JPH07230896A

JPH07230896A - プラズマ装置

Info

Publication number: JPH07230896A
Application number: JP6018294A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Hoshino; 野忠星; Mitsuaki Otoguro; 黒盈昭乙
Original assignee: Nippon Steel Welding and Engineering Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Welding and Engineering Co Ltd
Priority date: 1994-02-15
Filing date: 1994-02-15
Publication date: 1995-08-29

Abstract

(57)【要約】【目的】１つのプラズマジェットで広範囲の均一な熱
処理を行なう。プラズマア−クにより電極より飛散した
金属が被処理材に付着するのを低減する。【構成】内空間(AF)に連なり被処理材(18)が通る開口
(9a)を側面に有し両端が開いた筒部材(9)；それぞれが
該筒部材(9)の両端の開口に対向する陽極(24)および陰
極(4)；および、前記筒部材(9)の内空間(AF)にガスを供
給するためのガス流路(16a,16b)；を備えるプラズマ装
置。筒部材(9)は横断面が円形の内壁面を有し、ガス流
路(16a,16b)は内壁面の接線方向にガスを供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気アーク放電により
プラズマ化した高温ガスすなわちプラズマを発生するプ
ラズマ装置に関する。

【０００２】

【従来技術】この種プラズマ装置の代表的なものに、プ
ラズマジェットトーチがあり、物体の高温処理又は加工
に使用され、例えば金属の加熱処理，溶融及び表面改質
等に用いられる。

【０００３】例えば特開昭５４−２４２４９号公報に
は、鋳造金属材又は圧延金属材の表面の欠陥を、金属材
表面を移行式のプラズマト−チで溶融させることにより
除去する、欠陥除去方法が提示されている。幅広い欠陥
除去を行うために、プラズマトーチと金属材との間に、
電磁石コアが配置され、これがトーチから金属材に移行
するアークすなわちプラズマアーク電流に対して直交す
る磁界を及ぼし、プラズマアーク電流を偏向させる。電
磁石の通電方向を交互に反転することにより、プラズマ
アーク電流が往復動して金属材表面を走査する。これに
より幅広い面積の欠陥除去が行われる。

【０００４】一方、非移行式のプラズマアークは高温局
部加熱が特徴であるが、鋼板のミクロンオーダでの表面
処理では均一で広範囲な熱源が必要となる。しかし、プ
ラズマフレームの揺動可能な範囲には限度があり、広巾
材を熱処理する場合は、トーチを数本並べる必用があ
る。

【０００５】そこで、本出願人は内ノズル部材と外電極
部材の間に断熱カラーを介挿してプラズマノズルからプ
ラズマ出射開口に進むプラズマ流路を囲み、断熱カラー
を横切る磁束を発生させる電気コイルを備える非移行式
のプラズマジェットトーチを提示した（特願平３−４０
２７３号）。これによれば、磁束をかける位置をトーチ
内のアーク電流を狭窄している部位として作用させてい
る、すなわちプラズマアーク電流は元部で磁界の作用を
受けて偏向するので、比較的に小さい電気コイルで比較
的に大きな偏向量を得ることができ、プラズマジェット
フレームはコイルに流れる電流の方向及び大きさに対応
して揺動できる。

【０００６】しかし、アーク電流路が電極先端と外電極
部材のノズル内側面の間に形成され該ノズル内側面に陽
極点が形成されるが、プラズマアーク電流の元部に磁界
を強制的に作用させるため、プラズマアーク電流の陽極
点が影響を受け、陽極点が一点に留まろうとするのに対
して磁界（の方向）の変化によるアーク電流に作用する
力の方向の変化により、アーク電流路が大きく湾曲し延
べ長が過大になったときに切れて陽極点が一気に別の位
置に移動する（アークの引張り切り現象）。このような
アーク電流路の伸張と陽極点の間欠的な移動が繰り返さ
れる。プラズマガスに電離電圧の高いガス体（例えば水
素など）を使用すると陽極点の間欠移動動作はさらに増
長される。このような陽極点の挙動により、陽極点一点
に瞬時にエネルギーが過度に集中しそこの金属が蒸発し
消損する。これによりノズル表面は短時間で凸凹の大き
な面となり蒸発が更に多くなる。その結果、蒸発金属が
プラズマジェットに乗って加工対象材に付着し、メッキ
した様な金属被膜が形成される。すなわち、意図しな
い、外電極部材の材料金属（例えば銅）の被膜を生ずる
という問題がある。

【０００７】又、実開平５ー６４５６６公報においても
非移行式のプラズマ発生装置による鋼板の広幅加熱の方
法が提示されている。幅広い加熱を行う為に、平板状の
内部電極の周囲に該電極を囲むようにノズル電極が配置
され、さらに直流磁界発生用電磁コイル及びプラズマガ
ス導入口が備えられている。ノズル電極の外周に設けら
れた直流磁界発生用電磁コイルが形成する磁界の影響に
よりアーク電流を内部電極の周りに回転させるため、内
部電極とノズル電極の間を流れるガスを一様にプラズマ
化し、幅広なプラズマジェットを得ることができ、広巾
材の加熱が可能となる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこれにお
いても、アークは点熱源の移動であるため、アーク点で
は高温プラズマ流となるがその他の部分では低温であり
熱分布が時により不均一となる。例えば、加工材が移動
する場合、その表面は不均一な熱処理分布となる。又、
アークを磁束で強性的に移動させることで＋側電極材表
面の溶融消耗が激しく、やはり飛散した電極材による加
工材表面の汚染が問題となる。

【０００９】本発明は、この種の問題点を改善すること
を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明のプラズマ装置
は、内空間(AF)に連なり被処理材(18)が通る側面に設け
た開口(9a)と、横断面が円形の内壁面を有し、両端が開
いた筒部材(9)；前記内壁面の円中心の外側を円中心線
に直交する方向に横切りかつ前記筒部材(9)の側面の前
記開口(9a)と連続な被処理材通路(GP)；それぞれが該筒
部材(9)の両端の開口に対向する陽極(24)および陰極
(4)；および、前記筒部材(9)の内空間に、前記内壁面の
接線方向に、ガスを供給するためのガス流路(16a,16
b)；を備える。

【００１１】なお、カッコ内には、理解を容易にするた
めに、図面に示す実施例の対応要素に付した記号を、参
考までに付記した。

【００１２】

【作用】ガス流路(16a,16b)を通して筒部材(9)の内空間
(AF)にガスを供給し陽極(24)および陰極(4)間にア−ク
放電を起こすと、筒部材(9)の内空間(AF)をその軸心に
沿う方向にすなわち陽極(24)／陰極(4)間にプラズマジ
ェット(33)が発生する。開口(9a)に被処理材(18)を通す
と、被処理材(18)は筒部材(9)の内空間(AF)で該プラズ
マアーク(33)（以下、プラズマジェット流も含む）の側
面に曝され、これにより、被処理材(18)表面がプラズマ
アーク(33)の側部輻射あるいは高温ガスで、加熱処理，
溶融処理あるいは表面改質(以下単に熱処理等と称す)を
受ける。

【００１３】被処理材(18)に対してプラズマアーク(33)
がその表面に沿う側流となるので、被処理材表面の幅方
向(プラズマアークの進行方向x'x)の熱分布の均一性が
高く、被処理材(18)をその長さ方向(z,z')に定速度で送
ると表面は均一な熱処理等となる。被熱量の大きな陽極
側電極がアークで消耗する場合でも、飛散した陽極側電
極材はプラズマジェット流と共に開口(19)より放出され
るので被処理材(18)への付着は全くない。

【００１４】ガス流路(16a,16b)から筒部材(9)の内部(A
F)に供給されるガスは、筒部材(9)の内壁面に沿って旋
回しつつ筒部材(9)の開口(19)に向かう。このガス旋回
運動力により、ガス分子は遠心力で中心部から筒部材
(9)の内筒壁に向って放射状に広がりながら流れるため
筒部材(9)の開口(19)に向かうガス流の中心のガス濃度
は低くなりそこにプラズマア−クが集中する。すなわち
筒部材(9)の内空間(AF)の中心にア−クが集束する。こ
れにより筒部材(9)を長くして、広幅の被処理材(18)の
熱処理等を行なうことができる。

【００１５】本発明の他の目的および特徴は、図面を参
照した以下の実施例の説明より明らかになろう。

【００１６】

【実施例】

第１実施例（図１〜図６）：図１に本発明の第１実施例
の縦断面を示す。また、図１に示す加熱ガス供給管１６
ａ，１６ｂの位置での横断面を拡大して図２に示し、更
に、チャンバ９の略中央部の横断面を拡大して図３に示
す。これらの図面を参照すると、陰極部は主に、陰極絶
縁体１，陰極棒２，陰極４およびノズル部材３から成
る。陰極棒２は円柱でｘ−ｘ’方向に延びている。その
底面には陰極パイロット電源３４及び主電源３６の負極
が接続されており、陰極棒２の先端には中心軸を同じく
して陰極４が固着されている。陰極４の先端は円錐形を
しており、チャンバ９の左端開口（円形）の中心を向い
ている。すなわち、チャンバ９の中心軸の延長上に陰極
４の先端がある。

【００１７】陰極ノズル部材３が陰極棒２の先端部およ
び陰極４を包囲する形で陰極絶縁体１に固着されてお
り、ノズル部材３の、陰極４の先端に対向する位置に開
口（ノズル）３ａがある。ノズル部材３の内空間ＮＦに
は、ガス供給管５から開口５ａを通して陰極保護ガス
（本実施例ではアルゴンガスＡｒを使用）が供給され、
このガスは内空間ＮＦを通ってまたノズル３ａを通って
チャンバ９の内空間に出る。ノズル部材３には陰極パイ
ロット電源３４の正極が接続され、陰極パイロット電源
３４がノズル部材３と陰極４の間に陰極パイロット電圧
を印加すると、陰極４とノズル部材３の内壁面の間に陰
極パイロットアーク３１が発生し、このア−ク３１によ
り発生するプラズマは、開口３ａを通ってチャンバ９の
内空間に流れる。陰極ノズル部材３には、その開口３
ａを取り巻くように冷却水が通過するための水路７があ
り、水路７に給水管６ａを通って冷却水が送り込まれ、
この冷却水は水路７を通って排水管６ｂを通して排水さ
れる。

【００１８】陰極ノズル部材３の先端部は、リング状の
絶縁スペーサ８を介して、概略で中空の二重円筒形をし
たチャンバ９の一端部が固着されている。チャンバ９の
該端部には加熱ガス供給管１６ａ，１６ｂが結合されて
おり、これらがチャンバ９の内空間ＡＦに加熱ガス（本
実施例では帯鋼１８の表面を還元処理するための水素ガ
ス）を供給する。ガス供給管１６ａ，１６ｂ部でのチャ
ンバ９の横断面を図３に拡大して示す。

【００１９】図３を参照すると、ガス供給管１６ａ，１
６ｂはチャンバ９の内空間ＡＦに接する横断面が円状の
内壁面の接線方向でチャンバ９内に進入している。すな
わち、ガス供給管１６ａ，１６ｂに連通する加熱ガス流
路１７ａ，１７ｂの、内空間ＡＦに接する開口は、円
（内壁面）の中心を通る直径の両端にありしかも接線方
向に向いている。これにより、ガス供給管１６ａ，１６
ｂから内空間ＡＦに供給される加熱ガスは、内壁面に沿
って移動する。すなわち旋回する。そして旋回しながら
ｘ’ｘ方向に進んでチャンバ９の他端の開口から円錐空
間１９を通ってチャンバ９の外に出る。

【００２０】再度図１を参照すると、チャンバ９の左右
端の開口の間には、その内空間ＡＦに連通したスリット
状の開口９ａがあり、この開口９ａはチャンバ９の長手
方向（ｘ’ｘ）平行で該方向に長い。この開口９ａ部分
でのチャンバ９の横断面を拡大して図２に示す。

【００２１】図２を参照すると、開口９ａには被処理材
通路ＧＰが連なっており、この通路ＧＰは略短冊形で、
図１紙面と垂直な方向ｚｚ’と平行に延び、かつチャン
バ内空間ＡＦに開いている。開口９ａを通して被処理材
１８（この実施例では表面を還元処理する帯鋼）が通路
ＧＰに通され、処理中には、被処理材１８は、図示しな
い移送手段により、ｚからｚ’に向かう方向に定速度で
送られる。被処理材１８の表面はチャンバ９に入って出
るまでにチャンバ９の内空間ＡＦに露出することにな
る。

【００２２】図１および図２を参照する。チャンバ９は
略二重筒構造であり、内空間ＡＦを取り巻くように冷却
水が通過するための水路１０，１３がある。水路１０お
よび１３の左端部（図１）に給水管１１および１４から
冷却水が供給され、それらの冷却水は水路１０および１
３を通ってチャンバ９を冷却し、そして排水管１２およ
び１５に出る。

【００２３】チャンバ９の右端面（図１）は凹型円錐面
となっており、この端面にガス放出用の円錐空間１９を
置いて、陽極ノズル部材２２が対向している。

【００２４】陽極部は主に陽極絶縁体２３，カップ状の
陽極２４および陽極ノズル部材２２から成る。陽極２４
は陰極棒２よりやや半径が大きく、その底面（図１で右
端面）には陽極パイロット電源３５及び主電源３６の正
極が接続されている。陽極２４は陽極絶縁体２３で支持
されている。陽極２４の内空間には給水管２６を通して
冷却水が供給される。陽極２４の熱を吸収した冷却水は
排水管２７を通って排出される。

【００２５】陽極２４を陽極ノズル部材２２が包囲して
おり、ノズル部材２２の、陽極２４の先端面の中心に対
向する位置に、開口（ノズル）２２ａがある。ノズル部
材２２の内空間ＰＦには、ガス供給管２９から開口３０
を通して陽極保護ガス（本実施例ではアルゴンガスＡｒ
を使用）が供給され、このガスは内空間ＰＦを通ってま
たノズル２２を通ってチャンバ９の内空間に向けて出
る。ノズル部材２２には陽極パイロット電源３５の負極
が接続され、陽極パイロット電源３５がノズル部材２２
と陽極２４の間に陽極パイロット電圧を印加すると、陽
極２４とノズル部材２２の内壁面の間に陽極パイロット
アーク３２が発生し、このア−ク３２により発生するプ
ラズマは、開口２２ａを通ってチャンバ９の内空間ＡＦ
に向かって流出するが、内空間ＡＦからの流出ガスに押
されて円錐空間１９に流れる。

【００２６】陽極ノズル部材２２には、その開口２２ａ
を取り巻くように冷却水が通過するための水路があり、
該水路に給水管２０ａを通って冷却水２１が送り込ま
れ、この冷却水２１は水路を通って排水管２０ｂを通し
て排水される。

【００２７】陽極ノズル部材２２は略凸円錐形であり、
チャンバ９の略凹円錐形端面に、空間１９を介して対向
している。

【００２８】図５に、図１に示すプラズマ装置に結合さ
れた電気系統およびガス供給系統と、これらから図１に
示すプラズマ装置への電力，ガスの供給を制御する制御
回路を示す。なお、ガス供給管５および２９に保護ガス
（本実施例ではＡｒ）を供給するガス供給系統および供
給制御回路は、従来公知のプラズマジェットト−チのも
のと同様であるので、それらの図示は省略した。図６に
は、図５に示す制御回路による電力，ガス供給の制御タ
イミングを示す。

【００２９】チャンバ９にはスイッチＳ１を介して主電
源３６の正極が接続される。加熱ガス供給管１６ａ，１
６ｂには、モータバルブ３８を介してまた電磁開閉弁３
９を介してガスボンベのガス（本実施例では水素ガス）
が供給される。電磁開閉弁３９は、そのソレノイドＳＯ
Ｌ１に通電があると弁開に、通電が遮断されると弁閉と
なる。

【００３０】以下、図１に示すプラズマ装置の動作を説
明するが、まずその概要を図４をも参照して説明する。
図４は、陰極４及び陽極２４における各パイロットアー
ク３１，３２の発生から、陰極４／陽極２４間に流れる
主アーク柱３３の発生までの経過を示すものである。

【００３１】冷却水の供給を開始し、ノズル部材３，２
２に保護ガスを供給し、陰極４／陰極ノズル部材３間に
陰極パイロット電源３４によりパイロットア−ク３１を
生成し、かつ陽極２４／陽極ノズル部材２２の間に陽極
パイロット電源３５によりパイロットア−ク３２を生成
する（図４の（ａ））。そして電磁開閉弁３９を開（弁
開）としてモ−タバルブ３８を次第に開き始めてチャン
バ９の内空間ＡＦへの加熱ガスの供給を開始して、スイ
ッチ（リレ−Ｓ₁のリレ−接点）Ｓ１を閉じてチャンバ
９／陰極４間に、主電源３６の電圧を印加する。この電
圧印加によりチャンバ９の、陰極４に近い箇所でチャン
バ９／陰極４間にプラズマア−ク（初期主ア−ク柱）が
発生する。これはパイロットア−ク３１によるプラズマ
によりトリガ−される。ガス供給管１６ａ，１６ｂから
内空間ＡＦに供給される加熱ガス（本実施例では水素ガ
ス）が内空間ＡＦで内壁面に沿って旋回しつつ軸方向
（ｘ’ｘ）に流れて円錐空間１９に向かうので、また、
モ−タバルブ３８の弁開度が次第に高くなって加熱ガス
の供給量（速度）が増加するので、初期主ア−ク柱は旋
回流３７の中心０（図３）に収束しようとし（これは旋
回流３７により加熱ガス密度が中心０で低く、内壁面部
で高いため）、ガス流の供給量が多い程、中心Ｏでの減
圧部長さがＸ’方向に延びるため、中心減圧部が延びた
分アークのチャンバ９との接触点はＸ’方向に押され延
びる。これにより初期主ア−ク柱のチャンバ９との接触
点が次第に右端開口方向に移動する。すなわち初期主ア
−ク柱が、陰極４から陽極ノズル部材２２に向けて次第
に延びる。そしてノズル部材２２の開口２２のａから出
ている、パイロットア−ク３２によるプラズマに触れる
と、一気に陽極２４の左端面に達して主ア−ク柱３３と
なる（図４の（ｂ））。

【００３２】陽極(24)に主アーク電流が流れた後にスイ
ッチＳ１を開くと、主電源３６のア−ク電圧は陰極４／
陽極２４間のみに加わるので、また加熱ガスの高速旋回
により、主ア−ク柱３３は、常時陰極４／陽極２４間に
あって、チャンバ９の内空間ＡＦの中心０（図３）に留
まる（図４の（ｃ））。図２に示すように、開口９ａを
通して被処理材通路ＧＰに被処理材１８を定速度で通す
と、被処理材１８の表面は、チャンバ９の内空間ＡＦに
露出している間に、主ア−ク柱３３の幅射と高温の加熱
ガス（水素ガス）で熱処理（還元）される。

【００３３】次に、図１，図５および図６を参照して、
図５に示す制御回路の動作と図１に示すプラズマ装置の
動作をより詳細に説明する。図５において、接点Ａ１，
Ａ２はリレーＡの常開接点を示し、接点Ｔ１ａはタイマ
Ｔ１の常開接点を示し、接点Ｔ２ａはタイマＴ２の常閉
接点を示す。リレ−Ｂの常開接点は陰極パイロット電源
３４内にあり、それが閉（オン）になると電源３４が陰
極４／ノズル部材３間にパイロットア−ク３１を起動す
る。リレ−Ｃの常開接点は陽極パイロット電源３５内に
あり、それが閉になると電源３５が陽極２４／ノズル部
材２２間にパイロットア−ク３２を起動する。リレ−Ｄ
の常開接点は主電源３６内にあり、主電源３６はそれが
閉になると陰極４／陽極２４間に主ア−ク電圧を印加す
る。この主ア−ク電圧はスイッチＳ１が閉（オン）にな
ると陰極４／チャンバ９間にも加わる。リレ−Ｓ₁の常
開接点がスイッチＳ１である。リレ−Ｅの常開接点はモ
−タドライバ４１内にあり、それが閉（オン）になると
モ−タドライバ４１がモ−タバルブ３８の弁開駆動を開
始し全開で開駆動を停止し、それが開（オフ）に戻ると
全閉までの弁閉駆動を開始し全閉で閉駆動を停止する。
電磁開閉弁３９のソレノイドＳＯＬ１はリレ−接点Ａ２
に接続されており、リレ−接点Ａ２がオンになると通電
され、これにより電磁開閉弁３９は弁全開になる。リレ
−接点Ａ２がオフになるとソレノイドＳＯＬ１の通電が
止まり電磁開閉弁３９は弁全閉になる。

【００３４】作業者は冷却水の供給を開始し、被処理材
１８を図２に示すように開口９ａ，被処理材通路ＧＰを
通して（そして被処理材１８を停止）、図５に示す起動
スイッチＰＢ１（押されている間のみ閉のモメンタリス
イッチ）を閉（オン）とする。

【００３５】(1) 起動スイッチＰＢ１のオンにより、リ
レ−Ａが通電されて接点Ａ１およびＡ２がオンとなる。
接点Ａ１の閉により、起動スイッチＰＢ１がオフに戻っ
てもリレ−Ａには接点Ａ１と常閉の停止スイッチＰＢ２
を通して電流が流れる。すなわちリレ−Ａが自己保持と
なる。

【００３６】また、接点Ａ２のオンにより、図示しない
保護ガス供給用の電磁弁が開かれてガス供給管５，２９
への保護ガス供給が開始されると共に、ソレノイドＳＯ
Ｌ１が通電されて電磁開閉弁３９が弁開になり、かつリ
レ−Ｂ，ＣおよびＤが通電されタイマＴ₁が時限動作を
開始する。リレ−Ｂ，Ｃの通電により陰極部，陽極部に
パイロット電圧が印加され、パイロットアーク３１，３
２が発生する（図４の（ａ））。

【００３７】(2) タイマＴ₁は、設定時間ｔ₁の計時を完
了するとその接点Ｔ１ａを閉じる。これによりリレ−Ｓ
₁およびＥが通電され、タイマＴ₂が時限動作を開始す
る。リレ−Ｅの通電によってモ−タドライバ４１がモー
タバルブ３８の開駆動を開始し、加熱ガスがチャンバ９
内へ流れ始める。リレ−Ｓ₁の通電によりその常開接点
Ｓ１が閉じ、陰極４／チャンバ９間に主ア−ク電源３６
の主ア−ク電圧が加わる。これにより、初期主アークが
チャンバ９の左端部と陰極４の間に点火し、モータバル
ブ３８の弁開度が高くなるに従って初期主ア−クがチャ
ンバ９の内空間ＡＦの右端開口に近づく方向に次第に延
びる（図４の（ｂ））。陽極２３がチャンバ９と同一電
位であるので、初期主ア−クは遂には陽極２４に達す
る。その後にタイマＴ２が設定時間ｔ２の計時を完了し
常閉接点Ｔ２ａを開く。

【００３８】(3) 常閉接点Ｔ２ａを開くとリレ−Ｓ₁の
通電が止まり常開接点Ｓ１がオフに戻るので、チャンバ
９が主ア−ク電源３６から遮断される。これにより主ア
−ク３３が陰極４／陽極２４間で安定する。

【００３９】陰極４／陽極２４間の主ア−ク柱３３は、
加熱ガス旋回流３７の中心が低濃度（低気圧）であるの
でそこに集中しようとしてチャンバ９の内空間ＡＦの中
心軸に安定する（図４の（ｃ））。

【００４０】ここで実験例を説明する。陰極４と陽極２
４の距離が300mm，チャンバ９の内径が16mmの図１に示
す構造のプラズマ装置に、加熱ガスとして水素ガスを20
0Nl/minの流量で，陰極保護ガスとしてアルゴンガスを2
0Nl/minの流量で，陽極保護ガスとしてアルゴンガスを3
0Nl/minの流量で流し、陰極パイロットアーク電流３１
の電流値を50(A)、陽極パイロットア−ク電流３２の電
流値を50(A)として、300(A)の主ア−ク柱３７を陰極４
／陽極２４間に発生した状態で、幅200mm，板厚1mmの帯
鋼（１８）を、40cm/minの速度で、図２に示すように開
口９ａおよび被処理材通路ＧＰに通した所、鋼帯表面の
酸化膜は水素熱プラズマ反応（還元反応）により、均一
かつムラ無く除去が出来た。

【００４１】なお、加熱ガスとして還元性ガスの他に、
例えば熱処理のみの目的では不活性ガスを、表面改質に
は、還元性ガス，不活性ガス，活性ガス，窒素ガスＮ₂
等あるいは必要に応じてそれに改質用素材の粉体を添付
して用いることができる。例えば、加熱ガスとしてＨ₂
＋ＣＨ₄を内空間ＡＦに供給すると、被処理材１８の表
面にダイヤモンド被覆が形成される。また例えばアンゴ
ンにチタンカ−バイド微粉を加えて内空間ＡＦに供給
し、被処理材１８をステンレス（ＳＵＳ３０４）とする
と、被処理材１８の表面に耐摩擦，耐摩耗被覆が形成さ
れる。加熱ガスを不活性ガスとすれば、例えば焼入れの
ためのクリ−ンな加熱が実現する。

【００４２】第１実施例の変形例（図７〜図９）：図７
の（ａ）に、上述の第１実施例の第１変形例を示す。第
１実施例では加熱ガスの注入をチャンバ９内部の陰極部
付近の上下二箇所に一組のガス供給管１６ａ，１６ｂを
結合して行っているが、この第１変形例では、これに加
えてチャンバ９の長手方向（ｘ’ｘ）の数箇所で内空間
ＡＦに、ガス供給管１６ａによるガス供給と同様に、加
熱ガスを旋回すように注入する。これをガス供給管４２
ａ，４３ａで行なう。その他の構造は、上述の第１実施
例の構造と同様である。

【００４３】このようにガスの注入口をチャンバ長手方
向で数箇所設けることにより、加熱ガス旋回流３７の旋
回速度低下が補償され、チヤンバ内空間ＡＦの長手方向
での旋回流３７の内外圧差が均一になり、主ア−ク柱３
７が下流（ノズル部材２２）に行くほど半径方向（ｙ
ｙ’）に振れ易くなるのが抑制され、チャンバ長手方向
での主ア−ク柱３７の均一性がより高く保証され、処理
むらがより低減する。チャンバ９を長くすることが可能
となり、より幅広の被処理材を処理しうる。

【００４４】図７の（ｂ）には、上述の第１実施例の第
２変形例を示す。この第２変形例は、第１実施例に示す
チヤンバー内を小室に分け、それぞれの小室に加熱ガス
流入口の他、各加熱ガス流入路と対をなす排出路を、旋
回流を生じ旋回流を排出するように接線方向に形成した
ものであり、１６ａ，１６ｂ，４２ａおよび４３ａが、
旋回流を生じるように内空間ＡＦに加熱ガスを供給する
供給管、４４および４５が、旋回流をその接線方向で受
けて排出する排出管である。隣り合う供給路と排出路の
間には内空間ＡＦの中心に向けて突出する一部を切除し
たリング状の突壁４８ａ，４８ｂがあり、下流の供給管
（４２ａ，４３ａ）による旋回流が上流側の排出管（４
４，４５）で排出されにくくしている。その他の構造
は、上述の第１実施例と同様である。この第２変形例に
よっても、チャンバ長手方向での主ア−ク柱３７の均一
性およびプラズマフレームの温度分布の均一性がより高
く保証され、処理むらがより低減する。チャンバ９を長
くすることが可能となり、より幅広の被処理材を処理し
うる。

【００４５】図８の（ａ）に、第１実施例の第３変形例
を示す。この第３変形例は、第１実施例の陽極ノズル部
材２２を削除し、かつ陽極２４を、その直径がチャンバ
９のそれとほぼ同じ程度に、大きくしたものである。陽
極２４には外部より冷却水を流入させる給水管２６が挿
入され、陽極内部に冷却水を供給する。陽極２４の直径
を大きくすることによりその表面積が増し、さらに冷却
水の流路を広げることにより、陽極冷却能力が増し、陽
極２４の消耗が軽減する。

【００４６】図８の（ｂ）に、第１実施例の第４変形例
を示す。この第４変形例は上述の第３変形例の大径陽極
２４を中空の回転陽極２４としたものであり、チャンバ
９の長手軸（ｘ’ｘ）と直交するｙｙ’方向に延びる軸
を中心に回転駆動される。回転陽極２４の内空間には、
給水管２６が冷却水を供給する。陽極２４が回転するの
で陽極の冷却能力は第３実施例よりも更に高い。陽極２
４の陰極２に対向する面が常に更新されるので陽極２４
の寿命は第３実施例よりも更に長い。活性ガスを加熱ガ
スとして用いる場合にこの効果が顕著となる。その他の
構造は、上述の第１実施例の構造と同様である。

【００４７】図９の（ａ）に第１実施例の第５変形例を
示す。この第５変形例では陽極２４は、中空ド−ナツ形
であり、絶縁体リング５４でチャンバ９に連結されてい
る。陽極２４の内部には給水管２６が冷却水を供給す
る。チャンバ９内の加熱ガスおよびプラズマは、陽極２
４の中心部の空間を通して外部に出る。その他の構造
は、上述の第１実施例の構造と同様である。この第５変
形例では、陽極２４が円筒であるので高温ジェット気流
が直接に当らないので陽極２４の消耗が軽減する。加え
て、主ア−ク柱３３は、陽極２４の中心部の空間を囲む
円筒形の内壁面に接する、すなわち陽極点が陽極２４の
円筒形の内壁面に生ずるが、この陽極点が上壁面上を移
動するので陽極の一部のみが継続的に消耗せず、したが
って陽極２４の寿命が長い。

【００４８】また更に陽極２４の寿命を延ばす方法とし
て図１、図８の（ａ），（ｂ）、図９の（ｂ）の構造の
陽極２４の配置を、陽極２４の中心軸がアーク柱３３に
対して直角となる様に配置（ｙ’，Ｙ方向に陽極２４の
中心線がなる様に）し、その上端面をチャンバ９の中心
軸より下げて（例えば図８の（ｂ）の陽極２４を、その
上端面がチャンバ９の右端開口よりも下方に位置するよ
うに下げる）、高温のプラズマフレームが陽極２４に当
らない様にする方法もある。

【００４９】図９の（ｂ）に、第１実施例の第６変形例
を示す。この第６変形例は陽極２４を第３変形例と同様
に構成すると共に、陰極４を太径の棒状の電極（本例に
おいてはタングステン電極棒）とし、かつ陰極ノズル部
材３を省略している。その他の構造は、上述の第１実施
例の構造と同様である。この第６変形例では、特に加熱
ガスが不活性ガスである場合において、陰極４が太径棒
状で、先端は円錐だが鋭く細くなっておらず先端を垂直
に切断された形である。陰極部の構造が簡単でしかも寿
命が長い。

【００５０】第２実施例（図１０）：図１０に本発明の
第２実施例の横断面（図１の２Ａ−２Ａ線断面相当）を
示す。この第２実施例では、被処理材１８を通すための
開口９ａは横断面で略扇形であり、長手方向（ｘ’ｘ）
には、図１に示す開口９ａの領域と同じ領域にあって同
じ長さである。この、横断面が略扇形の開口９ａにはガ
イドロ−ラ５９が進入しており、開口９ａ内の被処理材
１８を円弧状に支持しており、しかも、ガイドロ−ラ５
９は反時計方向に定速度で回転駆動されて被処理材１８
を図１０に矢印で示す方向に送る。ガイドロ−ラ５９で
支持された被処理材１８の表面はチャンバ９の内空間Ａ
Ｆに露出し、主ア−ク柱３３の幅射および高温加熱ガス
の旋回流３７により熱処理（加熱ガスが水素ガスの場合
には還元処理）を受ける。ロ−ラ５９をｙｙ’位置調整
機構を介して支持することにより、被処理材１８の厚み
はある自由度を有することになる。すなわち薄い被処理
材１８を処理するときにはロ−ラ５９を内空間ＡＦの中
心に向けて近づけ、厚い被処理材１８を処理するときに
はロ−ラ５９を内空間ＡＦの中心から離せばよい。

【００５１】この第２実施例のその他の構造は上述の第
１実施例と同様であり、第１実施例の上述の動作および
作用，効果が同様にもたらされる。

【００５２】

【発明の効果】被処理材(18)に対してプラズマアーク(3
3)（プラズマジェット流）がその表面に沿う側流となる
ので、被処理材表面の幅方向(プラズマジェットの進行
方向x'x)の熱分布の均一性が高く、被処理材(18)をその
長さ方向(z,z')に定速度で送ると表面は均一な熱処理等
となる。陽極電極がアークで消耗する場合でも、陽極は
被処理材(18)よりもプラズマジェット流の下流にあるの
で飛散した陽極電極材は排出プラズマジェットと共に流
れるので被処理材(18)への付着は少い。

【００５３】ガス流路(16a,16b)から筒部材(9)の内部(A
F)に供給されるガスは、筒部材(9)の内壁面に沿って旋
回しつつ筒部材(9)の開口(19)に向かので、このガス旋
回運動力により、ガス分子は遠心力で中心部から筒部材
(9)の内筒壁に向って放射状に広がりながら流れるため
筒部材(9)の開口(19)に向かうガス流の中心のガス濃度
は低くなりそこにプラズマア−クが集中する。すなわち
筒部材(9)の内空間(AF)の中心にア−クが集束する。こ
れにより筒部材(9)を長くして、広幅の被処理材(18)の
熱処理等を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の縦断面図である。

【図２】図１に示すプラズマ装置の２Ａ−２Ａ線拡大
横断面図である。

【図３】図１に示すプラズマ装置の３Ａ−３Ａ線拡大
横断面図である。

【図４】図１に示すプラズマ装置の動作概要を示す縦
断面概要図である。

【図５】図１に示すブラズマ装置に結合された電源，
ガス源および制御回路を示すブロック図である。

【図６】図５に示す制御回路による図１に示すプラズ
マ装置の制御によってもたらされる該プラズマ装置の動
作を時系列で示すタイムチャ−トである。

【図７】（ａ）は図１に示す第１実施例の第１変形例
を示す縦断面概要図、（ｂ）は第２変形例の縦断面概要
図である。

【図８】（ａ）は図１に示す第１実施例の第３変形例
を示す縦断面概要図、（ｂ）は第４変形例の縦断面概要
図である。

【図９】（ａ）は図１に示す第１実施例の第５変形例
を示す縦断面概要図、（ｂ）は第６変形例の縦断面概要
図である。

【図１０】本発明の第２実施例の主要部の横断面図で
ある。

【符号の説明】

１：陰極絶縁体２：陰極棒
４：陰極３：陰極ノズル部材３ａ：開口
５：ガス供給管５ａ：開口６ａ，１１，１４，２０
ａ，２６：給水管６ｂ，１２，１５，２０ｂ：排水管７，１０，１３：水路８：絶縁スペーサ
９：チャンバＡＦ：内空間９ａ：開口
ＧＰ：被処理材通路１６ａ，１６ｂ：加熱ガス供給管１７ａ，１７ｂ：加熱ガス供給口
１８：被処理材１９：円錐空間２１：冷却水
２２：陽極ノズル部材２２ａ：開口２３：陽極絶縁体
２４：陽極２９：ガス供給管３０：開口３１：陰極パイロットアーク３２：陽極パイロットアー
ク３３：主アーク柱３４：陰極パイロット電源３５：陽極パイロット電源３６：主電源３７：加熱ガスの旋回流３８：モータバルブ
３９：電磁開閉弁４０：流量計４１：モータドライバ４２ａ，４３ａ：ガス供給管
４４，４５：排気管４８ａ，４８ｂ：突壁５９：ガイドロ−ラ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内空間に連なり被処理材が通る側面に設け
た開口と、横断面が円形の内壁面を有し、両端が開いた
筒部材；前記内壁面の円中心の外側を円中心線に直交す
る方向に横切りかつ前記筒部材の側面の前記開口と連続
な被処理材通路；それぞれが該筒部材の両端の開口に対
向する陽極および陰極；および、前記筒部材の内空間に、前記内壁面の接線方向に、ガス
を供給するためのガス流路；を備えるプラズマ装置。
【請求項２】筒部材の側面の開口は横断面が扇形であ
り、装置は更に、少くとも一部が該扇形の空間を占め被
処理材を支持するロ−ラを備える請求項１記載のプラズ
マ装置。