JP2016528023A - 管状又は他の包囲された構造体の内面の熱処理装置 - Google Patents

Abstract

標的構造体の長手方向に延びる空洞の内面を熱処理する熱処理装置が加工ヘッドを有し、この加工ヘッドは、長手方向に延びる中央支持部材、及び中央支持部材から側方へ突き出た遠位及び近位端キャップを有する。各端キャップは、細長いプラズマアークランプの遠位端部及び近位端部をそれぞれ受け入れて中央支持部材に沿って長手方向に且つ中央支持部材周りに側方に延びるようにするためにプラズマアークランプを位置決めするよう構成された複数の孔を有し、その結果、プラズマアークランプによってひとまとめに放出された放射線が加工ヘッドから全体として半径方向外方に差し向けられるようになっている。加工ヘッドは、プラズマアークランプと熱的連絡状態にある熱交換ゾーン並びに熱交換ゾーンと流体連通状態にある冷却剤供給及び返送導管を備えた冷却剤経路を更に有する。【選択図】図１

Description

本開示内容、即ち本発明は、一般に、包囲構造体、例えばパイプの内面を熱処理する装置に関する。

〔関連出願の説明〕
本願は、２０１３年５月２８日に出願された米国特許仮出願第６１／８２８，１０２号の優先権主張出願であり、この米国特許仮出願を参照により引用し、その記載内容を本明細書の一部とする。本願は、２０１３年１１月２６日に出願された米国特許出願第１４／０９０，８８５号の優先権主張出願でもあり、この米国特許出願を参照により引用し、その記載内容を本明細書の一部とする。

熱処理は、通常、パイプ及び他の包囲構造体の内面に実施されてその構造体の或る特定の機械的特性を改善し、例えば、耐腐食性及び表面強度を向上させる。例えば、被覆又は被膜がパイプの内面上に被着されると共に高強度加熱源からの熱が被覆又は被膜に加えられることによりパイプに結合されるのが良い。かかる熱処理に適した公知の高強度加熱源としては、溶接トーチ、ハイパワーレーザエミッタ、及び電気タングステンフィラメント加熱器が挙げられる。公知の溶接トーチ及びレーザエミッタは、一度に内面の比較的僅かな部分しか処理することができず、それにより熱処理は比較的時間がかかりしかも非効率的である。電気タングステンフィラメント加熱器は、典型的には嵩張っているので小さな空洞を有する包囲構造体、例えば小径パイプの内面を熱処理することができない。

パイプ及び他の包囲構造体を熱処理する熱源としてプラズマアークランプが提案された。特に、シャーマン等（Sherman et al.）名義の国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１２／０２８６５５号（以下、「シャーマン等」という場合がある）明細書は、単一赤外プラズマアークランプを有する装置を開示しており、このプラズマアークランプは、プラズマアークランプによって生じた熱をパイプの内面の一部に向かって差し向ける熱排出開口部を備えたレフレクタ型エンクロージャ内に設けられている。

国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１２／０２８６５５号明細書

他の公知のパイプ熱処理技術と同様、シャーマン等に開示された装置は、一度にパイプ表面の比較的僅かな部分しか熱処理することができず、その結果、熱処理プロセスは時間がかかりしかも非効率的になる。

本発明の一観点によれば、標的構造体の長手方向に延びる空洞の内面を熱処理する熱処理装置を提供する。この熱処理装置は、加工ヘッドを有し、この加工ヘッドは、長手方向に延びる中央支持部材、及び中央支持部材から側方へ突き出た遠位及び近位端キャップを有する。各端キャップは、細長いプラズマアークランプの遠位端部及び近位端部をそれぞれ受け入れて中央支持部材に沿って長手方向に且つ中央支持部材周りに側方に延びるようにするためにプラズマアークランプを位置決めするよう構成された複数の孔を有し、その結果、プラズマアークランプによってひとまとめに放出された放射線が加工ヘッドから全体として半径方向外方に差し向けられるようになっている。加工ヘッドは、プラズマアークランプと熱的連絡状態にある熱交換ゾーン並びに熱交換ゾーンと流体連通状態にある冷却剤供給及び返送導管を備えた冷却剤経路を更に有する。

熱処理装置は、加工ヘッドに結合された冷却剤分配組立体を更に有するのが良く、冷却剤分配組立体は、加工ヘッドの冷却剤供給導管と流体連通状態にある冷却剤供給導管と、加工ヘッドの冷却剤返送導管と流体連通状態にある冷却剤返送導管とを含む。加工ヘッドを冷却剤分配組立体に解除可能に結合するコネクタが設けられるのが良い。

標的構造体は、円筒形パイプであるのが良く、この場合、遠位及び近位端キャップの複数の孔は、プラズマアークランプが中央支持部材周りに側方に円形のアレイをなして延びるよう円形アレイ状に構成される。より具体的に言えば、遠位及び近位端キャップの複数の孔は、円形アレイに沿ってぐるりと等間隔を置いて配置されるのが良い。さらに具体的に言えば、遠位及び近位端キャップは各々、少なくとも３つのプラズマ端キャップを受け入れる少なくとも３つの孔を有するのが良い。

加工ヘッドは、各々が端キャップに取り付けられると共に端キャップ相互間で且つ１つのプラズマアークランプ周りに延びる複数本の流管を更に有するのが良い。各熱交換ゾーンは、流管の内面及び流管内のプラズマアークランプの外面により画定される環状チャネルである。流管のうちの少なくとも１本は、少なくとも１本の流管内のプラズマアークランプにより生じた放射線を加工ヘッドから半径方向外向きの方向に反射するよう位置決めされた反射膜を有するのが良い。

冷却剤供給導管は、中央支持部材を貫通するのが良く、この場合、冷却剤経路は、遠位端キャップ内に設けられていて冷却剤供給導管の出口端部及び環状チャネルの各々の入口端部と流体連通状態にある冷却剤供給マニホルド及び近位端キャップ内に設けられていて環状チャネルの各々の出口端部及び冷却剤返送導管と流体連通状態にある冷却剤排出マニホルドを更に有する。

添付の図面は、１つ又は２つ以上の例示の実施形態を示している。

冷却剤分配組立体及び近位端部が冷却剤分配組立体に結合された加工ヘッドを有する一実施形態としての熱処理装置の斜視図である。 支持・冷却サブアセンブリ及び支持・冷却サブアセンブリの流管内に設けられたアレイ状のプラズマアークランプを有する加工ヘッドの斜視図である。 支持・冷却サブアセンブリの組立て斜視図である。 支持・冷却サブアセンブリの分解組立て斜視図である。 パイプ内に配置された加工ヘッドの一部分の縦断面図である。 支持・冷却サブアセンブリのコンポーネントの斜視図である。 支持・冷却サブアセンブリのコンポーネントの遠位端面図である。 図２（ｆ）に示されたＡ‐Ａ線に沿って取った支持・冷却サブアセンブリの縦断面図である。 加工ヘッドの断面図である。 加工ヘッドの遠位端面図である。 加工ヘッドの遠位端面図である。 冷却剤分配組立体の斜視図である。 図３（ａ）中の円で囲まれた冷却剤分配組立体の遠位端部の拡大図である。 冷却剤分配組立体の前側端面図である。 冷却剤分配組立体の縦断面図である。 加工ヘッドと冷却剤分配組立体との相互接続部を示す熱処理装置の一部分の縦断面図である。

方向を示す用語、例えば「近位」、「遠位」、「長手方向」、及び「側方」は、相対的な基準を与えるに過ぎないという目的で以下の説明に用いられており、どのような物品も使用中どのように位置決めされるべきであるか又は組立体内に若しくは環境に対してどのように設けられるべきであるかについての限定を何ら示唆するものではない。

本明細書において説明する実施形態は、標的構造体の細長い空洞の１つ又は２つ以上の内面、特に長手方向に延びる空洞を有する管状及び他の包囲構造体の内面を熱処理する熱処理装置に関する。実施形態が有用であると言える一用途は、パイプの内面への被膜の結合用途である。熱処理装置は、熱源としてアレイ状の高強度加熱ランプ、例えばプラズマアークランプを備えた加工ヘッドを有し、プラズマアークランプは、加工ヘッドが空洞中に挿入されるときにプラズマアークランプを包囲構造体の長手方向に延びる空洞内に長さ方向に（即ち、長手方向に）位置決めすることができるよう加工ヘッド上に長さ方向に（即ち、長手方向に）配置される。さらに、プラズマアークランプは、全体として標的空洞の断面輪郭を辿り且つプラズマアークランプが加工ヘッドから全体として半径方向に放射線をひとまとめに放射することができるようにする形態で加工ヘッドの中央支持部材周りに側方に位置決めされる。一実施形態では、熱処理装置は、円筒形空洞を備えた管状構造体（例えば、円筒形パイプ）を熱処理するよう構成され、この熱処理装置は、アレイ状のプラズマアークランプを有し、これらプラズマアークランプは、長手方向に延びる仕方で且つ円形空洞の円形断面を辿ると共に各プラズマアークランプを円筒形空洞の内面に比較的近接した状態で位置決めすることができる円周方向に互いに間隔を置いた側方の形態で配置されている。この形態により、加工ヘッドは、空洞の長さがプラズマアークランプによって生じるプラズマアークの長さ以下であるときに円筒形空洞全体を一度に処理することができるはずである。と言うのは、加工ヘッドは、円筒形空洞の周囲全体をぐるりと一度に熱処理することができるからである。これは、加工時間を短縮すると共に効率を向上させることが見込まれる。プラズマアークの長さよりも長い円筒形空洞の場合、加工ヘッドは、円筒形空洞を長さ方向区分の状態で処理することができ、加工ヘッドと円筒形管は、この場合も又長手方向軸線に沿って互いに対して並進される。

図１を参照すると、一実施形態によれば、熱処理装置１０は、特に円筒形空洞を備えた包囲管状構造体、例えば円筒形パイプ８０を熱処理するよう構成されており、但し、この熱処理装置は又、非円筒形長手方向空洞を有する包囲構造体を熱処理するためにも使用できる。熱処理装置１０は、２つの主要なコンポーネント、即ち、包囲構造体の内面を処理するための複数のプラズマアークランプ１２を備えた加工ヘッド２０及び加工ヘッド２０を機械的に支持すると共に冷却剤を加工ヘッド２０に供給する冷却剤分配組立体５０を有する。加工ヘッド２０は、メカニカルコネクタ３６によって冷却剤分配・支持組立体５０に物理的に結合されている。冷却剤は、脱イオン水又は当該技術分野において知られている別の適当な（非導電性の）液体冷却剤であるのが良い。

加工ヘッド２０は、全体として細長い形状を有し、特に、加工ヘッド２０が包囲構造体の標的空洞内をその長手方向軸線に沿って並進することができるように構成された断面輪郭を有し、この実施形態では、加工ヘッド２０は、円筒形パイプ８０の内径よりも小さな直径を備えた全体として円形の断面輪郭を有する。パイプ８０は、マウント（図示せず）によって定位置に固定されるのが良く、並進装置（図示せず）、例えば車輪付きカートがこの装置１０を支持して加工ヘッド２０をパイプ８０の長手方向軸線に沿ってパイプ８０に対して動かすのが良い。変形例として、装置１０は、マウント（図示せず）に固定されても良く、この場合、パイプ８０は、並進装置（図示せず）に取り付けられるのが良く、並進装置は、パイプ８０をパイプ８０の長手方向軸線に沿って加工ヘッド２０に対して動かすことができる。

図２（ａ）〜図２（ｇ）を参照すると、加工ヘッド２０は、支持・冷却サブアセンブリ２１及び支持・冷却サブアセンブリ２１に取り付けられた複数のプラズマアークランプ１２を有している。各プラズマアークランプ１２は、この実施形態では、密閉ガス型プラズマアークランプであり、しかしながら、他のプラズマアークランプ又は他の同等な高強度加熱ランプも又使用できる。密閉ガス型プラズマアークランプ１２は、管状ガスチャンバ並びにガスチャンバの各端部のところに設けられた第１の電極（例えば、アノード）及び第２の電極（例えば、カソード）を有し、第１の電極と第２の電極は、ガスチャンバ内で互いに間隔を置くと共に互いに向かい合った状態で配置される。ガスチャンバは、この実施形態では、石英材料で構成され、電極は、気体シールがガスチャンバ内に作られるような仕方でガスチャンバに取り付けられ、ガスチャンバ内には加圧ガス、例えばキセノン、アルゴン、クリプトン、又はネオンが封入される。この設計の多くの適当なプラズマアークランプが市販されており、かかりプラズマアークランプとしては、ウシオ（Ushio）電機株式会社及びヘレウス（Heraeus）株式会社によって製造されたプラズマアークランプが挙げられる。かかる適当であり且つ市販のプラズマアークランプは、代表的には、２つの電極相互間に１０ｍｍ〜４５０ｍｍ又はそれ以上の隙間及び２ｂａｒ〜７ｂａｒ又はそれ以上の内圧を有し、かかるプラズマアークランプは、約２５ｋＷ以上の範囲の出力をもたらす。各プラズマアークランプは、石英ガスチャンバ内の加圧ガスをイオン化し、それにより主として赤外、可視及びＵＶスペクトルの電磁線を生じさせるのに十分な電位を電極両端に加えることによって動作し、かかる電磁線は、プラズマアークランプから放射状に出て広がり、パイプ８０の表面との接触の際に熱を発生させる。図示の実施形態は、６つのアークランプ１２を備えており、これらアークランプは、加工ヘッド２０に沿ってぐるりと等間隔をなして配置されているが、熱処理装置１０は、例えば処理されるべきパイプ８０の直径、所望の熱出力等のような要因に応じて、これとは異なる数のアークランプ１２を有しても良い。アークアンプ１２は、加工ヘッド２０周りのアークランプ１２の分布状態が、アークランプ１２が加工ヘッド２０から半径方向外方に広がる電磁線（「加工ヘッド放射線プロフィール」）をひとまとめに発生させるのに十分である限り、加工ヘッド２０周りに等間隔に配置されても良く非等間隔に配置されても良く、図２（ｈ）で理解できるように、各プラズマアークランプ１２によって放射された放射線（図２（ｈ）では半径方向に放射線に広がる光線として示されている）は、互いにオーバーラップし、パイプ内面８０の周囲全体に達する加工ヘッド放射線プロフィールをひとまとまりとなって形成している。円筒形パイプの内部を熱処理する際、３つ又は４つ以上のプラズマアークランプが、加工ヘッド２０が全体として半径方向外向きの方向に放射状に広がる放射線を含む加工ヘッド放射線プロフィールを生じさせることができるのに十分なはずであると見込まれる。特に、加工ヘッド２０周りに等間隔を置いて配置された３つのプラズマアークランプ１２がパイプの内面全体を処理するのに十分なオーバーラップを備えた個々の放射線プロフィールを生じさせることが見込まれる。加工ヘッド２０の回転は、加工ヘッド２０が３つのプラズマアークランプを有するにせよ４つ以上のプラズマアークランプを有するにせよいずれにせよ、表面の均等且つ完全な熱処理をもたらすのに依然として有用であると言える。

中央支持・冷却サブアセンブリ２１は、長手方向に延びると共に全体に管状の冷却剤供給導管２２（図２（ｅ）参照）、冷却剤供給導管２２の各端部のところに設けられると共に中央導管２２から半径方向外方に延びる１対の端キャップ組立体（本明細書では「遠位端キャップ」２４及び「近位端キャップ」２５という）、及び端キャップ２４，２５に取り付けられると共に端キャップ２４，２５相互間で長手方向に且つ冷却剤供給導管２２周りに円周方向に延びる一連の管状冷却剤流管２９を含む。図２（ｃ）及び図２（ｄ）で理解できるように、各プラズマアークランプ１２の端部は、各プラズマアークランプ１２が流管２９を貫通し、プラズマアークランプ１２の外面と冷却剤流管２９との間に環状チャネル３３が形成されるよう端キャップ２４，２５に取り付けられており、この環状チャネル３３は、熱交換ゾーンとして役立ち、この熱交換ゾーン内において、冷却剤がプラズマアークランプ１２のガスチャンバ壁越しに流れてこれを冷却することができる（熱を吸収することによって）。各冷却剤流管２９は、二酸化珪素（シリカ又は石英と呼ばれている）材料、又はイオン化プラズマにより放出される放射線がパイプ８０を通過すると共に達することができるようにするよう可視、近ＵＶ及び近赤外スペクトルを通して比較的透明であり、しかも熱処理装置１０の動作によって生じる熱応力及び機械応力に耐えるのに十分なほど機械的に頑丈である別の材料で構成される。

図２（ｅ）で理解できるように、冷却剤供給導管２２は、近位端キャップ２５の第１のフランジ３０により互いに物理的且つ流体的に結合されている互いに異なる直径の１対の管状区分（「第１及び第２の管状区分」２２ａ，２２ｂ）を有する（但し、第１のフランジ３０及びフランジベース２６ａは、冷却剤供給導管２２に構造的に組み込まれており、第１のフランジ３０及びフランジベース２６ａは、遠位端キャップ２４及び近位端キャップ２５の一部として機能し、以下、これらを、端キャップ２４，２５を形成するコンポーネントの組立体の一部をなすものとして説明する）。冷却剤供給導管２２の内部は、冷却剤供給経路３５を構成し、この冷却剤供給経路３５内において、液体冷却剤が第２の管状区分２２ｂの入口ポート２２ｃから各プラズマアークランプ１２の熱交換ゾーン３３に流れることができる。第１の管状区分２２ａは、第２の管状区分２２ｂよりも大きな直径を有し、この第１の管状区分は又、プラズマアークランプ１２を加工ヘッド２０内に支持する構造部材としての役目を果たす。

遠位端キャップ２４は、第１の管状区分２２ａの遠位端部のところに取り付けられ、近位端キャップ２５は、第１の管状部分２２ａの近位端部のところに取り付けられている。遠位端キャップ２４は、各プラズマアークランプ１２のアノード側端部のための物理的マウント及び電気接地板として役立つと共に冷却剤供給導管２２からの冷却剤を各プラズマアークランプ１２の熱交換ゾーン３３中に流すための冷却剤供給マニホルドとして役立つ。近位端キャップ２５は、各プラズマアークランプ１２のカソード側端部のための物理的マウントとして役立つと共に各プラズマアークランプ１２の熱交換ゾーン３３からの冷却剤を加工ヘッド２０から流出させる冷却流体排出マニホルドとして役立ち、しかもコネクタ３６が冷却用冷却剤分配組立体５０を加工ヘッド２０に連結することができるようにする取り付けベースとして役立つ。

遠位端キャップ２４は、円筒形フランジ２６及びフランジ２６のリム端部に取り付けられたカバー２８を含む組立体である。フランジ２６は、第１の管状区分２２ａと同軸に設けられた環状フランジベース２６ａを有し、フランジベース２６ａの中央孔２６ｂが冷却剤供給導管２２の遠位開口部と整列するようになっている。フランジベース２６ａは、中央開口部２６ｂ周りに円周方向に間隔を置いて設けられた複数のアークランプ孔２６ｃを更に有する。流管２９の遠位端部は、各流管２９の開口部がアークランプ孔２６ｃと整列するよう遠位端キャップ２４に取り付けられている。具体的に言えば、各流管２９の遠位端部は、対応のランプ孔２６ｃを挿入されて流管２９に設けられている環状肩（図２（ｄ）に示されている）によって定位置に固定され、この環状肩は、環状フランジベース２６ａに当接し、各アークランプ孔２６ｃの内部に設けられたＯリング（図２（ｄ）に示されている）がフランジ２６と流管２９との間に液体シールを提供する。図２（ｇ）及び図２（ｉ）で最も明確に理解できるように、フランジ２６は、フランジベース２６ａの外縁部から垂直に延びて円形リム端部で終端する全体として円筒形の部分２６ｄを有する。フランジ２６は、そのリム端部が遠位方向に向くよう冷却剤供給導管２２に取り付けられている。遠位端キャップカバー２８は、ねじ２３ａによってフランジ２６のリム端部に取り付けられ、フランジ２６及びカバー２８によって画定された内部空間は、冷却流体供給マニホルド２６ｅである。シール２７が冷却マニホルド２６ｅのための液体シールとなるようカバー２８とフランジ２６との間に設けられている。カバー２８は、カバー２８がねじ２３ａによってフランジ２６に締結されたとき（図２（ｃ）で理解できるように）フランジベース２６ａのアークランプ孔２６ｃと一線をなす複数のアークランプ孔２８ａを有している。各プラズマアークランプ１２の遠位端部は、整列したアークランプ孔２８ａ／２６ｃの各組を貫通して封止ナット、Ｏリング及び座金（ひとまとめに「締結具」２３ｂと言い、図２（ｃ）に示されている）によってフランジ２６に固定されている。具体的に言えば、封止ナットは、外側にねじ山が設けられ、この封止ナットは、プラズマアークランプ１２の遠位端部を受け入れるボアを有し、封止ナットがアークランプ孔２８ａにねじ込まれると、封止ナットにより、Ｏリングがフランジ２６を押し、それにより液体シールを作ってプラズマアークランプ１２を定位置に保持する。

カバー２８は、カバー２８の中央部分から遠位側に突き出た電気接続端子２８ｂを更に有している。電気導体ケーブル３１が各プラズマアークランプ１２のアノード側端部を電気接続端子２８ｂに電気的に結合している。フランジ２６、カバー２８及び締結具２３を含む遠位端キャップ２４は、導電性材料で構成され、それにより遠位端キャップ２４は、プラズマアークランプ１２のための接地板として役目を果たす。さらに、冷却剤供給導管２２及びフランジ３０の両方の管状区分は、導電性材料で構成されている。その結果、連続電気経路が各プラズマアークランプ１２のアノードから接地板を通り、そして冷却剤供給導管２２を通って加工ヘッド２０の近位コネクタ端部まで構成されている。以下に詳細に説明するように、冷却剤分配組立体５０は、一端が加工ヘッド２０内の連続電気経路に電気的に結合されると共に他端が地面（グラウンド）に電気的に結合された導電性経路を含み、そして電源（図示せず）が各プラズマアークランプ１２のカソード側端部に電気的に結合され、それにより、電源から電流が流れると、各プラズマアークランプ１２の電極両端に電圧差を生じさせる電気回路が構成される。

近位端キャップ２５は、同軸状に整列すると共に１対のねじ２３ａによって互いに連結された第１のフランジ３０、熱遮蔽体３２、及び第２のフランジ３４を含む組立体である。第１のフランジ３０は、中央孔及びこの中央孔周りに円周方向に互いに間隔を置いて設けられた複数のアークランプ孔３０ｄを有する環状板である。第１のフランジ３０は、第１のフランジの中央孔が冷却剤供給導管２２と流体連通関係をなすと共に第１のフランジのアークランプ孔３０ｄが遠位端キャップ２４のアークランプ孔と整列するよう第１の管状区分２２ａに取り付けられている。遠位端キャップ２４と同様、締結具２３ｂが設けられ、各締結具は、各プラズマアークランプ１２の近位端部と近位端キャップ２５を固定すると共にこれらの間に液体シールを作るのに役立つ封止ナット、Ｏリング及び座金を含む。熱遮蔽体３２も又、冷却剤供給導管２２の近位開口部と整列した中央孔並びに中央孔周りに円周方向に間隔を置いて設けられると共に第１のフランジ３０のアークランプ孔３０ｄと整列した一連のアークランプ孔を有する環状板である。熱遮蔽体３２は、セラミック、又はプラズマアークランプ１２により放出された相当な量の放射線を反射し又はこれに耐えることができる別の材料で構成されている。最後に、第２のフランジ３４は、冷却剤供給導管２２の近位端部と整列した軸方向に延びる中央ボア並びに中央ボア周りに円周方向に互いに間隔を置いて設けられると共に熱遮蔽体３２及び第１のフランジ３０のアークランプ孔と整列した一連の長手方向に延びるアークランプ導管３４ａを有する全体として円筒形の物体である。第２のフランジ３４は、円筒形本体の近位端部から長手方向に延びると共に中央ボアと同軸に整列した取り付け管３４ｂを更に有している。第２のフランジ３４は、プラスチック、セラミック又は他の非導電性材料で構成されるのが良い。

冷却剤供給導管２２の第２の管状区分２２ｂは、長手方向に延びると共に第２のフランジの取り付け管３４ｂを同軸に貫通しており、取り付け管３４ｂの内径及び第２の管状区分２２ｂの外径は、環状冷却剤返送チャネル３７が取り付け管３４ｂと第２の管状区部分２２ｂとの間に構成されて冷却剤排出ポート３４ｃのところで終端するよう選択されている。第２のフランジ３４の円筒形本体の一部は中空であり、これは、各プラズマアークランプ１２の熱交換ゾーン３３から戻っている冷却剤を冷却剤返送チャネル３７経由で加工ヘッド２０から流出させる冷却剤排出マニホルド３９として役立つ。コネクタ３６は、取り付け管３４ｂの近位端部（「加工ヘッドコネクタ端部」）に取り付けられ、このコネクタは、冷却剤分配・支持組立体５０の連結端部に解除可能に結合されるよう構成されている。

図２（ｃ）及び図２（ｊ）で理解できるように、第２のフランジ３４の近位端部は、アークランプ導管３４ａと整列した一連のアークランプ孔を有し、各アークランプ１２のカソード側端部が近位端キャップ２５から突き出るようになっている。遠位及び近位端キャップ２４，２５は、支持・冷却サブアセンブリ２１に取り付けられたときにアークランプ１２の電極が端キャップ２４，２５から突き出るよう構成され、これにより、アークランプ１２のカソード側端部を電源ケーブル４１によって電源（図示せず）に直接電気的に結合することができると共にアークランプ１２のアノード側端部を加工ヘッド２０及び冷却流体分配組立体５０を通る上述の電気回路を介して電気的に接地できる。短絡を回避するため、各アークランプ１２のカソード側端部は、電気接地経路のどの部分からも電気的に隔離され、特に、第１のフランジ３０から電気的に隔離されている。近端キャップ２５及び第２のフランジ３４のところの締結具２３ｂは電気的に絶縁されており、流管石英壁及び脱イオン水の流れも又、カソードを第１のフランジ３０から電気的に絶縁している。

プラズマアークランプ１２が取り付けられると、冷却供給導管２２で始まって加工ヘッド２０を通って遠位端キャップ２４内の冷却剤供給マニホルド２６ｅに至り、そして各プラズマアークランプ１２の熱交換ゾーン３３を通り、近位端キャップ２５内の冷却剤排出マニホルド３９を通り、次に冷却剤返送チャネル３７を通る冷却剤経路が構成される。

次に図３（ａ）〜図３（ｃ）を参照すると、冷却剤分配・支持構造体５０は細長い支持部材５３を有し、この細長い支持部材は、１対の同軸状に整列すると共に長手方向に延びる管、即ち内側管５４及び外側管５６を有している。内側管５４の内部は、冷却剤供給導管６１を構成し、内側管５４及び外側管５６の直径は、環状冷却剤返送導管５５がこれらの間に構成されるようそれぞれ選択される。冷却剤供給導管６１は、支持部材５３の近位端部のところに設けられていて、取り付け具又は継手６０を通って冷却剤供給源（図示せず）に流体結合可能な冷却剤入口５４ａを有している。コネクタサブアセンブリ５２が支持部材５３の遠位端部のところに設けられ、このコネクタサブアセンブリは、加工ヘッドの連結端部に係合してコネクタ３６によりこれに結合されるよう構成されている。コネクタサブアセンブリ５２は、冷却剤供給導管６１と流体連通状態にある冷却剤供給ポート６２、冷却剤返送導管５５と流体連通状態にある冷却剤返送ポート６４並びにコネクタ３６の傾斜面に係合する止めねじ５２ｆが設けられたねじ山付き穴を各々備えた半径方向に突き出たブロック６５を含む。第２の管状区分２２ｂは、ポート６２中に挿入可能であってねじクランプ５２ｅによって固定され、それにより加工ヘッド２０と冷却剤分配・支持構造体５０が互いに連結される。連結されると、冷却剤供給ポート６２は、冷却剤供給ポート２２ｃと流体連通関係をなし、冷却剤返送ポート６４は、冷却剤排出ポート３４ｃと流体連通関係をなす。コネクタ３６は、加工ヘッド２０を容易に取り替え又は交換することができるよう解除可能である。

冷却剤分配・支持構造体５０は、支持部材５３に構造的支持作用をもたらすベースとして役立つと共に冷却剤排出マニホルドを有する分配ブロック５８を更に有し、冷却剤排出マニホルドは、冷却剤返送導管５５に流体結合されていて、この冷却剤排出マニホルドは、装置１０から使用済みの冷却剤を排出する冷却剤排出ポート５６ｂを備えている。

内側管５４は、加工ヘッド２０が支持組立体５０に取り付けられると、地面からプラズマアークランプ１２のアノード側端部まで連続電気接地経路を構成するために導電性材料で構成されている。例えば、分配ブロック５８は、電気的に接地されるのが良く、この分配ブロックは、内側管５４、導管２２、遠位端キャップ２４及びプラズマアークランプ１２のアノード側端部を接地する。次に、電圧を加熱ランプ１２の第２の電極に印加して加熱ランプ１２を作動させると共に熱を発生させるのが良い。

遠位及び近位端キャップ２４，２５の直径及び端キャップ２４，２５上の冷却剤流管２９の取り付け位置は、パイプ８０の内径に適合するよう選択され、即ち、端キャップの直径は、パイプの内径よりも小さく選択され、流管取り付け位置は、プラズマアークランプ１２をパイプ内面に近接して配置させることができると共にパイプ内面周りにぐるりと等間隔を置いて配置させることができるようにするべきである。この形態は、加工ヘッド２０が熱をパイプ内面周りにぐるりと加えることができるよう選定される。ランプ１２内におけるプラズマアークの長さは、少なくとも、処理されるべきパイプ内面の長さと同じほど長いように選択されるのが良く、その結果、加工ヘッド２０は、パイプに対して長手方向に並進することなく、熱をパイプ内面全体に加えることができる。

この実施形態では、冷却剤流管２９は、中央冷却・支持サブアセンブリ２１周りの円周方向に配置され、それにより、加工ヘッド２０を、円筒形表面を熱処理するのに特に適したものすることができる。と言うのは、長手方向に延びると共に円周方向に配置されたプラズマアークランプ１２が円筒形表面の輪郭を辿るからである。変形例として、冷却剤流管２９は、中央冷却・支持サブアセンブリ２１周りに別の形態で、例えば正方形、長円形、三角形、又は多角形形態で配置されても良い。異なる形態が処理されるべき内面の輪郭を辿るよう選択されるのが良く、例えば、包囲構造体が正方形断面を備えた長手方向空洞を有する場合、加工ヘッド２０は、流管２９が包囲構造体の内面の輪郭を辿るよう冷却剤供給導管２２周りに正方形のパターンをなして延びる状態で構成されても良い。

上述したように、各アークランプ１２のアノード側端部は、接地され、各アークランプ１２のカソード側端部は、電源に電気的に結合されている。電源は、パイプ８０の所要の熱処理を生じさせるのに十分なイオン化反応をプラズマアークランプ１２内に生じさせる出力状態に設定される。プラズマアークランプ１２を冷却すると共に過熱を阻止するため、冷却剤供給入口５４ａは、流体供給源（例えば、タンク出口、ラジエータ、又は水供給源）に流体結合され、冷却剤排出ポート５６ｂは、流体返送源（例えば、タンク入口又はドレン）に流体結合される。この場合、冷却剤を各プラズマアークランプ１２の熱交換ゾーン３３を横切って流すのが良い。プラズマアークランプ１２により生じた過剰の熱は、装置１０を通って流体返送源に至るその返送経路上で冷却剤に吸収される。加熱された冷却剤を冷却して再循環させても良く、或いは破棄しても良い。冷却剤をプラズマアークランプ１２上で連続して流して所望の温度レベルを維持する共にパイプ８０を処理することができ、或いは、冷却剤を必要に応じてプラズマアークランプ１２上を間欠的に流して温度レベルを下げても良い。

オプションとして、流管２９は、その表面の一部に施されていてプラズマアークランプ１２により生じた放射線を流管２９内で半径方向外向きの方向に且つパイプ８０の表面に向かって差し向ける反射膜（図示せず）を備える。具体的に説明すると、反射膜は、プラズマアークランプ１２と中央導管２２との間に位置する各流管２９上の長手方向セグメントを覆うのが良い。別の変形実施形態では、中央導管２２それ自体がプラズマアークランプによって生じた放射線を半径方向外向きの方向に反射するのに役立つ反射膜を備えても良い。また、流管２９に代えて、プラズマアークランプ１２の全てを一度に同時に冷却するよう遠位端キャップ２４と近位端キャップ２５との間に単一の冷却剤チャネルを構成する単一の流管（図示せず）を用いても良い。

したがって、本明細書において説明した実施形態は、小さな中空の基体、例えば小径パイプ及び管の熱処理に使用できる加工ヘッド２０を開示している。ヒートランプハウジング２０は、プラズマアークランプ１２を互いに密接して且つ湾曲した基体、例えばパイプの形状に適合する円周方向アレイをなして配置している。プラズマアークランプ１２を冷却して過熱を阻止し連続動作を可能にするために内部冷却剤経路も又設けられる。

特定の実施形態を上述したが、他の実施形態が可能であって本発明に含まれることが理解されるべきである。図示していない上述の実施形態の改造例及び変形例が実現可能であることは当業者には明らかであろう。特許請求の範囲に記載された本発明の範囲は、実施例の状態で記載された好ましい実施形態によって限定されるべきではなく、明細書の説明と全体として一貫した最も広い解釈が本発明の範囲に与えられるべきである。

Claims (19)

1. 標的構造体の長手方向に延びる空洞の内面を熱処理する熱処理装置であって、
   加工ヘッドを有し、前記加工ヘッドは、
   長手方向に延びる中央支持部材、前記中央支持部材から側方へ突き出た遠位及び近位端キャップ、及び各々が前記端キャップに取り付けられた複数の細長いプラズマアークランプを有し、前記プラズマアークランプは、前記中央支持部材に沿って長手方向に延びると共に前記中央支持部材周りに側方に位置決めされて、前記プラズマアークランプによってひとまとめに放出された放射線が前記加工ヘッドから全体として半径方向外方に差し向けられるようになっており、
   前記プラズマアークランプと熱的連絡状態にある熱交換ゾーン並びに前記熱交換ゾーンと流体連通状態にある冷却剤供給及び返送導管を備えた冷却剤経路を有する、熱処理装置。
2. 前記加工ヘッドに結合された冷却剤分配組立体を更に有し、前記冷却剤分配組立体は、前記加工ヘッドの前記冷却剤供給導管と流体連通状態にある冷却剤供給導管と、前記加工ヘッドの前記冷却剤返送導管と流体連通状態にある冷却剤返送導管とを含む、請求項１記載の熱処理装置。
3. 前記加工ヘッドを前記冷却剤分配組立体に解除可能に結合するコネクタを更に有する、請求項２記載の熱処理装置。
4. 前記標的構造体は、円筒形パイプであり、前記プラズマアークランプは、前記プラズマアークランプが前記中央支持部材周りに円形アレイをなして側方に位置決めされるよう前記端キャップに取り付けられている、請求項１記載の熱処理装置。
5. 前記プラズマアークランプは、前記円形アレイに沿ってぐるりと等間隔をなして配置されている、請求項４記載の熱処理装置。
6. 前記円形アレイに沿ってぐるりと等間隔を置いて配置された少なくとも３つのプラズマアークランプを有する、請求項５記載の熱処理装置。
7. 各プラズマアークランプは、密閉ガス型プラズマアークランプである、請求項６記載の熱処理装置。
8. 前記加工ヘッドは、各々が前記端キャップに取り付けられると共に前記端キャップ相互間で且つ１つのプラズマアークランプ周りに延びる複数本の流管を更に有し、各熱交換ゾーンは、流管の内面及び前記流管内のプラズマアークランプの外面により画定される環状チャネルである、請求項１記載の熱処理装置。
9. 前記冷却剤供給導管は、前記中央支持部材を貫通し、前記冷却剤経路は、前記遠位端キャップ内に設けられていて前記冷却剤供給導管の出口端部及び前記環状チャネルの各々の入口端部と流体連通状態にある冷却剤供給マニホルド及び前記近位端キャップ内に設けられていて前記環状チャネルの各々の出口端部及び前記冷却剤返送導管と流体連通状態にある冷却剤排出マニホルドを更に有する、請求項８記載の熱処理装置。
10. 前記流管のうちの少なくとも１本は、前記少なくとも１本の流管内の前記プラズマアークランプにより生じた放射線を前記加工ヘッドから半径方向外向きの方向に反射するよう位置決めされた反射膜を有する、請求項８記載の熱処理装置。
11. 標的構造体の長手方向に延びる空洞の内面を熱処理する熱処理装置であって、
    加工ヘッドを有し、前記加工ヘッドは、
    長手方向に延びる中央支持部材、前記中央支持部材から側方へ突き出た遠位及び近位端キャップを有し、各端キャップは、前記細長いプラズマアークランプの遠位端部及び近位端部をそれぞれ受け入れて前記中央支持部材に沿って長手方向に且つ前記中央支持部材周りに側方に延びるようにするために前記プラズマアークランプを位置決めするよう構成された複数の孔を有し、前記プラズマアークランプによってひとまとめに放出された放射線が前記加工ヘッドから全体として半径方向外方に差し向けられるようになっており、
    前記プラズマアークランプと熱的連絡状態にある熱交換ゾーン並びに前記熱交換ゾーンと流体連通状態にある冷却剤供給及び返送導管を備えた冷却剤経路を有する、熱処理装置。
12. 前記加工ヘッドに結合された冷却剤分配組立体を更に有し、前記冷却剤分配組立体は、前記加工ヘッドの前記冷却剤供給導管と流体連通状態にある冷却剤供給導管と、前記加工ヘッドの前記冷却剤返送導管と流体連通状態にある冷却剤返送導管とを含む、請求項１１記載の熱処理装置。
13. 前記加工ヘッドを前記冷却剤分配組立体に解除可能に結合するコネクタを更に有する、請求項１２記載の熱処理装置。
14. 前記標的構造体は、円筒形パイプであり、前記遠位及び前記近位端キャップの前記複数の孔は、前記プラズマアークランプが前記中央支持部材周りに側方に円形のアレイをなして延びるよう円形アレイ状に構成されている、請求項１１記載の熱処理装置。
15. 前記遠位及び前記近位端キャップの前記複数の孔は、前記円形アレイに沿ってぐるりと等間隔を置いて配置されている、請求項１４記載の熱処理装置。
16. 前記遠位及び前記近位端キャップは各々、少なくとも３つのプラズマ端キャップを受け入れる少なくとも３つの孔を有する、請求項１５記載の熱処理装置。
17. 前記加工ヘッドは、各々が前記端キャップに取り付けられると共に前記端キャップ相互間で且つ１つのプラズマアークランプ周りに延びる複数本の流管を更に有し、各熱交換ゾーンは、流管の内面及び前記流管内のプラズマアークランプの外面により画定される環状チャネルである、請求項１１記載の熱処理装置。
18. 前記冷却剤供給導管は、前記中央支持部材を貫通し、前記冷却剤経路は、前記遠位端キャップ内に設けられていて前記冷却剤供給導管の出口端部及び前記環状チャネルの各々の入口端部と流体連通状態にある冷却剤供給マニホルド及び前記近位端キャップ内に設けられていて前記環状チャネルの各々の出口端部及び前記冷却剤返送導管と流体連通状態にある冷却剤排出マニホルドを更に有する、請求項１７記載の熱処理装置。
19. 前記流管のうちの少なくとも１本は、前記少なくとも１本の流管内の前記プラズマアークランプにより生じた放射線を前記加工ヘッドから半径方向外向きの方向に反射するよう位置決めされた反射膜を有する、請求項１７記載の熱処理装置。

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