(57)【要約】  基材へ粉末を供給するプラズマガン、及びプラズマガンを用いて基材へ粉末を供給する方法である。このプラズマガンは、カソード組立体１と、アノード２と、後部ニュートロード７と、カソード組立体１とアノード２の間のチャネル穴３を画定するように後部ニュートロード７に隣接して配置された延長ニュートロード８とを備える。この延長ニュートロード８は、３８ｍｍより大きい長さを有する。プラズマガンは、チャネル穴３へガスを供給するための少なくとも１つのガス入口と、電源とをやはり備えることができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード組立体と、
アノードと、
後部ニュートロードと、
前記カソード組立体と前記アノードの間のチャネル穴を画定するように前記後部ニュートロードに隣接して配置された延長ニュートロードであって、３８ｍｍより大きい長さを有する延長ニュートロードと、
前記チャネル穴へガスを供給するための少なくとも１つのガス入口と、
電源と
を有するプラズマガン。
【請求項２】
前記延長ニュートロードが、前記延長ニュートロードの前記長さに沿って軸方向に配置された複数のニュートロード・セグメントを有する、請求項１に記載のプラズマガン。
【請求項３】
複数の絶縁体をさらに有し、少なくとも１つの絶縁体が、前記複数のニュートロード・セグメントの各々に隣接して配置される、請求項２に記載のプラズマガン。
【請求項４】
少なくとも１つの絶縁体が、前記延長ニュートロードと前記アノードの間、及び前記延長ニュートロードと前記後部ニュートロードの間に配置される、請求項３に記載のプラズマガン。
【請求項５】
前記複数のニュートロード・セグメントが、４〜１２個のニュートロード・セグメントを含む、請求項２に記載のプラズマガン。
【請求項６】
前記複数のニュートロード・セグメントの各々が、３．５〜５．５ｍｍの軸方向厚さ、特に４〜５ｍｍの軸方向厚さ、より詳細には約４．５ｍｍの軸方向厚さを有する、請求項５に記載のプラズマガン。
【請求項７】
前記複数のニュートロード部分の各々が、７〜１２．５ｍｍの軸方向厚さ、特に８〜１１ｍｍの軸方向厚さ、より詳細には約９．３ｍｍの軸方向厚さを有する、請求項５に記載のプラズマガン。
【請求項８】
前記複数のニュートロード・セグメントの各々が、同じ軸方向厚さを有する、請求項５に記載のプラズマガン。
【請求項９】
前記電源が、２００Ｖより大きい電圧で、特に２５０Ｖ〜４００Ｖで、より詳細には約３００Ｖで動作する、請求項１に記載のプラズマガン。
【請求項１０】
前記電源が、７５ｋＷ〜１２５ｋＷの出力、特に９０ｋＷ〜１１０ｋＷの出力、より詳細には１００ｋＷの出力を供給する、請求項１に記載のプラズマガン。
【請求項１１】
前記電源が、５００Ａより低い電流、特に３００Ａ〜３７５Ａの範囲内の電流を有する前記カソード組立体と前記アノードの間のアークを発生させる、請求項１に記載のプラズマガン。
【請求項１２】
前記カソード組立体が、カソード絶縁体に配置された複数のカソード要素を有する、請求項１に記載のプラズマガン。
【請求項１３】
前記複数のカソード要素が、３つのカソードを有する、請求項１２に記載のプラズマガン。
【請求項１４】
前記複数のカソード要素が、互いに平行に、且つ前記チャネル穴の長手方向軸に平行に配置されている、請求項１２に記載のプラズマガン。
【請求項１５】
前記アノードに結合された粉末噴射機をさらに有する、請求項１に記載のプラズマガン。
【請求項１６】
前記少なくとも１種類のガスが、アルゴン、ヘリウム、又は窒素のうちの１つだけを含む、請求項１に記載のプラズマガン。
【請求項１７】
前記少なくとも１種類のガスが、アルゴン、ヘリウム、窒素、及び水素のうちの少なくとも２つの組み合わせを含む、請求項１に記載のプラズマガン。
【請求項１８】
基材上へ粉末を供給する方法であって、
３８ｍｍより大きい長さを有するチャネル穴を介してカソード組立体からアノードへ少なくとも１種類のガスを供給するステップと、
前記カソード組立体と前記アノードの間にアークを発生させるステップと
を含む方法。
【請求項１９】
前記アークが、２００Ｖより大きい電圧で、特に２５０Ｖ〜４００Ｖで、より詳細には約２７５Ｖ〜３１５Ｖで動作する電源で発生する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記チャネル穴が、軸方向に配列された複数のニュートロード・セグメントを含む延長カスケード・ニュートロードを通じて形成される、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連する出願の参照：該当なし
【０００２】
連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載：該当なし
【０００３】
コンパクトディスク付属物の参照：該当なし
【０００４】
本発明は、プラズマガンに関し、特に、基材上へ粉末を堆積するプラズマ溶射用の延長カスケード・プラズマガンに関する。
【背景技術】
【０００５】
プラズマガンの開発において、設計者及び技術者は、できる限り最低の電流を維持しつつ、高出力レベルを可能にするために可能な限り高いガン電圧を実現しようと追求してきた。従来のプラズマガンは、ガンの形状によって電圧性能が制限され、高電位の二次ガスを使用して電圧を増加させると共に高エンタルピーなどの他のプラズマ特性を増大させる。
【０００６】
プラズマガン内部のプラズマ・アークのカスケージングを拡大する能力は、カソードからアノードへのアーク回路を完成するための全電位によって制限される。従来のプラズマガンの経験に基づいて、電圧を増加させるためのノズル穴の延長及び変更は、ほとんど全く効果的でなく、それが機能した場合でも、ガン電圧の限られた改善が実現されただけである。始動中及び動作中のガスと電気アークの間の相互作用の性質に関しての明確な理解を欠くことは、この問題の解決策を明確に示す能力を制限した。同様の問題は、カスケード型プラズマガンのニュートロード・セグメントの延長に関して予期され、実験はほとんどなされなかった。
【０００７】
米国特許第５，４０６，０４６号明細書は、後部ニュートロード及び複数のニュートロード・セグメント、例えば、６つのセグメントによって形成されたニュートロードを有するカスケード・プラズマガンを開示する。さらに、このカスケード・プラズマガンは、３つのカソード要素を有するカソード組立体を含む。この文献の開示は、参照により本明細書にその全体として明確に組み込まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第５，４０６，０４６号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の各実施例は、従来のカスケード・プラズマガンより長い延長ニュートロード・スタックを有する延長されたカスケード・プラズマガンに向けられている。より長いニュートロード・スタックの結果として、従来のカスケード・プラズマガンにおけるものよりも高い電圧及び低い電流を有するより長いアークが、カソード組立体とアノードの間に発生する。
【００１０】
実施例では、チャネル穴内の層流状態の組み合わせが、クリーン・ガス・ストリームラインをもたらし、低い電流状態が、ガン内部の非常に長いアークの形成を促進する。各実施例による延長カスケード・プラズマガンの動作は、過度の電圧の必要なく、及び／又はニュートロード・セグメントがショートする可能性なく実現できる。
【００１１】
本発明の各実施例は、プラズマガンに向けられている。プラズマガンは、カソード組立体と、アノードと、後部ニュートロードと、カソード組立体とアノードの間のチャネル穴を画定するように後部ニュートロードに隣接して配置された延長ニュートロード（ｅｘｔｅｎｄｅｄ  ｎｅｕｔｒｏｄｅ）とを備える。この延長ニュートロードは、３８ｍｍより大きい長さを有する。プラズマガンは、チャネル穴へガスを供給するための少なくとも１つのガス入口と、電源とをやはり備えることができる。
【００１２】
各実施例によれば、延長ニュートロードは、延長ニュートロードの長さに沿って軸方向に配置された複数の円筒形ニュートロード・セグメントを含むことができる。プラズマガンは、複数の絶縁体を含むこともできる。少なくとも１つの絶縁体は、複数のニュートロード・セグメントの各々に隣接して配置することができる。少なくとも１つの絶縁体は、延長ニュートロードとアノードの間且つ延長ニュートロードと後部ニュートロードの間に配置することができる。また、複数のニュートロード・セグメントは、４〜１２個のニュートロード・セグメントを含むことができる。複数のニュートロード・セグメントは、３．５〜５．５ｍｍの軸方向厚さを有することができる。さらなる各実施例によれば、複数のニュートロード・セグメントの各々は、４〜５ｍｍの軸方向厚さ、特に約４．５ｍｍの軸方向厚さを有することができる。さらに他の実施例では、複数のニュートロード・セグメントの各々は、７〜１２．５ｍｍの軸方向厚さ、特に８〜１１ｍｍの軸方向厚さ、より詳細には約９．３ｍｍの軸方向厚さを有することができる。さらに、複数のニュートロード・セグメントの各々は、同じ軸方向厚さを有することができる。
【００１３】
本発明の他の実施例によれば、電源は、２００Ｖより大きいところで動作することができる。この電源は、７５ｋＷ〜１２５ｋＷの出力、特に９０ｋＷ〜１１０ｋＷの出力、及びより詳細には約１００ｋＷの出力を供給することができる。
【００１４】
さらに他の各実施例によれば、電源は、５００Ａより低い電流を有するカソード組立体とアノードの間のアークを発生させることができる。さらに、このアーク電流は、３００Ａ〜３７５Ａの範囲内とすることができる。
【００１５】
また、カソード組立体は、カソード絶縁体に配置された複数のカソード要素を備えることができる。実施例では、複数のカソード要素は、３つのカソードを備えることができる。さらに、複数のカソード要素は、互いに平行且つチャネル穴の長手方向軸に平行に配置できる。
【００１６】
さらなる各実施例によれば、プラズマガンは、アノードに結合された粉末噴射機を備えることもできる。
【００１７】
さらに他の各実施例によれば、少なくとも１種類のガスは、アルゴン、ヘリウム、又は窒素のうちの１つだけを含むことができる。
【００１８】
各実施例によれば、少なくとも１種類のガスは、アルゴン、ヘリウム、窒素、及び水素のうちの少なくとも２つの組み合わせを含む。
【００１９】
本発明の各実施例は、基材上へ粉末を供給する方法に向けられている。この方法は、３８ｍｍより大きい長さを有するチャネル穴を介してカソード組立体からアノードへ少なくとも１種類のガスを供給するステップと、カソード組立体とアノードの間のアークを発生させるステップとを含む。
【００２０】
他の各実施例によれば、アークは、２００Ｖより大きいところで動作する電源で発生することができる。さらに、この電源は、２５０Ｖ〜４００Ｖで動作する、特に２７５Ｖ〜３１５Ｖで動作することができる。
【００２１】
本発明のいっそうさらなる他の実施例によれば、チャネル穴は、複数の軸方向に配列されたニュートロード・セグメントを含むことができる延長カスケード・ニュートロード を通じて形成することができる。
【００２２】
他の例示的な実施例及び本発明の利点は、本開示及び添付図面を見直すことによって確認することができる。
【００２３】
本発明は、本発明の例示的な実施例の非限定な実例によって示した複数の図面を参照して以下の詳細な説明にさらに説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施例による延長カスケードを有するプラズマガンを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本明細書に示された事項は、実例によると共に、本発明の各実施例の例示的な説明のためだけのものであり、本発明の原理及び概念的態様の最も役立ち、容易に理解される説明であると考えらえるものを与えるために示される。これについては、本発明の基礎的な理解に必要であるよりもより詳細に本発明の構造的詳細を示す試みはされず、この説明は、図面と共に行われて、本発明のいくつかの形態が実際にどのように具体化され得るのか当業者に明らかにさせる。
【００２６】
図１に示されたプラズマ溶射装置は、カソード組立体１と、プラズマ・チャネル３によって隔てられたアノード２とを含み、これは、チャネル穴とも呼ばれるニュートロード組立体４のリング状内部によって定められる。
【００２７】
非限定の実例によれば、カソード組立体１は、複数のカソード５、例えば、３つのカソードを備えることができる。カソード５は、例えば、銅の基部をコーティングしているタングステンで形成することができ、複数のカソード５は、電気絶縁材料、例えば、窒化ホウ素又は他の適した絶縁材料によって形成されたハウジング６に配置することができる。非限定の実例によれば、アノード２は、環状の設計とすることができ、ニュートロード組立体４は、後部ニュートロード７と、隣り合うニュートロード５の間に配置された電気絶縁体９及びＯリング１０を有する複数のニュートロード・セグメント８’によって形成されたニュートロード・スタック８とによって形成することができる。このようにして、ニュートロード・セグメント８’は互いから電気的に絶縁され、ニュートロード・スタック８は気密性である。アノード２は、例えば、銅によって形成することができ、例えば、内部リング表面上にタングステン表面を含むことにできる。後部ニュートロード７及びニュートロード・セグメント８’は、銅から形成することができ、タングステンの裏張りを含むこともできる。絶縁体９は、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、又は他の適した材料によって形成することができる。
【００２８】
アノード２の内部リング表面及びニュートロード組立体４の内部リング表面は、カソード５からの電流がプラズマ・チャネル３を通じてアノード２へ及ぶように同軸に配置される。又は、複数のカソード５は、互いに平行且つアノード２及びニュートロード組立体４の同軸配列に平行に配置される。さらに、後部ニュートロード７及びニュートロード・スタック８は、冷却チャネル１１がニュートロード組立体４の周囲の周りに形成されるようにさらに配列される。また、ニュートロード組立体４は、絶縁されたニュートロード・ハウジング１５内に配置され、この絶縁されたニュートロード・ハウジング１５は、ホウ素、アルミニウム、又は他の適した材料によって形成することができる。冷却チャネル１１は、入口１２を通じて冷却水を受け取って、この冷却水をニュートロード組立体４を通じてアノード２の中に供給する。次いで、冷却水は、戻りチャネル１１’を通じてそれぞれの出口へ供給される。非限定の実例によれば、この装置は、カソード５ごとに冷却水出口を備えることができる。例示の実施例では、出口１３及び１４だけが示されているが、追加の出口がカソードごとにそれぞれ与えられることが理解される。噴射ホルダ１６は、アノード２の周りに配置され、ノズル・ナット（図示せず）によって所定の位置に保持することができる。噴射ホルダ１６は、アノード２から放出されたプラズマに粉末を供給するための複数の粉末出口１６を備える。
【００２９】
最も知られているカスケードガンは、アノードへ点火するとアークをカスケードする６つ又は７つ以下のニュートロード・セグメントを使用する。知られたカスケードガンの全長を越えるニュートロード・スタックの全長を増大させることによって、発明者らは、増加した開回路電位が実現でき、またアークがニュートラル・セグメントの壁をまたぐ可能性が実質的になくなることを確実にするように実施例を設計した。
【００３０】
従来のカスケード・プラズマガンでは、個々のニュートロード・セグメントは、一般に、軸方向に約４．５ｍｍ（０．１７７インチ）の厚さを有し、及び従来のスタックの全長は、約１５〜３５ｍｍである。本発明の実施例では、個々のニュートロード・セグメントは、３．５〜５．５ｍｍ、特に４〜５ｍｍの厚さを（軸方向に）有することができる。非限定の実例では、ニュートロード・セグメントの厚さは、４．５ｍｍとすることができる。したがって、本発明の各実施例は、従来のプラズマガンのニュートロード・セグメントの同様の厚さを有するニュートロード・セグメントを利用するが、従来のガンとは対照的に、本発明の各実施例は、上記の従来のスタックより大きい、特に３８ｍｍより大きい長さを有するニュートロード・スタック８を利用し、実施例では、ニュートロード・スタック８の長さは、４０〜７０ｍｍ、特に５０〜６５ｍｍとすることができる。非限定の実例では、ニュートロード・スタックの長さは、５６ｍｍとすることができる。また、いっそうより長い長さのニュートロード・スタックが、改善された電源の使用によって、本発明の実施例の精神及び範囲から逸脱することなく実現することができることを理解されたい。
【００３１】
特定の実施例では、ニュートロード・スタック８は、所望のスタック長さを実現するために、少なくとも６つのニュートロード・セグメント、特に８つ以上のニュートロード・セグメント８’を備えることができる。また、非限定の実例では、ニュートロード・スタック８は、少なくとも１０ニュートロード・セグメント８’を備えることができる。
【００３２】
他の実施例では、ニュートロード・セグメント８’は、従来のカスケード・プラズマガンにおけるものより大きい厚さで形成することができる。非限定の実例によれば、ニュートロード・セグメント８’は、従来のニュートロード・セグメントの厚さの約２倍の厚さ、約７ｍｍ〜１２．５ｍｍ、特に約８〜１１ｍｍで形成することができる。非限定の実例では、ニュートロード・セグメントの厚さは９．３ｍｍ（０．３６６インチ）とすることができる。本実施例のより厚いニュートロード・セグメント８’が、上記の従来のプラズマガンに相当する長さを有するニュートロード・スタックを形成するように配置されてもよいが、各実施例によれば、ニュートロード・スタック８は、少なくとも３８ｍｍの所望の延長スタック長さ、特に４０〜７０ｍｍのスタック長さ、より詳細には５０〜６５ｍｍのスタック長さ、及び非限定の実例によれば、少なくとも５６ｍｍのスタック長さを実現するために、例えば、４〜６つのニュートロード・セグメント８’で形成することができる。これらの実施例は、ニュートロード・スタックが（従来のニュートロード・スタックに比べて）より厚いニュートロード・セグメントで形成されるとき、セグメント同士を隔てるＯリングによるショートがかなり減少するということが分かっているという点で有利であり得る。
【００３３】
知られているように、プラズマ・ガスは、カソード組立体１の領域からニュートロード組立体４を通じて供給される。プラズマ・ガスを点火するために、電源は、ガスを電離するのに十分な電位でカソード５とアノード２の間に接続されて、複数のカソード５の各々からニュートロード４を通じてアノード２へ至る経路を与える。各実施例によるニュートロード・スタック８が、従来のカスケード・プラズマガンにおけるものより長く設計されるとき、より長いアークが、カソード５からアノード２まで要求される。しかし、より長いアークを必要とするにもかかわらず、本発明のプラズマ溶射装置の各実施例のために従来のカスケード・プラズマガンにおけるのと同じ出力が求められる。より長いアークを補償するために、電圧及び電流のレベルは、同じ出力を実現するように調整される。実施例では、出力は、７５ｋＷ〜１２５ｋＷ、特に９０ｋＷ〜１１０ｋＷ、及びより詳細には約１００ｋＷとすることができる。より長いアークの発生を容易にするために、実施例では、プラズマ・ガスは、例えば、アルゴン、ヘリウム、又は窒素のうちの１つとすることができ、或いは、アルゴン、ヘリウム、窒素、及び水素のうちの何れか２つの組み合わせとすることができる。
【００３４】
各実施例によれば、延長カスケード・ニュートロード・スタック８を備えたプラズマガンは、チャネル穴内で層流条件を実現する。２００Ｖより大きい動作、特に２５０Ｖ〜４００Ｖの動作、より詳細には２７５Ｖ〜３１５Ｖの動作、及び非限定の実例において約３００Ｖの動作を可能にする電源の場合、延長カスケード・ニュートロード・スタックの各実施例は、従来のガンにおけるよりも多くのニュートロード・セグメント、例えば、従来のカスケード・ニュートロード・スタックにおけるものよりも多い追加の２〜６つのニュートロード・セグメントを有して形成することができる。結果として、本発明の各実施例は、同じ動作出力パラメータで、（６つのニュートロード・セグメントを伴う）標準的な長さのカスケード・ニュートロード・スタックと比較して同等のガン電圧の増加により、ガンの点火及び通常動作を可能にする。８〜１２個のニュートロード・セグメント、特に１０個のニュートロード・セグメントの延長カスケード・ニュートロード・スタックの場合、ガンは、一時ガスとしてアルゴンを用い、二次ガスがないときに、標準的な長さのカスケード・ニュートロード・スタックにわたって、さらなる４０〜１００Ｖ、特に約６０Ｖで点火及び動作することができる。本各実施例による延長カスケード・ニュートロード・スタックでは、電源の電圧制限は、一次ガスの流れが増加し、又はヘリウムなどの二次ガスが使用されて電圧をブーストするときに、素早く到達し得る。
【００３５】
電圧増加の結果として、所望の出力レベルを実現するために必要なアンペア数が実質的に減少する。これは、有利なことに、ハードウェアの寿命の増加を直接もたらす。従来のカスケード・プラズマガンは、２００Ｖで動作する電源を一般的に使用するので、５００アンペアの電流が、カソードからアノードへ発生し得る。より長いアークを発生させるために、本発明の各実施例は、２００Ｖより大きいところで、特に２５０Ｖ〜４００Ｖで動作する電源、より詳細には２７５Ｖ〜３１５Ｖ、非限定の実例によれば約３００Ｖで動作する電源を利用し、これにより５００Ａより少ない発生電流の減少になる。特に、この発生電流は、２００Ａ〜４２５Ａ、特に３００Ａ〜３７５Ａであり得る（例えば、非限定の実例によれば、発生電流は約３３３Ａであり得る）。また、発明者らは、基材上に粉末を堆積するプラズマ溶射に関しては、電流及び電圧が交換できること、すなわち、出力が電圧又は電流によって発生するかどうか粉末は問題にしないことを見出した。したがって、実施例では、高電圧電源の使用によって電流がかなり減少するが、粉末の分布及びコーティングの減少はない。
【００３６】
前述の実例は、説明のために与えられたものに過ぎず、本発明の限定として少しも解釈されるべきではないことに留意されたい。本発明は、例示的な実施例を参照して説明されてきたが、本明細書に使用された語は、限定の語ではなく、説明及び例示の語であると理解される。現在述べる時に及び補正時に、本発明の態様における本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、添付の特許請求の範囲の範囲内で変更がなされてもよい。本発明は、特定の手段、材料、及び実施例を参照して本明細書に説明されてきたが、本発明は、本明細書に開示された特定のものに限定されることが意図されているのではなく、むしろ本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲内にあるような機能的に均等な構造、方法、及び使用の全てに及ぶ。
【図１】
2015513764.tif 000003
【国際調査報告】
2015513764.tif 000004