(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心に孔を有する複数のノズルを前記孔を電極の軸心と一致させて配置すると共に各ノズルの間にガスを流通させる整流部材と絶縁部材を配置して構成したプラズマトーチのノズル構造であって、少なくとも最も外側に配置される外側ノズルを該外側ノズルの内側に配置される内側ノズルに対して着脱可能に構成すると共に外径を内側ノズルの外径よりも充分に大きい寸法を持って形成し、且つ前記外側ノズル側に金属製の整流部材を配置すると共に内側ノズル側に絶縁材を配置したことを特徴とするプラズマトーチのノズル構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被加工材を切断するに際し、輻射熱の影響を可及的に軽減し得るように構成したプラズマトーチのノズル構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマ切断は、プラズマトーチに取り付けた電極からノズルを通過させたプラズマアークを被加工材に向けて噴射し、このプラズマアークの熱によって母材を溶融或いは燃焼させると共に母材から溶融物を排除することで、被加工材に連続した切溝を形成して行われる。
【０００３】
最近では、安定した状態で電極と被加工材の間に大電流を流すことが出来るようになり、厚板の切断や熱間切断に適用されるようになっている。厚板を切断する場合、薄板切断の場合と比較して切断速度が低下し且つ溶融物の量が多くなるため、プラズマトーチの先端に取り付けたノズルに対するプラズマアーク及び溶融物からの輻射熱の影響を大きく受けるようになっている。また熱間切断する場合、切断速度は上昇するが被加工材の有する熱及び溶融物からの輻射熱の影響を大きく受けるようになっている。
【０００４】
一方、プラズマトーチでは、切断面に生じる傾斜を防止するためプラズマアークの周囲に強制的に旋回させた二次気流を配置し、該気流によってプラズマアークを鞘状に包み込んで切断することが行われている。この場合、プラズマアークの噴射経路上に複数のノズルが配置されることとなる。またプラズマトーチが被加工材や他の部材に衝突したときにダブルアークの発生を防止し得るように、複数のノズルの間に絶縁材を設けて電気的に絶縁することが行われている。
【０００５】
上記の如きノズルは、例えば特表平2-504603号公報に開示された技術では、最も外側に配置された外側ノズルに二次気流を通過させる機構が形成され、且つ外側ノズルと該ノズルの内側に配置された内側ノズルとの間にセラミックス製の絶縁材が配置されている。また特開平5-84579 号公報に開示された技術では、最も外側に配置される外側ノズルと該ノズルの内側に配置される内側ノズルの間に二次気流を通過させる機能を持った合成樹脂製の絶縁材が配置されている。
【０００６】
プラズマトーチでは、外側ノズル及び内側ノズルに形成された孔と電極との同軸性が損なわれた場合、ノズルが短時間で破壊し且つプラズマアークが乱れて良好な切断を行うことが出来ない。このため、外側ノズル，内側ノズル及び絶縁材等の部材を互いに固着して一体物として構成するのが一般である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のノズルでは、外側ノズル，内側ノズル及び絶縁材等の部材が一体的に構成されており、各ノズルの材質と絶縁材の材質は異なっている。このため、厚板切断或いは熱間切断のように過酷な輻射熱の影響を受ける場合、絶縁材が合成樹脂によって製造されたものでは短時間で溶損するという問題が生じており、またセラミックスによって製造されたものでは熱ショックにより破損してしまうという問題が生じている。
【０００８】
特に、ノズルが一体的に構成されるため、外側ノズルや絶縁材或いは整流機構等が消耗した場合に消耗した部材のみを交換することが出来ず、結局ノズル全体を交換することとなり、必然的にランニングコストが高くなるという問題を生じている。
【０００９】
本発明の目的は、輻射熱の影響を可及的に軽減し、且つノズルを構成する部材が消耗した場合には必要な部材のみを交換し得るように構成したプラズマトーチのノズル構造を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
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のノズル構造は、中心に孔を有する複数のノズルを前記孔を電極の軸心と一致させて配置すると共に各ノズルの間にガスを流通させる整流部材と絶縁部材を配置して構成したプラズマトーチのノズル構造であって、少なくとも最も外側に配置される外側ノズルを該外側ノズルの内側に配置される内側ノズルに対して着脱可能に構成すると共に外径を内側ノズルの外径よりも充分に大きい寸法を持って形成し、且つ前記外側ノズル側に金属製の整流部材を配置すると共に内側ノズル側に絶縁材を配置したものである。
【００１１】
上記ノズル構造では、最も外側に配置される外側ノズルをこの外側ノズルの内側に配置される内側ノズルに対し着脱可能に構成することによって、外側ノズルが輻射熱によって消耗した場合には、外側ノズルのみを交換して初期の機能に復帰させることが出来る。また外側ノズルと内側ノズルの間に配置される整流部材を金属製とすることで、外側ノズルが受ける輻射熱を整流部材も負担することが出来、該部材を流通する二次気流を構成するガスによって冷却することが出来る。従って、輻射熱の影響を可及的に軽減することが出来る。
【００１２】
また外側ノズルの外径を内側ノズルの外径と比較して充分に大きい寸法を持って形成することで、結果的に外側ノズルの体積を大きくすることが出来る。このため、外側ノズルの熱容量が大きくなり、輻射熱の影響を可及的に軽減することが出来る。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、上記プラズマトーチのノズル構造の好ましい実施形態について図を用いて説明する。図１は本発明に係るノズル構造を説明する図である。図に示すノズルＡは、外側ノズル１と内側ノズル２とによって構成されており、電極３と図示しない被加工材の間に形成されるプラズマアークを内側ノズル２の中心に形成された孔２ａから噴射し、且つ外側ノズル１と内側ノズル２の間から二次気流を流通させてプラズマアークを鞘状に包んだ状態で外側ノズル１の中心に形成された孔１ａから噴射するように構成されている。
【００１４】
外側ノズル１と内側ノズル２の間にはリング状の整流部材４と絶縁材５が配置されており、両ノズル１，２を電気的に絶縁することでダブルアークの発生を防止し、且つ二次気流の流量を設定すると共に二次気流を旋回させて噴射し得るように構成されている。
【００１５】
外側ノズル１は銅等の高い融点を有し且つ熱伝導率の高い金属によって構成され、外形が円錐形に形成され且つ外径が内側ノズル２に比較して大きい値を持って形成されている。このため、外側ノズル１は外表面１ｂの面積が増加するものの体積も大きくなって大きい熱容量を有している。そして外表面１ｂがテーパ状に形成されるため、先端に形成された孔１ａの近傍では輻射熱を受けるものの、孔１ａから離隔した部位では放熱面としての機能を発揮することが可能である。また輻射熱の影響を避けるためには、外表面１ｂにクロームメッキを施すと共に鏡面仕上げすることが好ましい。
【００１６】
外側ノズル１は内側ノズル２の外径よりも大きい外径を有して形成されることが必須であり、該ノズル１をトーチ本体８に取り付ける方式を限定するものではない。即ち、外側ノズル１を直接トーチ本体８に螺合させるように構成することが可能である。外側ノズル１を前記の如く構成することで、大きな放熱面を形成することが可能である。
【００１７】
しかし、外側ノズル１の消耗を避けることは不可能であり、この場合、外側ノズル１の加工コストが高くなる虞が生じる。このため、外側ノズル１をガードキャップ12に着脱可能に構成し、該キャップ12をトーチ本体８に固着することで外側ノズル１をプラズマトーチに装着することで、外側ノズル１が消耗した場合には該ノズル１のみを交換し得るように構成することが好ましい。
【００１８】
内側ノズル２は銅等の高い融点と導電性を有する金属によって構成されており、プラズマトーチの本体に形成された台座６に嵌合して該トーチの軸心７と先端に形成された孔２ａの中心が一致し得るように構成されている。このため、内側ノズル２は、先端に形成された円筒部２ｂと、台座６と嵌合する嵌合部２ｃを有して構成され、円筒部２ｂと嵌合部２ｃの接続部分に座２ｄが形成されている。前記円筒部２ｂ及び座２ｄは高い寸法精度を持って形成されており、円筒部２ｂにリング状の絶縁材５を嵌合したとき、該絶縁材５の中心をプラズマトーチの軸心７に一致させることが可能である。
【００１９】
整流部材４は外側ノズル１と内側ノズル２の間に形成される二次気流の通路に配置され、供給された二次気流用のガスを旋回させる機能と、外側ノズル１と密着して該ノズル１を流通するガスによって冷却する機能を有する。このため、整流部材４は銅，黄銅等の金属によってリング状に構成されており、周方向に複数の貫通孔４ａが形成されている。また整流部材４は内径寸法及び外径寸法共に所定の精度を持って形成されている。そして内周及び一方の端部（後端部）が内側ノズル２の円筒部２ｂに嵌合した絶縁材５に嵌合し、外周及び他方の端部（先端部）が外側ノズル１の内周面に形成した嵌合部１ｃに嵌合して中心がプラズマトーチの軸心７と一致している。
【００２０】
絶縁材５は電気的な絶縁性を有する材料、例えばセラミックス等によって構成されており、一端にフランジを設けたスリーブ状に形成されている。そしてスリーブの内周が内側ノズル２の円筒部２ｂに嵌合すると共にフランジが座２ｄに当接して内側ノズル２に装着される。
【００２１】
内側ノズル２に対して絶縁材５を装着する場合、寸法公差を締まり嵌めに設定して打ち込んでも良く、すきま嵌めにして着脱可能にしても良い。また絶縁材５に対して整流部材４を装着する場合も前記と同様に締まり嵌め或いはすきま嵌めであって良い。
【００２２】
本発明のノズルＡでは、外側ノズル１が内側ノズル２に対し着脱可能であることが必須である。しかし、プラズマトーチを切断装置に取り付けた状態でノズルＡの外側ノズル１を交換する必要が生じたとき、外側ノズル１を取り外すと同時に整流部材５，絶縁材４が内側ノズル２から落下することは好ましくはない。このため、内側ノズル２に対する絶縁材５の嵌め合い及び絶縁材５に対する整流部材４の嵌め合いを締まり嵌め程度の公差に設定することが好ましい。
【００２３】
次に、上記ノズルＡをプラズマトーチに取り付ける際の手順について説明する。台座６は剛性を持ったトーチ本体８の先端に固着されており、該台座６の中心に電極３を取り付ける座９が設けられている。また内側ノズル２に予め絶縁材５及び整流部材４を取り付けておく。
【００２４】
台座６に内側ノズル２を挿入し、内側キャップ11を台座６に螺合することで固定する。これにより内側ノズル２の孔２ａの中心はプラズマトーチの軸心７と一致し、電極３との間にプラズマガスの通路10が形成される。尚、電極３と内側ノズル２は互いに電気的に絶縁されており、切断に先立ってこれらの内側ノズル２と電極３の間にパイロットアークを形成する。
【００２５】
上記の如くして台座６に内側ノズル２を取り付けた後、外側ノズル１を嵌合したガードキャップ12をトーチ本体８に螺合することで、該ノズル１をトーチ本体８に取り付ける。これにより、内側キャップ11とガードキャップ12の間に二次気流の通路13を形成する。また外側ノズル１の嵌合部１ｃに整流部材４の端部が嵌合することで、該ノズル１の孔１ａがプラズマトーチの軸心７に一致する。
【００２６】
従って、各ノズル１，２の孔１ａ，２ａは夫々プラズマトーチの軸心７に一致し、電極３と被加工材との間に形成されるプラズマアークを軸心７と一致させて噴射させると共に、該プラズマアークに沿わせて二次気流を流通させることが可能である。
【００２７】
上記の如くしてプラズマトーチにノズルＡを取り付けて被加工材を切断したとき、切断に伴って発生する溶融物からの輻射熱は外側ノズル１の先端面及び該面の近傍に作用し、先端面から所定距離離隔した部位から放熱される。また外側ノズル１の温度は金属製の整流部材４に伝達され、該部材４に流通する二次気流によって冷却される。特に、外側ノズル１に作用する輻射熱が多くなって高温になった場合であっても、整流部材４が金属製であるため、溶融して消耗することがなく、且つ熱ショックで破壊することもない。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明に係るプラズマトーチのノズル構造では、外側ノズルを内側ノズルに対し着脱可能に構成することによって、外側ノズルが消耗した場合には、外側ノズルのみを交換して初期の機能に復帰させることが出来る。このため、内側ノズルを含む全ノズルを交換する場合と比較してランニングコストを低減することが出来る。
【００２９】
また外側ノズルと内側ノズルの間に配置される整流部材を金属製とすることで、外側ノズルが受ける輻射熱を整流部材も負担することが出来、該部材を流通する二次気流を構成するガスによって冷却することが出来る。従って、輻射熱の影響を可及的に軽減することが出来る。
【００３０】
また外側ノズルの外径を内側ノズルの外径と比較して充分に大きい寸法を持って形成することで、結果的に外側ノズルの体積を大きくすることが出来る。このため、外側ノズルの熱容量が大きくなり、輻射熱の影響を可及的に軽減することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係るノズル構造を説明する図である。
【符号の説明】
Ａ                      ノズル
１                      外側ノズル
１ａ，２ａ              孔
１ｂ                    外表面
１ｃ                    嵌合部
２                      内側ノズル
２ｂ                    円筒部
２ｃ                    嵌合部
２ｄ，９                座
３                      電極
４                      整流部材
５                      絶縁材
６                      台座
７                      軸心
８                      トーチ本体
10，13                  通路
11                      内側キャップ
12                      ガードキャップ
【図１】
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