JP7164219B2 - プラズマ切断方法、および該方法を実施するためのトーチ - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ切断方法、および該方法を実施するためのトーチに関する。

プラズマ切断の原理は約６０年前から知られており、多数の特許出願の主題とされている。この原理は、多少とも厚いシートを切断するために使用される。電極と切断されるシートメタルとの間に電流の通過が確立され、電気アークプラズマを形成する。ノズルはこのプラズマを集中させ、プラズマはジュール効果によって加熱され、極めて高い温度に達する。ノズルには、プラズマジェットを導く出口孔（出口オリフィス）がある。プラズマジェットはさらにノズルの孔（オリフィス）から高速で噴出される。高温のため、シートメタルは局所的に溶融し、プラズマジェットの速度を作り出すノズルのガス供給圧力により、シートメタルの下に溶融金属を放出することが可能になる。このようにして被切断片（被切断材）に切り口が作られる。

この切断原理を実施する１つの装置は、トーチ、特にプラズマトーチと呼ばれる。そのようなトーチは、電極、ノズルおよびノズル用ガス供給システムを含む。

切断に適したプラズマジェットを得るためには、当然、電気アークとガス供給の特性を尊重しなければならない。電極と被切断シートメタルとの間の距離、電極と被切断シートメタルとの間を通過する電流、ガスの圧力などのようなパラメータを一定の範囲に維持すべきである。

プラズマトーチの性能は、切断されたカットの精巧さ、その正確さおよびその切断速度によって評価される。当業者は、被切断シートメタルにおいてより微細で、より多くのエネルギーのあるプラズマジェットを得ることを目指している。ノズル内の電界（電場）により、プラズマのエネルギー強度の適切な表示を得ることができる。それは、プラズマ内を流れる電流密度に比例する。平均電場は、電気アークの電圧を電極の端部と切断されるシートとの間の距離で割ることによって容易に概算できる。

プラズマトーチの性能を向上させるために、文献ＧＢ１０２５６７８は、直径１ｍｍ未満のガス通路、またはノズルを使用して、微細な超音波プラズマジェットを形成することを可能にし、したがって、被切断片で実施された切断の領域で熱的に限定された摂動区域を有することを提案している。微量のプラズマは、カソードとガス通路の入口との間の圧力が３０～１００気圧（すなわち、約３～１０×１０^６ Ｐａ）の放電チャンバ内に形成される。

しかしながら、超音波ガスの速度によるノズル内の圧力の増加は、ノズルの出口でプラズマジェット内に衝撃構造（衝撃波）を生成する。これらの問題を解決するためには、衝撃構造と溶融金属との相互作用を避けるために、ノズルから被切断片を遠ざける必要がある。その結果、ノズルの出口とシートメタルの間、すなわち、プラズマジェットがノズルによって集中しなくなった領域の熱拡散により、シートメタルで利用可能な電力密度が大幅に減少する。

現在、市場で提案されているプラズマ切断装置の大部分は、電極と被切断片との間の距離が１０ｍｍより大きく、１０バール（すなわち、約１０^６Ｐａ）以下のガス圧力と、約１５０Ｖの最大アーク電圧で作動し、それは１５ｋＶ／ｍの最大電界に対応する。

第１のノズルの下流（または周囲）に配置された第２のノズルを備え、それによって、プラズマジェットの周りに保護ガス層を形成するプラズマトーチを提供することも知られている。そのとき、第２のノズルには不活性ガスまたは空気が供給されることがよくある。文献ＥＰ２３８４０９７は、プラズマジェットが通過するノズルを形成する開口部を備えたプラズマノズルの上流冷却のためにここで最適化された、そのようなノズルを記載している。したがって、この文献に記載されたプラズマトーチには、イオン化されたプラズマガスの流れとノズルの冷却、およびトーチの使用中に、特に穿孔段階で発生する可能性のある溶融金属の突起に対する保護という利点がある。

したがって、本発明の目的は、プラズマのエネルギー強化と、トーチ（ノズル）内に生成される電力密度の被切断片までの維持の両方を得ることができるプラズマ切断トーチを提供することである。

したがって、本発明は、ノズルの供給圧力が増加した時の衝撃構造の強化を回避して、微細（良好）なプラズマジェットを得ることを目的とする。

このため、本発明は、まず、
被切断片のプラズマ切断方法であって、
－電極であって、該電極の端部に面する第１出口部を有する第１ノズル内に配置された電極、
前記第１ノズルの第１気体供給手段、
前記第１ノズルの周囲に同心状に配置され、前記第１出口部にほぼ面する第２出口部を有する第２ノズル、及び
前記第１ノズルと前記第２ノズルとの間の気体供給手段を備えるプラズマトーチを与えるステップと、
－前記電極に電流を与え且つ前記第１ノズル及び第２ノズルに気体を与えて前記第１ノズルに導入された前記気体によりプラズマを形成するステップとを備えるプラズマ切断方法を提案する。

本発明によると、前記第２ノズル内の前記第１ノズルの前記出口におけるプラズマジェットの周囲の周囲圧が、一方において少なくとも大気圧よりも大きく且つ他方において前記第１出口部内の圧力よりも小さくなるように制御される。

このようにして、二次ガス流は、プラズマジェットを保護するだけでなく、その幅を制限し、衝撃構造に作用することにより、プラズマジェットを封じ込めるために使用される。

そのようなプラズマ切断方法において、第１出口部内のプラズマジェットの圧力と、第１のノズルと第２のノズルの間のプラズマジェットの周囲の周囲圧力との比は、有利には１～５の間であり、好ましくは２～４の間であり、より好ましくは２．４～２．６の間である。

一実施形態では、第１出口部内の圧力が、第１ノズル内の全生成圧力、及びプラズマの低圧比熱と定積比熱との比率に対応する係数より求められる。

そのようなプラズマ切断方法では、また、プラズマジェットの周囲の周囲圧力は、同様に被切断片から第２の出口部分を隔てる距離を変化させることにより調整することが可能である。被切断片と第２のノズルの出口（言い換えれば、第２の出口部に対応する）との間の距離が小さいほど、この距離がこの周囲圧力により大きな影響を与えることは、当業者には明らかであろう。実際、被切断片は、第１のノズルと第２のノズルの間を通過するガス流（下流ガスと呼ばれる）の流れを妨げるため、この下流ガス流に背圧を発生させる。この距離が長くなると、背圧は減少し、急速に無視できるようになる。

例示的な、非限定的の例では、第１のノズル内のガス供給圧力は、例えば５０００ｈＰａより大きく、好ましくは８０００～２００００ｈＰａの間であり得る。 同様に、電気値に関して、例えば、プラズマジェット内の平均電界が１５ ｋＶ / ｍよりも大きいことが考えられる。

試験により、プラズマジェットの電流強度は、第１のノズルのガス供給圧力のアフィン関数であることが有利であることが示されている。このように、電流強度、したがって、それに直接比例する見かけの電流密度（Ａ／ｍｍ^２）は、プラズマガスの供給圧力の増加とともに増加し、プラズマジェット全体を通して大きな電力密度を維持することが可能とする。

本発明によるプラズマ切断方法では、例えば、第１のノズルの出口部でのプラズマジェットの周囲の周囲圧力は、プラズマジェットの点火段階、移送段階および、穿孔段階中に大気圧（１５００ｈＰａ未満）に実質的に等しくてよく、前記圧力は次に切断段階で増加してよい。

上述のような方法において、第２のノズルは、切断サイクルの少なくとも１つの段階の間に被切断片と接触することがあり得る。上記で説明したように、これにより、２つのノズル間のプラズマジェットの周囲の周囲圧力に作用することが可能になる。

次に、本発明はさらに、
電極であって、該電極の端部に面する第１出口部を有する第１ノズル内に配置された電極、
前記第１ノズルの第１気体供給手段、
前記第１ノズルの周囲に同心状に配置され、前記第１出口部にほぼ面する第２出口部を有する第２ノズル、及び
前記第１ノズルと前記第２ノズルとの間の第２気体供給手段とを備えるプラズマ切断トーチに関する。

本発明によると、そのようなトーチは、前記第１供給手段に接続された少なくとも１つのセンサから前記第２供給手段を調整する手段も含む。

一実施形態によると、そのようなトーチは、第１のノズル内の圧力を決定する第１のセンサ、第２のノズル内の圧力を決定する第２のセンサおよび、第２のノズル内の圧力のための制御ラインを含む。このプラズマ切断トーチは、さらに第１のノズル内の圧力のための制御ラインを含む。

別の実施形態では、第１のノズルは出口部に終点がある導管（チャネル）を含み、前記導管は分岐部（発散部）を備える。

本明細書に記載のようなプラズマ切断トーチでは、下流ガスのクリティカルセクション（第２の供給手段に対応する）は、好ましくは第２の出口部、すなわち第２のノズルの出口部である。その場合、トーチは、有利には、第１のノズルと第２のノズルとの間の通路断面が第２の出口部よりも常に大きく、好ましくはこの第２の出口部の少なくとも１．５倍よりも常に大きくなるように設計される。

本発明によるトーチの別の実施形態では、第２のノズルが第１のノズルに対して可動式に取り付けられることが可能である。この代替実施形態では、第１のノズルに対する第２のノズルの相対運動は、出口部回りのボールアンドソケット型移動、および／または第１のノズルによって規定される縦軸（長手軸）に沿った軸方向の動き、および／または第１ノズルを横断する面内且つ第１ノズルの出口部の中心回りの切断の方向の移動に対応することがあり得る。

最後に、上述のようなトーチでは、第２のノズルは、好ましくは、その直径が第１のノズルの出口部の直径の２～３０倍である出口部を有する。

本発明の詳細および利点は、下記の添付図面を参照して行う以下の説明によって、より明らかになるであろう。

図１は本発明によるプラズマ切断トーチの概略縦断面図である。 図２は従来技術のプラズマ切断トーチに対して、本発明によって得られる性能を示すダイアグラムである。

図１は、プラズマ切断トーチの縦断面を概略的に示している。このトーチの構造は、従来技術のトーチの構造に類似している。トーチの中心にはいわゆる縦方向に沿って延在する電極３がある。この電極３の周囲には、第１のノズル、すなわちプラズマノズル４が配置されており、このノズルの外側には電極３に対して同心状に取り付けられた、第２のノズル、すなわち下流ノズル５が配置されている。この装置（アセンブリ）は、被切断片（被切断材）２、例えば、厚さが大きいシートメタルに面して取り付けられる。

電極３は、例えば、プラズマトーチで使用される従来技術の電極である。 図１に概略的に示されるように、それは、導電性および熱伝導性材料、例えば銅または銅ベースの合金で作られたほぼ円形の円筒体である。電極３の端部には、多くの場合、例えば、非常に高い融解温度を有するタングステン、またはハフニウム（またはその他）のような、熱放射性材料で形成されたインサートが存在することに注意されたい。被切断材料とプラズマの性質に応じて、ある材料が別の材料よりも好ましいであろう。

電極３に給電するための手段は図面には示されておらず、ここでは説明しない。 当業者に知られており、従来技術のプラズマ切断トーチで一般的に使用される供給および制御手段をここで使用することができる。

第１のノズル、即ちプラズマノズル４は、電極３の長手方向軸の周りをほぼ回転する形状を有し、したがってほぼ円錐形状を有する。 第１の通路６は、電極３とプラズマノズル４の内壁との間に空いている。プラズマノズル４は、その頂点で、その回転軸上に、プラズマノズル４の外側面に出口部９を有するチャネル８を有する。ここで、チャネル８は、円筒形チャネル（したがって、一定の円形断面を有する）に対応するその好ましい実施形態で示されるが、このチャネルは、また出口部９に終点がある分岐部分（発散部分）を有することも可能である。プラズマノズル４の出口圧力をネック圧力と大気圧との間の中間値まで減少させることができる分岐部（発散部）を備えるチャネル８を有するプラズマノズル４の場合、分岐（発散）は、この中間値がしかしながら大気圧に達しないように設計することが好ましい。

第２のノズル、即ち下流ノズル５もまた、電極３の長手方向軸を中心とした回転形状を有する。これは、一般に円錐形状を有し、頂角がプラズマノズル４の頂角よりやや大きい。 プラズマノズル４と下流ノズル５との間にもまた第２の通路７が設けられている。下流ノズル５の頂部の回転軸上には、また、下流ノズル５の外側面に出口部１０を有する貫通開口部がある。出口部１０は、プラズマノズル４の出口部９よりも大きい。

プラズマノズル４および下流ノズル５を製造するための材料は、好ましくは良好な熱伝導性材料である。それは、銅合金（例えば、ＣｕＡｌまたはＣｕＴｅまたはＣｕＣｒＺｒタイプ）またはアルミニウム合金または真鍮（またはその他）であってもよい。ノズルは、さらに好ましくは、例えば流れるガスによって、および／または別個の冷却液を備える専用システムによって冷却される。 図１は、図示したトーチに搭載できる（組み込まれ得る）冷却手段を示していない。

ここに示された被切断片２は、ノズルの回転軸に対して垂直に配置されたシートメタルであり、本発明にしたがえば、当業者に面取り切断用の非直角切断として公知の他の配置が可能である。

第１の通路６のためのガス供給手段が備えられている。それらは、最初に、プラズマガス源１１と、前記源から第１の通路６まで延びる供給ラインとを含む。プラズマガス源１１は、例えば、圧縮ガス、酸素、または当業者に公知の、切断される材料に適合した他の任意のガスの、例えば、単純にガスボンベ（ガスシリンダ）であってよく、好ましくは減圧装置（減圧弁）を備える。また、工業ガスネットワーク、低温で液相に貯蔵されたガスタンク、ガス生成器なども使用することができる。 第１の供給ラインは、第１の圧力調整器１２と遮断弁１３を含む。この第１の供給ラインには、また、可能な限り下流に、プラズマガス供給圧力を与える圧力センサがある。この供給圧力をＰｉとする。

また、第２の通路７のためのガス供給手段もある。これらの手段は、下流ガス源１４と、前記源から第２の通路７まで延びる供給ラインを含む。この第２の供給ラインは、第２の圧力調整器１５および遮断弁１６を含む。ここで、下流ガス源は、ガスボンベ（ガスシリンダ）（好ましくは減圧弁（膨張弁）付き）、工業用ネットワーク、生成器、液化ガスなどでもよい。下流ガスは窒素などの不活性ガスでもよいが、例えば空気でもよい。

トーチは、さらに、プラズマノズル４の出口部９と下流ノズル５の開口部との間に、下流ノズル５内の圧力Ｐ２を測定する圧力センサを備える。このＰ２を測定する圧力センサは、プラズマノズル４の出口部９の周囲圧力を示す値を測定するように、下流ノズル５の回転軸に可能な限り近接して配置される。Ｐ２を測定するセンサがプラズマノズル４の出口部９から離れている場合、測定点とプラズマノズル４の出口部９の周囲区域との間の計算された圧力降下の関数として測定値に対して補正を行うことができる。この補正では、損失（圧力損失、チャージ損失）による合計圧力損失と、ガス速度による動的圧力低下を考慮に入れてもよい。この場合、流量センサ（図示せず）が下流ガス供給ラインの上流に配置される。

第２の通路７（下流ガス）の第２の圧力調整器１５に作用する調整装置が備えられている。図１では、第１の通路６で測定された圧力（圧力Ｐｉ）の乗数（係数１／Ｋによる）の存在がある。こうして得られた値は、測定された圧力Ｐ２と比較され、第２の圧力調整器１５は、値（Ｐｉ ／ Ｋ）－Ｐ２をゼロに維持するように制御される。 このように、比Ｐi／Ｐ２は値Ｋに維持される。以下で説明するように、係数Ｋは１．６５～９．５の間で選択することが好ましい。

測定および圧力調整は、電子的に（アナログ方式またはデジタル方式で）実行されることが好ましいが、純粋に機械的（空気圧）技術または機械的および電子的技術の組み合わせを使用することが想定され得る。純粋に例示的かつ非限定的な例として、図１に、機械的調整器である第１の圧力調整器１２および電子技術の比例弁である第２の圧力調整器１５を示す。 ほとんどの場合、当業者はすべてのコンポーネントに同じ技術（電子的または機械的またはその他）を選択するが、技術の「混合」を考慮（想起）することが可能である。

他の実施形態として、ノズル（プラズマノズル４および下流ノズル５）間のプラズマジェットの周囲圧力もまた、圧力調整器に加えて、下流ノズルの出口部１０（端部とみなすことができる）と被切断片２（またはシートメタル）の表面との間の高さによって制御できることが想定され得る。

電極３に電流が与えられると、ここでは導電性であると考えられる被切断片２が基準電位（アース）に接続され、プラズマノズル４にプラズマガスが供給され、下流ノズル５に下流ガスが供給され、電気アークのプラズマジェット１が生成される。それは、電極３のインサートで発生し、チャネル８を通って流れ、次に、下流ノズル５の開口部を通過して、被切断片２に達する。

被切断片２の切断のために、ここでは、プラズマノズル４の出口部９および、被切断片２までの周囲容積内のプラズマジェットの周りの周囲圧力が大気圧より大きく、且つ良好な（微細な）プラズマジェットを維持するように制御されていることを確実とすること、プラズマガスの供給圧力が増加したときの衝撃構造の強化を回避すること、プラズマノズル４内に生成したプラズマジェットの出力密度を被切断片２まで維持することが提案される。この目的のために、プラズマノズル４の出口部９でのプラズマジェットの平均絶対放出圧力Ｐｊの、２つのノズル間の前記プラズマジェットの周囲圧力Ｐ２に対する比、いわゆる、ノズル圧力比（英語では、Ｎｏｚｚｌｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ＲａｔｉｏｎまたはＮＰＲ）が１～５の間に維持されるように、圧力Ｐ２（２つのノズル間の、プラズマノズル４の出口部９の周りの周囲圧力）を調整することが意図されている。

ＮＰＲ比が１であるとき、このとき、出口圧力は周囲圧力に等しくなり、トーチは適切なモードで作動する。反対に、この比が５の場合、トーチはバレル衝撃構造を有する不足膨張プラズマジェットの限界領域（上限）で作動し、第１の直線衝撃の直径がプラズマノズル４の出口部９の直径に近い寸法に達する。

下流ノズル内の圧力の調整は、被切断片２の切断プロセスの切断段階中に実行されるだけではない。例えば、周囲圧力Ｐ２は、開始段階（点火段階）、移送段階および穿孔段階中に大気圧に実質的に等しくなるように、次に切断段階中に大気圧を上回るように、プラズマノズル４の出口部９に与えられ得る。

ここで、プラズマノズル４の出口部９はクリティカルセクション（臨界断面、最小断面）であると考えられる（一定の円形横断面のチャネル８に対応する場合）。そのとき、出口部９の圧力Ｐｊの適切な推定値は、下記の「数１」の式によって与えられる：

Ｐｉは上述の圧力である。これは、プラズマノズル内の全発生圧力（全生成圧力）、すなわち、プラズマノズル４内でのチャージ損失を減少させるプラズマガス供給圧力である。

γは、プラズマの一定圧力での比熱の一定容積での比熱に対する比の推定値である。

γは通常１．０～１．４の間である。 したがって、比Ｐｊ／Ｐｉは一般に１．６５～１．９の間である。比Ｐｊ／Ｐ２が１～５の間にあるとき、係数Ｋ ＝ Ｐi／Ｐ２は１．６５～９．５の間で得られる。

係数Ｋは、実際には３～６であることが好ましく、この係数の適切な妥協点は一般に約５．５（５．５の周辺）である。

チャネル８が分岐部（発散部）を有する図示されていないケースでも、出口部９の平均圧力を推定できるが、出口部９のマッハ（Ｍａｃｈ）数を関係させる別の式を用いる。この場合、下記の「数２」で表される：

さらに、下記の「数３」を使用する。

ここで、Ａは出力部９に対応し、Ａ _*はチャネルのクリティカル（最小）セクション（断面）に対応する。

上記で説明したように下流ガス圧力を調整することにより、トーチは、強化することが可能なプラズマジェットを生成し、すなわち、プラズマジェットの膨張およびジェット内の衝撃構造（衝撃波）の強度およびサイズが抑えられているので、被切断片２の表面までのプラズマジェットのこの出力密度を確実に維持しながら、プラズマガス供給圧力を増加させることにより、電極３と被切断片２との間の平均電流密度または平均電界を大幅に増加させることができる。また、従来技術のトーチの場合よりも低い被切断片２とプラズマノズル４（または電極３）との間の切断高さで作動することが可能になる。ここで紹介する技術を使用すると、プラズマノズル４の直径の４倍未満の切断高さが可能であり、したがって、プラズマジェット内の温度分布の熱拡散は小さく、切断精度（切り口の幅）が大幅に改善されたことがテストによって示された。従来技術と比較したこの切り口の幅の減少は、リニアメーターカットごとに溶融および排出される金属の比体積がより小さいため、切断のエネルギー効率を改善するという追加の有益な効果がある。その結果、切断プロセスの生産性を向上させること、すなわち、同じ強度の電流でより速くまたはより厚く切断することが可能である。

切断高さは、また周囲圧力Ｐ２にも影響することがある。実際、この切断高さが減少すると、背圧が下流ガスの流れに対抗するようになるため、周囲圧力Ｐ２が変更される。したがって、この切断高さは、低くなった場合、すなわち、かかる背圧が無視できなくなった場合にも考慮する必要がある。前記背圧の計算は、下流ノズル５の出口部１０と被切断片２との間の距離に加えて、出口部１０および、場合によってはその形状（例えば発散する場合）にもよる。

例示的かつ非限定的な数値例として、例えば、切断サイクルの少なくとも１つの段階の間、プラズマガス供給圧力が５バールより大きく、好ましくは６～１００バールの間であり、理想的には８～２０バールであることが可能である。また、電極３と被切断片２との間の距離に対するアーク電圧の比として定義されるプラズマジェット内の平均電界は、プロセスサイクルの切断段階のすべてまたは一部の期間、１５ｋＶ／ｍを超えることも可能である。

本明細書に記載するプラズマ切断方法は、所定のプラズマノズル４の出口部９直径のための電流が、切断プロセスの少なくとも１つの段階中、プラズマノズル４の供給圧力Ｐｉに応じたものであることもあり得る。強度は、例えば供給圧力のアフィン関数であり、したがって、ａ及びｂをトーチの形状に従って決定される定数としてＩ＝ａ＋ｂ．Ｐの形式で表される。この電流は、開始、穿孔および／または切断サイクルのすべてまたは一部の間、プラズマノズル４内の圧力によって（圧力に追従して）動的に制御され得る。

図２は、調整なしで得られた性能（破線）と比較して、下流ガス圧力を調整することにより得られた性能（実線）をダイアグラムで示している。

ある例示的な実施形態では、プラズマ切断トーチは最初に６０Ａで動作する。このトーチは、プラズマガスとして空気が供給される直径１ｍｍのチャネルを有するプラズマノズル４と、直径４ｍｍの出口部１０を有する下流ノズル５とを備えている。下流ノズル５には、ここでは下流ガスとして使用される圧縮空気が供給され、したがって、プラズマノズル４の出口部９の周りで測定される圧力Ｐ２は、圧力調整なしの参照操作に対応する０バール（すなわち、１バールの絶対圧力、または約１００，０００ Ｐａ）から３バールの間に制御される。このトーチを使用して、プラズマノズル４と下流ノズル５の供給圧力を変化させることにより、厚さ５ｍｍの軟鋼の断片（シートメタル）を切断した。 次に、切断片の上部切り口の幅を圧力Ｐ２の調整（適合）がある場合とない場合で測定し、図２に示した。

圧力Ｐ２が、０バールから０．９バール、次いで１．２５バール（すなわち、それぞれ、０Ｐａ、次に９０，０００Ｐａ、次に１２５，０００Ｐａ）まで徐々に増加される本発明の実施（連続曲線）は、プラズマノズル４内の供給圧力（図２のｘ軸）を上げると、切り口の幅（図２の縦座標）の減少が観察されることが分かる。

一方、従来のレジームでのトーチの挙動（Ｐ２はゼロ又はほぼゼロ）は、プラズマノズル４の供給圧力が従来の圧力（ここでは約５バール）を超えると、切り口幅が大幅に増加することを暗示する。

図２に示した実施例では、プラズマノズル４の供給圧力Ｐiの圧力Ｐ２に対する比は一定であり、ほぼ５．５に等しい。

圧力調整が作動した同じトーチの別の実施形態では、電流の強度を増加させて、１３０Ａまでのプラズマノズル高圧供給、すなわち、従来の見かけの電流密度値６０Ａ／ｍｍ ^２（たとえば、ＵＳ ５１２３５１２で引用された値）よりもはるかに高い見かけの電流密度１６５Ａ／ｍｍ^２で切断を実施し、最初の実施形態で観察されたように微細な切り口幅を維持しながら、切断速度を徐々に５ｍ／分まで増加させることが可能であった。

下流ノズル５内のガス圧力の適切な調整の実施を可能にするためには、その幾何学的設計とその供給システムの設計により、圧力Ｐ２を所望の値Ｐ２ ＝ Ｐｉ／Ｋまで増大させる必要がある。このため、下流ノズル５の形状は、例えば、下流ガス源１４から下流ノズル５の出口部１０までの下流ガス供給回路の通路断面が全ての箇所でこの出口部１０より大きく、したがって、出口部１０は、当該ガス流、いわゆる下流ガスのクリティカルセクションである。

さらに、プラズマガスの供給および対応する供給ラインの圧力の動的調整要素に関して、すべてのコンポーネントはもちろん、このクリティカルセクションに対応する最大流量の通過を可能にする寸法になっている。

これらの条件を満たすために、下流ノズル５の出口部１０の直径は、好ましくは、プラズマノズル４の出口部９の直径の２～３０倍であると推定される。

プラズマノズル４の出口部９と下流ノズル５の出口部１０との間の距離として定義される下流ノズル５の「高さ」は、例えば０～１０ｍｍの間、好ましくは０～５ｍｍの間で選択される。

別の実施形態として、下流ノズル５は、プラズマノズルに対して可動であり、トーチの基準フレームに固定されていると考えられるプラズマノズルに対して相対的に移動することが可能である。

プラズマノズルに対する下流ノズル５の相対運動は、例えば、長手方向軸に沿って専ら直線的であってもよい。この運動を制御するために、一方ではプラズマノズル４に対して外向きに方向付けられており他方では被切断材２によって形成される表面の一番目の突起、すなわち、並進移動する停止ショルダーに当接する弾性スラストシステムを設けることができ（図面には示していない）、これは例えば、バネまたは空気圧システム（例えば、二次ガスによる）である。

プラズマノズルに対する下流ノズル５の相対運動は、また、下流ノズル５の出口部１０の中心の周りの旋回運動のみであってもよい。

別の変形例によれば、プラズマノズルに対する下流ノズル５の相対運動は、また、プラズマノズル４に垂直な平面内および下流ノズル５の出口部１０の中心の周りの切断方向での摺動（スライド）運動のみであってもよい。

プラズマノズルに対する下流ノズル５の相対運動は、上記３つの運動のうちの少なくとも２つの組み合わせでもあり得る。

ボールアンドソケット型移動の場合、それは、例えば、プラズマノズル４と切断されるシートメタル（シート）との間の角度で制御することができ、したがって、下流ノズル５の出口部１０が プロセスサイクルの少なくとも一段階の間シートメタルの表面に平行に維持される。

切断方法の別の実施形態では、下流ノズルは、切断サイクルの少なくとも１つの段階の間にシートメタルと少なくとも１つの接触点を有し得る。

したがって、要約すると、ここでは、電極、プラズマノズル、すなわち、この電極に対向する上流ノズルを使用するプラズマ切断方法および電気アークプラズマ切断トーチが提案されており、前記電極間の空間はプラズマガスが供給され、前記プラズマノズルは、プラズマジェットが通過する開口部（オリフィス、チャネル）を有し、そこで前記プラズマノズルの出口部と被切断片との間のプラズマジェットの周囲の周囲圧力は、 切断サイクルの少なくとも１つの段階の間大気圧より大きい。

大気圧よりも大きい前記周囲圧力は、プラズマノズルの下流に位置し、下流ノズルと呼ばれる少なくとも１つの第２のノズルによって設定され、そのノズルには二次ガスが供給される。

下流ノズルへのガス供給は、好ましくは機械式または電子式の少なくとも１つの圧力調整器によって提供され、その設定値はプラズマノズルの供給圧力に応じた値である。この圧力調整器は、例えば、圧力取り入れ口（圧力タッピング）がプラズマノズルと下流ノズルとの間の空間、好ましくはプラズマノズルの出口部の近傍に位置する圧力測定信号を使用する。

下流ノズルの良好なガス供給のために、その供給回路は、好ましくは、加圧下の二次ガス源と下流ノズルとの間の供給回路のあらゆる点のガス通路断面が下記の２つの部分、すなわち、下流ノズルの出口部、及びサイクルの切断段階中の被切断材料の表面上の下流ノズルの出口側エッジの投影によって形成される表面の環状部分の内の最小値より大きいようなものである。

上記のように、前記プラズマノズルの出口部におけるプラズマジェットの平均絶対圧力と周囲圧力とのＮＰＲ（ノズル圧力比）比は、有利には１～５、好ましくは２～４、理想的には２．５前後（約２．５）である。したがって、円筒形プラズマ出口チャネルを有するプラズマノズルの場合、有利には、プラズマノズルの全供給圧力と下流ノズル内の供給圧力との比が１．６５～９．５、理想的には３～６、さらに理想的には５．５前後である。

最後に、プラズマガスは下流のガスと異なっていてもよいが、下流のガスと同一であってもよい。 この場合、プラズマガス源１１および下流ガス源１４は、単一のガス源、例えば、上記で説明したようなガスボンベまたは工業用ガスネットワークであってもよい。この一般的なガスは、例えば、空気、酸素、またはその他のガスである。そのとき、第１の供給ラインおよび第２の供給ラインがこのガス源に一緒に接続される。

もちろん、本発明は、上述の好ましい実施形態および想定される変形に限定されるものではない。本発明は、また、以下の特許請求の範囲内で当業者の範囲（リーチ）内の実施形態（デバイスおよび方法）の変更に関するものである。

１ プラズマジェット
３ 電極
４ 第１のノズル
５ 第２のノズル
９ 出口部
１１、１２、１３ 第１のガス供給手段
１４、１５、１６ 第２のガス供給手段
Ｐ２ 周囲圧力

Claims (17)

1. 被切断片のプラズマ切断方法であって、
   －電極であって、該電極の端部に面する第１出口部を有する第１ノズル内に配置された電極、
   前記第１ノズルの第１気体供給手段、
   前記第１ノズルの周囲に同心状に配置され、前記第１出口部にほぼ面する第２出口部を有する第２ノズル、及び
   前記第１ノズルと前記第２ノズルとの間の気体供給手段であって、気体供給源から延び且つ前記第１ノズルと前記第２ノズルの間を延びるガス通路を含む気体供給手段を備えるプラズマトーチを与えるステップと、
   －前記電極に電流を与え且つ前記第１ノズル及び第２ノズルに気体を与えて前記第１ノズルに導入された前記気体によりプラズマを形成するステップとを備え、
   前記気体供給源と第２出口部との間の前記ガス通路の全ての箇所において、前記ガス通路の断面積が、第２出口部の断面積及び前記第２ノズルの出口端の投影により前記被切断片に形成される環状部分の断面積の内の最小値よりも大きく、
   前記第２ノズル内の、前記第１ノズルの前記第１出口部におけるプラズマジェットの周囲の周囲圧が、一方において少なくとも大気圧よりも大きく且つ他方において前記第１出口部内の圧力よりも小さくなるように制御されることを特徴とする方法。
2. 前記第１出口部内の前記プラズマジェット内の前記圧力の、前記第１ノズルと前記第２ノズルとの間の前記プラズマジェットの周囲の前記周囲圧力に対する比率が１～５の間であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ切断方法。
3. 前記第１出口部内の前記圧力が、前記第１ノズル内の全生成圧力及び前記プラズマの定圧比熱と定積比熱との比率に対応する係数より求められることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ切断方法。
4. 前記第１ノズル内の全生成圧力が５０００ｈＰａよりも大きいことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載のプラズマ切断方法。
5. 前記プラズマジェットの周囲の前記周囲圧は前記被切断片と前記第２出口部との間の距離を変化させることによっても調整されることを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載のプラズマ切断方法。
6. 前記プラズマジェット内の平均電界が１５ｋＶ／ｍよりも大きいことを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載のプラズマ切断方法。
7. 前記プラズマジェット内の電流強度は前記第１ノズル内の全生成圧力のアフィン関数であることを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載のプラズマ切断方法。
8. 前記第１ノズルの前記第１出口部における前記プラズマジェットの周囲の前記周囲圧がプラズマジェットの点火段階、移送段階、及び穿孔段階の間は大気圧にほぼ等しく、前記周囲圧が切断段階では上昇されることを特徴とする請求項１～７のいずれか一項に記載のプラズマ切断方法。
9. 前記第２ノズルが切断サイクルの少なくとも１つの段階の間、前記被切断片に接触されることを特徴とする請求項１～８のいずれか一項に記載のプラズマ切断方法。
10. 電極、
    該電極の端部に面する第１出口部を有する第１ノズルであって、内部に前記電極が配置された第１ノズル、
    前記第１ノズルの第１気体供給手段、
    前記第１ノズルの周囲に同心状に配置され、前記第１出口部にほぼ面する第２出口部を有する第２ノズル、及び
    前記第１ノズルと前記第２ノズルとの間の第２気体供給手段であって、気体供給源から延び且つ前記第１ノズルと前記第２ノズルの間を延びるガス通路を含む第２気体供給手段を備えるプラズマ切断トーチであって、
    前記第１気体供給手段に接続された少なくとも１つのセンサから前記第２気体供給手段を調整する手段を更に備え、
    前記第２気体供給手段を調整する前記手段は、前記第２ノズル内の、前記第１ノズルの前記第１出口部におけるプラズマジェットの周囲の周囲圧を、該周囲圧が一方において少なくとも大気圧よりも大きく且つ他方において前記第１出口部内の圧力よりも小さくなるように制御するように構成されており、
    前記気体供給源と第２出口部との間の前記ガス通路の全ての箇所において、前記ガス通路の断面積が、第２出口部の断面積及び前記第２ノズルの出口端の投影により被切断片に形成される環状部分の断面積の内の最小値よりも大きいことを特徴とするプラズマ切断トーチ。
11. 前記第１ノズル内の圧力を決定する第１センサ、第２ノズル内の圧力を決定する第２センサ、及び前記第２ノズル内の前記圧力のための制御ラインを備えることを特徴とする請求項１０に記載のプラズマ切断トーチ。
12. 前記第１ノズル内の前記圧力のための制御ラインを更に備えることを特徴とする請求項１１に記載のプラズマ切断トーチ。
13. 前記第１ノズルが前記第１出口部で終端するチャネルを備え、前記チャネルが発散部を備えることを特徴とする請求項１０～１２のいずれか一項に記載のプラズマ切断トーチ。
14. 前記第１ノズルと前記第２ノズルとの間の通路断面は常に前記第２出口部よりも大きいことを特徴とする請求項１０～１３のいずれか一項に記載のプラズマ切断トーチ。
15. 前記第２ノズルが前記第１ノズルに対して移動可能に取り付けられていることを特徴とする請求項１０～１４のいずれか一項に記載のプラズマ切断トーチ。
16. 前記第２ノズルの前記第１ノズルに対する相対移動は、前記第１出口部回りのボールアンドソケット型移動及び／又は前記第１ノズルにより規定される長手軸に沿った軸移動及び／又は前記第１ノズルを横断する面内且つ前記第１ノズルの前記第１出口部の中心回りの切断の方向の移動に対応することを特徴とする請求項１５に記載のプラズマ切断トーチ。
17. 前記第２ノズルが、前記第１ノズルの前記第１出口部の直径の２倍～３０倍の間の直径を有する出口部を備えることを特徴とする請求項１０～１６のいずれか一項に記載のプラズマ切断トーチ。

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