JP4937452B2 - プラズマトーチカートリッジとこれに取り付けられるプラズマトーチ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、プラズマトーチの分野に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アークプラズマは、熱プラズマの類である。これらは、部分的ににはイオン化された導電性の気体であるが、大気圧の領域ではほぼ電気的に中性である。これらは、２つの電極間に維持されている電気的なアークを介して一つあるいはそれ以上のプラスマジーン気体を通過することによってプラズマトーチにより発生される。
【０００３】
気体を高温と高い特定のエンタルピにするために、アークトーチの吹きつけが用いられる。これは、アークが２つの電極を備えたトーチ内に制限されて処理に使われる高温気体の高速ジェット（プラズマ）となることを意味している。
【０００４】
図１は、このようなトーチの原理の非常に概略的な構成を示している。この種類のトーチは、互いに同心に配置された陽極１と陰極３からなる２つの電極を備え、それらの間に気体循環チャンネル７を配置している。
【０００５】
これらの２つの電極１、３は、高電圧、高周波数（ＨＶ−ＨＦ）発生器と、直流発生器に接続されている。これらは、エネルギ冷却（水の循環によって）されてそれらの溶融を防ぐ必要がある。
【０００６】
最初にＨＶ−ＨＦ発生器によって、電気アーク８が、導き入れられて内部電極の空間を導電性にする気体をイオン化する２つの電極間（陰極と陽極）で発生する。直流発生器が、次いで、この空間内に流れてアークを維持する。
【０００７】
トーチに供給される電力は、陽極と陰極間に確保される電圧の強度（調節できる）の積に等しい。この電圧は、使われる気体の種類や流れのようないくつかのパラメータに影響されるが、電極の消耗や破壊をもたらすようなものではない。プラズマ９の電力は、トーチに供給される電力から冷却水による損失を差し引いたものである。電極の消耗や破壊は、重大な不具合を生じさせる。これらは、それらの形状、それらの冷却効率、それらの同軸性、および、気体の種類と純度に影響される。
【０００８】
アーク８にプラズマ９を発生させる機器は、溶射（表面処理）、気体加熱あるいは化学合成に使われるものである。電気アークによって気体に供給されるエネルギは、それらが１０，０００Ｋを超える温度に加熱されることを可能にする。
【０００９】
プラスマジーン気体あるいは気体群の選択には、ほとんど制限がない。これは、処理（酸化、窒化、還元媒体における高温度など）の必要とするところによって定まる。電力の範囲は広範囲であって、数キロワットから数メガワットに及ぶ。作動範囲は、選択されるプラスマジーン気体の種類と流れによって定まることがしばしばである。トーチを発生させる技術がプラスマジーン気体の選択と必要な作業電力とに対応できる必要があるので、トーチは、与えられたアプリケーションに適するように設計されることがしばしばである。
【００１０】
その大きさ、その形状およびその簡便性が、制限された悪い環境において作業する必要があるときは、重要になることがある。
【００１１】
現在使われているトーチは、少なくとも１０の部品（シール、ネジおよび流体コネクタを除く）からなる複雑なユニットからなる。電極の同軸性は、シールに関して製造された部品の許容できる誤差の累積に影響される。
【００１２】
一つあるいは両方の電極の交換は、規則正しく（多くの場合、作業の数十時間後）行われねばならない仕事である。この仕事は、サブユニットを分解して再び組み立てる作業とシールを交換する作業をいつでも必要とする。
【００１３】
これを説明するために、以下に、従来周知のプラズマトーチにおける３つの実例を簡単に示す。
【００１４】
第１の従来周知のトーチは、空気／アルゴンあるいは酸素／アルゴンの混合で作動し、その電力はおよそ１００キロワットである。このトーチは、１５の製造部品、２１のシール、２２のネジ、６の流体コネクタにより構成されている。正常な磨耗を受ける部品は、陰極と陽極、絶縁ブッシュおよび射出ノズルである。使用の最適な状態において作業の１００時間以内に最低限のメインテナンス（陰極と陽極の交換）を行う必要がある。
【００１５】
第２の従来周知のトーチは、重炭化水素の熱分解のために開発されたものである。プラスマジーン気体は、トーチ出力においてメタンと混合されるアルゴンと水素である。このトーチは、溶射ガンに類似している。このトーチは、流体コネクタとネジを除いて、１０の製造部品と、７のＯリングからなる。
【００１６】
第３の従来周知のトーチは、ＳＵＬＺＥＲ ＭＥＴＣＯ社から販売されているもっとも簡単なトーチの一つといわれているものである。これは、溶射ガンＦ４−ＭＢである。このタイプのトーチは、従来周知のように、アルゴン、ヘリウムおよび窒素単体で、あるいは、その混合で作動する。水素が、しばしば、電力（ピークアーク電圧）を得るために使われる。しかしながら、このトーチも、８の製造部品、１４のＯリング、１２のネジ部品、および、３の流体コネクタを使っている。
【００１７】
日本特許出願０４−２４９０９６はプラズマトーチを開示しており、その際陽極と陰極の間にアークが発生する可能性を小さくするために、プラスマジーン気体は、渦流を可能にする通路を流れる。そのために、陽極と陰極間に配置される部品であるセンタリング装置１０ａは、センタリング装置の上面から側方面に設けられている開口１０６を備えている。陽極とセンタリング装置部品１０との間に配置された他の導管１０２が、導かれるべき導管１０６から陽極の底部に気体が流れることを可能にしている。
導管１０７が、センタリング装置１０の外側を後者の中心空洞１０５に接続している。この特殊性が、発生させられるべきプラスマジーン気体の渦流ジェットを可能にしている。このようにすることによって、陰極は、さらに均一に磨耗することになる。
【課題を解決するための手段】
この発明によるトーチの目的は、トーチそれ自身の組み立てをできるだけ簡単なものにするとともに、磨耗した部品を時々交換できるようにすることにある。これは、α放射体によって大きく汚染され塩素化された放射性廃棄物のための、熱分解ガス燃焼炉における気体加熱アプリケーションのために特に開発されたものである。この燃焼炉は、本発明によるプラズマトーチで構成され、グローブボックス内で作動することを目的としている。
【００１８】
苛酷な環境の下（グローブボックス内であるいは遠隔マニピュレータにより作動することを強要されている放射性物質）での作業は、できるだけ簡素化されなければならない。サブユニットの通常の交換は、複雑なユニットにおける個々の部品の分解と再組み立てのためには好都合である。調整時間が短かいと、新規でかつ検査されるサブユニットの信頼性は、分解され再び組み立てられる複雑なユニットのそれよりも高くなる。
【００１９】
そのために、この発明によるプラズマトーチは、２部品からなり、廃棄可能で交換可能なカートリッジが、カートリッジ接続保持構造に挿入されるプラズマ発生器を構成する。このカートリッジ接続保持構造は、カートリッジをプラズマ気体、冷却液および電流の供給源に接続するためのものである。この構造は、そのために第１のカートリッジ接続手段を備えている。
【００２０】
この第１のカートリッジ接続手段は、電流、水および気体の供給源のための中間手段として機能する。この供給源は、従って、プラズマカートリッジから完全に分離されている。
【００２１】
この構造は、カートリッジ固定手段に係合するあるいは係合することのない第２の手段を備えて電流、水および気体を供給する第１の手段に対してカートリッジを機構的に接続するようにしている。
【００２２】
この発明は、特許請求の範囲第１項に記載の特徴を備えたプラズマトーチのためのプラズマを発生するカートリッジに関するものである。
【００２３】
このようにして、プラスマジーン気体回路は、陽極の軸方向の空洞において陰極に固定されたセンタリング装置を軸方向に沿って押圧するような圧力の下で実行される単一の処理により、単一の補助部品、センタリング装置を用いるものである。陽極におけるセンタリング装置の固定と陽極の陰極アセンブリによって、陰極ユニットが完成する。陰極上の陽極のこのアセンブリは、さらに、プラスマジーン気体配分回路の一部分を構成している。好ましい実施例において、気体配分の連続性と規則性が、陽極を介したセンタリング装置の導管と気体流入導管間のリレーが、環状の配分空間によって行われることを保証している。環状の配分空間は、陽極上のあるいはセンタリング装置上のいずれかに、あるいは、陽極とセンタリング装置の両方に配置できる環状の溝によって形成できる。このようにして、この発明によるカートリッジは、トーチを作動させるのに必要な部品に窄孔するか加工するかあるいは成形することにより構成できるので、気体供給のためのいかなるジョイントも導管も必要としない。組み立てに関する限り、陽極を介したセンタリング装置導管と気体流入導管間に接続溝を用いることによって、陽極とセンタリング装置とを角度的に割り出す必要がないので、組み立てが簡易化される。
【００２４】
センタリング装置導管の第１の端部において受け入れられたプラスマジーン気体は、センタリング装置の上方部分における上面に延びているいくつかの孔、すなわち、開口あるいは最終の気体配分溝によって陰極の回りに配分される。
【００２５】
陰極が陰極位置決め手段を備えた支持体によって保持されているような好ましい実施例において、アセンブラと陽極の間に形成された環状の冷却空間は、カートリッジの外面から、好ましくは陽極からこの環状の空間に流体を導く導管を介して冷却流体を受け取る。環状の陽極と支持体からなるアセンブラは、共に軸ＡＡ′に中心を備えた環状溝の形の中空部分と、環状リングの形の突出部分とを有し、この突出部分は、この中空部分に密着嵌合している。環状空間シールが、突出リング各々の外径が、このリングが嵌合する溝の外径よりもわずかに大きくされているために実現されている。このようにして、この発明によるカートリッジは、トーチを作動させるのに必要な部品に窄孔するか加工するかあるいは成形することにより構成できるので、水供給のためのいかなるジョイントも導管も必要としない。アセンブラあるいはアセンブラ体は、冷却流体が通過する陽極回りの環状の空間を形成する機能とは別に、カートリッジの機構的な組み立て機能を持っている。これは、陰極支持と陽極の組み立てに寄与する。
【００２６】
以下に説明されるこの発明による好ましい実施例において、アセンブラは、同軸の下方のリングと上方のリングを含む電気的な絶縁材料から構成されている部品である。下方のリングは支持溝内に固定され、上方のリングは陽極の溝に固定されている。この陽極の溝は、陽極のリングの周辺に位置している。この陽極のリングは、陽極の中心空洞を保持している。この実施例において、アセンブラの内側の大きさは、中心空洞を保持している陽極のリングの内側の大きさよりも少なくとも１つの軸方向部品分だけ大きい。陽極冷却流体の循環のための環状の空間は、かくして、この陽極リングとアセンブラとの間に用意される。この空間は、陽極、アセンブラあるいは支持体に孔を穿たれた導管によって冷却流体の入口と出口の導管に接続している。この発明による他の利点や利益は、添付の図面を参照して以下に説明される好ましい実施例およびその変形についての記述から明らかになるであろう。
【００２７】
【発明の実施の形態】
この発明によるカートリッジ１００の実施例を図２を用いて以下に説明する。なお、本明細書においては、図２に示すカートリッジ１００の、軸ＡＡ′のＡ′側を「上」と、Ａ側を「下」と呼ぶ。以下の図３、５、８、１０、１１、１２においても同様である。この実施例において、カートリッジ１００とその構成部品は、このカートリッジの軸である軸ＡＡ′に関して回転対称である。これらの部品は、組み立てられるとき、この発明によるカートリッジ１００を一体的に形成する６つの部品からなる。これらは、電気銅から作られた陽極ノズル１と、電気銅から作られた陰極支持体２と、ドープされたタングステン陰極３と、プラスチック材料から作られた陰極センタリングディフューザ装置４と、プラスチック材料から作られたアセンブラ５と、および、セラミックインサート６である。
【００２８】
これらが組み立てられると、部品１から６は、周知のようにこれらの間に、また、図１に明らかなように気体循環チャンネル７が、アーク８が創造される内部電極空間が、形成される。プラズマ９（図２には示されていない）が、陽極１のノズル１３から放出される。
【００２９】
これらの部品のそれぞれとそれらの組み立ての様子が、以下に説明される。
図３と図４に関連して以下に説明される陰極支持体２は、軸ＡＡ′に関して回転対称である形状の部分的な円筒形を備えている。軸ＡＡ′に直交する面に配置されている円形の基部あるいは下面２１を備えている。この基部２１の反対側には、中心から周辺に、側面３４と底面３５とを備えた中心孔２３と、２つの側方のエッジ２５、２６である内方のエッジ２５と、外方のエッジ２６と、底部７とを備えた軸ＡＡ′の回りに回転された円形の溝２４が設けられている。一つあるいはそれ以上の貫通孔２８が、溝２４の底部２７を基部２１に接続している。溝２４と孔２３の間には、支持体２が、基部２１に平行な面に配置された上面３０を備えたリング２９を有している。このリングの側方のエッジは、溝２４の内部側方エッジ２５と孔２３の側方面３４によって形成されている。最終的に、支持体２は、基部２１と上面３７の径に等しい径を備えた側方の外面３６を有する円周リング２２を含んでいる。リング２２の側方のエッジは、支持体２の側方の外面３６と溝２４の側方の外面２６によって構成されている。
【００３０】
大きさに関する限りにおいて、孔２３の径は、陰極３に密着嵌合して受け入れるのに十分であり、これは、以下に陰極と支持体との良好な電気的な接触を確保している状況が説明される。溝２４の幅が、すなわち、内方のエッジ２５と外方のエッジ２６との径の差が、アセンブラ５の第１のリング５１における幅（すなわち、リング外径とリング内径の差）よりも大きくされている。他方、溝２４の外壁２６の径は、アセンブラ５におけるこのリング５１の外径よりも小さいので、アセンブラ５のこのリング５１は、溝２４に密着嵌合できることになる。図３に示されているアセンブラ５におけるアセンブリリング５１は、以下に説明される。
【００３１】
組み付けられた位置にあるように図５と図６に示されている陰極３とセンタリング装置４が、説明される。
【００３２】
陰極３は、平らな円形基部３１と円錐ヘッド３２とを備えた円筒形をなしている。これは、図５と図６において陰極３の回りの所定の位置に示されている陰極センタリング装置４に、包含されている。センタリング装置４は、また、軸ＡＡ′の回りに回転された円形をなしている。これは、小径の外径を備えた円筒部分４２が突き出ている円筒形の基部４１を有している。センタリング装置４の内径は、このセンタリング装置の全体の高さを通じて一定であるが、第１の実施例における変形として、基部４１とは反対側にある上方端部４３の径が、基部４１の内径と、突き出ている円筒部分４２の内径に対してわずかに大きくなっている。
【００３３】
軸ＡＡ′に直交するセンタリング装置４の平面は、センタリング装置の基部４１における下面４６と上面４７によって形成されている。基部４１における下面４６は、内側の円の直径が、センタリング装置４の内径に等しく、この下面４６の外径が、基部４１の外径に等しい２つの同心円により範囲を定められている。センタリング装置４の基部４１における上面４７は、外側の円の直径が、基部４１の外径に等しく、内側の円の直径が、センタリング装置４の突き出ている円筒部分４２の外径に等しい２つの同心円により範囲を定められている。軸ＡＡ′に直交するセンタリング装置４の平面は、また、上述の実施例においては、溝４５の底部４８、最終的には、センタリング装置４の上面４９を構成する。
【００３４】
溝４５の底部４５は、端部４３の内径に等しい直径の外側の円によって範囲を定められ、また、陰極３の外径に等しい直径の内側の円によって範囲を定められている。
【００３５】
最終的に、センタリング装置４の内側の軸方向の面は、陰極３の外径よりもわずかに小さな直径の部分４１と４２に対応する下面３９によって形成され、および、溝４５を備えた実施例においては、陰極３の外径よりもわずかに大きな直径の部分４３に対応する上面４０によって形成される。センタリング装置４の側方の外面は、２つあり、基部４１に対応する側方の下面３８と、部分４２に対応するおよび溝４５を備えた構成においては４３に対応する側方の上面５０である。
【００３６】
大きさに関する限り、上に示されたように、センタリング装置４の内径は、陰極３の外径よりもわずかに小さく、従って、この陰極３は、センタリング装置４に密着嵌合できる。端部４３の内径は、溝４５を備えた実施例においては、陰極の外径よりもわずかに大きいので、陰極３と端部４３は共に溝４５を形成する。
【００３７】
図５と図７を参照して、このセンタリング装置４の変形が以下に説明される。センタリング装置４の機能は、陰極３を陽極１に対してセンタリングすることと電気的に絶縁することにある。この機能は上方部４２の側方の外面５０によって与えられるが、組み立てられるカートリッジ１００の以下の説明中に明らかにされるものであって、これは、陽極の孔の支持体として働く。以下に説明される変形例は、陽極１と陰極３との間の環状の空間において完全に配分されるプラスマジーン気体の配分に関してセンタリング装置の機能に関係する。
【００３８】
図６と図７において上から見た２つの変形がある第１の変形例において、センタリング装置４は、数個の導管４４を備えている。図６に示される好ましい実施例におけるこれらの導管４４は、センタリング装置４の外面５０を内面４９に接続し、図７に示される開口９５に延びるか、あるいは、溝の変形例として溝４５の底部４８に延びる（図６）。この好ましい実施例において、導管４４の軸は、軸ＡＡ′に含まれるが、軸ＡＡ′を含む面には含まれず、気体の接線方向の噴射を生じさせてｖｏｒｔｅｘと呼ばれる渦を誘導して陽極においてアークの足を転じさせて特定の点に引っ掛からないようにする。この変形実施例の好都合な点は、陰極周囲の均一な陰極磨耗分布にあってその寿命を延ばすことにある。逆に、これはプラズマ渦を生じさせ、プラズマを使うときの機能として常に好ましいというものではない。これが、第２の変形例において、導管１４４が径方向の面に配置されて軸方向に開口されている理由である（図７）。これらは、それぞれ、開口９５に延びており、あるいは、溝４５を備える実施例においては、溝４５に達している。
【００３９】
上述の変形実施例において、センタリング装置４の側方の外面５０に配置される導管４４あるいは１４４の端部は、好ましい態様においては、側方の面５０に直接達するか、あるいは、この側方の面５０から延びている径方向の溝１４８に達する。この溝は、図５と図７において破線で示されている。センタリング装置が、以下に説明される陽極１の環状の空洞１０に十分に密着して嵌合することにより、密着性が確保される。
【００４０】
陽極１とそのセラミックインサート６について、図８と図９に関して以下に説明する。
陽極１は、また、軸ＡＡ′回りの回転体である。これは、軸ＡＡ′の中心空洞１０を含んでいる。この空洞は貫通空洞であり、陽極の上面１１から陽極１の下面１２の一部分１３４にまで軸方向に延びている。陽極の下面１２は、上面１１の反対側に位置しており、様々なレベルにある数個の部分からなっている。上面１１から下面１２の部分１３４まで、空洞１０は、プラズマのためのノズルを形成している円筒形の上方部１３を有している。次に、円錐の頂部を切り取った部分１４が続く。部分１４の上方部の直径は、部分１３の直径に等しい。円錐の頂部を切り取った部分１４の下方部の直径は、部分１３の直径よりも大きい。最終的には、円錐の頂部を切り取った部分１４の下方の基部１６から軸方向に陽極１の下面１２の部分１３４まで延びている円筒形の下方部１５が存在することになる。空洞１０におけるこの部分１５の直径は、円錐の頂部を切り取った部分１４の最大直径よりも大きい。円錐の頂部を切り取った部分１４と円筒形１５の部分は、面１７によって接続されている。セラミックインサート６が、部分１５の頂部において空洞１０に収容されている。この簡単な部分は、陽極１の説明を続ける前にここで説明される。インサート６は、軸ＡＡ′回りの回転で矩形によって発生された円環形状のブッシュである。矩形の幅は、面１７の幅に等しい。面１７の幅それ自身は、下方部１５の直径と円錐の頂部を切り取った部分１４の下方部１６の直径との差から得られる。
【００４１】
このインサート６は、その上方面６１が陽極１の面１７を支持するように挿入される。インサートの側方の外面６２は、陽極１における空洞１０の部分１５を支持する。
【００４２】
陽極１の外側は、２つの円によって範囲を定められている上面１１を有している。外側の円の直径は、支持体２の外側の直径に等しいことが好ましく、上面１１の内側の円の直径は、空洞１０の上部１３の直径に等しい。陽極１の外側は、また、円筒形の外面１９を有している。下面１２は、異なるレベルにおいて軸方向に配置されている数個の部分からなる。外側から軸ＡＡ′に向かうのは、第１のリング１２１である。このリング１２１の外径は、円筒形の外面１９の直径に等しい。このリング１２１の内径は、支持体２における溝２４の外壁２６の外径に等しいことが好ましい。このリングの下面１３３は、軸ＡＡ′に直交する平面である。下面１３３は、陽極１の下面１２の一部分である。
【００４３】
次に、溝１２２がある。この溝は、溝底面１２４を備えている。この面１２４は、陽極１の下面１２の一部分である。この溝１２２は、その直径が第１のリング１２１の内径に等しい直径を備えた円筒形の外壁１２６を備えている。この直径は、支持体２における溝２４の外壁２６の外径に等しいことが好ましい。軸方向の溝１２２の内径は、支持体２における溝２４の円筒形の内壁２５の直径に等しいことが好ましい。
【００４４】
最終的に、第２のリング１２３が存在する。このリング１２３は、軸ＡＡ′に直交する下面１３４を備えている。この下面１３４は、陽極１における下面１２の一部分である。リング１２３は、円筒形の外壁１２５を備え、その一部分は、溝１２２の円筒形の内壁を構成している。
【００４５】
円筒形の壁１２５は、支持体２における溝２４の壁２５の内径に等しいことが好ましい直径を備えている。
【００４６】
陽極１に開口された２つの端部１２８、１２９を備えた１つあるいは好ましくは数個の第１の導管１２７の各々が、陽極１の外壁１１、１９の１つから空洞１０の内壁１８に流体が流れることを可能にしている。図８と図９に関連して示されている実施例において、導管１２７の各々は、上面１１におけるその第１の端部１２８から空洞１０における下部１５の壁１８に位置するその第２の端部１２９に繋がっている。これは、インサート６下方に位置する軸方向レベルにおいてこの空洞１０に達している。この導管あるいはこれらの導管１２７は、プラスマジーン気体の配分のために用意されている。
【００４７】
センタリング装置とその変形の説明において述べられた変形に関して、この導管あるいはこれらの導管は、陽極１の空洞１０の側方面１８に直接到達するのではなくこの面１８に接続された径方向の環状溝１３５に到達することができる。図８と図９に示された好ましい実施例において、この導管あるいはこれらの導管１２７は、軸ＡＡ′に平行しており、中心空洞１０を隠蔽しているリング１２３内に位置し、溝１３５に達している。
【００４８】
２つの端部１３１，１３２を備えた一つあるいはそれ以上の第２の導管１３０の各々は、陽極１の外壁１１、１９の一方から溝１２２に接続している。図８と図９に関連して示された実施例において、導管１３０は、その周辺の円筒１９にその第１の端部１３１を備え、その第２の端部１３２は、溝１２２の底部１２４に達している。
【００４９】
組み立ての態様と部品１−６の組み立ては、共にこの発明によるプラズマトーチのためのカートリッジ１００を構成するもので、以下に図２、３、５および８に関連して説明される。
【００５０】
まず最初に、アセンブラ５について、図３、８および１０を参照して説明する。
図３と図８において、アセンブラ５の下方部と上方部が示されていて、支持体２（図３）に対する位置（図３）と、陽極１に対する位置（図８）についてこのアセンブラ５をそれぞれ示している。
アセンブラ５は、図１０においては軸方向の断面図が示されている。
【００５１】
アセンブラ５は、下方の円筒形リング５１を備えている。このリング５１における円筒形の外面５２の直径は、支持体２における溝２４の壁２６の直径よりもわずかに大きいので、このリング５１は、この溝２４に密着して固定できる。このリング５１における内壁５３の直径は、支持体２における溝２４の内壁２５の直径よりも大きい。このようにして、環状の軸方向の空間７７が、これらの２つの壁２４、５３の間に用意される。リング５１は、下面５９を備えている。組み立てられた位置において、この面５９は、溝２４の底部の面２７に接触していない。このようにして、環状の空間７３が、これらの２つの面の間に用意される。
【００５２】
このリング５１は、やはりリングの形状を備えた中央部分５４を突出させている。このリング５４における内壁５５の直径は、陽極１における円筒形の壁１２５の直径よりも大きい。従って、環状の軸方向の空間７２が、これらの壁５５、１２５の間に用意される。壁１２５が、陽極１における溝１２２の底部１２４から陽極１における第２のリング１２３の下面１３４に軸方向に延びていることに留意すべきである。この下面１３４は、陽極１のもっとも下方の面を形成している。
【００５３】
図８の組み立てられた位置において示されているアセンブラ５の上方部も、リング５６の形状をしている。このリングにおける外壁５７の直径は、陽極１における溝１２２の外壁１２６の外径よりも大きい。リング５６における外壁５７の直径と壁１２６における直径との差は、このリング５６が溝１２２に密着嵌合することを可能にしている。
【００５４】
リング５６における内壁５８の直径は、陽極１における壁１２５の直径よりも大きい。従って、環状の軸方向の空間７６が、これらの２つの壁５８、１２５の間に用意される。陽極１におけるこの壁１２５が、溝１２２の底部１２４から陽極１の下面１２の陽極のもっとも低いレベルに位置している部分１３４に軸方向に延びていることに留意すべきである。リング５６は、上面６０を備えている。組み立てられた位置において、この面６０は、溝１２２の底部の面１２４には接触していない。このようにして、環状の空間が、これらの２つの面の間に用意される。
【００５５】
アセンブラ５の中心部分は、上面６５、下面６６を備え、共に軸ＡＡ′に直交しており、またさらに、側方の外面６７を備えている。
【００５６】
アセンブラ５における中心部分５４の上面６５は、リング５６の外径である直径を備えた円と、中心部分５４の側方の外面６７の直径である直径を備えた円とによって範囲を定められている。
【００５７】
同様に、アセンブラ５における中心部分５４の下面６６は、下方のリングの外径である直径を備えた円と、側方の外面６７の直径である直径を備えた円とによって範囲を定められている。
【００５８】
上面６５と下面６６の範囲を定めている円は、同心円である。図面に示されている実施例において、中心軸方向空洞６９の内径は一定であるので、この空洞の内部の軸方向面５８、５５、５３は、単一かつ同一の面である。
【００５９】
要約すると、アセンブラ５は、軸方向空洞６９を貫通する中心を備えた回転部分として表現される。これは、中心部分５４からなり、ここから中心部分５４の外径よりも小さな外径を備えた円筒形部分５６、５１が、それぞれ、上下方向に延びている。この実施例において、上面６５と下面６６は、組み立て上のストッパとして機能する。陽極１におけるリング１２１の下面１３３は、中心部分５４の上面６５のストッパとして働く。陰極３における支持体２のリング２２の上面３７は、中心部分５４の下面６６のストッパとして働く。これらのストッパ、溝１２２、２４の適合させられた大きさ、および、リング５６，５１の軸方向の長さによって環状の空間７１と７３を用意することが可能になる。
【００６０】
トーチの組み立てについて、以下に説明する。
インサート６は、陽極１について上述したような位置に配置される。陰極３は、支持体２の開口２３に挿入され、陰極の下面３１は、開口２３の底部３５に接触し、陰極の側方面は、密着嵌合組み立てによって開口２３の側方面３４と接触する。このようにして、陰極３と支持体２との間の電気的な接触が、支持体２と陰極３に関係するすべての面に行われることになる。センタリング装置４が、上述したように陰極３の回りに配置される。センタリング装置４の下面４６は、リング２９の上面３０と接触する。アセンブラ５が、次いで、圧力下にアセンブラ５のリング５６を受け入れる陽極１の溝１２２の所定の位置に取り付けられる。リング５６の上部および/あるいは溝１２２のエッジが、挿入を容易にするように斜めに形成される。アセンブラ５が所定の位置に配置されると、陽極１のリング１２１の下面１３３は、アセンブラ５の中心部分５４の上面６５によってストップされる。アセンブラ５の上面６０は、溝１２２の底には位置せず、これは、すでに上述したように、環状の空間７１が、陽極１の溝１２２の下面１２４とリング５６の上面６０の間に用意されていることを意味している。陽極１とそのインサート６は、かくして、組み立てられ、アセンブラ５は、次いで、支持ユニット２、陰極３およびセンタリング装置４と組み立てられ、リング５１は、それ自身、支持体２の溝２４に圧力をかけて挿入される。挿入を容易にするために、リング５１の底部と溝２４の上部は、傾斜を設けられている。固定動作が完了すると、図２において強調されて示されているように、アセンブラ５の中心部分５４の下面６６と支持体２のリング２２の上面３７との間に機能的な遊びが設定される。アセンブラ５のリング５１の下面５９は、溝２４の溝底面２７とは接触しないので、従って、環状の空間７３が、すでに指摘されているように、リング５１の下面５９と支持体２の面２７との間に設けられることになる。後に明らかにされるように、これらの面の間に設けられたこの環状の空間７３は、冷却水を収容することを意図している。
【００６１】
トーチの作動を以下に説明する。
トーチとして、作動はトーチの通常の作動であるが、冷却水流入回路とプラスマジーン気体回路を以下に説明する。示されている実施例において、アセンブラ５における上方リング５６の中心部分５４と５８に設けた下方リング５１、５５の内壁５３が、整合されることに留意すべきである。陽極１のリング１２３の外径、センタリング装置４の側方外面の直径および支持体２における溝２４の内壁の直径は等しいので、陽極１の壁１２５、センタリング装置４の壁３８および支持体２の壁２５は、整合される。アセンブラ５の内径は、壁１２５、３８および３５の直径よりも大きいので、環状の空間７２がアセンブラ５とこれらの壁の間に用意されることにも留意すべきである。この環状の空間７２は、リング５６の上部６０からアセンブラ５におけるリング５１の下方部５９に対して軸方向に延びている。水は、開口１３１から導管１３０を介して陽極１の外面に導かれ、導管１３０の内端１３２は、溝１２２とリング５６のそれぞれの面１２４と６０間に設けられた環状空間７２に接続している。この水は、陽極１の内壁１２５に沿って環状の空間７２から環状リング５１と溝２４の底部２７の間に設けられた環状空間７３に流れることができる。この水は、環状の溝２４の底部に配置された導管あるいは複数の導管２８を介して流れる。水回路が、トーチ内部に対して密着シールを使わずに、それぞれ、溝２４と１２２におけるリング５１と５６の密着組み立てによって準備されることが明らかである。自然に、水の流入と流出は別個に行われるが、水の循環が陽極１におけるリングを冷却することが重要なことである。
【００６２】
同様にして、陽極１における開口１２８を介したプラスマジーン気体の流入は、シールを使わずに行われ、気体は、実施例の変形例によって、センタリング装置４における陰極３の回りに配置された開口９５の導管４４あるいは１４４、あるいは、溝４５に接続される。陽極１の導管１２７とセンタリング装置４の導管４４あるいは１４４間の接続は、陽極の溝１３５あるいはセンタリング装置４の溝１４８によって行われる。径方向の溝１３５と１４８は、共に存在することができる。この発明によって組み立てられたトーチは、従って、陽極１、支持体２、陰極３、センタリング装置４、アセンブラ５およびインサート６の６部品のみから構成される。このトーチは、組み立てられる部品の横方向の保持に専門家の工具を使うことができるときは、圧力下でわずかな操作で組み立てが可能となる。
【００６３】
組み立てられるカートリッジ１００を構成している異なる部品の機能に関して、陰極３が支持体２の開口２３内に十分な密着嵌合しているときは、支持体２、陰極３、センタリング装置４、陽極１の空洞１０に密着嵌合している部品４２、および、陽極１は、組み立てられたユニットを形成していると見える。これらの状態において、陽極の支持体２と１２２の溝２４に係合するアセンブラ５は、単なる水回路の部品として見ることができる。また、カートリッジ１００のアセンブリは、保持接続構造における所定の位置にカートリッジ１００を取り付けることによって強固なものになったことが後で明らかにされる。
【００６４】
また、カートリッジ１００はそのとおりに簡単なものであるので、これは、カートリッジの全体のアーキテクチャから生じていると見ることができよう。このようにして、プラスマジーン気体回路は、陽極の中心空洞１０に直接隣接するリング１２３の形状において、陽極１の中心部分、組み立てられたカートリッジ１００の中心部分にその全体がある。水回路に関しては、これは、中心空洞１０に隣接する同じリング１２３の周辺に位置し、水回路あるいは気体回路が交錯することはない。
【００６５】
このアセンブラが支持体の明確な部品として提供されていることが指摘されなければならない。これは、導電性材料により作られている支持体を陰極に接触させるアセンブラが、陽極と接触しているという事実による。従って、陽極と陰極間に短絡を生じないために、これは、電気的な絶縁材料から作られている。支持体を、陰極を接続するフィードスルーコンダクタを有する絶縁材料で作ることが可能なことは明らかである。この場合、アセンブラは、絶縁材料製の部品から構成され、支持体は、導電性材料製の部品から構成される。
【００６６】
カートリッジ１００の構成要素の材料に関するいくつかの注意点を、以下に述べる。
実施例において、電気銅から作られている陽極１と陰極支持体２は、導電性を有し、大きな熱流束を許容する、例えば金属のような他の材料であってもよい。
【００６７】
陰極３のドープされたタングステンは、低い電子抽出能力を備えた金属材料から作り出すことができる。
センタリングディフューザ装置４は、プラスチック材料適合化要求に見合うように製造され、水に混合する際の良好な抵抗、強い誘電体特性、および、光線と温度に対する良好な機械的な抵抗を有することができる。
【００６８】
アセンブラ体５は、簡単なプラスチック圧力によって組み立てに対する要求に適合するプラスチック材料により製造できる。
【００６９】
絶縁性のインサート６が、温度ショックと光線に対する良い抵抗を備えるとともに窒化ホウ素のような強い誘電体特性を備えたセラミック材料から製造できる。
【００７０】
適用された材料の対を含むアセンブラは、圧力の下で密着嵌合する。提供されたトーチの場合、アセンブラは、プラスチックと銅合金あるいはタングステン合金と銅合金の対から構成される。
【００７１】
他の材料対が考えられ、圧力ヘッドとアセンブリプレスジャックとの間にバイブレータが挿入されるとき、特に、従来周知のように、セラミック材料は、プラスチック材料に置換できる。
【００７２】
カートリッジ１００の接続保持構造を、図１１と図１２に関連して簡単に説明する。接続保持構造８０は、軸ＡＡ′に関して共に回転対称である２つの端部板８１、８２を備えている。下方の端部板８１は、支持体２の外径に等しい内径を備えて開口８３を遮蔽し、従って、この支持体２は、この端部板８１に容易に挿入できるように構成されている。下方の端部板８１は、８４で示されるように水排出路および電流導入路を備えている。一つあるいはそれ以上のＯリングが、従来周知のように密着性を確保することを可能にしている。
【００７３】
接続保持構造の上方の端部板８２は、陽極１の外径に等しい内径を備えて開口８５を遮蔽し、従って、この陽極１は、この端部板８２に容易に挿入できるように構成されている。この端部板８２は、プラズマの通過を可能にするフレアのついた中心の軸方向の孔９１を備えている。下方の端部板８１と上方の端部板８２、および、カートリッジ１００は、スタラップ部材９２によって組み立てられた状態を維持している。このスタラップ部材９２は、Ｕ型をしている。このＵの２つの平行なアームは、軸ＡＡ′に直交するネジ９６によって上方の端部板８２に回転を固定されている。ブッシュと絶縁ワッシャが、従来周知のように、設けられ、スタラップ部材と端部板８２との電気的な接触を妨げている。下方の端部板８１は、中心の凹部９３によりその下方の面を取り付けられている。組み立てられた位置において、スタラップ部材９２のＵ型の水平部分に取り付けられたネジ９４は、ネジ９６の回りのスタラップ部材９２の回転を妨げ、軸方向への端部板８１、８２の移動を阻止するように凹部９３に圧力を発生させている。端部板８１とスタラップ部材との電気的な絶縁が、絶縁ブッシュ９５と絶縁ワッシャによって行われる。ブロックロックナット９７が、設けられている。スタラップ部材９２の水平アームと端部板８１の下面との間の距離が、十分に取られてカートリッジ１００の端部板８１、８２の孔８３、８５それぞれからの係合解除を可能にしている。
【００７４】
作動は、以下のようにして行われる。
カートリッジ１００を分解するために、カートリッジ１００が端部板８１あるいは８２の一方から取り出されるまで、ロックナット９７がロック解除されるとともにネジ９４が外される。この位置において、端部板８２は、スタラップ部材９２と依然として一体であり、端部板８１は、所定の位置に保持されており、ネジ９４は、依然として凹部９３内に位置している。端部板のこの位置において、カートリッジ１００は、ネジ９６によって形成されている軸の回りのスタラップ部材９２のわずかな回転によって他方の端部板から取り出される。この回転は、カートリッジ１００の通路を解除する。再組み立てのために、逆の手続きが、勧められる。
【００７５】
この組み立ての態様は、組み立て圧力が端部板８１，８２およびカートリッジ１００に軸方向に自動的に働くという利点を与える。側方への歪みを生じる非対称的な圧力が発生する恐れがない。また、端部板８１，８２を所定の位置に保持する必要がなく、１本のネジによってカートリッジ１００の組み立てと分解ができるので好都合であり、さらに、グローブボックス内で作業するとき、特に有利である。
【００７６】
構造８０にカートリッジ１００を固定する他の機構的な手段は、当該技術に通常の知識を有する者にとってはその能力の範囲内において行えることである。
【００７７】
密着嵌合は、シールにより達成でき、および、カートリッジ１００が、開口８３、８５に嵌合されることにより達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 プラズマトーチの原理を示す。
【図２】 この発明により組み立てられたカートリッジの軸方向の断面図である。
【図３】 この発明により組み立てられた陰極支持体とアセンブラの下方部分の軸方向の断面図である。
【図４】 図３において示された支持体を上から見た図である。
【図５】 陰極センタリング装置とこのセンタリング装置に組み立てられた陰極の軸方向の断面図である。
【図６】 図５において示されたセンタリング装置と陰極を上から見た図である。
【図７】 図５において示されたセンタリング装置の他の例と陰極を上から見た図である。
【図８】 陽極と、この陽極に組み立てられたインサ−トと、および、この陽極に組み立てられたアセンブラの上方部分の軸方向の断面図である。
【図９】 図８に示された陽極とインサートを上から見た図である。
【図１０】 アセンブラの軸方向の断面図を示す。
【図１１】 概略を示されているカートリッジとともに組み立てられるこの発明によるカートリッジ接続保持構造の図１２に示す面に直交する面に沿って見た軸方向の断面図である。
【図１２】 カートリッジ１００に組み立てられた構造８０を右上部を部分的な断面図として示した前面図である。
【符号の説明】
１ 陽極
３ 陰極
４ センタリング装置
５ 側方の外面
１０ 中心空洞
３８ 側方の外面
３９、４０ 側方の内面
４２、４３ 上方部分
４４ 導管
４６ 下面
４９ 上面
５０ 側方の外面
１００ カートリッジ
１２３ 環状リング
１２７ 導管
１４４ 導管

Claims (14)

1. 軸ＡＡ′を中心とした環状のリング（１２３）で形成され、当該軸ＡＡ′を中心とした陰極（３）を受け入れる中心空洞（１０）を有し、当該陰極（３）との間にアークを発生させる環状空間を備えた陽極（１）と、
   当該陽極（１）と前記陰極（３）との間の前記環状空間に、配分された気体を供給するプラスマジーン気体配分手段と、
   入口と出口を備えた、冷却流体のための冷却導管で構成された冷却手段と、
   前記陽極（１）と陰極の支持体（２）の間に備えられ、前記軸を中心とした空洞（６９）に前記陰極（３）を収容する環状リング形状のアセンブラ（５）と、
   前記軸を中心とした空洞を有し、下面（４６）と、上面（４９）と、側方の外面（３８、５０）と、側方の内面（３９、４０）とを備え、少なくとも１つの上方部（４２）が、前記陽極の中心空洞（１０）内部に嵌合する、センタリング装置（４）と、
   前記陽極の中心空洞（１０）に収容された前記センタリング装置（４）の、側方の外面（５０）に第１の端部を備え、当該センタリング装置（４）の上部（４２、４３）の上面（４９）に第２の端部を備えた、プラズマジーンガスを配分するためのセンタリング装置の導管（４４、１４４）と、
   をさらに備えたプラズマトーチのためのプラズマを発生させるカートリッジ（１００）において、
   前記センタリング装置（４）の前記軸を中心とした空洞が、前記軸を中心として前記陰極（３）と密着し、
   前記センタリング装置の導管（４４、１４４）が、一つあるいはそれ以上のプラズマジーンガスを配分するための陽極（１）の導管（１２７）と接続し、当該陽極の導管（１２７）のそれぞれが、前記陽極（１）の外壁（１１、１９）に配置された前記第１の端部（１２８）と、前記陽極（１）の中心空洞の内壁に配置された前記第２の端部（１２９）の、２つの端部を備えるカートリッジ（１００）。
2. 前記センタリング装置（４）の導管（４４、１４４）が、前記センタリング装置（４）の前記外面（５０）を、前記センタリング装置（４）と前記陰極の間に形成された前記センタリング装置（４）の軸方向の環状の溝（４５）に接続した請求項１に記載のカートリッジ（１００）。
3. 前記センタリング装置の導管（４４、１４４）が、前記センタリング装置（４）の径方向の面には含まれない軸方向の線を備えている請求項１又は２に記載のカートリッジ（１００）。
4. 前記センタリング装置の導管（４４、１４４）が、前記センタリング装置（４）の側方の外面（５０）に形成された、環状の溝（１４８）に接続する請求項１から３のいずれか一項に記載のカートリッジ（１００）。
5. 前記センタリング装置の導管（４４、１４４）が、前記陽極の中心空洞（１０）の環状の溝（１３５）に接続する、請求項１から３のいずれか一項に記載のカートリッジ（１００）。
6. 前記センタリング装置の導管（４４、１４４）は、前記センタリング装置（４）の側方の外面に形成された、環状の溝（１４８）に接続し、当該溝（１４８）が、前記陽極の中心空洞（１０）の環状の溝（１３５）に接続する請求項１から３のいずれか一項に記載のカートリッジ（１００）。
7. 前記陽極の導管（１２７）が、前記陽極の中心空洞（１０）を包囲する、前記陽極の環状のリング（１２３）の径方向の面に含まれる軸方向の線を備えている請求項１から６のいずれか一項に記載のカートリッジ（１００）。
8. 前記センタリング装置（４）が、前記陽極（１）の環状のリング（１２３）の外径と、同じ外径を備えた下方の肩（４１）で嵌合し、前記肩が、下面（４６）と上面（４７）とを備え、当該肩の下面が、前記センタリング装置（４）の前記下面（４６）を形成し、前記肩の上面（４７）が、前記陽極の中心空洞（１０）を遮蔽する、前記環状のリング（１２３）の下面（１３４）と接触する請求項１から７のいずれか一項に記載のカートリッジ（１００）。
9. 前記陰極（３）の基部（３１）が、支持体（２）のリング（２９）の開口（２３）に収容され、前記リング（２９）が、前記陽極の環状のリング（１２３）の外径と同じ外径を備え、前記センタリング装置の下面（４６）が、前記支持体のリング（２９）の上面（３０）に接触する請求項８に記載のカートリッジ（１００）。
10. 前記陽極（１）が、前記陽極の中心空洞（１０）を遮蔽する前記環状のリング（１２３）の回りに形成された環状の溝（１２２）を備え、前記支持体（２）が、前記陰極の基部（３１）を収容している、前記開口（２３）を遮蔽する前記リング（２９）の回りに形成された環状溝（２４）を備え、前記環状の溝（１２２）と、当該環状溝（２４）とが、同一の外径を備え、内部に前記軸を中心とした空洞(６９)を備える前記アセンブラ（５）が、前記支持体（２）の前記環状溝（２４）に密着嵌合する下方のリング（５１）と、および、前記陽極（１）の前記環状の溝（１２２）に密着嵌合する上方の環状リング（５６）とを備え、前記アセンブラの前記軸を中心とした空洞（６９）の直径が、前記陽極の環状のリング（１２３）の直径よりも大きく、従って、第１の環状の空間（７２）が、前記陽極（１）と前記センタリング装置（４）と前記支持体（２）と前記アセンブラ（５）の間に構成され、前記環状の空間（７２）を介して、前記支持体（２）の冷却導管（２８）と前記陽極（１）の冷却導管（１３０）が前記支持体（２）の外面（２１、３６）と前記陽極（１）の外面（１１、１９）により接続される請求項９に記載のカートリッジ（１００）。
11. 組み立てられた状態において、前記アセンブラの上方の環状リング（５６）の上面（６０）が、前記陽極の環状の溝（１２２）の底部（１２４）に接触せず、従って、第２の環状空間（７１）が、前記上面（６０）と前記底部（１２４）の間に構成され、前記陽極（１）の冷却導管（１３０）が、前記空間（７１）に接続する請求項１０に記載のカートリッジ（１００）。
12. 組み立てられた状態において、前記アセンブラの下方のリング（５１）の下面（５９）が、前記支持体の環状溝（２４）の底部（２７）に接触せず、従って、第３の環状空間（７３）が、前記下面（５９）と前記底部（２７）の間に構成され、前記支持体（２）の冷却導管（２８）が、前記空間（７３）に接続する請求項１１に記載のカートリッジ（１００）。
13. 請求項１項から１２のいずれか一項に記載のプラズマトーチのためにカートリッジ（１００）を、所定の位置に接続、保持する構造（８０）を備えたプラズマトーチにおいて、
    前記カートリッジの前記陽極（１）を受け入れる開口（８５）と、前記陽極の中心空洞（１０）の上部のノズル（１３）の直径に等しい直径か、あるいはより大きな直径を備えた前記軸を中心とした孔（９１）とを有する上方の端部板（８２）と、および、前記カートリッジの支持体（２）を受け入れる孔（８３）を備えた下方の端部板（８１）とを有し、前記構造が、前記カートリッジ（１００）を固定するとともに、冷却流体とプラスマジーン気体のための入口（８６、８７）を接続する手段（９２、９６、９４）と、前記冷却流体を排出する手段（８４）とを備え、
    前記カートリッジ（１００）が組み立てられるとき、前記カートリッジ（１００）の陽極の導管（１２７）および冷却導管（１３０）に、対向した位置決めが行われるプラズマトーチ。
14. 前記接続保持構造（８０）を前記カートリッジ（１００）に固定する手段が、前記カートリッジの前記陽極（１）を受け入れる孔（８５）を備えた、前記構造（８０）の前記上方の端部板（82）に回転を固定されたスタラップ部材（９２）と、前記カートリッジ（１００）の前記支持体（２）を受け入れる前記孔（８３）を備えた、前記構造（８０）の前記下方の端部板（８１）に支持体として働く前記スタラップ部材（９２）に取り付けられたネジ（９４）とからなる請求項１３に記載のプラズマトーチ。

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