WO1989001281A1 - Structure de cathode d'un chalumeau au plasma - Google Patents

Description

明 細 書

プラ ズマ ト ー チ の 陰極構造

発明 の技術分野

こ の発明 は、 金属の 切断お よ び溶接な ど に利用 さ れ る プ ラ ズマ ト ー チ の 陰極構造 に 関 し 、 特 に 陰極材の 消耗量 を著 し く 低減せ し め る た め に 、 冷却効果を高め る と 共 に 陰極下端面内で放電点の移動 を可能 と し た移行型 プ ラ ズ マ ト ー チ の 陰極構造 に 関す る も の で あ る 。

発明 の技術背景

従来の プ ラ ズマ ト ー チ の 陰極構造 と し て、 例 え ば、 日 本溶接会編 「プ ラ ズマ切断の基礎 と 実際」 （ 1 9 8 3 年 1 2 月 1 日 発行、 廣済堂産報出版刊、 第 4 8 頁） に 示 さ れて い る よ う に棒状お よ び埋込式の 陰極構造があ る 。 ' 棒状陰極は、 ア ル ゴ ン 、 窒素、 水素な どの主 と し て不 活性ガス を作動ガス と し て利用 す る も の で 、 比較的小容 量の ト ー チ に採用 さ れ、 一方、 埋込み式陰極 は、 水冷銅 パイ プの先端部 に ハ フ ニ ウ ム や ジ ル コ ニ ウ ム な どを埋 め 込ん だ も の で、 主 と し て酸素や空気 な どの 酸化性作動ガ ス を利用 す る も の で、 比較的大容量の ト ー チ に採用 さ れ ま た、 非移行型 プ ラ ズ マ ト ー チ の 陰極構造 は 、 大容量 ト ー チ の場合、 種 々 の 形状、 構造の も の が考案 さ れて る 。 例 え ば、 前記棒状 ゃ埋込 み式の も の 以外 に 、 リ ン グ 状や 中空型 （ ホ ロ 一 力 ソ ー ド ） 構造の 陰極が用 い ら れて い る 。

移行型お よ び非移行型プラ ズマ ト ー チ に共通 し て、 一 つ の大 き な 問題点はプ ラ ズマ ア ー ク 発生 に と も な う 陰極 お よ び ノ ズルの急激な 消耗であ る 。 特に作動ガス に空気 や酸素な どの酸化性ガス が用 い ら れ る 場合 に は、 それ ら の寿命は著 し く 短 く な り 、 陰極に関 し て は 0 . 5 〜 3 時 間程度で交換が ^要に な る 程で あ る 。

従来、 陰極の こ の よ う な短時間の寿命に よ る 頻繁な 陰 極交換作 '業が必要で あ っ た め に 、 例え ばプラ ズマ 切断機 や プラ ズマ溶接機の数値制御 （ N C ) 化や、 そ れ ら の機 械の普及が著 し く 遅れてい る 。

と こ ろ で、 従来か ら 採用 さ れてい る 移行型プ ラ ズマ ト ー チ の陰極構造 と作動ガ ス の供給方式に は軸流式 と 旋回 流式 と 力 あ る こ と は良 く 知 ら れて い る 。 そ し て、 軸流お よ び旋回流の いずれの方式の こ れ ら 従来プ ラ ズマ ト ー チ に おい て は、 放電点が常時陰極の 中心に あ り 、 ブラ ズマ ア ー ク 発生の時間経過 と共 に陰極の消耗がそ の 中心部か ら著 し く 進行 し て行 く _。

こ の急激な 陰極消耗の 問題点を解決す る 一つ の方法 と し て プラ ズマ ア ー ク 発生中 に陰極面に お け る 放電点を絶 えず新 し い位置に移動せ し め る こ と が本願発明者 に よ つ て考案 さ れた。 そ の 考案力 1 8 5 年 8 月 2 9 日 付けで 出願 さ れた 日 本実用 新案登録願第 6 Q - 1 3 0 7 9 9 号 に開示 さ れてい る 。 こ の考案に基づ く 移行型プラ ズマ ト ー チ の陰 極構造が添付図面の第 1 図 に示 さ れ る も の で あ る 。

第 1 図 に お い て、 参照符号 1 0 は陰極 ホ ル ダー で あ り こ の 陰極ホ ルダー 1 0 の下端部 に は 陰極 1 1 が取 り 付 け て あ る 。 陰極 1 1 は そ の下端面 に半球面状 の 凹面 1 2 を 備え て い る 。 ま た 陰極ホ ルダ 1 0 に は コ イ ルや永久磁石 な どの磁力線発生装置 1 3 が設け て あ り 、 こ の磁力線発 生装置 1 3 は陰極 1 1 の上方で、 かつ 同軸心状 に配置 さ れ て い る 。 磁力線発生装置 1 3 力 コ イ ル の場合 は直流 コ ィ ルが使用 さ れる 。 -1^4 は作動ガス 旋回用 の ノ ズル、 1 5 は磁力線、 1 6 は電気力線、 1 7 は放電点、 1 8 は ブ ラ ズマ ア ー ク 、 1 9 は ノ ズルであ る 。

次 に第 1 図 に示 さ れ る プ ラ ズマ ト ー チ の 作動を説明す る

磁力線発生装置 1 3 が作動す る と 破線で示 さ れ る よ う な 磁力線 1 5 が形成 さ れ る 。 ま た 陰極 1 1 の下端面 に対 し て垂直方向 に電気力線 1 6 が形成 さ れ る た め 、 両者の べ ク ト ル積 （ E X B ) は、 電気力線べ ク ト ル E 及 び磁力 線べ ク ト ル B の そ れぞれの方向 の一致す る 中心軸 （対称 軸） 近傍を除 い て略陰極下端面全域 に わ た り 、 ゼ ロ でな い有効な 値、 すな わ ち E X B ≠ 0 、 を と る 。 図中 の放電 点 1 7 の近傍で そ の 値 は最大値を と る こ と が予想 さ れ る （ 従 っ て放電点 1 7 を駆動 さ せ る 力で あ る ロ ー レ ン ツ 力

F = j X B = σ E X B

も 同様 に最大値を と る こ と に な る 。 た だ し 、 σ は プ ラ ズ マ の導電率、 ま た 〗 は プ ラ ズマ を通過す る 電流密度で あ る 。 そ し て磁力線の配位 （磁場配位） 及び陰極形状 は軸 心対称で あ る た め、 第 1 図に示 さ れる よ う な放電点 1 7 の旋回運動が誘起 さ れる 。

上記第 1 図 に示 し た プラ ズマ ト ー チ の 陰極構造で は陰 極材の体積が大 き く な つ て し ま う の で、 冷却媒体に よ る 冷却効果が悪か っ た。 特に、 作動ガ ス に 、 酸素や空気な どの酸化性気体を使用す る 場合、 陰極材に ハ フ ニ ウ ム や ジ ノレ コ ニ ゥ ム な どが用 い ら れ る 場合が多 い。 ハ フ ニ ウ ム や ジ ル コ ニ ウ ム は熱伝動率が非常に小 さ い金属であ る た め、 こ れ ら の金属を陰極材 と し て用 い る と き 、 そ の体積 を大 き ぐす る と 、 放電点近傍の温度が上昇 し陰極の局地 的消耗量が大 き く な る と 言 う 欠点があ っ た。

発明 の 開示

本発明 は上記 こ と にかんがみな さ れた も の で、 そ の 目 的は冷却水な ど の冷却媒体に よ る 冷却効果を高め る こ と がで き る よ う に し た移行型プラ ズマ ト ー チ の陰極構造を 提供す る こ と であ る 。 .

ま た、 本発明 の も う 一つ の 目 的 は、 プ ラ ズマ ア ー ク 発 生中に陰極材の下端面上で放電点を絶えず移動可能に し た移行型プ ラ ズマ ト ー チ の 陰極構造を提供す る こ と であ る o

斯 く し て、 本発明 の 陰極構造に よ れば陰極材の 消耗量 を著 し く 低減せ し め る こ と がで き る 。 前記諸 目 的を達成す る た め に 、 本発明 に よ れば、 小径 円柱状の 陰極 と 、 該陰極を下端中央部で保持す る 冷却容 易 な構造の ホ ルダー と 、 そ し て前記陰極の下端面上 に て 発生す る 電気力線ベ ク ト ル E に対 し て、 E X B ≠ 0 と な る よ う な磁力線べ ク ト ル B を陰極軸心 に関 し て対称的 に 発生せ し め る よ う に前記陰極 と 同軸心状 に配置 さ れた磁 力線発生装置 と を含む移行型プ ラ ズマ ト ー チ の 陰極構造 が提供 さ れ る 。

図面.の 簡単な説明

第 1 図 は従来の移行型プラ ズマ ト ー チ の 陰極構造を示 す要部概略縱断面図であ り-、

第 2 図か ら第 5 図 は本発明 の移行型プ ラ ズマ ト ー チ の 陰極構造に係わ る それぞれ異な る 具体例を示す要部概略 断面図で * り 、 そ し て

第 6 図 は第 2 図 に示 さ れ る 本発明 の移行型 プラ ズマ ト ー チ の 陰極構造を用 い て実験 し た 際の運転時間 に対す る 陰極消耗量を示す グ ラ フ であ る 。

発明 の最良の 態様の説明

本発明 の移行型 プラ ズマ ト ー チ の 陰極構造を第 2 図か ら 第 5 図 に示 さ れ る そ れぞれ異な る 具体例 に 関 し て、 以 下 さ ら に詳細 に説明す る 。

第 2 図力、 ら 第 5 図 の 各図 に お い て、 参照符号 2 0 は水 冷式の 銅棒 に て構成 さ れた ホ ル ダ一 で あ り 、 冷却水 な ど の 冷却媒体 に よ り 容易 に かつ効果的 に 冷却 さ れ る よ う に な っ てい る 。 2 1 は こ の ホ ノレダー 2 0 の 中央下端部に埋 め込ま れた陰極であ る 。 こ の陰極 2 1 は小径の 円柱状 に な っ てお り 、 そ の先端面 に は、 第 2 図 に示すよ う に、 微 小な軸対称半球面状の 凹面 2 2 a が、 ま た は第 3 図 に示 すよ う に、 微小な軸対称円錐面状の 凹面 2 2 b がそれぞ れ設け ら れてい る 。 陰極 2 1 を保持す る ホ ルダ一 2 0 に は コ イ ルや永久磁石な どの磁力線発生装置 2 3 が設けて あ り 、 こ の磁力線発生装置 2 3 は陰極 2 1 の上方でかつ 陰極 2 1 と 同軸心状に、設置 さ れてい る 。 こ の磁力線発生 装置 2 3 が コ イ ルの場合 は直流 コ イ ルが使用 さ れ る 。 な お上記コ イ ル 2 3 は永久磁石 に代えて も よ い。

上記構成におい て、 第 2 図、 第 3 図に示すいずれの具 体例の場合 も 、 陰極 2 1 の下端面にて ロ ー レ ン ツ力

( F - σ E X B ) が '発生す る こ と は、 既に第 1 図 に関連 し て説明 し た通 り であ る 。 た だ し 、 上記式にお い て F は ロ ー レ ン ツ力、 Ε は電気力線べ ク ト ル、 Β は磁力線べ ク ト ル、 び は プ ラ ズマ の導電率であ る 。

そ し て、 第 1 図の従来の陰極構造 と 同様に、 第 2 図、 第 3 図 に示 さ れる 本発明 の 陰極構造の 各具体例 に おい て も 、 磁場配位お よ び陰極形状の いずれ も軸心対称に構成 さ れて い る の で、 プ ラ ズマ ア ー ク 2 5 の発生中に陰極下 端面 2 2 a ま た は 2 2 b に お け る プ ラ ズマ ア ー ク 2 5 の 放電点 2 4 に は旋回運動が誘起 さ れ、 放電点 2 4 は陰極 下端面上で絶え ず移動せ し め ら れ る 。 第 4 図、 第 5 図 は発明 に お け る さ ら に異 な る 形状の 陰 極具体例を示す も の で、 第 4 図 に示す陰極 2 1 a の先端 形状 は平面状 に な っ てお り 、 第 5 図 に示す陰極 2 l b の 先端形状は軸心対称の半球面状凸面 と な っ て い る 。 こ れ ら の両具体例 の う ち 、 前者の場合の ロ ー レ ン ン ッ カ は非 常 に 弱 く 、 ま た後者の場合 は、 口 一 レ ン ツ 力 は ほ と ん ど 誘起 さ れな い。 し 力、 し な 力 ら 、 こ の両具体例 に お け る 陰 極 2 1 a ， 2 1 b も そ の使用 の進行 に比例 し て消耗 さ れ 第 4 図、 第 5 図で鎖線で示すよ う に 凹面状 と な り 、 こ の 状態に な つ てか ら 第 2 図、 第 3 図 に そ れぞれ示 さ れ る 各 具体例 と 同等の 作用効果を奏す る よ う に な る 。

実 験 例

第 6 図 は本発明 に よ る 陰極構造の作用効果を確認す る た め に行な っ た実験例を示す も の で 、 縦軸 は 陰極消耗量 mg、 横軸 は運転時間 t ( m i n ) を示す。 こ の実験で使用 し た陰極 は第 2 図 に示す具体例 の形状を有 し て お り 、 材質 はハ フ ニ ウ ム で あ る 。 磁力線発生装置 に は 直流 コ イ ルを 用 い、 そ の 出力 は陰極,下端面上の磁束密度が 7 0 ガ ウ ス 程度 に な る よ う な も のであ る 。 作動ガ ス は酸素を使用 し 流量は 4 Q J? / jn i n、 プ ラ ズマ ア ー ク ノ ズル 1 9 の 口 径は 2 . 3 龍で あ る 。 ま た運転電流 は 1 ◦ 0 A で あ っ た 。

図中 は磁場を印加 し た場合、 C ₂ は磁場を 印加 し な か つ た場合を そ れぞれ示す '。

な お、 陰極の 冷却方式を空冷式 に し た場合で も 、 本発

^ ^ mm^^ ^ ^ + ^ m ^ ^ ^ ½

- 8 -

QLSOOLLSd£llDd 18 0 8 OAV

Claims

請求の範囲

1 .小径円柱状の 陰極 と 、 該陰極を下端中央部で保持す る 冷却容易 な構造を有す る ホ ルダー と 、 そ し て前記陰極の 下端面上 に て発生す る 電気力線べ ク ト ル E に対 し て、

E X B ≠ 0 と な る よ う な 磁力線ベ ク ト ル B を陰極軸心に 関 し て対称的 に発生せ し め る よ う に 、 前記陰極 と 同軸心 状 に配置 さ れた磁力線発生装置 と を含む移行型 プ ラ ズマ ト ー チ の 陰極構造。

2 .請求の範囲第 1 項に-記載の 陰極構造であ っ て、 前記ホ ルダ一 が水冷式鋦棒構造で あ る こ と を特徴す る 移行型プ ラ ズマ ト ー チ の陰極構造。

3 .請求の範囲第 1 項 に記載の 陰極構造であ っ て、 前記陰 極の下端面が軸心対称の微小な半球面状凹面を有す る こ と を特徴 と す る 移行型プ ラ ズマ ト ー チ の 陰極構造。

4 .請求の範囲第 1 項に記載の 陰極構造であ っ て、 前記陰 極の下端面が軸心対称の微小な 円錐面状凹面を有す る こ と を特徵 と す る 移行型プ ラ ズマ ト ー チ の 陰極構造。

5 .請求の範囲第 1 項 に記載の 陰極構造で あ っ て、 前記陰 極の下端面が平端面で あ る こ と を特徴 と す る 移行型 ブ ラ ズマ ト ー チ の 陰極構造。

6 .請求の範囲第 1 項 に 記載の 陰極構造で あ っ て 、 前記陰 極の下端面が軸心対称の微小 な 半球面状凸面を'有す る こ と を特徴 と す る 移行型 プ ラ ズマ ト ー チ の 陰極構造。