JP2955064B2 - プラズマ溶射装置及び工業窯炉内張り補修用溶射機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマ溶射装置に関
し、特に直流電力を多相交流電力に変換する電源装置を
備え、大型のプラズマジェットを発生することのできる
プラズマ溶射装置及び工業窯炉内張り補修用溶射機に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のプラズマ溶射装置は、単一極の
＋，−直流でプラズマを発生させて溶射を行っていたの
で、大量大型な溶射ができず、また強力な溶射を可能と
するためにプラズマの温度と速度を上げるのに腐心して
いたが、これがなかなか困難であり一部の小型の溶射作
業にしか利用されていないものであった。またプラズマ
の中心に溶射材料が入りにくくプラズマの中心から外れ
ると充分溶けないまま被溶射体にたたきつけられて不良
溶射を生ずることとなった。また最近ガスを燃焼させて
爆発的なジェット炎を発生させ、これにより溶射ができ
るようにしたものがあるが、２７００℃以上の温度を得
ることは困難でおのずから限界があった。

【０００３】さらに最近、大気汚染や酸性雨等により金
属製品の腐食現象が急増し、このため鉄骨その他の防錆
を行うため大型の大面積の溶射の出現が望まれていた。
マルチアークは従来のアーク溶射装置を越えて公害的産
業廃棄物の処理再生に卓効をあらわしているが、この原
理をプラズマ溶射に応用するようにすれば、安定、大型
でしかも従来の狭い領域の局所的な溶射を越えた多様な
溶射を可能にすることができる。

【０００４】以下、従来のプラズマ溶射装置の具体例と
して工業窯炉内張り補修用の溶射機について簡単に説明
する。従来の工業窯炉は耐火レンガ４２１の内面に耐火
物をしきつめるための溶射として、図１１(a) に示すよ
うに、溶射ガン４２３，あるいはプロパンガスバーナ
ー，重油バーナー等によりＳｉＯ₂ ，Ａｌ₂ Ｏ₃ ，Ｃａ
Ｏ等の混合物４２４を該耐火レンガ４２１の内面に溶射
し、ライニング膜４２２を形成していた。そしてこの炉
を図１１(b) に示すように、実際に金属４２５の溶解等
に使用したあとは、次回の使用のために再び耐火レンガ
４２１の内面に耐火物の溶射を行ってライニング膜４２
２を形成し、補修を行っていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述した溶
射装置の電源としては、通常単相交流が使用される。こ
の単相交流を得るため３相交流を単相交流に変換する装
置としては、スコット配線や３相低周波方式，インバー
ター方式等が知られているが、これらの場合大電流にな
ればなるほど３相不平衡が生じるという問題があり、ま
た電力効率が悪いという問題があった。

【０００６】すなわち、上述のスコット配線等は、回路
構成が複雑で電源装置としては装置全体が大型になり、
また３相の中の１相に２倍の過大電流が流れる等、安定
した電流を取り出し難く、特に電源装置としての信頼性
に問題があった。

【０００７】さらに最近採用されているインバーター方
式は、交流を整流した後、周波数を照明関係では１万以
上、溶接や溶射関係では数百サイクル〜１２００サイク
ルに上げ、これをトランスに入力し、その出力を再び整
流する方式であり、これはトランスを小型軽量にできる
が、甚だ高価であり効率も悪くまた故障も多いものであ
った。そこで小型軽量で効率のよい電源装置が要求され
ていた。

【０００８】また、従来の工業窯炉内張り補修用溶射機
は上述のような構成となっており、最近は溶射ガンによ
る補修効率を高めるためライニング材を易溶性にするこ
とが行われているが、これによって耐火性が劣化するた
めに高温での金属の溶融を行う実際の使用には支障があ
り、また溶融金属を不純にする等の問題があった。例え
ば、最近は形状記憶合金，超伝導材料等の高級材質の金
属が開発されているが、これらの高級材質、例えばＴ
ｉ，Ｎｂ等の金属を溶融するにはＣａＯが好ましいが、
このＣａＯをライニングに使おうとしても、今までの方
法ではこれを焼きしめすることはできなかった。即ち、
ＣａＯをライニングしてもＣａＯは昇華してしまう、即
ち湿気を吸ってぼろぼろになってしまうものであり、こ
のように、耐昇華性に劣るためライニングが困難である
という問題があった。

【０００９】この発明は上記のような点に鑑みてなされ
たもので、従来の狭い領域の溶射を越えた大面積にわた
る安定な溶射や多様な溶射が可能であり、しかも全く新
規な小型，軽量で効率のよい、直流電力を多相交流電力
に変換する電源装置を備え、バッテリー等の直流電源を
用いて溶射を効率よく行うことができるプラズマ溶射装
置を得ることを目的としている。

【００１０】またこの発明は、溶射作業を非常に容易，
確実に行うことができ、さらに全く新規な小型，軽量で
効率のよい、直流電力を多相交流電力に変換する電源装
置を備え、バッテリー等の直流電源を用いて耐火物の溶
射を効率よく行うことができる工業窯炉内張り補修用溶
射機を得ることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係るプラズマ溶
射装置は、直流電源の正及び負電圧に接続された正側及
び負側接点を有し、正側及び負側接点の開閉、あるいは
正側，負側接点間での切換が可能なスイッチ回路と，該
スイッチ回路に接続されリアクタンス成分を有するリア
クタンス回路とからなり，直流を交流に変換する複数の
変換部と、上記直流電源の正及び負電圧の中間電位に接
続されたニュートラル端子と、上記スイッチ回路の開閉
あるいは切換動作を所定の時間差でもって順次切り換え
制御する制御回路とを有し、上記変換部の出力端子とニ
ュートラル端子との間に多相交流を出力する電源装置を
具備するとともに、該ニュートラル端子に接続されたニ
ュートラル電極を有し、かつ該ニュートラル電極の周囲
に相互間でマルチアークを発生する、上記多相交流の相
数に対応する多数の電極を同一円周上に均等に配置して
なるマルチアーク電極群を１段または複数段有し、上記
複数の電極の各々を対応する相の変換部の出力端子に接
続したプラズマ溶射部とを具備したものである。

【００１２】この発明に係るプラズマ溶射装置は、上記
電源装置において、複数の変換部として第１〜第３の変
換部を設けるとともに、上記制御回路を、スイッチ回路
の一回の切換によって得られる出力波形の一周期の１／
３の位相差でもって各スイッチ回路を切換制御するよう
構成し、上記プラズマ溶射部において、３電極または６
電極からなるマルチアーク電極群を上下方向に複数段配
置し、各段のアーク電極の配置を上下の電極間でもアー
クを発生するようその上側あるいは下側の電極群のアー
ク電極の配置に対して少しずつずらしたものである。

【００１３】この発明に係るプラズマ溶射装置は、上記
電源装置において、リアクタンス回路を、リアクタンス
制御信号に基づいてそのリアクタンス成分が変化するよ
う構成するとともに、制御回路を、タイミング制御信号
に基づいて上記スイッチ回路での正側及び負側接点の開
閉動作、及び正側，負側接点間での切換動作のタイミン
グが変化するよう構成し、上記リアクタンス制御信号及
びタイミング制御信号の一方あるいはその両方により、
電源装置の出力波形の形状及び交流出力の周波数の一
方、あるいはこれらの両方を経時的に可変としたもので
ある。

【００１４】この発明にかかる工業窯炉内張り補修用溶
射機は、直流電源の正及び負電圧に接続された正側及び
負側接点を有し、正側及び負側接点の開閉，あるいは正
側，負側接点間での切換が可能なスイッチ回路と、リア
クタンス成分を有し該スイッチ回路に接続されたリアク
タンス回路とからなり、直流を交流に変換する複数の変
換部と、上記直流電源の正及び負電圧の中間電位に接続
されたニュートラル端子と、上記スイッチ回路の開閉あ
るいは切換動作を所定の時間差でもって順次切り換え制
御する制御回路とを有し、ニュートラル端子と各変換部
の出力端子との間に多相交流を出力する電源装置を具備
するとともに、上記電源装置の各相電圧を複数の電極の
各々に印加して各電極間に複数のアークを発生させると
ともに、非移行性プラズマアークを電極先端部より噴出
させる多相多電極マルチアーク発生装置と、内張りライ
ニングする材料を、上記非移行性プラズマアーク中に供
給する手段とを備え、内張りライニングする材料を非移
行性プラズマアークにより加熱融解して耐火物に照射し
溶射を行うようにしたものである。

【００１５】

【作用】この発明においては、直流電源の正又は負電圧
を断続的に、あるいは正，負電圧を切り換えて出力可能
なスイッチ回路及び該スイッチ回路に接続されたリアク
タンス回路からなる変換部と、上記スイッチ回路の制御
回路とを備え、多相交流を出力する電源装置を用いたか
ら、バッテリー等の直流電源を用いることができ、３相
不平衡やフリッカ現象を回避することができる。しか
も、電源装置においてトランスが不要となるため、装置
全体の小型，軽量化を図ることができる。

【００１６】また、電源装置においてスイッチ回路での
開閉あるいは切り換えタイミングや、リアクタンス回路
のリアクタンス成分を変更することにより、溶射材料の
材質に合わせて波形や周波数の異なる種々の多相交流出
力を得ることができる。

【００１７】また、プラズマ溶射にマルチアークの多電
極、例えば３電極又は６電極を用いた構成としたので、
大型のプラズマジェットを得ることができる。

【００１８】さらに、プラズマ溶射にマルチアークを利
用し、３電極または６電極からなるマルチアーク電極群
を複数段配置し、各段のアーク電極の配置を上下の電極
間でもアークを発生するようその上側あるいは下側の電
極群のアーク電極の配置に対して少しずつずらすように
したので、強力な回転磁界によるプラズマの回転噴流が
発生することとなり、強力なプラズマ溶射を行うことが
できる。

【００１９】またこの発明おいては、工業窯炉内張り補
修用溶射機において、上記構成の電源装置を用い、該電
源装置の各相電圧を複数の電極の各々に印加して各電極
間に複数のアークを発生させて非移行性プラズマアーク
を電極先端部より噴出させ、内張りライニングする材料
を、上記非移行性プラズマアーク中に供給して内張りラ
イニングする材料を非移行性プラズマアークにより加熱
融解して耐火物に照射し溶射を行うようにしたので、バ
ッテリー等の直流電源を用いることができ、３相不平衡
やフリッカ現象の回避や装置全体の小型，軽量化を図る
ことができるとともに、溶射作業を非常に容易，確実に
行うことができる。

【００２０】

【実施例】図１はこの発明の一実施例によるプラズマ溶
射装置の構成を示すブロック図である。図において、１
は直流電源、２ａ〜２ｃはそれぞれ直流電流を交流電流
に変換する第１〜第３の変換部で、それぞれスイッチ回
路２１ａ〜２１ｃと飽和リアクトル（リアクタンス回
路）２２ａ〜２２ｃとから構成されている。２４ａ〜２
４ｃ及び２５ａ〜２５ｃは上記各スイッチ回路２１ａ〜
２１ｃの正側及び負側接点で、それぞれ直流電源の正電
圧，負電圧に接続されている。６ａ〜６ｃは各変換部２
ａ〜２ｃの出力端子、７は上記直流電源１の正及び負電
圧の中間電位に接続されたニュートラル端子である。ま
た３１はスイッチ回路の一回の切換によって得られる出
力波形の一周期Ｔ₀ の１／３倍の位相差（１／３Ｔ₀ ）
でもって各スイッチ回路を切換制御する制御回路であ
る。また１００は直流電源１，変換部２ａ〜２ｃ及びス
イッチ制御回路３１よりなり、上記ニュートラル端子７
と各出力端子６ａ〜６ｃとの間に３相交流を出力する電
源装置であり、３００は該３相交流出力を受けてプラズ
マ溶射を行うプラズマ溶射部である。

【００２１】図２は上記プラズマ溶射部３００の具体的
な構造を示し、図２(a) ，図２(b)はそれぞれ溶射部３
００のノズル部分３００ａの縦断面図及び横断面図であ
る。図において、３０１はノズル部分３００ａの中心に
配置されたニュートラル電極、３０２ａはアルゴンガ
ス，窒素ガス，炭素ガス等を混合した作動ガス（第１ガ
ス）、３１４はニュートラル電極３０１を内蔵する先端
部が円錐形に近い円筒形状をしており、上記電極３０１
との間に空間Ａを形成する第１筒体で、上記動作ガス３
０２ａが該筒体内部から該空間Ａを通してその開口部３
１４ａに向けて供給されるようになっている。３１５は
この第１筒体３１５を内蔵する円錐形に近い円筒形状を
しており、上記筒体３１４との間に空間Ｂを形成する第
２筒体で、第２ガス３０２ｂが該筒体内部からこの空間
Ｂを通してその開口部３１５ａに供給されるようになっ
ており、またこの空間Ｂには第１のマルチアーク電極群
３０４が配置されている。また３１６はこの第２筒体３
１５を内蔵する円錐形に近い円筒形状をした第３筒体
で、これと上記筒体３１５との間の空間Ｃを通して内部
からその開口部３１６ａに、例えば金属製の棒，ワイヤ
ー，セラミックの棒、あるいはこれらの合成体、または
粉状体等の第１溶射材３１７ａ並びに第３ガス３０２ｃ
が供給されるようになっており、また上記空間Ｃには第
２のマルチアーク電極群３０５が配置されている。さら
に３０９は上記第３の筒体３１６を内蔵する円筒形状を
した第４筒体で、これは上記筒体３１６との間の空間Ｄ
を通して内部からその開口部３０９ａに、例えばＮｉ等
の第２溶射材３１７ｂ並びに第４ガス３０２ｄが供給さ
れるようになっており、この空間Ｄには第３のマルチア
ーク電極群３０６が配置されている。なお上記第４ガス
３０２ｄは空気でも可である。３２０は上記ノズル部分
３００ａから被溶射体３７０に向けて噴出するプラズマ
ジェットであり、３８０は上記被溶射体３７０の表面に
形成された溶射皮膜である。

【００２２】図３は上記プラズマ溶射装置のノズル部分
でのアーク電極の配置を示し、図において、４−１〜４
−６，５−１〜５−６，６−１〜６−６はそれぞれ上記
第１，第２，第３マルチアーク電極群３０４，３０５，
３０６を構成する第１〜第６のアーク電極で、これら各
群の６つのアーク電極は、その先端が同一円周上に位置
するよう配置されており、相互間でマルチアークを発生
するようになっている。ここで、各電極群の第１，第４
のアーク電極は上記電源装置１００の３相交流出力のう
ちａ相，つまり変換部２ａの出力端子６ａに、第２，第
５のアーク電極はｂ相，つまり変換部２ｂの出力端子６
ｂに、第３，第６のアーク電極はｃ相に，つまり変換部
２ｃの出力端子６ｃに接続接続されており、また上記ニ
ュートラル電極３０１は電源装置１００のニュートラル
端子７に接続されている。そして各電極群３０４，３０
５，３０６における６つのアーク電極は、上，下の電極
群の間では印加電圧が１相分ずれた電極同士が対向する
よう全体に位置をずらして配置し、上下の電極群同士間
でもアークがでて、しかも回転磁界が得られるようにし
てある。

【００２３】次に動作について説明する。上記制御回路
３１により上記各スイッチ回路２１ａ〜２１ｃを切換制
御すると、各変換部２ａ〜２ｃの出力端子６ａ〜６ｃと
ニュートラル端子７との間には所定周期の垂下特性を持
つ鋸歯状の電流が各々に誘導されて、図５(a) に示すよ
うな多相交流が出力され、上記ニュートラル電極３０１
と各電極群３０４〜３０６の第１のアーク電極４−１，
５−１，６−１〜第６アーク電極４−６，５−６，６−
６との間、及び各アーク電極相互間に、マルチアークが
発生し、マルチアーク溶射が行われることとなる。この
際、以下に述べる効果が得られる。

【００２４】 従来の３相／単相変換電源装置では、
得られる単相出力は正弦波であるが、本発明による電源
出力値には急峻に高電圧に立上り、これから垂下状に零
となる鋸歯状波が得られるため、アーク溶射時にアーク
が出やすくかつ安定したアークが得られる。すなわち、
本電源装置は本質的に垂下特性を持った電源となってお
り、溶射には極めて好都合である。

【００２５】 また制御回路を調整することにより、
出力電流の周波数を、商用周波数（５０，６０サイク
ル）の規制を受けることなく、例えば３００，４００，
６００サイクルというように自由に設定でき、最も効率
のよいアークを使用できる。また周波数の設定は、スイ
ッチ回路の動作タイミングを制御回路のつまみ調整で連
続的に変更できるよう構成すれば、任意の周波数の出力
を得ることができる。またこのように周波数を高くでき
るので、装置の小型，軽量化を大きく進めることができ
る。また構造が簡単で小型軽量となるので、製造コスト
も大幅に低減できる。またアークも高周波の方がアーク
の効率がよく、溶射装置の小型，軽量化につながる。

【００２６】 また、従来の装置では無負荷電圧が６
０Ｖ〜１００Ｖ必要であったが、本発明では十分低くす
ることができ、安全であるとともに取扱いも簡単で技術
の熟練を必要とせず、かつ自動化も容易である。

【００２７】 リアクタンス回路のインダクタンスＬ
の値を変えることにより、図５(b)に示すように垂下特
性の形を波形Ｘ〜Ｚのように変えることができ、ロボッ
ト等，コンピュータ操作により、アーク対象に応じて最
良の溶射条件を設定できる。例えばリアクタンス回路の
インダクタンス値Ｌの調整により鋸歯状波形を鋭くで
き、つまり初期の電圧が高く、その後急峻に電圧が降下
する垂下特性を出力電流に持たせることができることか
ら、通常の３相交流電源を用いた３相マルチアークより
アーク特性をよいものにできる効果もある。

【００２８】 また、小型軽量でかつアークが安定し
ているので、これを用いたプラズマ溶射装置全体を小
型，軽量化できる。

【００２９】またこのようなプラズマ溶射装置では、マ
ルチアーク電極群の６つのアーク電極間のマルチアーク
により、大きな断面積すなわち太いプラズマ流が得ら
れ、しかもこのような電極群を第１，第２，第３と三段
に設けて、上下の段間でもアークが発生するようにして
いるので、非常に強力なかつ広範囲なマルチアークとな
り、プラズマの領域（太さも含む）が大きく、溶融不良
がなく、良質の溶射を行うことができる。またプラズマ
流３２０は非常に太くかつ長いものとなるため、大型高
速の溶射が可能となり、またこのようにアークが強力で
あるので、難溶性のタングステンやアルミナ等の溶射を
も行うことができる。さらに、上記の混合の耐熱，耐磨
耗性の溶射ができ、合金溶射も可能となる。さらに、本
発明は多電極であり真中に大きく円形の開口３２１が開
いているので、ここに金属系，セラミック系，金属粉に
セラミックの入ったもの、複合の棒３２２等を挿入して
溶射を行うことができるという利点がある。

【００３０】また、各筒体間の空間から不活性ガスや空
気等のガスを噴射するようにしているので、強力なプラ
ズマ流により溶射を行うことができる。さらに各電極群
にその下側のものほどより高い直流電圧を印加するよう
にすれば、プラズマ流を一層強力にすることもできる。

【００３１】さらに、上記挿入棒３２２の真中を中空に
し、ここから不活性ガス，空気あるいはアセチレン等の
燃焼ガス３２３を強力噴射することにより爆発的ジェッ
ト炎を併用した溶射を行うこともできる。

【００３２】さらに、本発明はアークプラズマの量が大
きいので、誘導コイル等によって磁界を発生させ、発生
した電子やイオンを加速させ回転させる等によりエネル
ギーを増加させることもできる。

【００３３】さらに本発明のマルチアークプラズマは減
圧容器内での減圧プラズマ溶射に安定で良好な成果を生
むものであり、また本発明は水中での溶射にも卓効があ
るものである。

【００３４】さらに、上記アーク電極として金属製ワイ
ヤを用い、これをその消耗に応じて送り出し、その先端
が常に上記開口３２１近傍に位置するようにすれば、大
量溶射，肉盛の形成，またはワイヤの異種金属による合
金溶射，あるいは複合溶射を行うことも可能である。

【００３５】図４は上記実施例におけるニュートラル電
極のより具体的な構成例をいくつか示したものである。
図４(a) は難溶性金属からなるニュートラル電極３３２
を中心とし、これを囲むように６つのアーク電極３３１
ａを配置したもの、図４(b)は難溶性金属からなるニュ
ートラル電極３３２を中心とし、これを囲むように３つ
のアーク電極３３１ｂを配置したものである。また図４
(c) において、３３０は複数のワイヤーの束であり、各
ワイヤーに異種金属のものを用いることもできる。なお
この場合このワイヤーの束は丈夫なものでなければなら
ない。また図４(d) は金属のパイプ３３３の中央部に撚
り線３３４を入れたもの、図４(e) は金属のパイプ３３
３の中央部に難溶性のタングステン，アルミナの粉３３
５を入れたもの、図４(f) は金属のパイプ３３３の中央
部にセラミックの粉３３６を入れたもの、図４(g) は２
つの異種金属からなる２重構造のパイプ３３７の中心か
ら不活性ガス３３８を噴出するようにしたものであり、
いずれの場合においても金属製のパイプを溶かした後、
その中の撚り線，粉等をも溶かすことができるものであ
る。

【００３６】上記各ニュートラル電極の構成では以下の
ような効果がある。

【００３７】タングステンあるいは炭素棒、金属とセラ
ミック、その他非常に難溶性の物質を溶射するときに
は、３つのアーク電極３３１ｂ（図４(b) ）または６つ
のアーク電極３３１ａ（図４(a) ）の中央に上記難溶性
金属３３２を配置し、これにニュートラルを接続する。
すると全てのアーク電極３３１ａ又は３３１ｂとこのニ
ュートラルの難溶性金属３３２との間でアークが発生
し、外周のアーク電極３３１ａ又は３３１ｂ間のアーク
とあいまって非常に強力なアークが発生し、どのような
ものでも溶射を行うことができる。例えば大面積の炉内
壁面の保護や、大鉄橋の腐食防止に本溶射を利用するこ
ともできる。

【００３８】また、この難溶性溶接棒３３２の中央を中
空にし、この中空から不活性ガス，空気，セラミック，
燃焼ガス（水素，アセチレン等）等３３９を適当な圧力
で噴出させるようにすれば、今まで不可能であった難溶
性のもの、または大粒の粉状（例えば自然産の破鉄粒）
の溶射を簡便に且つ効率よくプラズマ溶射で行うことが
できる。

【００３９】ここで燃焼ガスの爆発力をさらに効果的に
溶射に利用するためには、燃焼ガスの噴射を電極内部側
よりむしろ電極先端側で行う方がよく、例えば、燃焼ガ
スについては第３及び第４筒体間の空間Ｄから供給する
のが好ましい。

【００４０】またこの中央のニュートラルの電極３３２
を溶融性にし、ワイヤー状の金属の束とする（図４(c)
）、あるいは金属のパイプ３３３の中に合金にしたい
金属製撚り線３３４を挿入（図４(d) ）しても溶射を行
うことができる。またこの金属性撚り線３３４に代え
て、セラミックの粉３３６（図４(f) ），タングステ
ン，アルミナの粉３３５等（図４(e) ）も使用可能であ
る。またパイプの中から不活性ガス３３８を噴出させる
（図４(g) ）こともできる。

【００４１】なお、電源装置の出力波形は上記実施例に
示したものに限られるものではなく、他の波形のもので
もよい。たとえば、上記リアクタンス回路を、リアクタ
ンス制御信号に基づいてそのリアクタンス成分が変化す
るよう構成するとともに、上記制御回路を、タイミング
制御信号に基づいて上記スイッチ回路での正側及び負側
接点の開閉動作、及び正側，負側接点間での切換動作の
タイミングが変化するよう構成すれば、上記リアクタン
ス制御信号及びタイミング制御信号の一方あるいはその
両方により、交流出力の波形及びその周波数の一方ある
いはこれらの両方を経時的に変化させることができ、例
えば１８０サイクルから６０サイクルまで経時的に変え
ることができる。

【００４２】また図６(a) ，(b) は上記第１の実施例に
おいて、スイッチ回路での切換動作を正側あるいは負側
接点の開閉動作に変更した例、図６(c) はさらに各電極
群におけるアーク電極の数及び配置についても変更した
例を示している。但しここでは、第１のマルチアーク電
極群３０４についてのみ示し、その他の第２，第３のマ
ルチアーク電極群３０５，３０６については上記第１の
電極群と同様であるため省略している。

【００４３】図６(a) の変形例では、上記第１実施例に
おいて、各スイッチ回路２１ａ〜２１ｃの動作を正側接
点２４ａ〜２４ｃの開閉動作のみとしている。この場合
図７ａに示すような波形の多相出力が得られ、１つの電
極群では、ニュートラル電極７１とアーク電極間，及び
隣接するアーク電極間に合計１２個のアークが発生し、
実際にはこのような電極群が３段あるため、その３倍の
３６個のアークに、上下の電極群間で発生するアークを
加えた複数のアークによってマルチアーク溶射を行うこ
とができる。

【００４４】また図６(b) は、各スイッチ回路２１ａ〜
２１ｃの動作を負側接点２５ａ〜２５ｃの開閉動作のみ
としたもので、この場合は、図７ｂに示す波形の溶射電
流により、上述の図６(a) の場合と同様なマルチアーク
溶射を行うことができる。

【００４５】さらに図６(c) に示す変形例では、各電極
群を、９つのアーク電極４−１〜４−９を順次同一の円
周上に等間隔で配置して構成し、アーク電極４−１，４
−４，４−７を第１の変換部２ａの出力端子６ａに、ア
ーク電極４−２，４−５，４−８を第２の変換部２ｂの
出力端子６ｂに、アーク電極４−３，４−６，４−９を
第３の変換部２ｃの出力端子６ｃに接続している。なお
ここではニュートラル電極を用いない。この場合１つの
電極群では、隣接するアーク電極間に合計９個のアーク
が発生し、実際にはこのような電極群が３段あるため、
その３倍の２７個のアークに、上下の電極群間で発生す
るアークを加えた複数のアークによってマルチアーク溶
射を行うことができる。

【００４６】なお、上記実施例あるいはその変形例で
は、プラズマ溶射部３００において６つあるいは９つの
アーク電極からなる電極群の３段構成とした例を説明し
たが、これは一段でもよく、図８(a) はこのような構成
のさらなる変形例によるプラズマ溶射装置を示す平面図
であり、図において、３４１は１つの電極群を構成する
６つのアーク電極、３４２はその中央のニュートラル電
極、３４３は上記両電極３４１，３４２を取り囲むその
外側のリング状の空間で、この部分から作動ガスまたは
燃焼ガスが噴射される。３４４はさらにその外側のリン
グ状の空間でここから空気等が噴射される。

【００４７】また図８(b) は上記実施例のその他の変形
例を示し、ここで３４１，３４２は図８(a) と同じもの
を示し、３４５はニュートラル電極３４２を囲む空間で
ここから第１の不活性ガスが噴射される。３４６はさら
にその外側の６つのアーク電極３４１を取り囲む空間で
ここから第２の不活性ガスが噴射される。

【００４８】この図８の変形例では６つの電極からなる
電極群は１段であるが、図８のように所定の隙間から種
々のガスを噴射させることが可能であり、燃焼性ガスを
噴射するとプラズマ炎とガスジェット流の両方の長所を
引き出すことができる。

【００４９】さらに図９(a) ，(b) は本発明の第２の実
施例によるプラズマ溶射装置を示し、図１及び図２と同
一符号は同一のものを示している。そしてここでは、図
１の構成において変換部として、２つの出力端子，つま
り正電圧出力端子６ａ〜６ｃ及び負電圧出力端子６ａ′
〜６ｃ′を有する変換部２０ａ〜２０ｃを設け、該各変
換部を、それぞれの出力端子から別々に上記図７(a) に
示す正側の鋸歯状波と図７(b) に示す負側の鋸歯状波と
が得られるよう構成している。

【００５０】すなわち、第１の変換部２０ａについて説
明すると、２１ａは第１の実施例と同一構成のスイッチ
回路、２４ａ，２５ａは該スイッチ回路２１ａの正側及
び負側接点、２３ａ，２３ａ′は互いに逆方向となるよ
う上記スイッチ回路に接続されたダイオード、２２ａ，
２２ａ′は各ダイオードに接続された飽和リアクトル
で、これらが上記変換部２０ａを構成している。なお、
第２，第３の変換部２０ｂ，２０ｃについても上記第１
の変換部２０ａと同一構成となっており、これらは正側
接点２４ｂ，２４ｃ，及び負側接点２５ｂ，２５ｃを有
するスイッチ２２ｂ，２２ｃ、ダイオード２３ｂ，２３
ｂ′，２３ｃ，２３ｃ′及び飽和リアクトル２２ｂ，２
２ｂ′，２２ｃ，２２ｃ′から構成されている。

【００５１】またここでは正側出力端子６ａ〜６ｃにア
ーク電極４−１，４−３，４−５を、負側出力６ａ′〜
６ｃ′にアーク電極４−４，４−６，４−２を接続して
いる（図９(b) 参照）。但しこの図では第１のマルチア
ーク電極群３０４を構成するアーク電極４−１〜４−６
のみ示し、第２，第３のマルチアーク電極群について
は、これと同様の構成であるため省略している。この場
合、上記第１の実施例に比べ、１つの電極群における隣
接するアーク電極間の最大電圧差が大きくなり、発生す
るアークがより強力なものとなる。

【００５２】また上記各実施例では、電源装置の直流電
源が１つの場合を示しているが、例えば３相交流を出力
するものでは各相に対応して直流電源を３つ設けてもよ
い。

【００５３】また上記説明ではリアクタンス回路として
飽和リアクトルを示したが、これは飽和リアクトルとコ
ンデンサを組み合わせたＬＣ回路でもよく、この場合垂
下特性をよりシャープなものとできる。

【００５４】なお、マルチアークを用いたプラズマ溶射
は、上記第１，第２の実施例で示したプラズマ溶射装置
だけでなく、例えば、工業窯炉内張り補修用溶射機にも
適応することができる。以下本発明の第３の実施例とし
て工業窯炉内張り補修用溶射機について図１０を用いて
説明する。

【００５５】図１０は工業窯炉内張り補修用溶射機の全
体構成を示し、図において、４００は上記溶射機で、電
源装置１００と、多電極プラズマアーク発生装置４０８
ａを有する溶射部４０８とから構成されている。上記多
相多電極プラズマアーク発生装置４０８ａは６本の黒鉛
電極４０１，４０２，４０３，４０１Ａ，４０２Ａ，４
０３Ａを有しており、これらの６本の上記電極は逆円錐
形状を形成するよう、かつ、電極先端部４０９で収束す
るよう、上方から見て等角度（６０°間隔）で放射状に
並んでいる。各電極は電極送り機構（図示省略）によっ
て進退自在となっており、電極の消耗に対して調整され
る。ここで該電源装置１００は上記第１実施例のものと
同一構成となっている。そしてここでは該電源装置１０
０の出力端子６ａ〜６ｃには、各相出力の位相を制御し
てアークの強さ加減を調整する位相調整装置４０６ａ〜
４０６ｃが接続されており、上記黒鉛電極４０１，４０
１Ａは位相調整装置４０６ａを介して出力端子６ａに、
黒鉛電極４０２，４０２Ａは上記位相調整装置４０６ｂ
を介して出力端子６ｂに、上記黒鉛電極４０３，４０３
Ａは上記位相調整装置４０６ｃを介して出力端子６ｃに
接続されている。

【００５６】また、４１０は６本の黒鉛電極４０１，４
０２，４０３，４０１Ａ，４０２Ａ，４０３Ａ間で複数
のアークが得られると同時に、電極先端部４０９で下方
に向けて噴出するように得られる、非移行性プラズマア
ーク、４１２は該プラズマアーク中の、ＳｉＯ₂ ，Ａｌ
₂ Ｏ₃ ，ＣａＯの混合物である被溶射材、４１３は該マ
ルチアーク中に被溶射材４１２を供給する装入口であ
り、装入口４１３に装入された被溶射材４１２は、基底
にある定量供給装置４１４によって装入とい４１５から
送入管４１６を通過してアーク先端部４０９の中心に上
方から供給される。４２１はライニングをしようとする
工業窯炉を構成する耐火レンガ、４２２はこの耐火レン
ガ４２１に内張ランニングされたＳｉＯ₂ ，Ａｌ
₂ Ｏ₃ ，ＣａＯの混合物からなるランニング膜である。

【００５７】ここで、本多相多電極プラズマアーク発生
装置により発生されるマルチアークは、以下の特色を有
するものである。

【００５８】 大気中，液体中，真空中を問わずマイ
ナス電子イオンを帯びた超高温のアークが発生する。

【００５９】 スイッチＯＮと同時に４０００℃以上
の熱源を得られるため、高融点物質でも溶融，溶解でき
る。

【００６０】 電極の先端に回転磁界が発生するた
め、被照射物に対する電気的撹拌作用が期待できる。

【００６１】 ３の倍数で相数，電極数を増やすこと
が可能で電極径を太くするとともに、負荷電流を増大し
て大容量の物質でも短時間で処理できる。

【００６２】 ３相、６相等の多相交流を用いてお
り、各相の合計電流は常に０となり、アース線が不要の
為、アークは相手電極等の対極を必要としない非移行性
のものとなり、従って金属以外の物質でも、これを相手
電極とする必要がないため、電導性を有しない耐火物を
直接加熱，焼結，溶融させることができる。例えば、本
マルチアークは、廃棄乾電池等の一般の産業廃棄物や放
射能含有物の燃焼処理に利用したり、一方ではビル等の
解体時、絶縁性のコンクリートや石材を切断する作業に
利用したりでき、多様な利用法がある。

【００６３】 複数の電極の中心部にニュートラル電
極を設けることにより、さらに強力なプラズマアークが
発生する。

【００６４】 上記ニュートラル電極を設けるかわり
に、この中心部から溶剤またはガス等を放出することが
できる。

【００６５】次に動作について説明する。電源装置１０
０から３相交流を、電極４０１，４０１Ａ、電極４０
２，４０２Ａ、電極４０３，４０３Ａにそれぞれ供給す
る。この際、上記電源装置１００の各相出力はそのまま
上記各電極に印加した方がよいが、アークの強さを調整
したいとき等は上記各位相調整装置により該各相出力の
位相制御を若干行う。上記各電極に３相交流が印加され
ると、該６つの電極相互間に複数のアーク、即ちマルチ
アークが発生するとともに、これらの電極先端部４０９
より非移行性プラズマアーク４１０が噴射される。この
プラズマアークの発生する多数電極の収束する中心部に
被溶射材を供給するため、装入口４１３から被溶射材４
１２を供給すると、該被溶射材４１２は基底にある定量
供給装置４１４によって装入とい４１５から送入管４１
６を通過してアーク先端部４０９の中心に上方から供給
され、非移行性プラズマアーク４１０の最高温熱流によ
り超高温で加熱溶融され、かつ耐火レンガ４２１の内面
にむけて噴射される。その結果、耐火レンガ４２１の内
面にライニング膜４２２が形成される。そしてこのマル
チアークによる溶射機によればＣａＯ等をわずか数分間
でもって溶融固着させることができるだけでなく、極め
て耐熱性，断熱性がよく、しかも急熱，急冷に強い性能
を持った内張りライニングができるものである。

【００６６】このように本実施例では、第１実施例の電
源装置と同一構成の電源装置を用いたので、上述の第１
実施例の〜の効果が得られるとともに、耐火物の内
張りライニングするために溶射を行う際、多相多電極マ
ルチアーク発生手段を用いて溶射を行うようにしたの
で、溶射作業を非常に容易，確実に行うことができる。

【００６７】なお、耐火レンガ４２１の内面全面にライ
ニング膜４２２を形成するには、マルチアーク電極を移
動させながら溶射を行えばよく、あるいは炉によっては
マルチアーク電極を固定し、炉を回動移動させるように
してもよく、いずれも数分ないし数十分間程度で溶射作
業を完了することができるものである。

【００６８】また上記説明では、３相交流を用いてプラ
ズマ溶射を行う装置を示したが、回転磁界が不要でアー
ク炎のみを用いて溶射を行う場合は、直流や単相交流を
用いてもよい。例えば単相交流電源としては、３相交流
の供給を各相ごとに点弧制御する位相制御回路と、３相
の１次コイルと単相の２次側とを単相鉄芯に巻回してな
り、１次コイルが上記位相制御回路を介して３相交流電
源に接続された変圧器とを有し、単相交流を出力する電
源装置（特願平２−150585号）等を用いることができ
る。

【００６９】

【発明の効果】以上のように本発明に係るプラズマ溶射
装置によれば、直流電源の正又は負電圧を断続的に、あ
るいは正，負電圧を切り換えて出力可能なスイッチ回路
及び該スイッチ回路に接続されたリアクタンス回路から
なる変換部と、上記スイッチ回路の制御回路とを備え、
多相交流を出力する電源装置を用いたので、バッテリー
等の直流電源を用いることができ、３相不平衡やフリッ
カ現象を回避することができる。しかも、電源装置にお
いてトランスが不要となるため、装置全体の小型，軽量
化を図ることができる効果がある。

【００７０】また、電源装置においてスイッチ回路での
開閉あるいは切り換えのタイミングの変更、リアクタン
ス回路のリアクタンス成分の変更により、材質に合わせ
て波形や周波数の異なる種々の多相交流出力を得ること
ができる効果がある。

【００７１】また、プラズマ溶射にマルチアークの多電
極、例えば３つ又は６つのアーク電極を用いた構成とし
たので、大型のプラズマジェットを得ることができる効
果がある。

【００７２】さらに、プラズマ溶射にマルチアークを利
用し、３つまたは６つのアーク電極からなるマルチアー
ク電極群を複数段配置し、各段のアーク電極の配置を上
下の電極群間でもアークが発生するようその上側あるい
は下側の電極群のアーク電極の配置に対して少しずつず
らすようにしたので、強力な回転磁界によるプラズマの
回転噴流が発生することとなり、強力なプラズマ溶射を
行うことができる効果がある。

【００７３】またこの発明にかかる工業窯炉内張り補修
用溶射機によれば、上記構成の電源装置を用い、該電源
装置の各相電圧を複数の電極の各々に印加して各電極間
に複数のアークを発生させて非移行性プラズマアークを
電極先端部より噴出させ、内張りライニングする材料
を、上記非移行性プラズマアーク中に供給して内張りラ
イニングする材料を非移行性プラズマアークにより加熱
融解して耐火物に照射し溶射を行うようにしたので、バ
ッテリー等の直流電源を用いることができ、３相不平衡
やフリッカ現象の回避や装置全体の小型，軽量化を図る
ことができるとともに、溶射作業を非常に容易，確実に
行うことができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例によるプラズマ溶射装置の
全体構成を示す図である。

【図２】上記プラズマ溶射装置のプラズマ溶射部の具体
的な構成を示す断面図である。

【図３】上記プラズマ溶射部における３段の多電極群に
おけるアーク電極の配置を示す図である。

【図４】上記プラズマ溶射部におけるニュートラル電極
の具体的な構成を示す図である。

【図５】上記プラズマ溶射装置の電源装置の出力波形を
説明するための図である。

【図６】上記プラズマ溶射装置のプラズマ溶射部におけ
るアーク電極の数及び配置等を変更した変形例を示す図
である。

【図７】上記変形例における出力波形を示す図である。

【図８】上記プラズマ溶射装置のプラズマ溶射部におい
て、多電極群を１段構成としたその他の変形例を示す図
である。

【図９】この発明の第２の実施例によるプラズマ溶射装
置の全体構成及び多電極の配置を示す図である。

【図１０】この発明の第３の実施例による工業窯炉内張
り補修用溶射機を示す図である。

【図１１】従来の工業窯炉内張り補修用の溶射方法を示
す図である。

【符号の説明】

１ 直流電源 ２ａ〜２ｃ 変換部 ４ａ〜４ｃ アーク電極 ６ａ〜６ｃ 出力端子 ７ ニュートラル端子 ２１ａ〜２１ｃ スイッチ回路 ２２ａ〜２２ｃ 飽和リアクトル ３１ スイッチ制御回路 １００ 電源装置 ３００，３００′ 溶射部

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多相交流を出力する電源装置と、該電源
   出力を受けプラズマ溶射を行うプラズマ溶射部とを有す
   るプラズマ溶射装置において、上記電源装置は、直流電
   源の正及び負電圧に接続された正側及び負側接点を有
   し、正側及び負側接点の開閉、あるいは正側，負側接点
   間での切換が可能なスイッチ回路と、リアクタンス成分
   を有し該スイッチ回路に接続されたリアクタンス回路と
   からなり、直流を交流に変換する複数の変換部と、上記
   直流電源の正及び負電圧の中間電位に接続されたニュー
   トラル端子と、上記各変換部のスイッチ回路の開閉ある
   いは切換動作を所定の時間差でもって順次切換制御する
   制御回路とを備え、ニュートラル端子と各変換部の出力
   端子との間に多相交流を出力するものであり、上記プラ
   ズマ溶射部は、上記ニュートラル端子に接続されたニュ
   ートラル電極を有するとともに、該ニュートラル電極の
   周囲に相互間でマルチアークを発生する、上記多相交流
   の相数に対応する多数のアーク電極を同一円周上に均等
   に配置してなるマルチアーク電極群を１段または複数段
   有し、上記多数のアーク電極の各々を対応する相の変換
   部の出力端子に接続したものであることを特徴とするプ
   ラズマ溶射装置。
2. 【請求項２】 上記電源装置は第１〜第３の変換部を有
   し、上記制御回路を、スイッチ回路の一回の切換によっ
   て得られる出力波形の一周期の１／３の位相差でもって
   各スイッチ回路を切換制御するよう構成したものであ
   り、上記プラズマ溶射部は、３つまたは６つのアーク電
   極からなるマルチアーク電極群を上下方向に複数段配置
   し、各段のアーク電極の配置を上下の電極群間でもアー
   クが発生するようその上側あるいは下側の電極群のアー
   ク電極の配置に対して少しずつずらしたものであること
   を特徴とする請求項１記載のプラズマ溶射装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載のプラズマ溶射装置におい
   て、上記電源装置は、上記リアクタンス回路を、リアク
   タンス制御信号に基づいてそのリアクタンス成分が変化
   するよう構成するとともに、上記制御回路を、タイミン
   グ制御信号に基づいて上記スイッチ回路での正側及び負
   側接点の開閉動作、及び正側，負側接点間での切換動作
   のタイミングが変化するよう構成し、上記リアクタンス
   制御信号及びタイミング制御信号の一方あるいはその両
   方により、出力波形の形状及び交流出力の周波数の一
   方、あるいはこれらの両方を経時的に可変としたもので
   あることを特徴とするプラズマ溶射装置。
4. 【請求項４】 多相交流を出力する電源装置と、該電源
   出力を受け、耐火物の内張りライニングをするために溶
   射を行う溶射部とを有する工業窯炉内張り補修用溶射機
   において、上記電源装置は、直流電源の正及び負電圧に
   接続された正側及び負側接点を有し、正側及び負側接点
   の開閉、あるいは正側，負側接点間での切換が可能なス
   イッチ回路と、リアクタンス成分を有し該スイッチ回路
   に接続されたリアクタンス回路とからなり、直流を交流
   に変換する複数の変換部と、上記直流電源の正及び負電
   圧の中間電位に接続されたニュートラル端子と、上記各
   変換部のスイッチ回路を所定の時間差でもって順次切換
   制御する制御回路とを備え、ニュートラル端子と各変換
   部の出力端子との間に多相交流を出力するものであり、
   上記溶射部は、上記電源装置の各相電圧を複数の電極の
   各々に印加して各電極間に複数のアークを発生させると
   ともに、非移行性プラズアークを電極先端部より噴出さ
   せる多相多電極マルチアーク発生装置と、内張りライニ
   ングする材料を、上記非移行性プラズマアーク中に供給
   する手段とを備え、内張りライニングする材料を非移行
   性プラズマアークにより加熱融解して耐火物に照射し溶
   射を行うものであることを特徴とする工業窯炉内張り補
   修用溶射機。