JPH05508807A - プラズマアーク式トーチのための渦流リング及び流れ制御方法 - 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】 プラズマアーク式トーチのための 渦流リング及び流れ制御方法 （発明の分野） 本発明は米国特許出願番号筒０７１５１３，７８０号の部分継続出願である。

本発明は一般にプラズマアークによる切断及び溶接のための方法及び装置に関し 、詳しくは電極損耗、特に高出力型のトーチにおける電極の損耗を低減させるた めの方法及び装置に関する。

（従来技術の説明） プラズマアークトーチは、調厚板の切断、及び、暖房、換気、空調（ＨＶＡＣ） システムに一般に用いられる比較的薄い亜鉛メッキ金属板の切断等の広範な用途 を有する。プラズマアークトーチの基本的構成要素は、トーチ本体と、該本体内 に取付けられた電極（陰極）と、中央噴出オリフィスを備えたノズル（陽極）と 、イオン化可能ガスの流れと、電気配線と、冷却ガス及びアーク制御用流体のた めの通路及び管と、通常、電極とノズルの開にガスの流れ内にパイロットアーク を創始し、次いでプラズマアーク、即ちイオン化ガスの導電性流れを電極から工 作物へ移行する電源を含む、ガスは、例えば窒素のような非反応性ガスであって もよく、あるいは、酸素又は空気のような反応性ガスであってもよい。

この種のプラズマアークトーチとしては、いずれも本出願人の特許である米国特 許第３．６４１，３０４号、３．８３３，７８７号、４，２０３，０２２号、４ ，４２１．９７０号、４，７９１，２６８号、４，８１６゜６３７号及び４，８ ６１．９６２号に開示されているようにいろいろなタイプのものが知られている 。

プラズマアークトーチ及びその関連製品は、へイパーサーム・インコーホレイテ ッド社からいろいろなモデルで販売されている０例えば、ハイバーサーム社のＭ ＡＸ１００型トーチは、動作ガスとして空気を使用し、調厚板の切断用途にも、 ＨＶＡＣのための亜鉛メッキ金属板の切断用途にも適する中電力（出力１００ア ンペア）トーチの代表的なものである。

ＨＴ４００型トーチは代表的な高出力型トーチ（出力２６０アンペア）であり、 しばしば酸素を動作ガスとして使用する。高出力型のトーチは代表的に水冷式で あり、厚手の金属シート、例えば厚さ１インチ（約２．５４センチメートル）の 軟鋼プレートの孔開は及び切断に使用される。

どのプラズマアークトーチにおいても今日まで解決されていない共通の問題は、 特に動作ガス即ちプラズマガスとして酸素又は空気のような反応性ガスが使用さ れる場合、電極の摩耗が激しいことである。（他の条件を同じとしての損耗の改 良は、窒素或はアルゴンのような非反応性ガスをプラズマガスとして使用した場 合に見られたが、純酸素を使用した場合の性能は少な（とも軟鋼の如き特定の材 料を切断するために使用した場合には優れている。同様に、空気は電極の損耗に 関しては純酸素よりも優れているが、やはりその性能は犠牲となる。）この損耗 問題の一例として述べれば、上述したハイバーサーム社のＭＡＸ　１００型トー チの場合、電極の損耗はその下端に生じる凹面状のビットとして現れる。より正 確にいえば、電極に装着されたハフニウム製のエミッタ素子に凹面状のビットが 生じる。ＭＡＸ１００型トーチの電極の場合、酸素又は空気を用いて１２０回の 切断サイクルを実施した後、平均して約０．０２５ｉｎ　（０，６３５ｍｍ）の 深さの損耗がみられる。ハイバーサーム社が実施した損耗試験によれば、他の市 販されているトーチは、一般にこれより悪い、ＭＡＸ１００型トーチの場合、ハ イバーサーム社では、損耗が０．０６ｉｎ　（１゜５２４ｍｍ）の深さを越えた ならば、電極を交換することを推奨している０通常の用途では、反応性ガスで作 動するプラズマアークトーチの電極は、オン・オフサイクルの回数に強く依存す るが、通常、０．５〜２時間使用した後交換する必要がある。

損耗に対する配慮は、損耗が部品の頻繁な交換を余儀なくさせるからだけではな く、損耗は特定のトーチに印加することができる最大電力を制限するということ からも重要である。特に本発明を参照すれば、高出力型のトーチ、例えばハイバ ーサーム社からＨＴ４００及びＰＡＣ５００型として夫々販売される水冷式のト ーチでの電極損耗を制御することは特に困難であることが分かる。

プラズマアーク切断においては又、トーチの切断品質は、少くとも一部分は電極 とノズルとの間の領域として画定されるプラズマアークチャンバー内におけるガ スの流れパターンに太き（左右されることに留意することが重要である。詳述す れば、ガスをプラズマアークチャンバー内へ接線方向に噴射することによって創 生される渦流ガスは、高品質の切断を達成する上で必須の要素であることが判明 した。渦流ガスの流れパターンも、プラズマアークがトーチから噴出して工作物 に衝接し工作物を切断するが、プラズマアークがトーチのノズル自体には接触し ないようにプラズマアークを安定化させる上で重要である。ノズルは、アークが 十分に制御されていない場合に損傷される主な部品である。従来、渦流ガス流れ はしばしば、我流ガス流れをプラズマアークチャンバーに送るための傾斜孔を形 成した渦流リングによって主として創生される。前記米国特許第４８６１９２６ 号でも、ノズルと周囲のシールド部材との間を通る２次冷却用の渦流ガス流れが アーク安定化に寄与することが説明されている。

高電流トーチの設計において配慮すべきもう１つの事項は、プラズマアークの温 度が１０，０００’　Ｃを越える非常に高い温度になるということである。この 高温は、ガスの密度や粘度等の特性に変化をもたらす、高温に対する配慮は、ア ーク電流の通電開始時と遮断時において特に重要である０通電開始時には、アー クが急激にガスを加熱し、ノズルの噴出オリフィスから噴出するガスの密度を大 きく減少させる。その結果、ガスの流れがノズルオリフィス内で詰まる事態が生 じる。この詰まりは一般に、切断作業中に於ては、それがプラズマアークチャン バーから大気中へのガスの流れを制限しそれによりプラズマアークチャンバー内 の高いガス圧力レベルが維持されこのことが切断の品質を改善することから有益 である。プラズマアークチャンバー内の、こうした有益な効果を中乃至高出力型 のトーチに於て実現するための代表的なガス圧力は約４０ｐｓｉ　（約２．８１ ）ｃｓｒ／ｃｍ１）である、アーク電流を遮断したときは事態は逆であり、プラ ズマチャンバー内のガスが冷却され質員流れが増大されるとガスはプラズマチャ ンバーから突然吹出す傾向がある。

電極に挿入するための陰極エミッタインサートとしてハフニウム又はジルコニウ ムを使用するのが斯界において一般的である。ハフニウムは現在、反応性のプラ ズマガスを使用しての切断時の陰極エミッタ素子として選択するには最良のもの である。ハフニウム又はジルコニウムは、この用途に試された他のどの材料より も損耗度が少ないが、他の材料より高価である。しかも、それらの電極、即ちエ ミッタインサートは頻繁に交換しなければならない、低い作動電流の下では関連 する損耗も小さいが、幾つかの点で、低い作動電流に随伴する性能の低下は過大 なものとなる。又、電極の寿命を延長するためにガス流又は水流を電極に対して 良好な熱交換関係をなすようにして循環させることによって電極を冷却する方法 も従来から採用されている。しかしながら、水冷方式は黄用がかかり構造が複雑 になるため、例えば定格電流が１００アンペア以下の低電流トーチには不適当で ある。

一方、空冷方式も、能率が悪く比較的低電流のものであってもトーチの最大動作 電流を制限することになる。従って今日までのところ、電極損耗問題に対する唯 一の実用的な解決法は、明らかに経済的に不利ではあるが、電極を繰り返し交換 することであった。

（解決しようとする課題） 従って本発明の主たる目的は、プラズマアークトーチの電極における損耗を著し く減少させそれにより、その寿命を延ばすことである。

本発明の他の主たる目的は、電極の損耗を減少させそれにより、反応性ガスと共 に作動される場合でさえも、現在可能なよりも高い水準での作業を可能とするこ とである。

本発明の他の目的は、プラズマアークチャンバーへの渦流ガス流れ状態でのガス の流出を創出するのに加え、プラズマアークチャンバー内のガスの分布を制御す る渦流リングを提供することである。

本発明の他の目的は、より高レベルの渦流を可能にすることによって、従来可能 であったよりも優れた切断品質を達成することである。

本発明の他の目的は、標準的な電極及びノズル構造を使用し、切断中の金属工作 物からの溶融金属の跳ね返りによるノズルのえぐれ等の、トーチ部品に対する損 傷の危険をほとんど増大させることなく上記利点を提供することである。

本発明の更に他の目的は、比較的簡単な部品を使用し、安価な改変を加えること によって既存のプラズマアークトーチに上記利点を提供することである。

本発明の他の目的は、製造コスト及び運転コストを許容しつる程度に維持したま まで、上記利点を提供することである。

（発明の概要） 上記目的を達成するための本発明のプラズマアークトーチ、特に反応性ガスを使 用し、金属材料の切断用途に適用されるプラズマアークトーチは、トーチ本体と 、該本体内に取付けられた電極と、電極との間にプラズマアークチャンバーを画 定するように離隔して配置されたノズルと、トーチ本体内に装着された渦流リン グを有する。イオン化可能ガスは、管、通路及び、又はチャンバーから成るガス 導入系によりトーチ本体を通して渦流リングへ供給される。渦流リングは、ガス を渦流としてプラズマアークチャンバーへ供給し、ガスはプラズマアークチャン バー内でイオン化され、ノズルの中央噴出オリフィスから噴出される。このプラ ズマアークトーチ（以下、単に「トーチＪとも称する）は又、プラズマアークチ ャンバー内のガス中にパイロットアークを発生させ、それによってプラズマアー クを創生ずるための、電源に接続する標準的電気配線及び電気制御器を有す。プ ラズマアークは、切断又はその他の作業のために工作物に向けて移行される。

本発明の渦流リングはトーチ本体部内で電極、ノズル及びプラズマアークチャン バーに隣り合って設けられた環状部材である。この渦流リングには、好ましくは 渦流リングの外側表面の周囲に伸延する環状凹所である予備チャンバーを含む、 −組の絞り通路が、トーチ本体部のガス導入系から予備チャンバーへとガスを導 通させるために渦流リングの上流側表面に形成される。これら絞り通路の数、分 布及び寸法がガス流れを制限しそれにより、プラズマアークチャンバー直前位置 で送給ラインのガス圧力を降下させる。プラズマガスは渦流リングの渦流側表面 に形成した一組の傾斜孔を介し、予備チャンバーを出てプラズマアークチャンバ ーに向かう。好ましい形態に於ては渦流リングには、予備チャンバーからプラズ マアークチャンバーに導通する一組の半径方向出口孔もまた含まれる。

渦流リングには、この渦流リングをその上流側表面位置でトーチ本体部にシール し、その渦流側表面位置でノズルに対してシールし、そしてその外側側方表面位 置でトーチのその他の周囲部品に或は電流リングに対してシールするための０− リングのための環状凹所を含む、好ましい形態に於てはガス入口孔から渦流リン グにかけての圧力降下は、プラズマが安定状態に達し且つプラズマアークチャン バー内の圧力が約４０ｐｓｉ　（約２．８１ｋｇ／ｃｍ”）となった場合には約 ３２ｐｓｉ　（約２゜２５ｋｇ／ａｍ”）である。

こうした、ガス流れを制御する渦流リングは電極の損耗が、ガス及び或はその流 れパターンをトーチへの電流を遮断する段階の直前及び直後に変更することによ って更に制御される場合に特に有益である。ガスの質量流量はプラズマアークチ ャンバーへのガス流れを止めるか或は減少させることによって低減される。この 質量流量の現象は、電流遮断に先立つ数百ミリセカンドの内に生じるように、好 ましくは電流遮断後も継続されるように長じされる。アーク電流を遮断する段階 は、時間の急激な階段的関数或は徐々に為される時間の漸次の傾斜関数によ゛っ て達成され得る。ガス流れの減少は、プラズマアークチャンバーから大気への通 気と組み合わされそれがプラズマアークチャンバー内のガス流れパターンのより 急速な変更を容易化する。

本発明の渦流リングは、プラズマガスチャンバーにガスを送給するガス送給ライ ン内の、プラズマアークチャンバーの直前位置での圧力降下を創出することによ って主として特徴付けられる方法としての一面をも有している。この圧力降下は 、安定状態での作業時にはアークは安定し且つ良好に制御されるに十分に小さい ものである。この圧力降下はまた、トーチへのガス流れが遮断され多場合に、プ ラズマアークチャンバーを通してのガス流れもまた急速に遮断されるに十分に大 きい、これが、アークが消え且つプラズマガスが冷える際のプラズマアークチャ ンバーからの突然の且つ大量のガスの吹き出しを制限する。本発明の方法には、 小型且つ局部的なガス供給源をプラズマアークチャンバーのすぐ近くに設けそれ により、そうでない場合にはトーチを損傷する大量のガスを、ガス流れの遮断後 、しかしアークを完全に消す以前に於てアークの制御を維持するために入手可能 とする段階が含まれる。こうした方法上の特徴は、先に言及したガス流れの拘束 部分及び予備チャンバーをトーチ構成部品或は渦流リングのその他の構成部品、 例えばトーチ本体部のプラズマアークチャンバーに隣り合う一部分の如き部品に 配置することによっても達成可能である。

（図面の簡単な説明） 図ＩＡは、電極損耗を低減するためにトーチに流れるガスを制御するガス流れ制 御装置に接続された従来の代表的なプラズマアーク式トーチの簡略化した断面図 である。

図ＩＢは図ＩＡを線ＩＢ−ＩＢで切断した水平方向断面図である。

図ＩＣは図ＩＡ及びＩＢに示されるプラズマアーク式切断トーチを使用するプラ ズマアーク式切断システムの簡略化された概略図である。

図ＩＤは、電極寿命を延ばすことが見出されたアーク電流の遮断と関連しての本 発明のガス流れ変更の調時ダイヤグラムの６つのグラフである。

図２Ａは、弁を使用してのガス送りと組み合わせての弁による換気が為される具 体例の、図ＩＡに対応する別懇様を示す図である。

図２Ｂは、弁を使用してのガス送りと組み合わせての弁による換気が為される具 体例の、図ＩＢに対応する別懇様を示す図である。

図２０は、弁を使用してのガス送りと組み合わせての弁による換気が為される具 体例の、図ＩＣに対応する別懇様を示す図である。

図３Ａは、組を為す軸方向及び半径方向の入口孔が、プラズマアークチャンバー 内に渦流ガス流れパターンか或は軸方向ガス流れパターンを確立するための渦流 リング内に使用されて成る具体例の、図２Ａに対応する別懇様を示す図である。

図３Ｂは、組を為す軸方向及び半径方向の入口孔が、プラズマアークチャンバー 内に渦流ガス流れパターンか或は軸方向ガス流れパターンを確立するための渦流 リング内に使用されて成る具体例の、図２Ｂに対応する別懇様を示す図である。

図３Ｃは、組を為す軸方向及び半径方向の入口孔が、プラズマアークチャンバー 内に渦流ガス流れパターンか或は軸方向ガス流れパターンを確立するための渦流 リング内に使用されて成る具体例の１図２Ｂに対応する別懇様を示す図である。

図３Ｄは１組を為す軸方向及び半径方向の入口孔が、プラズマアークチャンバー 内に渦流ガス流れパターンか或は軸方向ガス流れパターンを確立するための渦流 リング内に使用されて成る具体例の、図２０に対応する別懇様を示す図である。

図４はアーク電流遮断に際しての傾斜状態での圧力降下のみならず、アーク創始 時のガス流れの予備流れ及び傾斜状態での圧力上昇を提供するためのガス供給ラ インにおけるガス流れ制御機構を示す、図ＩＣに相当する簡略化された概略図で ある。

図５はアーク創始に際してガス流れを変更する調時ダイヤグラムを表す５つのグ ラフである。

図６は図ＬＡ、ＩＣ，２Ａ、２Ｃ，３Ａ、３Ｄそして図４に示された一般形式の プラズマアーク式トーチ内に取付けた、本発明に従うガス制御関数を具備する渦 流リングの、トーチ本体部の上方部分を破除し且つ保持キャップの如きその他部 品を省略して示す簡略化された縦方向断面図である。

図７は図６を線７−７で切断して示す渦流リングの底部から見た平面図である。

図８は図６に示されるトーチのプラズマアークチャンバー内のガス圧力を、作業 の１サイクル中の時間の関数としてプロットし、またプラズマによって作業の同 一サイクルにわたり担持されるアーク電流をもプロットしたグラフである。

（実施例の説明） 図ＩＡ及びＩＢは、ハイパーサーム社から販売されているいろいろなプラズマア ークトーチのうちの任意の１つのような代表的な従来技術のプラズマアークトー チ（以下、単に「トーチ」とも称する）を示す、従って、以下の説明は、この型 式のプラズマアークトーチに共通な基本原理及び構成要素を例として説明するた めのものであり、特定のモデルのトーチの構造の詳細を説明するためのものでは ない。

この従来のトーチは、その下端１２ａの中央に出口オリフィス１６にを備えた、 通常は円筒形のトーチ本体１４を有する。プラズマアーク１８即ちイオン化ガス ジェット（以下、単に「アーク」とも称する）は、出口オリフィス１６を通って 噴出し、切断すべき金属工作物２０に衝接する。ガスは、窒素又は貴ガス等の非 反応性ガスであってもよく、あるいは酸素又は空気等の反応性ガスであってもよ い０本発明の渦流リング及び関連する本発明のガス制御方法の１つの重要な利点 は、プラズマアークトーチを反応性ガスと共に使用可能であるにも関わらず、高 出力レベルでの作動に於てさえも電極の損耗が格段に改良されることである。

トーチ本体１４は、一般に電極と称される陰極２２を支持している。電極２２は 、通常、銅で形成されており、はぼ円筒形である。電極２２のか端面にエミッタ 素子（「エミッタインサート」とも称する）２４がプレス嵌めによって挿入され ている。電極２２とエミッタ素子２４とは、トーチ本体内に同心的に配置され、 出口オリフィス１６に心合している０反応性ガスを用いる場合０は、エミッタイ ンサート２４は、通常、ハフニウム又はジルコニウムで形成されたものを使用す る０本体１４には又、プラズマアークを移行するための中央ノズルオリフィス即 ち出口オリフィス１６を備えたノズル２６が装着されている。ノズル２６は、電 極２２から離隔して配置されている。１組の半径方向の偏心ガス分配穴即ちガス 導入穴３０を有する慣用構造の渦流リング２８が、交換自在にトーチ本体内に取 付けられている。渦流リング２８は、そのガス導入穴３０かもプラズマアークチ ャンバー３２へとプラズマガス流を供給するように配置されている。

プラズマアークチャンバー３２は１図に示されるように、電極２２とノズル２６ と渦流リング２８とによって画定される。ガス導入穴３０がオフセットされてい ることにより、この状態は図ＩＢに最も良く示されるが、プラズマアークチャン バー３２を通してのガス流れに接線方向の速度成分が導入されそれにより、前記 ガス流れは渦流な生ぜしめられる０本発明の利益は、これらのガス導入穴３０に よって発生する渦流のレベルが従来プラクティスによるよりも太き（なりそれに よって、切断品質が従来達成し得たよりも高められることにある。図ＩＡでは、 渦流リングは電極に密嵌合し、気密状態に取付けられたものとして示されている が渦流リングは、支持部材内に取付けられ、電極に対して密封状態に取付けられ ないことが多い。一般に、トーチ本体、ガスや、冷却流体を導入するための部材 及び電気配線等の細部構造は、いろいろな形態をとることができ、実際にいろい ろな形態をとっている。

負電力導線３４は、電極２２の上端を取り巻くようにして該電極に接続されてい る。トーチ本体１４の上端を構成する電流リング３８に保持キャップ３６が螺着 されている。電流リング３８と負電力導線３４とは、絶縁体スリーブ４０によっ て分離され、電気的に隔絶されている。保持キャップ３６は、ノズルのフランジ ２６ａに係合する下方リップ３６ａを有しており、電流リング３８にａｔさせる と、ノズル２６を渦流リング２８に解放自在に圧着させる０図には示されていな いが、別法として、保持キャップ３６は、渦流リング２８をノズル２６と、トー チ本体１４内の別の内部支持構造体との間に締めつけ固定する構成とすることも できる０図示の構成では、保持キャップ３６は、又、渦流リング２８及びプラズ マアークチャンバー３２への近接ガス供給源（供給すべき部所に近接した位置に 設けられたガス供給源）として機能するガスプレナムチャンバー４２の一部を画 定する。プラズマガスの流れ４４は、電流リング３８を貫通して延長しているガ ス導入管４６を通してプレナムチャンバー４２へ供給される。ガス導入管４６に は、オートマチック・スイッチ・カンパニー製のモデルＮｏ、ＡＦ３３１８３の ようなソレノイド弁４８が、好ましくはトーチ本体に近い部位に設置されている 。ソレノイド弁４６は、トーチへのガスの流量を調整するために、導線４８ａ、 ４８ａを通して送られる制御信号により開閉される。

プラズマアークチャンバー３２内のガスにより電極２２とノズル２６の間にパイ ロットアークを創生ずるパイロットアーク作動モードにおいては、ノズル２６は 陽極として機能し、キャップ３６及び電流リング３８はパイロットアーク電流の 戻り回路を構成する。

作動において、プラズマガス４４は、ソレノイド弁４８及びガス導入管４６を通 ってプレナムチャンバー４２に流入し、そこから渦流リング２８のガス導入穴３ ０を経てプラズマアークチャンバー３２に流入し、量線的にノズルオリフィス１ ６から噴出する。トーチが非移行パイロットアークモードで作動しているときは 電源５０（図１ｃ）はパイロットアークを発生させそれを維持するための適当な 電圧の電流をトーチに供給する。電源ＳＯは任意の慣用の調整ＤＣ電源であって よく、電源の作動及び流れ制御弁等のトーチの他の部品の作動を制御する印刷回 路板等を備えている。

図ＩＣに示されたプラズマアーク切断トーチシステム５２の全体図を参照して説 明すると、非移行パイロットアークモードにおける電流経路は、電源の負端子５ ０ａから導線５４、負電力導線３４、電極２２、パイロットアークプラズマ５６ （図ＩＡ）、ノズル２６、保持キャップ３６、電流リング３８、パイロットアー ク電流戻り導線５８及び閉成されたパイロットアークスイッチ６０を通って電源 の正端子５０ｂに至る経路である。

パイロットアークの創生に先立ち、オペレーターはトーチ自体からは離れた位置 にある制御コンソール６４で所望のガス流れ或は圧力をセットする。この制御コ ンソールにはガス流れ調整器及びガス弁調節圧力ゲージが含まれる。制御コンソ ール位置で才へレータ−がセットした流れ及び圧力値は、パイロットアークに先 立つプラズマアークチャンバ−３２内部の実際のガス流れ及びガス圧力と既知の 態様に於て対応する。パイロットアークの創始によりガスが加熱されそれにより 、斯界に周知の態様に於てプラズマアークチャンバー内のガス温度が上昇され、 またガス流れが減少される。パイロットアーク中のプラズマアークチャンバ−３ ２内部の代表的なガス圧力は２ｏから４０ｐｓｉ　（約１．４１から約２．８１ ｋｇ／ｃｍ”　）である０本発明に得に関わる高出力型のトーチでは、ガス圧力 は通常、４０ｐｓｉ　（約２．８１にｇ／ｃｍ”　）乃至その前後である。パイ ロットアークは高周波スパークその他、その全てが斯界に周知である接触式創生 技法の如きによって創生される。創生中、プラズマガスは入口管４６．ソレノイ ド弁４８、プレナムチャンバー４２、ガス導入穴３０、プラズマアークチャンバ ー３２を通して流動し、出口オリフィス１６から出る、先に銘記したように、ガ ス導入穴３０によって確立される渦流は、良好な品質の切断を入手するため及び ノズルの出ロオリフィス１６内部のアークを安定させそれによってアークがノズ ルに衝突し、そこに穴を開けないようにさせるために極めて重要である。以下に 詳しく議論されるように、電極の作動上の寿命は、図４及び５に例示される新規 な創始手順及び装置並びに、図６から８を参照して説明される新規な渦流リング 及び関連するガス流れ制御関数を使用することによって一段と増大させることが 可能である。

おなじく先に言及したように、トーチは、工作物に接近されそれによってアーク が工作物に移行し、コントローラーによってパイロットアークスイッチ６０が開 かれれど切断作業が開始される。アークの移行後、コントローラーは通常の作動 に於て電流レベルを切断のための予め決定された値へと増大する。電流のこの増 大はまたプラズマガス加熱を増長し、プラズマアークチャンバー内のガス圧力を 増大させそしてノズルの出口オリフィスを出るガス流れ流量を減少させる。最大 推奨電流レベルはトーチによってまた用途によって大きく変化し、その範囲は低 電流として特徴付けられる約２０から２００アンペアＤ、Ｃ，及び高電流として 特徴付けられる２００アンペアＤ、Ｃ，内にある。鋼板切断に使用される水冷式 切断トーチのための代表的な電流レベルは２６０アンペアである。

本発明によって、作動中の電極材料の損失（損耗）の殆どは創生中或は実際の切 断作業中では無くむしろアーク電流の遮断時に生じるということが見出された。

こうした損耗のメカニズムは完全には理解されていないが、電極がその作動中に 少なくとも部分的に溶け、電極の単数或は複数の溶けた表面とプラズマアークチ ャンバーを貫くプラズマガスの流れ及び圧力とが複雑に相互作用して電流遮断時 の損耗に関与していることは疑いない。

本発明の渦流リング及び関連するガス流れ制御方法は、プラズマアークチャンバ ーへのプラズマガス流れを制御された電気的遮断と関連させて制御することによ って電極の損耗が実質的に低減すると言う発見に基づくものである。最も簡略化 された形態に於ては本発明には（１）アーク電流の完全な１階段関数的遮断の直 前或は（２）アーク電流の漸次的遮断の開始と同時の、しかしアーク電流の完全 遮断の直前にプラズマアークチャンバー３２への全プラズマガス流れを遮断する 段階が含まれる。これは、アーク電流完全遮断プロセスの直前にソレノイド弁４ ８を閉じることによって為される。電流遮断のだめの好ましい方法は、減少する 質量流量に追従させて制御下の直線減少勾配にて電流を減少させることある。し かしながらこうした遮断の調時は臨界的である。

仮にガス流れの急速な減少が可能とされた場合、アークを安定させるプラズマガ スの渦流は著しく減少する。従って、アークはアークノズルに衝突してこれを短 時間の内に損傷し或は破壊さえもしかねない、他方、電流の遮断が時間的に接近 されると、プラズマアークチャンバ−３２内部のガス流れ及び圧力の減少は、こ れらはソレノイド弁４８の閉鎖と共に一般に指数関数的態様に於て減少するので あるが、僅かとなり、あたかもソレノイド弁４８を開放したかの如きような損耗 が生じてしまう、ガス流れの遮断は、アーク電流の遮断を通して及びその後にも 継続される。

本発明に従うガス及び電流遮断のプロセスが図ＩＤの調時ダイヤグラムによって 例示される。左側の３つのグラフは時間の関数としての信号（電圧信号、電流信 号或はそれ以外の信号）を表す、左側の最上部のグラフは、ソレノイド弁４８に 対する制御信号（ライン４８ａ、４８ａを通して適用される）が時間１＋　（信 号は”１”の状態から”Ｏ”の状態へと変化する。この”０”の状態は、ソレノ イド弁４８の状態を所望通りに変化させるに十分なデジタル切り替え或はアナロ グ変化の何れかを示す）に於て状態変化することを示している。＊ＮＭ信号のこ の変化によってソレノイド弁は時間ｔ１に於て閉鎖する。左側の上から２番目の グラフはアーク電流のための制御信号を示す。この制御信号は電源５０のコント ローラーによって発生される０本発明に従えば、アーク電流制御のための信号は その状態を、時間ｔ、経過後の時間である時間ｔ２に於て、やはり状態”１″か ら状態”０”として示されるように状態変化する。従ってガス流れは時間１１及 びｔ、の差と等しい時間間隔Δｔに於てアーク電流に先立って遮断される。左側 の最下部のグラフはアーク電流遮断プロセスのための交互の制御シーケンスを示 している９本発明に従えば、アーク電流制御信号は、弁制御信号と同じ時間であ るところの時間ｔ１に於て、やはり状！！”　１″から状態″Ｏ″として示され るように状態変化する。この変化によってコントローラーはアーク電流を、図Ｉ Ｄの右側の最下部のグラフに示されるように傾斜状態での降下を開始させる。

図ＩＤ右側の各グラフには１）、プラズマアークチャンバー３２を通してのガス 流量と、２）時間を雪でのアーク電流の急激な階段的遮断段階としての遮断プロ セスと、３）時間１＋での完全電流から時間ｔ８でのアーク電流がゼロへと消滅 する維持可能な最小電流への漸次的な降下としての代替可能なアーク電流遮断プ ロセスとが示される。これらのグラフもやはり時間の関数として表されまた、左 側の対応するグラフと同じ時間で表されている。ソレノイド弁４８を時間ｔ１で 閉じた後、ガス流れは一定状態で減少する。一般に［ＩＩＡ的な減少が示される が、その関係は実際はより複雑であってその曲線は一般に指数関数的である０重 要な因子はガス流量が、ａ）、アーク電流が遮断される時間ｔ２では１図ＩＤの 右側の上から２番目のグラフに示されるようにその値が比較的小さく、或はｂ） 、アーク電流が漸次勾配的に降下された後の時間ｔ、では、図ＩＤの右側の最下 部のグラフに追随して、その値が比較的小さくなるように、実質的に時間間隔Δ ｔの間に降下することである０本発明の現在好ましい具体例では、右側の最上部 のグラフに示されるような、非−換気式の傾斜状態で降下するガス流れが、右側 の最下部の、時間間隔Δｔの間でのガス流れの変化を追従するグラフに示される ような、勾配的に降下するアーク電流と組み合わせて使用される。この好ましい 作動モードでは、より小さいアーク電流が、ガスの密度をプラズマアークチャン バーを通してのガス流量を増大させる様式に於て変化させるという事実があるに も関わらず、電極の損耗は最小である。尚、その他の因子は一定である。

以下に説明される渦流リングはこうしたガス流量の問題を解決する。

時間間隔Δｔの正確な値はトーチ及び特定の作動パラメーターによって異なるも のの、大抵の低電流プラズマアーク切断用途のためにはΔｔは、電極の損耗を低 減させるためには５００ミリセカンド或はそれ未満が適切であることが分かった 。ＭＡＸ２００型トーチではおよそ２５０から３００ミリセカンドのΔｔが、換 気が無く且つ引き続くアーク電流の勾配的な降下が有る状態では最適であること が分かった。ＭＡＸ１００型トーチを使用しての作業では、本発明に従うガス流 れ／アーク電流制御を使用した１２０カツトサイクルの後のビット深さく損耗） は約０．００５インチ（約０．１２７ミリメードル）である一方、本発明を使用 しない通常作業でのビット深さは約０．０２５インチ（約０．６３５ミリメート ル）であった、こうした損耗の減少は電極寿命に繋がる。その寿命は５倍であり 、従来達成し得た内で最良のものであった。このガス流れ／アーク電流制御はま た、平均的に、トーチの、従来の定格を上回る電力での作動を可能とする。

時間ｔ、では、ガス送給が時間ｔ１に於て遮断されはするものの、残留ガス流れ が存在することに留意されたい、これは、電流を遮断するまで及びその時点で、 アークを安定化するため及びノズルの損傷を防止するために十分なガス流れがプ ラズマアークチャンバー内部に存在することを保証する。電流の遮断後にもまた 短時間のサージが起きる。これは、アークが無い状態でのガスの急激な冷却とプ ラズマアークチャンバー内のガス圧力によって作動するトーチからのガスの急速 な吹き出し及びアーク消滅後におけるガス特性の急変とを反映したものであると 考えられる。こうした急速な吹出しは、爆発性の減圧に類似するものである。こ れは高出力型のトーチでは特にやっかいなものである。

この吹き出し現象は、プラズマアークトーチへのプラズマガスの流れ４４を減少 させることによって時間間隔Δｔの間にトーチへのガス流れを低減可能では有る が、それよりもソレノイド弁４８を完全に閉じる方が、それによってプラズマア ークチャンバーの上流側が、アーク電流が遮断された場合の流れサージの強さを 減衰し且つ全プラズマガス流れ量を制限することから好ましいということを示唆 している。すでに述べたようにアーク電流を時間ｔ、に於て急激に遮断するより はむしろ、時間ｔｌで、例久ば時間間隔Δｔの間に勾配的に降下させることによ って減少させることは本発明の範囲内のもので有る。時間１＋以前に、或は時間 ｔ１の後に、即ちソレノイド弁を閉じる以前或は後に全電流の低減を可能とする こともまた本発明の範囲に含まれる。

図２Ａかも２０には電極の損耗を低減させるためのガス流れ制御配列構成を組み 込んでなるプラズマアーク切断用トーチ１２’が示され、図ＩＡからＩＣに於け るそれと同一の部品には同一の参照番号がダッシュ付きで付記されている。トー チ１２°及びトーチシステム５２′の構造及び動作モードは、通気管６６及び関 連する、この通気管６６を開閉するために連結されたソレノイド弁６８が追加さ れていることを除き、図ＩＡからＩＣに関して説明されたと同一である０通気管 ６６は電流リング３８゛に差し通されプレナムチャンバー４２°と流体連通され る。コントローラーからの制御信号がライン６８ａ、ｆ３８ａを通して伝達され 、弁６８を作動する。この具体例では、ソレノイド弁４８は時間ｔ１にて閉鎖さ れるゆソレノイド弁６８は開放される。通気管６６の端部６６ａが大気或はその 他、真空チャンバー等の低圧領域に開放されていることから、ソレノイド弁６８ を開放するとプレナムチャンバー及びプラズマアークチャンバー内のガス流れ及 び圧力は、図ＩＡからＩＣの具体例におけるよりもずっと急速に減少する。これ により、ガス流れが時間ｔ１に於て遮断されると、アーク電流はより急速に遮断 可能とされる。しかしながら、この構成ではその調時が極めて重要であることが 見出された。通気によって交互する流路が確立されることから、ノズルを通して の流れは減少し、それがプラズマガスを急激に不安定な状態とする。一般に、通 気が使用される場合、交互する流れが、非常に短時間で且つ通気無しでアーク電 流を遮断する０通気が使用される場合、時間間隔Δｔば、ＭＡＸ２００型トーチ を空気で作動させる場合には、２５０ミリセンカントから５ミリセ力ンド未満に 減少可能である。これにより、不安定となったアークによってノズルが損傷を受 ける恐れが減少され得る。ソレノイド弁４８及び６８は単一の通気型弁として組 み合わせ得る。

図３Ａから３Ｄには１本発明に従うトーチ１２”及びトーチシステム５２”の別 懇様が示され、同じ部品には同じ参照番号が二重ダッシュを付けて付記されてい る。

この具体例は電極の損耗が、プラズマアークチャンバーを通るガス流れの流量の みならず流れパターンをアーク電流遮断の直前に変化させると、実質的に低減さ れ得ると言う発見に基づくものである。詳しくは、電極の損耗はガスの渦流がア ーク電流遮断の直前に減少されれば、殆ど無視出来るレベルにまで減少される。

中程度のガス圧力ではこの結果は高いガス流量（例えば１２０ｓｃｆｈ（標準状 態で約３．３９８ｍ’　））でさえも変わらない、ハイパーサーム社のＭＡＸ　 １００型トーチを使用しての作業では、プラズマアークチャンバー内へのガス流 れが半径方向（渦流の無い）でありしかもプラズマチャンバー内のガス圧力が３ ０ｐｓｉ　（約２．１１ｋｇ／ｃｍ２）である場合の電極損耗は無視し得るもの であった。完全な半径方向流及び中から低のガス圧力が最良の結果をもたらすが 、本発明は完全にはやや至らない半径方向流及びより大きなガス圧力の下でも電 極の損傷を低減する。この具体例での主たる関心事項もやはり、渦流が無い場合 でのプラズマアークの不安定化である０本発明はこれを渦流リングを使用し、次 いで全流量を実質的に妨害することなくアーク電流の遮断の直前に半径方向流に 切り替久ることで解決する。トーチ１２”及びトーチシステム５２”はこの作動 モードを達成する。

トーチ１２”は、その各々が別個のプレナムチャンバーを、そして結局は別個の 渦流リング２８”或は同等の構造体の独立した入口孔への過給を為す２つの別個 のガス送給ラインによって作動される点を除き、トーチ１２及び１２’　と一般 に同一の構造を有している。図示された好ましい形態に於ては、最初のガス流れ ４４ｃは入り口管４６“、ソレノイド弁４８”、環状のプレナムチャンバー４２ ”、ガス導入穴３０、プラズマアークチャンバー３２“を送達され、出口オリフ ィス１６”から出る。このガス流路が良好な品質の切断を創出しまたアークを安 定させての切断のための渦流ガス流れを提供する。渦流は、図３Ｂに最も良く示 されるように半径方向にオフセットされたガス導入孔３０″によって確立される 。プレナムチャンバー４２″は、電流リングがその下方の、渦流リング２８″の 凹型段部にガス密封シール状態で衝接する縁部位置に、下方に伸延する環状の壁 ３８ａ及びフランジ３８ｂを具備していることを除き、先の具体例のそれと同一 の構成部品によって画定される。

（このシールを、渦流リングを必要に応じてトーチから取り外し可能とするＯ− リング、ラビリンスシール或は任意の従来通りのガスシールと共に固着し得るこ とを理解されたい、）これらの環状の壁３８ａ及びフランジ３８ｂは離間され且 つ外側のプレナムチャンバー４２”及び内側のプレナムチャンバー４２ｄ”から 相互に隔絶されている。

ガス流れ４４ｄは、入口管４６ｄ”、ソレノイド弁４８ｄ”、プレナムチャンバ ー４２ｄ″、ガス導入穴３゜ｄ”、プラズマアークチャンバー４２”を通して送 達され、出口オリフィス１６”から出る。ガス流れ４４ｄのためのこの第２のガ ス流路では渦流リング内にガス導入穴３０ｄ”が、一般に半径方向に向けられた 状態で使用される。これは図３Ｃに最も良（示される。プレナムチャンバーを通 るガス流れは従って、プラズマアークチャンバー３２”を通して出口オリフィス １６”に至る（下向きの）軸方向流で有り、渦流は実質的に生じない。

本発明の、電極損耗低減のためのこうした流れパターン変更方法では、トーチへ の電流を遮断する以前の予め決定された。しかし極めて短時間の時間間隔△ｔの 間にコントローラーがガス流れ４４ｃのためのソレノイド弁４８ｄ”を閉じ、ガ ス流れ４４ｄのためのソレノイド弁４８ｄ”を開（。反応性ガスを使用するＭＡ Ｘ１００型トーチのための時間間隔Δｔは代表的には５００ミリセ力ンド未満で ある。流れパターンにおけるこうした変化は、流れ或は電流パラメーターを変え ない場合、電極の損耗を劇的に低減させることが分かった。しかしながらこの具 体例は、図ＩＡからｌＤ及び図２Ａから２０に関して先に説明した質量流減少の ための具体例と組み合わせることが出来る。例えば、電流レベルを時間ｔ、の後 に勾配的に降下させ得る。

図３Ｄには、この交互する流れパターンモードに於て本発明を実施するために好 適なシステム５２“が示される。トーチから離間された、従ってトーチによって 創出される実質的な電磁干渉を受けない制御コンソール６４”によってガス流れ ４４ｃが制御される。同様の制御コンソール６４ａ″がガス流れ４４ｄ”を制御 する、実際上は制御コンソール６４”及び制御コンソール６４ａ”は１つのユニ ットとし得る。

時間間隔Δｔのためにさまざまな時間が提案されたが、最適な時間間隔は特定の トーチ、その用途、関連するパラメーターに依存する。一般的には時間間隔Δｔ はガスの形式、電流レベル、ノズルオリフィスの寸法、ガス流量、ガス流れパタ ーン、入口管及び通気管内部のソレノイド弁及びプラズマの関数である。ＭＡＸ １００型トーチのための離間距離は好ましくは１２インチ（約３０．４８センチ メートル）である、この距離が、プラズマアークチャンバーの上流側及び弁の渦 流側の大きな流れ質量に基く流れパラメーターの遅延及び意図せざる変動の制御 を助成する。然るべき時間間隔Δｔのための値は経験的に容易に決定され得る０ 本発明がアーク電流遮断の直前にガス流れを変化させることに焦点を当てて説明 されたが、この変化状態が電気的遮断を通してそしてその後の短時間にわたり継 続されることを理解されたい、しかしながらガス流れは通常、入口管内部のソレ ノイド弁を閉じそれがプラズマアークチャンバーを通るガス流れを結局ゼロとす ることによって、或は図３Ａから３Ｄの具体例における、ガス導入穴３０″に通 じる“半径方向”のガス流路内のソレノイド弁４８ｄ”を閉じることにより、ア ーク電流遮断後の極めて短時間の内に完全に停止する。

図４にはトーチ１２゛°及びトーチシステム５２′の更に別の具体例が示され、 同様の部品が３つのダッシュを附記した同一の参照番号で示されている。この具 体例は、ガス送り管７８を介して接続された２つのプラズマガス供給源と、入り 口管４６°”に対するオン−オフ型のソレノイド弁４８′”にして、結局、ガス をトーチ１２°”及びそのプラズマチャンバーに送る前記フッレノイド弁４８゛ とを具備している点を除き、図ＩＡからｌＤに示された具体例と同様のものであ る。予備ガス流れ４４ｆが予備ガス流れ遠隔コンソール８４を通して流れる。こ の予備ガス流れ遠隔コンソール８４にはオリフィス８４ａと圧力ゲージと流量計 とが含まれる。前記予備ガス流れは導管８２及び予備流れ断続用のソレノイド弁 ８０を挿通して枝導管７８ａに入り、次でガス送り管７８に入る０作動用のプラ ズマガス流れ４４°”は作動流れ遠隔コンソール７４を通して流動する。この作 動流れ遠隔コンソール７４にはオリフィス７４ａと圧力ゲージと流量計とが含ま れる０作動用のプラズマガス流れ４４°”は次で導管７２及びオン−オフソレノ イド弁７０を経て枝導管７８ｂに流入し、次でガス送り管７８に入る。プラズマ ガスの２つの供給源は前記枝導管７８ａ及び７８ｂを介しガス送り管７８に平行 状態で連結される。

本件出願人は、著しい電極の損耗が、アーク電流の遮断時のみならずその創始に 際して生じ得るものであることをも発見した。特には、アーク創始時におけるト ーチへのガス流れを変更させることで電極の寿命が、図ＩＡから３Ｄを参照して 先に説明したアーク電流遮断制御を使用して達成し得る実質的な改良と比較して さえも、実質的に改良され得ることが見出された。詳説すれば、以下に詳細を述 べる創始手順及び装置が、図ＩＡから３Ｄを参照して先に説明したアーク電流遮 断制御手順もまた使用した場合に、電極の寿命を２倍にすることが見出された。

従来技術の手順並びに装置を使用して入手し得る約１０倍の電極寿命を容易く得 ることが可能である。

各ソレノイド弁は電源によって創出されライン８６ａ、８６ｂ及び８６ｃを介し て送られる制御信号に応答して自動的に作動される。フッレノイド弁４８゛、７ ０及び８０もまた、先にソレノイド弁４８に関して説明した形式のソレノイド送 り弁とし得る。オリフィス８４ａ及び７４ａは手動或いは自動調節可能である。

作動に際し、本発明に従ってトーチ１２゛を始動させるために、イオン化し得る ガスの予備流れ４４ｆがその供給源からトーチへと送られる。このガスの予備流 れ４４ｆの圧力及び流量は、アークが工作物に移行される全出力作動に関する流 量及び圧力よりもずっと小さい。

図５を参照するに、プラズマトーチの創始が時間上〇の位置に示されている。オ ペレーターが制御信号を発生させると、これら制御信号はライン８６ａ及び８６ ｃを経て送られ、フンレノイド弁４８°”及び８０を夫々開放せしめるが、弁７ ６は閉じた状態のままとする。従って、トーチへの全てのガス流れは調節可能な オリフィス８４ａを通過し且つそこで制限される。このオリフィス８４ａは（ｉ ）トーチ１２°“にパイロットアークを創始し且つ維持するに十分な、しかしま た（ｉｆ）本発明の電極損耗を改良するという特徴が見られる移行アークモード での全動作値よりも十分に小さいガス質量流量を確立するよう設定される。例示 上、ハイバーサームＭＡＸ１００型のトーチのための全流量は４０ｓｃｆｈ　（ 標準状態で約１．１３ｍ”／ｈ）とし得、またガスの予備流れは２４ｓｃｆｈ　 （標準状態で約０．６８ｍ”／ｈ）或いは全流量の約６０％とし得る。ガスの予 備流れの正確な値は、アーク遮断に際してガス流れを変更する調時に関して先に 説明した如き因子に基づいて変化するが、それは先に言及した機能上の”限界” の範囲内のものである。即ち、パイロットアークを創始し得る一方で、先に説明 した程度の電極損耗の改良を成し得る値である。

図５の中央のグラフはフッレノイド弁４８′”及び８０が時間ｔ０で開いている ことを示している。最も上のグラフは、ガスの予備流れがこれらの弁を通して流 動した結果、プラズマチャンバー内のガス圧力が増大したことを表わしている。

図５の時間１＋は、アークが工作物に移行され、トーチが移行アークモードで作 動介する時間を表わす０時間ｔ０からｔｌの間隔は好ましくは、安定したガスの 予備流れを創生ずるに十分なものであり、代表的には４分である。アーク電流は 、図５の上から２番目のグラフに例示されるように、時間ｔ１の直前に於て階段 的に若干増大される。この電流は標準パイロットアーク電流である。パイロット アークはガスの予備流れが安定化された後に創始されそして短時間の間、時間ｔ 、まで維持される。損代表的な値は２０ミリセカンドである。

時間ｔ、では、移行されたアークがライン８６ｂを介してオン−オフソレノイド 弁７０を開く別の制御信号を発生する。これは図５で上から３番目のグラフに表 わされている。時間ＴＩでは電源もまたアーク電流を所望の全動作値に向けて増 大させる。同時に、制御信号８６ｃがガスの予備流れのためのオン−オフソレノ イド弁８０を閉鎖せしめる。オン−オフソレノイド弁７０が開（ことにより、ト ーチへのガス流れが増大され、これが図５で最も上のグラフに示されるように、 トーチへの入り口位置でのガス圧力を上昇させる。オリフィス７４ａはトーチへ の最大ガス流れを設定する。各ソレノイド弁からプラズマチャンバーへと流動す ることに基き、ガス流れ及び圧力の増大は鋭角的な階段関数ではなくむしろ、円 滑で勾配的な上昇を示す、ガス流れの増大は好ましくは、やはり図示されるよう に、アーク電流の増大と調和される。アーク電流並びにガス流れは正確に調和し て増大する必要はないがガス流れは、移行するアークをそのアーク電流レベルで 、次でそれ以上のレベルに於て維持するに十分なように増大されるべきである。

ガス流れはまた渦流とされるべきであり且つプラズマジェット、即ちアークを案 内するに十分な流量を有し且つそれがトーチ自身に衝突しないように収納するべ きである。こうした弁及び導管配列構成はまたそれ自体、１形式のガスをガスの 予備流れとして、また他の形式のガスをプラズマガスとしての移行アークモード での使用に適したものである。好ましくは、窒素或いはアルゴンといった反応性 のより小さいガスがガスの予備流れとして使用される。

アーク移行時のソレノイド弁７０の開放そしてオンーオフソレノイド弁８０の閉 鎖に伴うガスの予備流れから作動ガス流れへの切り替えにより、純酸素或は空気 のような反応性のより高い形式のガスを導入可能となる。別様には、ガスの予備 流れを空気とし得、また作動ガス流れを酸素とし得る。このガスの予備流れ及び 増大勾配的なアーク創始手順を、先に説明したアーク電流遮断手順と組合わせて 使用すると、電極寿命は容易に且つ信頼性の下に約１０倍延長される。

アーク電流通電開始の特徴を弁ネットワークにより創生される流量変化に関して 説明したが、アーク電流遮断に際して生じる軸方向ガス流れの有益な効果もまた アーク創始に利用される。渦流ガス流れは作動中のアークを制御するために必要 であるが、パイロットアークが創生されるに際しての少な（ともガスの予備流れ 相に於てはガス流れパターンは電極損耗を低減させるべく軸方向とし、そして時 間ｔ１での工作物への移行時に渦流流れに切り替え得る。流れパターンのこうし た変化は、時間ｔｌでの切換前、或いはその時、或いはその後の流量の増大と組 合わせ可能である。ｒ！！Ｊ３Ａから３Ｄに示される装置はアーク電流遮断時の みならず、アーク電流創生に際してこうした流れパターンを変更するために使用 し得るものである。

図４の具体例を使用しての作動のサイクルを終了させまた先に説明したアーク電 流の遮断の利益を利用するために、ソレノイド弁４８°”及び７０を時間ｔ８に 於て閉じそれによってガス圧力及びガス流量れを減少せしめ得る。これにより、 図ＩＡから３Ｄに関して先に説明した全てのアーク電流が相応して減少する０時 間ｔ、で作動のサイクルが完了し、トーチはオフとされる。

図６から８には本発明に従う新規な渦流リング９０が示される。この渦流リング ９０は図ＩＡ、ＩＢ、２Ａ、２Ｂ、そして３Ａから３Ｃに示される従来通りの渦 流リング３８に代わるものである。渦流リング９０は、図ＩＡから４を参照して 先に説明したガス流れ／アーク電流の制御手順と関連して使用するために特に設 計されたものであり、先に説明したガス流れ／アーク電流制御手順の効果が出力 のより小さい、例えば２００アンペアまでの定格のトーチを使用した場合よりも 小さいことが証明された、例えばハイバーサーム社のＨＴ４００型及びＰＡＣ５ ００型トーチと言った高出力型トーチにおける電極の損耗を低減させるのに特に 効果的である。

こうした高出力型のトーチに関しアーク電流遮断に際して流出するガス流量は、 ここに議論する装置及び方法を使用するに係わらず、オン−オフ型のソレノイド 弁４８．４８゛そして４８°１をトーチに接近して位置付けるに係わらず、そし てガス流れをアーク電流遮断の直前に全に遮断するに関わらず、ガス流量が単に 著しく減少するのとは反対に、受は入れ難い電極の損耗を生じるに十分に強（且 つ十分に時間の長いものであることが発見された。

渦流リング９０が高出力型トーチに於けるこうした問題を解決しそれにより電極 の寿命を先に図ＩＡから４を参照して説明したと同程度に延長させることが分か った。渦流リング９０は、従来から渦流リングのために使用される従来通りの構 成材料から形成される一般に環状の部材である。好ましい材料は機械加工可能な セラミックである溶岩石（Ｌａｖａ　ｒｏｃｋ）である、渦流リング９０は図６ に示されるような一般に矩形の断面形状を存し、上流側表面９０ａがガス通路４ ６°”と流体連通し、或は同等のガス送り管或はガスチャンバーがトーチ１２° ”の本体Ｃ図６から７の具体例で４つのダッシュを付記して識別される部品と同 様の部品）内部に形成され或は固着される。トーチ流れに対するガス流れ４４は 実質的に、上流側表面９０ａによっては妨害されない（先に説明した種々の弁及 び流量計の作動によるものを除く）、この渦流リング９０は、主に電極２２”、 ノズル２６”そして渦流リング９ｏそれ自体によって図示の如く画定されるプラ ズマアークチャンバー３２”に対し開放された、下方側或は下流側表面９０ｂを 具備する。内側の側方表面９０ｃもまたプラズマアークチャンバー３２“に対し 開放される。外側側方表面９０ｄはノズル２６”と電気的に接続された包囲型電 流リング９２に衝接される。

渦流リング９０の主たる特徴は予備チャンバー９４にある。この予備チャンバー ９４は好ましくは、渦流リングの外側側方表面９０ｄ内の中央の環状凹部として 形成される０本発明の他の主たる特徴は、渦流リング９０内に穿孔され且つ上流 側表面９０ａから予備チャンバー９４へと伸延し、ガス通路４６”或はこれに匹 敵する構造部分から予備チャンバーへのガス流れ４４のための流路を提供するた めの、等間隔に設けた一組の絞り孔９６にある。これらの絞り孔９６は、それら が−緒になって十分な量の作用ガスをプラズマアークチャンバーに送ることによ り、作業中のアークを安定状態に維持し且つ安定化させると同時に、そうした量 の作用ガスの流れを、これらの絞り孔９６を横断するガス圧力に有意の降下を生 じさせるに十分に制限する数及び寸法を有することが重要である０例示目的上で あって、これに限定するものではないが、プラズマガスチャンバー内のガス圧力 は、高出力型トーチの安定状態での作業中に於ては４０ｐｓｉ（約２．８１　ｋ 　ｇ／ａｍ’　）であり、絞り孔９６を横断しての圧力降下は約３２ｐｓｉ　（ ２，２５ｋｇ／ｃｍ８）である、やはり例示目的上ためのみに於て、ハイバーサ ーム社の製造するＨＴ４００型プラズマアークトーチのために好適なノズルリン グには、その各々が直径約０．０１８インチ（約０．４５７ミリメードル）、長 さが約０．１３６インチ（約３．４５ミリメートル）の６つの絞り孔が等間隔に 設けられる。

渦流リングに入りそして予備チャンバー９４内に保持されたガスは、渦流リング の下流側表面９０ｂ内に傾斜状態で穿孔された一組の渦流孔９８及び内側側方表 面９０ｃに穿孔された一組の半径方向孔１００を介してプラズマアークチャンバ ーへと出る。これらの渦流孔は等間隔に設けられそれにより、プラズマアークチ ャンバー内での渦流ガスの均等な流れ分布の創出を容易化する。例示目的上であ ってこれに限定するものではないが、２４の渦流孔９８が設けられる。これらの 渦流孔は各々、直径が０．０２５インチ（約０．６３５ミリメートル）であり、 その垂直方向からの傾斜角度は、渦流リングを出るガス流れに接線方向成分を導 入するために２０°とされる。半径方向孔もまた、プラズマアークチャンバーへ のガスの軸方向流れを創生させるべく、予備チャンバーからプラズマアークチャ ンバーへと伸延される。これら半径方向孔１００の数及び寸法は、安定状態での 作業中にそれらがプラズマアークチャンバーにある程度の軸方向流れを導入する ために貢献するが、そうした軸方向流れが渦流流れの上流側に導入され従って、 その流れパターンは通常の作動時の渦流によって消滅されるようなものである。

これら半径方向孔は、プラズマアークチャンバーを貫いてのガスの均等な分与を 、ガス流れに対する前述の如き軸方向流れの導入及びプラズマアークチャンバー の上端部を、絞り孔９６と隣り合うその下端部と同一のガス圧力位置に配置する ことにより助成する０例示目的上であってこれに限定するものではないが、半径 方向孔１００は４つであり、等間隔に離間され、その最小直径は絞り孔と同じで ０．０１８インチ（約０．４５７ミリメードル）である。

例示され且つ説明された好ましい形態に於ては、渦流リング９０には３つのチャ ンバー、即ちガス通路４６′”、予備チャンバー９４そしてプラズマアークチャ ンバー３２”の流体を隔絶するための３つのシールが必要である。第１の０−リ ング１０２が渦流リングの上流側表面の肩部凹所９０ａ’に座着されこれが、ガ スがトーチ本体部からプラズマアークチャンバーへと直接流出するのを阻止する 。０−リング１０２はトーチ本体部の部分４０゛を衝接状態でシールする。第２ の０−リング１０４が渦流リングの外側側方表面９０ｄに形成した環状凹所９０ ｅに座着されこれが、トーチ本体部からプラズマアークチャンバーへのガスの直 接流れを阻止する。

第２のＯ−リング１０４は渦流リング９２を衝接状態でシールする。第１のＯ− リング１０２及び第２のＯ−リング１０４はプラズマガスを、トーチ本体部を貫 いて予備チャンバー９４へもまた押送する。第３の０−リング１ｏ６が、渦流リ ングの下流側側方表面９０ｂに形成した環状凹所９０ｆ内に座着されこれが、プ ラズマアークチャンバー３２”を通り出口オリフィス１６”を経て渦流リングを 出る以外のガスの漏れ出しを阻止する。

第３の０−リング１０６はノズル２６”を衝接状態でシールする。

この渦流リング構成では、プラズマアークチャンバーに極めて接近して有意の流 れの制限を生じる絞り孔９６が配置される。アーク電流遮断に際し、プラズマア ークが冷却され且つガスが急激に流出されるに従い、絞り孔位置でのガス圧力の 降下が、トーチ本体内とソレノイド弁４８．４８゛及び４８°゛そして渦流リン グとの間に掛は渡された比較的短いガス導管内に保持されたガスの流出を制限す る。（最も近い上流側の弁は、プラズマアークチャンバー内のプラズマガス流れ の急速な遮断を助成するためにアーク電流の遮断に先立って閉鎖される）従って 予備チャンバー９４は、ガス流れの遮断とアーク電流の全遮断との間の数ミリセ カンドに於てプラズマガスをプラズマアークチャンバーに供給するための小型の 近接供給源として作用する。このことは、単にアーク電流の遮断に先立ってガス 流れ全体を遮断するのみによって（残留ガスを切断作業のために使い切り可能と する）アークが不安定化されノズルに衝突するようになることから、重要である 。従って予備チャンバーはガスの遮断とアーク電流の遮断との間の時間間隔Δｔ の間に、アークを安定状況に維持するに十分な、しかし従来技術のプラズマアー クトーチにおける程度には電極を損耗させるには不十分な量に於て、ある量のガ スをプラズマアークチャンバーに供給するべく寸法付けされる８例示目的のため であってこれに限定するものではないが、予備チャンバー９４は約０．１１４イ ンチｘｏ、１８フインチ（約２．８９Ｘ約４．７５ミリメートル）の断面を有し 、ハイバーサーム社の）Ｉ７４００型トーチ及び例示された孔の先の直径寸法と 共に使用するためのその内径は約０．７６４インチ（約１９．４ミリメートル） 、外径は約０．９９６インチ（約２５．３ミリメートル）である。

図８には図６及び７に示されるグラフには渦流リングのガス制御機能が、やけり ハイバーサーム社のＭＡＸ２０゛０型プラズマアークトーチのために先に議論さ れたガス流れ及びアーク電流の通電開始及び遮断時の制御と共に使用された場合 に於て例示されている。アーク創生に際しプラズマアークチャンバー内のガス圧 力を約４ｐｓｉ（約０．２８ｋｇ／ｃｍ”　）とするためにガスが予備送流され る。パイロットアークが創生されるとガス圧力は約１２ｐｓｉ　（約０．０．８ ４ｋｇ／ｃｍ”　）に上昇する。アークが工作物に移行するに際してはプラズマ ガスの圧力は弁が開放されるに従い更に増大され、それにより、アーク電流がそ の作動上の最大値へと増大される０作動サイクルが完了すると、アーク電流は傾 斜状態で徐々に降下され（ｔオ、□ア）次いでプラズマガスの流れが上流側のソ レノイド弁４８゛に於て遮断される。

これにより、渦流孔９８及び半径方向孔１００を通して予備チャンバーを出るガ スが、絞り孔９６が上流側の導管、トーチ本体内の流路或はチャンバーから流入 するガスを制御する状態の下で、アークを安定化させる。好ましくは、図示され るようにアーク電流はプラズマガスの圧力が降下して約４ｐｓｉ　（約０．２８ ｋｇ／ｃｍ”　）となった時点で全遮断される。言い換えると、アーク電流が遮 断されプラズマガスが冷却されるに際しての急速な膨張のために入手し得るガス の量は極めて僅かである。これにより、先に説明した作業及び電極寿命の延長の ためのガス制御／アーク電流制御の手順を、高出力型のトーチのためにさえも実 施可能となる。渦流リング及び関連するガス流れの制御はまた、低出力から中出 力型のトーチにおける電極の寿命をも延長させる。

本発明に従う渦流リング９０の他の重要な特徴は、この渦流リング内部に形成さ れるガス搬送用の絞り孔９６、渦流孔９８及び半径方向孔１００の寸法、数及び 位置に基いてガスを極めて均一に分布させることである。これは、例えばトーチ 本体からプラズマアークチャンバーへのガスの流出を単に制限させるためのみに 考えられたような便宜的手段とは対照的である。１つの制限部に於て、その出口 部分に非−均一の、高速のガスジェットが創出されることが分かった。このガス ジェットは電極に著しく不均等な損耗を生じ工作物における切断の品質を低下さ せた０本発明の特徴は、プラズマガス流れのパターンが絞り孔とは実質的に無関 係なことである。

プラズマガス流れのパターンは、従来通りのプラズマアーク式切断トーチのため に使用される標準的技法を使用して変更可能である。

プラズマアークトーチ、特には高出力の切断用トーチの、しかし一般にはプラズ マトーチの全ての形式、例えば溶接、噴霧その他の用途のためのものでの電極の 損耗を低減させるためのガス流れ制御方法及び新規な渦流リング構造室が説明さ れた０本発明は、その任意の具体例に於て、全ての電極に於て現在生じている電 極の損耗を低減し、その寿命を少なくとも２倍に、そして１０倍或はそれ以上に 伸ばすことが可能である０本発明によれば所定のトーチをより大きな電力レベル でしかも反応性ガスと共に作動させることが出来る。こうした利益は、切断の品 質を低下させることなく、また標準的な電極及びノズルを使用して実現可能であ る。実際、渦流流れが切断中には電極を損耗しないことが分かり、また強い渦流 が高品質の切断を生むことが分かったことから、今やトーチ内での渦流の強さを 増大させて切断品質を向上させることが可能である。更には、既存のプラズマア ークトーチ及び金なトーチシステムを、本発明を使用するべく容易に改変可能で ある。

以上本発明を具体例を参照して説明したが、本発明の内で多くの変更を成し得る ことを理解されたい０例えば、本発明を絞り孔及び予備チャンバーを収納する渦 流リングに関して説明したが、これらの特徴部分はトーチ本体、トーチ本体を構 成する部品その他、ノズルそれ自体或は保持キャップのフランジの如きその他部 品にさえも組込み可能である０本発明に従う流量制御の概念は、その実施の詳細 に関わらず、プラズマガス流れの制限部分がプラズマガス流路のプラズマガスチ ャンバーの直前に位置付けられ、そして小型のガス供給源が制限部分の下流側で 、しかしプラズマガスチャンバーの上流側で入手可能とされることである。これ ら及びその他の改変及び変更は添付する請求の範囲の範囲内に属することが意図 される。

要　約　書 プラズマアークトーチ１４の電極の損耗を低減するための方法及び装置であって 、トーチから、電極２２及びノズル２６によって画定されるプラズマアークチャ ンバー３２へのプラズマガスの流れに実質的な圧力降下を提供することが含まれ る。圧力降下はプラズマアークチャンバー３２の直前に於て生じる。小型の、近 接ガス供給源が、圧力降下の生じる位置及びプラズマアークチャンバー間に位置 付けられる。この近接ガス供給源は、ガス流れが圧力降下位置の上流で遮断され そしてアーク電流がそのすぐ後で遮断された場合にアークを安定化させるに十分 なものである。圧力降下は１通常作働中に適量のプラズマガスをプラズマアーク チャンバー３２に送込み可能とするに十分小さいがしかし、アーク電流が遮断さ れた場合にプラズマアークチャンバーからトーチ内部の残留ガスを隔絶するに十 分大きなものである０本発明の装置は好ましくは渦流リング２８であり、該渦流 リングはガスをプラズマガスチャンバーに送り且つ圧力降下を創生ずるための一 組の絞り穴によって送給される環状の予備チャンバー４２を具備する。−組のガ ス導入穴３０が前記予備チャンバー４２からプラズマアークチャンバーへとガス を送給する。

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. １．プラズマアークトーチのトーチ本体内部に該プラズマアークトーチのノズル と対向状態で且つ前記ノズルから離間した状態で電極が取付けられ、前記ノズル がプラズマアークのための出口オリフィスを具備し、前記電極及びノズルがプラ ズマアークチャンバーを画定し、前記トーチ本体がそこを通して前記プラズマア ークチャンバーにイオン化し得るガスのガス流れを送るための手段を含み、トー チ本体が、前記電極から前記ノズルヘのパイロットアークとして且つ全作動アー ク電流出力値に於て工作物に移行するアークとしての両方のために放出されるプ ラズマアークを、前記ガス流れの内に創生させるための、アーク電流のための導 電路を具備してなるプラズマアークトーチの作動サイクル終了時に、プラズマア ークトーチを貫くアーク電流とプラズマガス流れとを遮断する際の電極の損耗を 制御するための方法であって、前記イオン化し得るガスのガス流れでの圧力降下 を前記プラズマアークチャンバーの直前の上流位置に於て創生する圧力降下段階 にして、前記圧力降下が前記ガス流れが全作動値に於てプラズマアークチャンバ ーに流入しそれにより該プラズマアークチャンバー内にアークを安定させるため のガス圧力及びガス流れパターンを創出するに十分小さく、また、前記圧力降下 が、前記アーク電流の遮断時に前記プラズマアークチャンバーを通るガス圧力及 びガス流れがアーク電流遮断と協動して急激に減少されるに十分大きい前記前記 圧力降下段階を含んでいる、前記プラズマアークトーチを貫くアーク電流及びプ ラズマガス流れを遮断する際の電極の損耗を制御するための方法。
2. ２．圧力降下段階によって、プラズマアークトーチ内部のプラズマアークチャン バーへのガス流れが制限されるようになっている請求の範囲１に記載のプラズマ アークトーチを貫くアーク電流及びプラズマガス流れを遮断する際の電極の損耗 を制御するための方法。
3. ３．圧力降下が創生される位置及びプラズマアークチャンバー間に近接ガス供給 源を設ける段階が含まれる請求の範囲１に記載のプラズマアークトーチを貫くア ーク電流及びプラズマガス流れを遮断する際の電極の損耗を制御するための方法 。
4. ４．近接ガス供給源からプラズマアークチャンバーにイオン化し得るガスのガス 流れを渦流の流れパターンに於て分与する段階を含む請求の範囲３に記載のプラ ズマアークトーチを貫くアーク電流及びプラズマガス流れを遮断する際の電極の 損耗を制御するための方法。
5. ５．近接ガス供給源からプラズマアークチャンバーにイオン化し得るガスのガス 流れを渦流の流れパターンに於て分与する段階が、プラズマアークチャンバーを 通しての一般に等間隔のガス流れを創生する段階が含まれる請求の範囲４に記載 のプラズマアークトーチを貫くアーク電流及びプラズマガス流れを遮断する際の 電極の損耗を制御するための方法。
6. ６．ガス流れの遮断は、極めて短い時間間隔に於てアーク電流の遮断に先行され 、消滅に至るまでのアークを近接ガス供給源及びプラズマアークチャンバー内に 保持されたガスによって安定化させる段階が含まれる請求の範囲１に記載のプラ ズマアークトーチを貫くアーク電流及びプラズマガス流れを遮断する際の電極の 損耗を制御するための方法。
7. ７．アーク電流の遮断は減少勾配的に為される請求の範囲６に記載のプラズマア ークトーチを貫くアーク電流及びプラズマガス流れを遮断する際の電極の損耗を 制御するための方法。
8. ８．ノズル及び電極をその一端部に離間関係で設け、前記ノズル及び電極間にプ ラズマアークチャンバーが画定されて成るトーチ本体を具備し、該トーチ本体を 通して伝達されるアーク電流が、前記トーチ本体を通しガス入口通路に送られる イオン化し得るガスのガス流れの内部にプラズマアークを創生し、該プラズマア ークが移行アークモードでの作働中にノズル内の出口オリフィスを介して工作物 に移行されるようになっているプラズマアークトーチにおけるガス制御用の渦流 リングであって、前記トーチ本体内のイオン化し得るガスのガス流れと流体連通 する上流側表面と、プラズマアークチャンバーと流体連通する下流側表面とを具 備する一般に環状の胴部と、 該胴部内に形成されたガスチャンバーと、前記胴部の上流側表面から前記ガスチ ャンバーへと伸延する複数のガス入口通路にして、ガスチャンバーへのイオン化 し得るガスのガス流れを制限しそれにより、前記ガス流れの内部に圧力降下を創 生するための寸法とされた前記複数のガス入口通路と、 前記胴部内に形成され前記ガスチャンバー及びプラズマアークチャンバー間を伸 延しそれにより、前記ガスチャンバー内に一般に均一なガスの流れを分与する複 数のガス導入穴と から構成されるプラズマアークトーチにおけるガス制御用の渦流リング。
9. ９．ガスチャンバーには、胴部の上流側表面及び下流側表面間でその外側表面に 形成された第１の環状凹部が含まれる請求の範囲８に記載のプラズマアークトー チにおけるガス制御用の渦流リング。
10. １０．渦流リングの胴部の上流側表面及び第１の環状凹部間でその外側表面に形 成された環状の第１のシール用凹部が含まれる請求の範囲９に記載のプラズマア ークトーチにおけるガス制御用の渦流リング。
11. １１．渦流リンクの胴部の上流側表面及び下流側表面に形成された環状の第２の シール用凹部及び環状の第３のシール用凹部が含まれる請求の範囲９に記載のプ ラズマアークトーチにおけるガス制御用の渦流リング。
12. １２．渦流リングの胴部内に形成された半径方向に配向された複数の孔にして、 ガスチャンバーから前記胴部の内側表面に伸延され、前記胴部の上流側表面及び 下流側表面間に伸延され且つプラズマアークチャンバーと流体連通される前記半 径方向に配向された複数の孔を含んでいる請求の範囲８に記載のプラズマアーク トーチにおけるガス制御用の渦流リング。
13. １３．ガス入口通路及びガス導入穴は各々、相互に等間隔に離間され且つその最 小数は４である請求の範囲８に記載のプラズマアークトーチにおけるガス制御用 の渦流リング。
14. １４．作働中におけるプラズマアークチャンバー内のガス圧力は約４０ｐｓｉ（ 約２．８１ｋｇ／ｃｍ２）であり、圧力降下は約３２ｐｓｉ（約２．２５ｋｇ／ ｃｍ２）である請求の範囲８に記載のプラズマアークトーチにおけるガス制御用 の渦流リング。