JP2017521814A - 高エネルギー効率、高出力のプラズマトーチ - Google Patents
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Abstract
Description
−高エネルギー伝達効率を有するが高い維持コストを要する高電流型、または
−維持コストは低いが冷却水への熱損失が高い高電圧型である。
−円筒形のトーチ本体と、
−トーチ本体の内部に同軸上に取り付けられた円筒形の後方電極と、
−後方電極と同軸上に、後方電極の前方に取り付けられた、貫通穴を有する短いパイロットチューブ状電極と、
−短いパイロット電極と同軸上に、短いパイロット電極の前方に取り付けられた、貫通穴を有する長いチューブ状挿入部と、
−長いチューブ状挿入部と同軸上に、長いチューブ状挿入部の前方に取り付けられた、貫通穴を有する短い前方電極と、
−電極及び長いチューブ状挿入部の両方と円筒形のトーチ本体との間に取り付けられ、シールされた通路を提供する円筒チューブ状筐体であって、トーチの動作時に電極及び長いチューブ状挿入部から熱を除去するために通路を通して流体冷媒が循環する、円筒チューブ状筐体と、
−後方電極とパイロット電極との間に提供され、後方電極とパイロット電極との間のチャンバー内に適切なガスの渦流を発生させるための第1の渦発生器と、
−パイロット電極と長いチューブ状挿入部との間に提供され、長いチューブ状挿入部内に適切なガスの渦流を発生させるための第2の渦発生器と、
−長いチューブ状挿入部と短い前方電極との間に提供され、短い前方電極内に適切なガスの渦流を発生させるための第3の渦発生器と、
−後方電極と前方電極との間に接続され、渦発生器によって提供されたガスの流動を通してアークを維持するための電力供給手段と、
−後方電極とパイロット電極との間にアーク放電を点火するための手段であって、アークが、長いチューブ状挿入部内で、前方電極に到達するのに十分長くなるようにする、アーク放電を点火するための手段と、
−パイロット電極及び前方電極の表面におけるアーク発生点が、電極からの金属の侵食を均一に分布させ、それによってトーチ寿命を延長するために、円運動で電極の表面上を急速に移動するように、電流及び電圧のアークパラメータを、渦発生器で提供されるガス流動と協調させるための手段と、を含む。
−トーチ本体と、
−トーチ本体内に取り付けられたチューブ状後方電極と、
−後方電極の前方に取り付けられたパイロットチューブ状電極と
−パイロット電極の前方に取り付けられたチューブ状挿入部と、
−チューブ状挿入部の前方に取り付けられた前方電極と、
−電極及びチューブ状挿入部の両方とトーチ本体との間に取り付けられて通路を提供する筐体であって、通路を通して流体冷媒が循環する、筐体と、
−後方電極とパイロット電極との間のチャンバー内に適切なガスを提供するための第1の供給システムと、
−チューブ状挿入部内に適切なガスを提供するための第2の供給システムと、
−第1の電極内に適切なガスを提供するための第3の供給システムと、
−供給システムによって提供されたガスの流動を通してアークを維持するための電力供給部と、
−後方電極とパイロット電極との間でアーク放電を点火するための点火システムであって、アークが、長いチューブ状挿入部内で、前方電極に到達するのに十分長い、点火システムと、
−電流及び電圧のアークパラメータを供給システムによって提供されるガス流動と協調させるための協調システムと、を含む、ガスヒータープラズマトーチを提供する。
a)例えば銅からなり、水冷され、アークのために必要な電子を放出するためのタングステンまたは例えばトリウム、ジルコンもしくはランタンでドープされたタングステンからなる挿入部を備え、または、タングステンまたはタングステンドープ挿入部を有する場合に不活性パイロットガスで動作する必要があることを避けるためにハフニウム挿入部を備えた、ボタンカソードと、
b)例えば銅からなり、水冷され、ボタンカソードと同軸上に取り付けられ、カソードとパイロット挿入部との間の絶縁破壊に続いて確立されるパイロットアークのための一時アノードとして使用される、短いチューブ状パイロット挿入部と、
c)例えば電気的及び熱的に絶縁性の材料からなり、カソード及びパイロット挿入部の両方に対して同軸上に取り付けられ、まず、カソードとパイロット挿入部との間で確立されたパイロットアークによって発生した高温プラズマガスを導き、動作時には、必要なアーク電圧を得るためにアークを延長させるために使用される、長いチューブ状挿入部と、
d)例えば銅からなり、水冷され、カソード、パイロット挿入部及び長い挿入部のアセンブリと同軸上に取り付けられ、カソードとパイロット挿入部との間のパイロット放電によって発生し、長いチューブ挿入部によって導かれた高温プラズマガス内の電圧絶縁破壊に続いてボタンカソードと電極との間に確立された主アークのためのアノードとして使用される、短いチューブ状電極と、
を含む種類のエネルギー効率の高い高出力プラズマトーチが、絶縁材料を含むアーク延長器の使用が冷却水への熱損失を大きく制限するため、高電圧低電力で、ガスへのエネルギー伝達の高いエネルギー効率で動作可能である。
比較のために、長いチューブ状の銅アノードまたは図1に関して説明したような絶縁挿入部を備えるプラズマトーチで試験を行った。
10 カソード
12 パイロット挿入部
13 パイロットアーク
15 長いチューブ状挿入部
16 アノード
17、18、19 ガス
20 主アーク
21 第1のスイッチ
23 第2のスイッチ
24 DC電力供給部
31 金属リング
32 シーリングリング
33 絶縁性の材料のリング
34 金属リング
35 シーリングリング
36 絶縁性の材料のリング
37 金属リング
38 シーリングリング
Claims (54)
- 無移送アークモードで動作するように適合されたガスヒータープラズマトーチであって、導入されるガスへの高い熱伝達効率を特徴とし、
−円筒形のトーチ本体と、
−前記トーチ本体の内部に同軸上に取り付けられた円筒形の後方電極と、
−前記後方電極と同軸上に、前記後方電極の前方に取り付けられた、貫通穴を有する短いパイロットチューブ状電極と、
−前記短いパイロット電極と同軸上に、前記短いパイロット電極の前方に取り付けられた、貫通穴を有する長いチューブ状挿入部と、
−前記長いチューブ状挿入部と同軸上に、前記長いチューブ状挿入部の前方に取り付けられた、貫通穴を有する短い前方電極と、
−前記電極及び前記長いチューブ状挿入部の両方と前記円筒形のトーチ本体との間に取り付けられ、シールされた通路を提供する円筒チューブ状筐体であって、前記トーチの動作時に前記電極及び前記長いチューブ状挿入部から熱を除去するために前記通路を通して流体冷媒が循環する、円筒チューブ状筐体と、
−前記後方電極と前記パイロット電極との間に提供され、前記後方電極と前記パイロット電極との間のチャンバー内に適切なガスの渦流を発生させるための第1の渦発生器と、
−前記パイロット電極と前記長いチューブ状挿入部との間に提供され、前記長いチューブ状挿入部内に適切なガスの渦流を発生させるための第2の渦発生器と、
−前記長いチューブ状挿入部と前記短い前方電極との間に提供され、前記短い前方電極内に適切なガスの渦流を発生させるための第3の渦発生器と、
−前記後方電極と前記前方電極との間に接続され、前記渦発生器によって提供されたガスの流動を通してアークを維持するための電力供給手段と、
−前記後方電極と前記パイロット電極との間にアーク放電を点火するための手段であって、前記アークが、前記長いチューブ状挿入部内で、前記前方電極に到達するのに十分長くなるようにする、アーク放電を点火するための手段と、
−前記パイロット電極及び前記前方電極の表面におけるアーク発生点が、前記電極からの金属の侵食を均一に分布させ、それによってトーチ寿命を延長するために、円運動で前記電極の表面上を急速に移動するように、電流及び電圧のアークパラメータを、前記渦発生器で提供されるガス流動と協調させるための手段と、を含む、ガスヒータープラズマトーチ。 - 前記長いチューブ状挿入部が前記短いパイロット電極よりも大きな直径を有する、請求項1に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記長いチューブ状挿入部が絶縁材料からなる、請求項1に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記長いチューブ状挿入部が、金属リングによって分離された絶縁材料からなる複数の環状リングを含む、請求項1に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記長いチューブ状挿入部が、金属リングによって分離された絶縁材料からなる複数の環状リングを含み、前記金属リングが、前記リング間に電気的絶縁を提供するシールによって分離された、請求項1から3のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記後方電極が、電子を放出するために、タングステン挿入部または、例えば、トリウム、ジルコンもしくはランタンでドープされたタングステンを有して提供される、請求項1に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記後方電極が、電子を放出するために、ハフニウム挿入部を有して提供される、請求項1に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記後方電極、前記パイロット電極及び前記前方電極が銅からなる、請求項1に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記長いチューブ状挿入部の絶縁材料がシリコンカーバイドからなる、請求項1に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記長いチューブ状挿入部の絶縁材料がHexoloyシリコンカーバイドからなる、請求項1に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記長いチューブ状挿入部の絶縁材料が窒化ホウ素からなる、請求項1に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 絶縁材料の前記環状リングがシリコンカーバイドからなる、請求項4または5に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 絶縁材料の前記環状リングがHexoloyシリコンカーバイドからなる、請求項4または5に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 絶縁材料の前記環状リングが窒化ホウ素からなる、請求項4または5に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- オリフィスが、前記チューブ状挿入部の様々な位置に設けられ、前記アークのカラムの周りの渦流において接線方向にガスを導入する、請求項1から3のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- オリフィスが、前記環状リングの様々な位置に設けられ、前記アークのカラムの周りの渦流において接線方向にガスを導入する、請求項4または5に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 磁気コイルまたは永久磁石が前記前方電極の周囲に設けられ、前記電極からの金属の侵食を均一に分布させ、それによってトーチの寿命を延長するように、アーク発生点を前記電極の表面上において円運動で急速に移動させる、請求項1に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- −トーチ本体と、
−前記トーチ本体内に取り付けられたチューブ状後方電極と、
−前記後方電極の前方に取り付けられたパイロットチューブ状電極と
−前記パイロット電極の前方に取り付けられたチューブ状挿入部と、
−前記チューブ状挿入部の前方に取り付けられた前方電極と、
−前記電極及び前記チューブ状挿入部の両方と前記トーチ本体との間に取り付けられて通路を提供する筐体であって、前記通路を通して流体冷媒が循環する、筐体と、
−前記後方電極と前記パイロット電極との間のチャンバー内に適切なガスを提供するための第1の供給システムと、
−前記チューブ状挿入部内に適切なガスを提供するための第2の供給システムと、
−前記前方電極内に適切なガスを提供するための第3の供給システムと、
−前記供給システムによって提供されたガスの流動を通してアークを維持するための電力供給部と、
−前記後方電極と前記パイロット電極との間でアーク放電を点火するための点火システムであって、前記アークが、前記長いチューブ状挿入部内で、前記前方電極に到達するのに十分長くなるようにする、点火システムと、
−電流及び電圧のアークパラメータを前記供給システムによって提供されるガス流動と協調させるための協調システムと、を含む、ガスヒータープラズマトーチ。 - 前記チューブ状挿入部が実質的に長い、請求項18に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記パイロット電極が実質的に短い、請求項18または19に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記前方電極が実質的に短い、請求項18から20のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記チューブ状挿入部が前記パイロット電極よりも大きな直径を有する、請求項18から21のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記後方電極、前記パイロット電極、前記チューブ状挿入部及び前記前方電極の少なくとも1つが実質的に円筒形である、請求項18から22のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記筐体が実質的に円筒形である、請求項18から23のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記後方電極が、前記トーチ本体内に実質的に同軸上に取り付けられた、請求項18から24のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記パイロット電極が、前記後方電極と同軸上に、前記後方電極の前方に取り付けられた、請求項18から25のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記チューブ状挿入部が、前記パイロット電極と同軸上に、前記パイロット電極の前方に取り付けられた、請求項18から26のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記前方電極が、前記チューブ状挿入部と同軸上に、前記チューブ状挿入部の前方に取り付けられた、請求項18から27のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記後方電極、前記パイロット電極、前記チューブ状挿入部及び前記前方電極が、実質的に円筒形である、請求項18から28のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記トーチ本体が実質的に円筒形である、請求項18から29のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記流体冷媒のための経路がシールされた、請求項18から30のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記経路を通って循環する前記流体冷媒が、前記トーチの作動時に、前記電極及び前記チューブ状挿入部から熱を除去するように適合された、請求項18から31のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記第1、第2及び第3の供給システムがそれぞれ、第1、第2及び第3の渦発生器を含む、請求項18から32のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記第1の渦発生器が、前記後方電極と前記パイロット電極との間に設けられ、前記後方電極と前記パイロット電極との間のチャンバー内に適切なガスの渦流を発生させる、請求項18から33のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記第2の渦発生器が、前記パイロット電極と前記チューブ状挿入部との間に設けられ、前記チューブ状挿入部内に適切なガスの渦流を発生させる、請求項18から33のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記第3の渦発生器が、前記チューブ状挿入部と前記前方電極との間に設けられ、前記前方電極内に適切なガスの渦流を発生させる、請求項18から33のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記電力供給手段が、前記供給システムまたは前記渦発生器によって提供されるガスの流動を通して前記アークを維持するために、前記後方電極と前記前方電極との間に接続された、請求項18から36のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記協調システムが、前記パイロット電極の表面上及び前記前方電極上のアーク発生点が、前記電極からの金属の侵食を実質的に均等に分布させ、それによってトーチの寿命を延長するように、前記電極の表面上を円運動で急速に移動するように、電流及び電圧のアークパラメータを、前記供給システムまたは前記渦発生器によって提供されたガス流動と協調させるように適合された、請求項18から37のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記チューブ状挿入部が絶縁性の材料からなる、請求項18から38のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記チューブ状挿入部が、金属リングによって分離された、絶縁性の材料からなる複数の環状リングを含む、請求項18から39のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記チューブ状挿入部が、金属リングによって分離された、絶縁性の材料からなる複数の環状リングを含み、前記金属リングが、前記リングの間に電気的絶縁を提供するシールによって分離された、請求項18から39のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記後方電極が、電子を放出するために、タングステン挿入部または、例えば、トリウム、ジルコンまたはランタンでドープされたタングステンを有して提供される、請求項18から41のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記後方電極が、電子を放出するために、ハフニウム挿入部を有して提供される、請求項18から41のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記後方電極、前記パイロット電極及び前記前方電極が銅からなる、請求項18から41のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記チューブ状挿入部の絶縁性の材料がシリコンカーバイドからなる、請求項18から41のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記チューブ状挿入部の絶縁性の材料がHexoloyシリコンカーバイドからなる、請求項18から41のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記長いチューブ状挿入部の絶縁性の材料が窒化ホウ素からなる、請求項18から41のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 絶縁性の材料の前記環状リングがシリコンカーバイドからなる、請求項40または41に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 絶縁性の材料の前記環状リングがHexoloyシリコンカーバイドからなる、請求項40または41に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 絶縁性の材料の前記環状リングが窒化ホウ素からなる、請求項40または41に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記アークのカラムの周囲の渦流にガスを接線方向に導入するために、オリフィスが前記チューブ状挿入部に様々な位置において設けられた、請求項18から50のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記アークのカラムの周囲の渦流にガスを接線方向に導入するために、オリフィスが前記環状リングに様々な位置において設けられた、請求項40または41に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記電極からの金属の侵食を均一に分布させ、それによってトーチの寿命を延長するために、前記アーク発生点を前記電極表面において円運動で急速に移動させるように、磁気コイルまたは永久磁石が前記前方電極の周囲に設けられた、請求項18から52のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。
- 前記ガスヒータープラズマトーチが、無移送アークモードで動作するように適合された、請求項18から53のいずれか一項に記載のガスヒータープラズマトーチ。
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