JPS6238840B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、プラズマガスフレーム噴射を行う電
気系の改善に関する。さらに特定すれば本発明
は、フレームスプレーガン内に生じた電弧ないし
アークを通つて２次ガスが流れ、このためにアー
クを含む回路の電流において電圧の上昇が生じた
ときに、電流の適切な調節を確実に行う装置に関
する。本発明は、１つのスイツチを押すだけでア
ークの発生を確実に行う装置にも関する。本発明
は、プラズマフレームの噴射に使用するアークを
含む回路における電圧変化を決定し、かつ一定の
プラズマガス流速および成分時における電流を補
償制御して、電流と２次プラズマガス流との間の
所望のバランス関係を維持するための閉ループ系
にも関する。本発明は、電極およびノズルの寿命
の延長を保証し、かつフレームスプレーガンのノ
ズルまたはこれに組合せた部分内に閉じ込められ
たアークが過度に収縮されるのを確実に防止する
種々の自動装置に関する。

プラズマフレームの噴射は、少なくとも１種の
ガスが、アークを通過することでプラズマ状態に
される特定の方法である。このプラズマ状態は、
ガス状態よりも高いエネルギーの状態に相応す
る。このような高エネルギー状態においてガス
は、優れた加熱媒体の特性を有することがわかつ
た。例えば米国特許第2960594号明細書によれ
ば、アークを含むノズルに混合ガスを通すことに
よつて約4700℃（8500〓）のオーダおよびそれ以
上の非常に高い温度が得られることが示されてい
る。アークは、一般に155〜1000Aの範囲の電流
によつて２つの逆極性の電極の間に生じる。ガス
は、ガンのノズルに供給される粉末を比較的冷た
い加工片に噴射できるように溶融または加熱軟化
できるくらいに加熱できる。ガスの高エネルギー
プラズマ状態によれば、粒子は温度上昇状態にな
りそれにより全く温度の異つた加工片に容易に付
着できるようになる。プラズマガス噴射には種々
のガスが使用できる。これらガスの中には特に窒
素が含まれており、窒素は、優れた１次ガスであ
ると認められている。

前記のようなフレーム噴射技術の開発中に、２
次ガスと称するガスを加えることにより非常に望
ましい特性が得られることがわかつた。即ち窒素
またはアルゴンの流れに小量の水素を加えると、
プラズマガスの温度は大幅に改善される。その他
の典型的な２次ガスは次のようなものである。
ArまたはN₂に加えるヘリウム、N₂に加えるアル
ゴン、およびアルゴンに加える窒素。しかしなが
らガンノズル内に生じたアーソを通るようにこの
ような水素が導入すると、アークを含む回路にか
かる電圧は異常な速度で上昇する。このような電
圧上昇を補償しないまま放置すると、回路は相当
損傷される。

フレームスプレーノズルは、ノズル内の比較的
広い範囲にわたつてアークを生じるように構成さ
れている。しかしながらプラズマガンが最適の温
度、ガス流成分および流速、およびアーク分布に
達する前の起動期間中に問題が生じることがあ
る。特にアークのまわりのプラズマ形成ガスの鞘
がアークの外周を冷却する傾向を有することがわ
かつた。一方このことは、プラズマ形成ガスのイ
オン化の量を減少する。このような減少によつて
外周の電気抵抗が増加する。一方これによりアー
クの中心部の低抵抗の経路を通つて一層多くの電
流が流れ、それによりアークが収縮し、かつ温度
が上昇する。アークの収縮は、漸進的であつて、
かつノズルの内側端部において一層大きい。電流
に対するガス流の比を調節することによつてアー
クを、それがノズル穴の下方に広がるように徐々
に広げることができる。それによりアークは、穴
内のどのような所望の点にも接するように広げる
ことができる。実際に、アーク電流とガス流を適
当に制御すれば、アークをノズルから加工片に向
つて生じることができる。

それ故にアークの過度の収縮のため問題が生じ
ることがあるのは明らかである。特に収縮しす
ぎ、かつ集中するようになると、ノズル集合体に
損傷を生じることがある。加えられた温度は非常
に高くかつアーク回路内の電圧が非常に高いの
で、比較的短い期間内にこのような損傷が生じる
ことがある。手動プラズマガスフレーム噴射装置
の熟練した操作者でさえ、前記の問題を避けるよ
うにアーク回路内の電流または抵抗に対するガス
流を常に調節できるとは限らない。それ故にアー
クの収縮およびノズル集合体の損傷の原因となる
いかなる問題も生じることなく、所望の幅広いア
ークの発生を自動的に行うことができる装置を提
供することが、大いに望まれている。

かつて適当な起動処理は、アーク電流を300A
に調節するものと考えられていた。この時通常は
電圧上昇（電流減少）を生じる２次ガスは、ニー
ドル弁を介して加えることができる。電圧は、２
次ガスを導入することによつて調整でき、そして
電流が、２次ガス流の毎時0.14m³の流速増加に対
して25A以上減少しないように、２次ガスを一杯
に流すまで増加しうる。電流が250A以下にする
ことは許されない。しかしこれにはかなりの器用
さが必要であり、すなわち電弧電流ないしアーク
電流を一方の手で調節し、また２次ガス流増加
（減少）は他方の手で調節しなければならない。
かなりの熟練を要するこのような方法は、常にフ
レーム噴射処理自体に熟達した人、特にプラズマ
ガスフレーム噴射処理に慣れていない運転者が通
常持つているとは限らないある程度の技術を必要
とする。

従つてプラズマガス噴射ノズルに最適状態を維
持するように、電流増加と２次ガス流速を調節す
る自動装置を提供することが大いに望まれてい
る。このような最適状態は、アークの収縮が生じ
ないように、２次ガス流に対して電圧と電流をバ
ランスさせることを含んでいる。２次ガス流調整
器およびアーク電流制御装置と電気的に関連付け
られた調整器に独立に接続されたタイマを使用し
て両者の増加を時間に応動させ、かつ２次ガス一
杯の流れが、アークを通る最終電流設定に基いた
狭い時間幅内に得られるようにすることにより上
記目的を達成する装置を設けることが必要になつ
た。

着火ないし点火およびしや断過程を電気的に制
御する適当な自動系の開発中に、別の問題が生じ
た。ある種の不可解な理由により場合によつては
系を付勢してもアークが生じないことがある。自
動系はこのようなアークの発生に依存するので、
このことは問題である。一方手動操作において操
作者は、アークを生じるためスイツチを２度、３
度と投入するだけでよいが、自動系は、始動スイ
ツチを投入した時必ずアークが生じることを前提
とする。従つて起動の際に確実にアークを生じる
装置が望まれる。

ノズル自体内で規定された電気的考慮事項に応
じて、アーク電流または２次ガス流速の増減を制
御できるプラズマガンに対する完全閉ループ自動
制御電気系を提供することも望まれている。

ところで本発明は、プラズマフレームスプレー
ガンのノズル内に配置された回路にアークを確実
に発生する回路装置を提供するものであり、この
回路装置は、電極とノズルとの間にアークが生じ
るまで、電流を断続して有利には100ないし500ｍ
sec長の高周波の波列を有するバーストの列にす
ることを含んでいる。アークの発生は、ノズル電
極範囲を流れるガスの特性に依存している。一般
にアークは、上記高周波の波列を有するバースト
の列の開始後0.5ないし5secで生じる。

本発明の実施例を以下図面によつて説明する。

第１２図に、典型的なプラズマガス装置が示さ
れている。電力は１１示ですアーク電流整流器か
らプラズマフレームスプレーガン１９に供給され
る。高周波発生器１３は、アークの初期設定を行
う高電圧を生じるために使われる。制御モジユー
ル１５とガスモジユール１７は、プラズマガスの
タイミングと流速、点火電圧のタイミングと期
間、およびプラズマアーク電流のタイミングと値
を制御するために使われる。

第１図は、プラズマフレーム噴射装置に使用さ
れた種々のパラメータによる動作について所望の
または最適な自動起動−停止時間順序を示してい
る。一般的に米国特許第2960594号明細書に示さ
れるような装置の動作は、冷却媒体と少なくとも
１種のプラズマガスとガンノズル内に維持された
アークを使用して行われる。その際冷却媒体、例
えば水が時点零で導入される。それから、例えば
数分後に、電気系およびガス流が起動される。１
次ガス流、例えば窒素またはアルゴン、および電
気系の回路におけるDC電圧が初期設定される。
１次ガス流は、一たんアークが形成されると、こ
のアークをノズル内の比較的広い範囲にわたつて
分散させるのに役立つ。自動的に、アークを形成
する点火は、ガンを通る１次ガス流の供給開始後
少なくとも0.25sec後、有利には0.5ないし2sec後
に実施される。このことは、電極の損傷を防ぐた
め低い電流設定値で行われる。アルゴン１次ガス
の場合、これと同時に２次ガス流およびアーク電
流の増加が開始され、全動作パワーレベルに向か
つてアークを増大し始める。１次ガスとして窒素
が使用されている場合、２次ガス流の開始は点火
回路が動作している期間が終了するまでは、行わ
れない。換言すると、２次ガスが導入される以前
にDCアークが（点火回路によつて）開始させら
れる。というのは、点火期間中に窒素１次ガスお
よび２次ガスを組合せると、断続的に供給される
初期電圧は過度に高くなることがあり、場合によ
つては電極を損傷することになりかねないからで
ある。２次ガス流は、アークにかかる電圧を大幅
に増大させ、かつ標準電源にいかなる補償も行わ
ないと、この電圧増大が電流減少をひき起こす。
２次ガス流増加およびアーク電流増加は、０〜
20secの期間、なるべく15sec以下の期間内に互い
に関連して、なるべく同時に所定の最終値に達す
るように設定されている。本発明によればこのこ
とは、２次ガス流調整器に結合されたタイマおよ
びアーク電流増加装置に結合された第２のタイマ
を設けることによつて行われる。それぞれのタイ
マは、所望の期間内に２次ガス流とアーク電流が
最終値に達するように設定されている。適当なタ
イマの回路は、第３図ないし第７図に示されてい
る。２次ガス流が増した時、それにより生じる電
流減少は、電流増加タイマを使用して自動的に行
われる電流増加によつて比例するように補償され
る。この目的のために特に望ましいタイマは、あ
る期間にわたり徐々に多くの電流がアークを介し
て流れるようにする比例半導体制御回路である。
電極を通る２次ガス流が一たん所定の全流量値に
達すると、アーク電流も所望の最終値に達する。
このアーク電流最終値は、特定の２次ガスの特性
に極めて大きく依存する。これは、100と1500A
の間、なるべく250と1000Aの間のどのような値
をとつてもよい。最終的なアーク電流は、一般に
少なくとも350Aの程度である。

２次ガス流量は、ガスの特性および得るべきプ
ラズマの所望の温度に依存する。一般的に述べれ
ば２次ガスは、全ガス量の１ないし97％の容積の
量にして１次ガスに混合されている。実際には２
次ガスの量は、アークを通るプラズマガス容積の
３ないし45％にする傾向にある。

本発明による着火ないし点火は、電極間のアー
クの発生を確実にするパルス化装置を用いて行わ
れる。このような点火は、例えばほぼ５ないし
20KVで、500ないし2000kHzで発振する高周波発
生器を用いて行われる。さらにこの高周波電流
は、10ないし1000ｍsec、なるべく100ないし500
ｍsecの所定期間長の高周波の波列を有するバー
ストの列に断続される。このような断続は、少な
くとも0.5sec、なるべく１ないし5secの期間にわ
たつて生じる。このような断続によれば、２次ガ
スが電極を介して流れ始めるような時間に、確実
にアークが生じることがわかつた。さらにアーク
電流を２次ガスの添加に応じて増加できるよう
に、アークの形成は確実に行われる。

一般的に述べればDC電圧投入および１次ガス
の流れの開始から２ないし20secの期間の後に、
系は完全に運転状態にある。このような期間の後
に２次ガスは、所定の全流量に達している。２次
ガスは徐々に増加し、一方１次ガスは、ほとんど
初めから全流量でノズルを通つて流すことができ
る。これは、１次ガス流がアーク収縮に関する限
りいかなる特別な問題も生じないことに基いてい
る。

このような状態で装置は使用準備できている。
金属、セラミツクまたはプラスチツクを含む周知
のフレームスプレー粉末のような粉末は、ノズル
の前部を通して供給でき、かつ励起エネルギー状
態のプラズマガスは、このような粉末を加熱する
のに十分な所望の温度に達しており、それにより
この粉末は、ノズルの口に対向して配置された比
較的冷たい加工片に良好に結合することができ
る。

プラズマフレーム噴射装置の自動動作におい
て、一般的に第１図に示す時間順序に従つて停止
を自動的に行うことが望ましい。再び第１図によ
ればしや断は、初めに２次ガスを停止しかつアー
ク電流を補償的に減少することによつて行われ
る。この時アーク電流は、２次ガス流の減少より
もゆるやかに減少される。タイマは、２次ガス流
の減少をゆるやかに行うように設定されており、
それにより２次ガスしや断は、0.5ないし15secの
期間に行われるようにする。アーク電流の減少
は、一般にしや断開始後１ないし20secの間にお
こなわれる。アーク電流を０に減少すると同時
に、電圧および１次ガス流は自動的にしや断され
る。

上記の時間順序は、アルゴンを１次ガスに使つ
た系について示されている。特定の時間順序は、
１次ガスの特性に依存して変更できることは明ら
かである。例えば１次ガスとして窒素を使用した
場合、アーク電流の増加は、ほぼ点火開始と同時
に始められる。２次ガス流は、アーク電流増加を
開始した後、わずかに遅れて開始することができ
る。一般的に述べれば窒素１次ガス系において２
次ガス流の開始は、アーク電流増加の開始後ほぼ
10secまで遅れて行うことができる。しかしこの
ような系においては、２次ガス流開始は、既に述
べた理由から、点火動作の終了に関連付けて行わ
れなければならない。窒素１次ガス系に対する時
間順序を示す適当な系が第２図に示されている。
時間順序の観点から見て系の残りは、アルゴン１
次ガス系と大体同じである。

プラズマフレーム噴射装置におけるアーク電流
は、第１３図に示す回路により種々の値に合わせ
て調節される。標準的なプラズマ系において入力
電力線は、単相、２相または３相の電流でよく、
この電力線は、主トランス１３１に入つている。
これは、通常絶縁トランスである。この電圧は、
給電線上のものと同じままでもよく、または可飽
和リアクトル４１０に入る前に逓昇または逓降さ
せてもよい。この可飽和リアクトル４１０は、シ
リコンまたはセレン整流器３５０への電流を制御
することによつて動作する。このことは、AC巻
線と同じ鉄心上に補助または制御巻線を巻くこと
によつて行われる。この巻線にDC電流を流すこ
とによつて、入力側から出力側へ伝達されるAC
電流の量が変わつてくる。それにより最終的なプ
ラズマアーク電流にとつて有利な電流制御を行う
ことができる。すなわちほぼ1/2から5Aまで可飽
和リアクトルDC巻線電流を変化すれば、最終プ
ラズマアーク電流は、ほぼ50から1000Aまで変価
できる。DC制御電流は、３７で示す小さな単相
制御電力トランスを使用して得られる。このAC
電圧は、３９のところで整流される。このDC電
圧は、分圧器１５８において制御され、かつ最終
プラズマガンアーク電流のなめらかな制御が行わ
れる。本発明における最終アーク電流の制御は、
分圧器１５８と可飽和リアクトル４１０のDC制
御巻線との間の前記回路中にSCRを配置して自
動的に行われる。SCRは、流れる脈動電流をス
イツチのように制御できる半導体装置であり、非
常に高速で動作する。ゲート端子によつてスイツ
チが閉じ、かつ脈動または交流電流によつてしや
断される。それ故に電流サイクルのうちの一部ま
たは複数の完全電流サイクルが、ゲート端子にお
けるパルス信号に依存して通過または阻止でき
る。SCRの点弧角または通過電流制御は、別の
部分で説明しかつSCRのゲート端子に接続され
た２つのトランジスタの回路により発生される大
電流パルスによつて制御される。

第３図によれば、「オン」スイツチ１は、この
スイツチが閉じた時に、線６に電流を流すように
なつている。安全のためスイツチ１のところに非
常用スイツチが設けられている。電流は、線６を
介して「電源オン」ランプ８を有する線１０に流
れる。電流は線１２にも流れ、この線は、概略的
に示した電力給電線に電流を供給する。これと同
時に電流は線１４に流れ、かつこの線１４を介し
て、かつ「水オフ」表示器１６を介して流れ、か
つ常閉位置で示した冷却水圧スイツチ１８に流れ
る。これと同時に電流は線２０に流れ、かつスイ
ツチ１８を動作される水冷ソレノイド２２を通つ
て流れ、一方「水オフ」ランプまたは表示器１６
をしや断する。スイツチ１８が付勢された時、こ
のスイツチは、線２４に接触し、一方すべてのガ
ス安全装置スイツチ（非常に低いまたは高い圧力
または流速によつて作動される）が回路内にそう
入される。これら動作と同時に電流は線２６に流
れ、それにより全体を２８で示す「運転」回路が
セツトされる。電流が線６に流れると、線３０に
も流れ、補助リレーコイル２９０および整流器電
源を導通させる。フアンモータからのスイツチが
遠心力スイツチ３２を閉じ、それにより「運転」
線から電力が供給された時、主接点コイルが閉じ
る。主接点コイルは３４で示されている。主接点
コイルは、「運転」回路に電流が流れた時にだけ
閉じる。

再び線６に戻つて説明を続けると、電流は線６
を介して線３６に流れ、それにより試験または掃
除ないしリセツトのため回路を設定する。この系
において設けられた試験およびリセツト状態は望
ましい構成であり、従つて回路全体を、自動系お
よび手動系にすることができる。自動運転の際に
は試験およびリセツト状態は使われない。

ところで運転回路によればスイツチ２９が設け
られており、このスイツチは、付勢されまたは押
された時、線６から線２６を介して線４０と４２
に電流を流すことができる。電流が線４０を通つ
て流れると、線４４に流れ、それにより主接点コ
イル３４は、前記のように閉じることができる。
この時電圧が、第１図、第２図に示すように投入
される。

電流は線４６にも流れ、かつ運転パイロツト表
示器４８に流れ、かつ系の状態を表わす。さらに
電流は線４０に流れ、かつリレー接点５２を含む
線５０に流れる。同時に電流は、線４１を介して
リレーコイル６６に流れ、リレー接点５２を閉
じ、それにより電流は線５４を介して線５６に流
れることができ、従つて線６０に流れ、１次ガス
流を開始する。第４図によれば線６０の電流は１
次ガスソレノイド弁ないし電磁弁６２を起動し、
この弁は１次ガス流を開始し、かつ系を流れる全
流量またはその他の所定の１次ガス流量を設定す
る。電流は、線６４を介して戻り線１００に戻
る。第１図および第２図により明らかなように、
この時点に１次ガス流とDC電圧が同時に設定さ
れる。系は、プラズマガン内にアークと発生する
点火および２次ガス流を開始およびアーク電流増
加の開始を準備する点に設定される。

線４１の電流は運転リレーコイル６６を付勢
し、それによりリレー接点５２は、前記のように
閉じる。電流は、運転スイツチ２９を押した時、
線４２にも流れる。さらに線４２の電流は、常閉
スイツチ３１を介して切換リレーコイル７２に流
れ、このコイルは付勢され、リレー接点７４を閉
じる。切換リレーコイル７２の付勢によつて、付
加的に線７８にあるリレー接点７６が閉じる。接
点７６が閉じると、系は、スイツチ２９の位置に
関係なく付勢される。電流は、「運転」スイツチ
に関係なく線４４に流れ、線４４はリレーコイル
３４に給電し、このコイルは電源スイツチ２９を
離しても、アーク電流整流器電源における主接点
（第１３図に示す）を保持する。

第３図に示すようにスイツチ７９は、自動モー
ドになつている。前記のように系は手動操作で
き、その際線８０を介して電流を流すことは望ま
しくない。従つて手動モードで動作する場合、ス
イツチ７９は、図にＭで示すように自動位置から
手動位置に動かされる。

第５図に示すSCR制御回路２１０におけるリ
レーコイル３５は接点３３（第３図）を閉じ、こ
の接点は、アーク電流が停止中に整流器および１
次ガス流をしや断できる点まで減少するまで、回
路電流を供給し続ける。電流は、線８４を介して
リレー接点３３に流れ、かつ線８０を介して線７
８に、従つて線４０に流れる。

さらに電流は線４２に流れ、線８６に流れ、か
つほぼ1secで接点９６を閉じるように設定された
遅延リレーコイル８８に達する。接点９６への電
流は、ガス流開閉器および線９２，９４から供給
されて、点火以前および点火期間中に１次ガスが
確実に流れているようにする。接点９６を閉じれ
ば、着火ないし点火回路が起動し、かつ電流は、
線１３６と１００を介して戻る。接点９６が閉
じ、常閉リレー接点９８および自動モードで示さ
れた手動−自動スイツチ１０４を介して電流を供
給する。この電流は、線１０６に流れ、かつ第６
図に示すリレー接点１０８に流れる。さらに電流
は、線１１０、ダイオード１１２、抵抗１１４お
よびコンデンサ１１６に流れ、同時に点火リレー
１１８に流れる。電流は線１２０，１２２に戻
り、一方第３図に示す線１２４に戻り、かつ線１
００を介して電源に戻る。コイル１１８は、接点
１０８，１０９を介して流れる電流をパルス化す
る。接点１０８と１０９は、互いに並列に示され
ており、かつ電流を断続し100ないし500ｍsecの
パルスにする。第３図に示す線１３２に流れるこ
のパルス化された電流は、全体的に１３４で示す
高周波発生器に供給される。電流は、高周波発生
器から線１３６を介して線１００に戻る。点火パ
イロツトランプ１３８は、第６図に示す回路によ
り供給される電流によつて「点火オン」状態を表
わすようにすることができる。

リレー接点９６が閉じると、これと同時に第５
図に示す接点１４１も、リレー８８の付勢によつ
て閉じる。この作用および第５図に示す回路の目
的は、アルゴン１次ガス系の場合２次ガス流の開
始と同時にアーク電流増加を開始することにあ
る。この系においては接点１４１が閉じると、接
点１４１の閉鎖は、トランジスタ１４４，１４６
を含む回路に応答して線１４２にバイアスを与え
る。この構成体の目的は、系が場合に応じて電流
を150〜1000Aの範囲内で所望のプリセツト最終
アーク電流値まで制御できるようにすることにあ
る。

第５図における２トランジスタの回路は、典形
的なSCRパルストランス点弧回路である。オフ
バイアス回路は、リレー接点１４１、線１４２お
よびオフバイアス分圧器抵抗２８９から成る。接
点１４１が図示の位置にある時、トランジスタ回
路はSCRをアイドル状態に維持し、この状態に
おいては整流器飽和巻線に準備状態を維持するよ
うにわずかな電流が供給される。「運転」ボタン
が押されると、リレー接点１４１は、分圧器抵抗
２８８に切換えられる。この分圧器は、トランジ
スタのベース回路に「オン」バイアスを加える。
リレー接点１８４により制御されるコンデンサ１
８６は、起動の間オフバイアス状態からオンバイ
アス状態へトランジスタのベース電流をゆつくり
と変化し、かつ停止動作中ゆつくりした変化を行
うようにする。このコンデンサの値を選択するこ
とにより、アーク電流が最終値に達するまでの時
間が設定できる。例えばコンデンサを500μＦに
すれば、ほぼ6secの起動および停止動作時間が与
えられる。このコンデンサは、起動および停止動
作の際にだけ回路に接続される。「オンバイア
ス」電流は、抵抗２５１を介して流れかつ、その
点については、後で説明するが、閉ループを選択
した場合、第８図の分流器２５０に接続された線
２５３および２５４（第９図）に接続された分流
増幅器からこの抵抗を経て流れる帰還電流によつ
て変更される。帰還信号が分圧器２８８が要求す
る値よりも低いと（トランジスタを「オンバイア
ス」に設定する）、トランジスタは抵抗１５１を
介して一層多くの電流を流しかつ発振器タイミン
グコンデンサ１４３を一層急速に充電するように
する。それによりユニジヤンクシヨントランジス
タ１４６は、線２７５，２７６における電源波形
の半波の期間において一層早く導通する。この時
パルストランスの１次巻線１４７Ｐにパルスが生
じる。このパルスは、パルストランス２次巻線１
４７Ｓ１，１４７Ｓ２に結合され、両方のSCR
２１０と１５２を点弧する。トランジスタ１４４
はより多くまたはより少ない電流を流すので、
SCRは遅かれ早かれ波形のより早い点または遅
い点で点弧し、それによりこの回路により多くま
たはより少ない電流を流す。SCR１５２は飽和
電流を制御し、それにより最終プラズマアーク電
流を制御する。SCR２１０は、電流リレーコイ
ル３５を制御し、それによりこの回路の閉成を電
流進めサイクル中の１点に同期させる。同様に停
止動作中このリレーコイル３５は、サイクルの電
流を遅らせる部分における固定時点でリレーを開
く。

第７図は、SCRによつて制御される可飽和リ
アクトルを示している。全体に３０１で示す公知
の形式のアーク電流整流器電源は、飽和巻線１５
４に送られる電流１Ａ毎に、ほぼ１００ＡのDC
電流をプラズマガン負荷に供給するように構成さ
れている。回路は、この整流器における飽和電流
を可変抵抗１６６と１５８によつて所定の最終値
に設定するようなものである。SCR１５２と抵
抗１６６は、飽和巻線１５４と最終アーク電流制
御設定抵抗１５８の間にそう入されている。
SCR１５２は、アーク電流制御部１５８におい
て調節された巻線１５４における飽和電流を変更
し、SCRは第１図に示すようにアーク電流を
徐々に増加または減少するようにする。

第７図は、ブリツジ整流回路１５６にほぼ55V
を供給して飽和制御電流を供給する単相トランス
を示す。この55Vは、線２７５と２７６を介して
第５図における２トランジスタ回路にも電力を供
給する。ブリツジ整流器からの正の線１６０は、
第７図に示すように整流器の飽和巻線１５４の正
の側に給電する。飽和巻線の出力線１６２は１６
６のところに接続されており、ここで飽和巻線の
微細校正制御が行われる。可変抵抗１５８は、整
流器におけるアーク電流の最終極限を設定するア
ーク電流制御部である。制御部１６６は線１４８
を介してSCR接続されている。SCR１５２を流
れる電流は、アーク電流制御を設定する可変抵抗
１５８によつて制御される。このことは、SCR
１５２の選択点弧によつて行われる。

起動中アーク電流は、SCR１５２の点弧角を
徐々に進めることによつて増加し、電源整流器の
飽和巻線１５４が完全に導通するようになる。ト
ランジスタ１４４および１４６（第５図）は、
SCR１５２のこの点弧角を制御する。第１図に
よればアーク電流がいくらか進んだ値（最終値で
はない）に達した時、第５図のリレーコイル３５
における電流は（２トランジスタ回路１４４，１
４６の動作に関して前に説明したように、SCR
２１０によつて制御される）、第３図の接点９８
が閉じる点にまで進んでいる。それにより点弧回
路は開き、かつ電流がリレーコイル５９に切換え
られる。このリレー５９は、第５図の接点１８４
を制御し、コンデンサ１８６を介して行われるト
ランジスタ増幅器１４４，１４６の低速起動およ
び遅延作用を除去する。このリレー接点は、アー
ク電流整流器電源のAC給電線電圧の補償も行
う。

１次ガスとして窒素が使用されている場合、２
次ガスは、接点９８が閉じると同時に導入され
る。これは、２次ガスが導入される前に、安定な
アークを生じるために行われる。第１図に示した
ように、１次ガスとしてアルゴンを使用する場
合、２次ガスは、アーク電流を進め始めた時に流
し始める。それ故にアルゴン窒素スイツチ２００
は、アルゴン位置にして示されている。スイツチ
２００がアルゴン位置にある時、給電線２０２で
あり、この線は、スイツチ２００に電圧を供給
し、かつスイツチ位置２０４に通じ（手動−自動
モードスイツチ）、このスイツチは、第４図に示
す２次ガス電磁弁２０６を付勢し、かつ２次ガス
ため容器への２次ガス流を開始する。電磁弁２０
６の戻り線は、線６４を介してAC戻り線である
線１００に戻る。

２次ガス流が所望の最終値に達するようにする
装置は、アーク電流を所望の最終値に達するよう
にする装置とは別のものである。第１５図に概略
的に示す例においてため容器３５１が使用され、
プラズマフレーム噴射装置内に維持されるアーク
へ増加する量のガスを送つて通過させながらため
容器（すなわち閉じた空間）内のガスを所定の速
度で増加する。ため容器３５１は、出口弁３５３
のところで、ため容器からの流出を行うため、入
口弁３５５におけるものより小さな開口を有す
る。これら開口の寸法をあらかじめ調節しておけ
ば、充填するため必要な時間を変化できる。本発
明においてため容器の大きさは、ほぼ1.5（約
90立方インチ）の容積になつている。

２次ガス流を時間に関してさらに直線的に変化
させるため、ため容器の充満は、第４図、第１５
図に示すように、２つの２次ガス電磁弁２０６，
３５７によつて制御される。制限された流量弁２
０６がまず開く。ほぼ1sec遅れて、固体継電器な
いし固体リレーによつて全流２次ガス電磁弁３５
７が開く。後で説明する閉ループ系においては、
全流２次ガス電磁弁のみを使用すると有利であ
る。ため容器が完全に満たされると、アークを通
るガス流が全量になる。この流れは時間的に、ア
ーク電流の所望の最終値の維持に相応してため容
器の大きさおよびガス圧により決められる。２次
ガス流全流の形成が、最終アーク電流の形成と同
時に行われる点は、さ程難しい問題ではない。な
るべくこれらの値は、互いに０ないし5secの所定
の期間内に所定の値に達するようにする。

単一弁の場合には、２次ガスの時間的な経過は
指数関数的な上昇曲線となる。

直線に近いような、指数関数的以外の流れが望
ましいならば、２次ガス源に複数の弁を使用して
もよく、その場合弁は異つた絞りを有する。第１
の２次ガス源の第１の弁を開き、次に所定の時間
を置いて２次ガス源の第２の弁を開く。この第２
の弁を異つた絞りを有する。２つの弁からのガス
は、ガンを流れる２次ガスの最終的な流量増加を
制御するように構成されたアキユムレータの上流
で混合される。アキユムレータは、所定の期間に
たつて２次ガス流の増加を徐々に行うことができ
るようにタイマとして動作する。この期間は、ア
キユムレータ自体の絞りおよびアキユムレータへ
のガス流量によつて決まる。

この時点において２次ガス流は、なるべく所望
のアーク電流に達すると同時に所望の最終流量に
達する。大体においてその直後にプラズマ混合ガ
スは、所望の温度に達し、かつアークは、プラズ
マフレーム噴射装置のノズルに向つて広い範囲に
わたつて分布する。プラズマガンは動作準備でき
ている。

開ループ系に対する第５図および第７図によれ
ば、整流器３相線路電圧の低下に対して修正が行
われる。通常この線路電圧の低下は、プラズマア
ーク電流の減少をひき起こす。線路補償は、第７
図に示す絶縁トランス１７０を介して整流器３相
線路電圧を標本化することによつて行われる。こ
の変化する線路電圧は、第５図の線１７２，１７
４を介して全波ブリツジ整流器１７６およびフイ
ルタコンデンサ１７８に伝えられる。DCの変化
部分は、抵抗１９０を介して検出される。ツエナ
ダイオード１８０は、このDC電圧の一定値を差
引き、かつこの電圧の変化部分を可変抵抗１８２
とトランジスタベース抵抗２５１に伝える。この
ベース抵抗は、トランジスタ１４４の制御信号を
変化させ、かつ線路電圧変動に対してアーク電流
を修正するようにSCR１５２の点弧角を変化す
る。

この時点におけるプラズマ噴射装置の作動は容
易である。粉供給機には、噴射すべき粉末が入れ
てある。噴射が必要な場合には、第３図に示す噴
射制御回路が、通常のようにスイツチまたはトリ
ガによつて付勢され、それにより粉末は、計量さ
れ、担体ガスに入り、かつノズルの口に達し、こ
こで加熱状態にされ、かつ非常に熱い状態になつ
てノズル開口の近くに配置された加工片に向つて
噴射される。

ユニツトまたは加工片に所望のレベルの噴射が
行われたならば、停止作用が開始される。第１図
および第２図によれば、停止はまず２次ガス流を
徐々に停止することによつて所望のように行われ
る。DC電流もなるべく２次ガス流の減少と同時
に減少が開始される。しかしながらアーク電流
は、最小レベルに達するように設定され、かつこ
のような時DC電圧および１次ガス流のしや断を
行うことが適当である。基本的に動作の停止は、
噴射粉末およびキヤリアガス流の供給を終わらせ
る、噴射制御部をしや断することによつて行われ
る。このことは、運転停止スイツチ３１を押す、
すなわち開くことによつて行われ、このスイツチ
は２次ガス流供給をしや断する。２次ガス流がと
まるので、上記のアキユムレータまたはため容器
空間は、最終的な２次ガス流を０にする。このこ
とは、第１図に示す順序に応じた期間にわたつて
行われる。このような時DCアーク電流は、徐々
に低下し始め、それ故にリレー８８，７２および
５９は復旧し、かつ接点１４１，９６，７４，７
６および１８４は開き、それによりタイミングコ
ンデンサ１８６および第５図に１４１で示すオフ
バイアス回路網がしや断される。それによりアー
ク電流は、トランジスタ１４４，１４６によつて
制御される期間にわたつて自動的にかつ徐徐に減
少し、かつトランス１４７を介して第５図、第７
図の回路図に示すようにSCR１５２が制御され
る。同時にSCR２１０は、リレーコイル３５を
流れる電流の減少を始める。なぜならこの半導体
も、トランス１４７を介してトランジスタ１４
４，１４６によつて制御されるからである。アー
ク電流が、主として１次ガスに依存してほぼ50な
いし200Aのレベルに減少すると、第５図のコイ
ル３５は、SCR２１０を流れる電流の減少によ
り減勢される。コイル３５のリレー接点３３が開
き、それによりリレーコイル３４において整流器
電源がしや断され、かつリレー接点５２（第３
図）が開き、１次ガス流がしや断される。１次ガ
スが窒素である場合通常フレームアークは、整流
器電源をしや断する前に消滅する。なぜなら窒素
は、非常にわずかな電流ではイオン化を維持でき
ないからである。

閉ループ系においては、第１４図の回路は、プ
ラズマフレームガンに至る大電流電力ケーブルか
ら信号を検出して、帰還信号が供給される点を除
けば、第５図と同じである。この信号は、第８図
に示すようにこれらのケーブルに直列接続された
大電流分流器２５０から生じることができる。分
流器からの信号は、線２５７と２５９に接続され
ており、また第９図によれば、トランジスタ回路
２６０，２６１において増幅される。この信号
は、線２５３および２５４によつてSCR点弧回
路内の抵抗２５１（第５図）に接続されている。
この抵抗における信号は、トランジスタ１４４，
１４６のバイアス状態を変更し、それにより
SCR１５２の点弧角は、整流器電源の飽和巻線
内の電流を進めまたは遅らせるように変化する。

その代りにこの帰還信号は、ケーブルの近くの
磁界を検出するホール素子を用いてプラズマガン
電力ケーブルから検出することができる。ホール
素子は、これらガン電力ケーブルの１つに機械的
に取付けられた保持器に取付けられている。ホー
ル素子は、種々の材料で作られ、かつ市場で入手
できる。ホール電圧出力信号は、分流器からの信
号と同様に、第８図に示す回路に供給される。レ
イセオン社のレイソスタまたはジエネラルエレク
トリツク社のフオトカツプラのような光電素子を
同じ目的に使用することもできる。これらの装置
は、分流路から増幅器を介して光源を変化させる
ように帰還信号を使用し、その際この光源は、フ
オトセルまたはフオトトランジスタによつて検出
され、それによりトランジスタ１４４，１４６の
バイアス状態が変化する。

閉ループ系においてリレーコイル３５は、第５
図のSCR２１０回路の代りに第１０図に示す第
２増幅器２６２および２６３によつて制御され
る。

この増幅器の入力端子は、第８図に示す分流器
２５０にも接続されている。アーク電流が200な
いし400Aに増加すると、このリレー３５は、接
点３３によつて付勢され、かつ整流器および１次
ガス流をしや断できる点にアーク電流が低下した
時、停止動作まで回路内の整流器電源を保持す
る。点弧回路もしや断され、かつ窒素モードにお
いて閉ループ系におけるように２次ガス流を制御
する。この増幅器においても可変抵抗２８０およ
びリレーコイル２７０が設けられている。このリ
レーは、過電流保護装置であり、アーク電流が所
望のものより大きくなつた場合に、このリレーは
抵抗２８０によつて調節可能であり、かつ閉ルー
プ系において第３図におけるリレー接点２７２に
よつて、系のガス流とアーク電流をしや断するよ
うに設定できる。

閉ループ系を使用する時、第１４図の２トラン
ジスタ増幅器１４４，１４６は、第１１図に示す
トランス２７８および整流器ブリツジ２８５によ
つて電力供給される。閉ループ系において第１１
図のアーク電流制御部１５８は、最大位置に設定
され、かつ第１４図の抵抗２８８が、プラズマア
ーク電流を調節するアーク電流制御部になる。第
９図、第１０図に示す増幅器と第１４図に示す
SCR制御回路は、図示したように個別部品から
構成しても、ICであつてもよい。

制御信号に応答してプラズマガス流速を調節す
るように装置を構成することができる。弁は、典
型的には30ｇ（１オンス）以下の非常に重量の軽
いプランジヤおよびシール集合体を備えた標準的
なガスソレノイドのようなものであり、応答時間
は１ｍsec以下である。ソレノイドコイルは直流
巻線である。実際にコイルは、SCRに直列に接
続されている。SCRの導通は、ガス電磁弁が
SCRによつて供給される整流波形の一部に応答
して開閉するように、帰還信号によつて制御され
る。帰還信号は、閉ループ系について述べたどの
ような方法でも得られる。プラズマアーク、従つ
て帰還回路内の電流が増加すると、SCRは弁を
介して一層多くのガスを流し、かつ回路に流れる
電流の増減を自動的に補償する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、アルゴン１次ガスを用いたプラズマ
フレーム噴射装置の自動動作のため望ましい時間
順序を示す線図、第２図は、窒素１次ガスを用い
た第１図に相当する図、第３図は、プラズマフレ
ーム噴射装置の回路全体の図であり、その際リレ
ー接点２７２は、閉ループ実施例においてのみ使
用され、第４図は、ガス流回路の細部を示す図、
第５図は、SCR制御部の回路図、第６図は、パ
ルス点火系の図、第７図は、閉ループ系に対する
アーク電流整流器電源の制御回路の図、第８図
は、測定および電流帰還分路の回路図、第９図
は、トランジスタ増幅器の制御に使われる増幅器
回路の図、第１０図は、リレー３５および過電流
制御リレーの制御に使われる増幅器回路の図、第
１１図は、閉ループ系に対するアーク電流整流器
電源の制御回路の図、第１２図は、自動プラズマ
系のブロツク図、第１３図は、アーク電流整流器
電源のブロツク図、第１４図は、プラズマガンの
状態に応じてアーク電流状態を制御する閉ループ
系の回路の図、第１５図は、プラズマフレームス
プレーガンに流れる２次ガス流を測定するため使
われるアキユムレータの図である。 １１……アーク電流整流器電源、１３……高周
波発生器、１５……制御モジユール、１７……ガ
ス制御モジユール、１９……プラズマガン、３５
０……３相整流器、３７……単相制御トランス、
３９……単相整流器、４１０……可飽和リアクト
ル、１３１……主３相トランス、２０６，３５
３，３５５，３５７……弁、３５１……アキユム
レータ、４３１……主スイツチ接点。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ プラズマフレームスプレーガンの回路内にお
   けるアークの初期形成を自動的に確実に行う回路
   装置において、 電流を断続して所定期間長の高周波の波列を有
   するバーストの列にする装置、および回路内の電
   極間にアークを生じるのに十分な時間にわたつて
   ガン内のアークを含む回路を通して前記のバース
   トの列を供給する装置が設けられていることを特
   徴とするプラズマフレームスプレーガンに自動的
   にアークを生じる回路装置。