JPS6032320B2 - プラズマトロン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はプラズマアーク発生器に係り、特にプラズマト
ロンに係る。

本発明は金属の切断、蒸着、塗装、金属の表面処理、並
びに治金学的及び他の処理に利用する事ができる。色々
な技術的処理に広範に用いられているのは内部ロッド電
極が耐火金属、例えばタングステンで作られた事を特徴
とするプラズマトロンである。

これらのプラズマトロンは不活性ガス即ち酸素のないガ
スがプラズマ形成ガスとして用いられた時に良好に作動
する事ができる。プラズマ形成ガスにおける酸素の含有
量が例えわずかであってもか）る電極に著しい劣化を生
じる。最も安価で且つ最も容易に入手できるガスである
例えば空気の様な酸素を含んだガスを利用できる様な、
ジルコニウム及びハフニウムカソードを持ったプラズマ
トロンが案出されている。

然し乍ら、か）るプラズマトロンは小さな値の作動電流
（通常は３００Ａまで）で作動する時には信頼性があり
そして或る限定された数のプラズマトロン切換には耐え
得る。これはジルコニウム及びハフニウムのカソードが
作動中にそれらの酸化物及び窒化物の薄い膜によって被
覆され、これが深いところまで層を劣化するのを防ぐと
いう事によって説明される。このプラズマトロンがオン
及びオフに切換えられる時は、この被覆が特に３００Ａ
以上の電流によって侵食される。大電流で作動しそして
オン及びオフに頻繁に切換えられるプラズマトロンに対
しては、中空の円筒状コップとして熱伝導性金属例えば
銅で作られた電極がより信頼性がある。

か）るプラズマトロンにおけるアークスポットは電極の
内面上を急速に移動してその局所的な加熱及び破壊を避
ける傾向がある。水冷却される円筒状中空電極をケース
が収容し、その底部が電力引込み端に対面しそしてその
衝嬢部が環状の絶縁渦発生器と接触し、該発生器が次い
で、これ又水冷却されるノズルと接触する様なプラズマ
トロンが知られている（例えば米国特許第３１９４９４
１号ｃｌ．２１９一１２１参照）。

上記したプラズマトロンにおいては、電流が管状部材に
よって円筒状中空電極に供給される。上言己チューブを
通して流れる電流によって誘起される磁界はアークには
何ら影響を及ぼさずそしてそのラジアル部分を形成でき
ず、スポットは電極の内面上を移動する。アークが渦状
のガス流のみによって移動する場合にはプラズマトロン
の必要とされる有効寿命を常に得る事ができず、特に大
電流及び大電力においては得る事ができない。適正に形
成されたガスの渦は特定の電気的な電極侵食を／２〜５
、１０‐６夕／ｋ内に保つ事ができるという事を実験が
示している。渦の移動と−致した、電極の表面上でのア
ークスポットの移動を生じる外部磁界を与える事によっ
て２倍乃至は５倍の侵食の低下を達成する事ができる。
然し乍ら、この外部磁界は更に別の電源を必要とするィ
ンダクタンスコィルの使用によって得られ、従ってプラ
ズマトロンの大きさを増加してしまう。更に、これらィ
ンダクタンスコィルの使用は作動電流の増加に比例して
超磁力を増加する事がきず、複雑化されたコイル給電回
路から作動電流回路を電気的に絶縁しなければならず、
これが最終的にプラズマトロンの信頼性を低下する。そ
こで本発明の目的は、アークの作動電流によって誘起さ
れた磁界とガスの渦との結合された作用によってァーク
スポットが円筒状中空電極の内面上を移動する様なプラ
ズマトロンを提起する事である。

本発明の別の目的は、起磁力が作動電流の値に比例して
増加され、従って電極の有効寿命が２倍乃至５倍増加さ
れ且つプラズマトロンの信頼性が確保される様なプラズ
マトロンを提起する事である。

本発明の更に別の目的は円筒状中空電極の外面の優れた
水冷却系統が設けられたプラズマトロンを提起する事で
ある。

これは、水冷却される円筒状中空電極をケースが収容し
その底部が電力引込み端に対面しそしてその衝援部が環
状の絶縁渦発生器と接触し、該渦発生器が次いで水冷却
されるノズルと接触する様なプラズマトロンにおいて、
上記円筒状中空電極を包囲し且つ該電極から或るすき間
を持って位置定めさせるコイルを具備して成り、上記コ
イルの１端は上記電力引込み端に接続されそしてその他
端は上記円筒状中空電極の上記嬢部に接続されるプラズ
マトロンによって達成される。

上記引込みコイルのループが均一なピッチを有している
のが適当である。

上記引込みコイルの上記端部は支持リングによって上記
円筒状中空電極の上記衝嬢部に接続され、そして上記支
持リングは上記電極の上記衝援部に導かれて該衝嬢部と
接触するラグを持っている事が適当である。

か）る構成により本プラズマトロンは有効寿命がより長
く、出力が同きく且つ効率が高い。

本発明のこれらの目的及び他の目的は添付図面を参照と
した以下の説明より明らかとなろう。本発明によるプラ
ズマトロンは金属の切断のために意図された実施例につ
いて説明する。プラズマトロンは本発明によれば絶縁材
料で作られたケース１（第１図）を備えている。

このケース１は水冷却される円筒状中空電極２と、引込
みコイル３と、引込みパイプ接続体４として作られた電
力引込み端とを収容する。引込みコイル３は円筒状中空
電極２を包囲し、その１端は引込みパイプ接続体４に接
続されそしてその他端は支持リング６によって円筒状中
空電極２の衝嬢部５に接続され、支持リング６は衝薮部
５（第１図）に向って導かれて該衝薮部に接触するラグ
７（第２図）を有している。

電極２の外面と引込みコイル３との間にはすき間８（第
３図）が設けられている。引込みコイル３（第１図）の
ループは均一のピッチを有しており、これは電極２の良
好な冷却と超磁力の最大値とを与える。

然し乍ら、引込みコイルのループは磁界の或る形状を整
形する様にピッチが非均一でもよい。円筒状中空電極２
は引込みパイプ接続体４に対面しそこから或る距離のと
ころに位置定められた底部９を有している。

電極２の衝藤部５は絶縁材料で作られた環状の渦発生器
１０と接触し、該渦発生器は環状内面に正懐する６個の
通路１１を有している。この環状の渦発生器１０は次い
で水冷却されるノズル１２と接触している。ケースーは
機械的な損傷に対してこれを保護するため金属カバー１
３内に収容される。

空気供給のためパイプ接続体１４及び冷却水の出口のた
めのパイプ接続体１５がカバー１３に溶接されている（
第３図）。カバー１３（第１図）はその上方部にネジ１
６を備えており、これにナット１７がネジ込まれる。

引込みパイプ接続体４並びにパイプ接続体１４及び１５
（第３図）には水及び空気の供給並びに冷却水の排出用
のパイプ（図示せず）と対応的に結合するためネジ１８
，１９及び２０（第３図）が設けられている。引込みパ
イプ接続体４（第１図）はナット２１及びワッシャ２２
によってケースーに固定される。

プラズマトロンの水及び空気コンジットはパッキング２
３及び２４によってシールされる。

カバー１３には冷却水を保持するためにスペース２５が
設けられており、該スペースは関口２６によって水出口
用パイプ接続体１５に蓮通されている。関口（図示せず
）によって圧縮空気供総合用パイプ接続体１４（第３図
）に蓮通された空気用スペース２７もある。ケース１（
第４図）は上記収容部２７（第１図）のスペース２９に
接続する空気供給のための２つの関口２８と、冷却水を
通流するための閉口３０及び３１（第４図）とを有して
いる。

ケース１の上方部における開□３０（第１図）は上記ケ
ースの内側に出口を備えており、１方開□３１（第４図
）はカバー１３のスペース２５の前方でケース１の外側
に出口を備えている。関口３０（第１図）及びケース１
（第１図）の底部の閉口３１（第４図）はノズル１２を
冷却するためのスペース３２に結合されている。電源（
図示せず）の１方の極は引込みパイプ接続体４に接続さ
れ、そして他方の極は被加工片３３に接続されそして同
時に安定抵抗３４及びコンタクタ３５を経てカバー１３
とノズル１２に接続され、該ノズルはカバーと電気的に
接触している。

こ）に提案したプラズマトロンは次の様に動作する。

円筒状中空電極２（第１図）及びノズル１２を冷却する
ための通流水がパイプ（図示せず）によって引込みパイ
プ接続体４に供給される。

この冷却水は円筒状中空電極２と引込みコイル３との間
並びに引込みコイル３（第１図）のループ間のすき間８
（第３図）を通流し、従って電極２は相当冷却される。
電極２を冷却した後、冷却水は支持リング６のラグ７（
第２図）間を通り、ケース１の閉口３０（第１図）を経
てノズル１２の冷却スペース３２へと至り、そしてケー
スーの閉口３１（第４図）を経てカバー１３のスペース
２５へと流れ込み、プラズマトロンからのパイプ接続体
１５（第１図）とパイプ（図示せず）によって排出され
る。次いで圧縮空気（通常はＰ＝２−４気圧）がパイプ
（図示せず）によってパイプ接続体１４（第３図）に供
給される。

この空気はパイプ接続体１４からカバー１３のスペース
２７（第１図）及びケース１の関口２８（第４図）を経
てスペース２９（第１図）へと通過する。この圧縮空気
は渦発生器１０の正接遇路１１から電極２とノズル１２
との間のすき間３６へ至る。このすき間３６において渦
状の空気流が形成されそして円筒状中空電極２の内面上
をその全垂直範囲に沿って流れて、ノズル出口３７（通
常は直径３〜５側）から出、そしてプラズマトロンを出
る。その後、電源（図示せず）からの無負荷電圧が引込
みパイプ接続体４及び金属被加工片３３に供給され、そ
して安定抵抗３４及び閉成したコンタクタ３５を通して
供給される。

開始装置（図示せず）が電極２とノズル１２との間のす
き間３６に供給される大気圧パルス（通常は周波数も高
い）を発生し、これが上記すき間３６の電気的な破壊を
引き起こしそしてイオン化されたチャンネルを形成する
。このチャンネルにおいて強力ではない（通常は３０〜
１００Ａまで）開始アークが確立される。電流はこの回
路、即ち電源、引込みパイプ接続体４、引込みコイル３
、円筒状中空電極２、ノズル１２、カバー１３、コンタ
クタ３５、安定抵抗３４、そして電源、に沿って流れる
。

強力ではない開始アークは渦状空気流の力によって円筒
状中空電極２の衝援部５とノズル１２との間のすき間３
６から押し出され、そして電極２及びノズル１２の全長
に亘つて広げられそしてそれらの軸に沿って安定化され
る。この強力でない開始アークは又引込みコイル３の磁
束によって円筒状中空電極２の軸に沿って安定化される
。ノズル１２から出て来る強力ではない開始アークのプ
ラズマ流が金属被加工片３３に接する否や、作動出力ア
ーク３８が確立されて円筒状中空電極２と被加工片３３
との間に延び、プラズマトロンが移動されるに従って加
工片を切断する。

この場合の電流回路は電源、引込みパイプ接続体４、引
込みコイル３、円筒状中空電極２、被加工片３３、そし
て電源である。作動アーク３８が確立された時は被加工
片３３とノズル１２との間の電気的接続がコンタクタ３
５によって遮断される。ァーク３８のスポット３９は渦
状空気流の作用の下で円筒状中空電極２の内側を移動し
そしてその内面のまわりで激しく回転する。

引込みコイル３は電極２の衝薮部５に接続されそしてこ
れを包囲しているので、発生される電気力も又アーク３
８のスポット３９を電極２の内面に沿って移動させる様
に関与する。この力は作動電流の増加に比例して増加す
る。というのは作動電流が引込みパイプ接続体４、引込
みコイル３及び円筒状中空電極２を経て次々と流れるか
らである。２つの力の作用において渦状の移動と結合さ
れたアークスポット３９の円形移動はプラズマトロンが
１２０−１５０Ｋｗｔまでの大出力負荷で作動される時
に特に重要である。

円筒状中空電極の外面及び引込みコイルのまわりでの冷
却水の循環はプラズマトロンの広範な作動出力において
効果的な冷却を生じる。

こ）に提案したプラズマトロンは酸素を含有したガスを
含むところのいかなるガスでもつてプラズマアークを確
立できる。

本プラズマトロンを製造するために特別の或いは高価な
材料を必要としない。円筒状中空電極及びノズルは普通
の銅で作ってもよい。このプラズマトロンは完全に分解
する事ができ、そしてその細部を容易に交換できる。電
極を包囲する引込みコイルの使用は、円筒状中空電極の
内面に沿ってァークスポットをより強力に移動でき且つ
その外面を水冷却できる様にし、これがプラズマトロン
の有効寿命を２乃至５倍長くできる様にする。金属の空
気−プラズマ切断に利用される時は、作業能率が１．５
乃至２倍高く且つ電極の連続作動時間が２０乃至４凪時
間までゞある。こ）に述べたプラズマトロンは技術的な
条件が頻繁な切換えと大出力操作を必要とする時に特に
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるプラズマトロンの部分的に破断し
た一般的な図、第２図は本発明による、ラグを持った支
持リングの部分的に破断した一般的な図、第３図は第１
図の０一０線に沿った断面図、及び第４図は第１図のＷ
−Ｗ線に沿った断面図である。 １・・・・・・ケース、２・・・・・・円筒状中空電極
、３，．．，．．引込みコイル、４・・・・・・引込み
パイプ接続体、５・・・・・・衝髪部、６・・・・・・
支持リング、７・・・・・・ラグ、８・・・・・・すき
間、９・・・・・・電極２の底部、１０…・・・渦発生
器、１ １・・・・・・通路、１２・・・・・・ノズル
。 〃８’〃丘２ 〃Ｇ７ 兄役ぐ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 水冷却され円筒状の中空電極２をケース１が収容し
   、その底部９は電力引込み端４に対面しておりそしてそ
   の衝接部５は環状の絶縁渦発生器１０と接触し、該渦発
   生器１０は次いで水冷却されるノズル１２と接触し、そ
   して引込みコイル３が上記円筒状中空電極２を包囲し且
   つ該電極に対して或るすき間８を持つて位置定めさせ、
   その１端は上記電力引込み端４に接続されそしてその他
   端は上記円筒状中空電極２の上記衝撃部５に接続され、
   上記引込みコイル３のループのピツチが均一であり、上
   記円筒状の中空電極２の上記衝接部５への上記引込みコ
   イル３の上記端部の接続が支持リング６によつて達成さ
   れ、該支持リングは上記電極２の上記衝接部５に導かれ
   て上記衝接部と接触するラグ７を有している事を特徴と
   するプラズマトロン。