JP4620198B2

JP4620198B2 - プラズマトーチ用ノズル

Info

Publication number: JP4620198B2
Application number: JP20171399A
Authority: JP
Inventors: ケラーシルバーノ
Original assignee: Sulzer Metco AG
Current assignee: Oerlikon Metco AG
Priority date: 1998-12-21
Filing date: 1999-07-15
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2019-07-15
Also published as: JP2000188200A; GB2345234A; CH693083A5; CA2273382A1; US6137078A; ITTO990652A1; GB2345234B; FR2787675B1; DE19900128B4; FR2787675A1; DE29900067U1; GB9911647D0; IT1310636B1; CA2273382C; DE19900128A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマトーチ装置のトーチヘッドに使用するため、中心長手方向軸線を有するほぼ円筒形のノズル本体部材と、このノズル本体部材に延在する開口であって前記中心長手方向軸線に同軸状に配置し入口端部及び出口端部を有する開口と、前記ノズル本体部材の内部に延在する複数個の冷却チャンネルであって前記中心長手方向軸線の周りに対称的に配列した複数個の冷却チャンネルとを具えるプラズマトーチ用ノズルに関するものである。更に、本発明はノズル及びノズル支持部材を具えるプラズマトーチ装置のトーチヘッドに使用するノズル組立体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマトーチ装置即ち、いわゆるプラズマガンのトーチヘッドに使用するノズルは従来多様な設計及び構造のものが知られている。このようなノズルは、一方ではプラズマ流を所要の状態に集中させ、また他方ではプラズマ流を発生するに必要な電気アークをノズルとノズルから離れた距離に配置した陰極との間に発生するための陽極としても作用する。
【０００３】
ドイツ国特許公開第１６３９３２５号にはこの種の陽極ノズルを組み込んだプラズマジェット発生装置が記載されている。陽極ノズルには孔と、好適には、ノズルを冷却する冷却用チャンネルとを設ける。陽極ノズルの出口端部の領域において、被覆パウダーをプラズマ流に供給することができるチャンネルをノズルの内部にほぼ半径方向に延在するよう設ける。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、パウダー供給チャンネルの領域において、パウダー供給チャンネルの内部の被覆パウダーが既に溶融する程度の温度までノズルが高温になる限り、このような陽極ノズルには溶融材料の好ましくない残留又は堆積を生ずるという危険が伴う。このような堆積物はノズルの断面積、従って、プラズマジェットに悪影響を与える。更に、このような堆積物は剥がれてプラズマジェットに混入することがときどき起こり、このことは被覆すべきサブストレートに塊として堆積する結果となる。
【０００５】
この既知の陽極ノズルの他の問題点としては、ノズル本体の冷却が不十分又は不均一にしか行なわれない点である。特に、ノズル本体の出口端部領域において、従来既知の陽極ノズルは、冷却チャンネルがノズル本体の出口端部まで延在していないため不十分にしか冷却されない。このような設計にしている理由は、一方では１個又は複数個のパウダー供給チャンネルのための十分な空間をとっておたためであり、他方では特定の冷却チャンネルを陽極ノズルの内部に引き戻すことが確実にできるようにするためである。
【０００６】
従って、本発明の目的は、ノズル本体部材の冷却を改善しより均一に行なうことができるプラズマトーチ装置のトーチヘッドに使用するノズル並びにノズル組立体を得るにある。本発明の他の目的は、ノズル本体の内部に堆積物が発生する危険性を回避するプラズマトーチ装置のトーチヘッドに使用するノズル並びにノズル組立体を得るにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するため、本発明は、プラズマトーチ装置のトーチヘッドに使用するため、中心長手方向軸線を有するほぼ円筒形のノズル本体部材と、このノズル本体部材に延在する開口であって前記中心長手方向軸線に同軸状に配置し入口端部及び出口端部を有する開口と、前記ノズル本体部材の内部に延在する複数個の冷却チャンネルであって前記中心長手方向軸線の周りに対称的に配列した複数個の冷却チャンネルとを具えるノズルを提供する。
【０００８】
少なくとも２個のパウダー供給チャンネルを中心開口の出口端部の領域に配置する。２個のパウダー供給チャンネルは中心長手方向軸線に関してほぼ半径方向に延在させて中心開口に開口させる。
【０００９】
各冷却チャンネルはノズル本体部材において軸線方向に中心開口の出口端部まで延在させ、各パウダー供給チャンネルの各々はノズル本体部材の外面から互いに隣接する２個の冷却チャンネル間を経て中心開口まで形成する。
【００１０】
冷却チャンネルはノズル本体部材において軸線方向にノズルの出口領域まで連続的に形成してあるため、またパウダー供給チャンネルが２個の冷却チャンネル間でノズル本体部材に対して半径方向に延在するため、出口領域に至るまで均一なノズルの冷却を確実に行い、パウダー供給チャンネルの冷却も改善される。
【００１１】
更に、本発明によれば、プラズマトーチ装置のトーチヘッドに使用するため、中心長手方向軸線を有するほぼ円筒形のノズル本体部材と、このノズル本体部材に延在する開口であって前記中心長手方向軸線に同軸状に配置し入口端部及び出口端部を有する開口と、前記ノズル本体部材の内部に延在する複数個の冷却チャンネルであって前記中心長手方向軸線の周りに対称的に配列した複数個の冷却チャンネルとを具えるノズルを設けたノズル組立体を提供する。
【００１２】
少なくとも２個のパウダー供給チャンネルを中心開口の出口端部の領域に配置する。２個のパウダー供給チャンネルは中心長手方向軸線に関してほぼ半径方向に延在させて中心開口に開口させる。
【００１３】
各冷却チャンネルはノズル本体部材において軸線方向に中心開口の出口端部まで延在させ、各パウダー供給チャンネルの各々はノズル本体部材の外面から互いに隣接する２個の冷却チャンネル間を経て中心開口まで形成する。
【００１４】
更に、ノズル組立体は、前記ノズルのノズル本体手段を収容する中心開口を有するノズル支持手段を具え、前記ノズル支持手段に冷却ダクト手段を設け、この冷却ダクト手段を前記ノズル本体手段に設けた前記冷却チャンネルに液圧的に接続してノズル冷却循環システムを構成する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、図面につき本発明の好適な実施の形態を説明する。
【００１６】
図１の（ａ），（ｂ），（ｃ）及び（ｄ）にそれぞれ、プラズマトーチのトーチヘッドに使用するノズル１の実施例の正面図、横断面図、及び２個の異なる角度における縦断面を示す。以下にノズル１の設計を上述の図面につき説明する。このようなノズルの一般的な設計及び機能は当業者にはよく知られているため、本発明に関連するノズル１の重要な特徴についてのみ詳細に説明する。更に、ノズル１はプラズマトーチを発生するためのアノード（陽極）としても機能し、プラズマガスが図１の（ｃ）及び（ｄ）で見て左側から右側にノズル１から流出する。
【００１７】
図１の（ａ）及び（ｂ）から明らかなように、ノズル１は、ほぼ円筒形のノズル本体部材１ａを有し、このノズル本体部材１ａに中心開口２並びに複数個の冷却チャンネル１３を設け、図示の実施例では１２個の冷却チャンネル１３を上述の中心開口２の周りに配列する。プラズマガスの流れの方向に見て、中心開口２は、第１円錐形部分３と、第１円筒形部分４と、第２円筒形部分５と、第２円錐形部分６とを有する。第１円錐形部分３はノズル１の入口領域８を構成し、第２円錐形部分６はノズル１の出口領域９を構成する。ノズル１には２個のパウダー供給チャンネル１１，１２を設け、これらのパウダー供給チャンネル１１，１２はノズル１の本体部材１ａに半径方向に延在させ、プラズマガスの流れの方向に見て出口領域９の手前で中心開口２に開口させる。パウダー供給チャンネル１１，１２は、プラズマトーチに供給された被覆パウダーのできるだけ均等な混合が完全に得られるよう設計する。
【００１８】
ノズル本体部材１ａは、好適には、銅又は銅合金により形成し、ノズル本体部材１ａの内部は従来技術でよく知られているようにタングステン製のインサート（図示せず）によって構成し、ノズル１の寿命を十分長くするようにする。
【００１９】
ノズル本体部材１ａの外側では、上述の入口領域８に近接して、周縁リブ１５を設ける。このリブ１５に隣接してプラズマガスの流れの方向に見てリブ１５の下流側に環状チャンネル１６を設ける。上述の冷却チャンネル１３のすべてをこの環状チャンネル１６に接続する。環状チャンネル１６を起点として、すべての冷却チャンネル１３をノズル１の中心長手方向軸線Ｌに平行な方向にノズル本体部材１ａに延在する。出口領域９の端部において、ノズル本体部材１ａに環状の後面１８を設ける。上述の冷却チャンネル１３をこの後面１８に開口させる。更に、ノズル本体部材１ａの後面１８には冷却チャンネル１３を包囲する環状溝１９を設け、環状溝１９の内側面が冷却チャンネル１３に隣接するようにする。パウダー供給チャンネル１１，１２は互いに対向する位置に配置し、冷却チャンネル１３Ａ，１３Ｂ間並びに冷却チャンネル１３Ｃ、１３Ｄ間の距離（図１の（ｂ）参照）が他の隣接冷却チャンネル１３間の距離よりも大きくなるようにする。従って、パウダー供給チャンネル１１，１２は上述の冷却チャンネル１３間でノズル本体部材１ａの内部即ち、中心開口２に達する。
【００２０】
図２において、ノズル１を収容しうる中心開口２２を設けたノズル支持部材２０の実施例を示す。ノズル支持部材２０の外側において、周縁カラー２３を設け、この周縁カラー２３は複数個の固定孔（図面では見えない）に挿入する。ノズル支持部材２０の周縁カラー２３の反対側には、中心開口２２に向かって突出する内向きカラー２５を設ける。この内向きカラー２５はノズル１の環状溝１９（図１の（ｄ）参照）に対応する形状及び寸法の窪み２６を設ける。更に、ノズル支持部材２０には、ノズル支持部材２０の長手方向に延在しかつノズル支持部材２０の左側の前面３０の領域で外部に開口する複数個の冷却ダクト２９を設ける。ノズル支持部材２０に設けた通路２８は窪み２６と冷却ダクト２９とを相互接続する。
【００２１】
更に、ノズル支持部材２０の内部には、ノズル１の環状チャンネル１６に対応する形状及び位置の環状溝３１を設ける（図１の（ｃ）参照）。
【００２２】
図３は図１の（ａ）〜（ｄ）によるノズル１を挿入した図２のノズル支持部材２０の縦断面を示す。ノズル１をノズル支持部材２０に挿入する際に、ノズル１の周縁リブ１５は止め部材として作用し、従って、ノズル支持部材２０におけるノズル１の位置を規定する。ノズル支持部材２０の冷却ダクト２９は液圧的にノズル１の冷却チャンネル１３に接続され、この結果、冷却循環システムが構成され、システムを循環する冷却媒体は強制的に冷却循環システムに設けた孔、ダクト、及びチャンネル１３，２８，２９を通過する。ノズル１の環状溝１９及びこの環状溝に連通するノズル支持部材２０の窪み２６を設けることによって、移行領域には狭い断面領域がなくなる。
【００２３】
冷却循環システムは、入口３５だけでなく出口３６もノズル支持部材２０の左側の前面３０に開口する。更に、冷却循環システムの適切な封鎖に使用なシールリング部材は図面を分かり易くするため図示しない。冷却媒体としては水を使用すると好適である。
【００２４】
【発明の効果】
上述のような設計のノズル組立体は以下のような利点がある。即ち、
‐ノズル１の冷却を出口端部まで均質で効率的な冷却が得られる、
‐パウダーチャンネルをも冷却でき、この結果、ノズル１の内部に被覆パウダーのいかなる溶融堆積物も溜まることがない、
‐冷却媒体を強制的に循環することができ、従って、水の滞留を生ずることがない、
‐ノズル１の設計が簡単であり、交換が容易である、
‐有効使用寿命が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるノズルの実施例を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）の横断面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ‐Ａ線上の縦断面図、（ｄ）は（ｂ）のＢ‐Ｂ線上の縦断面図である。
【図２】ノズル支持部材の実施例の縦断面図である。
【図３】図１の（ａ）〜（ｄ）のノズルを挿入した図２のノズル支持部材の縦断面図である。
【符号の説明】
１ノズル
２中心開口
３第１円錐形部分
４第１円筒形部分
５第２円筒形部分
６第２円錐形部分
８入口領域
９出口領域
11,12 パウダー供給チャンネル
13 冷却チャンネル
15 周縁リブ
16 環状チャンネル
18 後面
19 環状溝
20 ノズル支持部材
22 中心開口
23 周縁カラー
25 内向きカラー
26 窪み２６
28 通路
29 冷却ダクト
30 前面
31 環状溝
35 入口
36 出口

Claims

プラズマトーチ装置のトーチヘッドに使用するため、
中心長手方向軸線を有する円筒形のノズル本体手段と、
このノズル本体手段に延在する開口であって前記中心長手方向軸線に同軸状に配置し入口端部及び出口端部を有する中心開口と、
前記ノズル本体手段の内部に延在する複数個の冷却チャンネルであって前記中心長手方向軸線の周りに対称的に配列した複数個の冷却チャンネルと、
前記中心開口の出口端部の領域に配置した少なくとも２個のパウダー供給チャンネルであって、前記中心長手方向軸線に対して半径方向に延在して前記中心開口に開口する少なくとも２個のパウダー供給チャンネルと
を具えるプラズマトーチ用ノズルにおいて、
前記冷却チャンネル（１３）の各々を前記ノズル本体手段（１）に前記中心開口（２）の出口端部に至るまで前記中心長手方向軸線に平行に延在させ、
前記パウダー供給チャンネル（１１，１２）の各々を、前記ノズル本体手段（１）の外面からこのノズル本体手段に半径方向に延在させ、かつ互いに隣接する２個の冷却チャンネル間を経て前記中心開口（２）まで達するよう形成し、さらに、
前記ノズルのノズル本体手段（１）を収容する中心開口（２２）を有するノズル支持手段（２０）であって、このノズル支持手段（２０）に冷却ダクト手段（２９）を設け、この冷却ダクト手段（２９）を前記ノズル本体手段（１）に設けた前記冷却チャンネル（１３）に連通するノズル冷却循環システムを構成する該ノズル支持手段（２０）を具え、
前記ノズル支持手段（２０）に、前記ノズル本体手段を収容する前記中心開口に向かって突出するカラー手段（２５）を設け、このカラー手段（２５）には前記ノズル本体手段（１）の前記中心開口（２）における出口端部の領域（９）の環状端面である後面（１８）に設けた環状溝（１９）に対応する形状及び寸法の窪み（２６）を設け、前記ノズル支持手段（２０）の前記冷却ダクト手段（２９）を前記窪み（２６）に連通させた
ことを特徴とするプラズマトーチ用ノズル。
前記ノズル本体手段の外面に前記中心開口の入口端部の領域で環状チャンネルを設け、前記冷却チャンネルの各々を前記環状チャンネルに開口させた請求項１記載のプラズマトーチ用ノズル。
前記ノズル本体部材に、前記中心開口（２）の出口端部の領域（９）で環状の段差付き端面としての後面（１８）を設け、前記冷却チャンネル（１３）の各々をこの後面（１８）に開口させた請求項１又は２記載のプラズマトーチ用ノズル。
前記ノズル本体手段を、タングステン又はタングステン合金により形成したインサートとして構成した請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載のプラズマトーチ用ノズル。
前記ノズル支持手段の前記冷却ダクト手段を、前記ノズル支持手段に設けた半径方向に延在する通路（２８）を介して前記窪み（２６）に連通させた請求項１〜４のうちいずれか一項に記載のプラズマトーチ用ノズル。
前記ノズル支持手段（２０）に設けた前記冷却ダクト手段（２９）を、前記中心開口（２２）の入口端部の領域に位置し、前記ノズル本体手段（１）の前記後面（１８）側とは反対側の前記ノズル支持手段の端面である前面（３０）まで延在させた請求項５記載のプラズマトーチ用ノズル。
前記ノズル支持手段の内部に、前記ノズル本体手段（１）に設けた前記環状チャンネル（１６）に対応する形状及び位置に形成した環状溝（３１）を設けた請求項１〜６のうちのいずれか一項に記載のプラズマトーチ用ノズル。
前記環状溝（３１）を、前記中心開口（２２）の前記入口端部の領域で前記ノズル支持手段に設けた前記冷却ダクト手段（２９）が開口する前記ノズル支持手段（２０）の前記前面（３０）に至るまで形成した請求項７記載のプラズマトーチ用ノズル。
前記ノズル冷却循環システムを構成するノズル支持手段（２０）の前記冷却チャンネル（１３）に対する入口（３５）及び出口（３６）の双方を、前記中心開口（２２）の入口端部領域側における前記ノズル支持手段（２０）の前記前面（３０）に開口させた請求項１乃至８のうちのいずれか一項に記載のプラズマトーチ用ノズル。