JP5213700B2 - 交換可能なプラズマノズルインタフェース及びそれを形成する方法、並びに交換可能なノズル - Google Patents

交換可能なプラズマノズルインタフェース及びそれを形成する方法、並びに交換可能なノズル Download PDF

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Description

[関連出願に対するクロス・リファレンス]
本願は2005年4月29日に出願された米国特許出願第60/675,910号及び2006年3月30日に出願された米国特許出願第11/392,650号から米国特許法119(e)の下で優先権を主張する。これらの両方は本願明細書に参考文献として援用されている。
本発明は、一般に、粉末状材料の熱スプレーのための機器に関する。より詳細には、本発明は、熱スプレープラズマガンと共に使用するための交換可能なノズルインタフェースに関する。
多様な熱スプレーコーティングは、種々のタイプの構成要素を保護するために使用されてきた。コーティングは、摩耗に抵抗する、腐食を妨げる、間隙を制御する、摩滅した構成要素を回収する、高温に耐え及び/又は電気特性を向上させることに関するような利点を供する。これらの利点は、コーティング材料のタイプ及びこれらの材料がどのように適用(すなわち塗布)されるかに基づいて異なり得る。本発明の主題が属するスプレーコーティングの1群はプラズマスプレープロセスによって塗布される一群である。この噴射プロセスは多くの産業における多数の異なるタイプのコーティングを塗布するために使用されてきた。
各材料コーティング仕様は、特定の範囲の速度と、部品に要求された材料特性を達成するために粉末状粒子に移送された温度と、を要する。熱スプレーコーティングの配送における改善された一貫性及び効率は依然として産業界全体の目標である。
プラズマガンは、この基本的なツールによって達成可能である広範囲のパラメータによりスプレーコーティング産業のプロセスツールとして使用されてきた。何れのプラズマガンのキー素子もノズル形状をしている。ノズル形状の多様性は、プラズマガンが、異なる温度におけるコーティング特性及び同一ベース機器からの速度を与えることを可能にし得る。オペレータが異なるタイプのスプレーコーティングを塗布する必要があるときに、これらはしばしば異なるノズルを使用しなければならない。従って、交換可能なノズルを具備する単一のプラズマガンは多用途で働き得るものであり、固定されたノズル形状を有するガンに関する大幅な機器コスト節減を供し得るものである。一般的に、従来のスプレーガン及びノズル形状は、通常、ノズルの交換可能性を有するように構成されていなかったことに留意されたい。従来技術の形状構成は、オペレータがスプレーガン自体をしばしば変更する必要があるものでもあった。
しかしながら、プラズマガンノズルを交換することにおける挑戦を与え得る多数の要因が存在する。プラズマスプレーガンは、継続的なコーティングプロセスを達成するために幾つかの異なる機能を遂行しなければならない。これらの機能はスプレーノズルの適切な整合、並びにプラズマガスが貫通流動するチャネルのシーリングを含む。また、スプレープロセスの間のガンノズルの冷却は過熱を防止するために必要とされる。ノズル領域周りを密封する冷却剤のこうした適切な流動及び冷却経路の密封は重要である。ノズルとプラズマガンとの間の電気接続もプラズマアーク電流の帰路として働くことを必要とする。機械的位置、機械的接続及び水チャンバの正確な配向は所望のスプレー特性を得るために達成されなければならない。
各々のノズルに対する標準的なインタフェースは、各々が交換可能なノズルを具備する全てのプラズマガン構成要素の適切な配向を保証する一方で、人為的エラーの危険性を最小にすることはスプレーコーティング産業に有益であろう。最適な配向は単一の熱スプレープラズマガンの性能の範囲を延ばし得る。従って、広範囲のノズル形状のための、最適であり、効率的及び交換可能なノズル接続を与える熱スプレープラズマガンのための標準的なノズルインタフェースに対する必要性が依然としてある。
本発明は、各々が特定のプラズマプルーム特性に関連付けられた多種多様なプラズマ形成ノズルを交換するべく、機械的位置、機械的配向、電気的接続及び水チャンバシールを供するための標準的なインタフェースを設けることによって上述した要求に対処している。多数のノズル形状構成(異なるプラズマ流特性を与える)が同じデバイスで容易に使用し得るように、ノズル取付具の柔軟性はプラズマガンに標準的な外部ノズル形状構成及びノズルクランプ組立体を設けることによって従来の構成に関して改善される。
インタフェースは、交換可能なノズルを熱スプレープラズマガン本体に係合させる通常の機械的方法として作用する。ガン本体及びプラズマストリームを担持するノズルの係合ボアが連続して整合されたチャンバを構成するために準備されるようにノズルを配置し得る。組み立てられた形状構成では、水流はガン本体から、ノズルを通じて、戻り水流チャネルから出るように運び得る。インタフェースは、ガン本体とノズルとの間に300ボルトまでの電圧で800アンペアまでの電流を通過させるに十分な能力を与える。インタフェースを通じての実際の駆動力はスプレーされるべき特定の材料及び所望のコーティング特性に依存して変動する。
本発明の一実施形態では、熱スプレープラズマガン及び交換可能なノズルプラグのためのインタフェースが設けられている。インタフェースはプラズマガン上にレセプタクルを含み、レセプタクルは導電性材料から少なくとも部分的に製造され、かつ面部分及び前記プラズマガン内から面部分まで延在する第1円筒状ボアを具備する。ノズルプラグは、導電性材料から製造され、かつ係合端部部分、遠位端部部分、及び係合端部部分から遠位端部部分まで延在する第2円筒ボアを具備する。インタフェースは、係合端部部分を面部分に機械的に固定するためのプラズマガン上のクランプ組立体も含む。結合されたときに、係合端部部分及び面部分は、第1円筒状ボア及び第2円筒状ボアを整合させ、もって第1円筒状ボアから第2円筒状ボアを通じたプラズマガスのための連続した流れを構成し、冷却液体がプラズマガンからノズルプラグを通じてプラズマガン内の戻り経路まで流れるチャネルを形成し、及びプラズマガンとノズルプラグとの間の電気的コンタクトを作り出す。
他の実施形態は、面部分及びプラズマ出口を装備するノズルプラグレセプタクルを具備するプラズマガンと共に使用するための交換可能なノズルであって、ノズルは、導電性材料で製作され、係合端部部分、遠位端部部分、及び係合端部部分から遠位端部部分まで延在する円筒状ボアを具備する。ノズルプラグは、プラズマガンとのインタフェースを構成するように形状構成される。ここで、係合端部部分及び面部分は結合して、円筒状ボアと、プラズマガンから円筒状ボアを通じて流れる連続した通路を構成するプラズマ出口と、を整合させる。係合端部部分及び面部分の結合は冷却液体がプラズマガンからノズルを通じてプラズマガン内の戻り経路まで流れるチャネルを形成し、かつプラズマガンとノズルとの間の電気的コンタクトを作り出す、交換可能なノズルを提供する。
他の実施形態では、プラズマガンと交換可能なノズルとの間のインタフェースを形成する方法が提供される。この方法は、ノズルプラグレセプタクル及びクランプ組立体を具備するプラズマガンを供する段階であって、レセプタクルは導電性材料から少なくとも部分的に作られ、レセプタクルは面部分、及び、前記プラズマガン内から前記面部分まで延在する第1円筒状ボアを具備する。別の段階は、導電性材料から作られ、係合端部部分、遠位端部部分、及び係合端部部分から遠位端部部分まで延在する円筒状ボアを具備する、ノズルプラグを供することを含む。この方法は、係合端部部分をクランプ組立体によって面部分に固定することを含み、ここで、係合端部部分及び面部分は結合して、円筒状ボアと、プラズマガスが流れる通路を構成するプラズマ出口と、を整合させ、冷却液体がプラズマガンからノズルを通じて流れるチャネルを形成し、かつプラズマガンとノズルとの間の電気的コンタクトを作り出す。
本発明の更なる特徴は以下の説明に記載され、部分的にはこの記載から自明であるか、あるいは本発明を実践することによって学習し得る。本発明の特徴は、特に以下に指摘される設備及び組合せによって実現し得るものであり、かつ得ることができる。
本発明の更なる理解を与えるために含まれており、かつ本願明細書に組み込まれ且つ本願明細書の一部を構成する添付図面は、本願発明の実施形態を例示し、かつ本願発明の原理を説明する手助けをする。
ここで、実施例が添付の図面に例示されている、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
図1は、本発明によるノズルインタフェースを組み込んでいるプラズマガンの3次元斜視図を供する。特に加工部片の表面のコーティングのために、プラズマガン20は溶融状態の粉末材料を噴射する装置である。プラズマガン20は、カスケードが付された、多重アークプラズマガン又は他のプラズマガンとし得る。プラズマは、ガン20の内部にあるトーチによって作り出され、かつ外側にあるノズル1に対して(図2に参照符号11として示されている)内側にあるプラズマチャネルを通じて導かれる。プラズマガン20は、ノズル1を受け入れるためにレセプタクル組立体(図5に参照符号10で示す)を含む。ノズル1は、クランプ組立体3によってレセプタクル組立体10でガン20に固定される。これは図2に詳細に記載されている。ノズル1は交換可能な部品であり、かつクランプ組立体2を緩めることによってレセプタクル組立体10から取り外し得る。
図1に示された実施形態では、ノズル1はプラズマストリームが粉体噴射器8に到達するよりも前に終端する。しかしながら、ノズルの形状構成は、粉体がノズルを出るときにプラズマ内に噴射されるよりは、むしろ、粉体がノズル内でプラズマストリーム内に噴射されるように、変更し得る。噴射ガンと係合するノズル表面(例えば、図3及び図4Aに示されているような)に互換性がある限り、異なる噴射特性を与えるために任意の内部ノズル形状構成をノズル1に使用し得る。
図2は、本発明の実施形態に従うガン20の結合されたノズルインタフェースの横断面図を示す。インタフェースでは、ノズルプラグ1は、ガン20のレセプタクル組立体10内に着座する。インタフェースは、複数の機能を有する多重要素を含む。これらの機能は、ノズル1に対する機械的封じ込めを与え、電気的接続を与え、冷却水(又は他の流体)接続を与え、及びプラズマガス結合を与える。これらの機能は、図2に示すような結合された機械的インタフェースに関して特に向けられている。
電気的接続は、ノズルプラグ1の表面21とクランプ組立体3の整合された表面19とを一緒に係合させることによってなされる。良好な電気的接続はプラズマガンの動作にとって重要であり、プラズマアークを生成する電流のための戻り経路として働く。表面21のノズルプラグ1と表面19のクランプ組立体の両方は銅のような導電性材料から作り出されるが、これに限定されない。
インタフェースは、ノズルプラグに流出入する水又は他の液体冷却媒体のためのチャネル4を供する。水チャネル4は、ガン20から、ノズルプラグ1内のホール14を通じて流れる。チャネル4は、冷却液体をノズルボア1の外壁に接触可能にするためにプラグ1の一部を包囲する。ノズルプラグ1の表面2とレセプタクル組立体の表面9は、2部片圧縮ナットの形態とし得る、クランプ組立体3による圧縮下で保持される。圧縮ナットは図示されているが、ラッチ、ボルト、クランプ、あるいは類似の引っ張り装置は、クランプ組立体3が着脱可能であり、かつ、ノズル面2とレセプタクル面9との間の漏水を防ぐためにレセプタクル内の密封Oリング6を圧縮するのに十分な張力を供する限りは、使用し得る。インタフェースは約300psigまでの圧力で水を含むように密封されるべきである。インタフェースは、水チャネルを密封する2つのOリング5a、5b(又は等価物)に対する座として働くクランプ組立体3上に溝を含む。
さらに、図2を参照すると、ノズルプラグ1のボア11がガン20のプラズマチャネル12と整合されるように、プラズマ結合は、ノズルプラグ1がレセプタクル面9に固定されるときに形成される。一緒に結合されたときに、プラズマチャネル12及びノズルボア11は、プラズマ流のための実質的に連続した経路を構成する。ノズルボア11及びプラズマチャネル12はインタフェースにおいてほぼ同一の直径である、約7〜11mmを有するべきである。ホール14を通じて(図2の)水チャネル4内で流動する水又は他の冷却流体のための水(又は他の冷却液体)として働くように単一のOリング6又は等価な面シールが含まれている。さらに、交換可能な高温ガスケット7は、プラズマガス流からの放射及び高温露出からシール6を遮蔽するために使用され、かつ電気的に中立な中央ガンボア12構成要素からの電気的絶縁を保証する。
ノズルプラグ1の個々の詳細は図3に示されている。ノズルプラグ1は直径が1.177インチ(29.90mm)であり、プラズマガンボディの範囲内で機械的にノズルを芯出しするのに十分な深さの、外側プラグ面2を具備する。外側プラグ面2は複数のシールと、インタフェースを通じてプラズマガス流及び適切な冷却流れを許容するのに必要な構造体と、を収容するように寸法付けられる。ノズル面2は水チャネル4(図2)を密封するために部分的にOリング6(又は等価物)を部分的に密封する環状溝16を含んでいる。溝は、0.024インチ(0.6mm)の深さであり、かつ0.787インチ(20mm)の内径及び0.945インチ(24.00mm)の外径を有する。図2に関して上述したように、高温セラミックガスケット7は、インタフェースの構成要素として使用される。高温セラミックガスケット7は、0.709インチ(18.0mm)の外径及び0.07インチ(1.8mm)の横断面幅を有し、かつボア11とノズル面2上のOリング溝16との間に位置する。Oリング6(又は等価物)は0.801インチの内径及び0.07インチの横断面幅を有する。ノズル1は、プラズマプルームと関連づけられた高温への露出から上述したシール6を保護するために高温ガスケット7のためのシートとして働く、0.012インチ(0.3mm)の深さであり、かつ0.712インチ(18.0mm)の直径を有する、ノズル面2上のカウンタボア13を含む。交換可能な高温ガスケッ7が、0.709インチ(18mm)の外径及び0.035インチ(0.9mm)の幅を有するインタフェースの構成要素として使用される。ノズルプラグ1は、ノズル面2とレセプタクル9との間の係合面の中央の直径が約0.275〜0.433インチ(7−11mm)のボアホールを有する。
図4A〜図4Dは、本発明の一実施形態に従ったノズルプラグ1の様々な斜視図を供する。図4Aは、ノズル1の遠位(または出口)端部を示す斜視図である。図4Bは、ノズルプラグ1の係合端部を示す斜視図である。図4Cはノズル1の正面図であり、図4Dはノズル1の側面図である。図4A〜図4Dから分かるように、ホール14はノズル面2に含まれ、かつ水チャネル4(図2)の一部を供するためにノズルボア11の周りに配置される。ノズル面2は、図3に関して上述したように、環状溝16及びカウンタボア13を含む。ガンレセプタクル10(図2、図5)内に設置されると、ノズル面2はレセプタクル面(図2、図5)に結合され、かつノズルプラグ1の表面18に作用するクランプ組立体3(図2)の圧縮力によって適所に保持される。
プラズマガン20のレセプタクル領域10の詳細は図5に示されている。レセプタクル領域10は、ノズル面2(図示せず)を受け入れるように直径が寸法付けられた面9を具備する。この直径は約1.183インチ(30.05mm)である。レセプタクル面9は、プラズマプルームに関連付けられた高温に対する露出からシール6(図2)を保護する高温ガスケット7(図2)に対するノズル1の側とは反対のシートの一側として働く、約0.012インチ(0.3mm)の深さであり、かつ0.709インチ(18.0mm)の直径を有するカウンタボア15を含む。プラズマガン20のプラズマチャネル12は、ノズルとガン本体との間の係合面の中心における直径が0.275〜0.433インチ(7〜11mm)のボアホールを有する。レセプタクル面9は、水チャネル4(図2)を密封すべくOリング6(図2)を部分的に着座させる環状溝17を含んでいる。溝は、0.024インチ(0.6mm)の深さをしており、かつ0.787インチ(20mm)の内径及び0.945インチ(24.00mm)の外径を有する。
更なる利点及び変更は当業者には容易に分かるであろう。従って、本発明の広範な態様は本願明細書の特定の詳細及び本願明細書に記載した代表的な実施形態に限定されない。従って、添付の特許請求の範囲及びその均等物によって規定されるような本発明の全体的な概念の精神又は範囲から逸脱せずに種々の変更を行い得る。
本発明に従うノズルインタフェースを組み込んだプラズマガンの3次元斜視図である。 本発明の実施形態に従う結合されたノズルインタフェースの横断面図である。 本発明の実施形態に従うノズルプラグインタフェースの横断面図である。 本発明の一実施形態によるノズルプラグの出口端部を示す斜視図である。 本発明の一実施形態によるノズルプラグの係合端部を示す斜視図である。 本発明の一実施形態によるノズルプラグの正面図である。 本発明の一実施形態に従うノズルプラグの側面図である。 本発明の実施形態に従うプラズマガンボディインタフェースの横断面図である。
符号の説明
1 ノズルプラグ
3 プラズマガン
4 水チャネル
5a、5b Oリング
6 Oリング
7 高温セラミックガスケット
8 粉体噴射器
9 表面
10 レセプタクル組立体
11 ノズルボア
12 プラズマチャネル
13 カウンタボア
14 ホール
15 カウンタボア
16 環状溝
17 環状溝
18 表面
19 表面
20 プラズマガン
21 表面

Claims (19)

  1. 熱スプレープラズマガン及び交換可能なノズルプラグのためのインタフェースであって、
    前記プラズマガン上のレセプタクルであって、前記レセプタクルは導電性材料から少なくとも部分的に製作されるとともに、面部分と、前記プラズマガン内から前記面部分まで延在する第1円筒状ボアと、を具備する、前記レセプタクルと、
    導電性材料から製作された前記ノズルプラグであって、係合端部部分、遠位端部部分、及び、前記係合端部部分から前記遠位端部部分まで延在する第2円筒状ボアを具備する、前記ノズルプラグと、
    前記係合端部部分及び前記面部分は、結合されたときに、
    (a)プラズマガスが前記第1円筒状ボアから前記第2円筒状ボアを通じて流動して連続した通路を形成するように該第1円筒状ボアと該第2円筒状ボアを整合させ、
    (b)冷却液体が前記プラズマガンから前記ノズルプラグを通じて、及び前記プラズマガン内の戻り経路まで流れるチャネルを形成し、
    (c)前記プラズマガンと前記ノズルプラグとの間に電気的コンタクトを作り出す、
    ように構成され、
    ここで、前記インタフェースは、前記交換可能なノズルプラグを受け入れるためのものであり、そして、前記係合端部部分を前記面部分に機械的に固定するための、前記プラズマガン上のクランプ組立体を備え、
    前記プラズマガンからの冷却液体が、前記ノズルプラグに到達する以前に、前記クランプ組立体を通じて流動されるように、前記インタフェースが形状構成されることを特徴とするインタフェース。
  2. 冷却液体及び/又はプラズマガスの漏出を防ぐために、前記面部分と前記係合端部部分との間に環状弾性シールを更に備え、
    前記レセプタクルの面部分は前記環状弾性シールを固定するのに適した環状溝を含んでいる、請求項1に記載のインタフェース。
  3. 前記プラズマガスへの露出から前記環状弾性シールを保護するための環状ガスケットを更に含み、前記環状ガスケットは前記環状弾性シールのものよりも小さな内径を有する、請求項2記載のインタフェース。
  4. 冷却液体漏出を防ぐべく、前記ノズルプラグと前記クランプ組立体との間に少なくとも1つの冷却液体シールを更に備える、請求項3に記載のインタフェース。
  5. 前記ノズルプラグの係合端部部分であって、プラズマガンボディと係合する部分の直径は、1.177インチであり、かつ該ノズルプラグを前記レセプタクル内で機械的に芯出しするのに十分な深さを有する、請求項4に記載のインタフェース。
  6. 前記レセプタクルの面部分であって、前記ノズルプラグの係合端部分を受け入れるように寸法付けられた面の直径が1.183インチである、請求項5に記載のインタフェース。
  7. 前記ノズルプラグの係合端部部分及び前記レセプタクルの面部分は、各々深さ0.024インチの溝を含んでおり、
    前記溝は前記環状弾性シールのためのシートとして働くべく、0.787インチの内径及び0.945インチの外径を有している、請求項4に記載のインタフェース。
  8. 前記環状弾性シールは0.801インチの内径及び0.07インチの横断面幅を有する、請求項7に記載のインタフェース。
  9. 前記ノズルプラグの係合端部部分及び前記レセプタクルの面部分は、各々深さ0.012インチのカウンタボアを含んでおり、
    前記カウンタボアは前記環状ガスケットのためのシートとして働くべく、前記ノズルプラグの係合端部部分のカウンタボアは、0.712インチの内径を有し、前記レセプタクルの面部分のカウンタボアは、0.709インチの内径を有している、請求項4に記載のインタフェース。
  10. 前記環状ガスケットは0.709インチの外径及び0.035インチの横断面幅を有する、請求項9に記載のインタフェース。
  11. 前記第1円筒状ボア及び前記第2円筒状ボアは、各々、前記ノズルの係合端部部分と前記レセプタクルの面部分との間の前記係合表面において0.275〜0.433インチの直径を有している、請求項4に記載のインタフェース。
  12. 前記クランプ組立体が2部片の圧縮ナットである、請求項4に記載のインタフェース。
  13. 面部分及びプラズマ出口を装備するノズルプラグレセプタクルを具備するプラズマガンと共に使用するための交換可能なノズルであって、
    導電性材料から製作されるとともに、係合端部部分、遠位端部部分、及び前記係合端部部分から前記遠位端部部分まで延在する円筒状ボアを具備するノズルプラグを備え、
    前記ノズルは前記プラズマガンとのインタフェースを構成するように形状構成され、
    前記係合端部部分及び前記面部分は結合して、前記円筒状ボアと、前記プラズマガンから前記円筒状ボアを通じて、プラズマガスが流動するための連続した通路を構成するプラズマ出口と、を整合させ、
    前記係合端部部分と前記面部分が結合すると、冷却液体が前記プラズマガンから前記ノズルを通じて前記プラズマガン内の戻り経路まで流れるためのチャネルを構成し、
    前記係合端部部分と前記面部分が結合すると、前記プラズマガンと前記ノズルとの間に電気的コンタクトを作り出す交換可能なノズル。
  14. 前記ノズルプラグは、前記係合端部部分を前記面部分に機械的に係合させるために前記プラズマガン上のクランプ組立体に対して適合される、請求項13に記載の交換可能なノズル。
  15. 前記ノズルプラグの係合端部部分であって、プラズマガンボディと係合する部分の直径は、1.177インチであり、かつ前記レセプタクル内で前記ノズルプラグを機械的に芯出しするのに充分な深さを有している、請求項14に記載の交換可能なノズル。
  16. 前記係合端部部分は、深さ0.024インチの溝を含んでおり、前記溝は、環状弾性シールのためのシートとして働くべく、0.787インチの内径及び0.945インチの外径を有している、請求項14に記載の交換可能なノズル
  17. プラズマガンと交換可能なノズルとの間にインタフェースを形成する方法であって、
    ノズルプラグのレセプタクルとクランプ組立体とを具備するプラズマガンを供する段階であって、前記レセプタクルは導電性材料から少なくとも部分的に製作され、前記レセプタクルは面部分と、前記プラズマガン内から前記面部分まで延在する第1円筒状ボアと、を具備する、前記供する段階と、
    導電性材料から製作され、かつ係合端部部分、遠位端部部分、及び前記係合端部部分から前記遠位端部部分まで延在する円筒状ボアを具備するノズルプラグを供する段階と、
    前記係合端部部分を、前記クランプ組立体を具備する前記面部分に固定する段階であって、前記係合端部部分と前記面部分は結合して、前記円筒状ボアと、プラズマガスが流動するための通路を構成するプラズマ出口と、を整合させ、前記プラズマガンから前記ノズルプラグを通じて冷却液体が流れるチャネルを形成し、前記プラズマガンと前記ノズルとの間に電気的コンタクトを作り出す、前記固定する段階と、を備える方法。
  18. 前記プラズマガンからの前記冷却液体が前記ノズルプラグに到達する以前に前記クランプ組立体を流過する、請求項17に記載の方法。
  19. 前記係合端部部分は1.177インチの直径であり、かつ前記レセプタクル内で前記ノズルプラグを機械的に芯出しするのに十分な深さを有する、請求項18に記載の方法。
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