JPH02256200A - モジュール分割陰極を有するプラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超音速のプラズマジェットを発生させるような
プラズマ装置、特に複数の陰極（カソード）と共通の陽
極（アノード）を有するプラズマ発生装置に関するもの
である。

〔従来の技術〕

超音速のプラズマジェットを発生させるプラズマ装置と
しては米国特許３．８３９．６１８号（１９７４年１０
月１日発行）の’Ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　Ａｐｐａｒａ
ｔｕｓ　ｆｏｒ　Ｂｆｆｅｃｔｉｎｇ　Ｈｉｇｈ−Ｅｎ
ｅｒｇｙ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｃｏａｔｉｎｇ　ｏｆ　５
ｕｂｓｔｒａｔｅｓ”に見られるように電極間に不活性
ガスを流してプラズマジェットを得ている。このプラズ
マジェットはプラズマ発生装置（プラズマガン）と対象
物の間に適当な距離をおいて移行アークを形成し、対象
物の加熱あるいはガンの中に粉末原料を投入して対象物
上に皮膜を形成するために用いられる。

またガンおよらび対象物は真空ポンプなどにより減圧さ
れたチャンバー内で用いられ、減圧下でプラズマジェッ
トは超音速流となりこの超音速プラズマ発生装置により
いろいろな応用が試みられている。

また更に米国特許４．３２８．２５７号（１９８２年５
月４日公開）の１１Ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　Ｍｅｔｈｏ
ｄ　ｆｏｒ　Ｐｌａｓｍａ　Ｃｏａｔｉｎｇ”に見られ
るようにプラズマガンおよび対象物が真空チャンバーに
収められ、直流電源をプラズマガンと対象物間に電気的
に結び、プラズマガンは種々の動きができるように運動
機構が設けられている。金属等の原料粉末がプラズマガ
ンへ投入され対象物上へ溶射され、皮膜を形成する。ま
たこれらのプロセスが減圧下で行なわれるため真空チャ
ンバーに付属してフィルター類、熱交換器、真空ポンプ
等が設置されている。但し、この場合のプラズマガンは
従来よりの１対の陽極、陰極から構成されている。

また先に述べたプラズマガンと対象物を結ぶ直流電源は
場合に応じてプラズマガンと対象物の極性を切り替える
ことができる。

２個以上の陰極と共通の陽極を持つ例としては特公昭５
１−７５５６号「プラズマガン」、特開昭６１−２３０
３００号「プラズマアーク用トーチ」が見られる。

これらはいずれも大気雰囲気中で作動するようになって
おり、先に述べたような減圧下で超音速プラズマを発生
させるようにはなっていない。複数の陰極を持つことは
ガンの構造としては複雑になり、また操業条件を最適化
することも非常に困難になる。

〔発明が解決しようとする課題〕

プラズマ発生装置を用いて金属等の原料粉末を投入して
皮膜を形成する溶射において、従来よりの１対の陽極、
陰極を用いる場合、原料粉末の投入は構造上、プラズマ
ジェット流に対して側方から投入することになりプラズ
マジェット中心の高温、高流速部へ効率良く原料粉末を
投入することが重要な課題であった。これは原料粉末の
粒径、比重差などによりプラズマジェットにはじかれる
ものあるいは貫通するものが存在するためであった。

また、陰極を複数にして原料粉末を陽極の中心上からプ
ラズマジェット軸方向に投入する方法は、プラズマ発生
装置の構造が複雑となり、陰極、陽極等が損耗した場合
の取り替えに時間を要する。

また電極冷却のための水冷配管の伝熱面積を充分に確保
するのが困難であった。

更に原料粉末を投入した際に陽極の空間部（アークチャ
ンバー）に飛散した溶融粉末が付着する問題があり長時
間、安定なプラズマ操業条件の最適化が困難となる技術
的課題があった。

〔課題を解決するための手段〕 前項で述べたような課題を解決するために本発明では真
空チャンバー内で減圧した雰囲気中でプラズマガンおよ
び対象物を操業し、安定した超音速プラズマジェットを
用いた作用を実施する。また複数の陰極は各々モジュー
ル分割され、個々に取り除し、分解が容易な構造となっ
ている。従って各モジュール化された陰極くを交換する
ことによって陽極に対するプラズマの流入角度、放電距
離（アークギャップ）、陰極先端形状と調整でき、プラ
ズマ操業条件制御の自由度を向上させている。

次に陽極は中心の空間部（アークチャンバー）から出口
に従ってノズル形状を構成し、減圧下で安定した超音速
プラズマジェットが得られるような構成となっている。

アークチャンバー上方からの原料粉末投入はスリーブ状
の部品（粉末投入管）を経由して行なわれ、このスリー
ブを交換することにより該投入管径を選択し、原料粉末
のアークチャンバーへの投入パターンを制御できる。更
に前記投入管の出口近傍で穴を分岐させ、各分岐穴の出
口方向を各陰極の方向に向けることにより原料粉末をよ
りプラズマジェットの高温部へ投入することになり高融
点材料、難溶融材料を容易に溶融せしめ緻密な皮膜を形
成することが可能とてなる。

原料粉末のアークチャンバー内での付着の問題は先に述
べたように、各モジュール化された陰極、粉末投入管、
陽極は個々に取り除し、分解が容易にできる構造をして
おり、メンテナンス性を大幅に向上させ、これらの選択
の自由度も同様に向上したため、アークチャンバー内で
の付着を回避できるような組み合わせおよび操業条件を
選択できる。

各陰極、陽極の高熱負荷部の冷却は装置の寿命に大きく
影響するが、本発明では各陰極を冷却する冷却水系と、
陽極を冷却する冷却水系を別に持ち、充分な冷却がとれ
ろ水却構造を形成している。

特に陽極については各陰極部の間を複数の冷却水穴が下
部から上部へ貫通し、陽極上部では粉末投入管を囲むよ
うに設計された特殊なりランプで冷却水が旋回しながら
効率良く陽極上部を冷却する構造を有している。これに
より従来のプラズマ発生装置に比較して、各陰極と陽極
が独立に出力をコントロールでき、トータル出力を容易
に高められることも相まって安定した大出力化が可能な
プラズマ発生装置となっている。

〔実施例〕

第１図から第３３図に実施例を挙げ、本発明の特徴を具
体的に説明する。

第１図は本発明に関るプラズマシステムを示している。

プラズマシステムは真空を維持するようにシールされか
つ耐圧構造の絶縁容器としてのプラズマチャンバー１０
を含んでいる。この真空チャンバー１０は円筒状主本体
部分１２とそれに接続する上蓋１３により構成される。

プラズマチャンバー１０の１部である円筒状部分１２は
、チャンバー中のガスと粒子を処理し、任意の雰囲気圧
力を維持するための装置に導びかれ、かつ同装置に連結
される下部コレクター円錐蓋１４を含んでいる。

下向き方向のプラズマ溶射は上蓋１３の内部に装着され
るプラズマガン１６により形成され、そのプラズマガン
１６の位置はプラズマガン動作機構１８によって制御さ
れる。真空チャンバー１０はいずれも二重壁の冷却構造
として構成されており、上蓋１３は内部の操作装置を取
り扱うために取りはずし可能な構造となっている。プラ
ズマガン動作機構１８は上蓋１３の壁内にシールされた
ベアリングと連結部を通してプラズマガン１６を支持し
制御している。

また上蓋１３にも連結されている粉末供給機構はプラズ
マガン１６に連結されている、フレキシブルチューブを
通して、加熱された粉末をプラズマ溶射中に制御して導
入する機能を持っている。

下向き方向のプラズマ流は、内部冷却された伝導体の処
理部品ホルダー２５に支持されている処理部品２４に衝
突する。またこの処理部品ホルダー２５はチャンバー１
２を貫通して外部の処理部品動作機構２６まで延設され
る軸により、運転中に位置合わせされ移動させられる。

処理部品２４の一端に近接して、かつ処理部品２４から
は分離して、ダミー処理部品あるいはダミースティング
２８が配置され、ダミースティング２８は同様に内部水
冷されチャンバー１２の側壁を通してダミースイング動
作機構３０に連結されている。処理部品ホルダー２５と
ダミースイング２８はチャンバー１０の中心軸に対する
挿入位置に調整することができ、かつこれらは電気伝導
体より構成されるため、種々の運転状態において移行ア
ーク生成のために選択された電気に保つことができる。

処理部品２４とダミースイング２８の下方のコレクター
円錐蓋１４はオーバースプレー（付着しなかった粒子と
ガス）を導入するためのバッフルフィルターモジュール
３２に接続されており、そのバッフルフィルターモジュ
ール３２はオーバースプレーを冷却するための水冷バッ
フルと導入された粒子の大部分を取り除くためのフィル
ターを備えている。

バッフルフィルターモジュール３２を通過する流体は、
冷却装置を装備している熱交換器３６を通って、実質的
に流体中の残りのすべての粒子を取り除くオーバースプ
レー回収用フィルター４０を装備している真空マニホー
ルド３８に流入する。真空マニホールド３８はチャンバ
ー１０内の雰囲気圧力を所定の圧力に維持するために十
分な能力を持っている真空ポンプ４２に連結している。

通常この雰囲気圧力は０．６気圧から０．００１気圧で
ある。バッフルフィルターモジュール３２と熱交換器３
６はオーバースプレー回収用フィルターと同様２重壁冷
却構造が好ましいが、通常のプラズマ装置に使用されて
いるタイプのものも使用することができる。全体システ
ムは容易に操作でき、かつ１部分別のシステムを利用す
ることができるように、ローラーの上に設置され軌条の
上で移動することができる。通常ののぞき窓と水冷され
た操作扉と電気的接続を行なう絶縁されたフィードスル
ープレートは図には表われていない。処理部品の保持と
動作制御装置はチャンバー１２のヒンジ付きの扉４３に
取りつけられている。

電気エネルギーは上蓋１３の上部に取りつけられている
固定されたブスバー４４を通して装置の操作部に供給さ
れる。フレキシブル水冷ケーブルは、外部プラズマ電源
４６と高周波電源４８とをプラズマジェット発生用のプ
ラズマガン１６にブスバー４４を通して接続する。プラ
ズマ電源４６は、プラズマガン１６の電極間とプラズマ
ガン１６と処理部品２４（７）ｆｔＪｉの必要な電位差
を生成する。高周波電源４８はよく知られているように
、プラズマ電源直流電圧の上に高周波電圧を重畳させる
ことにより、移行型プラズマアークの初期着火を行なう
のに用いられている。極性可変移行アーク電源５０は、
ブスバー４４を通してプラズマガン１６と処理部品ホル
ダー２５とダミースティング２８に接続されている。始
めに述べたＭｕｅｈｌｂｅｒｇｅｒらの米国特許第４３
２８２５７号に記載されているように、移行アーク電源
５０は、プラズマガン１６とワークピース２４の間で逆
極性移行プラズマアークを発生することもできる。

プラズマガン１６の運転のだ必に、後述するようなプラ
ズマガン１６の内部を流れる適当な冷却水の流れをつく
るた必の冷却水昇圧ポンプ５２を使用している。プラズ
マガス源５４は、プラズマジェットの発生のため適当な
イオン化ガスを供給している。

ここで使用されているプラズマガスは、アルゴン単体あ
るいは、ヘリウムあるいは水素を含んだアルゴンガスが
使用されるが、当業者に知られている他のガスも使用す
ることができる。

第１図の装置の一連の制御と種々の動作機構の速度と振
幅はシステム制御コンソール５６により統括されている
。プラズマガン１６はプラズマ制御コンソール５８の統
括下で別個に操作される。これらのコンソールにより遂
行される機能とその中に含まれている回路は容易に理解
できるものであり、ここでは図に示されておらず詳細に
は述べない。

移行アーク制御回路６０は移行アークの極性を切換える
制御を行なう。

分割式カソードを使用していくプラズマガン１６を除い
て第１図の残りの部分は基本的に前述したＭｕｅｈｌｂ
ｅｒｇｅｒらの米国特許４３２８２５７に述べられてい
るプラズマ装置と同一のものである。

第２図は第１図のプラズマガン１６を示している。

プラズマガン１６は、後述するような粉末投入装置を装
備した陽極と冷却装置を内蔵する全体からみて円筒状の
ガン本体７０を含んでいる。溶射される粉末あるいは他
の物質は本体７０の上部の陽極止め板７４を貫通してい
る粉末導入管７２の中を通ってプラズマガン１６に投入
される。

冷却水昇圧ポンプ５２はプラズマガン１６のガン本体７
０に接続され同本体７０内にある陽極冷却系へ冷却水を
供給する。

水冷昇圧ポンプ５２は、その上部から出る複数の管のう
ちの２つの管によって、プラズマガン１６に接続される
。これら２つの管は陽極止め板７４に取付けられた接続
子７６．７８により冷却水を供給する。

陽極冷却系を通過した冷却水は、冷却水昇圧ポンプ５２
の下部から出ている複数の戻り配管のうちの２つの管に
よって冷却水昇圧ポンプ５２へ戻される。

これらの２つの戻り配管は、陽極止め板７４に取付けら
れた接続子８０．８２に接続される。陽極とその冷却系
を以後、第３図にて詳しく記述する。プラズマガン１６
には、第４．５図で詳しく後述する３つの分離された陰
極アセンブリが取付けられる。

個々の陰極アセンブ１Ｊ８４，８６．８８は、通常、円
柱形状をしており、本体７０の中心軸９２に対して、陰
極アセンブリの軸９０は約４５°傾けられ、ガン本体７
０の外壁を貫通するように取付けられる。これら３つの
陰極アセンブリ８４，８６．８８は通常、ガン本体７０
の周囲に約１２０°おきに均等に同心円上に配置される
。陰極アセンブリ８４は、冷却水供給管７５の一つであ
る供給管９３によって、第１図の冷却水昇圧ポンプ５２
から、冷却水を受は取る。同様に陰極アセンブ１Ｊ８６
，８８はそれぞれ供給管９４．９５によ゛って冷却水を
供給される。供給管９３，９４．９５により陰極アセン
ブ！Ｊ８４．８６．８８に供給される冷却水は、第５図
で詳しく後述される陰極アセンブリの内部冷却系を通っ
た後、陰極アセンブリの側面にある接続子９６によって
陰極アセンブリから排出される。

各接続子９６は、冷却水戻り配管７９のどれか１つを経
由して冷却水昇圧ポンプ５２に接続される。陰極アセン
ブリｓ４．８６．８８のそれぞれの側面に取付けられて
いるもう一つの接続子９８は、第１図中のプラズマガス
源５４へ配管（図示されていないカリにより接続され、
プラズマガスを陰極アセンブリへ供給する。プラズマガ
ン１６は３つの陰極アセンブ’Ｊ８４．８６．８８から
構成されているように図２に示されているが、これは後
述するが、図による理解の容易のためであって、もちろ
ん本発明の原理によれば、３つ以外の陰極アセンブリか
ら構成されることも可能であり、また、本体７０の中心
軸９２に対する陰極アセンブリの軸９０の角度も４５°
以外でもよい。

第２図に示すように、プラズマ発生源４６は、３つの個
別のプラズマ電源９９Ａ　、　９９Ｂ　、　９９Ｃから
構成され、それぞれ陰極アセンブリ８４，８６．８８に
接続されている。プラズマ電源９９Ａ　、　９９Ｂ　、
　９９Ｃは、それぞれ個別の直流電源をもっており、そ
の陽極端子は、ガン本体７０の内部にある陽極に接続さ
れ、陰極端子は、それぞれ対応する陰極アセンブリ８４
゜８６．８８に接続される。プラズマ電源９９Ａ、９９
Ｂ。

９９Ｃは独立に電力調節が可能であり、従って陰極アセ
ンブ！Ｊ８４．８６．８８に供給する電力もそれぞれ独
立に変化させることができる。第２図に示したように、
極性可変の移行アーク電源５０が本体７０の中にある陽
極と処理部品２４の間に接続されている。

第２図中には示されていないが、高周波電源４８が、陰
極アセンブリ８４，８６．８８に、望ましくは個々の陰
極アセンブ１Ｊ８４，８６．８８に一つずつ接続され、
プラズマ電源９９Ａ　、９９Ｂ　、　９９Ｃに高周波電
位を重畳することにより、プラズマ移行アークを初期発
生させる。

第３図は、本体７０の部分断面図であり、プラズマガン
１６の陰極アセンブリ８４の一部も描かれている。陰極
アセンブ！Ｊ８６，８８は図を簡単化するため、省略し
ている。

第３図に示すように、本体７０は略円柱形状をしており
、その中心に円柱形状の内孔１００があり、これは、本
体７０の上面１０２から底面１０４まで貫通している。

この内孔１００の下方部には、陽極アセンブリ１０６が
取付けられる。陽極アセンブリ１０６は、本体７０の底
面１０４に取付けられている陽極保持具１０８により、
内孔１００の下端に固定される。

陽極保持具１０８は図２８で詳細に後述される。

陽極接続プラグ１１０は、内孔１００の上方部に取付け
られた粉末供給部品の一部を構成する。陽極接続プラグ
１１０は、陽極アセンブリ１０２の上面から上方に伸び
ており、本体７０の上面１０２にある陽極接続板の中心
にあけた孔１１２にはめ込まれる。

陽極接続プラグ１１０の下端にはフランジ１１４を有し
ており、またこのフランジ１１４は内孔１００の内面１
１６まで拡がっている。陽極接続プラグ１１０には略円
柱状の孔１１８があり、この孔の中には、粉末供給管保
持具１・２０が取付けられる。粉末供給管保持具１２０
は、その上部にネジ山が切られ、陽極接続プラグ１１０
の上端部にあるネジによって固定される。また粉末供給
管保持具１２０は、その内に、円柱形状の孔１２２が設
けられており、その孔には、粉末導入管７２が取付けら
れる。前にも述べたように、粉末導入管７２は、金属粉
末やその他の溶射材料を、第１図に示した粉末供給装置
２０から、プラズマジェットへ誘導する役割を果たす。

金属粉末やその他の溶射材料は粉末導入管７２を通って
プラズマガン１６中へ圧力をかけて送給する。第３図に
示すように、粉末導入管７２の先端は、粉末導入口１２
４につながっており、陽極接続プラグ１１０に設けられ
た円柱状の孔１１８の内部に配電される。陽極アセンブ
リ１０６の頂部１２８に挿入されるクランプ１２６は、
第２９〜３１図で詳細に後述されるが、その上部１３２
は中空の略円柱形状をしており粉末導入口１２４に隣接
した陽極接続プラグ１１０に設けられだ円柱状の内孔１
１８の下方部分に取付けられる。

クランプ１２６の下方側は、中空の略円柱形状をしてお
り、陽極アセンブリ１０６の頂部１２８に位置する。

粉末投入管保持部品１３６は、後に第１５図で詳しく述
べるが、粉末導入口１２４を受は入れるため、クランプ
１２６の上方部に接続している。一方粉末投入管保持部
品１３６の下方部は、陽極アセンブリ１０６の中へ伸び
ており、先端は、円柱状の粉末投入管１３８に接続され
ている。粉末導入管７２は内に孔１４０が開いており、
粉末導入口１２４中に設けられた中心孔１４２につなが
って粉末を送り込む。さらに中心孔１４２は、粉末投入
管保持部品１３６中に設けられた中心孔１４４につなが
れ、粉末を送り込む。後に詳しく述べるが、粉末投入管
保持部品１３６に設けられた中心孔１４４は、粉末投入
管１３８内に設けられる１つ以上の粉末投入口へと粉末
を送給する。第３図では、粉末投入管１３８には１個の
粉末投入口１４６が設けられており、さらにこの粉末投
入口１４６は、陽極アセンブリ１０６の本体（２０〉 １５０中に作られたガス混合室１４８につながっている
。

陽極アセンブリ１０６の本体１５０中に設けられたガス
混合室１４８は、ノズル部１５２につながり、陽極アセ
ンブリ１０６の底部１３０にて、プラズマガン１６の外
部へと開放される。ガス混合室１４８にはさらに、陰極
アセンブリ８４，８６．８８にそれぞれ対応した３つの
アーク室１５４が接続される。ここでこれらのアーク室
１５４は、陽極アセンブリ１０６の本体１５０中にて作
られたものである。

第３図には、陰極アセンブリ８４に対応したアーク室１
５４の一つが描かれている。

プラズマガン１６の本体７０には、略円柱状の空間１５
６が設けられ、その中に陰極アセンブリ８４がはめこま
れるようになっている。第３図中に破線で示しているが
、この円柱状の空間１５６である。通常この円柱状の空
間１５６の先は、同じく円柱状の孔１５８につながり、
さらに、この孔１５８は、本体７０の中まで達している
。この孔１５８は第３図中に、破線及び実線にて示され
ている。そしてさらにこの孔１５８には、絶縁体１６０
がはめこまれる。絶縁体１６０はその中にカソード先端
部品１６２が取付けられており、陰極アセンブリ８４の
構成要素の一つとなっている。絶縁体１６０は、アーク
室１５４で止っており、また陰極先端部品１６２は、ア
ーク室１５４の中まで伸びている。第３図には描かれて
いないが、陰極アセンブリ＆６．８８もプラズマガン１
６に同様にして取付けられる。後述するが、陰極アセン
ブリ８４は、絶縁体１６０中に設けられた円柱状の孔１
６８の内壁１６６と陰極先端部品１６２との間の円環状
の空間によって作られるガス流路１６４に沿って不活性
ガスが渦巻き状に流れるように機能する。第２図に示し
たプラズマ電源９９Ａは、陰極アセンブリ８４の陰極先
端部品１６２と陽極アセンブリ１０６の本体１５０の間
に接続され、必要な電位差を両者の間に印加する。この
電位印加と、さらに陰極先端部品１６２周囲に不活性ガ
スを流すことにより、プラズマアークがアーク室１５４
に形成され、その結果、プラズマ流がガス混合室１４８
、さらにノズル部１５２を流れ、プラズマガン１６から
噴出する。

アーク室１５４の中の不活性ガスの速度は亜音速の領域
にある。ガスが中心のガス混合室１４８に入るに従い、
ガスは粉末投入管１３８を通じて導入される粉末と混合
される。ガス混合室は、その内部におけるプラズマ流の
速度が音速となる領域を規定する。ガスと粉末の混合物
はプラズマ流の超音速領域を規定するノズル部１５２の
中で加速される。

ノズル部１５２を出たプラズマ流は処理部品２４まで続
き、第１図に示される真空ポンプ４２の動作に従った超
音速で真空チャンバー１０の底部のコレクタ円錐部１４
から出ていく。移行アークは第１図と２に示される開閉
可能な移行アーク電源５０によって処理部品２４と陽極
アセンブリ１０６の間に生成される。

第３図には示されていないが、陰極アセンブリ８６と８
８とは陽極アセンブリ１０６の本体１５０内の対応した
アーク室１５４との関係において同様の仕組みで作動し
、ノズル部１５２を通ってガス混合室１４８から流れさ
らにプラズマガンの外部に流れ出るプラズマ流を生成さ
せることができる。

第３図はプラズマガン１６の本体７０のなかに収納され
る陽極アセンブリ８４０部分を実線と破線で示す。一方
、第４図は本体７０の外部に出ている陽極アセンブリの
部分を示し、第５図は陰極アセンブリ８４の全体の断面
図を示す。

第４図で解るように、陰極アセンブリは分割構造で、陰
極アセンブリ８４の軸の延長部９０として円筒状の本体
として構成される。陰極アセンブリが分割構造であるこ
とは、内部を圧力的に隔離し、かつ陰極アセンブリを８
４をプラズマガン１６の本体から一体の構造物として取
り外し可能ならしめるものである。陰極アセンブリ８４
は第３図に点線で示される円筒状の空間１５６に陰極ア
センブリ８４の本体１７０が適合したうえで収納される
ように、本体７０の中に取り外し可能なように取り付け
られている。これは、陰極アセンブリ８４の絶縁部材１
６０を、陰極先端部品１６２がアーク室の中の正しい位
置に設定されるよう本体７０の中の小さな円筒形の孔１
５８の中に着座させる。

第４図に示されるように、プラズマガン１６の本体７０
の外部に突出した陰極アセンブリ８４の本体１７０は水
接続子９６とガス接続子９８を有する。第１図と第２図
に示される冷却水昇圧ポンプ５２から供給される冷却水
の配管９３は本体１７０の外端にとめられた絶縁ナツト
１７２を通して伸びている。この配管９３を通じて陰極
アセンブリ８４に入りかつ陰極アセンブリ８４内の冷却
系を流れる冷却水は、第２図に関連して説明したように
冷却水の戻り配管７９の一つと結合された水接続子９６
を通ってアセンブリから冷却水昇圧ポンプ５２へと出て
行く。また、先に述べたように第１図に示されるプラズ
マガス源５４からの不活性ガスはガス接続子９８へ導か
れる。

第５図に示される陰極アセンブリ８４の断面図において
、ケーブル絶縁物１７４の端部のネジ１７６を通してケ
ーブル絶縁物の端部にねじ込まれた絶縁ナツトは示され
ていない。また、ケーブル絶縁物の円筒状ボアに位置し
た接続子１７８に結合された水配管９３も示されていな
い。冷却水昇圧ポンプ５２からの冷却水は水配管９３に
よって接続子１７８に供給され、その冷却水流は第５図
の矢印１８２にて示されている。

ケーブル絶縁物１７４はチャンバー絶縁物１６０、通常
円筒形をした絶縁材でできた陰極連結部品１８４、円環
状をした絶縁物保持具１８６と共に陰極アセンブリ８４
の本体１７０の一部を形成する。絶縁材でできた陰極連
結部品１８４は同部品の端部にネジ切り部１８８を有し
、ケーブル絶縁物１７４とネジ部で連結される。円環状
の絶縁物保持具１８６は陰極連結部品１８４のもう一方
の端部１９２で陰極連結部品１８４内の円環状の空間１
９４にチャンバー絶縁材１６０を固定しながらボルト１
９３によって固定される。

陰極連結部品１８４は円筒状をし中空のガス接続管１９
８が着座した円筒状の空間１９６を持つ。ガス接続管１
９８はチャンバー絶縁物１６０から円筒状空間１９６の
一部にそって伸びている。円筒状ボアの残りの部分は陰
極接続管２００を形成している。陰極接続管２００は、
概略円筒状で、段状の外形を有し、陰極アセンブリ８４
の長手方向９０と合致した長手方向軸を持つ。陰極接続
管は陰極先端部１６２を取り付けるために陰極連結部品
１８４の一端１９０に位置決めされた領域からチャンバ
ー絶縁物１６０の外端に位置決めされた領域の末端まで
伸びている。

陰極接続管２００はガス接続管１９８の一部の部分で外
径が一段小さくなり、再度チャンバー絶縁物１６０の部
分で外径が更に一段小さくなり、ガス接続管１９８の内
壁２０４とチャンバー絶縁物１６０の内壁に円管状の空
間を形成する。かかる円環状の空間は、ガス接続管１９
８の主要な部分に沿って伸びた均一な外径の第一の部分
２０８とチャンバー絶縁物１６０の全長の大部分にそっ
て伸びた第一の部分２０８の外径より小さな均一な外径
を持った第二の部分２１０によってガスの通路を形成す
るものである。陰極接続管２００はガス通路２０６の第
一と第二の部分２０８と２１０の接合部に位置したガス
通路２０６に入るように延長された円環状の縁を持って
いる。

陰極連結部品１８４は円筒状のボア１９６に、円環状の
ガス導入室２１６を形成する円環状の凹部を持っている
。円環状のガス導入室２１６はガス接続管１９８の外部
に出た部分を囲み、ガス接続管１９８の複数の小孔２１
８を通じてガス接続管１９８の他端でガス通路２０６の
入口部分とつながる。複数の小孔２１８は円環状のガス
導入室２１６においてガス接続管１９８の周囲に円陣に
配置され、図５には複数の小孔２１８の一つを示す。

第４図に示される陰極アセンブリ８４の本体１７０の外
部に取り付けられたガス接続子９８は加圧された不活性
ガスをガス接続管１９８の小孔２１８と円環状のガス導
入室２１６とつながったガス通路２０６の入口部分に供
給されるために使用される。第５図に示されていないガ
ス接続子９８は陰極連結部品１８４のガス通路２２０に
よって円環状のガス導入室２１６に接続されている。通
路２２０は第５図に破線で示されており、ガス流は破線
の矢印２２２で示されている。通路２２０を流れるガス
は円環状のガス導入室２１６を満たし、そこから小孔２
１８を通ってガス通路２０６の最初の部分２０８に流れ
る。最初の部分２０８の中のガスは陰極接続管２００の
円環状の縁２１２に流れ、そこでガスはガス通路２０６
の第二の部分２１０で円環状の縁２１２の複数の小孔２
１８の配置によって強制的に渦巻状の流れパターンが形
成される。

円環状の縁２１２の詳細は、第６図の一部の断面図であ
る第７図と共に第６．７図に示されている。

第６図に示されているように、円環状の縁は陰極接続管
２００のすぐ外側に適当な距離をおいて円環状に配置さ
れた複数の小孔２２４を有する。前述した通り、接続管
２００は陰極アセンブリ８４の長手方向軸と一致する長
手方向軸を持つ。複数の小孔２２４は長手方向軸９０に
対し斜めに配置されており、それは複数の小孔２２４の
一つの断面を示す図７で解る。この、延長軸９０に対し
斜めに設けられた小孔２２４は円環状の縁２１２中を通
るガス通路としてガス通路２０６の第二の部分２１０に
沿ってガスを強制的に渦巻パターンにするものである。

不活性ガスの旋回流は陰極先端部品１６２を通り、アー
クチャンバー１５４に入るまで維持される。このような
旋回流はアーク室１５４の中で形成されるプラズマアー
クを安定化させることに寄与する。

第５図に示すように陰極先端部品１６２はチャンバー絶
縁材１６０の先端部近傍で陰極連結管２００の先端に配
置される。陰極先端部品１６２はタングステン、あるい
は銅などで作られ、陰極連結管２００の先端に金ロウ付
けのような手法により接合することもできるが、望まし
くは取り除しゃ交換の容易性を考慮するとネジ切りによ
って取り付ける方が良い。第５図では陰極連結管２００
の先端部に陰極先端部品１６２を取り付けられるネジ切
り部２２８を有したものを示している。前述したように
冷却水の供給は冷却水昇圧ポンプ５２から配管９３を経
由して陰極アセンブリ８４に行なわれる。配管９３は絶
縁材でできたネジ部品１７２、ケーブル絶縁材１７４の
中を通り、接続部品１７８で結ばれる。接続部品１７８
は陰極アセンブリ８４内の略円柱状の連結管２３２の端
部２３０に配置される。前記連結管２３２は絶縁材でで
きた陰極連結部品１８４の内部に配置され、陰極連結管
２００ρ内部の空間２３６に伸びており、絶縁材ででき
た陰極連結部品１８４の端部に切られたネジ２３４によ
り固定されている。陰極連結管２３２は先端部で水管２
３８を接続しており、これにより陰極先端部品１６２の
背面近傍２４０まで冷却水を供給することができる。

冷却水は配管９３、接続部品１７８を経由して連結管２
３２の内部に取り込まれ、前記連結管２３２の先端で水
管２３８の内部２４４を通り、陰極連結管２００の内部
の空間内の陰極先端部品１６２の背面近傍で反転し、前
記水管２３８、連結管２３２の外部を流れる。図中水の
流れは矢印２４６で示している。前記連結管２３２の外
部を流れてまた冷却水は陰極連結管２００の内部で環状
の空間部２５０に導びかれ、更に排水用の空間２５２に
陰極連結管２００のまわりに適当な間隔をおいて設けら
れた複数の小孔２５４を経由して流れ込む。小孔２５４
の１つは第５図に示されている。排水用空間２５２は第
４図に示されている接続部品９６につながれ、前記接続
部品９６までの経路２５６は第５図に破線で示し、水の
流れは同様に破線矢印２５８で示している。

絶縁材でできた陰極連結部品１８４に用けられたガスの
経路２２０および水の経路２５６は第５図中破線で示し
ているが、実際にはメンテナンス性を考えて、配置位置
をずらした方がガスの継ぎ部９８、水の継ぎ部９６を扱
いやすい。

第３図の説明の際にも述べたがモジュール化された陽極
アセンブリ１０６は陽極本体１５０を有し、第８図にも
示すように陽極本体１５０は中心軸２６０を持つ。陽極
本体１５０が陽極アセンブリ１０６に取り付けられる際
には陽極本体１５０の中心軸２６０は陽極アセンブリ１
０６、更にはプラズマガン１６（第２図）の中心軸９２
と一致する。

陽極アセンブリ１０６の上端部１２８には円柱状の空間
２６２があり、内部はネジ切り部２６４を持っている。

ネジ切り部２６４は第３図や後述する第２９図から第３
１図に示した挿入式クランプ１２６を収容する。ネジ切
り部２６４から下方で円柱状の空間２６２は円形チャン
バー２６６へ円錐状に細くなり、前記円形チャンバー２
６６は第３図、第５図に示した原料粉末投入管支持部品
１３６の下端部を受は止める構造になっている。更に円
柱状の小空間２６８は陽極のガス混合室１４８の上端ま
で伸び、第３図、第１５図で示した原料粉末投入管１３
８を固定するような構造となっている。陽極のガス混合
室１４８の下端は陽極のノズル部１５２に連続している
。

前述したように本実施例２は陽極アセンブリ１０６は３
個のアークチャンバー１５４を有し、それらはガン本体
の中心軸７０の周囲に等間隔で配置されている。第８図
ではそのうちの１個のアークチャンバーを図示している
。アークチャンバー１５４は陽極本体１５０の側面に設
けられた開口部２７４の底部まで続く。開口部１７４は
プラズマガン１６の本体７０に陰極アセンブリ８４を組
み入れる際に陰極との絶縁材１６０の下端に合致する。

こうすることによって陰極アセンブリ１８４の中の陰極
先端部１６２はアークチャンバー１５４の内側の適正な
作動位置に配置されることになる。

アークチャンバー１５４は中心線２７６に沿ってガス混
合室１４８まで伸び、略円柱状の空間と開口部２７４へ
拡がる円錐状の空間２８０とで形成される。

陽極アセンブリ１０６の本体１５０には円環状の切り欠
き２８２を有し、陽極本体１５０の下部の底部１３０で
囲まれたような形状をしている。

陽極冷却システム中の冷却水は円環状の切り欠き部を強
制的に旋回されながら陽極本体１５０のアークチャンバ
ー１５４の間に設けられた複数の小孔（第８図では２８
４．２８６）を上方へ流れ円柱状空間２６２へ達する。

第９図は開口部２７４を中央に示すため、第８図の左方
より視た陽極アセンブリ１０６の外観図である。第１０
図は陽極アセンブリ１０６の上面図であり、開口部２７
４とそれに継がるアークチャンバー１５４がわかるよう
に一部切り欠いている。実際には陽極アセンブリ１０６
には同様な開口部が更に２個、陰極アセンブ！７８６．
８８を取り付けるために設けられているが第９．１０図
には示されていない。陽極本体１５０の下部に円環状の
突き出たリム２８８があり、リム２８８は陽極本体１５
０をガン本体７０に装着する際にガン本体内部の円柱空
間１００の下端にある引っ込み部２９０に着座し、正確
な位置決めと陽極本体の上方へのズレを防止することが
できる。

陽極保持部１０８はガン本体７０の底部を構成し、陽極
保持部１０８に付属する円環状のフランジ１０９は第３
図に示すようにリム２８８の下端に接し、陽極アセンブ
リ１０６を保持している。

第１１図は陽極本体１５０のうちアークチャンバー１５
４、ガス混合室１４８、ノズル部１５２の位置関係を示
す断面図である。前述したようにアークチャンバー１５
４は陰極先端部１６２を内包する円錐状の空１ＩＪｆｆ
２８０とガス混合室１４８に連結する円柱状の空間２７
８から構成される。不活性ガスは旋回しながら陰極先端
部１６２のまわりを通過し、アークチャンバー１５４を
経由してガス混合室１４８に流入する。

アークチャンバー１５４は陽極本体１５０と陰極先端部
１６２との間にプラズマアークを発生する放電空間を形
成する。プラズマアークはアークチャンバー１５４を通
過する旋回流の圧力と量によりアークの形状が変化する
が陰極先端部１６２からアークチャンバー１５４を通過
し、ガス混合室１４８近傍まで達する。このアーク到達
点によってガス混合室１４８内のプラズマガスの温度が
変化する。また不活性ガスの旋回流はアークをアークチ
ャンバーの円柱状空間部２７８、あるいはガス混合室１
４８の壁の一点に集中させない効果がありプラズマアー
クの安定性を増している。

陽極アセンブリ１０６はモジュール化されているため、
プラズマガン１６から容易に取り除すことができる。こ
のためアークチャンバー１５４の径、形状の異なった陽
極アセンブリ１０６を準備しておけば、使用するプラズ
マシステムの条件に従って容易に選択、交換が可能とな
る。

プラズマガン１６の作動に際しては更に陰極アセンブ’
Ｊ８４，８６．８８の陽極アセンブリ１０６の中心軸２
６０に対する角度をある程度変化させることも可能であ
る。実施例では第１１図に示すように、陰極アセンブリ
の中心軸　２７６は陽極アセンブリ１０６の中心軸２６
０から約４５°の傾きを有している。本発明ではこの角
度は３０°から１０５°まで変化させることが可能であ
るが、実際には４５″を越えて例えば９０°程度になる
とガス混合室１４８内壁に投入された原料粉末が付着す
る現象が認められた。

第１１図では更にアークチャンバー１５４の４つの異な
った配置例を示している。このうち実線で示したものが
、実施例では最も適用範囲が広いが、他の配置例も別の
応用例の際には有効である。

次の実施例としてアークチャンバー１５４の円柱状空間
部２７８の配置であるが第１１図に示すように先の実施
例に比較して円錐状の空間部２８０が始まる位置がガス
混合室側に破線２９６、−点鎖線３０２のように接近し
ている。これに伴って陰極先端部１６２も図中の破線２
９８、−点鎖線３０４のように配置される。

更に一点鎖線３０２の場合、陰極先端部１６２の形状を
破線３０６のように細くした実施例もある。

本発明のガス混合室１４８はプラズマガスがノズル部１
５２で超音速に加速される前の音速以下の状態のところ
へ原料粉末を粉末投入孔１４６から導びき入れる役割を
果たす。物性の異なる原料粉末は異なった融点を有する
ため、プラズマガスの適切な温度域に投入するために、
ガス混合室１４８の長さを変えられることが望ましい。

適正な長さのガス混合室１４８を選択すると、未溶融粒
子やガス混合室１４８あるいはノズル部１５２の内壁に
粉末が付着するのを防止できる。陽極アセンブリ１０６
はモジュール化されており、容易に交換できるためガス
混合室１４８の長さを変えたものを何種類か保有すれば
、適宜選択できる。

ガス混合室１４８の形状は投入された原料粉末の溶射パ
ターンにも影響を及ぼす。通常溶射パターンは３個の陽
極の位置に対応した３角形状となる。

第１２．１３．１４図は３種類の異なったガス混合室１
４８とそれに続くノズル部１５２の形状を示している。

第１２図は第３．８．１１図などで示したものとほぼ同
等のものであり、第１３図はガス混合室１４８の長さが
第１２図に比較して長くなっており相対的にノズル部は
短かくなっている。第１４図はガス混合室１４８の長さ
は第１２図と第１３図の中間になっており、ノズル部１
５２は２つの部品３０８と３１０に分かれている。ノズ
ル上部の３０８はガス混合室の下端２７２からノズル下
部３１０の上端３１２まで一定の角度で拡がり、ノズル
下部３１０はノズル上部３０８より大きい角度でプラズ
マガンの底部１３０の下端に合致する位置まで一定の角
度で拡がる。

粉末投入管保持部１３６は第３図でも示したが、第１５
図では粉末投入管１３８と一緒に示している。

第３図に示しているように粉末投入管保持部１３６は陽
極アセンブリ１０６の上部に取り付けられた水の流れを
案内するクランプ１２６の中部を貫通し、第８図に示す
陽極本体１５０の円形チャンバー２６６まで達する。第
１５図で示すように粉末投入管保持部１３６は上部に円
環状の溝３１４を有し、図中には示されなていないが、
ＱＩＪングを入れる構造になっており前記クランプ１２
６の上部１３２とで冷却水をシールする。同様に下部の
溝３１６はやはり０リングを用いて陽極本体１５０の円
形チャンバー２６６とで冷却水をシールする。第１５図
に示すように粉末投入管１３８は上端外周にネジを切っ
た部分３１８を有し保持部１３６の下端内部にネジ込ま
れる構造となっている。

粉末導入管７２及び粉末導入口１２４によって導入され
た原料粉末は粉末投入管保持部１３６の中心穴を経由し
て陽極アセンブリ１０６のガス混合室１４８に投入され
る。粉末投入管１３８は第１６図から２５図に示すよう
な種々の形状を選択することが可能である。

本発明の大きな特徴は前述したように複数の陰極アセン
ブリ、陽極アセンブリともにモジュール化されており、
取り除しか容易なことであるが、粉末投入管１３８も同
様に取り換えが容易で形状選択の自由度が大きい。従っ
て粉末投入管を変えることによってガス混合室１４８内
への粉末投入位置を変えることができる。

粉末投入口の形状と直径は粉末投入管１３８の材質同様
変更可能である。後述するように本発明によれば、３つ
の異なるアーク室１５４のそれぞれに粉末供給口が設け
られる。種々の形状の複数の粉末投入口を備えた粉末投
入管１３８を第１５〜２５図によって説明する。独立し
た交換可能なパウダー投入管１３８を備えていることの
重要な点は、それぞれのアークチャンバー内での種々の
粉末投入口の角度を最適にするよう変更できることであ
る。

第１６．１７図に粉末投入管１３８の組合せを示す。

ここには粉末供給口が１個の場合が示されている。

第１６図に示されているように、粉末投入管１３８は、
ねじ切り側の上端３２４から反対側の下端３２０まで粉
末投入管１３８の長さ方向に沿って伸びた中央孔３２２
を有する。中央孔３２２はねじ切り側端面３２４から粉
末投入管１３８の長さの方向に沿って、途中部位３２６
まで続いている。さらに１本の粉末投入口３２８が部位
３２６から下端面３２０まで、粉末投入管１３８の長さ
方向に沿って形成されている。粉末投入口３２８の端部
は円錐形の形状をした部分３３０によりできている。粉
末投入口３２８は円錐部３３０も含めて、粉末投入管１
３８の中心軸３３２と同軸に設けられている。中心孔３
２２と同様第１６図、１７図に示す粉末投入管１３８を
陽極アセンブリ１０６の内部に取付けると、中心軸３３
２は陽極本体１５０の中心軸２６０及びプラズマガン１
６の本体７０の中心軸９２と一致する。粉末投入管１３
８の下端面３２０はガス混合室１４８の第１番目の端面
２７０まで続いているため、粉末投入管１３８の中心孔
３２２へ送給された粉末は、ガス混合室１４８の中心軸
に沿ってガス混合室１４８へ投入される。第１７図に最
も良く示されているが、粉末投入管１３８の下端部３２
０はその周囲に等間隔に配置されたまるいくぼみ状溝３
３４を有している。

以上のモジュール分割された陰極を有するプラズマガン
において、個々のアークチャンバー１５４へ複数の粉末
投入口により粉末が別個に供給される場合に良い結果が
得られる。第１８．１９図に３分割した粉末投入口３３
６．３３８．３４０を持つ粉末投入管１３８の構造を示
す。これら３つの粉末投入口３３６．３３８．３４０を
第１９図に示す。下方に描かれている粉末供給口３３８
のみ、第１８図にその断面が示されている。これら３つ
の粉末投入口３３６．３３８゜３４０は中心軸３３２に
対して比較的小さい鋭角をとるように、中心孔３３２の
終端位置３２６から直線的に下端３２０まで伸びている
。粉末投入口３３６゜３３８、３４０はそれぞれ円垂部
３４２につながり下端部３２０で終る。第１８．１９図
に示している粉末投入管１３８が陽極アセンブリ１０６
の中に取りつけられると、粉末投入口３３６．３３８．
３４０はガス混合室１４８とアークチャンバー１５０が
接する部分の近傍のそれぞれに対応したアークチャンバ
ーまでつながる。

複数の粉末投入口がモジュール分割された陰極を有する
プラズマガンに適用された場合、ガンの性能は粉末投入
口の角度とサイズによって変化することがわかっている
。粉末投入管１３８は容易に交換可能であるという特長
があるため、種々の溶射に適用する際、種々の形状の粉
末投入管１３８を選択することができるという利点があ
る。

第２０．２１図に示した配置は中心孔３２２がネジ切り
部３２４から粉末投入口１３８の長さ方向の中央部にあ
る部位３４４まで続いているという点は第１８１９図の
配置と同じである。中心部位３４４より先は、中央孔３
２２は円錐形をしている３４６の中まで続いている。通
常、中心軸３３２の周囲に均等に間隔をおいて配置され
た３つの異なる粉末投入口３４８゜３５０、３５２は円
錐形状部３４６から粉末投入管１３８の下端面３２０ま
で続いている。第２０・２１図に示されている配置の場
合下端部３２０の大部分は比較的大きな３つの切除部３
５４．３５６．３５８を有している。

粉末投入口３４８．３５０．３５２は切除部３５４．３
５６．３５８が粉末投入管１３８の円筒の側面３６０に
接する部分まで続いている。粉末投入口３４８．３５０
．３５２の終端部は第１６・１７図の場合の円錐部３３
０や第１８．１９図の場合の円錐部３４２のような形状
で終わっていない。また粉末投入口３４８．３５０．３
５２は、第１８１９図の中心軸３３２に対する粉末投入
口３３６．３３８゜３４０の角度よりも大きい鋭い角度
を中心軸３３２に対してとっている。

第２２．２３図に示した粉末投入管１３８の場合、中心
孔３２２は第１６〜２１図に示されたものよりも短かい
。中心孔３２２の終端は部位３６２となっている。

３つの異なる粉末投入口３６４．３６６、３６８が中心
軸３３２の周囲に均等間隔に配置され、部位３６２にあ
る中心孔３２２の終端から、下端部３２０まで続いてい
る。下端部３２０は３つの異なった切除部３７０３７２
、３７４から成り、粉末投入口３６４．３６６、３６８
はそれぞれ切除部３７０．３７２．３７４中まで続いて
いる。

第２２．２３図に示す粉末投入口３６４．３６６、３６
８の中心軸３３２に対する角度は、第１８．１９図中の
粉末投入口３３６．３３８．３４０の中心軸３３２に対
する角度と同程度である。第２２．２３図の場合は、粉
末投入口３６４．３６６、３６８は、第１８．１９図に
示す粉末投入口３３６、３３８．３４０や第２０．２１
図に示す粉末投入口３４８、３５０．　３５２よりも、
比較的大きな径を持っている。第２０．２１図の場合と
同様に、第２２．２３図に示した粉末投入口３６４．３
６６、３６８は端部での拡がりなく、切除部３７０．３
７２．３７４まで続いている。

第２４．２５図に示した粉末投入管１３８の場合、中心
孔３２２は粉末投入管１３８の長さ方向に沿って、ねじ
切り端面３２４から部位３７６まで続いている。

３つの異なる粉末投入口３７８．３８０．３８２は、中
心軸３３２の周囲に平行に、かつ等間隔に配置され、部
位３７６近くの中心孔３２２の端部から、粉末投入管１
３８の下端部３２０中にある、３つの切除部３８４゜３
８６、３８８にそれぞれ続いている。粉末投入口３７８
゜３８０、３８２は第２２．２３図に示した粉末投入口
３６４゜３６６、３６８の場合と同様比較的大きな直径
をもっている。

モジュール分割された陰極を有するプラズマガン１６の
ような複数分割電極プラズマガンの最大利点は単一陰極
プラズマガンよりも出力レベルの向上が大きいことであ
る。この出力レベル向上は、複数分割電極の存在と、複
数分割電極を備えたプラズマシステムの最適化するよう
な今まで述べてきた要因を観察、調整することにより可
能になる。

しかしながら、出力レベルが増大するとより大きな冷却
が要求される。特にプラズマガン１６全体の共通部品で
ある陽極アセンブリに関してはこの傾向が著しい。陰極
アセンブ！Ｊ８４．８６．８８は第２図、５図で前述し
たように個々の独立した冷却系統によって冷却される。

第２図を見ると、冷却水昇圧ポンプ５２は冷却水供給管
７５のうちの２本の配管を使ってプラズマガン１６の陽
極止め板７４上に取付けられた接続子７６７８に冷却水
を供給していることがわかる。冷却水は後述する陽極冷
却系を循還した後、接続子８０８２により排出し、冷却
水戻り配管７９のうちの２本を使って冷却水昇圧ポンプ
５２に戻される。

第２６図は陽極止め板７４の底面を描いたもので、もう
一方の面に取付けられている接続子７６・７８゜８０・
８２位置を破線で示している。接続子７６．７８は中心
軸９２に対して対称位置に取付けられ、それぞれ開口３
９０．３９２を経て陽極止め板７４の底面側へ接続され
る。接続子８０．８２は中心軸９２に対して対称位置に
取付けられており、中心軸９２からの距離は、これらと
９０°の角度で設置されている接続子７６゜７８よりも
小さくなっており、それぞれ開口３９４３９６を経て陽
極止め板７４の底面に接続される。開口３９０と３９２
は陽極止め板７４の底面に設けられた同心円上に設けら
れた２つの溝４００．４０２にはさまれた円環状部分３
９８に位置している。溝４００．４０２には第３図に示
すようにそれぞれシール４０４．４０６が入れられる。

陽極止め板７４をガン本体７０の上面１０２へ取付ける
ことによって、シーク４０４，４０６は陽極止め板７４
の底面の、円環部３９８を溝４００より外側の部分、及
び溝４０２と中心孔１１２の間にある円環部４０８から
シールする。接続子８０．８２と接続された開口３９４
．３９６は円環部４０８内に設置される。

第２７図陽極止め板７４を取りはずした時のガン本体７
０の上面図である。ここには、本体７０の上面１０２に
は、本体７０を貫通する円柱状の孔１００があるのがわ
かる。本体７０の上面１０２にはねじ孔４１０．４１２
４１４が設けられ、これらのねじ穴は、陽極止め板７４
の外周部に設けられた孔４１６．４１８．４２０にそれ
ぞれ対応しており、ガン本体７０の上面１０２に陽極止
め板７４を取付けるとき、完全に整列するようになって
いる。陽極止め板に設けられた貫通孔４１６４１８、４
２０にボルトを通し、ねじ穴４１０　４１２．４１４に
ねじ込み、陽極止め板７４を本体７０の上面１０２へ固
定する。そのようなボルト４２２の１つを第３図に示す
。

再び第２７図について述べるが、ガン本体７０の上面１
０２には、円環状部分４２４が設けられている。

この円環状の部分４２４は、それぞれ３つの貫通孔より
なる、３つの貫通孔群４２６．４２８．４３０によって
、本体７０の底面１０４に接続されている。貫通孔群４
２６を構成する貫通孔の１つ貫通孔４３２を第３図に示
す。陽極止め板７４を本体７０の上面１０２を取付ける
と円環部分４２４は、陽極止め板７４の底面の円環状部
３９８と完全に合致する。接続子７６．７８を経てガン
本体７０に入った冷却水は貫通孔３９０及び３９２を通
って円環状部４２４に流入する。さらに円環状部４２４
から冷却水は貫通孔群４２６．４２８．４３０を通って
、ガン本体７０の底面１０４へ流れていく。

貫通孔４３２及び他の経路中の冷却水の流れを、第３図
に矢印で示している。

第２８図は陽極保持具１０８の上面図である。陽極保持
具１０８には、外周部に３つの孔４２６．４３８．４４
０が設けられている。陽極保持具１０８は、ボルトを貫
通孔４３６．４３８．４４０を通し、ガン本体７０の底
面１０４に設けられたネジ穴に締めつけることにより、
ガン本体７０の底面１０４に取付けられる。第３図は陽
極保持具１０８に設けられた貫通孔４３６を通って、ボ
ルト４４２をねじ穴４４４に締めつけている様子を示し
ている。陽極保持具１０８がガン本体７０の底面１０４
へ固定されると、陽極保持具１０８の上面に設けられた
円環状の溝４４８に取付けられるシール４４６は、第３
図に示すように、ガン本体７０の底面１０４に密着し、
陽極保持具に設けられた円環状部４５０と、それより外
側の陽極保持具部分をシールする。円環状部４５０は円
環状フランジ２９２と円環状壁４５２との間を占め、円
環状溝４４８と同心円上に配置され、ガン本体７０の中
にある、貫通孔群４２６、４２８．４３０に接続されて
いる。貫通孔群４２６４２８、４３０を通って下方に流
れてきた冷却水は、円環状部４５０に流入し、円環状フ
ランジ２９２を取り囲む。円環状フランジ２９２は第２
８図に示すように角度をつけて溝４５４が切られている
。溝４５４は、円環状フランジ２９２のまわりに、角度
をつけて切られているため、円環状部４５０から溝４５
４を通って冷却水が押し出される際、水流は旋回流とな
って押し出される。第８図で前述したが、陽極アセンブ
リ１０６には、底部１３０を囲む円環状の空間２８２が
あり、円環状空間２８２には、第３図にも示しているよ
うに、円環状フランジ２９２の内側で旋回流となってい
る冷却水が供給される。このように、冷却水が旋回しな
がら流れることにより円環状切欠き溝２８２と、ノズル
部１５２の間の陽極アセンブリ１５２の壁における熱交
換が最大となる。

円環状切欠き溝２８２中の渦巻き状冷却水は、陽極アセ
ンブリ１０６の本体１５０中の、第３図もしくは第８．
１０図に示す通水路２８４及び２８６を通って円環状切
欠き溝２８２から上方へ流れる。アークチャンバー１５
４の間をこの通水路が伸びていることで、陽極アセンブ
リ１０６のその箇所がより冷却される。

通水路２８４及び２８６を含め空隙の最上端部まで冷却
水が到達すると、冷却水は通常挿入式クランプ１２６の
下部１３４に流れ込む。第３０図は第２９図に示される
挿入式クランプ１２６の断面図であり、クランプ下部１
３４は内部に角度をもった多数の切欠きをもつことを示
す。ここで、冷却水を粉末投入管保持具１３６の外側に
直接導き、そこで粉末投入管保持具１３６を充分に冷却
するよう、水の流れを再び渦巻き状にしている。挿入式
クランプ１２６の中空構造の内側４６０と粉末投入管保
持具１３６の外面に形成される円環状通路４５８に発生
するこのような水の流れは非常に重要である。なぜなら
ば粉末投入口保持具１３６をヒートシンクとして働かせ
ることができるからである。ガス混合室１４８内で発生
した多量の熱は、タングステンのような材料で形成され
た粉末投入管１３８を通ってヒートシンクとして機能す
る銅製の粉末投入口保持具１３６と上方に伝達される円
環状通路４５８中の旋回流は、粉末投入口保持具１３６
に、必要なだけの大きな冷却効果を与える。

冷却水は円環状通路４５８内を上方に流れ続けるにつれ
、多数の通路４６２を通して、挿入式クランプ１２６の
上方１３２に導かれる。このような挿入式クランプ１２
６の中心軸に無関係であるが、上向きに角度をもった小
孔４６２を第３１図の部分断面図に示す。小孔４６２を
流れる冷却水は挿入式クランプ１２６の上部１３２で、
陽極接続用プラグ１１０のフランジ１１４の下に位置す
る円環状深溝４６４に流入する。

第３２図は陽極接続プラグ１１０の下面図で、フランジ
１１４の底面を示す。第３２図に示すように、フラング
１１４はフランジまわりに８コのほぼ等間隔に配置され
た細溝４６６を有している、円環状深溝４６４内の冷却
水は、細溝４６６によって、陽極接続プラグ１１０の外
面４７０とガン本体７０の円筒孔１００で形成される円
環状通路４６８に流れる。

円環状通路４６８を流れる冷却水は上に向かってガン本
体７０の上端１０２にある円環状の空間４７２に流れる
。

円筒内面１００を囲む円環状空間４７２は、陽極接続板
７４の下面の環状通路４０８に隣接して配置されている
。その結果として、切込部４７２中の冷却水は、孔８０
及び８２を通って、接続子８０及び８２に流れる。接続
子８０及び８２から、冷却水は冷却水昇圧ポンプ５２０
２本の冷却水戻り管７９を通って戻る。

第２図及び第２６図に示す通り、接続子７６は中心軸９
２を基準に接続子８２からほぼ９０°離れている。

しかしながら作図の便宜上、接続子７６は第３図上では
、中心軸９２を通る直線上で接続子８２と向かいあうよ
う示されている。

プラズマガン１６についてこれまで粉状の溶射材料の供
給と関連して述べてきた。粉状で溶射する金属や他の材
料をプラズマ流内へ導入することはよく知られた技術で
ある。溶射材料が粉状化することで、比較的長い。また
、時には曲がりくねった供給路をもつプラズマガン内の
適当な場所に供給できるようになる。たとえば、同軸上
に陽極上方に位置する陰極を１個もつプラズマガンでは
プラズマガンの側面から粉末を供給するというような面
倒な構造となる。

粉状の金属や他の物質は比較的扱い易く、長く曲りくね
った供給路を通ってプラズマガン内に供給するのに適し
ているが、粉状でそのような材料を供給する必要性は不
利な点もある。その１つとして、金属のような材料は粉
状に製造することが困難でありかつ高価である。また製
造後、そのような粉状の材料は酸化等を最小に防ぐため
め特別の取扱いが必要とされる。こういう理由から溶射
材料を液状か溶融状態で導入できればそれは有利なこと
である。このような試みは陽極アセンブリの上端で、ガ
ン中心部を通って材料が供給される、モジュール分割化
した陰極を有するプラズマガンにより、容易に実現され
る。これにより、比較的短く、直接に材料を供給する機
器が使用でき、供給路内で溶融材料が凝固する危険ない
しはその問題発生は最小化される。

第３３図は発明に関連して金属や他の物質を溶融状態で
溶射するのに使用することができる装置の一例である。

第３３図に示す装置は金属溶融供給器４７４を含んでい
る。溶融器４７４はプラズマガン１６中で粉末管７２、
粉末管支持具１２０、粉末口１２４、粉末投入管保持具
１３６、粉末投入管１３８におきかわる箇所に設置され
るよう設計されている。第３３図に示す金属溶融供給器
は第３図に示す、粉末供給管支持具１２６と類似した形
状の送給管支持具４７６を有している。送給管支持具４
７６は支持具４７６をプラズマガン１６に設置する際、
陽極接続プラグ１１０のネジ部分と合致するネジ付上部
４７８を有する。送給管支持具４７６が陽極接続プラグ
１１０に設置されると、送給管支持具４７６内部の中空
で円筒状の絶縁体４８４に装着した中空送給管４８２の
下端４８０は送給管支持具４７Ｂの下端４８６から下向
きにのびる。中空送給管４８２の下端４８０は陽極アセ
ンブリ１０６０円筒状しぼり部２６８を通り、ガス混合
室１４８の第１端２７０に到る。

中空送給管４８２の上端４８８は内部にるつぼ４９２を
有する円筒状供給管コネクター４９０で終わっている。

中空で円筒形状をしているるつぼ４９２は供給管コネク
ター゛４９０の中に配置され、供給管コネクター４９０
の内壁４９６とで円環状通路４９４を形成する。円環状
通路４９４の下端４９８は中空送給管４８２の上端４８
８まで続く。管口５００は、中空供給管５０４の下端５
０２より、るつぼ４９２の中空内部まで部分的にのびる
。管口５００は供給管コネクター４９０の上端に着座す
る。

中空供給管５０４はその上端５０６が、その中にプラグ
５０８を受けとめるようになって終端している。

ガス接続子５１０がプラグ５０８に接続されている。

ガス接続子５１０を有したプラグ５０８は、中空供給管
５０４の上端から取り外しでき材料を中空管５０４内部
に供給できる。中空管５０４の上端５０６から、（５５
ン プラグ５０８をはずした状態で、中空供給管５０４の内
部に溶射する固体状の金属または他の材質を満たす。そ
れからプラグ５０８は供与管の上端部に再び置かれ、管
５０４中の金属を温めるための電力が付与される。その
電力は電極５１４および５１６に接続された直流電源に
よって供給される。電極５１６は送給管支持具４７６の
頂部と供給管コネクター４９０の底部の間の中空送給管
４８２につながれている。

電極５１４及び５１６は第３３図中に象誇張して大な形
状で図示されているが、実際はプラズマガン１６中に金
属溶融供給装置４７６を設置できるよう、はるかに小さ
い。同様のことが電極５１８に対しても述べられる。電
極５１８、中空管５０４の下端５０２と結線されている
。直流電源５２２は電極５１８と陽極本体１５０の間に
結線されている。

直流電源５１２は電極５１４と５１６に結線されて中空
管５０４内で金属の固体片を溶融するのに十分な熱を発
生する。この直流電源が電極５１８と陽極本体１５０に
結線された際は、溶融した金属が中空管５０４からるつ
ぼ４９２と中空送供管４８２を通って、陽極アセンブリ
１０６中のガス混合室１４８へ供給される際に凝固する
のを防止するのに十分な熱を供給する。

中空管５０４中の金属固体片は直流電源５１２により電
流が加えられるき溶融し、溶融金属は、口管５００を通
りるつぼ４９２の中へと下向きに流れる。

るつぼ４９２は溶融金属で満たされるが、溶融金属は陽
極アセンブリ１０６のガス混合室１４８より伝達される
ガス圧の動作によりるつぼ４９２からあふれ、円環状通
路４９４に流入することはない。

前述のように、プラス・マアーク及びプラズマ流を形成
するために、陰極アセンブＩＪ８４，８６および８８に
不活性ガスを導入することにより、ガス混合室１４８に
ガス圧が発生する。このガス圧が送給管４８２と円環状
通路４９４を通り、るつぼ４９２の上端に伝達され、そ
こで溶融金属がるつぼからあふれるのを防ぐのである。

この結果、溶融金属が陽極アセンブリ１０６のガス混合
室１４８内に供給するのに望ましい時まで溶融金属のま
まで、維持される。

溶融金属をるつぼ４９２から陽極アセンブリ１０６のガ
ス混合室１４８中へ供給する時には、ガス圧が中空管５
０４の上端へ加圧される。第３３図には示されていない
が、ガスの送給線がプラグ５０８の上端のガス接続子５
１０にアルゴンのような不活性ガス源をつないでいる。

アルゴンガスを中空管５０４の内側、上端部５０６に供
給することで、ガス混合室１４８からの圧力の効果を打
ち消し、結果として、るつぼ４９２中の溶融金属があふ
れ、円環状通路４９４を通り送給管４８２の内側下端部
４９８を通って流れおちる。溶融金属は中空送給管４８
２の中を通って、陽極アセンブリ１０６中のガス混合室
１４８に流れおち、そこでプラズマ流と混合する。直流
電源５２２は溶射金属が経路を流れる間に好ましくない
凝固を防ぐだけの電力を供給する。

陽極アセンブリ１０６中のガス混合室１４８への溶融金
属の搬送を制限したい場合は、ガス接続子５１０へのア
ルゴンガスの供給を制限する。これにより再び、溶融金
属がガス混合室１４８のガス圧によって、るつぼ４９２
の上端より、あふれ出ることができず、平衡状態がもた
らされる。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明により従来のプラズマ発生装置
に比較して、原料粉末を陽極中心部へプラズマジェット
の流れ方向に粉末の付着なく投入できるため、対象物上
への皮膜形成歩留りが高く、かつ効果的な水冷構造等に
より大出力化が容易なため生産製の高いプラズマ発生装
置を提供する。

また粉末投入管の先端分岐等により、原料粉末の選択範
囲を大幅に拡大できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のプラズマ発生装置を含む、プラズマシ
ステム全体のブロック図と真空チャンバーの透視図を示
す。 第２図は本発明のプラズマ発生装置の組立て外観図を示
す。 第３図は第２図で示したプラズマ発生装置の断面図を示
し、モジュール化された陽極、陰極、粉未投入管などの
構造を示す。 第４図はモジュール化された陰極の外観図を示す。 第５図は第４図の陰極の断面図を示す。 第６図は第５図の陰極先端方向からの側面図で、不活性
ガスを導入する同心円上に配置した小孔により、陰極周
囲に旋回流を形成する。 第７図は第６図の旋回流を発生させるための斜めの小孔
が貫通した部品２１２の断面図を示す。 第８図はモジュール陰極、粉末投入管、冷却水経路等の
切り欠きを有した陽極の断面図を示す。 第９図は第８図に示す陽極の正面図を示す。 第１０図は第８図に示す陽極の上面図を示す。 第１１図は陽極と陰極との位置関係を示し、図中では４
つの異なった陰極配置を示す。 第１２図、第１３図、第１４図は異なったノズル形状の
陽極の断面を示し、図中では３つの異なったアークチャ
ンバーとノズル形状を示している。 第１５図は取り除し可能な粉末投入管を持った粉末投入
管保持具を示し、これが陽極上部に取り付けられる。 第１６図、第１７図は第１５図で示した粉末投入管の断
面図と端面方向からの側面図の第１の実施例を示す。 第１８図、第１９図は同様に第１５図で示した粉末投入
管の第２の実施例を示す。 第２０図、第２１図は同様に第１５図で示した粉末投入
管の第３の実施例を示す。 第２２図、第２３図は同様に第１５図で示した粉末投入
管の第４の実施例を示す。 第２４図、第２５図は同様に第１５図で示した粉末投入
管の第５の実施例を示す。 第２６図は第２図、第３図で示した陽極を組み込むため
の陽極止め板７４の下面図を示す。 第２７図は第２図、第３図で示した陰極、陽極、粉末投
入管等を組み込むガン本体７０の上面図を示す。 第２８図は第２図、第３図で示した陽極を組み込むため
の下端プレート１０８の上面図を示す。 第２９図は第２図、第３図で示した陽極上部に配置され
る旋回冷却水を形成するクランプ１２６の断面図を示す
。 第３０図は第２９図で示したクランプの、同図の線３０
−３０での断面図を示す。斜めに貫通した小孔により冷
却水が旋回流を形成する。 第３１図は第２９図で示したクランプの上面図を示す。 第３２図は第２図、第３図で示す陽極接続用のプラグ１
１４の下面図を示す。 第３３図は陽極上部から粉末投入管の代わりに溶融状態
の原料（溶融金属等）を投入するための装置の実施例の
全体面（−細断面図）を示す。 １０・・・真空チャンバー　　１３・・・上蓋、１４・
・・下部蓋、　　　　　１６・・・プラズマガン、２４
・・・処理部品、　　　　７０・・・ガン本体、７２・
・・粉末供給管、　　　７４・・・陽極止め板、８４．
８６．８８・・・陰極アセンブリ、１０６・・・陽極ア
センブリ、１０８・・・陽極保持具、１２０・・・粉末
供給管保持具、 １２４・・・粉末導入口、　　１２６・・・クランプ、
１３６・・・粉末投入管保持部品、 １３８・・・粉末投入管、　　１４８・・・ガス混合室
、１５４・・・アーク室。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、大気圧以下の減圧雰囲気中で作動するプラズマシス
   テムにおいて、共通の陽極と、該陽極を取り囲むように
   配置された複数の陰極によって構成されることを特徴と
   するプラズマ発生装置。 ２、請求項１記載のプラズマ発生装置において、各陰極
   は電気的に共通な陽極との間に個別の直流電源を有し、
   単独に制御でき、また共通の陽極と被溶射体の間に別の
   移行アーク電源を有することを特徴とするプラズマ発生
   装置。 ３、請求項１記載のプラズマ発生装置において、各陰極
   はモジュール構成をしており、容易に取りはずすことが
   可能で陰極を交換することにより、陽極に対する角度、
   放電距離を容易に変えられることを特徴とするプラズマ
   発生装置。 ４、請求項１記載のプラズマ発生装置において、陽極は
   中心に空間を形成し、下流方向にノズル形状を構成し、
   中心の空間部へ各陰極から放電空間を形成している小空
   間で連結することを特徴とするプラズマ発生装置。 ５、請求項１記載のプラズマ発生装置において複数の陰
   極に囲まれた陽極の空間の中心上方の小孔から溶射原材
   料を投入することを特徴とするプラズマ溶射装置。 ６、請求孔５記載のプラズマ発生装置において陽極の中
   間空間へ原材料を投入する小孔部を容易に取り替え可能
   なスリーブ状とし、該スリーブを変更することにより、
   任意の小孔径での原料投入が可能なことを特徴とするプ
   ラズマ溶射装置。 ７、請求項６記載のプラズマ発生装置において原料投入
   スリーブの小孔先端を複数に分岐させ、分岐角度を変え
   ることにより原料投入を陽極の中心空間の任意の位置に
   行なえることを特徴とするプラズマ溶射装置。 ８、請求孔５記載のプラズマ発生装置において陽極の空
   間の中心上方にるつぼ等を設け、該るつぼ等にて原料材
   料を溶融状態にし、陽極の空間に投入することを特徴と
   したプラズマ溶射装置。