JP2775198B2 - アークトーチ用ガス冷却カソード - Google Patents

アークトーチ用ガス冷却カソード

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は直流（dc）アークトーチ用ガス冷却カソード
に関するものである。直流アークトーチは、ワークピー
スでアノードを構成するTIG溶接器などの転移アーク装
置（transferred arc devices）とは異なる。TIG溶接器
の場合カソードをシース（sheath）で包囲しており、当
該シースを通して極めて高い流量の不活性ガス（動作ガ
ス（working gas）ではない）をポンプで供給して不活
性環境を作りだし、カソードとワークピースの酸化を防
いでいる。
また、直流アークトーチは、ジェットエンジン用に考
案された断続アーク装置（intermittent arc devices）
とも異なる。
直流アークトーチの場合、直流（dc）アークでプラズ
マを発生させて動作ガスを加熱し、中空アノードから成
るノズルを通して外部に排出させている。この装置は長
時間連続した運転を行うものであり、例えば前記プラズ
マは蒸気発生ボイラー内の微粉砕石炭などの燃料の点火
に使用することにより発電に利用することができる。あ
るいは、石炭の燃焼の安定化に利用したり、噴射炉など
に使用して処理熱を発生させたりするなど幅広い利用が
考えられる。
発明の背景技術 従来の直流アークトーチは水冷であり、カソードとア
ノードの双方を貫通するように水路が配設されている。
融点または沸点になるとカソードが劣化してしまうため
冷却は不可欠である。あるいは、高温になるとカソード
からの輻射熱によってアークが制御不能となることもあ
る。従来は、アノードとカソードの遮断する絶縁材内部
の流路から両者の間に介在する空間に直接動作ガスを注
入していた。
水冷構造の場合、トーチと水管が接続されており、水
に導電性があるため水管路を電気的に絶縁しなくてはな
らなかった。しかしながら、このような装置の場合、使
用中にホースの一部が外れて高温、高電圧の水が噴出す
ると制御不能に陥る危険性を本質的に有している。
発明の開示 本発明は、直流アークトーチ用ガス冷却カソードを提
供するものである。前記カソード本体にはチップが接続
されている。前記カソード本体内部と前記チップ近傍に
は動作ガス用ガス路が貫設されており、前記チップに近
接する前記カソード本体部分から外部に通じている。前
記カソードとアノードとは絶縁材でできた継ぎ輪によっ
て互いに隔てられ絶縁されている。
アークを維持するうえで必要な動作ガスは全てカソー
ドを通して供給されており、アノードへ供給されてく過
程で前記カソードを冷却する。
前記ガスが前記カソード本体の外部へと流出する流出
口から下流側の前記カソードの前記チップの周囲に旋回
翼を装着する。ガスを過運動させるとカソード部分のア
ークの安定性が向上し、アノードの根元も回転するため
アノードの腐食が減少する。トーチが運転温度まで加熱
すると前記旋回翼が膨張して前記カソードと前記アノー
ドとを絶縁する継ぎ輪に密接するように特に金属製の旋
回翼が好ましい。
本発明の特に好適な実施例においては、前記カソード
内のガス路と前記チップは連設されており、従って前記
カソード内を通過する際に動作ガスは前記チップと接触
する。
図面の簡単な説明 添付図面を参照しながら実施例のみを用いて本発明を
説明する。図中、 第１図は、本発明の実施例に係るアークトーチを使用
した蒸気発生式ボイラーの外壁部分の断面図である。
第2a図は、本発明の実施例に係るアークトーチの正面
および部分断面図である。
第2b図は、第2a図のアノード部分の線II b−II bにお
ける断面図である。
第3a図は、第2a図のカソード部分の正面図である。
第3b図は、第3a図のカソードチップの正面図である。
発明の好適実施例の説明 第１図には典型的な蒸気発生式ボイラーが示されてお
り、外壁１と内壁２で構成されており、当該内壁に沿っ
て水管３が配設されている。前記壁面のくぼみの部分に
は直流アークトーチ４が収容されている。前記外壁１側
からは流路５が伸長しており、アークトーチへ動作ガス
を供給している。
使用状態では、アークトーチ４からは前記ボイラーの
内部へ向けて領域６で示されているプラズマ舌（tongu
e）を放射してチューブ３の内部の水を加熱する。矢印
７で概略的に示したダクトからは直接プラズマ内に炭塵
をポンプ注入してエネルギーの発生量を増加させてお
り、エネルギーの発生量は10倍ほど増加する。２次空気
室からの空気８をさらに炭塵と混合して旋回翼９から矢
印10で示す方向へプラズマ領域へとポンプ注入する。前
記炭塵はプラズマ内で発火して熱発生量はさらに増大
し、通常は10倍ほどになる。
第２図にはアークトーチ４の詳細が図示されており、
当該トーチはカソード11と中空アノード12で構成されて
いる。さらに前記カソードは、銅製カソード本体13（第
3a図参照）とトリウムタングステンチップ14（第3b図参
照）で構成されている。絶縁セラミック（マコール（ma
cor））継ぎ輪15が前記カソードを巻装しており、さら
にこの継ぎ輪を真鍮ハウジング16が巻装している。前記
アノード17は銅製であり、アノードとカソードは互いに
離れており、継ぎ輪15で絶縁されている。
前記アノードの外被には、第2b図に示すような溝加工
18が長手方向に施されており、全体を真鍮製水ガイド19
が巻装してアノードの外面に沿って長手方向に水路を形
成している。前記水ガイドとアノードを真鍮製アノード
ハウジング20が支持している。環状注入室21からポンプ
注入された冷却水は流路に沿って前記アノードの外部を
長手方向に流れていく。やがてこの冷却水は水ガイド19
の外部に沿って環状水排出室22へと還流する。
次ぎに第3a図を参照しながらカソード11の構造を詳細
に説明する。外側端部から前記カソード13の内部へは同
軸上にガスチャンネル23が挿入されている。前記ガスチ
ャンネル23と内側に螺刻したチャンネル24とは互いに連
設されており、当該チャンネル24はカソード内端部から
本体方向へと伸長している。ガスチャンネル23から外部
方向へは放射状に広がりを持つ流路25が伸張形成されて
おり、チャンネル24と接合している。カソード本体13の
最内端部には銅製旋回翼26が取り付けられており、外側
へ放射状に広がりをもっている。
第3b図に示しているように、カソードチップ14はドー
ム状端部27で構成され、当該端部には外部に螺刻を施し
たステム28が取り付けられており軸方向に伸びている。
カソード本体13には前記チップが螺着されており、ステ
ップ28のねじとチャンネル24のネジ切りとが螺合し、従
ってステム18がチャンネル24を完全に閉鎖し、ステムの
先端部はガスチャンネル23の端部に近接している。
実際には、酸化作用を及ぼさない窒素などの動作ガス
を流路５からチャンネル23へとポンプ注入する。動作ガ
スはステム28の先端部に衝突し、放射状に広がりを持つ
流路25からカソードの外部へと流出する。このガスはカ
ソード本体側面の切り込み部と絶縁継ぎ輪15との間に封
入される。次ぎに、旋回翼26によってアノード17の中空
内へと強制的に送出され、カソードチップ14とアノード
17との間での放電によってエネルギーを供給されてプラ
ズマ状態となる。
チャンネル23内を流動中の窒素は低温状態にあり、ス
テム28の先端部と衝突するためチップ14全体は運転中常
に冷却されていることになり、またカソード本体13も常
に冷却状態にある。
通常、旋回翼26は銅などの金属でできているため、ト
ーチ動作温度まで加熱すると前記旋回翼は膨張し絶縁継
ぎ輪15との間を封止する。
現実には、本発明の実施例に係るアークトーチで長時
間十分な運転を行うにはトーチの構造や運転条件の判断
に十分な注意を払わなくてはならない。実用的な実施例
としては、前記カソードチップ14の径を20mmまた長さを
25mmとし、前記ネジ切りステム28の突出部の長さを10mm
とする。ガス流路の径を約7mmとし、窒素のポンプ供給
流量を約2.5gm/秒とする。アークに300V、200Aの電流を
印加する場合、旋回翼26で発生する温度は800℃を越え
ることはない。
特定の実施例を参照としながら本願発明を説明してき
たが、実施形態は上述の態様に限定されるものではな
い。例えば、他の構成としてガス流路が前記カソード内
部を貫通してもよい。あるいは、必要であれば、アノー
ド12をもガス冷却して構わない。また、前記カソードチ
ップの素材はトリウムタングステンチップにのみ限定さ
れるものではなく、融点が高く、熱電子放出が可能であ
ればどのような素材でも構わない。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フォアマン，クレイグ オーストラリア国 2075 ニュー サウ ス ウェールズ セイント アイヴス ブララス アヴェニュー 24 (72)発明者 ヴァーブーム，ピーター オーストラリア国 2074 ニュー サウ ス ウェールズ トゥラムラ カタルパ クレセント 16 (56)参考文献 特開 平１−150476（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−174980（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H05H 1/28 H05H 1/34 - 1/42

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】カソード本体にチップを取り付けた直流ア
    ークトーチ用ガス冷却カソードにおいて、動作ガス用ガ
    ス流路が前記カソード本体の内部と前記チップの近傍に
    貫設されており、前記チップに近接する前記本体部分か
    ら外部に通じていることを特徴とし、また前記動作ガス
    が前記カソード本体の外部へと流出する流出口から下流
    側の前記カソードの前記チップの周囲に旋回翼が装着さ
    れていることを特徴とする直流アークトーチ用ガス冷却
    カソード。
  2. 【請求項２】前記旋回翼は金属製であり、使用状態で、
    運転温度まで前記トーチが加熱すると、膨張して前記カ
    ソードと前記アノードとを絶縁する継ぎ輪に密接するも
    のであることを特徴とする請求の範囲第１項記載の直流
    アークトーチ用ガス冷却カソード。
  3. 【請求項３】前記カソードと前記チップとは連設されて
    おり、従って前記カソード内部を流動する際に前記動作
    ガスは前記チップと接触することを特徴とする請求の範
    囲第１および２項のいずれか１項記載の直流アークトー
    チ用ガス冷却カソード。
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