JP3157164B2 - プラズマアークトーチのための改良ノズル及び改良運転方法 - Google Patents

プラズマアークトーチのための改良ノズル及び改良運転方法

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JP3157164B2 JP51239693A JP51239693A JP3157164B2 JP 3157164 B2 JP3157164 B2 JP 3157164B2 JP 51239693 A JP51239693 A JP 51239693A JP 51239693 A JP51239693 A JP 51239693A JP 3157164 B2 JP3157164 B2 JP 3157164B2
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Description

【発明の詳細な説明】 （発明の分野） 本発明は一般にプラマアーク切断トーチ及びその運転
方法に関する。詳しくは、本発明は高精細度型トーチに
於て特に有益な改良ノズル及び改良運転方法に関する。
（従来技術の説明） 従来のプラズマアーク切断トーチの創生する移行プラ
ズマジェットの電流密度は代表的には20,000から40,000
アンペア/in2（約3,100から6200アンペア/cm2）であ
る。高精細型トーチは移行プラマジェットがずっと細い
ことが特徴であり、その電流密度も一層高く、代表的に
は約60,000アンペアin2（約9300アンペア/cm2）であ
る。高精細型トーチは狭小な切り口と直角の切断角度を
創出することから望ましい。また高精細型トーチでは熱
の影響を受ける帯域がより薄いので、ドロスの無い切断
を一段と効率的に創出し且つ融けた金属を効率的に吹掃
する。
高精細型プラズマアーク切断トーチ（以下、単に高精
細型トーチとも称する）の１つの問題は、ノズルを極め
て有効に冷却しなければならないことである。ノズルの
出口オリフィス位置のノズル壁は冷えているので冷却プ
ラズマガスの境界層がそこに薄く形成される。この薄い
境界層がノズルを保護し且つアークを狭くする。つまり
薄い境界層からのエネルギー漏れによりアークは細くな
る。プラズマアークが十分な電荷担体（イオン化）を維
持して電流を導通し続けるよう、プラズマアークはアー
クが細くなるとその中心線温度を高めてイオン化率を増
大させる。ノズルの冷却はまた、二重アーク発生及びノ
ズルオリフィスのえぐれを制御するためにも重要であ
る。このえぐれはアークが壁面と接触する際に発生す
る。必要な冷却の度合いを達成するのに水による冷却が
有効であることが分かった。
高精細型トーチの他の問題は、プラズマチャンバー内
のプラズマガス圧力とプラズマガス密度が従来型トーチ
に於けるその値の２倍以上であるのに、質量流量は依
然、従来型トーチのそれよりも小さいことである。これ
は高精細型トーチのノズルオリフィスの直径が必然的に
小さくプラズマガスは急速に絞られるので質量流量が極
小になってしまうことによるものである。この条件がト
ーチを出るプラズマガス流れを細くし、流れが細くなり
質量流量が小さくなることで少なくとも３つの他の問題
が生じる。
先ず第１には、質量流量が小さいと電極、詳しくは電
極の下端位置でのハフニウム或はジルコニウムインサー
トへのアークの付着作用位置が不安定となることであ
る。この結果インサートには均等の、放物線状の損耗パ
ターンでは無くむしろ、厳しいランダムピットが生じ、
従って電極の寿命は短くなる。また、アークの付着作用
位置がインサート上を移動するに従い、アークカラム全
体が不安定となる。原因はなんであれ不安定なアークカ
ラムは切断品質を大きく低下させ、切断角度を悪化さ
せ、ドロスが工作物の裏側に堆積する。第２に、質量流
量が小さいと、アークがノズルと相互作用する際にアー
クの周囲に薄い低温流れが発生する。この薄い低温流れ
によりアーク形状がノズル形状（条件）に極めて影響さ
れやすくなる。この結果、切断品質はノズル条件に対し
非常に敏感なものとなる。ノズル縁部に僅かな切れ目が
あるとノズルの切断角度が著しく変化し、ドロスが発生
する。第３に、アーク移行に際し必要であるように、ノ
ズルからパイロットアークを放出させるに要する時間は
高精細型トーチに関連する流量が小さいことにより大き
く増大する。酸化銅はパイロットアーク状態の時ノズル
の内側表面に堆積しやすくなる。ノズル表面は数百回の
始動後は非常に荒れるのでノズルの寿命は短くなる。
従来、種々の型式のプラズマガス流れを使用してアー
クが安定化された。先に簡単に説明した技法は低温壁安
定法と称される。この技法ではプラズマジェットに隣り
合うノズル壁が冷却される。これにより冷えたプラズマ
ガスの境界層が発生しこれがアークと接触しアークを細
く絞るのでアークはノズルから離間した状態に保持され
る。別の技法は渦流安定法である。プラズマガスがプラ
ズマチャンバー内に接続方向から射出され、プラズマガ
スに、このプラズマガスがプラズマチャンバーをノズル
の出口オリフィスに向けて軸線方向に流動する際に旋回
運動を付与する。プラズマチャンバー内をプラズマガス
が廻動するに従い、より高温の軽いプラズマガスが中央
付近に残留し、一方、遠心力によりもっと冷たく重いプ
ラズマガスがプラズマチャンバーの外側の壁に移動して
アークを安定させる冷たいプラズマガス境界層が創生さ
れる。結局、シースによる安定化もまた使用される。比
較的低温のプラズマガスの大きな軸線方向流れがアーク
を包囲する。アークからの熱がこの冷えたシースに放散
するとアークは収縮して“サーマルピンチ”効果を生じ
て安定する。
これら技法は組み合わせてもまた使用される。例え
ば、既知の高精細型トーチではプラマガス流れは代表的
には渦流でありノズルは水により冷却される。しかし高
精細型トーチでの質量流量は余りに小さく、渦流安定法
或は低温壁安定法による安定化のレベルでは先に言及し
たアーク安定化上の問題解決には不十分である。いかな
る従来技法も高精細型トーチの質量流量が小さいことに
基く他の問題、例えばノズルへの“ブラック”（酸化
銅）の堆積を解決するものではない。しかも、トーチへ
のプラズマガス流れを増大するという正攻法も、プラズ
マチャンバー内の高温のプラズマガスが厳しい絞り効果
を持つことによりうまく行かないのである。
（解決しようとする課題） 従って、解決しようとする課題は、アーク安定性、切
断品質、電極及びノズルの有効寿命を著しく増大する、
プラズマアーク切断トーチのための改良ノズル並びにそ
の運転方法を提供することであり、 電極及びノズの有効寿命全体を遠し高水準の切断品質
を提供することであり、 高電圧、高周波始動を使用してパイロットアークの開
始を容易化することであり、 電極の損耗を均等化しノズル上への酸化銅の堆積量を
大幅に減少させることであり、 直角の切断角度及び実質的にドロスが無いことにより
特徴付けられる切断を創出することであり、 アーク電流遮断に際しプラズマガス流れを完全且つ信
頼性をもって中断する必要のある運転方法との両立性を
有する改良ノズル及び改良運転方法を提供することであ
り、 ノズルオリフィスでの流れが絞り込まれることにも関
わらず強い渦流と共にプラズマチャンバーを通る高い質
量流量のプラズマガス流れを提供することであり、 既知の材料及び製造技術を使用しまた好ましい製造コ
ストにより先の利益の全てを提供することである。
（課題を解決するための手段） 本発明に従えば、 金属工作物を作製あるいは切削するためのプラズマアー
クトーチであって、 プラズマガスを、プラズマアークがその内部で形成され
るところのプラズマチャンバーに旋回リングを介して送
るためのプラズマガス入口通路を含むトーチ胴部と、 電極に関し、プラズマチャンバーを確定するように取
り付けられ、内側ノズル部材と外側ノズル部材とを含む
ノズルにして、（１）電極に隣接する上流側の入口端部
と、工作物に隣り合い且つ該工作物から離間された下流
側の出口端部とを有し、高電流密度のプラズマジェット
がトーチを出るところの中央のノズルオリフィスと、
（２）ノズルの、前記内側ノズル部材と外側ノズル部材
との間に形成したプラズマガスバイパスチャンネルにし
て、ノズルオリフィスの入口端部の下流側に位置付けら
れ且つ出口端部と隣接する入口と、前記ノズルオリフィ
スから離間したノズルの端部位置に形成した出口とを有
し、プラズマガスのバイパス流れを創出し、該バイパス
流れが、プラズマチャンバーを通してのプラズマガスの
質量流量を増大しそれにより、プラズマガスチャンバを
通しての一様性の高い且つ極めて安定したプラズマガス
の流れを創出するプラズマガスバイパスチャンネルと、 を含むノズルと、 を含むプラズマアークトーチが提供される。
また、本発明に従えば、 トーチ胴部と、電極にして、ノズルに関し、該電極と
の間にプラズマチャンバーを確定する離間関係に於いて
トーチ胴部に取り付けられた電極とを有し、ノズルの一
端に設けたノズルオリフィスが、アーク移行時にトーチ
を出て工作物に向かうプラズマアークのための出口を提
供し、該ノズルオリフィスを設けたとは反対側の端部に
は、プラズマアークをプラズマアークチャンバーに配向
するプラズマガス入口通路を形成したノズルであって、 全体的に中空の円筒状の上方部分と、下方に向けて収
斂し、前オリフィスに於て終端する下方部分とを具備す
る内側ノズル胴部と、 中空で全体的に円筒状を有し、内側ノズル胴部の上方
部分を取り巻く上方部分と、下方に向けて収斂する下方
部分にして、内側ノズル胴部の下方の部分との間部分に
環状のプラズマガスバイパチャンネルを画定する相互離
間関係に於いて内側ノズル胴部の下方部分を取り巻き、
前オリフィスと整列し且つ軸線方向に離間するノズル出
口オリフィス内で終端する下方部分とを有する外側ノズ
ル胴部と、 内側ノズル胴部の前オリフィスと、外側ノズル胴部の
ノズル出口オリフィスとの間の開口にして、ノズルから
プラズマガスバイパスチャンネルに向うプラズマガスの
ための第２の出口を提供する開口と、 プラズマガスバイパスチャンネルの、開口から遠い端
部位置に於てノズルに形成した少なくとも１つの通気開
口と、 を含むノズルが提供される。
更に、本発明に従えば、 プラズマチャンバーを間部分に確定する相互接近離間
関係に於いてトーチ胴部の下端位置に取付けられた電極
と、内側ノズル部材及び外側ノズル部材を含むノズルと
を有し、プラズマチャンバーに向うプラズマガスがプラ
ズマチャンバーの上端位置に於て渦流れを生じ、ノズル
オリフィスが、工作物への移行プラズマアークを内側ノ
ズル部材のノズルオリフィスの入口端から外側ノズル部
材の出口端に向けて案内する高電流密度型の移行アーク
プラズマ切断トーチの運転方法であって、 プラズマチャンバーからのプラズマガスの一部分を、
ノズルオリフィスの前記入口端の下流側で、且つ該プラ
ズマガスの一部分が外側ノズル部材に入る以前及びノズ
ルオリフィスを貫いてその出口端位置から出る以前に、
ノズルオリフィスを貫く質量流量を増大させることなく
プラズマチャンバー内の質量流量を増大させるべく配向
すること、 該配向と同時に、プラズマチャンバーを貫く、非常に
一様化され且つ極めて安定なプラズマガスの流れを創出
すること、 を含む高電流密度型の移行アークプラズマ切断トーチの
運転方法が提供される。
本発明に従う高精細型トーチはプラズマチャンバー内
を電極とその周囲のノズルとの間を貫いて流動するプラ
マガスのための第２のプラズマガス出口を有している。
電極は代表的にはノズルの第１のプラマガス出口である
ところの主出口オリフィスに対向するその下端位置にハ
フニウムインサートを有している。第２のプラズマガス
出口を、円形形状に間隔を置いた一組の孔として旋回リ
ング内に形成しても良い。しかしながらこの第２のプラ
ズマガス出口は、ノズルそれ自体の、旋回リングの接線
方向入口ポートの下流側の位置に形成するのが好まし
い。好ましい具体例ではノズルは２部材型ノズルであ
り、内側ノズルとこれを取り巻く外側ノズルとから成り
立っている。第２のプラズマガスノズルはこの内側ノズ
ルに形成した前オリフィスと出口ノズルに形成したノズ
ルオリフィスとの間の環状の間隙により構成される。前
オリフィスと出口ノズルとは整列し且つ軸線方向に離間
している。内側ノズルと出口ノズルとは少なくともその
前オリフィス及びノズルオリフィスに隣り合う下方部分
が相互に離間してそこにバイパス溝を画定し、このバイ
パス溝が、第２のプラズマガス出口を通しプラズマチャ
ンバーから転流するプラズマガスの一部分を通気路を介
し大気中に配向する。
通気路には、ノズルに形成されバイパス溝及びプラズ
マガス出口通路との間を流体連通する一組の通気孔が含
まれるのが好ましい。これらの通気孔は流れに抵抗を与
えるが流れを実質的に妨害することは無い。プラズマガ
ス出口通路に取付けたニードル弁その他が通気を制御す
る。バイパスチャンネル内のガスと、通気口と、ニード
ル弁の上流側の出口通路内のガスとを使用して、ノズル
位置での流れの移行を第２のプラズマガス出口から遠方
に逸らせる。高精細型トーチのプラズマガス入口の上流
側の別のニードル弁が高精細型トーチに向けてのプラズ
マガス流れ全体を制御する。所定のノズルに対し、これ
らのニードル弁は、 ｉ）第１及び第２のプラズマガス出口を通るプラズマガ
ス流れの比率の調節及び、 ii）ノズル内のプラズマガス圧力の調節を提供する。
このノズル構成により、前オリフィス位置に仮想のオ
リフィスが創生される。プラズマガス流量と渦流の強さ
とは前オリフィス位置で非常に大きくなる。この条件は
電極インサートでのアークを安定させるために重要であ
る。本発明によれば、高い質量流量のプラズマガスが、
下方のエンドフェースを含む電極を覆い掃流する。また
本発明によれば、プラズマチャンバー全体に沿って少な
くともその好ましい形態に於て伸延しノズルの出口オリ
フィスに極めて近い位置に至る高い質量流量が創出され
る。この高い質量流量がその安定度が高く且つ一様であ
り従って境界層内での乱流が殆ど無いか又は全く無いこ
ともまた重要である。
（図面の簡単な説明） 図１は旋回リング内に一組の第２のプラズマガス出口
孔を設けてなるプラズマアークトーチのプラズマチャン
バーの垂直向断面図である。
図２は、１部材型のノズルを使用し、このノズルの主
ノズルオリフィスに隣り合って一組の孔を設けこれを第
２のプラズマガス出口としてなる本発明の別態様の図１
に相当する垂直向断面図である。
図３は、２部材型のノズルを用い主ノズルオリフィス
に隣り合って複数のポートを設けこれら複数のポートが
内側バイパスチャンネルにプラズマガスを送給してなる
本発明の別態様の、図１及び２に相当する垂直向断面図
である。
図４は、２部材型ノズルと第２のプラズマガス出口と
しての環状間隙を使用してなる本発明の好ましい別態様
の図１乃至３に相当する垂直向断面図である。
図５は図４に示される好ましいノズル構成を使用する
本発明に従う高精細型トーチの垂直方向の詳細断面図で
ある。
図６は図５に示す高精細型トーチとの関連に於て使用
するためのプラズマガス流れ制御システムの部分破除し
た垂直方向の部分断面図である。
図７は本発明のノズルとその直近の構成部品の拡大部
分断面図である。
（実施例の説明） 図３から６にはプラズマガスチャンバー14の第２のプ
ラズマガス出口12を使用してプラズマガスのバイパス流
れを創出してなるプラズマアーク切断トーチ10（以下、
単にトーチ10とも称する）が示される。流れ16はバイパ
スチャンネル18と通気路20とを介し大気に通気される。
通気路20には通気孔20a、プラズマガス出口通路20b、ニ
ードル弁22が含まれる。トーチ10は胴部24と、プラズマ
ガス入口通路26と、旋回リング28と、その下方のエンド
フェース30cにハフニウムインサート32を圧着した電極3
0とを含む。
本発明の主たる特徴は、相互に離間してバイパスチャ
ンネル18を画定してなる内側ノズル部材36と外側ノズル
部材、即ち、出口ノズル部材38とを有する２部材型ノズ
ル34を使用することにある。各ノズル部材は一般にチュ
ーブ状の上方部分36a、38aと、前オリフィス36cを覆う
下方部分36b、38bと、ノズル出口オリフィス38cとを夫
々具備する。図示の如く、下方部分36b、38bは一般に切
頭円錐形状であるが、流路の直径がそこを通るプラズマ
ガス流れを絞るための直径を有してなるいろいろのコッ
プ状のものとして良い。内側ノズル部材36が取付けフラ
ンジ36dによりキャッピングされ、この取付けフランジ3
6dには旋回リング28がそこに着座する段凹所36eが設け
られる。Ｏ−リング40がノズルフランジ36dと旋回リン
グ28との界面をシールし、Ｏ−リング42がノズルフラン
ジ36dの外側表面をトーチ胴部24に対しシールする。通
気孔20aが外側ノズル部材の上方部分38aの上端位置に形
成される。凹所38dがトーチ胴部の、Ｏ−リング42並び
に他のＯ−リング44によりシールされた相対する部分と
協働し、外側ノズル部材を取り巻く出口プラズマガスチ
ャンバー46を形成する。通気孔20aは等角度間隔にて配
設される。通気孔の寸法並びに数はプラズマガスのバイ
パス流れ16に幾分かの抵抗を与えるが実質的な抵抗を与
えることは無い。この多少の抵抗によりノズルのバイパ
ス流れ16が円滑化されバイパス流れは下流側の流れ変動
から多少隔離される。
プラマガス流れ48がトーチ胴部24を貫きプラズマガス
入口通路26を介して旋回リング28の外側側面位置のプラ
ズマガス入口チャンバー52に送られる。このプラズマガ
ス入口チャンバー52は小さいプレナムとして作用し、プ
ラズマガスの一様な流れを旋回リング内の傾斜付き孔28
aの全てに分与る。この傾斜付き孔を出たプラズマガス
は接線方向に配向されて旋回流れ54（図４参照）を生
じ、内側ノズル部材36の電極と内側表面との間を通しプ
ラズマチャンバーを螺旋状に降下する。この流れは上方
部分36aと電極のこの上方部分と相対する円筒状部分と
により画定される領域に渡り実質的にその流れの断面積
は一定である。次いでこの流れは下方部分36bと電極の
下端30a位置での面取りした端部表面30bとにより画定さ
れる流路部分に沿って狭められ且つ収斂される。先に議
論したように、旋回流れは流れ領域の減少する直径と相
俟って、アークを制御する強く高速の渦を創出する。
本発明の主たる特徴は、第２のラズマガス出口12がプ
ラズマガス流れ48の有意部分を逸らせ或はバイパスさ
せ、これによりプラズマガスチャンバー内のプラズマガ
スの旋回流れ54の質量流量が高く（代表的な値は標準状
態での毎時50f3（毎時約1.4m3）なる一方で、主たるプ
ラズマガス出口流れ55の質量流量がずっと小さく（代表
的な値は標準状態での毎時10f3（毎時約0.3m3））なる
ことである。プラズマガス出口流れ55とプラズマガス入
口流れ48との間の差がバイパス流れ16となる。プラズマ
ガスの旋回流れ54の高い流量もまたその端部表面30b、3
0cを含めて電極全体に沿って維持される。前オリフィス
36cとノズル出口オリフィス38cとの間の環状間隙である
ところの第２のプラズマガス出口12をノズル出口オリフ
ィスの直前に位置付けることもまた好ましい。そうする
ことにより強い渦が特にハフニウムイインサート32から
ノズル出口オリフィス38cにかけて維持されるのでアー
クは全体的に良好に制御され且つ安定化される。
流れ中の乱流がアークを不安定化させることから、ノ
ズル構造が高度に層状の且つ一様な流れを創出すること
もまた重要である。詳しくは、下方部分36b、38bの内側
表面が前オリフィス及びノズル出口オリフィスに向けて
円滑且つ一様に傾斜している。これらの内側表面から前
オリフィス及びノズル出口オリフィスの円筒状の側壁に
かけての移行部分もまた円滑且つ一様である。前オリフ
ィスの直径はノズル出口オリフィスの直径よりも大きく
それにより、各オリフィスを貫く流量差を乱流を創出す
ることなく収受する。前オリフィスからノズル出口オリ
フィスまでの間隔は、プラズマガス流れを分割させる一
方でアーク全体の良好な制御をも維持可能であるように
選択される。
全体的に切頭円錐形状のバイパスチャンネル18の、ト
ーチの中心線56に関する角度Ａ（図示の如くトーチをそ
の上部から底部に向けて貫くガス流れの方向の中心から
測定して）もまた、バイパスチャンネルを適切に機能さ
せるために重要である。この角度Ａが厳し過ぎる、例え
ば約45度未満であるとプラズマガスのバイパス流れ16を
必要な質量流量にて抜き出すためのバイパスチャンネル
18の能力が減少する。角度Ａは45度とするのが好ましい
が、もっと大きな角度としても良い。しかし角度Ａが90
度に近付くに従い、トーチの下端部分の幾何学的寸法が
広くなるのでプラズマガス流れと工作物との相互作用が
複雑化し、トーチの前端部分からの熱の消散を妨害し、
工作物58上でのプラズマジェット57の作用を観察する能
力が低下する。（ここで“上方及び”下方“とは限定的
意味を有さない。使用に際してはトーチ或はノズル部分
の”上端は“下”端と水平或はその下方に位置し得
る。） 本発明に直接関与しないトーチ10の特徴部分を簡単に
説明する。電極30はチューブ60を介しての水による冷却
を可能とするべく中空である。冷却水は内側通路を介し
てトーチを循環して水冷却チャンバー62に至りそこでノ
ズルの下方部分38bを越えて流動し、ノズルの特にノズ
ル出口オリフィス38cの壁面を冷却する。ノズルの先端
部38eは厚くされ、熱伝導性の良好な材料、代表的には
銅を使用して形成されそれにより機械的強度と放熱子と
を提供する。Ｏ−リング64がガス入口チャンバー52を水
流路から隔絶する。ウォーターキャップ66がトーチ胴部
の下端の番号66aの位置にねじ込まれ、二次ガス流れ67
（プラズマガス流れ48、54、55と反対方向の）のための
水チャンバー62及び流路67aをそこに画定する。
二次ガス流れ67は孔開け中に上向きに飛散する溶融金
属からのノズルの保護を助成するガスシールドを創出す
る。切断作業中、この二次ガス流れの流量はアークを不
安定化させないよう減少されるが、アークが切断のため
に工作物を覆って移行される際には、切断を助成し且つ
ノズルシールド68を冷却するに十分な水準に維持され
る。ノズルシールド68は交換自在のインサート68aを含
む。このインサート68aはアークからある角度離間した
放出孔68bを含む。一組の流れ制御用ポート69がアーク
遮断時にトーチから噴出する二次ガス量を制限する。流
れ制限用ポート69の下流側の且つ旋回リング70の上流側
の二次ガス流路中のプレナム72がアークをその遮断時に
安定化させるに十分な量の二次ガスを供給する小さい局
部供給源を提供する。ノズルシールド68は導電性を有す
るが、トーチ胴部24の絶縁用の外側部分24aに対し電気
的に隔絶する状態で取付けられそれにより２重アークの
発生に対する抵抗を与える。ノズルシールドは米国特許
第4861962号の開示に従い作動する。
トーチ10は、直流電源の負極を電極30にねじ込んだ陰
極体24bに接続してなる電気回路をも含んでいる。電気
回路の正極はウォーターキャップ66並びに、トーチ胴部
に取付けたパイロットアーク回路を形成するためのその
他の導電性部材を介しノズル34に接続される。アークが
移行すると図５にプラス印で表示したような工作物58を
通る回路が完成する。説明及び図示した流路及びシール
に加え、トーチ胴部24はプラズマガス及び液体流れをト
ーチを貫いて導通させるための外側通路、外側ポート、
外側シール（図示せず）を有するが、これらは本発明の
一部を構成するものではない。
図５及び６にはトーチに対する全プラズマガス流れを
設定するのみならずバイパス流れ及びプラズマガス出口
流れ55の速度を設定するためのプラズマガス流れ制御の
ための構成が示される。ニードル弁22の位置もまた重要
である。即ち、このニードル弁が、アーク電流遮断に調
和してプラズマガス流れが漸次減少する漸次減少プロセ
スに於て、通気路内でのプラズマガス流れの変化に応答
してのプラズマガスチャンバー内のプラズマガス流れの
変化を遅延させるのである。ニードル弁22は通気路20の
絞り位置を構成する。ニードル弁22をプラズマガス出口
12に接近して位置付けると、米国特許第5070227号の開
示に従いプラズマガス流れ48、54及びアーク電流を漸次
減少し且つ遮断する場合、アークは想起に消え去ってし
まう。ニードル弁、即ち絞り位置をノズルから図示の如
く遠くすることにより、この問題を回避出来ることが分
かった。これは、バイパスチャンネル18及びプラズマガ
ス出口通路20b内のプラズマガス容量が電気的キャパシ
ターと類似の様式で作用し、ノズル内のプラズマガス流
れに対するニードル弁の絞り作動を緩和することによる
ものと考えられる。
入口ニードル弁75がトーチ10へのプラズマガスの流量
を設定する。フローメーター76と圧力計78とがプラズマ
ガス流れ48を監視する。実験目的のための第２の圧力計
80が接続され、ノズル位置でのガス圧力が測定される。
望ましいノズル出口オリフィス寸法は合計電流定格並
びに電流密度により決定される。所定のオリフィスのた
めにはプラズマガス流れはプラズマチャンバー内のガス
圧力の関数である。この圧力は結局、１）入口ニードル
弁74の設定値と、２）ニードル弁22による絞り設定量
と、それよりも度合いは小さいが、３）通気孔20aの流
れ抵抗値との関数であり且つそれらにより制御される。
しかしながら通気孔の数と寸法とは所定のノズルに対し
一定である。従って、ニードル弁の設定は２つの従属変
数、即ちノズル圧力及びバイパス流れ16に対するプラズ
マガス出口流れ55の比率を変化させる２つの独立した変
数である。
これらの変数は実験的に以下のように設定される。通
気用のニードル弁がアーク点火と同時に閉鎖される。次
いで入口ニードル弁74が所望のノズル圧力が得られるま
で変化される。プラズマガス出口流れ55のみで構成され
る流量が測定される。次いで所望の全流量が望ましい流
れ比率から算出される。最後に通気用のニードル弁22が
開放され、２つのニードル弁に対する設定値が、算出し
た全流量がフローメーター76に表示され第２の圧力計80
が所望のノズル圧力を表示するまで変化される。
商業的使用ではトーチのための合計流量は既知であ
る。また、常温流れ位置の圧力計78の位置で計測した入
口ライン圧力もまた、アーク点火に際しノズル圧力に対
し既知の様式で関与する。従って、入口ライン圧力に渡
りニードル弁22と入口ニードル弁74とをアーク点火無し
で合計流れ比率に従い設定可能である。従って圧力計80
は通常の商業的使用では必要ではない。
例示目的のためであってこれに限定するものではない
が、電流定格が15アンペア、電流密度が60,000amp/in2
（約9300amp/cm2）のトーチ10のためには、前オリフィ
スの直径は0.047インチ（約0.12cm）ノズル出口オリフ
ィスの直径は0.018インチ（約0.05cm）、長さは0.04イ
ンチ（約0.1cm）である。前オリフィスとノズル出口オ
リフィスとは0.015（約0.04cm）インチ軸線方向に離間
される。通気孔20aは３か所設けられ各々の直径は0.025
インチ（約0.05cm）である。バイパス流れ16とプラズマ
ガス出口流れ55との比率は約5:1である。プラズマチャ
ンバー内のプラズマガス流れ54の流量は合計流量と同じ
であるがその速度はもっと大きい。これは流れの断面積
が前オリフィスに入るに際し最小となるからである。
１図から３には本発明の別態様が例示される。図１で
は第２のプラズマガス出口12′が旋回リング28の傾斜し
たガス入口孔28a′の下流側に形成した一組のプラズマ
ガス出口ポート90により形成されている。（同じ構成部
品は図１ではシングルダッシュ、図２ではダブルダッシ
ュ、図３ではトリプルダッシュを付記した同じ参照番号
で示される）この配列構成はプラズマチャンバー14′内
の、しかし主にその上端付近でのプラズマガスの質量流
量が増大される。このバイパスによってはプラマチャン
バーの下端位置に強い流れは創出されず、従って、好ま
しい具体例程にはアークの安定化、電極損耗及びノズル
損耗上の利益は生じない。
図２には第２のプラズマガス出口12″を、中実の単一
部材型のノズル34″に形成した一組の開口92によって構
成してなるトーチ10″が示される。これらの開口は出口
オリフィス付近に位置付けられ、それにより、プラズマ
チャンバー14″の殆どを通して大きな質量流れと強い渦
流れ作用とが出現する。各ポート92は主オリフィス30
c″からある角度離間されるので、バイパスされるプラ
ズマガス流れがプラズマアークを妨害することは無い。
図３には、前オリフィス36c″と、ノズル出口オリフ
ィス38cとを架橋するノズル壁96に設けた一組の開口9
4によって第２のプラズマガス出口を構成したトーチが
示される。これらの開口が、分離したバイパス流れ16
を、図４乃至６におけるようなノズル部材間に形成した
バイパスチャンネル18に送る。この具体例はプラズマ
ガス流れがノズル出口オリフィスに入る直前に幾分か乱
れ且つ非一様であることを除き、図４から６に示した具
体例の利益の殆どを有している。これは、バイパス流れ
16が連続的な環状間隙とは異なり別個の開口を通して
ノズルから流出することによるものである。
本発明の第２のプラズマガス出口を使用してバイパス
流れを創出することにより、プラズマチャンバー内に高
速で強い渦流れが生じ、アークが安定化され実質的にド
ロスを生じない状態で直角の切断角度が創出される。切
断品質が電極及びノズル損耗しても維持される。強い渦
流れ、詳しくは２部材構成のノズルにおける前オリフィ
スを使用して仮想のノズルが創出され、これがアークを
ハフニウムインサートの中心に保持することから電極の
寿命が増長される。これにより電極インサートにおける
損耗が均等なものとなる。本発明により提供される大き
な流量によりパイロットアーク開始のために必要とされ
る時間が短縮され且つノズルにおけるピット付きの黒色
の内側表面の形成が減少されることからノズル寿命もま
た増長される。これらの利益は電極寿命を延ばすことに
繋がるノズルシールドやトーチの始動並びに遮断時の運
転方法とも両立する。
以上本発明を具体例を参照して説明したが、本発明の
内で多くの変更が可能であることが理解されたい。例え
ば、バイパスチャンネルが円筒形の上方部分と切頭円錐
形状の下方部分を有する通路として説明したが、これを
種々の形状、例えばコップ上の下方通路、円筒形の通路
に代わる一連の軸線方向穿孔、或は中実のノズル或はノ
ズル部材に形成され同じ組数のポートと連通してなる一
連の穿孔、或はノズルの第２のプラズマガス出口として
作用するリング状のチャンバーとしても良い。２部材型
のノズルが好ましいが、これを同じ作動上の利益を有す
る端位置部材型のものとして形成して良い。この場合、
幾分かのコスト増及び或は性能上の低下は生じ得る。本
発明における第２のプラズマガス出口形状を種々のもの
として良い。例えば円周方向に伸延する長孔、或は流路
に沿った異なる位置に形成した多数組の出口として良
い。本発明ではバイパス或は通気路に通気孔を形成した
がこれを省略可能である。この場合にも性能上の幾分の
低下は生じ得る。また、ノズルに形成した通気孔を通気
路に位置付けた別のトーチ部品に形成して良い。より一
般的には、バイパス流れ制御と、ニードル弁22及び通気
孔20aの応答遅延機能とは共に、ニードル弁或は通気孔2
0a何れか一方のみで実行可能であるが、性能上の幾分の
低下は生じ得る。
（発明の効果） 高精細度型トーチにおいて、 １）アーク安定性、切断品質、電極及びノズルの有効寿
命を著しく増大する、プラズマアーク切断トーチのため
の改良ノズル並びにその運転方法が提供される。
２）電極及びノズルの有効寿命全体を通し高水準の切断
品質が提供される。
３）高電圧、高周波始動を使用してパイロットアークの
開始が容易化される。
４）電極の損耗が均等化され、ノズル上への酸化銅の堆
積量が大幅に減少される。
５）直角の切断角度及び実質的にドロスが無いことによ
り特徴付けられる切断が創出される。
６）アーク電流遮断に際しプラズマガス流れを完全に且
つ信頼性をもって中断する必要のある運転方法との両立
性を有する改良ノズル及び改良運転方法が提供される。
７）ノズルオリフィスでの流れが絞り込まれることにも
関わらず強い渦流と共にプラズマチャンバーを通る高い
質量流量のプラズマガスが提供される。
８）既知の材料及び製造技術を使用し、また好ましい製
造コストでの上述の利益の全てが提供される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ルオー，リフェン アメリカ合衆国 03755 ニューハンプ シャー，レバノン，アパートメント ９，ボックス 800，アールアール ４ (72)発明者 ソーブル，ジョン アメリカ合衆国 03755 ニューハンプ シャー，エンフィールド，アールアール ２，ボックス 431エフ (72)発明者 バッカンダー，パトリク アメリカ合衆国 03766 ニューハンプ シャー，レバノン，アパートメント ５，プロスペクト ストリート 27 (56)参考文献 特開 平４−367377（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−40299（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−79593（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−223668（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−180378（ＪＰ，Ａ) 特公 昭39−20307（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B23K 10/00 H05H 1/34

Claims (15)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】金属工作物を作製あるいは切削するための
    プラズマアークトーチであって、 プラズマガスを、プラズマアークがその内部で形成され
    るところのプラズマチャンバーに旋回リングを介して送
    るためのプラズマガス入口通路を含むトーチ胴部と、 電極に関し、プラズマチャンバーを確定するように取り
    付けられ、内側ノズル部材と外側ノズル部材とを含むノ
    ズルにして、（１）電極に隣接する上流側の入口端部
    と、工作物に隣り合い且つ該工作物から離間された下流
    側の出口端部とを有し、高電流密度のプラズマジェット
    がトーチを出るところの中央のノズルオリフィスと、 （２）ノズルの、前記内側ノズル部材と外側ノズル部材
    との間に形成したプラズマガスバイパスチャンネルにし
    て、ノズルオリフィスの入口端部の下流側に位置付けら
    れ且つ出口端部と隣接する入口と、前記ノズルオリフィ
    スから離間したノズルの端部位置に形成した出口とを有
    し、プラズマガスのバイパス流れを創出し、該バイパス
    流れが、プラズマチャンバーを通してのプラズマガスの
    質量流量を増大しそれにより、プラズマガスチャンバを
    通しての一様性の高い且つ極めて安定したプラズマガス
    の流れを創出するプラズマガスバイパスチャンネルと、 を含むノズルと、 を含むプラズマアークトーチ。
  2. 【請求項２】プラズマガスバイパスチャンネルの入口が
    環状の間隙であり、プラズマガスバイパスチャンネル
    が、ノズルを通して前記環状の間隙から伸延される請求
    の範囲１のプラズマアークトーチ。
  3. 【請求項３】ノズルが、内側ノズル部分と、該内側ノズ
    ル部分を取り巻く外側ノズル部分とを有し、プラズマガ
    スバイパスチャンネルの入口が、内側ノズル部分及び外
    側ノズル部分間の環状の開口を含んでいる請求の範囲２
    のプラズマアークトーチ。
  4. 【請求項４】プラズマガスバイパスチャンネルが、内側
    ノズル部分及び外側ノズル部分間の空間により形成され
    且つ、プラズマガスバイパスチャンネルの入口の下流側
    でノズルに形成された少なくとも１つの通気路を含んで
    いる請求の範囲３のプラズマアークトーチ。
  5. 【請求項５】プラズマガスバイパスチャンネルが、大気
    への通気路を含んでいる請求の範囲１のプラズマアーク
    トーチ。
  6. 【請求項６】通気路が、流れ摩擦を創出するが、該通気
    路を通るプラズマガスの流れを実質的には妨害しない少
    なくとも１つの通気開口を含んでいる請求の範囲５のプ
    ラズマアークトーチ。
  7. 【請求項７】プラズマガスバイパスチャンネルが、ノズ
    ル内に形成され、中央のノズルオリフィスからノズルの
    外側表面に伸延する一組の孔を含んでいる請求の範囲１
    のプラズマアークトーチ。
  8. 【請求項８】プラズマガスバイパスチャンネルが、ノズ
    ルの入口端部からノズル出口オリフィスにかけて伸延す
    るノズルの壁部分に形成された一組の孔を含み、該一組
    の孔の各々が、ノズルの内側とプラズマガスバイパスチ
    ャンネルとの間を流体連通する請求の範囲１のプラズマ
    アークトーチ。
  9. 【請求項９】トーチ胴部と、電極にして、ノズルに関
    し、該電極との間にプラズマチャンバーを確定する離間
    関係に於いてトーチ胴部に取り付けられた電極とを有
    し、ノズルの一端に設けたノズルオリフィスが、アーク
    移行時にトーチを出て工作物に向かうプラズマアークの
    ための出口を提供し、該ノズルオリフィスを設けたとは
    反対側の端部には、プラズマアークをプラズマアークチ
    ャンバーに配向するプラズマガス入口通路を形成したノ
    ズルであって、 全体的に中空の円筒状の上方部分と、下方に向けて収斂
    し、前オリフィスに於て終端する下方部分とを具備する
    内側ノズル胴部と、 中空で全体的に円筒状を有し、内側ノズル胴部の上方部
    分を取り巻く上方部分と、下方に向けて収斂する下方部
    分にして、内側ノズル胴部の下方部分との間部分に環状
    のプラズマガスバイパスチャンネルを画定する相互離間
    関係に於いて内側ノズル胴部の下方部分を取り巻き、前
    オリフィスと整列し且つ軸線方向に離間するノズル出口
    オリフィス内で終端する下方部分とを有する外側ノズル
    胴部と、 内側ノズル胴部の前オリフィスと、外側ノズル胴部のノ
    ズル出口オリフィスとの間の開口にして、ノズルからプ
    ラズマガスバイパスチャンネルに向うプラズマガスのた
    めの第２の出口を提供する開口と、 プラズマガスバイパスチャンネルの、開口から遠い端部
    位置に於てノズルに形成した少なくとも１つの通気開口
    と、 を含むノズル。
  10. 【請求項１０】内側ノズル胴部の内側表面が、電極との
    組み合わせに於てプラズマチャンバーを貫くプラズマガ
    スのための流路を確定し、該流路が、前オリフィス位置
    での高速の渦流れを創出するための漸次狭くなる流れ半
    径を有する請求の範囲９のノズル。
  11. 【請求項１１】バイパスチャンネルが全体的に切頭円錐
    形状を有し且つ、ノズルの中心線に関して少なくとも45
    度である傾斜角度を有している請求の範囲10のノズル。
  12. 【請求項１２】プラズマチャンバーを間部分に確定する
    相互接近離間関係に於いてトーチ胴部の下端位置に取付
    けられた電極と、内側ノズル部材及び外側ノズル部材を
    含むノズルとを有し、プラズマチャンバーに向うプラズ
    マガスがプラズマチャンバーの上端位置に於て渦流れを
    生じ、ノズルオリフィスが、工作物への移行プラズマア
    ークを内側ノズル部材のノズルオリフィスの入口端から
    外側ノズル部材の出口端に向けて案内する高電流密度型
    の移行アークプラズマ切断トーチの運転方法であって、 プラズマチャンバーからのプラズマガスの一部分を、ノ
    ズルオリフィスの前記入口端の下流側で、且つ該プラズ
    マガスの一部分が外側ノズル部材に入る以前及びノズル
    オリフィスを貫いてその出口端位置から出る以前に、ノ
    ズルオリフィスを貫く質量流量を増大させることなくプ
    ラズマチャンバー内の質量流量を増大させるべく配向す
    ること、 該配向と同時に、プラズマチャンバーを貫く、非常に一
    様化され且つ極めて安定なプラズマガスの流れを創出す
    ること、 を含む高電流密度型の移行アークプラズマ切断トーチの
    運転方法。
  13. 【請求項１３】プラズマチャンバーからのプラズマガス
    の一部分の配向を、ノズルオリフィスの出口端部に可能
    な限り接近する位置で行い、それにより、高速の流れ
    を、電極の、ノズルオリフィスとは反対側の下端を含む
    範囲に伸延させることを含んでいる請求の範囲12の高電
    流密度型の移行アークプラズマ切断トーチの運転方法。
  14. 【請求項１４】電極の下端とノズルオリフィスの出口端
    との間の位置に、渦流れによる仮想ノズルを創出するこ
    とを含んでいる請求の範囲12の高電流密度型の移行アー
    クプラズマ切断トーチの運転方法。
  15. 【請求項１５】プラズマチャンバーからのプラズマガス
    の一部分の配向が、配向されたガス流れ部分を大気に通
    気することを含んでいる請求の範囲12の高電流密度型の
    移行アークプラズマ切断トーチの運転方法。
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