JP3315104B2 - プラズマアークトーチ用の水噴射ノズル組立体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する分野】本発明は、プラズマアークトーチ
用の水噴射ノズル組立体に関し、特に前端部が絶縁され
た水噴射ノズル組立体に関する。

【０００２】

【従来の技術】プラズマアークトーチは通常、金属材の
切断、溶接、表面処理、溶融または焼鈍に使用される。
金属材のこうした加工はプラズマアークトーチから金属
材に延びるプラズマアークを用いれば容易になる。プラ
ズマアークトーチには、プラズマアークを囲んで調整す
るのに遮蔽ガスが使用されるものがある。対照的に、プ
ラズマアークを囲んで調整するのに水が使用されるもの
もある。プラズマアークトーチが生成したプラズマアー
クを囲んで調整するのに使用するガスまたは水は、通
常、プラズマアークトーチのノズル組立体を冷却するの
にも使用される。水はガスよりも熱転移係数が高い。し
たがって、ノズル組立体を冷却するのに水を利用するプ
ラズマアークトーチを作動させる電流は通常は高いの
で、ノズル組立体を冷却するガスを利用するトーチより
も切断の品質が高い。上記のように水を利用するプラズ
マアークトーチには通常水噴射ノズル組立体が備えられ
ている。水噴射ノズル組立体を備えたプラズマアークト
ーチは、例えば米国特許第５７４７７６７、５１２４５
２５及び５０２３４２５号に開示されている。これらの
特許は本発明の譲受人に譲渡されている。

【０００３】水噴射ノズル組立体を備えた代表的なプラ
ズマアークトーチには、さらに長手方向の放電軸を画定
するトーチ本体と前記トーチ本体に固定され放電端部を
備えた電極とが備えられている。水噴射ノズル組立体
は、電極の放電端部に隣接して取り付けられている。代
表的な水噴射ノズル組立体は、金属製の内部ノズル部材
と金属製の外部ノズル部材とを備える場合がある。この
外部ノズル部材は、内部ノズル部材から径方向外側にあ
る。内部ノズル部材はガス圧縮穴を画定し、外部ノズル
部材は水圧縮穴を画定する。これらのノズル部材は、両
方の穴がトーチ本体が画定する長手方向の放電軸と同軸
に整合するように嵌合しており、水路は外部ノズル部材
の内表面と内部ノズル部材の外表面との間で画定されて
いる。

【０００４】代表的なプラズマアークトーチには、電極
の放電端部から延びる電気アークを生成する電源が含ま
れている。水噴射ノズル組立体は、電極の放電端部付近
のガス路により電極から分離され、ガスの渦流がガス路
を介して送られる。この電気アークはガスをイオン化し
てプラズマアークを生成する。このプラズマアークは、
長手方向の放電軸に沿って延びて、ノズル部材の穴を介
して材料に至る。水流源は水の渦流を前記内外ノズル部
材の間で画定されている水路に供給する。水の渦流は水
圧縮穴から出て、プラズマアークを圧縮する。

【０００５】内外ノズル部材の同心性は、プラズマアー
クトーチの適切な動作には極めて重要である。米国特許
第５７４７７６７号と第５１２４５２５号には、内外ノ
ズル部材の穴の間の同心性を維持するために金属対金属
接触によりプレスばめされた内外ノズル部材が開示され
ている。

【０００６】「２重アーク化」の回避もプラズマアーク
トーチを適切に作動させるのに重要である。２重アーク
化が発生するのは、材料または材料からの溶融ハネが偶
然金属製の外部ノズル部材に接触したときである。こう
した事態が発生すると、主プラズマアークに加えて、第
２のプラズマアークが電極から内外ノズル部材を介して
延び、最終的に、材料に至る。外部ノズル部材の絶縁に
より２重アーク化を抑えることができる。例えば、米国
特許第５１２４５２５号には、外表面が放射状の外部ノ
ズル部材と、外部ノズル部材の外表面に固着されている
外部絶縁要素が開示されている。こうした絶縁要素はし
ばしばセラミック材料から形成される。こうしたセラミ
ック絶縁要素は多少砕けやいので、材料や材料から溶融
したハネに接触すると壊れやすい。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】したがって、それほど
壊れやすくない前端部が絶縁された水噴射ノズル組立体
が必要である。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の問題を
解決するとともに他の利点も提供し、プラズマアークト
ーチ用の水噴射ノズル組立体を構成する。ノズル組立体
は、金属製の内外ノズル部材と、これらの内外ノズル部
材間にプレスばめされた第１の環状絶縁要素とを備えて
いる。第１の環状絶縁要素は、金属製の内外ノズル部材
が互いに電気的に絶縁されるように構成されている。さ
らに、第１の環状絶縁要素は、外部ノズル部材の水圧縮
穴と内部ノズル部材のガス圧縮穴が同軸上になるように
構成されている。本発明のノズル組立体はトーチ本体に
取り付けられた電極の放電端部に隣接して取り付けられ
ている。トーチ本体は長手方向の放電軸を有する。第１
の環状絶縁要素は、外部ノズル部材の水圧縮穴と内部ノ
ズル部材のガス圧縮穴はトーチ本体の長手方向放電軸と
同軸上になるように構成されている。さらに、第１の環
状絶縁要素は、内外ノズル部材が互いに固着されて、外
部ノズル部材の内表面の少なくとも複数の部分と内部ノ
ズル部材の外表面との間の水路を形成するように構成さ
れている。水路は、水流を外部ノズル部材の水圧縮穴に
送るためのものである。水噴射ノズル組立体には内外ノ
ズル部材間にプレスばめされた第２の環状絶縁要素が備
わっている。第２環状絶縁要素は、第１環状絶縁要素と
内部ノズル部材の上記穴との間に配置されている。第２
の環状絶縁要素は渦巻きリングである。この第２要素は
水の渦流を水路に導入する１つまたは複数の接続口を備
えている。上記外部ノズル部材は、周方向に延在する第
１肩部を含むとともに、外部ノズル部材の内表面に、円
筒形表面と該円筒形表面から内方向に延在する第２肩部
とを含む。上記内部ノズル部材は、外部ノズル部材の上
記第１肩部に隣接して周方向に延在する肩部を含む。上
記第２環状絶縁要素は、円筒形外表面と、該円筒形外表
面から内方に延在する面とを含む。 上記第１および第２
の環状絶縁要素を、上記内部および外部ノズル部材が互
いに絶縁されて構成されるように内部および外部ノズル
部材に圧接すると、第１環状絶縁要素が、内部および外
部ノズル部材間にプレスばめされるとともに、外部 ノズ
ル部材の上記第１肩部と内部ノズル部材の上記肩部との
間に嵌り、かつ、第２環状絶縁要素の上記円筒形外表面
が外部ノズル部材の上記円筒形表面にプレスばめされ、
かつ、第２環状絶縁要素の上記面が外部ノズル部材の上
記第２肩部に当接する。こうして、互いに絶縁された内
部および外部ノズル部材の上記各穴をトーチ本体の長手
放電軸と同軸的に配置した。

【０００９】本発明の他の態様によると、水噴射ノズル
組立体はさらに外部ノズル部材の外表面に固着した外部
絶縁要素を備えている。外部絶縁要素は外部ノズル部材
の水圧縮穴の付近に延在する。外部絶縁要素はセラミッ
クまたはプラスチックから構成されるのが好ましい。

【００１０】本発明の他の態様によると、環状絶縁要素
は、水を水路に導入する１つまたは複数の接続口を画定
している。これらの接続口は、長手方向放電軸の周囲の
想像円に全体的に正接方向に延在しているので、これら
の接続口は水の渦流を水路に導入することになる。

【００１１】

【００１２】本発明は、２重アーク化の可能性を低下さ
せることで水噴射プラズマアークトーチの耐用寿命を長
くするのが有益である。これは、金属製の内外ノズル部
材を互いに絶縁させ、同時に、内外部ノズル部材の同心
性を高めることで達成される。金属製の内外部ノズル部
材を互いに絶縁して利点を生み出すのは意外であるが、
これは、通常導電性があると考えられている水は、ノズ
ル部材間で画定された水路を介して流れるからである。

【００１３】添付図面に例示された模範実施例を参照す
れば、本発明を一層完全に理解できるであろう。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明は、添付図面を参照して以
下により詳細に記載される。添付図面には本発明の好ま
しい実施例が示されている。しかし、本発明は、さまざ
まな形態に具体化可能であるが本明細書に上述された実
施例に制限されるものではない。これらの実施例は本開
示が全体的で完全になるように提供されているもので、
当業者に本発明の範囲を十分に伝えるものである。全体
を通して、同じ番号は同じ要素を示している。

【００１５】図１は、本発明の第１実施例による全体的
に２０で示されたプラズマアークトーチを示す。トーチ
２０は、トーチ本体２４と、電極２５と、水噴射ノズル
組立体２２と、ノズル組立体保持カップ２６とを含む。
以下に詳細に示すように、ノズル組立体２２は、金属製
の内部ノズル部材５４と外部ノズル部材６０との間にプ
レスばめされた同軸配置された一対の環状絶縁要素５
６、５８を備えている。これらのプレスばめはノズル部
材５４、６０が同軸上に整合するように実行される。こ
れらのプレスばめは、さらに金属製のノズル部材５４、
６０が互いに電気的に絶縁されるように実行されるの
で、ノズル部材５４、６０の間の２重アーク化の可能性
が低下する。

【００１６】トーチ本体２４は全体的に円筒形で伸長型
であり、長手方向の放電軸Ｌを画定している。その下方
端部では、トーチ本体２４は全体的に円筒形の空隙２８
を含み、この空隙２８の内部には電極２５と水噴射ノズ
ル組立体２２を保持している。トーチ本体２４には、電
極保持部３０と、水入口通路３２と、ガス入口通路３４
とが備えられている。電極保持部３０は全体的に円筒形
で、トーチ本体２４の空隙２８内で、長手方向放電軸Ｌ
に沿って同軸上に配置されている。その上方端部では、
電極保持部３０には外側がねじ状になっている部分３６
があり、トーチ本体２４上に備えられた内部ねじと係合
して、電極保持部をトーチ本体に固着する。

【００１７】その下方端部で、電極保持部３０には内部
がねじ状になっている下方部分３８が含まれ、トーチ本
体２４上に電極２５を保持するのが好ましい。電極２５
には電極の上方端部４２に隣接した外部がねじ状になっ
ている部分４０があり、電極保持部３０の内部がねじ状
になっている下方部分３８と係合する。しかし、他の実
施例では、電極２５が容易に置換のために取り外せ外部
電源（図示せず）からの導体との電気接触が確実になる
ような、例えばプレスばめなどの方式で、電極２５は電
極保持部３０に固着可能である。電極２５は、電極保持
部３０の下方部分３８に隣接して、長手方向軸Ｌに沿っ
て同軸上にトーチ本体２４に固着される。

【００１８】電極２５は導電性であり、全体的に円筒形
状の伸長型の本体４４を含み、この本体４４は下方に放
電端部４６を備えている。放電端部４６には放射要素４
８が含まれている。この放射要素４８は、電極２５の放
電端部から延びて長手方向放電軸Ｌに沿ってトーチ２０
の下にある材料（図示せず）の方に延びる電気アーク用
のカソード端末として作用する。放射要素を含む電極は
米国特許第５０２３４２５号に開示されており、その開
示全体は参考のために本明細書に組み込まれており、本
発明の譲受人に譲渡されている。

【００１９】放射要素４８は、電子ボルトで測定される
電位工程として当技術分野で定義されている仕事関数が
比較的低い材料から構成される。この材料は所定の温度
で金属の表面から熱電子放出が可能になる。仕事関数が
低いので、放射要素４８には電位がかかっているので容
易に電子を放出する。これらの要素を製造するのに通常
使用される材料には、ハフニウム、ジルコニウム、タン
グステン及びそれらの合金などがある。

【００２０】電極２５の上方端部４２と電極保持部３０
の下方部分３８に隣接してガスバッフル５０を配置する
のが望ましい。ガスバッフル５０は少なくとも１つ、好
ましくは複数の内方に放射状に向けられた周縁上に隔置
された穴５２を含み、これらの穴を介して、電極２５の
本体４４の周縁のガス入口通路３４からのガスが方向づ
けられる。矢印で示すように、外部源（図示せず）から
のガスがガス入口通路３４を介してガスバッフル５０と
トーチ本体２４との間の空隙２８内の環状室に流れる。
圧縮ガスはガスバッフル５０を取り巻き、複数の穴５２
を介して電極２５と水噴射ノズル組立体２２との間の全
体的に円筒形の室に送り込まれて、ガスの渦巻きを形成
する。ガスの渦巻き流は電極２５の放電端部４６から延
びる電気アークでイオン化して、材料の方に延びるプラ
ズマアークが生成される。

【００２１】電極２５がトーチ本体２４に接続される
と、ガスバッフル５０と伸長部材５３は組立て保持され
る。ガスバッフルは電気的に絶縁されたセラミック材料
から構成され、伸長部材５３は電気的に絶縁プラスチッ
ク材料から構成される。ガスバッフル５０と伸長部材５
３は電極２５から水噴射ノズル組立体２２を電気的に絶
縁する。

【００２２】水噴射ノズル組立体２２は、電極２５に隣
接してトーチ本体２４の長手放電軸Ｌに沿って同軸上に
配置されている。上述のように、ノズル組立体２２は内
部ノズル部材５４と、環状絶縁要素５６と、環状絶縁組
立体５８と、外部ノズル部材６０とを備えている。環状
絶縁要素５６は、絶縁された渦状リング５６の形をして
いるのが望ましい。ノズル組立体２２の上記の構成部品
は、金属製のノズル部材５４と６０が同軸上に整合して
互いに電気的に絶縁するようにプレスばめされるので、
ノズル部材５４、６０の間の２重アーク化の可能性が低
下する。

【００２３】図２の分解斜視図に例示されているよう
に、絶縁渦状リング５６と環状絶縁組立体５８は内部ノ
ズル部材５４上に配置され、外部ノズル部材６０が次い
で絶縁渦状リング５６と環状絶縁組立体５８上に配置さ
れている。環状絶縁組立体５８は下方絶縁リング６２と
上方絶縁リング６４から構成され、上方絶縁リング６４
は下方絶縁リング６２から少なくとも部分的に径方向外
方に延在している。代替的には、環状絶縁組立体５８
は、個別の部品に分けられない一体型要素である。例え
ば、上下絶縁リング６２、６４は単一部品として一緒に
形成される。環状リング６６は、Ｏリングでもかまわな
いが、外部ノズル部材６０上に配置されて、以下に記載
するように、ノズル組立体保持カップ２６（図１参照）
を受け入れる。

【００２４】図３の正面断面図に最もよく示してあるよ
うに、内部ノズル部材５４には空隙６８が形成され、全
体的に円筒形の上方部分７０と、全体的に円筒形の中間
部分７１と、円すい台形状の下方部分７２とが含まれて
いる。下方部分７２は、ガス圧縮穴７８で終端する収束
円すい台形状外表面７４と収束円すい台形状内表面７６
を画定する。ガス圧縮穴７８は内部ノズル部材５４を介
して延在して、トーチ本体２４の長手放電軸Ｌと同軸上
に整合している。矢印で示すように、内表面７６は空隙
６８内のガスの渦巻きをガス圧縮穴７８に向けて、材料
の方向にプラズマアークを収れんさせる。図２に最もよ
く示してあるように、内部ノズル部材５４は環状の放射
状に延在した肩部８０を備えている。

【００２５】図３に最もよく示してあるように、外部ノ
ズル部材６０は内部に空隙８２が形成されている。外部
ノズル部材６０は全体的に円筒形状の上方部分８４と円
すい台形状の下方部分８６を含む。下方部分８６は、水
噴射穴９０で終端する、鋭角で収束する円すい台状内表
面８８を画定する。水噴射穴９０は外部ノズル部材６０
を通って延在して、トーチ本体２４の長手放電軸Ｌと同
軸上に整合する。内部ノズル部材５４の下方部分４４の
放射状外表面７４とともに外部ノズル部材６０の下方部
分８６の放射状内表面８８が環状の水路９２を画定し
て、入口水路３２（図１を参照）から水噴射穴９０に噴
射水を送る。図３に最もよく示してあるように、外部ノ
ズル部材５４の上端部には、周方向に延在する環状肩部
（第１肩部）９４がある。

【００２６】図２に最もよく示されているように、環状
の絶縁渦状リング５６の外表面９６は全体的に円筒形
で、リング５６はさらに一対の全体的に円筒形の放射状
内表面９８、１００を含む。内表面９８は内表面１００
よりも長手方向の放電軸Ｌからの半径が長い。環状の絶
縁組立体５８の下方絶縁リング６２は全体的に円筒形状
の外表面１０２と、全体的に円筒形状の内表面１０４
と、放射状に延在する環状の上方面１０６とを含んでい
る。環状の絶縁組立体５８の上方絶縁リング６４には環
状の上面１０８と下面１１０がある。

【００２７】内部ノズル部材５４と、絶縁渦状リング５
６と、環状絶縁組立体５８と、外部ノズル部材６０はプ
レスばめされて、ノズル組立体２２が図３に示すように
組み立てられる。プレスばめ構成は多数の表面を一緒に
プレスばめすることで容易になる。より具体的には、図
３と図４を参照すると、下方絶縁リング６２の全体的に
円筒形状の外表面１０２が外部ノズル部材６０の上方部
分８４の全体的に円筒形状の内表面とプレスばめ係合
し、下方絶縁リング６２の全体的に円筒形状の内表面１
０４は、内部ノズル部材５４の上方部分７０の全体的に
円筒形状の外表面とプレスばめ係合して、上方のプレス
ばめ接続が形成される。下方絶縁リング６２の外部ノズ
ル部材６０へのプレスばめは、外部ノズル部材６０の上
方部分８４の内表面の環状溝部分１０９（図３参照）に
より少なくとも部分的には容易になる。

【００２８】本発明の第１実施例によると、下方絶縁リ
ング６２の上方面１０６は上方絶縁リング６４の下方面
１１０の一部に接する。下方絶縁リング６２から径方向
に離れる上方絶縁リング６４の一部は、内部ノズル部材
５４の肩部８０と外部ノズル部材６０の肩部９４との間
に嵌められて、上方絶縁リング６４の上方面１０８は肩
部８０に接し、上方絶縁リング６４の下方面１１０は肩
部９４に接する。

【００２９】絶縁渦状リング５６の全体的に円筒形の外
表面９６は外部ノズル部材６０の上方部分８４の全体的
に円筒形状の内表面とプレスばめ係合し、絶縁渦状リン
グ５６の全体的に円筒形状の内表面１００は内部ノズル
部材５４の中間部分７１の全体的に円筒形状の外表面と
プレスばめ係合し、下方のプレスばめ接続が形成され
る。絶縁渦状リング５６の内部ノズル部材５４へのプレ
スばめは、内部ノズル部材５４の中間部分７１の環状溝
部分１１１により少なくとも部分的に容易になる。放射
状に配置された上方および下方プレスばめ接続は、絶縁
渦状リング５６と環状絶縁組立体５８と内部ノズル部材
５４とガス圧縮穴７８と外部ノズル部材６０と水噴射穴
９０とが、トーチ本体２４の長手方向放電軸Ｌと同軸上
に整合する。さらに、環状絶縁組立体５８と環状渦状リ
ング５６のそれぞれはプラスチックなどの電気絶縁材料
から構成され、金属製の内部ノズル部材５４と外部ノズ
ル部材６０は互いに電気的に絶縁される。したがって、
金属製の内部ノズル部材５４と外部ノズル部材６０との
間での２重アーク化の可能性が低下することになる。中
でも、絶縁渦状リング５６と下方絶縁リング６２は、E.
I. du Pont de Nemours and CompanyによりDelrinの商
標で販売されているようなアセテール樹脂から構成する
のが望ましい。上方絶縁リング６４は、E.I. du Pont d
e Nemours andCompanyにより商標Nomexのもとで販売さ
れている紙および／または厚紙絶縁物から構成するのが
望ましい。

【００３０】意外にも、水が水路９２を通って流れる
と、金属製の内部ノズル部材５４と外部ノズル部材６０
との間の良好な電導が妨げられる。しかし、本発明者
は、水噴射トーチで通常使用される水を汚染物を取り除
くよう処理すれば、水が妥当な程度良好な絶縁物のよう
な良好な品質となることを発見した。したがって、直感
的には理解できないが、環状絶縁組立体５８と環状渦状
リング５６とにより内部ノズル部材５４と外部ノズル部
材６０とを互いに電気絶縁することが有益である。この
様にして、発明者は、水噴射トーチ用の絶縁プレスばめ
ノズル組立体を創りだした。

【００３１】上記のもとに加えて絶縁渦状リング５６の
態様が図２と断面図の図４と図５に最もよく示されてい
る。絶縁渦状リング５６は、少なくとも１つ、できれば
複数の接線方向および周縁方向に隔置された接続口１１
２を画定する。これらの接続口１１２は各Ｖ形状ノッチ
１１４から内方向に延在している。これらの接続口１１
２は伸長型円筒形穴の形状をとるのが好ましい。これら
の穴は、長手方向放電軸Ｌと同軸上の仮想円に対して接
線方向に向けられている。図示しているように、絶縁渦
状リング５６は、以下に説明するように、接続口１１２
の２倍の数の周縁状に配列されたＶ型ノッチ１１４を画
定する。各接続口１１２はＶ型ノッチ１１４を画定する
平坦面から絶縁渦状リング５６の内表面９８に延在する
のが好ましい。接続口１１２はドリルにより形成可能で
ある。平坦でない面にドリルで穴を開けるのは困難なの
で、Ｖ型ノッチ１１４の平坦面にドリルで穴を開けるの
が有益である。

【００３２】図１に最もよく示してあるように、水噴射
ノズル組立体２２が図３に示すように構成されると、ノ
ズル組立体２２がＯリング１１６によりトーチ本体２４
の空隙２８内で、電極２５上に配置される。その後、ノ
ズル組立体保持カップ２６はトーチ本体２４に固着され
て、ノズル組立体２２はガスバッフル５０の下縁部とノ
ズル組立体保持カップ２６上の下方肩部１１８との間に
環状リング６６で堅牢に保持される。環状リング６６は
ノズル組立体２２の環状接続肩部１２１に接する。この
肩部１２１は、第１実施例によると、外部ノズル部材６
０により画定される。環状リング６６とＯリング１１６
は入口水路３２とガス入口通路３４をそれぞれ密封す
る。

【００３３】図３乃至図５の矢印で示すように、好まし
くは外部源（図示せず）からの噴射水は、入口水路３２
を通って、ノズル組立体２２とノズル組立体保持カップ
２６との間で画定された環状室１２２（図１を参照）に
流れる。噴射水は、少なくとも１つ、できれば複数の径
方向に延在した周縁に隔置された穴１２４を介して、外
部ノズル室６０に送られたり、内部ノズル室５４と絶縁
渦状リング５６上の外部ノズル部材６０との間のいくぶ
ん円筒形状の室１２６（図３を参照）に送られたりす
る。噴射水は絶縁渦状リング５６の接続口１１２を介し
て通過して、その後、水路９２に入り、水噴射穴９０内
で水の渦巻きを形成する。接線方向および周縁上に隔置
された接続口１１２を方向づけると、水の渦巻きが形成
される。噴射水の渦巻きは、ガス圧縮穴７８から出るプ
ラズマアークを材料の方向に収れんさせて、切断におい
て縁部の角が一層鋭利になるような「より高品質な」切
断が実行される。

【００３４】図６は、本発明の他の実施例による水噴射
ノズル組立体２２の横断面図である。図６のノズル組立
体２２は、図５のノズル組立体２２と同様に断面が示さ
れている。絶縁渦状リング５６はプラスチックから成形
可能で、成形部は、渦状リング５６が成形部から取り除
かれると、渦状リングはすべてのＶ形ノッチ１１４が渦
状リングに形成されているように構成されている。その
後、接続口１１２はＶ形ノッチ１１４の第１群に対して
形成されているので、渦状リング５６による水の渦は図
５に示すように時計方向に回転する。代わりに、接続口
１１２はＶ形ノッチ１１４の第２群に対して形成されて
いるので、渦状リング５６による水の渦は図６に示すよ
うに反時計方向に回転している。Ｖ形ノッチの第１群の
適切な平坦面から垂直に延在している接続口１１２が最
適な場合には図５に示すように時計方向の渦を形成する
ように配置されるようにＶ形ノッチ１１４の第１群は位
置づけられている。図５と図６の両方に示してあるよう
に、接続口１１２は真直ぐで、長手方向放電軸Ｌを中心
にした仮想円の接線に沿う。仮想円の直径は絶縁渦状リ
ング５６の内表面９８（図２参照）の直径より小さく、
図５と図６の横断面で示された内部ノズル部材５４の一
部の直径より大きい。

【００３５】本発明の他の実施例によると、渦状リング
５６はプラスチックなどの電気絶縁材料から構成され、
米国特許第５７４７７６７号に開示された渦状リングの
ような形状である。前記米国特許は参考のため本明細書
に組み込まれている。

【００３６】本発明のすべての実施例を通して、内部ノ
ズル部材５４は銅で構成可能であり、外部ノズル部材６
０は真鍮で構成可能である。しかし、代わりに、内部ノ
ズル部材５４と外部ノズル部材６０はどちらも銅から構
成できる。真鍮の溶融点は銅より低いので、銅より損傷
をうけやすい。さらに、銅の熱伝導率は真鍮より高いの
で、銅から構成された外部ノズル部材６０は、真鍮から
構成された外部ノズル部材６０よりも効率良く熱を発散
する。したがって、材料から銅で構成された外部ノズル
部材６０に飛び散った溶融材料は、真鍮で構成された外
部ノズル部材６０上の溶融材料より一層迅速に冷却し
て、損傷を受けにくい。

【００３７】図１乃至図３に示すトーチ２０は、傾斜切
断面を形成するのに特に有益な形である。より具体的に
は、第１実施例によると、ノズル部材５４と６０は長手
方向放電軸Ｌに沿ってかなりの距離分延在している。さ
らに、内部ノズル部材５４の下方部分４４の外表面７４
と長手放電軸Ｌとの間の角度は、外部ノズル部材６０の
下方部分８６の内表面８８と長手放電軸Ｌとの間の角度
に等しいのが望ましい。どちらの角度も約６０度未満で
あり、さらに約４５度未満なのが好ましい。実施例の中
には、角度は約３４度であり、内部ノズル部材５４と外
部ノズル部材６０の円すい台部分はかなり長くすること
ができる。したがって、ノズル組立体保持カップ２６の
下方縁部１２８と延在水噴出ノズル組立体２２の下端部
３８との間の距離Ｄ（図１参照）は、トーチ２０が傾斜
切断面や溶接面ならびに比較的短い所定の距離分離れた
材料の頂面上の鋭角の凹所内の切断面や溶接面を形成す
るのに十分な長さである。通常は、距離Ｄは約２２．８
６ミリメートル（約０.９インチ）であり、切断面や溶
接面を最も高品質かつ最高速度で生成する所定の乖離距
離は通常は約９．５２ミリメートル（約０.３７５イン
チ）である。したがって、図１乃至図３に示す延在水噴
射ノズル組立体２２を備えたプラズマアークトーチは、
ガス圧縮穴７８と水噴射穴９０の同軸性を維持し外部ノ
ズル部材６０から内部ノズル部材５４を電気絶縁しなが
ら、傾斜切断面または溶接面ならびに比較的短い乖離距
離にある材料の頂面の鋭角の凹所内に切断面または溶接
面を形成することができる。同軸性に関する利点ならび
に一対の径方向に配置されたプレスばめ環状絶縁要素５
６、５８が提供する絶縁に関する利点は距離Ｄのトーチ
に関して例示されたが、こうした利点はもっと短い距離
Ｄのトーチでも達成可能である。

【００３８】第２実施例 図７ないし図９は本発明の第２実施例によるプラズマア
ークトーチ２０と水噴射ノズル組立体２２の構成部品を
示す。第２実施例のプラズマアークトーチ２０とノズル
組立体２２の構成部品は本発明の第１実施例の対応構成
部品とほぼ同様である、ただし明らかな変更や本開示に
照らして当技術分野に習熟した人には明らかな変更は除
く。

【００３９】図８に最もよく示してあるように、第２実
施例のノズル組立体２２は絶縁渦状リング（例えば、図
１ないし図６の絶縁渦状リング５６を参照）を備えてな
い。さらに、第２実施例の環状内部および外部ノズル部
材５４、６０は第１実施例のものとは異なって鋭角に形
成されており、第２実施例のノズル組立体２２は環状外
部絶縁要素１３０をさらに備えている。この絶縁要素１
３０は外部ノズル部材６０の径方向外表面１３２に接続
されその外表面１３２にほぼ沿って延在している。外部
絶縁要素１３０は環状絶縁組立体５８と連動して機能す
るので、ノズル部材５４、６０の間での２重アーク化が
発生する可能性がさらに低下することになる。

【００４０】外部絶縁要素１３０はトーチ２０の長手放
電軸Ｌと同軸状態である。外部絶縁要素１３０は長手放
電軸Ｌと同軸の穴１３５を画定し、この穴１３５を通っ
てトーチ２０が動作中にプラズマアークが延びる。外部
絶縁要素１３０は、環状リング６６（図７を参照）と協
働する環状接続肩部１２１とノズル組立体保持カップ２
６の下方肩部１１８（図７を参照）を画定して、ノズル
組立体２２をトーチ本体２４に固着する。

【００４１】外部絶縁要素１３０はＯリング１３４によ
り適切な場所に保持されている。Ｏリング１３４は外部
絶縁要素１３０上の接続肩部と外部ノズル部材６０上の
対応する接続肩部に係合する。外部絶縁要素１３０は外
部ノズル部材６０上に押し付けられ、外部ノズル部材６
０はＯリング１３４を圧縮するので、Ｏリング１３４は
外部絶縁要素１３０上の接続肩部と外部ノズル部材６０
上の接続肩部に作用して外部絶縁要素１３０を外部ノズ
ル部材６０に保持する。Ｏリング１３４は外部絶縁要素
１３０を適切な位置に保持するだけでなく、外部絶縁要
素１３０と外部ノズル部材６０の外表面１３２との間を
密封して水噴射穴９０を出る水が外部ノズル部材と外部
絶縁要素との間を通過することをできなくする。追加的
にまたは代わりに、外部絶縁要素１３０は、耐熱性にか
わなどの接着物質により外部ノズル部材６０に接続可能
である。

【００４２】外部絶縁要素１３０はセラミックやプラス
チックなど熱および電気絶縁材料から形成されるのが好
ましい。使用可能なセラミック材料はアルミナで、使用
可能なプラスチック材料はポリエーテルエーテルキトン
（ＰＥＥＫ）である。Ｏリング１３４はシリコンゴムや
ネオプレンなど様々な材料から形成可能である。

【００４３】内部ノズル部材５４と環状絶縁組立体５８
と外部ノズル部材６０とはプレスばめされていて、ノズ
ル組立体２２が、図７と図８に示すように組み立てられ
る。このプレスばめ構成は一緒にプレスばめされる面が
多いほど容易になる。具体的には、図８を参照すると、
下方絶縁リング６２の全体的に円筒形の外表面１０２は
外部ノズル部材６０の全体的に円筒形の内表面１３６と
プレスばめ係合状態になっており、下方絶縁リング６２
の全体的に円筒形状の内表面１０４は内部ノズル部材５
４の全体的に円筒形状の外表面１３８とプレスばめ係合
状態になっている。下方絶縁リング６２の外部ノズル部
材６０へのプレスばめは少なくとも部分的には外部ノズ
ル部材６０の内表面の環状溝部分１０９により容易にな
る。下方絶縁リング６２の下方環状面１４０（図２を参
照）は外部ノズル部材６０の環状肩部１４２に接してい
る。環状肩部１４２は外部ノズル部材６０の円筒形内表
面１３６から径方向内側に延在している。環状肩部１４
２と円筒形内表面１３６は少なくとも部分的には下方絶
縁リング６２が入る環状チャンネルを画定することにな
る。

【００４４】上方絶縁リング６４は内部および外部ノズ
ル部材５４、６０の間のプレスばめ接続の一部として特
徴づけることができる、ただし実施例の中にはプレスば
め接続には上方絶縁リング６４を含まないものもある。
本発明の第２実施例によると、下方絶縁リング６２の上
方面１０６は上方絶縁リング６４の下方面１１０の一部
に接している。下方絶縁リング６２から離れて径方向に
延在する上方絶縁リング６４の一部は内部ノズル部材５
４の肩部８０と外部ノズル部材６０の肩部９４との間に
嵌り、上方絶縁リング６４の上方面１０８は肩部８０に
接し、上方絶縁リング６４の下方面１１０は肩部９４に
接する。

【００４５】プレスばめ接続では、環状絶縁組立体５８
と、内部ノズル部材５４と、ガス圧縮穴７８と、外部ノ
ズル部材６０と、水噴射穴９０がトーチ本体２４の長手
放電軸Ｌと同軸上に並んでおり、金属製の内部ノズル部
材５４と金属製の外部ノズル部材６０は互いに電気絶縁
されており、環状水路９２はノズル部材５４、６０の間
に画定されている。

【００４６】図９に最もよく示されているように、外部
ノズル部材６０は少なくとも１つ、できれば複数の接線
方向の周縁上に隔置された接続口１４４を画定してい
る。接続口１４４は、長手放電軸Ｌと同軸上の仮想円に
対して接線方向の伸長形円筒形穴の形をするのが好まし
い。接続口１４４は、ノズル組立体２２とノズル組立体
保持カップ２６との間で画定された環状室１２２（図７
参照）と連通している。環状室１２２からの噴出水は複
数の接続口１４４を通って水路９２に送られて、水噴出
穴９０で水の渦を形成する。接線方向に周縁上で隔置さ
れた複数の接続口１４４を方向づけることで水の渦が発
生する。接続口１４４の入口開口部は環状室１２２と連
通している。

【００４７】第３実施例 図１０は本発明の第３実施例による水噴射ノズル組立体
２２の正面断面図である。本発明の第３実施例のトーチ
２０とノズル組立体２２は第２実施例のトーチ２０とノ
ズル組立体２２とほぼ同様である。ただし明らかな変更
や本開示に照らして当業者には明らかな変更を除く。

【００４８】図１０に示すように、第３実施例のノズル
組立体２２は外部絶縁要素および接続されるＯリング
（例えば、図８の外部絶縁要素１３０とＯリング１３４
を参照）を装備してない。さらに、第２実施例の外部ノ
ズル部材６０と比較すると、第３実施例の外部ノズル部
材６０は異なるように形づくられ、拡大され、環状接続
肩部１２１を備えている。

【００４９】第４実施例 図１１は本発明の第４実施例による水噴射ノズル組立体
２２の部分正面断面図である。本発明の第４実施例のト
ーチ２０とノズル組立体２２は第３実施例のトーチ２０
とノズル組立体２２とほぼ同様である、ただし明らかな
変更や本開示に照らして当業者には明らかな変更を除
く。例えば、第４実施例によると、環状絶縁要素５８は
一体型であり、着脱可能な部品はない。

【００５０】第５実施例 図１２及び図１３は、本発明の第５実施例による水噴射
ノズル組立体２２を示す。第５実施例のトーチ２０とノ
ズル組立体２２は第３実施例のトーチ２０とノズル組立
体２２とほぼ同様である。ただし、明らかな変更ならび
に本開示に照らして当業者には明らかな変更は除く。例
えば、第３実施例におけるような穴接続口１４４（図８
と図９）の代わりに、外部ノズル部材６０は少なくとも
１つ、できれば複数（例えば、４）の接線方向で周縁上
に隔置されたスロット１４６を備えている。これらのス
ロット１４６は、外部ノズル部材６０の環状上方肩部９
４（図２参照）から外部ノズル部材６０に真直ぐ下方に
延在している。スロット１４６は環状上方肩部９４から
外部ノズル部材６０に真直ぐ下方に設けることで形成可
能である。

【００５１】第５実施例のノズル組立体２２は、図１２
及び図１３に示すように構成されている場合には、絶縁
リング６２は各スロット１４６を部分的に閉じている
が、各スロット１４６を完全に充填することはできな
い。結果として、各スロット１４６の底面を画定する外
部ノズル部材６０の複数の部分とは反対の側にある下方
絶縁リング６２の下方環状面１４０（図２参照）の複数
の部分は、第５実施例の複数の接線方向の周縁上に配置
された接続口１４４を少なくとも部分的に画定すること
になる。

【００５２】上記のように、環状室１２２（図１３参
照）からの噴射水は、接続口１４４を通って水路９２
（図１３参照）に至り、水噴射穴９０で水の渦が形成さ
れる。接線方向の周縁上に隔置された接続口１４４を方
向づけることで、水の渦ができる。接続口１４４の入口
は、第５実施例のトーチ２０が完全に組み立てられる
と、環状室１２２と連通するようになる。

【００５３】第５実施例と他の実施例によると、環状絶
縁組立体５８が上方絶縁リング６４を備えないのが好ま
しい。こうした構成では、下方絶縁リング６２の垂直方
向は、絶縁リング６２の環状上方面１０６（図２参照）
は内部ノズル部材５４の環状肩部８０（図２参照）に係
合して、環状肩部８０と外部ノズル部材６０の環状肩部
９４（図２参照）との間に空間を形成する。

【００５４】第６実施例 図１４は本発明の第６実施例による水噴射ノズル組立体
２２を示す。本発明の第６実施例のトーチ２０とノズル
組立体２２は第３実施例のトーチ２０とノズル組立体２
２とほぼ同じである。ただし明らかな変更や本開示に照
らして当業者には明らかな変更は除く。例えば、第６実
施例によると、環状絶縁組立体５８は上方絶縁リング６
４（図２を参照）を備えてはおらず、絶縁リング６２の
垂直厚みは厚くなるので、絶縁リング６２の環状上方面
１０６は内部ノズル部材５４の環状肩部８０に係合し
て、環状肩部８０と外部ノズル部材６０の環状肩部９４
の間の環状空間を保持する。

【００５５】第６実施例によると、第３実施例における
ような接続口１４４（図８と図９を参照）を備えた外部
ノズル部材６０の代わりに、絶縁リング６２は少なくと
も１つまたはできれば複数（例えば４）の接続口１４４
とこれらの接続口１４４への入口として機能する対応の
Ｖ形ノッチ１４８を画定する。前述のように、環状室１
２２（図７参照）からの噴射水は接続口１４４を通過し
て水路９２に至り、水噴射穴９０で水の渦が形成され
る。接線方向の周縁上に隔置された接続口１４４を適切
に方向づけることで、水の渦が形成される。接続口１４
４の入口（例えば、Ｖ形ノッチ１４８）は、第６実施例
のトーチ２０が完全に組み立てられると、環状室１２２
と連通するようになる。

【００５６】第６実施例の絶縁リング６２は、絶縁渦状
リング５６（図１乃至図６参照）とほぼ同様の形状に構
成されることを特徴とする。これと同様に、絶縁リング
６２の接続口１４４は渦状リング５６の接続口１１２
（図２乃至図６）に対応し、絶縁リング６２のＶ形ノッ
チ１４８は渦状リング５６のＶ形ノッチ１１４（図２乃
至図６参照）に対応する。さらに、第６実施例による
と、絶縁リング６２の全体的に円筒形状の内表面１０４
は渦状リング５６の円筒形の内表面９８、１００（図２
参照）のようには径方向には段になっていない。

【００５７】第７実施例 図１５と図１６は本発明の第７実施例による水噴射ノズ
ル組立体２２を示す。本発明の第７実施例のトーチ２０
とノズル組立体２２は第６実施例のトーチ２０とノズル
組立体２２とほぼ同様である、ただし明らかな変更や本
開示に照らして当業者には明らかな変更を除く。第７実
施例によると、絶縁リング６２は、接続口１４４とノッ
チ１４８が絶縁リング６２のそれぞれ各外表面１０２
（図３を参照）と下方表面１４０（図３を参照）で全長
にわたって露呈するように一体成形される。通路１４４
は一体成形されていて穴をあける必要がないので、ノッ
チ１４８の形状は、必要なら、一層丸みをおびたものに
できる。第７実施例によると、当然のことながら、絶縁
リング６２は、時計方向の渦巻き流を形成する一群の接
続口１４４とノッチ１４８または代わりに反時計方向の
渦巻き流を形成する一群の接続口とノッチを備えるよう
成形可能である。これは図５と図６とそれに関する説明
から理解されるであろう。

【００５８】本発明の多くの修正や他の実施例は、上記
の説明と関連する図面の教唆から利益を享受できる本発
明に関する当業者が思いつけるものである。したがっ
て、本発明は開示された特定の実施例に制限されるもの
でもなく修正や他の実施例は添付請求項の範囲であるこ
とを理解すべきである。本明細書では特定の用語が使用
されているが、これらの用語は概略上および説明上の意
味でのみ使用され、制限を意図するものではない。さら
に、添付図面は必ずしも一定の率での縮尺ではない。例
えば、溝部分１０９と１１１は図面を明瞭にするために
誇張されている場合もあるし、図示されてない場合もあ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例による水噴射ノズル組立体
を備えたプラズマアークトーチの正面断面図である。

【図２】図１の水噴射ノズル組立体の分解斜視図であ
る。

【図３】図１の水噴射ノズル組立体の正面断面図であ
る。

【図４】図３の線４−４による、図１の水噴射ノズル組
立体の横断面図である。

【図５】図３の線５−５による、図１の水噴射ノズル組
立体の横断面である。

【図６】図５のノズル組立体と同様に切断された、本発
明の他の実施例による水噴射ノズル組立体の横断面図で
ある。

【図７】本発明の第２実施形態に係る水噴射ノズル組立
体を備えたプラズマアークトーチの正面断面図である。

【図８】図７の水噴射ノズル組立体の正面断面図であ
る。

【図９】図８の線９−９による、図７の水噴射ノズル組
立体の横断面図である。

【図１０】本発明の第３実施形態に係る水噴射ノズル組
立体の正面断面図である。

【図１１】本発明の第４実施形態に係る水噴射ノズル組
立体の部分正面断面図である。

【図１２】本発明の第５実施形態に係る、図１３の線１
２−１２による水噴射ノズル組立体の部分横断面図であ
る。

【図１３】図１２の線１３−１３による、図１２の水噴
射ノズル組立体の部分横断面図である。

【図１４】本発明の第６実施形態に係る水噴射ノズル組
立体の部分横断面図で、図１３の斜視図とほぼ同じ視点
の図である。

【図１５】本発明の第７実施形態に係る、図１６の線１
５−１５による水噴射ノズル組立体の部分横断面図であ
る。

【図１６】図１５の線１６−１６による図１５の水噴射
ノズル組立体の部分横断面図である。

【符号の説明】

２０ プラズマアークトーチ ２２ 水噴射ノズル組立体 ５４ 内部ノズル部材 ５６ 環状絶縁要素、渦状リング（第２環状絶縁要素） ５８ 環状絶縁要素、絶縁組立体（第１環状絶縁要素） ６０ 外部ノズル部材 ６２ 下方絶縁リング（第１リング） ６４ 上方絶縁リング（第２リング） ７４ 外表面 ７８ ガス圧縮穴 ８０、９４ 肩部 ８８ 内表面 ９０ 水噴射穴 ９２ 水路 １１２、１４４ 接続口 １３０ 外部絶縁要素 Ｌ 放電軸

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−282995（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−63790（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−94446（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−294779（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−229995（ＪＰ，Ａ) 特公 平７−100230（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭63−17030（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 10/00 H05H 1/28 H05H 1/34

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属性材料から形成され、径方向に外表
   面を有し、内部に穴を設けた内部ノズル部材と、金属性
   材料から形成され、径方向に内表面を有し、内部ノズル
   部材の径方向外側にある外部ノズル部材であって、内部
   ノズル部材の上記穴と同軸上に並んだ穴を内部に設けた
   外部ノズル部材と、上記内部および外部ノズル部材間で
   プレスばめされた第１および第２の環状絶縁要素とを含
   み、 水路が外部ノズル部材の内表面と内部ノズル部材の外表
   面との間に設けられ、水の流れを外部ノズル部材の上記
   穴に送り、上記第２環状絶縁要素が、上記第１環状絶縁
   要素と内部ノズル部材の上記穴との間に配置される渦状
   リングからなるプラズマアークトーチ用の水噴射ノズル
   組立体であって、 上記外部ノズル部材は、周方向に延在する第１肩部を含
   むとともに、外部ノズル部材の内表面に、円筒形表面と
   該円筒形表面から内方向に延在する第２肩部とを含み、 上記内部ノズル部材は、外部ノズル部材の上記第１肩部
   に隣接して周方向に延在する肩部を含み、 上記第２環状絶縁要素は、円筒形外表面と、該円筒形外
   表面から内方に延在する面とを含み、 上記第１および第２の環状絶縁要素を、上記内部および
   外部ノズル部材が互いに絶縁されて構成されるように内
   部および外部ノズル部材に圧接すると、第１環状絶縁要
   素が、内部および外部ノズル部材間にプレスばめされる
   とともに、外部ノズル部材の上記第１肩部と内部ノズル
   部材の上記肩部との間に嵌り、かつ、第２環状絶縁要素
   の上記円筒形外表面が外部ノズル部材の上記円筒形表面
   にプレスばめされ、かつ、第２環状絶縁要素の上記面が
   外部ノズル部材の上記第２肩部に当接し、これらによ
   り、互いに絶縁された内部および外部ノズル部材の上記
   各穴をトーチ本体の長手放電軸と同軸的に配置したこと
   を特徴とするプラズマアークトーチ用の水噴射ノズル組
   立体。
2. 【請求項２】 上記第１環状絶縁要素は、内部ノズル部
   材の上記外表面にプレスばめされ、かつ外部ノズル部材
   の上記内表面にプレスばめされ、上記内部および外部ノ
   ズル部材間にプレスばめ接続を形成してなる、請求項１
   に記載のプラ ズマアークトーチ用の水噴射ノズル組立
   体。
3. 【請求項３】 上記内部ノズル部材と上記外部ノズル部
   材が銅から形成されてなる、請求項１に記載のプラズマ
   アークトーチ用の水噴射ノズル組立体。
4. 【請求項４】 上記第２環状絶縁要素には、上記水路に
   水を導入する少なくとも１つの接続口を設け、該接続口
   は、上記長手放電軸を中心とする仮想円にほぼ接する方
   向に延在する、請求項１に記載のプラズマアークトーチ
   用の水噴射ノズル組立体。
5. 【請求項５】 上記第１環状絶縁要素は、第１リングと
   該第１リングから少なくとも部分的に半径方向外方に延
   在する第２リングとの２部品からなり、上記第１リング
   で内部および外部ノズル部材間のプレスばめがなされ、
   上記第２リングが、外部ノズル部材の上記第１肩部と内
   部ノズル部材の上記肩部との間に嵌っている、請求項１
   に記載のプラズマアークトーチ用の水噴射ノズル組立
   体。