(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
接触始動システムを使用するプラズマアークトーチのためのノズルであって、
全体的に円筒状の中空ノズル部材にして、該中空ノズル内部に間隔を置いて配置される電極を受ける開放端部と、中央にオリフィスを配置し実質的に閉じた閉鎖端部と、半径方向に伸延するフランジを有する外側表面とを含む中空ノズル部材と、
前記外側表面に沿って配置したバネ要素にして、前記フランジと接触することにより前記ノズル部材を、該ノズル部材の開放端部及び閉鎖端部を貫いて伸延する長手方向軸線に沿って弾性的にバイアスさせる第１の端部を有し、該第１の端部によるバイアスが、該バネ要素の第２の端部が隣り合う構造部分に接触し該構造部分に抗して配置される際に生じるバネ要素と、
を含み、
始動時において、前記電極が前記実質的に閉じた閉鎖端部と当接するように配置され、前記開放端部と電極との間に形成されたプラズマチャンバが加圧されることにより前記ノズルが前記長手方向軸線に沿って移動されるノズル。
【請求項２】
バネ要素が、ノズルの外側表面の一部分に沿ってノズルの直径位置で締まり嵌めすることにより、ノズルの外側表面に取り付けられる請求項１のノズル。
【請求項３】
中空ノズル部材のフランジが変形自在のリップを含み、バネ要素が、該バネ要素の端部に沿って前記リップを可塑変形させることにより前記ノズルの外側表面に沿って捕捉される請求項１のノズル。
【請求項４】
ノズルが、ノズルの外側表面に沿って配置した保持カラーを更に含み、該保持カラーが半径方向に伸延するフランジを有し、バネ要素が該保持カラーのフランジとノズルのフランジとの間に捕捉される請求項１のノズル。
【請求項５】
保持カラーが、ノズルの外側表面の少なくとも一部分に沿って直径位置で締まり嵌めする事によりノズルの外側表面に取り付けられる請求項４のノズル。
【請求項６】
バネ要素が、波形バネワッシャ、指付きバネワッシャ、湾曲バネワッシャ、螺旋圧縮バネ、平ワイヤ圧縮バネ、長孔付き切頭円錐形ディスクから成る群から選択される請求項１のノズル。
【請求項７】
接触始動システムを使用するプラズマアークトーチのための保持キャップであって、
第１の端部と、第２の端部と、内側表面とを有する中空部分と、
該中空部分内に配置され、前記保持キャップの長手方向軸線に沿って該保持キャップ内部に配置したノズルを弾性的にバイアスさせるバネ要素とを含み、
前記ノズルが、内部に間隔を置いて配置される電極を受ける開放端部と、中央にオリフィスを配置し実質的に閉じた閉鎖端部とを有し、
前記長手方向軸線が、前記第１の端部及び第２の端部を貫いて伸延し、前記バネ要素が、保持キャップに取り付けられて該保持キャップとのアセンブリを構成し、
始動時において、前記電極が前記実質的に閉じた閉鎖端部と当接するように配置され、前記開放端部と電極との間に形成されたプラズマチャンバが加圧されることにより、前記ノズルが前記長手方向軸線に沿って移動される保持キャップ。
【請求項８】
保持キャップが、シェルと、該シェルと同中心的にシェル内に配置した予備負荷リングから構成され、バネ要素が前記予備負荷リングと一体である請求項７の保持キャップ。
【請求項９】
バネ要素が、波形バネワッシャ、指付きバネワッシャ、湾曲バネワッシャ、螺旋圧縮バネ、平ワイヤ圧縮バネ、長孔付き切頭円錐形ディスクから成る群から選択される請求項７の保持キャップ。
【請求項１０】
接触始動システムを使用するプラズマアークトーチのためのノズルであって、
全体的に円筒状の中空ノズル部材にして、該中空ノズル内部に間隔を置いて配置される電極を受ける開放端部と、中央にオリフィスを配置し実質的に閉じた閉鎖端部と、外側表面にして、バネ要素と接触し、前記開放端部及び閉鎖端部を貫いて伸延する長手方向軸線に沿って前記中空ノズル部材をバイアスさせるための第１のフランジあるいは段部と、前記トーチ内に組み込まれた場合に前記長手方向軸線に沿っての中空ノズル部材の移動を制限するための第２のフランジあるいは段部とを含む外側表面と、を含む中空ノズル部材と、
前記外側表面に沿って配置されたバネ要素にして、該バネ要素の第２の端部が隣り合う構造部分に抗して更に配置された場合に前記第１のフランジと接触する第１の端部を有し、前記ノズル部材に取り付けられて該ノズル部材とのアセンブリを構成するバネ要素と、
を含み、
始動時において、前記電極が前記実質的に閉じた閉鎖端部と当接するように配置され、前記開放端部と電極との間に形成されたプラズマチャンバが加圧されることにより前記ノズルが前記長手方向軸線に沿って移動されるノズル。
【請求項１１】
接触始動システムを使用するプラズマアークトーチのための全体的に円筒状の中空ノズル部材であって、
該中空ノズル内部に間隔を置いて配置される電極を受ける開放端部と、中央にオリフィスを配置した実質的に閉じた閉鎖端部と、
バネ要素を維持するための変形自在のリップを有し且つ半径方向に伸延するフランジあるいは段部を含む外側表面と、
を含み、
始動時において、前記電極が前記実質的に閉じた閉鎖端部と当接するように配置され、前記開放端部と電極との間に形成されたプラズマチャンバが加圧されることにより前記ノズルが前記長手方向軸線に沿って移動される中空ノズル部材。
【発明の詳細な説明】
（発明の分野）
本発明はプラズマアークトーチ及びその作動方法に関し、詳しくは、プラズマアークトーチ及び、電極と、弾性的にバイアスされた変換ノズルあるいは旋回リングとを用いる接触始動システムを使用する方法に関する。
（発明の背景）
プラズマアークトーチは金属材料を切断するために広範囲に使用されている。プラズマアークトーチは一般に、トーチ胴部と、この胴部内に取り付けた電極と、中央出口オリフィスを有するノズルと、電気的接続部と、冷却用流体及びアーク制御用流体のための流路と、流体の流れ模様を制御するための旋回リングと、電源とを含んでいる。トーチは、高温且つ高運動量のプラズマガスのイオンジェットを絞ったプラズマアークを創出する。トーチで使用するガスは非反応性（例えばアルゴンあるいは窒素）あるいは反応性（例えば酸素あるいは空気）のものとすることができる。
運転に際し、電極（陰極）及びノズル（陽極）間に、先ずパイロットアークを発生させる。パイロットアークはノズル出口オリフィスを通して送られるガスをイオン化する。イオン化されたガスが電極及び工作物間の電気抵抗を減じそれにより、アークがノズルから工作物に移行する。トーチはこの、電極から工作物に向かうイオン化されたガスの導電流れを特徴とする移行プラズマアークモード下に運転され、工作物を切断する。
一般に、パイロットアークを発生させるために広く使用される技法には２つのものがある。その一つは高周波数且つ高電圧の（ＨＦＨＶ）信号をＤＣ電源及びトーチにカップリングするものである。ＨＦＨＶ信号は電源と関連するゼネレータにより提供されるのが一般的である。ＨＦＨＶ信号には、電極とノズルとの間を流れるプラズマガス中のスパーク放電が含まれ、この放電が電流路を提供する。パイロットアークは電極とノズルとの間に、この電極及びノズルを横断する電圧を伴いつつ形成される。
パイロットアーク発生のための他の技法は接触始動法として知られるものである。接触始動法は、高周波数設備が不要であるために安価であり且つ電磁干渉を起こさない点で有益性がある。接触始動の１形態においては、工作物の電気的接続部内に電極が手動で配置される。次いで、電極から工作物に電流を流し、電極を工作物から手動で後退させることによりアークが発生される。
トーチを工作物に打ち当ててアークを発生させる必要をなくし、トーチのもろい部品の損傷を回避する改良プラズマアークトーチシステムが開発された。そうした改良システムの１つは米国特許第４，７９１，２６８号に記載される。要約すると、この米国特許の改良トーチシステムは、可動電極と不動ノズルとを有し、初期状態でこの不動ノズルが電極に連結したバネにより電極と接触し、ノズルオリフィスを塞ぐというものである。トーチを始動させるには電極とノズルとに電流を流し、一方で、電極と、ノズルと、旋回リングとにより確定されるプラズマチャンバにプラズマガスを供給する。プラズマチャンバ内のガス圧がバネ力を上回る程に蓄積すると電極がノズルから分離され、その間部分に低エネルギーのパイロットアークが生じ、かくして接触始動が達成される。次いで、ノズルを工作物に近接させるとアークが工作物に移行し、制御回路が、工作物をプロセス処理するために十分なエネルギーを提供するべく電気的パラメータを増大させる。この設計の下に製造されるプラズマアークトーチシステムは、商工業用途上幅広く受け入れられている。
プラズマアークトーチ運転中、電極温度が著しく上昇することがある。可動電極を使用するトーチシステムでは、電極と隣接構造部分との間に滑り嵌めのための間隙を維持する必要がある関係上、電極の熱を隣接する構造部分に受動的に伝導させることによる電極冷却性は低下する。そうした間隙は、ねじ接合部あるいは締まり嵌めを使用する設計の固定電極に対し、伝熱効率を低下させる。従って、米国特許第４，９０２，８７１号に記載するような能動冷却配列構成が開発された。この配列構成では、電極に、拡開肩部を確定する螺旋状のガス流路が形成される。冷たく且つ加速されたガス流れに対して露呈される電極表面積が増大されることにより、電極の有効寿命の延長と、伝熱効率の向上とが実現された。
既知の接触始動システムは目的通り機能するものの、運転条件に対処するための、改良のための追加的表面積が認められる。例えば、既知の接触始動システムでは電極が、電極とノズルとをシール状態に物理的に密着させるバネにより部分的に支持され、そうしたシール状態が、プラズマチャンバの圧力がバネのバイアス負荷に打ち勝つまで維持される。機械及び或は熱疲労が繰り返されることによりバネが劣化するとバネレートが変化しあるいはバネが不良化し、結局、パイロットアークを発生させるのが困難となり、付随してトーチ始動上の信頼性も低下する。従って、バネを定期的に交換する必要があるが、トーチ胴部内での取り付け位置の関係上、電極やノズルといったルーチン的消耗品を交換する以上の追加的な分解作業が必要となる。代表的には、トーチの正しい組立を保証するための特別の試験フィクスチャも必要となる。加えて、トーチの補修あるいはメンテナンス中、別個の構成部品であるバネは外れたりあるいはなくなってしまうこともある。バネなしのままで、あるいはバネの取り付け位置を間違えたままトーチ胴部を組み立てると、パイロットアークを発生させる以前のトーチの始動あるいはそれ以降の運転は困難となる。
更には、電極及び近接する構造部分との摺接部分は、この部分はピストン／シリンダアセンブリとして特徴付けられるが、汚損による摩損や結着を生じ得る。こうした表面は、ホース及び関連する配管を通してエアコンプレッサにより供給される加圧ガス中に一般的に含まれる埃、グリース、オイルその他の異物に弱い。これらの汚染物質はトーチの無故障作動期間を短縮し、清掃あるいは補修のための定期的分解を必要化する。従って、可動部品や嵌め合い表面を、それらがトーチの始動上の信頼性を損なわせる前に、ルーチン的に且つ容易に交換するのが望ましい。
従って、現状のそれを上回る、プラズマアークトーチ接触始動のための構成を提供することに対する需要がある。
（発明の概要）
本発明によれば、様々の商工業用途、例えば、これに限定するわけではないが、金属工作物の切削及びマーキングのみならず、プラズマスプレーコーティングといった用途に使用することのできる改良接触始動プラズマアークトーチ及び方法が提供される。本発明の装置には、電極を固定取り付けしたトーチ胴部が含まれる。変換ノズルを電極と同中心に取り付け、その間部分にプラズマチャンバを形成する。変換ノズルはバネ要素により弾性的にバイアスされ、電極と接触する。トーチ胴部には変換ノズルを捕捉し且つ位置決めする保持キャップを取り付ける。１実施例ではバネ要素は別個の部品であり、変換ノズルを挿入後且つ保持キャップに取り付ける前にトーチに組み込まれる。別の実施例ではバネ要素は変換ノズルに取り付けられ一体部品化される。これは、バネ要素がアセンブリとして交換され、ユーザはそれ以上分解することができないことを意味する。更に別の実施例では電極と変換ノズルとが共に、変換自在にセグメント化した旋回リングと組み合わせた状態で固定取り付けされる。旋回リングの導電性部分がバネ要素によって電極と接触する状態にバイアスされる。バネ要素は別個の部品でありあるいは変換ノズル、保持キャップあるいは旋回リングの何れかと一体化され得る。バネ要素はこれに限定するわけではないが、波形バネワッシャ、指付きバネワッシャ、湾曲バネワッシャ、螺旋圧縮バネ、平ワイヤ圧縮バネあるいは穴あき円錐ディスクを含む様々な形状のものの何れかとすることができる。
本発明の方法によれば、組立状態でのバネ要素により、移動部品を固定電極との接触状態にバイアスさせ、電極及び移動部品を通して電流を提供し、次いでバネ要素のバイアス力に打ち勝つに十分な流量及び圧力を有するガスをプラズマチャンバに提供し、移動部品を電極から離間させるに際してのパイロットアーク条件を生じさせる。次いで、金属工作物を所望に応じて引き続きプロセス処理するために、金属工作物に従来様式でアークを移行させる。
本発明に従う構造及び方法を採用することにより幾つかの利益が生じることがわかった。例えば、切削及びマーキング用途において、本発明によれば、より信頼性のあるプラズマトーチ接触始動が提供される。従来設計の、可動電極及び固定ノズルを使用するものでは、プランジャや、電気絶縁用のプランジャハウジングといった、追加的な可動部材及び嵌め合い表面がしばしば使用されるが、こうした部品は工場内でプラズマトーチに予め組み込まれ、トーチの、おそらくは数年間である有効寿命の間、現場で保守管理されるようには設計されていない。そうした部品は極限温度間での急速な周期的移動及び機械的衝撃の反復を含む厳しい運転条件を受ける上に、多くの場合、トーチ作動液は圧縮空気であり、その品質はしばしば低い。オイルミスト、凝縮水分、埃、エアコンプレッサあるいは圧縮空気送達ラインからのゴミのみならず、切削によって生ずる金属蒸気やトーチの消耗部品交換時にオペレータの手から付くグリースといったもののすべてが、トーチに恒久的に組み付けされた円滑な支承面を汚染する。こうした汚染物質は時間の経過と共に、パイロットアークの信頼性ある接触始動を保証するために必要な部品の自由運動に悪影響を与える。それらの部品の動きは徐々に鈍くなり、結局は結着して停止し、トーチの始動に失敗することとなる。多くのトーチが、こうした、現場運転条件の制御不能な変動によって早期に故障する。トーチの故障は、相対運動部品の表面品質の劣化をその直接の原因とするものである。本発明の重要な利益の１つは、使用する可動部品及び嵌め合い表面が、トーチの消耗部品としてルーチン的に交換されることである。このように、トーチ接触始動システムの臨界的構成部品は定期的に交換され、かくしてトーチ性能は高レベルに維持される。
本発明によれば、高温の電極をより効率的に冷却するために、そうした高温の電極からの伝導熱伝達もまた増長される。可動電極を有する従来の接触始動システムでは、電極を嵌め合い部品に関して自由移動させる必要があるために、電極と近接する構造部分との間に間隙を設ける必要があるが、これにより、電極から近接する構造部分への受動的伝熱量には限界が生じる。本発明によれば、プラズマトーチにおいて熱適応力を最も受ける構成部品である電極は、有効なヒートシンクとして作用する隣接構造部分に密着固定される。隣接構造部分に密着させることにより、界面での熱抵抗性がかなり低減され、電極の伝導冷却効果が増大する。その結果、良好に冷却された電極の有効寿命が、同様の運転条件下での従来の電極のそれよりもずっと長くなる。
【図面の簡単な説明】
図１Ａは、作用端部を部分破除した断面で示す、本発明の第１実施例に従う、非賦活モードでのプラズマアークトーチの概略図である。
図１Ｂは、パイロットアークモードでの図１Ａのプラズマアークトーチの概略図である。
図２Ａは、本発明の第１実施例に従うプラズマアークトーチの、一体化したバネ要素を有するノズルの概略側面図である。
図２Ｂは、予備負荷組立状態での図１Ａのプラズマアークトーチのノズルの概略側面図である。
図２Ｃは、加圧組立状態での図１Ｂ野プラズマアークトーチのノズルの概略側面図である。
図３Ａは、本発明の別の実施例に従う、一体化したバネ要素を有するノズルの部分組立状態での概略側面図である。
図３Ｂは、組立完了後における図３Ａのノズルの概略側面図である。
図４Ａは、本発明の更に別の実施例における、非賦活モードでのプラズマアークトーチ作用端部の部分破除した概略側面図である。
図４Ｂは、パイロットアークモードでの図４Ａのプラズマアークトーチ作用端部の部分破除した概略側面図である。
図４Ｃは、プラズマアークトーチに組み込む以前における、図４Ａのプラズマアークトーチの保持キャップの部分破除した概略側面図である。
図５Ａは、本発明の実施例に従う例示的なバネ要素の各平面及び側面図である。
図５Ｂは、本発明の実施例に従う他の例示的なバネ要素の各平面及び側面図である。
図５Ｃは、本発明の実施例に従う他の例示的なバネ要素の各平面及び側面図である。
図５Ｄは、本発明の実施例に従う他の例示的なバネ要素の各平面及び側面図である。
図５Ｅは、本発明の実施例に従う他の例示的なバネ要素の各平面及び側面図である。
図５Ｆは、本発明の実施例に従う他の例示的なバネ要素の各平面及び側面図である。
図６Ａは、本発明の更に別の実施例に従う、非賦活モードでのプラズマアークトーチ作用端部の部分破除した概略側面図である。
図６Ｂは、パイロットアークモードでの図６Ａのプラズマアークトーチ作用端部の部分破除した概略側面図である。
図７は、本発明の更に別の実施例に従う、一体化したバネ要素を有するノズルの概略側面図である。
図８Ａは、本発明の追加的な実施例に従う、非賦活モードでのプラズマアークトーチ作用端部の概略側面図である。
図８Ｂは、パイロットアークモードでの、図８Ａのプラズマアークトーチ作用端部の概略側面図である。
図９Ａは、本発明の更に別の実施例に従う、非賦活モードでのプラズマアークトーチ作用端部の部分破除した概略側面図である。
図９Ｂは、パイロットアークモードでの図９Ａのプラズマアークトーチ作用端部の部分破除した概略側面図である。
（詳細な説明）
図１Ａには本発明の第１実施例に従う、非賦活モードでのデュアルフロー型のプラズマアークトーチ１０（以下、単にトーチ１０とも称する）の作用端部の部分破除した概略側面図が示される。ここで、“非賦活”とは、プラズマチャンバを加圧する以前でのトーチ構成部品の状態を意味するものとする。この状態はまた、非通電状態での組立状況をも意味する。トーチ１０は、全体的に円筒状の胴部１６と、胴部１６及びトーチ１０を通して中央を伸延する長手方向軸線１４に沿って固定取り付けした電極１２とを含む。特に断りのない限り、トーチ１０の各構成部品は長手方向の対称軸線をそれぞれ有し、トーチ１０の長手方向軸線１４に沿って全体的に共直線的に組み立てられる。電極１１２はトーチ胴部１６から電気的に絶縁され、トーチ胴部１６は、手で操向する工作物プロセス処理のためのハンドグリップとして、あるいは自動化されコンピュータ制御される切削あるいはマーキングシステムで使用するための取り付け構造部分として作用する。
ノズル１８が、長手方向軸線１４と実質的に共直線的に且つ電極１２と接触して配置され、所定の制限回数内で長手方向軸線１４に沿って移動自在とされる。ノズル１８は３つの構成部品、即ち、全体的に円筒状の中空部材２０と、バネ要素２６と、保持カラー２８とからなる一体化アセンブリとして製造される。全体的に円筒状の中空部材２０は、電極１２を受ける開放端部と、トーチ運転中に高エネルギープラズマを放電するための、オリフィス２２を中央に配した閉鎖端部とを有する。中空部材２０の外側には、半径方向に伸延してバネ要素２６のための反作用面を形成するフランジ２４が形成される。図５Ａ〜図５Ｆを参照して詳細を以下に説明するように、様々な形状のバネを利用して中空部材２０を電極１２と接触する方向に所望通りにバイアスさせることができる。ノズル１８は、外側にフランジ３０を配した保持カラー２８を含む。保持カラー２８はノズル１８の一体化アセンブリの一部として、トーチ１０内の中空部材２０の横断方向移動を制限し、フランジ３０によりバネ要素２６を捕捉する機能を奏する。保持カラー２８は、直径位置での締まり嵌めその他の従来方法、例えば機械的ねじ込み、熱的ブレージング等により中空部材２０の外側部分に取り付けることができる。
ノズル１８は保持キャップ３２によりトーチ１０内に固定される。保持キャップ３２は、ねじ込みその他の、トーチ１０の分解及び消耗部品交換を容易化する従来の接続方法を介してトーチ胴部１６に取り付けることができる。保持キャップ３２には、中空の、切頭円錐形状の外側シェル３４と、この外側シェル３４内に同中心に配置した環状の予備負荷リング３６とを含む。環状の予備負荷リング３６はノズル１８を周回し、内側には長手方向に配置された段部３８を含んでいる。段部３８はバネ要素２６と接触してバネ要素を追加的に圧縮しあるいは組み立て状態において予備負荷を与える。
ノズル１８の内部構造は、電極１２を近接状態に配置した場合に、その間部分にプラズマチャンバ４０を形成する半径方向間隙が提供されるように寸法付けられる。プラズマチャンバ４０と流体連通する加圧ガスの制御された供給源（図示せず）から、工作物をプロセス処理するための高エネルギープラズマに変換されるべき要求ガスが提供される。プラズマチャンバ４０内の加圧ガスはバネ要素２６のバイアス力に抗しても作用し、図１Ｂに示すように、パイロットアーク始動中にノズル１８を電極１２に関して移動させる。
トーチ１０を始動するために、電極１２及び電極に接触するノズル１８を図１Ａに示すように直列的に通過する低レベルの電流が提供される。次いで、バネ要素２６のバイアス力に打ち勝つに十分な流量及び圧力でプラズマチャンバ４０にガスが提供され、電極１２及びノズル１８を分離させるとパイロットアーク状況が発生する。このデュアルフロー型のトーチ１０ではガスは、シェル３４の内側で且つノズルの中空部材２０の近接する外側表面と予備負荷リング３６との間に配置した環状部分４１にも提供される。図１Ｂに示すように、ノズル１８は下方に移動され、電極１２に関して軸線方向及び半径方向の間隙を提供する。ノズル１８の下方への移動は保持カラー２８のフランジ３０が予備負荷リング３６の長手方向の第２段部４２と接触することにより制限される。ノズル１８はトーチ１０の、パイロットアークモード及び移行アークモードでの運転中はこのバイアス状態に維持される。トーチシャットダウンに際し、プラズマチャンバ４０及び環状部分４１へのガス流れが停止される。プラズマチャンバ４０内の圧力が減少するに従い、バネ要素のバイアス力が勝るようになるとノズル１８が上昇し、電極１２と接触する状態となる。
信頼性のあるパイロットアーク始動を容易化するために、バネ要素２を電気導伝性とし、非酸化性とし、また、ノズル移動中にはノズルのフランジ２４及び予備負荷リング３６との密着状態を保つようにするのが望ましい。低抵抗の電気通路を提供することによりバネ要素２６が、フランジ２４と予備負荷リング３６との各摺動面間の、迷走放電により発生し摺動摩擦を増大するマイクロアーキングを実質的に排除する。
図２Ａから図２Ｃには、３つの各状態、即ち、トーチ１０内に挿入する前の一体化アセンブリとしての状態、トーチ１０に挿入後の、しかしプラズマチャンバ４０の加圧前での予備負荷状態、トーチ１０に挿入後、引き続きプラズマチャンバ４０を加圧する状態、での各ノズル１８状況が例示される。まず図２Ａを参照するに、一体化部品の製造初期段階において、バネ要素の端部をフランジ２４及び３０に確実に正しく座着させるために、バネ要素２６を若干押圧するのが好ましい。そうすることによりバネ要素２６はこれらのフランジ２４、３０位置で軸線方向に捕捉される。バネ要素２６は概略的に例示されており、単一のバイアス要素あるいは、類似のあるいは類似しない複数の積層要素が含まれ得る。図２Ｂに示すようにトーチ１０内に組み込んだ後、バネ要素２６は予備負荷リング３６の段部３８により更に強く押圧される。段部３８の相対寸法を変化させることにより、ノズル１８を電極１２から分離させるための予備負荷が変化し、付随してプラズマチャンバ４０内での要求圧力が変化され得る。フランジ３０と予備負荷リング３６との間の長手方向の間隙がノズル１８の横断方向移動を制限する。この間隙が、プラズマチャンバ４０を加圧するに際しての電極１２とノズル１８との間のギャップを決定する。間隙寸法は、電極１２とノズル１８との間に、安定したパイロットアークが形成される十分なギャップを提供するがしかし、電極１２及びノズル１８間のギャップが広がり過ぎ、電源の提供する入手し得る解放回路電圧がパイロットアークを維持するために不適当になるほどではない大きさとするべきである。代表的なノズル移動範囲は、トーチのアンペア定格に基づき、約０．０１０ｉｎ（約０．２５４ｍｍ）及び約０．１００ｉｎ（約２．５４ｍｍ）の間である。例えば、２０アンペアトーチではノズルの公称移動量は約０．０１５ｉｎ（約０．３８１ｍｍ）であり、１００アンペアトーチでのそれは約０．０６５ｉｎ（約１．６５１ｍｍ）である。もっと高電流のトーチではノズルの公称移動量は代表的には更に大きくなる。図２Ｃにはノズル１８が移動限界位置にあり、フランジ３０が予備負荷リング３６に接触する状態でのトーチ運転中のノズル１８及び予備荷リング３６の相対位置が示される。
例えば、バネレートが４８ポンド／ｉｎ（約８．５７ｋｇ／ｃｍ）、自由長さが０．１８０ｉｎ（約４．５７ｍｍ）のバネ要素２６に対しては、組立状態のトーチ１０内での代表的な予備負荷状態の長さは０．１３０ｉｎ（約３．３０ｍｍ）であり、予備負荷力は約２．４０ポンド（約１．０９ｋｇ）に相当する。約０．０１５ｉｎ（約０．３８１ｍｍ）と等しいノズル移動に対しては、ノズル全移動時のバネ要素２６の長さは約０．１１５ｉｎ（約２．９２ｍｍ）であり、相当する予備負荷力は約３．１２ポンド（約１．４２ｋｇ）となる。直径約０．４４０ｉｎ（約１．１２ｃｍ）、断面積約０．１５２平方ｉｎ（約０．９８平方ｃｍ）のノズルの場合、プラズマチャンバ４０を約４０ｐｓｉｇ（ゲージ圧での約２．８１kg/cm2）に加圧した場合の空気圧は約６．０８ポンド（約２．７６ｋｇ）、即ち、バネ力に打ち勝つに要する力であるところの３．１２ポンド（約１．４２ｋｇ）のほぼ倍となる。従って、ノズル１８は接触始動中は信頼下に移動し、トーチ運転中は全移動状態に維持される。
ノズル１８を、ノズルの中空部材２０及びバネ要素２６の一体化アセンブリとして作成することにより、ノズル１８交換時には常にバネ要素２６が交換及び更新されることが保証される。従って、始動システムの信頼性がバネ要素２６の熱的あるいは機械的劣化により影響されることがなくなり、バネ要素２６無しでのトーチ１０の誤組立もなくせる。
バネ要素２６を、一体化アセンブリとしてのノズル１８の一部として維持するためのその他の方法を以下に説明する。例えば、バネ要素２６をフランジ２４及び３０間で軸方向に捕捉するのに代えて、バネ要素２６の一端を図３Ａ及び図３Ｂに示すように取り付けることができる。先ず図３Ａを参照するに、ノズル１１８の外側部分には半径方向に伸延するフランジ１２４が含まれ、このフランジ１２４が、バネ要素２６のための保持及び反応の各表面を共に形成する。組立前において、フランジ１２４は長手方向に伸延するリップ４４を含み、このリップ４４が、円周方向に連続するあるいは個別の一連のタブとして形成される。バネ要素２６はリップ４４を図３Ｂに示すようにバネ要素１２６の近接部分の周囲で可塑変形させることにより軸線方向に維持される。ノズル１１８をトーチ１０に組み込んだ際の移動は、ノズル胴部に一体形成した段部４６その他の類似の特徴部分により制限される。段部４６は、ノズル１１８の移動に関して先に説明したように、プラズマチャンバ加圧に際して予備負荷リング３６に同様に接触する。
本発明の図４Ａから図４Ｃに示す別の実施例において、バネ要素を、ノズルではなく保持キャップあるいは予備負荷リングの構成部品として結合することにより達成される。まず図４Ａを参照するに、本発明の本実施例に従うデュアルフロー型のプラズマアークトーチ１１０が、組立状態あるいは非賦活モードにおいて示されている。トーチ１１０は、中央に配置した電極１１２及びノズル２１８を有する。ノズル２１８は一体構造のもので良く、バネ要素２２６のための反作用面として作用する半径方向に伸延するフランジ２２４を含み得る。
ノズル２１８は、保持キャップ１３２によりトーチ１１０内で捕捉される。保持キャップ１３２は、中空の、切頭円錐形状の外側シェル１３４を有し、この外側シェル１３４がその内部に同中心に配置した予備負荷リング１３６を捕捉する。予備負荷リング１３６はその内側部分に沿って形成され、内部にバネ要素２２６を受けるようになっている環状溝４８を有する。バネ要素２２６のコンプライアンス性に基づき、予備負荷リング１３６を一体構造のものとして製造した後、バネ要素２２６を溝４８に挿入することができる。バネ要素２２６は、これを敢えて溝４８から直接取り出さない限り予備負荷リング１３６内に保持されるので、本明細書に記載する目的のための一体化アセンブリであると考えることができる。
トーチ１１０を組み立てるためには、先ずノズル２１８を電極１１２を覆って配置し、次いで、バネ要素２２６を一体化した予備負荷リング１３６を配置する。次いでシェル１３４をトーチ胴部１１６に取り付ける。組立状態に於てノズル２１８は、バネ要素２２６がノズルのフランジ２２４に接触する反作用により、電極１１２と接触する状態にバイアスされる。
ノズル２１８はプラズマチャンバ１４０内の圧力下に電極１１２から離れる方向で長手方向に移動自在であり、その移動距離は、ノズルの段部１４６と予備負荷リングの段部１４２との間の間隙によって規制される。この間隙もまた、パイロットアークの信頼下の始動及び維持を保証するべく予め決定される。図４Ｂには、ノズル２１８が加圧下のパイロットアークモードでの完全移動位置にある場合の相当部分が例示される。図４Ａではバネ要素２２６の圧縮と、ノズル２１８及び電極１１２間の長手方向の間隙と、ノズルの段部１４６と予備負荷リングの段部１４２との接触状況に注意されたい。
図４Ｃには、図４Ａに示す保持キャップ１３２の、トーチ１１０に組み込む前の概略断面図が示される。本図では明瞭化のために電極１１２のみならずノズル２１８も例示されない。保持キャップ１３２は一体構造のものとして製造されあるいは、一体化したバネ要素２２６を有するアセンブリとして製造することができる。あるいはまた、保持キャップ１３２はシェル１３４及び嵌め合わせる予備負荷リング１３６として製造しても良い。トーチ１１０を正しく機能させるために望ましい追加的特徴部分、例えば、環状部分１４１内に流れを送給するためのガス回路を容易に組み込むことができる。構成部品を用いて保持キャップ１３２を形成したことにより、異なる電力水準及び用途を収受するために、そうした電力水準及び用途に適合する電極１１２ノズル２１８、そして予備負荷リング１３６から成るセットを、共通の外側シェル１３４と共に使用することが容易化される。
バネ要素をノズルアセンブリかあるいはキャップ（あるいは予備負荷リング）の一体部分として組み込むかは、構成部品の有効寿命次第である。バネ要素は劣化する前に交換するのが望ましく、従って、匹敵するあるいはもっと有効寿命の短い構成部品に組み込むのが有益である。
先に簡単に議論したように、バネ要素の所望のバイアス機能を達成するためにいろいろなバネ形状の任意のものを使用することができる。１つの望ましい特徴は、バネ要素がプラズマアークトーチ１０の作用端部において遭遇する高い周囲温度に耐え得ることである。他の望ましい特徴は、その使用寿命を熱サイクル及び或は機械的サイクルの関数として予測することが可能なことである。従って、バネ要素の材料及び形状は、一体化ノズルあるいは保持キャップの有効寿命のために、使用するプラズマチャンバガス圧力に対する反復性のバイアス力を信頼下に提供させるべく選択するのが有益である。
図５Ａから図５Ｆを参照するに、先に説明した機能を実現するために使用することのできる幾つかのバネ形状の実施例が示される。これらの実施例は例示的なものであり、入手先、材料あるいは形状の何れについてもこれに限定するものではない。
図５Ａには、波形バネワッシャ２６ａと一般に称され、従来、限定された半径方向高さの中で若干変形するスラスト荷重用途において使用される弾性部品の平面及び側面図が例示される。ワッシャ２６ａは全体的に半径方向のコンタを有するが、その表面は長手方向あるいは軸線方向に緩やかに起伏されている。ワッシャ２６ａは、オハイオ州４３５３７のＭａｕｍｅｅのＡｓｓｏｃｉａｔｅｄ  Ｓｐｒｉｎｇ社から、高炭素鋼及びステンレス鋼製のものを入手することができる。
図５Ｂには、回転する装置における過剰の長手方向間隙を補償し、また振動を減衰するために従来使用される、一般に指付きバネワッシャ２６ａと称する弾性部品の平面及び側面図が例示される。ワッシャ２６ｂは円周方向に断続部を有し、軸線方向に変形する外側指付きを備えている。ワッシャ２６ｂはＡｓｓｏｃｉａｔｅｄ  Ｓｐｒｉｎｇ社から高炭素鋼製のものを入手することができる。
図５Ｃには、代表的には低レベルのスラスト荷重を加えることにより長手方向の間隙を補償するために使用される、一般に湾曲バネワッシャ２６ｃと称する弾性部品の平面及び側面図が例示される。湾曲バネワッシャ２６ｃは半径方向コンタと、湾曲あるいはアーチ型の、軸線方向に沿った表面とを有している。湾曲バネワッシャ２６ｃはＡｓｓｏｃｉａｔｅｄ  Ｓｐｒｉｎｇ社より高炭素鋼製及びステンレス鋼製のものを入手することができる。
図５Ｄには、波頂部間相違（ｖａｒｉｅｔｙ）型の平ワイヤ圧縮バネ２６ｄと一般に称する弾性バネの平面及び側面図が例示される。平ワイヤ圧縮バネ２６ｄは半径方向コンタと、各波頂部位置で相互に接触する、起伏する一連のへん平なバネ巻き部とを有し、例示実施例のものは平坦な端部を有している。平ワイヤ圧縮バネ２６ｄはイリノイ州６００９０のＷｈｅｅｌｉｎｇのＳｍａｌｌｅｙ  Ｓｔｅｅｌ  Ｒｉｎｇ社より高炭素鋼製及びステンレス鋼製のものを入手することができる。
図５Ｅには一般的な螺旋圧縮バネ２６ｅの平面及び側面図が例示され、側面図には自由状態及び圧縮状態での各コンタが示されている。螺旋圧縮バネ２６ｅは四角形状の切削端部を有し、Ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ  Ｓｐｒｉｎｇ社より、約２５０°Ｆ（約１２１℃）までの周囲温度用途のためにはピアノ線として、また約５００°Ｆ（約２６０℃）までの周囲温度用途のためにはステンレス鋼製のものを入手することができる。
図５Ｆには、内側に配置した円筒状部材を円筒の穿孔に対してクランプするために、あるいはある部材をシャフトに保持するために一般に使用する、長孔付き切頭円錐状ディスク、あるいは商標名Ｒｉｎｇｓｐａｎｎ  Ｓｔａｒ  Ｄｉｓｃ２６ｆとして知られる弾性部品の平面及び側面図が例示される。長孔付き切頭円錐状ディスク２６は、内側及び外側の半径方向長孔が交互する半径方向コンタと、バネ要素として使用するための所望のバイアス力を提供する浅い切頭円錐形状の軸線方向コンタとを有する。スチフネスはディスク厚さと長孔長さの両方の関数である。長孔付き切頭円錐状６ｆは、コネチカット州ＭｉｄｄｌｅｆｉｅｌｄのＰｏｗｅｒｈｏｌｄ社より、高炭素鋼製のものを入手することができる。
バネ要素２６をノズル１８あるいは保持キャップ３２と一体化し、その他の消耗部品と共に確実に交換するようにするのが望ましいが、必ずしもその必要はない。例えば、図６Ａには、本発明の更に別の実施例に従う空冷式のプラズマアークトーチ２１９の非賦活モードでの作用端部の、部分破除した概略側面図が示される。トーチ２１０には、本図では螺旋圧縮バネとして示すバネ要素３２６により、中央に配置した電極２１２と接触する状態にバイアスされたノズル２１８を含んでいる。ノズル２１８は一体構造を有し、フランジ３２４には、バネ要素３２６がそこに接触して反作用を与えるところの長手方向段部２４６が設けられている。バネ要素３２６は保持キャップ２３２の段部１３８にも接触し、反作用を与える。ノズル２１８は保持キャップの段部２３８と半径方向に整列する、半径方向に伸延するフランジ５０を更に有する。この段部２３８とフランジ５０との間の長手方向間隙が、プラズマアークトーチ２１０を完全に加圧した場合のノズル２１８の移動に対する限界を確定する。トーチ２１０を組み立てるためには、ノズル２１８を電極２１２を覆って配置し、バネ要素３２６を挿入し、保持キャップ２３２を、ねじ結合部その他の手段によりトーチ胴部２１６に取り付ける。バネ要素３２６の自由状態長さと、保持キャップの段部１３８及びノズルの段部２４６の組立状態での位置とは、組立時の所望のバネ要素予備負荷を保証するべく予め決定される。トーチ２１０は、ノズル２１８の周囲に空気流れをチャネリングするための、後付けされるガスシールド５２をも含む。
トーチ２１０は、保持キャップ２３２とノズルのフランジ３２４との間で半径方向に配置される随意的なインシュレータ５４を含む。インシュレータ５４は、半径方向締まり嵌め、接着その他方法により保持キャップ３２４に固定することが可能であり、高温時に測定し得るほどに膨張あるいは変形する事のない、寸法的に安定した材料製のものとするべきである。そうした材料の一例には、デラウェア州ＷｉｌｍｉｎｇｔｏｎのＥ．Ｉ．ｄｕ  Ｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ＆Ｃｏ．，より、商標名Ｖｅｓｐｅｌとして入手することができるものがある。フランジ３２４と保持キャップ２３２との間にインシュレータ５４を設けることにより、ノズル２１８を移動させる間の摺動面に沿ってのマイクロアーキング及び関連する疲労の発生を防止することができる。マイクロアーキング及び関連する疲労は、防止されない場合にはノズル２１８を結着させる。パイロットアーク始動中にバネ要素３２６を通して信頼性のある電流通路を提供するために、図示するように平に削いだ端部を有する金属製の螺旋圧縮バネを使用することができる。バネは、例えばステンレス鋼のような非酸化性材料から作成すべきであり、ノズル移動中はノズル２１８及び保持キャップ２３２間の初期電流流れのみを支持すればよい。なぜなら、ノズルの全移動時にはノズルの段部２４６が図６Ｂに示すように保持キャップの段部２３８と接触するからである。図６Ｂではプラズマチャンバ２４０が、加圧され、ノズル２１８が全移動位置にあるパイロットアークモードで示されている。
バネ要素として螺旋圧縮バネ２６ｅを使用する場合の、螺旋圧縮バネ２６ｅ及びノズルの円筒状部材１２０とから成る実質的に一体化したアセンブリが、図７のノズル３１８として例示される。部材１２０の公称直径はノズルのフランジ４２４に近接する位置で増大されそれにより、螺旋圧縮バネ２６ｅは半径方向に締まり嵌めされる状態でこの直径増大部分と接触する。従って、螺旋圧縮バネ２６ｅハブ材１２０に座着するとそこにしっかりと保持され、アセンブリから紛失しあるいは付け忘れることがなく、ノズル３１８を交換する際には勿論、交換される。
図８Ａ及び８Ｂを参照するに、本発明の追加的実施例における非賦活モードでのプラズマアークトーチ３１０が例示される。トーチ３１０は、前記米国特許第４，９０２，８７１号に記載される形式の螺旋ガス流れ通路５６を有する電極３１２が中央に配置されている。通路５６は電極３１２を半径方向に拡大した肩部に加工されている。電極３１２は、移動するノズル４１８をも含むトーチ３１０に固定取り付けされる。ノズル４１８は一体構造のものであり、本図では記号Ｚの形状の断面として概略示されるバネ要素４２６のための反作用面として作用する、半径方向に伸延するフランジ５２４を有している。
バネ要素４２６は保持キャップ３３２の段部３３８にも接触してこれに反作用を与える。ノズル４１８は、保持キャップの段部３３８と半径方向に整列する、半径方向に伸延する段部３４６を更に含み、段部３３８と３４６との間の長手方向間隙が、プラズマチャンバ３４０を完全に加圧した場合のノズル４１８の移動に対する限界を確定する。トーチ３１０を組み立てるため婦負は、ノズル４１８を、螺旋溝に取り付けた電極３１２及び旋回リング５８を覆って配置し、バネ要素４２６を挿入し、保持キャップ３３２をねじ結合部によりトーチ胴部３１６に取り付ける。バネ要素４２６の自由状態長さと、保持キャップの段部３３８とノズルのフランジ５２４との組立状態位置とは、組立状態での所望のバネ要素予備負荷を保証するべく予め決定される。トーチ３１０は、ノズル４１８の周囲に空気流れをチャネリングするための、後付けするガスシールド１５２をも含んでいる。バネ要素４２６は図示されるような別個の構成部品出でく、あるいは、使用するバネの形式に基づき、先に議論した方法の任意のものによってノズル４１８のフランジ５２４位置あるいは保持キャップ３３２の段部３３８に近接する位置の何れかに取り付けても良い。
図８Ｂを参照するに、トーチ３１０のパイロットアークモードが例示されている。プラズマチャンバ３４０を加圧することにより、ノズル４１８が電極３１２から離れる方向で長手方向に移動し、バネ要素４２６を圧縮する。プラズマガス圧力及び容積流量は、バネ要素４２６を圧縮する一方で、オリフィス１２２を通してガスを周囲に通岸、螺旋通路５６を通して送られるガスをアフターベント６０を通して通気するための十分な大きさを有する。電極３１２を横断する所望の圧力降下を発現させるための螺旋通路の寸法付けに関する詳細に関しては前記米国特許第４，９０２，８７１号を参照されたい。螺旋通路５６は、電極の冷却及び、プラズマチャンバ３４０の加圧を容易化とノズル４１８の移動とを容易化するための背圧発生を共に助長する。全移動位置でノズルの段部３４６は保持キャップの段部３３８と接触する。
図９Ａには、本発明の別の実施例に従う、非賦活モードでのプラズマアークトーチ４１０の作用端部の部分破除した断面図が例示されている。電極４１２及びノズル５１８は共にトーチ４１０内に固定取り付けされ、その間部分には、所望の流量及び方向でプラズマチャンバ４４０内にガス流れをチャネリングするための旋回リング１５８が配置されている。旋回リング１５８は３つの構成部品、即ち、後方リング６２と、中央リング６４と、前方リング６６とを含んでいる。前方リング６６及び後方リング６２とは電気的に絶縁性の材料で作成され、一方、中央リング６４は銅のような電気導伝性の材料から作成される。バネ要素５２６は、半径方向外側に伸延するノズルフランジ６２４と、旋回リング１５８の中央フランジ１３０と接触しこれらに反作用を加える。保持キャップ４３２は、組立時にバネ要素５２６に予備負荷を加え、中央リング６４の後方側段部４３８と、電極４１２の前方側段部４４６とを確実に密着させる。パイロットアークを始動させるために、電極４１２と、中央リング６４と、バネ要素５２６と、ノズル５１８とを通して電流が送られる。プラズマチャンバ４４０を加圧すると中央リング６４がノズル５１８に向けて移動してバネ要素５２６を圧縮し、後方側段部４３８及び前方側段部４４６の接触領域に近接するパイロットアークを生じさせる。図９Ｂに示す全移動位置では、中央リング６４の脚部６８がノズル５１８の段部２４２と接触し、この段部２４２とノズル５１８との間に電気的接触状況を創出する。パイロットアークは中央リング６４からノズル５１８に移行し、次いで好都合な様式下に工作物へと移行する。プラズマガスの圧力及び容積流量を制御して中央リング６４を急速に移動させ、中央リング６４がパイロットアークよりも先にノズル５１８に到達することを保証させることができる。例えば、入手し得る空気圧が約０．０１０ポンド（約６．８３５ｋｇ）あるいは６６．８９ニュートンであり、旋回リングの質量が約０．０１０ｋｇであると仮定すれば、中央リング６４の加速度は（支承面の摩擦を無視すれば）約２１．９５０ｆｔ／ｓｅｃ2（約６６９０ｍ／ｓｅｃ2）となる。合計移動量が０．０２０ｉｎ（約０．５０８ｍｍ）であれば、移動時間は約３．９×１０-4となる。パイロットアークはプラズマガスと同じ早さで長手方向に移動する。従って、断面積が約０．０３８ｉｎ2（約２．４３×１０−５ｍ2）の環状のプラズマチャンバ４４０を通して送られる、容積流量が０．５ｆｔ3／分（約２．３６×１０-4ｍ3／ｓｅｃ）のプラズマガスのためには、ガス及びパイロットアークの速度は約３１．８ｆｔ／ｓｅｃ（約９．７ｍ／ｓｅｃ）となる。旋回リングが３．９×１０-4秒間移動する間に、アークは中央リング６４上を約０．１４９ｉｎ（約３．８ｍｍ）移動する。金属製の中央リング６４の長手方向長さが少なくとも０．１４９ｉｎ（約３．８ｍｍ）である限り、中央リング６４はパイロットアークが中央リング６４の端部に達する前にノズル５１８に到達する。
説明したように、バネ要素５２６は別体の構成部品ではあるが、中央リング６４あるいはノズル５１８を改変し、バネ要素をそれら中央リングあるいはノズルと一体化させることができる。例えば、ノズルのフランジ６２４に近接する位置での外直径を拡大し、バネ要素５２６と直径位置で締まり嵌めするようにすることができる。同様に、旋回リングのフランジ１３０に近接する位置での直径を拡大することができる。あるいはまた、保持キャップ４３２の内側部分を、溝、減径部その他類似の保持特徴部分を設けるように改変することにより、バネ要素５２６を保持キャップ４３２で保持させるようにすることもできる。
移動自在の旋回リング１５８を、固定ノズル５１８と共に組み合わせたことにより幾つかの利益が生じ得る。先ず、粉末コーティングのような高ノズル温度用途のための、ノズル５１８の水冷を追加することができる。更には、トーチ４１０はガスシールド２５２を含むものの、そうしたガスシールド２５２無しで工作物の角部内側その他の小間隙領域内で運転することができる。移動性の構成部品が保持キャップ４３２の内部に配置されることにより、それら構成部品が、接触始動システムの摺動表面を汚染し且つ結着させ得る埃、デブリ、切り屑を受けることがなくなる。
以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。例えば、図６Ａ及び図５Ｂに示すバネ要素３２６を、別態様においては、保持キャップ２３２の近接する段部１３８と半径方向に締まり嵌めさせることにより、保持キャップ２３２の１つの構成部品としてしっかりと保持させることができる。更には、本明細書で開示する移動性の、バイアスされたノズルあるいは旋回リング形状の任意のものを、米国特許第４，７９１，２６８号に記載される移動性の電極と組み合わせて使用することができる。開示された個別の構成部品の特定の製造方法及びそれら構成部品の相互結合は例示目的のためのものでありこれらに限定するものではない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
0004435873.tif 000005
【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
0004435873.tif 000007
【図３Ｂ】
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【図７】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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