JP6074440B2 - プラズマガン用の水冷システム及びプラズマガンを冷却するための方法 - Google Patents

Description

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コンパクトディスク付録に関する言及
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本発明の実施例は、プラズマ溶射ガン、特に、プラズマ溶射ガンの水冷に関する。

溶射に使用される従来のプラズマガンは、時間と共に電圧減衰を生じるということが当技術分野では理解されている。この電圧減衰の結果として、ガンの電力レベルが低下し、そのため最終的にはガンのハードウエア、たとえば、カソード及びアノード素子を取り換えることが必要となる。プラズマアークは最終的に、アーク付着の際の電荷集中（ｃｈａｒｇｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ）となる不連続点を生じるため、電圧減衰は、アノードの穴内の変化に起因すると考えることができる。不連続点が生じると、アークが引き付けられて、ガン穴の中のさらに上流に付着し、それによりプラズマアークの長さが減少し、結果的に電圧降下が生じる。

したがって、より長いハードウエア寿命、より優れたコーティング稠度（ｃｏａｔｉｎｇ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ）、及びより安価な作業コストを実現するために、上記電圧降下を遅らせる又は補正することになる、プラズマガンにおける構造的配置及び／又は操作プロセスが、設計者及び技術者により探し求められている。

従来のプラズマガンで利用されている公知のプロセスは、プラズマガンの作動によって生じる過度の高温により起こり得る材料破損及び機械的故障を防止するための、プラズマガンを通る誘導冷却水の使用である。従来のプラズマガンにおける冷却水システムでは、閉ループ熱交換システムが利用され、この閉ループ熱交換システムにおいて、冷却を必要とするガンの一部へ冷却水を誘導するように、またその後ガンのそれら一部から離れた水を導くように冷却水回路が形成される。これら公知の実施では、ガンに対してのみ一定水準の冷却を維持するように、すなわち、水温を１５℃〜１８℃の範囲内に、また冷却回路の特定の流量をあらかじめ設定することによって冷却回路が設定される。

本発明の実施例は、従来のプラズマガンにおける上記公知の水冷熱交換器により達成可能なハードウエア寿命及び耐用年数を上回ってハードウエア寿命及び耐用年数を増大させる、プラズマガンにおける熱交換水冷回路に関する。

本発明の実施例は、プラズマガン用の水冷システムに関する。このシステムは、プラズマガンに供給されることとなる冷却水から熱を取り除くように構造化及び配置される冷水器と、プラズマガンのガン電圧を監視するように構造化及び配置されるコントローラと、冷却水の流量を調整するようにコントローラに結合され、コントローラの制御下にある少なくとも１つの流量弁とを備える。ガン電圧が所定値を下回ると、コントローラは少なくとも１つの流量弁を制御して、ガン温度及びガン電圧を上昇させる。

実施例によれば、冷水器は熱交換器を備えることができ、少なくとも１つの流量弁は、熱交換器へと供給される冷却水を調整するように配置することができる。コントローラは、少なくとも１つの流量弁を制御して、冷却水の温度を上昇させることもできる。

本発明のさらなる実施例によれば、ジャムボックス（ｊａｍ ｂｏｘ）により、少なくとも２本のガンケーブルを介してプラズマガンに電力を供給することができ、このジャムボックスは、冷水器から冷却水を受け取るように配置され、ガン電圧は、ガンケーブル間の電圧から決定されるようになっている。

さらに、冷水器は、熱交換器又は冷蔵用（ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｅｄ）冷却回路のうちの少なくとも１つを備えることができ、少なくとも１つの流量弁は、冷水器から供給される冷却水を調整するように配置される。コントローラは、少なくとも１つの流量弁を制御して、冷水器からの冷却水の流量を調整する。

さらに他の実施例によれば、冷水器は熱交換器を備えることができ、少なくとも１つの流量弁は、熱交換器へ供給される冷却水を調整するように配置される第１の弁と、熱交換器から供給される冷却水を調整するように配置される第２の弁とを備えることができる。コントローラは、第１の弁を制御して冷却水の温度を上昇させ、また第２の弁を制御して冷水器からの冷却水の流量を減少させることができる。

さらに他の実施例によれば、コントローラは流量弁を制御して、少なくとも冷却水の温度を上昇させること、及び冷却水の流量を減少させることのうちの少なくとも一方を行うことができる。

本発明の実施例は、プラズマガンを冷却するための方法に関する。この方法は、プラズマガンのガン電圧を監視するステップと、ガン電圧が所定値まで低下した場合に、冷却水流量を調整してガン温度を上昇させるステップとを含む。

実施例によれば、冷却水から熱を取り除くように熱交換器を配置することができ、この方法は、熱交換器へと供給される冷却水を調整するステップをさらに含むことができる。冷却水流量の減少により、熱交換器は冷却水の温度を上昇させる。

本発明の他の実施例によれば、少なくとも２本のガンケーブルを介してプラズマガンに電力を供給するようにジャムボックスを配置することができ、この方法は、ガンケーブル間の電圧からガン電圧を決定するステップをさらに含むことができる。

さらに他の実施例によれば、冷水器が、冷却水から熱を取り除くように配置される熱交換器及び冷蔵用冷却回路のうちの少なくとも一方を備えることができ、この方法は、冷水器から供給される冷却水の流量を調整するステップをさらに含むことができる。

さらに、冷却水から熱を取り除くように熱交換器を配置することができ、この方法は、熱交換器に供給される冷却水を調整するステップと、熱交換器から供給される冷却水を調整するステップとをさらに含むことができる。熱交換器に供給される冷却水を調整するステップにより、冷却水の温度を上昇させることができ、熱交換器から供給される冷却水を調整するステップにより、冷水器からの冷却水の流量を減少させることができる。

他の実施例によれば、冷却水流量の調整の結果、冷却水の温度を上昇させること、及び冷却水の流量を減少させることのうちの少なくとも一方を行うことができる。

本発明のさらに他の実施例によれば、上昇したガン温度によりガン電圧を上昇させることができる。

本発明の実施例には、プラズマガンの耐用年数を増大させるための方法が含まれる。この方法は、プラズマガンのガン電圧を監視するステップと、冷却水流量を調整して、プラズマガンのガン電圧を上昇させるステップとを含む。

本発明のさらに他の実施例によれば、冷却水の調整によりガン温度を上昇させることができる。

本開示及び添付図面を再検討することによって、本発明の他の例示的実施例及び利点を確認することができる。

本発明の例示的実施例の非限定的実例として、下記の複数の図面を参照して、以下の詳細な説明において本発明をさらに説明する。これらのいくつかの図面を通して、同様の参照番号は類似の部品を示す。

入口水温とガン電圧との関係をグラフで示す図である。 冷却水流量とガン電圧との関係をグラフで示す図である。 プラズマガン用の冷却水供給の例示的実施例を示す図である。 プラズマガン用の冷却水供給の別の例示的実施例を示す図である。 冷却水路を有するプラズマガンを示す図である。

本明細書中に記載されている事項は、例として記載され、また、本発明の実施例についての例示的な考察の目的でのみ記載されており、本発明の原理及び概念的見地についての最も有用で、且つ容易に理解される説明であると考えられることを提供するために示してある。この関連で、本発明の基本的理解に必要となるものよりも詳細には本発明の構造的詳細を示すことはしておらず、本発明のいくつかの形態を実際にどのように実施することをできるかを当業者に対して明らかにする図面と共に、説明が行われる。

アノード穴表面の見掛け温度（ａｐｐａｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）は、穴へのプラズマアークの付着に影響を与えるということが、本発明者らにより観察された。特に、従来のプラズマガンのガン穴表面の温度が上昇するにつれて、穴壁の境界層にはエネルギー障壁がわずかしかないため、プラズマアークは、ガン穴の中のさらに下流に付着する傾向があるということが、本発明者らにより見出された。したがって、アーク長は温度の上昇と共に増大するということに本発明者らが気付いたため、プラズマガンの作動電圧はアノード温度に関係しているということを見出した。

図１は、入口水温を変更することによってガン冷却を変化させた場合に観測された、ガン電圧の測定値を示す。特に、１２℃〜２９℃の間で入口水温を調整することによって、ガン電圧を、同様に約１Ｖ調整することができるということをこれらの測定値は示している。さらに、上記範囲は、冷却水に最高出口水温を超えさせることがないという点で許容可能であるということを理解されたい。

図２は、ガンを通る冷却水量を変更することによってガン冷却を変化させた場合に観測された、ガン電圧の測定値を示す。特に、９〜１８ｌ／ｍｉｎの間で冷却水の流量を調整することによって、ガン電圧を、同様に約２Ｖ調整することができるということをこれらの測定値は示している。したがって、プラズマガンを通る冷却水量が減少するにつれて、ガン電圧が上昇する。

上記知見を考慮すると、本発明の実施例は、ガン電圧の調整を行うために、冷水回路に制御ループを追加してガン温度を制御することを含む。図３に示すように、水冷システム１がプラズマガン２に接続されている。ジャムボックス３（たとえば、スルザーメテコ（Ｓｕｌｚｅｒ Ｍｅｔｃｏ）によるＪＡＭ１０３０）を、ガンケーブル４及び５を介してプラズマガン２に電気的に結合することができる。ガンケーブル４及び５を横断して電圧計６を結合し、ガン電圧を測定することができる。閉ループ比例コントローラ７（従来の設計のものでよい）が、電圧計６から測定ガン電圧を受信して、実施例に従って、ガン電圧を監視する。非限定的実例として、閉ループ比例コントローラ７をあらかじめ調整して、たとえば、７３．４Ｖのガン電圧を維持することができる。通常のプラズマガンを使用する場合には、時間と共に測定ガン電圧が低下するので、熱交換器９（たとえば、Ｃｌｉｍａｔｅ ＨＥ又はＳＭ ＨＥとすることが可能である）への入口冷却水流量を調整するために、閉ループ比例コントローラ７は、比例流量弁８（やはり従来設計のものである）を制御する。したがって、熱交換器９への冷却水の供給を比例弁８により制御して、熱交換器９からジャムボックス３までの水温を調整する。冷却された冷却水は、ジャムボックス３を冷却するために供給され、ジャムボックス３を通過した後、熱交換器９を通って供給源へと戻される。

実施例において、通常の使用中にガン電圧が降下した場合、制御ループは、入口水温を調整し、ガン温度を上昇させることができる。特に、比例弁８を閉じて水温を上昇させることができる。したがって、コントローラ７が、ガン電圧（ガンケーブル４及び６の間）が低下していると判断した場合、コントローラ７は比例弁８を制御して、熱交換器９への冷却水の流量を減少させ、それにより冷却水の水温が上昇する。この温度上昇した冷却水は、その後、ジャムボックス３へと供給され、ジャムボックス３は、電気及び水がガンへとつなげられ監視される点としての機能を果たす。冷却水は、その後、プラズマガン２へと供給され、それにより、プラズマガン２の温度が上昇して、それに応じてプラズマガン電圧を上昇させる（図１）。結果として、ハードウエア寿命は電圧降下によって測定されるので、損傷を受けることなくガンがより高い作動温度に耐え得る範囲内で、ハードウエア寿命を延長することができる。これら制限は、既にかなり周知のことであり、大部分の制御システムは、安全システムの一部としてこのような制限を有している。もちろん、ここで提供する説明は本質的に例示であって、いかなる様式にも限定するものではないということを理解されたい。さらに、この説明では、当業者に公知で且つ当業者が利用可能な特定の構造のブラックボックス表現が利用されており、また、提示されている説明は、実施例の説明を簡単にするために簡略化されており、プラズマガンに対する水の入口及び出口の図示の配置は、単なる例示であって、記載されている実施例に限定するように意図されていないということを理解されたい。

冷却水がプラズマガンを通って流れるその流れ方は、具体的なプラズマガン設計によって異なるが、本発明の実施例は、すべての冷却プラズマガンに適用可能である。非限定的実例として、冷却用プラズマガンに形成される水路の例示図を図５に示す。図示した実例においては、アノードへ、またアノードを通して冷却水を供給し、その後ガンを通してカソードへと向かわせ、その後ガンから外へ向かわせることができる。さらに留意することは、アノードは、冷却水を受け止めるように周囲に間隔を置いて配置された複数のチャネルを備えることができ、周囲に間隔を置いて配置されているこれらのチャネルは、所望の冷却が提供されるように、プラズマガンの長さに沿ってカソードへと延在することができるということである。本発明の実施例の精神及び範囲を逸脱することなく、他のガン設計及び／又は冷却水路設計が可能であるということが理解される。

さらなる実施例においては、プラズマガンまでの／プラズマガンからの入口水温を監視することも可能であり、ガン損傷を招く可能性がある熱的条件に制御ループが到達することを防ぐため、ガン冷却についての許容限界が確実に維持されるようにする。

図４に示す代替実施例においては、プラズマガンへ冷却水流量を調整することによって、ガン電圧を調整することができる。この実施例は、熱交換器を使用する冷却回路、並びにガンに直接接続されている冷蔵用冷却回路を使用する冷却回路に使用することができる。この実施例によれば、図３に示す構造とは対照的に、比例流量弁８’が、熱交換器／冷蔵用冷却回路９’とジャムボックス３との間に結合されている。作動中、通常の使用中にガン電圧が降下した場合、制御ループは、冷却水流量を調整し、ガン温度を上昇させることができる。特に、熱交換器／冷蔵用冷却回路９’間に位置する比例弁８’を閉じて、冷却水流量を減少させることができる。したがって、コントローラ７が、ガン電圧（ガンケーブル４及び５の間）が低下していると判断した場合、コントローラ７は比例弁８’を制御して、熱交換器／冷蔵用冷却回路９’からの冷却水の流量を減少させ、それにより冷却水量が減少する。この減少した冷却水流量は、その後ジャムボックス３へと供給され、その後、図３を参照して上記議論したようにして、プラズマガン２へと供給される。プラズマガン２への冷却水流量が調整された結果、プラズマガン２の温度が上昇して、それに応じてプラズマガン電圧を上昇させる（図２）。結果として、ハードウエア寿命は電圧降下によって測定されるので、損傷を受けることなくガンがより高い作動温度に耐え得る範囲内で、ハードウエア寿命を延長することができる。これら制限は、既にかなり周知のことであり、大部分の制御システムは、安全システムの一部としてこのような制限を有している。

水量を減少させるこの代替実施例により、ガン内の水圧も低下するが、プラズマガン内の水の沸点も低下する。一方、この実施例には、ガン冷却回路を駆動する送水ポンプ用のモータは、そのまま閉ループであってよく、この方法自体は、既存のシステムに対して容易に実施されるという利点がある。

さらに別の実施例では、ガンに対する冷却水流量を調整し、冷却水温度を調整するように、上記の実施例を組み合わせることができる。この実施例では、ガン水圧を維持して水の沸点の問題を回避するために、ガンの水回路の出口に可変の制限が加えられる。この圧力制御は、別個の閉ループとして作動するはずである。流量及び温度の両方を調整することによって、ガン電圧への最大の効果を実現することができる。

ガン冷却の量を制御するために、バイパス回路、冷却装置に対するより高温への再設定熱制御等を含むがこれらに限定されない他の変形形態が可能である。

上記実例は、単に説明の目的で示しているにすぎず、決して本発明の限定と解釈すべきでないということに留意されたい。例示的実施例に関して本発明を説明したが、本明細書中で使用している文言は、限定の文言ではなく、記述及び説明の文言であるということを理解されたい。本発明の範囲及び精神をそのあらゆる面で逸脱することなく、添付の特許請求の範囲の現在及び補正後の範囲内で変更を加えることができる。本明細書では、特定の手段、材料及び実施例を参照して、本発明を説明してきたが、本発明は、本明細書中に開示されている事項に限定されるものではなく、むしろ、本発明は、添付の特許請求の範囲内の、すべての機能的に等価な構造、方法及び使用にまで及ぶ。

Claims (20)

1. プラズマガン用の水冷システムであって、前記水冷システムは、
   前記プラズマガンに供給されることとなる冷却水から熱を取り除くように構造化及び配置される冷水器と、
   前記プラズマガンのガン電圧を監視するように構造化及び配置されるコントローラと、
   前記冷却水の流量を調整するように前記コントローラに結合され、前記コントローラの制御下にある少なくとも１つの流量弁とを備え、
   作動中の前記プラズマガンの前記ガン電圧が所定値を下回ると、前記コントローラは前記少なくとも１つの流量弁を制御して、プラズマガン温度を上昇させ、それによって、前記ガン電圧を上昇させる、水冷システム。
2. 前記冷水器は熱交換器を備え、前記少なくとも１つの流量弁は、前記熱交換器へと供給される前記冷却水流量を調整するように配置される、請求項１に記載の水冷システム。
3. 前記コントローラは、前記少なくとも１つの流量弁を制御して、前記プラズマガン冷却水の温度を上昇させる、請求項２に記載の水冷システム。
4. 前記水冷システムは、少なくとも２本のガンケーブルを介して前記プラズマガンに電力を供給するジャムボックスをさらに備え、
   前記ジャムボックスは、前記冷水器から前記冷却水を受け取るように配置され、前記ガン電圧は、前記ジャムボックスにおける前記ガンケーブル間の電圧から決定される、請求項１に記載の水冷システム。
5. 作動中の前記プラズマガンの前記ガン電圧を測定するためのデバイスをさらに備える、請求項１に記載の水冷システム。
6. 前記冷水器は、熱交換器又は冷蔵用冷却回路のうちの少なくとも１つを備え、前記少なくとも１つの流量弁は、前記冷水器から供給される前記冷却水を調整するように配置される、請求項１に記載の水冷システム。
7. 前記コントローラは、前記少なくとも１つの流量弁を制御して、前記冷水器からの前記冷却水の流量を調整する、請求項６に記載の水冷システム。
8. 前記冷水器は熱交換器を備え、前記少なくとも１つの流量弁は、前記熱交換器へ供給される前記冷却水を調整するように配置される第１の弁と、前記熱交換器から供給される前記冷却水を調整するように配置される第２の弁とを備える、請求項１に記載の水冷システム。
9. 前記コントローラは、前記第１の弁を制御して前記冷却水の温度を上昇させ、前記第２の弁を制御して前記冷水器からの前記冷却水の流量を減少させる、請求項８に記載の水冷システム。
10. 前記コントローラは前記流量弁を制御して、少なくとも前記冷却水の温度を上昇させること、及び前記冷却水の流量を減少させることのうちの少なくとも一方を行う、請求項１に記載の水冷システム。
11. プラズマガンを冷却するための方法であって、
    作動中の前記プラズマガンのガン電圧を監視するステップと、
    作動中の前記プラズマガンの前記ガン電圧が所定値まで低下した場合に、作動中の前記プラズマガンの冷却水流量を調整してガン温度を上昇させるステップとを含む方法。
12. 前記冷却水から熱を取り除くように熱交換器が配置されており、前記方法が、前記熱交換器へと供給される前記冷却水流量を調整するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記冷却水流量の減少により、前記熱交換器は前記冷却水の温度を上昇させる、請求項１２に記載の方法。
14. 少なくとも２本のガンケーブルを介して前記プラズマガンに電力を供給するようにジャムボックスが配置されており、前記方法が、前記ガンケーブル間の電圧から、作動中の前記プラズマガンの前記ガン電圧を決定するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
15. 電圧デバイスにより前記プラズマガンにおける作動中の前記プラズマガンの前記ガン電圧が決定される、請求項１１に記載の方法。
16. 熱交換器及び冷蔵用冷却回路のうちの少なくとも一方を備える冷水器が、前記冷却水から熱を取り除くように配置されており、前記方法が、前記冷水器から供給される前記冷却水の流量を調整するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
17. 前記冷却水から熱を取り除くように熱交換器が配置されており、前記方法が、前記熱交換器に供給される前記冷却水を調整するステップと、前記熱交換器から供給される前記冷却水を調整するステップとをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
18. 前記熱交換器に供給される前記冷却水を調整する前記ステップにより、前記冷却水の温度を上昇させ、前記熱交換器から供給される前記冷却水を調整する前記ステップにより、冷水器からの前記冷却水の流量を減少させる、請求項１７に記載の方法。
19. 前記冷却水流量の調整の結果、前記冷却水の温度を上昇させること、及び前記冷却水の流量を減少させることのうちの少なくとも一方が行われる、請求項１１に記載の方法。
20. 上昇した前記ガン温度により作動中の前記プラズマガンの前記ガン電圧が上昇する、請求項１１に記載の方法。