JPH0763034B2

JPH0763034B2 - 軸供給型プラズマ加熱材料噴射装置

Info

Publication number: JPH0763034B2
Application number: JP59237195A
Authority: JP
Inventors: 吉明荒田; 明小林
Original assignee: 吉明荒田; 明小林
Priority date: 1984-11-10
Filing date: 1984-11-10
Publication date: 1995-07-05
Anticipated expiration: 2010-07-05
Also published as: JPS61116799A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、固体、液体、気体などの材料をプラズマジ
ェットによって加熱し、かつプラズマジェットに乗せて
噴射する装置に関するものである。

プラズマジェットは、操作性のよい高温、高速のエネル
ギービームであり、その特徴を活かして例えば金属材料
や非金属材料の加工や溶解、高温化学反応などの工業的
利用が進んでいる。例えばプラズマジェットを熱源とす
るプラズマ容射装置は、高温の粉末溶融粒子が得られる
ため、高融点のセラミックスや無機材料の皮膜を生成す
るのに適している。

このようなプラズマを熱源とする材料加熱噴射装置とし
て、従来は第７図や第８図に示すような装置が知られて
いる。

第７図に示す装置は、中心にノズル71を有するノズル電
極72と、そのノズル71に対面して電極72に絶縁物73を介
して取り付けた中心電極74と、ノズル電極72及び中心電
極74間に接続した電源75とを具え、ノズル電極72には、
ノズル71に直交する材料供給路76と、電極を熱的に保護
する水套77とが設けられている。そして、中心電極74の
周囲に設けた流路78より作動ガスを供給しながら電極7
2、74間で放電を起こさせると、ノズル71より外界へプ
ラズマジェット79が噴出する。ここで供給路76よりプラ
ズマジェット79中に例えば粉末状の材料80を供給する
と、この粉末材料は加熱されかつプラズマジェットと共
に噴射される。

この種のプラズマジェットは、サーマルピンチ効果に基
づき細いプラズマ流の周囲に冷たいガス流の鞘が存在し
ているので、直角方向から供給された粉末材料を効果的
にプラズマ流内に到達させるのが困難なため、供給され
た粉末材料を一様に加熱することができない。

第８図に示す装置は、第７図示の装置と同様にノズル71
を有するノズル電極72、絶縁物73に支持された中心電極
74、及び電源75を具備するが、材料供給路76を中心電極
74の中心に設けたものである。

この装置の場合は、第７図示の装置に較べて粉末材料粒
子が加熱を受け易いが、その反面にノズル71の内面に符
号81で示すように材料が溶着して、動作を阻害するよう
になる。

このほか、第７図及び第８図に示す装置の双方ともが、
負特性のアーク放電を利用しているために、数10V以
下、数100A以下の低圧大電流で動作させており、大出力
化のためには電流を増大させるしかないのに対し、電流
の増大は電極の消耗等の問題により限界がある。従って
従来は100KW程度が限界であった。

この発明は、噴射される材料を均一に加熱するばかりで
なくこれに従来は得られなかった高エネルギーを与え、
かつ電極の消耗や材料溶着を軽減しようとするものであ
る。

以下、図示の実施例に基づいてこれを説明する。

第１図において、１はノズル２を有するノズル電極で、
絶縁物３に支持された中心電極４がノズル２に対面して
おり、中心電極４の周囲には作動ガスの供給路５が形成
されている。６はノズル電極１の冷却水套、７はノズル
電極１と中心電極４との間に接続された放電用電源であ
り、これらの構成は従来のプラズマジェット発生装置と
ほぼ同じである。中心電極４の中心部には材料供給路８
が穿設されている。

ノズル電極１の前面には、絶縁物製の二重円筒形の渦流
室壁11が存在し、外壁12と内壁13との間には円筒形のガ
ス供給室14が形成されている。外壁12はガス供給室14に
通ずるガス供給管15を有する。内壁13には、第２図に示
すように、円周上に等間隔で位置する４箇所にそれぞれ
複数個（第１図では４個）の小孔16、16‥‥が、中心軸
線について対称な接線方向に穿孔されており、この小孔
16、16‥‥を有する内壁13の内部は渦流室17を形成して
いる。

渦流室17の前面には、中心にガスダイバータノズル18を
有するガスダイバータノズル電極19が位置する。ノズル
電極１とガスダイバータノズル電極19との間には放電用
電源20が接続されている。なお、21はガスダイバータノ
ズル電極19に設けた冷却水套である。

上述の装置において、電源７を動作させ、供給路５より
作動ガスを送入しながらノズル電極２と中心電極４との
間でアーク放電を発生させると、生成したプラズマジェ
ットは渦流室17内へ噴出する。

次に、供給管15より作動ガスを供給しながら電源20を作
動させてノズル電極２とガスダイバータノズル電極19と
の間に主放電を起こさせると、エネルギーが増強された
プラズマジェット22が、ガスダイバータノズル18より外
界へ噴出する。

ここで、接線方向から渦流室17へ、小孔16、16‥‥より
噴出した作動ガスの流速の円周方向成分をＶθ、半径方
向をVrとすると、第３図に示すように、両成分とも中心
軸線23から半径Rwの位置にある内壁13の内面位置より中
心へ向かうに従って増大し、ガスダイバータノズル半径
Rnよりも内側の半径Rm位置で最大値を示し、中心では０
に近づく。特に円周方向成分Ｖθの最大値は音速Va附近
にまで達する。なお、音速の室温における値は、水素ガ
スの場合は約1300m/s、空気は約340m/s、アルゴンガス
の場合は約330m/sである。

その結果、中心部のガス圧は大幅に低下し、あたかも半
径Rmのトンネル壁によって包囲されたような低圧部分を
生ずるのであり、このような高速渦流のトンネル壁内に
存する低ガス圧領域をガストンネルと称することにす
る。ガストンネル内のガス圧は、供給管15より供給され
るガス流量が多い程、及びガスダイバータノズル径Rnが
小さい程低くなり、ガスダイバータノズル18の先端が大
気圧に開放されている場合は、ガストンネル内のガス圧
を約200Torrにまで引き下げることが可能である。

第４図は、ガスダイバータノズル18の径を8mmとし、そ
の出口側の空間を真空排気し、供給管15よりアルゴンガ
スを毎分340の流量で供給した場合の渦流室17内の圧
力分布を示し、ガストンネルの中心部ではガス圧が40To
rrにまで低下していることがわかる。

なお、実験によれば、このようなガストンネルは１方向
から作動ガスを渦流室内に噴出させた場合には形成され
ず、対称な２方向から噴出させた場合には偏平なものと
なり、対称な４方向から噴出させた場合に円形の好まし
い形状になった。

電源20によるノズル電極１とガスダイバータノズル電極
19との間の主放電は、ノズル２より渦流室17内へ噴射さ
れるプラズマジェットによって点弧され、上述のガスト
ンネルを通して行われ、プラズマのサーマルピンチ効果
はガス流の半径方向速度成分Vrにより増強される。この
ようなガストンネルが存在しない場合は、放電は電極１
及び19間をほぼ最短径路で結んで発生するが、ガストン
ネルが存在する場合はガストンネルに沿う長い距離を通
って行われる。

その結果、第７図及び第８図に示した従来の装置の電流
−電圧特性は、第５図に曲線51で示すように負特性を示
すのに対し、上述のガストンネルを通しての放電は曲線
52で示すように正特性を示し、かつ放電電圧が大幅に上
昇する。なお、第５図の曲線52は、渦流室の長さが20m
m、ガスダイバータノズル径が8mm、長さが40mmで、渦流
室17にアルゴンガスを毎分400供給した場合の値であ
る。

従って放電電圧を高めることによってプラズマジェット
が持つエネルギーを増大させることが可能になるばかり
でなく、放電点の局部集中を回避して放電電流を増大さ
せたことによる電極の消耗を軽減することができる。

実験によれば、中心電極４及びノズル電極１間に800A、
35Vの放電を行わせて得た28KWのプラズマジェットに、
ノズル電極１及びガスダイバータノズル電極19間の1000
A、210Vの放電による200KW強のエネルギーを容易に注入
することができ、これによりプラズマジェットの輝度及
び長さがともに格段と増大した。そして、その熱効率は
従来のプラズマジェットに較べて格段と高く、80％以上
である。

このようにして電源20による電極１、19間の主放電が点
弧された後は、電源７による電極４、１間の放電を停止
させても、主放電はそのまま継続する。しかし、電極
４、１間の放電は種火として小電力で残しておいてもよ
い。

ここで、材料供給路８より例えば粉末状の材料９を適当
な搬送ガスと共に供給すると、材料９はノズル１内を通
って渦流室17の中心部に入り、作動ガス流の半径方向流
速成分Vrによって中心軸線23近傍に集められ、前述のガ
ストンネル内に引き込まれる。その結果、材料はガスト
ンネル内のプラズマジェットにより熱エネルギーと運動
エネルギーとを与えられて、中心軸線23の延長上に位置
する被加工物24の表面に溶着皮膜25を生成する。

このとき、材料粒子が得るエネルギーは、ガストンネル
を通しての放電径路が従来のプラズマジェット発生装置
の放電径路に較べて著しく長く、かつ放電エネルギーも
大きいため、熱エネルギー及び運動エネルギーの双方と
もが従来のプラズマ溶射に較べて格段と大きくなる。ま
た、中心軸線23から離れた位置にあったために十分なエ
ネルギーを取得できなかった材料粒子は、ガスダイバー
タノズル18を出た位置で遠心力により矢印26方向に排除
される。従って溶着皮膜の被加工物24に対する付着強度
が向上すると共に、皮膜自体の緻密度及び硬度も向上
し、皮膜の品質が著しく向上する。

更に、従来はプラズマ溶射皮膜が困難であった高融点セ
ラミックの溶射も、本発明においては可能である。これ
に加え、本発明においては放電径路がガストンネルによ
って規制されるために、放電スポットの発生による局部
的な電極損耗を防ぎ、材料の移動径路がガストンネルに
よって規制されるために、ノズル内面への材料の溶着も
極めて少ない。

上述の実施例では、ガスダイバータノズル電極19の前方
に、渦流室17及びガスダイバータノズル電極13よりなる
ガストンネル生成手段を多段に設けることによって、噴
射材料のエネルギーを何倍かに増大させることが可能に
なる。

第６図に示す実施例では、第１図におけるノズル電極１
に相当する電極が後部ノズル電極61及び前部ノズル電極
62を分割されており、中心電極４の代わりに材料供給路
８を有していない中心電極63が用いられている。従っ
て、装置は、中心電極63及びノズル電極61よりなる点弧
用プラズマジェット発生部64と、電極62、19及び渦流室
17よりなるガストンネル型プラズマジェット発生部65と
に区分することができる。そして、点弧用プラズマジェ
ット発生部64には、材料供給路66を有する材料供給ブロ
ック67が結合されている。

図示のように、ノズル電極61と62とを重ねた状態で電極
７により電源61、63間に放電を起こさせ、かつ供給路５
から作動ガスを供給すると、発生したプラズマジェット
が前部ノズル電極62のノズル68を通って渦流室17内へ噴
射し、前述のガストンネルを通る電源20による放電を点
弧し、プラズマジェット22を発生させることができる。

ここで点弧用プラズマジェット発生装置64及び材料供給
ブロック66を矢印69で示すようにスライドして、材料供
給路65をノズル68に連通させ、材料供給路65より材料を
渦流室17の中心部へ送入すると、この材料は第１図示の
実施例と同様にガストンネル内に導入され、プラズマジ
ェット22に乗って高エネルギーで溶射される。

第６図で示した実施例においても、ガストンネル型プラ
ズマジェット発生部65を多段に設けることにより、材料
に与える熱エネルギー及び運動エネルギーを何倍かに増
大することができる。更にこのようなガストンネル型プ
ラズマジェット発生部65を、第７図或いは第８図に示し
た従来装置の前面に配置することにより、材料に与える
エネルギーを大幅に増大することもできる。

以上のように、この発明によるときは、従来のプラズマ
加熱材料噴射装置に較べて大きな熱エネルギー及び運動
エネルギーを与えることができるので、表面被覆や高温
化学反応などの技術分野に大きく貢献することができ
る。

【図面の簡単な説明】第１図はこの発明の実施例の縦断面図、第２図はその渦
流室の横断面図、第３図は同渦流室内におけるガス流の
速度成分の分布図、第４図は同渦流室内における圧力分
布図、第５図は同実施例及び従来装置の電流−電圧特性
線図、第６図はこの発明の他の実施例の縦断面図、第７
図及び第８図は従来のプラズマ加熱材料噴射装置の縦断
面図である。１……ノズル電極（第１の電極）、２……ノズル（第１
のノズル）、４……中心電極、８……材料供給路、11…
…渦流室壁、16……接線方向小孔、17……渦流室、18…
…ガスダイバータノズル（第２のノズル）、19……ガス
ダイバータノズル電極（第２の電極）、20……作動電
源、22……プラズマジェット、23……中心軸線。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献実開昭51−15119（ＪＰ，Ｕ) 特公昭37−11415（ＪＰ，Ｂ１)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】同一中心軸線上に配置された入射ノズル及
びガスダイバータノズルをそれぞれ有する入射電極及び
ガスダイバータ電極と、これら両電極に挟まれた上記中
心軸線を中心とする筒状周壁によって囲まれた渦流室
と、上記渦流室内面の上記中心軸線について対称な複数
位置より接線方向に作動ガスを供給して上記ガスダイバ
ータノズル内に高速ガス渦流によって囲まれたトンネル
状の低ガス圧領域を形成する手段と、上記入射電極の背
後にあって上記入射ノズルに対面して配置された中心電
極と、この中心電極の方向から上記入射ノズル内へ作動
ガスを供給する手段と、上記入射ノズルより上記渦流室
内へ点弧用プラズマジェットを供給するための放電を生
ずるように上記中心電極及び上記入射電極間に接続され
た電源と、上記入射ノズルを通して上記渦流室内へ被加
熱材料を供給する手段と、上記入射電極及び上記ガスダ
イバータ電極間に上記トンネル状低ガス圧領域を通して
放電を生ずるように接続された高電圧大容量電源とを有
し、上記トンネル状低ガス圧領域を通しての放電によっ
て生成されたプラズマジェットにより加熱された上記被
加熱材料を上記ガスダイバータノズルより上記プラズマ
ジェットに搬送させて噴出させるよう構成してなる軸供
給型プラズマ加熱材料噴射装置。
【請求項２】上記被加熱材料の供給手段は、上記被加熱
材料を上記中心電極の方向から上記入射ノズル内へ導入
するよう構成されていることを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の軸供給型プラズマ加熱材料噴射装置。
【請求項３】上記入射電極は上記中心軸線に直交する面
で前部及び後部に分割され、かつその後部は材料供給ブ
ロックと置換可能に構成されており、上記後部入射電極
にはその入射ノズルに上記中心電極が対面し、上記材料
供給ブロックは上記前部入射電極の入射ノズルに連通す
る材料供給路を有していることを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の軸供給型プラズマ加熱材料噴射装置。