JPH05508513A - 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：プラズマトーチ ［発明の分野］ 本発明はプラズマジェットを発生する装置に関する。

より具体的には、反応物質（ｒｅａｃｔａｎｔ）をプラズマジェット発生ノズル の軸方向（ａｘｉａｌｌｙ）に送給することによってプラズマジェットを発生さ せる装置に関する。

、　［発明の背景］ 従来のプラズマ溶射では、プラズマ炎を発生させる場合、タングステンカソード と円錐形の銅アノードを有するトーチを、通常は水冷しながら行なう。反応物質 （反応材）は液体、気体、固体又はその混合物の何れを使用してもよく、その反 応物質を、プラズマジェットに対して放射状（ｒａｄｉａｌｌｙ）に注ぐことに より、反応物質は高温のプラズマ炎の中で混合される。もし、反応物質が粉末の 場合、キャリヤガスによって運ばれ、プラズマジェットの中に送り込まれる。

反応物質は、アノードチャンネル（ノズル）内のプラズマ炎、又はノズルから少 し離れたプラズマ炎の中に放射状に送り込まれる。

粉末を放射状に注ぐ場合、注入された反応物質の加熱と分散は、反応物質がプラ ズマ炎ジェットの中を進む軌跡、即ち径路（ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ）に強く依存 する。粉末の場合、これらの軌跡は、粒子サイズ、密度、注入速度及び形態によ って決定される。軌跡の範囲は、それら変数の中でもとりわけ、注入される粉末 のサイズ分布に依存している。

例えば、メトコダイアモンドジェット（Ｍｅｔｃｏ　ＤｉａｍｏｎｄＪｅｔ）の 超音速炎溶射トーチの如き溶射トーチは、反応物質を軸方向に注入するが、これ らの溶射トーチの場合、反応物質は低融点（一般的に約１６００℃以下）のもの に限られており、高融点の物質を溶射することはできなかった。

［発明の詳細な説明］ 本発明はプラズマジェットトーチの改良に関し、特に粒状の反応物質に対してよ り均一な熱を付与することのできるプラズマジェットトーチを提供することを目 的とする。

広い意味において、本発明のプラズマトーチは、アークを発生させる複数個のチ ャンバーを軸線の周りに対称に配置し、アークを発生させる第１の電極を各アー ク発生チャンバー内に配備し、各チャンバー内の第１電極と協同作用して各チャ ンバーの中にアークを発生させる共通の電極を配備し、共通電極内にプラズマ流 路を貫通形成し、プラズマ流路は合流部類域に向けて互いに接近し、軸線に沿っ て伸びる単一のプラズマノズル通路の中に合流しており、反応物質の送給路をプ ラズマノズル通路と軸心を共通にして形成し、合流部に連通させており、反応物 質を、プラズマノズル通路の実質的な軸方向であって、プラズマノズル通路内に 形成されたプラズマジェットの移動方向に注ぐことができるようにしている。

望ましくは、アーク発生チャンバーは、夫々のチャンバーが他のアーク発生チャ ンバーとは磁気的にシールドされており、また望ましくは、各チャンバーに断熱 又は絶縁物を施すことによって、熱を保持し、第１のアーク発生電極からそのチ ャンバーの隣りの壁に対してアークが発生するのを防止できるようにしており、 第１電極と、各チャンバー内の共通電極との間でアークがより確実に発生するよ うにしている。

各チャンバーの軸心は、トーチの軸線と略平行にすることが望ましい。

トーチには、チャンバーとプラズマ流路を冷却するための冷却材通路を形成する ことが望ましい。

アーク距１１（アーク長さ）を調節するために、第１の電極は、共通電極に関し て移動可能であることが望ましい。

更に、第１電極は共通電極に関して個々に調節可能であることがより望ましい。

電極に加えられる電力を調節するための手段を設けることが望ましい。また、第 １電極の各々に加えられる電力を個々に調節するための手段を含めることが望ま しい。

［図面の簡単な説明］ 本発明の更なる特徴、目的及び利点については、以下に記載する如く、添付の図 面に基づく本発明の望ましい実施例に関する詳細な説明から明らかなものとなる であろう。

第１図はトーチの部分断面を示しており、アーク発生チャンバーの１つを示す図 である。

第２図は第１図の２−２線に沿う断面図である。

第３図は第１図の３−３線に沿う断面図である。

第４図はトーチ本体部に対する第１電極（カソード）の調節を説明する図である 。

第５図は本発明のトーチと使用可能な制御システムの説明図である。

［望ましい実施例の説明］ 第１図に示す如く、プラズマトーチ（１０）の本体部（１２）は少なくともその 一部が断熱性及び電気絶縁性の材料から形成され、個々に分離した複数個の異な る要素を望ましくはネジ止めによって繋いでおり、冷却材を循環させるための複 数の冷却路を備えている（冷却路の詳細構造は本発明の一部を構成するものでは なく、種々の変更が可能である。従って、幾つかの冷却路を示すが、その詳細な 記載は省略する）。

本発明の主たる要素は、アーク発生チャンバー（１４）であり、トーチ（１０） の軸線（１６）の周囲に対称に配置されている。どのトーチにも複数のチャンバ ー（１４）を設けるものとする。望ましいチャンバーの数は３個であるが、必要 に応じてさらに多くのチャンバーを設けることもできる。

どのチャンバー（１４）も実質的には同じ構造であるので、１つのチャンバーに ついてのみ説明する。

各チャンバー（１４）には、チャンバーの軸心上の出口中央部に電極（１８）を 配備する。望ましくはチャンバーの壁との組合せによって、プラズマガス流路（ ２０）を形成し、該流路をプラズマ供給口（２１）に繋いでいる。流路（２０） の環状部は電極（１８）を取り囲んでおり、流路（２０）を螺旋状に構成するこ とにより、電極（１８）の下流部にてプラズマガスに接線方向の速度成分を与え 、チャンバー（１４）の壁に沿って螺旋状に流れる渦を形成することもできる。

チャンバー（１４）の内周部は、セラミックの断熱ライナースリーブ（２２）を 配備しており、チャンバー（１４）内の熱を保持し、チャンバー（１４）の壁と 電極（１８）との間でアークが発生するのを防止する。断熱スリーブ（２２）は 、チャンバー（１４）の外表面を構成する円筒スリーブ（２４）内に望ましくは 締り嵌めにて取り付けられる。望ましくは、外側スリーブ（２４）は、磁気シー ルドを形成する材料から作られる。かかるシールドは、各チャンバー（１４）内 に打ちつけられるアークの安定化に有効だからである。

アーク発生チャンバー（１４）の各々は、本体（１２）の略円筒形空洞部（キャ ビティ）（２６）の中に、該空洞部の壁とは空間をあけて収容される。これによ って、チャンバー（１４）の外側に環状溝（２８）が形成され、該環状溝の中を 、チャンバー（１４）を冷却するための冷却材（冷却水）を循環させる。

トーチ（１４）の外表面はスリーブ（３０）によって構成され、チャンバー（１ ４）を取り囲み、トーチ本体部（１２）の種々の要素を繋ぐ役割を有する。

各チャンバー（１４）の出口端部は、共通の電極（３２）によって形成される。

電極は銅アノードが望ましい。この電極（３２）には独立した空洞部（キャビテ ィ）（３４）が設けられ、該空洞部が各チャンバー（１４）の軸方向端部を構成 している。各空洞部（３４）は、夫々のチャンバー（１４）の軸心と軸方向に揃 えて配備され、その断面積はチャンバー（１４）の断面積、即ちスリーブ（２２ ）の内表面によって形成される流路（２０）の断面積に対応している。プラズマ 流路（ｐａｓｓａｇｅ）（３６）は、空洞部（３４）の望ましくは軸心を起点と して、トーチの軸線（１６）に集束しており、符号（３８）で示す合流部にて他 のチャンバー（１４）からの通路（３６）と連通して、単一のプラズマノズル通 路（４０）を形成する。通路（４０）はトーチの軸線（１６）上を伸びている。

各チャンバーを取り囲む冷却水の通路（２８）は、ノズル（４０）とアノード（ ３２）を取り囲む環状部（４２）の中に通じている。

トーチ（１０）は、軸心に反応物質用通路（４４）を形成しており、液体、気体 、粒状物又は固体（例えば、ワイヤ）状態の反応物質をノズル（４０）に供給し て、ノズル内でプラズマジェットを発生できるようにしている。反応材の通路（ ４４）は、トーチの軸方向を伸びており、プラズマ流路（３６）が集束する領域 （合流位置）　（３８）を経てプラズマノズル（４０）の中に通じている。従っ て、導入された反応物質は、プラズマジェットの略軸心に沿って流れ、ノズル（ ４０）を通り、プラズマジェットの流れ方向に進む。

冷却水又はその他の冷却液は各チャンバー（１４）を取り囲む通路（２８）を通 り、（４２）及び（４６）で示す領域に供給され、電極（３２）及びノズル（４ ０）の外側を冷却する。冷却水又は冷却液は、公知の如く、トーチの中を連続的 に循環する。

第４図に示す如く、各チャンバー（１４）内の電極（１８）は、全部の電極の軸 方向の位置を同時に調節できるようにすることが望ましい。これは、第４図に示 す如く、適当な駆動機構（４８）を、ヨーク（５２）に接続された支柱（５０） に作用させて行なうことができる。なお、ヨークには各電極（１８）がクランプ されている。駆動機構（４８）は、ライン（５４）を通じて受信した信号によっ て自動的に制御され、矢印（５６）で示す如く、３つの電極（１８）を移動させ る。

電極（１８）の各々は、ヨーク（５２）に関して可動に取り付けられている。各 電極は夫々のスリーブ（５８）によってクランプされ、符号（６０）で示す適当 な駆動部によって、ヨークに関してその軸方向位置を調節することができる。

これらの駆動部（６０）　（１つの電極（１８）に対して１つの駆動部）は、ラ イン（ａ２）を経由して駆動部に伝送された信号によって制御され、矢印（６４ ）で示す如く、夫々の電極（１８）を移動させる。

第５図に示す如く、装置の動作を制御するためにコントローラ（６６）を用いる ことができる。

コントローラ（６６）は、入力電源（６８）、電極（１８）（３２）に送られる 全電力を制御する主制御部（７０）、及び各電極（１８）に送られる電力を制御 する個々の制御部（７２Ａ）　（７２Ｂ）　（７２Ｃ）を備えている。必要に応 じて、各電極中の電力消費量に僅かな差異をもうけてもよいし、或はまた電力が 等しくなるようにバランスさせることもできる。また、個々のチャンバー（１４ ）の動作に僅かな差異をつけることもできる。

次に動作を説明する。始動時、電極（１８）を、電極（３２）に比較的近い位置 まで移動させて、電力を供給する。プラズマガスは供給口（２１）に導入され、 プラズマガス流路（２０）を通過する。アークは各カソード（１８）間で衝突す る。

なお、カソード（１８）はタングステンカソードが望ましく、各チャンバー（１ ４）内の共通のアノード（３２）は、銅のアノードが望ましい。カソード（１８ ）はアノード（３２）から離間する向きに軸方向を移動し、第１図の符号（７４ ）で示す如く、所望長さの電気アークを発生させ、通路（３６）を通り、メイン の通路、即ちジェットノズル（４０）に進んで所望のプラズマが生成される。反 応物質は通路（４４）を通ってジェット（４０）の中に供給され、ジェット（４ ０）の中で作用を受ける。概して、本発明のプラズマトーチは、例えば、プラズ マ溶射、粉末合成、粉末球状化（ｐｏｗｄｅｒ　５ｐｈａｒｉｏｄａｔｉｏｎ） 、急速凝固等にも使用可能であろう。

所望品質の被覆又は粉末を達成するための最適パラメータ条件は、使用する反応 物質の具体的成分に応じて、公知の要領にて経験的にめることができる。

実施例中に示したチャンバー（１４）は３つであるが、必要に応じてチャンバー の個数を増やすこともできる。しかしながらその場合も、チャンバーは軸線（１ ６）と同心円状に配備し、反応物質の供給路（４４）から、入口と軸心を共通す るノズル（４０）の中に一様に集束させる必要がある。

もし、２つのチャンバーだけを用いてトーチを形成する場合、プラズマ流路（３ ６）は集束しやすくなるような断面形状にすることが望ましい。流路（３６）の 断面形状は、例えば略り形に形成し、一方の流路のＤ形の直線部が他方の流路の Ｄ形の直線部とほぼ平行になるように配備してもよい。或は又、略Ｃ形に形成し 、Ｃ字状の両端部が互いに対向するように配備してもよい。

上記において、トーチのチャンバー（１４）は全てが軸線（１６）の周りに対称 に配置され、それらの軸心は軸線（１６）と略平行である。必要に応じて、チャ ンバー（１４）の軸心を軸線（１６）に対して鋭角に形成し、電極（３４）に対 してより接近させてもよい。例えば、それら軸心を軸線（１６）の周りに形成し た仮想円錐体の周りに間隔をあけて配置し、（３８）で示す領域から下流位置で 軸線（１６）と交差させる。

本発明を説明したが、当該分野の専門家であれば、添付の請求の範囲に規定され た発明の精神から逸脱することなく変形をなすことはできる。

ＦｆＧ、　２ ＦＩＧ、３ ＦＩＧ、　４ ＦＩＧ、　５ 要約書 プラズマトーチは軸線の周りに対称に配置した複数イのアーク発生チャンバーを 内蔵しており、各チャンバは第１の電極を含んでいる。共通の電極は、各チャン ・−内の電極と協同作用して各チャンバー内にアークを二生させる。共通電極に は、各チャンバーから、軸線上（共通のノズル通路に集まる合流部が設けられる 。反応−質の供給路を、合流部のノズル通路を細心を同じくす共通のノズル通路 に連通させており、ノズル通路に形ｉされたプラズマジェットの中心に向けて、 ノズル通路・プラズマジェットの移動方向に反応物質を注ぐことがきるようにし ている。

−ミー−＾−ｍ−”−ＰＣＴ／ＣＡ　９１１００２０３

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. （１）アークを発生させる複数個のチャンバー（１４）を軸線（１６）の周りに 対称に配置し、アークを発生させる第１の電極（１８）を各アーク発生チャンバ ー（１４）内に配備し、チャンバー（１４）内の第１電極（１８）の各々と協同 作用して各チャンバー（１４）の中にアークを発生させる共通の電極（３２）を 配備し、共通電極（３２）を貫通して各チャンバー（１４）に繋がるプラズマ流 路（３６）を形成し、該プラズマ流路（３６）は夫々のチャンバーを基端として 合流部（３８）の領域に向けて互いに接近し、軸線（１６）に沿って伸びる単一 のプラズマノズル通路（４０）の中に合流しており、合流部（３８）のノズル通 路（４０）の端部に通じるように反応物質の供給路（４４）を軸方向に形成して おり、反応物質を、プラズマノズル通路（４０）のほぼ軸方向であって、チャン バー（１４）からプラズマ流路（３６）を通ってプラズマノズル通路に送られた プラズマによってプラズマノズル通路（４０）内に形成されたプラズマジェット の移動方向に注ぐことができるようにしている、プラズマトーチ（１０）。
2. （２）アーク発生チャンバー（１４）を取り囲む磁気シールド手段（２４）を備 えている請求の範囲第１項に記載のトーチ。
3. （３）第１のアーク発生電極（１８）から、対応するチャンバーの隣りの壁に向 けてアークが発生するのを防止するために、各チャンバー（１４）に電気絶縁手 段を配備している請求の範囲第１項に記載のトーチ。
4. （４）各チャンバー（１４）の軸心は、トーチの軸線（１６）と略平行である請 求の範囲第１項に記載のトーチ。
5. （５）各チャンバー（１４）の軸心は、トーチの軸線（１６）と略平行である請 求の範囲第２項に記載のトーチ。
6. （６）各チャンバー（１４）の軸心は、トーチの軸線（１６）と略平行である請 求の範囲第３項に記載のトーチ。
7. （７）トーチには、チャンバー（１４）とプラズマ流路（３６）を冷却するため の冷却材通路（２８）を形成している請求の範囲第３項に記載のトーチ。
8. （８）第１アーク発生電極（１８）の全部を共通電極（３２）に関して同時に移 動させるための手段（５６）を備えている請求の範囲第７項に記載のトーチ。
9. （９）第１アーク発生電極（１８）の各々を共通電極（３２）に関して個々に調 節するための手段（６４）を備えている請求の範囲第８項に記載のトーチ。
10. （１０）第１アーク発生手段（１８）の各々に供給される電力を個々に調節する ための手段（７２Ａ）（７２Ｂ）（７２Ｃ）を備えている請求の範囲第９項に記 載のトーチ。
11. （１１）複数個とは３である請求の範囲第１項に記載のトーチ。
12. （１２）複数個とは３である請求の範囲第２項に記載のトーチ。
13. （１３）複数個とは３である請求の範囲第３項に記載のトーチ。
14. （１４）複数個とは３である請求の範囲第４項に記載のトーチ。
15. （１５）複数個とは３である請求の範囲第５項に記載のトーチ。
16. （１６）複数個とは３である請求の範囲第６項に記載のトーチ。
17. （１７）複数個とは３である請求の範囲第７項に記載のトーチ。
18. （１８）複数個とは３である請求の範囲第８項に記載のトーチ。
19. （１９）複数個とは３である請求の範囲第９項に記載のトーチ。
20. （２０）複数個とは３である請求の範囲第１０項に記載のトーチ。