JP2007275971A - プラズマトーチ - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマガスの供給経路に設けるプラズマガスの供給を制御するバルブの位置を設定することでプラズマガスの消費量を可及的に少なくする。
【解決手段】プラズマトーチＡは、プラズマトーチＡの内部又は近傍に於けるプラズマガスを供給するガス供給路８にバルブ１０を設け、該バルブ１０の閉鎖作動をプラズマアークの停止時の電流変化に略同調させるように構成する。バルブ１０が、プラズマトーチの先端４ｂから距離６００ｍｍまでの範囲に設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プラズマガスの供給経路に於けるバルブの位置を設定することによって、プラズマガスの消費量を可及的に少なくすることができるプラズマトーチに関するものである。

プラズマトーチは、電極とノズルとで構成された空間にプラズマガスを供給し、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させることで母材を溶融、排除させると共に、予定された切断経路に沿って相対的に移動させることで切断を行うものである。

上記の如きプラズマトーチは、主として数値制御（ＮＣ）されるＮＣ切断装置に搭載されて使用される。この場合、プラズマトーチはＮＣ切断装置のクロスガーターに設けた横行キャリッジに搭載されており、このプラズマトーチに対するプラズマガスの供給を制御する電磁弁は、フレーム或いは横行キャリッジに固定され、プラズマトーチと電磁弁の間をホースによって接続しているのが一般的である。このようなＮＣ切断装置では、電磁弁の下流側にホースの容積及びプラズマトーチに於けるプラズマガス通路の容積とこれらを加えた容積を持った空間が構成されることとなる。

一方プラズマ切断では、プラズマガス流量とアーク電流値との間に所定の相関関係が成立したときに適正な切断が行われ、両者のバランスがくずれたとき、アーク放電が停止したり、シリーズアークが発生して電極が損傷することが知られており、この問題に対応するために、アーク電流値の変化に同調させてプラズマガスの流量を変化させることが行われている（例えば特許文献１参照）。

またプラズマトーチでは、電極の消耗を可及的に少なくするために、切断を終了する際に電極に対する通電を遮断した後、電極の周囲にアフターフローと呼ばれるプラズマガスを流れを所定時間保持し、その後、プラズマガスの供給を停止することが行われている。

特許第３２３１８９９号公報

プラズマトーチと電磁弁との間の距離が長くなるのに伴って、該電磁弁からプラズマトーチの先端までの間に形成されるプラズマガス流路の容積が大きくなる。このため、電磁弁を閉鎖したとき、前記プラズマガス流路に残留したプラズマガスがプラズマトーチの先端から大気に放出されるまでの時間が増加し、切断が終了してプラズマアークが停止した後もプラズマガスの放出が継続することになる。

即ち、電磁弁を閉鎖した後、一定量のプラズマガスはアフターフローを実現したとしても、他の多くのプラズマガスは大気に流出することとなり、経済的に無駄が生じるという問題がある。

また、電磁弁からプラズマトーチの先端までの間に形成されるプラズマガス流路の容積が大きくなるのに伴って、電磁弁を閉鎖したときの該電磁弁よりも下流側のプラズマガス流路に於ける圧力降下に時間が掛かり、電極の周囲に対するプラズマガスの供給が多くなって該電極に損傷を与える虞が生じる。

本発明の目的は、プラズマガスの供給経路に設けるプラズマガスの供給を制御するバルブの位置を設定することでプラズマガスの消費量を可及的に少なくすることができる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、供給されたプラズマガスをプラズマ化して先端から被切断材に向けて噴射して切断するプラズマトーチであって、プラズマトーチの内部又は近傍に於けるプラズマガスの供給経路にプラズマガスの供給を制御するバルブを設け、該バルブの閉鎖作動をプラズマアークの停止時の電流変化に略同調させるように構成したものである。

上記プラズマトーチに於いて、バルブが、電磁弁、モーターバルブ、電空レギュレーター、定流量素子の中から選択された何れかであることが好ましく、バルブが、プラズマトーチの先端から６００ｍｍまでの範囲に設けられていることがより好ましい。

本発明に係るプラズマトーチでは、プラズマトーチの内部又は近傍に於けるプラズマガスの供給経路にプラズマガスの供給を制御するバルブを設け、このバルブの閉鎖作動をプラズマアークの停止時の電流変化に略同調させることによって、電流の変化に対応させたアフターフローを実現することができ、且つプラズマガスの無駄な消費を削減することができる。

また、バルブを、電磁弁、モーターバルブ、電空レギュレーター、定流量素子等の中から選択することによって、プラズマアークの停止時に於ける電流の変化に対応させてプラズマガスの供給を制御することができる。

更に、バルブを閉鎖したとき、バルブからプラズマトーチ先端までの間に形成されるプラズマガスの供給経路の容積中に充満したプラズマガスの圧力降下に伴う流れによって、アフターフローを実現することができる。そして、バルブを、プラズマトーチの先端から６００ｍｍまでの範囲に設けることによって、アフターフローに必要な量を満足させることができ、且つプラズマアークを停止させる際の電流変化に略同調したプラズマガスのアフターフローを実現することができる。このため、プラズマガスの無駄な消費を少なくすることができる。

以下、本発明に係るプラズマトーチの最も好ましい実施形態について説明する。本発明のプラズマトーチは、プラズマガスの供給経路に於けるバルブの位置を設定することによって、無駄に消費されるプラズマガスの量を可及的に少なくしたものであり、プラズマトーチに対する通電の遮断と同時にバルブを閉鎖させることで、電極の周囲に対し適度なプラズマガスを供給してアフターフローを行わせるようにしたものである。

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、この状態を維持してプラズマトーチと被切断材とを相対的に移動させることで切断し得るように構成されている。

このようなプラズマトーチでは、プラズマアークを停止する際にプラズマトーチに通電しているアーク電流を一気に遮断すると、電極に無負荷電圧が印加されることとなり、高温状態にある電極の消耗が進行するという問題があり、本件出願人は、前記問題を解決することができる発明をし、既に特許第３４６８８６４号として取得している。

以下、本実施例に係るプラズマトーチの構成について図を用いて説明する。図１はプラズマトーチの構成を模式的に説明する図である。図２はトーチ先端から電磁弁までの距離に応じた配管容量を説明する図である。図３はトーチ先端から電磁弁までの距離に応じた電磁弁閉鎖と圧力降下との関係を説明する図である。図４はトーチ先端から電磁弁までの距離に応じた電極の耐久時間の関係を説明する図である。

図１に示すプラズマトーチＡは、トーチ本体１の先端に電極２が着脱可能に取り付けられており、該電極２に対向してノズル３が配置され、更に、ノズル３の外周に二次ノズル４がキャップ５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。電極２とノズル３とによって室６が構成され、該室６に供給されたプラズマガスをプラズマ化してノズル３の孔３ａから噴射し得るように構成されている。またノズル３と二次ノズル５との間には二次気流通路７が構成され、ノズル３の孔３ａ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４の孔４ａから噴射し得るように構成されている。

またトーチ本体１の上端には、室６にプラズマガスを供給するためのガス供給路８が設けられると共に、電極２及びノズル３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３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。

ガス供給路８の所定位置にプラズマガスの供給を制御するバルブ１０が配置されている。またガス供給路８は、バルブ１０のプラズマトーチの先端４ｂからの距離が予め設定された長さを維持し得る構造であれば良く、必ずしも金属管によって構成されていなくとも良い。ガス供給路８を構成する配管径は予め設定されており、本実施例では内径が５ｍｍの配管を利用している。

プラズマトーチＡのトーチ本体１に構成されたガス供給路８に設けたバルブ１０の構造は特に限定するものではなく、ガス供給路８を介してプラズマガスの供給を制御する機能を有するものであれば良い。このようなバルブ１０としては、電磁弁、モーターバルブ、電空レギュレーター、定流量素子（例えばマスフロー（登録商標））等があり、これらの中から選択して利用することが可能である。

バルブ１０は、プラズマトーチＡの先端、即ち、トーチ本体１の先端に取り付けた二次ノズル４の先端面４ｂ（以下、プラズマトーチの先端４ｂともいう）からＬｍｍの位置に設けられている。このため、プラズマトーチの先端４ｂからバルブ１０までのガス供給路８の配管容量は、図２に示すように、バルブ１０の距離の変化に応じて変化する。

またプラズマトーチの先端４ｂからバルブ１０までの距離を変化させ、且つガス供給路８にプラズマガスを圧力０．４９ＭＰａで供給している状態でバルブ１０を閉鎖したとき、該バルブ１０よりも下流側のガス供給路８内の圧力降下を測定したところ、図３に示すように、当然のことながら、プラズマトーチの先端４ｂからバルブ１０までの距離が大きくなるのに従って、圧力降下の程度が緩やかになった。

このことは、プラズマトーチの先端４ｂからバルブ１０までの距離が大きくなるのに従って、電極２とノズル３とで構成される室６に於けるプラズマガスによる酸化性雰囲気が継続することを示している。

図３に於ける「アーク電流」は、前述した特許第３４６８８６４号の発明を実施するものであり、プラズマアークを遮断する際に、アーク電流を遮断する前に切断加工するときのアーク電流値よりも低い値のアーク電流を所定時間通電（図に示す低い位置に於ける平坦な部分）させ、電極に無負荷電圧が印加される前に電極の冷却を促して表面を凝固させるものである。

図３に明らかなように、切断加工するときのアーク電流値から該アーク電流値よりも低いアーク電流に移行する間の室６に於けるプラズマガスの圧力は、プラズマトーチの先端４ｂからバルブ１０までの距離が大きくなるのに従って高くなる。即ち、室６に於ける酸化性雰囲気が維持される。

切断加工するときのアーク電流値よりも低いアーク電流に変化させるのと同時にバルブ１０を閉鎖し、前記低い電流を所定時間通電させると共に、プラズマトーチの先端４ｂからバルブ１０までの距離を変化させたときの電極２の耐久性（耐久時間）を測定したところ、図４に示すように、プラズマトーチの先端４ｂからバルブ１０までの距離が大きくなるのに従って短くなるものの、距離Ｌが６００ｍｍから７００ｍｍに移行する間で大きな変化が生じている。

このことは、プラズマトーチの先端４ｂからバルブ１０までの距離が大きくなるのに従って、室６に於けるプラズマガスの圧力が高く、酸化性雰囲気が維持されることに起因するものと考察される。

上記の如く、図３、４の結果を考慮したとき、プラズマトーチの先端４ｂからバルブ１０までの距離Ｌは６００ｍｍよりも小さいことが電極２の寿命を延長する上で好ましいといえる。また、前記距離Ｌが６００ｍｍを超えると、電極２の寿命が短くなり、室６に供給されたプラズマガスは電極２の寿命の延長に何ら寄与していないこととなる。即ち、室６に供給されたプラズマガスは無駄に消費されたこととなる。

従って、バルブ１０をプラズマトーチの先端４ｂから距離６００ｍｍ以内の位置に配置すると共に、該バルブ１０の閉鎖をプラズマアークの停止時の電流変化に同調させるように、切断時のアーク電流値から該アーク電流値よりも低い値のアーク電流に変化させるのと同期させて閉鎖させることで、アーク電流の変化とバルブ１０よりも下流側のガス供給路８に於ける残ガスが大気圧まで降下する際の変化とが略同調させることが可能となり、電極２の寿命を短くすることなく、プラズマガスの無駄な消費を少なくすることが可能となる。

上記の如く構成されたプラズマトーチＡでは、切断終了時に於けるアーク電流の制御とバルブ１０の閉鎖を同時に行って、プラズマガスの供給経路に残留したプラズマガスの圧力降下をアーク電流値の降下と略同調させることが可能となる。このため、プラズマガスの無駄な消費を可及的に少なくすることが可能となり有利である。

プラズマトーチの構成を模式的に説明する図である。 トーチ先端から電磁弁までの距離に応じた配管容量を説明する図である。 トーチ先端から電磁弁までの距離に応じた電磁弁閉鎖と圧力降下との関係を説明する図である。 トーチ先端から電磁弁までの距離に応じた電極の耐久時間の関係を説明する図である。

符号の説明

Ａ プラズマトーチ
１ トーチ本体
２ 電極
３ ノズル
３ａ 孔
４ 二次ノズル
４ａ 孔
４ｂ 先端面、プラズマトーチの先端
５ キャップ
６ 室
７ 二次気流通路
８ ガス供給路
１０ バルブ

Claims (3)

1. 供給されたプラズマガスをプラズマ化して先端から被切断材に向けて噴射して切断するプラズマトーチであって、プラズマトーチの内部又は近傍に於けるプラズマガスの供給経路にプラズマガスの供給を制御するバルブを設け、該バルブの閉鎖作動をプラズマアークの停止時の電流変化に略同調させるように構成したことを特徴とするプラズマトーチ。
2. 前記バルブが、電磁弁、モーターバルブ、電空レギュレーター、定流量素子の中から選択された何れかであ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。
3. 前記バルブが、プラズマトーチの先端から６００ｍｍまでの範囲に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載したプラズマトーチ。
   

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