JP2017523552A - 改善された空冷プラズマトーチ及びその部品 - Google Patents

Abstract

本発明の実施形態は改善された性能を有する、空冷引き込み始動プラズマ切断装置に関する。当該トーチは改善されたノズル（３１３）、電極、シールドキャップ及び旋回リングのうちのいずれか１つ又は組み合わせを含み、これらの部品は、切断の間のプラズマジェット性能を最適化する改善された形状及び物理特性を有する。

Description

本発明と一致する装置、システム及び方法は切断に関し、より具体的にはプラズマ切断トーチ及びその部品に関する装置、システム及び方法に関する。より具体的には、本発明は、請求項１のプリアンブル及び請求項１０のプリアンブルのそれぞれに記載の空冷プラズマトーチのための電極及び空冷プラズマトーチに関する。

多くの切断作業、溶射（spraying）作業及び溶接作業でプラズマアークトーチが利用されている。これらのトーチでは、プラズマガスの噴流が高温で周囲の雰囲気に噴出される。噴流はノズルから噴出され、噴流がノズルを離れると、噴流は高不足膨張状態にあるとともに非常に集束されている。しかしながら、イオン化プラズマジェットに関連する高温に起因して、トーチの部品の多くは不具合が起こりやすい。この不具合はトーチの動作を大きく阻害し、切断作業の開始時に適切なアークの点弧を妨げる。

本願の残りの部分に記載の本考案の実施形態と、従来のアプローチ、既存のアプローチ及び既に提案されているアプローチとを図面を参照しながら比較することにより、それらのアプローチのさらなる限界やデメリットが当業者に明らかになる。

本発明の例示の実施形態は空冷プラズマトーチであり、該トーチの性能及び耐久性を最適化するように設計された部品を有する。具体的には、本発明の例示の実施形態は改善された電極、ノズル、シールド及び／又は旋回リング（swirl ring）の構成を有することができる。より具体的には、本発明は請求項１及び１０のそれぞれに記載の電極及びトーチを提供する。さらなる実施形態は下記の説明、図面及び特許請求の範囲に記載されている。

本発明の上記の及び／又は他の態様は、添付の図面を参照しながら本発明の例示の実施形態を詳細に説明することによって一層明らかになる。
図１は、本発明の実施形態を用いることが可能な例示の切断システムの図である。 図２は、既知の部品を用いるトーチのヘッドの一部の図である。 図３は、本発明のトーチの例示の実施形態のヘッドの一部の図である。 図４ａ〜図４ｃは、本発明の電極の例示の実施形態の図である。 図５ａ〜図５ｂは、本発明のノズルの例示の実施形態の図である。 図６は、本発明のシールドの例示の実施形態の図である。 図７は、本発明の旋回リングの例示の実施形態の図である。 図８は、既知の空冷トーチの構成と比べた場合の、本発明の実施形態のプラズマアーク及びプラズマジェット流との比較の図である。

様々な代替的な例示の実施形態及び添付の図面を詳細に参照する。同様の符号は実質的に同一の構成要素を表す。各例は限定ではなく説明を目的としたものである。実際に、当業者であれば、本開示及び請求項の範囲又は精神から逸脱することなく変更及び改良を加えることができるのが分かる。例えば、一実施形態の一部として図示又は説明する特徴は、さらに別の実施形態を得るために別の実施形態で用いられ得る。そのため、本願開示は添付の請求項及びその同等物の範囲に含まれる変更及び改良を含むことを意図している。

本開示は一般に、様々な切断作業、溶接作業及び溶射作業に有用な空冷プラズマアークトーチに関する。具体的には、本発明の実施形態は空冷プラズマアークトーチに関する。さらなる例示の実施形態は、引き込み式（retract）アークトーチである空冷プラズマアークトーチに関する。一般的に理解されているように、引き込み式アークトーチはアーク起動のために電極がノズルと接触しており、その後アークがノズルのどを通れるように電極が引き込まれるトーチである。他の種類の引き込み式トーチでは、電極が固定されていてノズルが動く。本発明の実施形態はそれら双方の種類に適用される。これらのトーチの構成及び動作は一般的に知られているため、本明細書ではそれらの詳細な構成及び動作については説明を省略する。また、本発明の実施形態は手持ち式の又は機械化されたプラズマ切断作業のいずれにも使用可能である。なお、簡潔性又は明確性のために、以下の説明は、主として切断のための手持ち式プラズマトーチに関する本発明の例示の実施形態に関する。しかしながら、本発明の実施形態はこの点に限定されず、本発明の実施形態は、本発明の精神又は範囲から逸脱することなく溶接トーチ及び溶射トーチでも用いることができる。所望により、電力レベルが異なる様々な種類及びサイズのトーチが可能である。例えば、本発明の例示の実施形態は、４０〜１００アンペアの範囲の切断電流を利用する切断作業で用いることができ、厚さが最大で０．０７５インチのワークピースを切断することができ、他の実施形態では、厚さが最大で１．５インチのワークピースを切断することができる。また、本明細書で説明するトーチ及び部品はマーキング、切断又は金属除去のために用いることができる。それに加えて、本発明の実施形態は様々な電流及び様々な電力レベルで用いることができる。本発明の実施形態で用いることができる種類の冷却空気システムの構成及び利用は既知であり、本明細書ではその詳細な説明を省略する。

図１を参照して、例示の切断システム１００を示す。システム１００は電源１０を含み、電源１０はトーチアセンブリ１４が接続された筐体１２を含む。筐体１２は、電源、プラズマ始動回路、空気レギュレーター、ヒューズ、トランジスタ、電気及びガスの入力及び出力コネクタ、コントローラ並びに回路基板等といったプラズマアークトーチを制御するための様々な従来の部品を含む。トーチアセンブリ１４は筐体の前側１６に取り付けられている。トーチアセンブリ１４は、筐体１２内の電気コネクタにトーチ端部１８内のノズル及び電極を接続するために内部に電気コネクタを含む。筐体１２内に切り替え素子を設けて、パイロットアーク及び作業アークのために別個の電気経路を設けてもよい。後で説明するように、プラズマアークとなるガスをトーチの先端に移動させるためにトーチアセンブリ内にはガス導管も存在している。様々な電気コネクタ及びガスコネクタと共に、ボタン、スイッチ及び／又はダイアル等の様々なユーザー入力装置２０が筐体１２に設けられ得る。

なお、図１に示す筐体１２は、本明細書で開示する本発明の概念の態様を用いることができるプラズマアークトーチ装置の１つの例にすぎない。従って、上記の一般的な開示及び説明は、開示したトーチの要素を用いることができるプラズマアークトーチ装置の種類又はサイズに何ら限定されるものではない。

図１に示すように、トーチアセンブリ１４は、筐体１２の嵌め合わせコネクタ２３に取り付けるためのコネクタ２２を一端に含む。そのように接続されると、トーチアセンブリ１４のホース部２４を通る様々な電気及びガスの通路が接続され、トーチ２００の関連部分が筐体１２内の関連部分と接続される。図１に示すトーチ２００はコネクタ２０１を有する。トーチ２００は手持ち式であるが、前で説明したように、トーチ２００は機械式のものであってもよい。取っ手、トリガー等のトーチ２００の一般的な構成は既知のトーチの構成のものと同様であり得る。そのため、本明細書ではその詳細な説明を省略する。しかしながら、トーチ端部１８内には、切断目的のためにアークの生成及び維持を促進するトーチ２００の部品が存在し、これらの部品の一部については下記でより詳細に説明する。具体的には、下記で説明する一部の部品はトーチ電極、ノズル、シールド及び旋回リングを含む。

図２は、既知の構成の例示のトーチヘッド２００ａの断面を示す。なお、分かり易くするためにトーチヘッド２００ａの部品の一部は図示を省略する。図示のように、トーチ２００ａは、電極２０５が電気的に連結された陰極体２０３を含む。電極２０５はノズル２１３の内部空洞に挿入されており、ノズル２１３は旋回リング２１１内に据え付けられている。旋回リング２１１は、陰極体２０３から旋回リング、ノズル等を絶縁する絶縁体構造２０９に連結されている。ノズル２１３は保持キャップアセンブリ２１７ａ〜２１７ｃによって適所に保持されている。前で説明したように、この構成は一般的に知られたものである。

図示のように、電極２０５は、電極２０５を陰極体２０３内にねじ込むためのねじ部２０５ａを有する。電極２０５は中央の螺旋部２０５ｂも有する。螺旋部２０５ｂは、螺旋部２０５ｂのまわりに空気の流れを提供する螺旋状の粗くねじ様のパターンを有する。しかしながら、この螺旋部のために、陰極体２０３から電極２０５を取り外すのに特殊な工具が必要になる。中央部２０５ｂの下流には円筒部２０５ｃがある。円筒部２０５ｃは電極２０５の遠位端２０５ｄまで延びている。図示のように、円筒部は遠位端２０５ｄがノズル２１３ののど２１３ｂに近づくようにノズル２１３に挿入されている。円筒部は、特殊な工具で電極２０５を掴んで陰極から取り出すことができるように中央部２０５ｂに平端面を含むことができる。一般に、円筒部２０５ｃから遠位端２０５ｄへの遷移部分は遠位端２０５ｄの平端面に至る湾曲した端部を含む。引き込み式のアークトーチにおいて、この平端面はアークの始動を開始するためにノズル２１３の内面と接触している。アークが点弧すると電極２０５が引き込まれて、電極２０５とノズル２１３との間に（図示のように）間隙ができる。その時に、プラズマジェットがノズル２１３ののど２１３ｂを通ってワークピースに送られる。一般的に理解されているように、このような構成では、既知の電極２０５はアーク開始の間にアークの始動から約３００の後に故障し始める。一般に、電極２０５は、電極２０５の寿命を延ばすのを助けるためにクロム又はニッケルのメッキが施されている。このイベントが始まると、電極２０５を交換する必要があり得る。

また、図示のように、電極２０５の遠位端２０５ｄにはハフニウム挿入体２０７が挿入されている。一般的に知られているように、プラズマジェット／アークはこのハフニウム挿入体から始まり、ハフニウム挿入体は遠位端２０５ｄの平坦面を中心とする。

前で簡潔に説明したように、トーチ２００ａはのど２１３ｂを有するノズル２１３も含む。切断の間、プラズマジェットはのど２１３ｂを通って送られる。また、図示のように、ノズル２１３は円筒状の突出部２１３ａを含む。円筒状の突出部２１３ａを通じてのど２１３ｂが延びている。この突出部２１３ａは比較的長いのど２１３ｂを提供し、シールド２１５内の円筒状の開口内に延びている。シールド２１５も円筒突出部２１５ａを有する。図示のように、各突出部２１３ａ／２１５ａの間に気流間隙が形成され、切断の間にシールドガスがプラズマジェットを取り囲むように送られる。空冷トーチでは、これらの突出部２１３ａ／２１５ａのぞれぞれはプラズマジェット及びシールドガスを切断作業に送る。しかしながら、ノズル２１３及びシールドキャップ２１５のそれぞれの形状に起因して、これらの突出部は非常に高温になる傾向がある。この熱はノズル２１３上の熱バンド（heat band）をその長さの沿って大幅に伸長させる。この伸長した熱バンド及高熱は部品を劣化及び故障させ得る。そのため交換の必要が生じる。また、それらの性能が経時的に劣化して最適な切断結果が得られない。従って、既知の空冷トーチの構成には改善が必要である。

図３を参照して、トーチヘッド３００の例示の実施形態を示す。トーチヘッド３００は、図１に示すトーチ２００で用いることができ、図２と同様に図を簡略化するために全ての部品及び構造を図示していない（例えば、取っ手、アウターケーシング等）。また、多くの点で（下記で説明するものを除く）、トーチヘッド３００の構成及び動作は既知のトーチヘッドと同様であるため、本明細書ではその構成の全ての詳細を説明しない。しかしながら、下記でより詳細に説明するように、トーチヘッド３００の電極３０５、ノズル３１３、シールドキャップ３１５及び旋回リング３１１のぞれぞれは、既知のトーチ及びトーチの部品とは異なった構成を有し、最適な切断性能及び耐久性を有する切断トーチを提供する。また、図２のトーチ２００ａのように、図３のトーチ３００は引き込み式の空冷トーチである。下記の説明は、本発明の例示の実施形態のさらなる理解を提供するものである。下記の説明では、電極、ノズル、シールドキャップ及び旋回リングのそれぞれを説明する。

図４ａ〜図４ｃを参照して、本発明の空冷電極３０５の例示の実施形態を示す。電極はトーチヘッド内の陰極体に電極３０５を固定させるねじ部３０５ａを有する。ねじ部３０５ａの近傍には幅広固定部３０５ｂがあり、固定部３０５ｂはねじ部３０５ａ及び下流の円筒部３０５ｃ（下記でさらに説明する）よりも直径が大きい。既知の電極とは異なり、固定部３０５ｂは、標準的なソケット型工具で電極３０５の取り外し及び取り付けができるように構成されたナット部３０５ｅを有する。前で説明したように、既知の電極はそのような構成を有しておらず、取り付け及び取り外しに特殊な工具を必要とする。本発明の実施形態は、ナット部３０５ｅのおかげで標準的な工具を用いることができる。図示の実施形態では、六面六角頭ナット構成が用いてられている。当然ながら、他の標準的なナット構成を用いることもできる。図示のように、ナット部３０５ｅの近傍には据え付け部３０５ｆがあり、据え付け部３０５ｆは電極３０５の最も大きい直径Ｄ’を有する。この部分は、陰極体内に電極３０５を据え付けるのを支援するのに用いられる。

ナット部３０５ｅの近傍には円筒部３０５ｃがある。円筒部３０５ｃは平端面３０５ｇを持つ端部３０５ｄを有する。円筒部３０５ｃは直径Ｄを有し、直径Ｄに対する最大直径Ｄ’の比の範囲は１．４〜１．８であり、他の例示の実施形態では１．４〜１．６である。また、４０〜１００アンペアの範囲の切断用途に用いられる既知の空冷電極と比較して、円筒部３０５ｃの直径Ｄの範囲は、既知の電極の円筒部の直径よりも１５〜２５％大きい。例示の実施形態では、円筒部３０５ｃの最大直径の範囲は０．２〜０．４インチである。電極３０５の端部３０５は平面部３０５ｇを有し、平面部３０５ｇは、平面部３０５ｇの中心点に挿入されたハフニウム挿入体３０７を有する。ハフニウム挿入体３０７の用途及び機能は一般的に知られており、本明細書ではその詳細な説明を省略する。しかしながら、本発明の実施形態では、ハフニウム挿入体３０７は円筒状の挿入体であり、直径に対する長さの比の範囲が２〜４であり、他の例示の実施形態では、直径に対する長さの比の範囲が２．２５〜３．５である。そのため、本発明の例示の実施形態は、挿入体３０７への最適な電流の伝達を可能にすると同時に、最適な伝熱能力を提供する。そのため、既知の構成に比べて、本発明のハフニウム挿入体及び電極の使用可能な寿命が大幅に長くなる。なお、ハフニウム挿入体３０７を円筒状として説明したが、一部の例示の実施形態では、挿入体３０７の端部のいずれか又は双方は平坦でない場合がある。何故なら、一部の例示の実施形態では、端部は概して凹状又は凸状のいずれかであり得るからである。

図４ａ〜図４ｃに示すように、端部３０５ｄは概して湾曲した端部を通じて平面部３０５ｇに遷移する。平面部３０５ｇは、平面部３０５ｇを円筒部３０５ｃの側壁に遷移させる遷移端とは対照的に、電極３０５の端部の面の平坦な部分である。しかしながら、既知の電極とは異なり、平面部３０５ｇは、直径Ｄに対する直径ｄの比の範囲が０．８〜０．９５の範囲になるような直径を有する。さらなる例示の実施形態では、比の範囲は０．８３〜０．９１である。そのような比は、アーク始動の間に平面部３０５ｇとノズル３１３の内側との間の表面接触を最適なものにすると同時に、熱集中を最小限に抑え、平面部３０５ｇと円筒部３０５ｃとの間の理想的な伝熱を確実なものにする。前で説明したように、引き込み式の空冷トーチでは、電極３０５は平面部３０５ｇを通じてノズル３１３との接触がもたらされる。これは一般にバネ式の機構（明確性のために図示せず）によりなされる。これは開始時に挿入体３０７とノズル３１７との間でアークを始動させることができ、シールドガスの気流が所望の圧力レベルに達すると、ノズル３１３から電極が引き込まれて間隙ができ、ノズル３１３からワークピースにアークを移動させる。上述した構成の電極３０５を有することにより、本発明の実施形態は電極３０５、ひいてはトーチの利用可能な寿命を大幅に伸ばすことができる。これは、ダウンタイム及び交換を最小限に抑えながら最適な始動及び切断の維持を確実にする。

なお、一部の例示の実施形態では、電極３０５は主に銅でできており、クロム又はニッケルのいずれによっても被覆されていない。

図５ａ及び図５ｂを参照して、本発明のノズル３１３の例示の実施形態を図示する。ノズル３１３は、リテーナアセンブリによりノズル３１３を固定させることができる端部３１３ａを有する。主円筒部３１３ｂが端部３１３ａの近傍にあり、主円筒部３１３ｂは端部３１３ａから先端部３１３ｃに延びている。先端部３１３ｃはノズルを円筒部３１３ｂから先端表面部３１３ｈに遷移させる。既知のノズルとは異なり、先端部３１３ｃは図示のように傾斜部であり、付加的な円筒状の延長部（例えば、図２の２１３ａ参照）を何ら有していない。それよりも、先端表面部３１３ｈは、先端部３１３ｃが円錐台形になるように先端部３１３ｃの傾斜面に直接隣接している。これは、空冷トーチのための既知のノズルの構成と異なる。先端部３１３ｈの傾斜部は、図示のように３０〜６０°の範囲の角度Ａを有する。他の例示の実施形態では、角度Ａの範囲は４０〜５０°である。また、図示のように、ノズル３１３は、図３に示すように電極３０５が挿入される空洞３１３ｉを含む。ノズル３１３は、長さＬを有する先端部３１３を通るのど３１３ｄも有する。のどの直径に対する長さの比の範囲は３〜４．５であり、係る直径はのど３１３ｄの最小直径である。他の例示の実施形態では、前記比の範囲は３〜４である。長さＬは空洞３１３ｉの内面から先端面３１３ｈまでののど３１３ｄの長さである。本発明のノズルのこの態様は、のど３１３ｄの長さに沿ったプラズマジェット／アークの電圧低下を最小限に抑えるのを支援する。既知のノズルでは、かなりの電圧低下が生じ得るため、トーチの動作及び効率性に悪影響が及ぶ。本発明の例示の実施形態では、本発明の実施形態は、動作電流レベル並びにガスの流速及びパターンに関わらず、のど全体での最大電圧低下が２０ボルト未満という最適な性能を提供できる。他の例示の実施形態では、最大電圧低下の範囲は５〜１５ボルトであり、さらなる例示の実施形態では電圧低下は５ボルト未満である。即ち、本発明の実施形態のノズル及びのどの構成は、全ての既知の動作ガス流パターン及び流速を用いた４０〜１００アンペアの電流動作範囲に亘って上記の最適な電圧低下性能を実現することができる。この性能は既知の構成では得られていない。また、図示のように、のど３１３ｄは幅広開口から幅狭のど部３１３ｆ（のど３１３ｄの最小直径を有する）に遷移する入口部３１３ｅを有する。幅狭のど部３１３ｆはより幅広の拡張部３１３ｇに遷移する。幅広の拡張部３１３ｇは幅狭のど部３１３ｆの直径よりも大きく、入口部３１３ｅへの入口の直径よりも小さい出口直径を有する。即ち、入口部３１３ｅへの入口の直径は拡張部３１３ｇの出口の直径よりも大きい。本発明の例示の実施形態では、出口の直径（拡張部３１３ｇの最も下流の点における直径）に対する入口の直径（入口３１３ｅの最も上流の点における直径）の比の範囲は１．５〜４である。

本明細書で説明したように、ノズル３１３の実施形態は、既知のノズルの構成よりも大幅に改善した熱特性を有する。具体的には、本発明のノズルは既知のノズルよりもはるかに低温で動作するとともに、はるかに小さい熱バンドを有する。既知のノズルの構成に起因して、それらの先端は非常に高い熱レベルに達し得る。これは、溶融スパッタをノズルの先端に付着させノズルの早期の故障につながり得る。具体的には、本発明の実施形態は、先端部３１３ｃ内に閉じ込められ、円筒部３１３ｂへの伸長が最小限に抑えられる熱バンドを提供する。実際に、一部の例示の実施形態では、ノズル３１３及び先端３１３ｃは、動作時に熱バンドが円筒部３１３ｂに全く伸長しないように構成されている。なお、熱バンドは、先端面３１３ｈから測定したノズル３１３の最も短いバンド（又は長さ）であり、１００アンペアでの持続的動作の間にノズル３１３の平均温度は３５０℃に達する。持続的動作は少なくともノズル３１３の温度が動作の間に温度平衡に達する時間の動作である（当然ながら、通常の動作は１００アンペアでの通常の冷却ガス及びシールドガス流を含む）。これは既知のノズル構造及び構成で実現することはできない。図５ｂに例示の熱バンド３１３ｚを示す。熱バンド３１３ｚは通常の動作の間は先端部３１３ｃ内に留まり、円筒部３１３ｂに伸長しない。そのため、本発明の例示の実施形態は、最適な切断性能及び部品の寿命を実現するために最適な熱特性を提供する。誤解がないように言うと、作業の間、ノズル３１３の先端の温度が最も高くなり、６００℃に達し得る。従来のノズルの構成では、熱バンドは通常ノズル延長部２１３ａ及びテーパー部（図２参照）を越えて伸長し、円筒部内に伸長する。本発明の例示の実施形態は、図５ｂに示すように、熱バンドが全体的にノズルの最も遠位部である円錐部内にあるため大幅に改善されている。

図６は、トーチの端部に取り付けられて、ノズル３１３を守るシールドキャップ３１５の例示の実施形態を示す。シールドキャップの機能は一般的に知られており、本明細書ではその詳細な説明を省略する。しかしながら、上述したノズル３１３のように、シールドキャップ３１５は図２に示す延長部２１５ａを有していない。その代わりに、ノズル３１３のように、シールドキャップの先端は図６に示すように円錐台である。シールドキャップ３１５は、リテーナアセンブリ２１７ｃにシールドキャップを固定できるようにするねじ付端部３１５ａを有する。シールドキャップ３１５は、端部３１５ａとシールドキャップ先端部３１５ｃとの間に位置する円筒部３１５ｂも有する。トーチが組み立てられると、図６に示すように、ノズル３１３とシールドキャップ３１５との間に間隙ができるようにシールドキャップ３１５の円筒部３１５ｂがノズル３１３の円筒部３１３ｂに隣接している。シールドガスは切断の間はこの間隙を通って送られる。本発明の例示の実施形態では、円筒部間の間隙の範囲は０．０１〜０．０６インチであり、他の例示の実施形態では、間隙の範囲は０．２〜０．４インチである。また、図示のように、シールドキャップ３１５は先端面３１５ｄを有する円錐台として形成された先端部３１５ｃを有する。既知のシールドキャップとは異なり、図２に示すような円筒状の延長部がない。また、シールドキャップ３１５は、図示のように部品が組み立てられた場合に、のど３１３ｄを中心とする円形開口３１５ｅを有する。本発明の例示の実施形態では、開口は、ノズルのど３１３ｄの最小直径（幅狭のど部３１３ｆの直径）の１．２５〜４．１倍の範囲の直径Ｄｓを有する。他の例示の実施形態では、直径Ｄｓの範囲はのど３１３ｄの最小直径の１．７５〜２．５倍である。また、本発明の例示の実施形態では、直径Ｄｓはのど拡張部３１３ｇの出口直径よりも大きいが、先端面部３１３ｈの直径よりも小さい。本発明の例示の実施形態では、ノズル３１３の先端面部３１３ｈの直径に対する直径Ｄ２の比の範囲は０．９８〜．９である。

それに加えて、図６に示すように、シールドキャップ３１５の先端部３１５は、シールドキャップ３１５とノズル３１３の外側と間の間隙Ｇの幅が、シールドキャップ及びノズルの先端領域において上流端Ｘから下流端Ｙまでの間隙Ｇの長さに沿って減少するように、先端部３１５ｃの内側傾斜面３１５ｆが、角度Ａよりも大きい角度Ｂで傾斜されるように構成されている。（角度Ａ及びＢはトーチの中心線に平行な線から測定される）。本発明の例示の実施形態では、角度Ｂの範囲は３５〜７０°であるが角度Ａよりも大きい。他の例示の実施形態では、角度Ｂの範囲は４５〜６０°である。即ち、先端部３１５ｃの始まり（点ｘ）におけるシールドキャップ３１５の内側面とノズルの外側との間の間隙の（シールドキャップの内側面に対して法線方向に測定した）距離は、先端部３１５ｃの終わり（点ｙ）におけるシールドキャップ３１５の内側面とノズルの外側との間の間隙の（シールドキャップの内側面に対して法線方向に測定した）距離よりも大きい。間隙Ｇの幅を小さくすることにより、シールドガス流はトーチの出口近傍で加速する。これはプラズマジェットの安定化を助けトーチの性能を改善する。本発明の例示の実施形態では、点Ｘにおける間隙の幅の範囲は０．０３〜０．０５インチである。また、例示の実施形態では、間隙Ｇの幅は点Ｘから点Ｙにかけて３０〜６０％減少する。誤解がないように、点Ｘは、シールドキャップ３１５の内側とノズル３１３の外側との間のそれぞれの先端部に沿った最も幅広の点に位置し、点Ｙは、シールドキャップ３１５の内側とノズル３１３の外側との間のそれぞれの先端部に沿った最も幅狭の点に位置する。なお、一部の例示の実施形態では、点Ｙはノズル先端部３１３ｃの外側傾斜面と先端面３１３ｈとの遷移部に位置するが、他の実施形態ではそれに該当しないことがある。上述した部品の例示の実施形態を組み込むことによって、改善したトーチ性能及び耐久性を得ることができる。

なお、一部の例示の実施形態では、シールドキャップ３１５は追加のガス流ポート３１９（図３に図示）を有し得る。これらのポート３１９は追加のガス流を切断領域に提供し、シールドキャップの冷却を助け、切断領域からデブリを遠ざける。

図７を参照して、旋回リング３１１の例示の実施形態を図示する。既存の旋回リングとは異なり、本発明の実施形態は上側領域３１１ａ及び下側領域３１１ｂという２つの領域を有する。既知の旋回リングは通常１つの領域を有し、該１つの領域はその全長に沿って外径が一定であり、リングの長さは、図７に示すものに比べて比較的短い。例えば、図２に示すように、旋回リング２１１はノズル２０５の上端から絶縁体２０９の底部に延びている。しかしながら、この構成は旋回リング２１１、とりわけ絶縁体２０９と連結される旋回リング２１１の上部で初期故障をもたらし得る。本発明の実施形態はこのような故障を解消するとともに、リング及びトーチの全体的な性能を改善する。図７に示すように、上側部３１１ａは下側領域３１１ｂよりも大きな外径を有し、一部の例示の実施形態では、下側領域３１１ｂの長さよりも大きい長さを有する。この上側領域は絶縁体２０９が挿入される空洞３１１ｆを有する（図３参照）。この挿入は、旋回リング３１１の強化及びセンタリングを支援する。絶縁体２０９に対して旋回リング３１１を圧入、ねじ込み又は単に据え付けることができる。リング３１１の上側部３１１ａの外面には複数の流路３１１ｃがある。流路３１１ｃは、旋回リング３１１の下側部３１１ｂへのガス流の安定化を支援する。既知のトーチではそのような流路が用いられていないため、ガス流は旋回リングに達すると乱れることがある。この乱流によりトーチの性能が損われる。本発明の実施形態では流路３１１ｃを用いて、トーチヘッドの上側領域からリング３１１の下側部３１１ｂへのガス流を安定化させる。その後、安定化されたガス流は下側部３１１ｂの孔３１１ｄ／３１１ｅに送られる。そしてガス流は安定化されているため、これらの孔の性能が最適化される。図示のように、底部３１１ｂは、底部３１１ｂの外面から底部３１１ｂの内部空洞に至る複数のガス流孔３１１ｄ／３１１ｅを有する。一部の例示の実施形態では、流路３１１ｃは上側部の全長に沿って延び、旋回リングの中心線と平行に延びる。しかしながら、他の例示の実施形態では、流路３１１ｃは上側部の長さの一部のみに沿って延びることができ、さらなる実施形態では、流路は流路を通過するガスに旋回流を付与できるように傾斜させることができる。図示のように、例示の実施形態は少なくとも４つの環状の孔を有し、少なくとも２つの上側の環状の孔３１１ｄは第１の孔構成を有し、少なくとも２つの下側の環状の孔３１１ｅは第２の構成を有する。孔の動作は下記で説明する。

前で説明したように、トーチの始動よりも前の段階ではノズルと電極とは互いに接触している。これは機械バネ付勢によって実現できる。作業が始まると、電流及びガスの双方が流れ出す。電流はアークを点弧し、ガス圧は陰極／電極を押して（バネ付勢に対して押す）ノズルから遠ざける。本発明の例示の実施形態では、上側孔３１１ｄはこのガス圧による引き込みを促進する。即ち、孔３１１ｄはそれらの中心線のそれぞれがリング３１１の中心線に垂直になるように形成されている。また、本発明の例示の実施形態では、孔３１１ｄの全てが同じ寸法（例えば直径）を有し、上側の列の孔３１１ｄのそれぞれは同じ数の孔３１１ｄを有する（即ち、径方向の間隔が同じ）。しかしながら、他の例示の実施形態では、孔３１１ｄの寸法は異なっていてもよく（例えば、２列の孔、第１の寸法及び第２の寸法）及び／又は各列の孔３１１ｄは異なる孔間隔を有していてもよい。即ち、一部の例示の実施形態では、上側部３１１ａに最も近い列の孔３１１ｄは、隣接する列の孔よりも孔３１１ｄが少なくても多くてもよい。所望の性能を得るために、構成を最適化することができる。図７に示す実施形態では、孔３１１ｄは円筒形（円形断面）であるが、他の例示の実施形態では、孔の少なくとも一部は非円形断面を有する（例えば、長円、楕円等）。

上側の列の孔３３１ｄとは異なり、下側の列の孔３１１ｅは、ガスが電極３０５の近傍の空洞内に流れ込むときに旋回又は回転を与えるのに用いられる。そのため、本発明の例示の実施形態では、下側の列の孔３１１ｅは異なる孔の形状を有する。孔の中心線はリング３１１の中心線に対して傾斜している。この傾斜はガス流に改善した回転が付与されるようにガス流を送る。本発明の例示の実施形態では、孔３１１ｅは、各孔３１１ｅの中心線がリング３１１の中心線に対して１５〜７５°の範囲の角度を有するように傾斜されている。他の実施形態では、角度の範囲は２５〜６０°である。例示の実施形態では、孔３１１ｅは、リング３１１の中心線に対して傾斜しているが、それらはそれらの各中心線が孔３１１ｅの中心線でリング３１１を横断する面内にあるように方向付けられるように形成されている。即ち、全ての孔の中心線は同一平面上にある。しかしながら、他の例示の実施形態では、孔３１１ｅはそれらの中心線が同一平面上にないように傾斜させることができる。即ち、一部の実施形態では、孔の中心線はリング３１１の下端面の方に（即ち、トーチの端部の方に）傾斜されている。そのような実施形態はガス流に渦回流を付与するが、ガス流を下方に向ける。

上側の列の孔３１１ｄのように、下側の列の孔３１１ｅも同じ形状及び向きを有することができ、各列に同じ数の孔があってもよい。しかしながら、他の例示の実施形態ではこのような構成である必要はない。例えば、一部の実施形態では、孔３１１ｅは異なる直径及び／又は断面を有することができる。また、実施形態は各列で異なる数の孔を用いることができる。それに加えて、孔の角度を変えて、第１のグループの孔３１１ｅがリングの中心線に対して第１の角度を有し、第２のグループの孔３１１ｅがリングの中心線に対して第２の角度を有するようにすることができる。また、他の例示の実施形態では、孔３１１ｅは異なる向きを有することができ、一部の孔が下方に傾斜されている一方で、他の孔はそのようにされておらず、異なる角度で下方に傾斜させることができる。例えば、各列内の孔３１１ｅを１つおきに異なる形状／向きを有するようにすることができ又は１つの列（上側列に隣接する列）の孔３１１ｅは第１の形状／向きを有するのに対して、（上側の孔から離れた）最も遠位の列の孔３１１ｅは第２の形状／向きを有するようにすることができる。別の例として、一部の例示の実施形態では、（リング３１１の底部に最も近い）最も低い列の孔３１１ｅは径方向及び下方の双方に傾斜されているのに対して、隣接する列の孔３１１ｅは径方向のみに傾斜されている。当然ながら、逆の構成を用いることもできる。そのため、本発明の実施形態はガス流を最適化させることができ、それによってトーチの性能及びプラズマジェットの安定性が大幅に改善される。

図８は、既知のトーチの性能と本発明の例示のトーチの性能との例示の比較を示す。図から分かるように、本発明の実施形態により様々な利点が得られる。例えば、従来のトーチにおいて示すように、プラズマ中心部の主噴流は非常に短く、ノズルの出口において高い熱集中や急激なガス膨張がある。また、シールドガスがノズル出口から離れたシールドキャップを出て行くため、シールドガスとノズル噴流との間の領域で渦が形成され得る。この渦は、溶融スパッタをノズルの表面に付着させるのに十分長い期間この領域内に留まらせ、最終的にはトーチ及びその部品の初期故障をもたらすか、あるいは切断作業の劣化をもたらす。これを本発明の例示のトーチ（右側）と比較する。図示のように、ノズルの出口において流出速度がより制御されており、ノズルの出口には熱集中が殆どなく、主噴流コア部（primary jet core）もかなり長い。これは、厚さの大きい材料をより安定的に且つ一貫して切断することを可能にする。また、スパッタをノズル３１３に付着させる渦領域がない。

従って、本発明の様々な実施形態は、より長い期間に亘ってより高い精度とより大きな数の始動サイクルを提供可能な、改良された空冷引き込み式切断トーチを提供する。例えば、４０〜１００アンペアの範囲の切断電流を用いる本発明の実施形態では、本発明の実施形態は、アーク始動故障が起こる前に発生可能なアーク始動の数を２倍以上にすることができる。これは、既知の空冷トーチの構成に対して大幅な改善を表す。

特定の実施形態を参照しながら請求項に記載の主題を説明してきたが、当業者であれば、請求項に記載の主題の範囲から逸脱することなく様々な変更が加えられ、同等物が置換され得ることが分かる。それに加えて、特定の状況又は材料を請求項に記載の主題の教示に適合するために、請求項に記載の主題の範囲から逸脱することなく多くの変更が加えられ得る。従って、請求項に記載の主題は開示した特定の実施形態に限定すべきものでなく、請求項に記載の主題は添付の請求項の範囲に含まれる全ての実施形態を含む。

１０ 電源
１２ 筐体
１４ トーチアセンブリ
１８ トーチ端部
２０ 入力装置
２３ コネクタ
２４ ホース部
１００ システム
２００ トーチ
２００ａ トーチヘッド
２０１ コネクタ
２０３ 陰極体
２０５ 電極
２０５ａ ねじ部
２０５ｂ 部
２０５ｃ 円筒部
２０５ｄ 遠位端
２０７ ハフニウム挿入体
２０９ 絶縁体構造
２１１ 旋回リング
２１３ ノズル
２１３ａ 円筒突出部
３１１ｆ 空洞
２１３ｂ のど
２１５ シールド
２１５ａ 円筒突出部
２１７ａ リテーナアセンブリ
２１７ｂ リテーナアセンブリ
２１７ｃ リテーナアセンブリ
３００ トーチヘッド
３０５ 電極
３０５ａ ねじ部
３０５ｂ 固定部
３０５ｃ 下流円筒部
３０５ｄ 端部
３０５ｅ ナット部
３０５ｆ 据え付け部
３０５ｇ 平端面
３０７ ハフニウム挿入体
３１１ 旋回リング
３１１ａ 上側領域
３１１ｂ 下側領域
３１１ｃ 流路
３１１ｄ 孔
３１１ｅ 孔
３１３ ノズル
３１３ａ 端部
３１３ｂ 円筒部
３１３ｃ 先端部
３１３ｄ のど
３１３ｅ 入口部
３１３ｆ 幅狭のど部
３１３ｇ 幅広拡張部
３１３ｈ 先端面
３１３ｚ 熱バンド
３１５ シールドキャップ
３１５ａ ねじ付端部
３１５ｂ 円筒部
３１５ｃ シールドキャップ先端部
３１５ｄ 先端面
３１５ｅ 円形開口
３１５ｆ 内側傾斜面

Claims (10)

1. 空冷プラズマトーチのための電極であって、当該電極は、
   当該電極を固定するねじを有するねじ部と、
   電流方向において前記ねじ部の下流に位置する固定部であって、該固定部は、当該電極の最大直径である直径を有する大径部とナット部とを含み、該ナット部は該大径部の下流に位置し、該ナット部は標準的なナット取り外し工具と係合可能に構成されている、固定部と、
   前記ナット部の下流にある円筒部であって、該円筒部は、該円筒部の最大直径に対する前記大径部の直径の比の範囲が１．４〜１．８になるような最大外径を有し、該円筒部は円形平端面を有する遠位端を含む、円筒部と、
   前記円筒部の遠位端に挿入されるハフニウム挿入体であって、該ハフニウム挿入体は、直径に対する長さの比の範囲が２〜４の円筒形を有する、ハフニウム挿入体と、
   を含み、
   前記円形平端面は、前記円筒部の最大直径に対する前記円形平端面の直径の比の範囲が０．８〜０．９５になるような直径を有する、電極。
2. 前記円筒部の最大直径に対する前記大径部の直径の比の範囲は１．４〜１．６である、請求項１に記載の電極。
3. 前記電極は、４０〜１００アンペアの範囲の切断作業で用いるための空冷電極である、請求項１又は２に記載の電極。
4. 前記下流円筒部の最大外径の範囲は０．２〜０．４インチである、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電極。
5. 前記ハフニウム挿入体の直径に対する長さの比の範囲は２．２５〜３．５である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電極。
6. 前記円形平端面は直径を有し、該直径の前記下流円筒部の最大外径に対する比の範囲は０．８〜０．９５である、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電極。
7. 前記円形平端面は直径ｄを有し、該直径ｄの前記下流円筒部の最大外径に対する比の範囲は０．８３〜０．９１である、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電極。
8. 前記ナット部は六面六角頭ナットである、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電極。
9. 前記電極は、４０〜１００アンペアの範囲の切断作業のために用いられる空冷電極であり、
   前記円形平端面は直径を有し、該直径の前記下流円筒部の最大外径に対する比の範囲は０．８〜０．９５であり、
   前記下流円筒部の最大外径の範囲は０．２〜０．４インチである、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の電極。
10. 空冷プラズマトーチであって、
    先行する請求項のいずれか一項に記載の電極であって、該電極はワークピースを切断するためのプラズマジェットの発生源であるハフニウム挿入体を有する、電極と、
    空洞を有する円筒部と、遠位端にのどを有する円錐形下流部とを有するノズルであって、前記プラズマジェットが前記のどを通って送られるように前記電極が前記空洞に挿入されるノズルと、
    を含む空冷プラズマトーチ。

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