JPH03254371A - 延長されたノズルを有するプラズマアークトーチ - Google Patents

延長されたノズルを有するプラズマアークトーチ

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JPH03254371A
JPH03254371A JP2269705A JP26970590A JPH03254371A JP H03254371 A JPH03254371 A JP H03254371A JP 2269705 A JP2269705 A JP 2269705A JP 26970590 A JP26970590 A JP 26970590A JP H03254371 A JPH03254371 A JP H03254371A
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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、トーチヘッド内に設けられた電極の放電端を
取り巻いて離間関係にありそしてトーチヘッドの出口を
通して前方に突出するノズルを具備しそしてノズル外面
に気体流れを周囲から接触状態で流出せしめるプラズマ
アークトーチに関するものである。本発明はまた、そう
したプラズマアークトーチ用ノズルにも関係する。
［従来技術〕 米国特許第４．７１６，２６９　；４．５８１，５１６
　。
及び４．５８０．０３２号に開示されるようなプラズマ
アークトーチの一型式においては、電極はトーチヘッド
内に設けられそしてトーチヘッドの出口を通してそれを
越えて前方に突出する放電端を含んでいる。ノズルは、
電極の少なくとも放電端を離間して取り巻く関係で配置
される。第１の気体が電極に供給されそしてイオン化さ
れ、それによりプラズマを形成する。プラズマは、ノズ
ルの放出口を形成する軸線方向穿孔を通して外方に放出
される。第２の気体は、ノズルと周囲接触関係で流れそ
してトーチ及び加工物への冷却作用のみならず、プラズ
マに対する保護包被体を提供する。
作動中、加工物及びトーチを冷却する程、−層高品質の
溶接部、切断部及びガウジング部をもたらすことが出来
る。
［発明が解決しようとする課題〕 大半の従来技術のノズルは、ノズルのオリフィスに向け
て収斂するテーバを有する短い円筒或いは円錐形状を有
している。この型式のトーチの作動中、ノズルから冷却
用流れへの熱伝達が所望程に起こらないことが確認され
た。これは、トーチの過熱と、その結果としての乏しい
溶接或いは切断品質をもたらす。
追加的に、これら従来技術のノズルの形態は代表的に、
切断生作業者が真直な縁辺に沿ってトーチノズルを案内
することを困難たらしめそして作業者が深く、狭い加工
領域において切断を行なうことを困難たらしぬる。
本発明の課題は、上述した従来技術の欠点を克服するプ
ラズマアークトーチ用ノズルを開発することである。
本発明のまた別の課題は、ノズルの外面に対して取り巻
き接触状態に気体流れを有する型式のプラズマアークト
ーチであって、ノズルの外面がそれに沿って流れている
気体がノズルから取り巻き気体流れへの効率的な熱伝達
を提供するように密接状態に維持されつる表面を有する
ノズル及びプラズマアークトーチを開発することである
。
〔課題を解決するための手段〕
これら課題は、トーチヘッドの軸線に沿って長手方向に
伸延する電極の放電端と取り巻き関係にあるノズルを有
する型式のプラズマアークトーチと共に使用される新規
にしてユニークなノズルの使用により解決されうろこと
が見出された。第１の気体が電極と接触しそしてプラズ
マを発生するためにノズル内部を流れ、そして第２の気
体がノズルからの熱伝達を助成するためにノズル組立体
とと密着した取り巻き接触関係で流れる。
本発明に従うノズルは、長手軸線を定義する内部空洞を
有する細長い実質上円筒状の本体部材を具備する。ノズ
ルは、閉成された前端部と後端部とを有する。軸線方向
穿孔が、本体部材の前端部を同軸的に貫いて伸延しそし
てそこからプラズマを放出せしめるように長手軸線と整
列している。
外側ノズル外面は、その長手断面において実質上砂時計
形態を有して、その表面に沿って放出されている気体が
ノズル及びトーチから取り巻き気体流れへの効率的熱伝
達を与えるように密着状態に留まる表面を提供する。砂
時計形態の表面は、後方収斂円錐表面と前方末広円錐表
面とを具備し、以ってその長さの中央位置で凹入部分を
形成している。
〔作用Ｊ 延長されたノズルの内部を第１の気体が電極と接触しそ
してプラズマを発生するために流され。
そして第２の気体が当該ノズルからの熱伝達を助成する
ためにノズル外面と取り巻き接触関係で流れる。ノズル
外側表面は、その長手断面において実質上砂時計形態を
有して、その表面に沿って放出されている気体がノズル
及びトーチから取り巻き気体流れへの効率的熱伝達を与
えるように密着状態に留まる表面を提供する。
［実施例］ ここで図面を参照すると、第１図は、本発明に従うノズ
ル組立体を連結せしめた。切断、溶接或いはガウジング
のためのプラズマアークトーチを参照番号１０として幾
分概略的に例示するちのである。プラズマアークトーチ
１０は、一端に出口１３を有するトーチヘッド１２と、
一定の角度でトーチヘッドを支持するトーチハンドル１
４とを含んでいる。別様には、ヘッド１２は、ペンシル
状形態（図示無し）を形成するようハンドル１４から同
軸配列で伸長されつる。
プラズマアークトーチ１０は、トーチヘッドに電流を供
給するため主電源１５に接続される電流供給手段と、ト
ーチヘッドに圧縮空気のような適当な気体を供給するた
め気体源１６に接続される気体流れ手段とを含んでいる
。第１図に幾分概略的に例示されるように、これら手段
は、ハンドル１４からヘッド１２内に伸延しそして気体
源からの導管２０及び主電源からの適当な１ｉ導導管２
１に接続されるチューブ状管軸１７を含んでいる。
管軸１７は、ヘッドに電流を流しそしてそこを通してヘ
ッドに気体流れを提供するために中空銅管或いは他の電
導性材料製の管であり得る。ハンドル上に位置付けられ
るスイッチ２２がトーチのオン−オフ制御を与えるため
に電流供給源及び気体流れ手段に相互接続される。
プラズマアークトーチ１０は更に、トーチヘッド内部に
取付けられそして前述した出口１３を通して前方に突出
する放電端及び長芋軸線を定義する電極３１　（第２図
）の少なくとも上方部分を収容しそしてセットするため
の電流伝達組立体３０（第２図）を含んでいる。電流伝
達組立体３０はトーチヘッド１２内での電極の上方変位
を防圧する１作動上ｉｌ：ａに接続される電流伝達組立
体３０は、電極に電流を伝えるためのものである。電流
伝達組立体は、米国特許第４．５８０．０３２号に詳し
く記載されるような、互いに螺着される保持手段を含む
ことが出来そして真描等のような電導性材料から横絞す
ることが出来る。電流伝達組立体３０は成型体部分３２
内に収納される。電流供給手段及び気体供給手段の一部
を横絞するチューブ状管軸１７け、電流伝達組立体３０
への電流の通電のためそこにろう接或いは別様に連結さ
れそして同時に電流伝達組立体への気体流れを提供する
ために電流伝達組立体内部の気体通路３３と連通ずる。
第２図に示されるように、そして米国特許第４５８０、
０３２号に詳しく記載されるように、安全ボール弁組立
体がトーチ内で電極を交換するとき気体の流れを遮断す
るために通路３３内に設けられる。球形態の非電導性ボ
ール３５が電流伝達組立体３０の下方部分の通路内に設
けられる。ボール３５は通路内部に形成された弁座３６
に隣接して設けられる。圧縮バネ３７が、ボール３５を
弁座３６に向けて偏倚するために電流伝達組立体３０の
肩（図示無し）とボールとの間にボールの一方側で設置
される。ボール３５は、プランジャ３８により弁座３６
から離れて持ち上げられる。
プランジャ３９は、電流伝達組立体３０にネジ連結され
るコレット３９により通路内に保持され得る。プランジ
ャ３８は、トーチの通常作動中電極及びボールと係合す
る。
プラズマアークトーチは更に、トーチヘッド１２内で電
極３１の下方部分を下方に変位しないように収容しモし
て座着せしめるためのノズル組立体を含みそしてトーチ
ヘッドからプラズマアークを外方に噴出するための気体
流れ手段と作動上連結される。このノズル組立体はノズ
ル部材４０と熱遮蔽体４３とを含み、そしてノズル部材
４０は熱遮蔽体４３及びノズル部材４０それぞれにおけ
る協動するカラー４１及び型４２により支持される。熱
遮蔽体４３は、電流伝達組立体３０の外面にネジ結合さ
れそして第２図に示されるように本体部分３２を包被し
ている。ノズル組立体は更に、ノズル部材４０上にカラ
ー４６により担持されるセラミック製渦巻きリング４５
を含んでいる。ノズル部材４０は好ましくは、銅その他
の電導性材料から構成される。
第３及び４図に明示されるように、ノズル部材４０は、
長手軸線を定義する内部空洞４７を有する、細長い、実
質上円筒状の部材である。ノズル部材４０は、出口１３
に対して離間関係でそこから外方に突出しそして閉成さ
れた、段付き前方部５０及び開放後方部５１を具備して
いる。軸線方向穿孔５２が、前方部５０を貫いて同軸的
に伸延しそしてそこからプラズマを放出せしめるように
長手軸線と整合しそしてプラズマ放出口を形成している
。ノズル部材４０は、その長手断面において実質上砂時
計形態を有する外面５３を有し、その表面に沿って放出
されている気体がノズル部材４０及びトーチから取り巻
き気体流れへの効率的熱伝達を与えるように密着状態に
留まる表面を提供する。砂時計形態の外面５３は、その
巾より長い長さを有し、そして収斂する後方円錐表面５
４と末広がりの前方円錐表面５５を含んでその長さに沿
う中央位置で減少せる直径部分を形成している。末広が
りの前方円錐表面５５は、長手軸線に関して約４〜１４
度、好ましくは約７度の傾斜角を構成する。収斂する後
方円錐表面５４は、長手軸線に関して約１０〜２０度、
好ましくは約１３度の傾斜角を構成する。複数の気体放
出スロット５６が肩４２の下面に形成されそしてそこか
ら外方に伸びている。スロット５６は、凹入表面が形成
されそして同時にノズル部材の胴周囲に沿って突起を形
成するようにスェージングのような手段により形成され
る。こうした突起は、熱遮蔽体の内面からノズルを離間
するのを助成することが出来る。
この構成でもって、室６０の形態の気体通路が熱遮蔽体
４３内部にそして渦巻きリング４５及びノズル部材４０
周囲に形成されて、第３図に矢印で示すように電流伝達
組立体３０から流れてくる気体を受は取る。渦巻きリン
グ４５には、流動する気体をノズル内部に取込む開口が
設けられる。
第２気体通路１３がノズル部材４０と遮蔽体４３との間
に形成される。
第３図に例示されるように、電極３１は、それとノズル
部材４０の内面との間に環状通路６１が形成されるよう
にノズル内に狭い間隙を残して嵌込まれる。電極３１の
上方部分は、電極が渦巻きリング４５上に載ることがで
きるように寸法づけられた肩６２及びカラー６３を有す
る上方拡大部分を含んでいる。電極の上方拡大部分は、
電流伝達組立体３０の下方部分内に収容される。第２図
に例示されるように、プランジャ３８が、ボール３５及
び電極３１の上面に係合する。電極３１の上面は電流伝
達組立体３０に座着しそして電極のトーチヘッド１２内
部での上向き変位を防止している。電極は代表的に銅か
ら形成されそして一般に円柱状の電子放射性挿入体６４
を含んでいる。
電子放射性挿入体はそこに電位が適用されるに際して電
子を容易に放出しつるように比較的低仕事関数を有する
金属質材料から構成される。
本発明の操作方法について説明する。
圧縮気体のような気体が最初気体流れ手段によりトーチ
ヘッドに供給される。気体は、電流伝達組立体３０内部
を流れそして第３図に示されるように電極の上方拡大部
分周囲を通りそして室６０内に流入する。気体の一部は
渦巻きリング４５を通して流れ、電極周囲を回って流れ
、ノズルの放出口５２を通して外方に噴出する。気体の
残りの部分は、ノズル肩４２の下面のスロット５６を通
して出口１３を通して流出しノズルの砂時計のくびれた
外面５３に沿って密着しながら流下する。
その後、トーチヘッド１２は電気的に付勢されそして電
流が電流伝達組立体３０から電極に通電される。電気ア
ーク（最初のパイロットアークを含みつる）がノズル部
材４０内の気体流れと協動作用して、当業者によく知ら
れるような態様で電極と切断、溶接あるいはガウジング
されるべき工作物との間でプラズマアークを形成する。
出口１３から外方に流出する残りの第２気体部分はノズ
ルと係合しそして砂時計形態の外面５３と密着状態を維
持してノズルから周囲気体流への効率的な熱伝達を提供
する。これは、電極３１及びノズル部材４０の冷却効率
の増大を６たらし５ノズルが過熱するのを防止する。
通常の操作中、ノズル部材４０及び電極３１をトーチ本
体から取り外すように熱遮蔽体４３をトーチ本体３２か
ら取り外そうとすると、ボール３５が自動的に弁座上に
座着し、これによりプラズマ気体流れは遮断される。適
当な手段により（図示無し）気体流れの停止によりトー
チへの主電源を切ることが出来る。追加的に、もし熱遮
蔽体４３がトーチ本体に適正に止着されていないなら、
気体及び電流は電流伝達組立体３０に流れないことにな
る。
［発明の効果］ 実質上砂時計状の外面形態を有する延長されたノズルは
幾つかの利益を提供する。ノズル表面に沿って放出され
た気体はノズル表面と密着状態を持続してノズル及びト
ーチから周囲気体流れへの効率的熱伝達を提供する。ト
ーチ作動中、ノズル及びトーチが過熱して、乏しい溶接
部、切断部あるいはガウジング部の品質を生みだす危険
性を低減する。追加的に、砂時計ノズル形態は、第１図
に開示されるような比較的深くて狭い作業域においてそ
して狭い継手に沿って切断を行なうに適する。追加的に
、細長いノズルは、操作中−層真直な切断を与えるよう
真直なエツジに当接状態に置くことが出来る。
以上、好ましい具体例を説明したが、本発明の範囲内で
多くの改変をなしうることを銘記されたい。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明に従うプラズマアークトーチの正面図
である。 第２図は、第１図の２−２線に沿うプラズマアークトー
チの前方部分（トーチヘッド）の断面図である。 第３図は、第１及び第２気体流れを矢印で例示する、第
２図に示したプラズマアークトーチの前方部分の拡大断
面図である。 第４図は、本発明に従うノズルの斜視図である。 ｌ　Ｏ： １２　： ｌ　３　： １４　： １５　： １６　： １７　＝ ２０゜ ２２　： ３０　： ３１　： ３２　： ３３　： プラズマアークトーチ トーチヘッド 出口 トーチハンドル 主電源 気体源 管軸 ２１：導管、電導導管 スイッチ 電流伝達組立体 電極 成型体部分 気体通路 ３５：ボール ３６：弁座 ３７：圧縮バネ ３８ニブランジヤ ３９：コレット ４０：ノズル部材 ４３：熱遮蔽体 ４１：カラー ４２：肩 ４５：渦巻きリング ４６：カラー ４７：内部空洞 ５０：前方部 ５１：後方部 ５２：軸線方向穿孔 ５３：砂時計形態を有する外面 ５４：収斂後方円錐表面 ５５：末広前方円錐表面 ５６：スロット ６０：室 ６１：環状通路 ６２：肩 ６３：カラー ６４：電子放射性挿入体

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １）トーチヘッドの軸線に沿って長手方向に伸延する電
    極の放電端と取り巻き関係にあるノズルを有しそして第
    １の気体が電極と接触しそしてプラズマを発生するため
    にノズル内部を流れ、そして第２の気体がノズル及びト
    ーチからの熱伝達を助成するためにノズル外面に対して
    取り巻き接触関係で流れる型式のプラズマアークトーチ
    と共に使用されるノズルであって、 （ａ）長手軸線を定義する内部空洞を有しそして閉成さ
    れた前端部と開放された後部を有する細長い実質上円筒
    状の本体部材と、 （ｂ）本体部材の前端部を同軸的に貫いて伸延しそして
    そこからプラズマを放出せしめるように前記長手軸線と
    整列する軸線方向穿孔とを備えそして （ｃ）外側ノズル表面は、その長手断面において実質上
    砂時計形態を有して、その表面に沿って放出されている
    気体がノズル及びトーチから取り巻き気体流れへの効率
    的熱伝達を与えるように密着状態に維持される表面を提
    供することを特徴とするノズル。 ２）トーチヘッド内でノズルを支持するために後部から
    外方に伸延する肩を含む特許請求の範囲第１項記載のノ
    ズル。 ３）砂時計形態の外面の長さがその巾より大きい特許請
    求の範囲第１項記載のノズル。 ４）砂時計形態の表面は、後方収斂円錐表面と前方末広
    円錐表面とを具備し、以ってその長さの中央位置で減少
    せる直径部分を形成する特許請求の範囲第１項記載のノ
    ズル。 ５）前方末広円錐表面は長手軸線に対して約４〜１４度
    の傾斜角を構成しそして後方収斂円錐表面は長手軸線に
    対して約１０〜２０度の傾斜角を構成する特許請求の範
    囲第４項記載のノズル。 ６）本体部材が銅から形成される特許請求の範囲第１項
    記載のノズル。 ７）トーチを冷却するための一層急速な熱伝達により特
    性づけられそして比較的深くて狭い加工域において切断
    を提供するプラズマアークトーチであって、 （ａ）一端に出口を有するトーチヘッドと、 （ｂ）前記トーチヘッド内に取付けられそして長手軸線
    を定義すると共に前記出口を通して前方に突出する放電
    端を有する電極と、 （ｃ）前記電極放電端を離間関係で取り巻いて電極とノ
    ズルとの間に環状気体通路を形成しそして前記出口から
    前方に突出しそして長手断面において実質上砂時計形態
    の外面を有しそしてプラズマ放出口を構成するよう前記
    長手軸線と実質上整列する軸線方向穿孔を含む閉成され
    た前端部を備える細長いノズルと、 （ｄ）プラズマ発生せしめるために前記環状通路に第１
    気体流れを供給しそして前記ノズル外面と取り巻き接触
    状態に第２気体流れを供給するための手段とを備え、そ
    の場合前記第２気体流れは前記ノズルの砂時計形態の外
    面と密着状態を維持しノズルから周囲第２気体流れへの
    効率的熱伝達を提供し、以ってプラズマアークトーチ作
    動中ノズル及びトーチの冷却を助成することを特徴とす
    るプラズマアークトーチ。 ８）トーチヘッドが出口に隣り合って内側支持出張りを
    含み、そしてノズルがノズルを支持するために該出張り
    と係合する肩を有する上方後方部を含んでいる特許請求
    の範囲第７項記載のプラズマアークトーチ。 ９）砂時計形態の外面の長さがその巾より大きい特許請
    求の範囲第７項記載のプラズマアークトーチ。 １０）砂時計形態の外面は、後方収斂円錐表面と前方末
    広円錐表面とを具備し、以ってその長さの中央位置で減
    少せる直径部分を形成する特許請求の範囲第７項記載の
    プラズマアークトーチ。 １１）前方末広円錐表面は長手軸線に対して約４〜１４
    度の傾斜角を構成しそして後方収斂円錐表面は長手軸線
    に対して約１０〜２０度の傾斜角を構成する特許請求の
    範囲第１０項記載のプラズマアークトーチ。 １２）ノズルが銅から形成される特許請求の範囲第７項
    記載のプラズマアークトーチ。 １３）電極が長手軸線に沿って同軸的に配置されそして
    電位適用に際して容易に電子を放出するよう比較的低い
    仕事関数を有する金属質材料から成る一般に円柱状の放
    射性挿入体を含む特許請求の範囲第７項記載のプラズマ
    アークトーチ。 １４）トーチを冷却するための一層急速な熱伝達により
    特性づけられそして比較的深くて狭い加工域において切
    断を提供するプラズマアークトーチであつて、 （ａ）室と該室と連通する出口を一端に有するトーチヘ
    ッドと、 （ｂ）前記トーチヘッド及び室内に取付けられそして長
    手軸線を定義すると共に前記出口を通して前方に突出す
    る放電端を有する電極と、 （ｃ）前記トーチヘッドにより支持されそして前記出口
    からそれと離間関係で外方に突出し且つ前記電極放電端
    を離間関係で取り巻いて電極とノズルとの間に環状第１
    気体通路及び前記室と連通し且つノズルとトーチヘッド
    出口間に形成される第２気体通路を形成する細長いノズ
    ルであって、該ノズルが前記出口から前方に突出しそし
    て長手断面において実質上砂時計形態の外面を有しそし
    てプラズマ放出口を構成するよう前記長手軸線と実質上
    整列する軸線方向穿孔を含む閉成された前端部を備える
    細長いノズルと、 （ｄ）前記室に気体を供給するために該室と連通する気
    体供給手段と、 （ｅ）前記室内に前記ノズル上方に且つノズルと係合し
    て配置され、前記第１気体通路の上方部分を構成すると
    共にプラズマ発生せしめるために前記室から電極と隣接
    する前記環状通路に第１気体流れを気体が流れることを
    可能とするための気体口を提供するべく前記室及び第１
    気体通路と連通する環状渦巻リングとを備え、その場合
    前記第２気体通路に流れる残部の気体は、該第２気体通
    路から放出されそして前記ノズルの砂時計形態の外面と
    密着状態を維持してノズルから周囲第２気体流れへの効
    率的熱伝達を提供し、以ってプラズマアークトーチ作動
    中ノズル及びトーチの冷却を助成することを特徴とする
    プラズマアークトーチ。 １５）トーチヘッド出口が内側支持出張りを含みそして
    ノズルがノズルをそこに支持するために該出張りと係合
    する肩を有する上方後方部を含み、該肩が室からノズル
    と電極との間に構成される第２気体通路への気体通路を
    提供するべく該肩の下面に沿って伸びる複数のスロット
    を含んでいる特許請求の範囲第１４項記載のプラズマア
    ークトーチ。 １６）砂時計形態の外面の長さがその巾より大きい特許
    請求の範囲第１４項記載のプラズマアークトーチ。 １７）砂時計形態の外面は、後方収斂円錐表面と前方末
    広円錐表面とを具備し、以ってその長さの中央位置で減
    少せる直径部分を形成する特許請求の範囲第１４項記載
    のプラズマアークトーチ。 １８）前方末広円錐表面は長手軸線に対して約４〜１４
    度の傾斜角を構成しそして後方収斂円錐表面は長手軸線
    に対して約１０〜２０度の傾斜角を構成する特許請求の
    範囲第１７項記載のプラズマアークトーチ。 １９）ノズルが銅から形成される特許請求の範囲第１４
    項記載のプラズマアークトーチ。２０）電極が長手軸線
    に沿って同軸的に配置されそして電位適用に際して容易
    に電子を放出するよう比較的低い仕事関数を有する金属
    質材料から成る一般に円柱状の放射性挿入体を含む特許
    請求の範囲第１４項記載のプラズマアークトーチ。
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