(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマアークトーチ用電極を形成するための半製品であって、
前端と後端を備え、前端に、内面をもつ開口を形成した金属ブランクと、
該金属ブランクの開口内に少なくとも部分的に位置し、一端に空洞を画成し他端に中実の後端壁を有するセパレータと、
該セパレータの空洞内に位置して、前記セパレータおよび前記金属ブランクによって完全に封じ込まれた電子放出要素とを備えたことを特徴とするプラズマアークトーチ用電極
の半製品。
【請求項２】
前記金属ブランクが、銅、銀、アルミニウムおよびそれらの合金からなる群から選択される少なくとも一種からなる、請求項１に記載のプラズマアークトーチ用電極の半製品。
【請求項３】
前記セパレータが、銀、金、銅、アルミニウムおよびそれらの合金からなる群から選択される少なくとも一種からなる、請求項１に記載のプラズマアークトーチ用電極の半製品。
【請求項４】
前記電子放出要素が、ハフニウム、タングステン、ジルコニウム、銀、金、銅、アルミニウムおよびそれらの粉体混合物からなる群から選択される少なくとも一種からなる、請求項１に記載のプラズマアークトーチ用電極の半製品。
【請求項５】
プラズマアークトーチ用電極を形成するための半製品であって、
前端と後端を備え、前端に、内面をもつ開口を形成した金属ブランクと、
該金属ブランクの開口内に少なくとも部分的に位置し、一端に空洞を画成し他端に中実の後端壁を有するセパレータと、
該セパレータの空洞内に位置して、前記開口の内面と前記セパレータの中実の後端によって軸方向の移動が拘束されている電子放出要素とを備えたことを特徴とするプラズマアークトーチ用電極の半製品。
【請求項６】
前記金属ブランクが、銅、銀、アルミニウムおよびそれらの合金からなる群から選択される少なくとも一種からなる、請求項５に記載のプラズマアークトーチ用電極の半製品。
【請求項７】
前記セパレータが、銀、金、銅、アルミニウムおよびそれらの合金からなる群から選択される少なくとも一種からなる、請求項５に記載のプラズマアークトーチ用電極の半製品。
【請求項８】
前記電子放出要素が、ハフニウム、タングステン、ジルコニウム、銀、金、銅、アルミニウム、およびそれらの粉体混合物からなる群から選択される少なくとも一種からなる、請求項５に記載のプラズマアークトーチ用電極の半製品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマアークトーチに関し、さらに詳細にはプラズマアークトーチ内で電気アークを保持する電極を形成するための半製品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマアークトーチは、通常、切断、溶接、表面処理、溶解、および焼鈍などの金属加工に用いられている。このようなトーチにおいて、電極は、プラズマアークの作動モードに基づいて電極から加工物に延長するアークを保持するために用いられる。また、アークを渦巻き状のガス流によって包囲し、トーチの設計によっては、そのようなアークとガスを渦巻き状の水噴流によって覆うことも行われている。
【０００３】
このような従来のトーチに用いられる電極は、通常、銅や銅合金のような高熱伝導率を有する材料からなる細長い環状部材からなる。アークを保持する環状の電極は、その前端すなわち放電端に、電子放出要素が埋設された底端壁を備えている。電子放出要素は、比較的低い仕事関数（電子ボルト（ｅＶ）の単位で測定されるポテンシャルレベルで表される）を有し、所定の温度において金属表面から熱電子を放出する材料からなる。仕事関数が低いので、電子放出要素は、電気的ポテンシャルが所定値に達すると、容易に電子を放出する。通常用いられている材料として、ハフニウム、ジルコニウム、タングステンおよび、それらの合金が挙げられる。電子放出要素は、通常、アークが電子放出要素から銅製のホルダーに移行するのを防ぐための比較的電子を放出しないセパレータによって包囲されている。また、電極の放電端を包囲するように配置されたノズルによって、アークを加工物に導く経路が形成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のトーチに用いられる電極において、トーチの作動中に挿入物としての電子放出要素は浸食され、その電子放出挿入物と金属ホルダーとの間に空洞または穴が生じる。その空洞が大きくなると、アークが電子放出挿入物からホルダーに飛び移り、その結果、例えば、電極を破損させる。このような電子放出挿入物からホルダーへのアークの移行を防ぐため、または少なくとも抑制するために、電極によっては、電子放出挿入物と金属製ホルダーとの間に比較的電子を放出しないセパレータが設けられている。具体的には、本発明の譲渡人に譲渡された、本明細書に引例として添付されている米国特許第５，０２３，４２５号に、そのようなセパレータが開示されている。
【０００５】
本発明の譲渡人は、本明細書に先行技術として開示内容の全てが米国特許第５，０９７，１１１号に記載されているように、寿命が著しく改善された電極を製造する方法をすでに開発している。特に、この特許は、銅または銅合金からなる半加工状態の円筒状ホルダーの前面に開口を形成し、好ましくは銀からなる比較的電子を放出しないセパレータを開口に嵌入させる工程を含む、電極の製造方法を開示している。その方法の一実施形態によれば、  次いで、上記非電子放出セパレータを軸方向に穿孔して中実の後端壁を有する空洞を形成し、円筒状の電子放出要素をその空洞内に圧入する。さらに、電極の仕上げ工程において、電子放出要素の円形外端面と、非電子放出セパレータの環状の包囲リングと、銅製のホルダーの外側リングとを含む滑らかな外面が得られるように、組立体の前面を機械加工する。
【０００６】
この特許に開示された電極の形成方法は当該技術を著しく進歩させたが、更なる改善が望まれている。特に、電子放出要素がセパレータに圧入された後の電極の加熱によって、電子放出要素とセパレータとの間に拡散による結合が生じ、電極の寿命を改善することがわかっている。しかし、このような組立後の加熱は、その加熱工程中に電子放出要素が空洞から外に飛び出すポップ（ｐｏｐ）現象を生じることがある。例えば、理論密度の９０パーセントないし９５パーセントの密度を有する金属粉の混合物から形成される電子放出要素の場合、特に、このような飛び出し現象が生じる。すなわち、このような電子放出要素内の約５パーセントないし１０パーセントの空隙は粉体材料間に存在する空気ポケットであり、加熱工程中に、これらの空気ポケットが膨張し、電子放出要素をセパレータに対して相対的に移動させる。
【０００７】
空気は、電子放出要素がセパレータに挿入されるときに、電子放出要素とセパレータとの間に閉じ込められ、加熱工程中に、その空気が膨張して、電子放出要素をセパレータに対して相対的に移動させる。このような移動によって、電子放出要素とセパレータ内の空洞の後側の中実の後端との間に間隙が生じ、その結果、電極の熱伝導機能を低下させる。また、電子放出要素のかなりの部分が次の加工工程において切削され、材料の有効利用の観点からも問題がある。
【０００８】
また、電極の組立中において、電子放出要素を極力雰囲気に露出させないことが望まれる。もし、電子放出要素が雰囲気に露出されていると、組立後の加熱工程において、窒素のようなガスが雰囲気から電子放出要素とセパレータとの間に侵入し、それらの結合すなわち界面力を弱めるおそれがある。
【０００９】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであって、電極の組立中に電子放出要素の移動を拘束するようにして、プラズマアークトーチ用電極を形成することを目的とする。また、電子放出要素とセパレータとの間の結合を改善する観点から、電子放出要素を組立後の加熱工程中に雰囲気に露出させないようにして、プラズマアークトーチ用電極を形成することを目的とする。
【００１０】
【発明を解決するための手段】
本発明は、従来の電極の製造方法および上述した米国特許第５，０９７，１１１号に開示された方法を改善することを目的になされたものである。組立後の加熱工程中に生じるセパレータ内での電子放出要素の移動と加熱中の電子放出要素の雰囲気への露出という従来の方法の難点は、セパレータ内に画成される中実の後端壁を有する空洞に電子放出要素を配置させ、その組立体を上下逆にして、電子放出要素がセパレータおよび金属製ホルダーによって十分に包囲されるように、組立体を金属製ホルダーに画成される開口すなわち穴に挿入する方法によって解消することができる。すなわち、本発明によれば、組立後の加熱工程中、電子放出要素のセパレータに対する相対的な移動を防ぐことができる。さらに、本発明によれば、組立体はホルダーの開口に挿入された後、雰囲気から遮蔽されるので、組立後の加熱工程中、雰囲気からのガスが電子放出要素とセパレータとの間に侵入するのを防ぐことができる。
【００１１】
さらに具体的に述べれば、本発明の好ましい一実施形態によるプラズマアークトーチに用いられる電極を形成する方法は、電子放出要素を開端と閉端を有するセパレータに少なくとも部分的に挿入する工程を含んでいる。本発明の方法はまた、セパレータと電子放出要素を金属ブランク（未加工品）に画成された開端と閉端を有する開口すなわち穴に、電子放出要素が金属ブランクの閉端とセパレータの空洞の閉端との間に配置されるように、少なくとも部分的に挿入する工程を含んでいる。本発明の方法はさらに、セパレータの閉端の少なくとも一部を除去して、金属ブランクの開端に隣接して電子放出要素を露出させる、電極の仕上げ工程を含む。
【００１２】
一実施形態において、本発明はさらに、金属ブランク、セパレータおよび電子放出要素を所定の温度に所定の時間加熱する工程を含む。この加熱工程によって、金属ブランクとセパレータと電子放出要素との間に、拡散による結合が生じる。例えば、電極を約７２０℃ないし８００℃の範囲、具体的には約７５０℃に加熱することによって、電極の寿命を２倍ないし３倍に向上させることができる。一実施形態として、このような加熱工程は、電子放出要素とセパレータとの間に、好ましくは、銀を媒体とする熱伝導経路が形成されるようになされるとよい。電極を形成する工程において、電子放出要素はセパレータとホルダーによって遮蔽および包囲されるとよい。このように、本発明によれば、組立後の加熱工程中に電子放出要素が移動するのを防ぐことができ、電子放出要素とセパレータとの間に強力な結合を生じさせることができる。
【００１３】
電子放出要素は、ハフニウム、ジルコニウムまたはタングステンのような比較的低い仕事関数を有する金属材料からなる。このような金属材料として、銀、金、銅、アルミニウムおよびそれらの合金、またはそのような材料の粉体混合物が挙げられる。比較的電子を放出しないセパレータは、電子放出要素と金属ホルダーとの間に介在するように電子放出要素の回りに配置され、金属ホルダーの前端を電子放出要素から隔離する。すなわち、セパレータは、電気アークが電子放出要素から離脱するのを阻止し、そのアークが金属ホルダーへ接触するのを阻止するように作用する。電子放出要素を包囲するセパレータは、好ましくは、前述の特許米国第５，０２３，４２５号に記載されている銀のような金属材料から形成される。銀およびその酸化物は放射源としての機能が極めて低いので、電極の寿命を向上させることができる。その結果、金属ホルダーやセパレータに大きな影響を与えずに、電子放出要素からのアークの放出を継続させ、その結果、電極の寿命を向上させることができる。好ましい一実施形態において、セパレータは、一端に開口すなわち空洞を画成して他端に中実壁を有する管形状を有し、そのようなセパレータに電子放出要素が締まり嵌めによって嵌合される。また、電子放出要素を、銀または銀合金のようなろう材を用いて、セパレータにろう付けしてもよい。
【００１４】
従って、本発明は、電極を形成する加熱工程中にセパレータに対して相対的に電子放出要素が移動するのを防ぐことによって、熱伝導性を改善する電極の形成方法を提供する。また、本発明は、電極を形成する加熱工程中に電子放出要素を雰囲気から遮蔽し、雰囲気からのガスまたは他の不純物が電子放出要素とセパレータとの間に移行するのを防ぐことによって、それらの間の結合をより強固にするような電極の形成方法を提供する。
【００１５】
本発明を包括的に説明したが、本発明の具体的な構成は、添付の図面に基づく以下の説明によって、明らかになる。なお、図面において、各部品は必ずしも正確な縮尺に基づいて描かれてはいない。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、好適な実施例が記載されている添付の図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明は多くの異なった形態で実施可能であり、ここに記載される実施形態に制限されると解釈されるべきではない。ここに開示された実施形態は、その開示内容を完全なものとし、当業者に本発明の範囲を示すことを意図してなされたものである。なお、以下の説明において、同一の部品番号は同一の構成要素を示すものとする。
【００１７】
図１は、本発明の特徴を具体化するプラズマアークトーチ１０の縦断面図である。トーチ１０は、ノズル組立体１２と管状電極１４とを備えている。電極１４は好ましくは、銅製または銅合金製であり、上管状部材１５と下カップ状部材すなわちホルダー１６とからなる。上管状部材１５は、細長い開管構造を有し、その軸線によって、トーチ１０の縦軸が規定される。上管状部材１５は、雌ネジを設けた下端部１７を備えている。ホルダー１６もまた、前端（図１において下側）および後端（図１において上側）を備える管構造を有している。ホルダー１６の前端は横方向端壁１８によって一体的に閉鎖され、この横方向端壁１８の前面によって、ホルダー１６の外側前面２０（図２を参照）が規定される。ホルダー１６の後端は雄ネジが設けられ、上管状部材１５の雌ネジが設けられた下端部１７に螺合される。
【００１８】
図２ないし図５に特に示されるように、ホルダー１６は後端１９が開いたカップ状構造を有し、その内部に空洞２２が画成されている。内部空洞２２は、トーチ１０の縦軸に沿って内部空洞２２内に突出する円筒状支柱２３が設けられた面３１を有している。端壁１８の前面２０には、その前面２０からトーチ１０の縦軸に沿って後方に延長してホルダー１６の一部（円筒状支柱２３）内に貫入する略円筒状開口すなわち孔２４が形成されている。
【００１９】
挿入物としての電子放出要素２８と比較的電子を放出しないセパレータ３２とからなるアセンブリが、トーチ１０の縦軸と同軸的に孔２４に取付けられている。好ましくは略円形に形成される電子放出要素２８は、略円形の第１端部２９と第１端面３０とを有している。電子放出要素２８はまた、略円形の第２端部２５と、第１端面３０の反対側に位置してホルダー１６の前面２０と同一の平面をなす略円形の第２端面を備えている。電子放出要素２８は、約２．７ｅＶないし４．２ｅＶの範囲の比較的低い仕事関数を有して電気ポテンシャルが付加されたときに電子を容易に放出することができるような金属材料からなる。このような材料として、ハフニウム、ジルコニウム、タングステンおよびそれらの合金が挙げられる。電子放出要素２８に関する好ましい一実施形態として、電子放出要素２８のセパレータ３２に対する結合を助長するために、電子放出要素２８をハフニウムや銀のような材料の粉体の混合物から形成してもよい。ハフニウムや銀以外の材料の粉体、例えば、上述のタングステンのような材料の粉体を用いてもよい。ハフニウムと銀の粉体を用いる場合、所定のハフニウムと銀の混合比（ハフニウム：銀）、例えば、２：１または１：１の混合比で、それらの粉体を混合するとよい。粉体混合物の物理的な性質から、電子放出要素２８の密度は、単一材料からなる場合の密度、すなわち、理論的密度よりも小さい。例えば、好ましい一実施形態による電子放出要素２８の密度は、理論密度の約９５％である。従って、詳細は後述するが、空気ポケットのような空隙が密度の約５％を占めている。また、一実施形態によれば、ペレット状の粉体から予め製造された電子放出要素２８は、セパレータ３２にわずかな締まり嵌めの嵌合または圧入によって固着される。ただし、他の固着方法によって固着されてもよい。
【００２０】
セパレータ３２は、電子放出要素２８と同軸の位置関係を保って、孔２４内に配置される。セパレータ３２は、孔２４の長さ方向に延長する外周壁３３（図４および図５を参照）と、電子放出要素２８の長さ方向に実質的に延長する内周壁３４とを有している。このセパレータ３２の内部には、開端と閉端とを有する空洞３５が画成されている。さらに具体的に述べれば、この空洞３５は、電子放出要素２８の第１端面３０と同一平面をなす端面３７と、内周壁３４と、内面３９を有する中実の後端壁３８とによって画成されている。一実施形態において、内面３９は電子放出要素２８の第２端面２７と接触している。図面に示される外周壁３３は、セパレータ３２の長さ方向において、実質的に一定の外径を有しているが、本発明の範囲に合致する限り、截頭円錐面のような他の幾何学的形状を有する外周壁であってもよい。電子放出要素２８の第２端面２７において、好ましくは、セパレータ３２は、内周壁３４と外周壁３３との間に少なくとも約０．２５４ミリメートル（約０．０１インチ）の径方向厚みを有し、電子放出要素２８の径は、セパレータ３２の径の３０パーセントないし８０パーセントになるように構成されている。具体例として、電子放出要素２８は、約２．０３２ミリメートル（約０．０８インチ）の径および約６．３５ミリメートル（約０．２５インチ）の長さを有し、セパレータ３２の外径は約６．３５ミリメートル（約０．２５インチ）である。
【００２１】
セパレータ３２は、ホルダー１６の材料の仕事関数および電子放出要素２８の材料の仕事関数よりも大きい仕事関数を有する金属材料からなる。さらに具体的に述べれば、セパレータ３２は、少なくとも約４．３ｅＶの仕事関数を有する金属材料からなる。好ましい一実施形態において、セパレータ３２は主材料として銀からなる。ただし、他の材料、例えば、金、プラチナ、ロジウム、イリジウム、パラジウム、ニッケル、およびそれらの合金であってもよい。
【００２２】
例えば、本発明の具体的な一実施形態において、セパレータ３２は、銅、アルミニウム、鉄、鉛、亜鉛およびそれらの合金からなる群から選択される一種を添加材料として約０．２５パーセントないし１０パーセント含む銀合金からなる。添加材料は、元素またはその元素の酸化物の形態で添加されるとよい。従って、上記の「銅」という用語は、元素である銅とその銅の酸化物のいずれも含む。「アルミニウム」などの用語についても同様である。
【００２３】
図１に示されるように、電極１４は、ガス通路４０および液通路４２を備えるプラズマトーチ本体８８に取付けられる。トーチ本体８８は、外側絶縁ハウジング部材４４によって包囲されている。電極１４の中心孔４８内に、水のような液冷媒を電極１４に循環させる管４６が懸垂されている。管４６の外径は孔４８の内径よりも小さく、管４６の開いた下端側で放電が行なわれるときに水を流通させる空間４９が管４６と孔４８との間に形成されている。水は供給源（図示せず）から管４６内に流入し、内部空洞２２（図３参照）とホルダー１６の内側を経て、空間４９を遡ってトーチ本体８８内の開口５２に至り、排水ホース（図示せず）に流出される。一方、注入水をノズル組立体１２に導く通路４２が設けられている。ノズル組立体１２に達した水はプラズマアークを包囲する渦流に変換される。さらに、適当な供給源（図示せず）から、適当な高温材料からなるガス整流板５４を経て、導入孔５８からガス充満室５６内にガスを導くガス通路４０が設けられている。ガスを渦巻状にして充満室５６に導くための導入孔５８が形成されている。ガスは、充満室５６からノズル組立体１２における同軸の孔６０、６２を介して流出する。ガス整流板５４は電極１４によって保持されている。また、ノズル組立体１２を電極１４から電気的に絶縁する高温プラスチック絶縁体５５が設けられている。
【００２４】
ノズル組立体１２は、第１孔６０を画成する上側ノズル部材６３と、第２孔６２を画成する下側ノズル部材６４とを備えている。好ましくは、上側ノズル部材６３は金属材料からなり、下側ノズル部材６４は金属材料又はセラミック材料からなる。上側ノズル部材６３の第１孔６０は、その軸線がトーチ電極１４の縦軸と同軸になるように、位置されている。
【００２５】
下側ノズル部材６４は、プラスチック製スペーサ要素６５と水渦流リング６６とによって、上側ノズル部材６３から離間されている。上側ノズル部材６３と下側ノズル部材６４との間に、水室６７となる空間が形成されている。
【００２６】
下側ノズル部材６４は、前端部（図において下端部）と後端部（図において上端部）、および同軸状に延長する第２孔６２を有する円筒本体部７０を備えている。環状取付けフランジ７１が円筒本体部７０の後端部に配置されている。また、円筒本体部７０の前端部の外面は、第２孔６２と同軸となるような截頭円錐面７２に加工されている。外部ハウジング部材４４に着脱可能に螺合されるコップ状部材７４が設けられている。そのコップ状部材７４の下端において、環状フランジ７１が、内側に突出するフランジ７３によって下方から支持されている。２つのフランジ７１、７３間にガスケット７５が配置されている。
【００２７】
下側ノズル部材６４の第２孔６２は円筒形であり、適当なプラスチック材料からなる心出しスリーブ７８によって、上側ノズル部材６３の第１孔６０と同軸になるように保持されている。水は通路４２から、スリーブ７８の開口８５を経て、渦流リング６６の複数の噴射ポート８７に流れる。これらの噴射ポート８７から、水が水室６７内に噴射される。噴射ポート８７は、渦流リング６６の周りに接線方向に傾斜して配置されており、水室６７内の水流に渦流速度成分が与えられる。水は第２孔６２を通って水室６７から流出する。
【００２８】
通常は接地されている金属加工物とトーチ電極との間に直列の回路が形成されるように、電源（図示せず）がトーチ電極１４に接続される。トーチが作動されると、アークの陰極端子として作用する電極の電子放出要素２８と、下側ノズル部材６４の下方に位置して電源の陽極側に接続される加工物との間に、プラズマアークが生成される。通常、電極１４とノズル組立体１２との間にパイロットアークを瞬間的に発生させて生じたプラズマアークを、孔６０、６２を介して加工物に移行させる。
【００２９】
本発明はまた、上述の電極を簡単に製造する方法を提供する。図４ないし図７は、本発明による電極の製造方法の好適な一実施形態を示している。図４に示されるように、前面９５とこれに対向する後面９６とを有する銅または銅合金からなる円筒状ブランク（未加工品）９４が用意される。次いで、略円筒状の開口、さらに具体的には、開端と閉端とを有する孔２４がブランク９４の前面９５に、例えば、ドリル加工によって形成される。
【００３０】
すでに述べたように、セパレータ３２は銀合金材料から形成される。好ましい一実施形態において、銀合金材料は、約０．２５パーセントから１０パーセントの銅を含有する銀合金である。ただし、純銀を用いてもよい。セパレータ３２は、孔２４を実質的に塞ぎ、かつ電子放出要素２８を受容するような寸法に形成される。さらに具体的に述べれば、セパレータ３２の外周壁３３と後壁３８は、セパレータ３２が孔２４に対して締まり嵌めによって嵌合されるような寸法に形成され、セパレータ３２の内周壁３４と内面３９は、電子放出要素２８がセパレータ３２に対して締まり嵌めによって嵌合されるような寸法に形成される。この点に関して、セパレータ３２は、略円筒状の中実ブランクを用意し、内部に円筒状空洞３５をドリル加工などによって形成するとよい。ただし、引抜き加工のような他の製造方法を用いてもよい。
【００３１】
図４に示されるように、電子放出要素２８は、セパレータ３２の中実の内面３９に接触するように、セパレータ３２の円筒状空洞３５内に配置される。好ましい一実施形態において、電子放出要素２８は、ハフニウムと銀の粉体の混合物をセパレータ３２の空洞３５に充填し、次いで、電子放出要素２８の第１端面３０がセパレータ３２の端面３７と同一の平面をなすように、加圧すなわち圧粉することによって得られる。
【００３２】
図５に示されるように、電子放出要素２８とセパレータ３２は、セパレータ３２の開端面３７が円筒状ブランク９４の前面９５と孔２４に対向するように、上下を逆に、すなわち転回して配置される。次いで、セパレータ３２と電子放出要素２８は、セパレータ３２の外周壁３３が孔２４の内壁に滑動加工に係合するように、孔２４内に少なくとも部分的に挿入される。好ましくは、セパレータ３２と電子放出要素２８は、電子放出要素２８の第１端面３０とセパレータ３２の端面３７とが孔２４の内面端壁（閉端）と接触するまで、孔２４内に挿入される。挿入工程によって、電子放出要素２８は、金属ブランク９４の孔２４の閉端とセパレータ３２の空洞３５の閉端との間に配置される。
【００３３】
図６に示される一実施形態によれば、略平坦な円形の加工面１００を有する工具９８が、加工面１００をセパレータ３２の後端壁３８に接触させて配置される。加工面１００の外径は、孔２４の径よりもわずかに小さい。工具９８は、加工面１００がトーチ１０の縦軸と同軸になるように保持され、次いで、工具９８に力を加えて、縦軸に沿って電子放出要素２８およびセパレータ３２に軸方向の圧縮力を与える。例えば、工具９８は、セパレータ３２と接触するように配置されて、機械装置のラムのような適当な装置によって、打撃が加えられるとよい。用いられる具体的な方法に関わらず、十分な力が与えられ、電子放出要素２８とセパレータ３２は径方向に変形し、電子放出要素２８はセパレータ３２に緊密な締め付けによって拘束され、セパレータ３２は孔２４に緊密な締め付けによって拘束される。
【００３４】
電極を形成するための更なるプロセスは、電子放出要素２８とセパレータ３２との間の結合を助長するために行われる電極の加熱である。図６は、加圧工程中の加熱工程を示しているが、好ましくは、加熱工程は加圧工程の後に行うとよい。高温、例えば７２０℃ないし８００℃の範囲の温度に電極１４を加熱することによって、電子放出要素２８とセパレータ３２との間に拡散による強力な結合を生じさせ、電極の寿命を２倍ないし３倍に向上させることができる。このような加熱は、電子放出要素２８が電子放出材料と銀の粉体からなり、セパレータ３２が銀からなる場合、特に有効である。この場合、加熱工程によって、電子放出要素２８とセパレータ３２との間に熱伝導経路が形成される。具体的に述べれば、熱伝導経路は、電子放出要素２８からセパレータ３２に拡散する銀を媒体として形成される。
【００３５】
粉体材料からなる電子放出要素を用いる場合に生じる１つの問題として、加熱工程中に生じる電子放出要素に存在する空隙すなわち空気ポケットの膨張が挙げられる。従来の電極においては、空隙の膨張によって、電子放出要素がセパレータから外側に飛び出すポップ（ｐｏｐ）現象が生じ、その結果、電子放出要素とセパレータとの間に間隙が生じて電極の熱伝導が低下する。一方、本発明によれば、電子放出要素２８とセパレータ３２の上述の配置構造によって、セパレータ３２に対する電子放出要素２８の好ましくない移動を防ぐことができる。さらに、本発明による電子放出要素２８とセパレータ３２の上述の配置構造によれば、組立後の加熱工程中にセパレータ３２が雰囲気に露出するという他の問題をも解消することができる。従って、本発明の方法によれば、窒素のようなガスが電子放出要素２８とセパレータ３２との間に侵入するのを防ぐことができる。このように、電子放出要素２８とセパレータ３２との間の結合は強力であり、加熱工程中に雰囲気から侵入する余分のガスによる汚染をなくすことができる。
【００３６】
図７は、ホルダー１６の仕上げ工程を示す図である。円筒状ブランク９４の外周が所望の形状に仕上げられる。例えば、ホルダー１６の後端１９に雄ネジが形成される。ブランク９４の前面９５、セパレータ３２および電子放出要素２８は、それらが互いに実質的に平坦になるように、すなわち、実質的に同一平面をなすように、機械加工される。さらに具体的に述べれば、ブランク９４の前面９５およびセパレータ３２の端壁３８は、電子放出要素２８の端面２７が露出されてホルダー１６の前面２０と同一平面をなすように、機械加工される。
【００３７】
図８はホルダー１６の端面図である。図から明らかなように、セパレータ３２は電子放出要素２８の端面２７をホルダー１６の前面２０から隔離している。セパレータ３２は、内周１０４と外周１０６とを備える環形状を有している。セパレータ３２は、電子放出要素２８よりも高い仕事関数を有する銀合金から形成されているので、アークが電子放出要素から離脱してホルダー１６に接触するのを防ぐことができる。このように、本発明によるプラズマアークトーチ１０用の電極１４を製造する方法によれば、電子放出要素２８が、組立後の加熱工程中にセパレータ３２の空洞３５から外に飛び出したり移動したりしないようにセパレータ３２に固着される。なお、電子放出要素２８は、加熱工程中、雰囲気に露出されないので、加熱工程中に電子放出要素２８とセパレータ３２との間の結合を強固に助長することができる。
【００３８】
本発明が属する技術分野の当業者にとって、前述の説明および関連図面による示唆によって、本発明の実施例に対する多くの変更形態および他の実施形態を行うことが可能である。例えば、セパレータおよび/または電子放出要素は、本発明の精神と範囲を逸脱しない限り、他の形状および他の構成、例えば、円錐形状またはリベット形状であってもよい。すなわち、本発明はここに開示された具体的な実施例に制限されず、それらの実施例の変更例および他の実施例は請求の範囲に含まれると見なされるべきである。また、ここで使用された具体的な用語は、包括的かつ非制限的に用いられ、本発明をなんら制限するものではない。
【００３９】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されるので、以下の効果を奏する。すなわち、電子放出要素はセパレータと銅製ホルダーによって包囲されるように組み込まれるので、組立後の加熱工程中、電子放出要素のセパレータに対する相対的な移動を防ぐことができる。さらに、組立体はホルダーの開口に挿入された後、雰囲気から遮蔽されるので、組立後の加熱工程中、雰囲気からのガスが電子放出要素とセパレータとの間に侵入するのを防ぎ、電子放出要素とセパレータとの間の結合力を増すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の特徴を具体化して示すプラズマアークトーチの側面断面図である。
【図２】本発明による電極の拡大斜視図である。
【図３】本発明による電極の拡大側面断面図である。
【図４】本発明による好ましい電極の製造方法の工程を説明する概略断面図である。
【図５】本発明による好ましい電極の製造方法の工程を説明する概略断面図である。
【図６】本発明による好ましい電極の製造方法の工程を説明する概略断面図である。
【図７】本発明による好ましい電極の製造方法の工程を説明する概略断面図である。
【図８】仕上げられた電極を示す端面図である。
【符号の説明】
１６  ホルダー
１８  横断端面
１９  後端
２０  前面
２２  空洞
２３  円筒状支柱
２４  孔
２５  第２端部
２７  第２端面
２８  電子放出要素
２９  第１端部
３０  第１端面
３２  セパレータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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