JPH07506052A - プラズマアークトーチのための改良ノズル及び改良運転方法 - 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】 プラズマアークトーチのだ　の ノズル　び　′ （発明の分野） 本発明は一般にプラズマアーク切断トーチ及びその運転方法に関する。詳しくは 、本発明は高精細度型トーチに於て特に有益な改良ノズル及び改良運転方法に関 する。

（従来技術の説明） 従来のプラズマアーク切断トーチの創生ずる移行プラズマジェットの電流密度は 代表的には２０，０００から４０．０００アンペア／ｉｎ”（約３，１００から ６２００アンペア／ｃｍ”　）である、高精細型トーチは移行プラズマジェット がずっと細いことが特徴であり、その電流密度も一層高く、代表的には約６０， ０００アンペアｉｎ”（約９３００アンペア／ａｍ’）である、高精細型トーチ は狭小な切り口と直角の切断角度を創出することから望ましい。また高精細型ト ーチでは熱の影響を受ける帯域がより薄いので、ドロスの無い切断を一段と効率 的に創出し且つ溶けた金属を効率的に吹掃する。

高精細型プラズマアーク切断トーチ（以下、単に高精細型トーチとも称する）の １つの問題は、ノズルを極めて有効に冷却しなければならないことである。ノズ ルの出口オリフィス位置のノズル壁は冷えているので冷却プラズマガスの境界層 がそこに薄（形成される。この薄い境界層がノズルを保護し且つアークを狭くす る。つまり薄い境界層からのエネルギー漏れによりアークは細（なる、プラズマ アークが十分な電化担体（イオン化）を維持して電流を導通し続けるよう、プラ ズマアークはアークが細くなるとその中心線温度を高めてイオン化率を増大させ る。ノズルの冷却はまた、二重アーク発生及びノズルオリフィスのえぐれを制御 するためにも重要である。この＾ぐれはアークが壁面と接触する際に発生する。

必要な冷却の度合いを達成するのに水による冷却が有効であることが分かった。

高精細型トーチの他の問題は、プラズマチャンバー内のプラズマガス圧力とプラ ズマガス密度が従来型トーチに於けるその値の２倍以上であるのに、質量流量は 依然、従来型トーチのそれよりも小さいことである。これは高精細型トーチのノ ズルオリフィスの直径が必然的に小さくプラズマガスは急速に絞られるので質量 流量が極小になってしまうことによるものである。この条件がトーチを出るプラ ズマガス流れを細（し、流れが細くなり質量流量が小さくなることで少なくとも ３つの他の問題が生じる。

先ず第１には、質量流量が小さいと電極、詳しくは電極の下端位置でのハフニウ ム或はジルコニウムインサートへのアークの付着作用位置が不安定となることで ある。この結果インサートには均等の、放物線状の損耗パターンでは無くむしろ 、厳しいランダムビットが生じ、従って電極の寿命は短くなる。また、アークの 付着作用位置がインサート上を移動するに従い、アークカラム全体が不安定とな る。原因はなんであれ不安定なアークカラムは切断品質を太き（低下させ、切断 角度を悪化させ、ドロスが工作物の裏側に堆積する。第２に、質量流量が小さい と、アークがノズルと相互作用する際にアークの周囲に薄い低温流れが発生する 。この薄い低温流れによりアーク形状がノズル形状（条件）に極めて影響されや す（なる。この結果、切断品質はノズル条件に対し非常に敏感なものとなる。ノ ズル縁部に僅かな切れ目があるとノズルの切断角度が著しく変化し、ドロスが発 生する。第３に、アーク移行に際し必要であるように、ノズルからパイロットア ークな放出させるに要する時間は高精細型トーチに関連する流量が小さいことに より大きく増大する。酸化銅はパイロットアーク状態の時ノズルの内側表面に堆 積しやすくなる。ノズル表面は数百回の始動後は非常に荒れるのでノズルの寿命 は短くなる。

従来、種々の形式のプラズマガス流れを使用してアークが安定化された。先に簡 単に説明した技法は低温壁安定法と称される。この技法ではプラズマジェットに 隣り合うノズル壁が冷却される。これにより冷えたプラズマガスの境界層が発生 しこれがアークと接触しアークを細く絞るのでアークはノズルから離間した状態 に保持される。別の技法は渦流安定法である。プラズマガスがプラズマチャンバ ー内に接線方向から射出され、プラズマガスに、このプラズマガスがプラズマチ ャンバーをノズルの出口オリフィスに向けて軸線方向に流動する際に旋回運動を 付与する。プラズマチャンバー内をプラズマガスが廻動するに従い、より高温の 軽いプラズマガスが中央付近に残留し、一方、遠心力によりもっと冷た（重いプ ラズマガスがプラズマチャンバーの外側の壁に移動してアークを安定させる冷た いプラズマガス境界層が創生される。結局、シースによる安定化もまた使用され る。比較的低温のプラズマガスの大きな軸線方向流れがアークを包囲する。アー クからの熱がこの冷えたシースに放散するとアークは収縮して”サーマルピンチ ”効果を生じて安定する。

これら技法は組み合わせてもまた使用される０例えば、既知の高精細型トーチで はプラズマガス流れは代表的には渦流でありノズルは水により冷却される。しか し高精細型トーチでの質量流量は余りに小さく、渦流安定法或は低温壁安定法に よる安定化のレベルでは先に言及したアーク安定化上の問題解決には不十分であ る。いかなる従来技法も高精細型トーチの質量流量が小さいことに基く他の問題 、例えばノズルへの”ブラック”　（酸化銅）の堆積を解決するものではない、 しかも、トーチへのプラズマガス流れを増大するという正攻法も、プラズマチャ ンバー内の高温のプラズマガスが厳しい絞り効果を持つことによりうまく行かな いのである。

（解決しようとする課題） 従って、解決しようとする課題は、アーク安定性、切断品質、電極及びノズルの 有効寿命を着しく増大する。

プラズマアーク切断トーチのための改良ノズル並びにその運転方法を提供するこ とであり、 電極及びノズルの有効寿命全体を通し高水準の切断品質を提供することであり、 高電圧、高周波始動を使用してのパイロットアークの開始を容易化することであ り、 電極の損耗を均等化しノズル上への酸化銅の堆積量を大幅に減少させることであ り、 直角の切断角度及び実質的にドロスが無いことにより特長付けられる切断を創出 することであり、アーク電流遮断に際しプラズマガス流れを完全且つ信頼性をも って中断する必要のある運転方法との両立性を有する改良ノズル及び改良運転方 法を提供することであり、 ノズルオリフィスでの流れが絞り込まれることにも関わらず強い渦流と共にプラ ズマチャンバーを通る高い質量流量のプラズマガス流れを提供することであり、 既知の材料及び製造技術を使用しまた好ましい製造コストにより先の利益の全て を提供することである。

（課題を解決するための手段） 本発明に従えば、プラズマアークトーチ、詳しくは金属プレートを孔開は及び切 断するための高精細型トーチが提供され、この高精細型トーチはプラズマチャン バー内を電極とその周囲のノズルとの間を貫いて流動するプラズマガスのための 第２のプラズマガス出口を有している。電極は代表的にはノズルの第１のプラズ マガス出口であるところの主出口オリフィスに対向するその下端位置にハフニウ ムインサートを有している。第２のプラズマガス出口を、円形形状に間隔を置い た一組の孔として旋回リング内に形成しても良い、しかしながらこの第２のプラ ズマガス出口は、ノズルそれ自体の、旋回リングの接線方向入口ボートの下流側 の位置に形成するのが好ましい、好ましい具体例ではノズルは２部材型ノズルで あり、内側ノズルとこれを取り巻く外側ノズルとから成り立っている。第２のプ ラズマガスノズルはこの内側ノズルに形成した前オリフィスと出口ノズルに形成 したノズルオリフィスとの間の環状の間隙により構成される。

前オリフィスと出口ノズルとは整列し且つ軸線方向に離間している。内側ノズル と出口ノズルとは少なくともその前オリフィス及びノズルオリフィスに隣り合う 下方部分が相互に離間してそこにバイパス溝を画定し、このバイパス溝が、第２ のプラズマガス出口を通しプラズマチャンバーから転流するプラズマガスの一部 分を通気路を開始大気中に配向する。

通気路には、ノズルに形成されバイパス溝及びプラズマガス出口通路との間を流 体連通する一組の通気孔が含まれるのが好ましい、これらの通気孔は流れに抵抗 を与えるが流れを実質的に妨害することは無い、プラズマガス出口通路に取付け たニードル弁その他が通気を制御する。バイパスチャンネル内及び通気孔内のガ スの体積とニードル弁の上流側の出口通路内のガスの体積とを使用して、ノズル 位置での流れの移行を第２のプラズマガス出口から遠方に逸らせる。高精細型ト ーチのプラズマガス入口の上流側の別のニードル弁が高精細型トーチに向けての プラズマガス流れ全体を制御する。所定のノズルに対し、これらのニードル弁は ｉ）第１及び第２のプラズマガス出口を通るプラズマガス流れの比率の調節及び 、ｉｉ）ノズル内のプラズマガス圧力の調節を提供する。

このノズル構成により、前オリフィス位置に仮想のオリフィスが創生される。プ ラズマガス流量と渦流の強さとは前オリフィス位置で非常に太き（なる、この条 件は電極インサートでのアークを安定させるために重要である。本発明によれば 、高い質量流量のプラズマガスが、下方のエンドフェースを含む電極を覆い掃流 する。また本発明によれば、プラズマチャンバー全体に沿って少なくともその好 ましい形態に於て伸延しノズルの出口オリフィスに極めて近い位置に至る高い質 量流量が創出される。この高い質量流量がその安定度が高く且つ一様であり従っ て境界層内での乱流が殆ど無いか或は全く無いこともまた重要である。

（図面の簡単な説明） 図１は旋回リング内に一組の第２のプラズマガス出口孔を設けてなるプラズマア ークトーチのプラズマチャンバーの垂直向断面図である。

図２は、１部材型のノズルを使用し、このノズルの主ノズルオリフィスに隣り合 って一組の孔を設けこれを第２のプラズマガス出口としてなる本発明の別懇様の 図１に相当する垂直向断面図である。

図３は、２部材型のノズルを用い主ノズルオリフィスに隣り合って複数のポート を設けこれら複数のボートが内側バイパスチャンネルにプラズマガスを送給して なる本発明の別懇様の、図１及び２に相当する垂直向断面図である。

図４は、２部材型ノズルと第２のプラズマガス出口としての環状間隙を使用して なる本発明の好ましい別懇様の図１乃至３に相当する垂直向断面図である。

図５は図４に示される好ましいノズル構成を使用する本発明に従う高精細型トー チの垂直方向の詳細断面図である。

図６は図５に示す高精細型トーチとの関連に於て使用するためのプラズマガス流 れ制御システムの部分破除した垂直方向の部分断面図である。

図７は本発明のノズルとその直近の構成部品の拡大部分断面図である。

（実施例の説明） 図３から６にはプラズマガスチャンバー１４の第２のプラズマガス出口１２を使 用してプラズマガスのバイパス流れを創出してなるプラズマアーク切断トーチ１ ０（以下、単にトーチ１０とも称する）が示される。流れ１６はバイパスチャン ネル１８と通気路２０とを介し大気に通気される。通気路２０には通気孔２０ａ 、プラズマガス出口通路２０ｂ、ニードル弁２２が含まれる。トーチ１０は胴部 ２４と、プラズマガス入口通路２６と。

旋回リング２８と、その下方のエンドフェース３０にハフニウムインサート３２ を圧着してなる電極３０とを含む。

本発明の主たる特徴は、相互に離間してバイパスチャンネル１８を画定してなる 内側ノズル部材３６と出口ノズル部材３８とを有する２部材型ノズル３４を使用 することにある。各ノズル部材は一般にチューブ状の上方部分３６ａ、３８ａと 、前オリフィス３６ｃを覆う下方部分３６ｂ、３８ｂと、ノズル出口オリフィス ３８ｃとを夫々具備する０図示の如く、下方部分３６ｂ、３８ｂは一般に切頭円 錐形状であるが、流路の直径がそこを通るプラズマガス流れを絞るための直径を 有してなるいろいろのコツプ状のものとして良い、内側ノズル部材３６が取付は フランジ３６ｄによりキャッピングされ、この取付はフランジ３６ｄには旋回リ ング２８がそこに座着する段凹所３６ｅが設けられる。０−リング４０がノズル フランジ３６ｄと旋回リング２８との界面をシールし、Ｏ−リング４２がノズル フランジ３６ｄの外側表面をトーチ胴部２４に対しシールする０通気孔２０ａが 外側ノズル部材の上方部分３８ａの上端位置に形成される。凹所３８ｄがトーチ 胴部の、０−リング４２並びに他の〇−リング４４によりシールされた相対する 部分と協動し、外側ノズル部材を取り巻く出ロブラズマガスチャンパー４６を形 成する０通気孔２０ａは等角度間隔にて配設される６通気孔の寸法並びに数はプ ラズマガスのバイパス流れ１６に幾分かの抵抗を与えるが実質的な抵抗を与える ことは無い、この多少の抵抗によりノズルのバイパス流れ１６が円滑化されバイ パス流れは下流側の流れ変動から多少隔離される。

プラズマガス流れ４８がトーチ胴部２４を貫きプラズマガス入口通路２６を介し て旋回リング２８の外側側面位置のプラズマガス入口チャンバー５２に送られる 。このプラズマガス入口チャンバー５２は小さいブレナムとして作用し、プラズ マガスの一様な流れを旋回リング内の傾斜付き孔２８ａの全てに分与する。この 傾斜付き孔を出たプラズマガスは接線方向に配向されて旋回流れ５４（図４参照 ）を生じ、内側ノズル部材３６の電極と内側表面との間を通しプラズマチャンバ ーを螺旋状に降下する。この流れは上方部分３６ａと電極のこの上方部分と相対 する円筒状部分とにより画定される領域に渡り実質的にその流れの断面積は一定 である０次いでこの流れは下方部分３６ｂと電極の下端３０ａ位置での面取りし た端部表面３０ｂとにより画定される流路部分に沿って狭められ且つ収斂される 。先に議論したように、旋回流れは流れ領域の減少する直径と相俟って、アーク を制御する強く高速の渦を創出する。

本発明の主たる特徴は、第２のプラズマガス出口１２がプラズマガス流れ４８の 有意部分を逸らせ或はバイパスさせ、これによりプラズマガスチャンバー内のプ ラズマガスの旋回流れ５４の質量流量が高（（代表的な値は標肇状態での毎時５ ０ｆ”　（毎時的１．４ｍ”　）なる一方で、主たるプラズマガス出口流れ５５ の質量流量がずっと小さく（代表的な値は標準状態での毎時１０ｆ”（毎時的０ ．３ｍ”））なることである。プラズマガス出口流れ５５とプラズマガス入口流 れ４８との間の差がバイパス流れ１６となる。プラズマガスの旋回流れ５４の高 い流量もまたその端部表面３０ｂ、３０ｃを含めて電極全体に沿って維持される 。前オリフィス３６ｃとノズル出口オリフィス３８ｃとの間の環状間隙であると ころの第２のプラズマガス出口１２をノズル出口オリフィスの直前に位置付ける こともまた好ましい、そうすることにより強い渦が特にハフニウムインサート３ ２からノズル出口オリフィス３８ｃにかけて維持されるので、アークは全体的に 良好に制御され且つ安定化される。

流れ中の乱流がアー・りを不安定化させることから、ノズル構造が高度に層状の 且つ一様な流れを創出することもまた重要である。詳しくは、下方部分３６ｂ、 ３８ｂの内側表面が前オリフィス及びノズル出口オリフィスに向けて円滑且つ一 様に傾斜している。これらの内側表面から前オリフィス及びノズル出口オリフィ スの円筒状の側壁にかけての移行部分もまた円滑且つ一様である。前オリフィス の直径はノズル出口オリフィスの直径よりも大きくそれにより、各オリフィスを 貫く流量差を乱流を創出することな（収受する。前オリフィスからノズル出口オ リフィスまでの間隔は、プラズマガス流れを分割させる一方でアーク全体の良好 な制御をも維持可能であるよう選択される。

全体的に切頭円錐形状のバイパスチャンネル１８の、トーチの中心線５６に関す る角度Ａ（図示の如くトーチをその上部から底部に向けて貫（ガス流れの方向の 中心から測定して）もまた、バイパスチャンネルを適切に慢能させるために重要 である。この角度Ａが厳し過ぎる、例えば約４５度未満であるとプラズマガスの バイパス流れ１６を必要な質量流量にて抜き出すためのバイパスチャンネル１８ の能力が減少する。角度Ａは４５度とするのが好ましいが、もっと大きな角度と しても良い、しかし角度Ａが９０度に近付くに従い、トーチの下端部分の幾何学 的寸法が広くなるのでプラズマガス流れと工作物との相互作用が複雑化し、トー チの前端部分からの熱の消散を妨害し、工作物５８上でのプラズマジェット５７ の作用を観察する能力が低下する。（ここで”上方”及び”下方”とは限定的意 味を有さない、使用に際してはトーチ或はノズル部材の”上”端は”下”端と水 平或はその下方に位置し得る。） 本発明に直接関与しないトーチ１ｏの特徴部分を簡単に説明する。電極３ｏはチ ューブ６ｏを介しての水による冷却を可能とするべく中空である。冷却水は内側 通路を介してトーチを循環して水冷却チャンバー６２に至りそこでノズルの下方 部分３８ｂを越えて流動し、ノズルの特にノズル出口オリフィス３８ｃの壁面を 冷却する。

ノズルの先端部３８ｅは厚くされ、熱伝導製の良好な材料、代表的には銅を使用 して形成されそれにより榎械的強度と放熱子とを提供する。０−リング６４がガ ス入口チャンパー５２を水流路から隔絶する。ウォーターキャップ６６がトーチ 胴部の下端の番号６６ａの位置にねじ込まれ、二次ガス流れ６７（プラズマガス 流れ４８．５４．５５と反対方向の）のための水チヤンバ−６２及び流路６７ａ をそこに画定する。

二次ガス流れ６７は孔開は中に上向きに飛散する溶融金属からのノズルの保護を 助成するガスシールドを創出する。切断作業中、この二次ガス流れの流量はアー クを不安定化させないよう減少されるが、アークが切断のために工作物を覆って 移行される際には、切断を助成し且つノズルシールド６８を冷却するに十分な水 準に維持される。ノズルシールド６８は交換自在のインサート６８ａを含む、こ のインサート６８ａはアークからある角度離間した放出孔６８ｂを含む、−組の 流れ制限用ボート６９がアーク遮断時にトーチから噴出する二次ガス量を制限す る。流れ制限用ボート６９の下流側の且つ旋回リング７０の上流側の二次ガス流 路中のプレナム７２がアークをその遮断時に安定化させるに十分な量の二次ガス を供給する小さい局部供給源を提供する。ノズルシールド６８は導伝性を有する が、トーチ胴部２４の絶縁用の外側部分２４ａに対し電気的に隔絶する状態で取 付けられそれにより２重アークの発生に対する抵抗を与える。

ノズルシールドは米国特許第４８６１９６２号の開示に従い作動する。前記米国 特許はここに参照することにより本明細書の一部とする。

トーチ１０は、直流電源の負極を電極３ｏにねじ込んだ陰極体２４ｂに接続して なる電気回路をも含んでいる。電気回路の正極はウォーターキャップ６６並びに 、トーチ胴部に取付けたパイロットアーク回路を形成するためのその他の導伝性 部材を介しノズル３４に接続される。アークが移行すると図５にプラス印で表示 したような工作物５８を通る回路が完成する。説明及び図示した流路及びシール に加え、トーチ胴部２４はプラズマガス及び液体流れをトーチを貫いて導通させ るための外側通路、外側ポート、外側シール（図示せず）を有するが、これらは 本発明の一部を構成するものではない。

図５及び６にはトーチに対する全プラズマガス流れを設定するのみならずバイパ ス流れ及びプラズマガス出口流れ５５の速度を設定するためのプラズマガス流れ 制御のための構成が示される。ニードル弁２２の位置もまた重要である。即ち、 このニードル弁が、アーク電流遮断に調和してプラズマガス流れが漸次減少する 漸次減少プロセスに於て、通気路内でのプラズマガス流れの変化に応答してのプ ラズマガスチャンバー内のプラズマガス流れの変化を遅延させるのである。ニー ドル弁２２は通気路２０の絞り位！を構成する。ニードル弁２２をプラズマガス 出口１２に接近して位置付けると、米国特許第５０７０２２７号の開示に従いプ ラズマガス流れ４８．５４及びアーク電流を漸次減少し且つ遮断する場合、アー クは早期に消え去ってしまう、ニードル弁、即ち絞り位置をノズルから図示の如 く遠くすることにより、この問題を回避出来ることが分かった。これは、バイパ スチャンネル１８及びプラズマガス出口通路２０ｂ内のプラズマガス容量が電気 的キャパシターと類似の様式で作用し、ノズル内のプラズマガス流れに対するニ ードル弁の絞り作動を緩和することによるものと考えられる。

入口ニードル弁７４がトーチ１０へのプラズマガスの流量を設定する。フローメ ーター７６と圧力計７８とがプラズマガス流れ４８を監視する。実験目的のため の第２の圧力計８０が接続され、ノズル位置でのガス圧力が測定される。

望ましいノズル出口オリフィス寸法は合計電流定格並びに電流密度により決定さ れる。所定のオリフィスのためにはプラズマガス流れはプラズマチャンバー内の ガス圧力の関数である。この圧力は結局、１）入口ニードル弁７４の設定値と、 ２）ニードル弁２２による絞り設定量と、それよりも度合いは小さいが、３）通 気孔２０ａの流れ抵抗値との関数であり且つそれらにより制御される。しかしな がら通気孔の数と寸法とは所定のノズルに対し一定である。従って、ニードル弁 の設定は２つの従属変数、即ちノズル圧力及びバイパス流れ１６に対するプラズ マガス出口流れ５５の比率を変化させる２つの独立した変数である。

これらの変数は実験的に以下のように設定される０通気用のニードル弁がアーク 点火と同時に閉鎖される０次いで入口ニードル弁７４が所望のノズル圧力が得ら れるまで変化される。プラズマガス出口流れ５５のみで構成される流量が測定さ れる０次いで所望の全流量が望ましい流れ比率から算出される。最後に通気用の ニードル弁２２が開放され、２つのニードル弁に対する設定値が、算出した全流 量がフローメーター７６に表示され第２の圧力計８０が所望のノズル圧力を表示 するまで変化される。

商業的使用ではトーチのための合計流量は既知である。また、常温流れ位置の圧 力計７８の位置で計測した入口ライン圧力もまた、アーク点火に際しノズル圧力 に対し既知の様式で関与する。従って、入口ライン圧力に渡りニードル弁２２と 入口ニードル弁７４とをアーク点火無しで合計流れ比率に従い設定可能である。

従って圧力計８０は通常の商業的使用では必要ではない。

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、電流定格が１５アンペ ア、電流密度が６０，０００ａｍｐ／ｉｎ”（約９３００ａｍｐ／ｃｍ”　）の トーチ１０のためには、前オリフィスの直径は０．０４フインチ（約０．１２ｃ ｍ）ノズル出口オリフィスの直径は０．０１８インチ（約０．０５ｃｍ）、長さ は０．０４インチ（約０．１ｃｍ）である、前オリフィスとノズル出口オリフィ スとは０．０１５（約０．０４ｃｍ）インチ軸線方向に離間される１通気孔２０ ａは３か新設けられ各々の直径は０．０２５インヂ（約０．０５ｃｍ）である、 バイパス流れ１６とプラズマガス出口流れ５５との比率は約５＝１である。プラ ズマチャンバー内のプラズマガス流れ５４の流量は合計流麗と同じであるがその 速度はもっと大きい。これは流れの断面積が前オリフィスに入るに際し最小とな るからである。

図１から３には本発明の別態様が例示される。図１では第２のプラズマガス出口 １２°が旋回リング２８°の傾斜したガス人口孔２８ａ′の下流側に形成した一 組のプラズマガス出口ポート９ｏにより形成されている。

（同じ構成部品は図１ではシングルダッシュ、図２ではダブルダッシュ、図３で はトリプルダッシュを付記した同じ参照番号で示される）この配列構成はプラズ マチャンバー１４°内の、しかし主にその上端付近でのプラズマガスの質量流量 が増大される。このバイパスによってはプラズマチャンバーの下端位置に強い流 れは創出されず、従って、好ましい具体例程にはアークの安定化、電極損耗及び ノズル損耗上の利益は生じない。

図２には第２のプラズマガス出口１２“を、中実の端位置部材型のノズル３４” に形成した一組の開口９２によって構成してなるトーチ１ｏ”が示される。これ らの開口は出口オリフィス付近に位置付けられそれにより。

プラズマチャンバー１４”の殆どを通し大ぎな質量流れと強い渦流れ作用とが出 現する。各ポート９２は主オリフィス３０ｃ”からある角度離間されそれにより バイパスされるプラズマガス流れがプラズマアークを妨害することは無い。

図３”には第２のプラズマガス出口１２”　を前オリフィス３６ｃ”°のノズル 出口オリフィス３８ｃ”とを架橋するノズル壁９６に設けた一組の開口９４によ り構成してなるトーチェ０”°が示される。これらの開口が分離したバイパス流 れ１６”°を、図４乃至６におけるようなノズル部材間に形成したバイパスチャ ンネル１８”′に送る。この具体例はプラズマガス流れがノズル出口オリフィス に入る直前に幾分が乱れ且つ非一様であることを除き、図４から６に示した具体 例の利益の殆どを有している。これは、バイパス流れ１６”が連続的な環状間隙 とは異なり別個の開口を通してノズルから流出することによるものである。

本発明の第２のプラズマガス出口を使用してバイパス流れを創出することにより 、プラズマチャンバー内に高速で強い渦流れが生じ、アークが安定化され実質的 にドロスを生じない状態で直角の切断角度が創出される。切断品質が電極及びノ ズル損耗しても維持される１強い渦流れ、詳しくは２部材構成のノズルにおける 前オリフィスを使用して仮想のノズルが創出され、これがアークをハフニウムイ ンサートの中心に保持することがら電極の寿命が増長される。これにより電極イ ンサートにおける損耗が均等なものとなる０本発明により提供される大きな流量 によりパイロットアーク介しのために必要とされる時間が短縮され且つノズルに おけるビット付きの黒色の内側表面の形成が減少されることからノズル寿命もま た増長される。これらの利益は電極寿命を延ばすことに繋がるノズルシールドや トーチの始動並びに遮断時の運転方法とも両立する。

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が可能であ ることを理解されたい。例えば、バイパスチャンネルが円筒形の上方部分と切頭 円錐形状の下方部分を有する通路として説明したが、これを種々の形状、例えば コツプ上の下方通路、円筒形の通路に代わる一連の軸線方向穿孔、或は中実のノ ズル或はノズル部材に形成され同じ組数のボートと連通してなる一連の穿孔、或 はノズルの第２のプラズマガス出口として作用するリング状のチャンバーとして も良い、２部材型のノズルが好ましいが、これを同じ作動上の利益を有する端位 置部材型のものとして形成して良い、この場合、幾分かのコスト増及び或は性能 上の低下は生じ得る０本発明における第２のプラズマガス出口形状を種々のもの として良い０例えば円周方向に伸延する長孔、或は流路に沿った異なる位置に形 成した多数組の出口として良い０本発明ではバイパス或は通気路に通気孔を形成 したがこれを省略可能である。この場合にも性能上の幾分の低下は生じ得る。ま た、ノズルに形成した通気孔を通気路に位置付けた別のトーチ部品に形成して良 い、より一般的には、バイパス流れ制御と、ニードル弁２２及び通気孔２０ａの 応答遅延機能とは共に、ニードル弁或は通気孔２０ａ何れか一方のみで実行可能 であるが、性能上の幾分の低下は生じ得る。

フロントページの続き （７２）発明者　ルオー、リフエン アメリカ合衆国　０３７５５　ニューハンプシャー、レバノン、アパートメント 　９．ボックス　８００．アールアール　４ （７２）発明者　ツープル、ジョン アメリカ合衆国　０３７５５　ニューハンプシャー、エンフィールド、アールア ール２゜ボックス　４３１エフ （７２）発明者　バッカンダー、パトリクアメリカ合衆国　０３７６６　ニュー ハンプシャー、レバノン、アパートメント　５．プロスペクト　ストリート　２ ７

Claims (26)

【特許請求の範囲】
1. １．トーチ胴部を具備し、トーチ胴部には電極を取付け、トーチの下端位置には 電極から接近状態で離間するノズルを取付けて電極及びノズル間にプラズマチャ ンバーを画定し、ノズルが中央オリフィスを具備し、中央オリフィスの上流側の 入口端が電極に隣接し、下流側の出口端が工作物に隣り合い且つ工作物から離間 しトーチのノズルの中央オリフィスから高い電流密度のプラズマジェットが射出 され、プラズマガス入口通路がトーチ胴部に形成されプラズマガスを旋回リング を介してプラズマガスチャンバーに配向してなる移行アークプラズマトーチであ って、 ノズルにプラズマガスバイバスチャンネルを形成し、プラズマガスバイバスチャ ンネルの入口をノズルの中央オリフィスの入口端の下流側で且つ中央オリフィス の出口端に隣り合って位置付けしそれにより、プラズマガスバイバスチャンネル がプラズマガスのバイバス流れを創出し、プラズマガスのバイバス流れがプラズ マチャンバーを貫くプラズマガスの質力流量を増大してプラズマチャンバーを貫 くプラズマガス流れを高度に一様化し且つ極めて安定させることを特徴とする移 行アークプラズマトーチ。
2. ２．プラズマガスバイバスチャンネルの入口は環状の間隙であり、プラズマガス バイバスチャンネルは環状の間隙からノズルを貫いて伸延してなる請求の範囲１ に記載の移行アークプラズマトーチ。
3. ３．ノズルは内側ノズル部材と、内側ノズル部材を取り巻く外側ノズル部材とを 有し、プラズマガスバイバスチャンネルは内側ノズル部材と外側ノズル部材との 間の環状の入口開口を含んでなる請求の範囲２に記載の移行アークプラズマトー チ。
4. ４．プラズマガスバイバスチャンネルが内側ノズル部材と外側ノズル部材との間 の空間によって形成され、プラズマガスバイパスチャンネルの入口の下流側に於 てノズルに形成された少なくとも１つの通気路を含んでなる請求の範囲３に記載 の移行アークプラズマトーチ。
5. ５．プラズマガスバイバスチャンネルが全体的に切頭円錐形状を有し、トーチ胴 部の中心線に関する傾斜角度が少なくとも約４５度である請求の範囲４に記載の 移行アークプラズマトーチ。
6. ６．ノズルが内側ノズル部材及び外側ノズル部材を含み、内側ノズル部材及び外 側ノズル部材は相互に離間してその間部分にプラズマガスバイバスチャンネルを 画定し、内側ノズル部材が前オリフィスを具備し、外側ノズル部材が前オリフィ スと整列したノズル出口オリフィスを具備し、前オリフィスがノズル出口オリフ ィスよりも大きな断面積の開口を有しそれにより、電極とは反対方向へのプラズ マガス流れに強い渦流れ模様を創出し、この渦流れ模様が電極におけるアークの 位置を安定化してなる請求の範囲２に記載の移行アークプラズマトーチ。
7. ７．前オリフィスとノズル出口オリフィスとの間でのプラズマガスバイバスチャ ンネルの高さが、ノズル出口オリフィスへの入口位置でのアークを安定化させる ために十分な流量及び渦流れ模様を維持する一方で、バイバス流れを創出するた めの寸法とされてなる請求の範囲６に記載の移行アークプラズマトーチ。
8. ８．プラズマガスバイバスチャンネルが大気への通気路を含んでなる請求の範囲 １に記載の移行アークプラズマトーチ。
9. ９．通気路が少なくとも１つの通気開口を含み、この通気開口が、通気開口を通 過するプラズマガスの流れを実質的に妨害しない流れ摩擦を創出してなる請求の 範囲８に記載の移行アークプラズマトーチ。
10. １０．通気路の少なくとも１つの通気開口の下流側で通気路に作動上結合されて なるバイバスガス流れ制御手段を含み、バイバスガス流れ制御手段が通気路の少 なくとも１つの通気開口から離れた絞り位置を形成してなる請求の範囲９に記載 の移行アークプラズマトーチ。
11. １１．トーチへのプラズマガスの合計流れを制御するための、プラズマガス入口 通路に作動上結合されてなる手段を含んでなる請求の範囲１０に記載の移行アー クプラズマトーチ。
12. １２．プラズマガスバイバスチャンネルが、ノズルに形成されノズルの中央オリ フィスからノズルの外側表面にかけて伸延する一組の孔を含んでなる請求の範囲 １に記載の移行アークプラズマトーチ。
13. １３．プラズマガスバイバスチャンネルが、ノズルに形成され前オリフィスから 中央オリフィスにかけて伸延してなる一組の孔を含み、一組の孔の各々がノズル の内側とノズルに形成された切頭円錐形状の溝との間を流体連通してなる請求の 範囲６に記載の移行アークプラズマトーチ。
14. １４．トーチ胴部と、トーチ胴部に、ノズルに関し離間関係にて電極を取付けて ノズルと電極との間にプラズマチャンバーを画定し、ノズルの一端に設けたノズ ル出口オリフィスが、アーク移行時にトーチを出て工作物にむっ移行プラズマア ークのための出口を提供し、プラズマアークをプラズマアークチャンバーに配向 するプラズマガス入口通路をノズル出口オリフィスを設けたとは反対側の端部に 形成してなるノズルであって、全体的に中空の円筒状の上方部分と、前オリフィ スに於て終端に収劍し下方に向けて収劍する下方部分とを具備する内側ノズル胴 部と、 中空で全体的に円筒状を有し、内側ノズル胴部の上方部分を取り巻く上方部分と 内側ノズル胴部の下方部分を、その間に環状のバイバスチャンネルを画定するべ く相互に離間関係にて取り巻き下方に向けて収劍してなる下方部分とを有する外 側ノズル胴部にして、その下方部分が、ノズル出口オリフィスに於て終端し且つ 前オリフィスから軸線方向に離間してなる外側ノズル胴部と、前オリフィスとノ ズル出口オリフィスとの間に形成されノズルからバイバスチャンネルに向うプラ ズマガスのための第２の出口を提供してなる開口と、バイバスチャンネルの、開 口から遠い端部位置に於てノズルに形成した少なくとも１つの通気開口とを含む ノズル。
15. １５．内側ノズル胴部の内側表面ヒ電極との組み合わせが、プラズマチャンバー を貫くプラズマガスのための流路にして、前オリフィス位置での高速の渦流れを 創出するための漸次狭くなる流れ半径を有する流路を画定してなる請求の範囲１ ４に記載のノズル。
16. １６．バイバスチャンネルは全体的に切頭円錐形状であり、ノズルの中心線に関 し少なくとも４５度の角度で傾斜してなる請求の範囲１５に記載のノズル。
17. １７．前オリフィスの直径はノズル出口オリフィスの直径よりも大きく、前オリ フィスとノズル出口オリフィスとの間の空間は連続する間隙である請求の範囲１ ５に記載のノズル。
18. １８．高電流密度型の移行アークプラズマ切断トーチが、トーチ胴部の下端位置 で相互に接近する離間関係にて取付けた電極及びノズルを具備し、電極及びノズ ル間にはプラズマチャンバーが画定され、プラズマチャンバーに向うプラズマガ スがプラズマチャンバーの上端位置に於て渦流れを生じ、ノズル出口オリフィス が工作物に対する移行プラズマアークをオリフィスの入口端からオリフィスの出 口端に向けて案内してなる高電流密度型の移行アークプラズマ切断トーチの運転 方法であって、プラズマチャンバーからのプラズマガスの一部分をオリフィスの 入口端の下流側に配向し、オリフィスの入口端の下流側に配向されたプラズマガ スの一部分がノズルの出口端位置でノズル出口オリフィスを貫いて出る前に、ノ ズル出口オリフィスを貫く質量流量を増大させることなくプラズマチャンバー内 の質量流量を増大させることと、 プラズマチャンバーからのプラズマガスの一部分をオリフィスの入口端の下流側 に配向と同時に、プラズマチャンバーを貫くプラズマガスの流れを高度に一様化 し且つ極めて安定なものとすることと を含んでなる高電流密度型の移行アークプラズマ切断トーチの運転方法。
19. １９．プラズマチャンバーからのプラズマガスの一部分のオリフィスの入口端の 下流側への配向は、高速の渦流れを、電極を覆い、ノズル出口オリフィスを設け たとは反対側のノズルの下端を含んで伸延させるために、ノズルのオリフィスの 出口端に可能な限り接近して行われる請求の範囲１８に記載の高電流密度型の移 行アークプラズマ切断トーチの運転方法。
20. ２０．渦流れによって、電極の下端とノズル出口オリフィスとの間の位置に垂直 方向ノズルを創出することを含んでなる請求の範囲１８に記載の高電流密度型の 移行アークプラズマ切断トーチの運転方法。
21. ２１．プラズマチャンバーからのプラズマガスの一部分のオリフィスの入口端の 下流側への配向は高度に一様であり且つ安定しておりそれにより、アークが高度 に安定化されてなる請求の範囲１８に記載の高電流密度型の移行アークプラズマ 切断トーチの運転方法。
22. ２２．プラズマチャンバーからのプラズマガスの一部分のオリフィスの入口端の 下流側への配向には、配向されたガス流れ部分を大気に通気することが含まれる 請求の範囲１８に記載の高電流密度型の移行アークプラズマ切断トーチの運転方 法。
23. ２３．配向されたガス流れ部分を大気に通気することには、配向されたガス部分 をトーチの中心線と少なくとも４５度の角度を形成する通路に沿ってノズル出口 オリフィスから離間する方向に案内することが含まれる請求の範囲２２に記載の 高電流密度型の移行アークプラズマ切断トーチの運転方法。
24. ２４．配向されたガス流れ部分を大気に通気することには、配向されたガス流れ 部分の、ノズル出口オリフィスから速い位置での流量を制御して、配向されたガ ス流れ部分の変化に対するプラズマチャンバー内の流れの応答に遅延を導入する ことを含んでなる請求の範囲２２に記載の高電流密度型の移行アークプラズマ切 断トーチの運転方法。
25. ２５．配向された流れ部分を、この配向された流れ部分の流量を制御して配向さ れたガス流れ部分の変化に対するプラズマチャンバー内の流れの応答における遅 延を導入するに先立ち拘束し、配向された流れ部分の一様性を増大することを含 んでいる請求の範囲２４に記載の高電流密度型の移行アークプラズマ切断トーチ の運転方法。
26. ２６．トーチに向うプラズマガスの合計流量を、配向されたガス流れ部分のノズ ル出口オリフィスから遠い位置での流量を制御し配向されたガス流れ部分の変化 に対するプラズマチャンバー内の流れの応答に遅延を導入することとの調和に於 て、配向されたガス流れ部分の流量と、そのようには配向されない、ノズル出口 オリフィスを貫くプラズマガスの流量との比率を設定することを含んでなる請求 の範囲２４に記載の高電流密度型の移行アークプラズマ切断トーチの運転方法。