JP3733461B2 - 複合トーチ型プラズマ発生方法及び装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、複合トーチ型プラズマ発生方法及びその装置に関するものであり、特に、気体中を流れる大電流、いわゆるアークやそれによって、発生する１万度前後の高温度のプラズマによって、金属やセラミックス等の物質を溶融して処理対象物に吹き付け、その表面に強固な皮膜を形成するプラズマ溶射の技術分野や、個体、液体、又は、気体といった処理対象物を、その処理するための熱源としてのプラズマを利用してきた分野、たとえば、ゴミ焼却、気相ダイヤモンド合成、フロンやＰＣＢ等の有害物の分解などの分野、等で用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
図６に示したのは、従来の汎用的な複合トーチ型プラズマ溶射装置の主要な部分を図示したものである。
図６において主陰極５７は、放出口を有する主外套４及び主第二外套３１と、プラズマガスの旋回流形成手段５０を有する絶縁物２７及び絶縁物２９によって同心に保持されている。
【０００３】
図３に示された如く、主プラズマガス送入口５より主プラズマガス６が、先ずガス環状室５１へ送入され、一個の旋回流形成孔５２或いは等分に配置された複数個の旋回流形成孔５２を通って、絶縁物２７の内壁５３を旋回するように矢印５４の如く送入される。
同様に主第二ガス３３も主第二ガス送入口３２を通って、絶縁物２９の内壁を旋回すべく送入される。
【０００４】
主電源７の負端子は、主陰極５７に接続され、主電源７の正端子は、スイッチ手段８を介して主外套４に、又、スイッチ手段３４を介して主第二外套３６に、それぞれ接続されており、これらが全体として主トーチ１を構成している。
【０００５】
次に、主トーチ１の中心軸、すなわち、主陰極５７の中心軸と交叉するように配置された副トーチ起動電極（副電極）１０Ａがあり、この副トーチ起動電極１０Ａは、先端に放出口を有する副外套１１及び副第二外套３６と、主トーチ１の絶縁物２７と同様のプラズマガスの旋回流形成手段５０を有する絶縁物２８及び絶縁物３０によって同心に保持されている。
【０００６】
副電源１４は、その正端子がスイッチ手段１５を介して副外套１１と主電源７の正端子に接続されており、副電源１４の負端子は副トーチ起動電極１０Ａに接続されており、これらが全体として副トーチ２を構成している。
そして、主トーチ１と副トーチ２は、連結管２６で固定され、各々は容易に脱着でき、絶縁性が保たれた構造となっている。
【０００７】
図６において、主プラズマガス送入口５より、主プラズマガス６としてアルゴン等の不活性ガスを流し、スイッチ手段９及びスイッチ手段３４を開いた状態で、スイッチ手段８を閉じて、主電源７の高周波により主陰極５７と主外套４との間で印加する。そうすると、主陰極５７の先端から主外套４の放出口に向かって主起動アーク１６が形成され、これによって主プラズマガス６が加熱され、プラズマ１８となって主外套４の先端より放出される。
【０００８】
次にスイッチ手段３４を閉じて、スイッチ手段８を開くことによって、プラズマ１８の陽極点は主外套４から主第二外套３１へと移行し、主第二外套３１の先端より主トーチ１の外部に向かって放出される。
【０００９】
次にスイッチ手段１５を閉じて、副電源１４の高周波により副トーチ起動電極１０Ａと副外套１１との間に印加するとともに、副ガス送入口１２より、副ガス１３として、アルゴン等の不活性ガスを送入する。
そうすると、副起動アーク１７が発生し、副外套１１の先端の放出口を通って副第二外套３６の放出口よりプラズマ１８が噴出される。
【００１０】
このようにして主トーチ１と副トーチ２の先端から噴出される各々のプラズマ１８は、主トーチ１の中心軸と副トーチ２の中心軸が交叉するように設けられているので、その先端で交叉する。
この状態において、スイッチ手段９を閉じると同時にスイッチ手段１５及びスイッチ手段３４を開くと、プラズマ１８は導電性であるので、主陰極５７の先端から副トーチ起動電極１０Ａの陽極点に至るヘアピン状のプラズマ１８による導電路が形成される。
【００１１】
この時、連結管２６上の材料送入管１９により搬送された溶射材料２０は、プラズマ１８軸に交叉する方向で高温のプラズマ１８中に送入される。
この溶射材料２０は、プラズマ熱により溶融粒子２１となって、プラズマ炎２３に同伴されながら、あまり広がらないで母材２５に向かって進行する。
【００１２】
この溶融粒子２１を含むプラズマ炎２３は、母材２５に及ぼす熱負荷を軽減すべく母材２５の直前で、連結管２６上に設けられたプラズマ分離手段２２によって、プラズマ１８のみが分離され、その直後に溶融粒子２１は母材２５に衝突し、溶射皮膜２４を形成する。
【００１３】
以上の説明では、主外套４，主第二外套３１及び副外套１０，副第二外套３６の内面は、通常何れも二重構造となっており、その内部を水等の循環によって冷却されているが、これは省略し図示していない。なお、以下の説明においては、各該当の冷却システムは、何れも図示を省略する。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
この発明が解決しようとする第一の課題は、従来のプラズマ発生装置のトーチは、主陰極の陰極点をプラズマの中心軸上に設け、副陽極の陽極点をプラズマの中心軸外に設けて、不活性ガスの雰囲気下で、高周波により印加し、プラズマを形成させているが、陰極点から陽極点に至る１万℃前後の高温のプラズマアークを有効に使用できないことにある。
【００１５】
すなわち、プラズマアークの始点となる陰極点は必ずプラズマアーク中心軸上にあることから、熱プラズマを最も有効に使用するには、プラズマ軸上に沿って処理対象材料を送入することが理想的である。
しかし、主陰極は熱電子を発生させるために３０００゜〜４０００゜Ｃの高温にしなければならないので、前述の様に処理対象材料を送入すると、溶融した処理対象材料が主トーチ内に付着するので、該主トーチが詰まってしまい、運転不能となる。
【００１６】
そのため、処理対象材料をやむなくプラズマ軸と交叉する方向で送入しているが、この送入方法では、処理対象材料はプラズマ及びプラズマ炎と短時間しか接触できない上、プラズマの外側に跳ね飛ばされたり、又は、プラズマ炎を貫通したりするので、その使用効率は、プラズマ出力の５％程度にすぎないのが実状である。
【００１７】
次に、従来のプラズマ発生装置は、例えばセラミックスコーティングを中心としたプラズマ溶射装置として用いる場合、セラミックス粉末材料を十分に溶融し、実用的な溶射皮膜を形成するに必要なプラズマの出力は、直流で４０ｋＷ前後である。そうしたことから、必然的にプラズマ発生システムは、大型になってしまうので、容易に車等で可搬、移動できる機器構成にできず、又、設備費も高価なものになってしまう。
【００１８】
この発明は、上記事情に鑑み、熱プラズマの使用効率の向上させるとともに、装置の小型化及びコストダウンを図ることである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
この発明の要点は、プラズマガス供給手段を有する主トーチと副トーチからなる複合トーチ型プラズマ発生装置において、該主トーチは、陰極と陽極の配置を逆にして構成することによって、プラズマアークの陽極上に個体、液体、又は、気体の処理対象材料を任意に供給できる手段を設け、その処理対象材料とプラズマアークの陽極点とが互いに干渉することのない構造とし、該プラズマアーク中心軸に同軸で送入できる。そのため、処理対象材料を熱プラズマにより処理できる効率は、従来のプラズマアーク中心軸と交叉する方向で送入するプラズマ発生装置に比べ著しく向上し、従来プラズマ出力の５％程度であったのが、本発明では２０％程度になった。
【００２０】
このことにより、プラズマの出力自体を大幅に低減することができ、結果として、プラズマ発生システムとして、普通免許で運転できる４トン車に搭載が可能となり、現場施工ができる。
そして、プラズマ発生トーチも容易に小型化することが可能で、誰でも手作業でプラズマ溶射を容易に施工できうるものとなった。
【００２１】
この発明によるプラズマ発生装置においては、陰極及び陽極を有する主トーチと副トーチの少なくとも２個以上のトーチで構成される複トーチ型プラズマの大きな特徴であるプラズマアークをトーチの外部に引き出すことから、プラズマは、単トーチに比べ、低電流高電圧の特性である。
【００２２】
よって、電極の損耗は、電流の増加にともない著しくなるが、複トーチ型プラズマ発生装置は、例えばプラズマ溶射装置として用いる場合、実状、電流数百Ａ（アンペア）前後で運転されているので、単トーチ型の６００Ａ以上の運転に比べて、電極の損耗は極めて少ない。
副電極の陽極点及び主陰極の陰極点は、負荷即ち、電流と電圧（電力）、を受けるが、この陽極点の負荷は陰極点の負荷の約３倍と高く、陽極は、最も損耗の著しい部位とされている。
しかし、この低電流高電圧の特性から、陽極部は１００時間以上の寿命が確保され、陽極と処理対象物の供給手段と併用しても連続安定運転ができる。
【００２３】
次に、この発明によるプラズマ発生装置においては、主トーチ及び副トーチに、プラズマガスの旋回流形成手段を設け、プラズマアーク柱周りに強い旋回流を形成させることで、プラズマのピンチ効果（熱集中性）を高めるとともに、トーチの冷却損失を軽減することを特徴としている。
このプラズマガスの旋回流形成手段は、更なる効果として、プラズマアークの陽極の中心軸上から個体、液体、又は、気体の処理対象物を送入する際、陽極の中心軸に収束するように保護ガスとしてアルゴン等の不活性ガスが作用するので、トーチ内部で飛散、付着することなく外部へと噴出させることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本件発明者は、複合トーチ型プラズマ発生装置において、主トーチの主陰極が熱電子を発生させるために高温にする必要があるのに対し、該熱電子を受ける副トーチの副陽極は冷却され低温に維持される点に注目し、プラズマ炎の中心軸上に沿って処理対象物を供給するには、低温側の陽極側から行えばよいことに気がついた。そこで、従来例とは逆に、主トーチに主陽極を設け、副トーチに副陰極を設け、副トーチの副陰極から主トーチの主陽極に至るヘアピンアークを発生させる。この状態で該両主トーチのガス送入口からプラズマガスを供給してプラズマを発生させた後、処理対象材料を主トーチの材料送入手段から前記プラズマ及びプラズマ炎の中心軸上に沿って放出する。そうすると、処理対象材料は、主トーチに溶着することなくプラズマ炎の中心軸上に沿って進行するので、熱プラズマのエネルギーを充分享受することができる
【００２５】
【実施例】
図１は、本発明による複合トーチ型プラズマ溶射装置の実施状況を示す第一実施例である。主トーチ一１の主陽極３は、熱伝導率の良い材料、例えば、銅により形成され、その先端面３ｆは、図２に示すように、内側に突の円錐台状に形成されている。
【００２６】
該主陽極３は、材料送入管１９と、その外側に配設され、冷却水Ｗを循環させる冷却通路３Ａと、該冷却通路３Ａの外側に位置する先端縁３ｐと、を備えている。該材料送入管１９は、溶射材料２０をプラズマ１８中に供給するもので、該主陽極３の中心部を貫通している。
この先端縁３ｐ上には、主陽極３の陽極点が位置するが、該先端縁３ｐは、前記材料送入管１９の先端１９ｐより半径方向に離間し、かつ、主陽極３の中心軸Ｃ方向に突出している。
該主陽極３は、放出口４ａを有する主外套４と、プラズマガスの旋回流形成手段５０を有する絶縁物２７によって同心に保持されいる。
【００２７】
図３に示された如く、主プラズマガス送入口５より主プラズマガス６は先ずガス環状室５１へ送入され、一個の旋回流形成孔５２或いは等分に配置された複数個の旋回流形成孔５２を通って、絶縁物２７の内壁５３を旋回するように矢印５４の如く送入される。
【００２８】
主電源７の正端子は主陽極３に接続されており、主電源７の負端子は主外套４にスイッチ手段８を介して接続されており、これらが全体として主トーチ１を構成している。
【００２９】
次に、副トーチ起動電極（副電極）１０は、主トーチ１の中心軸Ｃ、すなわち、主陽極３の中心軸、と交叉するように配置され、先端に放出口11aを有する副外套１１と、主トーチ１の絶縁物２７と同様のプラズマガスの旋回流形成手段５０を有する絶縁物２８によって同心に保持されている。
【００３０】
副電源１４は、その正端子が、副外套１１に接続されており、その負端子は、スイッチ手段１５を介して副トーチ起動電極１０に、又、スイッチ手段９を介して主電源７の負端子にそれぞれ接続されており、これらが全体として副トーチ２を構成している。
そして、主トーチ１と副トーチ２は、連結管２６で固定され、各々は容易に脱着でき、絶縁性が保たれた構造となっている。
【００３１】
図１において、主プラズマガス送入口５より、主プラズマガス６としてアルゴン等の不活性ガスを流し、スイッチ手段９を開いた状態で、スイッチ手段８を閉じて、主電源７の高周波により主陽極３と主外套４との間で印加する。
そうすると、主陽極３の先端から主外套４の放出口4aに向かって主起動アーク１６が形成され、これによって主プラズマガス６が加熱され、プラズマ１８となって主外套４の放出口4aより主トーチ１の外部に向かって放出される。
【００３２】
次にスイッチ手段１５を閉じて、副電源１４の高周波により副トーチ起動電極１０と副外套１１との間に印加するとともに、副ガス送入口１２より、副ガス１３として、アルゴン等の不活性ガスを送入する。
そうすると、副起動アーク１７が発生し、副外套１１の先端の放出口１１ａよりプラズマ１８が噴出される。
【００３３】
このようにして主トーチ１と副トーチ２の先端から噴出される各々のプラズマ１８は、主トーチ１の中心軸と副トーチ２の中心軸が交叉するように設けられているので、その先端で交叉する。
この状態において、スイッチ手段９を閉じると同時にスイッチ手段８及びスイッチ手段１５を開くと、プラズマ１８は導電性であるので、副トーチ起動電極１０の先端10aから主陽極３の先端縁ｐの陽極点に至るヘアピン状のプラズマ１８による導電路が形成される。
【００３４】
この場合、主トーチ１の構造と供給される主プラズマガス６及び副トーチ２の構造と副トーチ２に供給される副ガス１３の量とを適切に選定すると、図１に示された如く、主トーチ１とほぼ同軸をなすプラズマ炎２３が発生させることができる。
【００３５】
このようにして発生させたプラズマ１８は、その始点と終点とがそれぞれ副トーチ起動電極１０先端10aの陰極点と主陽極３先端縁３ｐの陽極点に確実に固定され、かつ、該先端10a及び先端縁３ｐは不活性ガスで保護されているので、主トーチ１に流す主プラズマガス６の量を、極めて広い範囲にわたって小流量から大流量の任意の量に設定することが可能となる。
【００３６】
材料送入管１９より送入された溶射材料２０は、図２に示すように、主陽極３の先端縁３ｐ上の陽極点の位置を材料送入管１９の先端１９ｐの位置より陰極点に近くなるように設けることにより、溶射材料２０を供給する際には、溶射材料２０とプラズマ（プラズマアーク）１８の陽極点とが干渉することなく、主トーチ１の中心軸Ｃと同一直線上にあるプラズマ１８中心軸と同軸の方向にある高温のプラズマ柱に確実に供給される。
【００３７】
この時、溶射材料２０が導電性であると、溶射材料２０自体を介してプラズマ１８の陽極点が不安定な状態となり得る。従って、溶射材料２０は、絶縁性に富むセラミックス等が最適であるが、材料送入管１９を耐熱性かつ絶縁性に富むセラミックス等の材質にすることにより、金属等の導電性の材料でも対応できる。
この材料送入管、即ち、材料送入手段により、いかなる高融点の溶射材料２０でも１万℃前後のプラズマ１８で直ちに高温に加熱されて溶融し、溶融粒子２１となってプラズマ炎２３に同伴されながら、あまり広がらないで母材２５に向かって進行する。
【００３８】
この溶融粒子２１を含むプラズマ炎２３は、母材２５に及ぼす熱負荷を軽減すべく母材２５の直前で、連結管２６上に設けられたプラズマ分離手段２２によって、プラズマ１８のみが分離され、その直後に溶融粒子２１は母材２５に衝突し、溶射皮膜２４を形成する。
【００３９】
溶射材料２０をプラズマ１８中心軸上に送入することは、従来の主トーチ１が陰極点であった複合トーチ型プラズマ溶射装置では不可能であったが、該主トーチ１を陽極点にすることによりそれが可能となった。
これにより低出力でも溶射材料２０は十分に溶融し、高品質な溶射皮膜２４が高効率で得られる。
【００４０】
この発明の第２実施例を図４に説明するが、この図４は、副トーチを２個用いた汎用的な複合トーチ型プラズマ溶射装置の主要な部分を示したものである。
前記第一実施例の副トーチ２からのプラズマ１８やヘアピン状のプラズマによる磁場の影響で、主トーチ１のプラズマ１８及びプラズマ炎２３が経時的に曲がるという短所を解決する手段として、主トーチ１の中心軸を囲むように円周方向に等間隔をおいて複数の副トーチ２を設け、該副トーチ２の中心軸が主トーチ１の中心軸の一点で交叉するように配設したものである。
この様に構成することにより、プラズマ１８及びプラズマ炎２３の直進性、安定性、結果としてプラズマ出力の増加が可能となる。
【００４１】
主陽極３は、主外套４と、プラズマガスの旋回流形成手段５０を有する絶縁物２７によって同心に保持されている。この主外套４は、溶射材料２０をプラズマ１８中に供給する材料送入管１９を有する主陽極３の中心軸Ｃ上に放出口を有している。図３に示された如く、主プラズマガス送入口５より主プラズマガス６が、先ず、ガス環状室５１へ送入され、一個の旋回流形成孔５２或いは等分に配置された複数個の旋回流形成孔５２を通って、絶縁物２７の内壁５３を旋回するように矢印５４の如く送入される。
【００４２】
主電源７の正端子は、主陽極３に接続されており、主電源７の負端子は主外套４にスイッチ手段８を介して接続されており、これらが全体として主トーチ１を構成している。
【００４３】
次に、副トーチ２の副トーチ起動電極（副電極）１０は、主トーチ１の中心軸、すなわち、主陽極３の中心軸Ｃ、と交叉するように配置され、先端に放出口を有する副外套１１と、主トーチ１の絶縁物２７と同様のプラズマガスの旋回流形成手段５０を有する絶縁物２８によって同心に保持されている。
【００４４】
第二電源４２からの副トーチ２の正端子は、スイッチ手段４５を介して、副外套１１に、又、スイッチ手段５５を介して主電源７の正端子に接続されており、第二電源４２からの副トーチ２の負端子は、スイッチ手段４６を介して副トーチ起動電極１０と、又、スイッチ手段９を介して主電源７の負端子にそれぞれ接続されており、これらが全体として副トーチ２を構成している。
【００４５】
副トーチ２に対向する位置には、該副トーチ２と同型の第二副トーチ３９が設けられている。 この第二副トーチ３９の第二副起動電極４０は、副トーチ２と同様に、先端に放出口を有する第二副外套４１と、主トーチ１の絶縁物２７と同様のプラズマガスの旋回流形成手段５０を有する絶縁物４７によって同心に保持されている。主トーチ１、副トーチ２及び第二副トーチ３９は、連結管２６で固定され、各々は容易に脱着でき、絶縁性が保たれた構造となっている。
【００４６】
図４において、主プラズマガス送入口５より、主プラズマガス６としてアルゴン等の不活性ガスを流し、スイッチ手段９及びスイッチ手段５５を開いた状態で、スイッチ手段８を閉じて、主電源７の高周波により主陽極３と主外套４との間で印加する。そうすると、主陽極３の先端から主外套４の放出口に向かって主起動アーク１６が形成され、これによって主プラズマガス６が加熱され、プラズマ１８となって主外套４の先端より主トーチ１の外部に向かって放出される。
【００４７】
次にスイッチ手段４３及びスイッチ手段４４を開いた状態で、スイッチ手段４５及びスイッチ手段４６を閉じて、第二電源４２の高周波により副トーチ起動電極１０と副外套１１との間に印加するとともに、副ガス送入口１２より、副ガス１３として、アルゴン等の不活性ガスを送入する。そうすると、副起動アーク１７が発生し、副外套１１の先端の放出口よりプラズマ１８が噴出される。
【００４８】
このようにして主トーチ１と副トーチ２の先端から噴出される各々のプラズマ１８は、主トーチ１の中心軸と副トーチ２の中心軸が交叉するように設けられているので、その先端で交叉する。この状態において、スイッチ手段４６を開くと同時にスイッチ手段９を閉じ、かつ、スイッチ手段８及びスイッチ手段４５を開くと、プラズマ１８は導電性であるので、副トーチ起動電極１０の先端から主陽極３の陽極点に至るヘアピン状のプラズマ１８による導電路が形成される。
【００４９】
その直後、第二副トーチ３９のプラズマ１８を印加すべく副第二ガス送入口４８より、副第二ガス４９としてアルゴン等の不活性ガスを流し、スイッチ手段４５及びスイッチ手段４６を開いた状態で、スイッチ手段４３及びスイッチ手段４４を閉じて、第二電源４２の高周波により第二副起動電極４０と第二副外套４１との間で印加する。
【００５０】
そうすると、第二副起動電極４０の先端から第二副外套４１の放出口に向かって第二副起動アーク５６が形成され、これによって、副第二ガス４９が加熱され、第二副外套４１の先端の放出口よりプラズマ１８が噴出される。このプラズマ１８の先端は、副トーチ起動電極１０の先端から主陽極３の陽極点に至るヘアピン状のプラズマ１８と交叉する。
【００５１】
この状態においてスイッチ手段４５及びスイッチ手段５５を閉じて、スイッチ手段４４を開くと、プラズマ１８は導電性であるので、主陽極３に至る全体としてＴ字状のプラズマ１８が形成される。
【００５２】
この時、材料送入管１９より送入された溶射材料２０は、図２に示すように主陽極３上の陽極点の位置を材料送入管１９の先端１９ａの位置より陰極点に近くなるように設けることにより、溶射材料２０を供給する際には、溶射材料２０とプラズマ１８の陽極点とが干渉することなくプラズマ中心軸と同軸の方向に高温のプラズマ１８柱に確実に供給される。
【００５３】
この溶射材料供給手段により、いかなる高融点の溶射材料２０でも１万℃前後のプラズマ１８で直ちに高温に加熱されて溶融し、溶融粒子２１となってプラズマ炎２３に同伴されながら、あまり広がらないで母材２５に向かって進行する。
【００５４】
この溶融粒子２１を含むプラズマ炎２３は、母材２５に及ぼす熱負荷を軽減すべく母材２５の直前で、連結管２６上に設けられたプラズマ分離手段２２によって、プラズマ１８のみが分離され、その直後に溶融粒子２１は母材２５に衝突し、溶射皮膜２４を形成する。
【００５５】
この発明の第３実施例を図５により説明するが、この図は、プラズマガスに不活性ガスのみならず空気等の活性なガスを用いることができる一つの手段として、主トーチ１内に電極を有しないチャンバーを設けた複合トーチ型プラズマ溶射装置の主要な部分を示したものである。
【００５６】
図５において、主陽極３は、溶射材料２０をプラズマ１８中に供給する材料送入管１９を有する主陽極３の軸上に放出口を有する主外套４及び主第二外套３１と、プラズマガスの旋回流形成手段５０を有する絶縁物２７及び絶縁物２９によって同心に保持されている。
【００５７】
図３に示された如く、主プラズマガス送入口５より主プラズマガス６が、先ずガス環状室５１へ送入され、一個の旋回流形成孔５２或いは等分に配置された複数個の旋回流形成孔５２を通って、絶縁物２７の内壁５３を旋回するように矢印５４の如く送入される。同様に主第二ガス３３も主第二ガス送入口３２を通って、絶縁物２９の内壁を旋回すべく送入される。
【００５８】
主電源７の正端子は、主陽極３に接続されており、主電源７の負端子は、スイッチ手段８を介して主外套４に、スイッチ３４を介して主第二外套３１にそれぞれ接続されており、これらが全体として主トーチ１を構成している。
【００５９】
次に、副トーチ起動電極１０は、主トーチ１の中心軸、すなわち、主陽極３の中心軸Ｃと交叉するように配置され、先端に放出口を有する副外套１１と、主トーチ１の絶縁物２７と同様のプラズマガスの旋回流形成手段５０を有する絶縁物２８によって同心に保持されている。
【００６０】
副電源１４は、その正端子が副外套１１に接続されており、副電源１４の負端子はスイッチ手段１５を介して副トーチ起動電極１０に、スイッチ手段９を介して主電源７の正端子にそれぞれ接続されており、これらが全体として副トーチ２を構成している。
そして、主トーチ１と副トーチ２は、連結管２６で固定され、各々は容易に脱着でき、絶縁性が保たれた構造となっている。
【００６１】
図５において主プラズマガス送入口５より、主プラズマガス６としてアルゴン等の不活性ガスを流し、スイッチ手段９及びスイッチ手段３４を開いた状態で、スイッチ手段８を閉じて、主電源７の高周波により主陽極３と主外套４との間で印加する。そうすると、主陽極３の先端から主外套４の放出口に向かって主起動アーク１６が形成され、これによって主プラズマガス６が加熱され、プラズマ１８となって主外套４の先端より放出される。
【００６２】
次にスイッチ手段３４を閉じて、スイッチ手段８を開くことによって、プラズマ１８の陽極点は主外套４から主第二外套３１へと移行し、主第二外套３１の先端より主トーチ１の外部に向かって放出される。
【００６３】
次にスイッチ手段１５を閉じて、副電源１４の高周波により副トーチ起動電極１０と副外套１１との間に印加するとともに、副ガス送入口１２より、副ガス１３として、アルゴン等の不活性ガスを送入する。そうすると、副起動アーク１７が発生し、副外套１１の先端の放出口よりプラズマ１８が噴出される。
【００６４】
このようにして主トーチ１と副トーチ２の先端から噴出される各々のプラズマ１８は、主トーチ１の中心軸と副トーチ２の中心軸が交叉するように設けられているので、その先端で交叉する。この状態において、スイッチ手段９を閉じると同時にスイッチ手段３４及びスイッチ手段１５を開くと、プラズマ１８は導電性であるので、副トーチ起動電極１０の先端から主陽極３の陽極点に至るヘアピン状のプラズマ１８による導電路が形成される。
【００６５】
この時、材料送入管１９より送入された溶射材料２０は、図２に示すように、主陽極３上の陽極点の位置を材料送入管１９の先端の位置より陰極点に近くなるように設けることにより、溶射材料２０を供給する際には、溶射材料２０とプラズマ１８の陽極点とが干渉することなくプラズマ１８中心軸と同軸の方向に高温のプラズマ柱に確実に供給される。
【００６６】
この溶射材料供給手段により、いかなる高融点の溶射材料２０でも１万℃前後のプラズマ１８で直ちに高温に加熱されて溶融し、溶融粒子２１となってプラズマ炎２３に同伴されながら、あまり広がらないで母材２５に向かって進行する。
【００６７】
この溶融粒子２１を含むプラズマ炎２３は、母材２５に及ぼす熱負荷を軽減すべく母材２５の直前で、連結管２６上に設けられたプラズマ分離手段２２によって、プラズマ１８のみが分離され、その直後に溶融粒子２１は母材２５に衝突し、溶射皮膜２４を形成する。
【００６８】
【発明の効果】
本発明は、以上のように、主トーチの材料送入手段から、処理対象材料をプラズマアーク中心軸上に沿って挿入できるので、従来例に比べ熱プラズマの使用効率を著しく向上させることができる。
現状のプラズマ溶射においては、一例として、耐摩耗を目的に溶射材料として市販の酸化クロム粉末（粒度４５〜１０μ）を溶射した場合、従来の複トーチ型プラズマ発生装置では、通常、電流２００Ａ×電圧１７５Ｖの３５ｋＷの出力で良好な溶射皮膜を作製しているが、この発明の主たる特徴である溶射材料をプラズマ陽極点とが干渉することなくプラズマの中心軸と同軸の方向にて高温のプラズマ柱に確実に供給される手段による溶射では、同等以上の溶射皮膜を作製するのに５０Ａ×１００Ｖの５ｋＷの低出力で溶射できた。
このことにより、電極の寿命に起因する電流値は、５０Ａと極めて低電流であり、１０００時間以上の連続安定運転が期待できる。
【００６９】
更には、プラズマ出力を従来の半分以下にしても十分ニーズに応えることができるので、プラズマ発生システム全体としてコンパクト化、低コスト化が実現できる。
【００７０】
この発明は、プラズマ溶射の分野のみならず、直流プラズマの利用分野、特にフロンやＰＣＢ等の有害物の分解処理を中心とした環境分野でも利用できるので、その社会的意義は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本的な構成を示すプラズマ中心軸上に溶射材料供給手段を有する複トーチ型プラズマ溶射装置の縦断面図である。
【図２】図１の要部である陽極部のら拡大図である。
【図３】図１のIII−III線断面図である。
【図４】本発明の第２実施例を示す縦断面図である。
【図５】本発明の第３実施例を示す縦断面図である。
【図６】従来例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１ 主トーチ
２ 副トーチ
３ 主陽極
４ 主外套
５ 主プラズマガス送入口
６ 主プラズマガス
７ 主電源
１０ 副トーチ起動電極（副電極）
１１ 副外套
１２ ガス送入口
１４ 副電源
１８ プラズマ
２０ 溶射材料
２３ プラズマ炎
５０ プラズマガスの旋回流形成手段
【産業上の利用分野】
この発明は、複合トーチ型プラズマ発生方法及びその装置に関するものであり、特に、気体中を流れる大電流、いわゆるアークやそれによって、発生する１万度前後の高温度のプラズマによって、金属やセラミックス等の物質を溶融して処理対象物に吹き付け、その表面に強固な皮膜を形成するプラズマ溶射の技術分野や、個体、液体、又は、気体といった処理対象物を、その処理するための熱源としてのプラズマを利用してきた分野、たとえば、ゴミ焼却、気相ダイヤモンド合成、フロンやＰＣＢ等の有害物の分解などの分野、等で用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
図６に示したのは、従来の汎用的な複合トーチ型プラズマ溶射装置の主要な部分を図示したものである。
図６において主陰極５７は、放出口を有する主外套４及び主第二外套３１と、プラズマガスの旋回流形成手段５０を有する絶縁物２７及び絶縁物２９によって同心に保持されている。
【０００３】
図３に示された如く、主プラズマガス送入口５より主プラズマガス６が、先ずガス環状室５１へ送入され、一個の旋回流形成孔５２或いは等分に配置された複数個の旋回流形成孔５２を通って、絶縁物２７の内壁５３を旋回するように矢印５４の如く送入される。
同様に主第二ガス３３も主第二ガス送入口３２を通って、絶縁物２９の内壁を旋回すべく送入される。
【０００４】
主電源７の負端子は、主陰極５７に接続され、主電源７の正端子は、スイッチ手段８を介して主外套４に、又、スイッチ手段３４を介して主第二外套３６に、それぞれ接続されており、これらが全体として主トーチ１を構成している。
【０００５】
次に、主トーチ１の中心軸、すなわち、主陰極５７の中心軸と交叉するように配置された副トーチ起動電極（副電極）１０Ａがあり、この副トーチ起動電極１０Ａは、先端に放出口を有する副外套１１及び副第二外套３６と、主トーチ１の絶縁物２７と同様のプラズマガスの旋回流形成手段５０を有する絶縁物２８及び絶縁物３０によって同心に保持されている。
【０００６】
副電源１４は、その正端子がスイッチ手段１５を介して副外套１１と主電源７の正端子に接続されており、副電源１４の負端子は副トーチ起動電極１０Ａに接続されており、これらが全体として副トーチ２を構成している。
そして、主トーチ１と副トーチ２は、連結管２６で固定され、各々は容易に脱着でき、絶縁性が保たれた構造となっている。
【０００７】
図６において、主プラズマガス送入口５より、主プラズマガス６としてアルゴン等の不活性ガスを流し、スイッチ手段９及びスイッチ手段３４を開いた状態で、スイッチ手段８を閉じて、主電源７の高周波により主陰極５７と主外套４との間で印加する。そうすると、主陰極５７の先端から主外套４の放出口に向かって主起動アーク１６が形成され、これによって主プラズマガス６が加熱され、プラズマ１８となって主外套４の先端より放出される。
【０００８】
次にスイッチ手段３４を閉じて、スイッチ手段８を開くことによって、プラズマ１８の陽極点は主外套４から主第二外套３１へと移行し、主第二外套３１の先端より主トーチ１の外部に向かって放出される。
【０００９】
次にスイッチ手段１５を閉じて、副電源１４の高周波により副トーチ起動電極１０Ａと副外套１１との間に印加するとともに、副ガス送入口１２より、副ガス１３として、アルゴン等の不活性ガスを送入する。
そうすると、副起動アーク１７が発生し、副外套１１の先端の放出口を通って副第二外套３６の放出口よりプラズマ１８が噴出される。
【００１０】
このようにして主トーチ１と副トーチ２の先端から噴出される各々のプラズマ１８は、主トーチ１の中心軸と副トーチ２の中心軸が交叉するように設けられているので、その先端で交叉する。
この状態において、スイッチ手段９を閉じると同時にスイッチ手段１５及びスイッチ手段３４を開くと、プラズマ１８は導電性であるので、主陰極５７の先端から副トーチ起動電極１０Ａの陽極点に至るヘアピン状のプラズマ１８による導電路が形成される。
【００１１】
この時、連結管２６上の材料送入管１９により搬送された溶射材料２０は、プラズマ１８軸に交叉する方向で高温のプラズマ１８中に送入される。
この溶射材料２０は、プラズマ熱により溶融粒子２１となって、プラズマ炎２３に同伴されながら、あまり広がらないで母材２５に向かって進行する。
【００１２】
この溶融粒子２１を含むプラズマ炎２３は、母材２５に及ぼす熱負荷を軽減すべく母材２５の直前で、連結管２６上に設けられたプラズマ分離手段２２によって、プラズマ１８のみが分離され、その直後に溶融粒子２１は母材２５に衝突し、溶射皮膜２４を形成する。
【００１３】
以上の説明では、主外套４，主第二外套３１及び副外套１０，副第二外套３６の内面は、通常何れも二重構造となっており、その内部を水等の循環によって冷却されているが、これは省略し図示していない。なお、以下の説明においては、各該当の冷却システムは、何れも図示を省略する。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
この発明が解決しようとする第一の課題は、従来のプラズマ発生装置のトーチは、主陰極の陰極点をプラズマの中心軸上に設け、副陽極の陽極点をプラズマの中心軸外に設けて、不活性ガスの雰囲気下で、高周波により印加し、プラズマを形成させているが、陰極点から陽極点に至る１万℃前後の高温のプラズマアークを有効に使用できないことにある。
【００１５】
すなわち、プラズマアークの始点となる陰極点は必ずプラズマアーク中心軸上にあることから、熱プラズマを最も有効に使用するには、プラズマ軸上に沿って処理対象材料を送入することが理想的である。
しかし、主陰極は熱電子を発生させるために３０００゜〜４０００゜Ｃの高温にしなければならないので、前述の様に処理対象材料を送入すると、溶融した処理対象材料が主トーチ内に付着するので、該主トーチが詰まってしまい、運転不能となる。
【００１６】
そのため、処理対象材料をやむなくプラズマ軸と交叉する方向で送入しているが、この送入方法では、処理対象材料はプラズマ及びプラズマ炎と短時間しか接触できない上、プラズマの外側に跳ね飛ばされたり、又は、プラズマ炎を貫通したりするので、その使用効率は、プラズマ出力の５％程度にすぎないのが実状である。
【００１７】
次に、従来のプラズマ発生装置は、例えばセラミックスコーティングを中心としたプラズマ溶射装置として用いる場合、セラミックス粉末材料を十分に溶融し、実用的な溶射皮膜を形成するに必要なプラズマの出力は、直流で４０ｋＷ前後である。そうしたことから、必然的にプラズマ発生システムは、大型になってしまうので、容易に車等で可搬、移動できる機器構成にできず、又、設備費も高価なものになってしまう。
【００１８】
この発明は、上記事情に鑑み、熱プラズマの使用効率の向上させるとともに、装置の小型化及びコストダウンを図ることである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
この発明の要点は、プラズマガス供給手段を有する主トーチと副トーチからなる複合トーチ型プラズマ発生装置において、該主トーチは、陰極と陽極の配置を逆にして構成することによって、プラズマアークの陽極上に個体、液体、又は、気体の処理対象材料を任意に供給できる手段を設け、その処理対象材料とプラズマアークの陽極点とが互いに干渉することのない構造とし、該プラズマアーク中心軸に同軸で送入できる。そのため、処理対象材料を熱プラズマにより処理できる効率は、従来のプラズマアーク中心軸と交叉する方向で送入するプラズマ発生装置に比べ著しく向上し、従来プラズマ出力の５％程度であったのが、本発明では２０％程度になった。
【００２０】
このことにより、プラズマの出力自体を大幅に低減することができ、結果として、プラズマ発生システムとして、普通免許で運転できる４トン車に搭載が可能となり、現場施工ができる。
そして、プラズマ発生トーチも容易に小型化することが可能で、誰でも手作業でプラズマ溶射を容易に施工できうるものとなった。
【００２１】
この発明によるプラズマ発生装置においては、陰極及び陽極を有する主トーチと副トーチの少なくとも２個以上のトーチで構成される複トーチ型プラズマの大きな特徴であるプラズマアークをトーチの外部に引き出すことから、プラズマは、単トーチに比べ、低電流高電圧の特性である。
【００２２】
よって、電極の損耗は、電流の増加にともない著しくなるが、複トーチ型プラズマ発生装置は、例えばプラズマ溶射装置として用いる場合、実状、電流数百Ａ（アンペア）前後で運転されているので、単トーチ型の６００Ａ以上の運転に比べて、電極の損耗は極めて少ない。
副電極の陽極点及び主陰極の陰極点は、負荷即ち、電流と電圧（電力）、を受けるが、この陽極点の負荷は陰極点の負荷の約３倍と高く、陽極は、最も損耗の著しい部位とされている。
しかし、この低電流高電圧の特性から、陽極部は１００時間以上の寿命が確保され、陽極と処理対象物の供給手段と併用しても連続安定運転ができる。
【００２３】
次に、この発明によるプラズマ発生装置においては、主トーチ及び副トーチに、プラズマガスの旋回流形成手段を設け、プラズマアーク柱周りに強い旋回流を形成させることで、プラズマのピンチ効果（熱集中性）を高めるとともに、トーチの冷却損失を軽減することを特徴としている。
このプラズマガスの旋回流形成手段は、更なる効果として、プラズマアークの陽極の中心軸上から個体、液体、又は、気体の処理対象物を送入する際、陽極の中心軸に収束するように保護ガスとしてアルゴン等の不活性ガスが作用するので、トーチ内部で飛散、付着することなく外部へと噴出させることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本件発明者は、複合トーチ型プラズマ発生装置において、主トーチの主陰極が熱電子を発生させるために高温にする必要があるのに対し、該熱電子を受ける副トーチの副陽極は冷却され低温に維持される点に注目し、プラズマ炎の中心軸上に沿って処理対象物を供給するには、低温側の陽極側から行えばよいことに気がついた。そこで、従来例とは逆に、主トーチに主陽極を設け、副トーチに副陰極を設け、副トーチの副陰極から主トーチの主陽極に至るヘアピンアークを発生させる。この状態で該両主トーチのガス送入口からプラズマガスを供給してプラズマを発生させた後、処理対象材料を主トーチの材料送入手段から前記プラズマ及びプラズマ炎の中心軸上に沿って放出する。そうすると、処理対象材料は、主トーチに溶着することなくプラズマ炎の中心軸上に沿って進行するので、熱プラズマのエネルギーを充分享受することができる
【００２５】
【実施例】
図１は、本発明による複合トーチ型プラズマ溶射装置の実施状況を示す第一実施例である。主トーチ一１の主陽極３は、熱伝導率の良い材料、例えば、銅により形成され、その先端面３ｆは、図２に示すように、内側に突の円錐台状に形成されている。
【００２６】
該主陽極３は、材料送入管１９と、その外側に配設され、冷却水Ｗを循環させる冷却通路３Ａと、該冷却通路３Ａの外側に位置する先端縁３ｐと、を備えている。該材料送入管１９は、溶射材料２０をプラズマ１８中に供給するもので、該主陽極３の中心部を貫通している。
この先端縁３ｐ上には、主陽極３の陽極点が位置するが、該先端縁３ｐは、前記材料送入管１９の先端１９ｐより半径方向に離間し、かつ、主陽極３の中心軸Ｃ方向に突出している。
該主陽極３は、放出口４ａを有する主外套４と、プラズマガスの旋回流形成手段５０を有する絶縁物２７によって同心に保持されいる。
【００２７】
図３に示された如く、主プラズマガス送入口５より主プラズマガス６は先ずガス環状室５１へ送入され、一個の旋回流形成孔５２或いは等分に配置された複数個の旋回流形成孔５２を通って、絶縁物２７の内壁５３を旋回するように矢印５４の如く送入される。
【００２８】
主電源７の正端子は主陽極３に接続されており、主電源７の負端子は主外套４にスイッチ手段８を介して接続されており、これらが全体として主トーチ１を構成している。
【００２９】
次に、副トーチ起動電極（副電極）１０は、主トーチ１の中心軸Ｃ、すなわち、主陽極３の中心軸、と交叉するように配置され、先端に放出口11aを有する副外套１１と、主トーチ１の絶縁物２７と同様のプラズマガスの旋回流形成手段５０を有する絶縁物２８によって同心に保持されている。
【００３０】
副電源１４は、その正端子が、副外套１１に接続されており、その負端子は、スイッチ手段１５を介して副トーチ起動電極１０に、又、スイッチ手段９を介して主電源７の負端子にそれぞれ接続されており、これらが全体として副トーチ２を構成している。
そして、主トーチ１と副トーチ２は、連結管２６で固定され、各々は容易に脱着でき、絶縁性が保たれた構造となっている。
【００３１】
図１において、主プラズマガス送入口５より、主プラズマガス６としてアルゴン等の不活性ガスを流し、スイッチ手段９を開いた状態で、スイッチ手段８を閉じて、主電源７の高周波により主陽極３と主外套４との間で印加する。
そうすると、主陽極３の先端から主外套４の放出口4aに向かって主起動アーク１６が形成され、これによって主プラズマガス６が加熱され、プラズマ１８となって主外套４の放出口4aより主トーチ１の外部に向かって放出される。
【００３２】
次にスイッチ手段１５を閉じて、副電源１４の高周波により副トーチ起動電極１０と副外套１１との間に印加するとともに、副ガス送入口１２より、副ガス１３として、アルゴン等の不活性ガスを送入する。
そうすると、副起動アーク１７が発生し、副外套１１の先端の放出口１１ａよりプラズマ１８が噴出される。
【００３３】
このようにして主トーチ１と副トーチ２の先端から噴出される各々のプラズマ１８は、主トーチ１の中心軸と副トーチ２の中心軸が交叉するように設けられているので、その先端で交叉する。
この状態において、スイッチ手段９を閉じると同時にスイッチ手段８及びスイッチ手段１５を開くと、プラズマ１８は導電性であるので、副トーチ起動電極１０の先端10aから主陽極３の先端縁ｐの陽極点に至るヘアピン状のプラズマ１８による導電路が形成される。
【００３４】
この場合、主トーチ１の構造と供給される主プラズマガス６及び副トーチ２の構造と副トーチ２に供給される副ガス１３の量とを適切に選定すると、図１に示された如く、主トーチ１とほぼ同軸をなすプラズマ炎２３が発生させることができる。
【００３５】
このようにして発生させたプラズマ１８は、その始点と終点とがそれぞれ副トーチ起動電極１０先端10aの陰極点と主陽極３先端縁３ｐの陽極点に確実に固定され、かつ、該先端10a及び先端縁３ｐは不活性ガスで保護されているので、主トーチ１に流す主プラズマガス６の量を、極めて広い範囲にわたって小流量から大流量の任意の量に設定することが可能となる。
【００３６】
材料送入管１９より送入された溶射材料２０は、図２に示すように、主陽極３の先端縁３ｐ上の陽極点の位置を材料送入管１９の先端１９ｐの位置より陰極点に近くなるように設けることにより、溶射材料２０を供給する際には、溶射材料２０とプラズマ（プラズマアーク）１８の陽極点とが干渉することなく、主トーチ１の中心軸Ｃと同一直線上にあるプラズマ１８中心軸と同軸の方向にある高温のプラズマ柱に確実に供給される。
【００３７】
この時、溶射材料２０が導電性であると、溶射材料２０自体を介してプラズマ１８の陽極点が不安定な状態となり得る。従って、溶射材料２０は、絶縁性に富むセラミックス等が最適であるが、材料送入管１９を耐熱性かつ絶縁性に富むセラミックス等の材質にすることにより、金属等の導電性の材料でも対応できる。
この材料送入管、即ち、材料送入手段により、いかなる高融点の溶射材料２０でも１万℃前後のプラズマ１８で直ちに高温に加熱されて溶融し、溶融粒子２１となってプラズマ炎２３に同伴されながら、あまり広がらないで母材２５に向かって進行する。
【００３８】
この溶融粒子２１を含むプラズマ炎２３は、母材２５に及ぼす熱負荷を軽減すべく母材２５の直前で、連結管２６上に設けられたプラズマ分離手段２２によって、プラズマ１８のみが分離され、その直後に溶融粒子２１は母材２５に衝突し、溶射皮膜２４を形成する。
【００３９】
溶射材料２０をプラズマ１８中心軸上に送入することは、従来の主トーチ１が陰極点であった複合トーチ型プラズマ溶射装置では不可能であったが、該主トーチ１を陽極点にすることによりそれが可能となった。
これにより低出力でも溶射材料２０は十分に溶融し、高品質な溶射皮膜２４が高効率で得られる。
【００４０】
この発明の第２実施例を図４に説明するが、この図４は、副トーチを２個用いた汎用的な複合トーチ型プラズマ溶射装置の主要な部分を示したものである。
前記第一実施例の副トーチ２からのプラズマ１８やヘアピン状のプラズマによる磁場の影響で、主トーチ１のプラズマ１８及びプラズマ炎２３が経時的に曲がるという短所を解決する手段として、主トーチ１の中心軸を囲むように円周方向に等間隔をおいて複数の副トーチ２を設け、該副トーチ２の中心軸が主トーチ１の中心軸の一点で交叉するように配設したものである。
この様に構成することにより、プラズマ１８及びプラズマ炎２３の直進性、安定性、結果としてプラズマ出力の増加が可能となる。
【００４１】
主陽極３は、主外套４と、プラズマガスの旋回流形成手段５０を有する絶縁物２７によって同心に保持されている。この主外套４は、溶射材料２０をプラズマ１８中に供給する材料送入管１９を有する主陽極３の中心軸Ｃ上に放出口を有している。図３に示された如く、主プラズマガス送入口５より主プラズマガス６が、先ず、ガス環状室５１へ送入され、一個の旋回流形成孔５２或いは等分に配置された複数個の旋回流形成孔５２を通って、絶縁物２７の内壁５３を旋回するように矢印５４の如く送入される。
【００４２】
主電源７の正端子は、主陽極３に接続されており、主電源７の負端子は主外套４にスイッチ手段８を介して接続されており、これらが全体として主トーチ１を構成している。
【００４３】
次に、副トーチ２の副トーチ起動電極（副電極）１０は、主トーチ１の中心軸、すなわち、主陽極３の中心軸Ｃ、と交叉するように配置され、先端に放出口を有する副外套１１と、主トーチ１の絶縁物２７と同様のプラズマガスの旋回流形成手段５０を有する絶縁物２８によって同心に保持されている。
【００４４】
第二電源４２からの副トーチ２の正端子は、スイッチ手段４５を介して、副外套１１に、又、スイッチ手段５５を介して主電源７の正端子に接続されており、第二電源４２からの副トーチ２の負端子は、スイッチ手段４６を介して副トーチ起動電極１０と、又、スイッチ手段９を介して主電源７の負端子にそれぞれ接続されており、これらが全体として副トーチ２を構成している。
【００４５】
副トーチ２に対向する位置には、該副トーチ２と同型の第二副トーチ３９が設けられている。 この第二副トーチ３９の第二副起動電極４０は、副トーチ２と同様に、先端に放出口を有する第二副外套４１と、主トーチ１の絶縁物２７と同様のプラズマガスの旋回流形成手段５０を有する絶縁物４７によって同心に保持されている。主トーチ１、副トーチ２及び第二副トーチ３９は、連結管２６で固定され、各々は容易に脱着でき、絶縁性が保たれた構造となっている。
【００４６】
図４において、主プラズマガス送入口５より、主プラズマガス６としてアルゴン等の不活性ガスを流し、スイッチ手段９及びスイッチ手段５５を開いた状態で、スイッチ手段８を閉じて、主電源７の高周波により主陽極３と主外套４との間で印加する。そうすると、主陽極３の先端から主外套４の放出口に向かって主起動アーク１６が形成され、これによって主プラズマガス６が加熱され、プラズマ１８となって主外套４の先端より主トーチ１の外部に向かって放出される。
【００４７】
次にスイッチ手段４３及びスイッチ手段４４を開いた状態で、スイッチ手段４５及びスイッチ手段４６を閉じて、第二電源４２の高周波により副トーチ起動電極１０と副外套１１との間に印加するとともに、副ガス送入口１２より、副ガス１３として、アルゴン等の不活性ガスを送入する。そうすると、副起動アーク１７が発生し、副外套１１の先端の放出口よりプラズマ１８が噴出される。
【００４８】
このようにして主トーチ１と副トーチ２の先端から噴出される各々のプラズマ１８は、主トーチ１の中心軸と副トーチ２の中心軸が交叉するように設けられているので、その先端で交叉する。この状態において、スイッチ手段４６を開くと同時にスイッチ手段９を閉じ、かつ、スイッチ手段８及びスイッチ手段４５を開くと、プラズマ１８は導電性であるので、副トーチ起動電極１０の先端から主陽極３の陽極点に至るヘアピン状のプラズマ１８による導電路が形成される。
【００４９】
その直後、第二副トーチ３９のプラズマ１８を印加すべく副第二ガス送入口４８より、副第二ガス４９としてアルゴン等の不活性ガスを流し、スイッチ手段４５及びスイッチ手段４６を開いた状態で、スイッチ手段４３及びスイッチ手段４４を閉じて、第二電源４２の高周波により第二副起動電極４０と第二副外套４１との間で印加する。
【００５０】
そうすると、第二副起動電極４０の先端から第二副外套４１の放出口に向かって第二副起動アーク５６が形成され、これによって、副第二ガス４９が加熱され、第二副外套４１の先端の放出口よりプラズマ１８が噴出される。このプラズマ１８の先端は、副トーチ起動電極１０の先端から主陽極３の陽極点に至るヘアピン状のプラズマ１８と交叉する。
【００５１】
この状態においてスイッチ手段４５及びスイッチ手段５５を閉じて、スイッチ手段４４を開くと、プラズマ１８は導電性であるので、主陽極３に至る全体としてＴ字状のプラズマ１８が形成される。
【００５２】
この時、材料送入管１９より送入された溶射材料２０は、図２に示すように主陽極３上の陽極点の位置を材料送入管１９の先端１９ａの位置より陰極点に近くなるように設けることにより、溶射材料２０を供給する際には、溶射材料２０とプラズマ１８の陽極点とが干渉することなくプラズマ中心軸と同軸の方向に高温のプラズマ１８柱に確実に供給される。
【００５３】
この溶射材料供給手段により、いかなる高融点の溶射材料２０でも１万℃前後のプラズマ１８で直ちに高温に加熱されて溶融し、溶融粒子２１となってプラズマ炎２３に同伴されながら、あまり広がらないで母材２５に向かって進行する。
【００５４】
この溶融粒子２１を含むプラズマ炎２３は、母材２５に及ぼす熱負荷を軽減すべく母材２５の直前で、連結管２６上に設けられたプラズマ分離手段２２によって、プラズマ１８のみが分離され、その直後に溶融粒子２１は母材２５に衝突し、溶射皮膜２４を形成する。
【００５５】
この発明の第３実施例を図５により説明するが、この図は、プラズマガスに不活性ガスのみならず空気等の活性なガスを用いることができる一つの手段として、主トーチ１内に電極を有しないチャンバーを設けた複合トーチ型プラズマ溶射装置の主要な部分を示したものである。
【００５６】
図５において、主陽極３は、溶射材料２０をプラズマ１８中に供給する材料送入管１９を有する主陽極３の軸上に放出口を有する主外套４及び主第二外套３１と、プラズマガスの旋回流形成手段５０を有する絶縁物２７及び絶縁物２９によって同心に保持されている。
【００５７】
図３に示された如く、主プラズマガス送入口５より主プラズマガス６が、先ずガス環状室５１へ送入され、一個の旋回流形成孔５２或いは等分に配置された複数個の旋回流形成孔５２を通って、絶縁物２７の内壁５３を旋回するように矢印５４の如く送入される。同様に主第二ガス３３も主第二ガス送入口３２を通って、絶縁物２９の内壁を旋回すべく送入される。
【００５８】
主電源７の正端子は、主陽極３に接続されており、主電源７の負端子は、スイッチ手段８を介して主外套４に、スイッチ３４を介して主第二外套３１にそれぞれ接続されており、これらが全体として主トーチ１を構成している。
【００５９】
次に、副トーチ起動電極１０は、主トーチ１の中心軸、すなわち、主陽極３の中心軸Ｃと交叉するように配置され、先端に放出口を有する副外套１１と、主トーチ１の絶縁物２７と同様のプラズマガスの旋回流形成手段５０を有する絶縁物２８によって同心に保持されている。
【００６０】
副電源１４は、その正端子が副外套１１に接続されており、副電源１４の負端子はスイッチ手段１５を介して副トーチ起動電極１０に、スイッチ手段９を介して主電源７の正端子にそれぞれ接続されており、これらが全体として副トーチ２を構成している。
そして、主トーチ１と副トーチ２は、連結管２６で固定され、各々は容易に脱着でき、絶縁性が保たれた構造となっている。
【００６１】
図５において主プラズマガス送入口５より、主プラズマガス６としてアルゴン等の不活性ガスを流し、スイッチ手段９及びスイッチ手段３４を開いた状態で、スイッチ手段８を閉じて、主電源７の高周波により主陽極３と主外套４との間で印加する。そうすると、主陽極３の先端から主外套４の放出口に向かって主起動アーク１６が形成され、これによって主プラズマガス６が加熱され、プラズマ１８となって主外套４の先端より放出される。
【００６２】
次にスイッチ手段３４を閉じて、スイッチ手段８を開くことによって、プラズマ１８の陽極点は主外套４から主第二外套３１へと移行し、主第二外套３１の先端より主トーチ１の外部に向かって放出される。
【００６３】
次にスイッチ手段１５を閉じて、副電源１４の高周波により副トーチ起動電極１０と副外套１１との間に印加するとともに、副ガス送入口１２より、副ガス１３として、アルゴン等の不活性ガスを送入する。そうすると、副起動アーク１７が発生し、副外套１１の先端の放出口よりプラズマ１８が噴出される。
【００６４】
このようにして主トーチ１と副トーチ２の先端から噴出される各々のプラズマ１８は、主トーチ１の中心軸と副トーチ２の中心軸が交叉するように設けられているので、その先端で交叉する。この状態において、スイッチ手段９を閉じると同時にスイッチ手段３４及びスイッチ手段１５を開くと、プラズマ１８は導電性であるので、副トーチ起動電極１０の先端から主陽極３の陽極点に至るヘアピン状のプラズマ１８による導電路が形成される。
【００６５】
この時、材料送入管１９より送入された溶射材料２０は、図２に示すように、主陽極３上の陽極点の位置を材料送入管１９の先端の位置より陰極点に近くなるように設けることにより、溶射材料２０を供給する際には、溶射材料２０とプラズマ１８の陽極点とが干渉することなくプラズマ１８中心軸と同軸の方向に高温のプラズマ柱に確実に供給される。
【００６６】
この溶射材料供給手段により、いかなる高融点の溶射材料２０でも１万℃前後のプラズマ１８で直ちに高温に加熱されて溶融し、溶融粒子２１となってプラズマ炎２３に同伴されながら、あまり広がらないで母材２５に向かって進行する。
【００６７】
この溶融粒子２１を含むプラズマ炎２３は、母材２５に及ぼす熱負荷を軽減すべく母材２５の直前で、連結管２６上に設けられたプラズマ分離手段２２によって、プラズマ１８のみが分離され、その直後に溶融粒子２１は母材２５に衝突し、溶射皮膜２４を形成する。
【００６８】
【発明の効果】
本発明は、以上のように、主トーチの材料送入手段から、処理対象材料をプラズマアーク中心軸上に沿って挿入できるので、従来例に比べ熱プラズマの使用効率を著しく向上させることができる。
現状のプラズマ溶射においては、一例として、耐摩耗を目的に溶射材料として市販の酸化クロム粉末（粒度４５〜１０μ）を溶射した場合、従来の複トーチ型プラズマ発生装置では、通常、電流２００Ａ×電圧１７５Ｖの３５ｋＷの出力で良好な溶射皮膜を作製しているが、この発明の主たる特徴である溶射材料をプラズマ陽極点とが干渉することなくプラズマの中心軸と同軸の方向にて高温のプラズマ柱に確実に供給される手段による溶射では、同等以上の溶射皮膜を作製するのに５０Ａ×１００Ｖの５ｋＷの低出力で溶射できた。
このことにより、電極の寿命に起因する電流値は、５０Ａと極めて低電流であり、１０００時間以上の連続安定運転が期待できる。
【００６９】
更には、プラズマ出力を従来の半分以下にしても十分ニーズに応えることができるので、プラズマ発生システム全体としてコンパクト化、低コスト化が実現できる。
【００７０】
この発明は、プラズマ溶射の分野のみならず、直流プラズマの利用分野、特にフロンやＰＣＢ等の有害物の分解処理を中心とした環境分野でも利用できるので、その社会的意義は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本的な構成を示すプラズマ中心軸上に溶射材料供給手段を有する複トーチ型プラズマ溶射装置の縦断面図である。
【図２】図１の要部である陽極部のら拡大図である。
【図３】図１のIII−III線断面図である。
【図４】本発明の第２実施例を示す縦断面図である。
【図５】本発明の第３実施例を示す縦断面図である。
【図６】従来例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１ 主トーチ
２ 副トーチ
３ 主陽極
４ 主外套
５ 主プラズマガス送入口
６ 主プラズマガス
７ 主電源
１０ 副トーチ起動電極（副電極）
１１ 副外套
１２ ガス送入口
１４ 副電源
１８ プラズマ
２０ 溶射材料
２３ プラズマ炎
５０ プラズマガスの旋回流形成手段
Claims (16)
- プラズマガス供給手段を有する主トーチの中心軸と副トーチの中心軸を交差させ、プラズマアークを前記トーチの外部に引き出す複合トーチ型プラズマ発生装置において；
該主トーチは、陰極と陽極の配置を逆にして構成し、陽極軸とプラズマ中心軸及びプラズマ炎中心軸が同軸となって、副トーチの陰極から主トーチの陽極に至るプラズマを形成し、
前記プラズマアークの陽極上に個体、液体、又は、気体の処理対象材料を任意に供給できる手段を設け、前記処理対象材料とプラズマアークの陽極点とが互いに干渉することのない構造とし、前記処理対象材料を前記プラズマアーク中心軸に同軸で送入できることを特徴とする複合トーチ型プラズマ発生装置。 - 副トーチが、主トーチ軸芯を中心として放射線上に１個、又は、複数個等間隔に、設けられていることを特徴とする請求項１記載の複合トーチ型プラズマ発生装置。
- 主トーチ及び副トーチに、プラズマガスの旋回流形成手段を設け、プラズマアーク柱周りに強い旋回流を形成させることで、プラズマのピンチ効果を高めるとともに、前記トーチの冷却損失を軽減することを特徴とする請求項１記載の複合トーチ型プラズマ発生装置。
- 主トーチ或いは副トーチに、電極をもたない独立したチャンバーを設けることによって、プラズマガスとして、空気等の活性なガスを使用できることを特徴とする請求項１記載の複合トーチ型プラズマ発生装置。
- 主トーチの中心軸と副トーチの中心軸を交叉させ、プラズマアークを前記トーチの外部に引き出す複合トーチ型プラズマ発生装置であって：
主トーチが、主陽極と、該主陽極を囲む主外套と、該主外套に設けた主プラズマガス送入口と、正端子を該主陽極に接続し、負端子をスイッチ手段を介して前記主外套に接続した主電源と、を備えており；
副トーチが、副陰極と、該副陰極を囲む副外套と、該副外套に設けた副プラズマガス送入口と、負端子をスイッチ手段を介して該副陰極及び主電源の負端子に接続し、正端子を前記副外套に接続した副電源と、を備えており；
前記主トーチが、前記プラズマアークの中心軸上に沿って材料を供給する材料送入手段を備えていることを特徴とする複合トーチ型プラズマ発生装置。 - 主トーチの中心軸と副トーチの中心軸を交叉させ、プラズマアークを前記トーチの外部に引き出す複合トーチ型プラズマ発生装置であって：
主トーチが、主陽極と、該主陽極を囲む主外套と、該主外套に設けた主プラズマガス送入口と、正端子を該主陽極に接続し、負端子をスイッチ手段を介して前記主外套に接続した主電源と、を備えており；
副トーチが、該主トーチの中心線に対して軸対称な二つの副トーチから構成されており、
一方の副トーチが、副陰極と、該副陰極を囲む副外套と、該副外套に設けた副プラズマガス送入口と、負端子をスイッチ手段を介して該副陰極及び主電源の負端子に接続し、正端子を前記副外套に接続した副電源と、からなり；
他方の副トーチが、第二副陰極と、該第二副陰極を囲む第二副外套と、該第二副外套に設けた副第二副プラズマガス送入口と、負端子をスイッチ手段を介して該第二副陰極及び主電源の負端子に接続し、正端子をスイッチを介して前記第二副外套及び副外套に接続した第二電源と、からなり；
前記主トーチが、前記プラズマアークの中心軸上に沿って材料を供給する材料送入手段を備えていることを特徴とする複合トーチ型プラズマ発生装置。 - 主外套の先端に、第二ガス送入口を有する主第二外套が設けられていることを特徴とする請求項５、又は、６記載の複合トーチ型プラズマ発生装置。
- 主陽極が、冷却手段を備えていることを特徴とする請求項５、又は、６記 載の複合トーチ型プラズマ発生装置。
- 冷却手段が、該主陽極内に設けられた冷却通路であることを特徴とする請求項８記載の複合トーチ型プラズマ発生装置。
- 材料送入手段が、該主陽極の中心部を貫通する材料送入管であることを特徴とする請求項５、又は、６記載の複合トーチ型プラズマ発生装。
- 主陽極が、その中心部を貫通する材料送入管と、その外側に設けられた冷却通路と、該冷却通路の外側に位置し、材料送入管の先端から突出する先端縁と、を備えていることを特徴とする請求項５、又は、６記載の複合トーチ型プラズマ発生装置。
- 主陽極の先端面が、内側に突な円錐台状に形成され、その先端縁が該主陽極の陽極点となることを特徴とする請求項５、又は、６記載の複合トーチ型プラズマ発生装置。
- 主トーチの主陽極の中心軸と副トーチの副陰極の中心軸を交叉させ、プラズマアークを前記トーチの外部に引き出す複合トーチ型プラズマ発生方法であって：
プラズマ処理対象材料が、主トーチの材料送入手段から前記プラズマアークの中心軸上に沿って放出されることを特徴とする複合トーチ型プラズマ発生方法。 - 主陽極上の陽極点の位置が、材料送入管の先端の位置より陰極点に近くなるように設けられていることを特徴とする請求項１３記載の複合トーチ型プラズマ発生方法。
- 主トーチに供給されたプラズマガスが、プラズマガスの旋回流形成手段により、プラズマアーク柱回りを旋回する旋回流となることを特徴とする請求項１３記載の複合トーチ型プラズマ発生方法。
- 主トーチの主外套に第二外套を接続し、該主外套からアルゴンガス等の不活性ガスを供給し、該第二外套の第二ガス送入口から空気等の活性ガスを供給することを特徴する請求項１３記載の複合トーチ型プラズマ発生方法。
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