JP2010043341A - 複合トーチ型プラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】副トーチの部品点数を少なくし、副トーチ全体の簡素化、小型化を図るとともに、プラズマ及びプラズマ炎の直進性、安定性を向上させ、プラズマ出力を増加させる。
【解決手段】陰極及び陽極並びにプラズマガス供給手段を有する主トーチ１と副トーチ２からなる複合トーチ型プラズマ発生装置において、副トーチ２、３９が、主トーチ軸芯を中心として放射線上に複数個設けられ、各副トーチ２，３９の陽極１０Ａ、４０は、外套１１、４１により囲まれており、外套１１，４１の内壁には、陰極が設けられている。
【選択図】図１

Description

この発明は、複合トーチ型プラズマ発生装置に関するものであり、更に述べると、気体中を流れる大電流、いわゆるアークやそれによって、発生する１万℃前後の高温度のプラズマによって、金属やセラミックス等の物質を溶融して処理対象物に吹き付け、その表面に強固な皮膜を形成するための、いわゆるプラズマ溶射の技術の改良に関するものである。近年では、この安定した高温のプラズマを熱源として、セラミックスの熱衝撃試験やガス分解などに利用されている。

図４に示したのは、従来の汎用的な複合トーチ型プラズマ溶射装置の主要な部分を図示したものである。
図４において主陰極３の軸上に放出口を有する主外套４及び主第二外套３１と、旋回流ガス形成手段５２を有する絶縁物２７及び絶縁物２９によって同心に保持されている。

図２に示された如く、主プラズマガス送入口５より主プラズマガス６がまずガス環状室５３へ送入され、一個の旋回流形成孔５４或いは等分に配置された複数個の旋回流形成孔５４を通って、絶縁物２７の内壁５５を旋回するように矢印５６の如く送入される。同様に主第二ガス３３も主第二ガス送入口３２を通って、絶縁物２９の内壁を旋回すべく送入される。

主電源７の負端子は、主陰極３に接続され、主電源７の正端子は、スイッチ手段８を介して主外套４、スイッチ手段３４を介して主第二外套３１に接続されており、これらが全体として主トーチ１を構成している。

次に、主トーチ１の中心軸、すなわち、主陰極３の中心軸と交叉するように配置された副トーチ起動電極１０があり、この副トーチ起動電極１０を囲んで、かつ先端に放出口を有する副外套１１及び副第二外套３６と、主トーチ１の絶縁物２７と同様の旋回流ガス形成手段を有する絶縁物２８及び絶縁物３０によって同心に保持されている。

副電源１４は、その正端子がスイッチ手段１５を介して副外套１１と主電源７の正端子に接続されており、副電源１４の負端子は副トーチ起動電極１０に接続されており、これらが全体として副トーチ２を構成している。そして、主トーチ１と副トーチ２は、連結管２６で固定され、各々は容易に脱着でき、絶縁性が保たれた構造となっている。

図４において主プラズマガス送入口５より、主プラズマガス６としてアルゴン等の不活性ガスを流し、スイッチ手段９及びスイッチ手段３４を開いた状態で、スイッチ手段８を閉じて、主電源７の高周波により主陰極３と主外套４との間で印加すると、主陰極３の先端から主外套４の放出口に向かって主起動アーク１６が形成され、これによって主プラズマガス６が加熱され、プラズマ１８となって主外套４の先端より放出される。

更に、スイッチ手段３４を閉じて、スイッチ手段８を開くことによって、プラズマ１８の陽極点は主外套４から主第二外套３１へと移行し、主第二起動アークが形成され、主第二外套３１の先端より主トーチ１の外部に向かって放出される。

次にスイッチ手段１５を閉じて、副電源１４の高周波により副トーチ起動電極１０と副外套１１との間に印加し、かつ、副ガス送入口１２より、副ガス１３として、アルゴン等の不活性ガスを送入すると、副起動アーク１７が発生し、副外套１１の先端の放出口を通って副第二外套３６の放出口よりプラズマ１８が噴出される。

このようにして主トーチ１と副トーチ２の先端から噴出される各々のプラズマ１８は、主トーチ１の中心軸と副トーチ２の中心軸が交叉するように設けられているので、その先端で交叉するが、このプラズマ１８は導電性であるので、この状態において、スイッチ手段９を閉じると同時にスイッチ手段１５及びスイッチ手段３４を開くと、主陰極３の先端から副外套１１の陽極点に至るヘアピン状のプラズマ１８による導電路が形成される。

この時、連結管２６上の材料送入管１９により搬送された溶射材料２０は、プラズマ１８軸に交叉する方向で高温のプラズマ１８中に送入される。そこで溶射材料２０は、プラズマ１８熱により、溶融粒子２１となって、プラズマ炎２３に同伴されながら、あまり広がらないで母材２５に向かって進行する。

この溶融粒子２１を含むプラズマ炎２３は、母材２５に及ぼす熱負荷を軽減すべく母材２５の直前で、連結管２６上に設けられたプラズマ分離手段２２によって、プラズマ１８のみが分離され、その直後に溶融粒子２１は母材２５に衝突し、溶射皮膜２４を形成する。

以上の説明では、主外套４，主第二外套３１及び副外套１１、副第二外套３６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、これは省略し図示していない。尚、以下の説明においては、各該当の冷却システムは何れもこれを省略する。

従来例には、次のような問題がある。
（１）副トーチは、少なくとも陰極を保護するチャンバー(副外套)と陽極を保護するチャンバー(副第二外套)の２つを有し、部品点数も多く、コストがかさみ、保守・点検も容易でない。

（２）前記副トーチの陰極部は、プラズマ起動する時に使用するが、運転中は、不要な部位となる。
（３）副トーチからのプラズマやヘアピン状のプラズマによる磁場の影響で、主トーチのプラズマ及びプラズマ炎が経時的に曲ってしまう。そのため、プラズマ及びプラズマ炎の直進性、安定性が損なわれ、結果としてプラズマ出力の低下を招く。

本発明は、上記事情に鑑み、副トーチの部品点数を少なくして、コストを低減させるとともに、副トーチ全体の簡素化、小型化を図ることを目的とする。他の目的は、プラズマ及びプラズマ炎の直進性、安定性を向上させ、プラズマ出力の増加を図ることである。

この発明は、陰極及び陽極並びにプラズマガス供給手段を有する、主トーチと副トーチからなる複合トーチ型プラズマ発生装置において、前記副トーチが、前記主トーチ軸芯を中心として放射線上に複数個設けられているとともに、前記各副トーチの陽極は、外套により囲まれており、該外套の内壁には、陰極が設けられていることを特徴とする。

この発明の副外套の先端には、狭窄口が設けられ、該狭窄口の内壁に前記陰極が設けられていることを特徴とする。この発明の前記外套の材質は、熱伝導率３３０kcal／mh°C以上の材料であることを特徴とする。この発明の前記主トーチおよび前記副トーチは、使用する全てのプラズマガスを旋回せしめる旋回流送入手段を設けることを特徴とする。

この発明の前記主トーチ又は前記副トーチに、電極をもたない独立したチャンバーを設けることによって、前記プラズマガスとして活性ガスを使用できることを特徴とする。この発明の前記副トーチの陰極は、タングステンの張り付け、又は、タングステン溶射により形成されることを特徴とする。

この発明は、副トーチの陽極を外套により囲み、該外套の内壁に陰極を設けたので、従来の複合トーチ型プラズマ発生装置の副トーチで、陽極手前に設けられていたタングステン陰極部が不要となり、更には、それに付随する陽極間に位置する保護ガス送入手段を有する絶縁部及び配線・配管も不要となり、部品点数が削減できてコスト低減がはかれるのみならず、副トーチ全体が簡素化され、小型になり保守・点検も容易になった。

この発明は、前記副トーチが、前記主トーチ軸芯を中心として放射線上に複数個設けられているので、プラズマ及びプラズマ炎の直進性、安定性が向上し、結果としてプラズマの出力の増加が可能となった。

この発明の第１の実施形態を図１、図２により説明する。
図１は、複数個の副トーチ、例えば、副トーチを２個用いた汎用的な複合トーチ型プラズマ溶射装置の主要な部分を図示したものである。

図１において、３は主陰極であり、該主陰極３の中心軸上に放出口を有する主外套４と、旋回流ガス形成手段５２を有する絶縁物２７によって同心に保持されている。前記旋回流ガス形成手段５２では、図２示された如く、プラズマガス送入口５より主プラズマガス６がまずガス環状室５３へ送入され、一個の旋回流形成孔５４或いは等分に配置された複数個の旋回流形成孔５４を通って、絶縁物２７の内壁５５を旋回するように矢印５４の如く送入される。

主電源７の負端子は、主陰極３に接続されており、主電源７の正端子は主外套４にスイッチ手段８を介して接続されており、これらが全体として主トーチ１を構成している。

次に、主トーチ１の中心軸、すなわち、主陰極３の中心軸と交叉するように配置された副トーチ陽極１０Ａがあり、この副トーチ陽極１０Ａを囲んで、かつ先端に放出口を有する副外套１１と、主トーチ１の絶縁物２７と同様の旋回流ガス形成手段５２を有する絶縁物２８によって同心に保持されている。前記副外套の放出口は、ノズル状の狭窄口に形成されている。

第二電源４２の正端子は、スイッチ手段４７を介して、副トーチ陽極１０Ａの正端子へ接続されており、第二電源４２の負端子は、スイッチ手段４８を介して、副外套１１に接続されており、これらが全体として副トーチ２を構成している。

そして、副トーチ２に対向する位置に同型の第二副トーチ３９が設けられている。この第二副トーチ３９は、副トーチ２と同様に第二副トーチ陽極４０を囲んで、かつ先端に放出口を有する第二副外套４１と、主トーチ１の絶縁物２７と同様の旋回流ガス形成手段５２を有する絶縁物４９によって同心に保持されている。

第二電源４２の正端子は、スイッチ手段４３を介して、第二副トーチ陽極４０の正端子へ接続されており、第二電源４２の負端子は、スイッチ手段４４を介して、第二副外套４１に接続されており、これらが全体として第二副トーチ３９を構成している。

前記副トーチ２、３９の陽極１０Ａ、４０を保護するチャンバー(副外套１１、４１)は、陽極１０Ａ、４０との絶縁を保ち、プラズマ放熱に耐えうる冷却構造を有する熱伝達の良い部材で形成されている。この部材として、熱伝導率３３０kcal／mh°C以上の材料が好的であり、例えば、Ｗ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔなどが用いられる。

前記副外套１１，４１の表面は、プラズマアークが接触しにくく、かつ、溶射材料が付着しないように表面処理されており、例えば、表面の粗さは、Ra0.8以下であるが、Ra0.25以下が好的である。

前記陰極は、前記外套１１、４１に設けられるが、その配設位置として、例えば、該外套の内壁や該外套先端の放出口（狭窄口）内壁、に設けられる。

前記陰極からは熱電子を放出するため、陰極点は３０００℃以上にも達し、当然のことながら銅などで作製された外套１１，４１は、溶融し気化するが、このときの損傷を極力抑えるため、本発明では、電流負荷を２０〜３０Ａでプラズマをヘアピンアークプラズマ形成に至る短時間だけ形成させることができる様にしている。

なお、副外套の多くは、コストや加工性で最適な銅で制作されているが、大気中では、緑青が発生し、溶射皮膜中のコンタミの原因となるので、メッキなどの表面処理をすることが望ましい。

前記外套に設ける陰極の材料として、例えば、タングステンが用いられるが、陰極を全てタングステンで作製することは、その材質が硬くて脆いので、技術的に難しく、コストも嵩むことになるので、陰極となる部分のみに、該タングステンを貼り付けたり、又は、タングステン溶射(コーテング)して陰極を形成するが好ましい。

主トーチ１、副トーチ２及び第二副トーチ３９は、連結管２６で固定され、各々は容易に脱着でき、絶縁性が保たれた構造となっている。

図１において、主プラズマガス送入口５より、主プラズマガス６としてアルゴン等の不活性ガスを流し、スイッチ手段４５及びスイッチ手段４６を開いた状態で、スイッチ手段８を閉じて、主電源７の高周波により主陰極３と主外套４との間で印加すると、主陰極３の先端から主外套４の放出口に向かって主起動アーク１６が形成され、これによって主プラズマガス６が加熱され、プラズマ１８となって主外套４の先端より主トーチ１の外部に向かって放出される。

次に、スイッチ手段４３及びスイッチ手段４４を開いた状態で、スイッチ手段４７及びスイッチ手段４８を閉じて、第二電源４２の高周波により副トーチ陽極１０Ａと副外套１１との間に印加し、かつ、副ガス送入口１２より、副ガス１３として、アルゴン等の不活性ガスを送入すると、副起動アーク１７が発生し、副外套１１の先端の放出口よりプラズマ１８が噴出される。

このようにして主トーチ１と副トーチ２の先端から噴出される各々のプラズマ１８は、主トーチ１の中心軸と副トーチ２の中心軸が交叉するように設けられているので、その先端で交叉するが、この交差する点は、例えば、主トーチ１の主外套４の先端から１２mm〜１５ｍｍで、副トーチ２の副外套１１の先端から５mm〜８mmに位置する。このプラズマ18は、導電性であるので、この状態において、スイッチ手段４５を閉じると同時にスイッチ手段８を開き、かつ、スイッチ手段４７及びスイッチ手段４８を開くと、副トーチ陽極１０Aの先端から主陰極３の陰極点に至るヘアピン状のプラズマ１８による導電路が形成される。

その直後、第二副トーチ３９のプラズマ１８を印加すべく第二副ガス送入口５０より、第二副ガス５１としてアルゴン等の不活性ガスを流し、スイッチ手段４５及びスイッチ手段４８を開いた状態で、スイッチ手段４３及びスイッチ手段４４を閉じて、第二電源４２の高周波により第二副トーチ陽極４０と第二副外套４１との間で印加する。

そうすると、第二副トーチ陽極４０の先端から第二副外套４１の放出口に向かって第二副起動アーク５８が形成され、これによって、副第二ガス５１が加熱され、第二副外套４１の先端の放出口よりプラズマ１８が噴出される。

このプラズマ１８の先端は、第二副トーチ陽極４０の先端から主陰極３の陰極点に至るヘアピン状のプラズマ１８と交叉するが、このプラズマ１８は導電性であるので、この状態において、スイッチ手段４５を閉じて、スイッチ手段４４を開くと、第二副トーチ陽極４０の先端から主陰極３に至る全体としてＴ字状のプラズマ１８が形成される。

この溶射材料供給手段により、いかなる高融点の溶射材料２０でも１万℃前後のプラズマ１８で直ちに高温に加熱されて溶融し、溶融粒子２１に示した如くプラズマ炎２３に同伴されながら、あまり広がらないで母材２５に向かって進行する。

この溶融粒子２１を含むプラズマ炎２３は、母材２５に及ぼす熱負荷を軽減すべく母材２５の直前で、連結管２６上に設けられたプラズマ分離手段２２によって、プラズマ１８のみが分離され、その直後に溶融粒子２１は母材２５に衝突し、溶射皮膜２４を形成する。

本発明の少なくとも互換性のある副トーチ２個を主トーチ軸心に対して、交叉するように対称に設けることによって、プラズマの直進性と安定化が著しく改善され、結果的に１００ｋＷ以上の高出力での溶射が可能となり、溶射量の増加はむろんのこと従来にない緻密で高品質な溶射皮膜が形成できるようになった。

本発明の第２の実施形態を図３により説明する。
図３に示したのは、プラズマガスに不活性ガスのみならず空気等の活性なガスを用いることができる一つの手段として、主トーチ１内に電極を有しないチャンバーを設けた複合トーチ型プラズマ溶射装置の主要な部分を図示したものである

図３において、主陰極３は、該主陰極３の軸上に放出口を有する主外套４及び主第二外套３１と、旋回流ガス形成手段５２を有する絶縁物２７及び絶縁物２９によって同心に保持されており、前記旋回流ガス形成手段では、図２に示された如く主プラズマガス送入口５より主プラズマガス６がまずガス環状室５３へ送入され、一個の旋回流形成孔５４或いは等分に配置された複数個の旋回流形成孔５４を通って、絶縁物２７の内壁５５を旋回するように矢印５４の如く送入される。

同様に主第二ガス３３も主第二ガス送入口３２を通って、絶縁物２９の内壁を旋回すべく送入される。主電源７の負端子は、主陰極３に接続されており、主電源７の正端子は、スイッチ手段８を介し主外套４に、スイッチ手段３４を介して主第二外套３１に接続されており、これらが全体として主トーチ１を構成している。

次に、主トーチ１の中心軸、すなわち、主陰極３の中心軸と交叉するように配置された副トーチ陽極１０Ａがあり、この副トーチ陽極１０Ａを囲んで、かつ先端に放出口を有する副外套１１と、主トーチ１の絶縁物２７と同様の旋回流ガス形成手段５２を有する絶縁物２８によって同心に保持されている。

第二電源４２の正端子は、スイッチ手段４７を介して、副トーチ陽極１０Ａの正端子へ接続されており、第二電源４２の負端子は、スイッチ手段４８を介して、副外套１１に接続されており、これらが全体として副トーチ２を構成している。

そして、副トーチ２に対向する位置に同型の第二副トーチ３９が設けられている。この第二副トーチ３９は、副トーチ２と同様に第二副トーチ陽極４０を囲んで、かつ先端に放出口を有する第二副外套４１と、主トーチ１の絶縁物２７と同様の旋回流ガス形成手段５２を有する絶縁物４９によって同心に保持されている。

第二電源４２の正端子は、スイッチ手段４３を介して、副トーチ陽極４０の正端子へ接続されており、第二電源４２の負端子は、スイッチ手段４４を介して、第二副外套４１に接続されており、これらが全体として副トーチ３９を構成している。

主トーチ１、副トーチ２及び第二副トーチ３９は、連結管２６で固定され、各々は容易に脱着でき、絶縁性が保たれた構造となっている。

図３において、主プラズマガス送入口５より、主プラズマガス６としてアルゴン等の不活性ガスを流し、スイッチ手段４６及びスイッチ手段３４を開いた状態で、スイッチ手段８を閉じて、主電源７の高周波により主陰極３と主外套４との間で印加すると、主陰極３の先端から主外套４の放出口に向かって主起動アーク１６が形成され、これによって主プラズマガス６が加熱され、プラズマ１８となって主外套４の先端より放出される。

次にスイッチ手段３４を閉じて、スイッチ手段８を開くことによって、プラズマ１８の陽極点は主外套４から主第二外套３１へと移行し、主第二外套３１の先端より主トーチ１の外部に向かって放出される。

次にスイッチ手段４３及びスイッチ手段４４を開いた状態で、スイッチ手段４７及びスイッチ手段４８を閉じて、第二電源４２の高周波により副トーチ陽極１０Ａと副外套１１との間に印加し、かつ、副ガス送入口１２より、副ガス１３として、アルゴン等の不活性ガスを送入すると、副起動アーク１７が発生し、副外套１１の先端の放出口よりプラズマ１８が噴出される。

このようにして主トーチ１と副トーチ２の先端から噴出される各々のプラズマ１８は、主トーチ１の中心軸と副トーチ２の中心軸が交叉するように設けられているので、その先端で交叉するが、プラズマ１８は導電性であるので、この状態において、スイッチ手段４５を閉じると同時にスイッチ手段３４を開き、かつスイッチ手段４７及びスイッチ手段４８を開くと、副トーチ陽極１０Aの先端から主陰極３の陰極点に至るヘアピン状のプラズマ１８による導電路が形成される。

その直後、第二副トーチ３９のプラズマ１８を印加すべく第二副ガス送入口５０より、第二副ガス５１としてアルゴン等の不活性ガスを流し、スイッチ手段４５及びスイッチ手段４８を開いた状態で、スイッチ手段４３及びスイッチ手段４４を閉じて、第二電源４２の高周波により第二副トーチ陽極４０と第二副外套４１との間で印加する。

そうすると、第二副起動電極４０の先端から第二副外套４１の放出口に向かって第二副起動アークが形成される。これによって、副第二ガス５１が加熱され、第二副外套４１の先端の放出口よりプラズマ１８が噴出される。

このプラズマ１８の先端は、第二副トーチ陽極４０の先端から主陰極３の陰極点に至るヘアピン状のプラズマ１８と交叉するが、このプラズマ１８は導電性であるので、この状態において、スイッチ手段４５を閉じて、スイッチ手段４４を開くと、第二副トーチ陽極４０の先端から主陰極３に至る全体としてＴ字状のプラズマ１８が形成される。

この溶射材料供給手段により、いかなる高融点の溶射材料２０でも１万℃前後のプラズマ１８で直ちに高温に加熱されて溶融し、溶融粒子２１に示した如くプラズマ炎２３に同伴されながら、あまり広がらないで母材２５に向かって進行する。

この溶融粒子２１を含むプラズマ炎２３は、母材２５に及ぼす熱負荷を軽減すべく母材２５の直前で、連結管２６上に設けられたプラズマ分離手段２２によって、プラズマ１８のみが分離され、その直後に溶融粒子２１は母材２５に衝突し、溶射皮膜２４を形成する。

この実施形態では、プラズマガスに空気等の活性なガスを用いる手段によって、本装置で使用されるプラズマガス全体における活性ガスの比率を高くすることができ、フェライト、アルミナ、チタニア等の還元性雰囲気を極端にきらい、酸化性雰囲気において独特の高性能を発揮させることができる物質皮膜を容易に形成することができ、これはこの発明の大きな特徴である。

本発明の第１の実施形態を示す縦断面図である。 図１のａ−ｂ線断面図である。 本発明の第２の実施形態を示す縦断面図である。 従来例を示す縦断面図である。

符号の説明

１ 主トーチ
２ 副トーチ
３ 主陰極
４ 主外套
７ 主電源
１０ 副トーチ起動電極
１０Ａ 副トーチ陽極
１１ 副外套
１４ 副電源
１６ 主起動アーク
１７ 副起動アーク
１８ プラズマ
２３ プラズマ炎
３１ 主第二外套
３５ 主第二起動アーク
３６ 副第二外套
３９ 第二副トーチ
４０ 第二副トーチ陽極
４１ 第二副外套
４２ 第二電源
５２ 旋回流ガス形成手段

Claims (7)

1. 陰極及び陽極並びにプラズマガス供給手段を有する、主トーチと副トーチからなる複合トーチ型プラズマ発生装置において、
   前記副トーチが、前記主トーチ軸芯を中心として放射線上に複数個設けられ、
   前記各副トーチの陽極は、外套により囲まれており、
   該外套の内壁には、陰極が設けられていることを特徴とする複合トーチ型プラズマ発生装置。
2. 前記外套の先端には、狭窄口が設けられ、該狭窄口の内壁に前記陰極が設けられていることを特徴とする請求項1記載の複合トーチ型プラズマ発生装置。
3. 前記外套の材質は、熱伝導率３３０kcal／mh°C以上の材料であることを特徴とする請求項1、又は、２記載の複合トーチ型プラズマ発生装置。
4. 前記外套は、銅により形成され、表面処理されていることを特徴とする請求項１、２、又は、３記載の複合トーチ型プラズマ発生装置。
5. 前記主トーチおよび前記副トーチは、使用する全てのプラズマガスを旋回せしめる旋回流送入手段を備えていることを特徴とする請求項１、２、３、又は、４記載の複合トーチ型プラズマ発生装置。
6. 前記主トーチ又は前記副トーチに、電極をもたない独立したチャンバーを設けることによって、前記プラズマガスとして活性ガスを使用できることを特徴とする請求項１、２、３、４、又は、５記載の複合トーチ型プラズマ発生装置。
7. 前記副トーチの陰極は、タングステンの貼り付け、又は、タングステン溶射により形成されることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、又は、６記載の複合トーチ型プラズマ発生装置。

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