プラズマ切断装置用ノズル及びプラズマトーチ
【課題】ノズル内面に電極材が付着して切断品質が低下するのを抑える。
【解決手段】このプラズマ切断装置用ノズル６は、先端側に配置されたワークにプラズマジェットを噴出してワークを切断するためのプラズマ切断装置に用いられ、ハフニウム又はジルコニウムからなる電極３の先端部が内部に配置されるとともに電極３との間に酸素を含む作動ガスが供給されるものである。このノズル６は、筒状部６ａと、先端部６ｂと、を備えている。筒状部６ａは、内周部に形成され先端側に向かうほど径が小さくなるテーパ内面２５ｂと、外周部に形成され冷却液によって冷却される水冷面２２と、テーパ内面２５ｂに形成されたセラミック系材料の被膜Ｃと、を有する。先端部６ｂは、筒状部６ａの先端側に形成され、テーパ内面２５ｂのさらに先端側に形成されたオリフィス２６を有する。
【解決手段】このプラズマ切断装置用ノズル６は、先端側に配置されたワークにプラズマジェットを噴出してワークを切断するためのプラズマ切断装置に用いられ、ハフニウム又はジルコニウムからなる電極３の先端部が内部に配置されるとともに電極３との間に酸素を含む作動ガスが供給されるものである。このノズル６は、筒状部６ａと、先端部６ｂと、を備えている。筒状部６ａは、内周部に形成され先端側に向かうほど径が小さくなるテーパ内面２５ｂと、外周部に形成され冷却液によって冷却される水冷面２２と、テーパ内面２５ｂに形成されたセラミック系材料の被膜Ｃと、を有する。先端部６ｂは、筒状部６ａの先端側に形成され、テーパ内面２５ｂのさらに先端側に形成されたオリフィス２６を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ切断に用いられるプラズマ切断装置用のノズル及びそれを含むプラズマトーチに関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ切断装置は、プラズマアークを噴射して金属板等のワークを熱切断する装置である。プラズマ切断装置にはプラズマトーチが設けられており、プラズマトーチは消耗部品としての電極及びノズルを有している。
【０００３】
このようなプラズマ切断装置では、プラズマトーチの電極とワークとの間にプラズマアークが発生する。プラズマアークはノズルで細く絞り込まれ、これにより高温かつ高圧のプラズマジェットが生成される。そして、プラズマジェットがワークに噴射されることにより、ワークが切断される。ここで、プラズマアークは以下のような過程により生成されることが知られている。
【０００４】
まず、電極とノズルとの間に、小流量のプラズマガスが供給され、プラズマガスの流れが生成される。この状態で、電極に高電圧が印加されると、電極とノズルの内面との間に絶縁破壊が発生する。そして、この絶縁破壊をトリガーにして電極とノズルとの間にパイロットアークが発生する。パイロットアークは、プラズマガスの流れに乗ってワークまで延びる。そして、プラズマガスの流量及び電流を増大させることにより、電極とワークとの間にプラズマアークが生成される。
【０００５】
以上のようなプラズマ切断装置において、特許文献１の従来技術の欄には、ノズルの長寿命化を図るために、ノズル先端等にセラミックをコーティングすることが示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、ノズルの長寿命化のために、電極材（ハフニウム）の形状について改良することが示されている。具体的には、電極材としてのハフニウムは、動作中に融点を超える高温で液状になっており、ハフニウムの放出面を平坦な形状にしたまま使用を開始すると、溶融ハフニウムが飛散し、ノズル内面に付着することが示されている。そして、このノズル内面に付着したハフニウムが不測のアーク（ダブルアーク）を誘起することが示されており、これを抑えるために、ハフニウムの先端中央部に凹部を設けることが示されている。これにより、飛散する溶融ハフニウムがノズル内面に付着することが抑えられ、ノズルの長寿命化が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１−９９７８３号公報
【特許文献２】特表平１０−５０４７６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
電極に設けられる電極材は、一般的にハフニウムやジルコニウムが用いられる。電極材としてハフニウムを用い、プラズマガスとして酸素を用いたプラズマ切断装置においては、ある程度の切断回数あるいは切断時間が経過すると、ハフニウム電極の損耗と切断品質の劣化が進行する。これは、損耗したハフニウムが飛散してノズル内壁面に付着し、この付着したハフニウムが切断品質の劣化の要因となるからである。なお、損耗したハフニウムが飛散してダブルアークの原因になることは、特許文献２にも示されている。
【０００９】
また、以上のような飛散したハフニウムが切断品質に与える悪影響について、本件発明者らの研究によって、以下のような事実が判明した。
【００１０】
すなわち、ハフニウム及びその酸化物等がノズル内壁面に付着し堆積すると、ノズルの内壁面に凹凸が生じる。このため、プラズマアークの流れが乱され、指向性が悪化する。これにより、ワークの切断面の粗さ、直角性等の品質の低下を招くことになる。
【００１１】
以上のことは、ノズル内壁面に付着したハフニウムを除去することで、劣化した切断品質が復帰することでも証明できた。
【００１２】
ここで、特許文献１に示された技術は、電極とノズルとの間、あるいはノズルと被加工物との間に生じるダブルアークに対処するために、ノズルの内面や先端面にセラミック被膜や高融点金属層を形成するものである。
【００１３】
そこで、特許文献１に示されるようなセラミック等の被膜をノズル内面に形成し、飛散した溶融ハフニウムがノズル内面に付着しにくいようにすることが考えられる。しかし、前述の損耗したハフニウムが被膜表面に付着し、被膜を損傷させながら、この被膜をノズル内面から離脱させることが予想される。しかも、このような現象は切断処理中において継続して生じる。より詳細には、断続的な切断処理の繰り返しによって、ノズルは熱サイクルを受けることになる。そして、一般的にノズルは銅製であり、銅製ノズルとセラミックを主成分とする被膜とは異なる熱膨張率を有する。このため、ノズル温度が大きく上昇すると、ノズルと被膜との界面にストレスが作用し、被膜が剥離することになる。
【００１４】
以上のように、ノズル内面を被膜のみによって保護し続けることは困難であり、好適なノズル形状を維持できないと考えられる。なお、電極材がジルコニウムの場合も、同様の問題が生じる。
【００１５】
本発明の課題は、ノズル内面に電極材が付着して切断品質が低下するのを抑え、ノズルの長寿命化を図ることにある。より詳細には、ノズル内面等に被膜を形成した場合に、被膜によるノズル内面の保護効果が長期にわたって維持できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
第１発明に係るプラズマ切断装置用ノズルは、先端側に配置されたワークにプラズマジェットを噴出してワークを切断するためのプラズマ切断装置に用いられ、ハフニウム又はジルコニウムからなる電極の先端部が内部に配置されるとともに電極との間に酸素を含む作動ガスが供給されるものである。このプラズマ切断装置用ノズルは、筒状部と、先端部と、を備えている。筒状部は、内周部に形成され先端側に向かうほど径が小さくなるテーパ内面と、外周部に形成され冷却液によって冷却される冷却面と、内壁面に形成されたセラミック系材料の被膜と、を有する。先端部は、筒状部の先端側に形成され、テーパ内面のさらに先端側に形成されたオリフィスを有する。
【００１７】
このノズルがプラズマ切断装置に装着された場合、ノズルの内部には電極が配置される。そして、ノズルのテーパ内面と電極の外周縁との間の最短ギャップの位置で絶縁破壊が生じる。
【００１８】
ここでは、ノズルの筒状部内壁面にセラミック系材料の被膜が形成されているので、飛散した電極材が筒状部内壁面に付着しにくい。そして、ノズル外周部には冷却面が形成され、この冷却面が冷却液によって冷却される。このため、本発明のノズルをプラズマ切断装置に用いた場合、ノズル内面が高温になるのが抑えられ、ノズルの内壁面に電極材が付着するのをより抑えることができ、またノズルの内壁面に形成された被膜の剥離を抑えることができる。このため、切断品質の低下を抑え、ノズルの長寿命化を図ることができる。
【００１９】
第２発明に係るプラズマ切断装置用ノズルは、第１発明のノズルにおいて、セラミック系材料の被膜は、筒状部の内壁面のうちの、テーパ内面を含み電極と対向する面に形成されている。
【００２０】
ここで、テーパ内面とは、ノズル内面のうちの電極外周縁に最も近接する位置から先端側（オリフィス側）に向かう面を含む部分である。ノズルの内壁面には、このテーパ内面以外にも電極と対向する面が存在する。そこで、ここでは、テーパ内面だけではなく、電極と対向する他の面にもセラミック系材料の被膜が形成されている。このため、ノズル内面をより確実に保護することができる。
【００２１】
第３発明に係るプラズマ切断装置用ノズルは、第１又は第２発明のノズルにおいて、セラミック系材料の被膜は先端部のオリフィスの内面に形成されている。
【００２２】
ここで、本件発明者らの研究によって、切断品質の悪化につながる要因として、以下のことがわかった。
【００２３】
ハフニウム及びその酸化物等がノズルのオリフィス内壁面に付着し堆積すると、オリフィス内壁面に凹凸が生じ、オリフィスの軸対称性が維持されなくなる。このようなオリフィスの損傷は、プラズマアークの拡がり、曲がり、歪みを発生させ、結果的に、ワークの切断面の粗さ、直角性等の品質の低下を招くことになる。
【００２４】
そこで、この第３発明では、オリフィス内面にセラミック系材料の被膜を形成している。このため、特にオリフィスの損傷が抑えられ、比較的長期にわたって初期のオリフィス形状が維持され、切断品質の低下を抑え、ノズルの長寿命化を図ることができる。
【００２５】
第４発明に係るプラズマ切断装置用ノズルは、第１から第３発明のいずれかのノズルにおいて、筒状部の冷却面は冷却液が直接接触するように設けられている。
【００２６】
ここで、前述のように、セラミック系材料の被膜をノズル内壁面に形成することは、ノズル内壁面を保護し、ノズルの長寿命化に有効である。しかし、セラミック系材料の被膜を冷却面にまで設けると、この冷却面に設けられたセラミック系材料の被膜はノズル内部の冷却の妨げになる。
【００２７】
そこで、この第４発明では、冷却面には被膜を形成しないようにしている。このため、冷却効果がセラミック系材料の被膜によって妨げられることはない。
【００２８】
第５発明に係るプラズマ切断装置用ノズルは、第１から第４発明のいずれかのノズルにおいて、筒状部はテーパ内面とオリフィスとをつなぐ曲面を有しており、セラミック系材料の被膜はこの曲面に形成されている。
【００２９】
ここで、ノズルのオリフィス入口部、すなわちテーパ内面とオリフィスとの境界部は、プラズマガスが収斂する領域である。本件発明者の一連の実験によれば、この部分は、他のノズル内面に比較して電極材が集中して付着することが判明した。このため、テーパ内面とオリフィスとの境界をエッジにしたまま、この境界部にセラミック系材料の被膜を形成しても、被膜がダメージを受けて剥離しやすい。
【００３０】
そこで第５発明では、テーパ内面とオリフィスとの間に曲面が形成され、この曲面にセラミック系材料の被膜が形成されている。このような構成により、オリフィス入口部においてプラズマガスを整流する効果が得られる。このガス整流効果によって、飛散した溶融電極材の排出が促進され、ノズル内面に溶融電極材が付着するのを抑えることができる。このため、ノズル内面へのダメージを抑制できる。
【００３１】
第６発明に係るプラズマ切断装置用ノズルは、第１から第５発明のいずれかのノズルにおいて、筒状部の冷却面には冷却用フィンが設けられている。
【００３２】
冷却フィンを設けたノズルでは、ノズルの冷却能力が高くなり、ノズル内面の温度を低く保つことができる。このため、ハフニウム付着時の被膜の温度を低く抑えることが可能になり、被膜の劣化を抑制できる。
【００３３】
第７発明に係るプラズマ切断装置用ノズルは、第１から第６発明のいずれかのノズルにおいて、被膜はボロンナイトライドを含む材料により形成されている。
【００３４】
第８発明に係るプラズマトーチは、プラズマ切断装置に設けられるものであって、第１から第７発明のいずれかに記載のノズルと、先端外周縁部がノズルのテーパ内面に対向するように配置された電極と、を備えている。
【００３５】
第９発明に係るプラズマトーチは、第８発明のプラズマトーチにおいて、電極は、先端に形成され中央に凹部を有する放出面を有する電極基体と、電極基体の放出面の凹部に配置された電極材と、を備えている。また、電極材の先端面には内部に凹む凹部が形成されている。
【００３６】
ここでは、先端放出面に凹部を有する電極材を用いている。このため、初期段階で飛散する電極材が少なくなり、ノズル内面に電極材が付着するのをより抑えることができる。
【発明の効果】
【００３７】
以上のような本発明では、ノズル内面に形成されたセラミック系材料の被膜によって、飛散する電極材からノズル内面を保護することができる。また、本発明のノズルは、外周部に冷却面が設けられており、ノズルを冷却することが可能であるので、電極材の被膜への付着を抑えるとともに、ノズル内面から被膜が剥離するのを抑えることができる。このため、本ノズルをプラズマ切断装置に用いることによって、切断品質が低下するのを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】プラズマトーチの断面図。
【図２】プラズマトーチ先端部の拡大断面図。
【図３】ノズルの拡大断面図。
【図４】ノズルの外観図。
【図５】ノズルの別の例の外観図。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマトーチ１の中心軸線（以下、単に「軸線」と呼ぶ）を含む平面での断面図である。
【００４０】
［全体構成］
プラズマトーチ１は、鋼板などの金属材料を切断するためのプラズマ切断機に備えられるものである。図示されていないが、プラズマ切断装置は、プラズマトーチ１にパイロットアークやプラズマアークを発生させ、且つ、プラズマアークを制御するためのアーク電源回路及び制御装置を備えている。また、プラズマ切断装置は、プラズマトーチ１へ酸素を含む作動ガスとしてのプラズマガス及びアシストガスを供給するガス供給システム、及び、プラズマトーチ１へ冷却液を供給する冷却システムなどの装置を備えている。
【００４１】
プラズマトーチ１は、トーチ本体２、電極３、第１案内部材４、第２案内部材５、ノズル６、キャップ部７などを有する。トーチ本体２、電極３、第１案内部材４、第２案内部材５、ノズル６、及びキャップ部７は、同軸に配置されている。
【００４２】
［トーチ本体］
トーチ本体２は、ベース部１１、電極支持部１２、ノズル支持部１３、冷却パイプ１４、ホルダ１５、冷却液供給パイプ１６、冷却液排出パイプ１７などを有する。ベース部１１、電極支持部１２、ノズル支持部１３、冷却パイプ１４は同軸に配置されている。
【００４３】
ベース部１１は概ね円筒状に形成されている。ベース部１１の内部には空間が形成されており、この内部空間に、電極支持部１２、冷却液供給パイプ１６及び冷却液排出パイプ１７が挿入されている。ベース部１１の先端部には、ベース部１１の内部空間に連通する孔１１ａが形成されている。
【００４４】
電極支持部１２は、概ね円筒状に形成されてベース部１１の孔１１ａに挿入されており、先端部（図１の下方端部）に電極３を支持している。電極支持部１２の外面とベース部１１の内面との間には、例えばＯリングなどのシール部材Ｓ１が設けられている。電極支持部１２は、金属製であり、例えば銅によって形成されている。電極支持部１２は、図示しない電気配線を介してアーク電源回路へ接続される。電極支持部１２は軸線方向に貫通する孔１２ａを有している。
【００４５】
ノズル支持部１３は、概ね円錐状に形成されて軸線方向に貫通する孔１３ａを有しており、先端部にノズル６を支持している。ノズル支持部１３は、ベース部１１の先端部に取り付けられ、電極支持部１２の先端部外周を覆っている。ノズル支持部１３の内面は、電極支持部１２の外面に対して間隔を空けて配置される。これにより、ノズル支持部１３の内面と電極支持部１２の外面との間には、プラズマガスが通るプラズマガス通路Ｐ１が形成されている。プラズマガス通路Ｐ１は、図示しないガス供給パイプを介してガス供給システムに接続されている。ノズル支持部１３は、金属製であり、例えば銅によって形成されている。また、ノズル支持部１３は、図示しない電気配線を介してアーク電源回路に接続される。
【００４６】
冷却パイプ１４は、冷却液供給パイプ１６からの冷却液を電極３に導いて電極３を冷却するものであり、電極支持部１２の孔１２ａ内に配置されている。冷却パイプ１４の基端部（図１において上方端部）はベース部１１の内部空間内に配置され、先端部は電極支持部１２の先端部から突出している。冷却パイプ１４の外面と電極支持部１２の内面との間には空間が形成されており、この空間はベース部１１の内部空間と連通している。また、冷却パイプ１４の外面は、電極３の内面に対して間隔を空けて配置されている。
【００４７】
ホルダ１５は、概ね円筒状に形成されてベース部１１の外周に嵌合されており、キャップ部７を支持している。ホルダ１５の外周面には、後述するナット１８の雌ネジ部と螺合する雄ネジ部が形成されている。
【００４８】
冷却液供給パイプ１６は、冷却システムからの冷却液を冷却パイプ１４へ送るためのパイプであり、ベース部１１の内部空間に挿入されている。この冷却液供給パイプ１６の基端部は冷却システムに接続され、先端部はベース部１１の内部空間内において冷却パイプ１４の基端部に接続されている。
【００４９】
冷却液排出パイプ１７は、冷却液をベース部１１の内部空間から冷却システムへ送るためのパイプであり、ベース部１１の内部空間に挿入されている。この冷却液排出パイプ１７の基端部は冷却システムに接続され、先端部はベース部１１の内部空間内に配置されている。
【００５０】
以上のような構成により、冷却液供給パイプ１６から冷却パイプ１４を介して供給された冷却液は、電極３に導かれ、その後、冷却パイプ１４の外面と電極３の内面との間の空間を通過し、さらに冷却パイプ１４の外面と電極支持部１２の内面との間の空間を通過して、ベース部１１の内部空間に送られる。
【００５１】
［電極］
電極３は、図１に示すように、概ね円筒状に形成されており、基端部が電極支持部１２の孔１２ａに挿入され、電極支持部１２に着脱可能に取り付けられている。電極３の基端部が電極支持部１２の孔１２ａに挿入された状態では、冷却パイプ１４の先端部が電極３の内部空間内に配置されている。また、電極３と電極支持部１２との間の隙間は、図示しないシール部材によって封止されている。これにより、電極支持部１２の孔１２ａの先端側が閉塞される。さらに、電極３は、電極支持部１２と接触することによって電極支持部１２と電気的に接続されている。
【００５２】
また、電極３は、図２に拡大して示すように、電極基体３５と電極材３６とを有している。電極基体３５は、先端部が閉じられ基端部が開放された概ね円筒状の部材である。電極基体３５は、金属製であり、例えば銅によって形成されている。電極基体３５の外周面には径方向外方に突出するフランジ１９が形成されており、さらに内部には空間が形成されている。フランジ１９の一方の面は電極支持部１２の先端部と接触し（図１参照）、他方の面は第１案内部材４と接触している。また、電極３の内部空間は、基端側は開放され、先端側は閉塞されている。
【００５３】
電極基体３５の先端部には、テーパ面３８と放出面３９とが形成されている。テーパ面３８は、電極基体３５の外周面から先端側（放出面３９側）に行くにしたがって径が小さくなる形状である。放出面３９は軸線と直交する平坦な面であり、その中央部には内部に凹む凹部４１が形成されている。放出面３９の裏側には、基端部へ向けて突出する凸部４３が形成されている。図１に示すように、冷却パイプ１４の先端部は、この凸部４３の外側を覆うように配置されている。
【００５４】
電極材３６は、熱電子高放出性材料であるハフニウム（hafnium：Ｈｆ）又はジルコニウム（Zirconium：Ｚｒ）で形成されている。電極材３６は、電極基体３５の凹部４１に挿入され、ろう付けにより固定されている。電極材３６は、概ね円筒状に形成されており、先端部には、基端側へ向けて凹む凹部３６ａが形成されている。
【００５５】
［第１案内部材］
第１案内部材４は、図２に示すように、概ね円筒状に形成され、基端側に大径部２０を有し、先端側に小径部２１を有している。また、第１案内部材４は絶縁性を有する材料で形成されている。第１案内部材４は、ノズル６の内部において、基端側に配置されている。第１案内部材４は軸線方向に貫通する孔４ａを有し、この孔４ａ内に電極３が挿入されている。このように、第１案内部材４は、電極３とノズル６との間に配置されることにより、電極３とノズル６とを電気的に絶縁している。なお、第１案内部材４の内面と電極３の外面との間にはシール部材Ｓ２が設けられ、第１案内部材４の外面とノズル６の内面との間にはシール部材Ｓ３が設けられている。
【００５６】
また、第１案内部材４は、軸線方向において、電極３のフランジ部１９の先端側に配置されている。第１案内部材４の基端部はフランジ部１９に接触している。第１案内部材４の大径部２０の外周面には、軸線方向に延びる複数の溝４ｂが形成されている。この複数の溝４ｂの先端側は、第１案内部材４とノズル６の内面との間の空間に連通し、溝４ｂの基端側の側部は、ノズル支持部１３の内面と電極支持部１２の外面との間のプラズマガス通路Ｐ１に連通している。
【００５７】
［第２案内部材］
第２案内部材５は、図２に示すように、軸線方向に貫通する孔５ａを有する概ね環状の部材である。第２案内部材５の孔５ａには、電極３及び第１案内部材４の小径部２１が挿入されている。従って、第２案内部材５は、径方向において、ノズル６の内面と第１案内部材４の小径部２１との間に配置されている。また、第２案内部材５は、軸線方向において、第１案内部材４の大径部２０とノズル６の内面との間に配置されている。この第２案内部材５の先端側端面には、内部と外部と連通する複数の溝５ｂが設けられている。各溝５ｂは、径方向及び周方向に対して斜めに延びている。この第２案内部材５の溝５ｂを通過したプラズマガスは、電極３の外周を旋回するように流れる。
【００５８】
［ノズル］
ノズル６は、銅製であり、図２及び図３に示すように、概ね円筒状に形成されている。このノズル６は、基端側から順に、内部に空間を有する筒状部６ａと、筒状部６ａの先端側に形成された先端部６ｂとを有している。
【００５９】
ノズル６の筒状部６ａの外周部には冷却面２２が形成されている。より詳細には、ノズル６の筒状部６ａの周囲には、後述するように冷却液が通過する冷却液通路Ｐ２が形成されている。そして、筒状部６ａの外周部に形成された冷却面２２が、冷却液通路Ｐ２の一方の壁面を構成している。冷却面２２は筒状部６ａの先端側に形成されており、この冷却面２２には冷却用フィン２２ａが設けられている。冷却用フィン２２ａの外観を図４に示している。ここでは、円周方向及び軸線方向の両方向に沿って形成された凹凸によって冷却用フィン２２ａが形成されている。なお、図５に示すように、軸線方向のみに沿った凹凸によって冷却用フィン２２ａ’が形成されていてもよい。
【００６０】
筒状部６ａの外周面において、冷却面２２の基端側には、径方向に突出する突出部２３が形成されている。この突出部２３の上面２３ａとノズル支持部１３の先端部との間には、図示しない電気接触子が配置されている。この電気接触子を介して、ノズル６はノズル支持部１３と電気的に接続されている。
【００６１】
筒状部６ａの内部空間には、収納部２４及び電極対向部２５が形成されている。収納部２４には、電極３、第１案内部材４、及び第２案内部材５が収納されている。電極対向部２５は電極３の先端部と対向する部分であり、第１対向面２５ａ及び第２対向面２５ｂを有している。第１対向面２５ａは、電極対向部２５において基端側に形成され、軸線方向に平行な面である。また、第２対向面２５ｂは、第１対向面２５ａに連続して先端側に形成されており、先端側に向かって径が小さくなるテーパ面である。すなわち、第２対向面２５ｂはテーパ内面となっている。電極対向部２５の各対向面２５ａ，２５ｂと電極３の外周面との間には隙間が形成され、プラズマガスが流れる通路が形成されている。第２対向面（テーパ内面）２５ｂのさらに先端側には、曲面２５ｃが形成されている。
【００６２】
先端部６ｂは、ほぼ円錐状に形成されており、中心部には軸線方向に貫通するオリフィス２６が形成されている。このオリフィス２６は、曲面２５ｃを介して第２対向面２５ｂに連続している。また、先端部６ｂの下端には、軸線方向と直交する平坦な先端面２６ａが形成されている。オリフィス２６と先端面２６ａとの間（境界部）には面取り部２６ｂが形成されている。
【００６３】
ノズル６において、第１対向面２５ａと、テーパ内面としての第２対向面２５ｂと、オリフィス２６の内面と、面取り部２６ｂを含む先端面２６ａと、には、セラミック系材料であるボロンナイトライドの被膜Ｃがコーティングされている。図３において、被膜Ｃが形成された部分を太い破線で示している。なお、この実施形態では、電極対向部２５において、全内面に被膜Ｃが形成されているが、少なくとも第２対向面２５ｂのうちの、電極３との最短ギャップの位置（電極３の外周縁４４に最も近い位置）から先端側に形成されていればよい。電極材は、主に最短ギャップから先端側に飛散するからである。
【００６４】
ここで、ノズル６の筒状部６ａに形成された冷却面２２には、セラミック系材料の被膜は形成されていない。これは、セラミック系材料の被膜は熱伝導率が小さく、このようなセラミック系材料被膜を冷却面２２にコーティングすると、冷却液によるノズル内面への冷却効果が低下するからである。
【００６５】
また、第２対向面２５ｂのテーパ角度αは、この実施形態では90°に設定されている。テーパ角度αは、80°以上105°以下が好ましい。テーパ角度αを80°より小さくすると、電極３を十分に冷却可能にした状態でノズルに近づけることができないからである。また、テー角度αを105°より大きくすると、飛散した電極材がテーパ内面に到達しやすくなり、かつテーパ内面に長時間滞在しやすくなって、テーパ内面に被膜を形成しても、飛散した電極材によって被膜がダメージを受けやすくなるからである。
【００６６】
［キャップ部］
キャップ部７は、図１に示すように、トーチ本体２の先端に取り付けられ、ノズル６を覆う部材である。キャップ部７は、アウターキャップ３１と、インナーキャップ３２と、シールドキャップ３３とを有する。各キャップ３１，３２，３３は、概ね円錐台状に形成され、電極３及びノズル６と同軸に配置されている。
【００６７】
アウターキャップ３１は、ナット１８によってホルダ１５に固定されており、トーチ本体２の先端部とノズル支持部１３の外側を覆っている。また、アウターキャップ３１の内面とホルダ１５の外面との間にはシール部材Ｓ４が設けられている。アウターキャップ３１の先端には、軸線方向に貫通する孔３１ａが形成されている。
【００６８】
インナーキャップ３２はアウターキャップ３１の孔３１ａに挿入されている。インナーキャップ３２の外面とアウターキャップ３１の内面との間にはシール部材Ｓ５が設けられている。インナーキャップ３２には軸線方向に貫通する３２ａ孔が形成されており、この孔３２ａにはノズル６の先端部が挿入されている。そして、ノズル６の先端部がインナーキャップ３２の内面によって保持されている。ノズル６の先端部の外面とインナーキャップ３２の内面との間にはシール部材Ｓ６が設けられている。
【００６９】
アウターキャップ３１及びインナーキャップ３２の各内面は、ノズル支持部１３及びノズル６の筒状部６ａの外周部（冷却面２２）に対して間隔を空けて配置されている。これにより、ノズル６を冷却するための冷却液が通過する冷却液通路Ｐ２が構成されている。冷却液通路Ｐ２は、図示しない冷却液供給パイプ及び冷却液排出パイプを介して冷却システムに接続されている。
【００７０】
シールドキャップ３３は、アウターキャップ３１の孔３１ａに挿入され、ノズル６の先端部を覆っている。シールドキャップ３３の外面とアウターキャップ３１の内面との間にはシール部材Ｓ７が設けられている。シールドキャップ３３は、軸線方向に貫通し、ノズル６の孔６ａと同軸に形成された孔３３ａを有している。また、シールドキャップ３３の内面とノズル６の外面との間にはアシストガス通路Ｐ３が形成されている。アシストガス通路Ｐ３は、冷却液通路Ｐ２に対してシール部材Ｓ４によって遮断されており、アウターキャップ３１の内部に形成されたアシストガス供給通路Ｐ４に連通している。アシストガス供給通路Ｐ４は、図示しないガス供給パイプを介してガス供給システムに接続されている。
【００７１】
［作用及び効果］
このプラズマトーチ１では、まず、電極３とノズル６との間に、小流量のプラズマガスが流され、プラズマガスの流れが生成される。すなわち、ガス供給システムから、ノズル支持部１３の内面と電極支持部１２の外面との間のプラズマガス通路Ｐ１にプラズマガスが供給される。プラズマガスは、プラズマガス通路Ｐ１から、第１及び第２案内部材４，５に案内されて、旋回しながら電極３の外周を流れる。この状態で、電極３に高電圧が印加されると、電極基体３５の放出面３９の外周縁とノズル６の内面との間（最短ギャップ位置）に絶縁破壊が発生する。この絶縁破壊をトリガーにして電極３とノズル６の内面との間にパイロットアークが発生する。パイロットアークはノズル６内面の傾斜及び旋回するプラズマガスの流れに沿って中央部に移行し、さらにワークまで延びる。そして、プラズマガスの流量及び電流を増大させることにより、電極３とワークとの間にメインアークが生成される。
【００７２】
以上の処理において、プラズマが生成される際に、電極材であるハフニウムが溶融し、ノズル６の内面（特に、テーパ内面である第２対向面２５ｂ）及びオリフィス２６の内面に飛散する。しかし、ノズル６及びオリフィス２６の内面にはボロンナイトライド被膜Ｃが形成されているので、これらの内面に溶融ハフニウムは付着しにくい。しかも、ノズル６の筒状部６ａに形成された冷却面２２を通してノズル６の内面が冷却されているので、ノズル内面の温度上昇を抑えることができる。したがって、溶融ハフニウムが被膜Ｃに付着するのをより抑えることができ、さらに被膜Ｃのノズル内面からの剥離を抑えることができる。
【００７３】
また、第２対向面２５ｂのテーパ角度は90°に設定されているので、プラズマガスの流れがスムーズになる等の理由によって、溶融ハフニウムは、第２対向面２５ｂに対してより付着しにくい。また、溶融ハフニウムが第２対向面２５ｂに付着しても、堆積しにくい。さらに、第２対向面２５ｂとオリフィス２６とが曲面２５ｃを介して連続して形成されているので、プラズマガスがノズル内面から離れることなくスムーズにオリフィス２６に流入する。このため、溶融ハフニウムの排出が促進され、ノズル６及びオリフィス２６の内面に溶融ハフニウムが堆積するのを抑制することができる。
【００７４】
また、メインアークが発生した後は、ノズル６の先端面２６ａにも溶融ハフニウムやワークの溶融物が飛散する。しかし、この実施形態では、この先端面２６ａにもボロンナイトライド被膜Ｃが形成されているので、これらの溶融物の付着を抑えることができる。
【００７５】
以上から、ボロンナイトライド被膜Ｃの付着防止効果を長期にわたって良好に維持することができる。このため、特に、ノズル６の第２対向面２５ｂ（テーパ内面）やオリフィス２６の壁面が損傷を受けるのを抑えることができ、従来に比較して長時間にわたって良好な切断品質を維持することができる。すなわち、ノズル６の長寿命化が実現できる。
【００７６】
［他の実施形態］
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で、例えば以下のような種々の変更が可能である。
【００７７】
(a)ボロンナイトライド被膜Ｃは、第２対向面２５ｂにおいては、少なくとも電極３との最短ギャップ位置から先端側の曲面２５ｃにかけて形成されていればよい。また、ノズル６の面取り部２６ｂを含む先端面２６ａには、特に被膜が形成されていなくてもよい。
【００７８】
(b)冷却面については、冷却能力が十分な場合は特に冷却用のフィンを設けなくてもよい。
【００７９】
(c)被膜の材料はボロンナイトライドに限定されない。ボロンナイトライド以外のセラミック系材料を用いてもよい。
【符号の説明】
【００８０】
１ プラズマトーチ
３ 電極
６ ノズル
６ａ 筒状部
６ｂ 先端部
２２ 冷却面
２２ａ，２２ａ’ 冷却用フィン
２５ 電極対向部
２５ａ 第１対向面
２５ｂ 第２対向面(テーパ内面)
２５ｃ 曲面
２６ オリフィス
Ｃ ボロンナイトライド被膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ切断に用いられるプラズマ切断装置用のノズル及びそれを含むプラズマトーチに関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ切断装置は、プラズマアークを噴射して金属板等のワークを熱切断する装置である。プラズマ切断装置にはプラズマトーチが設けられており、プラズマトーチは消耗部品としての電極及びノズルを有している。
【０００３】
このようなプラズマ切断装置では、プラズマトーチの電極とワークとの間にプラズマアークが発生する。プラズマアークはノズルで細く絞り込まれ、これにより高温かつ高圧のプラズマジェットが生成される。そして、プラズマジェットがワークに噴射されることにより、ワークが切断される。ここで、プラズマアークは以下のような過程により生成されることが知られている。
【０００４】
まず、電極とノズルとの間に、小流量のプラズマガスが供給され、プラズマガスの流れが生成される。この状態で、電極に高電圧が印加されると、電極とノズルの内面との間に絶縁破壊が発生する。そして、この絶縁破壊をトリガーにして電極とノズルとの間にパイロットアークが発生する。パイロットアークは、プラズマガスの流れに乗ってワークまで延びる。そして、プラズマガスの流量及び電流を増大させることにより、電極とワークとの間にプラズマアークが生成される。
【０００５】
以上のようなプラズマ切断装置において、特許文献１の従来技術の欄には、ノズルの長寿命化を図るために、ノズル先端等にセラミックをコーティングすることが示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、ノズルの長寿命化のために、電極材（ハフニウム）の形状について改良することが示されている。具体的には、電極材としてのハフニウムは、動作中に融点を超える高温で液状になっており、ハフニウムの放出面を平坦な形状にしたまま使用を開始すると、溶融ハフニウムが飛散し、ノズル内面に付着することが示されている。そして、このノズル内面に付着したハフニウムが不測のアーク（ダブルアーク）を誘起することが示されており、これを抑えるために、ハフニウムの先端中央部に凹部を設けることが示されている。これにより、飛散する溶融ハフニウムがノズル内面に付着することが抑えられ、ノズルの長寿命化が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１−９９７８３号公報
【特許文献２】特表平１０−５０４７６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
電極に設けられる電極材は、一般的にハフニウムやジルコニウムが用いられる。電極材としてハフニウムを用い、プラズマガスとして酸素を用いたプラズマ切断装置においては、ある程度の切断回数あるいは切断時間が経過すると、ハフニウム電極の損耗と切断品質の劣化が進行する。これは、損耗したハフニウムが飛散してノズル内壁面に付着し、この付着したハフニウムが切断品質の劣化の要因となるからである。なお、損耗したハフニウムが飛散してダブルアークの原因になることは、特許文献２にも示されている。
【０００９】
また、以上のような飛散したハフニウムが切断品質に与える悪影響について、本件発明者らの研究によって、以下のような事実が判明した。
【００１０】
すなわち、ハフニウム及びその酸化物等がノズル内壁面に付着し堆積すると、ノズルの内壁面に凹凸が生じる。このため、プラズマアークの流れが乱され、指向性が悪化する。これにより、ワークの切断面の粗さ、直角性等の品質の低下を招くことになる。
【００１１】
以上のことは、ノズル内壁面に付着したハフニウムを除去することで、劣化した切断品質が復帰することでも証明できた。
【００１２】
ここで、特許文献１に示された技術は、電極とノズルとの間、あるいはノズルと被加工物との間に生じるダブルアークに対処するために、ノズルの内面や先端面にセラミック被膜や高融点金属層を形成するものである。
【００１３】
そこで、特許文献１に示されるようなセラミック等の被膜をノズル内面に形成し、飛散した溶融ハフニウムがノズル内面に付着しにくいようにすることが考えられる。しかし、前述の損耗したハフニウムが被膜表面に付着し、被膜を損傷させながら、この被膜をノズル内面から離脱させることが予想される。しかも、このような現象は切断処理中において継続して生じる。より詳細には、断続的な切断処理の繰り返しによって、ノズルは熱サイクルを受けることになる。そして、一般的にノズルは銅製であり、銅製ノズルとセラミックを主成分とする被膜とは異なる熱膨張率を有する。このため、ノズル温度が大きく上昇すると、ノズルと被膜との界面にストレスが作用し、被膜が剥離することになる。
【００１４】
以上のように、ノズル内面を被膜のみによって保護し続けることは困難であり、好適なノズル形状を維持できないと考えられる。なお、電極材がジルコニウムの場合も、同様の問題が生じる。
【００１５】
本発明の課題は、ノズル内面に電極材が付着して切断品質が低下するのを抑え、ノズルの長寿命化を図ることにある。より詳細には、ノズル内面等に被膜を形成した場合に、被膜によるノズル内面の保護効果が長期にわたって維持できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
第１発明に係るプラズマ切断装置用ノズルは、先端側に配置されたワークにプラズマジェットを噴出してワークを切断するためのプラズマ切断装置に用いられ、ハフニウム又はジルコニウムからなる電極の先端部が内部に配置されるとともに電極との間に酸素を含む作動ガスが供給されるものである。このプラズマ切断装置用ノズルは、筒状部と、先端部と、を備えている。筒状部は、内周部に形成され先端側に向かうほど径が小さくなるテーパ内面と、外周部に形成され冷却液によって冷却される冷却面と、内壁面に形成されたセラミック系材料の被膜と、を有する。先端部は、筒状部の先端側に形成され、テーパ内面のさらに先端側に形成されたオリフィスを有する。
【００１７】
このノズルがプラズマ切断装置に装着された場合、ノズルの内部には電極が配置される。そして、ノズルのテーパ内面と電極の外周縁との間の最短ギャップの位置で絶縁破壊が生じる。
【００１８】
ここでは、ノズルの筒状部内壁面にセラミック系材料の被膜が形成されているので、飛散した電極材が筒状部内壁面に付着しにくい。そして、ノズル外周部には冷却面が形成され、この冷却面が冷却液によって冷却される。このため、本発明のノズルをプラズマ切断装置に用いた場合、ノズル内面が高温になるのが抑えられ、ノズルの内壁面に電極材が付着するのをより抑えることができ、またノズルの内壁面に形成された被膜の剥離を抑えることができる。このため、切断品質の低下を抑え、ノズルの長寿命化を図ることができる。
【００１９】
第２発明に係るプラズマ切断装置用ノズルは、第１発明のノズルにおいて、セラミック系材料の被膜は、筒状部の内壁面のうちの、テーパ内面を含み電極と対向する面に形成されている。
【００２０】
ここで、テーパ内面とは、ノズル内面のうちの電極外周縁に最も近接する位置から先端側（オリフィス側）に向かう面を含む部分である。ノズルの内壁面には、このテーパ内面以外にも電極と対向する面が存在する。そこで、ここでは、テーパ内面だけではなく、電極と対向する他の面にもセラミック系材料の被膜が形成されている。このため、ノズル内面をより確実に保護することができる。
【００２１】
第３発明に係るプラズマ切断装置用ノズルは、第１又は第２発明のノズルにおいて、セラミック系材料の被膜は先端部のオリフィスの内面に形成されている。
【００２２】
ここで、本件発明者らの研究によって、切断品質の悪化につながる要因として、以下のことがわかった。
【００２３】
ハフニウム及びその酸化物等がノズルのオリフィス内壁面に付着し堆積すると、オリフィス内壁面に凹凸が生じ、オリフィスの軸対称性が維持されなくなる。このようなオリフィスの損傷は、プラズマアークの拡がり、曲がり、歪みを発生させ、結果的に、ワークの切断面の粗さ、直角性等の品質の低下を招くことになる。
【００２４】
そこで、この第３発明では、オリフィス内面にセラミック系材料の被膜を形成している。このため、特にオリフィスの損傷が抑えられ、比較的長期にわたって初期のオリフィス形状が維持され、切断品質の低下を抑え、ノズルの長寿命化を図ることができる。
【００２５】
第４発明に係るプラズマ切断装置用ノズルは、第１から第３発明のいずれかのノズルにおいて、筒状部の冷却面は冷却液が直接接触するように設けられている。
【００２６】
ここで、前述のように、セラミック系材料の被膜をノズル内壁面に形成することは、ノズル内壁面を保護し、ノズルの長寿命化に有効である。しかし、セラミック系材料の被膜を冷却面にまで設けると、この冷却面に設けられたセラミック系材料の被膜はノズル内部の冷却の妨げになる。
【００２７】
そこで、この第４発明では、冷却面には被膜を形成しないようにしている。このため、冷却効果がセラミック系材料の被膜によって妨げられることはない。
【００２８】
第５発明に係るプラズマ切断装置用ノズルは、第１から第４発明のいずれかのノズルにおいて、筒状部はテーパ内面とオリフィスとをつなぐ曲面を有しており、セラミック系材料の被膜はこの曲面に形成されている。
【００２９】
ここで、ノズルのオリフィス入口部、すなわちテーパ内面とオリフィスとの境界部は、プラズマガスが収斂する領域である。本件発明者の一連の実験によれば、この部分は、他のノズル内面に比較して電極材が集中して付着することが判明した。このため、テーパ内面とオリフィスとの境界をエッジにしたまま、この境界部にセラミック系材料の被膜を形成しても、被膜がダメージを受けて剥離しやすい。
【００３０】
そこで第５発明では、テーパ内面とオリフィスとの間に曲面が形成され、この曲面にセラミック系材料の被膜が形成されている。このような構成により、オリフィス入口部においてプラズマガスを整流する効果が得られる。このガス整流効果によって、飛散した溶融電極材の排出が促進され、ノズル内面に溶融電極材が付着するのを抑えることができる。このため、ノズル内面へのダメージを抑制できる。
【００３１】
第６発明に係るプラズマ切断装置用ノズルは、第１から第５発明のいずれかのノズルにおいて、筒状部の冷却面には冷却用フィンが設けられている。
【００３２】
冷却フィンを設けたノズルでは、ノズルの冷却能力が高くなり、ノズル内面の温度を低く保つことができる。このため、ハフニウム付着時の被膜の温度を低く抑えることが可能になり、被膜の劣化を抑制できる。
【００３３】
第７発明に係るプラズマ切断装置用ノズルは、第１から第６発明のいずれかのノズルにおいて、被膜はボロンナイトライドを含む材料により形成されている。
【００３４】
第８発明に係るプラズマトーチは、プラズマ切断装置に設けられるものであって、第１から第７発明のいずれかに記載のノズルと、先端外周縁部がノズルのテーパ内面に対向するように配置された電極と、を備えている。
【００３５】
第９発明に係るプラズマトーチは、第８発明のプラズマトーチにおいて、電極は、先端に形成され中央に凹部を有する放出面を有する電極基体と、電極基体の放出面の凹部に配置された電極材と、を備えている。また、電極材の先端面には内部に凹む凹部が形成されている。
【００３６】
ここでは、先端放出面に凹部を有する電極材を用いている。このため、初期段階で飛散する電極材が少なくなり、ノズル内面に電極材が付着するのをより抑えることができる。
【発明の効果】
【００３７】
以上のような本発明では、ノズル内面に形成されたセラミック系材料の被膜によって、飛散する電極材からノズル内面を保護することができる。また、本発明のノズルは、外周部に冷却面が設けられており、ノズルを冷却することが可能であるので、電極材の被膜への付着を抑えるとともに、ノズル内面から被膜が剥離するのを抑えることができる。このため、本ノズルをプラズマ切断装置に用いることによって、切断品質が低下するのを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】プラズマトーチの断面図。
【図２】プラズマトーチ先端部の拡大断面図。
【図３】ノズルの拡大断面図。
【図４】ノズルの外観図。
【図５】ノズルの別の例の外観図。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマトーチ１の中心軸線（以下、単に「軸線」と呼ぶ）を含む平面での断面図である。
【００４０】
［全体構成］
プラズマトーチ１は、鋼板などの金属材料を切断するためのプラズマ切断機に備えられるものである。図示されていないが、プラズマ切断装置は、プラズマトーチ１にパイロットアークやプラズマアークを発生させ、且つ、プラズマアークを制御するためのアーク電源回路及び制御装置を備えている。また、プラズマ切断装置は、プラズマトーチ１へ酸素を含む作動ガスとしてのプラズマガス及びアシストガスを供給するガス供給システム、及び、プラズマトーチ１へ冷却液を供給する冷却システムなどの装置を備えている。
【００４１】
プラズマトーチ１は、トーチ本体２、電極３、第１案内部材４、第２案内部材５、ノズル６、キャップ部７などを有する。トーチ本体２、電極３、第１案内部材４、第２案内部材５、ノズル６、及びキャップ部７は、同軸に配置されている。
【００４２】
［トーチ本体］
トーチ本体２は、ベース部１１、電極支持部１２、ノズル支持部１３、冷却パイプ１４、ホルダ１５、冷却液供給パイプ１６、冷却液排出パイプ１７などを有する。ベース部１１、電極支持部１２、ノズル支持部１３、冷却パイプ１４は同軸に配置されている。
【００４３】
ベース部１１は概ね円筒状に形成されている。ベース部１１の内部には空間が形成されており、この内部空間に、電極支持部１２、冷却液供給パイプ１６及び冷却液排出パイプ１７が挿入されている。ベース部１１の先端部には、ベース部１１の内部空間に連通する孔１１ａが形成されている。
【００４４】
電極支持部１２は、概ね円筒状に形成されてベース部１１の孔１１ａに挿入されており、先端部（図１の下方端部）に電極３を支持している。電極支持部１２の外面とベース部１１の内面との間には、例えばＯリングなどのシール部材Ｓ１が設けられている。電極支持部１２は、金属製であり、例えば銅によって形成されている。電極支持部１２は、図示しない電気配線を介してアーク電源回路へ接続される。電極支持部１２は軸線方向に貫通する孔１２ａを有している。
【００４５】
ノズル支持部１３は、概ね円錐状に形成されて軸線方向に貫通する孔１３ａを有しており、先端部にノズル６を支持している。ノズル支持部１３は、ベース部１１の先端部に取り付けられ、電極支持部１２の先端部外周を覆っている。ノズル支持部１３の内面は、電極支持部１２の外面に対して間隔を空けて配置される。これにより、ノズル支持部１３の内面と電極支持部１２の外面との間には、プラズマガスが通るプラズマガス通路Ｐ１が形成されている。プラズマガス通路Ｐ１は、図示しないガス供給パイプを介してガス供給システムに接続されている。ノズル支持部１３は、金属製であり、例えば銅によって形成されている。また、ノズル支持部１３は、図示しない電気配線を介してアーク電源回路に接続される。
【００４６】
冷却パイプ１４は、冷却液供給パイプ１６からの冷却液を電極３に導いて電極３を冷却するものであり、電極支持部１２の孔１２ａ内に配置されている。冷却パイプ１４の基端部（図１において上方端部）はベース部１１の内部空間内に配置され、先端部は電極支持部１２の先端部から突出している。冷却パイプ１４の外面と電極支持部１２の内面との間には空間が形成されており、この空間はベース部１１の内部空間と連通している。また、冷却パイプ１４の外面は、電極３の内面に対して間隔を空けて配置されている。
【００４７】
ホルダ１５は、概ね円筒状に形成されてベース部１１の外周に嵌合されており、キャップ部７を支持している。ホルダ１５の外周面には、後述するナット１８の雌ネジ部と螺合する雄ネジ部が形成されている。
【００４８】
冷却液供給パイプ１６は、冷却システムからの冷却液を冷却パイプ１４へ送るためのパイプであり、ベース部１１の内部空間に挿入されている。この冷却液供給パイプ１６の基端部は冷却システムに接続され、先端部はベース部１１の内部空間内において冷却パイプ１４の基端部に接続されている。
【００４９】
冷却液排出パイプ１７は、冷却液をベース部１１の内部空間から冷却システムへ送るためのパイプであり、ベース部１１の内部空間に挿入されている。この冷却液排出パイプ１７の基端部は冷却システムに接続され、先端部はベース部１１の内部空間内に配置されている。
【００５０】
以上のような構成により、冷却液供給パイプ１６から冷却パイプ１４を介して供給された冷却液は、電極３に導かれ、その後、冷却パイプ１４の外面と電極３の内面との間の空間を通過し、さらに冷却パイプ１４の外面と電極支持部１２の内面との間の空間を通過して、ベース部１１の内部空間に送られる。
【００５１】
［電極］
電極３は、図１に示すように、概ね円筒状に形成されており、基端部が電極支持部１２の孔１２ａに挿入され、電極支持部１２に着脱可能に取り付けられている。電極３の基端部が電極支持部１２の孔１２ａに挿入された状態では、冷却パイプ１４の先端部が電極３の内部空間内に配置されている。また、電極３と電極支持部１２との間の隙間は、図示しないシール部材によって封止されている。これにより、電極支持部１２の孔１２ａの先端側が閉塞される。さらに、電極３は、電極支持部１２と接触することによって電極支持部１２と電気的に接続されている。
【００５２】
また、電極３は、図２に拡大して示すように、電極基体３５と電極材３６とを有している。電極基体３５は、先端部が閉じられ基端部が開放された概ね円筒状の部材である。電極基体３５は、金属製であり、例えば銅によって形成されている。電極基体３５の外周面には径方向外方に突出するフランジ１９が形成されており、さらに内部には空間が形成されている。フランジ１９の一方の面は電極支持部１２の先端部と接触し（図１参照）、他方の面は第１案内部材４と接触している。また、電極３の内部空間は、基端側は開放され、先端側は閉塞されている。
【００５３】
電極基体３５の先端部には、テーパ面３８と放出面３９とが形成されている。テーパ面３８は、電極基体３５の外周面から先端側（放出面３９側）に行くにしたがって径が小さくなる形状である。放出面３９は軸線と直交する平坦な面であり、その中央部には内部に凹む凹部４１が形成されている。放出面３９の裏側には、基端部へ向けて突出する凸部４３が形成されている。図１に示すように、冷却パイプ１４の先端部は、この凸部４３の外側を覆うように配置されている。
【００５４】
電極材３６は、熱電子高放出性材料であるハフニウム（hafnium：Ｈｆ）又はジルコニウム（Zirconium：Ｚｒ）で形成されている。電極材３６は、電極基体３５の凹部４１に挿入され、ろう付けにより固定されている。電極材３６は、概ね円筒状に形成されており、先端部には、基端側へ向けて凹む凹部３６ａが形成されている。
【００５５】
［第１案内部材］
第１案内部材４は、図２に示すように、概ね円筒状に形成され、基端側に大径部２０を有し、先端側に小径部２１を有している。また、第１案内部材４は絶縁性を有する材料で形成されている。第１案内部材４は、ノズル６の内部において、基端側に配置されている。第１案内部材４は軸線方向に貫通する孔４ａを有し、この孔４ａ内に電極３が挿入されている。このように、第１案内部材４は、電極３とノズル６との間に配置されることにより、電極３とノズル６とを電気的に絶縁している。なお、第１案内部材４の内面と電極３の外面との間にはシール部材Ｓ２が設けられ、第１案内部材４の外面とノズル６の内面との間にはシール部材Ｓ３が設けられている。
【００５６】
また、第１案内部材４は、軸線方向において、電極３のフランジ部１９の先端側に配置されている。第１案内部材４の基端部はフランジ部１９に接触している。第１案内部材４の大径部２０の外周面には、軸線方向に延びる複数の溝４ｂが形成されている。この複数の溝４ｂの先端側は、第１案内部材４とノズル６の内面との間の空間に連通し、溝４ｂの基端側の側部は、ノズル支持部１３の内面と電極支持部１２の外面との間のプラズマガス通路Ｐ１に連通している。
【００５７】
［第２案内部材］
第２案内部材５は、図２に示すように、軸線方向に貫通する孔５ａを有する概ね環状の部材である。第２案内部材５の孔５ａには、電極３及び第１案内部材４の小径部２１が挿入されている。従って、第２案内部材５は、径方向において、ノズル６の内面と第１案内部材４の小径部２１との間に配置されている。また、第２案内部材５は、軸線方向において、第１案内部材４の大径部２０とノズル６の内面との間に配置されている。この第２案内部材５の先端側端面には、内部と外部と連通する複数の溝５ｂが設けられている。各溝５ｂは、径方向及び周方向に対して斜めに延びている。この第２案内部材５の溝５ｂを通過したプラズマガスは、電極３の外周を旋回するように流れる。
【００５８】
［ノズル］
ノズル６は、銅製であり、図２及び図３に示すように、概ね円筒状に形成されている。このノズル６は、基端側から順に、内部に空間を有する筒状部６ａと、筒状部６ａの先端側に形成された先端部６ｂとを有している。
【００５９】
ノズル６の筒状部６ａの外周部には冷却面２２が形成されている。より詳細には、ノズル６の筒状部６ａの周囲には、後述するように冷却液が通過する冷却液通路Ｐ２が形成されている。そして、筒状部６ａの外周部に形成された冷却面２２が、冷却液通路Ｐ２の一方の壁面を構成している。冷却面２２は筒状部６ａの先端側に形成されており、この冷却面２２には冷却用フィン２２ａが設けられている。冷却用フィン２２ａの外観を図４に示している。ここでは、円周方向及び軸線方向の両方向に沿って形成された凹凸によって冷却用フィン２２ａが形成されている。なお、図５に示すように、軸線方向のみに沿った凹凸によって冷却用フィン２２ａ’が形成されていてもよい。
【００６０】
筒状部６ａの外周面において、冷却面２２の基端側には、径方向に突出する突出部２３が形成されている。この突出部２３の上面２３ａとノズル支持部１３の先端部との間には、図示しない電気接触子が配置されている。この電気接触子を介して、ノズル６はノズル支持部１３と電気的に接続されている。
【００６１】
筒状部６ａの内部空間には、収納部２４及び電極対向部２５が形成されている。収納部２４には、電極３、第１案内部材４、及び第２案内部材５が収納されている。電極対向部２５は電極３の先端部と対向する部分であり、第１対向面２５ａ及び第２対向面２５ｂを有している。第１対向面２５ａは、電極対向部２５において基端側に形成され、軸線方向に平行な面である。また、第２対向面２５ｂは、第１対向面２５ａに連続して先端側に形成されており、先端側に向かって径が小さくなるテーパ面である。すなわち、第２対向面２５ｂはテーパ内面となっている。電極対向部２５の各対向面２５ａ，２５ｂと電極３の外周面との間には隙間が形成され、プラズマガスが流れる通路が形成されている。第２対向面（テーパ内面）２５ｂのさらに先端側には、曲面２５ｃが形成されている。
【００６２】
先端部６ｂは、ほぼ円錐状に形成されており、中心部には軸線方向に貫通するオリフィス２６が形成されている。このオリフィス２６は、曲面２５ｃを介して第２対向面２５ｂに連続している。また、先端部６ｂの下端には、軸線方向と直交する平坦な先端面２６ａが形成されている。オリフィス２６と先端面２６ａとの間（境界部）には面取り部２６ｂが形成されている。
【００６３】
ノズル６において、第１対向面２５ａと、テーパ内面としての第２対向面２５ｂと、オリフィス２６の内面と、面取り部２６ｂを含む先端面２６ａと、には、セラミック系材料であるボロンナイトライドの被膜Ｃがコーティングされている。図３において、被膜Ｃが形成された部分を太い破線で示している。なお、この実施形態では、電極対向部２５において、全内面に被膜Ｃが形成されているが、少なくとも第２対向面２５ｂのうちの、電極３との最短ギャップの位置（電極３の外周縁４４に最も近い位置）から先端側に形成されていればよい。電極材は、主に最短ギャップから先端側に飛散するからである。
【００６４】
ここで、ノズル６の筒状部６ａに形成された冷却面２２には、セラミック系材料の被膜は形成されていない。これは、セラミック系材料の被膜は熱伝導率が小さく、このようなセラミック系材料被膜を冷却面２２にコーティングすると、冷却液によるノズル内面への冷却効果が低下するからである。
【００６５】
また、第２対向面２５ｂのテーパ角度αは、この実施形態では90°に設定されている。テーパ角度αは、80°以上105°以下が好ましい。テーパ角度αを80°より小さくすると、電極３を十分に冷却可能にした状態でノズルに近づけることができないからである。また、テー角度αを105°より大きくすると、飛散した電極材がテーパ内面に到達しやすくなり、かつテーパ内面に長時間滞在しやすくなって、テーパ内面に被膜を形成しても、飛散した電極材によって被膜がダメージを受けやすくなるからである。
【００６６】
［キャップ部］
キャップ部７は、図１に示すように、トーチ本体２の先端に取り付けられ、ノズル６を覆う部材である。キャップ部７は、アウターキャップ３１と、インナーキャップ３２と、シールドキャップ３３とを有する。各キャップ３１，３２，３３は、概ね円錐台状に形成され、電極３及びノズル６と同軸に配置されている。
【００６７】
アウターキャップ３１は、ナット１８によってホルダ１５に固定されており、トーチ本体２の先端部とノズル支持部１３の外側を覆っている。また、アウターキャップ３１の内面とホルダ１５の外面との間にはシール部材Ｓ４が設けられている。アウターキャップ３１の先端には、軸線方向に貫通する孔３１ａが形成されている。
【００６８】
インナーキャップ３２はアウターキャップ３１の孔３１ａに挿入されている。インナーキャップ３２の外面とアウターキャップ３１の内面との間にはシール部材Ｓ５が設けられている。インナーキャップ３２には軸線方向に貫通する３２ａ孔が形成されており、この孔３２ａにはノズル６の先端部が挿入されている。そして、ノズル６の先端部がインナーキャップ３２の内面によって保持されている。ノズル６の先端部の外面とインナーキャップ３２の内面との間にはシール部材Ｓ６が設けられている。
【００６９】
アウターキャップ３１及びインナーキャップ３２の各内面は、ノズル支持部１３及びノズル６の筒状部６ａの外周部（冷却面２２）に対して間隔を空けて配置されている。これにより、ノズル６を冷却するための冷却液が通過する冷却液通路Ｐ２が構成されている。冷却液通路Ｐ２は、図示しない冷却液供給パイプ及び冷却液排出パイプを介して冷却システムに接続されている。
【００７０】
シールドキャップ３３は、アウターキャップ３１の孔３１ａに挿入され、ノズル６の先端部を覆っている。シールドキャップ３３の外面とアウターキャップ３１の内面との間にはシール部材Ｓ７が設けられている。シールドキャップ３３は、軸線方向に貫通し、ノズル６の孔６ａと同軸に形成された孔３３ａを有している。また、シールドキャップ３３の内面とノズル６の外面との間にはアシストガス通路Ｐ３が形成されている。アシストガス通路Ｐ３は、冷却液通路Ｐ２に対してシール部材Ｓ４によって遮断されており、アウターキャップ３１の内部に形成されたアシストガス供給通路Ｐ４に連通している。アシストガス供給通路Ｐ４は、図示しないガス供給パイプを介してガス供給システムに接続されている。
【００７１】
［作用及び効果］
このプラズマトーチ１では、まず、電極３とノズル６との間に、小流量のプラズマガスが流され、プラズマガスの流れが生成される。すなわち、ガス供給システムから、ノズル支持部１３の内面と電極支持部１２の外面との間のプラズマガス通路Ｐ１にプラズマガスが供給される。プラズマガスは、プラズマガス通路Ｐ１から、第１及び第２案内部材４，５に案内されて、旋回しながら電極３の外周を流れる。この状態で、電極３に高電圧が印加されると、電極基体３５の放出面３９の外周縁とノズル６の内面との間（最短ギャップ位置）に絶縁破壊が発生する。この絶縁破壊をトリガーにして電極３とノズル６の内面との間にパイロットアークが発生する。パイロットアークはノズル６内面の傾斜及び旋回するプラズマガスの流れに沿って中央部に移行し、さらにワークまで延びる。そして、プラズマガスの流量及び電流を増大させることにより、電極３とワークとの間にメインアークが生成される。
【００７２】
以上の処理において、プラズマが生成される際に、電極材であるハフニウムが溶融し、ノズル６の内面（特に、テーパ内面である第２対向面２５ｂ）及びオリフィス２６の内面に飛散する。しかし、ノズル６及びオリフィス２６の内面にはボロンナイトライド被膜Ｃが形成されているので、これらの内面に溶融ハフニウムは付着しにくい。しかも、ノズル６の筒状部６ａに形成された冷却面２２を通してノズル６の内面が冷却されているので、ノズル内面の温度上昇を抑えることができる。したがって、溶融ハフニウムが被膜Ｃに付着するのをより抑えることができ、さらに被膜Ｃのノズル内面からの剥離を抑えることができる。
【００７３】
また、第２対向面２５ｂのテーパ角度は90°に設定されているので、プラズマガスの流れがスムーズになる等の理由によって、溶融ハフニウムは、第２対向面２５ｂに対してより付着しにくい。また、溶融ハフニウムが第２対向面２５ｂに付着しても、堆積しにくい。さらに、第２対向面２５ｂとオリフィス２６とが曲面２５ｃを介して連続して形成されているので、プラズマガスがノズル内面から離れることなくスムーズにオリフィス２６に流入する。このため、溶融ハフニウムの排出が促進され、ノズル６及びオリフィス２６の内面に溶融ハフニウムが堆積するのを抑制することができる。
【００７４】
また、メインアークが発生した後は、ノズル６の先端面２６ａにも溶融ハフニウムやワークの溶融物が飛散する。しかし、この実施形態では、この先端面２６ａにもボロンナイトライド被膜Ｃが形成されているので、これらの溶融物の付着を抑えることができる。
【００７５】
以上から、ボロンナイトライド被膜Ｃの付着防止効果を長期にわたって良好に維持することができる。このため、特に、ノズル６の第２対向面２５ｂ（テーパ内面）やオリフィス２６の壁面が損傷を受けるのを抑えることができ、従来に比較して長時間にわたって良好な切断品質を維持することができる。すなわち、ノズル６の長寿命化が実現できる。
【００７６】
［他の実施形態］
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で、例えば以下のような種々の変更が可能である。
【００７７】
(a)ボロンナイトライド被膜Ｃは、第２対向面２５ｂにおいては、少なくとも電極３との最短ギャップ位置から先端側の曲面２５ｃにかけて形成されていればよい。また、ノズル６の面取り部２６ｂを含む先端面２６ａには、特に被膜が形成されていなくてもよい。
【００７８】
(b)冷却面については、冷却能力が十分な場合は特に冷却用のフィンを設けなくてもよい。
【００７９】
(c)被膜の材料はボロンナイトライドに限定されない。ボロンナイトライド以外のセラミック系材料を用いてもよい。
【符号の説明】
【００８０】
１ プラズマトーチ
３ 電極
６ ノズル
６ａ 筒状部
６ｂ 先端部
２２ 冷却面
２２ａ，２２ａ’ 冷却用フィン
２５ 電極対向部
２５ａ 第１対向面
２５ｂ 第２対向面(テーパ内面)
２５ｃ 曲面
２６ オリフィス
Ｃ ボロンナイトライド被膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端側に配置されたワークにプラズマジェットを噴出してワークを切断するためのプラズマ切断装置に用いられ、ハフニウム又はジルコニウムからなる電極の先端部が内部に配置されるとともに電極との間に酸素を含む作動ガスが供給されるプラズマ切断装置用ノズルであって、
内周部に形成され先端側に向かうほど径が小さくなるテーパ内面と、外周部に形成され冷却液によって冷却される冷却面と、内壁面に形成されたセラミック系材料の被膜と、を有する筒状部と、
前記筒状部の先端側に形成され、前記テーパ内面のさらに先端側に形成されたオリフィスを有する先端部と、
を備えたプラズマ切断装置用ノズル。
【請求項２】
前記セラミック系材料の被膜は、前記筒状部の内壁面のうちの、前記テーパ内面を含み前記電極と対向する面に形成されている、請求項１に記載のプラズマ切断装置用ノズル。
【請求項３】
前記セラミック系材料の被膜は前記先端部のオリフィスの内面に形成されている、請求項１又は２に記載のプラズマ切断装置用ノズル。
【請求項４】
前記筒状部の冷却面は冷却液が直接接触するように設けられている、請求項１から３のいずれかに記載のプラズマ切断装置用ノズル。
【請求項５】
前記筒状部は前記テーパ内面と前記オリフィスとをつなぐ曲面を有しており、
前記セラミック系材料の被膜は前記曲面に形成されている、請求項１から４のいずれかに記載のプラズマ切断装置用ノズル。
【請求項６】
前記筒状部の冷却面には冷却用フィンが設けられている、請求項１から５のいずれかに記載のプラズマ切断装置用ノズル。
【請求項７】
前記被膜はボロンナイトライドを含む材料により形成されている、請求項１から６のいずれかに記載のプラズマ切断装置用ノズル。
【請求項８】
プラズマ切断装置に設けられるプラズマトーチであって、
請求項１から７のいずれかに記載のノズルと、
先端外周縁部が前記ノズルのテーパ内面に対向するように配置された電極と、
を備えたプラズマトーチ。
【請求項９】
前記電極は、
先端に形成され中央に凹部を有する放出面を有する電極基体と、
前記電極基体の放出面の凹部に配置された電極材と、を備え、
前記電極材の先端面には内部に凹む凹部が形成されている、
請求項８に記載のプラズマトーチ。
【請求項１】
先端側に配置されたワークにプラズマジェットを噴出してワークを切断するためのプラズマ切断装置に用いられ、ハフニウム又はジルコニウムからなる電極の先端部が内部に配置されるとともに電極との間に酸素を含む作動ガスが供給されるプラズマ切断装置用ノズルであって、
内周部に形成され先端側に向かうほど径が小さくなるテーパ内面と、外周部に形成され冷却液によって冷却される冷却面と、内壁面に形成されたセラミック系材料の被膜と、を有する筒状部と、
前記筒状部の先端側に形成され、前記テーパ内面のさらに先端側に形成されたオリフィスを有する先端部と、
を備えたプラズマ切断装置用ノズル。
【請求項２】
前記セラミック系材料の被膜は、前記筒状部の内壁面のうちの、前記テーパ内面を含み前記電極と対向する面に形成されている、請求項１に記載のプラズマ切断装置用ノズル。
【請求項３】
前記セラミック系材料の被膜は前記先端部のオリフィスの内面に形成されている、請求項１又は２に記載のプラズマ切断装置用ノズル。
【請求項４】
前記筒状部の冷却面は冷却液が直接接触するように設けられている、請求項１から３のいずれかに記載のプラズマ切断装置用ノズル。
【請求項５】
前記筒状部は前記テーパ内面と前記オリフィスとをつなぐ曲面を有しており、
前記セラミック系材料の被膜は前記曲面に形成されている、請求項１から４のいずれかに記載のプラズマ切断装置用ノズル。
【請求項６】
前記筒状部の冷却面には冷却用フィンが設けられている、請求項１から５のいずれかに記載のプラズマ切断装置用ノズル。
【請求項７】
前記被膜はボロンナイトライドを含む材料により形成されている、請求項１から６のいずれかに記載のプラズマ切断装置用ノズル。
【請求項８】
プラズマ切断装置に設けられるプラズマトーチであって、
請求項１から７のいずれかに記載のノズルと、
先端外周縁部が前記ノズルのテーパ内面に対向するように配置された電極と、
を備えたプラズマトーチ。
【請求項９】
前記電極は、
先端に形成され中央に凹部を有する放出面を有する電極基体と、
前記電極基体の放出面の凹部に配置された電極材と、を備え、
前記電極材の先端面には内部に凹む凹部が形成されている、
請求項８に記載のプラズマトーチ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１９２４４３（Ｐ２０１２−１９２４４３Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５９４９５（Ｐ２０１１−５９４９５）
【出願日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【出願人】（０００００１２３６）株式会社小松製作所 (1,686)
【出願人】（３９４０１９０８２）コマツ産機株式会社 (103)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【出願人】（０００００１２３６）株式会社小松製作所 (1,686)
【出願人】（３９４０１９０８２）コマツ産機株式会社 (103)
【Ｆターム（参考）】
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