JPH08102397A - 移行型プラズマ発生方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】構造の簡略化と保守点検の容易化を図るととも
に、溶射粒子の滞留時間を制御できるようにする。 【構成】陰極５と陽極を有する非移行型プラズマ発生ト
ーチ１と、該トーチ内で発生したプラズマを外部に移行
させる陽極１３を有する外部陽極部２と、を備えた移行
型プラズマ発生装置であって；前記トーチ１と外部陽極
部２を互いの軸心を交差させながら相対的に回動せしめ
る回動変位手段４と、前記トーチと外部陽極部との間隔
を調整する水平移動手段３とを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はプラズマ溶射装置、気
相合成ダイヤモンド製造装置、廃棄物焼却装置、フロン
分解装置、金属及びセラミックスの切断や接合、物質の
改質や表面処理等に用いられる移行型プラズマ発生方法
及びその装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】在来プラズマ溶射装置で、プラズマを外
部に引き出してプラズマへ直接溶射材料を供給できる代
表的なものとして、複合トーチ型プラズマ溶射装置があ
り、その主要な部分は図２３に示す通りのものである。

【０００３】図２３において、非移行型主トーチ１は、
絶縁物７によって主陰極５を囲み、かつ、狭窄口を有す
る主陰極保護外套６と主プラズマガス送入口８、主陰極
保護外套６を囲み出口狭窄口を有する補助外套２９が、
絶縁物３０を介して、主陰極保護外套６と同心をなすよ
うに構成されており、この主陰極保護外套６と補助外套
２９の間に主第二プラズマガス送入口３１を通して、主
第二プラズマガス３２が送入されるようになっている。

【０００４】次に非移行型副トーチ５６は、絶縁物６１
によって副トーチ起動陰極５７を囲み、かつ、狭窄口を
有する副外套５８と副プラズマガス送入口５９、副外套
５８を囲み出口狭窄口を有する副第二外套６２が、絶縁
物６５を介して、副外套５８と同心をなすように構成さ
れており、この副外套５８と副第二外套６２の間に副第
二プラズマガス送入口６３を通して、副第二プラズマガ
ス６４が送入されるようになっている。

【０００５】主電源１０は、その負端子が高周波点火装
置１１を介して、主陰極５に接続されており、正端子に
は、スイッチ手段１２、３３を介して、それぞれ主陰極
保護外套６及び補助外套２９と接続されており、非移行
型主トーチ１のプラズマ発生装置を構成している。次い
で、副電源６６は、その正端子が主電源１０の正端子及
び非移行型副トーチ５６の副外套５８に接続されてお
り、副電源６６の負端子は、副高周波点火装置６７、ス
イッチ手段６８を介して、副トーチ起動陰極５７に接続
され、非移行型副トーチ５６のプラズマ発生装置を構成
している。

【０００６】そして、非移行型主トーチ１と非移行型副
トーチ５６は、それぞれの中心軸が交叉するようにフレ
ーム外套７０に配置・固定されている。これらが全体と
して、汎用的な複合トーチ型プラズマ発生装置を構成し
ている。

【０００７】また、フレーム外套７０は、プラズマフレ
ーム２２を包み込むことによって、プラズマから失われ
る熱を軽減し、かつプラズマフレーム２２及び溶射粒子
２５から発生する強い紫外線を含む強烈な光を遮断し
て、作業環境の改善を実現することができる。

【０００８】図２３に示した各トーチの起動は、以下に
示すような順序で行われる。すなわち、スイッチ手段１
２を閉じて主電源１０と高周波点火装置１１により、主
陰極５と主陰極保護外套６の狭窄口の間に主起動プラズ
マアーク１９をまず形成させ、これによって、主プラズ
マガス９が加熱されて、主陰極保護外套６の先端から導
電性のプラズマが補助外套２９の狭窄口を通って、非移
行型主トーチ１から放出される。

【０００９】この時、スイッチ手段３３を閉じ、次いで
スイッチ手段１２を開くと、既に形成されている主起動
プラズマアーク１９の陽極点は、主陰極保護外套６の狭
窄口から補助外套２９の狭窄口へ移行し、移行プラズマ
アーク３４を形成する。これによって、主プラズマガス
９と主第二プラズマガス３２が加熱されて、プラズマフ
レーム２２が非移行型主トーチ１の外部に放出される。

【００１０】次にスイッチ手段６８を閉じて、副電源６
６と副高周波点火装置６７によって、副外套５８と副ト
ーチ起動陰極５７との間に副起動プラズマアーク６９を
形成させると、副プラズマガス６０がこのアークによっ
て加熱され副外套５８の狭窄口より導電性のプラズマが
形成され、これは更に副第二外套６２の先端の狭窄口を
通って、導電性プラズマが非移行型副トーチ５６の外部
に放出される。

【００１１】これらのプロセスが終了すると、非移行型
主トーチ１と非移行型複トーチ５６とは、その中心軸が
交叉するように設置されているので、それぞれから放出
される導電性のプラズマが導電路を形成する。

【００１２】この時、スイッチ３３及びスイッチ６８を
開くと、主電源１０によって主陰極５の先端から副外套
５８の狭窄口に向かってヘアピンプラズマアーク２１が
形成される。非移行型主トーチ１に送入されるガス量と
非移行型副トーチ５６に送入されるガス量を各々調整す
ることによって、図２３に示された如く、非移行型主ト
ーチ１の中心軸とほぼ同心をなすプラズマフレーム２２
が形成される。

【００１３】プラズマ溶射の過程は、溶射粉末材料送入
管２３より高温で高いエンタルピーをもつ主プラズマア
ーク２０中へ送入された溶射粉末材料２４は、直ちに高
温に加熱されて溶融し、溶射粒子２５に示した如くプラ
ズマフレーム２２に同伴されながら、あまり広がらない
で基材２８に向かって進行する。この溶射粒子２５を含
むプラズマフレーム２２は、基材２８の直前に設けられ
たプラズマ分離手段７１によって、プラズマフレーム２
２のみが分離され、その直後に溶融した溶射粒子２５
は、基材２８に衝突し、溶射皮膜２７を形成する。

【００１４】尚、以上の説明では、主陰極保護外套６、
補助外套２９及び副外套５８、副第ニ外套６２の内面
は、通常何れも二重構造となっており、その内部を水等
の循環によって冷却されているが、これらは省略し図示
していない。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】従来例には、次の様な
問題点がある。 （１）在来プラズマ溶射装置で、プラズマを外部に引き
出して、プラズマ柱へ直接、溶射材料を供給できる代表
的なものとして、複合トーチ型プラズマ溶射装置がある
が、二個以上のトーチ及び二個以上の電源を必要とする
ために、溶射装置の構造は複雑となり、結果的に保守・
点検も容易でなく、製作費が高い。

【００１６】（２）複合トーチ型プラズマ溶射装置で
は、プラズマの中へ直接、溶射材料を供給する際、溶射
材料の特性に応じて、最適な加熱と加速を与えるために
プラズマアークの長さを変化させて、溶射粒子の滞留時
間を制御できない。

【００１７】この発明は、上記事情に鑑み、構造の簡略
化と保守点検の容易化を図ることを目的とする。他の目
的は、溶射粒子の滞留時間を制御できるようにすること
である。

【００１８】

【課題を解決するための手段】この発明の第１の特徴
は、一個の非移行型プラズマ発生トーチの外部に更に陽
極を有し、その陽極の周りを不活性ガスで保護し、外套
をもつ陽極部を設けることによって、その外部陽極へプ
ラズマを移行させ、プラズマを外部へ安定に引き出すこ
とである。この移行型プラズマ発生装置トーチでは、複
数のトーチ及び電源を必ずしも必要とせず、トーチの構
造は簡略化され、製作費も安価になる。

【００１９】第二の特徴は、一個の非移行型プラズマ発
生トーチと不活性ガスで保護された陽極部の両方、或い
はどちらか一方にモーターやシリンダー等の駆動によ
り、変位を可変できる手段を設けることによって、陰極
から外部陽極間のプラズマの長さ（電位差）とプラズマ
の形状を任意に設定できることで有る。この装置では、
溶射において、プラズマの中へ直接、溶射材料を供給す
る際、溶射材料の特性に応じて最適な加熱と加速を与え
るために溶射粒子の滞留時間を制御できる。

【００２０】

【作用】本発明によるプラズマ発生装置においては、一
個の非移行型プラズマ発生トーチと不活性ガスで保護さ
れた陽極部の両方、或いはどちらか一方にモーターやシ
リンダー等の駆動により、変位を可変できる手段を設け
ることによって、陰極から外部陽極間のプラズマの長さ
（電位差）を任意に設定できることで、電源の電圧仕様
について自由度があり、例えば、汎用の非移行型プラズ
マ溶射やプラズマ切断機仕様の電源でも利用できる。

【００２１】

【実施例】本発明の第１実施例を図１〜図６により説明
するが、図２３と同一図面符号はその名称も機能も同一
である。前記図１〜図６は、本発明の基本的なプラズマ
発生技術に基づくプラズマ溶射装置を示す断面図である
が、１はトーチ内に陰極と陽極を備えた非移行型トーチ
である。この非移行型トーチ１は狭窄口を有する主陰極
保護外套６と、旋回流ガス形成手段５１を有する絶縁物
７によって主陰極５を囲み、同心をなすように構成され
ている。

【００２２】主プラズマガス９は、ＩーＩ断面図に示さ
れた如く主プラズマガス送入口８より、まずプラズマガ
ス環状室５２へ送入され、一個の旋回流形成孔５３、或
いは等分に配置された複数個の旋回流形成孔５３を通っ
て、絶縁物７の内壁５４を旋回するように矢印５５の如
く送入される。この旋回流形成孔５３は、非移行型トー
チ１の中心軸に対して接線方向に設けられている。

【００２３】次に外部陽極部２は、狭窄口を有する主陽
極保護外套１４と、絶縁物７と同様な旋回流ガス形成手
段５１を有する絶縁物１５によって主陽極１３を囲み、
同心をなすように構成されている。

【００２４】直流電源１０は、その負端子が高周波点火
装置１１を介して、主陰極５に接続されており、正端子
には、スイッチ手段１２を介して、主陰極保護外套６に
接続されており、非移行型トーチ１のプラズマ発生装置
を構成している。

【００２５】更に、直流電源１０の正端子は、スイッチ
手段１８を介して、外部陽極部２の主陽極１３に接続さ
れている。そして、非移行型トーチ１と外部陽極部２に
は、両方、或いはどちらか一方にモーターやシリンダー
等の駆動により、変位を可変できる手段、すなわち、非
移行型トーチ変位可変装置３、外部陽極部変位可変装置
４を有している。

【００２６】この非移行型トーチ変位可変装置３と外部
陽極部変位可変装置４は、種々のものが用いられるが、
その１例を図５、図６により説明する。基台１００に非
移行型トーチ１を設け、その両側に支持壁１０１を立設
する。該トーチ１はカップリング１０２を介してモータ
１０３に接続されている。このモータ１０３の駆動によ
り該トーチ１は軸心Ｃ方向に移動し鎖線の状態１Ａにな
る。

【００２７】前記支持壁１０１には支持アーム１０５の
一端１０５ａが軸着され、その他端１０５ｂには外部陽
極部２が支持されている。該他端１０５ｂには回転アー
ム１０６の一端が軸着され、その他端にはエアシリンダ
２００のピストンロッド２０１が軸着されている。

【００２８】エアシリンダ２００を駆動させると、該ロ
ッド２０１が回転し回転アーム１０６を引っ張る。そう
すると、外部陽極部２はその軸心を該トーチ１の軸心Ｃ
と交差させながら回転し、鎖線で示す状態２Ａとなる。
この時、該トーチ１の軸心Ｃと外部陽極部２の軸心は直
交する。

【００２９】以上のようにして前記装置３、４を駆動し
て該トーチ１と外部電極部２とを所望の状態に変位させ
るが、その操作は図示しない制御装置を介して行われ
る。

【００３０】図に示したトーチの起動は、以下に示すよ
うな順序で行われる。まず、図１でスイッチ手段１２を
閉じ、直流電源１０と高周波点火装置１１により、主陰
極５と主陰極保護外套６の狭窄口の間に主起動プラズマ
アーク１９を形成させる。これによって、主プラズマガ
ス９が加熱され、主陰極保護外套６の先端から導電性の
プラズマが補助外套２９の狭窄口を通って、非移行型ト
ーチ１から放出される。

【００３１】次に、非移行型トーチ１において、導電性
のプラズマを更に伸長させるために、直流電源１０の電
流と主プラズマガス９の量を調節する。この時、外部陽
極部２は、非移行型トーチ１と同軸上で対向に配置さ
れ、非移行型トーチ１の狭窄口先端と外部陽極部２の狭
窄口先端との距離Ｘ1（０＜Ｘ1＜２０）mmを保ってい
る。非移行型トーチ１から放出される導電性のプラズマ
が外部陽極部２の狭窄口を貫く如く伸長したと同時に、
スイッチ手段１８を閉じて、スイッチ手段１２を開く
と、非移行型トーチ１から放出された導電性のプラズマ
は、外部陽極部２の主陽極１３の先端へと移行し、主プ
ラズマアーク２０を形成する。

【００３２】その主プラズマアーク２０の陰極点である
主陰極５と陽極点である主陽極１３は、不活性ガスで確
実に保護されており、それらのガスは、電極点の周りに
強い旋回流を形成するように供給されているので、電極
点の移動もない。その上、主プラズマアーク２０の周り
の旋回流ガスによって、サーマルピンチ効果を高め、主
プラズマアーク２０の熱集中性、安定性を高めることが
できるので、直流電源１０からの入力電流と主プラズマ
ガス９の量、及び主陽極保護ガス１７の量は、広い範囲
にわたり、任意の値に設定することができる。

【００３３】引き続いて、図２に示すように、非移行型
トーチ１と外部陽極部２は、それぞれの中心軸が交叉す
るように、非移行型トーチ変位可変装置３、外部陽極部
変位可変装置４の両方、或いはどちらか一方によって配
置される。この時、主陰極５と主陽極１３の間の主プラ
ズマアーク２０は、図１に示すようなヘアピンプラズマ
アーク２１を形成する。

【００３４】また、ヘアピンプラズマアーク２１の先端
の方向性を非移行型トーチ１の中心軸と同軸方向に維持
するために、主プラズマガス９のガス量を増し、主陽極
保護ガス１７のガス量を減じる操作を行う。一例とし
て、主プラズマガス９のガス量を１０l/min、主陽極保
護ガス１７のガス量を１l/minと設定すると、図２に示
すように、ヘアピンプラズマアーク２１の先端の進行方
向を非移行型トーチ１の中心軸上にほぼ保つことができ
る。

【００３５】更に、この主プラズマアーク２０を図３に
示すようなプラズマ溶射に適用する場合、溶射粉末材料
送入管２３より高温で高いエンタルピーをもつ主プラズ
マアーク２０中へ送入された溶射粉末材料２４は、直ち
に高温に加熱されて溶融し、溶射粒子２５に示したよう
にプラズマフレーム２２に同伴されながら、あまり広が
らないで基材２８に向かって進行する。この溶射粒子２
５を含むプラズマフレーム２２は、基材２８の直前に設
けられた圧縮空気等を用いた基材冷却手段２６によっ
て、プラズマフレーム２２が基材２８に与える熱負荷を
減じ、その直後に溶融した溶射粒子２５は、基材２８に
衝突し、溶射皮膜２７を形成する。

【００３６】しかし、溶射粉末材料２４の物性、特に融
点や熱伝達（導）率によって、溶射粒子２５の溶融や酸
化・還元等の状態は変わり、結果的に溶射皮膜２７の特
性や溶射効率に大きく影響を及ぼす。よって、溶射皮膜
２７の特性や溶射効率を安定に保つために、溶射粉末材
料２４の物性を考慮して、主プラズマアーク２０中の溶
射粒子２５の滞留時間を制御する。

【００３７】その方法は、非移行型トーチ変位可変装置
３、外部陽極部変位可変装置４の両方、或いはどちらか
一方を駆動させて、ヘアピンプラズマアーク２１の先端
方向のプラズマアーク長Ｘ3を変化させ、溶射粉末材料
２４の物性に応じて、設定する。例えば、溶射粉末材料
２４が高融点の場合、低融点のものよりもプラズマアー
ク長Ｘ3を長くとる。プラズマアーク長Ｙ2に関しては、
溶射粉末材料２４の溶融にはほとんど寄与しないので、
できる限り短く設定し、プラズマフレーム２２の方向性
を高めるために主陽極保護ガス１７の量を抑える必要が
ある。この時、プラズマの電位傾度は、プラズマガスを
アルゴン主体とした場合、プラズマ密度にもよるが、２
〜４V/mmであった。

【００３８】本発明の第２実施例を図７〜１０により説
明するが、前記図７〜１０は、非移行型トーチにおい
て、陰極保護のチャンバーの他に１つの補助外套及び絶
縁物で構成された電極をもたないチャンバーを設けた実
施例を示す。

【００３９】非移行型トーチ１は、主陰極位５の軸上に
同心、同径の主プラズマガス送入口８を設けた絶縁物７
狭窄口を有する主陰極保護外套６、主第二プラズマガス
送入口３１を設けた絶縁物３０及び出口狭窄口を有する
補助外套２９によって構成されている。主プラズマガス
９及び主第二プラズマガス３２は、図１０の断面図に示
された如くそれぞれ主プラズマガス送入口８、主第二プ
ラズマガス送入口３１より、まずプラズマガス環状室５
２へ送入され、一個の旋回流形成孔５３、或いは等分に
配置された複数個の旋回流形成孔５３を通って、絶縁物
７及び絶縁物３０の内壁５４を旋回するように矢印５５
の如く送入される。この旋回流形成孔５３は、非移行型
トーチ１の中心軸に対して接線方向に設けられている。

【００４０】次に外部陽極部２は、狭窄口を有する主陽
極保護外套１４と、絶縁物７及び絶縁物３０と同様な旋
回流ガス形成手段５１を有する絶縁物１５によって主陽
極１３を囲み、同心をなすように構成されている。直流
電源１０は、その負端子が高周波点火装置１１を介し
て、主陰極５に接続されており、正端子には、スイッチ
手段１２を介して、主陰極保護外套６に、そしてスイッ
チ手段３３を介して、補助外套２９に接続されており、
非移行型トーチ１のプラズマ発生装置を構成している。

【００４１】続いて、直流電源１０の正端子は、スイッ
チ手段１８を介して、外部陽極部２の主陽極１３に接続
されている。そして、非移行型トーチ１と外部陽極部２
には、両方、或いはどちらか一方にモーターやシリンダ
ー等の駆動により、変位を可変できる手段、すなわち、
非移行型トーチ変位可変装置３、外部陽極部変位可変装
置４を有している。これらが全体として、図に示すよう
な移行型プラズマ発生装置を構成している。

【００４２】トーチの起動は、以下に示すような順序で
行われる。まず、図７で、スイッチ手段１２を閉じて直
流電源１０と高周波点火装置１１により、主陰極５と主
陰極保護外套６の狭窄口の間に主起動プラズマアーク１
９を形成させ、これによって、主プラズマガス９が加熱
され、主陰極保護外套６の先端から導電性のプラズマが
放出される。この時、スイッチ手段３３を閉じ、次いで
スイッチ手段１２を開くと、既に形成されている主起動
プラズマアーク１９の陽極点は、主陰極保護外套６の狭
窄口から補助外套２９の狭窄口へと移行し、移行プラズ
マアーク３４を形成させ、これによって、主第二プラズ
マガス３２が加熱され、導電性のプラズマが非移行型ト
ーチ１の出口より放出される。

【００４３】次に、非移行型トーチ１において、導電性
のプラズマを更に伸長させるために、直流電源１０の電
流、主プラズマガス９の量、そして主第二プラズマガス
３２の量を調節する。この時、外部陽極部２は、非移行
型トーチ１と同軸上で対向に配置されており、非移行型
トーチ１の狭窄口先端と外部陽極部２の狭窄口先端との
距離Ｘ1（０＜Ｘ1＜２０）mmを保っている。

【００４４】非移行型トーチ１から放出される導電性の
プラズマが外部陽極部２の狭窄口を貫く如く伸長したと
同時に、スイッチ手段１８を閉じて、スイッチ手段１２
を開くと、非移行型トーチ１から放出された導電性のプ
ラズマは、外部陽極部２の主陽極１３の先端へと移行
し、主プラズマアーク２０を形成する。

【００４５】その主プラズマアーク２０の陰極点である
主陰極５と陽極点である主陽極１３は、不活性ガスで確
実に保護されており、それらのガスは、電極点の周りに
強い旋回流を形成するように供給されているので、電極
点の移動もない。その上、主プラズマアーク２０の周り
の旋回流ガスによって、サーマルピンチ効果を高め、主
プラズマアーク２０の熱集中性、安定性を高めることが
できるので、直流電源１０からの入力電流と主プラズマ
ガス９の量、主第二プラズマガス３２の量及び主陽極保
護ガス１７の量は、広い範囲にわたり、任意の値に設定
することができる。

【００４６】引き続いて、図８に示すように、非移行型
トーチ１と外部陽極部２は、それぞれの中心軸が交叉す
るように、非移行型トーチ変位可変装置３、外部陽極部
変位可変装置４の両方、或いはどちらか一方によって配
置される。この時、主陰極５と主陽極１３の間の主プラ
ズマアーク２０は、図８に示すようなヘアピンプラズマ
アーク２１を形成する。

【００４７】また、ヘアピンプラズマアーク２１の先端
の方向性を非移行型トーチ１の中心軸と同軸方向に維持
するために、主プラズマガス９及び主第二プラズマガス
３２のガス量を増し、主陽極保護ガス１７のガス量を減
じる操作を行う。一例として、主プラズマガス９のガス
量を３l/min、主第二プラズマガス３２のガス量を７l/m
inとし、主陽極保護ガス１７のガス量を１l/minと設定
すると、図８に示すように、ヘアピンプラズマアーク２
１の先端の進行方向を非移行型トーチ１の中心軸上ヘほ
ぼ保つことができる。

【００４８】この時、主プラズマガス９は、主陰極５を
保護するために、不活性ガスを用い、主第二プラズマガ
ス３２が混入しないように、予め主プラズマガス９の圧
力を主第二プラズマガス３２の圧力よりも高く設定して
おく。また、主第二プラズマガス３２を送入するチャン
バーは、電極をもたない状態であり、目的に応じて、不
活性ガスはむろんのこと活性な空気や酸素等のガス、そ
して複合ガスを使用できる。

【００４９】更に、この主プラズマアーク２０を図９に
示すようなプラズマ溶射に適用する場合、溶射粉末材料
送入管２３より高温で高いエンタルピーをもつ主プラズ
マアーク２０中へ送入された溶射粉末材料２４は、直ち
に高温に加熱されて溶融し、溶射粒子２５に示したよう
にプラズマフレーム２２に同伴されながら、あまり広が
らないで基材２８に向かって進行する。この溶射粒子２
５を含むプラズマフレーム２２は、基材２８の直前に設
けられた圧縮空気等を用いた基材冷却手段２６によっ
て、プラズマフレーム２２が基材２８に与える熱負荷を
減じ、その直後に溶融した溶射粒子２５は、基材２８に
衝突し、溶射皮膜２７を形成する。

【００５０】しかし、溶射粉末材料２４の物性、特に融
点や熱伝達率によって、溶融粒子２５の溶融や酸化・還
元等の状態は変わり、結果的に溶射皮膜２７の特性や溶
射効率に大きく影響を及ぼす。よって、最適な溶射皮膜
２７の特性や溶射効率を安定に保つために、溶射粉末材
料２４の物性を考慮して、主プラズマアーク２０中の溶
射粒子２５の滞留時間を制御する。

【００５１】その方法は、非移行型トーチ変位可変装置
３、外部陽極部変位可変装置４の両方、或いはどちらか
一方を駆動させて、ヘアピンプラズマアーク２１の先端
方向のプラズマアーク長Ｘ3を変化させ、溶射粉末材料
２４の物性に応じて、設定する。例えば、溶射粉末材料
２４が高融点の場合、低融点のものよりプラズマアーク
長Ｘ3を長くとる。

【００５２】更には、溶射粉末材料２４が酸化物の場
合、不活性ガスのみならず主第二プラズマガス３２に活
性な空気や酸素等のガスを用いると有効である。プラズ
マアーク長Ｙ2に関しては、溶射粉末材料２４の溶融に
はほとんど寄与しないので、できる限り短く設定し、プ
ラズマフレーム２２の方向性を高めるために主陽極保護
ガス１７の量を抑える必要がある。

【００５３】この発明の第３実施例を図１１〜１４によ
り説明するが、前記図１１〜１４は、第２実施例の非移
行型トーチにおいて、更に１つの補助外套及び絶縁物で
構成された電極をもたないチャンバーを設けることで、
第２実施例のプラズマ溶射装置に比べて、プラズマガス
として、異種・複合ガス及び活性なガス、特に酸素の比
率をより自由に設定できる特徴をもつプラズマ溶射装置
の実施例を示す。

【００５４】非移行型トーチ１は、主陰極位５の軸上に
同心、同径の主プラズマガス送入口８を設けた絶縁物
７、狭窄口を有する主陰極保護外套６、主第二プラズマ
ガス送入口３１を設けた絶縁物３０、狭窄口を有する補
助外套２９、主第三プラズマガス送入口３７を設けた絶
縁物３６、そして出口狭窄口を有する補助第二外套３５
によって構成されている。

【００５５】主プラズマガス９、主第二プラズマガス３
２及び主第三プラズマガス３８は、図１４に示された如
くそれぞれ主プラズマガス送入口８、主第二プラズマガ
ス送入口３１及び主第三プラズマガス送入口３７より、
まずプラズマガス環状室５２へ送入され、一個の旋回流
形成孔５３、或いは等分に配置された複数個の旋回流形
成孔５３を通って、絶縁物７、絶縁物３０、そして絶縁
物３６の内壁５４を旋回するように矢印５５の如く送入
される。

【００５６】この旋回流形成孔５３は、非移行型トーチ
１の中心軸に対して接線方向に設けられている。次に外
部陽極部２は、狭窄口を有する主陽極保護外套１４と、
絶縁物７、絶縁物３０、そして絶縁物３６と同様な旋回
流ガス形成手段５１を有する絶縁物１５によって主陽極
１３を囲み、同心をなすように構成されている。

【００５７】直流電源１０は、その負端子が高周波点火
装置１１を介して、主陰極５に接続されており、正端子
には、スイッチ手段１２を介して、主陰極保護外套６
に、スイッチ手段３３を介して、補助外套２９に、そし
てスイッチ手段３９を介して、補助第二外套３５に接続
されており、非移行型トーチ１のプラズマ発生装置を構
成している。

【００５８】続いて、直流電源１０の正端子は、スイッ
チ手段１８を介して、外部陽極部２の主陽極１３に接続
されている。そして、非移行型トーチ１と外部陽極部２
には、両方、或いはどちらか一方にモーターやシリンダ
ー等の駆動により、変位を可変できる手段、すなわち、
非移行型トーチ変位可変装置３、外部陽極部変位可変装
置４を有している。これらが全体として、図１１に示す
ような移行型プラズマ発生装置を構成している。

【００５９】トーチの起動は、以下に示すような順序で
行われる。まず、図１１で、スイッチ手段１２を閉じ、
直流電源１０と高周波点火装置１１により、主陰極５と
主陰極保護外套６の狭窄口の間に主起動プラズマアーク
１９を形成させ、これによって、主プラズマガス９が加
熱され、主陰極保護外套６の先端から導電性のプラズマ
が放出される。

【００６０】この時、スイッチ手段３３を閉じ、次いで
スイッチ手段１２を開くと、既に形成されている主起動
プラズマアーク１９の陽極点は、主陰極保護外套６の狭
窄口から補助外套２９の狭窄口へと移行し、移行プラズ
マアーク３４を形成し、これによって、主第二プラズマ
ガス３２が加熱され、補助外套２９の先端から導電性の
プラズマが放出される。

【００６１】この時、スイッチ手段３９を閉じ、次いで
スイッチ手段３３を開くと、既に形成されている移行プ
ラズマアーク３４の陽極点は、補助外套２９の狭窄口か
ら補助第二外套３５の狭窄口へと移行し、第二移行プラ
ズマアーク４０を形成し、これによって、主第三プラズ
マガス３８が加熱され、非移行型トーチ１の出口から導
電性のプラズマが放出される。

【００６２】次に、非移行型トーチ１において、導電性
のプラズマを更に伸長させるために、直流電源１０の電
流と主プラズマガス９、主第二プラズマガス３２、そし
て主第三プラズマガス３８の量を調節する。この時、外
部陽極部２は、非移行型トーチ１と同軸上で対向に配置
されており、非移行型トーチ１の狭窄口先端と外部陽極
部２の狭窄口先端との距離Ｘ1（０＜Ｘ1＜２０）mmを保
っている。

【００６３】非移行型トーチ１から放出される導電性の
プラズマが外部陽極部２の狭窄口を貫く如く伸長したと
同時に、スイッチ手段１８を閉じて、スイッチ手段１２
を開くと、非移行型トーチ１から放出された導電性のプ
ラズマは、外部陽極部２の主陽極１３の先端へと移行
し、主プラズマアーク２０を形成する。

【００６４】その主プラズマアーク２０の陰極点である
主陰極５と陽極点である主陽極１３は、不活性ガスで確
実に保護されており、それらのガスは、電極点の周りに
強い旋回流を形成するように供給されているので、電極
点の移動もない。その上、主プラズマアーク２０の周り
の旋回流ガスによって、サーマルピンチ効果を高め、主
プラズマアーク２０の熱集中性、安定性を高めることが
できるので、直流電源１０からの入力電流と主プラズマ
ガス９の量、主第二プラズマガス３２の量、主第三プラ
ズマガス３８の量及び主陽極保護ガス１７の量は、広い
範囲にわたり、任意の値に設定することができる。

【００６５】引き続いて、図１２に示すように、非移行
型トーチ１と外部陽極部２は、それぞれの中心軸が交叉
するように、非移行型トーチ変位可変装置３、外部陽極
部変位可変装置４の両方、或いはどちらか一方によって
配置される。この時、主陰極５と主陽極１３の間の主プ
ラズマアーク２０は、図１２に示すようなヘアピンプラ
ズマアーク２１を形成する。

【００６６】また、ヘアピンプラズマアーク２１の先端
の方向性を非移行型トーチ１の中心軸と同軸方向に維持
するために、主プラズマガス９、主第二プラズマガス３
２、そして主第三プラズマガス３８のガス量を増し、主
陽極保護ガス１７のガス量を減じる操作を行う。一例と
して、主プラズマガス９のガス量を２l/min、主第二プ
ラズマガス３２のガス量を３l/min、主第三プラズマガ
ス３８のガス量を５l/minとし、主陽極保護ガス１７の
ガス量を１l/minと設定すると、図１２に示すように、
ヘアピンプラズマアーク２１の先端の進行方向を非移行
型トーチ１の中心軸上ヘほぼ保つことができる。

【００６７】この時、主プラズマガス９は、主陰極５を
保護するために、不活性ガスを用い、主第二プラズマガ
ス３２が混入しないように、また、主第二プラズマガス
３２に主第三プラズマガス３８が混入しないように、予
め送入するプラズマガスの圧力を高い順に主プラズマガ
ス９、主第二プラズマガス３２、そして主第三プラズマ
ガス３８と設定しておく。また、主第二プラズマガス３
２を送入するチャンバー及び主第三プラズマガス３８を
送入するチャンバーは、電極をもたない状態であり、目
的に応じて、不活性ガスはむろんのこと活性な空気や酸
素等のガス、そして複合ガスを広範囲に使用できる。

【００６８】更に、この主プラズマアーク２０を図１３
に示すようなプラズマ溶射に適用する場合、溶射粉末材
料送入管２３より高温で高いエンタルピーをもつ主プラ
ズマアーク２０中へ送入された溶射粉末材料２４は、直
ちに高温に加熱されて溶融し、溶射粒子２５に示したよ
うにプラズマフレーム２２に同伴されながら、あまり広
がらないで基材２８に方向へ進行する。

【００６９】この溶射粒子２５を含むプラズマフレーム
２２は、基材２８の直前に設けられた圧縮空気等を用い
た基材冷却手段２６によって、プラズマフレーム２２が
基材２８に与える熱負荷を減じ、その直後に溶融した溶
射粒子２５は、基材２８に衝突し、溶射皮膜２７を形成
する。

【００７０】しかし、溶射粉末材料２４の物性、特に融
点や熱伝達（導）率によって、溶射粒子２５の溶融や酸
化・還元等の状態は変わり、結果的には溶射皮膜２７の
特性や溶射効率に大きく影響を及ぼす。よって、最適な
溶射皮膜２７の特性や溶射効率を安定に保つために、溶
射粉末材料２４の物性を考慮して、主プラズマアーク２
０中の溶射粒子２５の滞留時間を制御する。

【００７１】その方法は、非移行型トーチ変位可変装置
３、外部陽極部変位可変装置４の両方、或いはどちらか
一方を駆動させて、ヘアピンプラズマアーク２１の先端
方向のプラズマアーク長Ｘ3を変化させ、溶射粉末材料
２４の物性に応じて、設定する。例えば、溶射粉末材料
２４が高融点の場合、低融点のものよりもプラズマアー
ク長Ｘ3を長くとる。

【００７２】更には、溶射粉末材料２４が酸化物の場
合、不活性ガスのみならず主第二プラズマガス３２及び
主第三プラズマガス３８に活性な空気や酸素等のガスを
用いると有効である。プラズマアーク長Ｙ2に関して
は、溶射粉末材料２４の溶融にはほとんど寄与しないの
で、できる限り短く設定し、プラズマフレーム２２の方
向性を高めるために主陽極保護ガス１７の量を抑える必
要がある。

【００７３】本発明の第４実施例を図１５〜１８により
説明するが、前記図１１〜１９は、第２実施例のプラズ
マ溶射装置の特徴をもつとともに、２個の外部陽極部を
設けることで、プラズマアークの指向性を高め、大出力
かつ大容量が可能なプラズマ溶射装置の実施例を示す。
移移行型トーチ１は、主陰極位５の軸上に同心、同径の
主プラズマガス送入口８を設けた絶縁物７、狭窄口を有
する主陰極保護外套６、主第二プラズマガス送入口３１
を設けた絶縁物３０、そして出口狭窄口を有する補助外
套２９によって構成されている。

【００７４】主プラズマガス９及び主第二プラズマガス
３２は、図１８に示された如く、それぞれ主プラズマガ
ス送入口８、主第二プラズマガス送入口３１より、まず
プラズマガス環状室５２へ送入され、一個の旋回流形成
孔５３、或いは等分に配置された複数個の旋回流形成孔
５３を通って、絶縁物７及び絶縁物３０の内壁５４を旋
回するように矢印５５の如く送入される。この旋回流形
成孔５３は、非移行型トーチ１の中心軸に対して接線方
向に設けられている。

【００７５】次に外部陽極部２は、狭窄口を有する主陽
極保護外套１４と、絶縁物７及び絶縁物３０と同様な旋
回流ガス形成手段５１を有する絶縁物１５によって主陽
極１３を囲み、同心をなすように構成されており、もう
一つの主第二外部陽極部４１も同様、狭窄口を有する主
第二陽極保護外套４６と、絶縁物７及び絶縁物３０と同
様な旋回流ガス形成手段５１を有する絶縁物４７によっ
て主第二陽極４５を囲み、同心をなすように構成されて
いる。

【００７６】直流電源１０は、その負端子が高周波点火
装置１１を介して、主陰極５に接続されており、正端子
には、スイッチ手段１２を介して、主陰極保護外套６
に、そしてスイッチ手段３３を介して、補助外套２９に
接続されており、非移行型トーチ１のプラズマ発生装置
を構成している。

【００７７】続いて、直流電源１０の正端子は、スイッ
チ手段１８を介して、外部陽極部２の主陽極１３へと接
続され、そして第二直流電源４３は、その負端子が主陰
極５に接続されており、正端子には、スイッチ手段４４
を介して、第二外部陽極部４１と接続されている。

【００７８】そして、非移行型トーチ１と外部陽極部２
及び第二外部陽極部４１には、すべて、或いはその内の
二方にモーターやシリンダー等の駆動により、変位を可
変できる手段、すなわち、非移行型トーチ変位可変装置
３、外部陽極部変位可変装置４を有している。これらが
全体として、図１９に示すような移行型プラズマ発生装
置を構成している。

【００７９】該トーチの起動は、以下に示すような順序
で行われる。まず、図１５で、スイッチ手段１２を閉じ
て直流電源１０と高周波点火装置１１により、主陰極５
と主陰極保護外套６の狭窄口の間に主起動プラズマアー
ク１９を形成させ、これによって、主プラズマガス９が
加熱され、主陰極保護外套６の先端から導電性のプラズ
マが放出される。

【００８０】この時、スイッチ手段３３を閉じ、次いで
スイッチ手段１２を開くと、既に形成されている主起動
プラズマアーク１９の陽極点は、主陰極保護外套６の狭
窄口から補助外套２９の狭窄口へと移行し、移行プラズ
マアーク３４を形成させ、これによって、主第二プラズ
マガス３２が加熱され、導電性のプラズマが非移行型ト
ーチ１の出口より放出される。

【００８１】次に、非移行型トーチ１において、導電性
のプラズマを更に伸長させるために、直流電源１０の電
流、主プラズマガス９の量、そして主第二プラズマガス
３２の量を調節する。この時、外部陽極部２は、非移行
型トーチ１と同軸上で対向に配置されており、非移行型
トーチ１の狭窄口先端と外部陽極部２の狭窄口先端との
距離Ｘ1（０＜Ｘ1＜２０）mmを保ち、第二外部陽極部４
１は、非移行型トーチ１の中心軸と交叉し、非移行型ト
ーチ１及び外部陽極部２と接触しないように配置されて
いる。

【００８２】ここで、外部陽極部２と第二外部陽極部４
１は、同じ機能を有し、最初に、第二外部陽極部４１を
外部陽極部２に変わって、非移行型トーチ１と同軸上で
対向に配置しても良いが、以下順序として外部陽極部２
を優先して説明する。

【００８３】非移行型トーチ１から放出される導電性の
プラズマが外部陽極部２の狭窄口を貫く如く伸長したと
同時に、スイッチ手段１８を閉じて、スイッチ手段１２
を開くと、非移行型トーチ１から放出された導電性のプ
ラズマは、外部陽極部２の主陽極１３の先端へと移行
し、主プラズマアーク２０を形成する。

【００８４】その主プラズマアーク２０の陰極点である
主陰極５と陽極点である主陽極１３は、不活性ガスで確
実に保護されており、それらのガスは、電極点の周りに
強い旋回流を形成するように供給されているので、電極
転の移動もない。

【００８５】更に、主プラズマアーク２０の周りの旋回
流ガスによって、サーマルピンチ効果を高め、主プラズ
マアーク２０の熱集中性、安定性を高めることができる
ので、直流電源１０からの入力電流と主プラズマガス９
の量、主第二プラズマガス３２の量及び主陽極保護ガス
１７の量は、広い範囲にわたり、任意の値に設定するこ
とができる。

【００８６】引き続いて、図１６に示すように、非移行
型トーチ１と外部陽極部２は、それぞれの中心軸が交叉
するように、非移行型トーチ変位可変装置３、外部陽極
部変位可変装置４の両方、或いはどちらか一方によって
配置され、第二外部陽極部４１は、非移行型トーチ可変
装置３及び外部陽極部可変装置４、或いは第二外部陽極
部変位可変装置４２によって非移行型トーチ１と同軸上
かつ対向して配置される。

【００８７】この時、主陰極５と主陽極１３の間の主プ
ラズマアーク２０は、図１６に示すようなヘアピンプラ
ズマアーク２１を形成する。また、ヘアピンプラズマア
ーク２１の先端の方向性を非移行型トーチ１の中心軸の
方向に維持するために、主プラズマガス９及び主第二プ
ラズマガス３２のガス量を増し、主陽極保護ガス１７の
ガス量を減じる操作を行う。一例として、主プラズマガ
ス９のガス量を３l/min、主第二プラズマガス３２のガ
ス量を７l/minとし、主陽極保護ガス１７のガス量を１l
/minと設定すると、図１６に示すように、ヘアピンプラ
ズマアーク２１の先端の進行方向を非移行型トーチ１の
中心軸上ヘほぼ保つことができる。

【００８８】この時、主プラズマガス９は、主陰極５を
保護するために、不活性ガスを用い、主第二プラズマガ
ス３２が混入しないように、予め主プラズマガス９の圧
力を主第二プラズマガス３２の圧力よりも高く設定して
おく。また、主第二プラズマガス３２を送入するチャン
バーは、電極をもたない状態であり、目的に応じて、不
活性ガスはむろんのこと活性な空気や酸素等のガス、そ
して複合ガスを使用することができる。

【００８９】次に、直流電源１０より、電流を増し、或
いは主プラズマガス９、主第二プラズマガス３２、そし
て主陽極保護ガス１７のそれぞれのガス量を制御するこ
とによって、ヘアピンプラズマアーク２１の先端が同軸
上の第二外部陽極部４１の主第二陽極保護外套４６の狭
窄口を貫く如くに伸長させたところで、スイッチ手段４
４を閉じると、ヘアピンアーク２１の先端は、主第二陽
極４５の先端に移行し、第二直流電源４３を通して電流
が流れる。この時、主第二陽極４５の周りには、絶縁物
４７に設けられた主第二陽極保護ガス送入口４８より、
若干の主第二陽極保護ガス４９ガスが流されている。

【００９０】更に、この主プラズマアーク２０を図１７
に示すようなプラズマ溶射に適用する場合、第二外部陽
極部４１を、非移行型トーチ可変装置３及び外部陽極部
可変装置４、或いは第二外部陽極部変位可変装置４２に
よって外部陽極部２と同軸上にかつ対向して配置する。
この時、図１７に示すようなトリプルプラズマアーク５
０を形成する。

【００９１】また、トリプルプラズマアーク５０の先端
方向が非移行型トーチ１の中心軸と同軸をなし、指向性
を維持する為に主陽極１３の先端と主第二陽極４５の先
端が非移行型トーチ１の中心軸に対称となるよう配置す
るとともに、直流電源１０及び第二直流電源４３の電流
値と主陽極保護ガス１７及び主第二陽極保護ガス４９の
ガス量を同一の条件に設定する。このことによって、主
プラズマアークの指向性は高められ、２個の主陽極１
３、主第二陽極４５を有することによって、それぞれの
陽極に及ぼす電流負荷は半減され、大出力、大容量が可
能となる。

【００９２】こうした主プラズマアーク２０中に、溶射
粉末材料送入管２３より高温で高いエンタルピーをもつ
主プラズマアーク２０中へ送入された溶射粉末材料２４
は、直ちに高温に加熱されて溶融し、溶射粒子２５に示
したようにプラズマフレーム２２に同伴されながら、あ
まり広がらないで基材２８に向かって進行する。この溶
射粒子２５を含むプラズマフレーム２２は、基材２８の
直前に設けられた圧縮空気等を用いた基材冷却手段２６
によって、プラズマフレーム２２が基材２８に与える熱
負荷を減じ、その直後に溶融した溶射粒子２５は、基材
２８に衝突して、溶射皮膜２７を形成する。

【００９３】しかし、溶射粉末材料２４の物性、特に融
点や熱伝達（導）率によって、溶射粒子２５の溶融や酸
化・還元等の状態は変わり、結果的に溶射皮膜２７の特
性や溶射効率に大きく影響を及ぼす。よって、最適な溶
射皮膜２７の特性や溶射効率を安定に保つために、溶射
粉末材料２４の物性を考慮して、主プラズマアーク２０
中の溶射粒子２５の滞留時間を制御する。

【００９４】その方法は、非移行型トーチ変位可変装置
３、或いは外部陽極部変位可変装置４及び第二外部陽極
部変位可変装置４２を駆動させて、ヘアピンプラズマア
ーク２１の先端方向のプラズマアーク長Ｘ3を変化さ
せ、溶射粉末材料２４の物性に応じて、設定する。

【００９５】例えば、溶射粉末材料２４が高融点の場
合、低融点のものよりもプラズマアーク長Ｘ4を長くと
る。更には、溶射粉末材料２４が酸化物の場合、不活性
ガスのみならず主第二プラズマガス３２に活性な空気や
酸素等のガスを用いると有効である。プラズマアーク長
Ｙ3に関しては、溶射粉末材料２４の溶融にはほとんど
寄与しないので、できる限り短く設定し、プラズマフレ
ーム２２の方向性を高めるために、主陽極保護ガス１７
及び主第二陽極保護ガス４９の量を抑える必要がある。

【００９６】この発明の第５実施例を図１９〜２２によ
り説明するが、前記図１９〜２２は、第４実施例と全く
同様な特徴をもつが、実際の溶射に至るまでの起動操作
方法が異なる特徴をもつプラズマ溶射装置の実施例を示
す。

【００９７】非移行型トーチ１は、主陰極位５の軸上に
同心、同径の主プラズマガス送入口８を設けた絶縁物
７、狭窄口を有する主陰極保護外套６、主第二プラズマ
ガス送入口３１を設けた絶縁物３０、そして出口狭窄口
を有する補助外套２９によって構成されている。主プラ
ズマガス９及び主第二プラズマガス３２は、図２２に示
された如くそれぞれ主プラズマガス送入口８、主第二プ
ラズマガス送入口３１より、まずプラズマガス環状室５
２へ送入され、一個の旋回流形成孔５３、或いは等分に
配置された複数個の旋回流形成孔５３を通って、絶縁物
７及び絶縁物３０の内壁５４を旋回するように矢印５５
の如く送入される。この旋回流形成孔５３は、非移行型
トーチ１の中心軸に対して接線方向に設けられている。

【００９８】次に外部陽極部２は、狭窄口を有する主陽
極保護外套１４と、絶縁物７及び絶縁物３０と同様な旋
回流ガス形成手段５１を有する絶縁物１５によって主陽
極１３を囲み、同心をなすように構成されており、もう
一つの主第二外部陽極部４１も同様、狭窄口を有する主
第二陽極保護外套４６と、絶縁物７及び絶縁物３０と同
様な旋回流ガス形成手段５１を有する絶縁物４７によっ
て主第二陽極４５を囲み、同心をなすように構成されて
いる。

【００９９】直流電源１０は、その負端子が高周波点火
装置１１を介して、主陰極５に接続されており、正端子
には、スイッチ手段１２を介して、主陰極保護外套６
と、そしてスイッチ手段３３を介して、補助外套２９と
接続されており、非移行型トーチ１のプラズマ発生装置
を構成している。

【０１００】続いて、直流電源１０の正端子は、スイッ
チ手段１８を介して、外部陽極部２の主陽極１３へと接
続され、そして第二直流電源４３は、その負端子が主陰
極５に接続されており、正端子には、スイッチ手段４４
を介して、第二外部陽極部４１と接続されている。そし
て、非移行型トーチ１と外部陽極部２及び第二外部陽極
部４１には、すべて、或いはその内の二方にモーターや
シリンダー等の駆動により、変位を可変できる手段、す
なわち、非移行型トーチ変位可変装置３、外部陽極部変
位可変装置４を有している。これらが全体として、図１
９に示す如く移行型プラズマ発生装置を構成している。

【０１０１】トーチの起動は、以下に示すような順序で
行われる。まず、図１９で、スイッチ手段１２を閉じて
直流電源１０と高周波点火装置１１により、主陰極５と
主陰極保護外套６の狭窄口の間に主起動プラズマアーク
１９を形成させ、これによって、主プラズマガス９が加
熱され、主陰極保護外套６の先端から導電性のプラズマ
が放出される。

【０１０２】この時、スイッチ手段３３を閉じ、次いで
スイッチ手段１２を開くと、既に形成されている主起動
プラズマアーク１９の陽極点は、主陰極保護外套６の狭
窄口から補助外套２９の狭窄口へと移行し、移行プラズ
マアーク３４を形成させ、これによって、主第二プラズ
マガス３２が加熱され、導電性のプラズマが非移行型ト
ーチ１の出口より放出される。

【０１０３】次に、非移行型トーチ１において、導電性
のプラズマを更に伸長させるために、直流電源１０の電
流、主プラズマガス９の量、そして主第二プラズマガス
３２の量を調節する。この時、外部陽極部２は、非移行
型トーチ１と同軸上で対向に配置されており、非移行型
トーチ１の狭窄口先端と外部陽極部２の狭窄口先端との
距離Ｘ1（０＜Ｘ1＜２０）mmを保ち、第二外部陽極部４
１は、非移行型トーチ１の中心軸と交叉し、非移行型ト
ーチ１及び外部陽極部２と接触しないように配置されて
いる。

【０１０４】ここで、外部陽極部２と第二外部陽極部４
１は、同じ機能を有し、最初に、第二外部陽極部４１を
外部陽極部２に変わって、非移行型トーチ１と同軸上で
対向に配置しても良いが、以下順序として外部陽極部２
を優先し、説明する。非移行型トーチ１から放出される
導電性のプラズマが外部陽極部２の狭窄口を貫く如く伸
長したと同時に、スイッチ手段１８を閉じて、スイッチ
手段１２を開くと、非移行型トーチ１から放出された導
電性のプラズマは、外部陽極部２の主陽極１３の先端へ
と移行し、主プラズマアーク２０を形成する。

【０１０５】その主プラズマアーク２０の陰極点である
主陰極５と陽極点である主陽極１３は、不活性ガスで確
実に保護されており、それらのガスは、電極点の周りに
強い旋回流を形成するように供給されているので、電極
点の移動もない。更に、主プラズマアーク２０の周りの
旋回流ガスによって、サーマルピンチ効果を高め、主プ
ラズマアーク２０の熱集中性、安定性を高めることがで
きるので、直流電源１０からの入力電流と主プラズマガ
ス９の量、主第二プラズマガス３２の量及び主陽極保護
ガス１７の量は、広い範囲にわたり、任意の値に設定す
ることができる。

【０１０６】引き続いて、図２０に示すように、非移行
型トーチ１と外部陽極部２は、それぞれの中心軸が交叉
するように、また、外部陽極部２と第二外部陽極部４１
は、それぞれの中心軸が同軸上にかつ対向するように、
非移行型トーチ変位可変装置３と外部陽極部変位可変装
置４の両方、或いは第二外部陽極部変位可変装置４２に
よって配置される。この時、主陰極５と主陽極１３の間
の主プラズマアーク２０は、図２０に示すようなヘアピ
ンプラズマアーク２１を形成する。

【０１０７】また、ヘアピンプラズマアーク２１の先端
の方向性を外部陽極部２の中心軸と同軸方向に維持する
ために、主プラズマガス９及び主第二プラズマガス３２
のガス量を減じ、主陽極保護ガス１７のガス量を増す操
作を行う。一例として、主プラズマガス９のガス量を
０．５l/min、主第二プラズマガス３２のガス量を１l/m
inとし、主陽極保護ガス１７のガス量を１０l/minと設
定すると、図２０に示すように、ヘアピンプラズマアー
ク２１の先端の進行方向を非移行型トーチ１の中心軸上
にほぼ保つことができる。

【０１０８】この時、主プラズマガス９は、主陰極５を
保護するために、不活性ガスを用い、主第二プラズマガ
ス３２が混入しないように、予め主プラズマガス９の圧
力を主第二プラズマガス３２の圧力よりも高く設定して
おく。また、主第二プラズマガス３２を送入するチャン
バーは、電極をもたない状態であり、目的に応じて、不
活性ガスはむろんのこと活性な空気や酸素等のガス、そ
して複合ガスを使用することができる。

【０１０９】次に、直流電源１０より、電流を増し、或
いは主プラズマガス９、主第二プラズマガス３２、そし
て主陽極保護ガス１７のそれぞれのガス量を制御するこ
とによって、ヘアピンプラズマアーク２１の先端が同軸
上の第二外部陽極部４１の主第二陽極保護外套４６の狭
窄口を貫くように伸長させたところで、スイッチ手段４
４を閉じると、ヘアピンアーク２１の先端は、主第二陽
極４５の先端に移行し、第二直流電源４３を通して電流
が流れる。この時、主第二陽極４５の周りには、絶縁物
４７に設けられた主第二陽極保護ガス送入口４８より、
若干の主第二陽極保護ガス４９ガスが流されている。

【０１１０】更に、この主プラズマアーク２０を図２１
に示すようなプラズマ溶射に適用する場合、第二外部陽
極部４１を、非移行型トーチ可変装置３及び外部陽極部
可変装置４、或いは第二外部陽極部変位可変装置４２に
よって外部陽極部２と同軸上にかつ対向して配置する。
この時、図２１に示すようなトリプルプラズマアーク５
０を形成する。

【０１１１】また、トリプルプラズマアーク５０の先端
方向が非移行型トーチ１の中心軸と同軸をなし、指向性
を維持するために、主陽極１３の先端と主第二陽極４５
の先端が非移行型トーチ１の中心軸に対称となるよう配
置するとともに、直流電源１０及び第二直流電源４３の
電流値と主陽極保護ガス１７及び主第二陽極保護ガス４
９のガス量を同一の条件に設定する。

【０１１２】このことによって、主プラズマアークの指
向性は高められ、２個の主陽極１３、主第二陽極４５を
有することによって、それぞれの陽極に及ぼす電流負荷
は半減され、大出力、大容量が可能となる。こうした主
プラズマアーク２０中に、溶射粉末材料送入管２３より
高温で高いエンタルピーをもつ主プラズマアーク２０中
へ送入された溶射粉末材料２４は、直ちに高温に加熱さ
れて溶融し、溶射粒子２５に示したようにプラズマフレ
ーム２２に同伴されながら、あまり広がらないで基材２
８に向かって進行する。

【０１１３】この溶射粒子２５を含むプラズマフレーム
２２は、基材２８の直前に設けられた圧縮空気等を用い
た基材冷却手段２６によって、プラズマフレーム２２が
基材２８に与える熱負荷を減じ、その直後に溶融した溶
射粒子２５は、基材２８に衝突し、溶射皮膜２７を形成
する。

【０１１４】しかし、溶射粉末材料２４の物性、特に融
点や熱伝達（導）率によって、溶射粒子２５の溶融や酸
化・還元等の状態は変わり、結果的に溶射皮膜２７の特
性や溶射効率に大きく影響を及ぼす。よって、最適な溶
射皮膜２７の特性や溶射効率を安定に保つために、溶射
粉末材料２４の物性を考慮して、主プラズマアーク２０
中の溶射粒子２５の滞留時間を制御する。

【０１１５】その方法は、非移行型トーチ変位可変装置
３、或いは外部陽極部変位可変装置４及び第二外部陽極
部変位可変装置４２を駆動させて、ヘアピンプラズマア
ーク２１の先端方向のプラズマアーク長Ｘ3を変化さ
せ、溶射粉末材料２４の物性に応じて、設定する。

【０１１６】例えば、溶射粉末材料２４が高融点の場
合、低融点のものよりもプラズマアーク長Ｘ4を長くと
る。更には、溶射粉末材料２４が酸化物の場合、不活性
ガスのみならず主第二プラズマガス３２に活性な空気や
酸素等のガスを用いると有効である。プラズマアーク長
Ｙ3に関しては、溶射粉末材料２４の溶融にはほとんど
寄与しないので、できる限り短く設定し、プラズマフレ
ーム２２の方向性を高めるために、主陽極保護ガス１７
及び主第二陽極保護ガス４９の量を抑える必要がある。

【０１１７】以上の説明においては、本発明によるプラ
ズマ発生装置をプラズマ溶射に適用する場合について説
明したが、本発明は、これ以外に金属やセラミックスの
切断・接合、フロンの分解、人工ダイヤモンドの合成、
微粒子の発生や焼結等の物質の加工、そして発生する活
性イオン・原子等を利用する表面改質等の表面処理等に
その特性を活かして有効に利用できる。

【０１１８】上記実施例は移行型プラズマ発生装置につ
いて説明したが、主トーチと副トーチを備えた従来の複
合型プラズマ発生装置においてもこの発明を用いること
ができる。即ち、主トーチと副トーチの間隔を調整する
水平移動手段を設け、プラズマフレームの長さや形状を
調整するようにすることである。

【０１１９】

【発明の効果】本発明は以上のように構成したので、一
個の非移行型プラズマ発生トーチ内で発生したプラズマ
を外部陽極部の外部陽極へ移行させ、該プラズマを外部
へ安定に引き出し、そのプラズマ中へ直接、溶射粉末材
料を送入すことができる。そのため、溶射粉末材料を十
分に溶融することができるので、高い溶射効率で優れた
溶射皮膜特性が得られるとともに、プラズマガスとし
て、安価な空気等が使用できるため、運転費を大幅に削
減することがきる。

【０１２０】本発明と同様な特徴をもつ複合トーチ型プ
ラズマ溶射装置と比べると、複数のトーチ及び電源を必
ずしも必要とせず、トーチの構造は簡略化され、更に
は、非移行型トーチ及び外部陽極部を構成しているプラ
ズマガス供給手段を有する絶縁物と狭窄口を有する外套
を、同径・同軸かつ一部に互換性をもたせる設計するこ
とで、製作費は大幅に削減することができたし、操作性
もかなり向上する。

【０１２１】一個の非移行型プラズマ発生トーチと不活
性ガスで保護された陽極部の両方、或いはどちらか一方
にモーターやシリンダー等の駆動により、変位を可変で
きる手段を設けることによって、陰極から外部陽極間の
プラズマの長さ（電位差）とプラズマの形状を任意に設
定できる。そのため、溶射においては、プラズマの中へ
直接、溶射材料を供給する際、溶射材料の特性に応じ
て、最適な加熱と加速を与えるために溶射粒子の滞留時
間を制御できるので、特にＺｒＯ2等の高融点材料につ
いては、在来の非移行型プラズマ溶射装置ではなしえな
かった高い溶射効率で優れた溶射皮膜特性が得られる。

【０１２２】本発明によるプラズマ発生装置は、陰極点
及び陽極点は、旋回流を形成する不活性ガスによって確
実に保護され、固定されている。そしてそれぞれの電極
の損耗は、特に入力電流の増加とともに著しくなるが、
プラズマを伸長させることによって、在来の非移行型プ
ラズマ発生装置に比べて、電位差が大きくなり高電圧・
低電流特性となり極めて少ない。以上より、プラズマガ
ス量の増減、ガスの種類のみならず数ｋＷの出力から数
百ｋＷの出力まで任意に可変できるので、プラズマの温
度と速度を広い範囲にわたって制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す縦断面図である。

【図２】図１の他の状態を示す図である。

【図３】図１の更に他の状態を示す図である。

【図４】図１のI-I線断面図である。

【図５】変位可変装置を示す平面図である。

【図６】変位可変装置の側面図である。

【図７】本発明の第２実施例を示す縦断面図であり、図
１に対応する図である。

【図８】図７の他の状態を示す図である。

【図９】図７の更に他の状態を示す図である。

【図１０】図７のII-II線断面図である。

【図１１】本発明の第３実施例を示す縦断面図であり、
図１に対応する図である。

【図１２】図１１の他の状態を示す図である。

【図１３】図１１の更に他の状態を示す図である。

【図１４】図１１のIII-III線断面図である。

【図１５】本発明の第４実施例を示す縦断面図であり、
図１に対応する図である。

【図１６】図１５の他の状態を示す図である。

【図１７】図１５の更に他の状態を示す図である。

【図１８】図１５のIV-IV線断面図である。

【図１９】本発明の第５施例を示す縦断面図であり、図
１に対応する図である。

【図２０】図１９の他の状態を示す図である。

【図２１】図１９の更に他の状態を示す図である。

【図２２】図１９のV-V線断面図である。

【図２３】従来例を示す図である。

【符号の説明】

１ 非移行型トーチ ２ 外部陽極部 ３ 非移行型トーチ変位可変装置 ４ 外部陽極部変位可変装置 ５ 主陰極 ６ 主陰極保護外套 １０ 直流電源（主電源） １３ 主陽極 １９ 起動プラズマアーク ２０ 主プラズマアーク ２１ ヘアピンプラズマアーク ２２ プラズマフレーム ４１ 第二外部陽極部 ４２ 第二外部陽極部変位可変装置 ４３ 第二直流電源 ４５ 主第二陽極 ５０ トリプルプラズマアーク ５１ 旋回流ガス形成手段 ５２ ガス環状室 ５３ 旋回流形成孔

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】陰極と陽極を有する非移行型プラズマ発生
   トーチと、該トーチ内で発生したプラズマを外部に移行
   させる陽極を有する外部陽極部と、を備えた移行型プラ
   ズマ発生装置であって；前記トーチと外部陽極部を互い
   の軸心を交差させながら相対的に回動せしめる回動変位
   手段を備えていることを特徴とする移行型プラズマ発生
   装置。
2. 【請求項２】陰極と陽極を有する非移行型プラズマ発生
   トーチと、該トーチ内で発生したプラズマを外部に移行
   させる陽極を有する外部陽極部と、を備えた移行型プラ
   ズマ発生装置であって；前記トーチと外部陽極部との間
   隔を調整する水平移動手段を備えていることを特徴とす
   る移行型プラズマ発生装置。
3. 【請求項３】陰極と陽極を有する非移行型プラズマ発生
   トーチと、該トーチ内で発生したプラズマを外部に移行
   させる陽極を有する外部陽極部と、を備えた移行型プラ
   ズマ発生装置であって；前記トーチと外部陽極部を互い
   の軸心を交差させながら相対的に回動せしめる回動変位
   手段と、 前記トーチと外部陽極部との間隔を調整する水平移動手
   段とを備えていることを特徴とする移行型プラズマ発生
   装置。
4. 【請求項４】外部陽極部が、外部陽極の周りを不活ガス
   で保護する外套を有することを特徴とする請求項１、
   ２、又は、３記載の移行型プラズマ発生装置。
5. 【請求項５】外部陽極部が、外部陽極のアーク柱の周り
   に対して接線方向に向けてプラズマガスを供給する旋回
   流形成孔を備えていることを特徴とする請求項１、２、
   又は、３記載の移行型プラズマ発生装置。
6. 【請求項６】外部陽極部が、複数個配設されていること
   を特徴とする請求項１、２、又は、３記載の移行型プラ
   ズマ発生装置。
7. 【請求項７】回動変位手段が、前記非移行型プラズマ発
   生トーチと前記外部陽極部とを互いの軸心が同一直線上
   に位置する水平状態と、互いの軸心が直交する垂直状態
   状に変位せしめることを特徴とする請求項１、又は、３
   記載の移行型プラズマ発生装置。
8. 【請求項８】回動変位手段が、前記非移行型プラズマ発
   生トーチ、又は、前記外部陽極部のいずれか一方に設け
   られていることを特徴とする請求項１、又は、３記載の
   移行型プラズマ発生装置。
9. 【請求項９】回動変位手段が、前記非移行型プラズマ発
   生トーチ及び前記外部陽極部に設けられていることを特
   徴とする請求項１、又は、３記載の移行型プラズマ発生
   装置。
10. 【請求項１０】水平移動手段が、前記非移行型プラズマ
    発生トーチ、又は、前記外部陽極部のいずれか一方に設
    けられていることを特徴とする請求項２、又は、３記載
    の移行型プラズマ発生装置。
11. 【請求項１１】水平移動手段が、前記非移行型プラズマ
    発生トーチ及び前記外部陽極部に設けられていることを
    特徴とする請求項２、又は、３記載の移行型プラズマ発
    生装置。
12. 【請求項１２】前記移行型プラズマ発生トーチが、その
    陰極の周りに不活性なプラズマガスを供給する手段を有
    するチャンバと、該チャンバの狭窄口の出口に更に不活
    性或いは活性なプラズマガスを供給する手段を有する１
    個以上のチャンバと、を連設していることを特徴とする
    請求項１、２、又は、３記載の移行型プラズマ発生装
    置。
13. 【請求項１３】非移行型プラズマ発生トーチが、同径・
    同軸のプラズマガス供給手段を有する絶縁物と狭窄口を
    有する外套を１組以上直列的に備えていることを特徴と
    する請求項１、２、又は、３項記載の移行型プラズマ発
    生装置。
14. 【請求項１４】非移行型プラズマ発生トーチと外部陽極
    部とが１個の電源に接続されていることを特徴とする請
    求項１、２、又は、３記載の移行型プラズマ発生装置。
15. 【請求項１５】陰極と陽極を有する非移行型プラズマト
    ーチ内で発生したプラズマを外部陽極部の陽極に移行さ
    せてプラズマを外部に安定に引き出す移行型プラズマ発
    生方法であって；前記トーチと前記外部陽極部とを対向
    させ前記トーチ内で発生したプラズマを前記外部陽極部
    の陽極に移行させる行程と；前記トーチと前記外部陽極
    部とを相対的に回動させ、両者の軸心を交差させてヘア
    ピンアークを形成する行程と；を備えていることを特徴
    とする移行型プラズマ発生方法。
16. 【請求項１６】陰極と陽極を有する非移行型プラズマト
    ーチ内で発生したプラズマを外部陽極部の陽極に移行さ
    せてプラズマを外部に安定に引き出す移行型プラズマ発
    生方法であって；前記トーチと前記外部陽極部とを対向
    させ前記トーチ内で発生したプラズマを前記外部陽極部
    の陽極に移行させる行程と；前記トーチと前記外部陽極
    部とを相対的に回動させ、両者の軸心を交差せしめてヘ
    アピンアークを形成する行程と；前記トーチと第２外部
    陽極部とを対向させ前記ヘアピンアークを該第２外部陽
    極部の陽極に移行させる行程と；該第２外部陽極部を回
    動させ、その軸心を前記トーチの軸心と交差させしめて
    トリプルプラズマアークを形成する行程と；を備えてい
    ることを特徴とする移行型プラズマ発生方法。
17. 【請求項１７】陰極と陽極を有する非移行型プラズマト
    ーチ内で発生したプラズマを外部陽極部の陽極に移行さ
    せてプラズマを外部に安定に引き出す移行型プラズマ発
    生方法であって；前記トーチと前記外部陽極部を同一直
    線上で対向させるとともに、第２外部陽極部を前記トー
    チの軸心に直交するように配設する行程と；前記トーチ
    内で発生したプラズマを前記外部陽極部の陽極に移行さ
    せる行程と；前記外部陽極部を回動させてその軸心を前
    記第２外部陽極部の軸心と同一直線上に位置させると共
    に、前記トーチの軸心と直交させてヘアピンアークを形
    成する行程と；前記ヘアピンアークを第２外部陽極部の
    陽極に移行させトリプルプラズマアークを形成する行程
    と；を備えていることを特徴とする移行型プラズマ発生
    方法。
18. 【請求項１８】外部陽極部と第２外部陽極部が、前記ト
    ーチの軸に関し軸対称に配設されていること特徴とする
    請求項１６、又は、１７記載の移行型プラズマ発生方
    法。
19. 【請求項１９】陰極と陽極を有する非移行型プラズマ発
    生トーチ内で発生したプラズマを外部陽極部の陽極に移
    行させプラズマを外部に安定に引き出すプラズマ発生方
    法であって；前記トーチと外部陽極部とを相対的に移動
    せしめてプラズマの長さと形状を調整する行程を備えて
    いることを特徴とする移行型プラズマ発生方法。