(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶射ガン用のノズルであって、
前記ノズルは、円錐穴及び円筒穴を有する中央穴を有し、前記円錐穴及び前記円筒穴は、前記円錐穴の小径側が前記円筒穴に隣接するように配置され、前記円錐穴は前記ノズルの後部に配置され、前記円筒穴は前記ノズルの前部に配置され、
前記円錐穴は、円錐穴部分において円錐壁表面によって画定され、
前記円筒穴は、円筒穴部分において円筒壁表面によって画定され、
前記円錐穴部分の半径方向の厚さが前記円筒穴部分の半径方向の厚さより大きく、また前記円錐穴部分及び前記円筒穴部分は、動作中に熱が前記円筒壁よりも前記円錐壁から速く除去されるように構成及び配置されている、ノズル。
【請求項２】
前記円錐穴部分及び前記円筒穴部分が銅を有する請求項１に記載のノズル。
【請求項３】
前記円錐壁表面及び前記円筒壁表面の少なくとも一部分が、タングステン、モリブデン、銀又はイリジウムのうちの１つから形成されている請求項１に記載のノズル。
【請求項４】
前記円錐穴部分及び前記円筒穴部分の少なくとも一部分を取り囲むように半径方向に延びる複数のフィンをさらに有し、前記フィンは、冷却水路を形成するように配置されている請求項１に記載のノズル。
【請求項５】
前記冷却水路の基部が、前記円筒穴部分の外壁表面の半径方向外側にある請求項４に記載のノズル。
【請求項６】
前記冷却水路の基部が、前記円錐穴部分の外壁表面の半径方向外側にある請求項４に記載のノズル。
【請求項７】
前記円錐穴部分の外壁表面の少なくとも一部分と前記円筒穴部分の外壁表面の少なくとも一部分が、互いに対して平行である請求項４に記載のノズル。
【請求項８】
少なくとも前記円錐穴部分を取り囲む各フィンの少なくとも共通部分が除去されており、前記ノズルは、前記除去された共通部分に配置された連続するウォータージャケットをさらに有し、それにより少なくとも前記円錐穴部分上に閉じた水路を形成する請求項４に記載のノズル。
【請求項９】
前記連続するウォータージャケットが、銅、黄銅、鋼、又はセラミックのうち少なくとも１つを有する請求項８に記載のノズル。
【請求項１０】
前記円錐穴部分は、動作中に冷却水が、前記円筒穴部分を通過する冷却水よりも大きい速度で前記円錐穴部分を通過するように構成及び配置されている請求項１に記載のノズル。
【請求項１１】
前記円筒穴部分は、動作中、前記円筒穴部分を通過する前記冷却水が、前記円錐穴部分を通過する前記冷却水に比して停滞するように構成及び配置されている請求項１に記載のノズル。
【請求項１２】
請求項１から１１までのいずれか一項に記載のノズルを有する溶射ガン。
【請求項１３】
前記ノズルは、動作中に前記円錐穴の平均表面温度が前記円筒穴の平均表面温度よりも少なくとも１００℃低くなるように構成されている、請求項１２に記載の溶射ガン。
【請求項１４】
前記ノズルの後部で冷却水を供給し且つ前記ノズルの前部で前記冷却水を取り出すための冷却水システムをさらに有する請求項１３に記載の溶射ガン。
【請求項１５】
前記冷却水を、前記ノズルの前部よりも高速で前記ノズルの後部を通して導くように、前記ノズルの後部に水路が形成されている請求項１４に記載の溶射ガン。
【請求項１６】
前記ノズルの前記前部は、動作中、前記円筒穴を取り囲む前記冷却水が断熱材として働くように形成されている請求項１４に記載の溶射ガン。
【請求項１７】
請求項１から１１までのいずれか一項に記載のノズルを冷却する方法であって、
前記円錐穴及び円筒穴の壁表面温度を下げるために前記ノズルの後部から前記ノズルの前部へと冷却水を供給するステップを含み、
前記ノズルの前記前部及び後部は、熱が前記円筒穴の壁表面からよりも前記円錐穴の壁表面から速く除去されるように構成されている、方法。
【請求項１８】
前記円錐穴の平均の壁表面温度が、前記円筒穴の平均の壁表面温度より少なくとも１００℃低い請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記円錐部分を取り囲む少なくとも１つの表面に沿って供給される前記冷却水の速度が、前記円筒部分を取り囲む少なくとも１つの表面に沿って供給される前記冷却水の速度よりも大きい請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１３年１月３１日に出願した米国仮出願第６１／７５９，０７１号の優先権を主張する国際出願であり、この開示の全体が参照によって明白に本明細書に組み込まれる。
【０００２】
連邦政府による委託研究又は開発に関する表明：該当なし
【０００３】
コンパクト・ディスク付録への参照：該当なし
【背景技術】
【０００４】
溶射用途で使用される従来のプラズマ・ガン・ノズル（アノード）は寿命が限られている。適切な動作のためにプラズマ電圧が所定の範囲に保たれている限り、ノズルは使用可能である。しかしながら、プラズマ・アークに暴露するとノズル壁が劣化し、プラズマ電圧が低下し、ノズルの寿命も低下する。一般に、ノズルの寿命は４０時間未満である。さらに、ガン動作の間、ノズル壁がいくつかの他の条件にさらされ、電圧減衰と、例えばいくつかのノズル設計で用いられるタングステンのライニングの亀裂といったアーク不安定性とをもたらす。
【０００５】
電圧減衰及びアーク不安定性をもたらす条件の影響を最小化するノズル及びそのようなノズルを作製する方法が必要とされている。
【０００６】
一般に、プラズマ・アークのノズル壁への付着を制御するためには、２つの主要な特徴がある。例えば、それらの開示の全体が参照によって明白に本明細書に組み込まれる米国特許第７，０３０，３３６号及び米国特許第４，８４１，１１４号に説明されている電荷集中は、特定の位置へプラズマ・アークを付着させるのに用いることができる。しかしながら、このやり方でプラズマ・アークの付着を制御するにはガンの寸法形状の変更が必要になり、これは、多くの既存のアプリケーションを噴霧するのに使用される既存のプラズマ・ガンの動作条件に影響を及ぼし得る。
【０００７】
プラズマ・アーク付着点を制御するための第２の特徴は、ノズル壁の熱状態である。表面及び境界条件は、より高温であればプラズマ・アークをより引き寄せやすく、より低温であると引き寄せづらいことが見いだされており、例えば、その開示の全体が参照によって明白に本明細書に組み込まれるＰＣＴ／米国特許出願公開第２０１２／０２２８９７号を参照されたい。したがって、このようにして、プラズマ・アークを付着させるための好ましい壁条件をもたらすように熱管理技法を適用することにより、電圧安定及び制御電圧減衰の観点からガン性能を改善することが可能である。
【０００８】
これまでに、プラズマ・ガン・ノズルの設計は、特に冷却に関して、主に実験データを通じて達成されてきた。これらの設計は、プラズマ・アーク付着の領域でプラズマ・ノズル穴の全体に沿って最大の冷却効果を均一にもたらすことに専念してきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第７，０３０，３３６号
【特許文献２】米国特許第４，８４１，１１４号
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１２／０２２８９７号
【発明の概要】
【００１０】
本発明の実施例は、溶射ガンのノズルを対象とするものである。このノズルは、円錐穴及び円筒穴を有する中央穴を含む。円錐穴は円錐穴部分（円錐穴セクション）において円錐壁表面によって画定され、円筒穴は円筒穴部分（円筒穴セクション）において円筒壁表面によって画定され、円錐穴部分及び円筒穴部分は、熱が円筒壁よりも円錐壁から速く除去されるように構成される。
【００１１】
実施例によれば、円錐穴部分及び円筒穴部分は銅を含むことができる。
【００１２】
本発明の実施例によれば、少なくとも円錐壁表面及び円筒壁表面の一部分は、タングステン、モリブデン、銀又はイリジウムのうちの１つから形成される。
【００１３】
他の実施例によれば、円錐穴部分の径方向肉厚を円筒穴部分の径方向肉厚よりも大きくすることができる。
【００１４】
さらに、このノズルは、円錐穴部分及び円筒穴部分の少なくとも一部分を取り囲み半径方向に延びる複数のフィンも含むことができる。このフィンは、冷却水路を形成するように配置することができる。さらに、冷却水路の基部は、円筒穴部分の外壁表面の半径方向外側に存在し得る。その代わりに、又はそれに加えて、冷却水路の基部は、円錐穴部分の外壁表面の半径方向外側に存在してよい。なおさらに、円錐穴部分の外壁表面の少なくとも一部分と円筒穴部分の外壁表面の少なくとも一部分が、互いに対して平行であり得る。実施例では、少なくとも円錐穴部分を取り囲む各フィンの少なくとも共通部分（共通セクション）を除去することができ、このノズルは、少なくとも円錐穴部分上に閉じた水路を形成するために、除去された共通部分に配置された連続するウォータージャケットをさらに含むことができる。連続するウォータージャケットは、銅、黄銅、鋼、又はセラミックのうち少なくとも１つを含み得る。
【００１５】
さらなる実施例では、円錐穴部分は、円錐穴部分を通り抜ける冷却水の速度が、円筒穴部分を通り抜ける冷却水の速度よりも高くなるように構成及び配置することができる。
【００１６】
本発明のさらに他の実施例によれば、円筒穴部分は、円筒穴部分を通り抜ける冷却水が、円錐穴部分を通り抜ける冷却水に対して停滞するように構成及び配置することができる。
【００１７】
本発明の実施例は、溶射ガンを対象とするものである。この溶射ガンは、円錐穴及び円筒穴を有するノズルを含む。ノズルは、円錐穴の平均表面温度が円筒穴の平均表面温度よりも少なくとも約１００℃低くなるように構成されている。
【００１８】
本発明の実施例によれば、この溶射ガンは、ノズルの後部で冷却水を供給してノズルの前部で冷却水を取り出す冷却水システムを含むことができる。さらに、円錐穴はノズルの後部に配置され得、円筒穴はノズルの前部に配置される。その代わりに、又はそれに加えて、冷却水を、ノズル前部におけるよりも高速でノズル後部を通して導くように、ノズル後部に水路を形成することができる。さらに、ノズルの前部は、円筒穴を取り巻く冷却水が断熱材として働くように形成され得る。
【００１９】
本発明の実施例は、円錐穴及び円筒穴を有する溶射ガン・ノズルのノズルを冷却する方法を対象とするものである。この方法は、円錐穴及び円筒穴の壁の表面温度を下げるためにノズルの後部からノズルの前部へと冷却水を供給するステップを含む。ノズルの前部及び後部は、熱が円筒穴の壁表面からよりも円錐穴の壁表面から速く除去されるように構成されている。
【００２０】
実施例によれば、円錐穴の平均の壁表面温度は、円筒穴の平均の壁表面温度よりも少なくとも約１００℃低くなり得る。
【００２１】
本発明のさらに他の実施例によれば、円錐部分を取り巻く少なくとも１つの表面に沿って供給する冷却水の速度を、円筒部分を取り巻く少なくとも１つの表面に沿って供給する冷却水の速度よりも高くすることができる。
【００２２】
本発明の実施例は、プラズマ・ガン用のノズルを対象とするものである。このプラズマ・ガンは、例えば溶射用途に使用され得、又は例えばプラズマ・ロケット、プラズマ・トーチ若しくはプラズマ発生器になり得る。
【００２３】
本発明の他の例示的実施例及び利点が、本開示及び添付図面を検討することによって確認され得る。
【００２４】
本発明は、本発明の例示的実施例の限定的でない実例のために示される複数の図面に関する以下の詳細な記述でさらに説明され、図面では、同様の参照数字は、図面のいくつかの図の全体にわたって同様の部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】プラズマ・スプレー・ガン用の従来設計のノズルを示す図である。
【図２】プラズマ・スプレー・ガンとともに使用するノズルの実施例を示す図である。
【図３】図１に示された従来型のノズルのガン電圧をグラフで示す図である。
【図４】図２に示されたノズルのガン電圧を示す図である。
【図５】プラズマ・スプレー・ガンとともに使用するノズルの別の実施例を示す図である。
【図６】プラズマ・スプレー・ガンとともに使用するノズルのさらに別の実施例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本明細書で示される詳細は、実例として、本発明の実施例の例示的議論のためのものでしかなく、本発明の原理及び概念的観点の、最も有用であって容易に了解される説明と考えられるものを提供するために提示されている。この点において、本発明の基本的理解のために必要であるよりも詳細に本発明の構造細部を示す試みはせず、図面とともに理解される説明により、当業者には、本発明のいくつかの形態が実際にどのように具現化され得るかが明らかになる。
【００２７】
図１は、従来型のプラズマ・ノズル２、カソード３及び水冷システム４を含む従来のプラズマ・スプレー・ガンの前部ガン本体１を示す。従来型のプラズマ・スプレー・ガンは、例えばＳｕｌｚｅｒ  Ｍｅｔｃｏによって製造されたＦ４ＭＢ−ＸＬ又は９ＭＢのプラズマ・ガン、Ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓによって製造されたＳＧ１００プラズマ・ガン又は単一のカソード及び非カスケーディング・アノード／プラズマ・アーク・チャネルを有することによって例示される任意の一般的な従来のプラズマ・ガンであり得る。プラズマ・ノズル２は、高い熱伝達特性を有する材料、例えば銅のみから製作することができ、又は、銅のノズルは、性能を改善するために、例えばタングステンのライニング、モリブデンのライニング、高度なタングステン合金のライニング、銀のライニング、イリジウムのライニングといったライニングを含むことができる。プラズマは、一般的には、例えばＡｒ、Ｎ２、Ｈｅ、又はＨ２及びその混合物といったガスに電流を流し、プラズマ・アーク７を生成することによって、プラズマ・ノズル２に形成される。電流を生成するために、カソード３が直流電源のマイナス側に接続され、アノードとして働くノズル２がプラス側に接続される。プラズマ・ノズル２は、カソード３を収容する円錐穴５と、好ましくはプラズマ・アーク７が付着する円筒穴６とを含む。
【００２８】
初期動作では、プラズマ・アーク７は、円筒穴６を下っていくらかの距離を進んでからノズル壁に付着してよく、ノズル壁は最も高いプラズマ電圧を生成する。限定的でない実例として、プラズマ・アーク７の初期の付着点は、円錐穴５の下流にある円筒穴６の最初の１／３と１／２の間にあり得、壁でのプラズマ電圧は、所与の動作パラメータにおいて、好ましくは７０Ｖよりも高いものである。他のパラメータは、ガス、ハードウェアの寸法形状、電流などに依拠して、異なる電圧をもたらすことになる。ノズル壁２の表面が損耗して劣化するにつれて、プラズマ・アーク７がさらに上流側へ引き寄せられて最終的には円錐穴５の壁に付着し、そのとき、ノズル２の交換が必要になるほど電圧低下が大きくなる。円錐穴５内の壁は、所与の動作パラメータでプラズマ電圧が７０Ｖ未満になる、プラズマ・アーク付着の好ましくない領域である。繰り返しになるが、他のパラメータは、ガス、ハードウェアの寸法形状、電流などに依拠して、異なる電圧をもたらすことになる。
【００２９】
ノズルを冷却するために、複数のフィン１２がノズル２の外周表面から半径方向に延在している。フィン１２は、円錐穴５と円筒穴６が出会うポイント並びに円錐穴５の一部分を取り巻くように、例えば円錐穴５の全長の約１／２及び筒状部６を取り巻くように、例えばアーク付着領域を取り巻くように、ノズル２の長手方向にも延在する。タングステンのライニングが設けられるとき、フィン１２は、例えば円錐穴５の壁の一部分を形成するライニングの始点から、円筒穴６を取り巻く所定のアーク付着領域の終端へと延在するように配置することができる。
【００３０】
プラズマ・ガンを作動させると、ノズル穴において、例えば７００〜８００°Ｋの最大の平均壁温度といった極高温が生じるので、循環水でノズル２を冷却するように水冷システム４が配置されている。ガン本体の後部から入る水冷経路８を含む水冷システム４が、ノズル２の外部周囲のまわりに導かれ、冷却フィン１２を通ってから出る。具体的には、水冷システム８は、供給源からノズル２の外周に冷却水を供給するための少なくとも１つの水入口ポート９と、ノズル２の外周を冷却した水が通って出て供給源に戻される少なくとも１つの水出口ポート１０とを有する。水入口ポート９が供給する冷却水は、円錐穴５の一部分を取り巻くノズル２の外周表面１１と接触する。次いで、冷却水は、フィン１２を通って、フィン１２が配置されている周縁部と接触して冷却し、次いで、円筒穴６の一部分を取り巻く外周面１３と接触して冷却するための領域に導かれる。冷却水は、２５〜３５°Ｋの温度上昇を達成するために、一般に１０℃と２２℃の間、好ましくは１６℃と１８℃の間の温度で供給される。
【００３１】
図１に示されたプラズマ・ガンの通常動作の場合、ノズル壁表面が損耗してくぼみができ、電荷集中によってアノードに付着物をもたらすので、プラズマ電圧が減衰することになる。時間が経つにつれて、これらの引力がアークを円錐形の部分に不利に駆動することになり、ノズルの有効寿命の終了を示す電圧減衰をもたらす。
【００３２】
本発明の実施例は、熱の動的影響によってプラズマ・アーク付着領域を制御することにより、ノズルの寿命を長くしようとするものである。これらの実施例は、前述の挙動を利用してノズルの壁温度を制御することにより、プラズマ・アークを操作するものである。具体的には、これらの実施例は、少なくとも一部には、より高温の表面はプラズマ・アークが付着する助けとなる伝導位置をもたらし、より低温の表面はプラズマ・アークをあまり引き寄せない傾向があるという発見に基づくものである。
【００３３】
プラズマ・ガンの計算流体力学（ＣＦＤ）モデルの演算から得られた知識に基づく本発明者の発見は、大半のプラズマ・ガンについては、プラズマ・アークの付着領域、すなわち円錐穴の前半分と円筒穴の後半分との領域の平均壁温度は比較的均一であり、例えば温度差が５０℃以内であるというものであった。従来型のプラズマ・ノズルは、主として熱伝導性に優れた銅で構築されているので、この発見は驚くことではない。しかしながら、本発明者は、本発明の実施例に従って、穴に沿って、すなわち円錐穴の後部の穴壁から円筒穴の前部の穴壁へ、平均温度において、例えば５０℃を上回る、約７５℃を上回る、少なくとも約１００℃、約２００℃さえ上回り、且つ／又は７５℃と２２５℃の範囲内、好ましくは１００℃と２００℃の間の温度差を生じさせるやり方でノズルを冷却することにより、利点が達成され得ることを発見した。
【００３４】
本発明者の熱管理の実装形態に従って構築されたノズル２’の実施例が図２に示されている。ノズル２’は構造上ノズル２と異なるものであるが、従来型のプラズマ・ガンにおいてノズル２の代わりにノズル２’を使用しても、ノズル２の場合と比較してノズル２’でのノズル寿命が向上するという点を除けば、プラズマ・ガンの動作特性は変化しない。図示の実施例では、ノズル２’は、円錐穴５を円筒穴６よりも低温に保つように構築されている。この例示的実施例によれば、プラズマ・アーク７は、従来のノズル設計のように、好ましくは円筒穴６の後端に、例えば穴の後方の１／３から１／２に付着して、可能な限りそこに留まる。
【００３５】
ノズル２’は、円錐穴５を取り囲む銅材料を堆積（ｂｕｉｌｄ  ｕｐ）するように構築され、それにより、追加された銅の高い熱質量が円錐穴５を取り巻き、円錐穴５の壁から熱を取り除いて伝導する。さらに、円錐穴５を取り巻く銅の量が増加するので、円錐穴５を取り巻く外周表面１１’は円筒穴６と同軸に構築され得、その結果、円錐穴５のまわりの水経路すなわち水路の断面積が、それに応じて縮小される。経路すなわち水路のこの低減により、円錐穴５を取り巻く経路すなわち水路を通って流れる水の速度が増加し、それによって、円錐穴５の壁の最適な冷却が達成される。
【００３６】
屈折点すなわち円錐穴５が円筒部分６と出会うポイントの領域では、ノズル２’は、冷却設定のさらなる変化が生じるように構築されている。フィン１２’を有する領域１４は、従来のノズル２と比較して、円錐穴５の一部分を取り巻く増加した銅部分から（又はタングステンのライニングの始点から）、ノズル２’とプラズマ・アークの熱力学に依拠して、円錐穴５と円筒穴６が出会うポイントまで、又はその直前若しくは直後まで、長手方向に延在するのみである。しかしながら、ノズル２のように円筒穴６の外周表面から半径方向に延在するのではなく、領域１４にも、銅材料が、外周面１１’の半径方向の堆積（ｂｕｉｌｄ  ｕｐ）に少なくとも対応する、好ましくはこれを超過する周面１５を形成するように構築される。図２にさらに示されるように、フィン１２’は、銅の堆積の周面１５から半径方向に延在するように配置され得、その結果、円錐穴５を取り巻く低減された水路に導かれた水は、フィン１２’の間に導かれ、好ましくは周面１５まで行ってから次いでフィン１２’の間に導かれる。さらに、フィン１２’は、ノズル２’を受けるように、プラズマ・ガンの穴の表面まで半径方向に延在することができるが、冷却水が水入口８を通って入るとき、円錐穴５を取り巻く水路の中で速度が高くなるように、フィン１２’を、ノズル２のフィン１２よりも半径方向で短く構築するのが有利であり得、その結果冷却水は、フィン１２’の間及びその１２’の上を流れて、円筒穴６を取り巻く残りの領域の広い水出口溝１６に流れ込むことができる。
【００３７】
冷却水が広い水出口溝１６のより大きな寸法形状に入るとき、冷却水の速度が低下するので、この領域は、いくぶん停滞水ゾーンになり得る。さらに、水は実際に優れた断熱材であるので、銅及び／又はタングステンの融解を防止するために、ノズル壁の銅の量及び／又はタングステンライニングのまわりの銅の量は、熱が、横方向に銅を通り、「瞬時の」プラズマ・アーク７の付着点から離れて伝わることを可能にするのに十分なものであるべきである。しかしながら、水の絶縁効果のために、また冷却水が円筒穴６の上でいくぶん停滞するので、冷却水のために、プラズマ・アーク付着領域における壁表面上の熱が、必要に応じて円筒穴６を含むノズル部分の壁厚さをさらに縮小することにより、すなわち円筒穴６を取り巻く銅の量を減少することによって、さらに低減され得る。このようにして、円錐穴の壁と円筒穴の壁の間の温度差を増加することができる。限定的でない実例として、銅壁とタングステンのライニングとの組合せの低減された壁厚さは２〜３ｍｍ程度であり得るが、銅壁だけの壁の厚さは少なくとも３ｍｍである。唯一の制約要因は、水が水出口溝１６のノズルの銅の壁表面と接触するので、水圧及び温度などの要因に依拠して水が沸騰する可能性である。
【００３８】
実施例によれば、動作において、円錐穴５の壁表面と円筒穴６の壁表面の間の平均温度差は、５０℃を上回り得、約７５℃を上回り得、少なくとも約１００℃であり得、約２００℃さえ上回り得て、７５℃と２２５℃の間、好ましくは１００℃と２００℃の間にあり得る。図２の例示的実施例では、ノズル２’は、動作において、円錐穴５の壁表面と円筒穴６の壁表面の間に、少なくとも約１００℃の平均温度差を実現することができる。したがって、円錐穴５の上の銅の堆積による熱放散の増加と、円錐穴５を取り巻く冷却水路の縮小された寸法形状を通る冷却水の速度の増加との組合せにより、円錐穴５の領域の冷却が結果として向上する。次いで、冷却水が、円筒穴６のまわりの断熱材として働くように広い水出口溝の中に導かれるので、熱放散は、意図的に、円錐穴５の領域の冷却と相応しないものになり、それによって、円錐穴５と円筒穴６の間の所望の温度差をもたらす。さらに、円筒穴６を取り巻く銅の壁厚さが縮小されると、銅壁を通る熱放散が減少し、円筒穴６の温度が上昇して温度差が増加する。
【００３９】
ノズル２’を有するプラズマ・ガンの動作において、従来型のノズル２を使用する同一のガンと比較して、電圧減衰の点から、ハードウェア寿命が平均５０％増加する。電圧不安定性（ピーク・トゥ・ピーク）が基本的に不変であることも判明している。この結果は図３及び図４のグラフに示されており、それぞれ、２時間の動作の後の、従来型のノズル２の時間対プラズマ電圧及びノズル２’の時間対プラズマ電圧を示す。図３は±０．２２の標準偏差を示し、図４は±０．２３の標準偏差を示す。いくつかの実例に関してこれらのグラフの結果を検討すると、ノズル２と比較して、ノズル２’がより長い期間にわたって標準偏差が一定のままであることが明らかである。
【００４０】
したがって、従来型のプラズマ・ガンの中のノズル２’は、プラズマ・ガンの総合的な動作上の挙動に影響を及ぼすことなく、プラズマ・アークが円筒穴内に留まる時間を延ばすことにより、ノズルの寿命を増加させることが明らかである。
【００４１】
別の実施例では、図５に示されるノズル２”は、円錐穴５と円筒穴６の間の熱状態の差を最大化するように構成されている。ノズル２”は構造上ノズル２と異なるものであるが、従来のプラズマ・ガンにおいてノズル２の代わりにノズル２”を使用しても、ノズル２の場合と比較してノズル２”でのノズル寿命が向上するという点を除けば、プラズマ・ガンの動作特性は変化しない。ノズル２”は、銅材料２０の堆積を含み、その結果、追加された銅の高い熱質量が円錐穴５を取り巻き、円錐穴５の壁から熱を取り除いて伝導する。具体的には、銅の堆積は、半径方向で外側の、好ましくはノズル２”が収容されることになっているガン穴の寸法形状に全体的に対応する程度まで円筒状の周面２２及び２３が円錐穴５を取り巻くように設けられる。さらに、円錐穴５を取り巻く銅の堆積量の中に、冷却水路２４が、１つ又は複数の半径方向の冷却水路２５と連絡するように形成される。冷却水路２４は、水入口８から、円錐穴５が円筒穴６に出会うポイントにおけるタングステンのライニングの上の位置まで、ちょうど半径方向に延在するように斜めに配向される。
【００４２】
ノズル２”がさらに含む円形の壁２６は、円筒穴６の外周表面１３から円筒部分２７へと半径方向に延在しており、円筒部分２７の半径方向の外面とプラズマ・ガンのガン穴の間に冷却水路２８を画定するように構成されている。さらに、円形の壁２６が部分的に画定する１つ又は複数の半径方向の冷却水路２５は、円錐穴５が円筒穴６に出会うポイントにおいてタングステンのライニングの上にちょうど半径方向に配置された冷却水路２４の終端に連絡し、そこから半径方向の外側に延在するように構成されている。
【００４３】
冷却水路２４は、水入口ポート（図５には示されていない）で冷却水の速度を増加するように寸法設定することができ、冷却水の速度は、従来、１〜２ｍ／秒未満の範囲から約１０〜１５ｍ／秒の範囲にある。さらに、半径方向の水路２５は、水が冷却水路２８を通ってシリンダ表面２７の上に導かれるとき、冷却水速度が低下し始めるように冷却水路２４よりもいくぶん大きく寸法設定することができる。シリンダ２７の上に導かれた冷却水は、広い水出口溝１６に集められ、これはシリンダ穴６の外周壁１３を取り巻く停滞水ゾーンとして理解され得る。さらに、達成された高い冷却水速度に関する、より大きい圧力低下のために、冷却水が冷却水路２４をバイパスするのを防止するように、銅の堆積の周面２３に、例えばＯリングといった少なくとも１つのシーリング要素を挿入するのが有利であり得る。
【００４４】
冷却水路２４及び２５を通る冷却水の速度増加と、銅の堆積とを組み合わせることにより、円錐穴５の冷却効果が向上するが、広い水出口溝１６の停滞水ゾーンに集まる水の絶縁の効果は、同一の冷却効果を達成することなく、その結果、円錐穴５と円筒穴６の間の所望の温度差の有益な効果が達成される。
【００４５】
図６に示されるさらなる実施例では、ノズル２’’’は、円錐穴５を取り巻く領域の冷却水速度を増加するために連続したウォータージャケットが追加されていることを除けば、従来のノズルに全体的に類似している。さらに、ノズル２’’’は構造上ノズル２と異なるものであるが、従来のプラズマ・ガンにおいてノズル２の代わりにノズル２’’’を使用しても、ノズル２の場合と比較してノズル寿命が向上するという点を除けば、プラズマ・ガンの動作特性は変化しない。
【００４６】
ノズル２と同様に、ノズル２’’’は、半径方向に延在する複数のフィン１２”を有する。フィン１２”は、円錐穴５と円筒穴６が出会うポイント並びに円錐穴５及び筒状部６の部分を取り巻くように、ノズル２の長手方向に延在し、その結果、アーク付着領域がフィン１２”によって取り巻かれる。タングステンのライニングが設けられるとき、フィン１２は、円錐穴５の壁の一部分を形成するライニングの始点から、円筒穴６を取り巻く所定のアーク付着領域の終端へと延在するように配置することができる。しかしながら、ノズル２のフィン１２とは対照的に、長手方向の後部で半径方向外側の部分、例えば長方形の部分が、フィン１２”から除去される。例えば銅、黄銅、鋼、他の適切な金属又はセラミックの連続したウォータージャケット３０が、円錐穴５と円筒穴６が出会うポイント及び円錐穴５の少なくとも一部分を少なくとも取り巻くように、フィン１２”の除去された部分に配置され得る。タングステンのライニングが設けられると、ウォータージャケット３０が、円錐穴５の壁の一部分を形成するライニングの始点から、円錐穴５が円筒穴６と出会うポイントを長手方向で越えたポイントまで延在するように配置されてよい。
【００４７】
この構造によれば、フィン１２”の間の全体的にＶ字形の水路が半径方向で短縮されて、ウォータージャケット３０の下に、全体的にＶ字形であって低減された寸法形状の水冷水路３１を形成する。その結果、冷却水路３１は、従来は１〜２ｍ／秒未満の範囲内である水入口８における冷却水の速度を、約５ｍ／秒の範囲内まで増加するように寸法設定され得る。さらに、冷却水路３１が半径方向に上へ開いているので、冷却水速度は、冷却水がウォータージャケット３０を通過した後に低下し、次いで、冷却水がプラズマ・アーク付着領域の下流の円筒穴６の一部分を取り巻く広い水出口溝１６’の中に導かれるので、さらに低下する。さらに、冷却水が冷却水路３１をバイパスするのを防止するように、ウォータージャケット３０の外周面に、例えばＯリングといった少なくとも１つのシーリング要素を挿入するのが有利であり得る。
【００４８】
したがって、この実施例によれば、ノズル２’’’は、円筒穴６を取り巻く前部に対して円錐穴５を取り巻く領域の冷却を増加するために、ノズルの後部に水流れを集中させる。
【００４９】
またさらに、ノズル２’’’を有する一般的なプラズマ・ガンの動作において、ノズル２’を使用する同一のガンと比較して、電圧減衰の点から、ほぼ同じハードウェア寿命の増加がもたらされた。
【００５０】
開示された実施例では、タングステンのライニングの組成物は、それだけではないが、トリエーテッド・タングステン、ランタネーテッド・タングステン、セリエーテッド・タングステンなどを含む、任意のドープされたタングステン材料を含むことができる。他のライニング材料の組成物は、ＣＭＷ  ３９７０、モリブデン、銀、及びイリジウムなどの高度なタングステン合金を含むことができる。モリブデン及びＣＭＷ  ３９７０はともに、いくらかの成功を伴って用いられているが、現在はいくぶん高価すぎる銀及びイリジウムも、本発明の実施例向けに適する材料であると考えることができる。
【００５１】
これまでに、タングステンのライニング材は、割れるか又は破損する（したがってハードウェア寿命が低下する）と知られており、この点において、他の材料がいくらかの改善を与える可能性がある。そのような材料は、好ましくは以下の特性を有するべきである。そのような材料は、特に高い熱負荷及び大きな温度傾斜の下で、タングステンよりも延性があり、耐破壊性に優れたものであるべきである。そのような材料は、タングステンの高い融点と同様の、又は近い高融点も有するべきである。融点が低いときには、そのような材料は、融点がタングステンよりも低いことを補償するほどに高い熱伝導率を有するべきである。可能性のある材料には、上記の所望の特性の多くを有するので、銀、イリジウム及びモリブデンなどの純粋な金属が含まれる。前述のように、銀及びイリジウムは、現在、実用向けには恐らく高くつきすぎるが、モリブデンは手頃である。他の選択肢には、許容できる特性を有するので、鉄又はニッケルの小量とタングステンとの合金が含まれる。好ましくは、そのような材料は、タングステン合金の場合には、一次金属すなわちタングステンを少なくとも９０％は含むものである。材料を選択するには、差温対熱伝導率のグラフから、プラズマ・アークとの直接接触に耐える可能性の高いものを求めることができる。この差温は、好ましくは融点と平均プラズマ温度（約９０００°Ｋ）の間の差であり、少なくとも融解温度の逆数である。これが、上記で論じられた材料、すなわちモリブデン、イリジウム、タングステン、銅及び銀に対して遂行されると、熱衝撃及び亀裂の影響を受けやすい延性に関する有意差があったとしても、所望の特性の多くを有するものに最も近くなる。好ましい材料には、タングステン及びモリブデン、並びに約２．１％のニッケル及び約０．９％の鉄を含有しているタングステンなどのそれらの合金が含まれる。他のタングステン合金には、より多量のニッケル及び銅を有し、高延性ではあるが、融点及び熱伝導率が低いもの、並びにニッケル及び銅はより少量で、低延性ではあるが、融点及び熱伝導率が高いものが含まれる。タングステンとの合金にできる他の材料には、オスミウム、ロジウム、コバルト及びクロムが含まれる。これらの金属は、タングステンとの合金にすることが可能でノズルのライニング材料に利用され得るように、十分に高い融点及び高い熱伝導率を有する。２．１％のニッケル及び０．９％の鉄を有する商用グレードのモリブデンとタングステンの合金の両方を試験し、且つノズルのライニングに用いて、銅のみのノズルと比較した。
【００５２】
様々な従来型のプラズマ・スプレー・ガンが、係属中の開示に説明されているものと異なる寸法を有するノズルを利用し得るが、本発明のノズルの、後部の円錐穴と前部の円筒穴の間の所望の表面温度差を生成するか又は発生するための説明された実施例の精神及び範囲ら逸脱することなく、ノズルの寸法を、上記の開示において識別されたものから変更又は修正することができることを理解されたい。
【００５３】
さらに、特定のノズル構造と、ノズル後部の円錐穴とノズル前部の円筒穴の間の表面温度差を生成するか又は発生するための配置とを説明している前述の実施例に加えて、この表面温度差が、本発明の実施例の趣旨及び範囲から逸脱することなく、他のやり方で生成され得る、又は発生され得ることが企図されている。限定的でない実例として、ノズルの一実施例では、熱障壁として働く代替の材料又は層が使用され得る。この点において、後部が前部よりも低い熱伝導率を有するように熱伝導率を制御するために、熱障壁を配置することができる。他の実施例では、より多くの熱が銅に伝達し得るように、後部のタングステンのライニングの厚さを低減して、後部壁をより薄くする。
【００５４】
それぞれ説明された実施例に関して、特にプラズマ・アークが穴の中をさらに下流へ進んでノズルの前部に付着する傾向がある高いガス流れ条件については、ノズル出口の近くのノズル壁の温度を低下させることにより、対応してアーク運動を限定することになり、さらなる改善が得られる可能性があることをさらに理解されたい。
【００５５】
前述の実例は単に説明のために提供されたものであり、本発明を限定するものと決して解釈されるべきではないことが注意される。本発明が例示的実施例を参照しながら説明されてきたが、本明細書で用いられた用語は、限定する用語ではなく、説明及び例証の用語であることを理解されたい。添付の特許請求の範囲の範囲内で、現在明示されたもの及び補正されるもののように、その観点において、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、変更が可能である。本発明が、本明細書で、特定の手段、材料及び実施例を参照しながら説明されてきたが、本発明は、本明細書で開示された細目に限定されるように意図されたものではなく、すべての機能的に等価な構造、方法及び使用法に及ぶものであり、それらは添付の特許請求の範囲の範囲内である。
【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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