(57)【要約】【課題】  トーチにガスを供給するための改良型制量システム及び関連方法を提供する。【解決手段】  制量システム５０は、トーチ１４に送られるガスの圧力及び流量に基づいて圧力調整器１０４を調節するよう構成されたコントローラ１２０を含む。トーチは、ノズル内に配置された電極から加工物にアークを飛ばすことにより作動モードで作動するプラズマアークトーチとしうる。第１の作動モードで、制量システムは、圧力調整器の下流側圧力に基づいて該圧力調整器を調節することによりトーチにガスを供給しうる。第２の作動モードで、制量システムは、圧力調整器と直列の流量変換器１０６を通るガスの流量に基づいて該圧力調整器を調節しうる。更に、制量システムは、ガスの下流側圧力及び流量を監視して、それから、トーチに、ノズルを通るガスの流れに影響する二重アーク又はその他の作動状態が存在するか否かを決定するよう構成することができる。【選択図】  図２
2006130566.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマトーチにガスを供給する制量システムであって、
前記ガスの流量を測定すると共に該ガスの流れを表わす流れ信号を発生するよう構成された流量変換器と、
前記流量変換器に対して直列に構成され、前記ガスの前記流れを受けると共に前記プラズマトーチに流れる前記ガスの圧力を制御するよう構成された圧力調整器と、
前記流量変換器からの前記流れ信号を受けると共に、前記圧力調整器から前記プラズマトーチに流れる前記ガスの圧力を検出するよう構成されたコントローラとを備え、
前記コントローラは、第１モード及び第２モードで選択的に作動するよう構成され、前記第１モードにおいて、前記プラズマトーチに流れる前記ガスの前記圧力に基づいて前記圧力調整器を調節し、前記第２モードにおいて、前記プラズマトーチへの前記ガスの前記流量に基づいて前記圧力調整器を調節することを特徴とする制量システム。
【請求項２】
前記コントローラは、前記第１モードにおいて、前記プラズマトーチへの前記ガスの前記流れに所定圧力を与えるべく前記圧力調整器を調節するよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の制量システム。
【請求項３】
前記流量変換器は、前記プラズマトーチへの前記ガスの前記流れの質量流量を表わす流れ信号を発生するよう構成され、前記コントローラは、前記第２モードにおいて、前記プラズマトーチに前記ガスの実質的に一定の質量流量を与えるべく前記圧力調整器を調節するよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の制量システム。
【請求項４】
前記圧力調整器からの前記ガスの流れと流体連絡すると共に、前記コントローラに前記ガスの圧力を指示するよう構成されている圧力変換器を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の制量システム。
【請求項５】
前記圧力調整器は、前記流量変換器から前記ガスを受けて該ガスを前記プラズマトーチに供給するよう構成されていることを特徴とする請求項４に記載の制量システム。
【請求項６】
前記コントローラから電気信号を受信して、前記圧力調整器を調節するべく該圧力調整器に対応の流体信号を発生するよう構成された圧力設定装置を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の制量システム。
【請求項７】
前記コントローラは、前記プラズマトーチの幾何学的形状の変化を表わす前記ガスの流れの変化を検出するよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の制量システム。
【請求項８】
前記圧力調整器は、圧力フィードバックループを備えた比例弁であることを特徴とする請求項１に記載の制量システム。
【請求項９】
プラズマトーチにガスを供給する制量システムであって、
前記ガスの流量を測定すると共に該ガスの流れを表わす流れ信号を発生するよう構成された流量変換器と、
前記ガスの圧力を表わす圧力信号を発生するよう構成された圧力変換器と、
前記流量変換器からの前記流れ信号を受けると共に、前記圧力調整器から前記プラズマトーチに流れる前記ガスの圧力を検出するよう設定されているコントローラと、を備え、  前記コントローラは、前記ガスの前記流れ信号及び前記圧力を少なくとも１つの所定値と比較し、それにより前記プラズマトーチの幾何学的外観を検出するよう構成されていることを特徴とする制量システム。
【請求項１０】
前記コントローラは、所定値よりも多い前記プラズマトーチを通る流量を検出し、それにより前記プラズマトーチの流路の一部を画成するノズル孔の拡大を検出するよう構成されていることを特徴とする請求項９に記載の制量システム。
【請求項１１】
前記コントローラは、所定値よりも小さい前記ガスの圧力を検出し、それにより前記プラズマトーチの流路の一部を画成するノズル孔の拡大を検出するよう構成されていることを特徴とする請求項９に記載の制量システム。
【請求項１２】
前記コントローラは、前記プラズマトーチの前記幾何学的外観を検出した際に該プラズマトーチの作動を自動的に中断するように構成されていることを特徴とする請求項９に記載の制量システム。
【請求項１３】
プラズマトーチにガスを供給する方法であって、
前記プラズマトーチに流れる前記ガスの流量を測定するステップと、
前記プラズマトーチに流れる前記ガスの圧力を測定するステップと、
少なくとも１つの所定圧力を実質上供給するべく、前記プラズマトーチに供給される前記ガスの前記圧力に基づいて圧力調整器を調節するステップと、
少なくとも１つの所定流量のガスを前記プラズマトーチに実質上供給するべく、前記ガスの前記流量に基づいて前記圧力調整器を調節するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
前記ガスの流量を測定するステップは、前記プラズマトーチに流れる前記ガスの質量流量を測定するステップを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記圧力に基づいて圧力調整器を調節するステップおよび前記流量に基づいて前記圧力調整器を調節するステップは、前記プラズマトーチに供給される前記ガスの前記質量流量及び前記圧力を検出するよう設定されたコントローラを用いて前記圧力調整器を制御するステップを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記圧力に基づいて圧力調整器を調節するステップおよび前記流量に基づいて前記圧力調整器を調節するステップは、前記圧力調整器を制御するため電気信号を伝達するステップを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記圧力に基づいて圧力調整器を調節するステップおよび前記流量に基づいて前記圧力調整器を調節するステップは、圧力設定装置が前記圧力調整器を調節するため該圧力調整器に対応の流体信号を供給するよう、前記電気信号を前記圧力設定装置に伝達するステップを含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記圧力に基づいて圧力調整器を調節するステップは、前記プラズマトーチの起動中に第１の所定圧力を供給するステップ、及び前記プラズマトーチにアークが確率した後に第２の所定圧力を供給するステップを含み、前記第２の所定圧力は前記第１の所定圧力とは異なっており、前記流量に基づいて前記圧力調整器を調節するステップは、前記第１の調節ステップ後に前記圧力調整器を制御するステップを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記プラズマトーチを通る前記ガスの所望流量に基づいて前記第１及び第２の所定圧力の少なくとも一方を決定するステップを更に含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記プラズマトーチの幾何学的形状の変化を表わす前記ガスの流れの変化を検出するステップと、二重アーク検出信号を発生することにより前記変化に応答するステップとを更に含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項２１】
前記ガスの流れの変化の検出時に前記プラズマトーチの作動を自動的に中断するステップを更に含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
プラズマトーチの流路にガスを供給する方法であって、
前記プラズマトーチへの前記ガスの流量を測定するステップと、
前記プラズマトーチへの前記ガスの圧力を測定するステップと、
前記ガスの前記流量及び前記圧力を少なくとも１つの所定値と比較し、それにより前記プラズマトーチの前記流路の幾何学的外観を検出するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２３】
前記流量を測定するステップは、前記プラズマトーチに流れる前記ガスの質量流量を測定するステップを含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記プラズマトーチを通る前記所定値よりも大きな流量を検出するステップを更に含み、それにより前記プラズマトーチの前記流路の一部を画成するノズル孔の拡大を検出することを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記流路の幾何学的外観の検出時に、前記プラズマトーチの作動を自動的に中断するステップを更に含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマアークトーチのようなトーチへのガスの供給に関し、特に、該トーチの作動パラメータに基づいてガスの流れを制御するための方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プラズマアーク装置は、切断及び溶接のために一般に使用されている。従来のプラズマアークトーチの一例は、ノズル内に配置された電極を含んでいる。加圧ガスは、このトーチに供給され、ノズルを通り該トーチの最も近くを流れ、そしてアークが電極と加工物との間に確立される。例えば、トーチを起動する典型的な一方法によると、電極とノズルとの間に低電流でアークを確立することによりパイロットモードを最初に開始する。このパイロットモードの間、ガスの流れもノズルを通り供給される。次に、トーチは、アークが電極及び加工物間に広がるようアークを加工物に移すことにより、パイロットモードから移送又は作動モードに切り替えられる。アークの電流は作動モードのため増加され、そしてガスの流量又は種類も調節することができる。アークはガスをイオン化し、そして結果として生じる高温ガスは切断又はその他溶接作業のために使用することができる。このようなトーチの一例及び起動操作は、「分離発生された非酸化及び酸化ガスの流れを有するプラズマアークトーチ起動方法(Plasma arc torch starting process having separated generated flows of non-oxidizing and oxidizing gas )」と題する、本発明の譲受人に譲渡され、西暦１９９１年５月２１日に発行された米国特許第５,０１７,７５２号明細書に更に記載されており、その全体は参照として本明細書に組み込まれる。
【０００３】
制量（metering）システムは、トーチのノズルを通流するガスを供給する。従来の制量システムの一例は、トーチに供給されるガスに一定圧力をもたらそうとして作動する。即ち、制量システムは、ガス源とトーチとの間に配置されていて、制量システムの下流側の圧力に基づいてガス源からトーチへのガスの流れを制御している。例えば、制量システムは、該制量システムからトーチへ流れるガスの圧力を表わすフィードバック信号を受け取る比例弁又は機械的圧力調整器とすることができる。一定圧力の制量システムは、迅速な応答をもたらすのが一般的である。即ち、圧力は、起動時に又はさもなければ所望時に比較的に迅速に調整することができる。しかしながら、一定圧力の制量システムによりもたらされる流量は変わることがあり、そのためトーチの特性に影響を与えると共に、トーチの諸構成要素の摩耗を恐らく増大させる。
【０００４】
別の従来の制量システムは、トーチに一定流量のガスを供給するよう構成されている。例えば、一定流量の制量システムは、ガス源からトーチへのガスの流れを制御するために絞り弁を含むことができる。この絞り弁がガス源から一定の上流側圧力でガスを受け取り、且つ下流側圧力が上流側圧力よりも十分に小さければ、絞り弁を通る流量は一定であろう。一定流れの制量は、比例弁又は固定孔を通じて一定の上流側圧力を供給することによっても達成することができる。トーチの異なる作動中に異なる流量が得られるように、選択可能な一群の孔を設けることができる。或いは、固定孔が所望の流量に基づいて異なる上流側圧力を選択的に受けることができる。いずれにせよ、一定流れの制量は、一貫したトーチ特性を概してもたらすと共に、トーチ構成要素の最適な寿命をもたらすことができる。しかしながら、一定流れでシステムを安定化するのに要する時間は少なからぬ長さになりうる。即ち、流量は制量システムにおいて一定かもしれないが、トーチの下流における流量及び圧力は、例えばトーチの起動中のような過渡作動モード中には漸近的に変動する可能性がある。特に、制量システムが一定の流れのガスを供給し始めた後、制量システム及びトーチの間にあるガスの流路は、安定化した圧力を得るのに１０秒又はそれ以上かかることがあり、その間、トーチは効率良く作動しない。
【０００５】
制量システムの形式に関係なく、電極は作動中に腐食されるようになりうる。腐食は、例えば、特定の作動モード中に非酸化性ガスをトーチに供給することによって最小にすることができる。しかしながら、電極は、特に応力や、起動及び停止の繰返し等を受けると、依然として腐食しうる。特に、電極は、二重アークが存在すれば、即ち、アークが電極及びノズルの間並びに電極及び加工物の間に同時に存在すれば、短時間に劣化しうる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、トーチにガスを供給するための改良型制量システム及び関連の方法の必要性が存在する。この制量システムは、実質的に一定の流量でガスを供給できなければならない。その上、制量システムは、例えば、トーチの起動時に又はトーチの作動に基づいて流量を調節したいその他の時間中に、比較的に短時間にトーチでの流量を変更できなければならない。更に、制量システムは、二重アークの存在のような望ましくないと考えられるトーチの特定作動モードの検出を随意に行なうことができなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、切断又はその他溶接作業のためのプラズマアークトーチのようなトーチにガスを供給する制量システム及び関連の方法を提供する。このトーチは、ノズル内に配置される電極を含むと共に、トーチの作動モード中の電気アークによるイオン化のためにノズルを通るガスを供給するのが典型的である。制量システムは、圧力調整器と、トーチに供給されるガスの流量及び圧力に基づいて該圧力調整器を選択的に調節するよう設定されたコントローラとを含んでいる。従って、圧力調整器は、所定の下流側圧力を迅速に達成すると共に、所定の流量を精確に達成し維持するよう調節することができる。
【０００８】
本発明の一実施形態によると、制量システムは、質量流量計のような流量変換器と、圧力変換器とを含んでいる。流量変換器は、ガスの流れを測定してトーチへのガスの流量を表わす流れ信号を発生するように構成されている。圧力変換器は、ガスの流れを受けてガスの圧力を指示するように構成されている。コントローラは、流量変換器及び圧力変換器と通信して、圧力調整器をしかるべく調節する。例えば、コントローラは、選択的に第１モード及び第２モードで作動するよう設定されうる。第１モードにおいて、コントローラは、所定の下流側圧力をもたらすよう圧力調整器を調節する。第２モードにおいて、コントローラは、例えば所定の流量を維持するため、トーチへのガスの流量に基づいて圧力調整器を調節する。コントローラは、流量変換器及び／又は圧力変換器から電気信号を受信し、圧力信号又は他の流体信号を介して圧力調整器を制御する。
【０００９】
制量システムは、トーチを通るガスの流れを監視することにより該トーチの幾何学的外観又は幾何学的形状の変化を検出するよう構成することもできる。例えば、コントローラは、流れ信号及び流れの圧力を少なくとも１つの所定値と比較し、それによりトーチの幾何学的形状の変化を検出するよう設定することができる。従って、コントローラは、特定の作動圧力に対する所定値よりも大きいか又は小さいノズル流量を検出することにより、トーチのノズルの拡大又は縮小を検出することができる。特定の場合には、コントローラは、トーチの作動を中断することにより、トーチの幾何学的形状の変化に応答することができる。
【００１０】
本発明は、プラズマトーチにガスを供給する方法も提供している。一実施形態によると、この方法は、プラズマトーチへ流れるガスの質量流量のような流量と圧力とを測定するステップを含んでいる。圧力調整器は、少なくとも１つの所定圧力を実質上供給するべく、プラズマトーチに供給されたガスの圧力に基づいて調節される。その上、圧力調整器は、実質的に定常な所定流量のガスをプラズマトーチに供給するべく、ガスの流量に基づいて調節される。例えば、第１の所定圧力は、トーチの起動中に発生もしくは供給することができ、また第１の所定圧力よりも大きいか又は小さい第２の所定圧力は、トーチにアークが確立された後、発生もしくは供給することができる。その後、圧力調整器は、定常な流量を維持するべく流量に基づいて調節されうる。
【００１１】
また、トーチの幾何学的外観は、流れの流量及び圧力を少なくとも１つの所定値と比較することにより検出することができる。例えば、トーチを通る流量がトーチにおける所定圧力に対する所定値よりも大きければ、又はトーチを流れるガスの圧力が所定値よりも小さければ、ノズル孔の拡大を検出することができる。、このような拡大の検出に応じて二重アーク検出信号を発生することができ、及び／又はトーチの作動を自動的に中断することができる。
【００１２】
概括的な言葉で本発明について説明してきたが、次に本発明について、必ずしも縮尺通りではない添付図面を参照して説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の全実施形態ではないが、その幾つかを示す添付図面を参照し、本発明について以下により詳しく説明する。本発明は、多くの異なる形態で実施可能であり、ここに示された実施形態に限定されるものと解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、その開示内容が徹底しており且つ完全であり、そして本発明の範囲を当業者に十分に伝達するように提示されている。同様の数字は、終始、同様の要素を指している。
【００１４】
図面、特に図１を参照すると、本発明の一実施形態による制量（metering）システム５０を含むプラズマアーク切断装置１０が概略的に例示されている。この制量システム５０は、ガス源１２ａ〜１２ｆからトーチ１４へ流れる１種以上のガスの流れを制御する。代表的には、トーチ１４は、切断又はその他溶接作業のために使用することができるプラズマアークトーチである。一般的に、トーチ１４は、ノズル１８内に配置される電極１６を含んでいる。アークは、この電極１６と加工物２０との間（又は、例えばパイロットモードの間には電極１６とノズル１８との間）に確立することができ、そしてガスの流れは、ノズル１８を介して供給され、切断プロセス中にアークによりイオン化される。トーチ１４の作動中にイオン化されるべく、ガスの流れは、制量システム５０に流体結合されたプラズマガス入口２２を経由してトーチ１４により受け入れられる。更に、このトーチ１４は、電極１６の近くにあり且つプラズマガスの流れの概して半径方向外側にある流路においてトーチ１４内を循環するシールドガスを受け入れるように構成されたシールドガス入口２４を画成している。プラズマアークトーチの構造及び作動は、西暦２００１年４月１０日に発行された「プラズマアークトーチ(Plasma arc torch)」と題する米国特許第６２１５０９０号明細書及び西暦２００２年１１月１４日に発行された「プラズマアークトーチ及び作動方法（Plasma Arc Torch and Method of Operation)」と題する米国特許願第１０/２９４９６８号明細書に記載されており、これらは本発明の譲受人に譲渡されており、その全体は参照として本明細書に組み込まれる。プラズマアークトーチの電極は、西暦１９９１年６月１１日に発行された「プラズマアークトーチ用電極及びその製造方法(An electrode for a plasma arc torch and method of fabricating same)」と題する米国特許第５０２３４２５号明細書に記載されており、その全体は参照として本明細書に組み込まれる。本発明の制量システム５０は、種々のトーチと共に使用することができ、かつ種々のガスを制御するのに使用することができる。
【００１５】
トーチ１４における異なる用途のために、或いはトーチ１４の異なる作動の間、多種のガスをトーチ１４に供給することができる。例えば、図１に示すように、制量システム５０は、切断プラズマガスライン２６を通る切断作業用プラズマガスの流れを調節供給するよう構成されていると同時に、起動プラズマガスライン２８を介して起動プラズマガスを、切断シールドガスライン３０を介して切断シールドガスを、起動シールドガスライン３２を介して起動シールドガスを、そしてエアライン３４を介して空気源からエアカーテンガスを供給することもできる。エアライン３４を通る空気の流れは、空気源３６により供給されると共に、ソレノイド３８により制御される。特定の場合には、水の流れがシールドガスの代わりに起動シールドガスライン３２に供給される。この水は、ポンプ４４、ソレノイド４６及び流れ変換器４８を含む水ポンプ装置４０を介して水供給源４０から供給することができる。水供給源４０と起動シールドガスライン３２との間には逆止弁４９を設けることができる。
【００１６】
切断又はその他の作業のために供給される各ガスは、トーチ１４の形式及び作動に基づいて選択することができる多成分ガスからなる混合物とすることができる。例えば、図１に示すように、トーチ１４に供給されるガスは、酸素、水素、メタン、窒素、アルゴン及び空気の混合物として供給されることができ、各成分は各ガス源１２ａ〜１２ｆにより供給される。ガス源１２ａ〜１２ｆの各々は、各ガスを供給する圧力容器又はその他の装置とすることができる。更に、各ガス源１２ａ〜１２ｆは、各ガスを所定の一定圧力で供給することができる。これに関連して、各ガス源１２ａ〜１２ｆは、制量システム５０に供給されるガスの圧力を制限もしくは制御するために圧力調整器又は圧力調整装置を含むことができる。
【００１７】
トーチ１４で使用されるプラズマガス及びシールドガスは、通常、ガス源１２ａ〜１２ｆからガス制量システム５０を経てトーチマニホルド８０へ、またそこを通りトーチ１４に流れる。制量システム５０は、流れの方向を制御すると共にガス源１２ａ〜１２ｆからの流れを開始及び停止させるため、多数の逆止弁５４ａ〜５４ｆ並びにソレノイド５６ａ〜５６ｆ，５８ａ〜５８ｄ及び５９ａ〜５９ｂを含む入口マニホルド５２を含んでいる。即ち、該入口マニホルド５２に入る各ガスは、各逆止弁５４ａ〜５４ｆを通り各ソレノイド５６ａ〜５６ｆ，５８ａ〜５８ｄ及び５９ａ〜５９ｂに流れる。ガスライン２６，２８，３０，３２を通るトーチ１４へのガスの流れを個々に制御するために、複数のソレノイドを各ガスについて設けることができる。例えば、ソレノイド５６ｄ，５８ｄは、酸素ガス源１２ｄからの酸素の流れを制御する。ソレノイド５６ｄを開閉することにより、混合調整器６０への酸素の流れを制御することができる。切断プラズマガスライン２６への酸素の流れは、ソレノイド５８ｄを開閉することにより単独で制御することができる。同様に、ソレノイド５６ｅ，５６ｆは、混合調整器６０への水素及びメタンの流れをそれぞれ制御し、ソレノイド５６ａ〜５６ｃ，５８ａ〜５８ｃは、シールド調整器６２及び切断プラズマガスライン２６への窒素、アルゴン及び空気の流れをそれぞれ制御する。ソレノイド５９ａは、起動プラズマガスライン２８への窒素の流れを制御し、ソレノイド５９ｂは、起動プラズマガスライン２８についての切断プラズマガスとして選択されたガスを選択する。フィルタ６４ａ，６４ｂは、制量システム５０全体にわたり設けることができ、圧力変換器６６ａ，６６ｂは、制量システム５０の異なる諸部分におけるガスの圧力を検出するために設けることができる。例えば、圧力変換器６６ａ，６６ｂは、混合調整器６０及びシールド調整器６２に入るガスの圧力を検出することができ、そして圧力変換器６６ａ，６６ｂは、該圧力が最小値を下回るか又は最大値を超えればオペレータに警告するか或いはプラズマアーク切断装置１０の作動を中断するため、オペレータに該圧力を示すか及び／又は該圧力を監視することができる。
【００１８】
混合調整器６０及びシールド調整器６２は、そこを通る実質的に一定の流量を維持するよう構成された流れ調整装置とすることができる。例えば、混合調整器６０及びシールド調整器６２の各々は、所望の流量に基づいて流路に選択的に配置される複数の平行な孔を含むことができる。ガスは、混合調整器６０及びシールド調整器６２から逆止弁及びソレノイドマニホルド７０へと流れる、即ち、トーチマニホルド８０へのガスの流れを制御するよう構成されたソレノイド７２ａ〜７２ｃ及び逆止弁７４ａ〜７４ｄの配列へと流れる。従って、混合調整器６０は、ソレノイド７２ｂが開いているときにシールド調整器として機能する。次に、トーチマニホルド８０は、切断プラズマガスライン２６及び起動プラズマガスライン２８をトーチ１４のプラズマガス入口２２に選択的に接続するため及び切断シールドガスライン３０及び起動シールドガスライン３２をシールドガス入口２４に選択的に接続するために、逆止弁８２ａ〜８２ｃ及びソレノイド８４ａ〜８４ｄを含んでいる。
【００１９】
従って、トーチ１４のプラズマガス入口２２へのプラズマガスの供給は、切断プラズマガスライン２６及び起動プラズマガスライン２８を経由して行われる。特に、ソレノイド５９ａは、起動プラズマガスライン２８への窒素の流れを制御するために開閉することができる。窒素は、ソレノイド５９ａから圧力調整器９０へと流れ、該圧力調整器９０はその下流側の圧力に基づいて調節されることができる。即ち、圧力調整器９０は、比例弁のような弁或いは別の装置とすることができると共に、圧力調整器９０の内部又は外部にある圧力フィードバックループを含むことができる。例えば、圧力設定装置９２は、圧力変換器９４での下流側圧力を表わす該圧力変換器９４からの電気圧力信号を受けるよう構成することができる。圧力変換器９４は、圧力を測定して該測定圧力を表わす電気信号を発生するよう構成された圧力計測装置とすることができる。圧力設定装置９２は、例えば、圧力変換器９４で所定圧力を達成するため測定圧力に応じて圧力調整器９０を開くか又は閉じることにより、圧力調整器９０をしかるべく調整することができる。例えば、圧力設定装置９２は、圧力変換器９４又はコントローラから電気圧力信号を受けると共に、制御ライン９６を介して圧力調整器９０に供給される流体制御圧力を調節することにより圧力調整器９０を調整する、例えば電気制御式圧力設定装置のような電気機械的装置とすることができる。制御圧力は、図１に示すように圧力供給ライン９８を介して窒素源１２ａのような圧力源の１つにより提供することができる。ガスは、圧力調整器９０からトーチマニホルドにある逆止弁８２ａを経てトーチ１４のプラズマガス入口２２に流れる。トーチマニホルド８０にあるソレノイド８４ａは、起動プラズマガスライン２８を通流するガスの幾分か又は全てを選択的に排気するのにも使用することができる。
【００２０】
切断プラズマガスライン２６へ流れる窒素、アルゴン、空気及び酸素のようなガスは各ソレノイド５８ａ〜５８ｄを介して供給することができる。ソレノイド５８ａ〜５８ｄを通流するガスの幾分か又は全ては、起動プラズマガスが切断プラズマガスと同じでありうるように、ソレノイド５９ｂを介して起動プラズマガスライン２８に向けることができる。さもなければ、ガスは、例えば約７ｋｇ/ｃｍ2(１００ｐｓｉ）の所定圧力を与えるように構成できる固定圧力調整器１０２及び圧力スイッチ１００に流れる。その後、ガスは、質量流量変換器１０４を通り、調節可能の圧力調整器１０６を経て、圧力変換器１０８に向けられる。起動プラズマガスライン２８における圧力調整器９０と同様に、圧力調整器１０６は、圧力設定装置１１０により調節することができる。即ち、圧力設定装置１１０は、切断プラズマガスライン２６における下流側圧力を表わす圧力信号を圧力変換器１０８から受けて、例えば制御ライン１１２における制御圧力を制御することにより圧力調整器１０６をしかるべく調節するよう、構成することができる。従って、圧力設定装置１１０及び圧力調整器１０６は、切断プラズマガスライン２６における圧力にさもなければ影響を与えるかも知れないトーチ１４の流れ変動に実質的に関係なくなり、切断プラズマガスライン２６において所定圧力を維持することができる。切断プラズマガスライン２６はまた、逆止弁及びソレノイドマニホルド７０から、即ち、ソレノイド７２ａ及び逆止弁７４ａを介してガスの流れを受けるように構成することもできる。切断プラズマガスライン２６には“Ｔ”形継手１４２又は流体チャンバが設けられていて、切断プラズマガスライン２６に入る種々のガスがそこで混合されるようになっている。トーチマニホルド８０における逆止弁８２ｂ及びソレノイド８４ｂは、トーチ１４のプラズマガス入口２２内へのガスの供給を制御する。
【００２１】
圧力調整器１０６は、下流側圧力変換器１０８に加えて質量流量変換器１０４にも応答することができる。この点について、図２には、圧力変換器１０８及び質量流量変換器１０４と連絡して圧力調整器１０６をしかるべく制御するよう構成されたコントローラ１２０が例示されている。このコントローラ１２０は、メモリ１２４に保存されたプログラム式ソフトウエアコードのような所定の作動指令に基づいて作動するプロセッサ１２２を含むことができる。特に、質量流量変換器１０４は、そこを通流するガスの質量流量を測定するよう構成することができ、また、圧力変換器１０８は、圧力調整器１０６の下流側を流れるガスの圧力を検出するよう構成することができる。質量流量変換器１０４は、質量流量に比例する電気流れ信号を発生する電気機械装置とすることができる。例えば、質量流量変換器１０４は、切断プラズマガスライン２６の流路内に配置された導電ワイヤの電気特性を測定し、それに基づいて電気流れ信号を提供することができる。質量流量変換器１０４は、切断プラズマガスライン２６を通流するガスの全てを受けるものとして例示されているが、該質量流量変換器１０４は、代わりに、切断プラズマガスライン２６を流れるガスの一部のみを監視することにより流量を測定するよう構成することができ、また特定の場合、質量流量変換器１０４は、ガスを受け入れないか或いは測定しているガスの一部のみを受け入れる。更に、質量流量変換器１０４は、図２において圧力調整器１０６の上流側にあるものとして例示されているが、質量流量変換器１０４は、例えば圧力調整器１０６の下流側のようなプラズマアーク切断装置１０におけるほかの位置に設けてもよいことが分かるであろう。質量流量変換器１０４及び圧力変換器１０８は、質量流量及び下流側圧力を表わす信号をコントローラ１２０に伝えることができる。次に、コントローラ１２０は、質量流量変換器１０４及び圧力変換器１０８から上述の信号を受信すると共に、圧力設定装置１１０を調節することによって応答し、該圧力設定装置がしかるべく圧力調整器１０６を調節する。
【００２２】
コントローラ１２０は、複数の作動モードで作動するよう構成することができる。各モードにおいて、コントローラ１２０は、圧力設定装置１１０を調節することにより圧力調整器１０６を制御することができる。即ち、コントローラ１２０は、圧力調整器１０６を制御するために該圧力調整器１０６と直接に通信する必要がない。例示的な第１の作動モードにおいて、コントローラ１２０は、圧力変換器１０８に基づいて圧力調整器１０６を調節することができる。第２の作動モードにおいて、コントローラ１２０は、質量流量変換器１０４に基づいて圧力変換器１０６を調節することができる。特に、第１の作動モードにおいて、コントローラ１２０は、圧力調整器１０６を調節して圧力変換器１０８で所定の下流側目標圧力を得るようプログラムすることができる。コントローラ１２０は、下流側圧力が目標圧力よりも低ければ圧力調整器１０６を開くことにより、そして下流側圧力が目標圧力よりも高ければ圧力調整器１０６を閉じることにより、通常そのようにすることができる。コントローラ１２０は、目標圧力及び下流側圧力の間の差に基づいて或いは圧力の変化速度のようなこれら圧力のいずれかの特性に基づいて種々の度合いで圧力調整器１０６を調節することができる。更に、ある場合、コントローラ１２０は、特定の圧力を得るため所定パラメータに基づいて圧力調整器１０６を調節することができる。例えば、コントローラ１２０には、圧力調整器１０６について所定の目標圧力に対応する調節設定値を書き込むことができる。従って、プログラム化した目標圧力を得て維持するために圧力調整器１０６を調節する場合、コントローラ１２０は、圧力調整器１０６を所定設定値に調節することができ、そして随意であるが、その後、圧力調整器１０６に対する追加の調節を行なうことができる。
【００２３】
更に、コントローラ１２０は、トーチ１４の作動に応じて異なる目標圧力を実現するべく圧力調整器１０６を調節することができる。例えば、トーチ１４の起動中、コントローラ１２０は、トーチ１４の起動に適切であると予め決定された流量に対応付けられる第１の定常状態圧力を得るべく圧力調整器１０６を調節することができる。次に、アークが確立された後、コントローラ１２０は、切断モードでトーチ１４を作動するのに適する流量に対応付けられる第２の圧力を得るべく圧力調整器１０６を調節することができる。例えば、プラズマチャンバを通るガスの流れは、アークが始まるときのプラズマチャンバ内のガスの温度により影響され、これは次いで、ある流量を得るのにプラズマチャンバの上流側に必要なガスの圧力に影響を与える。特定の流量を得るために必要なこの圧力は、理論的に又は経験的に決定しメモリ１２４に保存しておくことができる。このようにして、コントローラ１２０は、圧力調整器１０６を調節し、トーチ１４の各作動モードに適する流量に対応する実質的に不変の下流側圧力を迅速に実現することができる。圧力調整器１０６の下流側におけるガスの流路が大きな容積を定めていても、例えば、長いガスホースが圧力調整器１０６とトーチ１４との間に設けられていても、コントローラ１２０は、下流側圧力に基づいて圧力調整器１０６を調節することにより、トーチ１４での適切な流量を迅速に実現することができる。従って、コントローラ１２０は、実質的に定常状態の作動を迅速に実現することができる。
【００２４】
第２の作動モードにおいて、コントローラ１２０は、代わりに、質量流量変換器１０４により測定された質量流量に基づいて圧力調整器１０６を調節することができる。即ち、コントローラ１２０は、質量流量変換器１０４からそこを通る質量流量を表わす信号を受信して圧力調整器１０６を調節し、目標流量を得るために流量を増減することができる。例えば、アークが確立すると共に、コントローラ１２０が圧力調整器を調節して目標下流側圧力を実質的に達成した後、コントローラ１２０は、第２の作動モードを自動的に実行して、圧力調整器１０６の調節、例えば圧力調整器１０６の“微調整”を開始して、実質的に目標流量を達成する。流量に基づく圧力調整器１０６の調節は、定常状態の作動を達成するのが緩慢でありうるが、流量に基づく調節は、実質的な定常状態が達成された後に用いることができ、その後、トーチ１４に定常な流量のガスをより精確に提供する。精確に制御されたガス流量は、トーチの定常状態作動及び寿命の改善を実現するために重要であると考えられる。従って、適切な流量が第１の作動モードにおいて下流側圧力に基づいて実質的に達成された後、制量システム５０は、流量の微調整をそれ以降続行して、トーチ１４の作動中、実質的に定常な流量を実現し維持することができる。
【００２５】
制量システム５０は、プラズマアーク切断装置１０の任意の過渡作動状態中に連続作動モードで作動することができる。即ち、制量システムは、下流側圧力に基づいて、その後流量に基づいて圧力調整器１０６を先ず調節することにより、トーチの作動中の任意のときに所望の流量を迅速に実現し維持することができる。過渡作動状態は、起動、停止、或いはトーチ、ガス源１２ａ〜１２ｆ等の何らかの構造上又は作動上の変化の再に起こりうる。更に、図２のコントローラ１２０は、切断プラズマガスライン２６を通るガスの流れを制御するように設定されるものとして例示されているが、コントローラ１２０は、それに代えて又はそれに加えて、プラズマ起動ガス、シールドガス、供給源４０からの水、或いはトーチ１４で又はそうでないもので使用される流体を制御するために設けうることが分かる。
【００２６】
本発明の一実施形態において、トーチ１４を通るガスの流れの変化は、圧力変換器１０８又は質量流量変換器１０４により測定される圧力の変化を監視することによって検出することができる。例えば、トーチ１４による切断作業のためアークが確立された後、コントローラ１２０は、上述したように、質量流量変換器１０４により測定された質量流量に基づいて圧力調整器１０６を連続的に調節するよう構成することができる。加えて、コントローラ１２０は、質量流量、圧力変換器１０８での下流側圧力、及び／又は下流側圧力に対するトーチ１４へのガスの質量流量の関係を連続的に調整することができる。例えば、コントローラ１２０は、質量流量及び下流側圧力の間の関係を特定形式のトーチ及びノズル並びに特定の作動パラメータについての所定の関係と比較することができる。該関係は、ノズル１８の孔の大きさのようなトーチ１４の幾何学的外観に対応することができる。従って、コントローラ１２０が質量流量及び下流側圧力の間の予期しない関係を検出すれば、コントローラ１２０は警報の光、音等でオペレータに合図することができる。或いは、コントローラ１２０は、例えば、アークを終了するか及び／又はガス流を調節することにより、トーチ１４の作動を自動的に中断又は停止することができる。
【００２７】
特に、コントローラ１２０は、ノズル１８の腐食又は劣化によるノズル１８の幾何学的形状の変化のようなトーチ１４の幾何学的形状の変化を検出することができる。例えば、ノズル１８の著しい腐食は、トーチ１４における二重アークの発生を表わすと考えることができる。即ち、もしトーチ１４の作動中にアークが電極１６及びノズル１８の間と電極１６及び加工物２０の間に同時に発生すれば、ノズル１８が迅速に腐食する可能性があり、そのためノズル１８の孔が拡大する。ノズル１８に対する二重アーク、傷付き又はその他の損傷によるノズル孔のかかる拡大は、トーチ１４に供給されるガスの同一又はより低い圧力について、ノズル１８を通る流れが予想よりも多くなる結果になりうる。或いは、同一又はより高い圧力について流れが予想よりも少ないことは、ノズル１８が例えば同ノズル１８にある塵芥により少なくとも部分的に塞がれていることを示しうる。従って、特定圧力について流れが予想よりも多いことはノズル１８の拡大を指示することがあるのに対して、特定圧力について流れがより少ないことは閉塞を指示することがある。従って、質量流量及び下流側圧力を監視すると共に、流量及び圧力間の関係をその予想値と比較することにより、コントローラ１２０は、トーチ１４に生ずる二重アーク又はその他の望ましくない状態の発生を精確に検出することができる。特定の場合、コントローラ１２０による二重アーク又はその他の諸問題の検出は、ノズル１８が相当に影響を受けた後にのみ行われる。それにも拘わらず、このような監視は、ノズル１８が損傷した後に更なる損傷がプラズマアーク切断装置１０に起こるのを防止することができる。
【００２８】
本発明についての多くの変形例及びその他の実施形態は、前述の説明及び添付の図面に提示された教示内容の利点を有して、本発明が関係する技術に習熟した者に想到されるであろう。従って、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、また、上述の変形例及びその他の実施形態は、特許請求の範囲に含まれるべきものと考えられるべきである。この明細書では特定の用語が用いられているが、それらは、単に一般的且つ説明的意味であり、限定のために使用されているのではない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態に基づいてトーチについての制量システムを含むプラズマアーク切断装置を例示する系統図である。
【図２】本発明の一実施形態に基づく制量システムを例示する系統図である。
【符号の説明】
【００３０】
１４    トーチ（プラズマトーチ）
１８    ノズル
５０    制量システム
６６ａ  圧力変換器
６６ｂ  圧力変換器
９０    圧力調整器
９２    圧力設定装置
９４    圧力変換器
１０２    圧力調整器
１０４    質量流量変換器（流量変換器）
１０６    圧力調整器
１０８    圧力変換器
１１０    圧力設定装置
１２０    コントローラ
【図１】
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【図２】
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【外国語明細書】
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