JP5118404B2

JP5118404B2 - プラズマ切断装置およびプラズマトーチの冷却方法

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Publication number: JP5118404B2
Application number: JP2007188513A
Authority: JP
Inventors: 義博山口; 茂夫森本; 幹夫箕西
Original assignee: Komatsu Ltd; Komatsu Industries Corp
Current assignee: Komatsu Ltd; Komatsu Industries Corp
Priority date: 2006-10-18
Filing date: 2007-07-19
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2027-07-19
Also published as: DE102007046695A1; US20080093346A1; JP2008119746A; DE102007046695B4; US9024228B2

Description

本発明は、プラズマ切断装置及びプラズマトーチに関わり、特にプラズマトーチを冷却するための技術の改良に関する。

プラズマトーチの電極およびノズルは高温のプラズマアークに直接さらされる。電極とノズルの高熱による損耗を抑制するために、通常、電極の内側とノズルの外側に冷却水が流されて、電極とノズルが冷却される（特許文献１）。一般に、冷却水は、プラズマ切断装置の外部に設置されたクーラユニットの水タンクからポンプによりトーチに圧送される。トーチ内では、冷却水は、まず、トーチの基端部を通り、電極内部の水通路に入って電極を冷却し、その後、ノズルの外面を包囲する水通路に入ってノズルを冷却する。その後、冷却水は、トーチの基端部を通ってトーチ外へ出て、上記クーラユニットの熱交換器（ラジエータ式あるいはチラー式）に入って放熱し、その後、再び上記水タンクに戻る。このように、冷却水は、クーラユニットから出てトーチ内の電極とノズルを順に通過してクーラユニットへ戻るという１ループの水冷回路を循環する。

電極の寿命向上のためには、電極の先端部の耐熱インサート（ハフニウムやジルコニウムのような高融点金属）のできるだけ近傍に、高速に大量の水を流すことが効果的であることが判っている。一般に、トーチ基端部から突き出た冷却水供給パイプが、電極の内部の水通路（電極の基端面から電極先端部の耐熱インサートの直ぐ背後の深さまで延びたブライドホール）内に、その底近傍の深さまで深く挿入されている。その水通路の底面とパイプの先端面との間の隙間を狭くすることで、その水通路の底面を通過する冷却水の流速が上がり、耐熱インサートの冷却の効率がより良くなり、電極の寿命が延びる。この目的のために、電極内部の水通路の底面とパイプの先端面とを相対的に精度良く位置決めするための技術が知られている（特許文献２）。

ノズルについても、その冷却効率を改善することでノズルの耐久性が向上することが判っている。この目的のために、ノズルの水冷面積をより広くする技術が知られている（特許文献３）。

特許第２６４０７０７号公報米国特許公開第２００５／９２７１８号公報特開２００５−１１８８１６号公報

従来技術によれば、トーチ内では、電極内の水通路とノズル周囲の水通路とが直列に接続されて完全に一本の通路を構成している。従って、ポンプからトーチに圧送された冷却水は全て、電極内の水通路を流れた後に、ノズル周囲の水通路に流入する。特許文献２で提案されているように、電極内の水通路の底近傍では、非常に狭い隙間を冷却水が通る。それ故、電極内での圧力損失が大きい。一方、ノズル冷却用の水通路での圧力損失は、電極内でのそれに比較して小さい。例えば、或るありふれたトーチの仕様に従えば、電極内の水通路に10リットル/分で水を供給するためには0.7MPa程度の圧力が必要であり、これに対して、ノズル冷却用の水通路に10リットル/分で水を供給するためには0.1MPa程度の圧力で十分である。換言すれば、ノズル冷却用の水通路のみに30リットル/分で冷却水を流しても、その水通路での圧力損失は0.1×3×3＝0.9MPa程度にすぎないのに対し、電極内に30リットル/分で水を流したならば、電極内での圧力損失は6.3MＰaという非常に大きな値になってしまう。

上に例示したような仕様のトーチへ冷却水を圧送するために、最大吐出圧が1MPa（10kg/cm²）程度のポンプが通常使用される。その場合、上述したように、大よそ10リットル/分の流量で水を供給したとき、トーチ内の圧力損失は0.7＋0.1＝0.8MPa程度であり、これはポンプの最大吐出圧に近い。従って、ノズルとトーチに供給できる水流量の上限は大よそ10リットル/分である。このように、電極とトーチへ供給される冷却水の流量は、互いに等しく、主として電極内での圧力損失により規定される。しかし、熱によるノズルの損耗の影響は、切断品質の劣化に直接的に現れるので、これを抑制するために、ノズルに供給される冷却水流量を増大させたいという要求がある。

ポンプの吐出圧を高めれば、水流量が増大し、電極もノズルの寿命が延びる。しかし、ポンプの吐出圧をN倍に増大させたとき、水流量の増大率は、N倍ではなく、Nの1/2乗倍にすぎない。例えば、ポンプの最大吐出圧を２倍に増大させても、水流量の増大率は1.4倍に止まる。他方、トーチにかかる水圧は２倍に増大するから、水漏れを防ぐために、電極とノズルの水シール部の耐圧を２倍以上に強化する必要が生じる。水シール部を強化すると、電極とノズルの交換時の取り外しがより困難となる、という新たな問題が生じる。

また、電極とノズル間には電圧が印加される。従って、トーチ内で近接して相互接続された電極内部の水通路とトーチ周囲の水通路には電流が流れる。それが原因で、トーチ内部の金属部品に電気腐食が生じ、それがトーチ全体の寿命を決めている。

従って、本発明の目的は、プラズマトーチのノズルへ供給される冷却液の流量を、増大させることにある。

別の目的は、プラズマトーチの寿命を延ばすことにある。

本発明の第1の側面に従えば、電極とノズルを有するプラズマトーチと、前記プラズマトーチへ冷却液を供給するための冷却液供給装置とを備えたプラズマ切断装置において、前記プラズマトーチが、前記冷却液供給装置からの冷却液を前記電極へ提供する電極冷却液通路と、前記冷却液供給装置からの冷却液を前記ノズルへ提供するノズル冷却液通路とを有し、前記冷却液供給装置からの冷却液の流れの少なくとも一部が前記電極冷却液通路と前記ノズル冷却液通路とに分かれるように、前記電極冷却液通路の少なくとも一部と前記ノズル冷却液通路の少なくとも一部が、並列に存在しているプラズマ切断装置が提供される。

本発明のプラズマ切断装置では、プラズマトーチの電極冷却液通路の少なくとも一部とノズル冷却液通路の少なくとも一部とが、並列に、つまり独立して、存在している。換言すれば、プラズマトーチの電極冷却液通路とノズル冷却液通路とが完全に一本の通路を構成するように直列接続されてはいない。このような並列つまり独立な２つの冷却液通路をもつ構成により、電極へ供給される冷却液の流れの少なくとも一部とノズルに供給される冷却液の流れの少なくとも一部は互いに独立し、電極とノズルにそれぞれに特有の流量で冷却液を供給することができる。そのため、従来技術より容易に、ノズルへの冷却液の流量を増大させることが可能である。

一つの実施形態では、プラズマトーチ内で、電極冷却液通路の全体とノズル冷却液通路の全体とが、プラズマトーチ内で互いに分離され独立に存在している。この場合、電極冷却液通路とノズル冷却液通路とが、プラズマトーチ内で互いに電気的に絶縁されていてよい。これにより、プラズマトーチの電気腐食の問題が低減される。

他方、別の実施形態では、電極冷却液通路の一部とノズル冷却液通路の一部とが接続されている。後者の場合であっても、電極冷却液通路の少なくとも一部とノズル冷却液通路の少なくとも一部が並列つまり独立に存在するので、電極とノズルにそれぞれに特有の流量で冷却液を供給することができる。

プラズマトーチの電極冷却液通路とノズル冷却液通路とは、別個の異なる入口を有していてもよいし、あるいは、一つの共通の入口を有していてもよい。また、電極冷却液通路とノズル冷却液通路とが、別個の異なる出口を有していてもよいし、あるいは、一つの共通の出口を有していてもよい。電極冷却液通路とノズル冷却液通路とが別個の異なる入口を有する場合、それら別個の入口がプラズマトーチ外で相互接続されてもよいし、されなくてもよい。同様に、電極冷却液通路とノズル冷却液通路とが別個の異なる出口を有する場合、それら別個の出口がプラズマトーチ外で相互接続されてもよいし、されなくてもよい。

好適な一つの実施形態では、プラズマトーチの電極冷却液通路とノズル冷却液通路とが、別個の異なる入口を有し、冷却液供給装置は、第1の冷却液出口と、前記第1の冷却液出口とは別の第2の冷却液出口とを有し、そして、前記第1の冷却液出口が前記電極冷却液通路の入口へ電極冷却液供給管により接続され、前記第2の冷却液出口が前記ノズル冷却液通路の入口へ、前記電極冷却液供給管とは別のノズル冷却液供給管により接続される。このように、プラズマトーチ内だけでなく、プラズマトーチ外でも、電極へ冷却液を供給するための電極冷却液供給管と、ノズルへ冷却液を供給するためのノズル冷却液供給管とが別個に設けられることより、電極とノズルにそれぞれの冷却に適した特有の流量で冷却液を供給することが、一層容易である。

さらに、上記実施形態では、前記冷却液供給装置が、前記電極を冷却するための第1の冷却液を前記第1の冷却液出口から吐出し、前記ノズルを冷却するための第2の冷却液を前記第2の冷却液出口から吐出し、そして、前記第1の冷却液の流量と前記第2の冷却液の流量とを、別個に設定又は制御する冷却液吐出装置をさらに有する。電極へ供給される第1の冷却液の流量とノズルへ供給される第2の冷却液の流量とを別途に設定又は制御することにより、電極とノズルにそれぞれの冷却に適した特有の流量で冷却液を供給することが、さらに一層容易である。

ノズルへ供給される第2の冷却液の流量は、電極へ供給される第1の冷却液の流量より大きい値に設定又は制御されてよい。これにより、ノズルの耐久性が向上し、切断品質の劣化の問題を軽減することができる。

さらに、上記実施形態では、プラズマトーチの電極冷却液通路とノズル冷却液通路とが別個の異なる出口を有し、冷却液供給装置は、第1の冷却液入口と、前記第1の冷却液入口とは別の第2の冷却液入口とを有し、そして、前記第1の冷却液入口が、前記電極冷却液通路の出口へ、電極冷却液戻し管により接続され、前記第2の冷却液入口が前記ノズル冷却液通路の出口へ、前記電極冷却液戻し管とは別のノズル冷却液戻し管により接続される。このように、プラズマトーチ外で、冷却液供給装置から電極とノズルへ冷却液を供給するために、別個の冷却液供給管を用いるだけでなく、電極とノズルから冷却液供給装置へ冷却液を戻すためにも、別個の冷却液戻し管を用いることにより、プラズマトーチ内の電極冷却液通路とノズル冷却液通路とをより一層良好に互いに電気的に絶縁することが容易である。これにより、プラズマトーチの電気腐食の問題をより効果的に改善できる。

本発明の別の側面に従えば、上述した構成のプラズマトーチが提供される。本発明のまた別の側面に従えば、上述した構成の冷却水供給装置が提供される。

本発明によれば、プラズマトーチのノズルへ供給される冷却液の流量を、増大させることができる。

また、プラズマトーチ内で電極冷却液通路とのノズル冷却液通路とが分離され電気的に絶縁されている場合、プラズマトーチの電気腐食の問題も改善できる。

本発明の一実施形態にかかるプラズマ切断装置について説明する。プラズマ切断装置は、プラズマトーチを用いてワークピースを切断する装置である。プラズマトーチは着脱可能なる電極とノズルを有し、電極はプラズマアークを発生する役目を持ち、ノズルは、電極の外側に配置されて、プラズマアークを絞ってワークピースに向けて噴射する役目をもつ。以下では、本発明の一実施形態にかかるプラズマ切断装置における特にプラズマトーチの冷却に関わる部分に焦点を絞って、図面を参照しつつ説明を行う。

図１は、本発明の一実施形態にかかるプラズマ切断装置における、プラズマトーチへ冷却液、この実施形態では例えば水（以下、冷却水という）、を供給するための液冷回路を示す。ここで、この液冷回路のトーチ内の部分は図１では図示省略されているが、これは後に図２から図４を参照して詳述する。

この液冷回路は、プラズマトーチ１０内の電極を冷却するための冷却水が循環する電極液冷回路と、プラズマトーチ１０内のノズルを冷却するための冷却水が循環するノズル液冷回路とを有する。そして、電極液冷回路とノズル液冷回路は、それぞれ内の冷却水の流量が実質的に他方内の流量の影響を受けないような態様で（例えば並列に）設けられている。以下、具体的に説明する。

図１に示すように、冷却水を蓄積し、冷却水をプラズマトーチ１０へ送り出し、そして、プラズマトーチ１０から戻ってきた冷却水を冷却して再び送り出すためのクーラユニット２０が、プラズマトーチ１０の外部に設置される。クーラユニット２０は、４本の冷却液輸送管、すなわち、電極冷却液供給管１２、電極冷却液戻り管１６、ノズル冷却液供給管１４およびノズル冷却液戻り管１８を介して、プラズマトーチ１０と接続される。電極冷却液供給管１２は、プラズマトーチ１０内の電極を冷却するための水をプラズマトーチ１０へ送るための管であり、電極冷却液戻り管１６は、電極を冷却し終わった冷却水をクーラユニット２０へ戻すための管である。ノズル冷却液供給管１４は、プラズマトーチ１０内のノズルを冷却するための水をプラズマトーチ１０へ送るための管であり、ノズル冷却液戻り管１８は、ノズルを冷却し終わった冷却水をクーラユニット２０へ戻すための管である。後に詳述するように、プラズマトーチ１０内では、電極へ冷却水を提供する電極冷却液通路と、ノズルへ冷却水を提供するノズル冷却液通路とが、従来のように直列接続されて完全に一本の通路を構成する（つまり、双方の通路の流量が等しくならざるを得ない）のではなく、電極冷却液通路の全体とノズル冷却液通路の全体とが完全に分離された独立の通路として設けられている。従って、電極冷却液供給管１２からプラズマトーチ１０に供給された冷却水は全て、プラズマトーチ１０内の電極冷却液通路のみを流れてから、電極冷却液戻り管１６へ出る。他方、ノズル冷却液供給管１４からプラズマトーチ１０に供給された冷却水は全て、ノズル冷却液通路のみを流れてから、ノズル冷却液戻り管１８へ出る。それ故、電極とノズルへ、それぞれの冷却に適した特有の流量で冷却水を供給することができる。

クーラユニット２０は、プラズマトーチ１０へ供給されるべき冷却水をクーラユニット２０外へ吐出するための２つの別個の冷却液出口２７と３１を有し、また、プラズマトーチ１０から排出された冷却水をクーラユニット２０内へ戻すための２つの別個の冷却液入口３５と３３を有する。また、クーラユニット２０内には、冷却水を蓄える冷却液タンク２２があり、２本の冷却液出力管２８と２４が冷却液タンク２２の水中部分から外へ出ている。第1の冷却液出力管２４の出口は、第1のポンプ２６の冷却液入口に接続され、第1のポンプ２６の冷却液出口は、クーラユニット２０の第1の冷却液出口２７に接続され、そして、第1の冷却液出口２７に、電極冷却液供給管１２の入口が接続される。第２の冷却液出力管２８の出口は、第２のポンプ３０の冷却液入口に接続され、第２のポンプ３０の冷却液出口は、クーラユニット２０の第2の冷却液出口３１に接続され、そして、第2の冷却液出口３１に、ノズル冷却液供給管１４の入口に接続される。また、電極冷却液戻り管１６の出口が、クーラユニット２０の第1の冷却液入口３３に接続され、そして、ノズル冷却液戻り管１８の出口が、クーラユニット２０の第2の冷却液入口３５に接続される。クーラユニット２０の第1と第2の冷却液入口３３と３５は、クーラユニット２０内にて、一本の第1の共通冷却液戻り管３２の入口に接続され、この第1の共通冷却液戻り管３２の出口は熱交換器３４の入口に接続され、熱交換器３４の出口は第２の共通冷却液戻り管３６の入口に接続され、そして、第２の共通冷却液戻り管３６の出口は水タンク２２内の水面上方に開口する。

電極液冷回路は、冷却液タンク２２、第1冷却液出力管２４、第1ポンプ２６、電極冷却液供給管１２、トーチ１０内部の電極冷却液通路、電極冷却液戻り管１６、第1共通冷却液戻り管３２、熱交換器３４及び第２共通冷却液戻り管３６から構成され、そこでは、冷却水はこれらの構成要素をこの順序で流れ且つ循環する。また、ノズル液冷回路は、冷却液タンク２２、第２冷却液出力管２８、第２ポンプ３０、ノズル冷却液供給管１４、トーチ１０内部のノズル冷却液通路、ノズル冷却液戻り管１８、第1共通冷却液戻り管３２、熱交換器３４及び第２共通冷却液戻り管３６から構成され、そこでは、冷却水はこれらの構成要素をこの順序で流れ且つ循環する。

電極液冷回路は、電極に供給される冷却水の流量が電極冷却用に予め設定された目標流量になるように、動作する。ノズル水冷回路は、ノズルに供給される冷却水の流量がノズル冷却用に予め設定された目標流量になるように、動作する。後の説明から分かるように、電極冷却用の目標流量よりも、ノズル冷却用の目標流量の方が大きい。さらに、クーラユニット２０には、電極液冷回路に流れる（つまり電極に供給される）冷却水の流量を検出する第１流量センサ３４と、ノズル液冷回路に流れる（つまりノズルに供給される）冷却水の流量を検出する第２流量センサ３６と、第１流量センサ３４で検出された流量が電極冷却用に予め設定された最低流量を下回ったか、第２流量センサ３６で検出された流量がノズル冷却用に予め設定された最低流量を下回ったときに、アラーム発生などの所定の異常処理を行なう流量監視装置３８とを設けられる。

図１に点線で示すように、２以上のプラズマトーチ１０と４０が存在してもよい。この場合に、それら異なるプラズマトーチ１０と４０が、一つの同じクーラユニット２０に並列接続されてよい。そのような一つのクーラユニット２０は、異なるプラズマトーチ１０と４０に共用される１つの冷却液タンクと、異なるプラズマトーチ１０と４０の電極とノズルにそれぞれ割り当てられた複数のポンプとを備えてよい。変形例として、異なるプラズマトーチ１０と４０が、それぞれ、別個の異なるクーラユニット２０に接続されてもよい。

図２は、プラズマトーチ１０内の冷却液通路の構造を示す、プラズマトーチ１０の中心軸に沿った縦断面図である。

図２に示すように、合成樹脂のような絶縁材料製の円筒形のアウタースリーブ５０があり、アウタースリーブ５０の内側に、金属製のインナースリーブ５２が嵌めこまれている。アウタースリーブ５０は、例えば、熱可塑性のエポキシ樹脂などで作られ、金属製のインナースリーブ５２を包み込む形で例えば樹脂注入成形型により造形される。アウタースリーブ５０とインナースリーブ５２の基端部には、その外側から、金属製の４本の冷却液輸送管５４、５８、６２および６６が差し込まれて固定されている。これらの冷却液輸送管５４、５８、６２および６６は、具体的には、プラズマトーチ１０内にノズル冷却用の冷却水を取り入れるためのノズル冷却水インテイク管５４、プラズマトーチ１０内に電極冷却用の冷却水を取り入れるための電極冷却液インテイク管５８、プラズマトーチ１０外へ電極冷却用の冷却水を排出するための電極冷却液エグゾースト管６２、および、プラズマトーチ１０外へノズル冷却用の冷却水を排出するためのノズル冷却液エグゾースト管６６である。ノズル冷却液インテイク管５４と電極冷却液インテイク管５８とは別個の入口を有する。ノズル冷却液インテイク管５４の入口には入口継手５３が設けられ、この入口継手５３に、クーラユニット２０から来るノズル冷却液供給管１４（図１）の出口が接続される。電極冷却液インテイク管５８の入口には入口継手５７が設けられ、この入口継手５７に、クーラユニット２０から来る電極冷却液供給管１２（図１）の出口が接続される。電極冷却液エグゾースト管６２とノズル冷却液エグゾースト管６６とは、別個の出口を有する。電極冷却液エグゾースト管６２の出口には出口継手６１が設けられ、この出口継手６１に、クーラユニット２０へ行く電極冷却液戻り管１６の入口が接続される。ノズル冷却液エグゾースト管６６の出口には、出口継手６５が設けられ、この出口継手６５に、クーラユニット２０へ行くノズル冷却液戻り管１８（図１）の入口が接続される。

図３は、プラズマトーチ１０をその基端側から見たときの上述した各種導水管の配置を示すものである。図３に示すように、プラズマトーチ１０の外部から来るノズル冷却液供給管１４、電極冷却液供給管１２、電極冷却液戻り管１６及びノズル冷却液戻り管１８は、やはり外部から来るプラズマガス供給管１００およびアシストガス供給管１０４とともに、プラズマトーチ１０の中心軸を中心とした円にほぼ沿って配置される。これに対し、ノズル冷却液インテイク管５４、電極冷却液インテイク管５８、電極冷却液エグゾースト管６２およびノズル冷却液エグゾースト管６６のインナースリーブ５２の基端部に結合された部分は、プラズマトーチ１０の中心軸を通る径線にほぼ沿って配置されている。そこで、これらの管の一部、例えば、電極冷却液インテイク管５８および電極冷却液エグゾースト管６２は、それぞれ、インナースリーブ５２外の部分にて屈曲してから、電極冷却液供給管１２および電極戻り管１６と接続される（しかし、図２では、これらの管の屈曲形状は図示省略されている）。なお、プラズマガス供給管１００およびアシストガス供給管１０４は、それぞれ、プラズマトーチ１０内のプラズマガスインテイク管１０２およびアシストガスインテイク管１０６に接続される（図２では、図示省略）。

再び図２を参照して、アウタースリーブ５０の壁内には、その基端面から先端面へと、2本の冷却液通路路７０と７２が貫通している。一方の冷却液通路（以下、近接ノズル冷却液インテイク路という）７０の入口は、ノズル冷却液インテイク管５４内の冷却液通路（以下、末端ノズル冷却液インテイク路という）５６の出口に接続し、他方の冷却液通路（以下、近接ノズル冷却液エグゾースト路という）７２の出口は、ノズル冷却液エグゾースト管６６内の冷却液通路（以下、末端ノズル冷却液エグゾースト路という）６８の入口に接続する。

アウタースリーブ５０の先端面の内側部分上に、金属製のノズル８８が着脱可能に固定される。アウタースリーブ５０の先端部分に、シールドキャップ９０が外嵌されかつ着脱可能に固定される。シールドキャップ９０は、ノズル８８のほぼ全体を外側から包囲する。ノズル８８の外面とシールドキャップ９０の内面との間の空間が、そこを流れる冷却液がノズル８８の外面に直接接するノズル冷却液ジャケット路９２を構成する。ノズル冷却液ジャケット路９２の入口は、近接ノズル冷却液インテイク路７０の出口に接続し、ノズル冷却液ジャケット路９２の出口は、近接ノズル冷却液エグゾースト路７２の入口に接続する。

図４は、図２のＡ−Ａ線に沿った断面における、近接ノズル冷却液インテイク路７０と近接ノズル冷却液エグゾースト路７２の断面形状を簡単に示したものである。図４に示すように、近接ノズル冷却液液インテイク路７０と近接ノズル冷却液エグゾースト路７２のそれぞれの断面形状は、プラズマトーチ１０の中心軸を中心とした円に沿って延びた長円形であり、それにより、プラズマトーチ１０の外径を出来るだけ拡大させずに、それぞれの冷却液通路７０と７２の断面積をできるだけ大きくすることができる。なお、図４中の参照番号１０８と１１０は、それぞれ、プラズマガス通路とアシストガス通路を示している。

再び図２を参照して、インナースリーブ５２の先端部分に、金属製の電極８０が着脱可能に固定される。インナースリーブ５２の先端部に外嵌されたセラミックのような耐熱性の絶縁筒７６が、電極８０とノズル８８の間の電気絶縁を確実にする。電極８０の内部は空洞であり、その空洞は電極８０の基端部で開口して、インナースリーブ５２の内部空間に連通する。電極冷却液挿入管７８が、インナースリーブ５２の内部空間内に、インナースリーブ５２と同心に配置される。電極冷却液挿入管７８の入口は、インナースリーブ５２の基端部に固定され、そこで、電極冷却液インテイク管５８の出口に接続される。電極冷却液挿入管７８の前方部分は、電極８０内の空洞内に深く差し込まれて、電極冷却液挿入管７８の出口が、電極８０の先端部の耐熱インサート８２の直ぐ背後の位置で開口する。電極冷却液挿入管７８の内側空間が、冷却水を電極８０の先端部の近傍へ導くための通路（以下、近接電極冷却液インテイク路という）８４を構成する。近接電極冷却液インテイク路８４の入口は、電極冷却液インテイク管５８内の冷却液通路（以下、末端電極冷却液インテイク路という）６０の出口に接続する。

電極冷却液挿入管７８の外面と電極８０の内面との間の空間が、そこを流れる冷却水が電極８０の内面に直接接する電極冷却液コア路８５を構成する。電極冷却液挿入管７８の外面とインナースリーブ５２の内面との間の空間が、電極冷却液コア路８５から冷却液を排出するための通路（以下、近接電極冷却液エグゾースト路）８６を構成する。電極冷却液コア路８５の入口は、耐熱インサート８２の直ぐ背後の位置にて、近接電極冷却液インテイク路８４の出口に接続し、電極冷却液コア路８５の出口は、電極８０の基端部の位置にて、電極冷却液エグゾースト路８６の入口に接続する。電極冷却液エグゾースト路８６の出口は、インナースリーブ５２の基端部の位置にて、電極冷却液エグゾースト管６２内の冷却液通路（以下、末端電極冷却液エグゾースト路という）６４の入口に接続する。

上記構造を持つプラズマトーチ１０において、電極を冷却するための電極冷却液通路は、末端電極冷却液インテイク路６０、近接電極冷却液インテイク路８４、電極冷却液コア路８５、近接電極冷却液エグゾースト路８６および末端電極冷却液エグゾースト路６４から構成され、この順序でこれらの通路に冷却水が流れる。他方、ノズルを冷却するためのノズル冷却液通路は、末端ノズル冷却液インテイク路５６、近接ノズル冷却液インテイク路７０、ノズル冷却液ジャケット路９２、近接ノズル冷却液エグゾースト路７２および末端ノズル冷却液エグゾースト路６８から構成され、この順序でこれらの通路に冷却水が流れる。プラズマトーチ１０内において、上記の電極冷却液通路と、上記のノズル冷却水通路とは、相互間の接続がなく、完全に独立した別の水路として分離されており、電気的にも互いに絶縁されている。従って、電極用の冷却水の流量と、ノズル用の冷却水の流量は、それぞれの冷却水通路での圧力損失と、それぞれのポンプ２６と３０（図１）からの水圧とに基づいて、互いに独立して決まる、固有の値になることができる。従来のように、一方の冷却液通路での圧力損失が、他方の冷却液通路での流量を制限してしまうことがない。とりわけ、電極冷却液通路での圧力損失は、ノズル冷却液通路でのそれに比べて遥かに大きいのであるが、ノズル冷却液通路の流量は、電極冷却液通路での圧力損失の影響を受けないので、ノズル用の冷却水を従来より大量に流すことが可能である。

例えば、従来技術に関連して既に説明したように、或るありふれた仕様の従来のプラズマトーチの場合、ポンプの吐出圧が0.8MPaであれば、約10リットル/分が電極用とノズル用の双方の冷却水流量の上限であり、その上限流量を流した場合、電極冷却液通路で約0.7MPaの圧力損失があり、ノズル冷却液通路では約0.1MPaの圧力損失がある。これに対し、各冷却液通路での圧力損失の程度が上記例と同等である本実施形態のプラズマトーチでは、ポンプ２６と３０の各々の吐出圧が上記例と同じ0.8MPaであれば、電極へは従来の流量の約「8／7の0.5乗」倍である約10.6リットル/分、ノズルへは従来の流量の約「8の0.5乗」倍である28リットル/分で、冷却水を流すことができる。この例から分かるように、特にノズルへの冷却水の水量が明らかに増大するので、ノズルの耐久性が明らかに向上する。一般に、電極とノズルでは、その熱による損耗の影響の現れ方が異なる。すなわち、電極は、使用回数の増加に伴って損耗程度が増していく過程で、最終的に点火不能になる要交換状態に達するまでは、損耗程度に関わらず格別問題なく通常に使用することが可能である。これに対し、ノズルは、使用回数の増加に伴って損耗程度が増していく過程で、常に何らかの損耗がありさえすれば、その損耗程度に応じた程度の切断品質の劣化を生じさせる。ノズルの交換時期は、ユーザが、どの程度の品質劣化まで許容できるかによって決まるから、非常に高い切断品質を必要とする場合には、頻繁にノズルを交換する必要がある。従って、ノズルへ従来より大量の冷却水を供給することでノズルの耐久性が従来より明らかに向上すれば、切断品質の劣化を効果的に抑制し、上記の問題を効果的に改善することができる。

また、これも従来技術に関連して既に説明したことであるが、プラズマトーチ内では、電極とノズル間には電圧がかかっているため、プラズマトーチ内で相互接続された電極冷却液通路とノズル冷却液通路とに電流が流れ、これが、トーチ内部品の電気腐食の原因となる。これに対し、本実施形態では、プラズマトーチ１０内では、電極冷却液通路とノズル冷却液通路とは、相互接続されておらず、電気的に絶縁されているので、電気腐食の問題がなく、プラズマトーチ１０全体の耐久性も向上する。なお、図１に示すように、クーラユニット２０内では、電極液冷回路とノズル液冷回路とは相互接続されている。しかし、プラズマトーチ１０とクーラユニット２０との間の距離は、プラズマトーチ１０内の冷却液通路の長さに比較して、桁違いに長い。そのため、クーラユニット２０内での冷却液通路の相互接続は、プラズマトーチ１０内の電気腐食の原因には実質的にならない。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態だけでなく、それに各種の変形を加えた種々の変形実施形態で実施することも可能である。以下に、本発明の変形実施形態の内の一部の幾つかを説明する。

図５に示すように、プラズマトーチ１０において、ノズル冷却液インテイク管５４と電極冷却液インテイク管５８とが一つの共通な入口（例えば入口継手１１９）を有してもよい。例えば、ノズル冷却液インテイク管５４と電極冷却液インテイク管５８とがそれらの入口近傍部分で一体化されて、一本の共通な冷却液インテイク管１２０を構成し、その共通な冷却液インテイク管１２０の入口に入口継手１１９が設けられる。クーラユニット２０から一本の共通な冷却液供給管（図示省略）がプラズマトーチ１０に来ており、その共通な冷却液供給管が、入口継手１１９に接続される。また、プラズマトーチ１０において、電極冷却液エグゾースト管６２とノズル冷却液エグゾースト管６６とが一つの共通な出口（例えば出口継手１２１）を有してもよい。例えば、電極冷却液エグゾースト管６２とノズル冷却液エグゾースト管６６とがそれらの出口近傍部分で一体化されて、一本の共通な冷却液エグゾースト管１２２を構成し、その共通な冷却液エグゾースト管１２２の出口に出口継手１２１が設けられる。クーラユニット２０から一本の共通な冷却液戻り管（図示省略）がプラズマトーチ１０に来ており、その共通な冷却液戻り管の入口が、出口継手１２１に接続される。

また、図６に示すように、プラズマトーチ１０内で、接続管１３０により、電極冷却液通路の一部とノズル冷却液通路の一部とが相互接続されていてもよい。図６に示される変形にと、図５に示された変形とが組み合わされてもよい。また、図７に示すように、プラズマトーチ１０において、ノズル冷却液インテイク管５４と電極冷却液インテイク管５８とは別個の入口（例えば入口継手５３と６７）を有するが、他方、電極冷却液エグゾースト管６２とノズル冷却液エグゾースト管６６とが一つの共通な出口（例えば出口継手１２１）を有してもよい。

図５、図６及び図７のいずれに示す変形例であっても、プラズマトーチ１０において電極冷却液通路とノズル冷却液通路とが相互接続されてはいるが、従来技術のようにそれらの冷却液通路の全体が直列接続されて完全に一本の水路を構成してはおらず、それぞれの冷却液通路の少なくとも一部が並列につまり独立して存在している。そのため、一方の冷却液通路での圧力損失が他方の冷却液通路での流量に影響を与えることは実質的になく、それぞれの冷却通路の流量を固有の値に設定又は制御することができる。従って、ノズル用の冷却水の流量を従来より増やすことが可能である。ただし、電気腐食の防止の点では、図２に示したようにそれぞれの冷却液通路がプラズマトーチ１０内で完全に分離され電気的に絶縁されている構成の方が、図５または図６に示された構成より優れる。

また、図１に示された構成例では、電極液冷回路とノズル液冷回路が、それぞれ別のポンプ２６と３０を有し、且つ一つの冷却液タンク２２と一つの熱交換器３４を共用しているが、必ずしもそうでなければならないわけではない。変形実施形態として、電極液冷回路とノズル液冷回路がそれぞれ別の熱交換器を有していてもよい。例えば、図１に示された電極冷却液戻り管１６とノズル冷却液戻り管１８とが相互接続されず完全に分離され、それぞれ別個の熱交換器の入口に接続されていてもよい。逆に、電極液冷回路とノズル液冷回路が一つのポンプを共用してもよい。例えば、図１に示された電極冷却液供給管１２とノズル冷却液供給管１４とが相互接続されて一つの共通のポンプ（例えばポンプ２６）の出口に接続されてもよい。これらのバリエーションのいずれにおいても、電極液冷回路での冷却水の流量と、ノズル液冷回路での冷却水の水量とを、それぞれに特有の値（典型的には異なる値）に設定又は制御することができる。

以上、本発明の一実施形態と幾つかの変形例を説明したが、これらは本発明の説明のための例示であり、本発明はその要旨を逸脱しない範囲内で、上記実施形態または変形例とは異なる様々な態様で実施することが可能である。

本発明の一実施形態における水冷回路の構成を示す回路図。本発明の一実施形態におけるプラズマトーチ内の冷却水通路の構造を示す、プラズマトーチの縦断面図。図２に示すプラズマトーチを基端側から見たときの複数の冷却液輸送管の配置を示す図。図２のＡ−Ａ線に沿った断面における、ノズル冷却液インテイク路とノズル冷却液エグゾースト路の断面形状を簡単に示した図。本発明の変形実施形態におけるプラズマトーチの冷却液通路の構造を示す、プラズマトーチの縦断面図。本発明の別の変形実施形態におけるプラズマトーチの冷却液通路の構造を示す、プラズマトーチの縦断面図。本発明のまた別の変形実施形態におけるプラズマトーチの冷却液通路の構造を示す、プラズマトーチの縦断面図。

符号の説明

１０プラズマトーチ
１２電極冷却液供給管
１４ノズル冷却液供給管
１６電極冷却液戻り管
１８ノズル冷却液戻り管
２０クーラユニット
２２冷却液タンク
２４第1の冷却液出力管
２６第1のポンプ
２７第1の冷却液出口
２８第2の冷却液出力管
３０第1のポンプ
３１第2の冷却液出口
３２第1の共通冷却液戻し管
３３第1の冷却液入口
３４熱交換器
３５第2の冷却液入口
３６第2の共通冷却液戻し管
５０アウタースリーブ
５２インナースリーブ
５３入口継手
５４ノズル冷却液インテイク管
５６末端ノズル冷却液インテイク路
５７入口継手
５８電極冷却液インテイク管
６０末端電極冷却液インテイク路
６１出口継手
６２電極冷却液エグゾースト管
６４末端電極冷却液エグゾースト路
６５出口継手
６６ノズル冷却液エグゾースト管
６８末端ノズル冷却液エグゾースト路
７０近接ノズル冷却液インテイク路
７２近接ノズル冷却液エグゾースト路
７６絶縁筒
７８電極冷却液挿入管
８０電極
８２耐熱インサート
８４近接電極冷却液インテイク路
８５電極冷却液コア路
８６近接電極冷却液エグゾースト路
８８ノズル
９０シールドキャップ
９２ノズル冷却液ジャケット路
１１９入口継手
１２０共通冷却液インテイク管
１２１出口継手
１２２共通冷却液エグゾースト管
１３０接続管

Claims

電極（８０）とノズル（８８）を有するプラズマトーチ（１０）と、前記プラズマトーチ（１０）へ冷却液を供給するための冷却液供給装置（２０）とを備えたプラズマ切断装置において、
前記プラズマトーチ（１０）が、
前記冷却液供給装置（２０）からの冷却液を前記電極（８０）へ提供する電極冷却液通路（６０、８４、８５、８６および６４）と、
前記冷却液供給装置（２０）からの冷却液を前記ノズル（８８）へ提供するノズル冷却液通路（５６、７０、９２、７２および６８）と
を有し、
前記冷却液供給装置（２０）からの冷却液の流れの少なくとも一部が前記電極冷却液通路（６０、８４、８５、８６および６４）と前記ノズル冷却液通路（５６、７０、９２、７２および６８）とに分かれるように、前記電極冷却液通路（６０、８４、８５、８６および６４）の少なくとも一部と前記ノズル冷却液通路（５６、７０、９２、７２および６８）の少なくとも一部が、並列に存在しており、
前記電極冷却液通路（６０、８４、８５、８６および６４）の全体と前記ノズル冷却液通路（５６、７０、９２、７２および６８）の全体とが、前記プラズマトーチ内で互いに分離されて独立に存在していて、
前記プラズマトーチ（１０）の前記電極冷却液通路（６０、８４、８５、８６および６４）と前記ノズル冷却液通路（５６、７０、９２、７２および６８）とが、別個の異なる入口（５７，５３）を有し、
前記プラズマトーチ（１０）の前記電極冷却液通路（６０、８４、８５、８６および６４）の入口（５７）と前記ノズル冷却液通路（５６、７０、９２、７２および６８）の入口（５３）とを、前記プラズマトーチ（１０）外で相互接続する外部冷却液通路をさらに有し、
前記外部冷却液通路には、１つのポンプの出口が接続され、
前記電極冷却液通路（６０、８４、８５、８６および６４）に流れる冷却水の流量に比べて前記ノズル冷却液通路（５６、７０、９２、７２および６８）に流れる冷却水の流量が多くなるように、前記電極冷却液通路（６０、８４、８５、８６および６４）及び前記ノズル冷却液通路（５６、７０、９２、７２および６８）の圧力損失が設定され、
前記プラズマトーチ（１０）の前記電極冷却液通路と前記ノズル冷却液通路とが、別個の異なる出口（６１，６５）を有し、
前記電極冷却液通路（６０、８４、８５、８６および６４）の入口（５７）及び出口（６１）と、前記ノズル冷却液通路（５６、７０、９２、７２および６８）の入口（５３）及び出口（６５）とが、前記プラズマトーチ（１０）の基端部において、前記プラズマトーチ（１０）の中心軸を中心にした円にほぼ沿って配置されるプラズマ切断装置。
請求項１に記載のプラズマ切断装置において、
前記ノズル冷却液通路（５６、７０、９２、７２および６８）は、前記プラズマトーチ内に前記冷却水を取り入れるためのノズル冷却液流入路（８５、８６および６４）と、前記プラズマトーチ外へ前記冷却水を排出するためのノズル冷却液流出路（９２、７２および６８）とからなり、
前記ノズル冷却液流入路（８５、８６および６４）及び前記ノズル冷却液流出路（９２、７２および６８）の少なくとも一部は、前記中心軸を中心とした円にほぼ沿って延びた長円形状に形成されるプラズマ切断装置。
請求項１又は２に記載のプラズマ切断装置において、
前記電極冷却液通路（６０、８４、８５、８６および６４）と前記ノズル冷却液通路（５６、７０、９２、７２および６８）とが、前記プラズマトーチ内で互いに電気的に絶縁されているプラズマ切断装置。
請求項１〜３のいずれか1項に記載のプラズマ切断装置において、
前記プラズマトーチ（１０）の前記電極冷却液通路（６０、８４、８５、８６および６４）の出口（６１）と前記ノズル冷却液通路（５６、７０、９２、７２および６８）の出口（６５）とを、前記プラズマトーチ（１０）外で相互接続する冷却液通路（１８，１６，及び３２）をさらに有するプラズマ切断装置。
請求項１〜４のいずれか1項に記載のプラズマ切断装置において、
前記冷却液供給装置（２０）が、
第1の冷却液入口（３３）と、
前記第1の冷却液入口（３３）とは別の第2の冷却液入口（３５）と
を有し、
さらに、前記プラズマ切断装置が、
前記第1の冷却液入口（３３）を前記電極冷却液通路（６０、８４、８５、８６および６４）の出口（６１）へ接続する電極冷却液戻し管（１６）と、
前記第2の冷却液入口（３５）を前記ノズル冷却液通路（５６、７０、９２、７２および６８）の出口（６５）へ接続する、前記電極冷却液戻し管（１６）とは別のノズル冷却液戻し管（１８）と
を備えるプラズマ切断装置。
電極（８０）とノズル（８８）を有するプラズマトーチ（１０）と、前記プラズマトーチ（１０）へ冷却液を供給するための冷却液供給装置（２０）とを備えたプラズマ切断装置において、
前記プラズマトーチ（１０）が、
前記冷却液供給装置（２０）からの冷却液を前記電極（８０）へ提供する電極冷却液通路（６０、８４、８５、８６および６４）と、
前記冷却液供給装置（２０）からの冷却液を前記ノズル（８８）へ提供するノズル冷却液通路（５６、７０、９２、７２および６８）と
を有し、
前記冷却液供給装置（２０）からの冷却液の流れの少なくとも一部が前記電極冷却液通路（６０、８４、８５、８６および６４）と前記ノズル冷却液通路（５６、７０、９２、７２および６８）とに分かれるように、前記電極冷却液通路（６０、８４、８５、８６および６４）の少なくとも一部と前記ノズル冷却液通路（５６、７０、９２、７２および６８）の少なくとも一部が、並列に存在しており、
前記電極冷却液通路（６０、８４、８５、８６および６４）の全体と前記ノズル冷却液通路（５６、７０、９２、７２および６８）の全体とが、前記プラズマトーチ内で互いに分離されて独立に存在していて、
前記プラズマトーチ（１０）の前記電極冷却液通路（６０、８４、８５、８６および６４）と前記ノズル冷却液通路（５６、７０、９２、７２および６８）とが、別個の異なる入口（５７，５３）を有し、
前記プラズマトーチ（１０）の前記電極冷却液通路（６０、８４、８５、８６および６４）の入口（５７）と前記ノズル冷却液通路（５６、７０、９２、７２および６８）の入口（５３）とを、前記プラズマトーチ（１０）外で相互接続する外部冷却液通路をさらに有し、
前記外部冷却液通路には、１つのポンプの出口が接続され、
前記電極冷却液通路（６０、８４、８５、８６および６４）に流れる冷却水の流量に比べて前記ノズル冷却液通路（５６、７０、９２、７２および６８）に流れる冷却水の流量が多くなるように、前記電極冷却液通路（６０、８４、８５、８６および６４）及び前記ノズル冷却液通路（５６、７０、９２、７２および６８）の圧力損失が設定され、
前記冷却液供給装置（２０）が、
第1の冷却液入口（３３）と、
前記第1の冷却液入口（３３）とは別の第2の冷却液入口（３５）と
を有し、
さらに、前記プラズマ切断装置が、
前記第1の冷却液入口（３３）を前記電極冷却液通路（６０、８４、８５、８６および６４）の出口（６１）へ接続する電極冷却液戻し管（１６）と、
前記第2の冷却液入口（３５）を前記ノズル冷却液通路（５６、７０、９２、７２および６８）の出口（６５）へ接続する、前記電極冷却液戻し管（１６）とは別のノズル冷却液戻し管（１８）と
を備えるプラズマ切断装置。
電極（８０）とノズル（８８）を有し、冷却液供給装置（２０）から冷却液を供給されるプラズマトーチ（１０）において、
前記冷却液供給装置（２０）からの冷却液を前記電極（８０）に提供する電極冷却液通路（６０、８４、８５、８６および６４）と、
前記冷却液供給装置（２０，１２，１４）からの冷却液を前記ノズル（８８）に提供するノズル冷却液通路（５６、７０、９２、７２および６８）と
を備え、
前記冷却液供給装置（２０）からの冷却液の流れの少なくとも一部が前記電極冷却液通路（６０、８４、８５、８６および６４）と前記ノズル冷却液通路（５６、７０、９２、７２および６８）とに分かれるように、前記電極冷却液通路（６０、８４、８５、８６および６４）の少なくとも一部と前記ノズル冷却液通路（５６、７０、９２、７２および６８）の少なくとも一部とが並列に存在しており、
前記電極冷却液通路（６０、８４、８５、８６および６４）の全体と前記ノズル冷却液通路（５６、７０、９２、７２および６８）の全体とが、前記プラズマトーチ内で互いに分離されて独立に存在していて、
前記プラズマトーチ（１０）の前記電極冷却液通路（６０、８４、８５、８６および６４）と前記ノズル冷却液通路（５６、７０、９２、７２および６８）とが、別個の異なる入口（５７，５３）を有し、
前記プラズマトーチ（１０）の前記電極冷却液通路（６０、８４、８５、８６および６４）の入口（５７）と前記ノズル冷却液通路（５６、７０、９２、７２および６８）の入口（５３）とを、前記プラズマトーチ（１０）外で相互接続する外部冷却液通路（１２，１４，２６，３０、２４，２８及び２２）をさらに有し、
前記外部冷却液通路には、１つのポンプの出口が接続され、
前記電極冷却液通路（６０、８４、８５、８６および６４）に流れる冷却水の流量に比べて前記ノズル冷却液通路（５６、７０、９２、７２および６８）に流れる冷却水の流量が多くなるように、前記電極冷却液通路（６０、８４、８５、８６および６４）及び前記ノズル冷却液通路（５６、７０、９２、７２および６８）の圧力損失が設定され、
前記電極冷却液通路（６０、８４、８５、８６および６４）の入口（５７）及び出口（６１）と、前記ノズル冷却液通路（５６、７０、９２、７２および６８）の入口（５３）及び出口（６５）とが、前記プラズマトーチ（１０）の基端部において、前記プラズマトーチ（１０）の中心軸を中心にした円にほぼ沿って配置されるプラズマトーチ。
請求項７記載のプラズマトーチにおいて、
前記ノズル冷却液通路（５６、７０、９２、７２および６８）は、前記プラズマトーチ内に前記冷却水を取り入れるためのノズル冷却液流入路（８５、８６および６４）と、前記プラズマトーチ外へ前記冷却水を排出するためのノズル冷却液流出路（９２、７２および６８）とからなり、
前記ノズル冷却液流入路（５６、７０及び９２）及び前記ノズル冷却液流出路（９２、７２および６８）の少なくとも一部は、前記中心軸を中心とした円に沿って延びた長円形状に形成されるプラズマトーチ。