JP2592025B2 - 減圧用インダクションプラズマトーチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、減圧下の誘導結合型
プラズマ内でセラミックスや金属等の粉体を効率よく加
熱し、溶解して噴射でき、主として溶射に使用されるイ
ンダクションプラズマトーチに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、インダクションプラズマトーチと
しては、透明石英で形成された外側管、中間管、キャリ
アガス導入管からなる三重構造のトーチに水冷誘導コイ
ルを設けたものが多く用いられている。本来、インダク
ションプラズマトーチを用いて被溶射物上に満足できる
溶融皮膜を形成させるためには、プラズマ炎を完全に左
右にバランスよく発生させて、供給される粉体を完全溶
融させることが必要であり、このためにはトーチの構成
において前記各管が完全に同心円状に形成されているこ
とが必要である。

【０００３】しかしながら、石英製の外側管、中間管、
キャリアガス導入管の各管を用いて完全に同心円状のト
ーチを構成することは非常に難しいとされている。

【０００４】本発明者らはこのような状況に鑑みて、さ
きに窒化ほう素の焼結体を素材として用いた完全に同心
円状のインダクションプラズマトーチを提案した。即
ち、窒化ほう素焼結体よりなり、内部に多段の同心円状
挿着孔を形成した円筒状支持体に、窒化ほう素焼結体製
のキャリアガス導入管、中間管および外側管を順次嵌合
螺着させるとともに、前記支持体内の中間管と外側管の
先端に該管に対して接線方向にガスを導入するガス供給
管を嵌合螺着した構造のインダクションプラズマトーチ
である。

【０００５】このトーチの構成を図４の縦断面図で説明
すると、図において４１は窒化ほう素焼結体を加工して
得た円筒形状の支持体である。この支持体４１の内部に
は４１ａ〜４１ｅの多段の挿着孔が支持体４１を旋盤等
にて孔加工、ネジ切りを繰返すことにより同心円状に設
けられており、これらの挿着孔にキャリアガス導入管４
４、中間管４３、外側管４２が嵌合螺着により固定され
ている。

【０００６】この円筒状支持体４１に対する挿着孔の形
成は、まず、キャリアガス導入管４４を貫通挿着するた
めの挿着孔４１ａを支持体４１に貫通形成し、次に中間
管４３の挿着孔４１ｂを支持体４１のほぼ中間の位置に
挿着孔４１ａと同心円状に形成し、その後外側管４２の
挿着孔４１ｃを形成する。次いで、中間管４３支持用挿
着孔４１ｂの上方に中間管４３の内径と同じか又は若干
小径の挿着孔４１ｄを、また外側管４２支持用挿着孔４
１ｃの上方に外側管４２の内径と同じか又は若干小径の
挿着孔４１ｅを形成する。

【０００７】このようにして内部に同心円状の４１ａ〜
４１ｅを形成した窒化ほう素焼結体製の円筒状支持体４
１に、同じく窒化ほう素焼結体を用いて夫々円筒形状に
作った外側管４２、中間管４３、キャリアガス導入管４
４およびプラズマガス供給管４５、シースガス供給管４
６を取り付けるには、まず、挿着孔４１ａに下方からキ
ャリアガス導入管４４を貫通させ、ネジ４９で螺着固定
する。その後同様にして挿着孔４１ｂに中間管４３を、
挿着孔４１ｃに外側管４２を順次螺着し、次いでプラズ
マガス供給管４５、シースガス供給管４６を夫々挿着孔
４１ｄ、４１ｅに接線方向に設けたネジ部４１ｆ、４１
ｇに挿着し螺着する。なお、外側管４２の内周面と中間
管４３の外周面との間は供給するガスの速度を増して冷
却効率を高めるため約１ｍｍの小間隙となっている。

【０００８】このようにして窒化ほう素焼結体を用いて
同心円状に構成したインダクションプラズマトーチを用
い、プラズマガス供給管４５からキャリアガス導入管４
４と中間管４３との間にアルゴンガスなどのプラズマガ
スを５リッター／分で供給し、シースガス供給管４６か
ら中間管４３と外側管４２との間にアルゴンガスなどの
シースガスを外側管冷却用ガスとして２０リッター／分
で供給し、キャリアガス導入管４４からキャリアガスと
ともに粒径５〜１００μｍの粉体を１ｇ／分供給する状
態で誘導コイル５１に５ＫＷ、１３．５６ＭＨｚの高周
波を印加すると、左右によくバランスのとれた正常なプ
ラズマ炎５２が発生して粉体が溶融され、被溶射物５０
上に皮膜が形成される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに窒化ほう素焼結体を素材として用いて完全に同心円
状構造に製造したインダクションプラズマトーチによっ
て溶融粉体の溶射を行なったとしても、減圧中のプラズ
マ炎は長く、上記トーチの下端ではシースガスとプラズ
マガスとが混在してしまってシースガスによる外側管の
冷却が十分に行なわれないため、外側管が過熱される結
果、外側管外部の酸素と窒化ほう素とが結合して昇華
し、窒化ほう素製外側管の外壁から崩れて外側に穴があ
くという欠点がある。

【００１０】上記の欠点を防止するために、外側管の外
層にさらに管を設けて、この管にアルゴンガスなどの冷
却ガスを通して外側管を冷却することが考えられるが、
アルゴンガス等の不活性ガスは高価であり、経済的に困
難である。また不活性ガスに代えて冷却水を用いること
も考えられるが、この場合、冷却水に溶けている酸素な
どによって外側管の外壁が崩れることが懸念される。こ
のほか、窒化ほう素焼結体を素材としたインダクション
プラズマトーチは機械的強度が小さく、減圧用チャンバ
ーに取り付ける際に破壊するという問題もある。さら
に、このようなトーチ内に誘導コイルを配設する時にシ
ースガス導入管やプラズマカス導入管が障害となって、
その取り付けが困難であった。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記した
従来の減圧用インダクションプラズマトーチにおける問
題点を解消すべく検討の結果、外側管、中間管等のトー
チ構成部材を窒化硅素焼結体製として機械的強度を向上
せしめるとともに冷却水による冷却を可能ならしめ、か
つ誘導コイルの取付けを容易にした減圧用インダクショ
ンプラズマトーチを得るに至ったものである。

【００１２】即ち、この発明は窒化硅素焼結体を素材と
した外側管、中間管、キャリアガス導入管および耐熱ガ
ラス製の冷却管と、この冷却管の外周に配置した高周波
誘導コイルとから構成されたプラズマトーチであって、
上記外側管の下端がトーチ下方に連接されている減圧チ
ャンバー内に臨むように該外側管の下方をトーチ支持下
部フランジおよびそれに係合する外側管支持下部リング
にて支持し、上記外側管、中間管、キャリアガス導入管
および冷却管の上部が順次夫々の支持リングとＯリング
にて支持、シールされるとともに、これらの支持リング
は互いに係合して直接または間接にトーチ支持上部フラ
ンジに支持されている構造の減圧用インダクションプラ
ズマトーチを提供することを目的とするものである。

【００１３】

【作用】この発明はトーチを構成する外側管、中間管、
キャリアガス導入管を窒化硅素焼結体製とすることによ
って機械的強度の向上と冷却水による冷却を可能とし、
また、減圧チャンバー内に臨む外側管下方にフレームア
ース防止用絶縁リングを設けて高周波電力の耐電圧を向
上せしめ、さらにこのプラズマトーチを支持するロッド
棒を３本として誘導コイルの取り付けを容易にしたもの
である。

【００１４】

【実施例】以下、この発明の一実施例を図に基いて詳細
に説明する。図１はこの発明の減圧用インダクションプ
ラズマトーチの縦断面図であって、１はトーチ本体を示
し、このトーチ本体１は窒化硅素焼結体を素材とした外
側管３、中間管４、キャリアガス導入管５および耐熱ガ
ラス製冷却管６と、この冷却管６の外周に配設した高周
波誘導コイル１３とで構成され、金属製のトーチ支持下
部フランジ７と上部フランジ１７に支持されて、この両
フランジ７、１７がロッド棒１４に螺着固定されてい
る。そしてこのトーチ１はその下方で減圧用チャンバー
２と気密状態で連接されて外側管３の下端部３ａが減圧
チャンバー２内に臨むようになっている。

【００１５】次に、このトーチ１の構造をその組立工程
順序にしたがって説明すると、上記金属製トーチ支持下
部フランジ（以下、下部フランジという）７の中央部に
は円筒形状トーチ１の下方が貫通する開口孔７ａが設け
られ、この開口孔７ａの周囲には上または下から溝７ｂ
が形成され、該溝７ｂに金属製蓋７ｃがろう付けまたは
溶接されている。そして該溝の一部から外部縁端部に向
って接線方向に冷却水導入孔７ｄが設けられていて、下
部フランジ７を冷却する冷却水が導入され、図示してい
ないが溝から接線方向に設けられた排出孔から排出され
る。

【００１６】この下部フランジ７の下部には同じように
中央部に開口部８ａを有するセラミックスなどの絶縁材
からなるフレームアース防止用絶縁リング８がビス８ｃ
によって下部フランジ７に固定されている。そして上記
開口部８ａの上端縁部８ｂは座ぐりされていてトーチ１
の外側管３の下端部３ａが係合できるようになってい
る。このフレームアース防止用絶縁リング８はトーチ１
にて誘導コイル１３に高周波電力を印加し、プラズマフ
レームを発生させて溶射を行なう時に、プラズマフレー
ムを直接下部フランジ７にアースされて該下部フランジ
７が損傷するのを防止する役目を果すものである。

【００１７】９は下部フランジ７の上部にある金属製の
外側管支持下部リングで、中央部は開口部９ａを形成
し、該開口部９ａの上部には図２に示すように４ヶ所に
突起部９ｂが形成されている。また、この外側管支持下
部リング９には冷却水導入口９ｃが外部から開口部９ａ
の接線方向に２ヶ所設けられていて、冷却水はこの導入
口９ｃから外側管３と冷却管６の間を通って外側管３を
冷却しつつ排水口１６ｃから排出するようになってい
る。この冷却水導入口９ｃを２ヶ所設けるのは１ヶ所の
みでは導入口に近い部分で冷却水が淀んで流れが悪くな
り、外側管冷却の効率が低下するためである。

【００１８】外側管３はその下方が中央部より広く形成
されており、その上方寄りに突起部３ｂが形成されてい
る。このような形状の外側管３をまず上記した下部フラ
ンジ７の開口孔７ａに挿入し、その下端部３ａをフレー
ムアース防止用絶縁リング８の上端縁部８ｂに係合させ
る。このように絶縁リング８に係合させた外側管３の上
端から外側管支持下部リング９を挿入し、該下部リング
９の突起部９ｂと外側管３の突起部３ｂを係合せしめて
ビス９ｄによって下部フランジ７と固定するとともにＯ
リング７ｅによってシールする。また、下部フランジ７
と外側管３との間は外側管３の突起部３ｂの下部に設け
た金属製で外側が開口するＣ型Ｏリングまたは耐熱樹脂
製のＯリング１０でシールする。このＯリングは外側管
３の機械的な保護としてクッションの役目も果す。

【００１９】上記外側管支持下部リング９の上縁端部９
ｅは座ぐりされており、この座ぐりされた上縁端部９ｅ
上に外側管３の上端から挿入された冷却管６の下端部が
係合され、冷却管６の上方から下部リング９上に挿入さ
れた絶縁リング１１をビス１１ａによって下部リング９
と固定するとともに、冷却管６に当接するシリコン製Ｏ
リング１２によって下部リング９、絶縁リング１１およ
び冷却管がシールされる。次いで冷却管６の上方からそ
の中央部周囲に高周波誘導コイル１３を配設し、図示省
略した支持装置にて固定される。

【００２０】１４は上下部先端にネジが切られているロ
ッド棒であって、その下部先端ネジで下部フランジ７と
減圧チャンバー２の上部フランジ２ａを固定するととも
にＯリング２ｂでシールされる。このロッド棒１４によ
る下部フランジ７と減圧用チャンバー２の固定は図１の
ように共締めではなく別個に固定するようにしてもよ
い。１５は金属製冷却管支持リングであり、その中央部
は冷却管６が挿通できるように開口１５ａしていて冷却
管６の上方から挿入される。

【００２１】１６は金属製の外側管支持上部リングで、
中央部は外側管３が挿通できるよう開口１６ａしてい
て、外側管３の上方から挿入され、その下部端部１６ｂ
は座ぐりされ、冷却管６の上端部と係合できるようにな
っている。また、開口１６ａの中ほどに開口１６ａと接
線方向から外部に向って冷却水排出用の排水口１６ｃが
設けられている。１７は金属製のトーチ支持上部フラン
ジ（以下、上部フランジという）であり、中央部が外側
管３の内径と同じ内径に開口１７ａし、外側管３の上方
から嵌合され、その下部端部は座ぐりされて外側管３の
上端部と係合できるようになっている。また、この上部
フランジ１７の外端近傍にはロッド棒１４に係合できる
孔１７ｂが設けられている。

【００２２】しかして、冷却管支持リング１５はビス１
５ｃによって外側管支持上部リング１６に固定され、外
側管支持上部リング１６はビス１６ｄによって係合面を
座ぐりした上部フランジ１７に固定される。そして上部
フランジ１７はその外側近傍の孔１７ｂをロッド棒１４
に挿通し、絶縁物１８を介して該ロッド棒１４の上部先
端ネジにナット２２により固定される。なお、冷却管支
持リング１５、外側管支持上部リング１６と冷却管６と
はシリコン製Ｏリング１５ｂによってシールされ、外側
管支持上部リング１６、上部フランジ１７と外側管３と
はシリコン製Ｏリング１６ｅによってシールされる。外
側管３と冷却管６との間隙は外側管３を冷却する冷却水
の通路であり、約２ｍｍに設定される。

【００２３】１９は金属製中間管支持リングであり、そ
の中央部の開口は上方の開口１９ａを中間管４の外径と
同じ寸法とし、下方の開口１９ｂはそれより１ｍｍ程度
広い、即ち外側管３の外径寸法とする下方開口１９ｂを
広くした段状に形成されている。そして、下方開口１９
ｂから外縁端部に向って接線方向にシースガス導入口１
９ｃが設けられ、シースガス導入管１９ｄに接続されて
いる。上記中間管支持リング１９はビス１９ｆにて係合
面を座ぐりした上部フランジ１７に固定され、Ｏリング
１９ｅによってシールされる。この中間管支持リング１
９の開口部に中間管４が嵌合され、その上端突出部４ａ
にて該支持リング１９上に支持される。

【００２４】２０は凸形状のキャリアガス導入管支持リ
ングであり、その開口２０ａ内にキャリアガス導入管５
が挿入される。開口２０ａはその下端から中ほどまでを
中間管内径に等しい広径の開口２０ｂとし、この開口２
０ｂから外部に向って接線方向にプラズマガス導入口２
０ｃが設けられ、プラズマガス導入管２０ｇに接続され
ていてキャリアガス導入管５と中間管４の間のプラズマ
ガス送入路となる。そして、このキャリアガス導入管支
持リング２０は中間管支持リング１９の座ぐりされた上
面と係合させてビス２０ｄで固定するとともにシリコン
製Ｏリング２０ｅによってシールされる。これによって
突出部4aを中間管支持リング１９上に係止させた中間管
４も固定されるが、この時上記中間管４の突出部４ａ上
に支持リング２０との間にシリコン製Ｏリング２０ｆを
入れることによって中間管４にかかる機械的圧力が緩和
される。このキャリアガス導入管支持リング２０の開口
に挿入するキャリアガス導入管５は、その上部近傍に突
出部５ａが形成されており、この突起部５ａをキャリア
ガス導入管支持リング２０の上部に載置し、その上から
トーチ固定リング２１を嵌合し、ビス２１ａで固定さ
れ、シリコン製Ｏリング２１ｂにてシールされる。この
時、キャリアガス導入管５の突起部５ａとトーチ固定リ
ング２１との間にはシリコン製Ｏリング２１ｃを嵌め込
むことによって該突起部５ａにかかる圧力を緩和するこ
とができる。

【００２５】この発明の減圧用インダクションプラズマ
トーチは上記のようにして得られるが、各所に用いるビ
スは仮止めにて順次組立てたのち、最後に堅締め固定す
ればよい。また、トーチは通常トーチ支持上部フランジ
１７と下部フランジ７を４本のロッド棒１４にて支持し
ているが、図３に上部フランジ１７の平面図として示す
ように上部、下部フランジの周縁のほぼ直角三角形の頂
点の位置のロボット棒固定孔１４ａ、１４ｂ、１４ｃに
て３本のロッド棒にて支持するようにしてもよく、この
ようにすれば誘導コイル１３を大きな間隔を有するロッ
ド棒の間から取り付けることができ、従来の誘導コイル
取付時においてシースガス導入管やプラズマガス導入管
が障害になるという問題も解消することができ、また、
取り付けた誘導コイルの方向を変える必要が生じた時で
もロッド棒間隔が大きいので容易に変更できる利点を有
するのである。

【００２６】図１においては、トーチ下部において外側
管３と外側管支持下部リング９とを係合する両者の突起
部３ｂ、９ｂとして係合面が何れもテーパ状を呈する突
起部を示しているが、必ずしもテーパ状に限定されるも
のではない。

【００２７】実際に、この発明のプラズマトーチを使用
してプラズマガス導入管２０ｇからキャリアガス導入管
５と中間管４との間にアルゴンガスのようなプラズマガ
スを１０リッター／分で螺旋状に、またシースガス導入
管１９ｄから中間管４と外側管３との間にシースガスと
してアルゴンガスを３０リッター／分で螺旋状に供給
し、冷却水導入口９ｃから冷却管６と外側管３との間に
５リッター／分で冷却水を供給し、さらに下部フランジ
７を冷却するために冷却水導入口７ｄから冷却水を５リ
ッター／分で供給しながら、キャリアガス導入管５から
キャリアガスとしてアルゴンガス５リッター／分ととも
に粒径１０〜２０μｍのＣｕあるいはＳｉ粉体の溶射物
質を供給する状態で誘導コイル１３に２０ＫＷ、１３．
５６ＭＨｚの高周波電力を印加したところ、左右によく
バランスのとれたプラズマフレームにより減圧チャンバ
ー内に載置したガラス、金属、セラミックスなどの被溶
射物上に均一で熱導電性、絶縁性にすぐれ、耐電圧の高
い皮膜を形成することができ、また外側管は冷却水によ
って十分冷却されているため、過大に熱せられることも
なく、かつ窒化硅素焼結体を素材としたことも併せて外
側管の損傷は全く認められなかった。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の減圧用
インダクションプラズマトーチは、これを構成する外側
管、中間管、キャリアガス導入管等を窒化硅素焼結体製
とすることによって機械的強度を向上させ、また酸素に
よる影響を受けにくいことから外側管とその外側に設け
た冷却管との間に外側管を冷却する媒体として冷却水を
供給しても外側管を損傷することなく十分な冷却がで
き、従って満足しうるプラズマ溶射を行なうことができ
るのである。さらにトーチ支持下部フランジの下方にフ
レームアース防止用絶縁リングを設けたことと、トーチ
支持下部フランジ内に冷却水を供給するようにしたこと
によって減圧チヤンバーに載置した被溶射物にプラズマ
溶射する時、プラズマフレームが下部フランジにアース
されたり、過大の熱によって下部フランジが損傷するこ
とを防止できて均一な溶射皮膜を形成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の減圧用インダクションプラズマトー
チの構造を示す部分縦断面図である。

【図２】図１中の外側管支持下部リングの平面図であ
る。

【図３】図１中のトーチ支持上部フランジにおけるロッ
ド棒の固定位置を示す説明図である。

【図４】従来のインダクションプラズマトーチの縦断面
図である。

【符号の説明】

１ トーチ ２ 減圧チヤンバー ３ 外側管 ４ 中間管 ５ キャリアガス導入管 ６ 冷却管 ７ トーチ支持下部フランジ ８ フレームアース防止用絶縁リング ９ 外側管支持下部リング １３ 高周波誘導コイル １４ ロッド棒 １５ 冷却管支持リング １６ 外側管支持上部リング １７ トーチ支持上部フランジ １９ 中間管支持リング ２０ キャリアガス導入管支持リング ２１ トーチ固定リング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡田 順 大阪府大阪市東淀川区淡路２丁目14番３ 号 株式会社三社電機製作所内 (72)発明者 橘 秀久 大阪府大阪市東淀川区淡路２丁目14番３ 号 株式会社三社電機製作所内 (72)発明者 村田 裕康 大阪府大阪市東淀川区淡路２丁目14番３ 号 株式会社三社電機製作所内 (56)参考文献 特開 平１−265499（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−265500（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−159350（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−161600（ＪＰ，Ｕ) 溶接技術、38〜６！（平２−６− １）、産報出版社、馬込 正勝、インダ クションプラズマ溶射、Ｐ．80−84 金属表面技術協会第76回講演大会要旨 集、（昭62−９−10）、社団法人 金属 表面技術協会、馬込 正勝、新川 勉、 エミリオ 藤原、インダクションプラズ マ溶射装置、Ｐ．４−５ 昭和62年度日本溶射協会（第46回学術 講演論文集）、（昭62−５−28）、日本 溶射協会、馬込 正勝、新川 勉、エミ リオ 藤原、インダクションプラズマ熱 源による溶射装置の開発、Ｐ．18−23

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 窒化硅素焼結体を素材とした外側管、中
   間管、キャリアガス導入管および耐熱ガラス製の冷却管
   と、この冷却管の外周に配置した高周波誘導コイルとか
   ら構成されたプラズマトーチであって、上記外側管の下
   端がトーチ下方に連接されている減圧チャンバー内に臨
   むように該外側管の下方をトーチ支持下部フランジおよ
   びそれに係合する外側管支持下部リングにて支持し、上
   記外側管、中間管、キャリアガス導入管および冷却管の
   上部が順次夫々の支持リングとＯリングにて支持、シー
   ルされるとともに、これらの支持リングは互いに係合し
   て直接または間接にトーチ支持上部フランジに支持され
   ていることを特徴とする減圧用インダクションプラズマ
   トーチ。
2. 【請求項２】 外側管は下方近傍に突起部を有し、該突
   起部と外側管支持下部リングに有する突起部とを係合す
   るとともに、上記外側管支持下部リングの突起部下方に
   Ｃ型Ｏリングを設けてトーチ支持下部フランジおよび外
   側管支持下部リングと係合する請求項１記載の減圧用イ
   ンダクションプラズマトーチ。
3. 【請求項３】 外側管支持下部リングには外部から外側
   管と冷却管との間に冷却水を導く冷却水導入口を有する
   請求項１記載の減圧用インダクションプラズマトーチ。
4. 【請求項４】 トーチ支持下部フランジおよび上部フラ
   ンジが３本のロッド棒にて支持されている請求項１記載
   の減圧用インダクションプラズマトーチ。