(57)【要約】本発明は、入口端部３及び出口端部４を有するプラズマ・チャネル２を形成する電極１と、粉末状材料を前記プラズマ・チャネル２に供給する手段５とを備える、前記粉末状材料を溶射するためのプラズマ溶射装置に関する。粉末供給手段５は、プラズマ・チャネル２のプラズマ流の方向で見て、その手段５の上流に位置する前記電極１の第１の区画６と、その手段５の下流に位置する前記電極１の第２の区画７との間に配置される。
2005539143.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口端部（３）及び出口端部（４）を有するプラズマ・チャネル（２）を形成する電極（１）と、粉末状材料を前記プラズマ・チャネル（２）に供給する手段（５）とを備える、前記粉末状材料を溶射するためのプラズマ溶射装置であって、
前記粉末供給手段（５）が、前記プラズマ・チャネル（２）のプラズマ流の方向で見て、前記手段（５）の上流に位置する前記電極（１）の第１の区画（６）と、前記手段（５）の下流に位置する前記電極（１）の第２の区画（５）との間に配置されることを特徴とする、プラズマ溶射装置。
【請求項２】
前記第１の区画（６）及び前記第２の区画（７）が、前記プラズマ溶射装置の使用中に、前記プラズマ・チャネル（２）内で異なる状態が生じるように形成される、請求項１に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項３】
以下のパラメータ、すなわち、前記区画の長さ、前記区画（６、７）内の電極（１）の数、及び前記区画（６、７）内の前記プラズマ・チャネル（２）の幾何形状のうちの少なくとも１つが、前記第１と第２の区画（６、７）の間で異なる、請求項１又は２に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項４】
追加の粉末供給手段（９）が、電極（１）の第３の区画（８）と、前記第１及び第２の区画（６、７）のうちの１つとの間に配置される、前記請求項のいずれか一項に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項５】
複数の粉末供給手段（５、９）が設けられ、前記粉末供給手段（５、９）のそれぞれが、前記手段（５、９）の上流に位置する前記電極の区画（６、７）と、前記手段（５、９）の下流に位置する前記電極の区画（７、８）との間に配置される、前記請求項のいずれか一項に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項６】
少なくとも１つの区画（６、７、８）における電極（１）の数が少なくとも２つである、前記請求項のいずれか一項に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項７】
前記プラズマ・チャネル（２）の前記入口端部（３）に最も近い前記区画（６）における電極（１）の数が少なくとも２つである、請求項６に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項８】
前記粉末供給手段（５、９）が、前記プラズマ・チャネル（２）の中心軸に対してある角度で粉末を供給するための空間（１０）を形成する、前記請求項のいずれか一項に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項９】
前記空間（１０）が、前記手段（５、９）の最も近い下流にある前記電極（１）中の凹部（１２）からある距離を置いて配置される、前記手段（５、９）の最も近い上流にある前記電極（１）上の凸部（１１）によって形成される、請求項８に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項１０】
前記凸部（１１）が、円錐形であり、前記プラズマ・チャネル（２）の前記中心軸に対して角度（α）を成す、請求項９に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項１１】
前記角度（α）が１５〜２５°である、請求項１０に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項１２】
前記凹部（１２）が、円錐形であり、前記プラズマ・チャネル（２）の前記中心軸に対して角度（β）を成す、請求項９から１１のいずれか一項に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項１３】
前記角度（β）が１７〜３０°である、請求項１２に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項１４】
前記凹部（１２）の前記角度と前記凸部（１１）の前記角度の差（β−α）が１．５°から５°である、請求項１０及び１２に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項１５】
前記粉末供給手段（５、９）が、接線方向の粉末供給が行われるように、前記プラズマ・チャネル（２）の前記中心軸に対してある角度を成す開口（１３）を備える、前記請求項のいずれか一項に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項１６】
１つの区画（７）の前記プラズマ・チャネル（２）の直径が、前記区画（７）の上流に位置する区画（６）の前記プラズマ・チャネル（２）の直径よりも大きい、前記請求項のいずれか一項に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項１７】
少なくとも１つの区画（８）の前記プラズマ・チャネル（２）の直径が、前記区画（８）の上流に位置する各区画（６、７）の前記プラズマ・チャネル（２）の直径よりも大きい、前記請求項のいずれか一項に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項１８】
前記電極（１）の長さが、前記プラズマ・チャネル（２）の前記入口端部（３）からのそれらの距離に従って増大する、前記請求項のいずれか一項に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項１９】
少なくとも１つの区画（６、７、８）において、最も離れた上流にある電極（１）の長さが、前記区画（６、７、８）の前記最も離れた上流にある電極（１）の前記プラズマ・チャネル（８）の直径に等しい、前記請求項のいずれか一項に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項２０】
１つの区画（６、７、８）において、前記最も離れた上流にある電極（１）の下流に位置する、前記区画（６、７、８）の電極（１）の長さが、
Ｌｎ＝ｎ×ｄｃｈａｎｎｅｌ
で計算され、上式でｌｎは電極ｎの長さであり、ｎは一区画における前記電極の序数であり、ｄｃｈａｎｎｅｌは前記電極ｎの前記プラズマ・チャネルの直径である、請求項１９に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項２１】
少なくとも１つの区画（６、７、８）において、前記プラズマ・チャネル（２）の直径が、前記区画（６、７、８）で変動する、請求項１から１９のいずれか一項に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項２２】
カソード（１４）と、前記カソード（１４）からある距離を置いて、それと同軸に配置されたアノード（１５）とを更に備え、前記装置の使用中にその間で電気アークが発生し、その中にガスが導入されてプラズマを形成し、前記電極（１）が前記カソード（１４）と前記アノード（１５）の間に配置されて前記プラズマ・チャネル（２）を形成する、前記請求項のいずれか一項に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項２３】
前記電極（１）が環状である、前記請求項のいずれか一項に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項２４】
前記電極（１）が同軸に配置される、前記請求項のいずれか一項に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項２５】
入口端部（３）及び出口端部（４）を有するプラズマ・チャネル（２）を形成する電極（１）を備えるプラズマ溶射装置を用いて粉末状材料をプラズマ溶射する方法であって、
前記粉末状材料が、前記電極（１）の２つの区画（６、７）の間に位置する少なくとも１つの供給点でプラズマ溶射装置に供給され、前記区画（６、７）がそれぞれ前記供給点の上流及び下流に位置することを特徴とする、方法。
【請求項２６】
前記供給点の上流に位置する前記区画（６）を用いて、前記プラズマ流に必要な状態を生じさせる、請求項２５に記載の粉末状材料をプラズマ溶射する方法。
【請求項２７】
前記供給点の下流に位置する前記区画（７）を用いて、前記粉末状材料の加熱及び前記粉末の他の諸特性を制御する、請求項２５又は２６に記載の粉末状材料をプラズマ溶射する方法。
【請求項２８】
以下のパラメータ、すなわち、前記区画（６、７）の長さ、前記区画内の電極（１）の数、及び前記区画（６、７）内の前記プラズマ・チャネル（２）の幾何形状のうちの少なくとも１つが、それぞれ上流及び下流に位置する前記区画（６、７）の間で異なる、請求項２５から２７のいずれか一項に記載の粉末状材料をプラズマ溶射する方法。
【請求項２９】
粉末状材料が、前記電極（１）の前記２つの区画（６、７；７、８）の間に位置する少なくとも２つの供給点で供給され、前記区画（６、７；７、８）が前記各供給点のそれぞれ上流及び下流に位置する、請求項２５から２８のいずれか一項に記載の粉末状材料をプラズマ溶射する方法。
【請求項３０】
粉末状材料を焼却するための請求項１から２４のいずれか一項に記載の装置の使用。
【請求項３１】
粉末状材料を焼却するための請求項２５から２９のいずれか一項に記載の方法の使用。
【請求項３２】
追加の粉末状材料が、焼却すべき前記粉末材料を中和又は変換するために供給される、粉末状材料を焼却するための請求項２５から２９のいずれか一項に記載の方法の請求項３１に記載の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入口端部及び出口端部を有するプラズマ・チャネルを形成する電極と、粉末状材料を前記プラズマ・チャネルに供給する手段とを備える、前記粉末状材料を溶射するためのプラズマ溶射装置に関する。本発明は、更に、プラズマ溶射の方法に関する。最後に、本発明は又、粉末状材料を焼却するためのプラズマ溶射装置の使用にも関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ溶射装置又はプラズマトロンは、例えば様々な種類の表面被覆に関して、粉末状材料を低電力で溶射するのに使用されている。この種の装置は一般に、カソード、アノード、及びその間に形成されるプラズマ・チャネルを備える。この装置の使用中に、アノードとカソードの間のプラズマ・チャネルに電気アークが発生し、次いで、プラズマ・チャネルにガスが導入されてプラズマが形成される。その結果、プラズマ・ジェットが、プラズマ・チャネルを介して、カソードに隣接する入口端部からアノードに隣接する出口端部に流れる。同時に、粉末状材料がプラズマ・ジェットに供給されて、それが溶射されることになる。
【０００３】
現在、粉末を供給するのに２つの選択肢のうちの１つが使用されている。
【０００４】
第１の選択肢によれば、粉末は、アノードに隣接する、プラズマ・チャネルの出口領域に導入される。この選択肢の１つの利点は、粉末が供給されるときには、プラズマ流が完全に発達しており、ある定められた特性（温度、速度、断面積、エネルギー等）を有することである。これらの特性は、とりわけプラズマ・チャネルの幾何形状、使用するプラズマ生成ガス、及び供給するエネルギー量に依存する。アノードから粉末を供給することのもう１つの利点は、プラズマ流の加熱が、粉末状材料の特性によって影響を受けないことである。
【０００５】
粉末供給のこの変形例に関して、粉末は通常プラズマ流に垂直に供給される。したがって、アノード領域から被覆すべき表面に向かって移動する粉末粒子の経路は、主に粒子の寸法及び重量に依存する。より大きくより重い粒子はプラズマ・ジェットの高温域に直接進入するが、より軽い粒子は、先ずプラズマ・ジェットの中心部の、アノードから比較的離れた位置にある比較的低温域にしか到達しない。これは、粉末粒子の一部が十分に熱くならず、更に、それら粒子が標的、すなわち、例えば粉末状材料で被覆すべき対象物に到達できない危険があることを意味する。
【０００６】
これでは、粉末状材料の大部分が無駄になり、その結果材料経済性が低下するので不利である。言い換えれば、粉末溶射被覆は、供給される粉末の極く一部だけを使用して形成されるのである。これは、高価な被覆材料が用いられる場合、特に問題になる。この問題は、より均質の粉末を用いることである程度は解決することができる。しかし、このような粉末に関する欠点は、それらを製造するのが困難であり、したがって、比較的高価なことである。
【０００７】
プラズマ・チャネルの出口領域から粉末を垂直に供給することに伴う問題を回避するために、粉末を水平に供給するようにプラズマ・ジェット内に供給パイプを直接配置する試みがなされている。しかし、その１つの欠点は、プラズマ流の加熱に関して問題が生じ、プラズマ流の特性が著しく干渉されることである。
【０００８】
プラズマ・チャネルの出口からアノード領域に粉末状材料を導入することに一般に伴うもう１つの欠点は、均質な被覆が得られるように、プラズマ流を高温に維持し、且つその比出力（単位体積当たりの出力）を維持するのに大量のエネルギーが必要となることである。これは、粉末が供給される、プラズマ溶射装置の出口のプラズマ流が、事実上放物線状の温度及び速度分布を有することに起因すると考えられている。すなわち、プラズマ流の温度勾配、速度勾配、及び熱エンタルピーは、プラズマ・ジェットの直径に反比例する。溶射被覆の均質性を高めるには、したがって、プラズマ・ジェットの直径を増大させる必要があり、これには多くのエネルギーが必要となる。
【０００９】
米国特許第３１４５２８７号及び同第４４４５０２１号は、粉末状材料が、プラズマ・チャネルの出口からアノード領域に導入されるプラズマ溶射装置について開示している。
【００１０】
第２の周知の選択肢によれば、粉末はカソードからプラズマ・チャネルの入口に供給される。この場合、粉末は、プラズマ生成ガスと同時にアークによって加熱される。カソード領域は、粉末がプラズマ流の中心部に導入されることを可能にする低温域であると考えられる。
【００１１】
カソード領域から、電気アークが所定の放電電流で発生するプラズマ・チャネル内にガスを供給すると、ガスの極く一部は高温のチャネル中心部に流れ込むが、ガスの残りの部分は、チャネル壁に沿って流れて、チャネル壁と電気アークの間で低温のガス層を形成することになる。このガス分布では、入口から供給される粉末の極く一部だけが電気アークに流れ込み、粉末の大部分はチャネル壁に隣接する低温層を流れることになる。この結果、粉末が不均一に加熱されることになり、このプロセスを制御するのが困難になる。更に、チャネル及びアノードが粉末で詰まる危険があり、そのため、安定したプラズマ流に必要な状態（ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ）に悪影響を及ぼすことになる。
【００１２】
ガス及び粉末の流量を増やすことによって、チャネルの中心部に移動する量を増大させようとするのは、実用的な選択肢ではない。この理由は、ガス及び粉末の流量が増大し、一方で電流が一定に保たれると、電気アークの直径が縮小することになり、チャネル壁に沿った低温領域に粉末材料が堆積する問題を更に悪化させることになるからである。同時に、粉末粒子の速度も増大するので、実際に加熱域に達する粉末粒子がこの区域に留まる時間が減少する。このため、プロセスの質は更に低下する。したがって、電流が一定のままである場合、高温域の材料量を増やすことはできない。電流を増大することは、プラズマ溶射装置の設計にとっても操作にとっても不利であることを意味する。
【００１３】
米国特許第５２２５６５２号、同第５３３２８８５号、及び同第５４０６０４６号は、粉末がカソードから供給されるプラズマ溶射装置について開示している。
【００１４】
プラズマ溶射プロセスを分析すると、形成される被覆の特性は、主に溶射中の粉末の熱状態及び速度に依存することが判明している。用語「熱状態」はここでは、主として材料の熱プロフィル及び凝集状態を意味する。従来技術のプラズマ溶射装置では、上述のように、粉末の熱状態及び速度を制御することは難しい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の目的は、被覆特性を満足に制御できるだけでなく、優れた均質性をも可能にする、粉末状材料を低電力で溶射するための改良型プラズマ溶射装置を提供することである。更に、本発明は、様々な特性を有する材料及び化合物の被覆を溶射することを可能にする。最後に、本発明を使用して、粉末状材料を分解することも可能である。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明によれば、この目的は、前置きとして述べた種類の装置、すなわち、プラズマ・チャネルの入口端部から出口端部に流れるプラズマ流の方向で見て、前記粉末供給手段が、その手段の上流に位置する前記電極の第１の区画と、その手段の下流に位置する前記電極の第２の区画との間に配置される装置を用いて達成される。
【００１７】
したがって、粉末状材料は、プラズマ・チャネルの入口端部（カソード端部）からでも、出口端部（アノード端部）からでもなく、それら２つの区画の間の、チャネルに沿ったある箇所から供給される。この設計のために、粉末がプラズマ流に供給される前でも後でも、プラズマ流の特性を制御することができ、したがって、所望の被覆特性及び優れた均質性が得られるように粉末粒子の速度及び加熱を制御することが可能になる。更に、本発明によるプラズマ溶射装置では、比較的小さな直径のプラズマ・チャネルを使用することができ、その結果、低消費電力及び低動作電流が実現される。
【００１８】
その場合、粉末供給部の上流に位置する区画を適切に用いて、材料が効果的に加熱されるように、プラズマ流を最適状態にすることができる。粉末供給部の下流に位置する区画を用いると、粉末状材料の加熱、及び粉末の速度等の粉末の他の諸特性を制御することが可能になる。このようにして、プラズマ溶射プロセスを高効率且つ満足に制御することができる。
【００１９】
好ましくは、粉末供給手段の上流に位置する区画及び粉末供給手段の下流に位置する区画は、プラズマ溶射装置の使用中に、プラズマ・チャネル内で異なる状態が生じるように設計することができる。
【００２０】
第１の区画（粉末供給部の上流）は、プラズマ流を加熱するように適合されており、その特性は、チャネルの断面積全体にわたって粉末を効率的且つ高速に加熱することができるものである。好ましくは、この区画におけるすべての電極の合計の長さは、ガスが完全に加熱される、すなわち、所望の温度プロフィルが得られるのに十分である。その結果、粉末が十分に加熱されるので、そうでなければチャネル壁に付着するかもしれない粉末の量が大幅に減少する。
【００２１】
第２の区画（粉末供給部の下流）では、通常、粉末が低温の搬送ガスと共にチャネル内に導入されるために生じるプラズマの冷却を補償するために、追加のエネルギーを先ず供給する。更に、所望のプラズマ・ジェット特性が得られるように、且つ、溶射被覆に必要な溶着性、構造、及び空隙率が得られるのに必要な速度及び熱レベルまで粉末が達するように、第２の区画でエネルギーの供給を制御する。
【００２２】
好ましくは、以下のパラメータ、すなわち、区画の長さ、区画内の電極の数、及び区画内のプラズマ・チャネルの幾何形状のうちの少なくとも１つを、前記第１の区画と第２の区画で異なるようにすることによって、これらの区画のプラズマ・チャネルで異なる状態を生じさせることができる。
【００２３】
適切には、複数の粉末供給手段を設けることができ、前記粉末供給手段のそれぞれは、その手段の上流に位置する前記電極の区画と、その手段の下流に位置する前記電極の区画の間に配置される。これは、溶射被覆のために２種類以上の粉末が供給される場合に特に便利である。したがって、各粉末種を別々に供給することができ、異なる粉末種を混ぜ合わせる必要がなく、そのため、供給量に関して異なる粉末種間で所望の比率を確保することができる。
【００２４】
一区画における電極の数は、１個以上とすることができる。但し、少なくとも１つの区画における電極の数は、好ましくは２個である。これは、以下の理由で有利である。各区画のチャネル部分における放電電流は、同じ値を有する。プラズマ・チャネルの中心軸に沿った、電気アークの中心部は、放電電流Ｉとプラズマ・チャネルの直径ｄの比に比例する温度Ｔ（Ｔ＝（Ｉ／ｄ））を有する。したがって、低電流レベルを維持しながら、区画の端部でプラズマ流の温度レベルを増大させるには、プラズマ流の断面積、すなわちガスを加熱する電気アークの断面積を縮小しなければならない。電気アークの断面積が小さいと、チャネル内の電界強度が高い値になり、この区画の電圧は、通常用いられるタイプのプラズマ生成ガスのプラズマの自然の電圧（ｎａｔｕｒａｌ  ｖｏｌｔａｇｅ）よりも数倍高くなり得る。
【００２５】
同時に、この区画の後ろで導入される粉末を効果的に加熱するために比較的大きなガス流を加熱する必要がある場合、チャネルは比較的長くなければならない。その理由は、加熱されるガス流が電気アークの中心部と同じ温度に達するには、ガス流はプラズマ・チャネルの中心軸に沿って、プラズマ・チャネルをある長さ通過して流れなければならないからであり、この長さはガスの加熱距離に相当する。ガス流が増大すると、ガスの加熱距離も長くなり、したがって区画におけるプラズマ・チャネルの長さも比較的長くなるはずである。
【００２６】
チャネルの断面積が小さく且つ区画におけるその長さが長いことが相まって、比較的長い距離にわたって高い電界強度が得られるが、これは、１つの長い電気アークの代わりに、２つのより短い、連続した（ｃｏｎｓｅｃｕｔｉｖｅ）アークが発生し得ることを意味する。これらのより短いアークは、より低電圧で燃焼し、ガスを効果的に高温まで加熱しない。電気アークがより短いアークに分裂する問題は、区画を、互いに電気絶縁された少なくとも２つの別々の電極に分割することで防止できる。電極の数、並びに各電極の長さは、所望のガス流レベル及び区画の端部におけるガス・ジェット温度に依存する。したがって、このプラズマ装置は、比較的小さな直径のプラズマ・チャネルで形成することができ、その結果、低消費電力及び低動作電流が実現される。これによって、低電力溶射が可能になる。
【００２７】
ある応用例では、プラズマ・チャネルの入口端部に最も近い区画の電極の数を少なくとも２個にして、電気アークが２つのより短い電気アークに分裂する危険を低減させるのが特に好都合である。
【００２８】
プラズマ・チャネルへの粉末供給に関し、粉末供給手段は、プラズマ・チャネルの中心軸に対して９０°未満の角度を成す空間を適切に形成する。適切には、前記空間は、その手段の最も近い上流にある電極上の凸部によって形成することができ、これはその手段の最も近い下流にある電極上の凹部からある距離を置いて配置される。
【００２９】
粉末をプラズマ・チャネルの中心軸に対して９０°よりも小さい角度で投入することによって、粉末をプラズマの中心部に搬送することができるので、粉末がチャネル壁に付着する危険は少なくなる。
【００３０】
好ましくは、前記凸部は円錐形であり、プラズマ・チャネルの中心軸に対して角度（α）を成す。ここで、角度（α）は適切には１５〜２５°の範囲である。前記凹部は、したがって適切には円錐形とすることができ、プラズマ・チャネルの中心軸に対して角度（β）を形成する。ここで、角度（β）は適切には１７〜３０°の範囲である。この点に関連して、凸部は、好都合には、凹部内に部分的に嵌入（ｉｎｓｅｒｔ）し、それによって、凸部と凹部の間にプラズマ・チャネルの中心軸に対してある角度で粉末を導入するための空間が形成されるように、凹部からある距離を置いて配置される。前記空間は、凹部の前記角度と凸部の前記角度の差（β−α）が、１．５°から５°である場合、特に好都合な形状を取る。
【００３１】
このようにして、粉末は、放電チャネル内に、基本的にその中心線に沿って満足に導入される。
【００３２】
使用する粉末の種類に応じて、粉末は、円形、環状の開口を介して、孔システムを介して、或いはチャネルの断面の接線方向から導入することもできる。接線方向から投入すると渦流が生じるが、これはある種の粉末にとって特に望ましい。
【００３３】
適切には、少なくとも１つの区画のプラズマ・チャネルの直径は、前記区画の上流に位置する区画のプラズマ・チャネルの直径よりも大きい。好ましくは、１つの区画のプラズマ・チャネルの直径が、前記区画の上流に位置するあらゆる区画のプラズマ・チャネルの直径よりも大きくなるように、連続する区画のチャネルの直径を増大させる。これは、粉末及び搬送ガスが供給される毎に、プラズマ・チャネルを通る流量が増大するので、有利である。したがって、チャネル内の速度が流量の増大と共に増加して、プラズマ及び粉末の加熱時間が減少してしまうのを防止するには、プラズマ・チャネルの直径を増大させるのが好都合である。
【００３４】
最も高い電界強度がカソードで生じるので、電極の長さは、カソードからの距離だけ適切に増大される。というのは、電界強度がプラズマ・チャネルの入口端部からの距離に伴って低減するからである。したがって、電極の長さは、好ましくは、最初は短く、区画の端部に向かって長くなる。好ましくは、少なくとも１つの区画において、最も離れた上流にある電極の長さが、前記最も離れた上流に位置する電極のプラズマ・チャネルの直径に等しい。適切には、すべての電極の長さは、式ｌｎ＝ｎ×ｄｃｈａｎｎｅｌによって決定することができる。但し、ｌｎは電極ｎの長さであり、ｎはプラズマ・チャネルの入口端部から見た、一区画における電極の序数である。ｄｃｈａｎｎｅｌは、電極ｎのチャネルの直径である（ｌ１は、プラズマ・チャネルの入口端部に最も近い電極の長さであり、その長さはその直径に等しく、ｌ１＝１×ｄｃｈａｎｎｅｌである）。
【００３５】
適切には、プラズマ・チャネルは環状電極によって形成され、これらを有利には同軸に配置することができる。
【００３６】
本発明は更に、入口端部及び出口端部を有するプラズマ・チャネルを形成する電極を備える、プラズマ溶射装置を用いて、粉末状材料をプラズマ溶射する方法に関する。本発明による方法では、粉末状材料は、前記電極の２つの区画の間に位置する少なくとも１つの供給点でプラズマ溶射装置に供給され、これらの２つの区画は、それぞれその供給点の上流及び下流に位置する。
【００３７】
従来技術に優る本発明の利点は、装置に関して上述した利点に対応する。
【００３８】
好ましくは、供給点の上流に位置する区画を用いて、プラズマ流に必要な状態を生じさせる。更に、供給点の下流に位置する区画を適切に用いて、粉末状材料の加熱及び粉末の他の諸特性を制御する。
【００３９】
最後に、本発明は、粉末状材料を焼却するための本発明による装置の使用に関する。粉末状材料を焼却するには、材料を装置に供給し、そこでプラズマを用いて粉末状材料を焼却するか或いはそれを新しい物質に変換する。この装置は特に、環境に有害な材料、又はその他の点で有害な材料を焼却又は変換するのに用いる。
【００４０】
この種の焼却では、焼却すべき粉末状材料の他に、追加の粉末状材料を好都合に供給して、その焼却すべき粉末状材料を中和又は変換することもできる。適切には、追加の材料は、焼却すべき材料に使用する以外の材料供給手段を介して供給される。
【００４１】
本発明による装置は、プラズマ・チャネル内の諸特性に影響を与える優れた性能（ｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｉｅｓ）を有するので、様々なタイプの材料を焼却するのに特に適している。
【００４２】
本発明の現時点における好ましい実施例を例として示す添付の概略図面を参照して、本発明を以下により詳細に説明する。
【実施例】
【００４３】
図１は、カソード支持体１６内に配置された、好ましくはランタンを含有するタングステン製のカソード１４を備える、本発明によるプラズマ溶射装置の一実施例を示す。カソード支持体１６は、プラズマ生成ガスＧを供給する手段として、且つカソード支持体１６用の冷却器として働く内部チャネル１７を有する。この装置は更に、プラズマ・チャネル２を形成する、いくつかの同軸に配置された環状電極１を備える。プラズマ・チャネル２は、その入口端部３にあるカソード１４からその出口端部４にあるアノード１５へと延びている。使用時には、カソード１４とアノード１５の間で電気アークが発生し、このアークがプラズマ生成ガスを加熱してプラズマを形成する。したがって、カソード支持体の内部チャネル１７は、プラズマ・チャネルの入口端部３に通じており、そこからプラズマがチャネルを通って、アノード１５に隣接して位置するプラズマ・チャネルの出口端部４に流れ、そこでプラズマは放電されることになる。
【００４４】
第１の粉末状材料ＰＧ１を供給するための第１の手段５が、その供給手段５の上流に位置する電極１の第１の区画６と、その供給手段５の下流に位置する電極１の第２の区画７の間に配置されている。更に、第２の粉末状材料ＰＧ２を供給するための第２の手段９が、前記区画７と、その下流に位置する電極１の区画８の間に配置されている。
【００４５】
第１の区画６は、チャネル１７を通って供給されるプラズマ生成ガスＧを加熱するために使用される。この区画６における電極の数は、ガス流の所望の加熱に基づいて決定され、ここでは３個の電極１を含むものとする。
【００４６】
第２の区画７は、一部には、第２の粉末状材料ＰＧ２を導入する前にプラズマ生成ガスに適切な影響を与えるために、又一部には第１の粉末状材料ＰＧ１に適切な特性を与えるために使用される。第２の区画７は、ここでは３個の電極１を含む。
【００４７】
最後に、第３の、そしてこの場合では最後の区画８は、粉末状材料ＰＧ１とＰＧ２の両方に、プラズマ溶射装置のアノード１５から被覆すべき表面上に溶射するのに適切な特性を与えるために使用される。この場合、第３の区画８もまた３個の電極１を含む。
【００４８】
したがって、この場合、各区画６、７、８には少なくとも２個の電極１があり、これによって区画内で２つの（ｄｏｕｂｌｅ）アークが発生する危険が低減されている。
【００４９】
粉末状材料ＰＧ１及びＰＧ２は、それぞれ第１の供給管１８及び第２の供給管１９を通って流れる低温の搬送ガスによって、それぞれ第１の粉末供給手段５及び第２の粉末供給手段９を介して、適切に供給される。粉末供給手段５、９は、好ましくは、その手段の上流に位置する区画６の、最後の最も離れた下流にある電極１が凸部１１を有するように設計され、そこではその凸部は円錐形で、プラズマ・チャネルの中心軸に対して角度αを成している（図７参照）。手段５の下流に位置する区画７の、最初の最も離れた上流にある電極１は凹部１２を有し、そこではその凹部は円錐形で、プラズマ・チャネルの中心軸に対して角度βを成している（図７参照）。適切な角度は、αでは１５〜２５°、βでは１７〜３０°である。円錐形のという用語はここでは概括的な意味で使用するものであり、図１に示すように、その形状は円錐台形である。この形状のため、粉末をプラズマ流に均一に供給するのが容易になる。
【００５０】
凸部１１は、凹部１２に部分的に嵌入されるが、凸部１１と凹部１２の間に、プラズマ・チャネル２の中心軸に対してある角度を成す粉末供給空間１０が形成されるように、そこからある距離を置いて配置される。
【００５１】
膨張チャンバ２０が、第１の供給手段５に連結された空間１０に連結して設けられており、そこに粉末材料ＰＧ１及びその搬送ガスが供給される。粉末は、開口１３（図４ａ参照）を介してプラズマ・チャネル内に導入される。チャネル内の粉末の均一な分散は、ここではプラズマ・チャネル２の半径に対してある角度を成す溝を形成する、開口１３を介して粉末搬送ガスを供給することによって得られる。この種の供給を、ここでは接線供給（ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ  ｓｕｐｐｌｙ）と呼ぶこととする。これは、供給がチャネルの断面に対して接線方向に行われるためであり、これを用いると粉末がチャネル２内に導入されるときに粉末に渦流が生じる。第２の実施例（図４ｂ）によれば、粉末搬送ガスは、小さな円形で環状の開口１３’を介してプラズマ・チャネル２に供給される。
【００５２】
同様に、膨張チャンバ２１が、第２の供給手段９に連結されたもう一方の空間に連結して設けられている。この場合、粉末搬送ガスは、プラズマ・チャネル２の半径に沿って描かれる円上に均等に配置された孔１３”のシステム（図５）を介して供給される。
【００５３】
図４ａ、４ｂ、及び５に示した実施例のうちの１つによる開口１３の形成は、異なる供給手段５、９の間で、必要に応じて変更できることは言うまでもない。
【００５４】
より具体的には、プラズマ溶射装置は、導電性の円筒形本体２２を備え、その上にアノード１５が導電性のワッシャ２３及びナット２４を用いて配置されている。本体２２は、誘電体筐体２５を含む。カソード支持体１６及び第１の区画６の第１の電極１は、第２の誘電体筐体２６内に配置されている。筐体２６を熱から保護するために、セラミック筐体２７が使用されている。プラズマ溶射装置を冷却するために、本体２２はチャネル２８（図２参照）を有し、冷媒Ｗがその中を通ってアノード１５に供給される。その途中で、電極１もまた冷却される。電極１は、絶縁された水密ガスケット２９によって相互接続されている。更に、アノード・シール３０が設けられ、これは水密ガスケット２９に使用するものと同じ材料でよい。封止リング３１、３２、３３によって可動接触面で水気密封止が確保される。封止力は、ねじ３４及びワッシャ３５によって得られる。ねじ３４は、更にプラズマ溶射装置の電源の陽極に接続されている。電源の陰極は、カソード支持体１６に接続されている。プラズマ生成ガスＧの大部分は、カソード支持体１６内のチャネル１７を通って供給される。粉末及び粉末搬送ガスは、供給管１８、１９を通って、各粉末供給手段５、９に供給される。
【００５５】
図１に示す装置の実施例の使用に際しては、先ず、プラズマ生成ガスが、チャネル１７を通ってプラズマ・チャネル２に導入される。同時に、プラズマ溶射装置が確実に冷却されるように、冷媒Ｗが冷却チャネル２８を通って供給される。その後、高電圧始動システムのスイッチが入れられ、それによってプラズマ溶射装置のプラズマ・チャネル２内で放電プロセスが開始され、カソード１４とアノード１５の間で電気アークが着火される。次いで、粉末が供給手段５、９を介して投入された（ｉｎｉｔｉａｔｅｄ）後に、搬送ガスＰＧ１及びＰＧ２が、供給管１８、１９を通って供給される。
【００５６】
装置のスイッチを切るには、先ず粉末の供給を止める。次いで動作電流を止め、ある時間経過後に、搬送ガス及びプラズマ生成ガスの供給を止め、最後に、冷却システムを止める。
【００５７】
最適条件が当てはまるとき、１組の異なるプラズマ溶射装置に同じ電源を使用することが可能であり、これらを用いてセラミック、高融点材料、低融点材料、耐磨耗性材料等の複数の異なる被覆をプラズマ溶射することができる。アルゴンがプラズマ生成ガスとして使われる場合、プラズマ溶射装置の動作電圧が４０〜８０Ｖであるとき、電源は１０〜４０Ａの安定動作電流を有するのが適切である。プラズマ溶射装置の動作電圧は、区画の数及びその長さに依存する。ガス消費量が１〜４リットル／分で、加熱温度が８０００〜１２０００℃のとき、チャネルは、好ましくは１〜２ｍｍの直径を有する。この温度レベルでの第１の区画の端部におけるプラズマ流の効果は、区画の長さによって決まり、電気アークが２つ生じる危険をなくすために、区画における電極の数は２個以上にすべきである。
【００５８】
図３に、本発明によるプラズマ溶射装置のもう１つの実施例を示す。図１に示す、最初に説明した実施例と同じ部品には、同じ参照番号が付されており、その説明のために第１の実施例についての上記説明を参照する。
【００５９】
図３に示す実施例は、プラズマ・チャネル２の幾何形状に関して、図１に示す実施例と異なる。この場合、プラズマ・チャネル２の直径は、それぞれの連続する区画が、直前の区画よりも大きな直径を有するように、各区画６、７、８で増大する。この設計によって、粉末材料がプラズマ・チャネルの内壁に付着する危険が低減する。好ましくは、ここにおける直径も、上述の式に従って増大する。
【００６０】
一般に、チャネルの直径は、粉末粒子の速度に大きく影響する。形成される被覆の特性は、主に被覆すべき表面と接触するときの速度に依存するため、チャネルの直径を好都合に変動させると、所望の効果が得られる。形成される被覆の特性に大きく影響するもう１つの特性は粉末の温度である。これも上述と同様に、本発明による装置で適切に調節することができる。要約すると、これら特性は共に、粉末供給部の上流に位置する区画及び粉末供給部の下流に位置する区画の長さ及びチャネルの直径等のパラメータを適切に選択することによって制御することができる。
【００６１】
添付の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲内で、上述の実施例にいくつかの変更例が考えられることを理解されたい。したがって、上述のように、例えば、各区画は、３個の代わりに２個又は４個以上の電極を備えることもできる。更に、各区画で同じ数の電極を有する必要はない。最後に、プラズマ・チャネルの幾何形状を変更することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】２つの粉末供給手段を備える、本発明によるプラズマ溶射装置の第１の実施例の断面図である。
【図２】図１の実施例の線ＩＩ−ＩＩに沿った断面図である。
【図３】チャネルの断面が、各区画毎に、カソードからの距離に伴って増大する、本発明によるプラズマ溶射装置の第２の実施例の断面図である。
【図４ａ】供給手段の変形例を示す、図１の断面ＩＶ−ＩＶに沿った図である。
【図４ｂ】供給手段の変形例を示す、図１の断面ＩＶ−ＩＶに沿った図である。
【図５】供給手段の第３の変形例を示す、図１の断面Ｖ−Ｖに沿った図である。
【図６】図２の線ＶＩ−ＶＩに沿った断面図である。
【図７】図１の一部を示す図である。
【図１】
2005539143.tif 000003
【図２】
2005539143.tif 000004
【図３】
2005539143.tif 000005
2005539143.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年1月19日(2004.1.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口端部（３）及び出口端部（４）を有するプラズマ・チャネル（２）を形成する電極（１）と、粉末状材料を前記プラズマ・チャネル（２）に供給する手段（５）とを備える、前記粉末状材料を溶射するためのプラズマ溶射装置であって、
前記粉末供給手段（５）が、前記プラズマ・チャネル（２）のプラズマ流の方向で見て、前記手段（５）の上流に位置する前記電極（１）の第１の区画（６）と、前記手段（５）の下流に位置する前記電極（１）の第２の区画（７）との間に配置される、プラズマ溶射装置。
【請求項２】
入口端部（３）及び出口端部（４）を有するプラズマ・チャネル（２）を形成する電極（１）と、粉末状材料を前記プラズマ・チャネル（２）に供給する手段（５）とを備える、前記粉末状材料を溶射するためのプラズマ溶射装置であって、
前記粉末供給手段（５）が、前記プラズマ・チャネル（２）のプラズマ流の方向で見て、前記手段（５）の上流に位置する前記電極（１）の第１の区画（６）と、前記手段（５）の下流に位置する前記電極（１）の第２の区画（７）との間に配置され、
少なくとも１つの区画（６、７、８）において最も上流側の電極の長さがその電極内のプラズマ・チャネル（２）の直径に等しいプラズマ溶射装置。
【請求項３】
以下のパラメータ、すなわち、前記区画の長さ、前記区画（６、７）内の電極（１）の数、及び前記区画（６、７）内の前記プラズマ・チャネル（２）の幾何形状のうちの少なくとも１つが、前記第１と第２の区画（６、７）の間で異なる、請求項１又は２に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項４】
追加の粉末供給手段（９）が、電極（１）の第３の区画（８）と、前記第１及び第２の区画（６、７）のうちの１つとの間に配置される、前記請求項のいずれか一項に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項５】
複数の粉末供給手段（５、９）が設けられ、前記粉末供給手段（５、９）のそれぞれが、前記手段（５、９）の上流に位置する前記電極の区画（６、７）と、前記手段（５、９）の下流に位置する前記電極の区画（７、８）との間に配置される、前記請求項のいずれか一項に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項６】
少なくとも１つの区画（６、７、８）における電極（１）の数が少なくとも２つである、前記請求項のいずれか一項に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項７】
前記プラズマ・チャネル（２）の前記入口端部（３）に最も近い前記区画（６）における電極（１）の数が少なくとも２つである、請求項６に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項８】
前記粉末供給手段（５、９）が、前記プラズマ・チャネル（２）の中心軸に対してある角度で粉末を供給するための空間（１０）を形成する、前記請求項のいずれか一項に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項９】
前記空間（１０）が、前記手段（５、９）の最も近い下流にある前記電極（１）中の凹部（１２）からある距離を置いて配置される、前記手段（５、９）の最も近い上流にある前記電極（１）上の凸部（１１）によって形成される、請求項８に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項１０】
前記凸部（１１）が、円錐形であり、前記プラズマ・チャネル（２）の前記中心軸に対して角度（α）を成す、請求項９に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項１１】
前記角度（α）が１５〜２５°である、請求項１０に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項１２】
前記凹部（１２）が、円錐形であり、前記プラズマ・チャネル（２）の前記中心軸に対して角度（β）を成す、請求項９から１１のいずれか一項に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項１３】
前記角度（β）が１７〜３０°である、請求項１２に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項１４】
前記凹部（１２）の前記角度と前記凸部（１１）の前記角度の差（β−α）が１．５°から５°である、請求項１０及び１２に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項１５】
前記粉末供給手段（５、９）が、接線方向の粉末供給が行われるように、前記プラズマ・チャネル（２）の前記中心軸に対してある角度を成す開口（１３）を備える、前記請求項のいずれか一項に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項１６】
１つの区画（７）の前記プラズマ・チャネル（２）の直径が、前記区画（７）の上流に位置する区画（６）の前記プラズマ・チャネル（２）の直径よりも大きい、前記請求項のいずれか一項に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項１７】
少なくとも１つの区画（８）の前記プラズマ・チャネル（２）の直径が、前記区画（８）の上流に位置する各区画（６、７）の前記プラズマ・チャネル（２）の直径よりも大きい、請求項２〜１６のいずれか一項に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項１８】
前記電極（１）の長さが、前記プラズマ・チャネル（２）の前記入口端部（３）からのそれらの距離だけ増大する、前記請求項のいずれか一項に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項１９】
少なくとも１つの区画（６、７、８）において、最も離れた上流にある電極（１）の長さが、前記区画（６、７、８）の前記最も離れた上流にある電極（１）の前記プラズマ・チャネル（８）の直径に等しい、請求項１、３−１８のいずれか一項に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項２０】
１つの区画（６、７、８）において、前記最も離れた上流にある電極（１）の下流に位置する、前記区画（６、７、８）の電極（１）の長さが、
Ｌｎ＝ｎ×ｄｃｈａｎｎｅｌ
で計算され、上式でｌｎは電極ｎの長さであり、ｎは一区画における前記電極の序数であり、ｄｃｈａｎｎｅｌは前記電極ｎの前記プラズマ・チャネルの直径である、請求項１９に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項２１】
少なくとも１つの区画（６、７、８）において、前記プラズマ・チャネル（２）の直径が、前記区画（６、７、８）で変動する、請求項１から１９のいずれか一項に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項２２】
カソード（１４）と、前記カソード（１４）からある距離を置いて、それと同軸に配置されたアノード（１５）とを更に備え、前記装置の使用中にその間で電気アークが発生し、その中にガスが導入されてプラズマを形成し、前記電極（１）が前記カソード（１４）と前記アノード（１５）の間に配置されて前記プラズマ・チャネル（２）を形成する、前記請求項のいずれか一項に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項２３】
前記電極（１）が環状である、前記請求項のいずれか一項に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項２４】
前記電極（１）が同軸に配置される、前記請求項のいずれか一項に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項２５】
入口端部（３）及び出口端部（４）を有するプラズマ・チャネル（２）を形成する電極（１）を備えるプラズマ溶射装置を用いて粉末状材料をプラズマ溶射する方法であって、
前記粉末状材料が、前記電極（１）の２つの区画（６、７）の間に位置する少なくとも１つの供給点でプラズマ溶射装置に供給され、前記区画（６、７）がそれぞれ前記供給点の上流及び下流に位置し、少なくとも１つの区画（８）における前記プラズマ・チャネルの直径が、該記区画（８）の上流に位置する前記各区画（６、７）における前記プラズマ・チャネルの直径よりも大きくされていることを特徴とする、方法。
【請求項２６】
入口端部（３）及び出口端部（４）を有するプラズマ・チャネル（２）を形成する電極（１）を備えるプラズマ溶射装置を用いて粉末状材料をプラズマ溶射する方法であって、
前記粉末状材料が、前記電極（１）の２つの区画（６、７）の間に位置する少なくとも１つの供給点でプラズマ溶射装置に供給され、前記区画（６、７）がそれぞれ前記供給点の上流及び下流に位置し、少なくとも一つの区画（６、７、８）において最も上流の電極の長さが該電極（１）内のプラズマ・チャネル（２）の直径よりも大きくされていることを特徴とする、方法。
【請求項２７】
前記供給点の下流に位置する前記区画（７）を用いて、前記粉末状材料の加熱及び前記粉末の他の諸特性を制御する、請求項２５又は２６に記載の粉末状材料をプラズマ溶射する方法。
【請求項２８】
以下のパラメータ、すなわち、前記区画（６、７）の長さ、前記区画内の電極（１）の数、及び前記区画（６、７）内の前記プラズマ・チャネル（２）の幾何形状のうちの少なくとも１つが、それぞれ上流及び下流に位置する前記区画（６、７）の間で異なる、請求項２５から２７のいずれか一項に記載の粉末状材料をプラズマ溶射する方法。
【請求項２９】
粉末状材料が、前記電極（１）の前記２つの区画（６、７；７、８）の間に位置する少なくとも２つの供給点で供給され、前記区画（６、７；７、８）が前記各供給点のそれぞれ上流及び下流に位置する、請求項２５から２８のいずれか一項に記載の粉末状材料をプラズマ溶射する方法。
【請求項３０】
粉末状材料を焼却するための請求項１から２４のいずれか一項に記載の装置の使用。
【請求項３１】
粉末状材料を焼却するための請求項２５から２９のいずれか一項に記載の方法の使用。
【請求項３２】
追加の粉末状材料が、焼却すべき前記粉末材料を中和又は変換するために供給される、粉末状材料を焼却するための請求項２５から２９のいずれか一項に記載の方法の請求項３１に記載の使用。
【国際調査報告】
2005539143.tif 000010
2005539143.tif 000011
2005539143.tif 000012
2005539143.tif 000013
2005539143.tif 000014