(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマトーチ（10）の操作電力の電流対電圧比を低下させる電極構造であって、カソード（16）と、該カソードから離れた側の下流端にアノード電極（36）を有する中空円形のアノード構造（35）と、ガス通路（24）とを備えており、前記中空アノード構造（35）の内側は、前記通路の輪郭壁を構成し、前記ガス通路（24）は、前記アノード（35）の長手軸（40）に対して対称であって、カソード（16）部分の周囲から伸び、カソード（16）から中空アノード構造（35）を通って、アノード電極（36）へ伸び、前記カソード（16）は、前記通路（24）と同軸のカソードチップと、前記カソード（16）部分の周囲と前記カソードチップを通り、前記中空アノード構造（35）を通過する通路（24）へ、ガスを導入する手段（26）を備えており、前記中空アノード構造（35）はさらに、前記カソード（16）と前記アノード電極（36）との間の、アノード構造（35）を通る通路の断面寸法を決める導電性制限手段（30）を備えており、該制限手段（30）は、カソード（16）近傍の上流部（32）と、該カソード（16）から離れた下流部（33）と、それらの間のノド部（34）を備え、該ノド部（34）は最小断面積（D2）の通路部分（24Ｂ）を形成し、前記上流部（32）は、前記カソード（16）からガス流れの下流方向に、前記カソード（16）と前記制限手段（30）の間の通路（24）の第１部分（24A）を形成する距離だけ、カソードから離れており、該通路（24）の第一部分（24A）は、第一断面積（D1）を有し、該第一断面積（D1）の前記最小断面積（D2）に対する比率は少なくとも２対１であって、前記制限手段（30）の前記下流部（33）は、前記アノード電極（36）の位置で止まり、前記制限手段（30）を前記アノード構造（36）へ電気的に接続する手段（42）を備えており、前記第１部分（24A）を形成する距離は、トーチの起動時に前記カソード（16）と、前記制限手段（30）の上流部（32）との間に、初期アークを形成するのに、十分な距離であって、前記制限手段（30）の上流部（32）は、前記第一断面積（D1）からノド部の前記最小断面積（D2）まで、徐々にかつスムースに縮小する形状であって、通路（24）を通るガス流れの速度を加速し、該ガス流れは、加熱による通路（24）中での膨張によっても加速され、制限手段（30）を通るガス流れ速度は、前記カソード（16）と前記制限手段（30）との間で最初に形成されたアークを運び、ノド部（34）を通る通路に、アーク（58）を閉じこめて、前記カソード（16）と前記アノード電極（36）との間に伸びるアーク（58）を形成する速さであり、前記下流部（33）は、通路（24）の断面積を、ノド部（34）の下流端からアノード電極（36）へ除々に拡大する形状であって、アーク（58）は前記アノード電極（36）に放電し、これによってアーク（58）は、カソード（16）とアノード電極（36）との間を伸びて、前記制限手段（30）を通り、前記ガス流れによって、通路（24）の壁から離れて閉じこめられ、制限手段を有しない同様な電極構造と比べて、電流対電圧比を低下させたプラズマトーチ電極構造。
【請求項２】
絶縁スリーブ（28）は、カソード（16）を取り囲み、カソード（16）と制限手段（30）との間の通路（24）の第一部分（24A）の内側輪郭を形成しており、該第一部分（24A）は、通路（24）の長手方向に伸びて、カソード（16）からのアーク長さがカソード（16）と制限手段（30）との間の間隔に少なくとも等しい最小アーク長さを生じさせる請求項１に記載のプラズマトーチ電極構造。
【請求項３】
第一断面積（D1）の前記最小断面積（D2）に対する比は、少なくとも５対１である請求項１又は２に記載のプラズマトーチ電極構造。
【請求項４】
カソード（16）と絶縁スリーブ（28）との間に、前記カソード（16）を取り囲んで案内手段（20,2２）が形成され、カソード（16）を前記絶縁スリーブ（28）中の中央に位置決めし、前記案内手段（20,2２）は、前記ガス通路（24）中に配置され、ガスの流れ方向を、カソード（16）の周りにおいて、前記制限手段（30）に向かって、スパイラルパターンを描く様な形状のフィン構造を有している請求項２又は３に記載のプラズマトーチ電極構造。
【請求項５】
アノード構造（35）は、絶縁スリーブ（28）を取り囲んで、前記カソード（16）と前記アノード電極（36）との間に形成される前記アーク（58）の全長に伸び、アノード電極（36）から離れた側のカソードチップの側面に、単一の電気接続部（60）を設けている請求項２又は３又は４に記載のプラズマトーチ電極構造。
【発明の詳細な説明】
発明分野
本発明は、プラズマトーチの電極構造に関するものである。特に本発明は、電極に印加された電力に必要な電流対電圧比が減少するように作られたプラズマトーチの電極構造である。
発明の背景
プラズマトーチの構成には様々な異なった電極構造が使用されている。そしてプラズマガスは、カソードの周りを通過し、次でアークと一緒になってアノードへ流れる。殆どの場合プラズマガスは、スパイラル状の通路を通り、アノードへ進む。1969年３月19日ショウメーカ氏に出された米国特許第3578943号、1973年11月６日タテノ氏に出された第3770935号、1987年６月２日イトウ氏らに出された第4670290号、1989年８月８日ベルスネフ氏らに出された第4855563号に幾つかの望ましい構造が記載されている。
タテノ特許は、複数アークシステムを開示しており、ガス流の通路にスロットル孔を設け、当時の一般的なプラズマジェット発生器のアーク電圧を２倍に増すものであった。イトウ特許は、主トーチと副トーチを組み合わせた特殊な構造であって、ヘアピンアークを形成するものである。ヘアピンアークが形成されると、それは主トーチのカソードから副トーチのカソードへのびて、アーク長さを延長するものである。少なくとも一方の、アークの長さを完成するために、アーク移動システムが使われる。
1964年７月７日ジェンセン氏に出された米国特許第3140380号及びマランツ氏らに出された1991年１月１日の米国特許第2982067号及び1992年９月１日の第5144110号は、共通のプラズマ流を発生させるために同芯トーチを使用するのもが開示されている。
望ましいトーチ構造が、1991年４月16日ロス氏に出された米国特許第5008511号に記載されている。このトーチは、プラズマに使用される、粉末その他の材料が加えられる、軸方向通路の周囲に、複数の独立したトーチを配置し、この構成によって各トーチから出されるプラズマジェットの影響を、粉末その他の材料が受けるようにしたものである。このシステムにおいては、カソードはチャンバー内にあり、カソードチップはアノードに向けられている。プラズマガスが投入され、カソード周囲を通過し、アノードとカソードとの間のアークによって熱せられ、そして通路を通過して粉末材料などと接触するものである。
トーチは、電圧を可能な限り高め、印加された電力に対して、必要な電流を最小にして操作することが有利であることが知られている。即ち電流（Ａ）対電圧（Ｖ）の比率（A/V）が最小であると、作業が継続する。（「新しいプラズマスプレー装置」パスケンコ、サーコフ共著、第７回全国熱スプレー会議1994年６月20〜24日マサチューセッツ州ボストンの前刷参考）。
トーチに対しA/V比に影響する主な要因として、次の幾つかが知られている。
ａ  カソードからアノードへ向かってトーチ中を流れるガス流即ちガス流速が高いほどA/V比は小さい。
ｂ  ガス成分
ｃ  アーク直径：アーク直径が小さいほどA/V比は低い。
ｄ  アーク長さ：アークが長い程A/V比は低い。
大部分のトーチにおいては、カソードチップからアノードに延びる通路は、アノードの位置で最小直径となる様にテーパーになっている。即ちカソードとアノード間の重要な区間では、通常殆ど同一直径であって、そして通常はアノードを貫通し、ガス出口に向かって、テーパーになっている。従ってアノード出口を先頭にする通路を通過するガスは、通路の形状（断面積）による加速はなく、（ガス温度の上昇による速度変化の場合を除く）、アノード出口に向かって通路がテーパーになって加速されるまでは、流速は殆ど一定のまま維持される。このように、アークが通過する通路の長さの殆どにわたって、アノードに対しアークを生じ、放電するまでは、アークを閉じこめてアーク長さをのばすための制御はされない。
発明の要旨
本発明の主たる目的は、ガスとアークの流通路中に、ある構成を設けて、ガスの流速とアークの直径を変化させ、所定の電力印加に対して、電流対電圧比（A/V比）を著しく減少する新しいトーチ構造を提供するものである。
概略的には、本発明は電極構造に関するものであって、カソードと、該カソードから離れた方の一端にアノード電極を有する円形アノード構造と、ガス通路とを備えており、該ガス通路は前記カソード周囲から延び、アノード構造を通って該カソードから離れた通路の下流端にて、アノード電極へと延びている。前記カソードは、前記通路と同芯のカソードチップと、ガスを前記通路へ導入して、ガスを前記カソードの周囲に流し、カソードチップを経て前記アノード構造を通り、前記アノード電極へ流す手段と、前記アノード構造を通る通路部分の断面寸法を決める制限手段を備えている。前記制限手段は、前記カソードチップに近接した上流部と、前記カソードチップから離れた下流部と、その間のノド部を有している。前記上流部はガス流れの下流方向に向かってカソードから所定度離れ、通路の第１部分を形成している。前記制限手段の下流部は、前記アノード電極の位置で止まる。制限手段の上流部は、通路の断面積がノド部に向かって徐々に狭まり通路の断面積を最小にする形状であって、通路を流れるガス流の速度を加速する。該ガス流は、加熱され前記通路中で膨張することによっても加速され、前記制限手段を通過するガス流の速度は、前記カソードチップから前記アークを運び、制限手段を通り、前記アークを拘束して前記ノド部を通過させ、前記アノード電極へ放電させるのに十分な速度である。このときアークはカソードとアノードの間で長く延び、通路の壁から離れて、制限手段を通過している。
望ましくは前記制限手段は導電性であって、前記導電性制限手段をアノード構造へ電気的に接続する手段である。その距離はトーチ立ち上がり時にカソードチップと前記制限手段の上流部との間で初期アークを形成するのに十分な距離である。前記制限手段の形状は、制限手段を通過するガス速度が、初期アークを制限手段を通して運び、且つ該アークが前記制限手段に短絡することを防ぎ、カソードチップとアノード電極との間にアークを確実に形成できる様な速度となる様な形状に決められる。
絶縁スリーブは前記カソードチップを囲み、カソードチップと制限手段との間の通路の第１部分の内表面を形成することが望ましい。
該第１部分は通路の長手方向に延び、前記アノードとカソード間のアーク長の最小のものでも、少なくとも前記カソードチップと前記制限手段間の間隔と同じ長さが確実にある様にする。
前記第１部分の断面積と前記通路の最小断面積との比は、２ないし７対１の範囲であることが望ましい。
前記カソードと前記絶縁スリーブとの間に、カソードを取り囲んで案内手段を設け、前記カソードを絶縁スリーブ中にて中心に保つ様にすることが望ましい。そして望ましくは、該案内手段はフィン構造の形状であって、ガス流をカソードチップの周りでスパイラルパターンを描いて制限手段に向かって流れるようにする。
望ましくは、前記アノードに電気的に接続された導電性スリーブは、前記絶縁スリーブを取り囲み、前記アノードを延ばして、カソードチップとアノードとの間にアークの全長が形成される様にし、前記他端から離れた側のカソードチップの側面に、単一の電気接続部を設けることが望ましい。
上記電極構造は更に、前記アノードを包囲する冷却手段を設けて通路を冷却することが望ましい。
【図面の簡単な説明】
更なる目的と利点は、添付する図面から理解される本発明の望ましい実施例の以下の記載によって明らかであろう。
図１は、本発明プラズマトーチ電極の概略断面図である。
図２は、カソードとアノードとの間の典型的なアークパターンと、粉末などの流入口を示す、図１と同様な断面図である。
望ましい実施例の説明
図１及び図２に示す如く、符号（10）で示す本発明の電極構造には、電極（14）（カソード14）の一端に近接してカソードホルダー（12）を接続し、その他端にはカソードチップ（16）を形成している。適当な案内要素（18）がカソード（14）を（チップ（16）に近接して）包囲して配置されており、カソード（14）をガス通路（24）の中心に位置させる。案内要素（18）はフィン（20）が傾いて形成され、その間へ通路（22）を形成し、カソードチップ（16）の上流にあるガス流入パイプ（26）から導入されたガスは、カソード（14）を取り囲む通路（24）に沿って軸方向に流れる。（即ちカソード（14）とセラミック絶縁スリーブ（28）の内径との間）を流れるガスを方向付け、カソードチップ（16）の周りの螺旋状通路を取って流れる。
上記した通り、カソード（14）を取り囲む通路（24）の部分は、外表面が絶縁円筒スリーブ（28）の、好ましくはセラミックチューブの内径によって決まり、該スリーブ（28）はカソード（14）の周囲を伸びて、カソードチップ（16）から制限部形成スリーブ（30）まで伸びた通路（24）の第一部分（24A）の輪郭形状を構成する。チューブ（28）は、通路（24）の上流から伸びる、即ち流入管（26）がプラズマガスを導入する位置から、スリーブ（30）までであって、制限部形成スリーブ（30）と突き合わせ関係に繋がっている。通路（24）の第一部分（24A）は、直径D1で示す断面積を有する。
制限部形成スリーブ（30）は、徐々にテーパーする通路を形成するように作られており、該通路は第一部分（24A）（直径D1）の断面積から、ノド部、即ち直径D2で表す通路（24）の最小断面積の部分（24B）に向かって断面積を滑らかに縮小し、次に通路（24）の断面積を直径D3で表す断面積まで拡大する。該直径D3は、望ましくは第一部分（24A）とほぼ同一、即ち望ましくは直径D3は直径D1に等しくする。制限スリーブ（30）は上記した通り、通路（24）の断面積を、ノド部（34）の最小面積まで徐々に縮小する、テーパーのある上流部（32）を有し、ノド部（34）は最小部、即ち通路（24）の最小断面積（直径D2）の部分（24B）（ノド部（34））を形成している。スリーブ（30）には下流部（33）を形成しており、これは上記した通り通路（24）の断面積を部分（24B）（ノド部（34））の最小直径D2によって決まる面積から、通路（24）の断面積を拡大し、通路（24）の下流拡大部（24C）まで拡大したものである。下流拡大部（24C）は、アノード電極（36）を通って形成されることが望ましい。望ましくはスリーブ（30）は、カソード（14）から離れた端部、即ちアノード電極（36）と突き合わせ関係にある拡大した下流部（33）の端部で終わる。
通路（24）の断面積の変化は、上記形状に形成され、通路（24）を通るガス流の速度を徐々に滑らかに変化させる。即ち、渦の形成を最小にする。その様にしないと通路（24）を通るガス流れが乱れる。通路（24）に沿う流れが乱れる原因となる、小半径の曲がりを無くしたことが主な理由となって、これは達成された。スリーブ（30）は導電性材料で形成することが望ましく、後述する通りアノード電極（36）を含むアノードと突き合わせ接触状態となる。
スリーブ（30）の上流部（32）によって形成される通路（24）の断面積は、通路（24）を通じてガス流れ中に渦の発生を最小にする様に、滑らかに縮小することが望ましい。そしていづれにせよ、前記通路を通るガス流れの流速は、加速される様にし（流れを熱することによって、通路中で膨張させて加速することもある）、通路（24）中のガス速度、特に制限スリーブ（30）では、カソードチップ（16）との間で、制限スリーブ（30）を通ってアークを運び、ガス中に閉じこめるのに十分な速度とし、それによって、アークは制限スリーブ（30）を通って、カソード（14）から離れた通路（24）の端部近傍のアノード電極（36）に達する様にする。これは後述する通り、アークがカソードチップ（16）とアノード電極（36）との間に伸び、通路（24）の壁から離れて制限スリーブ（30）を通過する。そしてスリーブ（30）が導電材料から形成され、アノードと電気的に接続された望ましい場合には、制限スリーブ（30）にアークが短絡することを防ぐ、従ってアークはスリーブ（30）ノド部（34）を通過し、アノード電極（36）に達する。
上記した通り、スリーブ（30）を導電性材料によって形成し、スリーブ（30）をアノード構造へ電気的に接触させて、スタート時にはカソードチップ（16）とスリーブ（30）の上流部（32）との間に短絡アークを形成することが望ましい。スリーブ（30）はスリーブを通過するガス速度が（ガス速度はスリーブを通る通路（24）の断面積によって決まる）、アークを閉じこめ、スリーブ（30）を通って運び、カソードチップ（16）とアノード電極（36）との間に長いアークを形成するのに十分な速度にする。
制限スリーブ（30）とアノード電極（36）は、アノード構造（35）の構成部分であって、これはまた、円形のアノードホルダー（42）を含み、これら要素を望ましくは摩擦嵌めで保持し、容易に交換できるようにし、望ましくは（スリーブ（30）とアノード電極（36）を）導電性材料によって形成したときは、スリーブ（44）を電気的に接触させる。ホルダー（42）には冷却用フィン（43）を設けて、後述する通り冷却用流体への熱伝達が起こり易くする。
スリーブ（44）は、鋳銅によって形成することが望ましく、絶縁スリーブ（28）の外側へ緊密に接触して、スリーブ（28）と（44）との間で熱伝達を行わせ、スリーブ（28）の冷却が行われるようにする。
制限スリーブ（30）とアノード電極（36）は、おのおの、止まり嵌めの嵌め合い形式が望ましく、アノードホルダー（42）へ丁度はまり、ホルダー（42）とスリーブ（30）との間及びホルダー（42）とアノード電極（36）との間のそれぞれの摩擦によって、所定位置に収まることが望ましい。
スリーブ（30）は絶縁チューブ、即ちスリーブ（28）の端部へ押しつけられ、スリーブ（28）と突き合わせ関係で位置決めされる。電極（36）は管（28）から離れた側の制限スリーブ（30）の端部に押しつけられ、該スリーブの端部と突き合わせ関係で保持される。
図１及び図２に示したアノード電極（36）は、部分（24C）より遙かに小なる断面積の出口（38）を有している。図１及び図２に示した出口（38）もまた、通路（24）の長手軸方向に一致する長手軸を有している。所望があれば、遷移部（39）を急にし、出口（38）の軸を軸（40）に対し鋭角にしてもよい。
通路（24）の長手方向の中心線、即ち軸（40）は真直線であり、カソード（12）は断面が真直円筒形であって、部分（32），（33），ノド部（34）を含む制限スリーブ（30）とアノード電極（36）との場合と同じく、通路（24）の軸（40）を同芯にする。
上記したとおり、通路（24）の直径が直径D1からD2へのテーパ率又は変化率すなわち上流部分（32）の形状は、アーク（58）がカソードチップ（16）とアノード（36）との間に延び、通路（24）の壁から離れて、長いアークの形成（第２図参照）を確実にし、スリーブ（30）が導電性であってアノードに接触しているとき、スリーブ（30）への短絡を防止するために必要なガス速度に基づいて決められる。この形状はガス導入管（26）からシステムへ供給されるガスの量と速度及びアーク（58）からガスへ伝達された熱によって決まる。熱はガスを膨張させるから、ガス速度を増加せしめる。ガス速度はアークを通路（24）中に拘束し、アークがアノード電極（36）に到達するまで短絡せしめないための主たるファクターである。通路（24）の寸法と形状は、トーチの現場での使用法すなわちガス流入速度、トーチ温度などによって変化する。
図２の図面に於いて、出口（38）から噴出するプラズマジェットの影響を受ける粉末及び／又は他の材料は、チューブ（５０）を経てジェット流へ導かれる。本発明に関係する多くの別構造のトーチが必要に応じて組み合わされ、その出口が単一プラズマジェットの形成にまとめられることは明らかであろう。
カソード特にカソードチップ（16）は、装置に対して固定することが望ましいが、必要に応じて通路（24）に沿う軸方向の動きを調節可能とすることができる。
直径D1とD3はほぼ同一であるが、通路（24）の第１部分（24A）の直径D1によって表される断面積が、制限部分（24B）の直径D2によって表されるノド部（34）の断面積に対する比率は少なくとも２対１であり、望ましくは少なくとも５対１であり、制限部材（30）を通る流れがアークを閉じこめる様にすることが望ましい。最大比率はガス速度と出力によって決まり、あまりに大きくしたり、トーチを過熱させることはできない。そのような過熱を生じさせないで、断面積をいかに小さくするかについても明らかに限界がある。D4で示すカソードチップの直径は、直径（D1）に関連しており、カソードチップ（16）の周りにガス流れのための適当な通路断面積を形成する。すなわちカソードチップ（16）とセラミックチューブ（28）の内表面との間に、適当な通路断面積を形成する。
図面に示す実施例では、符号（52）で概略的に示した冷却室が、アノード構造（35）を包囲し、アノード電極（36）の近傍から、アノードから離れたカソードチップ（16）の側面まで延びている。室（52）は冷却液の流入口（54）と流出口（56）を備え、冷却液は室（52）を循環している。
図２に示す如くアーク（58）はカソードチップ（16）とアノード（36）との間に形成され、比較的狭い幅で非常に長い。この比較的長く、断面積の小さなアーク（58）を形成することによって、所定電力の消費で小さな電流対電圧比（A/V比）でトーチを働かせることができる。この比率は、もし制限スリーブ（30）が設けられず、ガス速度がアークを取り囲み、スリーブ（30）を通ってアノード電極（36）へ運ぶように制御されなかった場合の比率と比べて、著しく減少する。スリーブ（36）が導電性材料によって形成され、アノード電極（36）に対し電気的に接続する望ましい実施例においては、アークの立ち上がりの際、絶縁スリーブ（28）は、初期段階では形成されたアークを制限スリーブ（30）へ導き、アークはカソードチップ（16）と制限スリーブ（30）の上流部（32）との間に形成される。
初期段階のアークは熱を発生し、通路（24）を流れるガス速度を増加させて、アークを制限スリーブ（30）を通って運ぶ速度にまで高める。すなわちアークが制限スリーブ（30）と短絡することを防止して、制限スリーブ（30）を通り、アノード電極（36）へ運ぶ。
セラミックスリーブ（28）とアノード構造（35）に加えられた冷却、特に制限スリーブ（30）に対して例えば室（52）から加えられた冷却は、制限スリーブ（30）を通過してアーク（58）を運ぶガスの有効性に影響を与える。通路（24）の表面近傍のガスが低温であればあるほど、ガスのイオン化を変えて、一旦アークがカソードチップ（16）とアノード電極（36）との間に形成されると、制限スリーブ（30）との間にアークが短絡することを防ぐ。従ってトーチが適切な冷却があるように設計されていることは大切である。
アノード構造（35）のために、電気接続部（60）が保持スリーブ（44）に対して接続され、これはアノード電極（36）から離れた側のカソードチップ（16）の側方に位置しており、電流がシステムを通って流れる様に構成している。すなわちカソード（14）からアノード（36）へ、そしてアノード構造（35）を経てコンタクト（60）へ続けており、アーク（58）を完全に包囲し、外部の磁力に対しアーク（28）を孤立させ、複数のトーチが接近して横並びに配置されている場合、隣のトーチから生じる力を遮断し、これによってトーチの操作性を改良する。
実施例
発明の具体的な実施例において、D1とD3はそれぞれ、0.375インチ（0.95cm）であり、D2は0.22インチ（0.56cm）であり、軸40に沿って、直径の変化が0.28インチ（0.72cm）の長さで起こっている。上流部（32）のテーパー部分は、ほぼ円錐形であるが、ノド部（34）と通路（24）の部分（24A）との接触点まで徐々にカーブし、ガス流れ中に渦の発生をできる限り防止している。通路（24）に沿って、短い曲率半径の部分は形成しない。
ノド（34）の長さは、軸（40）に沿って測られ、これは重要な点ではない。具体的な実施例では、約0.10インチ（0.25cm）であるが、その他適当な長さとすることができる。最小直径D2から最終の直径D3までの変化は、直径D1からD2へ縮小した場合程には重要ではない。具体的なトーチでは、ノド部（34）からアノード電極（36）までの下流部分は、軸（40）に沿って測った長さは0.65インチ（1.65cm）である。
本発明を開示したので、当業者であれば、添付の請求の範囲に記載する発明の範囲内で、実施変更をなし得ることは明らかであろう。
【図１】
0003574660.tif 000002
【図２】
0003574660.tif 000003