(57)【要約】【課題】トーチ本体の太さを大きくすることなくプラズマガスの無駄をなくし、複雑な開閉制御を行うことなく、且つ電極破壊の虞がなく、確実にプラズマガス室に対するプラズマガスの供給と大気への開放を行う。【解決手段】プラズマトーチＡは、電極２とノズル４とで構成されたプラズマガス室７と、プラズマガス室に接続された１本のプラズマガス配管１０と、プラズマガス配管に配置された三方電磁弁１１と、を有し、三方電磁弁は、第１のポート１１ａがプラズマガス室に接続され、第２のポート１１ｂがプラズマガスの供給源に接続され、第３のポート１１ｃが大気に開放され、非稼働状態では第１のポートと第３のポートが接続され、電極に通電するのに先立って第１のポートと第３のポートを遮断し、第１のポートと第２のポートを接続し、電極に対する通電を遮断する際には第１のポートと第２のポートを遮断し第１のポートと第３のポートを接続する。【選択図】        図１
2016198815.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給されたプラズマガスをプラズマ化したプラズマアークを先端から被切断材に向けて噴射して該被切断材を切断するプラズマトーチであって、
電極とノズルとによって構成されたプラズマガス室と、
前記プラズマガス室に接続された１本のプラズマガス配管と、
前記プラズマガス配管に配置された三方電磁弁と、を有し、
前記三方電磁弁は、第１のポートが前記プラズマガス室に接続され、第２のポートがプラズマガスの供給源に接続され、第３のポートが大気に開放されており、非稼働状態では前記第１のポートと第３のポートが接続されてプラズマガス室には大気圧が作用しており、電極に通電するのに先立って前記第１のポートと第３のポートとの接続を遮断すると共に第１のポートと第２のポートを接続してプラズマガス室にプラズマガスを供給し、電極に対する通電を遮断する際には前記第１のポートと第２のポートとの接続を遮断すると共に第１のポートと第３のポートを接続してプラズマガス室に残存するプラズマガスを第３のポートから大気に放出し得るように構成した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、被切断材に向けてプラズマアークを噴射して切断するプラズマトーチに関し、特に、電極の消耗を軽減することができるプラズマトーチに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的なプラズマトーチは、電極とノズルとで構成されたプラズマガス室に対し、１本の配管を介してプラズマガスを供給し得るように構成されている。そして、電極とノズルとの間で放電させてプラズマ化させたプラズマアークをノズルから被切断材に向けて噴射して、噴射部位を溶融させると共に母材から排除させつつ、予定された切断経路に沿って移動させることで切断を行っている。
【０００３】
上記プラズマトーチは、主として数値制御（ＮＣ）されるＮＣ切断装置に搭載されており、プラズマガス室に対するプラズマガスの供給及び遮断は、該プラズマガスの供給経路に設けた二方電磁弁をＮＣ装置による開閉制御することで行われる。特に、プラズマガスの供給経路は二方電磁弁を起点としてプラズマガス室を経てノズルから大気に開放されているため、プラズマ切断を停止したとき、この供給経路に存在するプラズマガスはプラズマ切断に寄与することなく大気に排除され、無駄に消費されることとなる。このため、二方電磁弁は可及的にプラズマガス室に近い位置に設けられるように構成されるのが一般的である。
【０００４】
一方、プラズマトーチの電極には中心に電極材としてハフニウムが埋設されており、プラズマアークが形成されている間、電極材の表面は溶融状態となる。このため、プラズマ切断を終了する際に、電極に対する通電を停止した後、プラズマガス室に対するプラズマガスの供給が継続していると、電極材の溶融部分がプラズマガスに吸引されて表面から離脱することで、電極が急激に消耗してしまうという問題がある。
【０００５】
この問題を解決するために特許文献１に記載された発明が提案されている。特許文献１に記載された発明は、プラズマガス室に２本の配管を接続しておき、夫々の配管に二方電磁弁を配置すると共に、一方の配管をプラズマガスの供給源に接続し、他方の配管を大気又は真空源に接続したものである。この発明では、電極に対する通電の停止に対応させて、一方の配管に接続された二方電磁弁を閉鎖してプラズマガスの供給を停止し、略同時に他方の配管に接続された二方電磁弁を開放してプラズマガス室を大気に開放している。
【０００６】
このため、プラズマアークの停止と略同時にプラズマガス室に存在するプラズマガスを排除することができ、溶融した電極材が電極の表面から離脱するのを防ぐことが可能となり、電極の消耗を防ぐことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表平０６−５００９５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載された発明では、プラズマガス室に２本の配管が接続されているため、プラズマガス室に１本の配管でプラズマガスを供給する構造と比較して、プラズマガスの排除側の配管の容積分、供給すべきプラズマガスの量が多くなる。このため、前述したように、プラズマ切断を停止したときに無駄なプラズマガスとして消費されることとなるという問題がある。また、プラズマトーチ本体の太さが大きくなり、この結果、装置全体の大型化につながる虞がある。
【０００９】
また、特許文献１に記載された発明では、夫々の配管に配置されている二方電磁弁は個別に制御されることとなる。即ち、夫々の二方電磁弁は次のように制御される。プラズマ切断を開始する場合には、電極に対する通電の開始に先立って、プラズマガス室を大気に開放する二方電磁弁を閉鎖し、同時にプラズマガス室にプラズマガスを供給する二方電磁弁を開放する。また、電極に対する通電を停止する際には、通電の停止に先立ってプラズマガス室にプラズマガスを供給する二方電磁弁を閉鎖してプラズマガスの供給を停止し、同時にプラズマガス室を大気に開放する二方電磁弁を開放する。或いは、電極に対する通電を停止する際に、通電の停止に先立ってプラズマガス室を大気に開放する二方電磁弁を開放し、同時にプラズマガス室にプラズマガスを供給する二方電磁弁を閉鎖してプラズマガスの供給を停止する。
【００１０】
上記の如き二つの二方電磁弁を開閉する際の時間差は、夫々の二方電磁弁の取付位置からプラズマガス室までの配管容量と、プラズマガス室の容量、プラズマガスの供給量等の条件に応じて設定されるものの、数ミリ秒〜数十ミリ秒の範囲にある。
【００１１】
例えば、プラズマ切断を開始する際に、プラズマガス室を大気に開放した状態のままでプラズマガス室にプラズマガスを供給した場合、供給されたプラズマガスの一部はノズルを通過することなく、大気に開放した配管を通って放出されてしまい、電極破壊の原因となり得る。
【００１２】
また、プラズマ切断を停止する際に、プラズマガス室を大気に開放することなく、電極に対する通電を停止した場合、プラズマガス室に存在するプラズマガスによる電極材の酸化が促進され、溶融した電極材が吸引されて電極の消耗が進み、電極寿命を短くする虞がある。また、プラズマ切断を停止する際に、プラズマガス室を大気に開放してから、プラズマガス室へのプラズマガスの供給を停止した状態で、電極に対する通電を停止した場合は、電極破壊やプラズマガスの無駄の原因になるという虞も生じる。また、プラズマガス室へのプラズマガスの供給を停止してから、プラズマガス室を大気に開放した状態で、電極に対する通電を停止した場合は、電極の消耗を軽減する効果があまり得られないという虞が生じる。
【００１３】
上記の如く、プラズマガス室に対するプラズマガスの供給、プラズマガス室の大気への開放、を互いに独立した二方電磁弁で行う場合、これらの二方電磁弁の開閉制御は極めて微細な時間で行うこととなり、困難な制御に属するという問題がある。
【００１４】
また、プラズマ切断を停止したとき、プラズマガス室に残存するプラズマガスが排除されるまでの時間は、前述した１本の配管からなるプラズマガスの供給経路に二方電磁弁を設けたプラズマトーチよりも短縮化されたものの、更なる短縮化が求められている。
【００１５】
本発明の目的は、トーチ本体の太さを大きくすることなくプラズマガスの無駄をなくし、複雑な開閉制御を行うことなく、且つ電極破壊の虞がなく、確実にプラズマガス室に対するプラズマガスの供給と、大気への開放を行うことができるプラズマトーチを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために本発明に係るプラズマトーチは、供給されたプラズマガスをプラズマ化したプラズマアークを先端から被切断材に向けて噴射して該被切断材を切断するプラズマトーチであって、電極とノズルとによって構成されたプラズマガス室と、前記プラズマガス室に接続された１本のプラズマガス配管と、前記プラズマガス配管に配置された三方電磁弁と、を有し、前記三方電磁弁は、第１のポートが前記プラズマガス室に接続され、第２のポートがプラズマガスの供給源に接続され、第３のポートが大気に開放されており、非稼働状態では前記第１のポートと第３のポートが接続されてプラズマガス室には大気圧が作用しており、電極に通電するのに先立って前記第１のポートと第３のポートとの接続を遮断すると共に第１のポートと第２のポートを接続してプラズマガス室にプラズマガスを供給し、電極に対する通電を遮断する際には前記第１のポートと第２のポートとの接続を遮断すると共に第１のポートと第３のポートを接続してプラズマガス室に残存するプラズマガスを第３のポートから大気に放出し得るように構成したものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るプラズマトーチでは、プラズマガス室に１本のプラズマガス配管を接続し、このプラズマガス配管に三方電磁弁を配置したので、三方電磁弁からプラズマガス室を経てノズルに至る容積を大きくすることがない。
【００１８】
このため、特許文献１に記載したプラズマトーチと比較して、三方電磁弁から大気開放部までの容積を小さくすることができ、無駄に消費されるプラズマガスの量を軽減することができる。また、プラズマ切断を停止する際に、プラズマガス室に残存するプラズマガスの大気への放出時間を短縮することができる。更に、プラズマトーチ本体の太さを大きくする必要がない。
【００１９】
特に、三方電磁弁は、第１のポートがプラズマガス室に接続され、第２のポートがプラズマガスの供給源に接続され、第３のポートが大気に開放されている。そして、非稼働状態（非励磁状態）では前記第１のポートと第３のポートが接続されてプラズマガス室には大気圧が作用している。また、電極に通電するのに先立ってソレノイドを励磁することで、第１のポートと第３のポートとの接続を遮断すると共に第１のポートと第２のポートを接続してプラズマガス室にプラズマガスを供給することができる。このとき、第１のポート〜第３のポートが三方電磁弁を構成するポートであるため、各ポートの開閉タイミングがずれることがなく、電極破壊の虞のない確実なポートの切り替えを行うことができる。
【００２０】
また、電極に対する通電を遮断する際には、第１のポートと第２のポートとの接続を遮断すると共に第１のポートと第３のポートを接続してプラズマガス室に残存するプラズマガスを第３のポートから大気に放出することができる。このため、プラズマ切断を停止する際には、プラズマガス室に対するプラズマガスの供給の停止と、プラズマガス室に残存するプラズマガスの大気への放出を確実に行うことができる。従って、プラズマガス室に於けるプラズマガスの圧力は速やかに低減し、溶融した電極材がプラズマガスによって吸引されるようなことがなく、寿命の消耗を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】プラズマトーチの構成を模式的に説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明に係るプラズマトーチは、プラズマガスとして酸素ガスを用い、この酸素ガスをプラズマ化して鋼板やステンレス鋼板等の被切断材に向けて噴射することで、被切断材を溶融及び酸化させると共に、溶融物及び溶融酸化物を母材から排除し得るように構成されている。そして、この状態を維持してプラズマトーチと被切断材とを目的の切断線に沿って相対的に移動させることで、被切断材を所望の形状に切断し得るように構成されている。
【００２３】
特に、本発明に係るプラズマトーチは、プラズマガス室に接続された１本のプラズマガス配管に三方電磁弁を配置している。そして三方電磁弁のノーマルオープンのポートに、プラズマガス室と接続されたプラズマガス配管と大気への放出配管を接続し、ノーマルクローズのポートにプラズマガス供給源と接続されたプラズマガス配管を接続して構成されている。
【００２４】
このため、三方電磁弁のソレノイドに対する励磁又は非励磁の二つの動作で、プラズマガス室に対するプラズマガスの供給、プラズマガスの供給の停止とプラズマガス室の大気への放出、を確実に切り替えることが可能である。即ち、一つの三方電磁弁のソレノイドに対する励磁、非励磁を制御することによって、プラズマガス室に対するプラズマガスの供給と、プラズマガス室に残存するプラズマガスの大気への放出を確実に行うことが可能である。
【００２５】
また、プラズマガス室に接続された１本のプラズマガス配管に三方電磁弁が配置されるため、プラズマガス室と三方電磁弁との間の容積は一定であり、プラズマガスの供給時及び放出時に容積の変化によるタイミングのずれを考慮する必要がない。このため、三方電磁弁のソレノイドの励磁、非励磁は、電極に対する通電、又は通電の停止とのタイミングのみを考慮すれば良く、該三方電磁弁に対し確実で且つ容易な制御を行うことが可能となる。
【００２６】
尚、プラズマガス室に接続された１本の配管にティーを介して二つの二方電磁弁を設けるようにしても、プラズマガス室に残存するプラズマガスの大気への放出を短時間で行うことが可能である。
【００２７】
特に、電極に対する通電を遮断する際に、プラズマガスを空気に切り替えて、プラズマガスの供給の停止とプラズマガスの大気への放出を行うことで、プラズマガスによる電極材の酸化を抑制し、電極の消耗を軽減する効果を得ることが可能である。
【００２８】
以下、本実施例に係るプラズマトーチの構成について図１を用いて説明する。図に示すプラズマトーチＡは、トーチ本体１の先端に中心に電極材２ａを固定した電極２が配置されており、該電極２はセンタリングストーン３を介してトーチ本体１に着脱可能に取り付けられている。また、電極２に対向してノズル４が配置され、更に、ノズル４の外周に二次ノズル５がキャップ６を介してトーチ本体１に着脱可能に取り付けられている。
【００２９】
電極２とノズル４とによってプラズマガス室７が構成されている。そして、センタリングストーン３を介してプラズマガス室７に供給されたプラズマガスを電極２とノズル４の間で、或いは電極２と図示しない被切断材との間で放電させることでプラズマ化したプラズマアークをノズル４の孔４ａから噴射し得るように構成されている。
【００３０】
また、ノズル４と二次ノズル５との間には二次気流通路８が構成されており、ノズル４の孔４ａから噴射されるプラズマアークに沿って二次気流を形成して二次ノズル５の孔５ａから噴射し得るように構成されている。
【００３１】
更に、トーチ本体１には、電極２及びノズル４を冷却する冷却水の供給及び排出を行うための冷却水接続部（図示せず）が設けられると共に、電極２に通電するためのケーブル（図示せず）、及びノズル４に通電するためのケーブル（図示せず）が夫々接続し得るように構成されている。
【００３２】
トーチ本体１にはプラズマガス室７にプラズマガスを供給し或いは放出するためのプラズマガス通路９が形成されており、該トーチ本体１の上端にはプラズマガス通路９を介してプラズマガス室７と連通した１本のプラズマガス配管１０が配置されている。そして、このプラズマガス配管１０に三方電磁弁１１が配置されている。
【００３３】
三方電磁弁１１は三つのポート１１ａ〜１１ｃと、ソレノイド１１ｄ、スプリング１１ｅを有している。そして、ソレノイド１１ｄが非励磁状態（非稼働状態）のとき、第１のポート１１ａと第３のポート１１ｃが連通してノーマルオープンとなり、第２のポート１１ｂがノーマルクローズとなるように構成されている。
【００３４】
三方電磁弁１１の第１のポート１１ａには、プラズマガス室７と連通したプラズマガス配管１０が接続されている。また第２のポート１１ｂには、図示しないプラズマガスの供給源と連通したプラズマガス供給配管１２が接続されている。更に、第３のポート１１ｃには、大気に開放したプラズマガス放出配管１３が接続されている。
【００３５】
このため、三方電磁弁１１のソレノイド１１ｄが非励磁状態にあるとき、プラズマガス室７は、プラズマガス通路９、プラズマガス配管１０、第１のポート１１ａ、第３のポート１１ｃ、プラズマガス放出配管１３を介して大気に開放されている。従って、プラズマガス室７の内部圧は大気圧となり、特別な流れが生じることがない。
【００３６】
また、ソレノイド１１ｄが励磁状態にあるとき、プラズマガス室７は、プラズマガス通路９、プラズマガス配管１０、第１のポート１１ａ、第２のポート１１ｂ、プラズマガス供給配管１２を介して図示しないプラズマガスの供給源と接続される。従って、プラズマガス供給配管１２から予め設定された圧力と流量のプラズマガスが供給される。
【００３７】
上記構成に於いて、トーチ本体１と三方電磁弁１１までの距離は限定するものではないが、短いことが好ましい。両者の距離が長くなると、プラズマガス配管１０の長さが長くなることとなり、該プラズマガス配管１０、プラズマガス通路９、プラズマガス室７からなる全体の容積が大きくなる。このため、三方電磁弁１１のソレノイド１１ｄに対する励磁、非励磁からプラズマガス室７に対するプラズマガスの供給、放出までの時間がかかることとなり、好ましくはない。
【００３８】
従って、三方電磁弁１１はトーチ本体１の近傍に配置されていることが好ましい。特に、プラズマトーチＡが、トーチ本体１を内装するための筒体（図示せず）を有して構成されているような場合には、この筒体の内部に配置することが好ましい。このように、三方電磁弁１１をプラズマトーチＡを構成する筒体の内部に配置することによって、該プラズマトーチＡを大きな構造とすることなく、構成することが可能である。
【００３９】
次に、上記の如く構成されたプラズマトーチＡを用いて、被切断材に対するプラズマ切断を行う際の手順について説明する。
【００４０】
先ず、プラズマトーチＡを被切断材の上部に於ける切断開始位置に移動させる。このとき、三方電磁弁１１は非励磁状態にあり、第１のポート１１ａと第３のポート１１ｃが連通してプラズマガス室７は大気に開放された状態にある。
【００４１】
プラズマトーチＡが切断開始位置に移動した後、電極２に対する通電の開始に先立って三方電磁弁１１のソレノイド１１ｄが励磁される。電極２に対する通電の開始とソレノイド１１ｄに対する励磁との時間差は、プラズマガス室７、プラズマガス通路９、プラズマガス配管１０の容積と、プラズマガス室７に供給するプラズマガスの流量及び圧力に応じて適宜設定される。即ち、電極２に対する通電が開始される時点で、プラズマガス室７にプラズマガスが供給されていることが必要である。
【００４２】
三方電磁弁１１のソレノイド１１ｄが励磁されると、図示しないスプールが移動し、この移動に伴って、第１のポート１１ａと第３のポート１１ｃとの連通が遮断され、プラズマガス室７の大気への開放状態が遮断される。略同時に、第１のポート１１ａと第２のポート１１ｂが連通し、両ポート１１ａ、１１ｂの連通によってプラズマガス供給配管１２とプラズマガス配管１０が連通する。この結果、プラズマガスがプラズマガス室７に供給される。
【００４３】
三方電磁弁１１のソレノイド１１ｄが励磁された後、電極２とノズル４に通電され両者の間で放電したプラズマガスがプラズマ化してパイロットアークが形成される。このパイロットアークはプラズマガス室７に継続して供給されるプラズマガスによってノズル４の孔４ａ、二次ノズル５の孔５ａから被切断材に向けて噴射される。
【００４４】
噴射されたパイロットアークが被切断材に到達した後、電極２とノズル４との通電を遮断し、同時に電極２と被切断材との間で通電させてプラズマアークを形成する。また、ノズル４と二次ノズル５との間に形成された二次気流通路８に、二次気流ガスが供給され、ノズル４の孔４ａから噴射されるプラズマアークに沿って二次気流が形成されて二次ノズル５の孔５ａから被切断材に向けて噴射される。
【００４５】
上記の如くして、噴射されたプラズマアークによって被切断材の一部が溶融し、この溶融物及び溶融酸化物が母材から排除されてピアシングが実施される。次いで、プラズマトーチＡを予め設定された経路に従って移動させることで、被切断材には連続した切断溝が形成されることで、切断が行われる。被切断材に対する切断を行っている間、三方電磁弁１１のソレノイド１１ｄの励磁は継続している。
【００４６】
被切断材に対する目的の切断が終了すると、プラズマガス室７にプラズマガスが存在している間に電極２に対する通電を停止する。電極２に対する通電の停止と同時に、三方電磁弁１１のソレノイド１１ｄの励磁が遮断される。尚、電極２に対する通電の停止と、ソレノイド１１ｄの励磁の遮断とのタイミングは、プラズマガス室７、プラズマガス通路９、プラズマガス配管１０の容積と、プラズマガス室７に供給するプラズマガスの流量及び圧力に応じて適宜設定される。
【００４７】
三方電磁弁１１のソレノイド１１ｄの励磁を遮断すると、スプリング１１ｅに付勢されたスプールが初期の位置に復帰する。即ち、連通していた第１のポート１１ａと第２のポート１１ｂが遮断されることで、プラズマ室７に対するプラズマガスの供給が停止する。同時に第１のポート１１ａと第３のポート１１ｃが連通することで、プラズマ室７が大気に開放される。
【００４８】
この結果、プラズマガス室は、ノズル４の孔４ａを介した大気への開放に加えて、プラズマガス放出配管１３を介して大気に開放されることとなり、プラズマガス室７に残存するプラズマガスをノズル４の孔４ａ、プラズマガス放出配管１３から大気に放出される。特に、三方電磁弁１１からプラズマガス室７に至るプラズマガス配管１０、プラズマガス通路９に存在するプラズマガスの多くがプラズマガス放出配管１３を介して大気に放出されることとなる。従って、プラズマガス室７に作用しているプラズマガスの圧力を急速に低減させることが可能となり、該プラズマガス室７の酸化性雰囲気を短時間で排除することが可能となる。
【００４９】
上記の如く、プラズマガス室７に対するプラズマガスの供給及び供給停止という作業と、プラズマガス室７の大気への開放という作業、の異なる作業を三方電磁弁１１のソレノイド１１ｄの励磁又は非励磁、という一つの制御で行うことが可能となる。このため、前記した二つの作業は同時に行われることがなく、確実に分離した異なる作業として行うことが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明に係るプラズマトーチＡは、切断開始時に於けるプラズマガス室７へのプラズマガスの供給、切断終了時に於けるプラズマガス室７へのプラズマガスの供給停止、及びプラズマガス室７、プラズマガス通路９、プラズマガス配管１０に残存するプラズマガスの大気への放出を簡単な制御で確実に行うことが可能である。この結果、切断終了時に発生する虞のある電極２の消耗を軽減することが可能となり有利である。
【符号の説明】
【００５１】
Ａ                    プラズマトーチ
１                    トーチ本体
２                    電極
２ａ                  電極材
３                    センタリングストーン
４                    ノズル
４ａ                  孔
５                    二次ノズル
５ａ                  孔
６                    キャップ
７                    プラズマガス室
８                    二次気流通路
９                    プラズマガス通路
１０                  プラズマガス配管
１１                  三方電磁弁
１１ａ                第１のポート
１１ｂ                第２のポート
１１ｃ                第３のポート
１１ｄ                ソレノイド
１１ｅ                スプリング
１２                  プラズマガス供給配管
１３                  プラズマガス放出配管
【図１】
2016198815.tif 000003