(57)【要約】本発明のプラズマトーチは、カソードとアノードとの間に電極間インサートであるカスケードを有し、このカスケードは、カソード側からアノード側に向かうに従って内径が多段で段階的に拡大する内部形状を有する。これにより、プラズマトーチの出力が、電流増加に拠らずにアーク電圧の増加によって得られ、カソード及びアノードの各電極の長寿命化が可能となる。また、カスケードの内部において準層流のプラズマが生成されるので、プラズマジェットの出力変動が低減でき、運転処理コストの低減が可能となる。また、アノード出口側の出射ノズルに、同軸で環状且つ低速のガスシールドジェットを生成するサイドシールドモジュールが設けられることで、周辺環境からのガス流入が遮断され、出射ノズル及びプラズマジェットへの酸素の侵入を遮断できる。従って、プラズマ溶射等の表面処理や、耐火性粉末材料加工、プラズマ化学処理等を高効率で行うことが可能となる。
2013536543.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードとアノードとの間にカスケードが配設され、前記カソードとアノードとの間に電圧を印加することでプラズマジェットを形成するカスケード型のプラズマトーチであって、
前記カソードは、水冷構造を有する銅製の本体部と、該本体部に挿入された棒状のタングステンの陰極とからなり、
前記カソードと前記カスケードとの間に、さらに、前記カソード及び前記アノードとは電気的に絶縁されているとともに、水冷構造を有するパイロット部材が備えられ、
前記カスケードは、前記パイロット部材と前記アノードとの間に配置され、前記アノード側に向かうに従って多段で段階的に拡大する内部形状とされた単一部材、あるいは、互いに電気的に絶縁された複数の部材からなるとともに、前記カソード及び前記アノードとは電気的に絶縁され、水冷構造を有する電極間インサートとして構成されており、
前記アノードは、水冷構造を有する銅製部材であり、
さらに、前記アノードに対して電気的に絶縁して接続されているとともに、前記アノードと反対側に向かうに従って内部形状が多段で段階的に拡大し、水冷構造を有する出射ノズルと、
同軸で環状且つ低速のガスシールドジェットを生成することにより、周辺環境からのガス流入を遮断して、前記出射ノズル及び該出射ノズルから出射されるプラズマジェットへの酸素の侵入を遮断するサイドシールドモジュールと、
を備えることを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマトーチであって、
前記カソードに備えられる前記陰極の先端の直径Ｄｃａｔｈｏｄｅが、下記（１）式を満たすことを特徴とするプラズマトーチ。
【数１】
2013536543.tif 000020
｛但し、上記（１）式において、［ｘ］はｘ（カッコ内）の整数部分であり、また、Ｉはアーク電流（Ａ）で、１００≦Ｉ≦４００（Ａ）の範囲である。｝
【請求項３】
請求項１に記載のプラズマトーチであって、
前記パイロット部材の中央開口部の直径Ｄｐｉｌｏｔと、前記カソードに備えられる前記陰極の先端の直径Ｄｃａｔｈｏｄｅとの関係が、次式｛Ｄｐｉｌｏｔ＞Ｄｃａｔｈｏｄｅ｝を満たすことを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載のプラズマトーチであって、
前記パイロット部材に備えられる前記中央開口部の周囲にバイパス孔が設けられており、
プラズマを生成させるための作動ガスが、前記カソード側から、前記中央開口部又は前記バイパス孔の少なくとも何れかを通過して前記カスケード側に流れることを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項５】
請求項１に記載のプラズマトーチであって、
前記カソードに備えられる陰極と、前記パイロット部材との間の隙間の幅ｈ＝｛（Ｄｐｉｌｏｔ−Ｄｃａｔｈｏｄｅ）／２｝が、下記（２）、（３）式を満たし、
前記隙間の幅hの最小値は、前記陰極と前記パイロット部材との間の円形の隙間に存在する前記プラズマ作動ガスの平均質量速度が、初期温度におけるプラズマ形成ガスの音速よりも小さな速度であり、
前記隙間の幅ｈの最大値は、前記プラズマ作動ガスの所定の質量流量率Ｇｗにおいて、前記パイロット部材の入口のプラズマ作動ガスの状態に対応するレイノルズ数Ｒｅ＝｛４Ｇｗ／πＤｐｉｌｏｔμｗ｝が、管内のガスの流れが乱流状態となる臨界レイノルズ数（Ｒｅｃｒｉｔ=２１００）よりも小さいことを特徴とするプラズマトーチ。
【数２】
2013536543.tif 000021
【数３】
2013536543.tif 000022
【請求項６】
請求項１に記載のプラズマトーチであって、
前記カスケードが複数の部材からなるとともに、前記複数の部材の各々の間、並びに、当該カスケードと前記カソード及び前記アノードとの間に、Ｏリング及び断熱性セラミックリングが設けられており、前記複数の部材の各々の間、並びに、当該カスケードと前記カソード及び前記アノードとの間との間が、電気的に絶縁した状態で接続されていることを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項７】
請求項１に記載のプラズマトーチであって、
前記カスケードは、前記パイロット部材側から前記アノード側に向けて段階的に拡径する各段階の、プラズマジェット出射方向の長さＬｉ（ｍｍ）が、次式｛５≦Ｌｉ（ｍｍ）≦１５｝を満たすことを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項８】
請求項１に記載のプラズマトーチであって、
前記アノード側に向けて段階的に拡径する前記カスケードの、前記パイロット部材側からｉ番目の位置における、プラズマジェット出射方向の長さをＬｉ（ｍｍ）で表し、半径方向の段差寸法をΔｒｉ（ｍｍ）で表した際、前記各段階における長さＬｉ（ｍｍ）と段差寸法Δｒｉ（ｍｍ）との関係が、次式｛４．５≦Ｌｉ／Δｒｉ≦１５｝を満たすことを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項９】
請求項７又は請求項８に記載のプラズマトーチであって、
前記カソードに備えられる前記陰極の先端と、前記アノードの前記カスケード側の端部との間の電極間長さＬが、次式｛５０≦Ｌ（ｍｍ）≦１５０｝を満たすことを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項１０】
請求項１に記載のプラズマトーチであって、
前記アノードは、前記カスケードの出口側に接続され、入口側から出口側に向かうに従って収束する形状のテーパ部を含むプラズマ流入路と、該プラズマ流入路に接続され、出口側に向かって同一径で設けられることでプラズマを安定化する円筒状流路とからなり、且つ、滑らかな内壁を有する流路を備え、
前記アノードの前記円筒状流路の内径Ｄａｎｏｄｅと、前記パイロット部材の中央開口部の直径Ｄｐｉｌｏｔとの関係が、次式｛１．５≦Ｄａｎｏｄｅ／Ｄｐｉｌｏｔ≦２．８｝を満たすことを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項１１】
請求項１に記載のプラズマトーチであって、
全ガス質量流量率Ｇｔｏｔａｌが、下記（４）、（５）式を満たすことを特徴とするプラズマトーチ。
【数４】
2013536543.tif 000023
【数５】
2013536543.tif 000024
【数６】
2013536543.tif 000025
｛但し、上記（４）、（５）式において、Ｒｅｔｏｔａｌ（＝４Ｇｔｏｔａｌ／πＤａｎｏｄｅμ）は、前記アノードの出口側の断面において計算されたレイノルズ数を表す。また、上記一般式（６）で表されるＧｔｏｔａｌは、プラズマを形成するガス混合物の第j個目の要素、及び、アノードシールドガスＧｊの全ガス質量流量率（グラム／秒）を表す。｝
【請求項１２】
請求項１１に記載のプラズマトーチであって、
前記プラズマを形成するガス混合物は、アルゴン（Ａｒｇｏｎ）、窒素（Ｎｉｔｒｏｇｅｎ）、水素（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ）の各々のガスの質量比の最大値が、次式｛ＧＡｒｇｏｎ ／ＧＮｉｔｒｏｇｅｎ＝０．４｝、及び、次式｛ＧＨｙｄｒｏｇｅｎ／ＧＮｉｔｒｏｇｅｎ＝０．０４｝を各々満たすことを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項１３】
請求項１２に記載のプラズマトーチであって、
水冷構造を有する前記出射ノズルが、前記アノード側から出射口に向けて段階的に拡径する内部形状とされているとともに、前記アノードに対して電気的に絶縁されて接続されていることを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項１４】
請求項１３に記載のプラズマトーチであって、
前記出射ノズルの出射口における内径Ｄｅｘｉｔと、前記アノードの前記円筒状流路の内径Ｄａｎｏｄｅとの比が、次式｛１．５≦Ｄｅｘｉｔ／Ｄａｎｏｄｅ≦２．５｝を満たすことを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項１５】
請求項１４に記載のプラズマトーチであって、
前記出射口に向けて段階的に拡径する前記出射ノズルの、前記アノード側からｉ番目の位置における、プラズマジェット出射方向の長さをＬＮｉ（ｍｍ）で表し、半径方向の段差寸法をΔｒｉで表した際、前記各段階における長さＬＮｉ（ｍｍ）と段差寸法Δｒｉ（ｍｍ）との関係が、次式｛５≦ＬＮｉ／Δｒｉ≦１０｝（但し、１≦ｉ≦Ｍ−１；Ｍ＝段階数）を満たすことを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項１６】
請求項１に記載のプラズマトーチであって、
前記サイドシールドモジュールは、前記ガスシールドジェットとして、前記プラズマジェットの周囲において環状に形成され、同軸状のスリット、又は、同軸状かつ軸対象配置された複数の孔から噴射される、少なくともアルゴンまたは窒素のうちの一種類またはそれらを混合したガスを用いることを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項１７】
請求項１に記載のプラズマトーチであって、
前記カスケードは、前記アノード側に向かうに従って段階的に拡径する内部形状の段階数が４〜１０段の範囲であることを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項１８】
請求項１に記載のプラズマトーチであって、
前記カソード、前記カスケード、前記アノード及び前記出射ノズルの内の最大径である箇所の外径が７０ｍｍ以下であり、前記カソード、前記カスケード、前記アノード及び前記出射ノズルを合わせた最大長さが３００以下であることを特徴とするプラズマトーチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高性能なプラズマ処理を利用したプラズマ溶射等の表面処理、耐火性粉末材料加工、及びプラズマ化学処理に用いられる、カスケード（電極間インサート）を備えたプラズマトーチに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、例えば、プラズマ溶射等の表面処理や鋼板間の溶接を行う際に用いられるプラズマトーチとして、非移行型の電気式アークプラズマトーチが、当業界で従来から良く知られている。また、現在、プラズマ溶射等の表面処理や耐火性粉末材料加工、プラズマ化学処理の分野においては、作動ガスを集中的且つ渦状に供給するプラズマトーチが最も広く使われている。また、このようなプラズマトーチにおいては、作動ガスが比較的短い放電路へと供給され、乱流プラズマジェットが生成される構造とされている（例えば、ＰｌａｚＪｅｔ：登録商標／ＴＡＦＡ社、１００ＨＥ  Ａｘｉａｌ  Ｆｅｅｄ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ  Ｐｌａｓｍａ  Ｓｐｒａｙ（登録商標）／Ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ  Ｓｕｒｆａｃｅ社、Ｆ４, Ｆ８, ９ＭＢ（登録商標）／ＳＵＬＺＥＲ  ＭＥＴＣＯ社等）。
【０００３】
また、プラズマトーチとしては、カソード及びアノードと、これらの間に設けられるカスケードとから構成されるとともに、これら各々の間が絶縁され、個別に水冷する構成とされたものが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献２に記載のプラズマトーチは、カスケードを通過するカソードガス及びアノードガスを供給し、カソードとアノードとの間に電圧を印加してプラズマを発生させる構成とされている。特許文献２のプラズマトーチによれば、カスケードが設けられることでカソード上の陰極点とアノード上の陽極点との距離が長くなるため、電圧が高くなり、（擬似）層流プラズマジェットが形成しやすくなるという効果が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−８２６９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述したような従来の構成のプラズマトーチにおいては、以下に説明するような問題点が存在する。
（１）  乱流のプラズマジェットは、渦を巻きながら出射ノズルから流出し、周囲の低温の雰囲気と活発に混ざり合うことから、エンタルピーを急速に失う。このため、効果的に鋼板や粉末等を加熱できる区間の長さは、出射ノズルの軸方向で、ノズル内径の５〜７倍の長さ寸法を超えることは出来ない。これでは、耐火性粉末材料（例えば、酸化物、炭化物、窒化物等）を処理するにあたり、粒子を効率良く処理するのに十分でないという問題がある。これは、被処理部が高温ジェット核に曝されている時間が短いためである。このような表面処理を行うための一連の技術的プロセスにおいては、プラズマジェットが、低速、低騒音で比較的長く（１５０ｍｍ以上）、さらに、プラズマジェットの直径が大きい必要がある。
【０００６】
（２）  ガスの温度がＴ＞Ｔｍｐ（Ｔｍｐは、物質の溶融温度を指す）を満たすようなプラズマジェットの区域に、低熱伝導粒子（例えば、Ａｌ２Ｏ３、 ＺｒＯ２等）が滞在している時間が不十分だと、プラズマジェットの外周に、完全に融解していない粒子が現れることがある。同時に、そのような完全に融解していない粒子（低熱伝導粒子）の蒸発が、プラズマジェットの軸中心の区域で生じる可能性がある。これにより、プラズマと粒子との間の熱交換が減少するため、粉末処理の効率が低下するという問題がある。
【０００７】
（３）  乱流気体の流れの半径方向の速度や温度勾配が大きすぎると、全く融解していない粒子や中途半端に融解された粒子が現れる確率が高くなる。
【０００８】
（４）  上記したプラズマジェットの内部速度温度勾配に、さらに、大きなアーク短絡に起因した、周波数１〜５ｋＨｚ程度の乱流振動のスペクトラムの周波数が加わることにより、粒子の速度と、局部及びプラズマジェットの断面における温度に、かなりのばらつきが出てくる。この結果、最終製品の特性が不均一になってしまうという問題がある。
【０００９】
（５）  従来型のプラズマトーチでは、アノード（陽極）表面へのアーク付着が抑制されるので、流出するプラズマジェットの温度と速度場とが非軸対称になってしまう。このような問題を解決するため、通常、作動ガスが渦力を強くするという方法が採用されており、これによってアークスポットがアノードの表面で旋回する。しかしながら、作動ガスの流速が小さい場合、即ち、レイノルズ数が低い場合には、気体の圧力による旋回効果が得られなくなるので、上記方法は適さない。また、アノードを被覆するソレノイドを取り付けることにより、電磁旋回を加える方法が採用されることもある。しかしながら、この場合には、プラズマトーチの構造が本質的に複雑になる一方、上記問題が完全に解決されることはない。
【００１０】
（６）  プラズマジェットに回転速度の成分が存在する場合、相当な量の粒子がプラズマジェットの外周部へと移動する。このため、粒子が加熱される際の効率が低下する。さらに加えて、渦状のプラズマジェットは、通常は乱流なので、長さが比較的短い。
【００１１】
（７）  渦状のプラズマ流により、騒音レベルが最大で１２０〜１３０デシベルと、非常に高くなってしまう。
【００１２】
本発明は、上記各問題点を解決する。即ち、カソードとアノードとの間のカスケード（電気的に絶縁された電極間インサート）を備え、高性能なプラズマ処理を利用したプラズマ溶射等の表面処理や耐火性粉末材料加工、プラズマ化学処理等を高効率で行うことが可能なプラズマトーチを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者等は、上記問題点を解決するために鋭意検討を行った。
まず、上記問題の解決方法の一つとして、高エンタルピーであって、且つ、準層流（低流速）であり、しかも長いプラズマジェットを発生させ、そのジェットのガスが渦を巻いて流れる流量を最小限にするという方法を見出した。この際の流量は、アノードにアークが安定して付着するのに十分な程度とする。この場合、粘性消散の結果、ガス速度の回転成分は放電経路において抑制される。さらに、プラズマトーチの射出口では、周囲の雰囲気からの冷却ガスの混合が大幅に抑制される。
【００１４】
同時に、プラズマトーチがカスケード（電極間インサート）を有する構成とすることにより、上述した問題点のほとんどを解消することが可能となる。この場合、電気アークの長さは、「自己安定式」のプラズマトーチに比べて相当に長い。他の条件が同じであると仮定すると、プラズマジェットの出力は、電流の増加ではなく、アーク電圧の増加によって増大される。また、カスケードとアノードとの間の隙間に、高導電性のガスを別途供給する構成を採用することで、アノード表面へのアークの付着が抑制されるのを防止できる。この場合、アークが付着する度合いが均等に分布されるので、出射ノズルの出射口においてプラズマジェットが軸対称となる。
【００１５】
材料処理における重要な技術として、プラズマジェットが充分に長く、また、プラズマジェットの断面の直径が大きいことが求められる。一般的に、出射されるプラズマジェットの直径は、電気アーク経路及び出射ノズルの内径によって決まる。プラズマ作動ガスの流量が小さい場合、プラズマジェットの直径を大きくする事にはやや問題がある。これは、プラズマジェットの直径を大きくすることは、プラズマジェットを広範囲にわたって安定させる点や、プラズマ作動ガスの温度と断面における速度分布を一定にする点と相反するからである。このため、本発明者等の知る限り、上記問題を解決するために、電気式アークプラズマトーチの改良に関して考察されたことは、これまで全く無かった。
【００１６】
一般的に知られている、全ての市販の溶接装置に備えられているプラズマトーチでは、プラズマアーク長が「自己安定式」であり、カソードからアノードに向けて縮径する向きのステップによって、プラズマアークの長さが固定されている。このような従来のプラズマトーチと比較した場合、本発明に係るプラズマトーチの利点として以下の事項が挙げられる。
（１）  カソードとアノードとの間にカスケード（電極間インサート）が設けられているので、プラズマトーチの出力が、電流の増加によってではなく、アーク電圧の増加によって得られる。これにより、カソード及びアノードの各電極の寿命が顕著に長くなる。
【００１７】
（２）  カスケードが設けられているので、大規模なプラズマアーク長の脈動の度合いを大幅に軽減することができる。従って、出射されるプラズマジェットの出力の変動を一桁以上で減らすことができる。
【００１８】
（３）  プラズマアークがアノードの表面に「分散されるように」付着することによって、プラズマジェットの温度及び速度場が軸対称となる。さらに、アーク電圧及び出力の脈動の度合いを低減することができる。
【００１９】
（４）  特殊な処理の要求に対応できるように、空気をプラズマ形成ガスとして使用することにより、プラズマ技術を用いたプロセスに要するコストを顕著に低減することができる。さらに、装置コストの回収期間を顕著に短縮することができる。
【００２０】
（５）  準層流のプラズマジェットを集中した熱源として用いることができる。この際、表面の加熱効率が９０％を超えることが可能であることが明らかである。また、熱伝導率が低いセラミックの粉末物質を溶射処理する際の効率も高めることができる。
【００２１】
本発明は上記各知見に基づくものであり、以下に示す構成を採用するものである。
【００２２】
即ち、本発明のプラズマトーチは、カソードとアノードとの間にカスケードが配設され、前記カソードとアノードとの間に電圧を印加することでプラズマジェットを形成するカスケード型のプラズマトーチであって、前記カソードは、水冷構造を有する銅製の本体部と、該本体部に挿入された棒状のタングステンの陰極とからなり、前記カソードと前記カスケードとの間に、さらに、前記カソード及び前記アノードとは電気的に絶縁されているとともに、水冷構造を有するパイロット部材が備えられ、前記カスケードは、前記パイロット部材と前記アノードとの間に配置され、前記アノード側に向かうに従って多段で段階的に拡大する内部形状とされた単一部材、あるいは、互いに電気的に絶縁された複数の部材からなるとともに、前記カソード及び前記アノードとは電気的に絶縁され、水冷構造を有する電極間インサートとして構成されており、前記アノードは、水冷構造を有する銅製部材であり、さらに、前記アノードに対して電気的に絶縁して接続されているとともに、前記アノード側に向かうに従って内部形状が多段で段階的に拡大し、水冷構造を有する出射ノズルと、同軸で環状且つ低速のガスシールドジェットを生成することにより、周辺環境からのガス流入を遮断して、前記出射ノズル及び該出射ノズルから出射されるプラズマジェットへの酸素の侵入を遮断するサイドシールドモジュールと、を備えることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明は、上記構成のプラズマトーチにおいて、前記カソードに備えられる前記陰極の先端の直径Ｄｃａｔｈｏｄｅが、下記（１）式を満たすことを特徴とする。
【００２４】
【数１】
2013536543.tif 000003
【００２５】
但し、上記（１）式において、［ｘ］はｘ（カッコ内）の整数部分であり、また、Ｉはアーク電流（Ａ）で、１００≦Ｉ≦４００（Ａ）の範囲である。
【００２６】
また、本発明は、上記構成のプラズマトーチにおいて、前記パイロット部材の中央開口部の直径Ｄｐｉｌｏｔと、前記カソードに備えられる前記陰極の先端の直径Ｄｃａｔｈｏｄｅとの関係が、次式｛Ｄｐｉｌｏｔ＞Ｄｃａｔｈｏｄｅ｝を満たすことを特徴とする。
また、本発明は、上記構成のプラズマトーチにおいて、前記パイロット部材に備えられる前記中央開口部の周囲にバイパス孔が設けられており、プラズマを生成させるための作動ガスが、前記カソード側から、前記中央開口部又は前記バイパス孔の少なくとも何れかを通過して前記カスケード側に流れることを特徴とする。
【００２７】
また、本発明は、上記構成のプラズマトーチにおいて、前記カソードに備えられる陰極と、前記パイロット部材との間の隙間の幅ｈ＝｛（Ｄｐｉｌｏｔ−Ｄｃａｔｈｏｄｅ）／２｝が、下記（２）、（３）式を満たし、前記隙間の幅hの最小値は、前記陰極と前記パイロット部材との間の円形の隙間に存在する前記プラズマ作動ガスの平均質量速度が、初期温度におけるプラズマ形成ガスの音速よりも小さな速度であり、前記隙間の幅ｈの最大値は、前記プラズマ作動ガスの所定の質量流量率Ｇｗにおいて、前記パイロット部材の入口のプラズマ作動ガスの状態に対応するレイノルズ数Ｒｅ＝｛４Ｇｗ／πＤｐｉｌｏｔμｗ｝が、管内のガスの流れが乱流状態となる臨界レイノルズ数（Ｒｅｃｒｉｔ=２１００）よりも小さいことを特徴とする。
【００２８】
【数２】
2013536543.tif 000004
【００２９】
【数３】
2013536543.tif 000005
【００３０】
また、本発明は、上記構成のプラズマトーチにおいて、前記カスケードが複数の部材からなるとともに、前記複数の部材の各々の間、並びに、当該カスケードと前記カソード及び前記アノードとの間に、Ｏリング及び断熱性セラミックリングが設けられており、前記複数の部材の各々の間、並びに、当該カスケードと前記カソード及び前記アノードとの間との間が、電気的に絶縁した状態で接続されていることを特徴とする。
【００３１】
また、本発明は、上記構成のプラズマトーチにおいて、前記カスケードは、前記パイロット部材側から前記アノード側に向けて段階的に拡径する各段階の、プラズマジェット出射方向の長さＬｉ（ｍｍ）が、次式｛５≦Ｌｉ（ｍｍ）≦１５｝を満たすことを特徴とする。
また、本発明は、上記構成のプラズマトーチにおいて、前記アノード側に向けて段階的に拡径する前記カスケードの、前記パイロット部材側からｉ番目の位置における、プラズマジェット出射方向の長さをＬｉ（ｍｍ）で表し、半径方向の段差寸法をΔｒｉ（ｍｍ）で表した際、前記各段階における長さＬｉ（ｍｍ）と段差寸法Δｒｉ（ｍｍ）との関係が、次式｛４．５≦Ｌｉ／Δｒｉ≦１５｝を満たすことを特徴とする。
また、本発明は、上記構成のプラズマトーチにおいて、前記カソードに備えられる前記陰極の先端と、前記アノードの前記カスケード側の端部との間の電極間長さ（前記カソード先端と前記アノード入口との間の電極間長さ）Ｌが、次式｛５０≦Ｌ（ｍｍ）≦１５０｝を満たすことを特徴とする。
【００３２】
また、本発明は、上記構成のプラズマトーチにおいて、前記アノードは、前記カスケードの出口側に接続され、出口側に向かうに従って滑らかに収束する形状のテーパ部を含むプラズマ流入路と、該プラズマ流入路に接続され、出口側に向かって同一径で設けられることでプラズマを安定化する円筒状流路とからなる流路を備え、前記アノードの前記円筒状流路の内径Ｄａｎｏｄｅと、前記パイロット部材の中央開口部の直径Ｄｐｉｌｏｔとの関係が、次式｛１．５≦Ｄａｎｏｄｅ／Ｄｐｉｌｏｔ≦２．８｝を満たすことを特徴とする。
【００３３】
また、本発明は、上記構成のプラズマトーチにおいて、全ガス質量流量率Ｇｔｏｔａｌが、下記（４）、（５）式を満たすことを特徴とする。
【００３４】
【数４】
2013536543.tif 000006
【００３５】
【数５】
2013536543.tif 000007
【００３６】
【数６】
2013536543.tif 000008
【００３７】
但し、上記（４）、（５）式において、Ｒｅｔｏｔａｌ（＝４Ｇｔｏｔａｌ／πＤａｎｏｄｅμ）は、前記アノードの出口側の断面において計算されたレイノルズ数を表す。また、上記一般式（６）で表されるＧｔｏｔａｌは、プラズマを形成するガス混合物の第j個目の要素、及び、アノードシールドガスＧｊの、全ガス質量流量率（グラム／秒）を表す。
【００３８】
また、本発明は、上記構成のプラズマトーチにおいて、前記プラズマを形成するガス混合物は、アルゴン（Ａｒｇｏｎ）、窒素（Ｎｉｔｒｏｇｅｎ）、水素（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ）の各々のガスの質量比の最大値が、次式｛ＧＡｒｇｏｎ ／ＧＮｉｔｒｏｇｅｎ＝０．４｝、及び、次式｛ＧＨｙｄｒｏｇｅｎ／ＧＮｉｔｒｏｇｅｎ＝０．０４｝を各々満たすことを特徴とする。
また、本発明は、上記構成のプラズマトーチにおいて、水冷構造を有する前記出射ノズルが、前記アノード側から出射口に向けて段階的に拡径する内部形状とされているとともに、前記アノードに対して電気的に絶縁されて接続されていることを特徴とする。
【００３９】
また、本発明は、上記構成のプラズマトーチにおいて、前記出射ノズルの出射口における内径Ｄｅｘｉｔと、前記アノードの前記円筒状流路の内径Ｄａｎｏｄｅとの比が、次式｛１．５≦Ｄｅｘｉｔ／Ｄａｎｏｄｅ≦２．５｝を満たすことを特徴とする。
また、本発明は、上記構成のプラズマトーチにおいて、前記出射口に向けて段階的に拡径する前記出射ノズルの、前記アノード側からｉ番目の位置における、プラズマジェット出射方向の長さをＬＮｉ（ｍｍ）で表し、半径方向の段差寸法をΔｒｉで表した際、前記各段階における長さＬＮｉ（ｍｍ）と段差寸法Δｒｉ（ｍｍ）との関係が、次式｛５≦ＬＮｉ／Δｒｉ≦１０｝（但し、１≦ｉ≦Ｍ−１；Ｍ＝段階数）を満たすことを特徴とする。
【００４０】
また、本発明は、上記構成のプラズマトーチにおいて、前記サイドシールドモジュールは、前記ガスシールドジェットとして、前記プラズマジェットの周囲において環状に形成され、同軸状のスリット、又は、同軸状かつ軸対象配置された複数の孔から噴射される、少なくともアルゴンまたは窒素のうちの一種類またはそれらを混合したガスを用いることを特徴とする。
【００４１】
また、本発明は、上記構成のプラズマトーチにおいて、前記カスケードは、前記アノード側に向かうに従って段階的に拡径する内部形状の段階数が４〜１０段の範囲であることを特徴とする。
また、本発明は、上記構成のプラズマトーチにおいて、前記カソード、前記カスケード、前記アノード及び前記出射ノズルの内の最大径である箇所の外径が７０ｍｍ以下であり、前記カソード、前記カスケード、前記アノード及び前記出射ノズルを合わせた最大長さが３００以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によるプラズマトーチは、カソードとアノードとの間に電極間インサートであるカスケードを設け、さらに、前記カスケードを、前記カソード側から前記アノード側に向かうに従って段階的に拡径する内部形状とした構成を採用している。本発明によれば、上記構成のカスケードが備えられることにより、プラズマトーチの出力が、電流増加に拠らずにアーク電圧の増加によって得られるので、カソード及びアノードの各電極の長寿命化が可能となる。また、段階的に拡径する内部形状とされたカスケードを備えることで、該カスケードの内部において準層流のプラズマが生成されるので、プラズマジェットの出力変動が低減でき、運転処理コストの低減が可能となる。これにより、高性能なプラズマを利用した表面処理を、高効率で行うことが可能なプラズマトーチが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は本発明の実施形態であるプラズマトーチの構造を説明する模式断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは本発明の実施形態であるプラズマトーチの構造を説明する模式断面図である。図２Ａはパイロット部材の中央開口部からカスケード側にプラズマ作動ガスが流入する状態を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは本発明の実施形態であるプラズマトーチの構造を説明する模式断面図である。図２Ｂはパイロット部材の中央開口部及びバイパス孔からカスケード側にプラズマ作動ガスが流入する状態を示す。
【図２Ｃ】図２Ｃは本発明の実施形態であるプラズマトーチの構造を説明する模式断面図である。図２Ｃは図２Ｂに示すバイパス孔のプラズマトーチ軸方向からの角度がａ／２度である場合に、カスケード側にプラズマ作動ガスが流入する状態を示す。
【図３】図３は本発明の実施形態であるプラズマトーチの構造を説明する模式断面図であり、互いに電気的に絶縁された複数の部材からなるカスケードを示す図である。
【図４】図４は本発明の実施形態であるプラズマトーチの構造を説明する模式断面図であり、陽極であるアノードと、該アノードに対して電気的に絶縁されて取り付けられる出射ノズルを示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは本発明の実施形態であるプラズマトーチの構造を説明する模式断面図である。図５Ａは、出射されるプラズマジェットの断面の直径を増大させるための、複数の後ろ向きステップからなり段階的に拡径する内部形状を有し、アノードに対して電気的に絶縁されて取り付けられる出射ノズルの一例を示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは本発明の実施形態であるプラズマトーチの構造を説明する模式断面図である。図５Ｂは、出射されるプラズマジェットの断面の直径を増大させるための、複数の後ろ向きステップからなり段階的に拡径する内部形状を有し、アノードに対して電気的に絶縁されて取り付けられる出射ノズルの一例を示す。
【図５Ｃ】図５Ｃは本発明の実施形態であるプラズマトーチの構造を説明する模式断面図である。図５Ｃは、出射されるプラズマジェットの断面の直径を増大させるための、複数の後ろ向きステップからなり段階的に拡径する内部形状を有し、アノードに対して電気的に絶縁されて取り付けられる出射ノズルの一例を示す。
【図６Ａ】図６Ａは本発明の実施形態であるプラズマトーチを説明するための模式図である。図６Ａは、ガスシールドジェット（サイドシールドガス）の、プラズマトーチの半径方向の環状スリットから始まり、内部と外部の流線を含む、出射ノズル近傍の領域における流線を示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは本発明の実施形態であるプラズマトーチを説明するための模式図である。図６Ｂは、環状のスリットから噴射されたサイドシールドガスの、低速な流れのベクトル場を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
以下に、本発明のプラズマトーチの一実施形態について、図１〜図６を適宜参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために詳細に説明するものであるから、特に指定の無い限り、本発明を限定するものではない。
【００４５】
本実施形態のプラズマトーチ１００は、図１に例示するように、カソード１とアノード４との間に電極間インサートとしてカスケード３が配設され、カソード１とアノード４との間に電圧を印加することでプラズマジェットを形成するカスケード型のプラズマトーチである。
【００４６】
カソード１は、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃに示すように、水冷構造を有するチャンネル構造体（水冷構造）１３を有する銅製の本体部１１と、該本体部１１に挿入された棒状のタングステンの陰極１２とからなる。また、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃに示す例のカソード１は、カソードガス（プラズマ作動ガス）Ａが注入されるガス入口１ａが備えられるとともに、本体部１１がトーチホルダ１０に嵌合支持されている。
【００４７】
また、カソード１とカスケード３との間には、図１に示すように、さらに、カソード１及びアノード４とは電気的に絶縁されているとともに、図示略の水冷構造を有するパイロット部材２が備えられている。このパイロット部材２は、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃに示す例においては、カソード１と同様、トーチホルダ１０に嵌合支持されている。
【００４８】
カスケード３は、パイロット部材２とアノード４との間に配置され、アノード４側に向かうに従って多段で段階的に拡大する内部形状とされた単一部材、あるいは、互いに電気的に絶縁された複数の部材からなり、図１に示す例では、５個の部材３Ａ〜３Ｅからなる。このカスケード３は、カソード１、パイロット部材２、及びアノード４とは電気的に絶縁され、水冷構造３３を有する電極間インサートとして構成されている。また、図３の部分図に例示するカスケード３は、その胴囲が外側絶縁体３１と内側絶縁体３２とから筒状に構成され、外側絶縁体３１と部材３Ａ〜３Ｅとの間に確保された空間が、通水による水冷構造３３として構成されている。また、各々の部材３Ａ〜３Ｅの間には、外側から順に、それぞれＯリング３４及び断熱性セラミックリング３５が設けられ、各々の部材３Ａ〜３Ｅの間が電気的に絶縁した状態で接続されている。
【００４９】
上記構成のカスケード３は、入口３ａ側からカソードガス（プラズマ作動ガス）Ａが流入し、内部で後述のアノードガス（プラズマ作動ガス）Ｂと混合し、プラズマ形成ガスＣとしてプラズマを発生させ、出口３ｂ側から出射させることができる。
【００５０】
また、本実施形態においては、さらに、カスケード３とカソード１（パイロット部材２）及びアノード４との間にも、Ｏリング３４及び断熱性セラミックリング３５が設けられた構成とすることができる。図３に示す例においては、部材３Ａのカソード１Ａ側（パイロット部材２側）に、Ｏリング３４及び断熱性セラミックリング３５が設けられている。
【００５１】
本実施形態のカスケード３は、上記構成のように、互いに電気的に絶縁された複数の部材３Ａ〜３Ｅからなる電極間インサートとして構成されるとともに、カソード１（パイロット部材２）及びアノード４との間で電気的に絶縁された構成とされている。このような構成のカスケード３は、例えば、プラズマトーチに印加する作動電圧を高くする場合には、複数の部材の数を増加させてさらに多段の構成とすることで、より高電圧で駆動することが可能となる。
【００５２】
アノード４は、水冷構造４３を有する銅製部材である。また、本発明に係るプラズマトーチ１００においては、さらに、アノード４に対して電気的に絶縁して接続されているとともに、アノード４と反対側に向かうに従って内部形状が複数の段階で拡大し、図示略の水冷構造を有する出射ノズル５を備える。
【００５３】
アノード４は、図１に示すように、端部４ａが、カスケード３の出口３ｂに対して電気的に絶縁された状態で接続されている。また、図示例のアノード４は、出口４ｂ側に向かうに従って滑らかに収束する形状のテーパ部４１ａを含むプラズマ流入路４１と、該プラズマ流入路４１に接続され、出口側に向かって同一径で設けられることでプラズマを安定化する円状流路４２とからなる流路４Ａを備えている。また、プラズマ流入路４１には、カスケード３の出口３ｂと接続される位置に渦巻きリング４４が設けられており、さらに、出射ノズル５と接続される出口４ｂには絶縁リング４６が設けられている。また、アノード４には、アノードガスＢが注入される注入口４３ａが設けられており、この注入口４３ａは、プラズマ流入路４１に連通されている。
【００５４】
出射ノズル５は、図４に例示するように、その端部５ａが、アノード４の出口４ｂ側に、絶縁リング４６を介して電気的に絶縁された状態で接続される。また、出射ノズル５は、段差５２からなる、多段で段階的に拡大する内部形状を有しており、出射口５１から、プラズマジェットＤを安定して形成しながら出射可能な構成とされている。なお、図４に占めす例では、出射ノズル５は、２段の段差５２からなる後ろ向きステップを有している。
【００５５】
そして、プラズマトーチ１００は、同軸で環状且つ低速のガスシールドジェット（サイドシールドガス）Ｅを生成することにより、周辺環境からのガス流入を遮断して、出射ノズル５から出射された直後のプラズマジェットへの酸素の侵入を遮断する、サイドシールドモジュール６を備えて構成される（図６Ａ、図６Ｂを参照）。図６Ａ、図６Ｂに示す例のサイドシールドモジュール６は、図示略の噴出口と、出射ノズル５の出射端面５３に形成された環状のガススリット６２とからなる。そして、図示略の噴出口から供給されるガスシールドジェットＥが、出射ノズル５の出射端面５３の表面を伝播してガススリット６２に流入するように構成される。また、詳細を後述するが、ガスシールドジェットＥは、その一部が、出射ノズル５の出射端面５３の表面から広がって、出射口５１から多段の形状とされた内部に入り込み、入口付近の段差５２の位置まで広がるように構成されている。
【００５６】
上述のように、本実施形態で説明するプラズマトーチ１００は、カソード１、カスケード３及びアノード４から概略構成されており、さらに、カソード１とカスケード３の間にパイロット部材２が備えられ、アノード４の出口側には出射ノズル５が備えられている。また、これら各部材の間は電気的に絶縁され、さらに、個別に水冷する構成とされている。
【００５７】
本発明に係るプラズマトーチ１００は、主に、カスケード３が、カソード１側からアノード４側に向かうに従って段階的に拡径する内部形状とされていることを特徴としている。そして、カソード１とアノード４との間に配設されるカスケード３を通過するカソードガス（プラズマ作動ガス）Ａ、及びアノードガス（プラズマ作動ガス）Ｂを供給し、カソード１とアノード４との間に電圧を印加してプラズマを発生させる。
【００５８】
本発明に係るプラズマトーチ１００に備えられたカスケード３は、従来のプラズマトーチには見られない構成を有している。本発明においては、カスケード３が設けられることで、まず、カソード１上の陰極点とアノード４上の陽極点との距離が長くなるため、電圧が高くなり、準層流プラズマジェットが形成しやすくなるという効果が得られる。
【００５９】
本発明に係るプラズマトーチ１００においては、カソード１に備えられた陰極１２の先端１２ａの直径Ｄｃａｔｈｏｄｅが、下記（１）式を満たすことが好ましい。
【００６０】
【数７】
2013536543.tif 000009
【００６１】
但し、上記（１）式において、［ｘ］はｘ（カッコ内）の整数部分であり、また、Ｉはアーク電流（Ａ）で、１００≦Ｉ≦４００（Ａ）の範囲である。
陰極１２の先端１２ａの直径Ｄｃａｔｈｏｄｅが、上記（１）式を満たすことにより、安定した放電が可能となり、より安定したプラズマを形成することが可能となる。
【００６２】
また、本発明に係るプラズマトーチ１００においては、例えば、カソードガス（プラズマ作動ガス）Ａの質量流量率Ｇｗを、二つの流れに再分配（バイパス）するための第２の構成（詳細を後述するパイロット部材２を参照）を採用するか否かに関わらず、パイロット部材２の中央開口部２２の直径Ｄｐｉｌｏｔと、カソード１に備えられる陰極１２の先端１２ａの直径Ｄｃａｔｈｏｄｅとの関係が、次式｛Ｄｐｉｌｏｔ＞Ｄｃａｔｈｏｄｅ｝を満たすことが好ましい。上記関係とすることにより、カソードガスＡがパイロット２側（カスケード３側）に向けて安定して流れるとともに、安定した放電が可能となり、より安定したプラズマを形成することが可能となる。
【００６３】
また、本発明に係るプラズマトーチ１００においては、図２Ｂ、図２Ｃに示す例のように、パイロット部材２に備えられる中央開口部２２の周囲にバイパス孔２４（２４ａ、２４ｂ）が設けられた構成とすることができる。このような構成とした場合には、プラズマを生成させるためのカソードガス（プラズマ作動ガス）Ａが、カソード１側から、中央開口部２２又はバイパス孔２４の少なくとも何れかを通過してカスケード３側に流れる。なお、図２Ｂに示す例では、バイパス孔２４ａが中央開口部２２に対して略平行に設けられており、また、図２Ｃに示す例では、詳細を後述するが、バイパス孔２４ｂが中央開口部２２に対して所定の角度を有して設けられている。
【００６４】
本発明では、パイロット部材２に対し、別の選択肢として、バイパス孔２４ａ、２４ｂが設けられたパイロット部材２Ａ、２Ｂを採用することにより、カソードガスＡの流率を二つの部分に分けることができる。この際に用いられるバイパス孔２４ａ、２４ｂは、上述したように、電気アークの経路である中央開口部２２に対して平行なガス供給路として構成されるか（図２Ｂ中の符号２４ａ参照）、又は、所定の角度（α／２°）を有したガス供給路として設けられる（図２Ｃ中の符号２４ｂを参照）。このような構成を採用した場合には、カソードガスＡの流率が２つの流れに再配分される。そのうちの１つの流れは、質量流量率がＧｗであり、軸ｒ＝０へと導かれ、その後、パイロット部材２の中央開口部２２を通ってカスケード３側に流出する。この際の、中央開口部２２の直径はＤｐｉｌｏｔである。また、２つ目の流れは、質量流量率がＧｗ１であり、円形で各々の直径がＤｂｈである複数のバイパス孔２４（２４ａ、２４ｂ）を通り、パイロット部材２とカスケード３との間の隙間へと流出する。この際の質量比Ｇｗ１／Ｇｗは、おおよそ下記一般式（７）によって定義される。
【００６５】
【数８】
2013536543.tif 000010
【００６６】
但し、上記一般式（７）中おける各数値は、
Ｓｂｈ＝πＤｈ２ｎ  ：  複数のバイパス孔の総面積
Ｄｈ  ：  バイパス孔の直径
ｎ  ：  使用された孔の数
Ｓｇ＝πＤＩＥＩ，１ｈｇ  ：  隙間の出口面積
ＤＩＥＩ，１  ：  カスケードの第１の部分の内径
ｈｇ  ：  隙間の幅
Ｓ０＝πＤｐｉｌｏｔ２／４  ：  パイロット部材の中央開口部の面積
となる。
【００６７】
上記構成の如く、パイロット部材２に設けられた各開口部を用いることでカソードガスＡを再配分すると、電気アークの初期ゾーンに小規模の乱流が発生する。この結果、アーク電圧が上昇し、プラズマ流出電力が増加するという効果が得られる。
【００６８】
パイロット部材２の内径Ｄｐｉｌｏｔは、以下に説明する事項を勘案して決定することができる。
第１に、内径Ｄｐｉｌｏｔが、棒状の陰極１２の直径Ｄｃａｔｈｏｄｅよりも小さい構成とすることは不可能である。即ち、次式｛Ｄｐｉｌｏｔ＞Ｄｃａｔｈｏｄｅ｝の関係が満たされる必要がある。
第２に、パイロット部材の最小内径Ｄｐｉｌｏｔ，ｍｉｎは、カソードガス（プラズマ作動ガス）Ａの流率が所定の範囲である時に、パイロット部材の挿入部分へと流入する流れが入口で詰まってしまうことを防止できるだけの内径とされている必要がある。
【００６９】
また、パイロット部材２の長さＬｐｉｌｏｔは、二重の不等式である次式｛Ｌｐｉｌｏｔ，ｍａｘ≧Ｌｐｉｌｏｔ≧Ｌｐｉｌｏｔ，ｍｉｎ｝を満たす必要がある。ここで、Ｌｐｉｌｏｔ，ｍｉｎは、プラズマ着火時に、十分に発達した流れを形成することができるのに充分な程度の管長を示す。ここで説明する、十分に発達した流れとは、パイロット部材の挿入部分から流出するアークジェットを安定させることができる流れであり、通常は、次式｛Ｌｐｉｌｏｔ，ｍｉｎ／Ｄｐｉｌｏｔ≧１｝の関係である。
【００７０】
なお、値Ｌｐｉｌｏｔ，ｍａｘは、下記の条件によって定められる、パイロット部材の管長の最大値である。即ち、サンプルのガス量がパイロット部材の管の中に入っている滞留時間は、熱擾乱が管の中央（電気アーク）から管の壁へと及ばない程度で小さい時間である必要がある。つまり、アーク壁の電気絶縁破壊を防げる程度に、壁の部分にあるガスが冷えている必要がある。
【００７１】
また、本発明に係るプラズマトーチ１００においては、カソード１に備えられる陰極１２と、パイロット部材２との間の隙間の幅ｈ＝｛（Ｄｐｉｌｏｔ−Ｄｃａｔｈｏｄｅ）／２｝が、下記（２）、（３）式を満たし、隙間の幅hの最小値は、陰極１２とパイロット部材２との間の円形の隙間に存在するプラズマ作動ガス、即ち、カソードガスＡの平均質量速度が、初期温度におけるプラズマ形成ガスの音速よりも小さな速度であり、隙間の幅ｈの最大値は、カソードガスＡの所定の質量流量率Ｇｗにおいて、パイロット部材２のカソードガスＡの状態に対応するレイノルズ数Ｒｅ＝｛４Ｇｗ／πＤｐｉｌｏｔμｗ｝が、管内のガスの流れが乱流状態となる臨界レイノルズ数（Ｒｅｃｒｉｔ=２１００）よりも小さいことが好ましい。
【００７２】
【数９】
2013536543.tif 000011
【００７３】
【数１０】
2013536543.tif 000012
【００７４】
本発明に係るプラズマトーチ１００は、上述したように、カスケード３が、カソード１側からアノード４側に向かうに従って、内径が段階的に拡径する内部形状とされている。そして、図１及び図３に例示するカスケード３は、５個の部材３Ａ〜３Ｅからなり、Ｏリング３４及び断熱性セラミックリング３５によって各々の間が電気的に絶縁した状態で接続されている。このようなＯリング３４としては、例えば、従来公知の高温密閉プラスチックからなるものを用いることができる。また、断熱性セラミックリング３５としても、一般に用いられているセラミックなどの電気的絶縁材質のリングを用いることができる。さらに、カスケード３は、Ｏリング３４及び断熱性セラミックリング３５により、カソード１及びアノード４と間で電気的に絶縁されている。
【００７５】
上記構成のプラズマトーチ１００において、カスケード（電極間インサート）３を構成する部材（３Ａ〜３Ｅ）の数、即ち、多段で段階的に拡大する段階数は、所望とする動作電圧及びアーク長によって決められる。図３に示す本実施形態のカスケード３は、上述したように、５つの部材３Ａ〜３Ｅから構成される。これにより、プラズマトーチ１００における作動電圧は、おおよそ１００〜２６０ボルトの範囲となる。この作動電圧は、例えば、電気アーク経路の内部構造や、プラズマ形成ガスの種類並びにプラズマ形成ガスの質量流量率によって決定される。より高い作動電圧を印加する場合には、カスケード部材の数がより多く必要になる可能性がある。
【００７６】
また、本発明に係るプラズマトーチ１００は、カスケード３が、パイロット部材２側からアノード４側に向けて段階的に拡径する各段階の、プラズマジェットＤの出射方向の長さＬｉ（ｍｍ）が、次式｛５≦Ｌｉ（ｍｍ）≦１５｝を満たす構成であることがより好ましい。
【００７７】
上記各段階における長さＬｉ（ｍｍ）が５ｍｍ未満だと、水冷手段３３による水冷効率が低下し、最悪の場合、プラズマトーチが故障してしまうことがある。また、上記長さＬｉ（ｍｍ）が１５ｍｍを超えると、第i個目の部分の浮遊電位が高くなり過ぎるため、この部分の内壁とプラズマとでアーク短絡が生じる。このようなアーク短絡の発生を防止し、プラズマトーチを故障させないためには、上記長さＬｉは５ｍｍ以上１５ｍｍ以下にすることが好ましい。
【００７８】
また、本発明に係るプラズマトーチ１００は、アノード４側に向けて段階的に拡径するカスケード３の、パイロット部材２側からｉ番目の位置における、プラズマジェットＤ出射方向の長さをＬｉ（ｍｍ）で表し、半径方向の段差寸法をΔｒｉ（ｍｍ）で表した際、各段階における長さＬｉ（ｍｍ）と段差寸法Δｒｉ（ｍｍ）との関係が、次式｛４．５≦Ｌｉ／Δｒｉ≦１５｝を満たす構成とすることがより好ましい。
【００７９】
上記比Ｌｉ／Δｒｉが４．５未満だと、各段差においてプラズマ流の再付着が生じないために壁面の境界の層が不安定となり、この結果、プラズマの流れが乱流状態となってしまう。また、上記比Ｌｉ／Δｒｉが１５を超えると、この部分の内壁とプラズマとでアーク短絡が生じ、プラズマトーチが故障してしまう。
【００８０】
なお、カスケード３は、アノード４側に向かうに従って段階的に拡径する内部形状の段階数が４〜１０段の範囲であることが好ましい。図１及び図３に示す例では、カスケード３に設けられる上記段階数が５段とされている。カソード−アノード間におけるカスケードの段階数が４段未満だと、準層流プラズマジェットが発生し難くなり、また、発生するプラズマジェットが細くなり過ぎるおそれがある。
【００８１】
また、本発明に係るプラズマトーチ１００は、カソード１に備えられる陰極１２の先端１２ａと、アノード４のカスケード３側の端部４ａとの間の電極間長さＬが、次式｛５０≦Ｌ（ｍｍ）≦１５０｝を満たす構成とされていることがより好ましい。
【００８２】
上記式において、上記電極間長さＬの下限（５０ｍｍ）は、最小のアーク電圧に対応したものである。ここで、本発明において説明するアーク電圧とは、プラズマトーチの電力のことである。例えば、上記電極間長さＬが５０ｍｍであり、カソードガスＡとして窒素を用いた場合、プラズマトーチの電力は、３０〜４０ｋＷ程度となる。
また、上記電極間長さＬの上限（１５０ｍｍ）は、最大のアーク電圧に対応したものである。例えば、上記電極間長さＬが１５０ｍｍであり、カソードガスＡとして窒素を用いた場合、プラズマトーチの電力は、１００〜１２０ｋＷ程度となる。
【００８３】
また、本発明に係るプラズマトーチ１００は、アノード４が、カスケード３の出口３ｂ側に接続され、端部（入口）４ａ側から出口４ｂ側に向かうに従って収束する形状のテーパ部４１ａを含むプラズマ流入路４１と、該プラズマ流入路４１に接続され、出口４ｂ側に向かって同一径で設けられることでプラズマを安定化する円状流路４２とからなり、且つ、滑らかな内壁を有する流路４Ａを備え、アノード４の円状流路４２の内径Ｄａｎｏｄｅと、パイロット部材２の中央開口部２２の直径Ｄｐｉｌｏｔとの関係が、次式｛１．５≦Ｄａｎｏｄｅ／Ｄｐｉｌｏｔ≦２．８｝を満たす構成とすることがより好ましい。上記構成のように、流路４Ａを、滑らかな内壁を有し、且つ、電気アークが付着するプラズマ流入路４１の下流に円状流路４２を備えることにより、プラズマの流れを効果的に安定化することが可能となる。
【００８４】
ここで、上記Ｄａｎｏｄｅ／Ｄｐｉｌｏｔが１．５未満だと、電気アーク流路のフレーム中におけるプラズマの流れが若干膨張する。また、上記Ｄａｎｏｄｅ／Ｄｐｉｌｏｔが２．８を超えると、アノード４の出口部分でプラズマの流れが不安定になる。
【００８５】
また、本発明に係るプラズマトーチ１００は、全ガス質量流量率Ｇｔｏｔａｌが、下記（４）、（５）式を満たすことが好ましい。
【００８６】
【数１１】
2013536543.tif 000013
【００８７】
【数１２】
2013536543.tif 000014
【００８８】
【数１３】
2013536543.tif 000015
【００８９】
但し、上記（４）、（５）式において、Ｒｅｔｏｔａｌ（＝４Ｇｔｏｔａｌ／πＤａｎｏｄｅμ）は、前記アノードの出口側の断面において計算されたレイノルズ数を表す。また、上記一般式（６）で表されるＧｔｏｔａｌは、プラズマを形成する全ガス質量流量率（グラム／秒）を表す。
【００９０】
特に、アノードシールドガスＧｊは、カスケード３の最終段部分とアノード４の端部４ａとの隙間におい供給される。ここで、下記（８）式に示すのは、流出するプラズマ作動ガスの動的粘度である。この動的粘度は、プラズマ流の熱と総質量均衡とを考慮して、プラズマ流の平均質量温度において計算されている。
【００９１】
【数１４】
2013536543.tif 000016
【００９２】
ここで、Ｒｅｔｏｔａｌが上記（４）式における最小値（１００）を下回る場合、プラズマ流の浮力が要因となる。つまり、結果として、この最小値を下回ると、プラズマの流れが軸対称でなくなってしまう。また、上記（４）式における最大値（５００）を超えると、流出するプラズマジェットが乱流となってしまう。
【００９３】
なお、縮退したアークがアノードの表面に付着した場合には、Ｇａｎｏｄｅが０．１５Ｇｔｏｔａｌよりも小さくなる。また、プラズマ流が乱流となった場合には、ＧａｎｏｄｅがＧｔｏｔａｌよりも大きくなる。このため、これらの場合には、上記（５）式で表される関係を満足できなくなる。
【００９４】
また、本発明者等が鋭意実験を重ねたところ、プラズマを形成するガス混合物、即ち、プラズマ形成ガスＣをなすカソードガスＡ及びアノードガスＢは、アルゴン（Ａｒｇｏｎ）、窒素（Ｎｉｔｒｏｇｅｎ）、水素（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ）の各々のガスの質量比の最大値が、次式｛ＧＡｒｇｏｎ ／ＧＮｉｔｒｏｇｅｎ＝０．４｝、及び、次式｛ＧＨｙｄｒｏｇｅｎ／ＧＮｉｔｒｏｇｅｎ＝０．０４｝を各々満たすことにより、準層流のプラズマジェットＤを効率的に形成可能となることが明らかになった。
【００９５】
また、図５Ａ〜図５Ｃに示すように、本発明においては、図示略の水冷構造を有する出射ノズル５が、アノード４側から出射口５１に向けて段階的に拡径する内部形状とされているとともに、アノード４に対して電気的に絶縁されて接続された構成とすることができる。図５Ａ〜図５Ｃは、プラズマジェットＤの断面の直径を増加させるための出射ノズルの例であり、これらの出射ノズル複数の後ろ向きステップの段差５２を有している。例えば、図５Ａに示す例では計２段階、図５Ｂでは計３段階、図５Ｃに示す例では計４段階の段差を有している。また、図５Ａ〜図５Ｃ中において、Δｒｉ, Ｌｉは第ｉ個目の段差５２の高さ寸法及び長さ寸法であり、Ａｉは、第ｉ個目の段差５２中における、出射ノズル５の壁へのプラズマ流の再付着点を示す。
【００９６】
また、本発明においては、出射ノズル５の出射口５１における内径Ｄｅｘｉｔと、アノード４の円状流路４２の内径Ｄａｎｏｄｅとの比が、次式｛１．５≦Ｄｅｘｉｔ／Ｄａｎｏｄｅ≦２．５｝を満たすことがより好ましい。上記式におけるＤｅｘｉｔ／Ｄａｎｏｄｅの最小値及び最大値は、安定した準層流によるプラズマ流出を可能とするとともに、膨張の可能性があるプラズマジェットの断面直径の範囲を定義したものである。
【００９７】
また、本発明においては、出射口５１に向けて段階的に拡径する出射ノズル５の、アノード４側からｉ番目の位置における、プラズマジェットＤ出射方向の長さをＬＮｉ（ｍｍ）で表し、半径方向の段差寸法をΔｒＮｉで表した際、各段階における長さＬＮｉ（ｍｍ）と段差寸法ΔｒＮｉとの関係が、次式｛５≦ＬＮｉ／ΔｒＮｉ≦１０｝（但し、１≦ｉ≦Ｍ−１；Ｍ＝段階数）を満たすことが好ましい。
【００９８】
上記比ＬＮｉ／ΔｒＮｉが５未満の場合、プラズマ流の再付着が生じず、壁の境界部分の層が不安定となる。その結果、プラズマ流が乱流状態となる。また、上記比ＬＮｉ／ΔｒＮｉが１０を超えると、出射ノズルの長さが長大化し、その結果、出射ノズルの壁に対する熱損失が増加するため、プラズマジェットの熱効率が低下する。
【００９９】
また、本発明においては、上記式に加え、さらに、次式｛２．５≦ＬＮｍ／ΔｒＮｍ≦４．５｝（但し、ｉ＝Ｍ）を満足することが好ましい。
ここで、ＬＮｍ／ΔｒＮｍが２．５未満の場合、出射ノズルの最後の段階において不安定な渦が形成され、この結果、流出するプラズマジェットが不安定になってしまう。また、ＬＮｍ／ΔｒＮｍが４．５を超えると、出射ノズルの最後のステップにおいて再付着箇所が出現する可能性がある。この結果、出射ノズルの出口における、周辺環境からの大気ガスの吸引量が多くなってしまう。
【０１００】
また、上述したように、本発明に係るプラズマトーチ１００は、同軸で環状且つ低速のガスシールドジェットを生成することで周辺環境からのガス流入を遮断することにより、出射ノズル５から噴射された直後のプラズマジェットへの酸素の侵入を遮断する、サイドシールドモジュール６が備えられる（図６Ａ、図６Ｂ参照）。また、本発明においては、上述のサイドシールドモジュール６の構成において、ガスシールドジェットとして、プラズマジェットの周囲において環状に形成され、同軸状のスリット、又は、同軸状かつ軸対象配置された複数の孔から噴射される、少なくともアルゴンまたは窒素のうちの一種類またはそれらを混合したガスを用いる構成とすることが、プラズマジェットＤへの酸素の進入を効果的に遮断する点からより好ましい。
【０１０１】
上記構成並びに作用を有するサイドシールドモジュールが設けられていない場合、相当量の外気（酸素）がプラズマジェットの中に吸い込まれる。一方、本実施形態で説明する上記構成のサイドシールドモジュール６が備えられている場合には、ガス（サイドシールドジェットＥ）の一部は、まず、最後の拡径する（後ろ向き）ステップ状のノズル（段差５２）へと注入され、次に、主要なプラズマ形成ガスＣと混ざり合うために法線方向に広がり始める。その後、サイドシールドジェットＥの一部が、周囲の空間へと流出することにより、外気（酸素）の流入が抑制される。
【０１０２】
図６Ａ、図６Ｂに示す流れのパターンから明らかなように、中程度の流出速度では、環状のガススリット（同軸状のスリット）６２に流入したガスシールドジェットＥは法線方向に曲がり、後に、放射状の壁の流れとして、出射ノズル５の出射端面５３の表面を上記法線方向に広がる。その後、ガスシールドジェットＥ（シールドガス）の一部は、最後の拡径するステップの段差５２の中へと引き込まれる。一方、その他の部分のガスシールドジェットＥは、出射ノズル５の出射口５１から流出するプラズマジェットＤへと混入して引き込まれる。この状態においては、外気は、これ以上、最後の拡径するステップ（段差５２）の中には入り込めない。これにより、出射ノズル５の近傍の、ジェット流の最初の部分におけるプラズマジェットＤに外気が混入することを防ぐことができる。この結果、出射ノズル５から流出するプラズマジェットＥは、混入する空気（酸素）が顕著に低減される。
【０１０３】
ここで、環状のガススリット６２のガスシールドジェットＥ（シールドガス）の排出口の内径ｒｓ（ｍｍ）、スリット幅Δｒｓ（ｍｍ）、シールドガスのガス質量流量率Ｇｓ（ｇ／ｓｅｃ）、そして、ガスシールドジェットＥの平均質量速度ｖｓ （ｍ／ｓｅｃ）は、最後の後ろ向きステップ（段差５２）の吸引力と、外部の力を受けないプラズマジェットＤの初期ゾーンによって定義される。また、特定のパラメータである排出口内径ｒｓ、スリット幅Δｒｓ、及びガス質量流量率Ｇｓの値について、ガスシールドジェットの範囲は、下記（９）式で表される次式質量速度の平均によって定義される。
【０１０４】
【数１５】
2013536543.tif 000017
【０１０５】
なお、本実施形態においては、プラズマトーチ１００におけるカソード１、パイロット部材２、カスケード３、アノード４及び出射ノズル５の内の最大径である箇所の外径が７０ｍｍ以下であり、また、これら各部材を合わせた最大長さが３００ｍｍ以下である構成とすることができる。プラズマトーチ１００の寸法を上記範囲で規定することにより、カスケード３の内部形状に関し、段階数や段差高さ寸法、段差長さ等の各パラメータを適正範囲で設定することが可能となる。
【０１０６】
以上説明したように、本発明のプラズマトーチ１００によれば、カソード１とアノード４との間に電極間インサートであるカスケード３を設け、さらに、カスケード３を、カソード１側からアノード４側に向かうに従って段階的に拡径する内部形状とした構成を採用している。本発明によれば、上記構成のカスケード３が備えられることにより、プラズマトーチ１００の出力が、電流増加に拠らずにアーク電圧の増加によって得られるので、カソード１及びアノード４の各電極の長寿命化が可能となる。また、段階的に拡径する内部形状とされたカスケード３を備えることで、該カスケード３の内部において準層流のプラズマが生成されるので、プラズマジェットＤの出力変動が低減でき、運転処理コストの低減が可能となる。これにより、高性能なプラズマを利用した表面処理を、高効率で行うことが可能なプラズマトーチ１００が得られる。また、アノード４出口側の出射ノズル５に、同軸で環状且つ低速のガスシールドジェットを生成することによって周辺環境からのガス流入を遮断するサイドシールドモジュール６を備えることで、出射ノズル５及びプラズマジェットＤへの酸素の侵入を遮断できる。これにより、プラズマ形成ガスのレイノルズ数が低く準層流であり、低騒音で、断面直径が安定して拡張され、プラズマ長の長い、Ａｒ−Ｎ２−Ｈ２からなるプラズマジェットＤを生成することができる。
【実施例】
【０１０７】
以下、本発明に係るプラズマトーチの実施例を挙げ、本発明をより具体的に説明するが、本発明は、もとより下記実施例に限定されるものではなく、前、後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【０１０８】
本発明による準層流プラズマジェットの発生に関わる実施例を下記表１に示す。この際のプラズマ作動ガスは、カソードガス及びアノードガスとして、Ａｒ、Ｎ、Ｈを含有し、これら各々の質量比の最大値ＧＡｒｇｏｎ、ＧＮｉｔｒｏｇｅｎ、ＧＨｙｄｒｏｇｅｎが、下記表１に示す関係とされたものを使用した。また、アノードガスを供給する際のその他の条件を、下記表１に示すような条件とした。
【０１０９】
また、図２に示すプラズマトーチの仕様から、カソード側からパイロット部材を通過してカスケード側に流入する際の、カソードガスのレイノルズ数｛Ｒｅ＝｛４Ｇｗ／πＤｐｉｌｏｔμｗ｝を求め、管内におけるプラズマジェットの流れの状態（準層流、乱流）を判定した。この際、管内のガスの流れが乱流状態となる臨界レイノルズ数｛Ｒｅｃｒｉｔ=２１００｝を基準として判定を行った。そして、カソードガスの供給条件を下記表１に示すとともに、レイノルズ数及び流れの状態の判定結果を下記表２に示した。
また、各条件でプラズマ照射を行った際、射出ノズルから射出されるプラズマジェットの断面直径及びプラズマジェット先端までのプラズマ長について、３ＣＣＤビデオカメラを用いて測定し、結果を下記表４に示した。
また、各条件でプラズマ照射を行った際に、プラズマジェットによって発生する騒音レベル（ｄＢ）を、市販の騒音計（リオン社製、品番：ＮＡ−２８）によって測定し、下記表４に示した。この際、騒音計のセンサ部（マイク）を、プラズマトーチの出口から軸方向に１ｍ、半径方向に１ｍの位置に設置し、測定を行った。
【０１１０】
下記表１に、プラズマ形成ガスの組成及びカソードガスの供給条件の一覧を示すとともに、下記表２に、カソードガスのレイノルズ数及び流れの状態判定結果、プラズマジェットの断面直径及びプラズマ長、騒音レベル、電極寿命、並びに、寿命評価の結果一覧を示す。
【０１１１】
【表１】
2013536543.tif 000018
【０１１２】
【表２】
2013536543.tif 000019
【０１１３】
表１及び表２に示すように、多段で段階的に拡大する内部形状を有するカスケード並びに出射ノズルを備え、さらに、サイドシールドモジュールを備えた本発明のプラズマトーチを用いた本発明例においては、全て、プラズマ形成ガスが準層流であり、出力変動が小さいことが確認できた。また、本発明例においては、プラズマジェットの断面直径が１８ｍｍ以上と大きく、且つ、プラズマ長が１５０ｍｍ以上と、長いプラズマジェットが得られた。また、本発明例においては、騒音レベルが９５ｄＢ以下と抑制されており、また、電極寿命が５０時間以上と長寿命であることが確認できた。
これにより、本発明のプラズマトーチを用いることで、高性能なプラズマ処理を利用したプラズマ溶射等の表面処理や耐火性粉末材料加工、プラズマ化学処理等を、高効率で行うことが可能であることが明らかとなった。
【０１１４】
これに対し、従来の構成のプラズマトーチを用いた比較例においては、プラズマ形成ガスが乱流となり、また、上記した本発明例に比べて、プラズマジェットの断面直径が小さく、プラズマ長が短いことが確認できた。このため、比較例では、騒音レベル、及び、電極寿命の内、少なくとも何れかの特性が劣るものとなった。
【０１１５】
比較例１においては、カスケードが多段で拡大する内部形状とされていないプラズマトーチを使用したことから、プラズマ形成ガスのレイノルズ数（Ｒｅ）が約５２８で乱流となり、また、プラズマ長が７０と寸法の小さなものとなった。このため、プラズマは乱流であり、大気酸素を大きく巻き込むものとなった。
【０１１６】
また、比較例２においては、カスケード及び出射ノズルの何れもが、多段で拡大する内部形状とされていないことから、プラズマ形成ガスのレイノルズ数（Ｒｅ）が約２１０となり、プラズマが不安定な状態となった。
【０１１７】
また、比較例３においては、カスケード及び出射ノズルが多段で拡大する内部形状とされていないことに加え、サイドシールドモジュールが設けられていないプラズマトーチを使用している。このため、比較例３では、プラズマ形成ガスのレイノルズ数（Ｒｅ）が約５１３で乱流となり、また、プラズマ長が１２０ｍｍと、寸法の小さなものとなった。さらに、比較例３では、プラズマトーチにサイドシールドモジュールが備えられていないことから、外気がプラズマジェットの初期ゾーンや出射ノズル内に流入し、プラズマジェットが酸素を巻き込み、不安定となっていることが目視によって確認された。
【０１１８】
また、比較例４においては、上記同様、カスケード及び出射ノズルが多段で拡大する内部形状とされていないことに加え、アノードガスが不足しており、プラズマ形成ガスのレイノルズ数（Ｒｅ）が約４５７であり、プラズマが不安定な状態となった。
【０１１９】
また、比較例５においても、カスケード及び出射ノズルが多段で拡大する内部形状とされていないことに加え、カソードガス中の窒素が過剰であり、プラズマ形成ガスのレイノルズ数（Ｒｅ）が約５３７で乱流となり、プラズマが不安定な状態となった。
【０１２０】
また、比較例６においても、カスケード及び出射ノズルが多段で拡大する内部形状とされていないことに加え、カソードガス中のアルゴン及び窒素が過剰であり、プラズマ形成ガスのレイノルズ数（Ｒｅ）が約７９１で乱流となり、プラズマが不安定な状態となった。
【０１２１】
また、比較例７においても、上記同様、カスケード及び出射ノズルが多段で拡大する内部形状とされておらず、プラズマ形成ガスのレイノルズ数（Ｒｅ）が約４３２であり、プラズマが不安定な状態となるとともに、カソードガス中の水素が過剰なために電極が損傷し、寿命が非常に短いものとなった。
【０１２２】
また、比較例８においても、カスケード及び出射ノズルが多段で拡大する内部形状とされておらず、プラズマ形成ガスのレイノルズ数（Ｒｅ）が約３２４であり、プラズマが不安定な状態となるとともに、アノードガス中の水素が過剰なために電極が損傷し、寿命が非常に短いものとなった。
【０１２３】
また、比較例９においても、カスケード及び出射ノズルが多段で拡大する内部形状とされておらず、プラズマ形成ガスのレイノルズ数（Ｒｅ）が約６０７と乱流であり、プラズマが不安定な状態となるとともに、アノードガス中の窒素が過剰なために電極が損傷し、寿命が非常に短いものとなった。
【産業上の利用可能性】
【０１２４】
本発明のプラズマトーチは、カソードとアノードとの間の電極間インサートであるカソードを備え、高性能なプラズマ処理を利用したプラズマ溶射等の表面処理や耐火性粉末材料加工、プラズマ化学処理等を高効率で行うことが可能となるので、その産業上の効果は多大である。
【符号の説明】
【０１２５】
１００…プラズマトーチ、
１…カソード（陰極集合体）、
１１…本体
１２…陰極、
１２ａ…先端、
１３…水冷構造を有するチャンネル構造体、
２、２Ａ、２Ｂ…パイロット部材、
２２…中央開口部
２４、２４ａ、２４ｂ…バイパス孔、
３…カスケード（互いに電気的に絶縁された電極間インサート）、
３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ…部材（カスケード）、
３ａ…入口、
３ｂ…出口、
３１…外側絶縁体、
３２…内側絶縁体、
３３…水冷構造、
３４…Ｏリング、
３５…断熱性セラミックリング、
４…アノード、
４ａ…端部（入口）、
４ｂ…出口、
４Ａ…流路
４１…プラズマ流入路、
４１ａ…テーパ部、
４２…円状流路、
４３…アノード筐体、
４３ａ…ガス入口
４４…渦巻きリング、
４５…銅製陽極、
４６…絶縁リング、
５…出射ノズル（電気的に絶縁された段階的に拡径する内部形状を有する形成ノズル）、
５ａ…端部、
５１…出射口、
５２…段差
５３…出射端面
６…サイドシールドモジュール
６２…ガススリット（環状のガススリット）
Ａ…カソードガス（プラズマ作動ガス）、
Ｂ…アノードガス（プラズマ作動ガス）、
Ｃ…プラズマ形成ガス
Ｄ…プラズマジェット
Ｅ…サイドシールドジェット（サイドシールドガス）
【図１】
2013536543.tif 000026
【図２Ａ】
2013536543.tif 000027
【図２Ｂ】
2013536543.tif 000028
【図２Ｃ】
2013536543.tif 000029
【図３】
2013536543.tif 000030
【図４】
2013536543.tif 000031
【図５Ａ】
2013536543.tif 000032
【図５Ｂ】
2013536543.tif 000033
【図５Ｃ】
2013536543.tif 000034
【図６Ａ】
2013536543.tif 000035
【図６Ｂ】
2013536543.tif 000036
【手続補正書】
【提出日】平成24年12月28日(2012.12.28)
【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】
カソードとアノードとの間にカスケードが配設され、前記カソードとアノードとの間に電圧を印加することでプラズマジェットを形成するカスケード型のプラズマトーチであって、
前記カソードは、水冷構造を有する銅製の本体部と、該本体部に挿入された棒状のタングステンの陰極とからなり、
前記カソードと前記カスケードとの間に、さらに、前記カソード及び前記アノードとは電気的に絶縁されているとともに、水冷構造を有するパイロット部材が備えられ、
前記カスケードは、前記パイロット部材と前記アノードとの間に配置され、前記アノード側に向かうに従って多段で段階的に拡大する内部形状とされた単一部材、あるいは、互いに電気的に絶縁された複数の部材からなるとともに、前記カソード及び前記アノードとは電気的に絶縁され、水冷構造を有する電極間インサートとして構成されており、
前記アノードは、水冷構造を有する銅製部材であり、
さらに、前記アノードに対して電気的に絶縁して接続されているとともに、前記アノードと反対側に向かうに従って内部形状が多段で段階的に拡大し、水冷構造を有する出射ノズルと、
同軸で環状且つ低速のガスシールドジェットを生成することにより、周辺環境からのガス流入を遮断して、前記出射ノズル及び該出射ノズルから出射されるプラズマジェットへの酸素の侵入を遮断するサイドシールドモジュールと、
を備えることを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマトーチであって、
前記カソードに備えられる前記陰極の先端の直径Ｄｃａｔｈｏｄｅが、下記（１）式を満たすことを特徴とするプラズマトーチ。
【数１】
2013536543.tif 000037
｛但し、上記（１）式において、［ｘ］はｘ（カッコ内）の整数部分であり、また、Ｉはアーク電流（Ａ）で、１００≦Ｉ≦４００（Ａ）の範囲である。｝
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のプラズマトーチであって、
前記パイロット部材の中央開口部の直径Ｄｐｉｌｏｔと、前記カソードに備えられる前記陰極の先端の直径Ｄｃａｔｈｏｄｅとの関係が、次式｛Ｄｐｉｌｏｔ＞Ｄｃａｔｈｏｄｅ｝を満たすことを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項４】
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載のプラズマトーチであって、
前記パイロット部材に備えられる前記中央開口部の周囲にバイパス孔が設けられており、
プラズマを生成させるための作動ガスが、前記カソード側から、前記中央開口部又は前記バイパス孔の少なくとも何れかを通過して前記カスケード側に流れることを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項５】
請求項１〜請求項４の何れか一項に記載のプラズマトーチであって、
前記カソードに備えられる陰極と、前記パイロット部材との間の隙間の幅ｈ＝｛（Ｄｐｉｌｏｔ−Ｄｃａｔｈｏｄｅ）／２｝が、下記（２）、（３）式を満たし、
前記隙間の幅hの最小値は、前記陰極と前記パイロット部材との間の円形の隙間に存在する前記プラズマ作動ガスの平均質量速度が、初期温度におけるプラズマ形成ガスの音速よりも小さな速度であり、
前記隙間の幅ｈの最大値は、前記プラズマ作動ガスの所定の質量流量率Ｇｗにおいて、前記パイロット部材の入口のプラズマ作動ガスの状態に対応するレイノルズ数Ｒｅ＝｛４Ｇｗ／πＤｐｉｌｏｔμｗ｝が、管内のガスの流れが乱流状態となる臨界レイノルズ数（Ｒｅｃｒｉｔ=２１００）よりも小さいことを特徴とするプラズマトーチ。
【数２】
2013536543.tif 000038
【数３】
2013536543.tif 000039
【請求項６】
請求項１〜請求項５の何れか一項に記載のプラズマトーチであって、
前記カスケードが複数の部材からなるとともに、前記複数の部材の各々の間、並びに、当該カスケードと前記カソード及び前記アノードとの間に、Ｏリング及び断熱性セラミックリングが設けられており、前記複数の部材の各々の間、並びに、当該カスケードと前記カソード及び前記アノードとの間との間が、電気的に絶縁した状態で接続されていることを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項７】
請求項１〜請求項６の何れか一項に記載のプラズマトーチであって、
前記カスケードは、前記パイロット部材側から前記アノード側に向けて段階的に拡径する各段階の、プラズマジェット出射方向の長さＬｉ（ｍｍ）が、次式｛５≦Ｌｉ（ｍｍ）≦１５｝を満たすことを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項８】
請求項１〜請求項７の何れか一項に記載のプラズマトーチであって、
前記アノード側に向けて段階的に拡径する前記カスケードの、前記パイロット部材側からｉ番目の位置における、プラズマジェット出射方向の長さをＬｉ（ｍｍ）で表し、半径方向の段差寸法をΔｒｉ（ｍｍ）で表した際、前記各段階における長さＬｉ（ｍｍ）と段差寸法Δｒｉ（ｍｍ）との関係が、次式｛４．５≦Ｌｉ／Δｒｉ≦１５｝を満たすことを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項９】
請求項７又は請求項８に記載のプラズマトーチであって、
前記カソードに備えられる前記陰極の先端と、前記アノードの前記カスケード側の端部との間の電極間長さＬが、次式｛５０≦Ｌ（ｍｍ）≦１５０｝を満たすことを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項１０】
請求項１〜請求項９の何れか一項に記載のプラズマトーチであって、
前記アノードは、前記カスケードの出口側に接続され、入口側から出口側に向かうに従って収束する形状のテーパ部を含むプラズマ流入路と、該プラズマ流入路に接続され、出口側に向かって同一径で設けられることでプラズマを安定化する円筒状流路とからなり、且つ、滑らかな内壁を有する流路を備え、
前記アノードの前記円筒状流路の内径Ｄａｎｏｄｅと、前記パイロット部材の中央開口部の直径Ｄｐｉｌｏｔとの関係が、次式｛１．５≦Ｄａｎｏｄｅ／Ｄｐｉｌｏｔ≦２．８｝を満たすことを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項１１】
請求項１〜請求項１０の何れか一項に記載のプラズマトーチであって、
全ガス質量流量率Ｇｔｏｔａｌが、下記（４）、（５）式を満たすことを特徴とするプラズマトーチ。
【数４】
2013536543.tif 000040
【数５】
2013536543.tif 000041
【数６】
2013536543.tif 000042
｛但し、上記（４）、（５）式において、Ｒｅｔｏｔａｌ（＝４Ｇｔｏｔａｌ／πＤａｎｏｄｅμ）は、前記アノードの出口側の断面において計算されたレイノルズ数を表す。また、上記一般式（６）で表されるＧｔｏｔａｌは、プラズマを形成するガス混合物の第j個目の要素、及び、アノードシールドガスＧｊの全ガス質量流量率（グラム／秒）を表す。｝
【請求項１２】
請求項１１に記載のプラズマトーチであって、
前記プラズマを形成するガス混合物は、アルゴン（Ａｒｇｏｎ）、窒素（Ｎｉｔｒｏｇｅｎ）、水素（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ）の各々のガスの質量比の最大値が、次式｛ＧＡｒｇｏｎ ／ＧＮｉｔｒｏｇｅｎ＝０．４｝、及び、次式｛ＧＨｙｄｒｏｇｅｎ／ＧＮｉｔｒｏｇｅｎ＝０．０４｝を各々満たすことを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項１３】
請求項１２に記載のプラズマトーチであって、
水冷構造を有する前記出射ノズルが、前記アノード側から出射口に向けて段階的に拡径する内部形状とされているとともに、前記アノードに対して電気的に絶縁されて接続されていることを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項１４】
請求項１３に記載のプラズマトーチであって、
前記出射ノズルの出射口における内径Ｄｅｘｉｔと、前記アノードの前記円筒状流路の内径Ｄａｎｏｄｅとの比が、次式｛１．５≦Ｄｅｘｉｔ／Ｄａｎｏｄｅ≦２．５｝を満たすことを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項１５】
請求項１４に記載のプラズマトーチであって、
前記出射口に向けて段階的に拡径する前記出射ノズルの、前記アノード側からｉ番目の位置における、プラズマジェット出射方向の長さをＬＮｉ（ｍｍ）で表し、半径方向の段差寸法をΔｒＮｉで表した際、前記各段階における長さＬＮｉ（ｍｍ）と段差寸法ΔｒＮｉ（ｍｍ）との関係が、次式｛５≦ＬＮｉ／ΔｒＮｉ≦１０｝（但し、１≦ｉ≦Ｍ−１；Ｍ＝段階数）を満たすことを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項１６】
請求項１〜請求項１５の何れか一項に記載のプラズマトーチであって、
前記サイドシールドモジュールは、前記ガスシールドジェットとして、前記プラズマジェットの周囲において環状に形成され、同軸状のスリット、又は、同軸状かつ軸対象配置された複数の孔から噴射される、少なくともアルゴンまたは窒素のうちの一種類またはそれらを混合したガスを用いることを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項１７】
請求項１〜請求項１６の何れか一項に記載のプラズマトーチであって、
前記カスケードは、前記アノード側に向かうに従って段階的に拡径する内部形状の段階数が４〜１０段の範囲であることを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項１８】
請求項１〜請求項１７の何れか一項に記載のプラズマトーチであって、
前記カソード、前記カスケード、前記アノード及び前記出射ノズルの内の最大径である箇所の外径が７０ｍｍ以下であり、前記カソード、前記カスケード、前記アノード及び前記出射ノズルを合わせた最大長さが３００ｍｍ以下であることを特徴とするプラズマトーチ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
また、プラズマトーチとしては、カソード及びアノードと、これらの間に設けられるカスケードとから構成されるとともに、これら各々の間が絶縁され、個別に水冷する構成とされたものが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１に記載のプラズマトーチは、カスケードを通過するカソードガスを供給し、カソードとアノードとの間に電圧を印加してプラズマを発生させる構成とされている。特許文献１のプラズマトーチによれば、カスケードが設けられることでカソード上の陰極点とアノード上の陽極点との距離が長くなるため、電圧が高くなり、（擬似）層流プラズマジェットが形成しやすくなるという効果が得られる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
同時に、プラズマトーチがカスケード（電極間インサート）を有する構成とすることにより、上述した問題点のほとんどを解消することが可能となる。この場合、電気アークの長さは、「自己安定式」のプラズマトーチに比べて相当に長い。他の条件が同じであると仮定すると、プラズマジェットの出力は、電流の増加ではなく、アーク電圧の増加によって増大される。また、カスケードとアノードとの間の隙間に、ガスを別途供給する構成を採用することで、アノード表面へのアークの付着が抑制されるのを防止できる。この場合、アークが付着する度合いが均等に分布されるので、出射ノズルの出射口においてプラズマジェットが軸対称となる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
また、本発明は、上記構成のプラズマトーチにおいて、前記出射ノズルの出射口における内径Ｄｅｘｉｔと、前記アノードの前記円筒状流路の内径Ｄａｎｏｄｅとの比が、次式｛１．５≦Ｄｅｘｉｔ／Ｄａｎｏｄｅ≦２．５｝を満たすことを特徴とする。
また、本発明は、上記構成のプラズマトーチにおいて、前記出射口に向けて段階的に拡径する前記出射ノズルの、前記アノード側からｉ番目の位置における、プラズマジェット出射方向の長さをＬＮｉ（ｍｍ）で表し、半径方向の段差寸法をΔｒＮｉで表した際、前記各段階における長さＬＮｉ（ｍｍ）と段差寸法ΔｒＮｉ（ｍｍ）との関係が、次式｛５≦ＬＮｉ／ΔｒＮｉ≦１０｝（但し、１≦ｉ≦Ｍ−１；Ｍ＝段階数）を満たすことを特徴とする。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
また、本発明は、上記構成のプラズマトーチにおいて、前記カスケードは、前記アノード側に向かうに従って段階的に拡径する内部形状の段階数が４〜１０段の範囲であることを特徴とする。
また、本発明は、上記構成のプラズマトーチにおいて、前記カソード、前記カスケード、前記アノード及び前記出射ノズルの内の最大径である箇所の外径が７０ｍｍ以下であり、前記カソード、前記カスケード、前記アノード及び前記出射ノズルを合わせた最大長さが３００ｍｍ以下であることを特徴とする。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９７】
また、本発明においては、出射口５１に向けて段階的に拡径する出射ノズル５の、アノード４側からｉ番目の位置における、プラズマジェットＤ出射方向の長さをＬＮｉ（ｍｍ）で表し、半径方向の段差寸法をΔｒＮｉで表した際、各段階における長さＬＮｉ（ｍｍ）と段差寸法ΔｒＮｉ（ｍｍ）との関係が、次式｛５≦ＬＮｉ／ΔｒＮｉ≦１０｝（但し、１≦ｉ≦Ｍ−１；Ｍ＝段階数）を満たすことが好ましい。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０９】
また、図２に示すプラズマトーチの仕様から、カソード側からパイロット部材を通過してカスケード側に流入する際の、カソードガスのレイノルズ数｛Ｒｅ＝｛４Ｇｗ／πＤｐｉｌｏｔμｗ｝を求め、管内におけるプラズマジェットの流れの状態（準層流、乱流）を判定した。この際、管内のガスの流れが乱流状態となる臨界レイノルズ数｛Ｒｅｃｒｉｔ=２１００｝を基準として判定を行った。そして、カソードガスの供給条件を下記表１に示すとともに、レイノルズ数及び流れの状態の判定結果を下記表２に示した。
また、各条件でプラズマ照射を行った際、射出ノズルから射出されるプラズマジェットの断面直径及びプラズマジェット先端までのプラズマ長について、３ＣＣＤビデオカメラを用いて測定し、結果を下記表２に示した。
また、各条件でプラズマ照射を行った際に、プラズマジェットによって発生する騒音レベル（ｄＢ）を、市販の騒音計（リオン社製、品番：ＮＡ−２８）によって測定し、下記表２に示した。この際、騒音計のセンサ部（マイク）を、プラズマトーチの出口から軸方向に１ｍ、半径方向に１ｍの位置に設置し、測定を行った。
【手続補正書】
【提出日】平成25年8月2日(2013.8.2)
【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】
カソードとアノードとの間にカスケードが配設され、前記カソードとアノードとの間に電圧を印加することでプラズマジェットを形成するカスケード型のプラズマトーチであって、
前記カソードは、水冷構造を有する銅製の本体部と、該本体部に挿入された棒状のタングステンの陰極とからなり、
前記カソードと前記カスケードとの間に、さらに、前記カソード及び前記アノードとは電気的に絶縁されているとともに、水冷構造を有するパイロット部材が備えられ、
前記カスケードは、前記パイロット部材と前記アノードとの間に配置され、前記アノード側に向かうに従って多段で段階的に拡大する内部形状とされた単一部材、あるいは、互いに電気的に絶縁された複数の部材からなるとともに、前記カソード及び前記アノードとは電気的に絶縁され、水冷構造を有する電極間インサートとして構成されており、
前記アノードは、水冷構造を有する銅製部材であり、
さらに、前記アノードに対して電気的に絶縁して接続されているとともに、前記アノードと反対側に向かうに従って内部形状が多段で段階的に拡大し、水冷構造を有する出射ノズルと、
同軸で環状のガスシールドジェットを生成することにより、周辺環境からのガス流入を遮断して、前記出射ノズル及び該出射ノズルから出射されるプラズマジェットへの酸素の侵入を遮断するサイドシールドモジュールと、
を備えることを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマトーチであって、
前記カソードに備えられる前記陰極の先端の直径Ｄｃａｔｈｏｄｅが、下記（１）式を満たすことを特徴とするプラズマトーチ。
【数１】
2013536543.tif 000043
｛但し、上記（１）式において、［ｘ］はｘ（カッコ内）の整数部分であり、また、Ｉはアーク電流（Ａ）で、１００≦Ｉ≦４００（Ａ）の範囲である。｝
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のプラズマトーチであって、
前記パイロット部材の中央開口部の直径Ｄｐｉｌｏｔと、前記カソードに備えられる前記陰極の先端の直径Ｄｃａｔｈｏｄｅとの関係が、次式｛Ｄｐｉｌｏｔ＞Ｄｃａｔｈｏｄｅ｝を満たすことを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項４】
請求項３に記載のプラズマトーチであって、
前記パイロット部材に備えられる前記中央開口部の周囲にバイパス孔が設けられており、
プラズマを生成させるためのプラズマ作動ガスが、前記カソード側から、前記中央開口部又は前記バイパス孔の少なくとも何れかを通過して前記カスケード側に流れることを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項５】
請求項４に記載のプラズマトーチであって、
前記カソードに備えられる陰極と、前記パイロット部材との間の隙間の幅ｈ＝｛（Ｄｐｉｌｏｔ−Ｄｃａｔｈｏｄｅ）／２｝が、下記（２）、（３）式を満たし、
前記隙間の幅hの最小値は、前記陰極と前記パイロット部材との間の円形の隙間に存在する前記プラズマ作動ガスの平均質量速度が、初期温度におけるプラズマ形成ガスの音速よりも小さな速度であり、
前記隙間の幅ｈの最大値は、前記プラズマ作動ガスの所定の質量流量率Ｇｗにおいて、前記パイロット部材の入口のプラズマ作動ガスの状態に対応するレイノルズ数Ｒｅ＝｛４Ｇｗ／πＤｐｉｌｏｔμｗ｝が、管内のガスの流れが乱流状態となる臨界レイノルズ数（Ｒｅｃｒｉｔ=２１００）よりも小さいことを特徴とするプラズマトーチ。
【数２】
2013536543.tif 000044
【数３】
2013536543.tif 000045
【請求項６】
請求項１〜請求項５の何れか一項に記載のプラズマトーチであって、
前記カスケードが複数の部材からなるとともに、前記複数の部材の各々の間、並びに、当該カスケードと前記カソード及び前記アノードとの間に、Ｏリング及び断熱性セラミックリングが設けられており、前記複数の部材の各々の間、並びに、当該カスケードと前記カソード及び前記アノードとの間との間が、電気的に絶縁した状態で接続されていることを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項７】
請求項１〜請求項６の何れか一項に記載のプラズマトーチであって、
前記カスケードは、前記パイロット部材側から前記アノード側に向けて段階的に拡径する各段階の、プラズマジェット出射方向の長さＬｉ（ｍｍ）が、次式｛５≦Ｌｉ（ｍｍ）≦１５｝を満たすことを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項８】
請求項１〜請求項７の何れか一項に記載のプラズマトーチであって、
前記アノード側に向けて段階的に拡径する前記カスケードの、前記パイロット部材側からｉ番目の位置における、プラズマジェット出射方向の長さをＬｉ（ｍｍ）で表し、半径方向の段差寸法をΔｒｉ（ｍｍ）で表した際、前記各段階における長さＬｉ（ｍｍ）と段差寸法Δｒｉ（ｍｍ）との関係が、次式｛４．５≦Ｌｉ／Δｒｉ≦１５｝を満たすことを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項９】
請求項７又は請求項８に記載のプラズマトーチであって、
前記カソードに備えられる前記陰極の先端と、前記アノードの前記カスケード側の端部との間の電極間長さＬが、次式｛５０≦Ｌ（ｍｍ）≦１５０｝を満たすことを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項１０】
請求項１〜請求項９の何れか一項に記載のプラズマトーチであって、
前記アノードは、前記カスケードの出口側に接続され、入口側から出口側に向かうに従って収束する形状のテーパ部を含むプラズマ流入路と、該プラズマ流入路に接続され、出口側に向かって同一径で設けられることでプラズマを安定化する円筒状流路とからなる流路を備え、
前記アノードの前記円筒状流路の内径Ｄａｎｏｄｅと、前記パイロット部材の中央開口部の直径Ｄｐｉｌｏｔとの関係が、次式｛１．５≦Ｄａｎｏｄｅ／Ｄｐｉｌｏｔ≦２．８｝を満たすことを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項１１】
請求項１０に記載のプラズマトーチであって、
全ガス質量流量率Ｇｔｏｔａｌが、下記（４）、（５）式を満たすことを特徴とするプラズマトーチ。
【数４】
2013536543.tif 000046
【数５】
2013536543.tif 000047
【数６】
2013536543.tif 000048
｛但し、上記（４）、（５）式において、Ｒｅｔｏｔａｌ（＝４Ｇｔｏｔａｌ／πＤａｎｏｄｅμ）は、前記アノードの出口側の断面において計算されたレイノルズ数を表す。また、上記一般式（６）で表されるＧｔｏｔａｌは、プラズマを形成するガス混合物の第j個目の要素、及び、アノードシールドガスＧｊの全ガス質量流量率（グラム／秒）を表す。｝
【請求項１２】
請求項１１に記載のプラズマトーチであって、
前記プラズマを形成するガス混合物は、アルゴン（Ａｒｇｏｎ）、窒素（Ｎｉｔｒｏｇｅｎ）、水素（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ）の各々のガスの質量比の最大値が、次式｛ＧＡｒｇｏｎ ／ＧＮｉｔｒｏｇｅｎ＝０．４｝、及び、次式｛ＧＨｙｄｒｏｇｅｎ／ＧＮｉｔｒｏｇｅｎ＝０．０４｝を各々満たすことを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項１３】
請求項１２に記載のプラズマトーチであって、
水冷構造を有する前記出射ノズルが、前記アノード側から出射口に向けて段階的に拡径する内部形状とされているとともに、前記アノードに対して電気的に絶縁されて接続されていることを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項１４】
請求項１３に記載のプラズマトーチであって、
前記出射ノズルの出射口における内径Ｄｅｘｉｔと、前記アノードの前記円筒状流路の内径Ｄａｎｏｄｅとの比が、次式｛１．５≦Ｄｅｘｉｔ／Ｄａｎｏｄｅ≦２．５｝を満たすことを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項１５】
請求項１４に記載のプラズマトーチであって、
前記出射口に向けて段階的に拡径する前記出射ノズルの、前記アノード側からｉ番目の位置における、プラズマジェット出射方向の長さをＬＮｉ（ｍｍ）で表し、半径方向の段差寸法をΔｒＮｉで表した際、前記各段階における長さＬＮｉ（ｍｍ）と段差寸法ΔｒＮｉ（ｍｍ）との関係が、次式｛５≦ＬＮｉ／ΔｒＮｉ≦１０｝（但し、１≦ｉ≦Ｍ−１；Ｍ＝段階数）を満たすことを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項１６】
請求項１〜請求項１５の何れか一項に記載のプラズマトーチであって、
前記サイドシールドモジュールは、前記ガスシールドジェットとして、前記プラズマジェットの周囲において環状に形成され、同軸状のスリット、又は、同軸状かつ軸対象配置された複数の孔から噴射される、少なくともアルゴンまたは窒素のうちの一種類またはそれらを混合したガスを用いることを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項１７】
請求項１〜請求項１６の何れか一項に記載のプラズマトーチであって、
前記カスケードは、前記アノード側に向かうに従って段階的に拡径する内部形状の段階数が４〜１０段の範囲であることを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項１８】
請求項１〜請求項１７の何れか一項に記載のプラズマトーチであって、
前記カソード、前記カスケード、前記アノード及び前記出射ノズルの内の最大径である箇所の外径が７０ｍｍ以下であり、前記カソード、前記カスケード、前記アノード及び前記出射ノズルを合わせた最大長さが３００ｍｍ以下であることを特徴とするプラズマトーチ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
即ち、本発明のプラズマトーチは、カソードとアノードとの間にカスケードが配設され、前記カソードとアノードとの間に電圧を印加することでプラズマジェットを形成するカスケード型のプラズマトーチであって、前記カソードは、水冷構造を有する銅製の本体部と、該本体部に挿入された棒状のタングステンの陰極とからなり、前記カソードと前記カスケードとの間に、さらに、前記カソード及び前記アノードとは電気的に絶縁されているとともに、水冷構造を有するパイロット部材が備えられ、前記カスケードは、前記パイロット部材と前記アノードとの間に配置され、前記アノード側に向かうに従って多段で段階的に拡大する内部形状とされた単一部材、あるいは、互いに電気的に絶縁された複数の部材からなるとともに、前記カソード及び前記アノードとは電気的に絶縁され、水冷構造を有する電極間インサートとして構成されており、前記アノードは、水冷構造を有する銅製部材であり、さらに、前記アノードに対して電気的に絶縁して接続されているとともに、前記アノード側に向かうに従って内部形状が多段で段階的に拡大し、水冷構造を有する出射ノズルと、同軸で環状のガスシールドジェットを生成することにより、周辺環境からのガス流入を遮断して、前記出射ノズル及び該出射ノズルから出射されるプラズマジェットへの酸素の侵入を遮断するサイドシールドモジュールと、を備えることを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
また、本発明は、上記構成のプラズマトーチにおいて、前記パイロット部材の中央開口部の直径Ｄｐｉｌｏｔと、前記カソードに備えられる前記陰極の先端の直径Ｄｃａｔｈｏｄｅとの関係が、次式｛Ｄｐｉｌｏｔ＞Ｄｃａｔｈｏｄｅ｝を満たすことを特徴とする。
また、本発明は、上記構成のプラズマトーチにおいて、前記パイロット部材に備えられる前記中央開口部の周囲にバイパス孔が設けられており、プラズマを生成させるためのプラズマ作動ガスが、前記カソード側から、前記中央開口部又は前記バイパス孔の少なくとも何れかを通過して前記カスケード側に流れることを特徴とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
また、本発明は、上記構成のプラズマトーチにおいて、前記アノードは、前記カスケードの出口側に接続され、出口側に向かうに従って収束する形状のテーパ部を含むプラズマ流入路と、該プラズマ流入路に接続され、出口側に向かって同一径で設けられることでプラズマを安定化する円筒状流路とからなる流路を備え、前記アノードの前記円筒状流路の内径Ｄａｎｏｄｅと、前記パイロット部材の中央開口部の直径Ｄｐｉｌｏｔとの関係が、次式｛１．５≦Ｄａｎｏｄｅ／Ｄｐｉｌｏｔ≦２．８｝を満たすことを特徴とする。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５３】
アノード４は、図１に示すように、端部４ａが、カスケード３の出口３ｂに対して電気的に絶縁された状態で接続されている。また、図示例のアノード４は、出口４ｂ側に向かうに従って滑らかに収束する形状のテーパ部４１ａを含むプラズマ流入路４１と、該プラズマ流入路４１に接続され、出口側に向かって同一径で設けられることでプラズマを安定化する円筒状流路４２とからなる流路４Ａを備えている。また、プラズマ流入路４１には、カスケード３の出口３ｂと接続される位置に渦巻きリング４４が設けられており、さらに、出射ノズル５と接続される出口４ｂには絶縁リング４６が設けられている。また、アノード４には、アノードガスＢが注入される注入口４３ａが設けられており、この注入口４３ａは、プラズマ流入路４１に連通されている。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８３】
また、本発明に係るプラズマトーチ１００は、アノード４が、カスケード３の出口３ｂ側に接続され、端部（入口）４ａ側から出口４ｂ側に向かうに従って収束する形状のテーパ部４１ａを含むプラズマ流入路４１と、該プラズマ流入路４１に接続され、出口４ｂ側に向かって同一径で設けられることでプラズマを安定化する円筒状流路４２とからなり、且つ、滑らかな内壁を有する流路４Ａを備え、アノード４の円筒状流路４２の内径Ｄａｎｏｄｅと、パイロット部材２の中央開口部２２の直径Ｄｐｉｌｏｔとの関係が、次式｛１．５≦Ｄａｎｏｄｅ／Ｄｐｉｌｏｔ≦２．８｝を満たす構成とすることがより好ましい。上記構成のように、流路４Ａを、滑らかな内壁を有し、且つ、電気アークが付着するプラズマ流入路４１の下流に円筒状流路４２を備えることにより、プラズマの流れを効果的に安定化することが可能となる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９６】
また、本発明においては、出射ノズル５の出射口５１における内径Ｄｅｘｉｔと、アノード４の円筒状流路４２の内径Ｄａｎｏｄｅとの比が、次式｛１．５≦Ｄｅｘｉｔ／Ｄａｎｏｄｅ≦２．５｝を満たすことがより好ましい。上記式におけるＤｅｘｉｔ／Ｄａｎｏｄｅの最小値及び最大値は、安定した準層流によるプラズマ流出を可能とするとともに、膨張の可能性があるプラズマジェットの断面直径の範囲を定義したものである。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０１】
上記構成並びに作用を有するサイドシールドモジュールが設けられていない場合、相当量の外気（酸素）がプラズマジェットの中に吸い込まれる。一方、本実施形態で説明する上記構成のサイドシールドモジュール６が備えられている場合には、ガス（ガスシールドジェットＥ）の一部は、まず、最後の拡径する（後ろ向き）ステップ状のノズル（段差５２）へと注入され、次に、主要なプラズマ形成ガスＣと混ざり合うために法線方向に広がり始める。その後、ガスシールドジェットＥの一部が、周囲の空間へと流出することにより、外気（酸素）の流入が抑制される。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２５】
１００…プラズマトーチ、
１…カソード（陰極集合体）、
１１…本体
１２…陰極、
１２ａ…先端、
１３…水冷構造を有するチャンネル構造体、
２、２Ａ、２Ｂ…パイロット部材、
２２…中央開口部
２４、２４ａ、２４ｂ…バイパス孔、
３…カスケード（互いに電気的に絶縁された電極間インサート）、
３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ…部材（カスケード）、
３ａ…入口、
３ｂ…出口、
３１…外側絶縁体、
３２…内側絶縁体、
３３…水冷構造、
３４…Ｏリング、
３５…断熱性セラミックリング、
４…アノード、
４ａ…端部（入口）、
４ｂ…出口、
４Ａ…流路
４１…プラズマ流入路、
４１ａ…テーパ部、
４２…円筒状流路、
４３…アノード筐体、
４３ａ…ガス入口
４４…渦巻きリング、
４５…銅製陽極、
４６…絶縁リング、
５…出射ノズル（電気的に絶縁された段階的に拡径する内部形状を有する形成ノズル）、
５ａ…端部、
５１…出射口、
５２…段差
５３…出射端面
６…サイドシールドモジュール
６２…ガススリット（環状のガススリット）
Ａ…カソードガス（プラズマ作動ガス）、
Ｂ…アノードガス（プラズマ作動ガス）、
Ｃ…プラズマ形成ガス
Ｄ…プラズマジェット
Ｅ…ガスシールドジェット（サイドシールドガス）
【国際調査報告】
2013536543.tif 000049
2013536543.tif 000050
2013536543.tif 000051