JP5164794B2 - ガス混合装置 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも二種類のガスを混合させるガス混合装置に関し、特に、分子量或いはガス比重が大きく異なる二種類のガスを混合する際に用いて有利なガス混合装置に関するものである。

少なくとも二種類のガスを混合させて特定の作業を行うことは一般的に行われている。例えば、ガス切断トーチの場合、酸素ガスと、アセチレンガスや液化石油ガス等の燃料ガスと、の二種類のガスを混合させた混合ガスを燃焼させた火炎で鋼板を加熱している。またプラズマ切断トーチの場合、酸素ガスと窒素ガス、或いは酸素ガスとアルゴンガス、を混合させた混合ガスをプラズマガスとして供給することでプラズマアークを形成することが行われている。このようなガスを混合させる機構は、インジェクターを用いるのが一般的である。

本件出願人は、鋼板に代表される被切断材をプラズマ切断する際に、周期表第２周期までのハロゲンガス及び希ガス並びに水素ガスの中から選択された１又は複数種のガスと、酸素又はアルゴン又は窒素を含むガスと、の混合ガスからなるプラズマガスによってプラズマアークを形成し、酸素又はアルゴン又は窒素を含むガスを主成分とするプラズマアークに添えて周期表第２周期までのハロゲンガス及び希ガス並びに水素ガスの中から選択された１又は複数種のガスを噴射することで、切断に伴って発生するヒュームを軽減させるプラズマ切断方法を開発した。

上記発明を実施するに際し、例えばプラズマガスとしてヘリウムガスと酸素ガスとの混合ガスを利用した場合、ヘリウムガスと酸素ガスとの混合状態に応じてヒュームの発生状態が変化することが判明した。即ち、両ガスが良好に混合しているとヒュームの軽減をはかることができるものの、混合状態が良くない場合、ヒュームの発生が多くなったり、プラズマアークが安定しないという問題が生じた。

このため、ヘリウムガスと酸素ガスを良好な状態で混合させるべく、幾つかのインジェクターを構成して実験したが、これらのように分子量が大きく異なる二種類のガスをインジェクターで混合することは困難であった。現在では、予め設定された比率でヘリウムガスと酸素ガスをボンベに充填し、このボンベを３０分〜１時間回転させることで両ガスを混合させ、前記ボンベからプラズマ切断トーチに混合ガスを供給してプラズマ切断を行っている。

上記の如く、二種類のガスをボンベに充填して回転させて混合させるのでは、充填したボンベを回転させるための設備や面積、時間等多くの要因が存在し、コストの上昇を避けることができないという問題がある。

本発明の目的は、少なくとも二種類のガスを供給しつつ、良好な混合ガスを構成することができるガス混合装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係るガス混合装置は、少なくとも二種類のガスが供給される供給口と、前記供給口に連続して設けられ供給された少なくとも二種類のガスを混合する螺旋状のガス混合部と、前記ガス混合部に連続して設けられ少なくとも二種類のガスが混合した混合ガスが一時滞留する滞留室と、前記滞留室に設けられ滞留した混合ガスが噴射する穴と、前記穴と対向して設けられ噴射した混合ガスが衝突する障壁と、前記障壁を含み該障壁に衝突した混合ガスが通過する混合ガス通路と、前記混合ガス通路の末端に配置された混合ガス排出口と、を有し、前記螺旋状のガス混合部を経て前記滞留室に滞留した混合ガスを、該滞留室に設けた穴から噴射させて前記障壁に衝突させることで混合を促進させるようにしたものである。

上記ガス混合装置に於いて、一端が閉塞された第１の筒体に外周に螺旋状の溝を形成した混合部材を閉塞された一端との間に隙間を設けて嵌合すると共に他端の開口部に供給口を接続することで螺旋状のガス混合部と滞留室とを形成し、前記第１の筒体に形成した滞留室の側壁に穴を形成し、前記第１の筒体を第２の筒体に嵌合して第１の筒体の外周面と第２の筒体の内周面とによって供給口側に向かう第１の混合ガス通路を形成し、前記第２の筒体を第３の筒体に嵌合して第２の筒体の外周面と第３の筒体の内周面とによって前記第１の混合ガス通路と連続し且つ供給口から離隔する方向に向かう第２の混合ガス通路を形成し、更に、前記第２の混合ガス通路の末端に混合ガス排出口を設けて構成することが好ましい。

本発明に係るガス混合装置では、供給口から供給された少なくとも二種類のガスは、該供給口に連続して設けられた螺旋状のガス混合部を通過する過程で混合されて滞留室に滞留する。その後、混合ガスは滞留室に設けられた穴から混合ガスが噴射して障壁に衝突することでより混合が進行し、混合ガス通路を経て混合ガス排出口から排出される。

ガス混合部が螺旋状に形成されているため、ガスが通過する過程でこのガス混合部の壁面に対して衝突し混合が促進される。また、ガス混合部による混合が終了した混合ガスは、滞留室に設けた穴から噴射して障壁に衝突して更に混合が促進される。このため、良好な混合状態を保持した混合ガスが混合ガス排出口から排出される。

特に、本発明に係るガス混合装置では、分子量或いは比重が大きく異なる少なくとも二種類のガスを混合しつつ使用する装置に採用したときに有利である。即ち、これらのガスの供給源から夫々のガスを供給し、供給されたガスをガス混合部に於ける壁面への衝突、及び滞留室から障壁への衝突をさせることによって、これらのガスを良好な状態で混合させて混合ガス排出口から排出することができる。

また、ガス混合部と滞留室を、一端が閉塞された第１の筒体に外周に螺旋状の溝を形成した混合部材を、閉塞された一端との間に隙間を設けて嵌合すると共に他端の開口部に供給口を接続することで形成し、第１の筒体に形成した滞留室の側壁に穴を形成し、この第１の筒体を第２の筒体に嵌合して第１の筒体の外周面と第２の筒体の内周面とによって供給口側に向かう第１の混合ガス通路を形成し、第２の筒体を第３の筒体に嵌合して第２の筒体の外周面と第３の筒体の内周面とによって第１の混合ガス通路と連続し且つ供給口から離隔する方向に向かう第２の混合ガス通路を形成し、更に、前記第２の混合ガス通路の末端に混合ガス排出口を設けたので、第１の筒体に混合部材を嵌合することによって、螺旋状のガス混合部と滞留室を形成することができる。そして、第１の筒体を第２の筒体に嵌合し、更に、第２の筒体を第３の筒体に嵌合することによって、第２の筒体の内側から第３の筒体の内側にかけて連続した第１の混合ガス通路と第２の混合ガス通路とを形成し、これにより、長い混合ガス通路を形成することができる。

上記の如きガス混合装置では、混合ガスを流通させる通路が二箇所で折り返されることとなり、簡単な構造で充分に長いガスの混合領域を構成することができる。即ち、ガスの混合を促進するのに充分なガス通路の距離（チャンバー）を確保することができる。このため、少なくとも二種類のガスを供給しつつ、これらのガスを混合させて使用する装置に適用したときに有利である。

以下、本発明に係るガス混合装置の最も好ましい形態について図を用いて説明する。図１はガス混合装置の構成を説明する断面図である。

本実施例に係るガス混合装置Ａは、プラズマ切断の際にプラズマアークを形成するプラズマガス、或いはプラズマアークに添えて噴射する二次気流ガスとしてのヘリウムと酸素ガスとの混合ガスのように、分子量が大きく異なる少なくとも二種類のガスを混合させる際に利用して有利なように構成されている。

しかし、本発明に係るガス混合装置は上記ヘリウムと酸素ガスのみを対象とするものではなく、他のガス、例えば窒素ガスやアルゴンガス等も対象とすることは当然である。またガスの分子量が大きく異なることも限定するものではなく、窒素ガスと酸素ガスのように比較的分子量が接近したものであっても好ましく混合することが可能である。

図に於いて、ガス混合装置Ａは、外周面に螺旋状の溝１ａが形成された混合部材１と、一端が底部２ａによって閉塞され他端に開口２ｂが形成され内部に混合部材１を嵌合する第１の筒体２と、一端が底部３ａによって閉塞され他端に開口３ｂが形成され内部に第１の筒体２を嵌合する第２の筒体３と、一端が混合ガス排出口となる排出口５ａが設けられた閉塞部材５によって閉塞され他端に開口４ａが形成され内部に第２の筒体３を嵌合する第３の筒体４と、第１の筒体２の開口２ｂ及び第３の筒体４の開口４ａを閉塞するキャップ６と、キャップ６に接続され少なくとも二種類のガスが供給される供給口７ａが設けられた供給部材７と、を有して構成されている。

混合部材１は第１の筒体２と共にガス混合部１０と滞留室１１とを構成し、更にキャップ６と共にガス供給室１２を構成するものである。このため、混合部材１は第１の筒体２よりも短く形成されており、外周には螺旋状の溝１ａが形成され、一方側の端部に当接部１ｂが形成されている。

そして、混合部材１が当接部１ｂ側から第１の筒体２に嵌合され、当接部１ｂが第１の筒体２の底部２ａと当接し、且つ第１の筒体２の開口２ｂがキャップ６に接続されたとき、溝１ａと第１の筒体２の内周面とによって螺旋状のガス混合部１０が形成され、第１の筒体２の底部２ａと当接した当接部１ｂの周囲に滞留室１１が形成され、更に、第１の筒体２の開口２ｂ側にキャップ６との間にガス供給室１２が形成される。

混合部材１の外周に形成される溝１ａの仕様は特に限定するものではないが、断面が角形であることが好ましい。即ち、溝１ａは、角ねじのねじ溝として形成されることが好ましい。また溝１ａを角ねじによって形成した場合、該角ねじの条数は限定するものではなく、１条又は複数条であって良い。

特に、混合部材１の外周に形成された螺旋状の溝１ａによってガス混合部１０を構成することで、混合部材１の長さに比較して長い混合攪拌距離を実現することが可能となる。また溝１ａを角ねじの谷部によって構成することで、ガス混合部１０を流通する際にガスが衝突する壁面を大きくすることが可能である。

滞留室１１は螺旋状のガス混合部１０を経て混合した混合ガスが一時的に滞留するものであり、容量等は特に限定するものではない。

第１の筒体２のキャップ６に対する接合方法については限定するものではない。例えば、第１の筒体２及びキャップ６に夫々ねじを形成しておき、両者を締結することで接合することが可能である。また第１の筒体２をキャップ６に接着或いはろう付けすることで接合することも可能である。

第１の筒体２の底部２ａ側の周壁であって内部に構成された滞留室１１に対応する部位に穴１３が形成されている。この穴１３は滞留室１１に滞留している混合ガスが噴射するためのものであり、該穴１３の数や径は必要とされる混合ガスの流量に対応させて適宜設定されている。

本実施例では、穴１３として、第１の筒体２の周壁を４等分した位置に夫々直径１ｍｍの穴が形成されている。

第２の筒体３は混合部材１を嵌合した第１の筒体２を嵌合し、該第１の筒体２の外周面との間にキャップ６の方向に向けた第１の混合ガス通路１４を構成するものである。第２の筒体３は第１の筒体２よりも短く形成されており、底部３ａが第１の筒体２の底部２ａに一体的に接合されている。

このため、第１の筒体２に形成された穴１３は第２の筒体３の周壁に対向することとなる。また、第１の混合ガス通路１４は、第１の筒体２の底部２ａ側から該第１の筒体２の外周面に沿ってキャップ６方向に形成される。即ち、第１の混合ガス通路１４は、ガス混合部１０に於けるガスの流通方向とは反対方向の流路を形成することとなる。更に、第２の筒体３の開口３ｂとキャップ６との間には隙間が形成されることとなり、該第２の筒体３の内周面側に形成された第１の混合ガス通路１４は前記隙間に連通することになる。

第２の筒体３を第１の筒体２に一体的に接合する方法は限定するものではなく、両筒体２、３の底部２ａ、３ａに夫々ねじを形成しておき、両者を締結することで接合することが可能である。また第１の筒体２の底部２ａに突起を形成すると共に第２の筒体３の底部に該突起を嵌合させる穴を形成しておき、両者を接着して或いはろう付けして接合することも可能である。

第３の筒体４は、上記第２の筒体３を嵌合して該第２の筒体３の外周面との間に第２の混合ガス通路１５を構成するものである。また第３の筒体４の一端は排出口５ａを設けた閉塞部材５によって閉塞されており、他端側の開口４ａがキャップ６に一体的に接合されている。

即ち、第３の筒体４は両端が開放され、第１の筒体２よりも充分に長い筒によって形成されている。そして、第３の筒体４の一端に閉塞部材５がねじ接合或いは接着、ろう付け等の手段で接合されることで閉塞されている。また、他端側に形成された開口４ａがキャップ６に対しねじ接合或いは接着、ろう付け等の手段で一体的に接合されている。

第２の筒体３の外周面と第３の筒体４の内周面との間に形成された第２の混合ガス通路１５は、キャップ６と第２の筒体３の開口３ｂとの間に形成された隙間を介して第１の混合ガス通路１４と連通する。そして、第１の混合ガス通路１４と第２の混合ガス通路１５とが、第２の筒体３の内周面側、外周面側に連続して構成されることから、充分に長い距離を持った混合ガス通路として構成される。

閉塞部材５の略中央に排出口５ａが設けられている。この排出口５ａはニップル状に形成されており、例えば図示しないプラズマトーチと接続されたホース或いはチューブを締結することで、少なくとも二種類のガスを混合した混合ガスを供給し得るように構成されている。

キャップ６の略中央には供給口７ａを設けた供給部材７が締結されている。供給部材７は少なくとも二種類のガスの供給を受け、これらのガスを供給口７ａから混合部材１と第１の筒体２との間に構成されたガス供給室１２を経てガス混合部１０に供給するものである。

本実施例では、供給部材７はヘリウムと酸素ガスとエアの三種類のガスの供給を受けることが可能なように構成されており、これらのガスの中から選択された二種類のガス、或いは三種類全てのガスをガス混合部１０に供給し得るように構成されている。

即ち、供給部材７には、図示しないガスボンベ等の供給源と接続されたヘリウム供給部２０と、図示しないエアコンプレッサー或いは工場配管等の供給源と接続されたエア供給部２１と、図示しないガスボンベ或いは工場配管等の供給源と接続された酸素ガス供給部２２と、が設けられている。

また、供給部材７に設けた供給口７ａに連通して２つのインジェクター８、９が形成されており、夫々のインジェクター８、９で供給されたガスを吸引して混合し得るように構成されている。

インジェクター８は、エア供給部２１と連通した第１通路８ａと、第１通路８ａと同軸上に且つ連通して形成され該第１通路８ａよりも径の大きい第２通路８ｂと、ヘリウム供給部２０と連通し第２通路８ｂの径よりも小さい径を持った第３通路８ｃと、を有して構成されている。特に、第３通路８ｃは第１通路８ａから第２通路８ｂに移行する段差部分の近傍に斜めに開口しており、第１通路８ａにエアが供給されたとき第３通路８ｃを吸引し得るように構成されている。

上記第２通路８ｂは該第２通路８ｂよりも大きい径を持って形成された供給口７ａに対し同軸上で直接接続しており、該第２通路８ｂ及び供給口７ａがインジェクター９の一部を構成している。またインジェクター９は酸素供給部２２と連通した通路９ａを有しており、該通路９ａが第２通路８ｂから供給口７ａに移行する段差部分の近傍に開口している。このため、第２通路８ｂ或いは通路９ａにガスが供給されたとき他方の通路を吸引することが可能である。

上記各通路８ａ〜８ｃ、９ａの径は、各ガスの供給圧や最終工程（本実施例ではプラズマ切断トーチ）で必要とされる消費量等の条件に応じて設定される。

本実施例では、ヘリウム供給部２０とインジェクター８を構成する第２通路８ｂとは室２０ａを介して接続されている。しかし、必ずしもヘリウムの供給系に室２０ａを構成する必要はなく、室２０ａを介在させることなくインジェクター８或いはインジェクター９に接続しても良いことは当然である。

次に、上記の如く構成されたガス混合装置Ａを利用して、例えばヘリウムと酸素ガスとの混合ガスを構成し、混合ガスをプラズマ切断トーチに供給する場合について説明する。

先ず、供給部材７に設けたヘリウム供給部２０、酸素ガス供給部２２に夫々の供給源を接続し、エア供給部２１を図示しないバルブを利用して遮断し、閉塞部材５に設けた排出口５ａと図示しないプラズマ切断トーチとを接続する。

その後、ヘリウム及び酸素ガスを夫々図示しない流量計或いは流量調整器等を利用して予め設定された流量のガスを供給する。供給されたヘリウムはインジェクター８の第３通路８ｃ、第２通路８ｂを経てインジェクター９に至り、同時に供給された酸素ガスは通路９ａを経てインジェクター９に至る。そして、インジェクター９で第１段階の混合が行われ、供給口７ａからガス供給室１２に供給される。

ガス供給室１２に供給された第１段階の混合ガスは螺旋状に形成されたガス混合部１０を流通する。前記第１段階の混合ガスは、ガス混合部１０を流通する過程で、該ガス混合部１０を構成する螺旋状の溝の壁面と衝突して第２段階の混合が行われる。このとき、ガス混合部１０を略垂直に近い壁面を有して構成することによって、第１段階の混合ガスの更なる混合の促進をはかり、第２段階の混合ガスへと移行することが可能である。

ガス混合部１０を通過した第２段階の混合ガスは滞留室１１に一時的に滞留するものの、第１の筒体２に形成された穴１３から第１の混合ガス通路１４に向けて噴射し、穴１３と対向する第２の筒体３の内周面に衝突して第３段階の混合が行われる。前記穴１３はノズルとして機能し、第２段階の混合ガスは滞留室１１から、障壁として機能する第２の筒体３の内周面に向けて高速で噴射される。このため、第３段階の混合でよりヘリウムと酸素ガスの混合が促進される。

第３段階の混合ガスは第１の混合ガス通路１４を通ってキャップ６方向へと流通し、その後、第２の混合ガス通路１５を通って閉塞部材５方向へと流通する。このように、段３段階の混合ガスは第２の筒体３の内周面側の第１の混合ガス通路１４を通ってキャップ６に対応する部位で折り返し、外周面側の第２の混合ガス通路１５を通過する。この流通過程で第３段階の混合ガスは安定した混合状態を維持する。

第２の混合ガス通路１５を通った第３段階の混合ガスは、閉塞部材５に設けた排出口５ａから排出され、該排出口５ａに接続されたプラズマ切断トーチに供給される。

また、ヘリウムと酸素ガスにエアを加えた三種類のガスを混合させる場合、エア供給部２１からインジェクター８の第１通路８ａに予め流量が設定されたエアを供給することで、該インジェクター８に於いてエアとヘリウムとを混合させ、この混合ガスをインジェクター９に供給した後は、上記と同様にして混合ガスを構成することが可能である。

上記の如く、ガス混合装置Ａでは、夫々独立して供給された少なくとも二種類のガスを第１段階〜第３段階の混合を経て良好に混合させることが可能である。そして、得られた混合ガスを排出口５ａから排出して目的の装置（例えばプラズマ切断トーチ）に供給することが可能である。

本発明に係るガス混合装置では、独立して供給されたガスを流通過程で混合させて目的の装置に供給するような系に利用して有利である。

ガス混合装置の構成を説明する断面図である。

Ａ ガス混合装置
１ 混合部材
１ａ 溝
１ｂ 当接部
２ 第１の筒体
２ａ 底部
２ｂ 開口
３ 第２の筒体
３ａ 底部
３ｂ 開口
４ 第３の筒体
４ａ 開口
５ 閉塞部材
５ａ 排出口
６ キャップ
７ 供給部材
７ａ 供給口
８、９ インジェクター
８ａ 第１通路
８ｂ 第２通路
８ｃ 第３通路
９ａ 通路
１０ ガス混合部
１１ 滞留室
１２ ガス供給室
１３ 穴
１ｂ 当接部
１４ 第１の混合ガス通路
１５ 第２の混合ガス通路
２０ ヘリウム供給部
２１ エア供給部
２２ 酸素ガス供給部

Claims (2)

1. 少なくとも二種類のガスが供給される供給口と、
   前記供給口に連続して設けられ供給された少なくとも二種類のガスを混合する螺旋状のガス混合部と、
   前記ガス混合部に連続して設けられ少なくとも二種類のガスが混合した混合ガスが一時滞留する滞留室と、
   前記滞留室に設けられ滞留した混合ガスが噴射する穴と、
   前記穴と対向して設けられ噴射した混合ガスが衝突する障壁と、
   前記障壁を含み該障壁に衝突した混合ガスが通過する混合ガス通路と、
   前記混合ガス通路の末端に配置された混合ガス排出口と、を有し、
   前記螺旋状のガス混合部を経て前記滞留室に滞留した混合ガスを、該滞留室に設けた穴から噴射させて前記障壁に衝突させることで混合を促進させるようにした
   ことを特徴とするガス混合装置。
2. 一端が閉塞された第１の筒体に外周に螺旋状の溝を形成した混合部材を閉塞された一端との間に隙間を設けて嵌合すると共に他端の開口部に供給口を接続することで螺旋状のガス混合部と滞留室とを形成し、前記第１の筒体に形成した滞留室の側壁に穴を形成し、前記第１の筒体を第２の筒体に嵌合して第１の筒体の外周面と第２の筒体の内周面とによって供給口側に向かう第１の混合ガス通路を形成し、前記第２の筒体を第３の筒体に嵌合して第２の筒体の外周面と第３の筒体の内周面とによって前記第１の混合ガス通路と連続し且つ供給口から離隔する方向に向かう第２の混合ガス通路を形成し、更に、前記第２の混合ガス通路の末端に混合ガス排出口を設けたことを特徴とする請求項１に記載したガス混合装置。

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