JPH07185823A

JPH07185823A - プラズマトーチ

Info

Publication number: JPH07185823A
Application number: JP5312877A
Authority: JP
Inventors: Shunichi Sakuragi; 俊一桜木; Naoya Tsurumaki; 直哉鶴巻
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1992-11-27
Filing date: 1993-11-19
Publication date: 1995-07-25

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明はプラズマトーチに係わり、特には、
移行式アークジェットを発生するプラズマトーチによる
切断時の品質向上に関する。【構成】プラズマトーチ内を流れ、スワラー部材で旋
回気流にされる作動ガスを電極端面よりテーパ部を有す
る電極の外周に沿って被切断材側に流し、作動ガスをプ
ラズマトーチの先端のノズルより被切断材に向けて噴出
するプラズマトーチにおいて、電極の外周に沿って流れ
る作動ガスの軸方向速度成分を小さくする速度緩和空間
を、電極下端面の同一面近傍からプラズマトーチの先端
のノズル側に設けている。また、速度緩和空間は円筒形
よりなり、円筒形の直径が電極下端面の直径より大き
く、かつ、円筒形の高さより大きく形成される。さら
に、アークジェットの持つエネルギー密度が４×１０⁵
Ａ・Ｓ／ｋｇより大きい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプラズマトーチに係わ
り、特には、移行式アークジェットを発生させて被切断
材を切断するプラズマトーチに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、鉄鋼やステンレス鋼等の被切断材
を精度良く、溶融金属（以下、ドロスという。）の付着
が無く、かつ、切断幅が狭く、厚板まで切断可能で長寿
命なプラズマトーチが望まれている。このため、本出願
人は実願平１−７２９１９号等で移行式プラズマトーチ
についての提案を行っている。例えば、図７および図８
は従来提案した移行式プラズマトーチに装着されている
ノズルおよび電極部の断面図の一例を示し、作動ガスに
旋回気流を生じさせている。図７に示す移行式プラズマ
トーチ５０は、電極５１の電極部材５１ａとノズル５２
との間に生じたアークをスイッチ５３で切り換え、被切
断材５４に移行させている。このプラズマトーチ５０で
は、ノズル５２内に配設されている電極５１の周囲にス
ワラー部材５５が挿入され、このスワラー部材５５には
斜め下方に向けて複数個の穴５５ａがあけられている。
作動ガスは、この複数個の穴５５ａ内を通過した後に旋
回気流になるとともに、ノズル５２の先端部のＶ形状の
一様な傾斜角の加速区間５２ａで連続的に加速され、ア
ークジェット５６を拘束するノズル拘束部５２ｂに至
り、アークジェット５６が直進するように拘束してい
る。

【０００３】図８のプラズマトーチ６０では、ノズル６
１内に配設されている電極６２の周囲にスワラー部材６
３が挿入され、このスワラー部材６３にはプラズマトー
チ６０の軸芯Ｚに対して垂直方向で、かつ、スワラー部
材６３の内周面に対して接線方向に向けて複数個の穴６
３ａがあけられている。また、電極６２の下方側のノズ
ル６１の先端側には、電極６２の電極部材６２ａの下端
面から下方に離れて速度緩和空間６１ａが配設されてい
る。作動ガスは、この複数個の穴６３ａ内を通過した後
に旋回気流になるとともに、速度緩和空間６１ａ内では
旋回気流によりトーチの中心軸およびその近傍部に形成
される低圧空間部でアークジェット５６を保持してい
る。また、ノズル６１は上流側に速度緩和空間６１ａを
有するのでノズル拘束部６１ｂから噴出されるアークジ
ェット５６の偏向を防止し直線性の良いアークジェット
５６を生成し、被切断材５４を良好に切断している。

【０００４】また、別の従来技術として、切断時に作動
ガスである酸素ガスの周囲を更に酸素カーテンで覆った
アークジェットによって被切断材を切断する方法によ
り、ドロスの付着を無くすることが知られている（例え
ば特開昭５９−２２９２８２号公報参照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術には次のような問題点がある。上記移行式プラ
ズマトーチにおいて、従来使用されている電流を電極に
流し、かつ、従来の作動ガス流量を供給した場合には、
ドロスの付着が無い切断は困難であり、また、条件を変
更しても達成するのは困難であると考えられていた。次
の、酸素カーテンを使用する切断方法においては、カー
テンとなる酸素の使用により、ガス消費量が多く、また
バーニング現象による切断面の寸法等の精度低下という
問題がある。

【０００６】本発明は上記の問題点に着目してなされた
もので、プラズマトーチに係わり、特には、移行式アー
クジェットを発生するプラズマトーチにおいて、ドロス
の付着が無い、さらには、アークジェットを安定にし、
ノズル等の寿命が長いプラズマトーチを提供することを
目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的達成のため、本
発明に係わるプラズマトーチの第１の発明では、プラズ
マトーチ内を流れ、スワラー部材で旋回気流にされる作
動ガスを電極端面よりテーパ部を有する電極の外周に沿
って被切断材側に流し、前記作動ガスをプラズマトーチ
の先端のノズルより被切断材に向けて噴出するプラズマ
トーチにおいて、電極の外周に沿って流れる作動ガスの
軸方向速度成分を小さくする速度緩和空間を、電極下端
面の同一面近傍からプラズマトーチの先端のノズル側に
設けることを特徴とする。

【０００８】第１の発明を主体とする第２の発明では、
速度緩和空間は円筒形よりなり、かつ、円筒形の直径が
電極下端面の直径より大きく形成される。第２の発明を
主体とする第３の発明では、円筒形の直径は電極下端面
の直径より大きく、かつ、円筒形の高さより大きく形成
される。第１の発明乃至第３の発明を主体とする第４の
発明では、スワラー部材で旋回気流にされる作動ガス
が、電極の外周にほぼ平行に設けられるパイプ状の円筒
形よりなる助走区間、電極のテーパ部に設けられる薄い
円錐形よりなる加速区間、速度緩和空間、速度緩和空間
の下方に設けられる円錐形よりなる加速空間、およびノ
ズルの円筒形よりなる拘束部の通路を順順に流れ、被切
断材に向かい噴出する。

【０００９】第５の発明では、プラズマトーチ内を流
れ、スワラー部材で旋回気流にされる作動ガスを電極端
面よりテーパ部を有する電極の外周に沿って被切断材側
に流し、前記作動ガスを電極により発生するアークとと
もにアークジェットとしてプラズマトーチの先端のノズ
ルより被切断材に向かい噴出するプラズマトーチにおい
て、アークジェットの持つエネルギー密度が４×１０⁵
〔（アンペア×秒）／ｋｇ〕より大きいことを特徴とす
る。このとき、アークジェットの持つエネルギー密度
は、〔アーク電流値Ｉ（アンペア）／作動ガス流量ｍ
（ｋｇ／秒）〕よりなる（以下、ｍは単位時間（秒）当
たりに流れる作動ガスの流量（ｋｇ）を表す。）。

【００１０】また、第６の発明では、プラズマトーチの
中心軸とほぼ垂直な平面上で、接線方向の旋回速度成分
Ｖθのみを有する噴流を生成する複数個の噴出孔からな
る作動ガスに旋回気流を与えるスワラー部材を所有する
プラズマトーチにおいて、ほぼ円筒形の速度緩和空間を
有し、以下に示す寸法形状よりなることを特徴とする。
寸法形状は、０≦Ｈｄ≦７Ｄｅ、３０°≦φ≦１００
°、９０°≦θ≦１５０°、０．５Ｄｅ≦Ｈａ≦２．５Ｄｅ、４Ｄｅ≦Ｄｄ≦１０Ｄｅ、 −０．４Ｄｅ≦Ｈｂ≦０．６Ｄｅ、２．５Ｄｅ≦Ｈｃ≦４Ｄｅ、但し、Ｄｅはノズルの口径を表す。

【００１１】

【作用】上記構成による本発明の作用を説明する。本発
明の第１の特徴は、まず、速度緩和空間を電極下端面の
同一面近傍からプラズマトーチの先端のノズル側に設け
ることにより、プラズマトーチ内部のアークジェットの
大半を速度緩和空間内で保持することが可能になり、プ
ラズマトーチ内部でのアークジェットの安定性が良くな
る。次に、速度緩和空間が円筒形よりなり、かつ、円筒
形の直径を電極下端面の直径より大きくすることによ
り、プラズマトーチ内部のアークジェットの半径方向の
揺らぎ、すなわち、アークジェットのふらつきに対し
て、安定性を増すことができる。これは半径方向の気体
絶縁層の厚さを大きくすることであり、ダブルアーク等
の不正放電の発生を防止することが可能となる。また、
円筒形の直径が電極下端面の直径より大きく、かつ、円
筒形の高さより大きく形成することで、速度緩和空間内
で保持されるアークジェットの軸方向の長さが相対的に
短くなり、アークジェットの増長時に発生するキンク不
安定性等の不具合現象を防止できる。さらに、スワラー
部材で旋回気流にされる作動ガスを、助走区間、加速区
間、速度緩和空間、加速空間、および拘束部の通路を順
順に流すことで、プラズマトーチ内部での作動ガスのス
ムーズな流れとアークジェットの安定保持とを両立可能
にする。

【００１２】本発明の第２の特徴は、アークジェットの
持つエネルギー密度を４×１０⁵Ａ・Ｓ／ｋｇより大き
くすることで、ドロス付着のない切断を可能とする。ま
た、本発明の第３の特徴は、ほぼ円筒形の速度緩和空間
を有し、所定の寸法形状よりなるプラズマトーチとする
ことで、ドロス付着のない切断を可能とすると共に、必
要に応じた設計が可能になる。

【００１３】

【実施例】以下に、本発明に係るプラズマトーチの実施
例につき、図面を参照して詳細に説明する。図１にプラ
ズマトーチのノズル先端部の概要図を示す。図１（ａ）
は断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の寸法符号等
を表す図である。プラズマトーチ１の軸芯部には電極３
が、その外方には電極３と同心的に絶縁部材５が、さら
にその外方には電極３と同心的にスワラー部材７とノズ
ル９が配設されている。

【００１４】電極３は、銅等の導電性部材と、先端のほ
ぼ中央部に埋め込まれるハフニウム、タングステン、あ
るいは銀等の電極部材３ａとからなる。電極下端面３ｂ
は電極部材３ａより外方径となる直径ｄａの平面部であ
り、電極下端面３ｂより上方の電極外径ｄｂに向けてテ
ーパ部Ｅ（テーパ角度α）が設けられている。絶縁部材
５は、セラミック等の絶縁材料より構成され、電極３と
ノズル９とを電気的に絶縁するものである。絶縁部材５
の内周面には外径ｄｂの電極３が、絶縁部材５の下部の
外周面には内径Ｄａのスワラー部材７が、各々に枢密に
嵌合されている。また、絶縁部材５の外径ｄｃの外周面
と、ノズル９の内径Ｄｂなる内周面との間には供給ガス
通路１１が形成されている。また、絶縁部材５の下端部
５ａの下方にはスワラー部材７からのガス通路１３が配
設されている。

【００１５】スワラー部材７は快削鋼、銅等の耐高温
性、加工性に優れた材料から構成され、その内周面には
絶縁部材５が、その外周面にはノズル９の内径Ｄｂなる
内周面が枢密に嵌合されている。また、スワラー部材７
の外周には、軸芯方向に沿って２カ所以上のガス通路の
スリット７ａが等間隔に形成され、さらに、このスリッ
ト７ａから図２に示すように内径方向に向けて、軸芯
（図２においては、Ｘ軸あるいはＹ軸）とほぼ垂直方向
に、かつ、供給ガス通路１１の径に対して接線方向に向
けて等間隔の噴出孔である穴７ｂがあけられている。な
お、本実施例では、スリットを設けたがスワラー部材７
の外周を小さく切削し通路を設けても良い。この穴７ｂ
の軸芯は垂直方向（図１の図示の上下方向）に±５°以
下であり、好ましくは±３°以下が良い。穴７ｂは絶縁
部材５の下端部５ａより下方に開けられている。

【００１６】ノズル９は鉄系材料、銅系材料、あるいは
ステンレス等の導電体で構成され、その内径Ｄｂの内周
面にはスワラー部材７の外周面が枢密に嵌合されるとと
もにスワラー部材７の一端面７ｃが当接する。さらに、
ノズル９は上方において、図示しない陽極に接続され、
かつ、図示しないトーチ本体にネジ等により着脱自在に
係止されている。また、スワラー部材７の内径Ｄａとほ
ぼ等しいノズル９の内径Ｄｃの面は、電極３の外径ｄｂ
の面とほぼ平行であり、平行部長さがＨｄである。この
ノズル９の内径Ｄｃ面と、電極３の外周面で内径Ｄｃ面
に対応する面から構成されるパイプ状の円筒形を助走区
間Ｌという。なお、この助走区間Ｌにおける電極３の外
周面は、下部外径部がテーパ、例えばテーパ部Ｅの一部
を含む構成にしても良い。

【００１７】さらに、ノズル９は内径Ｄｃより下方（ノ
ズル先端部）に向けて先細りとなるテーパ部Ｍを形成
し、このテーパ部Ｍの角度φは電極３のテーパ角度αと
ほぼ等しいか、それより大きく形成されている。このテ
ーパ部Ｍからさらに下方で、かつ、電極下端面３ｂの近
傍（軸芯方向の距離）において、円筒部（以下、速度緩
和空間Ｎという。）が形成される。速度緩和空間Ｎは電
極軸芯と同心で、円筒形状よりなり、かつ、直径Ｄｄが
電極下端面３ｂの直径ｄａより大きく、さらに、速度緩
和空間Ｎの高さＨａが直径Ｄｄより小さく形成されてい
る。なお、上記の速度緩和空間Ｎの円筒形の上端と電極
下端面３ｂとの軸芯方向の距離Ｈｂ関し、図１では電極
下端面３ｂが速度緩和空間Ｎのの上方に示されている
が、電極下端面３ｂが速度緩和空間Ｎの中に入っていて
も良い。この場合、速度緩和空間Ｎの形状は、上端部が
凹形の円筒形となる。

【００１８】さらに、速度緩和空間Ｎの直径Ｄｄから下
方に向かって角度θにより形成されるテーパ部（以下、
加速空間Ｐという。）により先細りとなり、ノズル７の
端面に形成されたノズル口径Ｄｅに接続されている。ノ
ズル口径Ｄｅは被切断材の材質、厚さ、あるいは、切断
幅精度、等により所定の寸法に設定される。また、ノズ
ル口径Ｄｅの長さＨｃも同様に設定される。以下、ノズ
ル口径Ｄｅおよび長さＨｃを含めてノズル拘束部９ａと
いう。

【００１９】以上の各部品の構成に於いて、作動ガス通
路をまとめると、作動ガス通路は電極３の外周とスワラ
ー部材７およびノズル９の内径との間に設けられたパイ
プ状のほぼ平行な円筒形よりなる助走区間Ｌから、助走
区間Ｌに滑らかな角度で接続された電極３のテーパ部Ｅ
とノズル９のテーパ部Ｍとの間に設けられた内外両面が
テーパ状の薄い円錐形よりなる加速区間（以下、加速区
間Ｍという。）に続き、さらに、加速区間Ｍの終端部で
は、電極下端面３ｂの近傍に設けられた円筒形よりなる
速度緩和空間Ｎになる。速度緩和空間Ｎに流入した作動
ガスは、速度緩和空間Ｎの下方に設けられた加速空間Ｐ
を経て、ノズル９の先端部で円筒形よりなるノズル拘束
部９ａの通路を順順に流れ、図示しない被切断材に向け
てアークジェットとして噴出する。なお、上記構成にお
いて、各構成部材の材料を記載したが、これに限定され
ることはない。

【００２０】上記構成において、次に作動について説明
する。作動ガスは、絶縁部材５の外径ｄｃとノズル７の
内径Ｄｂとの間の供給ガス通路１１から、スワラー部材
７のスリット７ａを経て、スワラー部材７に等間隔に設
けられた穴７ｂから内方のガス通路１３に流入する。流
入時、図２に示すように、等価となる複数の穴７ｂから
でるガス流体は接線方向の速度成分Ｖθのみを有する噴
流となって流れ、接線スワラーとなっている。この接線
スワラーは、ガス通路１３から助走区間Ｌを通過するこ
とにより一様な旋回気流の作動ガスとなり、さらに助走
区間Ｌから滑らかな角度で接続された下方の加速区間Ｍ
に入る。加速区間Ｍで加速された旋回気流は電極下端面
３ｂの近傍に設けられた速度緩和空間Ｎに流入する。

【００２１】速度緩和空間Ｎでは、接線スワラーによる
旋回気流が生成する旋回中心部の低い圧力、即ち、気流
の旋回速度成分による遠心力にて発生する軸対称圧力勾
配（中心軸線上で最小となる）を用いて、プラズマトー
チ内のアークジェット（以下、アーク柱という。）を電
極軸芯に安定的に保持する。なお、このとき、速度緩和
空間Ｎでは、通路面積の拡大にともない軸方向速度成分
の大きさは減少する反面、旋回速度成分の大きさは減少
すること無く良好に保たれ、アーク柱を安定的に保持す
るために必要な急峻な軸対称圧力勾配を作り出すことが
できる。また、速度緩和空間Ｎの直径Ｄｄが大きいの
で、アーク柱外縁（電流境界）と速度緩和空間Ｎの壁と
の間の距離が大きくなり、気体絶縁層の厚さが増し、耐
ダブルアーク性を向上させるとともに、ダブルアークの
発生を抑制している。

【００２２】速度緩和空間Ｎから次の加速空間Ｐでは、
短距離の間に作動ガスを漸次加速するとともに絞り、速
度緩和空間Ｎで電極軸芯に保持したアーク柱を細くして
ノズル拘束部９ａに流す。ノズル拘束部９ａでは所定の
プラズマアークとなり、電極３から被切断材に短距離に
て到達する。以上のように電極下端面３ｂからノズル拘
束部９ａの入口までの長さを短くすることにより、アー
ク柱の保持長さを短くし、気流中に形成されるアーク柱
の保有する種々の不安定性、例えば、アーク柱のふらつ
き等を減少させる。

【００２３】以上詳述した本発明に係わるプラズマトー
チ１と、本発明者が提案した従来のプラズマトーチ６０
との実験例を以下に述べる。実験例１．付着ドロス高さ
の実験、本実験例では、旋回気流を発生し、かつ速度緩
和空間６１ａを有する従来のプラズマトーチ６０（図８
参照）を用いて、作動ガス流量および切断速度を変えた
ときに発生する付着ドロス高さを調べた。本実験は、従
来のノズルおよび電極を用いたプラズマトーチの場合
に、ダブルアークの発生限界電流が小さいためアークジ
ェットの持つエネルギー密度Ｉ／ｍを大きくすることが
困難であり、特に、移行式アークジェットを用いたプラ
ズマトーチで鋼板を切断する場合には、アークジェット
の持つエネルギー密度Ｉ／ｍを大きくする必要があり、
ドロスの付着が無い切断を行うことをさらに困難にして
いることの確認と、従来行われていないエネルギー密度
Ｉ／ｍ領域でのドロス付着等の解明とをするために実施
した。図３にプラズマトーチ６０の寸法符号等の説明図
を示す。なお、同一部品には同一符号を付して説明は省
略する。

【００２４】（１）実験に用いたプラズマトーチ６０の
主要な寸法形状電極６２の外径ｄｂ_X＝５．５ｍｍ電極６２の下端面の直径ｄａ_X＝２．７ｍｍ電極６２のテーパ角度α_X＝９０° スワラー部材６３の内径Ｄａ_X＝８．５ｍｍプラズマトーチ１の平行部長さＨｄに相当する長さ＝０
ｍｍ速度緩和空間６１ａの直径Ｄｄ_X＝２．０ｍｍ速度緩和空間６１ａの高さＨａ_X＝１．５ｍｍ速度緩和空間６１ａの下方のノズル６１の角度θ_X＝１
２０° ノズル６１の角度φ_X＝９０° ノズル６１の口径Ｄｅ＝０．８ｍｍ電極６２の下端面と速度緩和空間６１ａの距離Ｈｂ_X＝
１．３ｍｍノズル拘束部６１ａの長さＨｃ_X＝２．６ｍｍ

【００２５】（２）切断時の条件アーク電流値Ｉ＝３７Ａ作動ガスの種類＝酸素作動ガス流量ｍ（以下の４種類）＝１１．５×１０^-5ｋｇ／Ｓ（図４の線Ｌ１）＝９．５×１０^-5ｋｇ／Ｓ（図４の線Ｌ２）＝７．５×１０^-5ｋｇ／Ｓ（図４の線Ｌ３）＝６．０×１０^-5ｋｇ／Ｓ（図４の線Ｌ４）スタンドオフ＝２ｍｍ被切断材の材料＝軟鋼板板厚＝６ｍｍ

【００２６】（３）実験結果この付着ドロス高さの実験結果を図４に示す。本実験よ
り、従来の作動ガスが多い２種類の線Ｌ１、Ｌ２の領
域、即ち、エネルギー密度Ｉ／ｍが小さい領域では、ド
ロスの付着が見られた。作動ガスが少ない領域、即ち、
エネルギー密度Ｉ／ｍが大きい領域の線Ｌ４（エネルギ
ー密度Ｉ／ｍ＝６．２×１０⁵Ａ・Ｓ／ｋｇ）、およ
び、線Ｌ３（エネルギー密度Ｉ／ｍ＝４．９×１０⁵Ａ
・Ｓ／ｋｇ）の場合、ドロスの付着が無い切断を達成す
ることが可能であることを見出した。切断速度６０〜１
００ｃｍ／ｍｉｎのところの付着が少なかったが、これ
は板厚、電流値などにより異なる。また、本発明者は多
くの実験結果より、エネルギー密度Ｉ／ｍがほぼ４×１
０⁵Ａ・Ｓ／ｋｇより大きいときに、ドロスの付着が無
い切断を達成することが可能であることを確認したが、
切断時、あるいは切断回数を重ねるとダブルアークの発
生が見られとともに、後述する、プラズマトーチの耐久
性に問題があることが判明した。

【００２７】実験例２．ダブルアークの累積発生回数次に、本発明の一つである図１に示すプラズマトーチ１
を用いて、ダブルアークの発生状況およびドロスの付着
を確認した。ノズル９は同じ形状の３個を用いて各々の
ノズルに対して、後述の切断を実施した。また、従来の
プラズマトーチ６０は、ノズル口径Ｄｅ＝０．６ｍｍと
した以外は、上記実験例１．と同じ寸法形状で、同様に
実施した。

【００２８】（１）実験に用いたプラズマトーチ１の主
要な寸法形状電極下端面３ｂの直径ｄａ＝２．７ｍｍ電極３の外径ｄｂ＝５．５ｍｍテーパ角度α＝４０° ノズル９の内径Ｄｃ＝８．５ｍｍ助走区間Ｌの平行部長さＨｄ＝２．７ｍｍ速度緩和空間Ｎの内径Ｄｄ＝４ｍｍ速度緩和空間Ｎの高さＨａ＝０．６ｍｍ加速空間Ｐの角度θ＝１２０° 加速区間Ｍの角度φ＝６０° ノズル口径Ｄｅ＝０．６ｍｍノズル拘束部９ａの長さＨｃ＝２．０ｍｍ

【００２９】（２）切断時の条件（プラズマトーチ１、
プラズマトーチ６０共同じ）アーク電流値Ｉ＝２７Ａエネルギー密度Ｉ／ｍ＝６．５×１０⁵Ａ・Ｓ／ｋｇスタンドオフ＝２ｍｍ作動ガスの種類＝酸素被切断材の材料＝軟鋼板板厚＝１．６ｍｍ

【００３０】（３）実験結果ピアシングスタートによる１０ｃｍ長の直線切断を１０
００回繰り返して行い、この時のダブルアークの累積発
生回数を調査した。ダブルアークの発生は入力電圧値の
変化より測定し、ドロスの付着は目視測定により測定し
た。図５にピアシングの回数とダブルアークの累積発生
回数との関係を示す。まず、従来のプラズマトーチ６０
について、この実験結果は線Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７に示すよ
うに、当初ドロスの付着は無かったが、切断回数が６０
０回近くになるとダブルアークの累積回数はほぼ５０回
発生してドロスの付着が若干見られた。また、８００回
を越すとダブルアークの発生が急激に増大し、ドロスの
付着が多く見られるようになった。本発明者は多くの実
験結果より、エネルギー密度Ｉ／ｍがほぼ４×１０⁵Ａ
・Ｓ／ｋｇより大きいときに、ドロスの付着が無い切断
を達成することが可能であることを確認したが、切断
時、あるいは切断回数を重ねるとダブルアークの発生が
見られとともに、ドロスの付着が多く見られ、プラズマ
トーチの耐久性に問題があることが判明した。

【００３１】次に、本発明のプラズマトーチ１に関し
て、線Ｌ８、Ｌ９、Ｌ１０に示すように、この実験結果
では、１０００回繰り返して切断しても、ダブルアーク
の累積発生回数は最大でもほぼ５０回発生となってい
る。また、この時の切断面を見てもドロスの付着は見ら
れなかった。これは、同じエネルギー密度Ｉ／ｍを与え
ても、従来構造のプラズマトーチと比較して、アーク柱
を電極軸芯に安定的に保持する力が増加しているのでア
ークの不安定性が減じ、かつ長時間にわたり安定してド
ロスの付着のない、すなわちドロスフリー切断が可能で
あることを示している。

【００３２】実験例３．種々の口径の付着ドロス高さの
実験実験結果を図６に示す。図６は本発明のプラズマトーチ
１で種々のノズル口径Ｄｅを用いて切断電流を変化させ
たときのドロスフリー切断が可能なガス流量と電流の関
係を調べた図表である。図中、例えば、アーク電流値Ｉ
が４０Ａのときの、ドロスフリー切断が可能な限界の作
動ガス流量ｍはほぼ１０×１０^-5ｋｇ／ｓ（図中の○印
表示）であり、それ以下の領域ではドロスフリー切断が
可能であることを示している。この実験より、限界とな
るエネルギー密度Ｉ／ｍ＝４×１０⁵Ａ・Ｓ／ｋｇの値
が導かれる。したがって、ドロスフリー域は、この限界
のエネルギー密度Ｉ／ｍの値より大きい領域となる。

【００３３】実験例４．拡大模型のプラズマトーチによ
る測定実験本実験は、本発明のプラズマトーチ１の好ましい寸法、
形状を求めるために行ったものである。そこで、プラズ
マトーチ形状と旋回気流強度、均一性の関係を解明すべ
く、基本構成がプラズマトーチ１の５倍モデル相当を多
数の水準に渡り作製し、作動ガスが流れるトーチ内部の
各点の静圧（静的圧力）を測定した。なお、本プラズマ
トーチはプラズマトーチ１の符号等と対応し、説明は省
略する。（１）実験に用いたプラズマトーチの共通の寸法形状お
よびガス流量ノズル口径Ｄｅ＝３．０ｍｍノズル口径Ｄｅの長さＨｃ＝３Ｄｅ作動ガス（酸素）流量＝９．５×１０^-4ｋｇ／Ｓ（２）プラズマトーチ内部の静圧測定位置電極下端面３ｂの中央（この位置での静圧をＰｅとい
う）速度緩和空間Ｎの底部壁面（この位置での静圧をＰｖｒ
という）

【００３４】（３）実験結果実験結果は次の通りである。ａ）速度緩和空間Ｎの高さＨａ＝ノズル口径Ｄｅ、電極
下端面３ｂと速度緩和空間Ｎの距離Ｈｂ＝０、速度緩和
空間Ｎの内径Ｄｄ＝７Ｄｅの時、（助走区間Ｌの平行部
長さＨｄ／ノズル口径Ｄｅ）と静圧Ｐｅとの関係を図９
に示す。流体である作動ガスに作用する遠心力のため、
旋回速度成分Ｖθ（図２参照）の大きい旋回流ほど、電
極下端面３ｂの静圧Ｐｅは低い値となる。上述した多く
の実験結果より、静圧Ｐｅが０．７ｋｇ／ｃｍ²程度以
下の場合が好ましいので、助走区間Ｌの平行部長さＨｄ
／ノズル口径Ｄｅについては、０≦Ｈｄ／Ｄｅ≦７が好
ましい範囲である。ｂ）例えば前記ａ）と同じくＨａ＝Ｄｅ、Ｈｂ＝０、Ｄ
ｄ＝７Ｄｅの時、加速区間Ｍの角度φと静圧Ｐｅとの関
係について調べた。その結果、静圧Ｐｅが前記ａ）と同
じく好ましい値である０．７ｋｇ／ｃｍ²程度以下とな
る角度φは、３０°≦φ≦１００°である。

【００３５】ｃ）加速空間Ｐの角度θに関しては、アー
クジェットの安定性を確保するために好ましい角度θが
選択された。すなわち、角度θ＜９０°では、速度緩和
空間Ｎの底面からノズル拘束部９ａまでの長さが長くな
りすぎるため、アークジェットの不安定性が増加する。
また、θ＞１５０°では、作動ガスがノズル拘束部９ａ
に至まで急速に加速されるため、流れの不安定性が生じ
やすい。したがって、好ましい角度θは、９０°＜θ＜
１５０°である。

【００３６】ｄ）（速度緩和空間Ｎの高さＨａ／ノズル
口径Ｄｅ）と速度緩和空間Ｎの底部壁面の静圧Ｐｖｒと
の関係を図１０に示す。ここでは、距離Ｈｂ＝０、内径
Ｄｄ＝７Ｄｅの時の結果を示す。この静圧Ｐｖｒの値が
大きいほど、速度緩和空間Ｎの底面で有効な圧力分布が
形成される。静圧Ｐｖｒが大きく安定している範囲、例
えば、Ｐｖｒ≧１．２ｋｇ／ｃｍ²程度、が好ましい静
圧Ｐｖｒである。したがって、Ｈａ／Ｄｅ≦２．５が適
当であるが、Ｈａ／Ｄｅ＜０．５では適切な放電ギャッ
プが確保されないので、０．５≦Ｈａ／Ｄｅ≦２．５が
好ましい領域である。

【００３７】ｅ）（内径Ｄｄ／ノズル口径Ｄｅ）と静圧
Ｐｅとの関係について調べた結果、好ましい静圧Ｐｅが
得られる範囲、つまりプラズマトーチ内部でのアークジ
ェット中心が有効な低圧空間に入る範囲は、４≦Ｄｄ／
Ｄｅ≦１０が好ましいと判断された。ｆ）電極下端面３ｂと速度緩和空間Ｎとの好ましい距離
Ｈｂを求めるために、高さＨａ＝ノズル口径Ｄｅ、内径
Ｄｄ＝７Ｄｅで実験した。（距離Ｈｂ／ノズル口径Ｄ
ｅ）と静圧Ｐｅとの関係と調べた結果、好ましい静圧Ｐ
ｅとなるのは、−０．４≦Ｈｂ／Ｄｅ≦０．６が好まし
いと判断された。

【００３８】実験例５．プラズマトーチ１による測定実
験本実験は、本発明のプラズマトーチ１のノズル口径Ｄｅ
の長さＨｃについて、好ましい寸法を求めるために行っ
たものである。図１１に（ノズル口径Ｄｅの長さＨｃ／
ノズル口径Ｄｅ）とダブルアーク発生限界電流Ｉｃとの
関係を示す。ここで、ノズル口径Ｄｅ＝０．６ｍｍ、作
動ガスは酸素である。種々の実験より、要求されるダブ
ルアーク発生限界電流Ｉｃ（例えばＩｃがおおよそ３０
Ａ以上）を満足する（長さＨｃ／ノズル口径Ｄｅ）は４
以下が適切と考えられる。しかし、Ｈｃ／Ｄｅ＜２．５
では熱ピンチ効果によるアークジェットの収縮が不十分
であり、良好な切断品質が得られない。したがって、
２．５≦Ｈｃ／Ｄｅ≦４が好ましい範囲である。

【００３９】実験例６．切断速度の測定実験本実験は、本発明のプラズマトーチ１と従来のプラズマ
トーチ６０を用いて、ドロスフリーの切断可能な切断速
度を調べた。主な条件は、被切断材料の厚さが１．６ｍ
ｍ、ノズル口径Ｄｅが０．６ｍｍ、アーク電流値Ｉが２
７Ａ、作動ガスが酸素、作動ガス流量はエネルギー密度
Ｉ／ｍが４×１０⁵Ａ・Ｓ／ｋｇより大きくなる流量で
ある。

【００４０】種々の切断速度で切断した結果、プラズマ
トーチ１のドロスフリー領域は約１００〜１９０ｃｍ／
ｍｉｎであり、プラズマトーチ６０のドロスフリー領域
は約１００〜１５５ｃｍ／ｍｉｎであった。これより、
Ｉ／ｍ≧４×１０⁵Ａ・Ｓ／ｋｇの領域でドロスフリー
ので切断が可能であるとともに、実用的切断速度であ
り、かつ本発明のプラズマトーチ１は従来のものと比べ
約１．２３倍高速である。

【００４１】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載される様な効果を奏する。少な
い作動ガス流量で、高エネルギー密度移行式アークジェ
ットを安定的に発生することができ、ドロスの付着がな
いドロスフリー切断が可能となり、高品質の切断面が得
られる。これにより、切断された被切断材の付着ドロス
除去などの二次加工が不要となり、工数が大幅に低減で
き生産性が向上する。しかも、少ない作動ガス流量で済
むために生産原価の低減が可能となる。次に、耐ダブル
アーク性が向上すると共に、ダブルアークの発生が抑制
されるので、プラズマトーチの耐久性が大幅に向上でき
る。さらに、寸法形状は広範囲に選択可能であり、必要
に応じた設計が容易に可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプラズマトーチのノズル先端部の概要
図である。

【図２】図１のスワラー部材からの作動ガスの旋回気流
を説明する図である。

【図３】従来のプラズマトーチである図８のノズル先端
部の寸法符号等の説明図である。

【図４】作動ガス流量および切断速度を変えたときのド
ロス付着高さを示す実験結果の図である。

【図５】ダブルアークの累積発生回数の実験結果を示す
図である。

【図６】本発明のノズルで種々の口径を変えたときの付
着ドロス高さの実験結果を示す図である。

【図７】従来のプラズマトーチのノズル先端部の断面図
である。

【図８】従来の別のプラズマトーチのノズル先端部の断
面図である。

【図９】本発明の平行部長さ／ノズル口径と静圧との関
係の実験結果を示す図である。

【図１０】本発明の速度緩和空間の高さ／ノズル口径と
静圧との関係の実験結果を示す図である。

【図１１】本発明のノズル口径の長さ／ノズル口径とダ
ブルアーク発生限界電流との関係実験結果を示す図であ
る。

【符号の説明】

１プラズマトーチ、３電極、３ｂ電極下端
面、５絶縁部材、７スワラー部材、９ノズ
ル、９ａノズル拘束部、Ｌ助走区間、Ｍ加速
区間、Ｎ速度緩和空間、Ｐ加速空間、

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマトーチ内を流れ、スワラー部材
で旋回気流にされる作動ガスを電極端面よりテーパ部を
有する電極の外周に沿って被切断材側に流し、前記作動
ガスをプラズマトーチの先端のノズルより被切断材に向
けて噴出するプラズマトーチにおいて、電極の外周に沿
って流れる作動ガスの軸方向速度成分を小さくする速度
緩和空間を、電極下端面の同一面近傍からプラズマトー
チの先端のノズル側に設けることを特徴とするプラズマ
トーチ。
【請求項２】速度緩和空間は円筒形よりなり、かつ、
円筒形の直径が電極下端面の直径より大きく形成される
請求項１記載のプラズマトーチ。
【請求項３】円筒形の直径は電極下端面の直径より大
きく、かつ、円筒形の高さより大きく形成される請求項
２記載のプラズマトーチ。
【請求項４】スワラー部材で旋回気流にされる作動ガ
スが、電極の外周にほぼ平行に設けられるパイプ状の円
筒形よりなる助走区間、電極のテーパ部に設けられる薄
い円錐形よりなる加速区間、速度緩和空間、速度緩和空
間の下方に設けられる円錐形よりなる加速空間、および
ノズルの円筒形よりなる拘束部の通路を順順に流れ、被
切断材に向かい噴出する請求項１〜３のいずれか１項に
記載のプラズマトーチ。
【請求項５】プラズマトーチ内を流れ、スワラー部材
で旋回気流にされる作動ガスを電極端面よりテーパ部を
有する電極の外周に沿って被切断材側に流し、前記作動
ガスを電極により発生するアークとともにアークジェッ
トとしてプラズマトーチの先端のノズルより被切断材に
向かい噴出するプラズマトーチにおいて、アークジェッ
トの持つエネルギー密度が４×１０⁵〔（アンペア×
秒）／ｋｇ〕より大きいことを特徴とするプラズマトー
チ。
【請求項６】プラズマトーチの中心軸とほぼ垂直な平
面上で、接線方向の旋回速度成分Ｖθのみを有する噴流
を生成する複数個の噴出孔からなる作動ガスに旋回気流
を与えるスワラー部材を所有するプラズマトーチにおい
て、ほぼ円筒形の速度緩和空間を有し、以下に示す寸法
形状よりなることを特徴とするプラズマトーチ。寸法形
状は、０≦Ｈｄ≦７Ｄｅ、３０°≦φ≦１００°、９０°≦θ≦１５０°、０．５Ｄｅ≦Ｈａ≦２．５Ｄｅ、４Ｄｅ≦Ｄｄ≦１０Ｄｅ、 −０．４Ｄｅ≦Ｈｂ≦０．６Ｄｅ、２．５Ｄｅ≦Ｈｃ≦４Ｄｅ、但し、Ｄｅはノズルの口径を表す。