second auxiliary gas inlet 50 to apply the plasma 18 of the second auxiliary torch 39, and the switch means 45 and the switch means 48 are opened. Thus, the switch means 43 and the switch means 44 are closed and applied between the second sub torch anode 40 and the second sub jacket 41 by the high frequency of the second power source 42.

そうすると、第二副トーチ陽極40の先端から第二副外套41の放出口に向かって第二副起動アーク58が形成され、これによって、副第二ガス51が加熱され、第二副外套41の先端の放出口よりプラズマ18が噴出される。   Then, a second secondary starting arc 58 is formed from the tip of the second secondary torch anode 40 toward the discharge port of the second secondary jacket 41, whereby the secondary second gas 51 is heated and the second secondary jacket 41 is heated. Plasma 18 is ejected from the discharge port at the tip.

このプラズマ18の先端は、第二副トーチ陽極40の先端から主陰極3の陰極点に至るヘアピン状のプラズマ18と交叉するが、このプラズマ18は導電性であるので、この状態において、スイッチ手段45を閉じて、スイッチ手段44を開くと、第二副トーチ陽極40の先端から主陰極3に至る全体としてT字状のプラズマ18が形成される。   The tip of the plasma 18 intersects with the hairpin-shaped plasma 18 extending from the tip of the second auxiliary torch anode 40 to the cathode point of the main cathode 3. Since this plasma 18 is conductive, in this state, the switching means When 45 is closed and the switch means 44 is opened, a T-shaped plasma 18 is formed as a whole from the tip of the second auxiliary torch anode 40 to the main cathode 3.

この溶射材料供給手段により、いかなる高融点の溶射材料20でも1万℃前後のプラズマ18で直ちに高温に加熱されて溶融し、溶融粒子21に示した如くプラズマ炎23に同伴されながら、あまり広がらないで母材25に向かって進行する。   By this thermal spray material supply means, any high melting point thermal spray material 20 is immediately heated to a high temperature by a plasma 18 at around 10,000 ° C. and melted. The process proceeds toward the base material 25.

この溶融粒子21を含むプラズマ炎23は、母材25に及ぼす熱負荷を軽減すべく母材25の直前で、連結管26上に設けられたプラズマ分離手段22によって、プラズマ18のみが分離され、その直後に溶融粒子21は母材25に衝突し、溶射皮膜24を形成する。   In the plasma flame 23 containing the molten particles 21, only the plasma 18 is separated by the plasma separation means 22 provided on the connecting pipe 26 immediately before the base material 25 in order to reduce the thermal load on the base material 25. Immediately thereafter, the molten particles 21 collide with the base material 25 to form a sprayed coating 24.

本発明の少なくとも互換性のある副トーチ2個を主トーチ軸心に対して、交叉するように対称に設けることによって、プラズマの直進性と安定化が著しく改善され、結果的に100kW以上の高出力での溶射が可能となり、溶射量の増加はむろんのこと従来にない緻密で高品質な溶射皮膜が形成できるようになった。   By providing at least two compatible sub-torches of the present invention symmetrically so as to intersect with the main torch axis, the straightness and stability of the plasma are remarkably improved, and as a result, the high to 100 kW or higher Thermal spraying is possible at the output, and of course the increase in the amount of thermal spraying has enabled the formation of a dense and high quality thermal spray coating that has never been seen before.

本発明の第2の実施形態を図3により説明する。
図3に示したのは、プラズマガスに不活性ガスのみならず空気等の活性なガスを用いることができる一つの手段として、主トーチ1内に電極を有しないチャンバーを設けた複合トーチ型プラズマ溶射装置の主要な部分を図示したものである
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 3 shows a composite torch type plasma in which a chamber having no electrode is provided in the main torch 1 as one means that can use not only an inert gas but also an active gas such as air as a plasma gas. The main part of the thermal spraying device is illustrated.

図3において、主陰極3は、該主陰極3の軸上に放出口を有する主外套4及び主第二外套31と、旋回流ガス形成手段52を有する絶縁物27及び絶縁物29によって同心に保持されており、前記旋回流ガス形成手段では、図2に示された如く主プラズマガス送入口5より主プラズマガス6がまずガス環状室53へ送入され、一個の旋回流形成孔54或いは等分に配置された複数個の旋回流形成孔54を通って、絶縁物27の内壁55を旋回するように矢印54の如く送入される。   In FIG. 3, the main cathode 3 is concentrically formed by a main mantle 4 and a main second mantle 31 having an emission port on the axis of the main cathode 3, and an insulator 27 and an insulator 29 having swirl gas forming means 52. In the swirling flow gas forming means, as shown in FIG. 2, the main plasma gas 6 is first fed into the gas annular chamber 53 from the main plasma gas inlet 5, and the swirling flow forming hole 54 or Through a plurality of swirl flow forming holes 54 that are equally arranged, the material is fed as shown by an arrow 54 so as to swivel the inner wall 55 of the insulator 27.

同様に主第二ガス33も主第二ガス送入口32を通って、絶縁物29の内壁を旋回すべく送入される。主電源7の負端子は、主陰極3に接続されており、主電源7の正端子は、スイッチ手段8を介し主外套4に、スイッチ手段34を介して主第二外套31に接続されており、これらが全体として主トーチ1を構成している。   Similarly, the main second gas 33 is also fed through the main second gas inlet 32 to swivel the inner wall of the insulator 29. The negative terminal of the main power source 7 is connected to the main cathode 3, and the positive terminal of the main power source 7 is connected to the main mantle 4 via the switch means 8 and to the main second mantle 31 via the switch means 34. These constitute the main torch 1 as a whole.

次に、主トーチ1の中心軸、すなわち、主陰極3の中心軸と交叉するように配置された副トーチ陽極10Aがあり、この副トーチ陽極10Aを囲んで、かつ先端に放出口を有する副外套11と、主トーチ1の絶縁物27と同様の旋回流ガス形成手段52を有する絶縁物28によって同心に保持されている。   Next, there is a sub-torch anode 10A disposed so as to intersect with the central axis of the main torch 1, that is, the central axis of the main cathode 3, and the sub-torch anode 10A surrounds the sub-torch anode 10A and has a discharge port at the tip. The outer casing 11 and the insulator 28 having the swirl gas forming means 52 similar to the insulator 27 of the main torch 1 are held concentrically.

第二電源42の正端子は、スイッチ手段47を介して、副トーチ陽極10Aの正端子へ接続されており、第二電源42の負端子は、スイッチ手段48を介して、副外套11に接続されており、これらが全体として副トーチ2を構成している。   The positive terminal of the second power source 42 is connected to the positive terminal of the auxiliary torch anode 10A via the switch means 47, and the negative terminal of the second power source 42 is connected to the auxiliary mantle 11 via the switch means 48. These constitute the auxiliary torch 2 as a whole.

そして、副トーチ2に対向する位置に同型の第二副トーチ39が設けられている。この第二副トーチ39は、副トーチ2と同様に第二副トーチ陽極40を囲んで、かつ先端に放出口を有する第二副外套41と、主トーチ1の絶縁物27と同様の旋回流ガス形成手段52を有する絶縁物49によって同心に保持されている。   A second auxiliary torch 39 of the same type is provided at a position facing the auxiliary torch 2. Similar to the sub torch 2, the second sub torch 39 surrounds the second sub torch anode 40 and has a second sub jacket 41 having a discharge port at the tip, and a swirl flow similar to the insulator 27 of the main torch 1. It is held concentrically by an insulator 49 having gas forming means 52.

第二電源42の正端子は、スイッチ手段43を介して、副トーチ陽極40の正端子へ接続されており、第二電源42の負端子は、スイッチ手段44を介して、第二副外套41に接続されており、これらが全体として副トーチ39を構成している。   The positive terminal of the second power source 42 is connected to the positive terminal of the sub torch anode 40 via the switch means 43, and the negative terminal of the second power source 42 is connected to the second sub jacket 41 via the switch means 44. These are connected to each other and constitute a sub torch 39 as a whole.

主トーチ1、副トーチ2及び第二副トーチ39は、連結管26で固定され、各々は容易に脱着でき、絶縁性が保たれた構造となっている。   The main torch 1, the sub torch 2 and the second sub torch 39 are fixed by the connecting pipe 26, and each has a structure that can be easily detached and kept insulative.

図3において、主プラズマガス送入口5より、主プラズマガス6としてアルゴン等の不活性ガスを流し、スイッチ手段46及びスイッチ手段34を開いた状態で、スイッチ手段8を閉じて、主電源7の高周波により主陰極3と主外套4との間で印加すると、主陰極3の先端から主外套4の放出口に向かって主起動アーク16が形成され、これによって主プラズマガス6が加熱され、プラズマ18となって主外套4の先端より放出される。   In FIG. 3, an inert gas such as argon is flowed from the main plasma gas inlet 5 as the main plasma gas 6, the switch unit 8 and the switch unit 34 are opened, the switch unit 8 is closed, and the main power source 7 is connected. When a high frequency is applied between the main cathode 3 and the main mantle 4, a main starting arc 16 is formed from the tip of the main cathode 3 toward the outlet of the main mantle 4, thereby heating the main plasma gas 6, and plasma 18 is discharged from the tip of the main mantle 4.

次にスイッチ手段34を閉じて、スイッチ手段8を開くことによって、プラズマ18の陽極点は主外套4から主第二外套31へと移行し、主第二外套31の先端より主トーチ1の外部に向かって放出される。   Next, by closing the switch means 34 and opening the switch means 8, the anode point of the plasma 18 is transferred from the main mantle 4 to the main second mantle 31, and from the tip of the main second mantle 31 to the outside of the main torch 1. Is released towards.

次にスイッチ手段43及びスイッチ手段44を開いた状態で、スイッチ手段47及びスイッチ手段48を閉じて、第二電源42の高周波により副トーチ陽極10Aと副外套11との間に印加し、かつ、副ガス送入口12より、副ガス13として、アルゴン等の不活性ガスを送入すると、副起動アーク17が発生し、副外套11の先端の放出口よりプラズマ18が噴出される。   Next, with the switch means 43 and the switch means 44 open, the switch means 47 and the switch means 48 are closed and applied between the auxiliary torch anode 10A and the auxiliary mantle 11 by the high frequency of the second power source 42, and When an inert gas such as argon is sent as the secondary gas 13 from the secondary gas inlet 12, a secondary starting arc 17 is generated, and a plasma 18 is ejected from the discharge port at the tip of the secondary mantle 11.

このようにして主トーチ1と副トーチ2の先端から噴出される各々のプラズマ18は、主トーチ1の中心軸と副トーチ2の中心軸が交叉するように設けられているので、その先端で交叉するが、プラズマ18は導電性であるので、この状態において、スイッチ手段45を閉じると同時にスイッチ手段34を開き、かつスイッチ手段47及びスイッチ手段48を開くと、副トーチ陽極10Aの先端から主陰極3の陰極点に至るヘアピン状のプラズマ18による導電路が形成される。   Thus, each plasma 18 ejected from the tips of the main torch 1 and the sub-torch 2 is provided so that the central axis of the main torch 1 and the central axis of the sub-torch 2 cross each other. Although the plasma 18 is conductive, in this state, when the switch means 45 is closed and the switch means 34 is opened at the same time, and the switch means 47 and the switch means 48 are opened, the plasma 18 is opened from the tip of the auxiliary torch anode 10A. A conductive path is formed by the hairpin-shaped plasma 18 that reaches the cathode spot of the cathode 3.

その直後、第二副トーチ39のプラズマ18を印加すべく第二副ガス送入口50より、第二副ガス51としてアルゴン等の不活性ガスを流し、スイッチ手段45及びスイッチ手段48を開いた状態で、スイッチ手段43及びスイッチ手段44を閉じて、第二電源42の高周波により第二副トーチ陽極40と第二副外套41との間で印加する。   Immediately after that, an inert gas such as argon is flowed as the second auxiliary gas 51 from the second auxiliary gas inlet 50 to apply the plasma 18 of the second auxiliary torch 39, and the switch means 45 and the switch means 48 are opened. Thus, the switch means 43 and the switch means 44 are closed and applied between the second sub torch anode 40 and the second sub jacket 41 by the high frequency of the second power source 42.

そうすると、第二副起動電極40の先端から第二副外套41の放出口に向かって第二副起動アークが形成される。これによって、副第二ガス51が加熱され、第二副外套41の先端の放出口よりプラズマ18が噴出される。   Then, a second secondary starting arc is formed from the tip of the second secondary starting electrode 40 toward the discharge port of the second secondary jacket 41. As a result, the secondary second gas 51 is heated, and the plasma 18 is ejected from the discharge port at the tip of the secondary secondary mantle 41.

このプラズマ18の先端は、第二副トーチ陽極40の先端から主陰極3の陰極点に至るヘアピン状のプラズマ18と交叉するが、このプラズマ18は導電性であるので、この状態において、スイッチ手段45を閉じて、スイッチ手段44を開くと、第二副トーチ陽極40の先端から主陰極3に至る全体としてT字状のプラズマ18が形成される。   The tip of the plasma 18 intersects with the hairpin-shaped plasma 18 extending from the tip of the second auxiliary torch anode 40 to the cathode point of the main cathode 3. Since this plasma 18 is conductive, in this state, the switching means When 45 is closed and the switch means 44 is opened, a T-shaped plasma 18 is formed as a whole from the tip of the second auxiliary torch anode 40 to the main cathode 3.

この溶射材料供給手段により、いかなる高融点の溶射材料20でも1万℃前後のプラズマ18で直ちに高温に加熱されて溶融し、溶融粒子21に示した如くプラズマ炎23に同伴されながら、あまり広がらないで母材25に向かって進行する。   By this thermal spray material supply means, any high melting point thermal spray material 20 is immediately heated to a high temperature by a plasma 18 at around 10,000 ° C. and melted. The process proceeds toward the base material 25.

この溶融粒子21を含むプラズマ炎23は、母材25に及ぼす熱負荷を軽減すべく母材25の直前で、連結管26上に設けられたプラズマ分離手段22によって、プラズマ18のみが分離され、その直後に溶融粒子21は母材25に衝突し、溶射皮膜24を形成する。   In the plasma flame 23 containing the molten particles 21, only the plasma 18 is separated by the plasma separation means 22 provided on the connecting pipe 26 immediately before the base material 25 in order to reduce the thermal load on the base material 25. Immediately thereafter, the molten particles 21 collide with the base material 25 to form a sprayed coating 24.

この実施形態では、プラズマガスに空気等の活性なガスを用いる手段によって、本装置で使用されるプラズマガス全体における活性ガスの比率を高くすることができ、フェライト、アルミナ、チタニア等の還元性雰囲気を極端にきらい、酸化性雰囲気において独特の高性能を発揮させることができる物質皮膜を容易に形成することができ、これはこの発明の大きな特徴である。   In this embodiment, the ratio of the active gas in the whole plasma gas used in this apparatus can be increased by means using an active gas such as air as the plasma gas, and a reducing atmosphere such as ferrite, alumina, titania, etc. Therefore, it is possible to easily form a material film that can exhibit a unique high performance in an oxidizing atmosphere, which is a great feature of the present invention.

本発明の第1の実施形態を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the 1st Embodiment of this invention. 図1のa−b線断面図である。It is the sectional view on the ab line of FIG. 本発明の第2の実施形態を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the 2nd Embodiment of this invention. 従来例を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows a prior art example.

符号の説明Explanation of symbols

1 主トーチ
2 副トーチ
3 主陰極
4 主外套
7 主電源
10 副トーチ起動電極
10A 副トーチ陽極
11 副外套
14 副電源
16 主起動アーク
17 副起動アーク
18 プラズマ
23 プラズマ炎
31 主第二外套
35 主第二起動アーク
36 副第二外套
39 第二副トーチ
40 第二副トーチ陽極
41 第二副外套
42 第二電源
52 旋回流ガス形成手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Main torch 2 Sub torch 3 Main cathode 4 Main mantle 7 Main power supply 10 Sub torch starting electrode 10A Sub torch anode 11 Sub mantle 14 Sub power source 16 Main starting arc 17 Sub starting arc 18 Plasma 23 Plasma flame 31 Main second mantle 35 Main Second starting arc 36 Sub second mantle 39 Second sub torch 40 Second sub torch anode 41 Second sub mantle 42 Second power source 52 Swirl gas forming means

Claims (7)

陰極及び陽極並びにプラズマガス供給手段を有する、主トーチと副トーチからなる複合トーチ型プラズマ発生装置において、
前記副トーチが、前記主トーチ軸芯を中心として放射線上に複数個設けられ、
前記各副トーチの陽極は、外套により囲まれており、
該外套の内壁には、陰極が設けられていることを特徴とする複合トーチ型プラズマ発生装置。
In a composite torch type plasma generator comprising a main torch and a sub-torch having a cathode and an anode and a plasma gas supply means,
A plurality of the sub-torches are provided on the radiation around the main torch axis;
The anode of each sub-torch is surrounded by a mantle;
A composite torch type plasma generating apparatus, characterized in that a cathode is provided on an inner wall of the jacket.
前記外套の先端には、狭窄口が設けられ、該狭窄口の内壁に前記陰極が設けられていることを特徴とする請求項1記載の複合トーチ型プラズマ発生装置。   2. The composite torch type plasma generating apparatus according to claim 1, wherein a constriction opening is provided at a tip of the mantle and the cathode is provided on an inner wall of the constriction opening. 前記外套の材質は、熱伝導率330kcal/mh°C以上の材料であることを特徴とする請求項1、又は、2記載の複合トーチ型プラズマ発生装置。   The composite torch type plasma generator according to claim 1 or 2, wherein the material of the jacket is a material having a thermal conductivity of 330 kcal / mh ° C or more. 前記外套は、銅により形成され、表面処理されていることを特徴とする請求項1、2、又は、3記載の複合トーチ型プラズマ発生装置。   4. The composite torch type plasma generator according to claim 1, wherein the outer jacket is made of copper and is surface-treated. 前記主トーチおよび前記副トーチは、使用する全てのプラズマガスを旋回せしめる旋回流送入手段を備えていることを特徴とする請求項1、2、3、又は、4記載の複合トーチ型プラズマ発生装置。   5. The combined torch type plasma generation according to claim 1, wherein the main torch and the sub torch are provided with swirl flow feeding means for swirling all plasma gases to be used. apparatus. 前記主トーチ又は前記副トーチに、電極をもたない独立したチャンバーを設けることによって、前記プラズマガスとして活性ガスを使用できることを特徴とする請求項1、2、3、4、又は、5記載の複合トーチ型プラズマ発生装置。   The active gas can be used as the plasma gas by providing an independent chamber without an electrode in the main torch or the sub torch, according to claim 1, 2, 3, 4, or 5. Composite torch type plasma generator. 前記副トーチの陰極は、タングステンの貼り付け、又は、タングステン溶射により形成されることを特徴とする請求項1、2、3、4、5、又は、6記載の複合トーチ型プラズマ発生装置。   7. The composite torch type plasma generating apparatus according to claim 1, wherein the sub-torch cathode is formed by attaching tungsten or spraying tungsten.
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