(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマトーチ先端に配置されたノズルにプラズマガス及び二次ガス及び三次ガスを供給して切断を行うプラズマトーチであって、該プラズマトーチの中心部に配置される電極と、該電極との間にプラズマガス通路を形成する第一ノズル部材と、該第一ノズル部材との間に二次ガス通路を形成する第二ノズル部材と、該第二ノズル部材との間に三次ガス通路を形成する第三ノズル部材と、前記第二ノズル部材に嵌合される第一キャップ部材と、該第一キャップ部材との間に二次ガス供給路を形成する第二キャップ部材と、該第二キャップ部材との間に三次ガス供給路を形成する第三キャップ部材とからなり、
前記二次ガス供給路と前記三次ガス通路を連通させる孔を設けたことを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項２】
前記孔は前記第二ノズル部材に設けたものであり、該孔は前記二次ガス通路を介して前記二次ガス供給路と前記三次ガス通路とを連通させることを特徴とする請求項１に記載のプラズマトーチ。
【請求項３】
前記孔は前記第二キャップに設けたものであり、該孔は前記三次ガス供給路を介して前記二次ガス供給路と前記三次ガス通路とを連通させることを特徴とする請求項１に記載のプラズマトーチ。
【請求項４】
前記三次ガス供給路または前記三次ガス通路において、前記孔よりもガス供給経路の上流側の経路断面積を該孔の開口部近傍よりも狭く形成することによりインジェクター構造を形成したことを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３に記載のプラズマトーチ。
【請求項５】
前記孔は前記プラズマトーチの軸心に直交する平面内に於いてその半径方向から所定の角度を有して形成されたものであり、該孔を通過するガスを旋回せしめるよう構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載のプラズマトーチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマトーチに関するものであり、特に三層の気流を供給して切断を行うプラズマトーチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマ切断装置は、プラズマトーチ先端のノズル内部に取り付けられた電極からプラズマガスに高電圧をかけてプラズマアークを発生させ、プラズマジェットとしてノズル先端より噴出してその高温と噴出の物理的エネルギーによって切断が行われる。プラズマガスは非鉄金属や非金属を切断する場合にはアルゴンガスや水素ガスを使用し、鋼板やステンレス鋼板を切断する場合に於いては酸素ガスや空気などの酸化性ガスを供給する。
【０００３】
しかしプラズマジェットのみでは到達力が弱いことから、二次気流をプラズマジェットの周囲に沿わせる形で噴出することが行われている。ここで金属の切断に於いては酸素を供給して燃焼させることにより高能率な切断が可能であることから、プラズマガスが酸素でない場合には二次気流に酸素が使用されることが多い。その場合、切断部位に於ける酸素濃度を向上させるために二次気流の周囲に三次気流を噴出すると有効である。
【０００４】
その際において、二次気流又は三次気流には安価な空気が使用されるが、その内部に流れるプラズマガスまたは酸素の純度を保つ観点から、これらの気体を混合して噴出することが行われている。また切断材によってはプラズマガスに混合気流を使用することもある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように混合気流を使用する場合には、予めガス混合器等により所定の比率に混合してからトーチに供給している。従って二種またはそれ以上の気体を混合するためのガス混合器が必要であり、プラズマ切断システムを高価にしている。また混合ガスをノズルに供給するために、供給用ホースの材質は混合されているすべての気体に対して耐性のある物にしなければならない。
【０００６】
また混合すべきガスが炭化水素系ガスと酸素のように可燃性ガスと支燃性ガスの組み合わせである場合、混合された状態で供給することは時として逆火や爆発を招くおそれがあり、取り扱いに注意を要していた。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明に係るプラズマトーチは、プラズマトーチ先端に配置されたノズルにプラズマガス及び二次ガス及び三次ガスを供給して切断を行うプラズマトーチであって、該プラズマトーチの中心部に配置される電極と、該電極との間にプラズマガス通路を形成する第一ノズル部材と、該第一ノズル部材との間に二次ガス通路を形成する第二ノズル部材と、該第二ノズル部材との間に三次ガス通路を形成する第三ノズル部材と、前記第二ノズル部材に嵌合される第一キャップ部材と、該第一キャップ部材との間に二次ガス供給路を形成する第二キャップ部材と、該第二キャップ部材との間に三次ガス供給路を形成する第三キャップ部材とからなり、前記二次ガス供給路と前記三次ガス通路を連通させる孔を設けたことを特徴とする。
【０００８】
また、前記孔は前記第二ノズル部材に設けたものであり、該孔は前記二次ガス通路を介して前記二次ガス供給路と前記三次ガス通路とを連通させることを特徴とする。
【０００９】
また、前記孔は前記第二キャップに設けたものであり、該孔は前記三次ガス供給路を介して前記二次ガス供給路と前記三次ガス通路とを連通させることを特徴とする。
【００１０】
また、前記三次ガス供給路または前記三次ガス通路において、前記孔よりもガス供給経路の上流側の経路断面積を該孔の開口部近傍よりも狭く形成することによりインジェクター構造を形成することが望ましい。
【００１１】
また、前記孔をプラズマトーチの軸心に直交する平面内に於いてその半径方向から所定の角度を有して形成することにより、該孔を通過するガスを旋回せしめるよう構成することができる。
【００１２】
上述の如く構成したことにより、本発明に係るプラズマトーチはトーチ内部に於いて気体を混合することが可能になり、ガス混合器が必要なくなると共にガスを個別に供給することが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図を用いて本発明に係るプラズマトーチの第一の実施例を詳細に説明する。図１に示すのは第一実施例に係るプラズマトーチ先端部の断面図、図２はノズルの拡大断面図である。
【００１４】
図１に示すのはプラズマトーチ１の先端部の断面図である。トーチ１先端に於ける構成の概要としては、トーチ１の軸心と一致する如く電極４が配置され、該電極４の先端にはセンタリングストーン５を介してノズル２が嵌合されている。そしてキャップ３がノズル２に嵌合されると共にトーチ１に取り付けられており、該キャップ３はトーチ１の先端を庇護すると共にノズル２をトーチ１に係止する働きを有している。以下にそれぞれについて説明する。
【００１５】
トーチ１の中央部に配置された電極４は先端を閉鎖された円筒状の部材であり、先端にタングステンやハフニウム等の電極材４ａが埋設されている。プラズマガスに酸素を使用する場合にはタングステンでは瞬時に燃え尽きてしまうため、酸化物の溶融温度が高いハフニウムが使用される。電極内部には冷却管４ｂが配置されており、これにより冷却水を電極先端に供給している。電極４はトーチ１の後方に於いて支持されており、電極４の周囲は間隙を有してプラズマガス供給路12を形成している。
【００１６】
電極４の外周にはセラミック製の円筒部材であるセンタリングストーン５が嵌合されている。センタリングストーン５にはトーチ１断面の半径方向に対し所定の角度を有する複数のプラズマガス通過孔５ａが設けられており、プラズマガス供給路12から供給されるプラズマガスがこの通過孔５ａを通過することにより旋回しながら後述のプラズマガス通路18に供給される。プラズマガスが旋回することによりプラズマアークの発生基点が安定し、シリースアークを防ぐと共にプラズマアークの発生を安定化させている。またセンタリングストーン５は絶縁体により成形されており、電極とノズル２とを絶縁する機能を有している。
【００１７】
ノズル２は、図２に示すように、第一ノズル６、第二ノズル７、及び第三ノズル８からなる三層構造を有している。各ノズル部材は略円筒形の胴部と前方に向かって突出する円錐形の先端部を有する中空の部材であり、円錐の先端にプラズマジェット等を噴出させるオリフィスが形成されている。
【００１８】
まず第一ノズル６は、センタリングストーン５の外周且つ前方に嵌合され、第一ノズル６の円錐後面と電極４先端部との間に間隙を有してプラズマガス通路18を形成している。プラズマガス供給路12より供給されたプラズマガスは、センタリングストーン５のプラズマガス通過孔５ａにより旋回しながらプラズマガス通路18内に噴出される。
【００１９】
本実施例に係るプラズマトーチは移行式であって、まず電極４に電圧をかけると同時にノズルに逆電圧をかけることにより電極と第一ノズル６の内面との間で放電し、プラズマガス通路18内に供給されたプラズマガスが電離してパイロットアークが形成される。しかる後にワークに逆電圧をかけると共にノズルにかけられた逆電圧を遮断し、プラズマガスに導電させることにより電極とワークの間にアークを移行させ、プラズマアークを発生させる。プラズマアークは第一ノズル６の先端に設けられたオリフィス６ａにおいて絞られると共に冷却され、より高温のプラズマジェットが生成される。
【００２０】
第一ノズル６の外周且つ前方には第二ノズル７が嵌合されており、第一ノズル６の円錐前面と第二ノズル７の円錐後面との間に間隙を有して二次ガス通路19を形成している。第二ノズル７の前面である円錐の先端にはオリフィス７ａが設けられており、該オリフィス７ａは第一ノズル６に設けられたオリフィス６ａよりも小径に形成されている。従ってオリフィス６ａから噴出したプラズマガスはオリフィス７ａによって絞られて、さらに高温且つ高速のプラズマジェットとなる。
【００２１】
また第二ノズルの円錐面にはオリフィス７ａを中心とする同心円上には複数の孔７ｂが配列されている。この孔７ｂは、トーチ１の軸心を含む平面内に於いて三次ガス通路20の経路に対し略45度程度傾斜して設けられ、またトーチ１の軸心に直交する平面内に於いてその半径方向から所定の角度を有して形成されている。
【００２２】
なお、図中に於いて孔７ｂの直径が段付きになっているのは、孔７ｂの直径が 0.2〜 0.3mm程度の太さで形成されることから加工が困難な為である。また、第二ノズル７前面の孔７ｂより上流側には隆起部７ｃが設けられており、後述する三次ガス通路20の経路断面積をせばめるよう構成されている。
【００２３】
第二ノズル７の胴部外周面のトーチ１側端縁には段部７ｅが設けられており、この段部７ｅに第一キャップ９が係止されつつトーチ１に取り付けられている。すなわち第一ノズル６及び第二ノズル７は、第一キャップ９によってトーチ１に係止されている。この第一キャップ９と第一ノズル６の胴部外周面との間には冷却水通路15が形成されており、図示しない冷却水供給路から冷却水を供給されてノズル２を冷却している。
【００２４】
また第二ノズル７の胴部には複数の孔である二次ガス通過孔７ｄが形成されており、さらに第二ノズル７の胴部外周且つ前方には第二キャップ10が嵌合されている。すなわち第二キャップ10は第一キャップ９との間に間隙を有して二次ガス供給路16を形成し、キャップ３内の二次ガス供給路16から二次ガス通過孔７ｄを介してノズル２内の二次ガス通路20に二次ガスを供給し得るよう構成されている。二次ガス通過孔７ｄはトーチ１の断面の半径方向から所定の角度を以て形成されており、これにより二次ガス通過孔７ｄを通過した二次ガスは旋回しつつ二次ガス通路19に供給される。
【００２５】
第二ノズル７の前面に第三ノズル８が嵌合されており、第二ノズル７との間に間隙を有して三次ガス通路20を形成している。第三ノズル８も第一ノズル６及び第二ノズル７と同様にその先端部にオリフィス８ａを有し、該オリフィス８ａは他のオリフィス６ａ、７ａよりも大径に形成されて、プラズマガス、二次ガス及び三次ガスを噴出するよう構成されている。
【００２６】
第三ノズル８の胴部には三次ガス通過孔８ｂが設けられており、また胴部外周面のトーチ１先端側端縁には段部８ｃが形成されている。この段部に第三キャップ11を嵌合して該第三キャップ11をトーチ本体１に取り付けることによって第三ノズル８がトーチ１に係止されている。第三キャップ11は上記第二キャップ10との間に間隙を有して三次ガス供給路17を形成しており、三次ガスはトーチ１本体内の三次ガス供給パイプ14からキャップ２内の三次ガス供給路17、前記三次ガス通過孔８ｂを経由してノズル内の三次ガス通路19に供給され、プラズマジェットと共に噴出される。
【００２７】
ここで、前述したように第二ノズル７の前面において孔７ｂの後方に隆起部７ｃがあることから、三次ガス通路20はインジェクター構造を形成している。すなわち三次ガス通路20は孔７ｂの開口部においてせばめられた経路断面積が急激に広がる構造となっており、通過する三次ガスの静圧が低下し、孔７ｂから二次ガスを吸引する。従って三次ガスは二次ガスを巻き込んで混合し、第三オリフィス８ａからプラズマジェットと共に噴出される。
【００２８】
また、孔７ａがトーチ１の軸心に直交する平面内に於いてその半径方向から所定の角度を有して形成されていることから、孔７ａから噴出した二次気流は旋回しながら三次ガス通路20に混入する。従って二次ガスと三次ガスは円滑且つ迅速に混合され、均一な混合気体として第三ノズル８のオリフィス８ａから噴出される。
【００２９】
上記のように構成したことにより、本発明に係るプラズマトーチ１に於いては、予め二種の気体を混合させることなく、個別に供給した二種類の気体をトーチ先端に於いて混合させて混合気体を噴出させることが可能な構成となっている。またインジェクター構造を成したことにより、二次ガスに高い圧力を要求することなく効率的に二次ガスを三次ガスに混入することが可能である。
【００３０】
次に図３を用いて本発明に係る第二の実施例を説明する。前述の第一実施例と説明の重複する部分については同一の符号を付して説明を省略する。図３に於けるプラズマトーチは、第一実施例に比して第二ノズル21に於いてのみ異なる構成を有している。
【００３１】
第二ノズル21は第一実施例と同様第一ノズル６の外周且つ前方に嵌合されており、第一ノズル６の円錐前面と第二ノズル21の円錐後面との間に間隙を有して二次ガス通路19を形成している。第二ノズル21の円錐前面には段部21ｄが形成されており、その内周面に第三ノズル８が嵌合されている。
【００３２】
段部21ｄには、ノズル２内である二次ガス通路19とキャップ３内である三次ガス供給路17とを連通させる孔21ｂが設けられている。従って二次ガス通路19に供給された二次ガスの一部は、孔21ｂを通って三次ガス供給路17に噴出し、三次ガスと混合する。混合ガスは第三ノズル８の胴部に設けられた三次ガス通過孔21ｂを通って三次ガス通路20に供給され、プラズマジェットと共に噴出される。
【００３３】
次に図４を用いて本発明に係る第三の実施例を説明する。本実施例において第二ノズル23には孔は設けられておらず、第二キャップ24の第二ノズル23との接触部近傍に孔24ａが設けられている。また第二キャップ24の前面であって前記孔24ａのトーチ１側には隆起部分24ｂが設けられており、第三キャップ11との間に形成される三次ガス供給路17の経路断面積がせばめられるよう構成されている。
【００３４】
即ち、三次ガス供給路17はインジェクター構造を形成しており、供給されたガスは隆起部24ｂにおいて一旦圧縮され、孔24ａの開口部において膨張する。これにより三次ガスの流速が局部的に増加すると共に静圧が低下し、二次ガスの吸引効率を上げて三次ガスと混合することが可能である。
【００３５】
なお上記実施例に於いてインジェクター構造を第一及び第三実施例には設け、第二実施例に於いては設けないものとして説明したが、何れの場合に於いてもインジェクター構造を設けるか又は設けないことを選択することが可能である。また図１及び図４において孔を直径の変化する二段の穴として図示しているが、図２に示すように段を有しない孔としても良い。また、孔の傾斜角度を45度程度として示したが、吸引効率の観点から30〜45度程度であることが望ましい。
【００３６】
また上記実施例に於いて、孔および各ガスの供給路と通路の間に位置する通過孔について、トーチ１の断面の半径方向から所定の角度を以て形成することにより各ガスが旋回するよう構成して示した。しかし、旋回の方向及び旋回の有無は任意であり、特に限定するものではない。
【００３７】
【発明の効果】
上述のごとく構成したことにより、本発明に係るプラズマトーチはトーチ先端の内部に於いて二次ガスと三次ガスを混合させることができる。またインジェクター構造を設けることによって三次ガスにより二次ガスを吸引することができ、混入の効率を上げることができる。また、二次ガスを三次ガスに連通させる孔に角度を設定することにより混入した後の混合を均一なものとすることができる。
【００３８】
したがって独立に供給した気体をノズル先端に於いて混合させることができ、混合すべき気体が炭化水素系ガスと酸素のように可燃性ガスと支燃性ガスであった場合にも、使用ガスに対する安全性の向上を図ることができる。
【００３９】
また、予め混合する必要が無いことから混合器の設備を省略することができ、システムを簡素化して価格を低減させることが可能となる。また、ある一本の供給ホースには一種類の気体しか通過しないため供給ホースが専用化でき、使用する気体に耐久性のあるホースを選択することが容易となり、単価の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一実施例に係るプラズマトーチ先端部の断面図である。
【図２】プラズマトーチの先端部の拡大断面図である。
【図３】第二実施例に係るプラズマトーチ先端部の断面図である。
【図４】第三実施例に係るプラズマトーチ先端部の断面図である。
【符号の説明】
１…トーチ
２…ノズル
３…キャップ
４…電極
５…センタリングストーン
６…第一ノズル
７…第二ノズル
７ｂ…孔
８…第三ノズル
９…第一キャップ
10…第二キャップ
11…第三キャップ
12…プラズマガス供給路
13…二次ガス供給パイプ
14…三次ガス供給パイプ
15…冷却水通路
16…二次ガス供給路
17…三次ガス供給路
18…プラズマガス通路
19…二次ガス通路
20…三次ガス通路
20ａ…インジェクター
21…第二実施例に係る第二ノズル
23…第三実施例に係る第二ノズル
24…第三実施例に係る第二キャップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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