JP5745240B2 - プラズマ溶射システム用のガス分配リング組立体 - Google Patents

Description

本発明は、総括的にはプラズマ溶射システムに関し、より具体的には、プラズマ溶射システム用の二部品構成ガス分配リング組立体に関する。

プラズマ溶射システムは、直流（ＤＣ）プラズマトーチのような多くの産業設備において使用される。これらのプラズマ溶射システムでは、セラミックガス分配リングを使用して、該ガスリングの本体上に穿孔した一連の小さい孔を通してカソード／アノード領域内にプラズマガスを導く。ガス分配リングはまた、カソード及びアノードを電気的に分離する。

米国特許第５４０８０６６号明細書

本発明の第１の態様は、プラズマ溶射システム用のガス分配リング組立体を提供し、本リング組立体は、その内径にガスを流すことのできる複数の開口部を備えたガス分配リングと、ガス分配リングとプラズマ溶射システムの帯電出口との間で該ガス分配リングと軸方向に整列した別個の位置決めリングとを含む。

本発明の第２の態様は、プラズマ溶射システムを提供し、本プラズマ溶射システムは、カソード及びアノードを備えた出口と、カソードをアノードから電気絶縁する絶縁体部材と、ガス分配リング組立体とを含み、ガス分配リング組立体は、その内径にガスを流すことのできる複数の開口部を備えかつガスを送給するガス分配リングと、ガス分配リング及び出口間で該ガス分配リングと軸方向に整列した別個の位置決めリングとを含み、本プラズマ溶射システムはさらに、ガス分配リングにガスを送給するガス入口を含む。

本発明の第３の態様は、プラズマ溶射システムを提供し、本プラズマ溶射システムは、カソード及びアノードを備えたノズル組立体と、カソードに対する第１の電気入力及びアノードに対する第２の電気入力を有する電圧発生機と、カソードをアノードから電気絶縁する絶縁体部材と、ガス分配リング組立体とを含み、ガス分配リング組立体は、その内径にガスを流すことのできる複数の開口部を備えかつノズル組立体にガスを送給するガス分配リングと、ガス分配リング及びアノード間で該ガス分配リングと軸方向に整列しかつガス分配リングの端面と接触状態で配置された端面を備えた別個の位置決めリングとを含み、本プラズマ溶射システムはさらに、ガス入口に結合されてガス分配リングにガスを送給するガス源を含む。

本発明の具体的態様は、本明細書に記載した問題及び／又は記載していないその他の問題を解決するように設計されている。

本発明のこれらの及びその他の特徴は、本発明の様々な実施形態を示す添付図面と関連させてなした本発明の様々な態様の以下の詳細な説明から一層容易に理解されるであろう。

本発明の実施形態による、ガス分配リング組立体を備えたプラズマ溶射システムの断面図。 集成された状態のガス分配リング組立体の一実施形態の斜視図。 ガス分配リング組立体の位置決めリングの一実施形態の斜視図。 ガス分配リング組立体のガス分配リングの一実施形態の斜視図。 位置決めリングの別の実施形態の斜視図。 ガス分配リングと集成した状態の位置決めリングのさらに別の実施形態の斜視図。 ガス分配リングと集成した状態の位置決めリングの別の実施形態の斜視図。 図７の位置決めリングの１つの組合せアーチ形部分の斜視図。 図８の位置決めリングの組合せアーチ形部分の側面図。

本発明の図面は正確な縮尺でないことに留意されたい。図面は、本発明の典型的な態様のみを示すことを意図しており、従って本発明の技術的範囲を限定するものとして考えるべきではない。図面では、同じ参照符号付けが、図面間で同様の要素を表している。

図面を参照すると、プラズマ溶射システム１０２用のガス分配リング組立体１００を示している。図１に示すように、本発明の教示は、米国ニューヨーク州ウエストバリー所在のＳｕｌｚｅｒ Ｍｅｔｃｏ社から入手可能なＳｕｌｚｅｒ Ｍｅｔｃｏ ０３ＣＸモデルプラズマ溶射ガンシステムに適用することができる。しかしながら、本発明の様々な実施形態の教示は、各種のプラズマ溶射システムに適用可能であることを強調しておく。

プラズマ溶射システム１０２は、ノズル組立体１１２を備えた出口１１０を含み、出口１１０は、カソード１１４及びアノード１１６を含む。カソード１１４及びアノード１１６は、カソード１１４に対する第１の電気入力及び金属ハウジング１３２を通してのアノード１１６に対する第２の電気入力を有する電圧発生機１１８によって給電される。解るように、電流により、ガス入口１２０を通して供給されたプラズマガスからプラズマプルームが形成される。プラズマが出口１１０から流出する時、施工させることになる材料は、ノズル１２４によって出口の外側に送給される。ノズル組立体１１２は、時にはノズルをカソード１１４及びアノード１１６の下流に設置することができるので、全ての場合において必ずしもカソード１１４及びアノード１１６を含む必要がないことを理解されたい。さらに、解るように、カソード１１４及びアノード１１６の位置は、幾つかの場合では入れ換えることができる。カソード１１４及びアノード１１６は各々、銅のような導電性材料を含む。

プラズマ溶射システム１０２はまた、カソード１１４をアノード１１６から電気絶縁する絶縁体部材１３０を含む。絶縁体部材１３０は、単一部品として示しているが、幾つかの電気絶縁要素を含むことができる。絶縁体部材１３０は、例えばポリマー、ラバー、セラミックなどのようなあらゆる電気絶縁材料を含むことができる。

従来型のガス分配リングは、ガス入口１２０と、プラズマガスが電流をかけることによってプラズマプルーム１５０（図１において出口から流出するプルームとして示す）に変換される高温領域１２２（カソード及びアノードに近接する）との間に配置された単一リングを含む。従来型のガス分配リングは一般的に、アルミナのようなセラミック材料で製造されかつその中に開口部を含み、これら開口は、それを通ってプラズマガスがガス入口１２０から高温領域１２２まで流れるのを可能にする。一般的に、ガス分配リングは、カソード又はアノードと接触している。従来型のガスリングは、それが高温プラズマガス流を受けると、大きな熱負荷によって最終的には割れを生じることが明らかになった。ガス分配リングが割れると、プラズマガス流が変化し、そのことは、２つの異なる有害な影響を発生させる。その第１の影響は、リングがガス入口開口部の領域にわたって割れると、流れパターンが乱れた状態になり、それによって、プラズマ及びそれに続く粒子軌道に悪影響が生じる可能性があることである。このような流れの変化は、堆積特性を変化させるおそれがある。第２の有害な影響は、割れによりアークが流れる半径方向通路が形成されて、電気的短絡が発生する可能性があることである。

従来型のガスリングとは対照的に、ガス分配リング組立体１００は、２つの部品、すなわちガス分配リング１４２及び分離位置決めリング１４４を使用しており、このことは、ガスリングの割れ発生の影響を軽減する。図１に示すように、ガス分配リング組立体１００（以下、「リング組立体１００」）は、ガス入口１２０及びノズル組立体１１２、すなわちカソード１１４及びアノード１１６と連通したプラズマ溶射システム１０２の内部空洞１４０内に設置される。具体的には、この特定のプラズマ溶射システムにおいて示すように、リング組立体１００は、その一部が絶縁体部材１３０、金属ハウジング１３２及びアノード１１６内部に形成された内部空洞１４０内に配置される。ガス分配リング１４２及び位置決めリング１４４は、空洞１４０内部での適当な着座に必要なあらゆる外径フランジを含むことができる。

図２〜図４における一実施形態に示すように、リング組立体１００は、プラズマガスを高温領域１２２に送給するガス分配リング１４２を含む。この特定の用途では、プラズマガスは、ノズル組立体１１２に送給される。他のケースでは、プラズマガスは、単にカソード１１４及びアノード１１６に対して送給して、プラズマプルーム１５０（出口１１０から流出するプルームとして示す）を形成し、このプラズマプルーム１５０が次に、ノズル組立体に流入するようにすることができる。この特定のプラズマ溶射システムでは、プラズマガスは、絶縁体部材１３０内の通路を通ってガス入口１２０からガス分配リング１４２の外径に流れる。ガス分配リング１４２は、ガスがその内径１４８に流れるのを可能にする複数の開口部１４６を含む。開口部１４６は、あらゆる公知の方法で又は今後開発される方法で構成して、内径１４８にガスの均一な送給を行なってプラズマプルーム１５０を発生するようにする。

従来型のガス分散リングとは対照的に、リング組立体１００はまた、ガス分配リング１４２と出口１１０、具体的には例示した実施形態ではアノード１１６との間で該ガス分配リング１４２と軸方向に整列した別個の位置決めリング１４４を含む。図３に最もよく示すように、位置決めリング１４４は、ガス分配リング１４２の端面１５４と接触状態で配置された端面１５２を含む。一実施形態では、位置決めリング１４４及びガス分配リング１４２は各々、セラミックを含み、それらセラミックの各々は、熱処理（例えば、約１０９３°Ｃ（２０００°Ｆ）の真空炉内で約２時間）して製造によるあらゆる残留応力を解放させることができる。しかしながら、他の実施形態では、位置決めリング１４４は、セラミックを含むことができ、またガス分配リング１４２は、銅合金、鉄合金、ニッケル合金などの１つのような金属を含むことができる。何れにしても、位置決めリング１４４はまた、カソード１１４から電気絶縁され、またガス分配リング１４２は、アノード１１６及び金属ハウジング１３２から電気絶縁される。

別個の位置決めリング１４４及びガス分配リング１４２を備えたリング組立体１００は、単一ガス分配リングの割れによって引き起こされる問題を軽減する。具体的には、あらゆる割れは、この場合には高温領域１２２から距離を置いたガス分配リング１４２ではなく、高温領域１２２に直面する位置決めリング１４４内に発生する。すなわち、ガス分配リング１４２を高温領域１２２から距離を置くことにより、カソード１１４及びアノード１１６間の電気絶縁を維持しながら、ガス分配ゾーン内における温度を制限する。その結果として、ガス分配リング１４２は、温度の低下により割れ発生し難くなる。ガス分配リング１４２が割れ発生しないので、プラズマガスの流れパターンは乱されず、かつプラズマ及びそれに続く粒子軌道は、安定状態を維持することになる。さらに、電気的短絡の危険性も排除される。

図５〜図９を参照すると、位置決めリング１４４の様々な異なる実施形態を示している。この実施形態の各々では、位置決めリング１４４は、該位置決めリング１４４を分割して熱膨張及び収縮を可能にして熱発生応力による割れ発生の機会を減少させる不連続部１６０を含む。不連続部１６０は、多様な形態を取ることができる。図５では、不連続部１６０は、リング１４４内にスプリット１６２を含む。スプリット１６２は、半径方向に延びるものとして示しているが、そのことは必ずしも必要でない、すなわち、スプリット１６２は、リング１４４の中心と半径方向に整列しない角度で延びることができる。

図６〜図９では、位置決めリング１４４は、該位置決めリングを形成するように嵌合する少なくとも一対のアーチ形部分１６４を含む、すなわち、２つの不連続部１６０が、リングをアーチ形部分に分割するように設けられる。図６では、不連続部１６０はスプリット１６６を含む。スプリット１６６は、半径方向に延びるものとして示しているが、そのことは必ずしも必要ではない、すなわち、これらスプリット１６６は、リング１４４の中心と半径方向に整列しない角度で延びることができる。さらに、スプリット１６６は一対の半円形嵌合部分１６４を形成するように直径方向に正反対に対向するものとして示しているが、スプリット１６６は、非対称アーチ形部分を形成するようなあらゆる方法で互いに対して傾斜させることができる。さらに、図６におけるスプリット１６６はまた、平面になっているものとして示しているが、このことは全てのケースで必ずしも必要であるものではない。例えば、図７〜図９に示すように、各アーチ形嵌合部分１６４は、その端部に座面１７０を含み、この座面１７０は、隣接するアーチ形嵌合部分１６４の座面１７２（図７のみ）と相補的に嵌合することができる。図７〜図９に示す実施例では、段付き構成を示しているが、例えば組合せ湾曲表面、雄−雌組合せ表面又は部材などのような様々の異なる構成が実施可能である。位置決めリング１４４の上述の態様は、あらゆる方法で組合せることができる。

本明細書で使用する用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的とするものであり、本発明を限定することを意図するものではない。本明細書で使用する場合に、数詞を付していない表現は、文脈がそうでないことを明確に示していない限り、複数の形態もまた含むことを意図している。さらに、本明細書で使用する場合の「含む」及び／又は「含んでいる」という用語は、記述した特徴、回数、ステップ、操作、要素及び／又は構成部品の存在を特定するが、１以上のその他の特徴、回数、ステップ、操作、要素、構成部品及び／或いはそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことを理解されたい。

提出した特許請求の範囲における全ての手段又はステッププラス機能要素の対応する構造、材料、作用及び均等物は、明確に特許請求したその他の特許請求要素と組合せて機能を実行するためのあらゆる構造、材料又は作用を含むことを意図している。本発明の記載は、例示及び説明のために示したものであり、開示を網羅的なものにしようとする或いはこの開示を開示した形態に限定しようとするものではない。本発明の技術的範囲及び技術思想から逸脱せずに当業者には多くの修正及び変更が明らかになるであろう。本実施形態は、本発明の原理及び実施可能な用途を最も良好に説明するようにまた当業者が様々な実施形態についての開示を意図した特定の用途に適合するような様々な修正と共に理解するのを可能にするように選択しかつ説明している。

１００ リング組立体
１０２ プラズマ溶射システム
１１０ 出口
１１２ ノズル組立体
１１４ カソード
１１６ アノード
１１８ 電圧発生機
１３２ 金属ハウジング
１２４ ノズル
１１２ ノズル組立体
１３０ 絶縁体部材
１２０ ガス入口
１５０ プラズマプルーム
１２２ 高温領域
１４２ 分配リング
１４４ 位置決めリング
１４０ 内部空洞
１４８ 内径
１５２ 端面
１６０ 不連続部
１６２ スプリット
１６４ 部分
１７０ 座面

Claims (9)

1. プラズマ溶射システム（１０２）用のガス分配リング（１４２）組立体（１００）であって、
   ガスを流すことのできる複数の開口部（１４６）が内径（１４８）に設けられているガス分配リング（１４２）と、
   前記ガス分配リング（１４２）と前記プラズマ溶射システム（１０２）の帯電出口（１１０）との間で該ガス分配リング（１４２）と軸方向に整列した別個の位置決めリング（１４４）であって、互いに嵌合して該位置決めリング（１４４）を形成する少なくとも一対のアーチ形部分（１６４）を含む位置決めリング（１４４）と
   を含む。
2. 前記位置決めリング（１４４）が、前記ガス分配リング（１４２）の端面（１５４）と接触して配置される端面（１５２）を含む、請求項１記載のガス分配リング組立体。
3. 前記位置決めリング（１４４）及びガス分配リング（１４２）が各々セラミックからなる、請求項１又は請求項２記載のガス分配リング組立体。
4. 前記位置決めリング（１４４）がセラミックからなり、前記ガス分配リング（１４２）が金属からなる、請求項１又は請求項２記載のガス分配リング組立体。
5. 前記金属が銅合金、鉄合金及びニッケル合金からなる群から選択される、請求項４記載のガス分配リング組立体。
6. 前記位置決めリング（１４４）が一対の半円形嵌合部分（１６４）を含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のガス分配リング組立体。
7. 各アーチ形嵌合部分がその端部に座面（１７０）を含み、前記座面（１７０）が隣接するアーチ形嵌合部分の座面（１７０）と相補的に嵌合する、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のガス分配リング組立体。
8. 前記位置決めリング（１４４）がその中に不連続部（１６０）を含む、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のガス分配リング組立体。
9. プラズマ溶射システムであって、
   カソード（１１４）及びアノード（１１６）を備えた出口（１１０）と、
   前記カソード（１１４）を前記アノード（１１６）から電気絶縁する絶縁体部材（１３０）と、
   請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載のガス分配リング（１４２）組立体と、
   前記ガス分配リング（１４２）にガスを送給するガス入口と
   を含むプラズマ溶射システム。
   

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