JPH05302Y2 - - Google Patents

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JPH05302Y2
JPH05302Y2 JP1986055313U JP5531386U JPH05302Y2 JP H05302 Y2 JPH05302 Y2 JP H05302Y2 JP 1986055313 U JP1986055313 U JP 1986055313U JP 5531386 U JP5531386 U JP 5531386U JP H05302 Y2 JPH05302 Y2 JP H05302Y2
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Description

【考案の詳細な説明】 産業上の利用分野 本考案は、切断及び溶接などに利用される移行
型プラズマトーチの陰極構造に関するものであ
る。
従来の技術 従来技術としては、例えば、日本溶接協会編
「プラズマ切断の基礎と実際」（昭和58年12月１日
発行、廣済堂産報出版刊、P.48）に示されている
ように棒状及び埋込式の陰極構造がある。
棒状陰極の場合はアルゴンや窒素、水素などの
作動ガスが用いられるときに利用され、比較的小
容量のトーチに採用されている。
また埋込みの陰極は、水冷銅パイプの先端部に
ハフニウムやジルコニウムなどを埋め込んだもの
で、主に、酸素や空気などの酸化性ガスを作動ガ
スとして利用する場合に採用される。
なお、非移行型プラズマトーチの陰極構造は大
容量トーチの場合、種々の形状、構造のものが考
案されている。例えば、上記棒状埋込み式以外に
も、リング状や中空型（ホローカソード）などが
利用されている。
移行型あるいは非移行型にかぎらず、プタズマ
トーチの最も大きな問題点の一つに、陰極及びノ
ズルの急激な消耗がある。特に作動ガスに空気や
酸素などの酸化性ガスを用いた場合は、著しく寿
命が短くなり、0.5〜３時間程度で陰極の交換が
必要になる。
従来はこのように短時間での交換作業が必要で
あるため、プラズマ切断機の数値制御（NC）化
や、大量普及への大きな障害となつていた。
従来から採用されている移行型プラズマトーチ
の陰極構造と作動ガスの供給方式を第４図、第５
図に示す。第４図のものは軸流式であり、第５図
に示すものは旋回流式であり、これらの図中１は
陰極、２はノズル、３はアーク柱である。
第４図、第５図に示す移行型プラズマトーチに
おいて、放電点は常時陰極１の中心にあり、時間
経過と共に消耗が進行していく。
この問題点を解決するための一方法として放電
点を常時新しい位置に移動させてやることにより
放電点の集中による急激な電極消耗を軽減できる
ことが考えられる。
第６図、第７図は上記放電点を常時新しい位置
に移動させてやるようにした考案として、この出
願の考案者が先に実願昭60−130799号として出願
したものである。
この第６図、第７図において、１０は陰極ホル
ダであり、この陰極ホルダ１０の端部には陰極１
１が取付けてある。陰極１１は半球面状の凹面１
２を備えている。また陰極ホルダ１０にはコイル
や永久磁石などの磁場発生装置１３が設けてあ
り、この磁場発生装置１３は陰極１１の上方で、
かつ同軸状に配置されている。磁場発生装置１３
がコイルの場合は直流コイルが使用される。１４
は作動ガス旋回用のノズル、１５は磁力線、１６
は電気力線、１７は放電点、１８はプラズマアー
ク、１９はノズルである。
次にこれの作動を説明する。
磁場発生装置１３が作動すると破線で示される
ような磁力線１５が形成される。また陰極１１の
表面に対して垂直方向に電気力線１６が形成され
るため、両者のベクトル積Ｅ×Ｂは、ベクトルＥ
及びＢの方向の一致する中心軸（対称軸）近傍を
除いて略陰極表面全域にわたり、ゼロでない有効
な値をとる。図中の放電点１７の近傍でその値は
最大値をとることが予想される。
従つて放電点１７を駆動させる力であるローレ
ンツ力 Ｆ＝ｊ×Ｂ＝σE×Ｂ も同様に最大値をとることになる。そして磁場配
位及び陰極形状は軸対称であるため、第８図に示
されるような旋回運動を誘起する。
考案が解決しようとする問題点 上記第６図、第７図に示したプラズマトーチの
陰極構成では陰極材の体積が大きくなつてしまう
ので、冷却媒体による冷却効果が悪かつた。特
に、作動ガス、酸素や空気などの酸化性気体を使
用する場合、陰極材にハフニウムやジルコニウム
などが用いられる場合が多い。ハフニウムやジル
コニウムは熱伝導率が非常に小さい金属であるた
め、これらの金属を陰極材として用いるとき、そ
の体積を大きくすると、放電点近傍の温度が上昇
し陰極の消耗量が大きくなる欠点があつた。
問題点を解決するための手段及び作用。
本考案は上記のことにかんがみなされたもの
で、冷却水などの冷却媒体による冷却効果を高め
ることができるようにしたプラズマトーチの陰極
構造を提供しようとするものであり、その構成
は、陰極２１を小径の円柱状にすると共に、この
陰極２１の先端に軸対称とした凹面２２ａ，２２
ｂを設け、この陰極表面上にて発生する電場ベク
トルに対して、Ｅ×Ｂ≠０となるような軸対称磁
場ベクトルＢを発生する磁場発生装置２３を設置
した構成となつており、陰極はこれを保持する水
冷銅棒などのホルダにて良好に冷却される。
実施例 本考案の実施例を第１図及び第２図に基づいて
説明する。
図中２０は水冷銅棒にて構成されたホルダであ
り、２１はこのホルダ２０の先端部に埋め込まれ
た陰極である。そしてこの陰極２１は小径の円柱
状になつており、その先端面には、第１図に示す
ように、微小な軸対称半球面状の凹面２２ａが、
または第２図に示すように、微小な軸対称円錐面
状の凹面２２ｂが設けてある。陰極２１を保持す
るホルダ２０にはコイルや永久磁石などの磁場発
生装置２３が設けてあり、この磁場発生装置２３
は陰極２１の上方で同軸状に設置されている。こ
の磁場発生装置２３がコイルの場合は直流コイル
が使用される。なお上記コイル２３は永久磁石に
代えてもよい。
上記構成において、第１図、第２図に示すいず
れの場合も、陰極２１の表面にてローレンツ力が
発生し、放電点の旋回運動が誘起される。
電極の先端形状が、平面や半球面状の凸面にな
つている場合には、効果的なローレンツ力は発生
せず、放電点の旋回運動は起こらない。しかし、
これらの電極形状においても、使用による消耗が
進行し、第１図及び第２図に示すように凹面形状
となつた時点から効果的なローレンツ力の発生が
起こり、消耗量の大幅な低減が実現される。
実験例 第３図は本考案の作用効果の確認をするために
行なつた実験例を示すもので、縦軸は陰極消耗量
mg、横軸は運転時間ｔ（min）を示す。この実験
で使用した陰極は第１図に示す形状を有してお
り、材質はハフニウムである。磁場発生装置には
直流コイルを用い、その出力は陰極表面上の磁束
密度が７０ガウス程度になるようなものである。
作動ガスは酸素を使用し、流量は40／min、ア
ークノズル１９の口径は2.3mmである。また運転
電流は100Aである。
図中２４は磁場を印加した場合、２５は磁場を
印加しなかつた場合をそれぞれ示す。
考案の効果 本考案によれば、陰極の冷却を、冷却水などの
冷却嫌体により効果的に行なうことができる。そ
して特に本考案によれば、凹面をなす陰極と軸対
称磁場を用いて放電点（陰極点）の定常的な旋回
（周回運動）を誘起することにより、放電点は常
に新たな低温部へ移動して陰極表面での熱集中を
防止できて、電極の消耗量を大幅に低減できて、
電極の寿命の延長が実現できる。
また、陰極の冷却方式を空冷式にした場合で
も、本考案の十分な効果が確認された。
【図面の簡単な説明】
第１図及び第２図は本考案のそれぞれ異なる実
施例の要部を示す断面図、第３図は本考案の実験
例の結果を示す線図、第４図から第７図は従来例
の要部を示す断面図である。 ２１は陰極、２２ａ，２２ｂは凹面。

Claims (1)

    【実用新案登録請求の範囲】
  1. 陰極２１を小径の円柱状にすると共に、この陰
    極２１の先端に軸対称とした凹面２２ａ，２２ｂ
    を設け、この陰極表面上にて発生する電場ベクト
    ルに対して、Ｅ×Ｂ≠＝０となるような軸対称磁
    場ベクトルＢを発生する磁場発生装置２３を設置
    したことを特徴とするプラズマトーチの陰極構
    造。
JP1986055313U 1986-04-15 1986-04-15 Expired - Lifetime JPH05302Y2 (ja)

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DE3751520T DE3751520T2 (de) 1986-04-15 1987-07-30 Kathodenstruktur eines plasmabrenners.
EP87904963A EP0371128B1 (en) 1986-04-15 1987-07-30 Cathode structure of a plasma torch
PCT/JP1987/000570 WO1989001281A1 (en) 1986-04-15 1987-07-30 Cathode structure of a plasma torch

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