JPH04502531A - 液体により冷却される移送式アーク放電形プラズマトーチ - 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】 発明の名称 液体により冷却される移送式 アーク放電形プラズマトーチ 技術分野 本発明は冷却液、電流及びガスが同軸の管から成る点火電極槍状体及び主電極槍 状体を介して点火電極及び主電極まで案内される、液体により冷却される移送式 アーク放電形プラズマトーチに関する。

背景技術 この形式のプラズマトーチは例えばドイツ特許出願公開第２９００３３０号公報 により公知であり、ノズルを有するトーチ外套、主電極を有する主電極槍状体、 及び点火電極を有する点火電極槍状体の主構成部品から実質的に成る。

従来の技術においては、３つの上記の構成部品はすべて個別に構成され、固有の 水冷装置を有する互し１に電気的に絶縁されているユニットである０点火電極槍 状体も主電極槍状体もそれぞれ個別に液体により冷却される。各槍状体は、互い に同軸に配置されている管から成る０点火電極槍状体の外側管は点火電極に向か って端面側において閉じ、点火電極を収容している。

点火電極槍状体の内側管は外側管又は電極の端面へ通じる間隙を有し、この間隙 により内側管の中央孔と内側管と外側管との間のリングチャネルとの間が冷却液 のために接続される。電流は点火電極の外側管を介して導かれる。

点火電極の外側管は電気的に絶縁性の間隔保持器又はスリーブを介して主電極槍 状体の内側管の中に案内されている０点火電極槍状体の外側管と主電極槍状体の 内側管との間に形成されているリングチャネルを介して点火プラズマは点火電極 と、点火電極を包囲しノズル状に形成されている主電極の中央孔に導かれる。

従来の技術においては、主電極を冷却するため、３つの同軸に配置されている管 から成る主電極槍状体が用いられる。これにより主電極の内側端面壁で方向変換 されて案内される冷却液のための、前送り及び戻りリングチャネルが形成される 。電極と槍状体との間の接続体の構成に依存して、主電極槍状体の内側管及び／ 又は外側管を介して主電極の給電が行われる。主電極槍状体の外側管、トーチ外 套及びノズルの内側管の間の電気・絶縁は、間隔保持器によりこの電気絶縁が端 面電極槍状体に関して前述のように実現されるように実施されている。これに対 応して、主プラズマガスも主電極とノズルとの間の領域の中に導かれる。

従来の技術の公知のプラズマトーチは構造的に非常にコストがかかり、トーチ外 套面に沿って比較的大きい熱損失が生ずる欠点がある。

本発明の課題は、冒頭に記載のプラズマトーチの構造が簡単化され、従来の技術 において生じる熱損失が低減され、より良好な効率が実現されるように冒頭に記 載のプラズマトーチを開発することにある。

上記課題は、点火電極槍状体と主電極槍状体とのための共通の冷却循環路により 解決される。これにより、管及び密閉部材のためのコストを節約できるだけでな く、プラズマトーチの冷却水供給装置全体を大幅に簡単化することができる。こ れに加え、プラズマトーチのシャフトの直径を大幅に小さくすることができ、こ れにより、外部温度に曝されるトーチ外套面が減小する、すなわち外套の熱損失 が減少し、トーチの効率が改善される。トーチシャフトの直径が小さいので、例 えば溶鉱炉、取鍋、タンプッシュ又は真空装置等の種々異なる形式及び大きさの 容器におけるプラズマトーチの使用及び組込みの可能性の面で汎用性が増す。

本発明の有利な実施例は請求項１の他の請求項に記載されている０点火電極槍状 体は冷却液チャネルに対して密閉され、主電極槍状体又は主電極に対して電気的 に絶縁されているので、点火ガスは直接に点火電極槍状体の中に案内されること が可能であり、同時に点火電極槍状体は外部から冷却される。有利には点火及び 主電極槍状体は、３つの互いに同軸に配置されている管から成り、冷却液は、外 側管と中間管との間及び中間管と内側管との間の互いに接続されているリングチ ャネルの中を案内される。これにより、最も冷却を必要とする構成部品である主 電極に対して対策が施されている。この場合、主電極電流は外側管を介して導か れ、点火電極電流は内側管を介して導かれる。

絶縁チューブが周りに被されているにもかかわらず内側管の冷却が十分であるよ うに、対応して薄肉であるがしかし有利には高弾性で耐高温性である絶縁チュー ブが選択される０点火電極槍状体をセンタリングするために１つ又は複数のスリ ーブが用いられる。

中間管は主電極の領域の中でほぼリング状の方向変換部により継続され、方向変 換部は端面側において、方向変換部の双方の側に位置する冷却液リングチャネル が接続されるように空間を残している。この場合、タリングのためのスリーブは 非導電性材料、有利には合成樹脂から成る。

これにより、冷却媒体により点火電極と主電極との間の移行部抵抗の低下が防止 される。これに対して、点火電極槍状体の円筒状室が連通している点火電極及び ガスノズルは導電性である。ガスノズルのノズル効率は、対応する点火ガス案内 チャネルが、有利には主電極又は出口の領域内で再び合流される多数の単一孔の 形で円錐状に外部に案内されることにより高められる。

ガスノズル及び主電極はリング状絶縁スリーブを介して互いに接続されている。

これらのスリーブは耐高温性の合成樹脂、加圧液に対して密なセラミック、又は 合成樹脂、金属及びセラミックの複合体から成ることもある。絶縁チューブは、 液体絶縁性を改善するために、ガスノズルの上及び絶縁スリーブの一部の上を重 畳しかつ密閉的に案内される。ガスノズルの外面と絶縁スリーブの内面との間に 設けられておりガスノズルにおける対応する溝の中に位置する０リング密閉部材 は密閉性を最適にする。主電極自身は壷状に形成され、外側管と導電的に接続さ れている。これらの部品の間には、密閉性のために０リング密閉部材が設けられ ている。別のＯリング密閉部材が、絶縁スリーブと主電極との間の重畳領域の中 に位置する。

内側管及び／又はガスノズルを銅から製造すると有利であることが分かった０点 火電極はタングステンから成ると有利であり、製造技術的理由から点火電極の上 部円錐状部は銅により周りを鋳込まれ、当該の鋳造ブロックはガスノズルを形成 する。

点火ガスのための流れチャネルの中にできるだけ層状の流れを実現するために、 内側管は下部の部分領域の中で円錐状に広げられ、後続の孔のテーバ比に整合さ れている。

次に本発明を実施例に基づき図を用いて詳しく説明する。

図面の簡単な説明 第１図は本発明のプラズマトーチの縦断面図、第２図は点火電極の固定部の拡大 縦断面図である。

発明の最良の実施形態 プラズマトーチは主構成部品として点火又は補助電極１１、主又はノズル電極１ ２及びノズル１３を有し、これらはそれぞれ電気的に互いに絶縁されている。

横断面が円形である点火電極１１はその上部円錐端部１１’によりガスノズル１ ４の中に埋込まれ、ガスノズル１４は点火槍状体に固定され、点火槍状体は、公 知のプラズマトーチと異なりただ１つの管１６から成る。管１６の円筒状の内側 である中空室１７は、ガスノズル１４と境界を接しているその下部領域において 、テーパ角Ｔを有する円錐状拡張部１４に移行する。ガスノズル１４は、周縁に 一様に分散配置されている多数の、例えば１０個の孔１９を有する。孔１９の軸 は（仮想の）円錐面（１９’）の上に、孔１９が、管１６に面している端部にお いて（点火電極１１に面しているその端部に比して）より密に互いに隣接し、こ れらの端部が円錐状拡張部１８の中空横断面の中に位置するように配置されてい る。（仮想の）円錐面１９’のテーパ角は第２図においてβにより示されている 。内側管１６は有利には銅から製造され、これに対して点火電極１１はタングス テンから製造される。

この場合、点火電極１１を半完成製品に次のように前もって製作することが推奨 される。すなわち、点火電極１１が、あるテーパ角を有する円錐１１′を有する 棒に前もって加工され、次いで鋳造により銅を、ガスノズル１４に必要な寸法に 周りを鋳込まれる。このようにして製造された半完成品は、孔１９を加工するこ とにより仕上げ加工され、管１６に接続される。ガスノズル１４の中の孔１９の 傾斜角度（・テーパ角βの１７２）により、ガス流により冷却される領域の位置 と、冷却の強さとが決まる。孔１９の間の間隔が小さいので、ガスノズル１４に おける、管１６に面している領域は、点火電極１１に面している領域に比してよ り強く冷却される。従って点火電極１１の上部の円錐状部分１１’のテーパ角α は、ガスノズル１４と点火電極１１との間の接続部の全長が電流伝送と熱伝達の ために一様に利用されるように選択される。

ガスノズル１４はその外側が、電気絶縁スリーブ２０の一端により包囲されてい る。絶縁スリーブ２０の他端は主電極１２の円筒状フランジ２１を包囲している 。スリーブ２０の内側におけるリング状突出部２２によりガスノズル１４と、フ ランジ２１を有する主電極１２とは互いに間隔をおいて保持されている。従って 絶縁スリーブ２０は、ガスノズル１４と主電極１２との間の機械的接合部材とし て寄与し、主電極１２に対して点火電極１１を正確に位置決めする。絶縁スリー ブ２０は有利には、耐高温性合成樹脂及び／又は加圧液に対して密なセラミック 又は合成樹脂、金属及びセラミックの合体から成る。

主電極１２は中央貫通孔２３を有し、中央貫通孔２３は部分長にわたり特に円筒 状フランジ２１の領域において点火電極１１の外側表面と共働してリング状チャ ネル２４を形成している。リング状突出部２２の内径は、リング状突出部２２に 接続している、主電極１２のフランジ２１又は貫通孔２３の内径に等しい、孔１ ９の出口全体は、この直径により与えられている面の中に位置する。

管１６の外側は、簡単に取付は及び取外しが可能な薄肉で耐高温性で高弾性の絶 縁スリーブ２５により被覆され、絶縁スリーブ２５はガスノズル１４と、絶縁ス リーブ２０の一部とを更にリング状に覆っている。絶縁スリーブ２５の代りに電 気絶縁性コーティングを設けることもできる。

主電極１２の外側円筒状部分２６は電流を通し、加圧液に対して密に管２８に接 続されている。管２８と管１６との間には別の管２７が設けられ、管２７の下端 は方向変換部２９を担持している。

管１６，２７．２８は、同心に配置されているので以降において内側管１６、中 間管２７及び外側管２８と呼ばれる。この場合、内側管１６はガスノズル１４と 一緒に点火電極波状体を形成し、内側管１６及びガスノズル１４はスリーブ２０ 及び中間管２７及び外側管２８と一緒に主電極槍状体を形成する。

内側管１６を同軸センタリングするために、軸に平行な貫通孔を有する電気絶縁 性材料から成るスリーブ３１が用いられ、スリーブ３１は一方では絶縁チューブ ２０に当接し、他方では中間管２７の内側に当接している。

中間管２７とこれに接続している方向変換部２９とそしてセンタリングスリーブ ３１も有利には合成樹脂から成り、これにより電気絶縁性の他に重量の節約もも たらされる。

点火電極１１のためのガス貫流は、記号により示されている点火ガス供給管３２ 、中空室１７、孔１９及びリングチャネル２４を介して行われる。低温の点火プ ラズマガスにより、孔１６により形成されている点火電極波状体の内部が冷却さ れる０点火電極１１と主電極１２との間に点火アークが点火されると点火プラズ マが、主電極１２の中央孔すなわち貫通孔２３からプラズマジェットとして噴出 する。

主電極１２と、別の電極例えば溶融金属とに点火する主又は出力アークのための ガスの貫流は、記号により示されているプラズマ管３３と、外側管２８及び主電 極１２の外側表面とトーチ外套及びノズル１３の内側表面との間に形成されてい るリングチャネル３４とを介して行われる。

内側管１６と中間管２７との間と、中間管２７と外側管２８との間とには、液体 冷却剤が貫流するそれぞれ１つのリングチャネル３５又は３６が設けられている 。２つのリングチャネル３５．３６は、方向変換部２９と主電極１２の端面との 間で互いに接続されている。内側管１２により形成されている点火電極波状体も 冷却流により冷却される。

点火電極１１はガスノズル１４、内側管１６、及び内側管１６に位置し記号によ り示されている電気端子３７を介して、（図示されていない）電流源又は電圧源 の電極と電気的に接続されている。主電極１２は外側管２８と、外側管２８に位 置し同様に記号により示されている電気端子３９とを介して電流源又は電圧源の 別の電極と接続されている。

点火電極１１と主電極１２との双方を冷却するために液状冷却側が、下向三角記 号により示されている冷却剤供給管すわち入口４１を介してリングチャネル３５ に供給され、方向変換部２９を介して逆方向に転流しリングチャネル３６を貫流 して、上向三角記号により示されている冷却剤流出管すなわち出口４３に案内さ れる。この場合に主電極１２からの流れを案内する外側管２８は、この冷却剤す なわち水を案内することにより内側が冷却される。これに加えて外側管２８は、 主電極１２に向かってリングチャネル３４を貫流して流れる低温の主プラズマガ スにより冷却される。

リングチャネル３５．３６を通る冷却剤循環路を密閉するためにＯリングの形の 密閉部材がそれぞれスリーブ２０とガスノズル１４との間（０リング４５）と、 円筒状内側フランジ２１と主電極１２との間（Ｏリング４６）と、主電極１２の 外側フランジ２６と外側管２８（０リング４７）との間（０リング４７）とに設 けられている。０リング４５〜４７はリング溝の中に保持され、これらのリング 溝のうち第２図には０リング４５のためのガスノズル１４の中のリング溝４８と 、０リング４６のためのスリーブ２０の中のリング溝４９とが例として示されて いる。

液体冷却側による他に内側管１６は、内側管１６の中空室１７を流れるプラズマ ガスによっても冷却される。

前述のプラズマトーチは有利には３相交流プラズマトーチとして作動する。その 他にプラズマトーチはヨーロッパ特許出願公開第０１３４９６１号公報に記載さ れている直流及び／又は交流により作動することもできる。

参照番号リスト １１　補助電極（点火電極） １１　円錐端部 １２　主電極（ノズル電極） １３　ノズル １４　ガスノズル １６管 １７　中空室 １８　拡張部 ２０　絶縁スリーブ ２２　突出部 ２３　貫通孔 ２４　リングチャネル ２５　絶縁チューブ ２６　外側フランジ ２７　中間管 ２８　外側管 ２９　方向変換部 ３１　スリーブ ３２　点火ガス供給管 ３３　プラズマガス供給管 ３４　リングチャネル ３６　リングチャネル ３７　電気端子 ３９　電気端子 ４１　冷却剤供給管 ４３　冷却剤流出管 ４５　０リング ４６　０リング ４７　０リング ４９　０リング 補正書の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の８） 平成３年５月２９日冒

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．冷却液、電流及びガスが同軸の管から成る点火電極槍状体及び主電極槍状体 を介して点火電極及び主電極まで案内される液体により冷却される移送式アーク 放電形プラズマトーチにおいて、３つの互いに同軸に配置されている管（１６， ２７，２８）から成る点火及び主電極槍状体（１４，１６，２７，２８）のため の共通の冷却循環路（４１，３５，３６，４３）が設けられていることを特徴と する液体により冷却される移送式アーク放電形プラズマトーチ。 ２．前記点火電極（１１）を有する前記点火槍状体（１４，１６）は冷却循環路 のチャネル（３５，３６）に対して密閉され、主電極槍状体（２７，２８）又は 主電極（１２）に対して電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項１に記 載の液体により冷却される移送式アーク放電形プラズマトーチ。 ３．主電極槍状体及び点火電極槍状体（１４，１６，２７，２８）が、３つの互 いに同軸に配置されている管（１６，２７，２８）から成り、冷却液は、外側管 （２８）と中間管（２７）との間及び中間管（２７）と内側管（１６）との間の 互いに接続されているリングチャネル（３５，３６）の中を案内されることを特 徴とする請求項１又は２に記載の液体により冷却される移送式アーク放電形プラ ズマトーチ。 ４．主電極電流のための電気端子（３９）が外側管（２８）に接続され、点火電 極電流のための電気端子（３７）が内側管（１６）に接続されていることを特徴 とする請求項３に記載の液体により冷却される移送式アーク放電形プラズマトー チ。 ５．前記点火電極槍状体が、点火電流を通す管である内側管（１６）から形成さ れ、内側管（１６）の内側室（１７）の中を点火ガスが案内され、内側管（１６ ）が、薄肉で有利には高弾性で耐高温性の絶縁チューブ（２５）により被覆され ていることを特徴とする請求項１から４のうちのいずれか１つに記載の液体によ り冷却される移送式アーク放電形プラズマトーチ。 ６．前記点火電極槍状体（１６）が半径方向で、中間管（２７又は２８）から成 る主電極槍状体に対して有利には多重にスリーブ（３１）によりセンタリングさ れていることを特徴とする請求項１から５のうちのいずれか１つに記載の液体に より冷却される移送式アーク放電形プラズマトーチ。 ７．前記中間管（２７）がリング状方向変換部（２９）と接続され、方向変換部 （２９）が、主電極（１２）の中にまで突出して液体リングチャネル（３５，３ ６）の接続部を形成していることを特徴とする請求項３から６のうちのいずれか １つに記載の液体により冷却される移送式アーク放電形プラズマトーチ。 ８．前記中間管（２７）、前記方向変換部（２９）及び／又は前記スリーブ（３ １）が非導電性材料、有利には合成樹脂から成ることを特徴とする請求項１から ７のうちのいずれか１つに記載の液体により冷却される移送式アーク放電形プラ ズマトーチ。 ９．前記点火電極槍状体の前記内側管（１６）の円筒状内側室（１７）がガスノ ズル（１４）に連通し、ガスノズル（１４）は前記点火電極（１１）と導電的に 接続されていることを特徴とする請求項１から８のうちのいずれか１つに記載の 液体により冷却される移送式アーク放電形プラズマトーチ。 １０．前記点火電極（１１）の円錐状の上部（１１′）が前記ガスノズル（１４ ）の中に突出し、ガスノズル（１４）は、半径方向で斜めに外方に向かって案内 されている点火ガス案内チャネル（１９）により形成されていることを特徴とす る請求項９に記載の液体により冷却される移送式アーク放電形プラズマトーチ。 １１．前記点火管（１６）の前記点火ガス内側室（１７）が、有利には８から１ ２である多数の前記内側管（１６）及び前記点火電極（１１）の軸に対して対称 に配置されている単一孔（１９）に移行し、単一孔（１９）は前記主電極（１２ ）の領域の中で又は単一孔（１９）の出口（２３）に向かって案内されて統合す ることを特徴とする請求項９又は１０に記載の液体により冷却される移送式アー ク放電形プラズマトーチ。 １２．前記ガスノズル（１４）及び主電極（１２）がリング状絶縁スリーブ（２ ０）を介して取外し可能に互いに接続されていることを特徴とする請求項１から １１のうちのいずれか１つに記載の液体により冷却される移送式アーク放電形プ ラズマトーチ。 １３．前記絶縁スリーブ（２０）が耐高温性の合成樹脂、加圧液に対して密なセ ラミック、又は合成樹脂、金属及びセラミックから成る合体材料から成ることを 特徴とする請求項１２に記載の液体により冷却される移送式アーク放電形プラズ マトーチ。 １４．前記絶縁チューブ（２５）が前記ガスノズル（１４）と、絶縁スリーブ（ ２０）の一部とを重量しかつ密封して覆っていることを特徴とする請求項１２又 は１３に記載の液体により冷却される移送式アーク放電形プラズマトーチ。 １５．前記ガスノズル（１４）の外側表面と前記絶縁スリーブ（２０）の内側表 面との間に０リング密閉部材（２５）が配置され、０リング密閉部材（２５）は 、前記ガスノズル（１４）の対応する溝（４８）の中に位置することを特徴とす る請求項１２から１４のうちのいずれか１つに記載の液体により冷却される移送 式アーク放電形プラズマトーチ。 １６．前記主電極（１２）が壷状に形成され、前記外側管（２８）と導電的に接 続されていることを特徴とする請求項１から１５のうちのいずれか１つに記載の 液体により冷却される移送式アーク放電形プラズマトーチ。 １７．前記主電極（１２）と前記外側管（２８）の間と、前記主電極（１２）と 前記絶縁スリーブ（２０）との間とに少なくともそれぞれ１つのＯリング密閉部 材（４７又は４６）が設けられていることを特徴とする請求項１から１６のうち のいずれか１つに記載の液体により冷却される移送式アーク放電形プラズマトー チ。 １８．前記内側管（１６）及び／又は前記ガスノズル（１４）が銅から成ること を特徴とする請求項１から１７のうちのいずれか１つに記載の液体により冷却さ れる移送式アーク放電形プラズマトーチ。 １９．前記点火電極（１１）がタングステンから成ることを特徴とする請求項１ から１８のうちのいずれか１つに記載の液体により冷却される移送式アーク放電 形プラズマトーチ。 ２０．前記点火電極（１１）の上部円錐状部（１１′）が、前記ガスノズル（１ ４）を形成している銅ブロックに鋳込まれ、銅ブロックの中に、円錐状に前記内 側管（１６）の前記内側室（１７）の中に合流している孔（１９）が設けられて いることを特徴とする請求項１から１９のうちのいずれか１つに記載の液体によ り冷却される移送式アーク放電形プラズマトーチ。 ２１．前記内側管（１６）が下部領域（１８）において円錐状に広がっているこ とを特徴とする請求項２０に記載の液体により冷却される移送式アーク放電形プ ラズマトーチ。