JP2014136241A - プラズマ切断トーチおよびプラズマアーク切断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波を使用せずにパイロットアークを発生させるプラズマ切断トーチおよびプラズマ切断装置を提供する。
【解決手段】プラズマ切断トーチおよびプラズマ切断装置であって、プラズマ切断トーチは、上下方向に移動可能なスライド金具と、スライド金具を移動させるバネと電磁石により電極とチップの接触と解除を行う機構を備え、プラズマ切断電源は、プラズマ切断トーチの電極とチップが接触した状態で電圧を印加し、この状態で電極とチップの接触を電磁石で解除することでパイロットアークを発生させることで、プラズマ切断トーチに高周波電圧を供給するための高周波電源部や高周波ノイズに対する安全回路を設ける必要がなくなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、作動ガスを用いるプラズマ切断トーチおよびプラズマアーク切断装置に関するものである。

プラズマ切断は、電極をマイナス極性およびチップをプラス極性とし、電極とチップとの間にパイロットアークを発生させ、その後パイロットアークを介して、電極と母材との間に本アークを発生させる。これを作動ガスの冷却効果とチップ先端の噴き出し穴で機械的に絞って高温のプラズマアークにし、加工物を溶融および吹き飛ばして切断するものである。

従来から、プラズマ切断トーチと切断用電源とを備えたプラズマアーク切断装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。図４は、従来のプラズマアーク切断装置の概略構成を示す図である。図４において、作動ガスを圧縮するコンプレッサ２は、切断用電源４の内部あるいは切断用電源４の外部に設置されるレギュレータ３に接続される。レギュレータ３において作動ガスの二次圧力を一定値に調整した後、作動ガスは、レギュレータ３から切断用電源４の内部に導かれる。レギュレータ３は、切断用電源４の内部に設けられたガスバルブ（図示せず）に接続され、作動ガスは、切断用電源４の内部を流れる。

このガスバルブは、作動ガスをトーチ先端部１に送る冷却ケーブル８に接続されている。また、切断用電源４には、母材５に接続される接地ケーブル６が接続されている。さらに、切断用電源４には、アークスタートを良好にするための高周波をのせるパイロットケーブル９と、トーチスイッチケーブル１０が接続されている。

一方、プラズマ切断トーチ７には、電纜を内蔵して切断用電源４から導き出されたパイロットケーブル９とトーチスイッチケーブル１０が接続されるとともに、冷却ケーブル８が接続されている。そして、作動ガスを冷却ケーブル８内からトーチ先端部１に供給している。

以上のように、プラズマアーク切断装置１１が構成されている。

プラズマ切断の方法は、チップを母材５に接触させて切断する接触切断と、チップを母材５から離して切断する非接触切断とがある。

なお、従来、非接触切断を行う場合は、切断用電源４の内部に設けられた高周波発生装置（図示せず）からパイロットケーブル９に高周波を導き、図５に示すトーチ先端部１にあるチップ１６と電極１４との間で高周波を発生させてパイロットアークを飛ばし、母材５からの電流を感知して本アークに移行させていた。

また、従来、接触切断を行う場合は、切断用電源４の内部に設けられた高周波発生装置からパイロットケーブル９に高周波を導き、トーチ先端部１にある電極１４と母材５との間で高周波を発生させ、母材５で電流を感知して本アークに移行させていた。

このような、従来のプラズマ切断トーチ７と切断用電源４とを接続する回路構成を図６に示す。なお、アークスタートを良くするための高周波は、パイロット電源３５より高周波発生装置３６を起動し、プラズマ切断トーチ７の電極１４へ供給していた。

以上のように、従来では、高周波を用いるため、高周波が電源制御回路に乗り易く、制御の誤動作や回路の破壊を起こす原因になっていた。また、高周波による感電等の危険性もあった。

また、チップ１６と電極１４との位置関係は、図５に示すように、常に空間を設けた状態で固定されている。そのため、チップ１６と電極１４との導通確認を行うことができず、チップ１６や電極１４の装着の確認ができなかった。なお、これらを装着しなかった場合、トーチ本体を損傷させる場合があった。

なお、従来から、チップ１６と電極１４とを接触させてスタートさせる方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。プラズマノズル内に可動リングとバネを設け、これらを押し上げ摺動させてパイロットアークを発生させる方法である。この方法では、カップ内に可動リングとバネがあり、作動ガスの旋回を行う場合、これらが障害となって不規則な旋回をする。また、アーク発生時には、熱変形や溶着を起こしてスタート不安定や切断性を悪くする。

また、特許文献２の背景技術には、図７や図８に示すように、ガスによってプラズマノズルを摺動させるプラズマ切断トーチが記載されている。この方法では、ガスによってプラズマノズルを上下運動させている。しかし、プラズマノズルの上下運動はガスの伸縮によるため、応答性が悪く、スタートが不安定となり、切断性が悪くなる。また、溶着して摺動しない場合が生じるといった欠点がある。

特開平３−１１４６７７号公報 特開２００５−２８８４４６号公報

以上のように、従来のプラズマアーク切断装置１１では、切断用電源４の内部に高周波発生装置３６を設け、スタート時に高周波電圧（例えば、３〜７ｋＶ／ｍｍ）を発生させる。故に、切断用電源４の内部の制御基盤や回路にノイズが乗り、誤動作の原因となった。そのため、安全回路や絶縁トランス等を設ける必要があり、高価で複雑な回路構成になっていた。また、プラズマ切断トーチ７のチップ１６と電極１４との間に高周波電圧３〜７ｋＶ／ｍｍをかけるため、これらに接触すると感電する恐れもあった。

また、従来のプラズマ切断トーチ７では、チップ１６と電極１４との間は常に空間を設けたままである。従って、チップ１６と電極１４との導通検出はオープン検出（つながっていない）である。万が一チップ１６や電極１４の装着を忘れたとしても、装着されている場合と同様に開いた信号検出（つながっていない）となり、チップ１６や電極１４の装着不備を判別することができなかった。なお、チップ１６と電極１４のどちらかを装着し忘れると、トーチ本体内部でアークが発生してトーチ本端を焼損させる場合がある。

また、パイロット電源３５や高周波発生装置３６等が必要であり、あわせて、高周波誤動作防止の安全回路等も必要となるため、複雑な回路構成となっていた。

上記課題を解決するために、本発明のプラズマ切断トーチは、本体金具と、前記本体金具と同軸で前記本体金具よりも電子放射方向に設けられたノズル金具と、前記本体金具および前記ノズル金具の内側に前記軸方向に往復移動可能に設けられたスライド金具と、前記スライド金具の前記電子放射方向の側に設けられた電極と、前記電極の外周部に設けられプラズマ流を緊縮するチップと、前記電極の外周部に設けられたオリフィスと、前記スライド金具を前記チップから離れる方向へ移動させるための電磁石を備え、前記スライド金具に作動ガスが供給されることにより前記電極と前記チップとが接触するように前記スライド金具が移動し、前記電磁石が作動することにより前記電極と前記チップとの接触が解除した状態となるように前記スライド金具が移動するものである。

また、本発明のプラズマ切断トーチは、上記に加えて、スライド金具とオリフィスとの間に、前記スライド金具をチップから離れる方向へ移動させるバネを備え、切断を行っていない状態、すなわち、作動ガスが流れていない状態では、電極と前記チップとの接触が解除した状態を維持するものである。

また、本発明のプラズマ切断トーチは、上記に加えて、切断を行っていない状態、すなわち、作動ガスが流れていない状態では電極とチップとは接触しておらず、作動ガスが供給されることで前記電極と前記チップとが接触した状態となり、電磁石を作動させることで前記電極と前記チップとの接触が解除された状態となるものである。

また、本発明のプラズマアーク切断装置は、上記のプラズマ切断トーチと、切断用電源装置を備えたプラズマアーク切断装置であって、前記切断用電源装置は、パイロットアークを発生させるための前記プラズマ切断トーチに高周波電圧を供給するための高周波電源部を備えておらず、前記プラズマ切断トーチの電極とチップとの接触を検出する接触検出回路を備えたものである。

また、本発明のプラズマアーク切断装置は、上記に加えて、電極とチップとが接触するようにスライド金具を移動させた状態において、接触検出回路で前記電極と前記チップとの接触が検出されない場合には、異常であることを報知する報知部を設けたものである。

また、本発明のプラズマアーク切断装置は、上記に加えて、電極とチップとが接触している状態で前記電極と前記チップとの間に電圧を印加し、この状態で前記電極と前記チップとの接触を解除させることでアークを発生させるものである。

以上のように、本発明のプラズマ切断トーチは、電磁石によりスライド金具を移動させることで電極とチップの接触と接触解除を行うことにより、電極とチップとの接触や離脱をスムーズに行うことができる。

また、本発明のプラズマアーク切断装置は、切断用電源装置には、パイロットアークを発生させるためのプラズマ切断トーチに高周波電圧を供給するための高周波電源部を備えておらず、プラズマ切断トーチの電極とチップとの接触を検出する接触検出回路を備えている。従って、高周波を与えるための構成が不要となり、簡単な構成とすることができ且つ安全性を高めることができる。また、電極とチップとの接触を検出することができるので、電極やチップの取り付け忘れを抑制することができる。

本発明の実施の形態１におけるプラズマ切断トーチの要部を示す図 本発明の実施の形態１におけるプラズマ切断トーチの要部を示す図 本発明の実施の形態１におけるプラズマアーク切断電源の回路構成の概要を示す図 従来のプラズマアーク切断装置の概略構成を示す図 従来のプラズマ切断トーチの先端部の要部を示す図 従来のプラズマ切断電源の回路構成の概要を示す図 従来のプラズマ切断用トーチの先端部の概要を示す図 従来のプラズマ切断用トーチの先端部の概要を示す図

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１について、図１から図３を用いて説明する。なお、図４から図８と同様の箇所については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図１と図２は、本実施の形態１におけるプラズマ切断トーチの要部を示す図である。なお、図１は電極とチップとの接触が離れた状態を示す図であり、図２は電極とチップとが接した状態を示す図である。図１と図２において、プラズマ切断トーチ本体に、同軸の本体金具１３とノズル金具１８を設けている。なお、ノズル金具１８は、本体金具１３よりも電子放射方向、すなわち、プラズマ噴出孔の側に設けられている。また、プラズマ切断トーチ本体に、本体金具１３の軸方向に上下移動するスライド金具２２を設けている。このスライド金具２２は、本体金具１３やノズル金具１８の内側に設けられている。

スライド金具２２は、第１のスライド金具２２Ａに第２のスライド金具２２Ｂを挿入し、例えばネジやロウ付け等により互いに固定されている。

第１のスライド金具２２Ａの上部には、プラズマアークを発生させるための電気を供給するフレキシブルな電線２８が接続されている。具体的には、電線２８の先端部分に圧着端子を取り付け、この圧着端子内に第１のスライド金具２２Ａの一部を挿通し、ワッシャ２７、スプリングワッシャ２６、ナット２５を用いることで、スライド金具２２と電線２８とを電気的に接続している。

また、第２のスライド金具２２Ｂの端部には、電子放射面を有する電極１４を取り付けている。そして、スライド金具２２を上下移動可能とする構造となっており、スライド金具２２を上下に移動させ、スライド金具２２を上側にスライドさせた場合には電極１４とチップ１６とが離れた状態となり、スライド金具２２を下側にスライドさせた場合には電極１４とチップ１６とが接触した状態となる構造としている。なお、下側とは、プラズマ噴出孔の側であり、上側とは、下側とは反対の方向の側である。

電極１４の外周部には、プラズマ流を緊縮するチップ１６と、耐熱性を有する絶縁物からなるオリフィス１７とを隣接して設けている。また、スライド金具２２とオリフィス１７との間にバネ１５を設けており、切断を行っていない状態、すなわち、作動ガスが流れていない状態ではバネ１５によりスライド金具２２は上方に押し上げられており、電極１４とチップ１６とは接触していない状態にある。

そして、作業者がトーチスイッチ２４を操作することで作動ガスが流れ、冷却ケーブル８を介して送られてきた作動ガスをガス導管であるパイプ３１内に通した後、本体金具１３からスライド金具２２へ導く。なお、バネ１５の強さは、作動ガスがスライド金具２２を下方へ押しやる強さより弱くしており、作動ガスが流れることにより、図２に示すように、作動ガスがスライド金具２２に流れ、作動ガスの圧力によりスライド金具２２を下方へ押しやり、電極１４はチップ１６に接触する。また、作動ガスは、第１のスライド金具２２Ａに設けた噴出孔２２Ｃを通って、第２のスライド金具２２Ｂの内面へと流す環状経路を通り、オリフィス１７を介してチップ１６の内側と外側に作動ガスを通す構造としている。

スライド金具２２の上方には電磁石３２を設けており、後述するように電極１４がチップ１６に接触した後に後述するように電磁石３２を作動させることで、スライド金具２２が上方に移動する構造としており、スライド金具２２が上方へ移動することで、電極１４とチップ１６との接触状態が解除される。

なお、アークが発生している間はずっと電磁石３２を作動させており、切断を終了するために作業者がトーチスイッチ２４を操作すると、電磁石３２の作動が停止され、作動ガスの供給も停止される。そして、電磁石３２の作動と作動ガスの供給が停止された状態では、バネ１５により、電極１４とチップ１６とが接触していない状態が保持される。

なお、電磁石３２を作動させることでスライド金具２２を上方に移動させる構造としては、例えば、スライド金具２２に磁石が取り付けられており、作動ガスがスライド金具２２を下方へ押す力よりも強い磁力でスライド金具２２を電磁石３２の方向へ引き付けることで、スライド金具２２を上方へ移動することができる。

ここで、本実施の形態１における電磁石３２ではなく、背景技術のように作動ガスを用いてスライド金具２２の上下移動を行わせる場合について考える。この場合、スライド金具２２とノズル金具１８との隙間から作動ガスが漏れたり、作動ガスの圧縮膨張により、電極１４とチップ１６との接触や離脱の速度が不安定になり、スムーズに電極１４とチップ１６の接触や離脱を行うことが困難となる。そこで、本実施の形態１では、電磁石３２を用いてスライド金具２２をスライドさせる構造としており、電極１４とチップ１６との離脱をスムーズに行うことができる。

図３は、本実施の形態１におけるプラズマアーク切断装置の回路の概要の一例を示している。図３では、背景技術で説明した図６におけるパイロット電源３５や高周波発生装置３６を設けない構成としている。また、図３では、電極１４とチップ１６の導通、すなわち、電極１４とチップ１６との接触を認識するための動作回路３７（比較回路）を設けた構成としている。なお、例えば、電極１４とチップ１６との間にゼロより大きく１００Ｖ以下の電圧を印加し、電極１４とチップ１６との間の電圧が所定の閾値以下であるか否かを検出し、所定の閾値以下であれば電極１４とチップ１６とが接触していると判断する。あるいは、電圧を印加している状態で電流を検出し、検出した電流が所定の閾値以上であれば接触していると判断するようにしてもよい。

そして、チップ１６と電極１４との接触による導通を確認した後、チップ１６と母材５との接触を検出する。

なお、チップ１６と電極１４との接触の検出を行っている状態でこれらの接触が検出されない場合には、チップ１６や電極１４が取り付けられていない等の異常状態であるので、異常であることをランプやブザー等の報知部により知らせるようにしている。この報知部は、例えば切断用電源４に設けられる。一方、チップ１６と電極１４との接触が検出され、チップ１６と母材５との接触導通がある場合には、電極１４に１００Ｖ以下の電圧を印加し、直流３０Ａ以下の電流に制御しながらアークを発生させるようにしている。

本実施の形態１によれば、従来の問題点を解決することができる。従来は、切断用電源４の内部に高周波発生装置３６を設け、高周波電圧３〜７ｋＶ／ｍｍを印加してアークスタートを行っていた。しかし、本実施の形態１によれば、チップ１６と電極１４とが接触した状態で、チップ１６と電極１４との間に例えば５Ｖ以上１００Ｖ以下程度の電圧を印加し、この状態で電磁石３２を作動させてチップ１６と電極１４との接触を解除して離れた状態にすることでアークを発生させる。従って、従来の構成のように、高周波発生装置３６を設ける必要はなく、１００Ｖ以下の低い電圧を印加してアークスタート行うことができ、３０Ａ以下の電流でプラズマアークを制御するので、従来に比べて安全である。

また、本実施の形態１では、アークスタート時のチップ１６と電極１４との間に印加する電圧を１００Ｖ以下と低くしても、良好なアークスタートを行わせることができる。従って、高周波電圧３〜７ｋＶ／ｍｍを印加する必要がなく、切断用電源４の内部の制御基盤や回路に高周波ノイズが乗らないので、安全なプラズマ切断トーチや切断用電源４を提供することができる。

また、アークスタート時の電圧は低くてよいので、高周波発生用のトランス等も不要になり、信頼性や安全性も高く、安価な切断用電源４を製作でき、このメリットは大なるものがある。

また、電磁石３２を用いることでスライド金具２２を上方に移動させることができ、スライド金具２２に取り付けられた電極１４を上方にスライドさせることができるので、チップ１６と電極１４との離脱を容易に行わせることができる。

以上のように、従来は高周波電圧３〜７ｋＶ／ｍｍを発生させるためのトランスや高周波発生装置３６が必要であったが、本実施の形態１の構成では、これらが不要となった。また、切断用電源４を構成する回路等にノイズが乗らないので、高周波用安全回路を削除でき、この効果は大なるものがある。

また、従来は、チップ１６と電極１４との間に高周波電圧３〜７ｋＶ／ｍｍをかける必要があった。しかし、本実施の形態１の構成では、１００Ｖ以下の低い電圧で使用可能であり、安全である。

また、従来のプラズマ切断トーチ７と切断用電源４との構成では、チップ１６と電極１４との間が常に開いていた。従って、万が一チップ１６や電極１４の装着を忘れた場合、異常であることが検出できず、トーチ本体が焼損する場合があった。しかし、本実施の形態１では、チップ１６と電極１４を接触させる動作を行うことができ、接触させることで導通検出を行うことができ、接触させる動作を行っているにも関わらず接触が検出されない場合は異常であり、異常であれば異常であることをブザー等の報知部により知らせることができる。

また、従来の切断用電源４が備えていたパイロット電源３５や高周波発生装置３６や安全回路等が、本実施の形態１の切断用電源４では不要であり、簡単な回路構成で切断用電源４を製作できるので、安全かつ安価な切断用トーチや切断用電源４やプラズマアーク切断装置を実現できる。

以上のように、切断作業の長期安定化や安全性を確保した切断用トーチや切断用電源やプラズマアーク切断装置を提供でき、その効果は大なるものがある。

本発明のプラズマ切断トーチおよびプラズマアーク切断装置は、電極とチップとの接触や離脱をスムーズに行うことができ、また、高周波高電圧を印加せず簡単な構成として安全性を高めるとともに電極やチップの取り付け忘れを抑制することができるので、作動ガスを用いて切断を行うプラズマ切断トーチおよびプラズマアーク切断装置として産業上有用である。

１ トーチ先端部
２ コンプレッサ
３ レギュレータ
４ 切断用電源
５ 母材
６ 接地ケーブル
７ プラズマ切断トーチ
８ 冷却ケーブル
９ パイロットケーブル
１０ トーチスイッチケーブル
１１ プラズマアーク切断装置
１３ 本体金具
１４ 電極
１５ バネ
１６ チップ
１７ オリフィス
１８ ノズル金具
２２ スライド金具
２２Ａ 第１のスライド金具
２２Ｂ 第２のスライド金具
２２Ｃ 噴出孔
２４ トーチスイッチ
２５ ナット
２６ スプリングワッシャ
２７ ワッシャ
２８ 電線
３１ パイプ
３２ 電磁石
３５ パイロット電源
３６ 高周波発生装置
３７ 動作回路

Claims (6)

1. 本体金具と、
   前記本体金具と同軸で前記本体金具よりも電子放射方向に設けられたノズル金具と、
   前記本体金具および前記ノズル金具の内側に前記軸方向に往復移動可能に設けられたスライド金具と、
   前記スライド金具の前記電子放射方向の側に設けられた電極と、
   前記電極の外周部に設けられプラズマ流を緊縮するチップと、
   前記電極の外周部に設けられたオリフィスと、
   前記スライド金具を前記チップから離れる方向へ移動させるための電磁石を備え、
   前記スライド金具に作動ガスが供給されることにより前記電極と前記チップとが接触するように前記スライド金具が移動し、
   前記電磁石が作動することにより前記電極と前記チップとの接触が解除した状態となるように前記スライド金具が移動するプラズマ切断トーチ。
2. スライド金具とオリフィスとの間に、前記スライド金具をチップから離れる方向へ移動させるバネを備え、切断を行っていない状態、すなわち、作動ガスが流れていない状態では、電極と前記チップとの接触が解除した状態を維持する請求項１のプラズマ切断トーチ。
3. 切断を行っていない状態、すなわち、作動ガスが流れていない状態では電極とチップとは接触しておらず、作動ガスが供給されることで前記電極と前記チップとが接触した状態となり、電磁石を作動させることで前記電極と前記チップとの接触が解除された状態となる請求項１または２記載のプラズマ切断トーチ。
4. 請求項３に記載のプラズマ切断トーチと、切断用電源装置を備えたプラズマアーク切断装置であって、
   前記切断用電源装置は、パイロットアークを発生させるための前記プラズマ切断トーチに高周波電圧を供給するための高周波電源部を備えておらず、前記プラズマ切断トーチの電極とチップとの接触を検出する接触検出回路を備えたプラズマアーク切断装置。
5. 電極とチップとが接触するようにスライド金具を移動させた状態において、接触検出回路で前記電極と前記チップとの接触が検出されない場合には、異常であることを報知する報知部を設けた請求項４記載のプラズマアーク切断装置。
6. 電極とチップとが接触している状態で前記電極と前記チップとの間に電圧を印加し、この状態で前記電極と前記チップとの接触を解除させることでアークを発生させる請求項４または５記載のプラズマアーク切断装置。

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