プラズマ発生装置
【課題】構造が簡単であって、安価に製造することが可能なプラズマ発生装置を提供する。
【解決手段】プラズマ発生装置１ａは、主陰極５４及び主外套５５，５６からなる主トーチと、副トーチ陽極５９及び副外套６１からなる副トーチ５２と、副トーチ陽極６０及び副外套６２からなる副トーチ５３と、を備えており、電源７３の負端子が主陰極５４に接続され、電源７３の正端子が副トーチ陽極５９に接続され、電源７４の正端子が副トーチ陽極６０に接続されるとともに、スイッチ２を介して主外套５５，５６に接続され、電源７４の負端子が主陰極５４に接続されている。
【解決手段】プラズマ発生装置１ａは、主陰極５４及び主外套５５，５６からなる主トーチと、副トーチ陽極５９及び副外套６１からなる副トーチ５２と、副トーチ陽極６０及び副外套６２からなる副トーチ５３と、を備えており、電源７３の負端子が主陰極５４に接続され、電源７３の正端子が副トーチ陽極５９に接続され、電源７４の正端子が副トーチ陽極６０に接続されるとともに、スイッチ２を介して主外套５５，５６に接続され、電源７４の負端子が主陰極５４に接続されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマアークによって金属やセラミックス等を溶融させるとともに、対象物に吹き付けて、その表面に皮膜を形成するプラズマ溶射等に用いられるプラズマ発生装置に係り、特に、安価に製造することが可能なプラズマ発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ溶射とは、アルゴンなどの不活性ガスに通電して発生させたプラズマを熱源として、セラミック等の高融点金属を溶融させ、プラズマジェット（プラズマの高速流）によって被施工物に吹き付けることにより、その表面に緻密で硬度の高い皮膜を形成する方法である。
従来、プラズマ溶射には一対の陽極と陰極の間にプラズマアークを発生させる単トーチ型プラズマ発生装置が用いられてきた。しかし、単トーチ型プラズマ発生装置では電流の増加に伴い、電極が著しく損耗するという課題があった。
そのため、このような課題を解決するものとして、陽極と陰極からなる２個以上のトーチを備え、プラズマアークをトーチの外部に引き出すことによって電流値を低くする構造の複合トーチ型プラズマ発生装置が注目されている。
この複合トーチ型プラズマ発生装置について、近年、様々な研究や開発がなされており、既に幾つかの発明や考案が開示されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、「プラズマ溶射装置」という名称で、皮膜の高品質化を図ることが可能な複合トーチ型のプラズマ溶射装置に関する発明が開示されている。
特許文献１に開示された発明は、軸方向に材料搬送管が形成された主陽極と、冷却要素を有するとともに、主陽極を囲むように、かつ、その軸方向前方に主開口部が配置される主外套からなる主トーチと、中心軸が主陽極の中心軸と交差するように配置される副陰極と、副陰極を囲むとともに、その軸方向前方に副開口部が配置される副外套からなる副トーチを備えたプラズマ溶射装置において、主陽極の先端部に第１凹部及び第２凹部を有するものである。
そして、第１凹部は主陽極の径方向について材料搬送管よりも外側から連続的に縮径しながら主陽極の軸方向後方に向かってくぼむように形成されている。さらに、第２凹部は主陽極の径方向について第１凹部の内縁から材料搬送管に至るまで連続的又は断続的に縮径しながら主陽極の軸方向後方に向かって第１凹部よりも大きく又は急峻にくぼむように形成されている。
このような構造によれば、材料搬送管の先端部から放出された材料が、プラズマに接触するまでの間に拡散し得る空間が広く確保される。この場合、材料が十分に拡散するため、材料の飛散単位のサイズの縮小化と均等化を図ることができる。これにより、皮膜がさらに緻密化するため、その品質が高まる。
【０００４】
また、特許文献２には、「複合トーチ型プラズマ発生装置」という名称で、副トーチの部品点数を削減して製造コストを安くするとともに、副トーチ全体の簡素化及び小型化を図り、また、プラズマ及びプラズマフレームの直進性や安定性を向上させてプラズマ出力の増加を図ることが可能なプラズマ発生装置に関する発明が開示されている。
特許文献２に開示された発明は、一対の陰極と陽極からなる主トーチ及び副トーチと、プラズマガス供給手段を有する複合トーチ型プラズマ発生装置において、主トーチの軸芯を中心として複数の副トーチが放射線上に設置され、各副トーチの陽極が外套により囲まれるとともに、この外套の内壁に陰極が設置された構造となっている。
このような構造によれば、従来の複合トーチ型プラズマ発生装置のように副トーチの陽極の手前にタングステン陰極部を設ける必要がない。また、保護ガス挿入手段を有する絶縁部や配線あるいは配管を、タングステン陰極部に付随する陽極間に設ける必要がない。これにより、部品点数が削減されるため、製造コストが安くなり、副トーチ全体が簡素化及び小型化される。さらに、複数の副トーチが主トーチの軸芯を中心として放射線状に配置されていることから、プラズマ及びプラズマフレームの直進性及び安定性が向上する。その結果、プラズマ出力が増加する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１１０６６９号公報
【特許文献２】特開２０１０−４３３４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、従来の汎用的な複合トーチ型のプラズマ発生装置について、図８乃至図１２を用いて詳細に説明する。なお、図８乃至図１２では、回路が閉じていない状態を破線で示し、回路が閉じている状態を実線で示している。そして、図８（ａ）は複合トーチ型のプラズマ発生装置の従来例の構造の一部を示した模式図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のプラズマ発生装置の全体構造を示した模式図である。また、図９乃至図１２は図８（ａ）のプラズマ発生装置の動作を説明するための模式図である。
図８（ａ）に示すように、複合トーチ型のプラズマ発生装置５０は主トーチ５１と、副トーチ５２，５３を備えている。副トーチ５２，５３は互いの中心軸が一致するように対向配置されており、主トーチ５１は、その中心軸が副トーチ５２，５３の中心軸と交差するように配置されている。
【０００７】
主トーチ５１は、同軸に配置される主陰極５４及び主外套５５，５６によって構成されており、主外套５５，５６の放出口は主陰極５４の中心軸上に配置され、主陰極５４と主外套５５の間及び主外套５５と主外套５６の間には絶縁物５７，５８がそれぞれ設置されている。
副トーチ５２は、同軸に配置される副トーチ陽極５９及び副外套６１によって構成されており、副外套６１の放出口は副トーチ陽極５９の中心軸上に配置され、副トーチ陽極５９と副外套６１の間には絶縁物６３が設置されている。
また、副トーチ５３は、同軸に配置される副トーチ陽極６０及び副外套６２によって構成されており、副外套６２の放出口は副トーチ陽極６０の中心軸上に配置され、副トーチ陽極６０と副外套６２の間には絶縁物６４が設置されている。
【０００８】
絶縁物５７，５８には主外套５５，５６の内部へアルゴン等の不活性ガスをプラズマガスとして送入するための送入口６５，６６がそれぞれ設けられており、絶縁物６３，６４には副外套６１，６２の内部へ上記プラズマガスを送入するための送入口６７，６８がそれぞれ設けられている。
主トーチ５１と副トーチ５２，５３はそれぞれ絶縁性を保たれた状態で連結管６９によって固定されており、連結管６９には、材料送入管（図示せず）が設けられている。この材料送入管から連結管６９の内部へ送入された溶射材料は、プラズマの熱によって溶融した後、溶融粒子７０となってプラズマフレーム８６に同伴されながら母材７１に吹き付けられる。その結果、母材７１の表面に皮膜７２が形成される。
【０００９】
図８（ｂ）に示すように、電源７３は負端子が主陰極５４に接続され、正端子がスイッチ７５〜７７を介して主外套５５，５６及び副トーチ陽極５９にそれぞれ接続されている。
一方、電源７４は正端子がスイッチ７８，７９を介して副トーチ陽極５９，６０にそれぞれ接続され、負端子がスイッチ８０〜８２を介して主陰極５４及び副外套６１，６２にそれぞれ接続されている。
なお、スイッチ７５〜８２は、電磁石の動作により電路を開閉する電磁接触器と、過大な負荷がかかった場合に電路を遮断するサーマルリレー等を組み合わせた電磁開閉器（マグネットスイッチ）によって構成されている。
【００１０】
プラズマ発生装置５０の動作について図９乃至図１２を用いて説明する。なお、図９乃至図１２では、回路が閉じていない状態を破線で示し、回路が閉じている状態を実線で示している。
図８（ｂ）に示したプラズマ発生装置５０において、送入口６５からプラズマガスを主外套５５の内部へ送入し、スイッチ７５を閉じて、電源７３によって主陰極５４と主外套５５の間に高電圧を印加すると、主陰極５４の先端から主外套５５の放出口に向かって主起動アークが形成される。その結果、プラズマガスが加熱され、プラズマフレーム８３ａとなって主外套５５の先端より放出される（図９（ａ）参照）。
次に、スイッチ７６を閉じた後、スイッチ７５を開いて、電源７３によって主陰極５４と主外套５６の間に高電圧を印加すると、プラズマフレーム８３ａの陽極点は主外套５５から主外套５６へ移行し、プラズマフレーム８３ａは主外套５６の先端より主トーチ５１の外部へ放出される（図９（ｂ）参照）。
【００１１】
さらに、スイッチ７８，８１を閉じて電源７４によって副トーチ陽極５９と副外套６１の間に高電圧を印加するとともに、送入口６７からプラズマガスを副外套６１の内部へ送入すると、副起動アークが形成され、副外套６１の先端の放出口よりプラズマフレーム８３ｂが放出される（図１０（ａ）参照）。
このとき、主トーチ５１と副トーチ５２の中心軸が交差し、かつ、プラズマフレーム８３ａ，８３ｂが導電性を有するため、スイッチ７７を閉じると同時にスイッチ７６を開くとともに、スイッチ７８，８１を開くと、副トーチ陽極５９の先端から主陰極５４の陰極点に至るヘアピン状のプラズマフレーム８４が形成される（図１０（ｂ）参照）。
【００１２】
図１０（ｂ）に示した状態から、スイッチ７９，８２を閉じて電源７４によって副トーチ陽極６０と副外套６２の間に高電圧を印加するとともに、送入口６８からプラズマガスを副外套６２の内部へ送入すると、副起動アークが形成され、副外套６２の先端の放出口よりプラズマフレーム８３ｃが放出される（図１１（ａ）参照）。
このとき、主トーチ５１と副トーチ５３の中心軸が交差し、かつ、プラズマフレーム８３ｃが導電性を有するため、スイッチ８０を閉じると同時にスイッチ８２を開くと、副トーチ陽極６０の先端から主陰極５４の陰極点に至るヘアピン状のプラズマフレーム８５が形成され、プラズマフレーム８４と合わせて、Ｔ字状のプラズマフレームとなる（図１１（ｂ）参照）。
【００１３】
図１１（ｂ）に示した状態のプラズマ発生装置５０において、材料送入管から連結管６９の内部へ溶射材料を送入すると、プラズマの熱によって溶射材料が溶融し、溶融粒子７０の状態でプラズマフレーム８６に同伴されて母材７１に吹き付けられる。これにより、母材７１の表面に皮膜７２が形成される（図１２参照）。
そして、前述したように、プラズマ発生装置５０においてはＴ字状のプラズマフレーム８５が形成されるため、プラズマフレーム８６の直進性と安定性が向上し、プラズマの出力が増加する。従って、特許文献１や特許文献２に開示された従来の複合トーチ型のプラズマ発生装置５０によれば、単トーチ型のプラズマ発生装置よりも低電流状態で使用することができる。
【００１４】
しかしながら、このような構造のプラズマ発生装置においては、スイッチが多く、その切り替え手順が複雑であるため、プラズマフレームを発生させるまでに時間がかかるという課題があった。また、構造が複雑なため、製造コストが高いという課題があった。
【００１５】
本発明はこのような従来の事情に対処してなされたものであり、構造が簡単であって、安価に製造することが可能なプラズマ発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、主陰極と，この主陰極を囲むとともにその軸方向前方に第１の主放出口を有する第１の主外套と，この主外套を囲むとともにその軸方向前方に第２の主放出口を有する第２の主外套からなる主トーチと、第１の副トーチ陽極と，この第１の副トーチ陽極を囲むとともにその軸方向前方に第１の副放出口を有する第１の副トーチと、第２の副トーチ陽極と，この第２の副トーチ陽極を囲むとともにその軸方向前方に第２の副放出口を有する第２の副トーチと、を備え、第１の副トーチ及び第２の副トーチは、互いの中心軸が一致するように対向配置され、主陰極は、その中心軸が第１の副トーチ及び第２の副トーチの中心軸と交差するように配置されたプラズマ発生装置において、負端子が主陰極に接続され、正端子が第１の副トーチ陽極に接続される第１の電源と、負端子が主陰極に接続され、正端子が第２の副トーチ陽極に接続されるとともに、第１のスイッチを介して第１の主外套及び第２の主外套に接続される第２の電源と、を備えたことを特徴とするものである。
【００１７】
このような構造のプラズマ発生装置において、第１の主外套の内部へプラズマガスを送入して第１のスイッチを閉じ、第２の電源によって主陰極と第１の主外套の間に高電圧を印加すると、主陰極の先端から第１の主外套の放出口に向かって主起動アークが形成される。その結果、プラズマガスが加熱され、プラズマフレームとなって第１の主外套の先端より放出される。
このとき、第２の電源によって主陰極と第２の主外套の間にも高電圧が印加されているため、プラズマの陽極点が第１の主外套から第２の主外套へ移行し、第２の主外套の先端より主トーチの外部へプラズマフレームが放出される。
【００１８】
さらに、第１の副外套及び第２の副外套の内部へプラズマガスを送入すると、主トーチと第１の副トーチ及び第２の副トーチの中心軸が交差し、かつ、第２の主外套の放出口から放出されたプラズマフレームが導電性を有することから、第２の電源により高電圧を印加して主陰極と第１の副トーチ陽極の間に高周波を流すと、第１の副トーチ陽極の先端から主陰極の陰極点に至るヘアピン状のプラズマフレームが形成される。
続いて、第１のスイッチを開いて第２の電源により高電圧を印加して主陰極と第２の副トーチ陽極の間に高周波を流すと、第２の副トーチ陽極の先端から主陰極の陰極点に至るヘアピン状のプラズマフレームが形成され、前述のプラズマフレームと合わさって、Ｔ字状のプラズマフレームとなる。その結果、プラズマフレームの直進性と安定性が向上し、プラズマの出力が増加する。
【００１９】
すなわち、請求項１記載の発明においては、１つの主陰極に対して２つの副トーチ陽極を有する従来のツインアノード型のプラズマ発生装置と同様の作用を有する。しかも、従来技術に係るプラズマ発生装置に比べると、スイッチの数とその操作回数が少なく、スイッチの切り替え手順が簡単である。従って、短時間でプラズマフレームが発生する。
【００２０】
また、請求項２記載の発明は、請求項１に記載のプラズマ発生装置において、第２の電源は、正端子が第１のスイッチを介して第１の主外套及び第２の主外套に接続される代わりに、第２のスイッチを介して第１の主外套に接続されるとともに、第３のスイッチを介して第２の主外套に接続されることを特徴とするものである。
このような構造のプラズマ発生装置においては、請求項１記載の発明の作用に加えて、第１の主外套の先端からプラズマフレームが放出されている状態であっても第３のスイッチの操作により第２の主外套と主陰極の間に高電圧が印加されるまで、主トーチの外部へプラズマフレームが放出されないという作用を有する。
【００２１】
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記載のプラズマ発生装置において、第１の副トーチ及び第２の副トーチが主陰極の軸方向前方に複数設置されることを特徴とするものである。
このような構造のプラズマ発生装置においては、請求項１又は請求項２記載の発明の作用に加えて、互いに対向配置されている複数組の第１の副トーチ陽極及び第２の副トーチ陽極に対して、主トーチの先端に近い側から軸方向前方へ向かって順に高電圧を印加することにより、主トーチの先端から軸方向前方へ向かって形成されるプラズマフレームが伸長されるという作用を有する。
【００２２】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置において、主トーチは主陰極に代えて主陽極を備え、第１の副トーチ及び第２の副トーチは第１の副トーチ陽極及び第２の副トーチ陽極に代えて第１の副トーチ陰極及び第２の副トーチ陰極をそれぞれ備え、第１の電源は、正端子が主陽極に接続され、負端子が第１の副トーチ陰極に接続され、第２の電源は、正端子が主陽極に接続され、負端子が第２の副トーチ陰極、第１の主外套及び第２の主外套に接続されることを特徴とするものである。
このような構造によれば、１つの主陽極に対して２つの副トーチ陰極を有するツインカソード型のプラズマ発生装置においても請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載された発明と同様の作用を有する。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように、本発明の請求項１記載のプラズマ発生装置によれば、単トーチ型のプラズマ発生装置に比べて低電流状態で使用することができる。また、プラズマフレームを発生させるまでに要する時間が短縮されるため、プラズマガスの消費量を少なくすることができる。さらに、電源と各電極の間の回路構成が単純であるため、製造コストを安くすることができる。
【００２４】
本発明の請求項２記載のプラズマ発生装置によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、プラズマフレームを主トーチの外部へ放出するタイミングを容易に調整できるという効果を奏する。
【００２５】
本発明の請求項３記載のプラズマ発生装置によれば、請求項２記載の発明の効果に加えて、溶射材料がプラズマフレームに熱暴露される時間を長くすることができる。
【００２６】
本発明の請求項４記載のプラズマ発生装置によれば、１つの主陽極に対して２つの副トーチ陰極を有するツインカソード型のプラズマ発生装置においても請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載された発明と同様の効果が発揮される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態に係るプラズマ発生装置の実施例の構造を示した模式図である。
【図２】図１のプラズマ発生装置の動作を説明するための模式図である。
【図３】図１のプラズマ発生装置の動作を説明するための模式図である。
【図４】図１のプラズマ発生装置の第１の変形例を示した模式図である。
【図５】図４のプラズマ発生装置の動作を説明するための模式図である。
【図６】図４のプラズマ発生装置の動作を説明するための模式図である。
【図７】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ図１のプラズマ発生装置の第２の変形例及び第３の変形例を示した模式図である。
【図８】（ａ）は複合トーチ型のプラズマ発生装置の従来例の構造の一部を示した模式図であり、（ｂ）は図８（ａ）のプラズマ発生装置の全体構造を示した模式図である。
【図９】（ａ）及び（ｂ）は図８（ａ）のプラズマ発生装置の動作を説明するための模式図である。
【図１０】（ａ）及び（ｂ）は図８（ａ）のプラズマ発生装置の動作を説明するための模式図である。
【図１１】（ａ）及び（ｂ）は図８（ａ）のプラズマ発生装置の動作を説明するための模式図である。
【図１２】図８（ａ）のプラズマ発生装置の動作を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明のプラズマ発生装置は、従来の複合トーチ型のプラズマ発生装置において主トーチや副トーチと電源との間の配線を改良したものである。以下、その具体的な構造について図１乃至図７を用いて説明する。なお、図８乃至図１２を用いて既に説明した構成要素については同一の符号を付して、その説明を省略する。また、図１乃至図７では、回路が閉じていない状態を破線で示し、回路が閉じている状態を実線で示している。
【実施例】
【００２９】
図１は本実施例のプラズマ発生装置の構造を模式的に示した図である。
図１に示すように、プラズマ発生装置１ａは従来のプラズマ発生装置５０において、スイッチ７５〜８２の代わりに、スイッチ２を備えた構造となっている。
そして、電源７３は負端子が主陰極５４に接続され、正端子が副トーチ陽極５９に接続されている。また、電源７４は正端子が副トーチ陽極６０に接続され、スイッチ２を介して主外套５５，５６に接続され、負端子が主陰極５４に接続されている。
なお、スイッチ２は、プラズマ発生装置５０のスイッチ７５〜８２と同じ電磁開閉器（マグネットスイッチ）によって構成されている
【００３０】
プラズマ発生装置１ａの動作について図２及び図３を用いて説明する。なお、図２及び図３では、回路が閉じていない状態を破線で示し、回路が閉じている状態を実線で示している。
図１に示したプラズマ発生装置１ａにおいて、送入口６５からプラズマガスを主外套５５の内部へ送入し、スイッチ２を閉じて、電源７４によって主陰極５４と主外套５５の間に高電圧を印加すると、主陰極５４の先端から主外套５５の放出口に向かって主起動アークが形成される。その結果、プラズマガスが加熱され、プラズマフレーム８３ａとなって主外套５５の先端より放出される。
このプラズマフレーム８３ａが導電性を有することに加え、電源７４によって主陰極５４と主外套５６の間に高電圧が印加されていることから、プラズマフレーム８３ａの陽極点は主外套５５から主外套５６へ移行し、プラズマフレーム８３ａは主外套５６の先端より主トーチ５１の外部へ放出される（図２参照）。
【００３１】
このとき、主トーチ５１と副トーチ５２の中心軸が交差し、かつ、プラズマフレーム８３ａが導電性を有することを利用して、電源７３により主陰極５４と副トーチ陽極５９の間に高周波を流すとともに、送入口６７からプラズマガスを副外套６１の内部へ送入すると、図１１（ａ）に示した場合と同様に、副トーチ陽極５９の先端から主陰極５４の陰極点に至るヘアピン状のプラズマフレーム８４が形成される。
次に、送入口６８からプラズマガスを副外套６２の内部へ送入するとともに、スイッチ２を開いて電源７４により主陰極５４と副トーチ陽極６０の間に高周波を流す。この場合、主トーチ５１と副トーチ５３の中心軸が交差し、かつ、プラズマフレーム８３ａが導電性を有するため、副トーチ陽極６０の先端から主陰極５４の陰極点に至るヘアピン状のプラズマフレーム８５が形成され、前述のプラズマフレーム８４と合わさって、Ｔ字状のプラズマフレームとなる（図３参照）。その結果、プラズマフレーム８６の直進性と安定性が向上し、プラズマの出力が増加する。
さらに、材料送入管から連結管６９の内部へ溶射材料を送入すると、プラズマの熱によって溶射材料が溶融し、溶融粒子７０の状態でプラズマフレーム８６に同伴されて母材７１に吹き付けられる。その結果、母材７１の表面に皮膜７２が形成される。
【００３２】
このように、プラズマ発生装置１ａにおいては、１つの主陰極５４に対して２つの副トーチ陽極５９，６０を有する従来のツインアノード型のプラズマ発生装置５０と同様の作用を有する。しかも、プラズマ発生装置５０に比べると、スイッチの数とその操作回数が少なく、スイッチの切り替え手順が簡単であるため、短時間でプラズマフレームが発生する。
従って、プラズマ発生装置１ａによれば、単トーチ型のプラズマ発生装置に比べて低電流状態で使用することができる。また、プラズマフレームを発生させるまでに要する時間が短縮されるため、プラズマガスの消費量を少なくすることが可能である。加えて、電源と各電極の間の回路構成が単純であるため、安価に製造することができる。
【００３３】
なお、本発明のプラズマ発生装置の構造は本実施例に示した場合に限定されるものではない。例えば、図４にプラズマ発生装置１ｂとして示すように、プラズマ発生装置１ａにおいて電源７４の正端子がスイッチ２を介して主外套５５，５６に接続される代わりに、スイッチ３を介して主外套５５に接続されるとともに、スイッチ４を介して主外套５６に接続される構造とすることもできる。
【００３４】
プラズマ発生装置１ｂの動作について図５及び図６を用いて説明する。
図４に示したプラズマ発生装置１ｂにおいて、送入口６５からプラズマガスを主外套５５の内部へ送入し、スイッチ３を閉じて、電源７４によって主陰極５４と主外套５５の間に高電圧を印加すると、主陰極５４の先端から主外套５５の放出口に向かって主起動アークが形成される。その結果、プラズマガスが加熱され、プラズマフレーム８３ａとなって主外套５５の先端より放出される（図５参照）。
次に、スイッチ４を閉じた後、スイッチ３を開いて、電源７４によって主陰極５４と主外套５６の間に高電圧を印加すると、プラズマフレーム８３ａの陽極点は主外套５５から主外套５６へ移行し、図２におけるプラズマ発生装置１ａの場合と同様に、プラズマフレーム８３ａは主外套５６の先端より主トーチ５１の外部へ放出される（図６参照）。
【００３５】
このように、プラズマ発生装置１ｂにおいては、主外套５５の先端からプラズマフレーム８３ａが放出されている状態であってもスイッチ４の操作により主外套５６と主陰極５４の間に高電圧が印加されるまで主トーチ５１の外部へプラズマフレーム８３ａが放出されることがない。従って、プラズマ発生装置１ｂによれば、プラズマフレーム８３ａを主トーチ５１の外部へ放出するタイミングを容易に調整することができる。
【００３６】
また、図７（ａ）にプラズマ発生装置１ｃとして示すように、電源７３の正端子と副トーチ陽極５９がスイッチ５を介して接続され、電源７４の正端子と副トーチ陽極６０がスイッチ６を介して接続される構造とすることもできる。
この場合、主トーチ５１の外部へプラズマフレーム８３ａが放出されている状態であってもスイッチ５，６の操作により副トーチ陽極５９，６０の先端と主陰極５４の間に高電圧が印加されるまで副トーチ陽極５９，６０の先端から主陰極５４の陰極点にヘアピン状のプラズマフレーム８４が形成されることがない。従って、プラズマ発生装置１ｃによれば、副トーチ陽極５９，６０の先端から主陰極５４の陰極点にかけてヘアピン状のプラズマフレーム８４がそれぞれ形成されるタイミングを容易に調整することができる。
【００３７】
さらに、プラズマ発生装置１ａ〜１ｃにおいて、副トーチ５２，５３の組が主陰極５４の軸方向前方に複数設置された構造とすることもできる。このような構造によれば、互いに対向配置されている複数組の副トーチ陽極５９，６０に対して、主トーチ５１の先端に近い側から軸方向前方へ向かって順に高電圧を印加することにより、主トーチ５１の先端から軸方向前方へ向かって形成されるプラズマフレーム８６が伸長されるという作用を有する。これにより、連結管６９の内部において溶射材料がプラズマフレーム８６に熱暴露される時間を長くすることができる。
【００３８】
また、図７（ｂ）にプラズマ発生装置１ｄとして示すように、プラズマ発生装置１ａにおいて、主トーチ５１の主陰極５４を主陽極７に代え、副トーチ５２，５３の副トーチ陽極５９，６０をそれぞれ副トーチ陰極８，９に代えるとともに、電源７３の正端子が主陽極７に接続され、電源７３の負端子が副トーチ陰極８に接続され、電源７４の正端子が主陽極７に接続され、電源７４の負端子が副トーチ陰極９に接続されるとともに、スイッチ２を介して主外套５５，５６に接続された構造としても良い。
この場合、プラズマ発生装置１ｄは、１つの主陽極に対して２つの副トーチ陰極を有する「ツインカソード型」となるが、このような構造であってもプラズマ発生装置１ａと同様の作用及び効果が発揮される。なお、プラズマ発生装置１ｂ，１ｃについてもプラズマ発生装置１ａに対する場合と同様の変更を加えることによれば、プラズマ発生装置１ｄの場合と同様の作用及び効果が発揮される。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
請求項１乃至請求項４に記載のプラズマ発生装置は、プラズマ溶射に限らず、溶接や切断などのように高温のプラズマを熱源として利用する各種の加工方法に対して適用可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１ａ〜１ｄ…プラズマ発生装置 ２〜６…スイッチ ７…主陽極 ８，９…副トーチ陰極 ５０…プラズマ発生装置 ５１…主トーチ ５２，５３…副トーチ ５４…主陰極 ５５，５６…主外套 ５７，５８…絶縁物 ５９，６０…副トーチ陽極 ６１，６２…副外套 ６３，６４…絶縁物 ６５〜６８…送入口 ６９…連結管 ７０…溶融粒子 ７１…母材 ７２…皮膜 ７３，７４…電源 ７５〜８２…スイッチ ８３ａ〜８３ｃ…プラズマフレーム ８４〜８６…プラズマフレーム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマアークによって金属やセラミックス等を溶融させるとともに、対象物に吹き付けて、その表面に皮膜を形成するプラズマ溶射等に用いられるプラズマ発生装置に係り、特に、安価に製造することが可能なプラズマ発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ溶射とは、アルゴンなどの不活性ガスに通電して発生させたプラズマを熱源として、セラミック等の高融点金属を溶融させ、プラズマジェット（プラズマの高速流）によって被施工物に吹き付けることにより、その表面に緻密で硬度の高い皮膜を形成する方法である。
従来、プラズマ溶射には一対の陽極と陰極の間にプラズマアークを発生させる単トーチ型プラズマ発生装置が用いられてきた。しかし、単トーチ型プラズマ発生装置では電流の増加に伴い、電極が著しく損耗するという課題があった。
そのため、このような課題を解決するものとして、陽極と陰極からなる２個以上のトーチを備え、プラズマアークをトーチの外部に引き出すことによって電流値を低くする構造の複合トーチ型プラズマ発生装置が注目されている。
この複合トーチ型プラズマ発生装置について、近年、様々な研究や開発がなされており、既に幾つかの発明や考案が開示されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、「プラズマ溶射装置」という名称で、皮膜の高品質化を図ることが可能な複合トーチ型のプラズマ溶射装置に関する発明が開示されている。
特許文献１に開示された発明は、軸方向に材料搬送管が形成された主陽極と、冷却要素を有するとともに、主陽極を囲むように、かつ、その軸方向前方に主開口部が配置される主外套からなる主トーチと、中心軸が主陽極の中心軸と交差するように配置される副陰極と、副陰極を囲むとともに、その軸方向前方に副開口部が配置される副外套からなる副トーチを備えたプラズマ溶射装置において、主陽極の先端部に第１凹部及び第２凹部を有するものである。
そして、第１凹部は主陽極の径方向について材料搬送管よりも外側から連続的に縮径しながら主陽極の軸方向後方に向かってくぼむように形成されている。さらに、第２凹部は主陽極の径方向について第１凹部の内縁から材料搬送管に至るまで連続的又は断続的に縮径しながら主陽極の軸方向後方に向かって第１凹部よりも大きく又は急峻にくぼむように形成されている。
このような構造によれば、材料搬送管の先端部から放出された材料が、プラズマに接触するまでの間に拡散し得る空間が広く確保される。この場合、材料が十分に拡散するため、材料の飛散単位のサイズの縮小化と均等化を図ることができる。これにより、皮膜がさらに緻密化するため、その品質が高まる。
【０００４】
また、特許文献２には、「複合トーチ型プラズマ発生装置」という名称で、副トーチの部品点数を削減して製造コストを安くするとともに、副トーチ全体の簡素化及び小型化を図り、また、プラズマ及びプラズマフレームの直進性や安定性を向上させてプラズマ出力の増加を図ることが可能なプラズマ発生装置に関する発明が開示されている。
特許文献２に開示された発明は、一対の陰極と陽極からなる主トーチ及び副トーチと、プラズマガス供給手段を有する複合トーチ型プラズマ発生装置において、主トーチの軸芯を中心として複数の副トーチが放射線上に設置され、各副トーチの陽極が外套により囲まれるとともに、この外套の内壁に陰極が設置された構造となっている。
このような構造によれば、従来の複合トーチ型プラズマ発生装置のように副トーチの陽極の手前にタングステン陰極部を設ける必要がない。また、保護ガス挿入手段を有する絶縁部や配線あるいは配管を、タングステン陰極部に付随する陽極間に設ける必要がない。これにより、部品点数が削減されるため、製造コストが安くなり、副トーチ全体が簡素化及び小型化される。さらに、複数の副トーチが主トーチの軸芯を中心として放射線状に配置されていることから、プラズマ及びプラズマフレームの直進性及び安定性が向上する。その結果、プラズマ出力が増加する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１１０６６９号公報
【特許文献２】特開２０１０−４３３４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、従来の汎用的な複合トーチ型のプラズマ発生装置について、図８乃至図１２を用いて詳細に説明する。なお、図８乃至図１２では、回路が閉じていない状態を破線で示し、回路が閉じている状態を実線で示している。そして、図８（ａ）は複合トーチ型のプラズマ発生装置の従来例の構造の一部を示した模式図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のプラズマ発生装置の全体構造を示した模式図である。また、図９乃至図１２は図８（ａ）のプラズマ発生装置の動作を説明するための模式図である。
図８（ａ）に示すように、複合トーチ型のプラズマ発生装置５０は主トーチ５１と、副トーチ５２，５３を備えている。副トーチ５２，５３は互いの中心軸が一致するように対向配置されており、主トーチ５１は、その中心軸が副トーチ５２，５３の中心軸と交差するように配置されている。
【０００７】
主トーチ５１は、同軸に配置される主陰極５４及び主外套５５，５６によって構成されており、主外套５５，５６の放出口は主陰極５４の中心軸上に配置され、主陰極５４と主外套５５の間及び主外套５５と主外套５６の間には絶縁物５７，５８がそれぞれ設置されている。
副トーチ５２は、同軸に配置される副トーチ陽極５９及び副外套６１によって構成されており、副外套６１の放出口は副トーチ陽極５９の中心軸上に配置され、副トーチ陽極５９と副外套６１の間には絶縁物６３が設置されている。
また、副トーチ５３は、同軸に配置される副トーチ陽極６０及び副外套６２によって構成されており、副外套６２の放出口は副トーチ陽極６０の中心軸上に配置され、副トーチ陽極６０と副外套６２の間には絶縁物６４が設置されている。
【０００８】
絶縁物５７，５８には主外套５５，５６の内部へアルゴン等の不活性ガスをプラズマガスとして送入するための送入口６５，６６がそれぞれ設けられており、絶縁物６３，６４には副外套６１，６２の内部へ上記プラズマガスを送入するための送入口６７，６８がそれぞれ設けられている。
主トーチ５１と副トーチ５２，５３はそれぞれ絶縁性を保たれた状態で連結管６９によって固定されており、連結管６９には、材料送入管（図示せず）が設けられている。この材料送入管から連結管６９の内部へ送入された溶射材料は、プラズマの熱によって溶融した後、溶融粒子７０となってプラズマフレーム８６に同伴されながら母材７１に吹き付けられる。その結果、母材７１の表面に皮膜７２が形成される。
【０００９】
図８（ｂ）に示すように、電源７３は負端子が主陰極５４に接続され、正端子がスイッチ７５〜７７を介して主外套５５，５６及び副トーチ陽極５９にそれぞれ接続されている。
一方、電源７４は正端子がスイッチ７８，７９を介して副トーチ陽極５９，６０にそれぞれ接続され、負端子がスイッチ８０〜８２を介して主陰極５４及び副外套６１，６２にそれぞれ接続されている。
なお、スイッチ７５〜８２は、電磁石の動作により電路を開閉する電磁接触器と、過大な負荷がかかった場合に電路を遮断するサーマルリレー等を組み合わせた電磁開閉器（マグネットスイッチ）によって構成されている。
【００１０】
プラズマ発生装置５０の動作について図９乃至図１２を用いて説明する。なお、図９乃至図１２では、回路が閉じていない状態を破線で示し、回路が閉じている状態を実線で示している。
図８（ｂ）に示したプラズマ発生装置５０において、送入口６５からプラズマガスを主外套５５の内部へ送入し、スイッチ７５を閉じて、電源７３によって主陰極５４と主外套５５の間に高電圧を印加すると、主陰極５４の先端から主外套５５の放出口に向かって主起動アークが形成される。その結果、プラズマガスが加熱され、プラズマフレーム８３ａとなって主外套５５の先端より放出される（図９（ａ）参照）。
次に、スイッチ７６を閉じた後、スイッチ７５を開いて、電源７３によって主陰極５４と主外套５６の間に高電圧を印加すると、プラズマフレーム８３ａの陽極点は主外套５５から主外套５６へ移行し、プラズマフレーム８３ａは主外套５６の先端より主トーチ５１の外部へ放出される（図９（ｂ）参照）。
【００１１】
さらに、スイッチ７８，８１を閉じて電源７４によって副トーチ陽極５９と副外套６１の間に高電圧を印加するとともに、送入口６７からプラズマガスを副外套６１の内部へ送入すると、副起動アークが形成され、副外套６１の先端の放出口よりプラズマフレーム８３ｂが放出される（図１０（ａ）参照）。
このとき、主トーチ５１と副トーチ５２の中心軸が交差し、かつ、プラズマフレーム８３ａ，８３ｂが導電性を有するため、スイッチ７７を閉じると同時にスイッチ７６を開くとともに、スイッチ７８，８１を開くと、副トーチ陽極５９の先端から主陰極５４の陰極点に至るヘアピン状のプラズマフレーム８４が形成される（図１０（ｂ）参照）。
【００１２】
図１０（ｂ）に示した状態から、スイッチ７９，８２を閉じて電源７４によって副トーチ陽極６０と副外套６２の間に高電圧を印加するとともに、送入口６８からプラズマガスを副外套６２の内部へ送入すると、副起動アークが形成され、副外套６２の先端の放出口よりプラズマフレーム８３ｃが放出される（図１１（ａ）参照）。
このとき、主トーチ５１と副トーチ５３の中心軸が交差し、かつ、プラズマフレーム８３ｃが導電性を有するため、スイッチ８０を閉じると同時にスイッチ８２を開くと、副トーチ陽極６０の先端から主陰極５４の陰極点に至るヘアピン状のプラズマフレーム８５が形成され、プラズマフレーム８４と合わせて、Ｔ字状のプラズマフレームとなる（図１１（ｂ）参照）。
【００１３】
図１１（ｂ）に示した状態のプラズマ発生装置５０において、材料送入管から連結管６９の内部へ溶射材料を送入すると、プラズマの熱によって溶射材料が溶融し、溶融粒子７０の状態でプラズマフレーム８６に同伴されて母材７１に吹き付けられる。これにより、母材７１の表面に皮膜７２が形成される（図１２参照）。
そして、前述したように、プラズマ発生装置５０においてはＴ字状のプラズマフレーム８５が形成されるため、プラズマフレーム８６の直進性と安定性が向上し、プラズマの出力が増加する。従って、特許文献１や特許文献２に開示された従来の複合トーチ型のプラズマ発生装置５０によれば、単トーチ型のプラズマ発生装置よりも低電流状態で使用することができる。
【００１４】
しかしながら、このような構造のプラズマ発生装置においては、スイッチが多く、その切り替え手順が複雑であるため、プラズマフレームを発生させるまでに時間がかかるという課題があった。また、構造が複雑なため、製造コストが高いという課題があった。
【００１５】
本発明はこのような従来の事情に対処してなされたものであり、構造が簡単であって、安価に製造することが可能なプラズマ発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、主陰極と，この主陰極を囲むとともにその軸方向前方に第１の主放出口を有する第１の主外套と，この主外套を囲むとともにその軸方向前方に第２の主放出口を有する第２の主外套からなる主トーチと、第１の副トーチ陽極と，この第１の副トーチ陽極を囲むとともにその軸方向前方に第１の副放出口を有する第１の副トーチと、第２の副トーチ陽極と，この第２の副トーチ陽極を囲むとともにその軸方向前方に第２の副放出口を有する第２の副トーチと、を備え、第１の副トーチ及び第２の副トーチは、互いの中心軸が一致するように対向配置され、主陰極は、その中心軸が第１の副トーチ及び第２の副トーチの中心軸と交差するように配置されたプラズマ発生装置において、負端子が主陰極に接続され、正端子が第１の副トーチ陽極に接続される第１の電源と、負端子が主陰極に接続され、正端子が第２の副トーチ陽極に接続されるとともに、第１のスイッチを介して第１の主外套及び第２の主外套に接続される第２の電源と、を備えたことを特徴とするものである。
【００１７】
このような構造のプラズマ発生装置において、第１の主外套の内部へプラズマガスを送入して第１のスイッチを閉じ、第２の電源によって主陰極と第１の主外套の間に高電圧を印加すると、主陰極の先端から第１の主外套の放出口に向かって主起動アークが形成される。その結果、プラズマガスが加熱され、プラズマフレームとなって第１の主外套の先端より放出される。
このとき、第２の電源によって主陰極と第２の主外套の間にも高電圧が印加されているため、プラズマの陽極点が第１の主外套から第２の主外套へ移行し、第２の主外套の先端より主トーチの外部へプラズマフレームが放出される。
【００１８】
さらに、第１の副外套及び第２の副外套の内部へプラズマガスを送入すると、主トーチと第１の副トーチ及び第２の副トーチの中心軸が交差し、かつ、第２の主外套の放出口から放出されたプラズマフレームが導電性を有することから、第２の電源により高電圧を印加して主陰極と第１の副トーチ陽極の間に高周波を流すと、第１の副トーチ陽極の先端から主陰極の陰極点に至るヘアピン状のプラズマフレームが形成される。
続いて、第１のスイッチを開いて第２の電源により高電圧を印加して主陰極と第２の副トーチ陽極の間に高周波を流すと、第２の副トーチ陽極の先端から主陰極の陰極点に至るヘアピン状のプラズマフレームが形成され、前述のプラズマフレームと合わさって、Ｔ字状のプラズマフレームとなる。その結果、プラズマフレームの直進性と安定性が向上し、プラズマの出力が増加する。
【００１９】
すなわち、請求項１記載の発明においては、１つの主陰極に対して２つの副トーチ陽極を有する従来のツインアノード型のプラズマ発生装置と同様の作用を有する。しかも、従来技術に係るプラズマ発生装置に比べると、スイッチの数とその操作回数が少なく、スイッチの切り替え手順が簡単である。従って、短時間でプラズマフレームが発生する。
【００２０】
また、請求項２記載の発明は、請求項１に記載のプラズマ発生装置において、第２の電源は、正端子が第１のスイッチを介して第１の主外套及び第２の主外套に接続される代わりに、第２のスイッチを介して第１の主外套に接続されるとともに、第３のスイッチを介して第２の主外套に接続されることを特徴とするものである。
このような構造のプラズマ発生装置においては、請求項１記載の発明の作用に加えて、第１の主外套の先端からプラズマフレームが放出されている状態であっても第３のスイッチの操作により第２の主外套と主陰極の間に高電圧が印加されるまで、主トーチの外部へプラズマフレームが放出されないという作用を有する。
【００２１】
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記載のプラズマ発生装置において、第１の副トーチ及び第２の副トーチが主陰極の軸方向前方に複数設置されることを特徴とするものである。
このような構造のプラズマ発生装置においては、請求項１又は請求項２記載の発明の作用に加えて、互いに対向配置されている複数組の第１の副トーチ陽極及び第２の副トーチ陽極に対して、主トーチの先端に近い側から軸方向前方へ向かって順に高電圧を印加することにより、主トーチの先端から軸方向前方へ向かって形成されるプラズマフレームが伸長されるという作用を有する。
【００２２】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置において、主トーチは主陰極に代えて主陽極を備え、第１の副トーチ及び第２の副トーチは第１の副トーチ陽極及び第２の副トーチ陽極に代えて第１の副トーチ陰極及び第２の副トーチ陰極をそれぞれ備え、第１の電源は、正端子が主陽極に接続され、負端子が第１の副トーチ陰極に接続され、第２の電源は、正端子が主陽極に接続され、負端子が第２の副トーチ陰極、第１の主外套及び第２の主外套に接続されることを特徴とするものである。
このような構造によれば、１つの主陽極に対して２つの副トーチ陰極を有するツインカソード型のプラズマ発生装置においても請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載された発明と同様の作用を有する。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように、本発明の請求項１記載のプラズマ発生装置によれば、単トーチ型のプラズマ発生装置に比べて低電流状態で使用することができる。また、プラズマフレームを発生させるまでに要する時間が短縮されるため、プラズマガスの消費量を少なくすることができる。さらに、電源と各電極の間の回路構成が単純であるため、製造コストを安くすることができる。
【００２４】
本発明の請求項２記載のプラズマ発生装置によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、プラズマフレームを主トーチの外部へ放出するタイミングを容易に調整できるという効果を奏する。
【００２５】
本発明の請求項３記載のプラズマ発生装置によれば、請求項２記載の発明の効果に加えて、溶射材料がプラズマフレームに熱暴露される時間を長くすることができる。
【００２６】
本発明の請求項４記載のプラズマ発生装置によれば、１つの主陽極に対して２つの副トーチ陰極を有するツインカソード型のプラズマ発生装置においても請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載された発明と同様の効果が発揮される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態に係るプラズマ発生装置の実施例の構造を示した模式図である。
【図２】図１のプラズマ発生装置の動作を説明するための模式図である。
【図３】図１のプラズマ発生装置の動作を説明するための模式図である。
【図４】図１のプラズマ発生装置の第１の変形例を示した模式図である。
【図５】図４のプラズマ発生装置の動作を説明するための模式図である。
【図６】図４のプラズマ発生装置の動作を説明するための模式図である。
【図７】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ図１のプラズマ発生装置の第２の変形例及び第３の変形例を示した模式図である。
【図８】（ａ）は複合トーチ型のプラズマ発生装置の従来例の構造の一部を示した模式図であり、（ｂ）は図８（ａ）のプラズマ発生装置の全体構造を示した模式図である。
【図９】（ａ）及び（ｂ）は図８（ａ）のプラズマ発生装置の動作を説明するための模式図である。
【図１０】（ａ）及び（ｂ）は図８（ａ）のプラズマ発生装置の動作を説明するための模式図である。
【図１１】（ａ）及び（ｂ）は図８（ａ）のプラズマ発生装置の動作を説明するための模式図である。
【図１２】図８（ａ）のプラズマ発生装置の動作を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明のプラズマ発生装置は、従来の複合トーチ型のプラズマ発生装置において主トーチや副トーチと電源との間の配線を改良したものである。以下、その具体的な構造について図１乃至図７を用いて説明する。なお、図８乃至図１２を用いて既に説明した構成要素については同一の符号を付して、その説明を省略する。また、図１乃至図７では、回路が閉じていない状態を破線で示し、回路が閉じている状態を実線で示している。
【実施例】
【００２９】
図１は本実施例のプラズマ発生装置の構造を模式的に示した図である。
図１に示すように、プラズマ発生装置１ａは従来のプラズマ発生装置５０において、スイッチ７５〜８２の代わりに、スイッチ２を備えた構造となっている。
そして、電源７３は負端子が主陰極５４に接続され、正端子が副トーチ陽極５９に接続されている。また、電源７４は正端子が副トーチ陽極６０に接続され、スイッチ２を介して主外套５５，５６に接続され、負端子が主陰極５４に接続されている。
なお、スイッチ２は、プラズマ発生装置５０のスイッチ７５〜８２と同じ電磁開閉器（マグネットスイッチ）によって構成されている
【００３０】
プラズマ発生装置１ａの動作について図２及び図３を用いて説明する。なお、図２及び図３では、回路が閉じていない状態を破線で示し、回路が閉じている状態を実線で示している。
図１に示したプラズマ発生装置１ａにおいて、送入口６５からプラズマガスを主外套５５の内部へ送入し、スイッチ２を閉じて、電源７４によって主陰極５４と主外套５５の間に高電圧を印加すると、主陰極５４の先端から主外套５５の放出口に向かって主起動アークが形成される。その結果、プラズマガスが加熱され、プラズマフレーム８３ａとなって主外套５５の先端より放出される。
このプラズマフレーム８３ａが導電性を有することに加え、電源７４によって主陰極５４と主外套５６の間に高電圧が印加されていることから、プラズマフレーム８３ａの陽極点は主外套５５から主外套５６へ移行し、プラズマフレーム８３ａは主外套５６の先端より主トーチ５１の外部へ放出される（図２参照）。
【００３１】
このとき、主トーチ５１と副トーチ５２の中心軸が交差し、かつ、プラズマフレーム８３ａが導電性を有することを利用して、電源７３により主陰極５４と副トーチ陽極５９の間に高周波を流すとともに、送入口６７からプラズマガスを副外套６１の内部へ送入すると、図１１（ａ）に示した場合と同様に、副トーチ陽極５９の先端から主陰極５４の陰極点に至るヘアピン状のプラズマフレーム８４が形成される。
次に、送入口６８からプラズマガスを副外套６２の内部へ送入するとともに、スイッチ２を開いて電源７４により主陰極５４と副トーチ陽極６０の間に高周波を流す。この場合、主トーチ５１と副トーチ５３の中心軸が交差し、かつ、プラズマフレーム８３ａが導電性を有するため、副トーチ陽極６０の先端から主陰極５４の陰極点に至るヘアピン状のプラズマフレーム８５が形成され、前述のプラズマフレーム８４と合わさって、Ｔ字状のプラズマフレームとなる（図３参照）。その結果、プラズマフレーム８６の直進性と安定性が向上し、プラズマの出力が増加する。
さらに、材料送入管から連結管６９の内部へ溶射材料を送入すると、プラズマの熱によって溶射材料が溶融し、溶融粒子７０の状態でプラズマフレーム８６に同伴されて母材７１に吹き付けられる。その結果、母材７１の表面に皮膜７２が形成される。
【００３２】
このように、プラズマ発生装置１ａにおいては、１つの主陰極５４に対して２つの副トーチ陽極５９，６０を有する従来のツインアノード型のプラズマ発生装置５０と同様の作用を有する。しかも、プラズマ発生装置５０に比べると、スイッチの数とその操作回数が少なく、スイッチの切り替え手順が簡単であるため、短時間でプラズマフレームが発生する。
従って、プラズマ発生装置１ａによれば、単トーチ型のプラズマ発生装置に比べて低電流状態で使用することができる。また、プラズマフレームを発生させるまでに要する時間が短縮されるため、プラズマガスの消費量を少なくすることが可能である。加えて、電源と各電極の間の回路構成が単純であるため、安価に製造することができる。
【００３３】
なお、本発明のプラズマ発生装置の構造は本実施例に示した場合に限定されるものではない。例えば、図４にプラズマ発生装置１ｂとして示すように、プラズマ発生装置１ａにおいて電源７４の正端子がスイッチ２を介して主外套５５，５６に接続される代わりに、スイッチ３を介して主外套５５に接続されるとともに、スイッチ４を介して主外套５６に接続される構造とすることもできる。
【００３４】
プラズマ発生装置１ｂの動作について図５及び図６を用いて説明する。
図４に示したプラズマ発生装置１ｂにおいて、送入口６５からプラズマガスを主外套５５の内部へ送入し、スイッチ３を閉じて、電源７４によって主陰極５４と主外套５５の間に高電圧を印加すると、主陰極５４の先端から主外套５５の放出口に向かって主起動アークが形成される。その結果、プラズマガスが加熱され、プラズマフレーム８３ａとなって主外套５５の先端より放出される（図５参照）。
次に、スイッチ４を閉じた後、スイッチ３を開いて、電源７４によって主陰極５４と主外套５６の間に高電圧を印加すると、プラズマフレーム８３ａの陽極点は主外套５５から主外套５６へ移行し、図２におけるプラズマ発生装置１ａの場合と同様に、プラズマフレーム８３ａは主外套５６の先端より主トーチ５１の外部へ放出される（図６参照）。
【００３５】
このように、プラズマ発生装置１ｂにおいては、主外套５５の先端からプラズマフレーム８３ａが放出されている状態であってもスイッチ４の操作により主外套５６と主陰極５４の間に高電圧が印加されるまで主トーチ５１の外部へプラズマフレーム８３ａが放出されることがない。従って、プラズマ発生装置１ｂによれば、プラズマフレーム８３ａを主トーチ５１の外部へ放出するタイミングを容易に調整することができる。
【００３６】
また、図７（ａ）にプラズマ発生装置１ｃとして示すように、電源７３の正端子と副トーチ陽極５９がスイッチ５を介して接続され、電源７４の正端子と副トーチ陽極６０がスイッチ６を介して接続される構造とすることもできる。
この場合、主トーチ５１の外部へプラズマフレーム８３ａが放出されている状態であってもスイッチ５，６の操作により副トーチ陽極５９，６０の先端と主陰極５４の間に高電圧が印加されるまで副トーチ陽極５９，６０の先端から主陰極５４の陰極点にヘアピン状のプラズマフレーム８４が形成されることがない。従って、プラズマ発生装置１ｃによれば、副トーチ陽極５９，６０の先端から主陰極５４の陰極点にかけてヘアピン状のプラズマフレーム８４がそれぞれ形成されるタイミングを容易に調整することができる。
【００３７】
さらに、プラズマ発生装置１ａ〜１ｃにおいて、副トーチ５２，５３の組が主陰極５４の軸方向前方に複数設置された構造とすることもできる。このような構造によれば、互いに対向配置されている複数組の副トーチ陽極５９，６０に対して、主トーチ５１の先端に近い側から軸方向前方へ向かって順に高電圧を印加することにより、主トーチ５１の先端から軸方向前方へ向かって形成されるプラズマフレーム８６が伸長されるという作用を有する。これにより、連結管６９の内部において溶射材料がプラズマフレーム８６に熱暴露される時間を長くすることができる。
【００３８】
また、図７（ｂ）にプラズマ発生装置１ｄとして示すように、プラズマ発生装置１ａにおいて、主トーチ５１の主陰極５４を主陽極７に代え、副トーチ５２，５３の副トーチ陽極５９，６０をそれぞれ副トーチ陰極８，９に代えるとともに、電源７３の正端子が主陽極７に接続され、電源７３の負端子が副トーチ陰極８に接続され、電源７４の正端子が主陽極７に接続され、電源７４の負端子が副トーチ陰極９に接続されるとともに、スイッチ２を介して主外套５５，５６に接続された構造としても良い。
この場合、プラズマ発生装置１ｄは、１つの主陽極に対して２つの副トーチ陰極を有する「ツインカソード型」となるが、このような構造であってもプラズマ発生装置１ａと同様の作用及び効果が発揮される。なお、プラズマ発生装置１ｂ，１ｃについてもプラズマ発生装置１ａに対する場合と同様の変更を加えることによれば、プラズマ発生装置１ｄの場合と同様の作用及び効果が発揮される。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
請求項１乃至請求項４に記載のプラズマ発生装置は、プラズマ溶射に限らず、溶接や切断などのように高温のプラズマを熱源として利用する各種の加工方法に対して適用可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１ａ〜１ｄ…プラズマ発生装置 ２〜６…スイッチ ７…主陽極 ８，９…副トーチ陰極 ５０…プラズマ発生装置 ５１…主トーチ ５２，５３…副トーチ ５４…主陰極 ５５，５６…主外套 ５７，５８…絶縁物 ５９，６０…副トーチ陽極 ６１，６２…副外套 ６３，６４…絶縁物 ６５〜６８…送入口 ６９…連結管 ７０…溶融粒子 ７１…母材 ７２…皮膜 ７３，７４…電源 ７５〜８２…スイッチ ８３ａ〜８３ｃ…プラズマフレーム ８４〜８６…プラズマフレーム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主陰極と，この主陰極を囲むとともにその軸方向前方に第１の主放出口を有する第１の主外套と，この主外套を囲むとともにその軸方向前方に第２の主放出口を有する第２の主外套からなる主トーチと、
第１の副トーチ陽極と，この第１の副トーチ陽極を囲むとともにその軸方向前方に第１の副放出口を有する第１の副トーチと、
第２の副トーチ陽極と，この第２の副トーチ陽極を囲むとともにその軸方向前方に第２の副放出口を有する第２の副トーチと、
を備え、
前記第１の副トーチ及び前記第２の副トーチは、互いの中心軸が一致するように対向配置され、
前記主陰極は、その中心軸が前記第１の副トーチ及び前記第２の副トーチの中心軸と交差するように配置されたプラズマ発生装置において、
負端子が前記主陰極に接続され、正端子が前記第１の副トーチ陽極に接続される第１の電源と、
負端子が前記主陰極に接続され、正端子が前記第２の副トーチ陽極に接続されるとともに、第１のスイッチを介して前記第１の主外套及び前記第２の主外套に接続される第２の電源と、
を備えたことを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項２】
前記第２の電源は、
前記正端子が前記第１のスイッチを介して前記第１の主外套及び前記第２の主外套に接続される代わりに、
前記第２のスイッチを介して前記第１の主外套に接続されるとともに、第３のスイッチを介して前記第２の主外套に接続されることを特徴とする請求項１記載のプラズマ発生装置。
【請求項３】
前記第１の副トーチ及び前記第２の副トーチが前記主陰極の軸方向前方に複数設置されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のプラズマ発生装置。
【請求項４】
前記主トーチは前記主陰極に代えて主陽極を備え、
前記第１の副トーチ及び前記第２の副トーチは前記第１の副トーチ陽極及び前記第２の副トーチ陽極に代えて第１の副トーチ陰極及び第２の副トーチ陰極をそれぞれ備え、
前記第１の電源は、正端子が前記主陽極に接続され、負端子が前記第１の副トーチ陰極に接続され、
前記第２の電源は、正端子が前記主陽極に接続され、負端子が前記第２の副トーチ陰極、前記第１の主外套及び前記第２の主外套に接続されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
【請求項１】
主陰極と，この主陰極を囲むとともにその軸方向前方に第１の主放出口を有する第１の主外套と，この主外套を囲むとともにその軸方向前方に第２の主放出口を有する第２の主外套からなる主トーチと、
第１の副トーチ陽極と，この第１の副トーチ陽極を囲むとともにその軸方向前方に第１の副放出口を有する第１の副トーチと、
第２の副トーチ陽極と，この第２の副トーチ陽極を囲むとともにその軸方向前方に第２の副放出口を有する第２の副トーチと、
を備え、
前記第１の副トーチ及び前記第２の副トーチは、互いの中心軸が一致するように対向配置され、
前記主陰極は、その中心軸が前記第１の副トーチ及び前記第２の副トーチの中心軸と交差するように配置されたプラズマ発生装置において、
負端子が前記主陰極に接続され、正端子が前記第１の副トーチ陽極に接続される第１の電源と、
負端子が前記主陰極に接続され、正端子が前記第２の副トーチ陽極に接続されるとともに、第１のスイッチを介して前記第１の主外套及び前記第２の主外套に接続される第２の電源と、
を備えたことを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項２】
前記第２の電源は、
前記正端子が前記第１のスイッチを介して前記第１の主外套及び前記第２の主外套に接続される代わりに、
前記第２のスイッチを介して前記第１の主外套に接続されるとともに、第３のスイッチを介して前記第２の主外套に接続されることを特徴とする請求項１記載のプラズマ発生装置。
【請求項３】
前記第１の副トーチ及び前記第２の副トーチが前記主陰極の軸方向前方に複数設置されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のプラズマ発生装置。
【請求項４】
前記主トーチは前記主陰極に代えて主陽極を備え、
前記第１の副トーチ及び前記第２の副トーチは前記第１の副トーチ陽極及び前記第２の副トーチ陽極に代えて第１の副トーチ陰極及び第２の副トーチ陰極をそれぞれ備え、
前記第１の電源は、正端子が前記主陽極に接続され、負端子が前記第１の副トーチ陰極に接続され、
前記第２の電源は、正端子が前記主陽極に接続され、負端子が前記第２の副トーチ陰極、前記第１の主外套及び前記第２の主外套に接続されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−１０１７８７（Ｐ２０１３−１０１７８７Ａ）
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４４０１５（Ｐ２０１１−２４４０１５）
【出願日】平成２３年１１月７日（２０１１．１１．７）
【出願人】（５１１２６９９４５）株式会社ＰＳＥＴ (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月７日（２０１１．１１．７）
【出願人】（５１１２６９９４５）株式会社ＰＳＥＴ (1)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]