(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが電極を備えている２つのプラズマヘッドであって、
一方の電極が、アノードを備えていると共にアノードプラズマヘッドを形成しており、他方の電極が、カソードを備えていると共にカソードプラズマヘッドを形成している、前記２つのプラズマヘッドを備えている二重プラズマ装置において、
前記カソードプラズマヘッド及び前記アノードプラズマヘッドが、前記アノードと前記カソードとの間においてアークを発生させることが可能であり、
前記アノードプラズマヘッド及び前記カソードプラズマヘッドそれぞれが、第１のフローチャネル及び第２のフローチャネルを形成しているプラズマフローチャネルと、前記電極の少なくとも一部分と前記プラズマフローチャネルとの間に配置されている一次ガス流入口とを備えており、
前記カソードプラズマヘッド及び前記アノードプラズマヘッドが、所定の角度で互いに向かって方向づけられており、
前記プラズマフローチャネルそれぞれが、前記電極に隣接していると共に直径がＤ１である第１の円筒状部分と、前記第１の円筒状部分に隣接していると共に直径がＤ２である第２の円筒状部分と、前記第２の円筒状部分に隣接していると共に直径がＤ３である第３の円筒状部分とを備えており、Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３の関係を有しており、
前記カソードプラズマヘッドと前記アノードプラズマヘッドとの間に発生する前記アークが、前記第１のフローチャネルの直径Ｄ１，Ｄ２、及びＤ３から前記第２のフローチャネルの直径Ｄ３，Ｄ２、及びＤ１の順に通過することを特徴とする二重プラズマ装置。
【請求項２】
少なくとも１つの前記プラズマフローチャネルの前記第１の円筒状部分が、０．５＜Ｌ１／Ｄ１＜２の関係を満たす長さＬ１を有していることを特徴とする請求項１に記載の二重プラズマ装置。
【請求項３】
少なくとも１つの前記プラズマフローチャネルの前記第１の円筒状部分が、０．５＜Ｌ１／Ｄ１＜１．５の関係を満たす長さＬ１を有していることを特徴とする請求項１に記載の二重プラズマ装置。
【請求項４】
少なくとも１つの前記プラズマフローチャネルの前記第１の円筒状部分及び前記第２の円筒状部分が、１．２＜Ｄ２／Ｄ１＜２の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の二重プラズマ装置。
【請求項５】
少なくとも１つの前記プラズマフローチャネルの前記第３の円筒状部分が、１＜Ｌ３／（Ｄ３−Ｄ２）＜２の関係を満たす長さＬ３を有していることを特徴とする請求項１に記載の二重プラズマ装置。
【請求項６】
少なくとも１つの前記プラズマフローチャネルの前記第１の円筒状部分と前記第２の円筒状部分との間における移行部分が、ステップを備えていることを特徴とする請求項１に記載の二重プラズマ装置。
【請求項７】
前記２つのプラズマヘッドのうち少なくとも１つが、上流部及び下流部を備えており、
前記上流部が、前記プラズマフローチャネルの少なくとも前記第１の円筒状部分を備えており、
前記下流部が、前記プラズマフローチャネルの少なくとも前記第３の円筒状部分を備えており、
前記上流部が、前記下流部から電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項１に記載の二重プラズマ装置。
【請求項８】
前記プラズマヘッドの前記上流部が、前記プラズマフローチャネルの前記第２の円筒状部分の少なくとも一部分を備えており、
前記プラズマヘッドの前記下流部が、前記プラズマフローチャネルの前記第２の円筒状部分の少なくとも別の一部分を備えていることを特徴とする請求項７に記載の二重プラズマ装置。
【請求項９】
少なくとも１つの前記プラズマフローチャネルの前記第１の円筒状部分の下流に配置されている二次ガス流入口を備えていることを特徴とする請求項１に記載の二重プラズマ装置。
【請求項１０】
前記アノードプラズマヘッド及び前記カソードプラズマヘッドによって生成されたプラズマ流中に、粉末材料を導入するように構成されている粉末噴射器を備えていることを特徴とする請求項１に記載の二重プラズマ装置。
【請求項１１】
前記アノードプラズマヘッドと前記カソードプラズマヘッドとが成す前記角度が、約４５°〜約８０°の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の二重プラズマ装置。
【請求項１２】
前記アノードプラズマヘッドと前記カソードプラズマヘッドとが成す前記角度が、約５０°〜約６０°の範囲にあることを特徴とする請求項１１に記載の二重プラズマ装置。
【請求項１３】
少なくとも１つの前記プラズマフローチャネルの前記第２の円筒状部分と前記第３の円筒状部分との間における移行部分が、ステップを備えていることを特徴とする請求項１に記載の二重プラズマ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、2006年11月28日出願の米国特許出願第11/564,080号に基づき優先権を主張するものであり、その開示は、参照によって本明細書に組み込まれるものとする。
【０００２】
本開示は、一般にプラズマトーチおよびプラズマシステムに関し、より詳しくは材料のプラズマ処理および溶射用の二重プラズマトーチに関する。
【背景技術】
【０００３】
材料のプラズマ処理およびプラズマ溶射用のプラズマ熱システムの効率および安定性は、様々なパラメータによって影響を受けることがある。プラズマジェットを適切に確立し、そのプラズマジェットの動作パラメータを維持することは、たとえば、一貫して電極に付着して安定したアークを形成する能力によって、左右されることがある。同様に、アークの安定性はまた、電極の腐食、および/またはプラズマジェットのプロフィールまたは位置の安定性の関数とすることができる。プラズマジェットのプロフィールおよび位置が変化すると、プラズマトーチによって発生されるプラズマジェットの特性が、変化する恐れがある。さらに、プラズマで処理された材料またはプラズマシステムによって生成されたコーティングの品質は、プラズマのプロフィール、位置および特性のそのような変化によって、影響される恐れがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願第11/564,080号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の二重プラズマ装置100では、図1に示すように、カソードヘッド10およびアノードヘッド20が、一般に、互いに約90度の角度で配列される。供給管112が、一般にヘッドの間に配置され、プラズマによって処理される材料を供給することができる。これらの構成要素は、一般に、アークが結合されることになる密閉加工領域110を生成するように配置される。互いに比較的密に近接し、それによって囲まれたスペースが狭いと、特に高電圧および/または低プラズマガス流量において、しばしばアークが不安定化する傾向が生まれる。アークの不安定化は、しばしば「サイドアーク(side arcing)」と呼ばれ、アークがより低い抵抗経路に優先的に付着したときに起きる。サイドアークを防止するための試みには、シュラウドガスの使用が含まれるが、この手法は、通常、設計がより複雑になり、プラズマの温度およびエンタルピーがより低くなる。プラズマの温度およびエンタルピーがより低くなると、その結果、加工効率がより低くなる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
特許請求する主題の特徴および効果は、それに適合する実施形態の以下の説明から明らかになり、その説明は、添付図面と併せて検討すべきものとする。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】従来の傾斜二重プラズマ装置の実施形態の詳細な模式図である。
【図２】二重プラズマ装置の模式説明図である。
【図３ａ】本開示に適合するカソードプラズマヘッドの実施形態を模式的に表す図である。
【図３ｂ】本開示に適合するアノードプラズマヘッドの実施形態を模式的に表す図である。
【図４】本開示の態様に適合する、直径が異なる3つの円筒形部を含んだプラズマチャネルの実施形態の詳細図である。
【図５】形成モジュールの上流部および下流部を有した、本開示に適合する形成モジュールの実施形態の詳細な模式図である。
【図６】プラズマチャネルに二次プラズマガスを供給するように構成された実施形態を図示する図である。
【図７ａ】本開示の態様に適合する、二次プラズマガスの噴射のための構成の軸方向横断面図である。
【図７ｂ】本開示の態様に適合する、二次プラズマガスの噴射のための構成の半径方向横断面図である。
【図８ａ】軸方向に材料を噴射するように構成された単独の二重プラズマトーチを図示する図である。
【図８ｂ】軸方向に材料を噴射するように構成された単独の二重プラズマトーチを図示する図である。
【図９ａ】半径方向に材料を噴射するように構成された単独の二重プラズマトーチを図示する図である。
【図９ｂ】半径方向に材料を噴射するように構成された単独の二重プラズマトーチを図示する図である。
【図９ｃ】半径方向に材料を噴射するように構成された単独の二重プラズマトーチを図示する図である。
【図１０】2つの二重プラズマトーチを含んだプラズマトーチアセンブリの概略図である。
【図１１ａ】軸方向に材料を噴射するように構成された2つの二重プラズマトーチを含んだプラズマトーチアセンブリの上面説明図である。
【図１１ｂ】軸方向に材料を噴射するように構成された2つの二重プラズマトーチを含んだプラズマトーチアセンブリの下面説明図である。
【図１２ａ】トーチが角度50°に配置されたとき、アーク電圧に対するプラズマガス流量および電流の影響を図示する図である。
【図１２ｂ】トーチが角度50°に配置されたとき、アーク電圧に対するプラズマガス流量および電流の影響を図示する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
総括すると、本開示は、二重プラズマトーチシステム、ならびに二重プラズマトーチシステムのモジュールおよび要素などを提供することができ、これらは、様々な実施形態において、プラズマパラメータの比較的広い動作可能なウィンドウ、より安定した、および/または一様なプラズマジェット、ならびにより長い電極寿命のうちの1つまたは複数をもたらすことができる。さらに、本開示は、プラズマ処理される、またはプラズマ溶射される材料の、プラズマジェット中への噴射を制御することができるツールを提供することができる。二重プラズマ装置は、この装置の効率が比較的高いので、材料のプラズマ処理、粉末球状化処理、廃棄物処理、プラズマ溶射などにおいて広い用途を見出すことができる。
【０００９】
本開示に適合する二重プラズマ装置は、材料のプラズマ処理に対して実質的により高い効率をもたらすことができる。一部分において、より高い効率は、比較的低いプラズマ流量および速度と、約700〜1000ほど、またはそれより小さくてもよい関連するレイノルズ数とによって実現することができる。そのようなプラズマ流量および速度に適合すると、プラズマ流中での材料の滞留時間は、プラズマのエネルギーの効率的な利用を可能にするのに十分なものとなる可能性があり、プラズマ処理中、高い効率および生産率で、所望のように材料の変換を行うことができる。さらに、本開示に適合する二重プラズマ装置は、サイドアークの発生を減少させる、またはなくすこともでき、それは、従来、高電圧および/または低レイノルズ数に関連付けられているものである。
【００１０】
図2を参照すると、二重プラズマ装置100は、対応するDC電源の正端子および負端子に接続されたアノードプラズマヘッド20とカソードプラズマヘッド10の間でアーク7を発生することができる。図2に示すように、プラズマヘッド10および20の軸は、互いに角度αで配列することができ、軸が一点に集まってプラズマヘッド10および20の結合領域が生成される。
【００１１】
まず、図3を参照すると、本開示は、一般に、図3aに表すカソードプラズマヘッドおよび図3bに表すアノードプラズマヘッドを含んだ二重プラズマ装置を提供することができる。図に示すように、アノードおよびカソードのプラズマヘッドは、一般に、同様の設計のものとしてもよい。アノードおよびカソードのプラズマヘッド間の主な差は、電極設計にあることがある。たとえば、特定の実施形態では、アノードプラズマヘッドは、アノード45aを含むことができ、それは、導電率が比較的高い材料から製作することができる。例示のアノードは、銅または銅合金を含んでもよく、他の適切な材料および構成が容易に理解される。カソードプラズマヘッドは、カソードホルダ45b中に挿入されるインサート43を含むことができる。カソードホルダ45bは、導電率が高い材料から製作することができる。アノードと同様に、カソードホルダ45bは、銅または銅合金などとしてもよい。インサート43の材料は、特定のプラズマガスに併せて使用されるとき、インサートの寿命が長くなるように選択することができる。たとえば、窒素またはアルゴンが、付加的な水素またはヘリウムと共に、あるいはそれらなしでプラズマガスとして使用されるとき、LanthanatedまたはToriratedタングステンが使用するのに適切な材料になることができる。同様に、ハフニウムまたはジルコニウムのインサートは、プラズマガスとして空気を使用する実施形態で、適切な材料になることができる。他の実施形態では、アノードは、カソードと同様な設計のものとしてもよく、タングステンまたはハフニウムのインサート、あるいはアークの安定性を増加させることができ、アノードの寿命を延ばすことができる他のインサートを含んでもよい。
【００１２】
プラズマヘッドは、一般に、電極モジュール99およびプラズマ形成アセンブリ97によって形成することができる。電極モジュール99は、電極ハウジング23、流入口フィッティング27を有した一次プラズマガス供給チャネル25、プラズマガスを旋回させる構成要素になる旋回ナット47、および水冷式電極45aまたは45bなどの主な要素を含むことができる。様々な追加の、および/または代替の構成要素を容易に理解することができ、本開示の電極モジュールと併せて有利にも用いることができる。
【００１３】
プラズマ形成アセンブリ97は、ハウジング11、上流部39および流出部37を有した形成モジュール30、水流入口15と接続された冷却水チャネル13、および絶縁リング35などの主な要素を含むことができる。形成モジュール30は、一般にプラズマチャネル32を形成することができる。
【００１４】
図示した例示のプラズマヘッドでは、一次プラズマガスは、流入口フィッティング27を経由して絶縁体51中に配置されたチャネル25に供給される。次いで、プラズマガスは、旋回ナット47中に作られた一式のスロットまたは穴を経由してさらに導かれ、アノード45a、またはカソード43がその中に取り付けられたカソードホルダ45bと、形成モジュール30の上流部39の間のスロット44を経由してプラズマチャネル32中に導かれる。様々な他の構成を、代替として、または追加として、一次プラズマガスをプラズマチャネル32に供給するために利用してもよい。
【００１５】
本開示に適合するプラズマチャネル32は、アークの確立を比類なく容易にすることができ、また、たとえば約800から1000の範囲内のレイノルズ数を示すことがあり、より具体的には700より低い範囲内のレイノルズ数を示すことがある一次プラズマガスの流量が比較的低いとき、サイドアークの傾向を減少された、またはなくされたことを示すアークを制御下に維持することができる。
【００１６】
プラズマチャネル32は、図4により詳細に示すように、3つの全体的に円筒形の部分を含むことができる。プラズマチャネル32の上流部38は、電極に、たとえばカソードインサート43およびにアノード45bに隣接して配置することができ、その直径がD1、および長さがL1としてもよい。プラズマチャネル32の中間部40は、直径がD2>D1、および長さがL2としてもよい。プラズマチャネル32の流出部42は、直径がD3>D2、および長さがL3としてもよい。
【００１７】
上流の円筒形部38は、プラズマジェットを確実に膨張させる、または図2に示した結合領域12に伝搬させるのに最適化された、プラズマジェットの速度を発生することができる。直径D1は、カソードの直径D0より大きくてもよい。一般に、直径D1の最適値は、プラズマガス流量およびアーク電流に依存する。たとえば、一実施形態では、窒素がプラズマガスとして使用され、プラズマガス流量が約0.3〜0.6g/秒の間の範囲内であり、アーク電流が約200〜400Aの間の範囲内である場合、直径D1は、一般に、約4.5〜5.5mmの間の範囲内としてもよい。より大きいプラズマガス流量および/またはより大きいアーク電流を使用する実施形態では、第1の部分の直径D1は、一般に、大きくすることができる。
【００１８】
第1の部分の長さ(L1)は、一般に、安定したプラズマジェットを形成することが可能になるように、十分長く選択することができる。しかし、第1の部分内でのサイドアークの確率が大きくなることが、L1>2D1で経験されることがある。実験的に、比L1/D1の所望な値は、次のように記述することができる。
【００１９】
0.5  <  L1  /  D1  <  2                              (1)
【００２０】
L1とD1の間のより好ましい比は、次のように記述することができる。
【００２１】
0.5  <  L1  /  D1  <  1.5                            (1a)
【００２２】
プラズマチャネル32の第2の部分40および第3の部分42によって、チャネル内でのプラズマガスのイオン化レベルを上昇させ、その上所望の速度を発生するプラズマジェットをさらに形成することが可能である。プラズマチャネル32の上記の第2の部分40および第3の部分42は、一般に、D3>D2>D1の関係によって直径を特徴付けることができる。直径の前述の関係は、プラズマチャネル32の上記の第2の部分40および第3の部分42内のサイドアークをさらに回避し、ならびに動作電圧を低下させる上で役立つことができる。
【００２３】
第2の部分の追加の特性は、次のように記述することができる。
【００２４】
4mm  >  D2  -  D1  >  2mm                          (2)
【００２５】
2  >  D2  /  D1  >  1.2                                (3)
【００２６】
第3の部分の追加の特性は、次のように記述することができる。
【００２７】
6mm  >  D3  -  D2  >  3.5mm                          (4)
【００２８】
2  >  L3  /  (D3  -  D2)  >  1                          (5)
【００２９】
また、上記の関係および特性によって与えられる前述の形状に対して様々な修正および変更を加えると、いくつかの実施形態では、好ましい性能を得ることができる。図3および4に図示された実施形態では、プラズマチャネル32は、3つの一般に円筒形の部分の間でステップ状のプロフィールを示す。また、3つの円筒形部を接続するプラズマチャネルの形状に関して、ステップ状の構成に加えて、様々な異なるオプションを適切に用いることができる。たとえば、円筒形の部分間での円錐形または同様の遷移、ならびにステップの丸められた縁部は、同じ目的のために使用することもできる。
【００３０】
上記の関係(1)〜(5)に適合するプラズマチャネルを有した二重プラズマ装置は、比較的広い範囲の動作パラメータにわたって、サイドアークが減少し、またはなくされた状態で、安定して動作することができる。しかし、いくつかの例では、プラズマガス流量およびプラズマ速度をさらに低下させたとき、「サイドアーク」は、なお起きる恐れがある。たとえば、プラズマチャネルの寸法が、D1=5mm、L1=3mm、D2=8mm、L2=15mm、D3=13mm、L3=6mmである二重プラズマトーチの例示の実施形態は、アーク電流が150〜350アンペアであり、一次プラズマガスとして0.35g/秒より大きい流量で供給される窒素を使用するとき、「サイドアーク」なしで動作することができる。窒素の流量を0.35g/秒より下に、特に0.3g/秒より下に低下させると、「サイドアーク」が起きる恐れがある。本開示によれば、プラズマガス流量をさらに低下させることが、それでもなおサイドアークを最低限に、または防止しながら、形成モジュール30の構造物中に電気的に絶縁された要素を実装することによって、達成することができる。
【００３１】
また、図5を参照すると、形成モジュール30の上流部39がセラミック絶縁リング75によって形成モジュールの下流部37から電気的に絶縁されている、形成モジュール30の実施形態が図示されている。この図示された実施形態では、シーリングOリング55を絶縁リング75とともに使用することができる。形成モジュール30の上流部39と下流部37の間の電気的絶縁によって、アークおよびプラズマジェットをさらに安定化させることになりえる、すなわち、プラズマガス流量が非常に小さく、関連したレイノルズ数の値が小さい場合でも、サイドアークが減少された、またはなくされたことを示すプラズマジェットを生成することができる。たとえば、上記に述べた例示の実施形態とプラズマチャネルの寸法が同じで、それと同じ電流レベルで動作するプラズマヘッドの例示の実施形態を試験中、0.25g/秒まで窒素流量を低下させたとき、サイドアークは、観測されなかった。形成モジュール30の要素の追加した電気的絶縁は、サイドアークを最小限にする、またはなくしながら、プラズマガス流量のさらに一層の低下を可能にするために、必要になることがある。そのような追加の絶縁は、それに応じて、二重プラズマ装置の複雑さを増加させる恐れがある。
【００３２】
図3aおよび3bに、プラズマガスまたはプラズマガスの混合体がガス供給チャネル27および旋回ナット47を経由するだけで供給される二重プラズマ装置の実施形態が、図示されている。いくつかの例では、電極のまわりにプラズマガスを供給することによって、特にプラズマガス混合体が空気または他の活性ガスを含む場合、電極が過度に腐食される恐れがある。本開示の態様によれば、電極の腐食は、上記に述べたように旋回ナット47を経由して不活性ガス、たとえばアルゴンを供給し、電極のまわりを通すことによって、減少させる、または防止することができる。活性ガス、付加的な二次ガスまたはガス混合体は、別にスロット44の下流に供給してもよく、それは、アノード45aまたはカソード43と形成モジュール30の上流部39の間である。図6に、カソードプラズマヘッドについて、二次プラズマガスを導入する実施形態を示す。アノードプラズマヘッドの対応する構造は、容易に理解されよう。二次プラズマガスは、分配器41の内部に配置されたガス流入口81を経由してガスチャネル79に供給することができる。チャネル79から、二次ガスは、形成モジュール30の上流部39中に位置するスロットまたは穴77を経由して、プラズマチャネル32に供給することができる。また、図7を参照すると、軸方向および半径方向の横断面で、二次プラズマガスを供給するための1つの可能な特徴を有する例示の実施形態が示されている。図示された実施形態では、プラズマチャネル32に二次プラズマガスを供給するために、上流部39中に4つのスロット77を設けることができる。この図に示すように、スロット77は、プラズマチャネル32に二次プラズマガスを実質的に接線方向に導入するように、配列することができる。他の配列も適切に用いてもよい。
【００３３】
材料のプラズマ処理およびプラズマ溶射に対応する異なる技術的な要件を満たすために、本開示による1つ、またはいくつかの二重プラズマ装置を実現する様々の可能な構成がありえる。軸方向に、半径方向に、および軸/半径方向の組み合わせで、プラズマ処理される材料を噴射することは、これらの構成において利用することができる。図8〜11に、二重プラズマ装置と併せて材料を噴射するための例示の構成を図示する。様々な他の構成も、適切に使用してもよい。
【００３４】
図8および9に、単独の二重プラズマトーチと組み合わされて実現された噴射構成を図示し、それぞれの二重プラズマトーチが、軸方向および半径方向に処理される材料を供給する。カソードヘッド10とアノードヘッド20の間の角度αは、結合領域の位置、アークの長さ、その結果として、アークの動作電圧を決定する主なパラメータの1つになりえる。角度αがより小さくなると、一般に、アークがより長く、動作電圧がより高くなりえる。実験データでは、セラミック粉末の効率的なプラズマによる球状化処理のために、45〜80度の範囲内の角度αが用いることができることが有利であり、約50°<α<60°の間の範囲の角度が特に有利であることが示されている。
【００３５】
図8aおよび8bに、単独の傾斜二重プラズマトーチシステム126を設けるために方向付けられたカソード10およびアノード20のプラズマヘッドを図示する。プラズマヘッド10および20は、電源130から給電することができる。それぞれのプラズマヘッド10と20の間に軸方向粉末噴射器120を配置してもよく、それは、全体的に結合領域に向けて噴射される材料を導くように方向付けることができる。軸方向粉末噴射器120は、噴射器ホルダ124によってプラズマヘッド10および20に対して支持することができる。様々な実施形態では、噴射器ホルダは、電気的に、および/または熱的にプラズマトーチシステム126から噴射器120を絶縁する。
【００３６】
図9a〜9cに、半径方向に材料を供給するプラズマトーチ構成を図示する。これらの図に示すように、半径方向噴射器128は、プラズマヘッド、たとえばカソードプラズマヘッド10の一方または両方の端部に隣接して配置することができる。半径方向噴射器128は、全体的に半径方向でプラズマ流中に、プラズマヘッドから放出される材料を噴射するように方向付けることができる。半径方向噴射器128は、図9cに示すように、材料供給チャネル140の横断面が円形であってもよい。しかし、他の実施形態では、チャネル136の楕円形または同様の形状は、長軸が、図9bに示すように、プラズマヘッドからのプラズマ流の軸に沿って方向付けられ、プラズマエネルギーの利用を改善し、その結果として生産率をより高めることになりえる。
【００３７】
図10および11に、2つの二重プラズマトーチアセンブリ132の可能な構成を図示する。カソードプラズマヘッド10aおよび10bと、対応するアノードプラズマヘッド20aおよび20bのそれぞれの対の軸は、それぞれの平面134aおよび134b上に置くことができる。平面134aおよび134bは、互いの間で角度βを成すことができる。いくつかの実験結果では、約50〜90度の間の範囲、より具体的には約55°<β<65°の間の範囲の角度βは、セラミック粉末の効率的なプラズマ球状化処理を実施できることが示されている。平面134aと134bの間の角度βを約50度より下に減少したとき、サイドアークが起き始める恐れがある。約80〜90度より大きい角度βは、軸方向の粉末噴射に関して、いくつかの欠点が生じる恐れがある。
【００３８】
上記に述べたように、図8および11に、軸方向に材料を供給するための構成を図示する。様々な処理要件に適合するために噴射器120の位置を調節可能にするように、噴射器ホルダ124中に粉末噴射器120を取り付けることができる。たとえば、噴射器とプラズマ流の間のスペースが調節可能になり、さらにプラズマ流に沿って噴射ポイントを調節することが可能になるように、図示していないが、図9a〜9cに表されているような半径方向材料噴射器は、同様に、プラズマヘッドに対して調節可能に取り付けることができる。軸方向噴射器120は、材料供給チャネル140の横断面が円形であってもよい。しかし、半径方向噴射器と同様に、たとえば開口部の長軸が、図11bに示すように方向付けられた、楕円形または同様に形作られた噴射器チャネルを用いてもよい。そのような構成によって、プラズマのエネルギーの利用が改善されて、次いで生産率がより高められることになりえる。他の実施形態では、プラズマエネルギーの利用の改善は、プラズマ処理される材料を半径方向および軸方向に、組み合わせて同時に噴射することによって、達成することができる。様々な噴出オプションが推測され、それによって、具体的な用途に合わせてプラズマおよび噴射のパラメータを調節し、最適化することを可能にすることができる。
【００３９】
本開示によるプラズマシステムとともに、カスタム開発の電源を適切に用いることができるが、市販の電源の利用できる出力パラメータに適合するように、プラズマシステムの動作電圧を制御し、調節することができることが理解されよう。たとえば、ESAB(Florence、South  Caroline、USA)は、電源ESP-400およびESP-600を製造しており、それらは、プラズマカッティングおよび他のプラズマ技術に広く使用されている。これらの市販の電源は、二重プラズマ装置およびシステムにも効果的に使用することができる。しかし、このファミリーのプラズマ電源の100%デューティサイクル時の最大動作電圧は、約260〜290ボルトである。したがって、二重プラズマ装置、プラズマガスのタイプおよびプラズマガス流量の設計は、ESPタイプの電源の利用できる電圧に合うように調節することができる。同様の調節は、他の市販の、またはカスタムメイドの電源に二重プラズマ装置を合わすように、実施することができる。
【００４０】
図12aおよび12bに、それぞれのカソードとアノードのプラズマヘッド間の角度に50°が与えられた二重プラズマトーチの例示の実施形態について、プラズマチャネルの寸法、プラズマガス流量および電流のアーク電圧への影響を図示する。窒素は、エンタルピーが高く、安価で容易に利用できるため、応用の場合、魅力的なプラズマガスになることがしばしばありえる。しかし、プラズマガスとして窒素だけの適用には、図12aおよび12bのカーブ1で図示するように、約310ボルトという高い動作電圧が必要になる恐れがある。たとえば市販のプラズマ電源から供給される電圧出力範囲内まで動作電圧を低下させることは、たとえば、図12aのカーブ2〜5で図示されている最適化された流量でアルゴンと窒素の混合体を使用することによって、達成することができる。動作電圧の低下は、プラズマチャネル32のプロフィールおよび寸法の最適化によっても達成することができる。図12aに提示したデータは、各プラズマヘッドのプラズマチャネル32が、D1=4mm、D2=7mm、およびD3=11mmによって画定されるプロフィールを有した二重プラズマトーチを使用して得られた。カーブ1〜5のそれぞれと関連付けられたプラズマガスおよび流量は、それぞれ次のようであった。カーブ1および1a:N2、0.35g/秒;カーブ2:Ar、0.35g/秒、N2、0.2g/秒;カーブ3:N2、0.25g/秒;カーブ4:Ar、0.5g/秒、N2、0.15g/秒;およびカーブ5:Ar、0.5g/秒、N2、0.05g/秒。図12bに、直径D1、D2およびD3を、4mm、7mmおよび11mmから対応する5mm、8mmおよび12mmに、さらに比較的著しく増加させると、動作電圧が、図12bに図示するように、約310ボルトからほぼ270〜280ボルトに低下することになりえることを示す。
【００４１】
本発明の様々な特徴および効果は、本発明に適合する例示の実施形態の記述によって、説明してきた。本明細書の本発明から実質的に逸脱せずに、述べられた実施形態に対して多くの修正および変更を実施することができることを理解すべきである。したがって、本発明は、述べられた実施形態に限定すべきものでなく、本明細書に添付された特許請求の範囲の全範囲を与えるべきものとする。
【符号の説明】
【００４２】
7  アーク
10、10a、10b  カソードプラズマヘッド
11  ハウジング
12  結合領域
13  冷却水チャネル
15  水流入口
20、20a、20b  アノードプラズマヘッド
23  電極ハウジング
25  一次プラズマガス供給チャネル
27  流入口フィッティング、ガス供給チャネル
30  形成モジュール
32  プラズマチャネル
35  絶縁リング
37  流出部、下流部
38  上流部
39  上流部
40  中間部、プラズマチャネル32の第2の部分
41  分配器
42  流出部、プラズマチャネル32の第3の部分
43  インサート、カソード、カソードインサート
44  スロット
45a  アノード、水冷式電極
45b  カソードホルダ、水冷式電極
47  旋回ナット
51  絶縁体
55  シーリングOリング
75  セラミック絶縁リング
77  スロット、穴
79  ガスチャネル
81  ガス流入口
97  プラズマ形成アセンブリ
99  電極モジュール
100  従来の二重プラズマ装置
110  密閉加工領域
112  供給管
120  軸方向粉末噴射器
124  噴射器ホルダ
126  単独の傾斜二重プラズマトーチシステム
128  半径方向噴射器
130  電源
132  2つの二重プラズマトーチアセンブリ
134a、134b  平面
136  チャネル
140  材料供給チャネル
α、β  角度
D0、D1、D2、D3  直径
L0、L1、L2、L3  長さ
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図１０】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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