(57)【要約】本発明は電極（10）、電極を取り囲むプラズマチャンバー（3）及び少なくとも１つのプラズマチャンバーと共通した壁部（4）を有するプラズマチャンバーを取り囲む冷却剤スペース（6）を備えた冷却プラズマトーチに関する。プラズマトーチはさらに、冷却剤スペース（6）中への冷媒供給手段（12, 21, 24）を備える。冷媒圧力は、冷却剤供給手段（24）から冷却剤スペース（6）まで通過した際に冷媒の相変化を引き起こす方法で低減される。それにより、プラズマトーチは冷却される。【選択図】図２
2007506236.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極（10）と、前記電極を囲むプラズマチャンバー（3）と、少なくとも一つの前記プラズマチャンバーと共通する壁部（4）を有する該プラズマチャンバー（3）を囲む冷却剤スペース（6）と、前記冷却剤スペース（6）中への冷媒供給手段（12, 21, 24）を備えた冷却プレズマトーチにおいて、前記冷媒供給手段（24）は、前記冷媒供給手段（24）から前記冷却剤スペース(6)へ冷媒が通過する際に、冷媒の相変化を引き起こすように冷媒の圧力を低減することを特徴とする冷却プラズマトーチ。
【請求項２】
前記冷媒圧力低減手段が、前記冷却剤スペース（6）中に突出した蒸発ノズルであることを特徴とする請求項1記載のプラズマトーチ。
【請求項３】
前記冷媒圧力低減手段が、前記冷却剤スペース（6）が形成された導管であることを特徴とする請求項１記載のプラズマトーチ。
【請求項４】
冷媒圧力を低減するための前記手段が、前記冷却剤スペース（6）中に適合した多孔質材料であることを特徴とする請求項１記載のプラズマトーチ。
【請求項５】
冷媒が、相変化においてガスに変化する液化ガスであることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つのプラズマトーチ。
【請求項６】
前記冷媒が、二酸化炭素であることを特徴とする請求項５記載のプラズマトーチ。
【請求項７】
プラズマトーチハンドル（18）を備えたプラズマトーチにおいて、前記プラズマトーチハンドル（18）が、少なくとも前記冷却剤スペース（6）中に前記冷媒を供給するために適合した前記冷媒供給手段（12, 21, 24）への冷媒流動を制御できるチェックバルブ（19）を内蔵したことを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載のプラズマトーチ。
【請求項８】
電極ブッシング（9）を収納するための穴（22）を有する電極ホルダ（1）を備えたプラズマトーチにおいて、前記電極ブッシングが、前記穴（22）と連携して、前記プラズマチャンバー中にプラズマガスを通過させるのに適した流動管を形成するための溝で供給されることを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載のプラズマトーチ。
【請求項９】
前記冷媒の再液化のための手段を備えることを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載のプラズマトーチ。
【請求項１０】
プラズマトーチのプラズマチャンバー（3）を囲む冷却剤スペース（6）中に通過させた冷媒でプラズマトーチを冷却する方法において、
少なくとも液相と気相を有する冷媒を用いるステップと、
プラズマトーチ中の液相に冷媒を供給するステップと、
気相中で冷媒を変化させるように冷却剤スペースに入る瞬間に冷媒の圧力を低減するステップと
を有することを特徴とするプラズマトーチの冷却方法。
【請求項１１】
室温において常態のガス状から加圧されて液状となった冷媒を用いることを特徴とする請求項１０記載の冷却方法。
【請求項１２】
前記冷媒が、二酸化炭素であることを特徴とする請求項１１記載の冷却方法。
【請求項１３】
ガス中に放出された前記冷媒が、圧縮により液体中に逆流して回収され、再び液化することを特徴とする請求項１０から１２のいずれか一つに記載の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は請求項１の前文に従う冷却プラズマトーチに関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマトーチにおいて、溶接のために用いられるいわゆるメインアークはトーチ電極と加工中の製品との間に衝突する。トーチのノズル部分は２つの同軸チャンバーを備えている。内部チャンバーはプラズマガスチャンバー中の中心にあるタングステン電極を収容している。その上、チャンバー端は電極先端においてオリフィス出口を備えている。プラズマガスはこのチャンバー中に供給される。内部チャンバーは、内部チャンバーのオリフィス周囲に同軸に突出している第２のチャンバーにより囲まれている。プラズマアーク周辺にシースを供給しているシールドガス流は、外部チャンバー中に供給される。
【０００３】
プラズマトーチのアークは、加工中の製品とトーチ電極間のギャップを通過するガス中で燃焼するので、ガス伝導させる手段としてガスは、メインアークの発火の前にイオン化されなければならない。プラズマガスは、内部チャンバーと中心電極を形取るノズル部と中心電極間に衝突するパイロットアークによりイオン化する。加工製品及び衝突するメインアークに沿った導電性のイオン化経路が設置された電極間で、パイロットアークは流れているプラズマガスをイオン化する。
【０００４】
電極とノズル間に衝突している高エネルギーアークは、非常に急速にノズルを破壊するので、メインアークは電極と加工中の製品の間のみに衝突してもよい。通常、ノズル冷却装置及びトーチ形状において確立した電気／磁気力は、電極とノズル間に衝突するメインアークを妨げる。しかしながら、電極先端はノズルの電気的中心で精密にそろえられなければならない。もし、ノズルオリフィス出口及び電極先端が完全に対称的であるならば、電気的中心は一般的に幾何学的中心で一致する。
【０００５】
小さいトーチでさえ、プラズマアーク溶接は比較的高い電流において実行される。それによりトーチの電気部品における電流密度は高い。高い電流密度はトーチ先端において電気部品を加熱する。トーチの端部及びシールドカップはそれぞれ、プラズマアークにより積極的に加熱される。高い熱応力に耐えるために、プラズマトーチは一般にプラズマトーチノズルの上端中を循環している水で冷却される。
したがって、冷却している電気部品及びそれらを経由するシールドカップにより循環水はトーチ先端で最も広がるようになっている。
【０００６】
トーチ先端の冷却の目的は、先端において過度の温度上昇を引き起こすプラズマアークを妨げることであるので、循環水はトーチ先端に可能な限り近くに達するべきである。明らかに、より小さいノズル寸法を導入することは、より困難である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
米国特許番号５，２０８，４４２に、冷却水がトーチの冷却剤チャンバーへホースを経由して通過する冷却装置を有する水冷式プラズマトーチが開示されている。必要な電気、ガス及び冷却剤管を収容するハンドルを形成するため、エポキシ樹脂から作ったトーチ本体部分は拡張される。トーチハンドルの内部には、可調の球状に成形された電極ホルダを調節するのに適したベアリングソケットを収容したトーチヘッドの水冷本体上部部品が内蔵される。電流は導体を通じて流されるために、中心電極への電流接続はトーチ本体の上端を通される。ベアリングソケットを収容するトーチ上端において、トーチ本体中に、トーチの水冷本体下部部品より一面に向けられた絶縁ブッシングが供給される。本体下部部品への別の電流接続は導体を通してあり、それによって電流はその先端に取り付けたプラズマノズルへ本体下部部品を経由して通される。前記部品がノズルとトーチ電極間で起動したパイロットアークのための電気回路を構成する。トーチ先端において、プラズマトーチは、ねじ込みブッシングによりトーチ本体上に備え付けたセラミックスシールドカップによって囲まれる。必要であれば、シールドカップと本体下部部品との間を残している溝付きギャップ中に、ガスを層流にするバッフルを収納することができる。
【０００８】
ポリマーか他の非伝導性材料でできたトーチの本体上部及び本体下部の水の空間中を冷却剤が最初に循環するとすぐに、冷却水は、吸気ホースを経由してトーチ本体上部に通される。ここで、冷却剤は本体下部分の水の空間を循環し、排気ホースを経由して出る。したがって、そのような実施例は大きな力を加えなければ水漏れしない４つのホース接続部を要求する。この構成の設計上の制約は、本体下部及びプラズマトーチノズルから電気的に絶縁されなければならないトーチの本体上部である。プラズマノズル部は、トーチの本体下部に取り付けられる。したがって、ノズル部からトーチの本体下部に向かって及びそれから、その中を循環している水中に熱を伝えることにより、ノズル部の間接的な冷却を可能にしている。伝熱部品の断面積は熱伝導容量の効果を制限するので、プラズマトーチ先端の温度は結局、過度に高く上昇するかもしれない。その上、この種のトーチ構成は比較的複雑であり、部品及び接続が多数のため、製造するのに費用がかかる。良好な熱伝導容量を有する合せ面の最大面積を得るために、部品接合部の良好な熱伝導は、精密な機械加工によって確保されなければならない。
【０００９】
明らかに、種々のプラズマトーチ実施形態の冷却構造は上記の分離した水の空間と冷却水の循環を助けている多重に連合した冷却材通路などの共通した機構であるにもかかわらず、様々である。それらの複雑な構造のために、従来のプラズマトーチは高価であり、冷却剤導管の防漏性を確実にするために、それらの組み立ては高い精度を要する面倒な手作業であった。さらに、ノズル先端近くにトーチ中の冷却剤スペースを拡張することは、特に小さいトーチにおいて非常に困難であるので、実際にプラズマトーチの機能上の効率のいい冷却技術は、当該技術において発明されていない。
【００１０】
冷却剤として循環水を用いないプラズマトーチ先端の効率的な冷却プラズマトーチを提供することが、本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
相変化を受ける冷却剤により冷却するプラズマトーチ先端の効力により、本発明の目標は達成される。
【００１２】
さらに具体的に言うと、本発明によるプラズマトーチは請求項１の特徴付けている部分に記載されることによって特徴付けられる。
【００１３】
さらに、本発明による冷却方法は、請求項１０の特徴付けている部分に記載されることによって特徴付けられる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は有効な利点を提案する。
【００１５】
明らかに、本発明の最も重要な長所は、プラズマトーチの本質的に簡単な構成である。この利点は、プラズマトーチの信頼性及びコスト上の多数の効果を有する。少しの冷却剤循環もなくトーチが動作するので、どんな瞬間においても最小量の液体すら、溶解物に達しない。動作の間、プラズマトーチの防漏性は確実に保障される。そして、まれな漏洩については、蒸発している冷却剤のように用いられる液化した媒体は、冷却剤が周囲へ急速に蒸発したままであり、溶接できなくなることはない。トーチに用いた冷却剤の量は少ない。したがって、周囲に影響がない。さらに、本発明中で使用した冷却剤材料は、環境に対して無害である。プラズマトーチは非常に小さく、軽量に設計することができる。したがって、ハンドルを扱いやすくする。そのような小さいトーチのために、プラズマアーク溶接は、溶接を実現するために必須な高価な特殊装置を有する先行技術のような応用でさえ用いることができる。これらの応用は、精密構造製品及び宝石装置を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
トーチケーブルは冷却剤の送り／返りホースを携行しないので、ケーブルを薄く、柔軟に作ることができる。そしてそれは、プラズマトーチの簡単な操作に寄与するさらなる利点である。溶接装置電源に加えて、プラズマトーチのみの動作は使いやすいサイズの圧縮ガスシリンダを必要とする。そのために、溶接装置全体を移動すること及び操作することが簡単である。冷却剤相変化の長所により、トーチ先端冷却スペース及びプラズマアークと溶解物により加熱されたトーチ先端下部の外部空間との間のトーチ先端において、極めて高い温度勾配を作り出すことができる。結局、トーチ先端は非常に冷たいままである。そのため、溶解した金属または添加物溶滴は、トーチ先端に付着しない金属からはね散る。これは、加工中の製品及び溶解物の極めて近くで動作することを可能にする。
【００１７】
加工製品にトーチが近ければ近いほど、より少ない熱が加工中の製品に加えられ、溶解挙動をより制御しやすい。最も軽量なプラズマトーチ先端に適合したとき、新規な冷却剤相変化装置の熱伝達効率は高くなる。
【００１８】
いずれにせよ、本発明の好ましい実施例での冷却剤はガスであり、プラズマトーチから大気雰囲気へ漏れてもよい。
求められる冷却ガス流量は大分低いので、ガス消費のコストは適度なままである。
【００１９】
冷却ガスは、アルゴンまたはヘリウムのような不活性ガスのグループから選択できる。または、食品用二酸化炭素が用いられるのが望ましいかもしれない。冷却剤として、二酸化炭素は適切な特性を有し、コスト面で有利である。その上、液状の希ガスは利用が限られており、それらの価格は高くなる傾向があるかもしれない。
【００２０】
図１を参照すると、プラズマトーチ電極ホルダ１は図中に示されている。電極ホルダ１は、円錐形に先細くしたプラズマトーチノズルの穴の中心に適合ホルダ１を供給する円錐部分２を有している。図２に示したプラズマトーチノズルは、内部コーン４より形取られたプラズマチャンバー３を構成する。内部コーン4が外部コーン5により囲まれることによって、それらの間に冷却剤スペース6が残る。プラズマトーチノズル7の円錐状の空間に関して、円錐部分の上端が絶縁体8により閉じられる。絶縁体は、例えばシリコンまたはPEEKポリマーでできている。電極ホルダ1は絶縁体8に固定され、プラズマトーチノズル7と電極ホルダ間のギャップ中の絶縁体8の厚さを非常に小さくすることによって、内部コーン4は電極ホルダ1を効果的に冷却することができる。プラズマアークを衝突させるために、電極ブッシング9に備えつけられた電極ホルダ1はプラズマトーチノズル中に作られたオリフィス穴において、一直線に揃えられた先端を有する電極10を支持する。プラズマアークオリフィス穴のサイズは様々であり、例えば、０．３，０．６，０．９，１．２，１．５，１．８および２．１ｍｍの一連の異なる直径がドリルで穴開けされている。プラズマトーチノズルは、良好な熱伝導を確保するために小さい壁厚をもつ銅から作られるのが好ましい。トーチノズル壁は０．２から０．５ｍｍ厚にすべきであり、それによりノズル先端の厚さは最大１．０ｍｍ厚になるかもしれない。プラズマトーチ冷却剤スペースとホットプラズマとの間で非常に大きな温度差が生じるために、非常に効率の良い冷却処理が実現される。
【００２１】
冷却剤吸気ダクト12は、冷却剤スペース6に入っており、さらに排気ラインダクト13は、冷却剤スペースの反対側からそれぞれ突き出している。ここで記載された実施例を実証することにおいて、冷却剤が楕円形状の短辺にある冷却剤スペース6中に導入されるために、プラズマトーチノズル7は楕円形状を有している（図３参照）。図３は、シールドガスを供給するためのプラズマトーチノズル7の境界側に配置された４つのダクト14を遠くから図式的に明らかにしたものである。そして、必要ならば、粉末添加物はプラズマトーチ電極周囲及び電極周囲から溶接部にもたらされる。
【００２２】
図４はプラズマトーチの全体図を示す。プラズマトーチ先端に位置しているのは前記プラズマトーチノズル7を取り囲むシールドガスカップ15である。トーチハンドルは、シールドガスの送り流量、プラズマガス及び冷却剤をすぐに溶接できる状態にオン／オフするためのガス流量制御スイッチに加えて、メインアークの発火／連続の制御に役立つメインアーク制御スイッチ16を内蔵している。本発明において必要な部品は、トーチハンドル18に内蔵され、制御モータ20によって動作するチェックバルブ19である。チェックバルブ19は、プラズマトーチノズルに向かって冷却剤ダクト21に通じている。冷却システムはパイロットアークが衝突した後すぐに機能しなければならないので、冷却剤は液相中及び圧力下でプラズマトーチに導入されなければならず、後に記載される詳細な方法において、チェックバルブ19はできるだけ蒸発ノズルの近くに配置されなければならない。例えば、電源と連動するチェックバルブを配置すると、液体冷却剤を有する冷却剤ホースに最初に充填するには長時間かかるため、トーチにおいてプラズマアークの起動を遅らせるだろう。したがって、そのような処理は結果としてトーチの動作を多少ぎこちなくするだろう。トーチ中に内蔵した統合チェックバルブを有するので、パイロットアークは遅延なしで発火する。メインアークの溶接の急速起動は、トーチの使用を急速かつ簡単にした後すぐに、発火したパイロットアークを衝突させることができる。パイロットアークの消火において、トーチの軽量構造は熱を蓄えられないために、冷却剤の流れもまた素早く遮断しなければならない。このことは、熱エネルギーがトーチノズルに加わらなくなった後に、トーチが急速に冷却することを意味する。
【００２３】
図６には、電極ホルダ1及び電極ブッシング9中に挿入された電極10が示されている。電極ホルダは、電極部分組立品23を挿入するための穴22を有している。また、穴22はプラズマガス流路として機能する。電極ブッシング9の外表面上は、電極ホルダ1の穴22と密接に接触するプラズマガス流路を形成する溝23が機械加工されている。別の溶接作業に関してもプラズマトーチを適応するために、プラズマガス流量は調節されなければならない。これは、電極ブッシング9をもつ別の電極10を変えることにより達成される。電極ブッシング9は２つの型が形成されてもよく、例えば、１つのブッシングの型は、良い溶け込み特性を必要とする動作のために、狭く溶け込むプラズマアークを作り出す広い流動溝23を備えており、弱く、広いプラズマアークを与えるような、プラズマガス流量を制限する狭い溝をもつブッシング9の別の型が形成されてもよい。特別な深さゲージを用いることにより、電極は所定のある深さまで挿入される。そしてそれは、本発明に従うプラズマトーチの模範的な実施例において、溶け込むプラズマアークのためにプラズマノズルのオリフィス出口11から２ｍｍまで間隔を空け、弱いプラズマアークのために０．３ｍｍまで間隔を空けて電極先端を配置する。電極10の直径は１．０ｍｍおよび１．６ｍｍなのが好ましい。そして、それらはタングステンで作成され、銅電極ブッシング9に押し付けるか溶接することにより固定される。電極ブッシング9は電極の簡単な識別のためにカラーコード化されてもよい。そのため、深く溶け込むアークを発する電極は、黒いカラーコードをもたせることができ、一方で弱いアーク電極は赤い色でコード化される。
【００２４】
図７には、蒸発ノズル24及びプラズマトーチハンドルへの蒸発ノズルの接続が示される。トーチハンドル18に適合された冷却剤吸気ダクト21は、内径／外径（ID／OD）１．２／１．６ｍｍをもつステンレススチールパイプである。トーチハンドルのシリコン絶縁体において、ダクト21は２ｍｍの内径をもつ開口部25が端となる。冷却剤ダクト21の端は、１．０から０．０８ｍｍの内径をもつオリフィス出口を有する蒸発ノズル24の端に配置される。蒸発ノズルのオリフィス出口の直径は、本質ではないものの、十分な圧縮流に切換られなければならない。そして、ノズルから直接出るときに冷却剤蒸発を即時に引き起こすために、蒸発ノズルにおいて圧力降下が実現される。蒸発ノズルのオリフィス出口は、時計製造産業において必需品である小さい直径に精密に穴開けされたままの従来の宝石軸受を用いて作成されるのが好ましい。蒸発ノズルのオリフィス出口径は、前記の所望の流量を選択しなければならなく、冷却効果は与えられた種類の液化した冷却剤ガスを用いることで達成される。液化した二酸化炭素に関して、オリフィス径は０．０８から０．０９ｍｍになるように選択される。オリフィスに通じる流動行程の長さは比較的短くすべきであり、０．５ｍｍより短い方が好ましい。これは、長いオリフィス導管における圧力の緩やかな減少が、導管で霜形成による詰まりを引き起こすかもしれないからである。トーチハンドル18の冷却剤ダクト穴25は、２．４／２．０ｍｍのニップル外径／内径をもつプラズマアークノズル7の冷却剤吸気ニップル12にスライドして入る。完全な防漏性のために、冷却剤吸気ニップル12はトーチハンドル18の冷却剤ダクト穴25にきつくはめ込まれなければならない。また、冷却剤排気ニップル13もそれぞれ、きつくはめ込まれなければならない。ニップルは、トーチハンドルに入れるために約３ｍｍの差をつけられる。さらなる密閉構造は、プラズマアークノズル7とトーチハンドル18間の平坦な合せ面によってもたらされる。加えて、密閉が改善されるために、シリコン絶縁体18は約１ｍｍの差をつけてプラズマアークノズルに入れてもよい。蒸発ノズル24は冷却剤吸気ダクト12へ接続されたニップルの少なくとも中間に設置するか、プラズマアークノズル7の冷却剤スペース6に配置されるのがなお好ましい。しかしながら、蒸発ノズル24を冷却剤スペース中に配置すると、蒸発ノズルの小さい直径のオリフィスは、例えば、プラズマアークノズル交換中の破損の危険性にさらされる。
【００２５】
プラズマアークノズル18の側面には、プラズマアークノズル7の狭い側面にパイロットアーク電流を通す青銅か鉄で作られたスプリング付きクランプ26が適合される。クランプの別の機能は、シールドガスカップ15がホームを押した後の場所にプラズマアークノズルをロックすることである。鉄クランプ26先端の柔軟なツメは、シールドガスカップの内周に作られた環状溝にはめ込むので、経路中のシールドガスカップ15をロックする。シールドガスカップの上部は、約４ｍｍの深さの差をつけたノズル体周囲に半径方向に密閉されている。鉄のクランプもまた、電流のスイッチが入る前にシールドガスカップの電流ケーブルの接続を保護する短絡ループを形成する。この機能はオペレーターの職業上の安全性を増す。トーチハンドル18の経由もまた、可能な粉末添加物及びプラズマアークノズルの長い側面における直径１．８ｍｍの４つのダクトを通るシールドガス自体が通される。
【００２６】
効率的な冷却によって、プラズマトーチは１００から１６０Ａまでの均一にした高い電流レベルで動作する。メインアーク電流は、電極ホルダに直接通される。パイロットアークは、プラズマアークノズルの側面に通された約３から１０Ａの電流レベルで動作する。
【００２７】
前記のプラズマトーチは冷却剤の相変化手段による本発明により冷却される。特に好ましい冷却剤は、低コストで液状で市販されている二酸化炭素である。加圧された二酸化炭素は、チェックバルブを経由して蒸発ノズル24まで通され、その場所において圧力が急激に降下し、冷却剤が液体からガス状へ相変化する。相変化は多量のエネルギーを消耗する。そして、相変化はプラズマノズル冷却剤スペース6で起こるので、冷却剤スペースの壁が効率的に冷却される。冷却剤スペースの極めて薄い壁は、熱伝導を素早く、効率的にするのがなお好ましい。プラズマアークノズル及び冷却剤ガス流路を最適に設計することで、放出ガスは５０度ほどの温度上昇を受け、流出ガスが熱エネルギー輸送に寄与するため、冷却剤ガスの蒸発から抽出可能な冷却効果を全面的に活用できる。さらに、相変化のエネルギーと匹敵するような小さい寄与であるが、温度上昇は膨張中にエネルギーを束縛しながら自然にガスを膨張する。二酸化炭素ガスは、冷却剤スペースから冷却排気ダクトを経由して大気雰囲気へ放出される。プラズマアークノズル及び蒸発バルブ24を通した液体冷却剤の吸気圧力は、約７０ｂａｒであり、冷却剤ガスの放出圧力は１ｂａｒである。これらの圧力値は、本発明では本質的な要素ではないものの、吸気圧力は二酸化炭素を液状に保つために十分に高いままで切り換えられなければならず、圧力が蒸発を引き起こすために十分に急速に降下する。冷却剤ガスに求められる流量は、蒸発したガスの２から２０ｌ／ｍｉｎである。明らかに、溶接電流が高ければ高いほど、必要となる流量は大きい。過剰に大きい流量は、ノズルにおいて霜形成の危険性を引き起こすかもしれない。そして、逆に流量が過度に低く調節されるならば、高電流での動作は不可能である。以下のいくつかの計算は、本発明の効果により達成される冷却効率を範例として説明する。
【００２８】
二酸化炭素の物理データは以下のとおりである。
２０℃における蒸発熱＝３５．１  ｃａｌ／ｇ
２０℃におけるガス密度＝１．８４  ｇ／ｌ
５０℃におけるガス密度＝１．６７  ｇ／ｌ
換算係数  １．１６３  Ｗｈ＝１０００  ｃａｌ
換算係数  ６０  ｍｉｎ
０℃における比熱＝０．１９６  ｃａｌ／ｇ
温度スケールは摂氏温度である。
１．エネルギーは二酸化炭素の蒸発中に吸収される
３５．１×１．８４×１．１６３／１０００×６０＝４．５１  Ｗ／ｌ
２．エネルギーは加熱している蒸発ガス中に吸収される（２０→５０℃），ΔＴ＝３０℃
比熱値は０℃で与えられるが、温度上昇に伴って基本的に変化しないために、一般的な近似として役立つ。
０．１９６×３０×１．６７１６３／１０００×６０＝０．６９  Ｗ／ｌ
加熱しているガス中へのエネルギー吸収は十分に小さい。  
【００２９】
蒸発ノズル、プラズマアークノズル及びプラズマアークノズルの冷却剤スペース配置のさまざまな組み合わせをもつ試験において、放出した冷却剤ガスの温度変化が測定された。最も高く記録された温度は５０℃であり、蒸発したガスの蒸発及び加熱を通じて得られた冷却効果の組み合わせは約５Ｗ／ｌであった（大気圧で放出された二酸化炭素ガスの流量のように）。
【００３０】
１００Ａの溶接電流での実作業に十分な冷却効果は、約１５Ｗの冷却効果を実現するための約３ｌ／ｍｉｎほどに低い流量を用いることにより実現された。５０Ｗの冷却効果を実現するための最大流量は１０ｌ／ｍｉｎであった。冷却プラズマアークノズルは溶解物の付着を取り除き、はね散らすので、面倒なく溶解寸前で維持できるトーチ先端を許容しているにも関わらず、高い流量の利点は、プラズマアークノズルが高い溶接電流においても冷却を維持できることである。特定の条件下にあろうとも、約１０から２０ｌ／ｍｉｎより高い流量は、作業環境及び冷却剤ガスの不要な浪費における障害になるかもしれない。その上、低い溶接電流レベルかパイロットアークが単独で発火するように維持されるとき、連続した高い冷却剤ガス流量はプラズマアークノズルに霜を生じさせるかもしれない。冷却剤ガスの放出流量が調整できる一方で、この設備はトーチ構造によりコストがかかる。
【００３１】
特有な溶接作業は、電源を付け、個別の容器バルブによりシールドガス、冷媒及びプラズマガスの流れを促進することにより開始される。プラズマトーチの機能は、例えば、以下に記載された２つの方法のうちのどちらかを用いることにより実施される。いずれにしても、プラズマトーチチェックバルブ19まで冷却剤吸気ホースを加圧するのに加え、電源のスイッチを入れることで、制御プロセッサを初期化して、パイロットアーク電源及びメインアーク電源の無負荷電圧を印加する。プラズマトーチは、動作のために二重機能型の共通の制御スイッチ16を備える。高周波アークによりパイロットアークが衝突してすぐにスイッチ16を二度押すことで、トーチにおけるプラズマガス、シールドガス及び冷却剤ガスの流れを初期化する。スイッチ16を継続的に下に保持することで、さらにメインアークを発火し、プラズマアークノズルは加工製品の十分近くで衝突を保持する。溶接機器の電子機器が、安定なメインアークを検出するとすぐにパイロットアークは消火される。スイッチ16を解除すると、メインアークのスイッチが切れる。この結果、パイロットアークは再び発火し、約２分間衝突が保持される。この猶予期間にオペレーターが作業を再開したい場合は、スイッチ16を継続して押すことでメインアークを再び発火し、衝突を保持する。スイッチ16のダブルクリックは、メインアーク及びパイロットアークの両方を消火してすぐに、制御スイッチは、アークの再衝突のために再び２度押されなければならない。もし、パイロットアークを衝突してから２分間以内にメインアークを再衝突させなければ、パイロットアークのスイッチがオフになり、プラズマ、シールド及び冷却剤ガスの流れが遮断される。パイロットアークはその結果、無意識な着火も目への損傷をも引き起こさず、さらに、ガスの消費が低減されるので、この機能は改善された職業上の安全に寄与する。
【００３２】
代替実施例において、制御スイッチのダブルクリック機能は、第２のスイッチ17の支援で実施される。したがって、プラズマトーチの動作は最も単純である。
【００３３】
前述に加えて、本発明は代替実施例があってもよい。
【００３４】
例えば、二酸化炭素の代わりに他の冷媒を用いることができる。アルゴンは、シールドガスとしてすでに用いられているので、冷却剤ガスとして用いられた方が望ましいかもしれない。窒素またはヘリウムのような他の不活性ガスもまた、冷媒として検討されてもよい。冷却剤はコンプレッサーにより回収され、加圧されるため、周囲に開放される予備ガスはない。ここで、冷媒は望ましくは保障された冷媒のグループから選択され、冷却装置に用いるために使用される。一方、この処理はプラズマトーチの構成を少し複雑にするが、冷却剤は加圧した状態で別に確保する必要がない。
【００３５】
蒸発ノズルの代わりに、冷却剤スペース内部コーン4と外部コーン5間のらせん状中間通路において形成された圧力勾配中で、蒸発が徐々に起こるように配置することができる。そのような圧力勾配もまた、多孔性材料をもつ冷却剤スペースを充填することにより達成されてもよい。プラズマアークノズルは、冷却剤流動が起った時に連続して加熱されるので、霜が付いてもトーチ部で問題が生じない。この実施例は、また一方でプラズマトーチの強化構造で考慮されなければならないノズルの高い内部圧力により阻止される。
【００３６】
上記の単位及び他の値は、プラズマトーチの好ましい実行可能な実施に特徴付けられている。明らかに、本発明は以上に記載された典型的な実施例に制限されない。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】プラズマトーチ電極ホルダの実施例を示す図である。
【図２】本発明の一実施例によるプラズマトーチ先端部分の断面図である。
【図３】図２のプラズマトーチ先端の部分的な断面図である。
【図４】トーチハンドルに隠された機能的要素を説明している図において、本発明によるプラズマトーチの実施例を図式的に示した図である。
【図５】本発明によるプラズマトーチ中に用いられたプラズマノズルの実施例を示す図である。
【図６】電極を有する電極ホルダの実施例を示す図である。
【図７】本発明に用いられた蒸発ノズルの実施例を示す図である。
【図８】本発明によるプラズマトーチ実施例の断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  電極ホルダ
３  プラズマチャンバー
４  壁部
６  冷却剤スペース
９  電極ブッシング
10  電極
12  冷却剤吸気ダクト（冷媒供給手段）
18  トーチハンドル
19  チェックバルブ
21  ダクト（冷媒供給手段）
22  穴
24  蒸発ノズル（冷媒供給手段）
【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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【国際調査報告】
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