JP2005118817A - プラズマトーチ - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマアークの噴射孔まで効果的に冷却し得るように構成されることにより冷却水の供給と排水の方向が制限されるようなノズルであっても、位置決め作業を必要とせずに容易に取り付けることが可能であり、且つ通常のノズルであっても取り付けることが可能なようにする。
【解決手段】プラズマトーチＢは、中心にプラズマアークを噴射する噴射孔１を形成したノズルＡを着脱し得るように構成されており、冷却水通路１９と接続されノズルＡに冷却水を供給する供給口２０と、冷却水通路２２と接続されノズルＡを通過した冷却水を排水する排水口２１とを有し、前記供給口２０及び排水口２１又は何れか一方が冷却水通路１９，２２と接続され且つ該冷却水通路１９，２２の軸心に対して交叉する方向に延長された溝によって構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被加工材に向けてプラズマアークを噴射して該被加工材を切断，溶融させるノズルを装着すると共に、このノズルに対する冷却水の供給及び排水を行うようにしたプラズマトーチに関し、特に、効果的な冷却を実現するために、少なくとも冷却水の入口部分に於ける流れの方向を規制し得るように構成したノズルであっても、特別な位置決めを行うことなく取り付けることを可能としたプラズマトーチに関するものである。

例えば鋼板やステンレス鋼板等の被切断材を切断する場合、ガス切断法と比較して切断速度の向上をはかることが可能なプラズマ切断法を採用することが多くなっている。このプラズマ切断法は、被切断材に向けてプラズマアークを噴射し、該プラズマアークの熱によって母材を溶融させると共にプラズマアークの噴射エネルギーによって溶融物を排除して切断するものである。

代表的なプラズマ切断法を実施する例として特許文献１に記載されたプラズマトーチの構成について簡単に説明する。プラズマトーチの中心には電極が取り付けられており、該電極に対向させて、中心にプラズマアークを噴射する噴出口を設け、且つプラズマトーチに着脱可能に構成されたノズル（チップともいう）が配置されている。このノズルはキャップをプラズマトーチに締結することで固定され、且つノズルの外周面とキャップの内周面との間に冷却水を流通させる通路が環状に形成される。

プラズマトーチには、電極を冷却する冷却水の水路（供給路及び排水路）が形成されており、これらの供給路及び排水路はノズルとキャップの間に形成された冷却水を流通させる通路に開口している。またプラズマトーチに取り付けたノズルは外周面が前記冷却水の通路に曝されるように配置される。

上記構成に於いて、プラズマトーチに供給された冷却水は、電極の裏面側と接触して該電極を冷却した後、キャップとノズルとの間に形成された通路に供給され、この通路を通過する過程でノズルを冷却し、その後、プラズマトーチの外部に排水される。従って、電極及びノズルは冷却水によって冷却されることで、プラズマアークの熱による過度の加熱が防止される。

上記の如く構成されたプラズマトーチでは、電極と被切断材との間の通電に伴って形成されたプラズマアークは、ノズルの噴出口を通過する際に冷却されて絞られて被切断材に向けて噴射され、被切断材を溶融し且つ溶融物を排除して切断することが出来る。

特公平３−２７３０９号公報

上記の如き特許文献１に記載したプラズマトーチでは、キャップを用いてプラズマトーチにノズルを取り付けたとき、プラズマトーチ側の前端面とノズルの外周面とキャップの内周面とによって構成された環状の空間が冷却水の通路として構成され、この通路にプラズマトーチに設けた冷却水の供給路と排水路が開口する。また前記通路はプラズマトーチに最も接近した部位からキャップの先端に接近するのに従って断面積が小さくなるのが一般的であり、このため、プラズマトーチ側から供給された冷却水は供給路から排水路への最短距離で循環してしまい、ノズルの先端部分（噴射孔近傍）では冷却水の流れが淀んで冷却が不充分になるという問題がある。

上記問題を解決するために通路に於ける冷却水の流れ方向を規制してよりノズルの先端部分にまで冷却水を到達させようとすると、ノズルをプラズマトーチに装着する際に該ノズルをプラズマトーチに対して位置決めする必要が生じ、ノズルの着脱作業が煩雑になるという問題が派生する。例えば、ノズルとキャップを一体化して空洞部分を形成し、この空洞部分に２本のパイプを取り付けてこれらのパイプによって独立した水路を構成し、一方のパイプをプラズマトーチに設けた供給口に差し込んで連通させると共に、他方のパイプを排水口に差し込んで連通させるような構造とすると、冷却水の流れを規制してノズルの先端部分まで冷却することが可能となるものの、各パイプを供給口，排水口に差し込むという作業が必要となり、取付作業や、特に取外し作業が容易ではなくなるという問題が生じる。

本発明の目的は、プラズマアークの噴射孔まで効果的に冷却し得るように構成されることにより冷却水の供給と排水の方向が制限されるようなノズルであっても、位置決め作業を必要とせずに容易に取り付けることが可能であり、且つ通常のノズルであっても取り付けることが可能なプラズマトーチを提供することにある。

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、中心にプラズマアークを噴射する噴射孔を形成したノズルが着脱可能に構成され、該ノズルを冷却する冷却水を流通させる冷却水通路を有するプラズマトーチであって、冷却水通路と接続されノズルに冷却水を供給する供給口と、冷却水通路と接続されノズルを通過した冷却水を排水する排水口と、を有し、前記供給口及び排水口又は何れか一方が冷却水通路と接続され且つ該冷却水通路の軸心に対して交叉する方向に延長された溝によって構成されたものである。

上記プラズマトーチに於いて、ノズルに冷却水を供給する供給口とノズルを通過した冷却水を排水する排水口の両方或いは何れか一方を溝によって構成したとき、前記供給口の端部と排水口の端部との間隔が、予め設定された寸法を有することが好ましい。

上記プラズマトーチでは、プラズマトーチに形成された供給口と排水口の両方或いは何れか一方が、冷却水通路の軸心に対して直交する方向に延長された溝として形成されるため、ノズルを装着する面での開放面積を大きくすることが出来る。このため、特許文献１に記載されたプラズマトーチのように、ノズルとキャップとによって構成された空間に供給口，排水口が開口する場合であっても支障なく用いることが出来る。

特に、ノズル側に冷却水の供給，排水を行うために複数の独立した水路を形成した場合、これらの水路何れかがプラズマトーチに形成された供給口，排水口に対向することで、ノズルに対する冷却水の供給と排水を確保することが出来る。このため、ノズルをプラズマトーチに装着する際に特別な位置決めを必要とせずに容易に取り付けることが出来る。

またプラズマトーチに形成された供給口と排水口の両方或いは何れか一方に溝を形成したとき、該溝の端部と他の口との端部までの間隔が予め設定された寸法、即ち、ノズル側に形成された独立した水路の幅、或いは水路のピッチよりも大きい寸法に設定されることで、ノズルをプラズマトーチに装着する際に如何なる位置に取り付けたとしても、一つの水路に供給口と排水口がかかることがなく、個々の水路を、ノズルに対して冷却水を供給する水路、ノズルから冷却水を排水する水路、の何れかとして機能させることが出来る。このため、ノズル側の冷却を効果的に行うことが出来る。

以下、本発明に係るプラズマトーチの最も好ましい形態について説明する。本発明に係るプラズマトーチは、従来から用いられているノズル、或いは複数の部材を組み合わせて内部に冷却水の環状通路を形成すると共に該環状通路と連通する複数の独立した水路を形成したノズル（内部冷却型ノズル）、等何れのノズルであっても支障なく取り付けて効果的な冷却を実現し得るように構成したものである。

本発明に係るプラズマトーチに従来から用いられている一般的なノズルを取り付けた場合、切断加工や溶接加工に対する性能は何ら変化することはなく、通常の利用手順と変わることなく用いることが可能である。

また本発明に係るプラズマトーチに内部冷却型ノズルを取り付ける場合、該内部冷却型ノズルを、独立した水路が開口する面をプラズマトーチに於ける供給口，排水口が開口する面に対向させて接触させることで、複数の独立した水路の何れかが供給口と、他の水路の何れかが排水口と連通し得るように構成することが好ましい。このような内部冷却型ノズルを用いることによって、該内部冷却型ノズルのプラズマトーチに対する取付位置を限定することなく、単に、独立した水路が開口する後端面と、プラズマトーチの供給口，排水口が開口した面とが互いに接触するのみで、プラズマトーチから内部冷却型ノズルを経由した冷却水路を形成することが可能となる。

従って、プラズマトーチに供給された冷却水は、確実に内部冷却型ノズルの内部に供給されることとなり、該内部冷却型ノズルの中心に設けたプラズマアークの噴射孔を形成する壁部分を冷却することが可能となる。このため、噴射孔を通過するプラズマアークに対する冷却効果を向上させることが可能となり、一般的なノズルと同一の電流を通電する場合には噴射孔の径を小さくして電流密度を高めて高品質の加工を実現することが可能であり、一般的なノズルと噴射孔の径を同一とする場合にはより大きい電流を通電することが可能となる。

本発明に係るプラズマトーチに形成された冷却水通路は一般的なプラズマトーチに形成されている冷却水の通路と同様に円形の穴であって良く、また他の形状であっても良い。何れにしてもこの冷却水通路の断面形状は特に限定するものではない。また冷却水通路の断面積は、供給する冷却水の平均温度や、熱交換効率、プラズマトーチに於ける管路抵抗等の条件を考慮して必要となる水量を確保し得る値であれば良い。

供給口と排水口は、夫々プラズマトーチに形成された冷却水通路と接続されている。これらの供給口，排水口はプラズマトーチに於けるノズルの取付面に開口するものであり、形状を限定するものではない。即ち、供給口，排水口は円形であって良く、また長穴や四角穴、或いは他の形状を持った穴であって良い。

ノズルの取付面の形状は特に限定するものではないが、内部冷却型ノズルを取り付ける場合には、該内部冷却型ノズルの独立した水路の開口面の形状と対応させたものであることが好ましい。

本発明のプラズマトーチでは、供給口と排水口の両方、或いは何れか一方が、冷却水通路の軸心に対し交叉する方向に延長された溝によって構成される。即ち、溝は冷却水通路の断面からはみ出した形状を持って形成される。特に、供給口，排水口の開口面積は、冷却水通路の断面積よりも大きくすることが好ましい。更に、供給口，排水口を溝で構成する場合、これらの溝をプラズマトーチの軸心を中心とする円弧状に形成することが好ましい。

上記の如き溝によって供給口，排水口を構成することによって、これらの供給口，排水口に内部冷却型ノズルを対向させたとき、該内部冷却型ノズルに形成された複数の水路の何れかが確実に連通する。従って、内部冷却型ノズルの内部に冷却水の通路を形成してより効果的な冷却を実現することが可能である。

供給口，排水口の両方或いは何れか一方を溝によって構成したとき、これらの溝どうしの端部の間隔、或いは溝と他の口の端部との間隔は、内部冷却型ノズルに形成された独立した水路の幅（平面上の長さ）よりも大きいことが好ましい。このように、溝と他の口との間隔を水路の幅よりも大きくすることによって、該内部冷却型ノズルをプラズマトーチに装着したとき、一つの水路に供給口と排水口の両方がかかることがなく、個々の水路を確実に冷却水の供給口或いは排水口の何れかの機能を発揮させることが可能となる。

次に、本発明のプラズマトーチの好ましい実施例について図を用いて説明する。図１は本実施例に係るプラズマトーチの構成を説明する断面図である。図２は図１に示すプラズマトーチの要部を拡大した断面図である。図３は給排水部材の説明図であり、冷却水の供給口と排出口の形状を説明する図である。図４は内部冷却型ノズルの構成を説明する断面図である。図５は内部冷却型ノズルをプラズマトーチに取り付けたときの水路と供給口，排水口との重なり状態を説明する図である。

本実施例に係るプラズマトーチＢの説明に先立って、該プラズマトーチＢに取り付けたときに最も有利な冷却を実現し得るように構成された内部冷却型ノズル（以下、単に「ノズル」という）Ａの構成を図４により簡単に説明する。尚、前述したように、本発明に係るプラズマトーチＢに対し、従来のノズルを取り付けても、従来通りの加工を実施することが可能である。

ノズルＡは、プラズマアークに添えて二次気流を噴射し得るように構成されている。しかし、二次気流の有無について限定するものではなく、ノズルの内部に冷却水の通路を形成することによってプラズマアークを噴射する噴射孔を効果的に冷却し得るように構成されたものであり、噴射孔から噴射されたプラズマアークの周囲に、二次気流が存在するか否か、或いは三次気流以上の高次の気流が存在するか否かを問うものではない。

ノズルＡは、中心にプラズマアークを噴射する噴射孔１を設けた壁部２ａを有し第１ノズル部材となるインナーノズル２と、中心にインナーノズル２の壁部２ａを嵌合する嵌合部となる嵌合穴３ａを有し第２ノズル部材となるアウターノズル３と、アウターノズル３の外周側に配置され該アウターノズル３の外周面との間に二次気流通路４を形成すると共にプラズマアウター及び二次気流を噴出する噴出口５ａを有する二次気流キャップ５と、アウターノズル３と二次気流キャップ５との間に配置される絶縁体６と、を有して構成されている。

インナーノズル２は、中心に噴射孔１を形成した壁部２ａが形成され、該壁部２ａから連続して末広がり状のテーパ部２ｂ（テーパ面２ｂ）が形成され、更に、テーパ部２ｂの最も径の大きい部分に連続して軸心に対して平行な基部２ｃが形成されている。壁部２ａは噴射孔１に設定された長さと径を形成するのに充分な長さと太さを有しており、テーパ部２ｂの小径側の端部（先端）から突起状に形成されている。

基部２ｃはテーパ部２ｂに連続し、ノズルＡの軸心に対して平行に形成されている。特に、インナーノズル２は六角棒を材料として形成されており、この六角棒から切削加工によってテーパ部２ｂ，壁部２ａを形成し、基部２ｃに六角棒の角を残して該角を独立した水路を形成する分割片２ｄとして機能させ、且つ平面２ｅを独立した水路を構成する面として機能させている。

尚、インナーノズル２の内周側は、ノズルＡをプラズマトーチＢの本体１２に取り付けたとき、電極１１の前面との間にプラズマ室２３を構成する面２ｆとして形成されている。また壁部２ａの外周面，基部２ｃの外周面には夫々Ｏリング７を装着するための溝２ｇが形成されている。

アウターノズル３は、中心にインナーノズル２に形成された壁部２ａを嵌合する嵌合穴３ａが形成され、該嵌合穴３ａに連続して末広がり状のテーパ部２ｂ（テーパ面３ｂ）が形成され、更にテーパ部２ｂの最も径の大きい部分に連続してノズルＡの軸心と平行で、且つ円筒状の内面３ｄを持った基部３ｃが形成されている。

嵌合穴３ａは、インナーノズル２に形成した壁部２ａを嵌合して該壁部２ａに設けたＯリング７と接触することで止水性を発揮することが可能である。しかし、嵌合穴３ａと壁部２ａとを嵌合させた後、例えば接着剤を注入して、或いはロー付けすることで、より高い止水性を確保している。

アウターノズル３とインナーノズル２を嵌合したとき、テーパ面２ｂとテーパ面３ｂとの間に冷却水を流通させる環状の冷却水通路８が形成される。また基部３ｃの内面３ｄはインナーノズル２の基部２ｃに形成されている分割片２ｄと接触して該基部２ｃの平面２ｅと内面３ｄとによって独立した水路９を形成している。従って、水路９は、各ノズル２，３のテーパ面２ｂ，３ｂとの間に形成された環状の冷却水通路８と連通し、且つ６つの独立した水路９として構成される。

アウターノズル３とインナーノズル２を一体化させて組み合わせ体としたとき、各ノズル２，３の基部２ｃ，３ｃの後端側の端面１０はノズルＡの軸心に対し直交する面と一致した略同一平面となる。そして、ノズルＡをプラズマトーチＢの本体１２に装着したとき、端面１０が給排水部材１６の前端側の面１６ａと面接触し、該給排水部材１６に形成された供給路２０，排水路２１と接続される。

即ち、ノズルＡをプラズマトーチＢの本体１２に装着することによって、該ノズルＡに形成された少なくとも３つの独立した水路９の何れかが給水路２０と連通し、且つ他の水路９の何れかが排水路２１と連通する。従って、ノズルＡに形成された環状の冷却水通路９は、何れかの水路９を介して供給路２０と接続されると同時に何れかの水路９を介して排水路２１と接続された冷却水の経路を構成することとなる。

尚、アウターノズル３の基部３ｃの外周にはＯリング７を装着するための溝３ｅが形成されている。

上記の如く構成されたノズルＡでは、インナーノズル２，アウターノズル３の基部２ｃ，３ｃの間に形成された６つの水路９の何れか１つ或いは２つの水路９に冷却水を供給すると、供給された冷却水は水路９から環状の冷却水通路８に導かれ、該冷却水通路８で壁部２ａと接触して冷却した後、供給された側の水路９とは反対側にある水路９から排水される。

従って、供給された冷却水は全てが確実に環状の冷却水通路８を流通することとなり、この過程で壁部２ａを冷却して実質的に噴射孔１を冷却することが可能となる。このため、噴射孔１を通過するプラズマアークに対する冷却効果が増大し、該プラズマアークをより細く絞ることが可能である。

次に本実施例に係るプラズマトーチＢの構成について図１〜図３により説明する。図に示すプラズマトーチＢは、電極１１及びノズルＡに供給される冷却水の流路を中心として記載されている。

プラズマトーチＢは、本体１２の中心に設けた電極台１３に電極１１を着脱し得るように構成されており、該電極１１の外周にプラズマガスを通過させる孔１４ａを有し且つ絶縁性を持った円筒状の絶縁体１４が配置され、絶縁体１４の外周に更にノズルＡが配置されている。そしてノズルＡに係合させたキャップ１５を本体１２に締結することで、ノズルＡの後端面１０が本体１２に設けた冷却水の給排水部材１６の面１６ａに面接触し、且つノズルＡ及び絶縁体１４が本体１２に固定されている。

給排水部材１６は、前端側の面１６ａは本体１２の軸心に対して直角面として形成されており、且つ前端側にノズルＡを受け入れる凹部１６ｂが形成されている。特に、凹部１６ｂにノズルＡを受け入れたとき、ノズルＡを構成するアウターノズル３の基部３ｃの外周に配置したＯリング７が凹部１６ｂの周縁と接触して冷却水の二次気流通路側への漏洩を防止し得るように構成されている。

給排水部材１６の面１６ａは、ノズルＡの後端面１０と略全面にわたって面接触し得るように構成される。例えば、ノズルＡの後端面１０が軸心に対し直角面として形成される場合、面１６ａはプラズマトーチの軸心に対し直角面として形成される。しかし、ノズルＡの後端面１０，給排水部材１６の面１６ａは共に軸心に対し同一角度を持ったテーパ面であっても良い。

本体１２には中心軸と一致して冷却管１７が設けられており、該冷却管１７に冷却水の供給管１８が接続されている。電極台１３に電極１１を取り付けることによって、該電極１１が冷却管１７の開放端側に対向して冷却管１７の内周側と外周側とに連続した水路１９が形成されている。この水路１９は穴からなり、本体１２の内部を通って給排水部材１６に形成された給水路２０に接続され、該給水路２０からノズルＡに接続される。また給排水部材１６には、中心軸を基準として給水路２０と対称位置に排水路２１が形成されており、該排水路２１に穴からなる水路２２が接続され、更に水路２２に図示しない排水管が接続されている。

図３に示すように、給水路２０，排水路２１は夫々水路１９，２２を構成する穴を基準とし、プラズマトーチＢの軸心を中心とする円弧状に形成された溝によって構成されている。しかし、必ずしも給水路２０と排水路２１の両方が円弧状の溝である必要はなく、少なくとも一方が円弧状の溝であれば良い。給水路２０，排水路２１を構成する溝の長さは、ノズルＡに形成された独立した水路９の長さ（後端面１０に於ける長さ）に対応した寸法を有している。

本実施例では、給水路２０，排水路２１は、これらの長さを基準として形成されるものではなく、給水路２０と排水路２１の間隔、これらの給水路２０，排水路２１を構成する溝の端部の間隔をノズルＡに形成された独立した水路９の幅よりも大きい寸法に設定し、給排水部材１６に於ける前記寸法の残り部分に給水路２０，排水路２１が形成される。即ち、ノズルＡをプラズマトーチＢの給排水部材１６に取り付けたとき、該ノズルＡに形成された独立した水路９が給水路２０，排水路２１の両方にかかることは好ましくはない。

従って、給水路２０，排水路２１の間隔を水路９の寸法を基準として設定することで、図５（ａ），（ｂ）に示すように、プラズマトーチＢにノズルＡを取り付けたときに、取付位置が如何なる状態であっても、一つの水路９が供給路２０，排水路２１の両方に連通することがない。

上記の如く構成されたプラズマトーチＢでは、供給管１８に冷却水を供給すると、供給された冷却水は、冷却管１８の内部に形成された水路１９を通って電極１１の裏面に接触して冷却する。その後、冷却管１８外周面と電極台１３との間に形成された水路１９を通り、給排水部材１６に形成された供給路２０に至り、ノズルＡに供給される。ノズルＡに供給された冷却水は、該ノズルＡを冷却した後、給排水部材１６に形成された排水路２１に排水され、その後、水路２２及び図示しない排水管を通ってプラズマトーチＢの外部に排水される。

上記の如くしてプラズマトーチＢ及びノズルＡを冷却した状態で、絶縁体１４を介して電極１１の周囲に形成されたプラズマ室２３にプラズマガスを供給し、電極１１とノズルＡとの間で放電させてパイロットアークを形成し、このパイロットアークをノズルＡ噴射孔から図示しない被切断材に向けて噴射し、パイロットアークが被切断材に到達した後、電極１１と被切断材との間で通電してプラズマアーク（メインアーク）を形成する。このプラズマアークによって被切断材を溶融させると共に溶融物を排除することで、被切断材には、排除された母材の部分が厚さ方向に貫通した溝として形成される。

従って、電極１１と被切断材との間の通電を維持した状態で、即ち、プラズマアークを形成した状態で、プラズマトーチＢと被切断材を相対的に所望の方向に移動させることで、被切断材に連続した溝を形成し、これにより、被切断材を所望の形状に切断することが可能である。

上記の如きプラズマトーチＢは、従来のノズルや内部冷却型ノズルを選択的に装着することが可能であり、これらのノズルを装着してプラズマ切断や溶融加工に利用することが可能である。

本実施例に係るプラズマトーチの構成を説明する断面図である。 図１に示すプラズマトーチの要部を拡大した断面図である。 給排水部材の説明図であり、冷却水の供給口と排出口の形状を説明する図である。 内部冷却型ノズルの構成を説明する断面図である。 内部冷却型ノズルをプラズマトーチに取り付けたときの水路と供給口，排水口との重なり状態を説明する図である。

符号の説明

Ａ ノズル
Ｂ プラズマトーチ
１ 噴射孔
２ インナーノズル
２ａ 壁部
２ｂ テーパ部，テーパ面
２ｃ 基部
２ｄ 分割片
２ｅ 平面
２ｆ 面２
２ｇ 溝
３ アウターノズル
３ａ 嵌合穴
３ｂ テーパ部，テーパ面
３ｃ 基部
３ｄ 内面
３ｅ 溝
４ 二次気流通路
５ 二次気流キャップ
５ａ 二次気流噴出口
６ 絶縁体
７ Ｏリング
８ 冷却水通路
９ 水路
１０ 端面
１１ 電極
１２ 本体
１３ 電極台
１４ 絶縁体
１４ａ 孔
１５ キャップ
１６ 給排水部材
１６ａ 面
１６ｂ 凹部
１７ 冷却管
１８ 供給管
１９，２２ 水路
２０ 給水路
２１ 排水路
２３ プラズマ室

Claims (2)

1. 中心にプラズマアークを噴射する噴射孔を形成したノズルが着脱可能に構成され、該ノズルを冷却する冷却水を流通させる冷却水通路を有するプラズマトーチであって、冷却水通路と接続されノズルに冷却水を供給する供給口と、冷却水通路と接続されノズルを通過した冷却水を排水する排水口と、を有し、前記供給口及び排水口又は何れか一方が冷却水通路と接続され且つ該冷却水通路の軸心に対して交叉する方向に延長された溝によって構成されていることを特徴とするプラズマトーチ。
2. ノズルに冷却水を供給する供給口とノズルを通過した冷却水を排水する排水口の両方或いは何れか一方を溝によって構成したとき、前記供給口の端部と排水口の端部との間隔が、予め設定された寸法を有することを特徴とする請求項１に記載したプラズマトーチ。