JP3808540B2 - プラズマトーチ - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はトーチ先端からプラズマガスを噴出して切断を行うプラズマトーチに関するものであり、特に2系統以上のガスをトーチに供給して切断を行うプラズマ切断トーチに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
プラズマ切断装置はプラズマの高熱を利用して切断を行うものであり、プラズマトーチにプラズマ化させるガス(以下プラズマガスと呼ぶ)を供給すると共に、プラズマトーチ先端のノズル内部に取り付けられた電極からプラズマガスに高電圧をかけてプラズマアークを発生させる。プラズマアークはノズルによって絞られて、高温高速のプラズマジェットとしてノズル先端より噴出してワークの切断を行う。
【0003】
しかしプラズマジェットのみでは到達力が弱く、また金属の切断に於いては酸素を供給して燃焼させることにより高能率な切断が可能であることから、二次気流をプラズマジェットの周囲に沿わせる形で噴出することが多く行われている。また二次気流に酸素を使用した場合、切断部位に於ける酸素純度を保つためにさらに三次気流を噴出することもある。これら二次気流や三次気流は旋回させることにより切断面に特性を持たせることができるという効果も有している。
【0004】
このように噴出させるガスの系統を増加させるために、トーチ内にはガスの系統と同数の経路を設ける必要がある。したがって例えば二次気流まで使用するのであればキャップ及びノズルを二重構造、三次気流まで使用するならば三重構造の構成として、その間隙を二次または三次ガスの経路とする。また、ノズル部材はキャップ部材に嵌合されるよう構成されており、キャップ部材をトーチ本体に取り付けることによってノズル部材をも係止しうる構造となっている。プラズマトーチの従来例を図5に示して説明する。
【0005】
図5に示すのは従来例に係るプラズマトーチの先端部の拡大断面図である。本従来例に係るプラズマトーチはトーチ50の中心に電極53が設けられており、該電極の53の先端にセンタリングストーン54を介してノズル51が嵌合され、その外周にキャップ52が嵌合されている。
【0006】
ノズル51は第一ノズル部材55及び第二ノズル部材56からなり、第一ノズル部材55を電極の周囲に嵌合することによってプラズマガスの通路を形成する。さらに第一ノズル部材55に第二ノズル部材56嵌合した際には間隙を有して二次ガスの通路を形成している。
【0007】
第一ノズル部材55はこれに嵌合させた第一キャップ部材57をトーチ50本体に取り付けることによって係止され、第二ノズル部材56もこれに嵌合させた第二キャップ部材58をトーチ50本体に取り付けることによって係止されている。第一キャップ部材57と第二キャップ部材58はそれらの間に間隙を有し、前記ノズル内に二次ガスを供給する。このようにノズル51およびキャップ52を多層構造とすることでプラズマガス及び二次ガスの通路を形成している。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしプラズマ切断に於いては電極の消耗が激しく、頻繁に交換する必要がある。その際上記の如き構成では必然的に全てのキャップ及びノズルを取り外さなければならず、交換作業に要する手間がかかっていた。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明に係るプラズマトーチは、トーチに装着されプラズマアークを形成する電極と、前記電極の周囲に配置されると共にトーチに装着され先端にプラズマアーク及び該プラズマアークに沿った気流を噴射するオリフィスが形成されたノズルと、前記ノズルの周囲に配置され先端が該ノズルに嵌合して該ノズルをトーチに装着するキャップとを有するプラズマトーチに於いて、前記キャップは複数のキャップ部材からなり、該複数のキャップ部材の少なくとも一対のキャップ部材を一部で互いに固着したとき、これらのキャップ部材の間にプラズマアークに沿って噴射する気流を構成するガスをノズルのオリフィスよりも上流側に供給するガス供給路を形成するように構成したことを特徴とする。
【0010】
上記の如く多重構造のキャップを一体に構成することにより、各ガスの通路を確保すると同時に各キャップ部材同士の相対的な位置を固定することができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
図を用いて本発明に係るプラズマトーチの実施例を説明する。図1に示すのはプラズマトーチ先端部の拡大断面図、図2に示すのはキャップの断面図、図3に示すのは第一キャップ部材の断面図、図4に示すのは第二キャップ部材の断面図である。
【0012】
トーチ1先端に於ける構成の概要としては、トーチ1の軸心と一致する如く電極4が配置され、該電極4の先端にはセンタリングストーン5を介してノズル2が嵌合されている。そしてキャップ3がノズル2に嵌合されると共にトーチ1に取り付けられており、該キャップ3はトーチ1の先端を庇護すると共にノズル2をトーチ1に係止する働きを有している。以下にそれぞれについて説明する。
【0013】
トーチ1の中央部に配置された電極4は電極4はトーチ1の後方に於いて支持されており、電極4の周囲は間隙を有してプラズマガス供給路11を形成している。電極4の外周にはセラミック製の円筒部材であるセンタリングストーン5が嵌合されており、電極と後述のノズル2とを絶縁する機能を有している。
【0014】
センタリングストーン5にはトーチ1断面の半径方向に対し所定の角度を有する複数のプラズマガス通過孔5aが設けられており、プラズマガス供給路11から供給されるプラズマガスがこの通過孔5aを通過することにより旋回しながら後述のプラズマガス通路23に供給される。プラズマガスが旋回することによりプラズマアークの発生基点が安定し、シリースアークを防ぐと共にプラズマアークの発生を安定化させている。
【0015】
センタリングストーンの外周には、第一ノズル21および第二ノズル22からなる二層構造を有するノズル2が嵌合されている。各ノズル部材は略円筒形の胴部と、トーチ先端に向かって突出する円錐状の前面とを有する中空の部材であり、円錐の先端にプラズマジェット等を噴出させるオリフィスが形成されている。
【0016】
第一ノズル21はセンタリングストーン5の外周且つ前方に嵌合され、第一ノズル21の円錐後面と電極4先端部との間に間隙を有してプラズマガス通路23を形成している。プラズマガス供給路11より供給されたプラズマガスは、センタリングストーン5のプラズマガス通過孔5aにより旋回しながらプラズマガス通路23内に噴出される。第一ノズル21の外周面には、段部21b及び段部21cが設けられている。トーチ1本体側である段部21bには後述の第一キャップ部材31が嵌合され、トーチ1先端側である段部21cには第二ノズル22が嵌合される。
【0017】
第一ノズル21の外周且つ前方に嵌合された第二ノズル22は、第一ノズル21の円錐前面と第二ノズル22の円錐後面との間に間隙を有して二次ガス通路24を形成している。第二ノズル22の前面である円錐の先端にはオリフィス22aが設けられており、該オリフィス22aは第一ノズル21に設けられたオリフィス21aよりも小径に形成されている。
【0018】
また第二ノズル22の胴部には複数の孔である二次ガス通過孔22bが形成されている。この二次ガス通過孔22bはトーチ1の断面の半径方向から所定の角度を以て形成され、これにより二次ガス通過孔22bを通過した二次ガスは旋回しつつ二次ガス通路24に供給される。さらに第二ノズル22の外周面には段部22cが形成され、後述の第二キャップ32が嵌合されて第二ノズル22をトーチ1に係止している。
【0019】
図2、図3及び図4に詳細に示す通り、キャップ3は第一キャップ部材31と第二キャップ部材32とから構成されている。第一キャップ部材及び第二キャップ部材は円筒状の胴部31a、32aと円錐台部31b、32bによって構成され、円錐台部には前述のノズルを嵌合すべき穴であるノズル嵌合部31c、32cが形成されている。
【0020】
第一キャップ部材31の胴部31aの外周面には雄ねじ34が形成され、また第二キャップ部材32の胴部32aの内面には雌ねじ36が形成されて一体に固着することが可能となっている。ここで第一キャップ部材31の雄ねじ34には外形が六角形となる複数の平面部35が形成されており、対向する平面部35間の距離、すなわち平径は雄ねじ34の谷の径よりも小さく設定されている。従って第一キャップ部材31を第二キャップ部材32の内面に螺合させた際にねじ部分に於いて断続的に間隙が形成され、二次ガス供給パイプ12より供給された二次ガスをさらに下流へと通過させることができる。
【0021】
これらノズル2、及びキャップ3をトーチ1に取り付ける際には、第一キャップ部材31が上述の如く第一ノズル21の段部21bに嵌合し、かつ第二キャップ部材32が第二ノズル22の段部22cに嵌合してこれらをトーチ1に係止する。
【0022】
第一キャップ部材31と第一ノズル21の胴部外周面との間には冷却水通路13が形成されており、図示しない冷却水供給路から冷却水を供給されてノズル2を冷却する。また第一キャップ部材31と第二キャップ部材32の円錐台部31b、32bの間に形成された二次ガス供給路33は、前述の第二ノズル22の二次ガス通過孔22bに連続して二次ガスを供給する。
【0023】
本実施例に係るプラズマトーチは移行式であって、まず電極4に電圧をかけると同時にノズルに逆電圧をかけることにより電極と第一ノズル21の内面との間で放電し、プラズマガス通路23内に供給されたプラズマガスが電離してパイロットアークが形成される。しかる後にワークに逆電圧をかけると共にノズルにかけられた逆電圧を遮断し、プラズマガスに導電させることにより電極とワークの間にアークを移行させ、プラズマアークを発生させる。
【0024】
プラズマアークは第一ノズル21の先端に設けられたオリフィス21aにおいて絞られると共に冷却され、より高温のプラズマジェットが生成される。また第二ノズル22のオリフィス22aが第一ノズル21のオリフィス21aよりも小径に形成されていることから、オリフィス21aから噴出したプラズマガスはオリフィス22aによって絞られて、さらに高温且つ高速のプラズマジェットとなる。
【0025】
また二次ガス供給パイプ12から供給された二次ガスは、第一キャップ部材31と第二キャップ部材32の間に形成された二次ガス供給路33を介して、第一ノズル21と第二ノズル22の間に形成された二次ガス通路24に供給され、第二オリフィス22aから二次気流としてプラズマジェットと共に噴出する。ここで第一キャップ部材31と第二キャップ部材32は雄ねじ34と雌ねじ35を螺合させることにより接合されているが、雄ねじ34に設けられた平面部35によって断続的に間隙が形成されるため、二次ガスを通過させることができる。
【0026】
二次気流がプラズマジェットを冷却することから、プラズマジェットはサーマルピンチ効果により更に細く絞られ、また二次気流がプラズマジェットに沿って流れることによりエアカーテンを形成してプラズマガスの純度を保つと共に到達距離を延長せしめる。また、旋回を持たせることにより切断面の開先角度に特性を持たせて切断面の品質を向上させるなどの効果を有している。
【0027】
尚、キャップ部材を固着させる手段としてネジを用いて示したが、圧入や接着、溶接、ろう付けなどによって一体に固着することでも良い。またそれらの場合、内側のキャップ部材の外周面に溝を切ったり、また肉厚に形成したキャップ部材に通路を穿孔したりすることで、キャップ部材間に間隙を設けることができる。
【0028】
また、上記実施例に於いては2系統のガスを噴出するプラズマトーチを用いて、ノズル及びキャップを二重構造として説明した。しかし、3系統のガスを噴出するプラズマトーチに本発明を適用して、三重構造に構成されたキャップのいずれか一対ないし全てのキャップ部材を一体に固着することでも良い。またキャップ部材の間隙を冷却水の通路とし、当該トーチの先端部を冷却するよう構成することもできる。
【0029】
【発明の効果】
本発明に係るプラズマトーチは、上記の如く構成したことにより、電極を交換する際に最外殻であるキャップをトーチから外すことのみによって電極を露出させることができ、作業が簡略かつ容易となって作業性が大幅に向上する。また、部品の散逸などのおそれもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例に係るプラズマトーチ先端部の拡大断面図である。
【図2】 キャップの断面図である。
【図3】 第一キャップ部材の断面図である。
【図4】 第二キャップ部材の断面図である。
【図5】 従来のプラズマトーチ先端部の拡大断面図である。
【符号の説明】
1…トーチ
11…プラズマガス供給路
12…二次ガス供給パイプ
13…冷却水通路
14…係止部
2…ノズル
21…第一ノズル
22…第二ノズル
3…キャップ
31…第一キャップ部材
32…第二キャップ部材
33…二次ガス供給路
34…雄ねじ
35…平面部
36…雌ねじ
4…電極
5…センタリングストーン

Claims (1)

  1. トーチに装着されプラズマアークを形成する電極と、前記電極の周囲に配置されると共にトーチに装着され先端にプラズマアーク及び該プラズマアークに沿った気流を噴射するオリフィスが形成されたノズルと、前記ノズルの周囲に配置され先端が該ノズルに嵌合して該ノズルをトーチに装着するキャップとを有するプラズマトーチに於いて、前記キャップは複数のキャップ部材からなり、該複数のキャップ部材の少なくとも一対のキャップ部材を一部で互いに固着したとき、これらのキャップ部材の間にプラズマアークに沿って噴射する気流を構成するガスをノズルのオリフィスよりも上流側に供給するガス供給路を形成するように構成したことを特徴とするプラズマトーチ。
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