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TWI869751B - 電漿炬，電漿噴塗裝置，及電漿炬的控制方法 - Google Patents

電漿炬，電漿噴塗裝置，及電漿炬的控制方法 Download PDF

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TWI869751B
TWI869751B TW111150301A TW111150301A TWI869751B TW I869751 B TWI869751 B TW I869751B TW 111150301 A TW111150301 A TW 111150301A TW 111150301 A TW111150301 A TW 111150301A TW I869751 B TWI869751 B TW I869751B
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plasma
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plasma torch
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木村丈廣
木村壮
田中悠太
野瀬充史
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日商金星股份有限公司
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Abstract

按照本發明之電漿炬，係使產生的電漿(P)一面沿著中心軸(T)旋轉一面朝軸方向噴出，且藉由電漿(P)使噴塗材料的粉體熔融而從前方的噴嘴口放出至外部。為了使電漿(P)生成而在陰極(36)的第1放電面(39)與第2電極(41)的第2放電面(49)之間流通的電流的向量，和藉由第1磁鐵(37)、第2磁鐵(42)、前述第3磁鐵(M3)及第4磁鐵(M4)而被合成的磁場的磁通量的向量正交。

Description

電漿炬，電漿噴塗裝置，及電漿炬的控制方法
本發明有關電漿炬(plasma torch)，電漿噴塗(plasma blasting)裝置，及電漿炬的控制方法。
作為在基材表面形成賦予耐熱性、耐蝕性、耐磨耗性等的皮膜之方法，電漿噴塗等已逐漸實用化。電漿噴塗是藉由以電漿炬肇生的電漿電弧的輻射熱，使金屬、合金、無機材料或陶瓷等的噴塗材料的粉體熔融，再將其噴吹至金屬基板等的對象物的表面，藉此在對象物的表面作成皮膜。
電漿炬例如具備：環形陰極；及陽極，與該環形陰極之間相隔放電空間而圍繞地配設；及複數個磁鐵，在放電空間形成在包含中心軸的面內交叉的磁通量。
此電漿炬中，一面對環形陰極的周圍供給電漿產生用氣體，一面對電漿炬內的電極間施加電壓，藉此在電極間使其放電而產生柱狀的電漿電弧，使產生的電漿電弧藉由複數個磁鐵而於電漿炬的周方向高速旋轉，使得電漿噴流(plasma jet)產生。
這裡，例如是設計成在此電漿噴流中，以氣 體為媒介而從環形陰極的中空沿著放電空間的近乎中心軸供給噴塗材料的粉體，藉由產生的電漿電弧使噴塗材料熔融並且噴吹至對象物的表面(例如參照專利文獻1、2)。
如上述專利文獻1、2記載般，在單純僅使電漿電弧旋轉的電漿炬中，若對電漿噴流中供給電漿產生用氣體，則從環形陰極的中心部的噴塗材料供給口投入的噴塗材料的粉體會受到迴旋的電漿產生用氣體的氣體流的影響而脫離放電空間的中心軸，熔融的噴塗材料可能會附著於陽極的內面(放電面)。特別是，依噴塗材料的粉體的比重或粒徑等噴塗材料的性質而定，熔融的噴塗材料會受到迴旋的氣體流的影響而更容易附著於陽極的放電面。此外，這樣的習知的電漿炬中，噴塗材料的熔融效率低，噴塗材料可能未被充分利用於皮膜的形成。另，所謂熔融效率，指熔融的噴塗材料從電漿炬放出的比例。
因此，為了謀求利用電漿對基材表面更有效率地形成由種種噴塗材料所成的皮膜，冀望有一種電漿炬，能夠穩定地使噴塗材料的熔融效率提升同時抑制電極的消耗。
鑑此，有人提出例如如專利文獻3記載般的電漿炬。此專利文獻3記載的電漿炬中，用來使電漿產生的電極與磁鐵的配置中，決定放電的極點的旋轉方向與力的大小之電流，並未和磁場的磁通量的向量正交。因此，該電流與磁場的磁通量之向量積變得不穩定，會有極點的旋轉方向反轉、或者極點不旋轉而極點固定而熱集中之問 題。
甚者，上述專利文獻3記載的電漿炬中，當該電流與磁場的磁通量的向量積不穩定的情形下，對放電空間供給噴塗材料的噴塗材料導入管(注入器)會瞬間地成為放電的通路，而有放電電流流入該噴塗材料導入管而噴塗材料導入管熔融之問題。
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本特開平8-319552號公報
專利文獻2：日本特開2011-071081號公報
專利文獻3：日本特許第5799153號公報
本發明有鑑於上述的問題而創作，目的在於提供一種電漿炬，電漿噴塗裝置，及電漿炬的控制方法，能夠維持用來生成電漿的電流與磁場的磁通量之向量積的正交而使放電的極點的旋轉穩定化，並且抑制噴塗材料導入管的消耗。
為解決上述問題，按照本發明之電漿炬， 係使產生的電漿一面沿著中心軸旋轉一面朝軸方向噴出，且藉由前述電漿使噴塗材料的粉體熔融而從前方的噴嘴口放出至外部，該電漿炬，其特徵為，具備：第1電極，形成為圓筒狀，在中央具有朝前述軸方向延伸的第1貫通孔，且具有在前述第1貫通孔的前方側的端部的周圍連續性地形成的第1放電面；第2電極，位於前述第1電極的前方側，形成為圓筒狀，在中央具有朝前述軸方向延伸的第2貫通孔，且以和前述第1電極的前述第1放電面相向之方式具有在前述第2貫通孔的後方側的端部的周圍連續性地形成的第2放電面；第1磁鐵，設於前述第1電極的和前述第1放電面相反的後方側；第2磁鐵，設於前述第2電極的外周；第3磁鐵，設於前述第2電極的和前述第2放電面相反的前方側；第4磁鐵，設於前述第1電極的外周，於前述軸方向和前述第2磁鐵相向；噴塗材料導入管，設置成可沿著前述中心軸在前述第1貫通孔滑動，對形成於前述第1電極與前述第2電極之間的放電空間從供給口供給噴塗材料的粉體；及電漿產生用氣體供給通路，對前述放電空間從前述第1電極的外周側供給電漿產生用氣體；為了使前述電漿生成而在前述第1電極的前述第1放電 面與前述第2電極的前述第2放電面之間流通的電流的向量，係和藉由前述第1磁鐵、前述第2磁鐵、前述第3磁鐵及前述第4磁鐵而被合成的磁場的磁通量的向量正交。
前述電漿炬，其中，前述第1電極，對於通過前述第1電極與前述第2電極之間且垂直於前述中心軸的平面而言，係和前述第2電極鏡像地配置，並且前述第1電極的前述第1放電面，對於前述平面而言係位於和前述第2電極的前述第2放電面為鏡像處。
前述電漿炬，其中，前述第1磁鐵對於前述平面而言係和前述第3磁鐵鏡像地配置，並且前述第1磁鐵的磁場的磁通量的向量對於前述平面而言係位於和前述第3磁鐵的磁場的磁通量的向量為鏡像處。
前述電漿炬，其中，前述第2磁鐵對於前述平面而言係和前述第4磁鐵鏡像地配置，並且前述第2磁鐵的磁場的磁通量的向量對於前述平面而言係和前述第4磁鐵的磁場的磁通量的向量呈鏡像。
前述電漿炬，其中，前述第1磁鐵，配置在前述第1電極的內部且在前述第1貫通孔與外周之間的區域，前述第3磁鐵，配置在前述第2電極的內部且在前述第2貫通孔與外周之間的區域。
前述電漿炬，其中，前述第4磁鐵以圍繞前述第1電極的前方側的端部的周圍之方式連續性地形成，前述第2磁鐵以圍繞前述第2電極的後方側的端部的周圍之方式連續性地形成。
前述電漿炬，其中，前述第1磁鐵具有圓筒狀，具有以前述中心軸為中心而朝前述軸方向延伸的貫通孔，前述第2磁鐵具有圓筒狀，具有以前述中心軸為中心而朝前述軸方向延伸的貫通孔，前述第3磁鐵具有圓筒狀，具有以前述中心軸為中心而朝前述軸方向延伸的貫通孔，前述第4磁鐵具有圓筒狀，具有以前述中心軸為中心而朝前述軸方向延伸的貫通孔。
前述電漿炬，其中，前述第1電極的前述第1放電面及前述第2電極的前述第2放電面係傾斜，使得前述第1電極的前述第1放電面與前述第2電極的前述第2放電面之間的間隙朝向前述中心軸擴張。
前述電漿炬，其中，相對於垂直於前述中心軸的前述平面之前述第1放電面的斜率的大小，和相對於前述平面之前述第2放電面的斜率的大小相同。
前述電漿炬，其中，前述電漿產生用氣體供給通路，從前述第4磁鐵與前 述第1電極的外周之間，朝向前述第1電極的前述第1放電面與前述第2電極的前述第2放電面之間供給前述電漿產生用氣體。
如請求項1至10中任一項記載之電漿炬，其中，更具備：鞘氣體供給通路，從前述噴塗材料導入管的前述供給口的周圍朝向前述放電空間從鞘氣體供給口供給鞘氣體。
前述電漿炬，其中，前述鞘氣體供給通路的前述鞘氣體供給口，在前述噴塗材料導入管的前述供給口的周圍以等間隔設置複數個。
前述電漿炬，其中，前述鞘氣體，和前述電漿產生用氣體為相同氣體，或和前述電漿產生用氣體45為不同氣體。
前述電漿炬，其中，前述鞘氣體為從包含稀有氣體元素、氮及氫的群中選擇的包含1種以上的氣體。
前述電漿炬，其中，前述噴塗材料導入管的前述供給口的位置，根據前述噴塗材料的種類而被調整。
前述電漿炬，其中，前述噴塗材料導入管的前述供給口的位置，被調整成位於前述放電空間內。
為解決上述問題，按照本發明之電漿噴塗裝 置，其特徵為，具備：前述電漿炬；及電源，對前述第1電極與前述第2電極之間賦予電壓；及噴塗材料搬送部，將前述噴塗材料搬送至前述噴塗材料導入管。
為解決上述問題，按照本發明之電漿炬的控制方法，其特徵為，使用前述電漿炬，使前述噴塗材料導入管於前述軸方向滑動，根據前述噴塗材料的種類調整前述噴塗材料導入管的供給口的位置，使前述噴塗材料的粉體熔融。
按照本發明，能夠維持用來生成電漿的電流與磁場的磁通量之向量積的正交而使放電的極點的旋轉穩定化，並且抑制噴塗材料導入管的消耗。
10:電漿噴塗裝置
11:電漿炬
12:直流電源
13:噴塗材料搬送裝置(噴塗材料搬送部)
21:炬本體
S:放電空間
[圖1]圖1為示意按照本發明的實施方式之電漿炬的構成的圖。
[圖2]圖2為圖1所示電漿炬的區域Q的部分放大圖。
[圖3]圖3為示意圖1所示第1磁鐵的形狀的圖。
[圖4]圖4為示意電漿噴流的溫度分布的一例的圖。
[圖5]圖5為示意圖1所示電漿炬11的使電漿產生的狀態的說明圖。
[圖6]圖6為示意圖1所示電漿炬11的磁通量的狀態的說明圖。
[圖7A]圖7A為示意正極性的電極配置的一例的圖。
[圖7B]圖7B為示意逆極性的電極配置的一例的圖。
以下，基於圖面詳細說明用來實施本發明之方式(以下稱實施方式)。本實施方式中，說明電漿炬被運用於電漿噴塗裝置的情形。另，本發明不受下記實施方式所限定。亦即，本發明之電漿炬，用途可廣泛運用於噴塗、熔解、氣體加熱等。此外，下記實施方式中的構成要素，包含所屬技術領域者能夠輕易思及之物及實質上同一之物。又，下記實施方式中揭示的構成要素可適宜組合。
<電漿噴塗裝置>
說明運用了按照本發明的實施方式之電漿炬的電漿噴塗裝置。
圖1為示意按照本發明的實施方式之電漿炬的構成的圖。此外，圖2為圖1所示電漿炬的區域Q的部分放大圖。此外，圖3為示意圖1所示第1磁鐵的形狀的圖。此外，圖4為示意電漿噴流的溫度分布的一例的圖。此外，圖5為示意圖1所示電漿炬11的使電漿產生的狀態的說 明圖。此外，圖6為示意圖1所示電漿炬11的磁通量的狀態的說明圖。
例如，如圖1、2所示，按照本實施方式之電漿噴塗裝置10，具有電漿炬11、電源12、噴塗材料搬送裝置(噴塗材料搬送部)13。
[電漿炬]
電漿炬11，具備炬本體21、陰極區塊22、絕緣部23、陽極區塊24、噴塗材料導入管25、電漿產生用氣體供給通路26、冷卻水供給通路27-1~27-3、鞘氣體供給通路101。另，炬本體21與陰極區塊22之間被電性且熱性絕緣。
另，本實施方式中，將在陰極區塊22及陽極區塊24分別使用的電極的圓筒形的中心軸的方向訂為「軸方向」，將電極的圓筒形的徑的方向訂為「徑方向」。
又，電漿炬11例如如圖1、圖2、圖5、圖6所示，是設計成使產生的電漿P一面沿著中心軸T旋轉一面朝軸方向噴出，且藉由電漿P使噴塗材料的粉體熔融而從前方的噴嘴口21-a放出至外部。
炬本體21形成為圓筒形。炬本體21具備：外筒31，在其先端(圖1所示左端)設有噴嘴口21a；及內筒32，設於外筒31內。炬本體21是利用熱傳導、電傳導良好的銅合金等而形成。在炬本體21與陽極區塊24之間亦可設置絕緣層。炬本體21其一方的端部被蓋33覆蓋。
內筒32，在其內部具備電漿產生用氣體供給 通路26、冷卻水供給通路27-1~27-3。
例如如圖1、圖2所示，陰極區塊22具有陰極(第1電極)36、第1磁鐵37、第4磁鐵M4。
又，陰極36例如如圖1、圖2所示，形成為圓筒狀，在中央具有朝軸方向延伸的第1貫通孔K1。又，此陰極36具有在第1貫通孔K1的前方側的端部的周圍連續性地形成的第1放電面39。
此外，第1磁鐵37例如如圖1、圖2所示，設於比陰極36還後方。亦即，第1磁鐵37例如如圖1、圖2所示，設於陰極36的和第1放電面39相反的後方側。特別是，第1磁鐵37配置在陰極36的內部且在第1貫通孔K1與外周之間的區域，藉由周圍的冷卻水路的冷卻水受到冷卻以免第1磁鐵M1超過居禮點溫度。
此第1磁鐵37，在圖1、圖2例子中具有圓筒狀，其具有以中心軸T為中心而朝軸方向延伸的貫通孔。
這裡，第1磁鐵37例如如圖3所示，在中央具有貫通孔，形成為圓筒狀(環形狀)。另，圖3中，是沿著第1磁鐵37的中心軸而將一方訂為N極，另一方訂為S極(將圖3中的上方向訂為N極，下方向訂為S極)，惟亦可將一方訂為S極，另一方訂為N極。
此外，第4磁鐵M4例如如圖1、圖2所示，設於陰極36的外周，配置成於軸方向和第2磁鐵42相向。特別是，第4磁鐵M4以圍繞陰極36的先端部的周圍之方式連續性地形成。又，此第4磁鐵M4亦可設計成以圓筒狀(環形 狀)配置複數個。另，本實施方式中，第4磁鐵M4是於徑方向設有1列，惟能夠適宜訂為任意的數量。
另，第4磁鐵M4如同第1磁鐵37般，亦可形成為圓筒狀。在此情形下，第4磁鐵M4具有圓筒狀，其具有以中心軸T為中心而朝軸方向延伸的貫通孔。
此外，絕緣部23設於噴塗材料導入管25的外周。作為絕緣部23，使用具有耐熱性的絕緣材料。
此外，陽極區塊24具有陽極(第2電極)41、第2磁鐵42、第3磁鐵M3。
又，陽極41例如如圖1、圖2所示，設於炬本體21的內周壁，形成為圓筒狀而在中央具有朝軸方向延伸的第2貫通孔K2，位於陰極36的前方側。又，此陽極41具有在第2貫通孔K2的後方側的端部的周圍連續性地形成的第2放電面49，其和陰極36的第1放電面39相向。
此外，第2磁鐵42例如如圖1、圖2所示，設於陽極41的外周。特別是，第2磁鐵42以圍繞陽極41的先端部的周圍之方式連續性地形成。又，此第2磁鐵42亦可設計成以圓筒狀(環形狀)配置複數個。另，本實施方式中，第2磁鐵42是於徑方向設有1列，惟能夠適宜訂為任意的數量。
另，第2磁鐵42如同第1磁鐵37般，亦可形成為圓筒狀。在此情形下，此第2磁鐵42具有圓筒狀，其具有以中心軸T為中心而朝軸方向延伸的貫通孔。
另，圖1、圖2例子中，此第2磁鐵42及第4磁 鐵M4的圓筒狀的內徑為相同。
此外，第3磁鐵M3例如如圖1、圖2所示，設於陽極41的和第2放電面49相反的前方側。特別是，此第3磁鐵M3配置在陽極41的內部且在第2貫通孔K2與外周之間的區域，藉由周圍的冷卻水路的冷卻水受到冷卻以免第3磁鐵M3超過居禮點溫度。
另，第3磁鐵M3如同第1磁鐵37般，亦可形成為圓筒狀。在此情形下，第3磁鐵M3具有圓筒狀，其具有以中心軸T為中心而朝軸方向延伸的貫通孔。
另，圖1、圖2例子中，此圓筒狀的第3磁鐵M3及第1磁鐵37的內徑為相同。
這裡，例如如圖1、圖2、圖6所示，上述的陰極36，對於通過陰極36與陽極41之間且垂直於中心軸T的平面R而言，係和陽極41鏡像地(面對稱地)配置。又，如圖2所示，陰極36的第1放電面39，對於平面R而言係位於和陽極41的第2放電面49鏡像處(面對稱處)。
這裡，習知技術中，例如若要在具有間隙的電極間開始直流放電，首先會對電極間施加高的高頻電壓而破壞電極空間的絕緣而引發火花放電，其後立刻在電極間疊加直流電壓而轉移成直流放電。通常，此電極間的間隙是被設定成和直流電源的額定電壓相應的大小，但當間隙大的情形下高頻火花放電會變得困難，因此會藉由機械性操作來設定，使得在點火時為小的間隙，一旦直流放電開始則轉移成和額定電壓相應的間隙。
然而，本實施方式中例如如圖1、圖2所示，陰極36的第1放電面39及陽極41的第2放電面49係傾斜，使得陰極36的第1放電面39與陽極41的第2放電面49之間的間隙(於徑方向)從外周側朝向中心軸T擴張而設計成從能夠藉由高頻火花放電做點火的大小成為和額定電壓相應的大小。
藉此，本實施方式中，不需執行習知技術般的機械性操作，便實現從藉由高頻火花放電做點火轉移成施加額定電壓。
又，例如如圖1、圖2所示，相對於垂直於中心軸T的平面R之第1放電面39的斜率的大小，和相對於平面R之第2放電面49的斜率的大小相同。
又，例如如圖1、圖2、圖6所示，第1磁鐵37對於平面R而言係和第3磁鐵M3鏡像地(面對稱地)配置。又，第1磁鐵37的磁場的磁通量的向量，對於平面R而言係位於和第3磁鐵M3的磁場的磁通量的向量為鏡像處(面對稱處)。
特別是，例如如圖1、圖2、圖6所示，第2磁鐵42對於平面R而言係和第4磁鐵M4鏡像地(面對稱地)配置。特別是，第2磁鐵42的磁場的磁通量的向量，對於平面R而言係位於和第4磁鐵M4的磁場的磁通量的向量為鏡像處(面對稱處)。
藉由這樣的構成，例如如圖6所示，為了使電漿P生成而在陰極36的第1放電面39與陽極41的第2放電面40之間流通的電流X的向量，便會和藉由第1磁鐵37、第 2磁鐵42、第3磁鐵M3及第4磁鐵M4而被合成的磁場的磁通量的向量正交。
此外，噴塗材料導入管25例如如圖1、圖2所示，設置成可沿著中心軸T而在第1貫通孔K1滑動，對形成於陰極36與陽極41之間的放電空間S從供給口25-a供給噴塗材料的粉體。
更詳言之，噴塗材料導入管25例如如圖1、圖2所示，隔著絕緣部23設於陰極36的內周，噴塗材料導入管25的軸心設置成和陰極36的軸心一致。噴塗材料導入管25在其先端具備供給口25-a，對陰極36的中心軸T上供給噴塗材料的粉體(噴塗粉體)。噴塗材料導入管25連結至噴塗材料搬送裝置13，噴塗粉體隨同搬送氣體從噴塗材料搬送裝置13通過噴塗材料導入管25，噴塗粉體被供給至陰極36的中心軸T上。
另，作為噴塗材料例如能夠使用氧化鋁、二氧化鋯、二氧化鈦等的氧化物系陶瓷，碳化鎢(WC)等的碳化物系陶瓷，氮化矽等的非氧化物陶瓷，鋁、鈮、矽等的金屬等。
又，噴塗材料導入管25，在陰極36的貫通孔設置成相對於噴塗材料導入管25的軸方向可滑動。噴塗材料導入管25的供給口25a的位置，根據所使用的材料而被調整。噴塗材料導入管25，能夠使用氣缸、電動汽缸等而使噴塗材料導入管25滑動。藉此，能夠使噴塗材料導入管25滑動，同時簡易且連續性地進行噴塗材料導入管25的供 給口25a的定位。
此外，由於使噴塗材料導入管25在陰極36的貫通孔及絕緣部23內相對於噴塗材料導入管25的軸方向滑動，因此噴塗材料導入管25較佳是預先做表面加工以使其表面的滑動電阻變小。作為表面加工的方法，例如能夠使用運用車床等之磨削、擦光(buffing)、運用砥石之研磨、電解研磨、化學洗淨等。表面加工可為它們的單獨1種或將它們組合。
本實施方式中，噴塗材料導入管25的供給口25-a，是藉由使噴塗材料導入管25於軸方向滑動而決定位置後，藉由固定構件被固定。
這裡，噴塗材料導入管25的供給口25-a的位置，是根據噴塗材料的種類、平均粒徑、物性(例如熔點、比熱、熱傳導率等)等而被調整。如上述般，電漿噴流的溫度分布的一例如圖4所示。如圖4所示，電漿噴流的中心部分呈10,000℃以上的超高溫狀態，其周邊部分為1500~2000℃程度的高溫狀態。因此，根據噴塗材料的種類、平均粒徑、物性(例如熔點、比熱、熱傳導率等)等而調整供給口25a的位置以便能夠使噴塗粉體有效率地熔融，藉此便能夠在基材M的表面有效率地形成噴塗粉體的皮膜C。
本實施方式中，噴塗材料導入管25的供給口25-a的位置，能夠藉由運用事先作成的示意噴塗材料的種類、平均粒徑、物性(例如熔點、比熱、熱傳導率等)等與 從噴塗材料導入管25供給的噴塗材料在熔融的狀態下噴出的位置之相關關係的圖(相關圖)而求出。
這樣的相關圖例如能夠依以下方式得到。首先，從特定的噴塗材料的種類、平均粒徑、物性(例如熔點、比熱、熱傳導率等)等，求出當將特定的噴塗材料投入電漿中的情形下噴塗材料熔融至芯為止所必要的時間。
然後，基於噴塗材料熔融為止所必要的時間，求出從噴塗材料導入管25被供給的噴塗材料在熔融的狀態下噴出的位置。藉此，便得到如上述般的相關圖。
此外，當使用相關圖中登錄的噴塗材料以外其他噴塗材料的情形下，亦是求出其他噴塗材料熔融為止所必要的時間，由得到的時間與相關圖中蓄積的噴塗材料熔融為止所必要的時間之比值，便能夠求出噴塗材料在熔融的狀態下噴出的位置。
例如當噴塗材料為金屬粉體等的情形下，金屬的熔點一般而言熔點比陶瓷等來得低，因此噴塗材料導入管25的供給口25-a較佳是設置於比平面R位置靠陽極區塊24側。
此外，當噴塗材料為陶瓷粉體等的情形下，陶瓷的熔點一般而言熔點比金屬等來得高，因此噴塗材料導入管25的供給口25-a較佳是設置於比平面R位置靠陰極區塊22側。
像這樣，根據噴塗材料的種類調整噴塗材料導入管25的供給口25-a的位置，藉此便能夠使噴塗粉體更 確實地熔融而放出。
另，按照本實施方式之電漿炬11訂為對象的金屬粉體的熔點，例如為650~2500℃程度。作為金屬粉體例如使用鋁(熔點：約660℃)、鈮(熔點：約2468℃)等。
此外，電漿噴塗裝置10訂為對象的陶瓷粉體的熔點，例如為2000~2450℃程度。作為陶瓷粉體例如使用氧化鋁(熔點：約2015℃)、二氧化鋯(熔點：約2420℃)等。
此外，噴塗材料達熔點的時間能夠依照所使用的材料而推定，惟此時間會依噴塗材料的平均粒徑等而變動。另，所謂平均粒徑係由有效直徑所構成的體積平均直徑，平均粒徑例如藉由雷射繞射/散射法或動態光散射法等而測定。
此外，噴塗材料導入管25的供給口25-a的調整，可設計成僅於運轉電漿噴塗裝置10時進行，但為了使噴塗粉體更有效率地熔融而在基材M的表面更有效率地形成噴塗粉體的皮膜C，亦可設計成根據噴塗粉體的熔融情形等而於運轉後定期地或連續地進行。
電漿產生用氣體供給通路26，為用來從陰極36的外周側對形成於陽極41與陰極36之間的放電空間S供給電漿產生用氣體45的通路。電漿產生用氣體供給通路26，形成於內筒32及陽極41的內部。
特別是，此電漿產生用氣體供給通路26例如如圖1、圖2所示，是從第4磁鐵M4與陰極36的外周之間，朝向陰極36的第1放電面39與陽極41的第2放電面49之間供 給電漿產生用氣體45。
這裡，作為電漿產生用氣體45，能夠使用從包含稀有氣體元素、氮(N2)、氫(H2)及CO2的群中選擇的包含1種以上的氣體。作為稀有氣體元素能夠使用氬(Ar)或氦(He)等。像N2或H2等般包含由2原子分子構成的成分的氣體，對於陰極36或陽極41帶來的損傷激烈，因此由抑制陰極36或陽極41的壽命變短的觀點看來，一般而言不宜使用。
但，如後述般，本實施方式中，是設計成使電漿電弧於徑方向旋轉，而不使陰極36及陽極41的各者的放電點集中於陰極36及陽極41的一點，因此像N2氣體或H2氣體等般包含由2原子分子構成的成分的氣體亦能夠有效地用作為電漿產生用氣體45。
此外，在放電空間S發生的電漿噴流的溫度愈靠近噴嘴口21a會愈降低，而在離開噴嘴口21a的區域會急遽降低，但由N2氣體、H2氣體等的2原子分子所構成的成分所組成的氣體，比起從電漿狀態恢復原本的中性氣體的過程的溫度下降劇烈之稀有氣體元素這樣的由單原子分子所構成的成分所組成的氣體，其溫度降下較平緩。
因此，藉由使用由2原子分子所構成的成分所組成的氣體作為電漿產生用氣體45，能夠拓寬有效使噴塗粉體熔融的加熱區域，因此能夠抑制陰極36及陽極41的損耗同時使讓噴塗粉體熔融的電漿的有效加熱區域拉長。
此外，鞘氣體供給通路101例如如圖1、圖2 所示，是從噴塗材料導入管25的供給口25-a的周圍朝向放電空間S而從鞘氣體供給口101a供給鞘氣體SG。
另，此鞘氣體供給通路101的鞘氣體供給口101a，例如亦可設計成在噴塗材料導入管25的供給口25-a的周圍以等間隔設置複數個。
另，鞘氣體SG例如為從包含稀有氣體元素、氮及氫的群中選擇的包含1種以上的氣體。亦即，鞘氣體SG亦可和上述的電漿產生用氣體45為相同氣體。然而，鞘氣體SG亦可和電漿產生用氣體45為不同氣體。
像這樣，鞘氣體供給通路101從噴塗材料導入管25的供給口25-a的周圍朝向放電空間S而從鞘氣體供給口101a供給鞘氣體SG，藉此，即使產生的電漿不穩定的情形下，仍會避免噴塗材料導入管25瞬間地成為放電的通路，而不讓放電電流流入該噴塗材料導入管，能夠抑制噴塗材料導入管25熔融。
此外，冷卻水供給通路27-1~27-3例如如圖1、圖2所示，為用來冷卻構成電漿炬11的構件的通路，本實施方式中，冷卻水供給通路27-1形成於內管32的內部、陽極41的內外、以及外筒31與內筒32之間，冷卻水供給通路27-2形成於內筒32的內部與陰極36內部，冷卻水供給通路27-3形成於噴塗材料導入管25的內部。
此外，例如如圖1所示，在炬本體21的另一端，在噴塗材料導入管25的徑方向的外周，分別連接有供給電漿產生用氣體45的電漿產生用氣體導入接頭51、對陽 極41供給冷卻水W的第1給水接頭52、排出在陽極41已用於熱交換的冷卻水W之未圖示的第1排水接頭、供給冷卻水W之未圖示的第2給水接頭及排出在陰極36已用於熱交換的冷卻水W之未圖示的第2排水接頭、對噴塗材料導入管25內供給冷卻水W的給水通路53及排出在噴塗材料導入管25已用於熱交換的冷卻水W的排水通路54。
被供給至給水接頭52-a的冷卻水W，通過內筒32的內部、陽極41的外側、外筒31與內筒32之間而被利用於熱交換後，通過排水接頭52-b被排出。此外，被供給至給水接頭52-c的冷卻水W，通過內筒32與陰極36的內部而被利用於熱交換後，通過排水接頭52-d被排出。此外，被供給至給水通路53的冷卻水W，通過噴塗材料導入管25的內部被利用於熱交換後，通過排水通路54被排出。
[電源]
電源12，為對陰極36與陽極41之間賦予電壓的直流電源。
[噴塗材料搬送裝置]
噴塗材料搬送裝置13，為對噴塗材料導入管25搬送噴塗材料的粉體之物，使噴塗粉體隨同搬送氣體G而供給至噴塗材料導入管25。
這樣的電漿噴塗裝置10的電漿炬11中，藉由電源12對陰極36與陽極41之間施加電壓，藉此在放電空間 S發生電弧放電。藉由對此放電空間S供給電漿產生用氣體45，電漿產生用氣體45會被賦予能量，成為電漿狀態而在電極間產生電流(放電電流)X。放電電流X產生後立刻，在陰極36及陽極41的表面上的能量消費成為最小的地點產生柱狀的電漿電弧。
例如陰極36與陽極41之間的電漿電弧，例如如圖5所示會在陰極36及陽極41的表面發生。另一方面，藉由配置於放電空間S的徑方向的外側的第1至第4磁鐵37、42、M3、M4，在陰極36與陽極41之間會發生磁通量。一旦此電流與磁通量交叉，按照弗萊明左手定則，磁場會作用於電流而肇生旋轉力。藉由此旋轉力，電漿電弧會沿著陰極36的第1放電面39移動放電點(陰極點)而旋轉，藉此，沿著陽極41的第2放電面49而陽極41的放電點(陽極點)亦同樣地移動而旋轉。
像這樣，產生的電漿電弧會因磁場的作用，相對於電漿炬11的中心軸T朝周方向旋轉。
這裡，如上述般，陰極36，對於通過陰極36與陽極41之間且垂直於中心軸T的平面R而言，係和陽極41鏡像地(面對稱地)配置。又，如圖2所示，陰極36的第1放電面39，對於平面R而言係位於和陽極41的第2放電面49鏡像處(面對稱處)。
又，第1磁鐵37對於平面R而言係和第3磁鐵M3鏡像地(面對稱地)配置。又，第1磁鐵37的磁場的磁通量的向量，對於平面R而言係位於和第3磁鐵M3的磁場的 磁通量的向量為鏡像處(面對稱處)。
又，第2磁鐵42對於平面R而言係和第4磁鐵M4鏡像地(面對稱地)配置。又，第2磁鐵42的磁場的磁通量的向量，對於平面R而言係位於和第4磁鐵M4的磁場的磁通量的向量為鏡像處(面對稱處)。
藉由這樣的構成，例如如圖6所示，為了使電漿P生成而在陰極36的第1放電面39與陽極41的第2放電面49之間流通的電流X的向量，便會和藉由第1磁鐵37、第2磁鐵42、第3磁鐵M3及第4磁鐵M4而被合成的磁場的磁通量的向量正交。
藉此，電漿電弧能夠連續而更穩定地旋轉。亦即，能夠維持用來生成電漿的電流與磁場的磁通量之向量積的正交而使放電的極點的旋轉穩定化，並且避免放電電流往噴塗材料導入管流入而抑制該噴塗材料導入管的消耗。
藉由這樣的電漿炬11的機能，穩定而高速旋轉的電漿電弧會成為從陰極36的圓形端面產生的電漿噴流，而從噴嘴口21a噴出。
此外，電漿炬11係將噴塗材料導入管25的供給口25-a擺在陰極36的中心軸上，噴塗粉體被調整成從供給口25-a被供給至電漿噴流的中心軸T上，因此能夠對電漿噴流的中心軸T上供給噴塗粉體。電漿噴流的溫度分布如上述般，係電漿噴流的中心部分呈10,000℃以上的超高溫狀態，其周邊部分為1500~2000℃程度的高溫狀態。因 此，藉由從電漿噴流的後方對電漿噴流的中心軸上供給噴塗粉體，噴塗粉體會被捲入高速旋轉的電漿電弧的渦流的中心，因此能夠使噴塗粉體藉由電漿噴流的中心部分的超高溫的熱而熔融，而從噴嘴口21a放出。
又，按照本實施方式，電漿炬11係根據噴塗粉體的種類而調整噴塗粉體被供給至放電空間S內的位置，藉此，不論噴塗材料的熔融的難易度為何，皆能夠使從噴塗材料搬送裝置13被供給的噴塗材料的例如90%以上不會附著於放電空間S的內壁而在完全熔融的狀態下從噴嘴口21a放出，前往基板M而用於形成皮膜。
像這樣，電漿炬11是在陰極36內設置噴塗材料導入管25，基於根據噴塗材料的種類而事先訂定好的噴塗粉體的熔融完成的位置，來調整噴塗材料導入管25的先端的位置。
然後，控制成一面使電漿旋轉，一面從位於陰極36的中心軸上的供給口25a對電漿噴流的中心軸T上供給噴塗材料。藉此，電漿炬11會使供給至電漿噴流的中心軸T上的噴塗粉體捲入高速旋轉的電漿電弧的渦流的中心而熔融，能夠抑制熔融的噴塗粉體附著於陽極41的放電面41-a同時使其從噴嘴口21-a放出而形成皮膜。
因此，電漿炬11，能夠將從噴塗材料搬送裝置13被供給的噴塗粉體，例如不論噴塗材料的熔融的難易度為何皆將噴塗粉體的熔融效率提高到例如90%以上，因此能夠穩定地使噴塗材料的熔融效率提升，並且能夠抑制 陰極36及陽極41的消耗。
此外，電漿電弧的陽極點及陰極點會被強制地驅動而移動，藉此會抑制因極點的集中而在陰極36及陽極41發生損傷，因此能夠使陰極36及陽極41的壽命提升，並且能夠抑制陰極36及陽極41的消耗所伴隨的污染的產生。
又，電漿電弧會旋轉而能夠抑制極點的集中，因此即使使用像N2氣體或H2氣體等般由2原子分子所構成的成分的氣體作為電漿產生用氣體45，仍能夠削減運轉費用同時抑制對於陰極36及陽極41的損傷。
此外，電漿炬11，藉由使用由2原子分子所構成的成分的氣體作為電漿產生用氣體45，能夠拓寬使噴塗粉體熔融的區域，因此能夠抑制陰極36及陽極41的損耗同時使讓噴塗材料熔融的電漿的有效加熱區域拉長。
像這樣，具備電漿炬11的電漿噴塗裝置10，能夠利用電漿而對基材M的表面更有效率地形成種種噴塗材料的皮膜，能夠使噴塗效率更加提升。
又，如上述般，對於通過陰極36與陽極41之間且垂直於中心軸T的平面R而言，陰極36和陽極41係鏡像地(面對稱地)配置，又，第1磁鐵37和第3磁鐵M3係鏡像地(面對稱地)配置，第1磁鐵37的磁場的磁通量的向量位於和第3磁鐵M3的磁場的磁通量的向量為鏡像處(面對稱處)，又，第2磁鐵42和第4磁鐵M4係鏡像地(面對稱地)配置，第2磁鐵42的磁場的磁通量的向量位於和第4磁鐵M4 的磁場的磁通量的向量為鏡像處(面對稱處)。
這裡，運用圖7A、圖7B，說明本實施方式中的電極與磁鐵的形狀配置有助於電漿空間的電流與同空間磁場之向量積穩定的理由。
例如，藉由在陰極、陽極部各自配置的磁鐵組第一、四及第三、二而肇生的左右的鏡像合成磁場，會在陰極、陽極間隙左右對稱面密集地碰撞而朝向上方(圖7A)或下方(圖7B)而和在兩極間流通的電流正交地交叉。又，一旦對電極間施加電壓則在電極間的上端最小間隙部開始放電，在肇生的電漿流通之電流雖會被從上方流入電極間的氣體壓力推擠而朝下方移動，但會被在電極下端流通的鞘氣體與粉體搬送氣體壓力推回而停留於壓力均衡的位置而維持放電，並受到在該位置的以電流與磁場之向量積表示的方向和大小的力而旋轉。圖7A例子中該力係穿出紙面，亦即從左方觀看成為順時針，圖7B例子雖極性左右交換但同時磁場亦上下交換而作用的力的大小和方向不變，成為旋轉方向順時針。
藉由這樣的構成，為了使電漿P生成而在陰極36的第1放電面39與陽極41的第2放電面49之間流通的電流X的向量，便會和藉由第1磁鐵37、第2磁鐵42、第3磁鐵M3及第4磁鐵M4而被合成的磁場的磁通量的向量正交。
藉此，電漿電弧能夠連續而更穩定地旋轉。亦即，能夠維持用來生成電漿的電流與磁場的磁通量之向量積的正交而使放電的極點的旋轉穩定化，並且避免放電 電流往噴塗材料導入管流入而抑制該噴塗材料導入管的消耗。
又，如上述般，鞘氣體供給通路101從噴塗材料導入管25的供給口25-a的周圍朝向放電空間S而從鞘氣體供給口101a供給鞘氣體SG，藉此，即使產生的電漿不穩定的情形下，仍會避免噴塗材料導入管25瞬間地成為放電的通路，而不讓放電電流流入該噴塗材料導入管，能夠抑制噴塗材料導入管25熔融。
像以上這樣，本發明能夠維持用來生成電漿的電流與磁場的磁通量之向量積的正交而使放電的極點的旋轉穩定化，並且能夠抑制噴塗材料導入管的消耗，能夠從噴塗材料導入管將噴塗粉體放出至外部而不使噴塗材料附著於陽極的放電面，使噴塗材料的熔融效率提升，因此能夠良好地運用於例如對於砑光輥(calender roll)表面的耐磨耗噴塗塗布、太陽能電池用矽的精製、大型電漿顯示面板的絕緣塗布等。
此外，如上述般，亦即本發明之電漿炬，不限於運用於噴塗裝置，用途可廣泛運用於熔解、氣體加熱等。
另，本實施方式中，是將陰極(第1電極)及陽極(第2電極)分別用作為陰極及陽極，惟該第1電極和該第2電極亦可交換電源的極性，而變換該些電極的極性。
此外，本實施方式中，說明了電漿炬被運用於電漿噴塗裝置的情形，惟不限定於此，本發明亦能夠將電漿炬運用於微粒製造裝置。
10:電漿噴塗裝置
11:電漿炬
12:直流電源
13:噴塗材料搬送裝置(噴塗材料搬送部)
21:炬本體
21-a:噴嘴口
22:陰極區塊
23:絕緣部
24:陽極區塊
25:噴塗材料導入管
25-a:供給口
26:電漿產生用氣體供給通路
27-1~27-3:冷卻水供給通路
31:外筒
32:內筒
33:蓋
36:陰極
37:第1磁鐵
39:第1放電面
41:陽極
41-a:放電面
42:第2磁鐵
49:第2放電面
51:電漿產生用氣體導入接頭
52:第1給水接頭
52-a,52-c:給水接頭
52-b,52-d:排水接頭
53:給水通路
54:排水通路
101:鞘氣體供給通路
101a:鞘氣體供給口
G:搬送氣體
M3:第3磁鐵
M4:第4磁鐵
Q:區域
S:放電空間
SG:鞘氣體
T:中心軸
W:冷卻水

Claims (15)

  1. 一種電漿炬，係使產生的電漿一面沿著中心軸旋轉一面朝軸方向噴出，且藉由前述電漿使噴塗材料的粉體熔融而從前方的噴嘴口放出至外部，該電漿炬，其特徵為，具備：第1電極，形成為圓筒狀，在中央具有朝前述軸方向延伸的第1貫通孔，且具有在前述第1貫通孔的前方側的端部的周圍連續性地形成的第1放電面；第2電極，位於前述第1電極的前方側，形成為圓筒狀，在中央具有朝前述軸方向延伸的第2貫通孔，且以和前述第1電極的前述第1放電面相向之方式具有在前述第2貫通孔的後方側的端部的周圍連續性地形成的第2放電面；第1磁鐵，設於前述第1電極的和前述第1放電面相反的後方側；第2磁鐵，設於前述第2電極的外周；第3磁鐵，設於前述第2電極的和前述第2放電面相反的前方側；第4磁鐵，設於前述第1電極的外周，於前述軸方向和前述第2磁鐵相向；噴塗材料導入管，設置成可沿著前述中心軸在前述第1貫通孔滑動，並且具有供給口，對形成於前述第1電極與前述第2電極之間的放電空間從前述供給口供給噴塗材料的粉體；及 電漿產生用氣體供給通路，對前述放電空間從前述第1電極的外周側供給電漿產生用氣體；為了使前述電漿生成而在前述第1電極的前述第1放電面與前述第2電極的前述第2放電面之間流通的電流的向量，係和藉由前述第1磁鐵、前述第2磁鐵、前述第3磁鐵及前述第4磁鐵而被合成的磁場的磁通量的向量正交，前述第1電極，對於通過前述第1電極與前述第2電極之間且垂直於前述中心軸的平面而言，係和前述第2電極鏡像地配置，並且前述第1電極的前述第1放電面，對於前述平面而言係位於和前述第2電極的前述第2放電面為鏡像處，前述第1磁鐵對於前述平面而言係和前述第3磁鐵鏡像地配置，並且前述第1磁鐵的磁場的磁通量的向量對於前述平面而言係位於和前述第3磁鐵的磁場的磁通量的向量為鏡像處，前述第2磁鐵對於前述平面而言係和前述第4磁鐵鏡像地配置，並且前述第2磁鐵的磁場的磁通量的向量對於前述平面而言係和前述第4磁鐵的磁場的磁通量的向量呈鏡像。
  2. 如請求項1記載之電漿炬，其中，前述第1磁鐵，配置在前述第1電極的內部且在前述第1貫通孔與前述第1電極的外周之間的區域，前述第3磁鐵，配置在前述第2電極的內部且在前述第2貫通孔與前述第2電極的外周之間的區域。
  3. 如請求項2記載之電漿炬，其中，前述第4磁鐵以圍繞前述第1電極的前方側的端部的周圍之方式連續性地形成，前述第2磁鐵以圍繞前述第2電極的後方側的端部的周圍之方式連續性地形成。
  4. 如請求項3記載之電漿炬，其中，前述第1磁鐵具有圓筒狀，具有以前述中心軸為中心而朝前述軸方向延伸的貫通孔，前述第2磁鐵具有圓筒狀，具有以前述中心軸為中心而朝前述軸方向延伸的貫通孔，前述第3磁鐵具有圓筒狀，具有以前述中心軸為中心而朝前述軸方向延伸的貫通孔，前述第4磁鐵具有圓筒狀，具有以前述中心軸為中心而朝前述軸方向延伸的貫通孔。
  5. 如請求項1至4中任一項記載之電漿炬，其中，前述第1電極的前述第1放電面及前述第2電極的前述第2放電面係傾斜，使得前述第1電極的前述第1放電面與前述第2電極的前述第2放電面之間的間隙朝向前述中心軸擴張。
  6. 如請求項1至4中任一項記載之電漿炬，其中，相對於垂直於前述中心軸的前述平面之前述第1放電面的斜率的大小，和相對於前述平面之前述第2放電面的斜率的大小相同。
  7. 如請求項1至4中任一項記載之電漿炬，其中，前述電漿產生用氣體供給通路，從前述第4磁鐵與前述第1電極的外周之間，朝向前述第1電極的前述第1放電面與前述第2電極的前述第2放電面之間供給前述電漿產生用氣體。
  8. 如請求項1至4中任一項記載之電漿炬，其中，更具備：鞘氣體供給通路，從前述噴塗材料導入管的前述供給口的周圍朝向前述放電空間從鞘氣體供給口供給鞘氣體。
  9. 如請求項8記載之電漿炬，其中，前述鞘氣體供給通路的前述鞘氣體供給口，在前述噴塗材料導入管的前述供給口的周圍以等間隔設置複數個。
  10. 如請求項8記載之電漿炬，其中，前述鞘氣體，和前述電漿產生用氣體為相同氣體，或和前述電漿產生用氣體為不同氣體。
  11. 如請求項8記載之電漿炬，其中，前述鞘氣體為從包含稀有氣體元素、氮及氫的群中選擇的包含1種以上的氣體。
  12. 如請求項1記載之電漿炬，其中，前述噴塗材料導入管的前述供給口的位置，根據前述噴塗材料的種類而被調整。
  13. 如請求項12記載之電漿炬，其中， 前述噴塗材料導入管的前述供給口的位置，被調整成位於前述放電空間內。
  14. 一種電漿噴塗裝置，其特徵為，具備：如請求項1記載之前述電漿炬；電源，對前述第1電極與前述第2電極之間賦予電壓；及噴塗材料搬送部，將前述噴塗材料搬送至前述噴塗材料導入管。
  15. 一種電漿炬的控制方法，其特徵為，控制如請求項1記載之前述電漿炬。
TW111150301A 2022-02-16 2022-12-28 電漿炬，電漿噴塗裝置，及電漿炬的控制方法 TWI869751B (zh)

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