JP3676308B2 - プラズマアークトーチの電極及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマアークトーチに関し、特に、プラズマアークトーチにおいて電気アークを持続させるための電極およびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
プラズマアークトーチは、切断、溶接、表面処理、溶融および焼鈍しを含む金属の諸加工のために普通に使用されている。このようなトーチは電極を含んでおり、該電極は、移行式アーク動作モードで母材へと延びる電気アークを持続させる。この電気アークをガスの渦流で囲むことも通常のことであり、また、あるトーチ構造においては、ガスと電気アークを渦巻き状のジェット水流で囲むことも従来から行われている。
【0003】
上述した形式のトーチに使用される電極は、銅または銅合金のような熱伝導率の高い材料からなる管状の金属部材を有するのが一般的である。この管状部材の前端もしくは放電端は、電気アークを持続させる電子放出(emissive)インサートが埋設された底端壁部を含んでいる。このインサートは、当該技術において電位ステップ(potential step)と定義される電子ボルト(ev)で測定される比較的に低い仕事関数(電子がポテンシャル障壁を超えるために必要とする最小エネルギー)を有する材料で構成されており、この電位ステップが所定温度で金属の熱電子放出を可能にする。従って、放出インサートは、その低い仕事関数のために、電位が印加されるときに容易に電子を放出することができる。通常使用される電子放出材料には、ハフニウム、ジルコニウム、タングステンおよびそれらの合金が含まれる。
【0004】
上述した形式のプラズマアークトーチに関連した問題は、特に該トーチが酸素または空気のような酸化ガスと共に使用されるときに、電極の使用寿命が短いことにある。具体的には、放出インサートはトーチの使用中に腐蝕するので、放出インサートと金属性のホルダとの間にキャビティもしくは穴が形成される。このキャビティが十分に大きくなると、アークは、放出インサートからホルダへ「ジャンプする(jump)」或いは伝わる。アークが金属性のホルダへジャンプするのを防止するか、あるいは少なくとも邪魔するために、放出インサートと金属性ホルダとの間に、電位が印加されても比較的電子を放出しない非電子放出性のセパレータが配置された電極もある。このセパレータは、米国特許第5,023,425号明細書に開示されている。
【0005】
米国特許第3,198,932号明細書は、プラズマアークトーチにおいて使用するための電極を開示しており、電極の寿命、従ってトーチの特性を向上させることを試みている。この点について、米国特許第3,198,932号明細書は、ジルコニウム、ランタン、トリウムまたはストロンチウムのような粉末材料から形成された放出インサートを有する電極を開示している。また、銀粉末を該粉末材料に加えることにより、実質的に仕事関数を増やさずに放出インサートからの熱伝達を改善することができる。放出インサートは、一般的には銅で形成されるが銀から形成することもできるホルダに挿入される。
【0006】
米国特許第3,198,932号明細書に記載されたような従来のトーチを形成するのに用いられる別の方法では、ろう付けにより放出インサートをホルダ内に固定している。この方法によると、一般的には銀合金であるろう付け材料の温度は、放出インサートを銅製のホルダにろう付けするため、銀合金の溶融点まで上昇される。しかし、ろう付けは、付加的な製造工程を必要とすると共に、完成電極に高価な材料を添加することを含んでいる。
【0007】
従って、プラズマアークトーチ電極の電子放出要素を形成するのに粉末材料を使用することによる上記利点を確保しておくことが望ましい。また、ろう付け工程を用いずに電極の熱伝導率を更に向上させることも望ましい。更に、電子放出要素とホルダとの間に強い結合もしくは接着層を維持することが望ましい。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、従来の電極およびその製造方法、特に、米国特許第3,198,932号明細書に開示された電極およびその製造方法を改良するためになされた。上述した電極についての問題、即ち、粉末金属の電子放出要素を有する電極の熱伝導率および導電率を向上させることは、放出要素の内部から、放出要素と金属性ホルダとの間に配置されたセパレータへ延びる熱伝導路を有する電極を設けることによって克服できることが分かった。
【0009】
これは、少なくとも二種の材料の粉末を含む放出要素を設けること、および一実施形態によると、この放出要素を形成している材料の一つと実質的に同等の材料から形成されるセパレータを設けることにより達成される。放出要素およびセパレータのアセンブリは、例えば銅製ホルダである金属ホルダに挿入され、そして熱伝導路が放出要素の内部に形成されてセパレータへと延びるような温度まで加熱される。加熱プロセスの後、放出要素の材料は異なる相を有しており、そして第2の材料の相の少なくとも一部は、電子放出要素内からセパレータへの熱および電気伝導路を形成するよう放出要素内に配置されている。熱伝導路は、放出要素およびセパレータの双方に共通の材料で形成するのが有利であるが、二種またはそれ以上の材料から形成することができる。一実施例において、放出要素は銀およびハフニウムの粉末を含み、セパレータは銀を含み、熱伝導路は銀で形成されている。また、電極の電子放出性を更に向上するために、酸化ランタンのようなドーパントを添加することが可能である。熱伝導路は、アークにより発生された熱を放出要素からセパレータへと、熱伝導路のない電極よりも大きな比率で伝えることによって電極の特性を向上させている。
【0010】
本発明により電極を形成する方法も提供されている。この好適な実施例において、少なくとも二つの異種材料から選択された粉末は互いに混合されるが、少なくともこれらの材料のうち一種は電子放出性である。この混合物は、銀のように、電位を印加しても電子を比較的放出しない非電子放出性を有する電気的および熱的伝導材料で形成されたセパレータの開口内に挿入される。具体的には、この混合物は、セパレータにより画成された開口中に理論密度の60%以上、好ましくは理論密度の約80%ないし90%になるよう押し込まれる(理論密度の100%とは内部にボイドのない中実材料と定義される)。
【0011】
混合物とセパレータとの組合せは、加熱されてセパレータに結合された単一電子放出要素を画成する。特に、混合物が加熱されると拡散接合というタイプの結合が放出要素とセパレータとの間に起こる。この拡散接合により、放出要素とセパレータとの間に熱伝導路が形成される。例えば第1の粉末材料がハフニウム、第2の材料が銀の場合、拡散接合により熱伝導路を形成するために混合物を約760℃(1400#F)の温度まで加熱すれば十分である。
【0012】
従って、本発明は、従来のプラズマアークトーチの電極よりも優れた熱伝達特性を有する電極およびその製造方法を提供する。粉末材料を加熱して放出要素とセパレータとの間に熱伝導路を形成することによって、放出要素およびセパレータは、該放出要素とセパレータとの間の熱伝導率を向上させながら両者の間に比較的強い結合を形成する。その上、放出要素内に存在する粉末材料の一つと実質的に同等の材料で形成されたセパレータを使用することによって、金属性のホルダ全体が同一材料で形成されている場合と比較して、電極のコストが低減される。
【0013】
【発明の実施の形態】
一般的な用語で本発明を説明してきたが、次に、添付図面を参照して本発明を説明する。
【0014】
本発明の好適な実施形態が示されている添付図面を参照して、本発明を以下に更に十分に説明する。しかし、本発明は、異なる形態でも実施可能であり、ここに記載された実施形態に限定されず、むしろ、これらの実施形態は、この開示を徹底し且つ完全にするように提案されていて、本発明の範囲を当業者に十分に知らせるものである。以下に使用する符号は、全体を通して同一要素を指している。
【0015】
図1ないし図3を参照すると、本発明の特徴を具現するプラズマアークトーチ10が記載されている。このプラズマアークトーチ10は、ノズルアセンブリ12と管状電極14とを含んでいる。電極14は、銅か銅合金で製作するのが好ましく、そして上側の管状部材15と下側のコップ状部材即ちホルダ16とで構成されている。上側の管状部材15は、細長くて開口している管状構造であり、プラズマアークトーチ10の長手方向軸線を画成している。管状部材15は、内部にねじを形成してある下端部分17を含んでいる。また、ホルダ16も管状構造であって、下側の前端と上側の後端とを含んでいる。横方向の端壁18がホルダ16の前端を閉じていて、この横方向の端壁18により外側前面20が画成されている。ホルダ16における後端の外部には、ねじが形成されていて、このねじで管状部材15の下端部分17に螺合している。
【0016】
図3に示すように、ホルダ16は、その後端19が開口していてコップ状の構造であり、その内部にキャビティ22を画成している。内部キャビティ22は、長手方向軸線に沿って延びて同キャビティ内に入る円筒形柱状部23を含む表面31を有している。端壁18の前面20には、ほぼ円筒形のキャビティ24が形成されており、該キャビティ24は、長手方向軸線に沿って後方(同図における上方)に延びており、ホルダ16の部分に入り込んでいる。該キャビティ24は内側面27を有している。
【0017】
相対的に非電子放出性のセパレータ32は、長手方向軸線に沿って同軸状に配置され、キャビティ24内に位置付けられている。このセパレータ32は、キャビティ24の実質的に全長にわたり延びる外周壁33を有している。外周壁33は、セパレータ32の全長にわたり実質的に一定の外径を有するように図示されているが、切頭円錐形のようなその他の外形構造も本発明の範囲に属する。また、セパレータ32は、表面37を有する内部キャビティ35も画成している。このセパレータ32は、ホルダ16の前面20とほぼ面一の外端面36を含んでいる。
【0018】
電子放出要素ないしはインサート28は、セパレータ32内に位置付けられて、長手方向軸線に沿って同軸状に配置されている。具体的には、電子放出要素28は、セパレータ32および電子放出要素28の加熱により行われる拡散接合と組み合わせて、しまりばめ或いはプレスばめによりセパレータ32に固定されている。この電子放出要素28は、ホルダ16の前面20およびセパレータ32の外端面36により規定される平面に位置する円形の外端面29を有している。また、放出要素28は、セパレータ32により画成されたキャビティ35内に配置されると共に外端面29の反対側にあるほぼ円形の内端面30も有している。しかし、この内端面30は、セパレータ32への放出要素の固定を支援するために、尖頭形、多角形または球形のようなその他の形状を有することができる。また、放出要素28の直径は、セパレータ32の外端面36の外径の約30%ないし80%であり、このセパレータ32は、外端面36のところで、かつその全長に沿って、少なくとも約0.25mm(0.01インチ)の半径方向厚さを有している。特別な例としては、放出要素28が約2.03mm(0.08インチ)の直径および約6.35mm(0.25インチ)の長さを有し、セパレータ32が約6.35mm(0.25インチ)の外径を有するのが典型的である。
【0019】
放出要素28は、少なくとも2種の材料の粉末から形成されており、その1つは良好なエミッターとして知られている。このような材料の適当な例は、ハフニウム、ジルコニウム、タングステンおよびそれらの混合物である。放出要素28を形成する材料の1つは、同放出要素28を形成する他の材料と比較して、相対的に大きな熱伝導率を有していなければならず、また、相対的に大きな導電率を有していることが好ましい。以下に詳しく説明するように、この材料は、セパレータ32を形成する材料と実質的に同等であることが好ましい。
【0020】
放出要素28中には、他の材料、特に、プラズマアークトーチの作動中に電極の電子放出率(emissivity)を高くする材料が存在していてもよい。ドーパントとして知られているこれらの電子放出強化材料は、例えば、放出要素28の全重量組成の0.1%ないし10.0%のような少量を添加することができる。現在好適なドーパントは、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化イットリウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウムおよびそれらの混合物である。同様の利点を得るためにその他のドーパントも使用できるが、上述した酸化物が比較的に高い融解温度および/または他の有益な特性を有することが知られている。
【0021】
セパレータ32は、ホルダ16および放出要素28と比較してアークを容易に持続させることが少ない金属材料から構成されている。好適な実施例において、セパレータ32は、主材料として銀で形成されているが、金、プラチナ、アルミニウム、ロジウム、イリジウム、パラジウム、ニッケルおよびそれらの合金のようなその他の金属材料を使用してもよい。上述したように、セパレータ32を形成する材料の選択が、放出要素28を形成する粉末材料の一つと実質的に同等であることが好ましいが、このような選択は必ずしも必要ではない。
【0022】
例えば、本発明の特定の一実施形態において、セパレータ32は、銅、アルミニウム、鉄、鉛、亜鉛およびそれらの合金からなるグループから選択された約0.25%ないし10%の付加材料を銀に混合して合金とした銀合金材料から構成されている。付加材料は、元素形態または酸化物形態でよく、従って、この明細書において使用されている用語「銅」は、元素形態はもちろんのこと酸化物形態についても言及するものであり、用語「アルミニウム」等も同様である。この例における放出要素28もまた、セパレータ32を構成する銀と実質的に同様の銀粉末を含んでいる。この用語「実質的に同様」とは、材料の加熱により後述する熱伝導路90(図9)の形成に十分になり得る程度に同様であることをいう。例えば、純銀およびスターリング銀は、本発明によると実質的に同様と考えられる。これらの熱伝導路90は、実質的に同様の材料で形成されるのが好ましいが、該熱伝導路は、放出要素28およびセパレータ32について述べてきた諸材料の任意の組合せのような、二種の異なる材料から形成することができる。
【0023】
再び図1を参照すると、電極14は、ガス通路40および液体通路42を含むプラズマトーチ本体38内に設けられている。このプラズマトーチ本体38は、外側にある絶縁ハウジング部材44により囲まれている。水のような液冷却媒体を電極14に通して循環させるため、電極14の中央孔部48内に管46が懸架されている。この管46は、孔部48の直径よりも小さな外径を有しているので、管46と孔部48との間にはスペース49が存在しており、水が、管46の開口している下端から排出される際にそのスペース49内を流れることが可能である。水源(図示せず)からの水は、管46を通り、内部キャビティ22およびホルダ16の内側を流れ、スペース49を通って戻り、トーチ本体38にある開口52に行き、排水ホース(図示せず)に向かって流れる。液体通路42は、噴射水をノズルアセンブリ12内に案内し、そこで噴射水は以下に更に説明するように、プラズマアークを囲むための渦流に変わる。ガス通路40は、適当なガス源(図示せず)からのガスを案内し、このガスが、適当な耐高温材料のガスバッフル54を経て、複数の入口穴58からガスプレナム室56に入る。複数の入口穴58は、ガスを渦巻き式にプレナム室56に流入させるように配列されている。流入したガスは、ノズルアセンブリ12の同軸状孔部60、62を介してプレナム室56から流出する。電極14がガスバッフル54を保持している。耐高温プラスチック絶縁本体部55は、ノズルアセンブリ12を電極14から電気的に絶縁する。
【0024】
ノズルアセンブリ12は、第1の孔部60を画成する上側ノズル部材63と、第2の孔部62を画成する下側ノズル部材64とを備えている。上側ノズル部材63は金属材料であることが好ましく、下側ノズル部材64は、金属またはセラミック材料であることが好ましい。上側ノズル部材63の孔部60は、トーチの電極14の長手方向軸線と軸方向に整列している。下側ノズル部材64は、プラスチック製のスペーサ要素65と水旋回リング66とにより上側ノズル部材63から隔てられている。上側ノズル部材63と下側ノズル部材64との間に設けられるスペースは、水室67を形成する。
【0025】
下側ノズル部材64は円筒形の本体部70を備えており、該本体部70は、そこを同軸状に通って延びる孔部62を有し、前端部もしくは下端部と後端部もしくは上端部とを規定している。後端部には環状の装着フランジ71が配置されており、第2の孔部62と同軸である前端部の外面上には、切頭円錐面72が形成されている。環状の装着フランジ71は、コップ状部材74の下端のところにある内向きフランジ73により下方から支持されている。コップ状部材74は、ねじ部を外側のハウジング部材44に螺着することによって着脱自在に装着されている。2つのフランジ71、73の間にはガスケット75が配置されている。
【0026】
下側ノズル部材64にある孔部62は、円筒形であり、任意の適当なプラスチック材料製の心出しスリーブ78によって上側ノズル部材63にある孔部60と軸方向に整列した状態に保持される。水は、液体通路42から、スリーブ78にある開口85を通って水旋回リング66の複数の噴射ポート87へと流れ、該噴射ポート87が水を水室67内に噴射する。該噴射ポート87は、水旋回リング66の回りに接線方向に配置されていて、旋回成分の速度を水室67中の水流に与える。水は孔部62を経由して水室67から出る。
【0027】
電源(図示せず)は、通常接地される金属母材に対して直列回路関係にあるトーチの電極14に接続されている。動作中、アークに対して陰極端子として作用する電極の放出要素28と、上述した電源の陽極に接続されると共に下側ノズル部材64の下方に位置決めされる母材との間にプラズマアークが確立される。プラズマアークは、電極14とノズルアセンブリ12との間にパイロットアークを瞬間的に生成することによって通常の方法で開始され、次いでこのプラズマアークは孔部60、62を経て母材に移動される。
【0028】
製造方法
本発明は、上述した形式の電極を製造するための簡単な方法も提供している。図4ないし図7は、本発明に従って電極を製造する好適な方法を例示している。図4に示すように、少なくとも二種の材料の粉末から構成された放出要素28は、セパレータ32により画成されたキャビティ35内に配置されている。粉末材料はばらばらの粉末としてキャビティ35内に配置されてもよいが、好ましいのは粉末が予混合されて円筒形ペレット等に成形されていることである。特に、放出要素28を形成する粉末材料は、ほぼ平坦な円形の作業面81を有する工具80を用いてキャビティ35内で突き固められる。約52730kg/cm2(750,000psi)までの圧力を出すことができる工具80は、その作業面81をキャビティ35内の粉末材料と接触させて、配置される。作業面81の外径は、セパレータ32により画成されたキャビティ35の直径よりも若干小さい。工具80は、作業面81をトーチ10の長手方向軸線とほぼ同軸にして保持され、軸方向の圧縮力が長手方向軸線に沿って粉末材料およびセパレータ32に伝わるように工具に力が加えられる。例えば、工具80は、粉末材料およびセパレータ32と接触して位置決めされ、その後、機械のラムのような適当な装置で叩かれる。使われる特定の技術とは関係なく、粉末材料混合物を理論密度の60%以上に、好ましくは理論密度の約80%ないし90%に圧縮するように十分な力が加えられて、放出要素28にする。一実施形態において、工具80は粉末材料に対して約35154kg/cm2(500,000psi)の圧力を加える。粉末混合物の圧縮作用により粉末材料およびセパレータ32が半径方向の外方に若干変形されるようになるので、放出要素28はセパレータ32によりしっかりと把持され保持される。
【0029】
図5を見ると、銅または銅合金製の円筒形の素材94が前面95とその反対側の後面96を有して用意されている。その後、前述したキャビティ24を形成するように、前面95に長手方向軸線に沿って、例えば穿孔によりほぼ円筒形の孔部を形成する。その後、放出要素28およびセパレータ32のアセンブリは、セパレータの周壁33がキャビティの内壁27に滑動係合しそこに固定されるように、例えばプレスばめによりキャビティ24内に挿入される。クリンプ加工、半径方向の圧縮または、電磁エネルギの利用のような他の方法を使用して、放出要素28およびセパレータ32のアセンブリをキャビティ24内に固定することができる。
【0030】
図6に示した一実施形態によると、ほぼ平坦な円形の作業面100を有する工具98が、その作業面100を放出要素28およびセパレータ32の各端面29、36とそれぞれ接触させて、置かれている。作業面100の外径は、円筒形素材94にあるキャビティ24の直径よりも僅かに小さい。工具98は、作業面100をトーチ10の長手方向軸線とほぼ同軸にして保持され、そして力は、軸方向の圧縮力を長手方向軸線に沿って放出要素28およびセパレータ32に伝えるように工具に加えられる。例えば、工具98は、放出要素28およびセパレータ32と接触して位置決めされ、その後、機械のラムのような適当な装置で工具98を叩く。使われる特定の技術とは関係なく、十分な力が加えられて放出要素28およびセパレータ32が半径方向の外方に変形されるようになるので、放出要素28は、セパレータ32によりしっかりと把持され保持され、そしてセパレータ32は、図7に示すように、キャビティ24によりしっかりと把持され保持される。
【0031】
図7はまた、電極に特性および寿命の向上になる円筒形素材94への熱の付加を説明している。加熱プロセスは、放出要素28およびセパレータ32のアセンブリを円筒形素材94に挿入する前に、或いは後述するように更なる機械加工ステップを円筒形素材について行った後に、このアセンブリに対しても行うことができる。厳正な加熱プロセスは、放出要素28に使用された粉末材料や、セパレータ32に使用された材料に左右される。特に、加熱プロセスは、粉末材料の融解温度により決定される。
【0032】
例えば、好適な一実施形態において、放出要素28は、ハフニウムおよび銀の粉末から2/1の比で形成されている。ハフニウムの融解温度は約2226.7℃(4040#F)、銀の融解温度は約960.6℃(1761#F)である。放出要素28の全組成の約5%というような小さなパーセンテージで酸化ランタンも添加される。セパレータ32は銀で形成されている。放出要素28およびセパレータ32のアセンブリをキャビティ24内に入れた後、このアセンブリが約760℃(1400#F)の温度まで加熱され、熱および電流を運ぶ特別の通路を形成しながら、放出要素28をセパレータ32に更に固定する。もっと高い温度或いは低い温度を使用することもできる。
【0033】
図8および図9は、加圧および加熱動作前後の放出要素28およびセパレータ32の詳細断面図を示している。特に、図8は、図7の8−8線に沿った放出要素28とセパレータ32との間の界面の拡大図を示している。この好適な実施例において、放出要素28は、2/1の比のハフニウムおよび銀のような二種の材料の粉末から主として形成されている。ハフニウム粉末微粒子88および銀粉末微粒子89が、セパレータ32により画成されたキャビティ35を占めている。微粒子88、89の直径は約1マイクロメートルないし10マイクロメートル、好ましくは約3マイクロメートル未満である。例えば約5%のような少量の酸化ランタンを微粒子88、89に添加することもできる。
【0034】
図9は、本発明の好適な実施例による加圧および加熱の動作後における放出要素28およびセパレータ32の詳細断面図を図7の8−8線に沿って示している。図から分かるように、放出要素28の粉末材料は、異なる相(distinct phases)を有しており、銀粉末微粒子89の相の少なくとも一部は、放出要素28内からセパレータ32への熱伝導路90を形成するように放出要素28中に配列されている。好適な実施形態において、熱伝導路90は、実質的に銀から形成されており、そのため、この熱伝導路90は、放出要素28とセパレータ32との間に導電路も提供する。熱伝導路90を形成するのに、金、プラチナ、ロジウム、イリジウム、パラジウム、アルミニウム、ニッケルおよびそれらの合金のようなその他の金属材料を使用してもよい。好適な実施例において、熱伝導路90を形成する材料は、放出要素28およびセパレータ32の双方に共通であるか、或いは放出要素およびセパレータにおける材料と少なくとも実質的に同等である。
【0035】
以下の表は、従来例のデータおよび実験のデータを提示しており、該データは放出要素28の直径、使用されるドーパント(この場合、酸化ランタン)の割合、電極の使用寿命を測定する電極の形成方法の諸効果を示している。なお、材料欄における用語「P」は、放出要素の粉末をダイの中に入れて圧縮してペレットを形成し、このペレットを銀セパレータ内に押し込み、次いでそれらの組合せを銅ホルダ内に押し込むことにより、電極を形成することを表わしている。更に、材料欄における用語「N」は、放出要素の粉末を銀セパレータ中で直接に圧縮してから、それらの組合せを銅ホルダ内に押し込むことにより、電極を形成することを表わしている。電極を形成する2つの方法の間に有意な寿命変化は認められなかったが、データは説明のため提示されている。この表から分かるように、実験データは、従来の電極よりも寿命が明らかに改善されている。以下の表におけるデータの収集に用いられた試験条件は、切断ガスとして酸素を用いるESAB PT-15型水噴射トーチであり、360アンペアで30秒の切断、切断ガスの流量が2.83m3/h(100cfh)であった。
【0036】
【表1】
【0037】
図10は、本発明による完成電極の断面図である。ホルダ16の製造を完了するために、円筒形素材94の後面96を機械加工して、内部にキャビティ22を画成する開口コップ状の構造を形成する。このキャビティ22は、円筒形の柱状部23を画成すると共にセパレータ32および放出要素28の対応部分を同軸的に囲む内側環状凹部82を含むのが有利である。特に、この内側環状凹部82は、内側面83を有している。換言すれば、内側環状凹部82は、円筒形の柱状部23を画成するように、例えば、トレパニングまたはその他の加工作業により形成されている。
【0038】
円筒形素材94の外周壁もまた、ホルダ16の後端19における雄ねじ部102の形成を含め、所望の形状にすることができる。最後に、円筒形素材94の前面95並びに放出要素28およびセパレータ32の端面29、36が実質的に平らで互いに面一になるように機械加工される。
【0039】
図11は、ホルダ16の端面図を示している。セパレータ32の端面36が放出要素28の端面29をホルダ16の前面20から分離させていることが分かる。端面36は、環状であって内周104と外周106とを有している。セパレータ32は、アークが放出要素から離れてホルダ16につくようになるのを妨げる働きをする。
【0040】
従って、本発明は、プラズマアークトーチにおいて使用するための電極14を提供すると共に、電極を製造するための方法を提供しており、この電極においては、セパレータ32への複数の熱伝導路90が放出要素28内に形成されていて、電極の熱伝導率および電気伝導率を改善している。放出要素28を形成するのに粉末材料を使用することによって、該粉末材料の加熱により、拡散接合プロセス中に熱伝導路90を形成することができる。その上、セパレータ32を用いることにより、ホルダ16について銅のように価格の安い材料の使用を可能としながら、セパレータに対して銀のように比較的に高価な材料の使用を制限することで、電極の製造コストが低減する。更に、銀のセパレータ32を使用すると、放出要素28の形成に粉末材料を使用した場合、銅ホルダにおいてのみ圧縮される粉末材料を使用する場合と比較して、電極14の寿命が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を適用したプラズマアークトーチの縦断面図である。
【図2】図1の電極のホルダの拡大斜視図である。
【図3】図1の電極のホルダの拡大縦断面図である。
【図4】本発明の電極を製造する方法の一工程を概略して示す縦断面図である。
【図5】本発明の電極を製造する方法の一工程を概略して示す縦断面図である。
【図6】本発明の電極を製造する方法の一工程を概略して示す縦断面図である。
【図7】本発明の電極を製造する方法の一工程を概略して示す縦断面図である。
【図8】圧縮および加熱作業前における図7の8−8線による電極の拡大断面図である。
【図9】圧縮および加熱作業後における図7の8−8線による電極の拡大断面図である。
【図10】本発明の電極の拡大縦断面図である。
【図11】図10の電極の端面図である。
【符号の説明】
10 プラズマアークトーチ
14 電極
16 ホルダ
20 前面
24 キャビティ(受け部)
28 電子放出要素
32 セパレータ(非電子放出性の部材)
35 キャビティ(開口)
88 ハフニウム粉末微粒子
89 銀粉末微粒子
90 熱伝導路
Claims (14)
- プラズマトーチにおいてアークを持続させるのに適応した電極であって、
長手方向軸線を画成するホルダと、該ホルダに固定されると共に前記長手方向軸線に沿って同軸状に配置される相対的に非電子放出性の部材であって、少なくとも部分的に前記長手方向軸線が通過する開口を画成している部材と、前記開口内に配置されると共に、異なる相を有する少なくとも二種の材料で形成された電子放出要素とを備え、
前記少なくとも二種の材料は、電子放出性の第1の材料と導電性および熱伝導性の第2の材料とを含み、
該第2の材料の相の少なくとも一部が、電極として使用する前に前記電子放出要素内で加熱されて、それによって前記電子放出要素から前記非電子放出性の部材へと前記アークによる熱を伝えるように熱伝導路を形成した、プラズマトーチの電極。 - 前記第1の材料は、ハフニウム、ジルコニウム、タングステンおよびそれらの化合物からなるグループから選択した少なくとも一種の材料から構成され、前記前記第2の材料は、銀、金、プラチナ、アルミニウム、ロジウム、イリジウム、パラジウム、ニッケルおよびそれらの化合物からなるグループから選択した少なくとも一種の材料から構成された請求項1に記載のプラズマトーチの電極。
- 前記第1の材料はハフニウムを含み、前記第2の材料は銀を含む請求項1に記載のプラズマトーチの電極。
- 前記ホルダは銅から構成されている請求項1に記載の電極。
- 前記電子放出要素は、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化イットリウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウムおよびそれらの混合物からなるグループから選択したドーパントを含む請求項1に記載のプラズマトーチの電極。
- プラズマアークトーチにおいてアークを持続させるのに適応した電極であって、
受け部を画成する前端を有するホルダと、前記受け部内に位置付けられると共に、少なくとも主要部が金属により形成された、実質的に非電子放出性の導電および伝熱材料からなるセパレータと、前記受け部内に位置付けられた電子放出要素であって、前記ホルダの前記前端のところで、前記ホルダとの間に前記セパレータを配置させるようになっていると共に、少なくとも二種の材料から構成されている電子放出要素とを備え、
前記少なくとも二種の材料は、電子放出性の第1の材料と、前記アークによる熱を前記電子放出要素から前記セパレータへ導くように、前記セパレータの金属と同一の金属で少なくとも主要部を構成する第2の材料とを含む、プラズマアークトーチの電極。 - 前記第1の材料は、ハフニウム、ジルコニウム、タングステンおよびそれらの化合物からなるグループから選択した少なくとも一種の材料から構成され、前記第2の材料は、銀、金、プラチナ、ロジウム、アルミニウム、イリジウム、パラジウム、ニッケルおよびそれらの化合物からなるグループから選択した少なくとも一種の材料から構成された請求項6に記載のプラズマアークトーチの電極。
- 前記第1の材料はハフニウムを含み、前記第2の材料は銀を含む請求項6に記載のプラズマアークトーチの電極。
- 前記第1および第2の材料は互いに異なる相を有しており、前記第2の材料の相の少なくとも一部は、前記電子放出要素内から前記セパレータへの熱伝導路を形成するように前記電子放出要素中に配置されている請求項6に記載のプラズマアークトーチの電極。
- プラズマアークトーチにおいて使用するための電極を形成する方法であって、電子放出性である第1の材料、および第2の材料を含む少なくとも二つの異種材料の粉末を互いに混合するステップと、この混合物を、実質的に非電子放出性である導電および伝熱材料から構成されたセパレータにある開口内に配置するステップと、前記セパレータに結合される電子放出要素を画成するために前記混合物を加熱するステップとを含むプラズマアークトーチの電極製造方法。
- 前記加熱ステップの前に、理論密度の60%以上に前記混合物を圧縮するステップを更に含む請求項10に記載のプラズマアークトーチの電極製造方法。
- 前記第1の材料をハフニウム、ジルコニウム、タングステンおよびそれらの化合物からなるグループのうちの少なくとも一種の材料から選択するステップと、前記第2の材料を銀、金、プラチナ、ロジウム、イリジウム、パラジウム、ニッケル、アルミニウムおよびそれらの化合物からなるグループのうちの少なくとも一種の材料から選択するステップとを更に含む請求項10に記載のプラズマアークトーチの電極製造方法。
- 前記第1の材料はハフニウムを含み、前記第2の材料は銀を含み、前記加熱ステップは、前記混合物を約760℃まで加熱することを含む請求項10に記載のプラズマアークトーチの電極製造方法。
- 前記加熱ステップによって前記第1および第2の材料に異なる相を生じさせ、前記第2の材料の相の少なくとも一部が、前記電子放出要素内から前記セパレータへの熱伝導路を形成するように前記電子放出要素中に配置される請求項10に記載のプラズマアークトーチの電極製造方法。
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