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特許7308849プラズマ・アーク制御の方法としてニュートロード・スタックを利用する単アーク縦列低圧被覆銃
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-07-06
(45)【発行日】2023-07-14
(54)【発明の名称】プラズマ・アーク制御の方法としてニュートロード・スタックを利用する単アーク縦列低圧被覆銃
(51)【国際特許分類】
H05H 1/34 20060101AFI20230707BHJP
H05H 1/48 20060101ALI20230707BHJP
H05H 1/28 20060101ALI20230707BHJP
C23C 4/134 20160101ALI20230707BHJP
【ＦＩ】
H05H1/34
H05H1/48
H05H1/28
C23C4/134
【請求項の数】
18
(21)【出願番号】P 2020542364
(86)(22)【出願日】2019-02-19
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2021-06-03
(86)【国際出願番号】 US2019018539
(87)【国際公開番号】W WO2019164822
(87)【国際公開日】2019-08-29
【審査請求日】2022-01-20
(31)【優先権主張番号】62/632,899
(32)【優先日】2018-02-20
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】515195347
【氏名又は名称】エリコン メテコ（ユーエス）インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110000855
【氏名又は名称】弁理士法人浅村特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ホーリー、デイビッド
(72)【発明者】
【氏名】コルメナレス、ホセ
(72)【発明者】
【氏名】ガトルバー、ジョナサン
【審査官】大門 清
(56)【参考文献】
【文献】特表２０１５－５１３７６４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－１９９８２１（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１６７０６３（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０５Ｈ １／００ － １／５４
Ｃ２３Ｃ ４／００ － ６／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
電極を含む後部銃本体セクションと、前記後部銃本体セクションに接続するように構成されたカスケード・セクションと、
を備える、真空プラズマ銃であって、
前記カスケード・セクションが、ニュートロード・スタックを形成するように配置された複数のニュートロードを含み、
前記複数のニュートロードが、絶縁体により互いに電気的に絶縁され、
前記絶縁体が、隣接するニュートロード間に空気又はガスの間隙を維持するように構成される、真空プラズマ銃。
【請求項2】
唯一のプラズマ・ガス源として単一ガスが供給される、請求項１に記載の真空プラズマ銃。
【請求項3】
前記銃の動作電圧が、６５ボルトを超える、請求項１に記載の真空プラズマ銃。
【請求項4】
前記ニュートロード・スタックの端部に結合されたノズルをさらに備え、それにより、前記ニュートロード・スタックが、前記電極を前記ノズルから分離する、請求項１に記載の真空プラズマ銃。
【請求項5】
前記複数のニュートロードのそれぞれが、中央ボアを含む円板形状を有し、前記複数のニュートロードが、前記中央ボアが前記ニュートロード・スタックの中央プラズマ・ボアを形成するように配置される、
請求項１に記載の真空プラズマ銃。
【請求項6】
前記複数のニュートロードのそれぞれが、前記中央ボアを取り囲む複数の冷却チャネルを含む、請求項５に記載の真空プラズマ銃。
【請求項7】
前記複数の冷却チャネルが、前記円板を貫通して延在する軸方向ボアを含む、請求項６に記載の真空プラズマ銃。
【請求項8】
前記軸方向ボアが、前記ニュートロード内で区切られる、請求項７に記載の真空プラズマ銃。
【請求項9】
前記軸方向ボアが、前記ニュートロードにわたって全体的に円形の幾何形状を有する、請求項８に記載の真空プラズマ銃。
【請求項10】
前記軸方向ボアが、前記ニュートロードの外周面に開口している凹部である、請求項７に記載の真空プラズマ銃。
【請求項11】
前記軸方向ボアが、平行な側壁と、前記側壁に対してほぼ垂直な底壁とを有する、請求項１０に記載の真空プラズマ銃。
【請求項12】
前記複数のニュートロードが、中央軸方向ボアと、外周表面と、前記中央軸方向ボアを取り囲む複数の凹部とを有する円板形状の本体を備える、請求項１に記載の真空プラズマ銃。
【請求項13】
前記複数のニュートロードが、前記複数の凹部が位置合わせされて前記ニュートロード・スタック内に複数の軸方向冷却チャネルを形成するように配置される、請求項１２に記載の真空プラズマ銃。
【請求項14】
真空プラズマ溶射（ＶＰＳ）プロセス、低圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ、ＬＶＰＳ）プロセス、又は減圧真空吹付け（ＲＰＰＳ）プロセスのうちの少なくとも１つのために構成された、請求項１に記載の真空プラズマ銃。
【請求項15】
請求項１に記載の真空プラズマ銃におけるプラズマ・アークを制御する方法であって、カスケード・ニュートロード・スタックを真空プラズマ銃の後部本体セクションに接続すること
を含む、方法。
【請求項16】
複合プラズマ銃を唯一のプラズマ・ガス源として使用される単一ガスに接続することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項17】
前記複合プラズマ銃に６５ボルトを超える動作電圧を供給することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項18】
前記カスケード・ニュートロード・スタックが、複数のニュートロードを備え、各ニュートロードが、中央軸方向ボアと、前記中央軸方向ボアを取り囲む複数の凹部とを有する円板形状の本体を備え、前記方法が、前記複数の凹部が軸方向に位置合わせされて前記カスケード・ニュートロード・スタックにわたって複数の軸方向冷却チャネルを形成するように前記カスケード・ニュートロード・スタック内の前記複数のニュートロードを配向すること
をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本国際出願は、２０１８年２月２０日に出願した米国仮出願第６２／６３２，８９９号の利益を主張するものであり、その開示は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【0002】
実施例は、真空プラズマ銃を対象とし、より詳細には、カスケード型プラズマ銃のニュートロード・スタック（ｎｅｕｔｒｏｄｅ ｓｔａｃｋ）又はカスケード型プラズマ銃の最適化ニュートロード・スタックを有する真空プラズマ銃を動作させることを対象とする。
【背景技術】
【0003】
カスケード型プラズマ銃は、より安定した銃出力をもたらすより高い電圧とより安定したプラズマ・アークとを可能にするという利点を提供する。そのような銃の欠点は、比較的長いニュートロード・スタックを移動するプラズマ・アークからもたらされる熱除去が、より大きい熱損失をもたらし、且つ、ニュートロード・スタックの実際的な長さを制限することである。より長いスタックは、より高い電圧及びより安定したアークの利点を相殺する、より大きい熱損失をもたらす。ニュートロード・スタックへの熱的な損傷をもたらすことなしに熱損失を制限するために、冷却を最適化する構造が必要とされている。
【0004】
現在のニュートロード・スタックは、ニュートロード、絶縁体、又は封止用Ｏリングへの損傷をもたらすであろう熱を除去するために、可能な限りプラズマ・ボアの近くに同軸に設置されたドリル穴を利用する。プラズマ・ボア内のプラズマ温度は、しばしば２０，０００Ｋを超え、そのため、スタックの冷却は、構成要素への損傷を防ぐための基本要件である。
【0005】
慣例的なプラズマ銃ノズルのための既存の冷却設計である水冷チャネル及び／又は水冷穴は、ボア材料の温度を可能な限り低く保って損傷を防ぐために、典型的には可能な限りプラズマ銃ボアの近くに設置される。この設計は、効果的な冷却の方法として、ニュートロードのための設計に持ち込まれた。
【0006】
熱的に最適化されたプラズマ銃ノズル全般に及ぶ最近の発明性のある発見、例えば国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１３／０７６６０３によれば、水路をプラズマ銃ボアから離れる方へ移動させることによりノズル冷却が変化され得ることが発見され、また、銅材料が平均温度を高める一方で熱減少ピーク温度を移動させることが可能になる。水冷断面積（ｗａｔｅｒ ｃｏｏｌｉｎｇ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ）は、プラズマ・ノズルのボア沿いの平均温度の上昇を可能にしながら、プラズマ銃ノズルに対して妥当な温度を維持するのに十分な効果的な冷却を実現するために、水速度を高めるように縮小され得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１３／０７６６０３
【文献】国際出願ＷＯ２０１８／１７００９０
【文献】米国仮出願第６２／４７２，２０２号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0008】
実施例では、従来の真空プラズマ銃へのニュートロード・スタック組立体又は最適化ニュートロード・スタック組立体の組込みは、真空プラズマ処理における優れた利益を提供し、具体的には、ヘリウム又は任意の他の２次ガスの排除、必要とされる電流を減少させてより高出力の動作を促進すること、及び／又はより少量の電力供給の利益を提供する。既存の真空プラズマ銃は、ヘリウムなどの単原子に主に限定される２次ガスを常に必要とし、それらは、不足するか入手不可能になることすらあり得る、再生不可能な資源である。最適化ニュートロード・スタック組立体は、２０１７年３月１６日に出願された米国仮出願第６２／４７２，２０２号の利益を主張する、２０１８年９月２０日に公表された国際出願ＷＯ２０１８／１７００９０で説明されており、それらの開示は、参照によりその全体が本明細書に明示的に組み込まれる。
【0009】
本発明の実施例は、カスケード型プラズマ銃のニュートロード・スタック又は最適化ニュートロード・スタックを含むように改良された真空プラズマ銃を動作させることを対象にする。このため、Ｏｅｒｌｉｋｏｎ Ｍｅｔｃｏ ０３ＣＰなどの既知の真空プラズマ銃は、いくつかの被覆要件を支持するために最大で２４００ａｍｐｓを必要とするが、実施例に従って改良された真空プラズマ銃を使用すると、たったの１２００ａｍｐｓで同じ被覆が作り出され得る。このようにして、現況技術の銃から利用可能な総出力に対して、実際的な限界が設けられ得る。
【0010】
カスケード型プラズマ銃のための既知のニュートロード・スタックの使用に加えて、本発明の実施例は、ピーク・スタック温度を最小限に抑えながら水に対する熱損失を減少させるために、真空プラズマ銃での使用のための熱的に最適化されたニュートロード・スタックの設計及び実施を対象とする。冷却を最適化することは、高い熱損失の不利益を伴わずに、より長いニュートロード・スタックが使用されることを可能にするであろう。
【0011】
この点に関して、本発明者らは、ニュートロードの銅材料が平均温度を高める一方で熱減少ピーク温度を移動させることを可能にする、水路をプラズマ銃ボアから離れる方へ移動させる技法は、銃の挙動への悪影響を伴わずに冷却特性を向上させるために真空プラズマ銃ニュートロード・スタックに使用できることを発見した。
【0012】
実施例では、既存のＯｅｒｌｉｋｏｎ Ｍｅｔｃｏ ０３ＣＰ真空銃は、Ｏｅｒｌｉｋｏｎ Ｍｅｔｃｏ Ｔｒｉｐｌｅｘ及び／又はＳｉｎｐｌｅｘ銃のタイプで利用されるニュートロード・スタック構成を含むように、又は、本明細書において説明される最適化ニュートロード・スタックを含むように、改良され得る。真空プラズマ溶射（ＶＰＳ：Ｖａｃｕｕｍ ｐｌａｓｍａ Ｓｐｒａｙ）、低圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ、ＬＶＰＳ：Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｐｌａｓｍａ Ｓｐｒａｙ）、及び、減圧真空吹付け（ＲＰＰＳ：Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｐｒａｙ）と呼ばれるプロセスは、既存の縦列プラズマ銃には取り込まれない、減圧環境において動作するための特定の設計考慮事項を有する銃を必要とする。これらの考慮事項には、例えば、（－）ネガティブ接続領域におけるガス密な電気的絶縁、及び、減圧プルーム生成のためのノズル内部設計幾何形状構成が含まれる。
【0013】
実施例は、電極を含む後部銃本体セクションと、後部銃本体セクションに接続するように構成されたカスケード・セクションとを含む、真空プラズマ銃を対象とする。カスケード・セクションは、ニュートロード・スタックを形成するように配置された複数のニュートロードを含む。
【0014】
実施例によれば、唯一のプラズマ・ガス源として単一ガスが供給される。
【0015】
他の実施例では、銃の動作電圧は、６５ボルトを超える。
【0016】
他の実施例では、真空プラズマ銃はまた、ニュートロード・スタックの端部に結合されたノズルを含むことができ、それにより、ニュートロード・スタックは、電極をノズルから分離する。
【0017】
実施例によれば、複数のニュートロードのそれぞれは、中央ボアを含む円板形状を有することができ、また、複数のニュートロードは、中央ボアがニュートロード・スタックの中央プラズマ・ボアを形成するように配置され得る。複数のニュートロードは、絶縁体により互いに電気的に絶縁され得る。絶縁体は、隣接するニュートロード間に空気又はガスの間隙を維持するように構成され得る。さらに、複数のニュートロードのそれぞれは、中央ボアを取り囲む複数の冷却チャネルを含み得る。複数の冷却チャネルは、円板を貫通して延在する軸方向ボアを含み得る。さらに、軸方向ボアは、ニュートロード内で区切られ得る。この点に関して、軸方向ボアは、ニュートロードにわたって全体的に円形の幾何形状を有し得る。或いは、軸方向ボアは、ニュートロードの外周面に開口している凹部であってもよい。軸方向ボアは、平行な側壁と、側壁に対してほぼ垂直な底壁とを有し得る。
【0018】
さらに他の実施例によれば、複数のニュートロードは、中央軸方向ボアと、外周表面と、中央軸方向ボアを取り囲む複数の凹部とを有する円板形状の本体を含み得る。
【0019】
他の実施例では、複数のニュートロードは、複数の凹部が位置合わせされてニュートロード・スタック内に複数の軸方向冷却チャネルを形成するように配置され得る。
【0020】
さらに他の実施例によれば、真空プラズマ銃は、真空プラズマ溶射（ＶＰＳ）プロセス、低圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ、ＬＶＰＳ）プロセス、又は減圧真空吹付け（ＲＰＰＳ）プロセスのうちの少なくとも１つのために構成され得る。
【0021】
実施例は、カスケード・ニュートロード・スタックを真空プラズマ銃の後部本体セクションに接続することを含む、真空プラズマ銃におけるプラズマ・アークを制御する方法を対象とする。
【0022】
実施例によれば、方法は、複合プラズマ銃を唯一のプラズマ・ガス源として使用される単一ガスに接続することをさらに含み得る。
【0023】
他の実施例では、方法は、複合プラズマ銃に６５ボルトを超える動作電圧を供給することをさらに含み得る。
【0024】
なおもさらなる実施例によれば、カスケード・ニュートロード・スタックは、複数のニュートロードを含むことができ、各ニュートロードは、中央軸方向ボアと、中央軸方向ボアを取り囲む複数の凹部とを有する円板形状の本体を含む。さらに、方法はまた、複数の凹部が軸方向に位置合わせされてカスケード・ニュートロード・スタックにわたって複数の軸方向冷却チャネルを形成するようにカスケード・ニュートロード・スタック内の複数のニュートロードを配向することを含み得る。
【0025】
本発明の他の例示的な実施例及び利点は、本開示及び添付の図面を検討することによって判明され得る。
【0026】
本発明は、本発明の例示的な実施例の非限定的な実例として複数の図面を参照して以下の詳細な説明においてさらに説明され、図面のうちのいくつかの図にわたって、同様の参照番号は類似の部品を表わす。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】カスケード型プラズマ銃の真空プラズマ銃後部及びカスケード・セクションから形成された複合銃の図である。
【図2A】本発明の実施例による例示的な最適化ニュートロードの図である。
【図2B】本発明の実施例による例示的な最適化ニュートロードの図である。
【図2C】本発明の実施例による例示的な最適化ニュートロードの図である。
【図2D】本発明の実施例による例示的な最適化ニュートロードの図である。
【図2E】本発明の実施例による例示的な最適化ニュートロードの図である。
【図5】本発明の実施例による最適化ニュートロードの別の実施例の図である。
【図6】既知の縦列プラズマ銃の慣例的なニュートロードの図である。
【発明を実施するための形態】
【0028】
本明細書において示される詳細は、実例としてのものであり、また単に本発明の実施例の説明に役立つ論述のためのものであり、且つ、本発明の原理及び概念的態様についての最も有用且つ容易に理解される説明であると考えられるものを提供するために提示される。この点に関して、本発明の構造上の詳細を本発明の基本的な理解に必要とされる以上に詳しく示す試みはなされず、説明は図面とともに、本発明のいくつかの形態が実際に具現化され得る方法を当業者に明らかにする。
【0029】
実施例では、複合（真空）プラズマ銃が、ニュートロード・スタックを利用するカスケード型プラズマ銃の部品を含むように改良されてきた既知の真空プラズマ銃の部品から形成され得る。このようにして、単アーク縦列低圧被覆銃が、プラズマ・アークの制御及び延長の方法としてニュートロード・スタックを利用する。具体的には、図１に示されるように、複合プラズマ銃が、真空プラズマ銃、例えばＯｅｒｌｉｋｏｎ Ｍｅｔｃｏ ０３ＣＰ銃に相当する構造を有するネガティブ（後部）セクション１と、特異的に設計されたニュートロード・スタック組立体を含むカスケード型プラズマ銃に相当する構造を有するポジティブ（前部）銃セクション２と、を含み得る。さらに、複合プラズマ銃は、従来の真空プラズマ銃のポジティブ（前部）セクションがネガティブ（後部）セクション１から取り除かれて、特異的に設計されたニュートロード・スタック組立体を含むカスケード型プラズマ銃の再設計されたポジティブ（前部）銃セクション２に置き換えられる、改良された真空プラズマ銃とされ得ることが、意図されている。ニュートロード・スタック組立体は、１次ガスとしてのアルゴン及び２次ガスとしてのヘリウムの両方を使用して３５から６０ボルトで動作する従来のＯｅｒｌｉｋｏｎ Ｍｅｔｃｏ ０３ＣＰ銃と比較して、唯一のプラズマ・ガス源として単一ガスを使用したときに銃の動作電圧が６５ボルトよりも高くなるような形で設計される。複合プラズマ銃の前部は、最大で２０００Ａｍｐｓで動作する銃に適した水冷回路を組み込む。
【0030】
複合プラズマ銃のネガティブ（後部）セクション１は、電極（陰極）６を保持するように構成された電極ホルダ４を含む後部絶縁体アッセイ３を備える。電極６は、電極ホルダ４に当接する中間絶縁体５内にさらに保持される、電極６は、ネガティブ（後部）セクション２から外方に延在する。複合プラズマ銃のポジティブ（前部）セクション２は、ニュートロード・スタック８を備える。ニュートロード・スタック８は、電極６を収容する円錐形開口部を有するエンド・ピース３３を内側端部に含み、且つ、ノズル（陽極）９を外側端部に含む。ノズル９は、ノズル９から出て行く前の発生プラズマ・ジェットに粉末を供給するために、例えば粉末噴射器を含み得る。ガス漏れを防ぐために、ネガティブ（後部）セクション１とポジティブ（前部）セクション２との間にガス・リング７が配置される。
【0031】
したがって、この複合プラズマ銃は、電極とノズルとの間にニュートロード・スタックを含むので、既知のＯｅｒｌｉｋｏｎ Ｍｅｔｃｏ ０３ＣＰとは異なり、ニュートロード・スタックは、アークをより長くして、同じ出力レベルに対してより高い動作電圧及びより少ない電流を可能にする。このことはまた、Ｏｅｒｌｉｋｏｎ Ｍｅｔｃｏ ０３ＣＰの従来の単一ガス動作では取り扱えないレベルまで出力が増大され得るように、過度の電流でも銃に損傷を与えることなしに複合プラズマ銃がより高い電圧で動作することを可能にする。さらに、既知のＯｅｒｌｉｋｏｎ Ｍｅｔｃｏ ０３ＣＰは、いくつかの被覆要件を支持するために最大で２４００ａｍｐｓを必要とするが、本発明の実施例による複合プラズマ銃を使用すると、たったの１２００ａｍｐｓで同じ被覆が作り出され得る。このようにして、現況技術の銃から利用可能な総出力に対して、実際的な限界が設けられ得る。
【0032】
単アーク縦列低圧被覆銃（複合プラズマ銃）は、低圧プラズマ溶射被覆製作の分野における改善である。銃は、減圧プラズマ溶射からの知識の既存の本体を組み込み、且つ、効率を高めるとともに適用費用を下げながら、既存のプロセスに含まれる既知の問題を解決する。これに重要なのは、低圧環境に適応された「縦列」プラズマ銃配置を作り出すためのニュートロード・スタック組立体の追加である。設計の重要な特徴は、ヘリウムの使用又は任意の他の２次若しくは３次ガスの利用を伴わずに、要件を満たした産業用被覆を複製する、その能力である。
【0033】
図６は、既存の縦列プラズマ銃からの従来のニュートロード１０の断面図である。従来のニュートロードにおける冷却は、中央プラズマ・ボア１４の周りにそのボアに近接して配置された二十四（２４）個の穴１２によって実現されることが、明らかである。そのような従来のニュートロード１０は、例えばＯｅｒｌｉｋｏｎ Ｍｅｔｃｏ Ｔｒｉｐｌｅｘ及びＳｉｎｐｌｅｘ銃型などの既知のカスケード型プラズマ銃での使用に関連して説明された態様で、互いに積層され得る。具体的には、ニュートロード１０は、隣接するニュートロード１０間に絶縁体を位置決めして隣接するニュートロード１０間の空気又はガスの間隙を維持することにより、互いに電気的に絶縁され得る。さらに、中央プラズマ・ボア１４内への冷却水の漏出を防ぐために、穴１２と中央プラズマ・ボア１４との間にシールが設けられ得る。
【0034】
従来のニュートロード１０とは対照的に、図２Ａ～２Ｅは、２０１７年３月１６日に出願された米国仮出願第６２／４７２，２０２号の利益を主張する、２０１８年９月２０日に公表された国際公開番号ＷＯ２０１８／１７００９０で説明されているような、最適化ニュートロード・スタックのニュートロード２０の例示的な実施例の様々な図を示し、それらの開示は、その全体が参照により本明細書に明示的に組み込まれる。ニュートロード２０は、例示的な図に示されるように、ニュートロード２０の本体に凹設され、且つ、中央プラズマ・ボア２４を取り囲むニュートロード２０の外周表面２６に開口している、十二（１２）個の軸方向冷却チャネル２２を含み得る。この点に関して、軸方向に延在する貫通凹部は、突出部２１を画定するように外方に延在し、突出部２１は、外周表面２６が円周方向に不連続であるように、外周表面２６の部分を含む。ニュートロード２０の第１の側、例えば図２Ａにおいて遠近法的に示されまた図２Ｃにおいて平面図で示された右手側では、隆起部２３が、突出部２１の右手側より低いところに配置された陥凹表面２５から軸方向に延在する。ニュートロード２０の第２の側、例えば図２Ｂにおいて遠近法的に示されまた図２Ｄにおいて平面図で示された左手側では、隆起部２７が、突出部２１の左手側と同一平面であり得る表面２９から軸方向に延在する。図２Ｅは、隆起部２３及び２７の軸方向延長部が突出部２１の左手側及び右手側の平面を越えて延在する、ニュートロード２０の側面図を示す。さらに、図２Ａ～２Ｅの非限定的な示された実施例では、ニュートロードは、冷却チャネル２２の側壁が好ましくは互いに平行であり、また、底壁が側壁に対してほぼ垂直であることを除いて、全体的に歯車形状を有し得る。さらに、図２Ｃ及び２Ｄの平面図では、冷却チャネル２２は、全体的に方形の形状を示し、この形状では、好ましくはその深さにわたって一定である凹部の幅は、凹部の深さに実質的に等しい。ニュートロード２０の例示的な図では十二個の軸方向チャネルが形成されているが、ニュートロード２０は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなしにより多くの又はより少ない軸方向チャネルがニュートロード２０に形成され得るように、ただ十二個の軸方向チャネルに限定されるものではないことが、理解される。
【0035】
非限定的な実例として、図２Ｃ及び２Ｄに示された平面図で見たときに、突出部２１間に画定され且つ／又はニュートロード本体に凹設されて外周表面２６に開口するチャネル２２は、チャネル２２の面積を画定する深さ及び幅の寸法を有する。非限定的な実例では、チャネル２２は、９５．２２ｍｍ２（０．１４７６平方インチ）の総面積を提供する、幅３．１７５ｍｍ（０．１２５インチ）掛ける深さ２．４６４ｍｍ（０．０９７インチ）の底面寸法を有し得る。例えば毎分二十二（２２）リットルの水流量で動作された場合、チャネルを通る水の平均速度は、例えば３．８ｍ／ｓｅｃであり得る。しかし、上述のように、チャネルに対するこれらの値は、単に例示的なものであり、突出部２１間に形成され且つ／又はニュートロード２０の外周表面２６より低いところに凹設されて外周表面２６に開口する冷却チャネル２２の数及びサイズは、銃に損傷を与え得るレベルに温度が達するのを防ぐのに必要とされる水流量に依存する。さらなる実例として、チャネル２２は、深さに対する寸法が、好ましくは一定の幅であるチャネル２２の幅に対する寸法と実質的に同じであるという点で、実質的に正方形の形状であると考えられるように、形成され得る。さらに、実質的に正方形の形状のチャネルは、おおよそ１：１の、チャネルの底部を形成する幅寸法と外周面より低い深さ寸法との比を有するが、冷却チャネルに対する幅と深さとの比は、１：１～８：１の間の比の範囲内で変化し得ることが、さらに理解される。
【0036】
図３は、図２Ａ～２Ｅに示された最適化ニュートロード２０を複数含む、ニュートロード・ハウジング３８内の例示的なニュートロード・スタック３０の断面図を示し、それらのニュートロード２０は、互いに同軸上に積層されており、また、図４は、図３の代替的な図を示し、この図では、積層された最適化ニュートロード２０の外周を含めて、ニュートロード・スタック・ハウジング３８の断面図内の構成要素の外周２６が示されている。示された実施例では、ニュートロード・スタック３０の左手側から見たときに、図２に示されたニュートロード２０は、例えば、第２の、第３の、及び第４の位置に配置され得る。しかし、個々のニュートロード２０は、互いに絶縁され、例えば電気的に絶縁され、且つ、隣接するニュートロード２０がニュートロード・スタック３０内で互いに接触しないように、物理的に離間される。さらに、ニュートロード・ハウジング３８は、ニュートロード・スタック３０内の隣接するニュートロード２０間の絶縁を同様に維持するように、例えばプラスチックで作られ得る。
【0037】
図３に示されるように、ニュートロード２０は、中央プラズマ・ボア２４に沿って同軸に位置合わせされて、ニュートロード・スタック３０を形成する。有利且つ非限定的な実施例では、ニュートロード・スタック３０の各ニュートロード２０は、図４に示されるように、同数の冷却チャネルを有し、且つ、冷却チャネル２２が軸方向に位置合わせされるように配向され得る。ニュートロード２０はニュートロード・スタック３０内で互いに絶縁されるので、絶縁体３６が、隣接するニュートロード２０間に隔離板として配置され得る。絶縁体３６は、例えば窒化ホウ素であってもよく、且つ、隆起部２３の径方向内側に配置されてニュートロード・スタック３０の中央プラズマ・ボア３４へ径方向内方に延在し得る。実施例では、個々のニュートロード２０の中央プラズマ・ボア２４とニュートロード３０の中央プラズマ・ボア３４内の絶縁体３６との間の移行部は、平滑であり得る。挿入図３００により詳細に示されるように、絶縁体３６は、第１のニュートロード２０の隆起部２３及び隣接するニュートロード２０の隆起部２７の向かい合う表面間に例えば約０．７６ｍｍ（０．０３０インチ）の空気又はガスの間隙３２２を維持するために、適切に厚みがある。さらに、隆起部２３の径方向外側では、例えば、シリコン、例えばＶＩＴＯＮ（登録商標）などの合成ゴム、ＢＵＮＡ－Ｎなどのニトリル・ゴム、又はニュートロード・スタック３０の領域内で生じる温度に耐えるのに適した他の適切な水封材料で作られる、Ｏリングなどのシール３２０が、空気又はガスの間隙３２２を形成し且つカバーしそれにより冷却水が冷却チャネルから径方向内方に空気又はガスの間隙３２２内に侵入するのを防ぐために、隣接するニュートロード２０の向かい合う表面間に配置され得る。
【0038】
示された実施例では、ニュートロード・スタック３０は、冷却水穴３５を有するより大径の円板３１と終端冷却チャネル又は盲冷却チャネルであり得る冷却チャネル３７を有するエンド・ピース３３との間に挟まれ得る。図１に示されるように、エンド・ピース３３は、軸方向に配置された円錐形のくぼみを含むことができ、このくぼみ内には、電極（陰極）が位置決め可能である。有利且つ非限定的な例では、円板３１は、各ニュートロード２０内の冷却チャネル２２の数及びエンド・ピース３３内の冷却チャネル３７の数に対応する、複数の冷却水穴３５を含む。図１に示されるように、エンド・ピース３３の反対側の円板１の表面上には、ノズル（陽極）が位置決め可能である。ニュートロード・スタック３０内の隣接するニュートロード２０と同様に、絶縁体３６及びシール３２０が、空気又はガスの間隙３２２を形成し且つカバーするために、円板３１とノズルとの間に絶縁体３６及びシール３２０が配置されてよく、それにより、冷却水が冷却チャネルから径方向内方に空気又はガスの間隙３２２内に侵入することが防がれる。
【0039】
さらに、冷却水穴３５、冷却チャネル２２、及び冷却チャネル３７は、図４に示されるように、軸方向に位置合わせされるように配向され得る。なおもさらに、周囲表面２６を含むニュートロード２０の径方向に延在する部分は、軸方向において互いに離間されているので、ニュートロード・スタック３０内に円周方向冷却チャネル３２が形成される。より大径の円板３１は、例えば、ねじ、ボルト、クランプ、等を介してハウジング３８に結合されてよく、且つ、そうすることで、積層された最適化ニュートロード２０、絶縁体３６、シール３２０、及びエンド・ピース３３を一緒に付勢することもできる。有利には、付勢力は、隣接するニュートロードの向かい合う表面にシール３２０が適切に係合して所望の水封構成を達成するように、十分なものである。実施例では、ニュートロード・スタック３０は、図２Ａ～２Ｅに示された最適化ニュートロードをより多く又はより少数ですら含み得ることが、容易に理解される。さらに、ニュートロード・スタック・ハウジング３８は、ハウジングの外周面内又は外周面上に形成された同様の冷却チャネルを含み得ることが、さらに理解される。
【0040】
図５は、ニュートロード５０の別の例示的な実施例を示す。この実施例では、ニュートロード５０は、ニュートロード５０の外周面５６内及び外周面５６の周りに形成された八（８）つの平坦な冷却チャネル５２を含み得る。非限定的な実例として、ニュートロード５０の周囲５６に形成された平坦なチャネル５２は、２０．６５ｍｍ２（０．０３２平方インチ）の総面積を提供する、幅５．０８ｍｍ（０．２００インチ）掛ける深さ０．５７２ｍｍ（０．０２２５インチ）のものとされ得る。毎分９リットルの水流量で動作された場合、チャネルを通る水の平均速度は、６．４ｍ／ｓｅｃである。しかし、上述のように、チャネルに対するこれらの値は、単に例示的なものであり、冷却チャネルの数及びサイズは、銃に損傷を与え得るレベルに温度が達するのを防ぐのに必要とされる水流量に依存する。
【0041】
実施例によれば、ニュートロード・スタックが、例えば図２Ａ、５に示されるように、各最適化ニュートロードの外周に配置された水冷チャネルを備え得る。チャネルの断面領域は、例えば１．０ｍ／ｓｅｃ超、好ましくは２．０ｍ／ｓｅｃ超、最も好ましくは３．０ｍ／ｓｅｃ超の、高い水速度を生み出すように設計され得る。各チャネルは、ニュートロード２０の最外周面における水冷流量を最大限にするために、例えば図２Ａ～２Ｅに示されるおおよそ正方形の形状から例えば図５に示される平坦な形状に及ぶ形状を有して構成され得る。さらに、チャネルはまた、三角形の断面を有して構成又は形成され、且つ、各ニュートロードの外周における水冷流量を最大限にするように配置され得る。冷却チャネルの数及びサイズ並びに幾何形状は、銃に損傷を与え得るレベルに温度が達するのを防ぐのに必要とされる水流量に依存する。ニュートロード・スタック内のニュートロードの総数、又はニュートロード・スタックの各ニュートロードの厚さは、この設計において限定されない。実際に、実施例による最適化ニュートロードによれば、今や、より長いニュートロード・スタックが、限定的な熱冷却損失で実現可能である。
【0042】
実施例は、上記で説明された冷却チャネルに対する底部対深さ比の特定の実例に限定されるものではないことが、留意される。冷却チャネルに対する底部対深さの比は、より高い径方向プロファイルから全体的に正方形の断面に及ぶ冷却チャネルを得るための１：１までの比、より平坦なプロファイルの断面を得るための８：１より大きい比、及び、１：１から８：１の間の範囲内の任意の比とされ得ることが、理解される。したがって、比は、２：１、３：１、４：１、５：１、６：１、７：１の特定の底部対深さの比、並びにそれらの間の任意の比とされ得るが、やはりこれらに限定されるものではない。
【0043】
図５に示されるような複数のニュートロード５０によって形成されたニュートロード・スタックを利用する、説明された実施例による複合プラズマ銃では、既知の計算流体力学（ＣＦＤ：ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ）ソフトウェアを介して計算されたときのプラズマ銃における水流は、毎分８．１リットルの水流量の場合、ニュートロード・スタック内の平均水速度は３．２ｍ／ｓｅｃを上回ったことを示す。
【0044】
図３に示されるようなニュートロード・スタック３０を組み込んだ複合プラズマ銃が試験され、プラズマ・ノズルを冷却するために水冷フィン又は水冷チャネルを使用する長いノズルを含む、同じ全体設計の従来のプラズマ銃と比較された。試験結果は、本発明の実施例によるニュートロード・スタック３０を使用する銃では、従来通りに冷却されるノズルに対して１０％の熱効率の増大を示した。他の試験は、慣例的なニュートロード・スタックをプラズマ銃に追加することにより熱効率が６％から１０％の間で低下することを示した。なおもさらなる試験は、プラズマ銃に対して慣例的なニュートロード・スタックの長さを２倍にすることにより熱効率が２０％低下することを示したが、一方で、最適化ニュートロード２０を追加してニュートロード・スタック３０の長さを増大することは、慣例的なニュートロード・スタックのそれのおおよそ半分未満であるように計画された、熱効率のはるかに少ない低下を有した。さらに、ニュートロード・スタック３０の耐久試験は、同一のスタックを用いた２００時間を超える試験後ですら、有害な熱効果を示さなかった。
【0045】
前述の実例は、単に説明の目的のために提供されたものであって、決して本発明を限定するものとして解釈されるべきではないことが、留意される。本発明は例示的な実施例に関して説明されたが、本明細書において使用された用語は、限定の用語ではなく説明及び例証の用語であることが、理解される。本発明の態様において本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、目下述べられたように、また、補正されるように、添付の特許請求の範囲に記載の範囲内で変更がなされ得る。本発明は、具体的な手段、材料、及び実施例に関連して本明細書において説明されたが、本発明は、本明細書において開示された詳細に限定されるように意図されておらず、むしろ、本発明は、添付の特許請求の範囲に記載の範囲に含まれるような、機能的に等価なあらゆる構造、方法、及び使用法にまで及ぶ。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図2E】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】