KR20080094792A - 접점 개시 플라즈마 아크 토치용 전극 및 이러한 전극들을 채용하는 접점 개시 플라즈마 아크 토치 - Google Patents
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Abstract
접점 개시 플라즈마 아크 토치용 전극은 전기 전도성 물질로 형성되는 긴 전극 바디를 포함한다. 상기 전극 바디는 상기 토치에 대해 이동 가능하다. 탄성 요소는 전원, 상기 전원과 전기적으로 통하는 전원 연결부, 및 상기 플라즈마 아크 토치의 파일럿 아크 작동 중에 상기 전극 바디 사이로 거의 모든 파일럿 아크 전류를 통과시키도록 사용된다. 상기 전극 및 토치는 접점 요소를 포함할 수 있으며, 상기 접점 요소는 상기 전력 접점과 전기적으로 통하는 제 1 표면 및 상기 전극 바디의 대응 접점 표면과 물리적으로 접하고 전기적으로 통하는 제 2 표면을 가짐으로써 이송된 아크 모드 중에 상기 전원 및 상기 전극 바디 사이에 거의 모든 이송된 아크 전류를 통과시킨다.
플라즈마 아크 토치, 파일럿 아크, 접점 요소, 전극
Description
본 발명은 플라즈마 아크 토치에 관한 것으로서, 특히, 접점 개시 플라즈마 아크 토치 분야의 전극 및 토치에 관한 것이다.
플라즈마 아크 토치 및 레이저와 같은 재료 처리 장치들은 공작물로서 공지된 금속 물질의 절단 및 표시에 널리 사용된다. 일반적으로, 플라즈마 아크 토치는 토치 바디, 상기 바디 내에 장착되는 전극, 중앙 출구 오리피스를 갖는 노즐, 전기 연결부들, 냉각 및 아크 제어 유체용 통로들, 유체 흐름 패턴을 제어하기 위한 소용돌이 링, 및 전원을 포함한다. 상기 토치 내에 사용되는 가스들은 비-반응성(예를 들면, 아르곤 또는 질소) 또는 반응성(예를 들면, 산소 또는 공기) 일 수 있다. 상기 토치는 플라즈마 아크를 생산하는바, 이는 높은 온도 및 높은 모멘텀을 갖는 플라즈마 가스의 압축 이온화된 제트이다.
플라즈마 아크 토치 내에 플라즈마 아크를 생산하는 하나의 방법은 접점 개시법이다. 상기 접점 개시법은 상기 전극과 노즐 사이에 물리적 접촉 및 전기적 통신을 확립하여 그들 사이에 전류 통로를 생성하는 단계를 포함한다. 상기 전극 및 노즐은 협동하여 상기 토치 바디 내에 플라즈마 챔버를 생성할 수 있다. 전류는 상기 전극 및 노즐에 제공되며, 가스는 상기 플라즈마 챔버로 도입된다. 가스 압력은 상기 압력이 상기 전극 및 노즐을 분리시키기에 충분할 때까지 증가한다. 상기 분리로 인해 상기 플라즈마 챔버 내의 상기 전극 및 노즐 사이에 아크가 형성된다. 상기 아크는 상기 도입된 가스를 이온화시켜 플라즈마 제트를 생성하며, 이는 물질 처리를 위한 공작물로 이송될 수 있다. 몇몇 분야에 있어서, 상기 전원은 상기 플라즈마 제트가 상기 공작물로 이송된 경우 상기 아크 및 이송된 아크 전류로서 공지된 제 2 전류의 생성 중에 파일럿 전류로서 공지된 제 1 전류를 제공하도록 적용된다.
다양한 구조가 아크를 생성하도록 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 전극은 고정 노즐로부터 떨어진 토치 바디 내에서 이동할 수 있다. 이러한 구조는 상기 가스 압력으로 인해 상기 전극이 상기 공작물로부터 멀어져 이동하도록 하기 때문에 “블로우-백(blow-back)” 접점 개시법이라고 불린다. 다른 구조에 있어서, 상기 노즐은 상대적으로 고정된 전극으로부터 멀어져 이동할 수 있다. 이러한 구조는 상기 가스 압력으로 인해 상기 노즐이 상기 공작물을 향해 이동하므로 “블로우-포워드(blow-forward)" 접점 개시법이라고 불린다. 또 다른 구조에 있어서, 다른 토치 구성요소들(예를 들면, 상기 소용돌이 링)은 상기 고정 전극 및 노즐 사이에서 이동될 수 있다.
상기 재료 처리 장치의 특정 부품들은 반복 사용으로 인해 품질이 저하된다. 이러한 “소모성” 부품들은, 플라즈마 아크 토치의 경우, 상기 전극, 소용돌이 링, 노즐, 및 차폐물을 포함한다. 또한, 상기 접점 개시법을 사용하는 상기 토치를 개시하는 공정에 있어서, 다양한 소모성 부품들이 잘못 정렬될 수 있는바, 이는 상기 부품들의 수명뿐만 아니라 플라즈마 제트 위치의 정확도 및 재생성을 감소시킨다. 이상적으로, 이들 부품들은 현장에서 용이하게 교체 가능하다. 그럼에도 불구하고, 소모성 부품들을 교체하는 것은 설비 정지 및 생산성 감소를 초래한다.
플라즈마 아크 토치를 접점 개시하는 블로우-백 방법에 있어서, 상기 전극은 상기 노즐로부터 떨어져 이동되어 상기 전극과 노즐 사이에 파일럿 아크를 시작한다. 상기 전극의 인접 단부(예를 들면, 공작물로부터 멀리 떨어진)는 상기 토치 바디의 일부를 형성하는 전력 접점과 결합한다. 상기 노즐로부터 멀어지는 전극의 이동은 상기 전력 접점 또한 이동시킨다. 상기 토치의 반복 사용은 상기 전력 접점과 상기 전극 모두의 마모를 초래한다. 상기 전극의 교체는 플라즈마 마크 토치 동작에 있어서 일상적인 것이며 그 과정은 통상적 방식으로 수행된다. 그러나, 전력 접점의 교체는 토치 바디의 해체를 필요로 하며, 상기 전력 접점이 소모성 부품으로서 설계된 것이 아니므로 시간 및 비용이 많이 소요될 수 있다. 몇몇 블로우-백 토치는 상대적으로 고정된 토치 바디에 대해 상기 전력 접점을 이동시키는 과정을 포함한다. 이러한 전력 접점의 이동 및 상기 토치의 유효성은 상기 전력 접점을 상기 전원에 연결하는 전력 케이블의 강도 및 강성에 의해 영향을 받는다.
예를 들면, 도 1은 공지된 접점 개시 플라즈마 아크 토치의 단면도이다. 상기 시스템(100)은 토치(112)에 전류를 제공하는 전력 접점(108)과 전류-이송 케이블(104)을 통해 전기적으로 통하는 전원(도시하지 않음)을 포함한다. 상기 토 치(112)는 상기 전력 접점(108)으로부터 전기적으로 절연되고 그를 둘러싸는 음극 블록(116)을 포함한다. 상기 전력 접점(108)은 전기 전도성 전극(124)의 인접 단부(120)와 접촉한다. 상기 음극 블록(116) 내에 배치되는 스프링(128)은 상기 음극 블록(116)의 표면(132)에 대해 반응하여 상기 전력 접점(108) 및 전극(124)을 전기 전도성 노즐(136)을 향해 가압한다. 상기 전극(124)은 공작물(도시하지 않음)을 처리하기 위한 아크의 개시 전에 상기 스프링에 의해 상기 노즐(136)과 접촉하도록 가압된다.
전류 경로는 상기 케이블(104)로부터 상기 전력 접점(108), 상기 전극(124), 및 상기 노즐(136)까지로 구성된다. 전류는 상기 전류 경로를 따라 통과될 수 있다. 상기 전극(124)은 상기 노즐(136)과 협동하여 플라즈마 챔버(140)의 일부를 형성한다. 플라즈마 가스는 상기 플라즈마 챔버(140)로 공급되어 상기 플라즈마 챔버(140) 내의 압력을 증가시켜 상기 스프링(128)에 의해 제공되는 힘을 극복할 수 있다. 상기 압력은 상기 전극(124) 및 상기 전력 접점(108)이 상기 노즐(136)로부터 멀어지도록 한다. 전위차는 상기 전극(124, 예를 들면, 음극) 및 상기 노즐(136, 예를 들면, 양극) 사이에서 그들 사이의 간극(144)이 증가함에 따라 발달한다. 아크(도시하지 않음)는 가스 입자들을 이온화시켜 공작물 처리용의 상기 간극(144)을 가로질러 개시된다.
상기 시스템(100)의 하나의 단점은 상기 전극(124)이 아크를 개시하도록 이동함에 따라 상기 전력 접점(108)도 이동하여야 한다는 것이다. 상기 케이블(104)의 전류 이송 용량이 증가함에 따라, 상기 케이블(104)의 크기는 증가하지만, 상기 케이블(104)의 유연성은 감소한다. 상기 케이블(104)의 감소된 유연성은 상기 토치(112)의 융통성 및 기동성을 감소시킨다. 또한, 상기 전원 접점(108) 및 상기 음극 블록(116)은 상대적으로 엄격한 허용 오차(예를 들면, 상기 전력 접점(108) 및 상기 음극 블록(116) 사이의 상대적으로 작은 틈새)를 요구한다. 상기 상대적으로 엄격한 허용 오차는 상기 전력 접점(108)의 이동 중, 예를 들면, 파일럿 아크의 개시 중 상기 전결 접점(108)을 위치설정 및 안내한다.
조기 고장 없이 접점 개시 플라즈마 아크 토치의 작동을 최적화하는 상기 토치용 전극이 필요하다. 또한, 현재의 토치 설계 내에서 부품 수명을 최대화하기 위한 본 명세서의 개념을 채용하는 접점 개시 토치가 필요하다. 따라서, 본 발명의 목적은 플라즈마 아크 토치의 전극으로 사용되는 긴 수명의 전극 및 부품을 제공하는데 있다. 본 발명의 다른 목적은 소모성으로 설계되지 않은 상기 토치의 부품들에 대한 마모를 감소시키는 구조를 제공하는데 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 토치 작동 중에(예를 들면, 파일럿 아크 및 이송된 아크 모드) 토치 부품들에 대한 정렬 특성을 제공하는데 있다.
하나의 관점에 있어서, 플라즈마 아크 토치용 전극은 전원과 전기적으로 통하는 전원 연결부를 갖는다. 상기 전극은 전기 전도성 물질로 이루어지며 길이방향 축선을 규정하는 긴 전극 바디를 포함한다. 상기 전극은 상기 플라즈마 아크 토치의 파일럿 아크 작동 중에 상기 전원 및 상기 전극 바디 사이의 거의 모든 파일럿 아크 전류를 통과시키는 탄성 요소를 포함한다. 상기 탄성 요소는 전기적 및 기계적 기능을 모두 수행하는바, 이는 상기 토치의 이중 기능 요소로 불릴 수 있다. 상기 탄성 요소는 전기 전도성 물질을 포함하여 파일럿 아크 전류의 이송 및 상기 파일럿 아크 전류 관련 열의 소산을 모두 용이하게 함으로써 상기 탄성 요소가 상기 파일럿 아크의 개시 중에 녹지 않도록 한다. 상기 전도성 물질은 예를 들면 상기 전도성 물질의 정격 전류를 토대로 선택될 수 있다. 상기 탄성 요소는 상기 전원 연결부 및 상기 전극 바디 사이의 파일럿 전류를 이송하기 위한 최소 저항 및/또는 최고 컨덕턴스의 경로를 포함한다. 또한, 상기 탄성 요소의 기계적 특성은 상기 플라즈마 아크 토치의 접점 개시를 위한 상기 전극 바디의 이동을 용이하게 한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 요소는 상기 토치에 대한 상기 전극 바디의 정렬을 돕는다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 전극 바디는 상기 토치에 대해 길이방향으로 이동가능하다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 전극 바디는 공작물로부터 멀리 위치하는 상기 전극 바디의 인접 단부에 대해 이격된 관계로 배치되는 반응 표면을 포함한다. 상기 반응 표면은 전기 전도성 탄성 요소와 전기적으로 통하도록 형성된다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 반응 표면은 상기 전극 바디와 일체로 형성되는 방사상 연장 플랜지를 포함한다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 요소는 상기 전극 바디에 대해 고정된다. 예를 들면, 상기 탄성 요소는 직경 억지 끼워 맞춤 또는 마찰 접합부에 의해 고정될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 요소는 상기 전극 바디의 말단부에 인접하여 배치되며, 상기 말단부는 발광 요소를 포함한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 요소는 상기 전극 바디와 일체로 형성된다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 파일럿 아크 작동은 파일럿 아크의 개시를 포함한다. 몇몇 실시예에 있어서, 파일럿 아크 작동은 상기 아크가 상기 공작물까지 이송되기 전 또는 상기 토치가 이송된 아크 모드에서 작동하기 전 파일럿 아크의 개시 및 상기 파일럿 아크의 개시 후 존속 기간을 포함한다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 전극은 상기 탄성 요소를 유지하고 상기 전극 바디를 미끄럼 가능하게 수용하기 위한 중공 바디를 더 포함한다.
다른 관점에 있어서, 플라즈마 아크 토치용 전극이 제공된다. 상기 전극은 길이방향 축선을 규정하는 전기 전도성 물질로 이루어진 긴 전극 바디, 및 발광 요소를 포함하는 말단부를 포함한다. 상기 전극 바디는 상기 토치에 대해 이동가능하다. 상기 전극은 접점 요소를 포함한다. 상기 접점 요소는 전원과의 전기적 도통을 용이하게 하는 제 1 표면 및 상기 토치가 이송된 아크 모드에서 작동되는 경우 상기 전극 바디의 대응 접점 표면과의 전기적 도통을 용이하게 하는 제 2 표면을 포함한다. 상기 접점 요소의 상기 제 2 표면은 파일럿 아크의 개시 중에 상기 전극 바디의 상기 접점 표면과의 접촉이 없는 것을 특징으로 한다.
상기 전극 바디는 상기 토치에 대해 축 방향으로 이동가능하다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 제 2 표면은 상기 토치가 이송된 아크 모드에서 작동되는 경우 상기 전극 바디의 상기 접점 표면과 물리적으로 접촉하도록 형성된다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 전극 바디는 전도성 탄성 요소와의 접촉하며 상기 전극 바디의 인접 단부에 대해 이격 관계로 배치되는 반응 표면을 포함한다. 상기 인접 단부는 상기 발광 요소를 포함하는 상기 말단부로부터 떨어져 배치된다. 상기 반응 표면은 상기 전극 바디와 일체로 형성되는 방사상 연장 플랜지에 의해 규정될 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 전극은 적어도 하나의 상기 접점 요소 또는 전극 바디와 전기적으로 통하는 전기 전도성 탄성 요소를 포함한다. 상기 탄성 요소는 적어도 하나의 상기 전극 바디 또는 상기 접점 요소와 일체로 형성될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 요소는 상기 전극 바디의 말단부에 인접 배치된다. 상기 탄성 요소는 상기 전극 바디에 의해 유지될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 전극 바디는 상기 전극 바디와 일체로 형성되는 반응 표면을 포함한다. 상기 탄성 요소는 상기 접점 요소의 상기 반응 표면 및 상기 제 2 표면 사이에 배치될 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 요소는 파일럿 아크 작동 중 상기 전원 및 상기 전극 바디 사이의 거의 모든 파일럿 아크를 통과시키도록 형성된다. 상기 탄성 요소는 적어도 하나의 스프링 또는 와이어를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 접점 요소의 적어도 일부는 상기 전극 바디와 미끄럼 가능하게 결합한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 접점 요소의 일부는 상기 접점 요소가 상기 전극 바디와 미끄럼 가능하게 결합하는 경우 상기 접점 요소 및 상기 전극 바디 사이의 파일럿 아크 전류의 통과를 용이하게 한다. 상기 접점 요소는 상기 전극 바디에 의해 유지될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 접점 요소는 상기 전극 바디의 방사상 이동을 제한하는 정렬 표면을 규정하는 연결 부재를 포함한다. 상기 연결 부재는 상기 접점 요소와 일체로 형성될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 전극 바디는 공작물로부터 멀리 떨어진 상기 전극 바디의 인접 단부에 인접하여 배치되는 수용체를 포함한다. 상기 수용체는 상기 접점 요소가 상기 전극 바디로부터 해제되는 것을 막도록 형성된다.
다른 관점에 있어서, 접점 개시 플라즈마 아크 토치의 토치 바디 내에 미끄럼 가능하게 장착되는 전원 및 토치 전극 사이에 전류를 통하는 접점 요소가 제공된다. 상기 접점 요소는 상기 전원과의 전기적 전도를 용이하게 하는 제 1 표면 및 상기 토치 전극의 인접 단부에 의해 규정되는 접점 표면과의 전기적 도통을 위한 제 2 표면을 포함한다. 상기 토치 전극이 상기 제 2 표면과 물리적 접촉하는 경우, 이송된 아크 전류의 적어도 일부는 이송된 아크 모드 내의 상기 토치의 작동을 위해 상기 접점 요소를 통과하고 상기 전원 및 상기 토치 전극 사이를 통과한다. 상기 접점 요소는 거의 모든 파일럿 아크 전류를 파일럿 아크 작동 중에 상기 전원으로부터 상기 전극 바디로 통과시키기 위해 상기 전극 바디에 인접하여 배치되는 전기 전도성 탄성 요소를 포함한다.
몇몇 실시예에 있어서, 연결 부재는 상기 제 2 표면으로부터 연장하여 상기 전극 바디와 미끄럼 가능하게 결합한다. 상기 연결 부재는 상기 제 2 표면과 일체로 형성될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 연결 부재는 상기 토치가 이송된 아크 모드에서 작동되는 경우 상기 전원 및 상기 전극 바디 사이에서 상기 이송된 아크 전류의 일부를 통과시키도록 형성되는 제 3 표면을 포함한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 접점 요소는 상기 전극 바디의 인접 단부의 일부를 둘러싸는 수용부를 포함한다. 상기 탄성 요소는 상기 접점 요소의 수용부 내에 배치될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 적어도 하나의 상기 제 1 표면 또는 제 2 표면은 환형 표면을 규정한다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 접점 요소는 상기 토치가 이송된 아크 모드에서 작동되는 경우 상기 전원과 전기적으로 통하고 상기 전원 및 상기 전극 바디 사이의 이송된 아크 전류의 일부를 통과시키기 위한 제 3 표면을 포함한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 접점 요소는 축선을 규정하는 정렬부를 포함한다. 상기 정렬부는 상기 전극 바디의 인접 단부와 이격 관계로 배치되며, 상기 전극 바디의 방사상 이동을 제한하도록 형성된다.
다른 관점에 있어서, 본 발명은 플라즈마 아크 토치용 전극을 특징으로 한다. 상기 전극은 전기 전도성 물질로 이루어지며 길이방향 축선을 규정하는 긴 전극 바디를 포함한다. 상기 전극 바디는 발광 요소를 수용하는 구멍을 규정하는 말단부 및 전원과 전기적으로 통하는 접점 표면을 규정하는 인접 단부를 포함한다. 상기 전극 바디는 접점 요소의 적어도 일부를 수용하도록 형성되는 상기 전극 바디의 상기 인접 단부 내에 배치되는 수용체를 포함한다. 상기 접점 요소의 제 1 부분은 파일럿 아크의 개시 중에 상기 전극 바디로부터 물리적으로 멀리 떨어지며, 상기 접점 요소의 상기 제 1 부분은 상기 토치가 이송된 아크 모드에서 작동되는 경우 전원 및 상기 전극 바디 사이의 거의 모든 이송된 아크 전류를 통과시키기 위한 것이다. 상기 구멍 및 수용체는 상기 전극 바디에 의해 분리된다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 접점 표면의 적어도 일부는 상기 수용체 내에 배치된다. 상기 접점 요소는 환형 구조를 포함할 수 있다. 상기 수용체는 원통형 부분 및 상기 접점 요소의 일부에 대해 반응하는 상기 수용체의 인접 단부에 배치되는 제한 표면을 포함하여 상기 접점 요소가 상기 수용체로부터 해제되는 것을 제한한다. 상기 제한 표면은 환형 구조를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 원통형 부분은 제 1 직경에 의해 규정되며, 상기 제한 표면은 제 2 표면을 포함하며, 상기 접점 요소의 연결 부재의 말단 영역은 제 3 직경을 규정하는바, 상기 제 3 직경은 상기 제 2 직경보다 크고 상기 제 1 직경보다 작다. 상기 말단 영역은 상기 연결 부재의 말단부일 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 수용체는 상기 전극 바디의 방사상 이동을 제한하기 위한 상기 수용체의 축선을 따라 형성되는 방사상 치수를 갖는 표면을 포함한다. 상기 방사상-치수 표면은 상기 수용체에 의해 수용되는 상기 접점 요소의 일부와 물리적으로 접촉하기 위한 것이다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 전극 바디는 상기 접점 표면에 대해 이격 관계로 배치되는 반응 표면을 포함한다. 상기 반응 표면은 상기 전극 바디와 일체로 형성되는 방사상 연장 플랜지일 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 전극은 상기 전극 바디에 의해 고정되는 전기 전도성 탄성 요소를 포함한다. 상기 반응 표면은 상기 탄성 전도성 요소와 접촉할 수 있다. 상기 탄성 요소는 직경 억지 끼워 맞춤에 의해 고정될 수 있다. 상기 탄성 요소는 상기 수용체에 배치될 수 있다.
다른 관점에 있어서, 접점 개시 플라즈마 아크 토치의 토치 바디를 미끄럼 가능하게 구비하는 전원 및 전극 바디 사이에 전류를 통하게 하는 접점 요소가 제공된다. 상기 전극 바디는 발광 요소를 포함하는 말단부를 포함한다. 상기 접점 요소는 상기 전원과의 전기적 도통을 용이하게 하는 제 1 표면 및 상기 전극 바디의 인접 단부와의 전기적 도통을 용이하게 하는 제 2 표면을 포함한다. 상기 제 2 표면은 파일럿 아크의 개시 중에 상기 인접 단부와 접촉하지 않고 이송된 아크 모드 중에 인접 단부와 접촉함으로써 상기 토치가 상기 이송된 아크 모드에서 작동되는 경우 상기 전원으로부터의 이송된 아크 전류의 적어도 일부가 상기 접점 요소의 상기 제 1 및 제 2 표면 사이를 통과하여 상기 전극 바디까지 가도록 한다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 접점 요소는 상기 전극 바디에 인접 위치되는 전기 전도성 탄소 요소를 포함한다. 상기 탄성 요소는 파일럿 아크 개시 중에 상기 전원 및 상기 전극 바디 사이에 거의 모든 파일럿 아크 전류를 통과시키기 위한 것이다. 상기 접점 요소는 상기 제 2 표면 및 상기 전극 바디 사이에 배치되는 연결 부재를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 연결 부재는 상기 제 2 표면과 일체로 형성된다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 연결 부재는 상기 전극 바디의 방사상 이동을 제한하기 위한 상기 인접 단부와 이격 관계인 축선 및 정렬 표면을 규정한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 제 1 표면, 상기 제 2 표면 또는 둘 다는 환형 표면을 규정한다.
상기 접점 요소는 소용돌이 링 부분을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 접점 요소는 상기 소용돌이 링 부분과 일체로 형성된다. 상기 소용돌이 링 부분은 상기 플라즈마 아크 토치를 통해 흐르는 가스로 방사상 움직임을 가한다. 상기 소용돌이 링 부분은 또한 상기 전극 바디를 상기 노즐로부터 절연할 수 있으며, 상기 가스를 복수의 핀(fin)을 규정하는 상기 전극 바디의 일부를 향해 가도록 한다. 상기 소용돌이 링 부분은 또한 상기 토치 내의 상기 전극 바디의 방사상 이동을 제한할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 소용돌이 링 부분은 이러한 기능들을 모두 수행할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 소용돌이 링 부분은 이들 기능 중 하나 또는 그 이상을 수행한다. 상기 소용돌이 링 부분에 의해 수행되지 않는 기능들은 하나 또는 그 이상의 개별 부품에 의해 수행될 수 있다.
다른 관점에 있어서, 플라즈마 아크 토치가 제공된다. 상기 플라즈마 아크 토치는 상기 토치로 전류를 제공하는 전원을 포함한다. 상기 토치는 상기 전극 바디의 인접 단부와 말단부에 의해 규정되는 축선을 따라 상기 토치 내에 미끄럼 가능하게 장착되는 노즐 및 전기 전도성 전극 바디에 의해 규정되는 플라즈마 챔버를 포함한다. 상기 인접 단부는 접점 표면을 규정하며, 상기 말단부는 상기 노즐의 출구 오리피스에 인접 배치된다. 상기 토치는 상기 플라즈마 챔버에 대해 고정 위치에 배치되는 전력 접점을 포함한다. 상기 전력 접점은 상기 전원과 전기적으로 통한다. 상기 토치는 파일럿 아크 작동 중 상기 전극 바디의 상기 전력 접점 및 상기 접점 요소 사이로 거의 모든 파일럿 아크 전류를 통과시키는 탄성 전도성 요소를 포함한다. 상기 토치는 접점 요소를 포함한다. 상기 접점 요소는 상기 전력 접점과 전기적으로 통하는 제 1 표면 및 상기 전극 바디의 대응 접점 표면과 전기적으로 통하는 제 2 표면을 포함한다. 상기 접점 요소는 이송된 아크 모드 중에 상기 전원 및 상기 전극 바디 사이로 이송된 아크 전류를 통과시킬 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 전도성 요소는 상기 전극 바디를 상기 노즐을 향해 가압한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 접점 요소는 상기 전극 바디에 대해 고정 위치에 배치된다. 상기 접점 요소는 상기 전력 접점과 일체로 형성될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 토치는 상기 노즐의 출구 오리피스에 인접 위치되는 출구 포트를 규정하는 차폐물을 포함한다. 상기 차폐물은 상기 플라즈마 아크 토치의 토치 바디 상에 지지되는 고정 캡 상에 장착될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 토치는 상기 토치를 통해 흐르는 가스에 대해 방사상 움직임을 가한다.
다른 관점에 있어서, 플라즈마 아크 토치가 제공된다. 상기 플라즈마 아크 토치는 상기 토치에 전류를 제공하기 위한 전원을 포함한다. 상기 토치는 상기 전극 바디의 인접 단부와 말단부에 의해 규정되는 축선을 따라 상기 토치 내에 미끄럼 가능하게 장착되는 전기 전도성 전극 및 노즐에 의해 규정되는 플라즈마 챔버를 포함한다. 상기 전극 바디는 접점 표면을 규정하며, 상기 말단부는 상기 노즐의 출구 오리피스에 인접 배치된다. 상기 토치는 플라즈마 챔버에 대해 고정 위치에 배치되는 전력 접점을 포함하며 상기 전원과 전기적으로 통한다. 상기 토치는 상기 플라즈마 아크 토치의 파일럿 아크 작동 중 상기 전극 바디의 상기 전력 접점과 상기 접점 표면 사이에 거의 모든 파일럿 아크 전류를 통과시키는 탄성 전도성 요소를 포함한다. 상기 탄성 전도성 요소는 상기 전극 바디를 상기 노즐을 향해 가압한다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 전력 접점은 상기 토치가 이송된 아크 모드에서 작동되는 경우 상기 전극 바디의 대응 제 2 점점 표면과 물리적으로 접촉하고 전기적으로 통하는 것을 용이하게 하는 제 1 표면을 포함한다. 상기 전력 접점의 상기 제 1 표면은 파일럿 아크의 개시 중에 상기 전극 바디의 상기 대응 제 2 접점 표면과의 접촉이 없다는 것을 특징으로 한다.
다른 관점에 있어서, 전원과 전기적으로 통하는 플라즈마 아크 토치용 전극이 제공된다. 상기 전극은 전기 전도성 물질로 이루어지며 길이방향 축선을 규정하는 긴 전극 바디를 포함한다. 상기 전극 바디는 파일럿 아크의 개시 중에 상기 전원 및 상기 전극 바디 사이의 파일럿 아크 전류의 통과를 용이하게 하는 제 1 전도성 요소와 전기적으로 통하는 제 1 표면을 포함한다. 상기 전극 바디는 또한 상기 제 1 표면으로부터 멀리 떨어져 위치되는 제 2 표면을 포함한다. 상기 제 2 표면은 이송된 아크 작동 중에 상기 전원 및 상기 전극 바디의 사이에 거의 모든 이송된 아크 전류의 통과를 용이하게 하는 전력 접점의 대응 표면과 물리적으로 접하며 전기적으로 통할 수 있다. 상기 전극 바디의 상기 제 2 표면은 상기 파일럿 아크의 개시 중에 상기 전력 접점의 대응 표면과의 접촉이 없다는 것을 특징으로 한다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 전극 바디는 상기 토치에 대해 길이방향으로 이동가능하다. 본 명세서에 개시된 실시예들이 상기 토치 내의 상기 전극 바디의 길이방향 이동에 일차적으로 관련된다 하더라도, 몇몇 실시예는 축선을 따른 길이방향이 아닌 방향으로 이동 가능한 전극 바디를 특징으로 한다. 예를 들면, 상기 전극 바디는 파일럿 아크의 개시 또는 기타 토치 작동 중에 길이방향 축선을 횡단하는 방향으로 이동할 수 있다. 상기 전극 바디는 또한 상기 축선을 중심으로 회전 이동할 수도 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 전극 바디의 다른 이동은 길이방향, 횡단 또는 회전 이동의 조합(예를 들면, 트위스트 또는 굽힘 이동)일 수 있다.
다른 관점에 있어서, 전극을 수용하는 플라즈마 토치 구성요소가 제공된다. 상기 구성요소는 파일럿 아크의 전기적 도통을 용이하게 하는 긴 중공 바디 및 전기 전도성 탄성 부재를 포함한다. 상기 긴 중공 바디는 제 1 단부 및 제 2 단부를 갖는다. 상기 긴 중공 바디는 (a) 내부 표면, (b) 상기 내부 표면상에 위치되며 상기 중공 바디의 상기 제 1 단부 및 상기 제 2 단부 사이에 배치되는 하나 또는 그 이상의 외형, 단차 또는 플랜지로서, 상기 전극의 상보형 부분을 미끄럼 가능하게 수용하도록 적용되는 형상의 개방공을 규정하는 상기 적어도 하나의 외형, 단차 또는 플랜지, (c) 전기적 접점 요소를 수용하는 크기의 상기 중공 바디의 상기 제 1 단부 내의 제 1 개방공, 및 d) 상기 전극을 미끄럼 가능하게 수용하는 크기의 상기 중공 바디의 상기 제 2 단부 내의 제 2 개방공을 포함한다. 상기 전기 전도성 탄성 부재는 상기 중공 바디 내에 배치되어, 상기 탄성 부재가 상기 하나 또는 그 이상의 외형, 단차 또는 플랜지에 의해 상기 중공 바디 내에 적어도 부분적으로 유지되도록 하되, 상기 탄성 부재는 상기 제 1 개방공에 정렬된다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 구성요소의 상기 중공 바디는 가스에 대해 소용돌이 흐름을 가하는 상기 중공 바디의 상기 제 2 개방공에 인접한 복수의 구멍을 더 포함한다. 실시예는 또한 상기 중공 바디의 상기 제 1 단부 내에 배치되는 접점 요소를 포함한다. 본 실시예에 있어서, 상기 접점 요소는 상기 중공 바디 내에 상기 탄성 부재를 유지하며 상기 탄성 부재 및 전원 사이의 전기적 결합을 용이하게 한다.
다른 관점에 있어서, 접점 개시 플라즈마 아크 토치용 전극이 제공된다. 상기 전극은 전기 전도성 물질로 형성되는 긴 전극 바디와 상기 전극 바디에 인접 위치되는 제 2 단부를 포함한다. 상기 전극 바디는 길이방향 축선, 및 발광 요소를 수용하는 말단부를 규정한다. 상기 제 2 단부는 제 1 방향을 따른 제 1 길이 및 제 2 방향을 따른 제 2 길이를 갖는 축방향 연장부를 규정한다. 상기 축방향 연장부의 상기 제 2 길이는 상기 제 1 길이보다 크다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 축방향 연장부의 상기 제 1 방향 및 상기 제 2 방향은 상기 길이방향 축선과 직교하는 표면을 규정한다. 어떤 실시예에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 방향은 서로 직교한다. 상기 전극은 둘 또는 그 이상의 축방향 연장부를 포함할 수 있는바, 각각의 축방향 연장부는 각각의 제 1 길이 및 상기 각각의 제 1 길이보다 큰 각각의 제 2 길이를 갖는다. 어떤 실시예에 있어서, 상기 둘 또는 그 이상의 축방향 연장부는 상기 축선을 중심으로 등간격 구조로 배치된다. 상기 플라즈마 아크 토치의 이송된 아크 작동을 위한 작동 전류의 값은 상기 둘 또는 그 이상의 축방향 연장부의 숫자와 관련될 수 있다. 즉, 구체적 작동 전류는 상기 전극 바디 상에 위치하는 축방향 연장부의 구체적 숫자에 대응할 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 축방향 연장부의 제 1 방향 및 제 2 방향은 상기 축선으로부터 방사상으로 멀어져 연장한다. 일 실시예에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 방향은 제 1 영역 및 제 2 영역ㄹ을 포함하는 표면을 규정한다. 상기 제 1 영역은 파일럿 아크 개시 중에 거의 모든 파일럿 아크 전류를 그들 사이로 통과시키는 탄성 요소와 전기적으로 통한다. 상기 제 2 영역은 이송된 아크 작동을 위한 전력 접점과 물리적으로 접촉하며 전기적으로 통한 상태로 이동된다. 어떤 실시예에 있어서, 상기 전력 접점은 전원과 전기적으로 통한다. 상기 전력 접점은 상기 제 2 영역과 물리적으로 접하고 전기적으로 통하는 제 1 접점 표면 및 상기 탄성 부재와 전기적으로 통하는 제 2 접점 표면을 포함한다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 제 2 단부 및 상기 전극 바디는 일체로 형성된다. 어떤 실시예에 있어서, 상기 전극은 숄더(shoulder)에 대해 배치되는 내부 표면을 규정하는 소용돌이 링을 더 포함한다. 상기 숄더는 상보형 외형의 경계선을 규정하여 상기 제 2 길이 및 상기 상보형 외형의 경계선이 정렬되는 경우 그를 통한 상기 제 2 길이의 통과를 용이하게 한다. 어떤 실시예에 있어서, 상기 숄더는 상기 제 2 길이 및 상기 상보형 외형의 경계선이 정렬되지 않는 경우 그를 통한 상기 축방향 연장부의 통과를 방해한다. 상기 상보형 외형의 경계선은 상기 제 2 길이보다 큰 제 3 길이를 규정할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 축방향 연장부의 제 2 길이는 상기 전극 바디의 폭과 거의 동일하다.
다른 관점에 있어서, 접점 개시 플라즈마 아크 토치용 소용돌이 링이 제공된다. 상기 소용돌이 링은 (a) 길이방향 축선을 따라 절연 물질로 형성되며 외부 표면 및 내부 표면을 규정하는 중공 바디, (b) 상기 외부 표면으로부터 상기 내부 표면까지 연장하는 하나 또는 그 이상의 가스 통로, 및 (c) 상기 내부 표면에 대해 배치되며 전극 바디의 상보형 부분을 수용할 수 있는 외형의 개방공을 규정하는 숄더 부분을 포함한다.
본 관점의 몇몇 실시예에 있어서, 상기 숄더 부분은 상기 외형의 개방공 및 상기 상보형 부분이 정렬되는 경우 상기 전극 바디의 상기 상보형 부분이 그를 통과하도록 한다. 어떤 실시예에 있어서, 상기 숄더 부분은 상기 외형의 개방공 및 상기 상보형 부분이 정렬되지 않는 경우 그를 통한 상기 전극 바디의 상기 상보형 부분의 통과를 방해한다. 상기 숄더 부분은 상기 전극 바디의 각도 변위를 제한하도록 반응 부분을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 외형의 개방공은 내부 직경 및 외부 직경을 규정한다. 상기 소용돌이 링은 또한 상기 축선을 중심으로 등각 구조로 배치되는 상기 외형의 개방공 내에 둘 또는 그 이상의 부분을 포함하며, 상기 둘 또는 그 이상의 부분은 상기 외형의 개방공의 외경에 의해 규정된다.
다른 관점에 있어서, 접점 개시 플라즈마 아크 토치용 구성요소가 제공된다. 상기 구성요소는 상기 바디의 길이방향 축선 및 내부 표면을 규정하는 중공 바디를 포함한다. 상기 바디의 내부 표면은 전극 바디의 상보형 부분을 상기 축선을 따라 미끄럼 가능하게 수용할 수 있는 형상의 개방공을 규정하는 하나 또는 그 이상의 외형, 단차 또는 플랜지를 포함한다. 상기 형상의 개방공은 제 1 방향을 따른 제 1 길이 및 제 2 방향을 따른 제 2 길이를 갖는다. 상기 제 2 길이는 상기 제 1 길이보다 크다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 구성요소는 외부, 내부 및 상기 외부에서 상기 내부까지 관통하여 유체에 소용돌이 이동을 가하는 하나 또는 그 이상의 구멍을 규정하는 소용돌이 링 부분을 더 포함한다. 상기 소용돌이 링 부분은 상기 중공 바디와 일체로 형성될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 외형, 단차 또는 플랜지는 탄성 요소의 대응 표면과 접촉하여 상기 탄성 요소가 상기 토치로부터 분리되는 것을 막는다.
다른 관점에 있어서, 접점 개시 플라즈마 토치용 전극이 제공된다. 상기 전극은 긴 전극 바디 및 상기 전극 바디에 인접 위치되는 제 2 단부를 포함한다. 상기 긴 전극 바디는 전기 전도성 물질로 형성되며 길이방향 축선과 발광 요소를 수용하는 말단부를 규정한다. 상기 제 2 단부는 상기 길이방향 축선을 중심으로 하는 제 1 직경을 갖는 제 1 표면 및 상기 제 1 표면으로부터 인접하여 연장하는 하나 또는 그 이상의 영역을 규정한다. 하나 또는 그 이상의 영역 각각은 탄성 전도성 요소와 물리적으로 접하며 전기적으로 통하도록 형성되어 파일럿 전류의 흐름을 용이하게 하는 부분을 갖는다.
본 관점의 몇몇 실시예에 있어서, 상기 전극의 제 2 단부의 제 1 표면은 전력 접점의 대응 표면과 물리적으로 접하고 전기적으로 통한 상태로 이동되어 이송된 아크 전류의 통과를 용이하게 한다. 어떤 실시예에 있어서, 상기 전극은 상기 제 1 표면에 대해 위치되는 제 2 표면을 더 포함한다. 상기 제 2 표면은 전력 접점의 대응 표면과 물리적으로 접하고 전기적으로 통한 상태로 이동되어 이송된 아크 전류의 통과를 용이하게 한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 제 2 표면은 상기 제 1 표면에 대해 평행하고 상기 제 1 표면에 대해 멀리 위치되거나 상기 제 1 표면에 대해 인접 위치된다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 제 2 단부의 상기 제 1 표면으로부터 인접 연장하는 하나 또는 그 이상의 영역은 상기 길이방향 축선과 거의 평행하다. 상기 하나 또는 그 이상의 영역 각각은 상기 제 1 직경보다 작은 제 2 직격을 규정할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 영역 각각은 상기 길이방향 축선으로부터 직경방향으로 등간격 배치된다.
다른 관점에 있어서, 접점 개시 아크 토치용 전극이 제공된다. 상기 전극은 전기 전도성 물질로 형성되며 상기 전극 바디에 인접 위치되는 발광 요소 및 제 2 단부를 수용하는 길이방향 축선 및 말단부를 규정하는 긴 바디를 포함한다. 상기 제 2 단부는 상기 플라즈마 아크 토치의 구성요소의 내부 표면을 상기 축선을 따라 미끄럼 가능하게 결합하는 수단, 파일럿 아크 개시 중에 탄성 요소와 전기적으로 통하여 그 사이의 파일럿 전류의 흐름을 용이하게 하는 수단, 및 이송된 아크 작동 중에 전력 접점과 물질적으로 접한 상태의 이동시 전기적으로 통하는 수단을 포함한다.
다른 관점에 있어서, 접점 개시 플라즈마 아크 토치용 전극이 제공된다. 상기 전극은 전기 전도성 물질로 형성되며 전극 폭을 규정하는 긴 전극 바디로서, 인접 부재에 미끄럼 가능하게 부착될 수 있는 상기 긴 바디, (b) 상기 전극 바디의 말단부, (c) 상기 전극 바디의 말단부에 위치되는 발광 요소, (d) 작동 전류를 받는 표면을 갖는 상기 전극 바디의 제 2 단부, 및 (e) 상기 전극 바디의 상기 말단부 및 상기 제 2 단부 사이의 위치에 놓여지는 방사상 연장부를 포함한다. 상기 방사상 연장부는 파일럿 아크 전류를 받는 표면을 갖는다. 상기 방사상 연장부는 제 1 길이를 갖는 제 1 부분 및 제 2 길이를 갖는 제 2 부분을 갖는다. 상기 제 2 길이는 상기 전극 폭 및 상기 제 1 길이보다 크다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 전술한 관점 중 어느 것은 상기 특징 중 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예는 전술한 특징 및 장점 모두를 제공할 수 있다. 이들 및 다른 특징들은 이하의 설명 및 첨부 도면을 참조로 보다 명료하게 이해될 수 있는바, 이들은 예시적인 것이며 척도가 반드시 맞을 필요는 없다.
도 1은 공지된 접점 개시 플라즈마 아크 토치의 단면도이다.
도 2A는 본 발명에 따른 실시예의 전극 바디, 전도성 탄성 요소 및 전력 접점의 분리도이다.
도 2B는 파일럿 아크 작동 전 도 2A의 구성요소를 채용하는 바람직한 접점 개시 플라즈마 아크 토치의 단면도이다.
도 2C는 이송된 아크 모드 중에 도 2B의 상기 플라즈마 아크 토치의 단면도이다.
도 3A는 접점 개시 플라즈마 아크 토치에 사용되는 전극의 바람직한 실시예의 단면도이다.
도 3B는 상기 전극의 실시예의 조립 전 도 3A의 상기 전극의 구성요소의 상세 도면이다.
도 4A는 파일럿 아크 작동 전 구조에서의 예시적 구성요소를 포함하는 바람직한 접점 개시 플라즈마 아크 토치의 단면도이다.
도 4B는 이송된 아크 모드 중의 구조에서의 예시적 구성요소를 포함하는 도 4A의 상기 플라즈마 아크 토치의 단면도이다.
도 5A는 상기 전극 바디의 수용체 내에 배치되는 접점 요소 및 탄성 전도성 요소를 포함하는 바람직한 전극의 단면이다.
도 5B는 이송된 아크 모드에 배치되는 도 5A의 상기 전극을 도시한다.
도 6A는 상기 전극 바디의 인접 단부에 배치되는 접점 요소 및 탄성 전도성 요소를 포함하는 바람직한 전극의 단면도이다.
도 6B는 이송된 아크 모드에 배치되는 도 6A의 상기 전극을 도시한다.
도 7A는 본 발명의 원리를 구현하는 바람직한 접점 요소, 탄성 요소 및 전력 접점의 부분 분해도를 도시한다.
도 7B는 플라즈마 아크 토치 작동에 배치되는 도 7A의 구성요소를 도시한다.
도 8A는 플라즈마 아크 토치 내의 설치 전 전극 바디, 탄성 전도성 요소 및 접점 요소의 다른 실시예의 단면도이다.
도 8B는 이송된 아크 모드 중에 도 8A의 구성요소의 구조를 도시한다.
도 9는 본 발명을 구현하는 전극의 다른 실시예의 단면도이다.
도 10A는 바람직한 접점 요소 및 탄성 전도성 요소의 사시도이다.
도 10B는 파일럿 아크 작동 중에 도 10A의 구성요소를 채용하는 플라즈마 아크 토치의 일부 단면도이다.
도 11A는 접점 개시 플라즈마 아크 토치에서 사용되는 바람직한 접점 요소를 도시한다.
도 11B는 수직 축선을 중심으로 90도 회전된 도 11A의 접점 요소를 도시한 다.
도 12A는 접점 개시 플라즈마 아크 토치용 조립체의 단면 부분 사시도이다.
도 12B는 도 12A의 조립체의 분해 사시도이다.
도 12C는 도 12A의 조립체의 일부의 평면도이다.
도 13A는 접점 개시 플라즈마 아크 토치의 전극의 사시도이다.
도 13B는 도 13A의 전극에 사용되는 조립체의 평면도이다.
도 14A는 접점 개시 플라즈마 아크 토치의 전극의 사시도이다.
도 14B는 도 14A의 전극에 사용되는 조립체의 평면도이다.
도 15A는 접점 개시 플라즈마 아크 토치의 전극의 사시도이다.
도 15B는 도 15A의 전극에 사용되는 조립체의 평면도이다.
도 16은 접점 개시 플라즈마 아크 토치의 전극의 사시도이다.
도 2A는 본 발명에 따른 실시예의 전극 바디, 전도성 탄성 요소 및 전력 접점의 분리도이다. 시스템(200)은 전극 바디(202), 탄성 전도성 요소(204), 및 전력 접점(206, 전력 연결부라고도 불림)을 포함한다. 상기 전력 접점(206)은 전원(도시하지 않음), 예를 들면, 전력 케이블(예를 들면, 도 1의 전력 케이블(104))와 전기적으로 통한다. 상기 전원은 도 1의 토치(112)와 유사한 플라즈마 아크 토치를 작동하도록 사용되는 전류를 상기 전력 접점(206)에 제공한다. 상기 전극 바디(202)는 상기 탄성 전도성 요소(204)와 전기적으로 통하도록 구성된 반응 표면(208)을 포함한다. 상기 반응 표면(208)은 상기 전극 바디(202)의 인접 단 부(210)와 이격 관계로 배치된다. 몇몇 실시예에 있어서 상기 반응 표면(208)은 상기 전극 바디(202)와 일체로 형성된다. 예를 들면, 상기 반응 표면(208)은 상기 전극 바디(202)와 동일한 물질로 제조되거나 다른 물질로 제조될 수 있지만, 상기 전극 바디(202)에 접합 또는 고정될 수도 있다.
상기 전극 바디(202)의 인접 단부(210)는 말단부(212)와 반대로 배치된다. 도시된 실시예에 있어서, 상기 말단부(212)의 직경은 상기 인접 단부(210)의 직경보다 커서 토치 내에 설치 시 상기 탄성 전도성 요소(204)가 상기 인접 단부(210)를 둘러싸도록 한다. 다시 설명하면, 상기 인접 단부(210)의 직경은 상기 탄성 전도성 요소(204)의 내경보다 작다. 다른 실시예에 있어서, 상기 인접 단부(210)는 상기 말단부(212)의 직경과 같거나 크다.
상기 전력 접점(206)은 상기 탄성 전도성 요소(204)에 대해 반응하는 표면(214)을 포함한다. 상기 탄성 전도성 요소(204)는 상대적으로 고정된 표면(214) 및 상대적으로 이동 가능한 전극 바디(202)의 반응 표면(208)에 대해 반응하여 파일럿 아크 작동 중에 상기 전극 바디가 상기 전력 접점(206)으로부터 멀어지도록 가압한다. 상기 전극 바디(202)는 상기 전력 접점(206)의 대응 표면(218)과 물리적으로 접하고 전기적으로 통하도록 구성된 접점 표면(216)을 규정한다. 파일럿 아크 작동의 후반부 및 이송된 아크 모드 중에, 상기 접점 표면(216)은 상기 대응 표면(218)과 접하게 된다. 상기 표면(218)에 인접하고 상기 표면(214)까지 연장하는 상기 전력 접점(206)의 상기 부분(220)은 상기 탄성 전도성 요소(204)가 상기 부분(220)을 둘러쌀 정도의 직경을 규정한다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 전력 접점(206)은 도 1의 전력 접점(108)의 일부로서 제조될 수 있다 (예를 들면, 상기 전력 접점(206)의 특징을 포함하도록 상기 전력 접점(108)을 가공함으로써). 이러한 실시예들은 사용자가 도 1의 종래의 토치 시스템(112)에 있어서 도 2A에 대해 설명된 개념을 채용할 수 있도록 한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 전력 접점(108)은 상기 전력 접점(108)에 홈을 가공하고 상기 전력 접점(108)을 상기 토치(112)에 대해 클립 또는 고정 링(도시하지 않음)으로 고정함으로써 도 1의 블로운-백(blown-back) 위치에 위치시킬 수 있다. 이러한 방식에 있어서, 상기 전력 접점(108)은 파일럿 아크 작동 및 이송된 아크 작동 중에 상기 토치(112)에 대해 고정된 상태를 유지한다. 일반적으로, 상기 실시예들 중 어느 것이든 본 명세서의 원리에 따라 상기 전력 접점(108)을 변경함으로써 도 1의 토치 시스템(112)에 사용될 수 있다.
상기 상대적으로 고정된 전력 접점(108)은 상기 전력 케이블로부터의 유연성을 덜 필요로 한다. 파일럿 아크 전류로서 사용되기에 적절한 바람직한 전류는 10 내지 31 암페어(amps) 사이이다. 이송된 아크 작동 중의 전류는 대략 200 암페어까지 올라갈 수 있다. 그러나, 대략 200 암페어 이상의 전류, 예를 들면, 400 암페어도 본 발명의 범주 내에 들어간다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 전력 접점(108)은 파일럿 아크 작동 및 이송된 아크 작동 중에 전류를 통과시키기에 적절한 텔루르 구리(tellurium copper), 황동, 구리, 또는 기타 물질로 제조된다.
일반적으로, 파일럿 아크 작동은 상기 전극 바디(202)에 대한 전류의 제공 및 공작물에 대한 플라즈마 아크의 이송 사이의 기간을 칭한다. 보다 상세히 설명 하면, 파일럿 아크 작동은 파일럿 아크의 개시 및 상기 파일럿 아크의 개시 이후 상기 공작물에 대한 아크의 이송 이전의 어느 정도 기간을 포함한다. 몇몇 토치 디자인은 플라즈마 아크가 공작물까지 이송되었는가에 관계없이 소정 시간 후에 파일럿 아크 작동을 종료하는 안전 메커니즘을 포함한다. 이러한 메커니즘은 상기 토치가 구체적 적용 없이 작동되는 시간(예를 들면, 공작물 처리)을 제한함으로써 토치 부품의 작동 수명을 연장하고 안전성을 높이도록 설계된다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 전도성 요소(204)는 상기 전극 바디(202) 또는 상기 전력 접점(206)에 고정된다. 다른 실시예에 있어서, 상기 탄성 전도성 요소(204)는 상기 전극 바디(202) 및 상기 전력 접점(206)에 고정된다. 예를 들면, 상기 탄성 전도성 요소(204)는 용접, 납땜, 접착, 또는 기타 체결 방식으로 상기 전극 바디(202) 또는 상기 전력 접점(206)에 고정될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 전도성 요소(204)는 직경 억지 끼워 맞춤 또는 다른 방식의 마찰 접합부에 의해 상기 전극 바디(202)의 인접 단부(208)에 고정된다. 예를 들면, 상기 전극 바디의 인접 단부(208)의 외경은 상기 탄성 전도성 요소(204)의 내경보다 약간 크다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 전극 바디(202)의 인접 단부(208)는 상기 탄성 전도성 요소(204)의 내경보다 작은 내경을 갖는 연장부(도시하지 않음)을 특징으로 한다. 상기 연장부는 상기 전극 바디(202)에 일체로 형성되거나, 상기 전극 바디(202)에 고정될 수 있다. 이러한 구조는 도 1의 전극 바디(124)가, 예를 들면, 도 2B의 토치(240)에 사용될 수 있도록 한다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 전력 접점(206)의 상기 부분(220)은 길이방향 축선(A)을 따라 테이퍼 지거나 절두 원추 형상을 갖는다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 전극 바디(202)는 상기 탄성 전도성 요소(204)의 내경보다 큰 직경을 갖는 방사상 연장 숄더(도시하지 않음)를 포함함으로써 상기 방사상 연장 숄더를 통과하는(예를 들면, 넘어가는) 상기 전극 바디의 말단부(212)를 향해 상기 탄성 전도성 요소를 이동시킴으로써 상기 탄성 전도성 요소(204)가 상기 전극 바디(202)로부터 해제되어 상기 인접 단부(210)를 향해 축방향으로 이동하지 못하게 한다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 숄더의 말단 면(도시하지 않음)은 상기 전극 바디(202)의 반응 표면이다. 유사한 직경 억지 끼워 맞춤이 상기 전력 접점(206)에 대해 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 탄성 전도성 요소(204)는 상기 전력 접점의 표면(214)을 지나 상기 전극 바디(202)로부터 축방향으로 멀어짐으로써 상기 부분(220)과 반대인 표면(214)의 면(222)이 상기 탄성 전도성 요소(204)의 상기 전력 접점으로부터의 해제를 막는다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 면(222)과 상기 탄성 전도성 요소(204) 사이의 인터페이스는 상기 전력 접점(206)으로부터의 전류 경로를 구성한다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 전도성 요소(204)는 상기 인접 단부(210) 대신 상기 전극 바디(202)의 말단부(212)와 이격 관계로 배치된다. 상기 말단부(212)는 보다 효율적인 플라즈마 아크 생성 및 공작물 처리를 위해 하프늄(hafnium)과 같은 발광 요소(도시하지 않음)를 포함하는 것이 일반적이다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 전도성 요소(204)는 상기 전극 바디(202) 또는 전력 접점(206)과 일체로 형성된다. 예를 들면, 상기 탄성 전도성 요소(204)는 상기 전 극 바디(202)와 동일한 물질로 형성될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 상기 탄성 전도성 요소(204)는 상기 전극 바디(202)에 접착 또는 고정되어 정상 작동 조건(예를 들면, 가스 압력 및/또는 중력 또는 다른 힘의 영향) 하에서 상기 전극 바디(202)로부터의 해제를 막는다.
도 2B는 도 2A의 구성요소 및 개념을 채용하는 바람직한 접점 개시 플라즈마 아크 토치의 단면도이다. 도 2B의 구조는 파일럿 아크 작동 전의 상기 토치(240)를 도시한다. 상기 토치(240)는 토치 바디(242) 내에 장착되는 도 2A의 상기 전극 바디(202), 상기 탄성 전도성 요소(204) 및 상기 전력 접점(206)을 포함한다. 노즐(244) 및 소용돌이 링(246)도 상기 토치 바디(242)에 장착된다. 상기 전력 접점(206)은 상기 이동 가능한 전극 바디(202)에 대해 상대적으로 고정 위치된다. 상기 전력 접점(206)은 상기 전극 바디(202)의 말단부(212)로부터 반대쪽에 (예를 들면, 상기 토치(240)의 후방 단부) 위치된다. 상기 전극 바디(202)의 말단부(212)는 상기 노즐(244)의 출구 오리피스(250)와 거의 정렬되는 발광 요소(248)를 포함한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 발광 요소(248) 및 상기 출구 오리피스(250)는 상기 길이방향 축선(A)을 중심으로 거의 맞추어진다. 상기 소용돌이 링(246)은 상기 토치 바디(242) 내의 상기 전극 바디(202)의 방사상 이동을 부분적으로 제한하도록 위치된다. 예를 들면, 상기 소용돌이 링(246)은 상기 전극 바디(202)의 소용돌이 링(246) 및 하나 또는 그 이상의 방사상 핀(fin)(252) 사이에 상대적으로 작은 간극을 허용하도록 제조될 수 있다.
상기 탄성 전도성 요소(204)는 상기 전극 바디(202)의 반응 표면(108) 및 상 기 전력 접점(206)의 표면(214)에 대해 반응하여 상기 전극 바디(202)를 상기 노즐(244)에 대해 접하도록 가압한다. 가스는 상기 전극 바디(202)와 상기 노즐(244) 사이에 형성되는 플라즈마 챔버(254) 내로 흘러가며, 파일럿 전류는 상기 전원(도시하지 않음)으로부터 상기 전력 접점(206)으로 간다.
가스 압력은 그가 상기 탄성 전도성 요소(204)에 의해 제공되는 힘을 극복하기에 충분할 때까지 상기 플라즈마 챔버(254) 내에서 증가한다. 상기 가스 압력은 상기 전극 바디(202)를 상기 노즐(244)로부터 멀어지도록 이동시키고 상기 전력 접점(206)과 접하도록 한다. 상기 전극 바디(202)는 거의 상기 길이방향 축선(A)을 따라 이동한다. 상기 전극 바디(202)가 가스 압력에 의해 상기 노즐(244)로부터 멀어져 이동됨에 따라, 아크가 상기 플라즈마 챔버(254) 내에서 생성 및 개시된다. 상기 아크는 상기 가스를 상기 플라즈마 챔버(2544) 내에서 이온화시켜 상기 노즐의 오리피스(250)를 빠져나가 공작물(도시하지 않음)까지 이송되는 플라즈마 아크 또는 제트를 형성한다.
상기 탄성 전도성 요소(204)는 상기 전력 접점(206) 및 상기 전극 바디(202)의 사이에 거의 모든 파일럿 전류를 통과시키도록 구성 및 설계된다. 상기 탄성 전도성 요소(204)는 상기 전류 또는 파일럿 아크의 개시와 관련된 부하의 이송 및 상기 전류와 관련된 열의 소산을 용이하게 하는 물질로 형성되어 상기 탄성 전도성 요소가 파일럿 아크 작동 중에 녹는 것을 방지할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 전도성 요소(204)의 물질은, 예를 들면, 상기 물질의 정격 전류를 토대로 선택된다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 전도성 요소(204)는 상기 전력 접 점(206) 및 상기 전극 바디(202) 사이에 최저의 저항 및/또는 최고의 컨덕턴스 경로이다. 또한, 상기 탄성 전도성 요소(206)의 기계적 특성은 상기 플라즈마 아크 토치의 접촉 개시를 위해 상기 전극 바디의 이동을 용이하게 한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 요소는 상기 토치에 대한 상기 전극 바디의 정렬을 돕는다.
상기 탄성 전도성 요소(204)는 스프링을 녹이거나 그의 기계적 특성을 변화시키지 않고 파일럿 아크 작동을 대략 5초 또는 그 이상까지 대략 31 암페어 정도의 전류를 신뢰성 있게 도통시킬 수 있는 전기 전도성 스프링일 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 전도성 요소(204)는 Inconel(R) X-750 합금으로 제조된다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 전도성 요소(204)는 스테인리스 스틸로 제조된다. 예를 들면, 상기 탄성 전도성 요소(204)는 17/4 석출 경화 스테인리스 스틸 와이어(AMS5604 규정에 부합) 또는 Type 302 스테인리스 스틸 와이어(AMS5866 또는 ASTM A 313 규정에 부합)로 형성될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 전도성 요소(204)는 대략 0.762mm (대략 0.03인치) 직경의 와이어로 형성되며, 대략 7.62mm(대략 0.3인치) 300/1000의 외경 및 대략 12.7mm (대략 0.5인치)의 길이방향 축선(A)을 따른 길이를 규정한다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 전도성 요소(204)는 은 또는 은 합금으로 코팅 또는 도금되어 전기 저항 감소 및/또는 전기 컨덕턴스 향상을 가능하게 한다. 도시된 것을 헬리컬 압축 스프링이지만, 상기 탄성 전도성 요소(204)는 다른 구조, 예를 들면, 파형 스프링 와셔, 핑거 스프링 와셔, 곡면 스프링 와셔, 크레스트-투-크레스트(crest-to-crest) 평 와이어 압축 스프링, 또는 슬롯이 있는 원추형 디스 크를 포함할 수 있다. 예를 들면, 이러한 형태의 스프링들은 미국특허 제 5,994,663 호에 설명되어 있는바, 이는 미합중국 뉴햄프셔 하노버 소재의 Hypertherm에 양도되었으며, 그 내용은 본 명세서에 참조로 인용된다. 다른 스프링 구조 도한 본 발명의 범주에 들어간다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 전도성 요소(204)는 상기 전극 바디(202)의 인접 단부(210)에 배치되는 와이어이며, 제 2 탄성 요소(도시하지 않음)는 상기 전극 바디(202)의 말단부에 배치된다. 상기 제 2 탄성 요소는 파일럿 아크 작동 중에 상기 전극 바디를 상기 말단부(202)로 가압하며, 토치 작동 중에 (예를 들면, 파일럿 아크 작동 및 공작물 처리 중에) 상기 전극 바디(202)의 방사상 이동을 제한한다. 이러한 방식에 있어서, 상기 제 2 탄성 요소는 상기 전극 바디(202)를 토치 작동 중에 정렬시킨다.
도 2C는 이송된 아크 모드 중에 도 2B의 상기 플라즈마 아크 토치의 단면도이다. 상기 전극 바디(202)의 접점 표면(216)은 상기 전력 접점(206)의 대응 표면과 거의 평면으로 물리적으로 접하도록 결합하여 전기적으로 통하도록 한다(예를 들면, 전류는 상기 접점 표면(216) 및 대응 표면(218)의 인터페이스에서 상기 전극 바디(202) 및 상기 전력 접점(206) 사이로 통과한다). 상기 전극 바디(202)의 접점 표면(216)이 상기 전력 접점(206)의 대응 표면과 접촉하는 경우, 전류 경로는 전류가 상기 전력 접점(206) 및 상기 전극 바디(202) 사이를 직접 통과하도록 구성된다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 전도성 요소(204)는 상기 전극 바디(202)가 상기 전력 접점(206)과 접촉하여 이동된 후 더 이상 상당량의 전류를 운반하지 않는다. 이러한 실시예에 있어서, 상기 탄성 전도성 요소(204)는 파일럿 아크의 개시 중에 전류를 이송하지만, 파일럿 아크 작동의 전체 기간 동안은 아니다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 전도성 요소(204)는 파일럿 아크 작동의 전체 기간 중에 전류를 계속 이송한다.
상기 아크가 공작물까지 이송된 경우, 절개 전류는 토치(240)(예를 들면, 이송된 아크 모드 중에)까지 공급된다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 전도성 요소(204)는 이송된 아크 모드 중에 상당량의 전류를 이송하지 않는다. 특히, 상기 전력 접점(206) 및 상기 전극 바디(202) 사이의 전류 경로는 상기 전력 접점(206)으로부터 상기 탄성 전도성 요소(204)를 통해 상기 전극 바디(202)까지의 전류 경로보다 낮은 저항 및/또는 높은 컨덕턴스를 갖는다. 도 2A, 2B 및 2C에 도시된 상기 디자인은 두 가지 기능, 즉, 상기 전극 바디(202)를 상기 노즐(244)로 가압하고 상기 전력 접점(206) 및 상기 전극 바디(202) 사이에 전류 경로를 단일 구성요소에 제공하는 기능을 겸비하여 소모성 부품의 숫자를 감소시키고 토치 설계를 단순화한다.
미합중국 뉴햄프셔 하노버 소재의 Hyertherm에 양도된 미국특허 제 4,791,268 호에 개시된 예와 같은 이전의 토치 디자인은 기계적 힘을 제공하는 스프링을 채용하여 다양한 토치 부품을 가압하였다. 이들 토치 디자인들은 또한 파일럿 아크 작동 및 이송된 아크 작동을 위한 전류를 제공하기 위한 전기 부품(예를 들면, 비-탄성 와이어)을 채용하였다. 이러한 디자인들은 일차 전류 경로로서 상기 와이어를 필요로 하여 상대적으로 큰 직경을 가짐으로써 이송된 아크 작동 중에 상기 와이어를 녹이지 않고 전류(예를 들면 대략 200암페어까지)를 용이하게 통과시켰다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 전도성 요소(204)는 파일럿 아크 작동 중에 상기 전력 접점(206) 및 상기 전극 바디(202) 사이에 전류를 통과시키기 위한 전도성 와이어 또는 금속 스트립이다. 상기 전극 바디(202)가 블로운-백 상태(예를 들면, 상기 전극 바디(202)의 표면(216)이 상기 전력 접점(206)의 표면(218)과 물리적으로 접하고 전기적으로 통하는)인 경우, 이송된 아크 모드에서 플라즈마 아크를 유지하는 거의 모든 전류가 상기 표면(216) 및 상기 표면(218) 사이로 직접 통과된다. 보다 상세히 설명하면, 상기 표면(216, 218)이 물리적 접촉 상태인 경우 상기 표면(216) 및 상기 표면(218) 사이의 전류 경로는 상기 탄성 전도성 요소(202)보다 낮은 저항 및/또는 높은 전도성을 가질 수 있다. 상기 탄성 전도성 요소(204)로서 스프링 대신 와이어를 채용하는 이러한 디자인은 와이어가 미국특허 제 4,791,268 호의 플런저 와이어(plunger wire)와 비교하여 작은 직경 및 증가된 유연성을 갖도록 한다. 도 2A, 2B 및 2C의 탄성 전도성 요소(204)가 이송된 아크 작동과 관련된 모든 전류를 이송하지 않으므로 더 작은 와이어도 가능하다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 전도성 요소(204)는 상기 전력 접점(206) 및 상기 전극 바디(202)와 전기적으로 통하여 그 사이로 파일럿 아크 전류를 통과시키는 전도성 슬리브이다. 예를 들면, 이러한 슬리브는 상기 전극 바디(202)의 인접 단부(210) 위 및 상기 전력 접점(206)의 상기 부분(220) 위에 밀착 접합하도록 설계될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 제 2 탄성 요소(도시되지 않음), 예를 들면, 스프링은 슬리브와 연결되어 상기 전극 바디(202)를 상기 노즐(244)을 향해 가압하는 기계적 기능을 제공할 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 전력 접점(206) 및 상기 탄성 전도성 요소(204)는 상기 토치 바디(242)에 장착되고 상기 이동 가능한 전극 바디(202)에 대해 상대적으로 고정된다. 예를 들면, 상기 노즐(244)이 상기 토치 바디(242)로부터 분리되는 경우, 상기 탄성 전도성 요소(204)는 상기 전극 바디(202)를 상기 토치 바디(242, 예를 들면, 상기 전극 바디(202)가 배출되는)로부터 나오도록 가압하며, 상기 탄성 전도성 요소(204) 및 상기 전극 바디(202) 사이의 전류 경로는 파괴된다. 이러한 실시예에 있어서, 상기 전극 바디(202)는 상기 토치(240)의 소모성 부품이다. 다른 실시예에 있어서, 상기 전극 바디(202) 및 상기 탄성 전도성 요소(204)의 조합은 상기 토치(240)의 소모성 부품으로서, 예를 들면, 상기 부품들은 패키지로서 함께 판매 또는 구매될 수 있다.
도 3A는 접점 개시 플라즈마 아크 토치에 사용되는 전극의 바람직한 실시예의 단면도이다. 상기 전극(300)은 길이방향 축선(A)을 따라 배향되는 긴 전극 바디(302)를 포함한다. 상기 전극 바디(302)는 텔루르 구리(tellurium copper), 은, 은 구리 합금, 또는 기타 합금으로 형성된다. 상기 전극 바디(302)는 발광 요소(도시하지 않음)를 수용하는 구멍(306)을 포함하는 말단부(304) 및 인접 단부(308)를 포함한다. 상기 발광 요소는 예를 들면 하프늄으로 형성될 수 있으며, 플라즈마 아크 토치(도시하지 않음)의 작동수명을 연장하고 상기 전극 바디(302) 상의 마모를 감소시키도록 사용된다. 상기 플라즈마 아크 토치의 작동 및 공작물 처리 중 에, 상기 전극 바디(302)의 말단부(304)는 상기 공작물(도시하지 않음) 근처에 위치되고, 상기 인접 단부(308)는 상기 공작물로부터 멀리 위치된다. 상기 전극 바디(302)는 상기 전극(300)이 상기 토치 내에 장착되는 경우 상기 길이방향 축선(A)을 따라 이동 가능하다.
상기 전극(300)은 전기 전도성 탄성 요소(310, 본 명세서에서는 탄성 전도성 요소(310)로 불림)을 포함한다. 상기 탄성 전도성 요소(310)는 거의 모든 파일럿 아크 전류를 전원(도시하지 않음) 및 상기 전극 바디(302) 사이로 파일럿 아크 작동 중에 통과시키도록 구성된다. 상기 탄성 전도성 요소(310)는 상기 전극 바디(302)의 인접 단부(306) 상에 배치되는 방사상 연장 플랜지(312)(예를 들면, 숄더)와 결합하는 헬리컬 스프링으로서 도시된다. 상기 플랜지(312)는 상기 탄성 전도성 요소(310)의 반응 표면일 수 있다. 상기 전극 바디(302)의 상기 탄성 전도성 요소(310) 및 상기 플랜지(312) 사이의 물리적 접촉은 전류 경로를 제공한다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 전도성 요소(310)는 플랜지(312, 예를 들면, 납땜 또는 용접에 의해)에 고정됨으로써 상기 탄성 전도성 요소(310)가 상기 전극 바디(302)에 의해 고정된다. 상기 탄성 전도성 요소(310)는 직경 억지 끼워 맞춤 또는 다른 형태의 마찰 접합부에 의해 고정될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 전도성 요소(310)는 상기 전극 바디(302)와 일체로 형성된다(예를 들면, 상기 전극 바디(302) 및 상기 탄성 전도성 요소(310)는 동일한 조각의 물질로 제조된다). 상기 탄성 전도성 요소(310)는 상기 전극 바디(302)에 대해 고정되어 처리 또는 유지보수 작업 중에 상기 탄성 전도성 요소(310)를 상기 전극 바 디(302)로부터 해제하는 것을 막는다.
도시된 바와 같이, 상기 전극 바디(302)는 상기 전극 바디(302)와 일체로 형성되는 일련의 핀(314, fin)을 포함한다. 상기 핀들(314)은 상기 전극 바디(302)의 표면적을 증가시켜 열전달 표면으로서의 기능을 수행함으로써 토치 작업 중에 상기 전극 바디(302)를 냉각시킨다. 상기 핀들(314)은 상기 플라즈마 챔버 (예를 들면, 도 2B의 플라즈마 챔버(254) 내에 도입되는 플라즈마 가스가 충분한 가스 압력까지 상승하도록 함으로써 상기 전극 바디(302)를 길이방향 축선(A)을 따라 상기 인접 단부(308)까지 이동시키는 실(seal) 형태를 형성한다. 전술한 바와 같이, 상기 인접 단부(308)를 향한 상기 전극 바디(302)의 이동은 파일럿 아크 전류가 상기 탄성 전도성 요소(310) 및 상기 전극 바디(302) 사이로 통과되는 경우 상기 파일럿 아크를 개시한다.
상기 핀들(314)의 배치는 상기 전극 바디(302)를 따라 축방향으로 형성되는 스파이럴 홈을 제공한다. 바람직한 핀들은 미합중국 뉴햄프셔 하노버 소재의 Hypertherm에 양도된 미국특허 제 4,902,871 호에 설명되어 있으며, 그 내용은 본 명세서에 참조로 인용된다. 상기 핀들(314)은 상기 길이방향 축선(A)으로부터 방사상 연장하는 것으로 도시된다. 핀들(314)의 다른 구조는, 예를 들면, 상기 축선(A)을 따라 길이방향으로 연장할 수 있는바, 이는 미합중국 뉴햄프셔 하노버 소재의 Hypertherm에 양도된 미국특허 제 6,403,915 호에 설명되어 있으며, 그 내용은 본 명세서에 참조로 인용된다. 상기 전극(300)의 몇몇 실시예는 상기 핀들(314)을 포함하지 않으며, 상기 가스 압력은 상기 전극 바디(302)의 다른 표면에 대해 힘을 가하여 파일럿 아크의 개시 중에 상기 전극 바디를 이동시킨다.
상기 전극(300)은 제 1 표면(318) 및 제 2 표면(320)을 포함하는 접점 요소(316)를 포함한다. 상기 제 1 표면(318)은 전원(도시하지 않음)과 전기적으로 통하도록 구성된다. 예를 들면, 상기 제 1 표면(318)은 전력 접점의 대응 표면(예를 들면, 도 3A가 아니라, 도 2A의 전력 접점(206))과 접촉할 수 있다. 상기 전원은 상기 전력 접점을 통해 상기 접점 요소(316)에 전류를 제공할 수 있다. 상기 제 2 표면(320)은 파일럿 아크의 개시 후 및 이송된 아크 모드 중에 상기 전극 바디(302)의 대응 접점 표면(322)과 전기적으로 통하도록 구성된다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 접점 요소(316)의 제 1 표면(318)은 상기 전극(300)이 상기 토치 내에 장착되는 경우 (예를 들면, 상기 제 1 표면(318)이 상기 전력 접점과의 물리적 결합 또는 접촉을 유지하는 경우) 거의 고정된 상태이다. 상기 접점 요소(316)는 상대적으로 단단한 전기 전도성 물질, 예를 들면, 스테인리스 스틸, 크롬 구리, 니켈, 또는 베릴륨 구리로 형성될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 접점 요소(316)는 상기 전극 바디(302)를 형성하는 물질보다 단단한 물질로 형성된다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 접점 요소(316)는 상대적으로 단단한 전기 전도성 물질로 코팅된다.
도시된 바와 같이, 상기 탄성 전도성 요소(310)는 상기 전극 바디(302)의 인접 단부(308)와 외접하고 상기 접점 요소(316)의 제 2 표면(320)과 결합한다. 상기 접점 요소(316)로부터 상기 탄성 전도성 요소(310)를 통해 상기 전극 바디(302)까지 전류 경로를 제공하는 다른 구조들도 본 발명의 범주에 들어간다. 몇몇 실시 예에 있어서, 제 2 전도성 요소(도시하지 않음)는 상기 탄성 전도성 요소(310)보다 낮은 저항 및/또는 높은 전도성을 갖는 상기 접점 요소(316) 및 상기 전극 바디(302) 사이에 전류 경로를 제공한다. 이러한 실시예에 있어서, 상기 탄성 전도성 요소(310)는 상기 전극 바디를 상기 접점 요소(316)로부터 멀어지도록 가압(예를 들면, 기계적 기능을 수행)하지만, 상당량의 파일럿 전류는 이송하지 않는다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 전도성 요소(310)는 상기 접점 요소(316)에 (예를 들면, 납땜 또는 용접에 의해) 고정되거나, 상기 접점 요소(316)와 일체로 형성된다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 전도성 요소(310)는 상기 접점 요소(316)의 제 2 표면(320) 및 상기 전극 바디의 대응 접점 표면(322) 사이에 배치될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 접점 요소(316)의 제 1 표면(318)은 상기 탄성 전도성 요소(310)와 결합한다.
전술한 전극 바디(302)는 상기 전극 바디(302)의 인접 단부(308)에 배치되며 상기 전극 바디(302)에 의해 말단부(304)에서 상기 구멍(306)으로부터 분리되는 수용체(324)를 포함한다(예를 들면, 구멍(306)도 수용체(324)도 관통-구멍이 아니다). 몇몇 실시예에 있어서, 상기 수용체(324)는 상기 축선(A)에 거의 정렬되고 내부 표면(326)을 규정한다. 상기 접점 요소(316)는 상기 제 2 표면(320)으로부터 연장하는 연결 부재(328)를 포함한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 연결 부재(328)는 상기 전극 바디(302)와 미끄럼 가능하게 결합한다. 예를 들면, 상기 연결 부재(328)는 상기 길이방향 축선(A)과 거의 동축 관계인 정렬부(330)를 포함한다. 상기 정렬부(330)는 상기수용체(324)의 내면(326)과 미끄럼 가능하게 결합할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 정렬부(330)와 상기 내면(326) 사이의 결합에 따라 상기 토치 내의 상기 전극 바디(302) 또는 상기 접점 요소(316)의 방사상 이동을 제한한다.
상기 수용체(324)는 상기 전극 바디(302)로부터의 상기 접점 요소(316)의 해제를 막는다. 상기 전극 바디(302)는 상기 접점 요소(316)의 일부에 대해 반응하는 상기 수용체(324)의 인접 단부에 배치되어 해제를 막는 제한 표면(332)을 포함한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 제한 표면(332)은 상기 접점 요소(316)의 상기 연결 부재(328) 또는 상기 정렬부(330)에 대해 (예를 들면, 직경 억지 끼워 맞춤에 의해) 반응한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 제한 표면(332)은 환형 또는 링-형 구조를 포함한다. 상기 제한 표면(332)은 상기 수용체(324) 내에 배치됨으로써 상기 제한 표면이 상기 접점 요소(316)의 제 2 표면(320)과 간섭하지 않거나 그가 상기 전극 바디(302)의 접점 표면(322)과 거의 평평한 방식으로 물리적으로 접촉하지 않도록 한다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 제 1 표면(318), 상기 제 2 표면(320) 또는 둘 다는 은 또는 은 합금으로 코팅되어 상기 전원 및 상기 전극 바디(302) 사이의 전류 흐름을 (예를 들면, 상기 접점 요소(316)의 상기 표면(318, 320)에서의 전기 저항을 감소시킴으로써) 향상시킬 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 접점 요소(316) 및 전극 바디(302) 사이의 미끄럼 가능한 결합은 상기 탄성 전도성 요소(310)보다 낮은 저항 및/또는 높은 전도성의 전류 경로를 제공한다. 이러한 실시예에 있어서, 상기 탄성 전도성 요소(310)는 상기 전극 바디를 상기 접점 요 소(316)로부터 멀어지도록 가압하지만 (예를 들면, 기계적 기능을 수행), 파일럿 전류의 상당량을 전송하지 않는다. 보다 상세히 설명하면, 상기 연결 부재(328) 또는 상기 정렬부(330)는 전류의 낮은 저항 경로를 형성하여 상기 전극 바디(302)까지 예를 들면 상기 수용체(324)를 통해 통과시키기 충분한 상대적으로 엄격한 공차로 제조될 수 있다. 상대적으로 엄격한 공차는 상기 연결 부재(328) 또는 정렬부(330) 및 상기 수용체(324) 사이의 공간 내에 아크의 이온화 또는 형성을 방지하도록 요구된다.
도 3B는 조립 전 도 3A의 상기 전극의 구성요소의 상세 도면이다. 도 3B는 상기 전극 바디(302)의 인접 단부(308)의 상세 도면이다. 도시된 실시예에 있어서, 상기 전극 바디(302), 탄성 전도성 부재(310), 및 상기 접점 요소(316)는 일체형 조립체를 형성하지 않는다. 특히, 상기 접점 요소(316)(예를 들면, 상기 연결 부재(128) 및 정렬부(130))는 상기 탄성 전도성 요소(310) 및 상기 전극 바디(302)(예를 들면, 상기 수용체(324))로부터 자유롭게 해제될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 연결 부재(328) 및 상기 정렬부(330)의 길이는 상기 수용체(324)의 깊이를 초과하지 않음으로써 상기 접점 요소가 상기 수용체(324)의 바닥면(334)에 대해 “버텀 아웃(bottom out)"하지 않도록 한다.
상기 전극 바디(302)의 인접 단부(308)는 상기 길이방향 축선(A)을 축방향을 따라 연장하는 수용체(324)에 인접한 립(336, lip)을 규정할 수 있다. 상기 립(336)은 상기 전극 바디(302)와 동일한 조각의 물질로 형성될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 접점 요소(316)는 상기 전극 바디(302)에 대해 고정(예를 들 면, 상기 전극 바디(302)는 상기 전극 바디(302)로부터 상기 접점 요소(316)의 해제를 막는다)될 수 있다. 예를 들면, 상기 연결 부재(328) 및 상기 정렬부(330)는 상기 수용체(324) 내에 위치될 수 있다. 상기 접점 요소(316)는 상기 전극 바디(302)에 대해 가압됨으로써, 상기 제 2 표면(320)이 상기 전극 바디(302)의 접점 표면(322)과 물리적으로 접하여 이동함에 따라 상기 접점 요소(316)의 제 2 표면(320)이 상기 립(336)과 결합하도록 한다.
상기 제 2 표면(320) 및 상기 립(336) 사이의 결합은 상기 립(336)을 인접 수용체(324) 내로 변형시켜 상기 접점 요소(318)의 제 2 표면(320) 및 상기 전극 바디(302)의 접점 표면(322) 사이의 물리적 대면 접촉을 가능하게 한다. 상기 변형된 립(336)은 도 3A의 제한 표면(332)을 형성할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 접점 표면(316)은 상기 발광 요소가 상기 구멍(306) 내에 배치됨과 동시에 상기 전극 바디(302)에 대해 가압된다. 예를 들면, 스웨이징(swaging)으로 공지된 과정 중에, 상기 길이방향 축선(A)을 따른 힘은 (예를 들면, 상기 전극 바디(302)의 인접 단부(308)를 향해) 상기 발광 요소에 대해 가해져서 상기 발광 요소를 상기 구멍(306) 내에 고정한다. 스웨이징 중에, 반대로 배향된 힘(예를 들면, 상기 전극 바디(302)의 말단부를 향해)은 상기 접점 요소를 상기 전극 바디(302)의 인접 단부(308)를 향해 가압하여 상기 립(336)을 변형시킨다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 가해진 힘은 대략 4,450N의 힘(예를 들면 대략 100 lbs의 힘)이다. 몇몇 실시예에 있어서, 스웨이징 후에, 상기 제한 표면(332)은 실패 전에 (예를 들면, 상기 전극 바디(302)로부터 상기 접점 요소(316)가 해제되도록) 대략 356N의 힘(예를 들면, 대략 80 lbs의 힘)을 견딜 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 전도성 요소(310)는 상기 립(336)을 변형시키기 전에 상기 전극 바디(302)(예를 들면, 상기 플랜지(312)와 물리적으로 접하는) 및 상기 접점 요소(316)(예를 들면, 상기 제 2 표면(320)과 물리적으로 접하는) 사이에 배치된다. 상기 탄성 전도성 요소(310)는 상기 접점 요소(316) 및 상기 전극 바디(302) 사이에서 “포획(captured)"될 수 있다. 상기 제한 표면(332)은 상기 미끄럼 가능하게 장착된 접점 요소(316)가 상기 전극 바디(302)로부터 해제되지 않게 할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 전극(300)은 플라즈마 아크 토치 내에서 사용되기 전에 조립되며, 일체형 조립체로서 포장될 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 제한 표면(332)은 환형 구조(예를 들면, 상기 립(336)이 상기 수용체(324)의 원주를 중심으로 길이방향 축선(A)을 따라 축방향으로 연장하는 경우)를 갖는다. 다른 실시예에 있어서, 상기 제한 표면(332)은 전체 원주보다 작은 상기 수용체(324)의 원주의 일부를 따라 형성된다. 상기 연결 부재(328) 또는 상기 정렬부(330)는 상기 제한 표면(336)과의 간섭 없이 상기 수용체(324) 내로 자유롭게 삽입될 수 있지만, 예를 들면, 상기 길이방향 축선(A)을 중심으로 상기 접점 요소(316)를 회전시킴으로써 상기 제한 표면(332) 및 상기 연결 부재 또는 상기 정렬부(330) 사이에 간섭부를 형성함으로써 상기 접점 요소(316)의 해제를 막는다.
도 4A는 바람직한 접점 개시 플라즈마 아크 토치의 단면도이다. 도 4A는 “전진(forward)” 구조 또는 “개시(start)" 구조로 불릴 수 있다. 상기 토치(300) 는 가스 입구(404)를 규정하는 토치 바디(402)를 포함한다. 상기 토치(400)는 전원(도시하지 않음)과 전기적으로 통하는 전력 접점(406)을 포함하여 상기 전력 접점(406)에 전류를 제공한다. 상기 토치(400)는 도 3A의 전극(300)을 포함한다. 상기 접점 요소(316)의 제 1 표면(318)은 상기 전력 접점(306)과 물리적으로 접하고 전기적으로 통하도록 구성된다. 상기 탄성 전도성 요소(310)는 상기 전력 접점(306)으로부터 멀어지도록 상기 전극 바디(302)를 가압하여 노즐(408)과 물리적으로 접하고 전기적으로 통하도록 한다. 상기 전극 바디(302)(예를 들면, 상기 전극 바디(302)의 말단부(304)는 상기 노즐(408)과 협동하여 플라즈마 챔버(410)의 일부를 형성한다. 상기 노즐(408)은 플라즈마 아크 또는 제트(도시하지 않음)가 상기 플라즈마 챔버(410)를 빠져나가 공작물(도시하지 않음)까지 이송하기 위한 출구 오리피스(412)를 포함한다. 차폐물(414)은 상기 토치 바디(402)의 일부(418) 상에 장착되는 고정 캡(416)에 장착된다. 상기 차폐물(414)은 상기 노즐(408)의 출구 오리피스(412)에 인접한 출구 포트(420)를 포함한다. 상기 출구 포트(420)는 상기 플라즈마 제트가 상기 토치(400)로부터 상기 공작물까지 이송되도록 한다. 상기 차폐물(414)은 공작물 처리 중에 뿌려지는 물질이 상기 노즐(408) 상에 축적되어 상기 노즐(408) 또는 상기 전극(300)의 수명을 감소시키는 것을 방지한다. 상기 토치(400)는 또한 가스(도시하지 않음)가 상기 플라즈마 챔버(410) 내로 들어가고 나오도록 하는 하나 또는 그 이상의 포트(424)를 규정하는 소용돌이 링(422)을 포함한다.
파일럿 아크 작동은 파일럿 아크의 개시와 함께 시작한다. 파일럿 전류는 상기 전원 및 상기 전력 접점(406) 사이를 통과한다. 상기 전력 접점(406)은 상기 파일럿 전류를 상기 접점 요소(316)의 상기 전력 접점(406) 및 상기 제 1 표면(318) 사이의 인터페이스를 가로질러 상기 접점 요소(316) 까지 통과시킨다. 상기 파일럿 전류는 상기 접점 요소(316)(예를 들면, 상기 제 2 표면(320)) 및 상기 탄성 전도성 요소(310) 사이를 통과한다. 그 후, 상기 전류는 상기 탄성 전도성 요소(310) 및 상기 전극 바디(302) 및 상기 노즐(408) 사이를 통과한다. 파일럿 아크 전류로서 사용되기 적합한 바람직한 전류는 대략 22 내지 31 암페어이다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 전력 접점(406)은 파일럿 아크 작동 및 이송된 아크 작동 중에 전류를 통과시키기에 적절한 텔루르 구리(tellurium copper), 황동, 구리, 또는 기타 물질로 제조된다.
파일럿 아크 작동 중에, 가스는 상기 토치 바디(402)에 의해 규정되는 입구(404)를 통해 토치(400)로 들어간다. 상기 가스는 상기 토치 바디(402)에 의해 규정되는 통로(426)를 따라간다. 상기 소용돌이 링(422)은 상기 가스가 상기 통로(426)로부터 상기 소용돌이 링(422) 및 상기 부분(418)의 외부에 의해 규정되는 공간(430)까지 통과하도록 하는 하나 또는 그 이상의 채널(428)을 규정한다. 상기 가스는 상기 포트들(424)을 통해 상기 플라즈마 챔버(410) 내로 흘러들어간다. 상기 플라즈마 챔버(410) 내의 가스 압력은 상기 압력이 상기 탄성 전도성 요소(310)에 의해 제공되는 힘을 극복하고 상기 전극 바디(302)를 상기 노즐(408)로부터 떨어지도록 이동시기기에 충분할 때까지 증가함으로써, 상기 전극 바디(302) 및 상기 노즐(408) 사이의 공간 또는 간극을 생성한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 플라 즈마 챔버(410) 내의 가스는 상기 전극 바디(302)의 핀들(314) 상에 작용하여 상기 전극 바디(302)의 인접 단부(310)를 향해 가스를 상기 길이방향 축선(A)을 따라 가압한다. 상기 전극 바디(302)는 상기 길이방향 축선(A)을 거의 따라서 상기 토치(400)에 대해 이동한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 접점 요소(316)는 파일럿 아크 작동 및 이송된 아크 모드 중에 상기 전극 바디(302)의 방사상 이동을 제한함으로써 상기 전극 바디(302)를 정렬시킨다. 상기 전극 바디(302)가 상기 노즐(408)로부터 멀어져 이동됨에 따라, 상대 전위는 상기 전극 바디(302) 및 상기 노즐(408) 사이에서 증가한다. 전위차는 아크(도시하지 않음)가 상기 전극 바디(302) 및 상기 노즐(408) 사이의 현재 간극 내에서 (예를 들면, 상기 전극 바디(302) 및 상기 노즐(408) 사이에서 최소의 저항 경로를 이온화 함으로써) 생성되도록 한다. 상기 아크는 상기 플라즈마 챔버(310) 내의 가스를 이온화시켜 공작물 처리에 사용되는 플라즈마 제트를 형성한다.
도 4B는 파일럿 아크 개시 후의 예시적 구성요소를 포함하는 도 4A의 상기 플라즈마 아크 토치의 단면도이다. 도 4B의 구조는 상기 전극 바디(302)가 상기 노즐(408)로부터 분리되어 있으므로 “블로운 백” 구조라고 불린다. 상기 전극 바디(302)는 상기 전극 바디(302)의 접점 표면(322)이 상기 접점 요소(316)의 제 2 표면(320)과 접촉할 때까지 축선(A)을 따라 이동된다. 상기 접점 요소(316)의 제 1 표면(318)은 상기 전극 바디(302)에 대해 상대적으로 고정되는 상기 전력 접점(406)과의 물리적 접촉 및 전기적 도통 상태를 유지한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 전극 바디(102)가 상기 축선(A)을 따라 이동하는 동안의 기간은 대략 0.3 초보다 작거나 같다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 전도성 요소(310)는 상기 블로운-백 구조 내에서 (예를 들면, 파일럿 아크 작동 및 파일럿 아크 개시 중에) 전류를 이송한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 전도성 요소(310)는 파일럿 아크 개시 중에만 전류를 이송한다.
일반적으로, 상기 아크는 상기 노즐(408)로부터 상기 공작물(도시하지 않음)까지 이동되어 상기 토치(400)를 상기 공작물 근처에 위치시킴으로써 공작물을 처리한다. 상기 공작물은 상기 노즐(408)보다 상대적으로 낮은 전위에서 유지된다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 아크는 파일럿 아크 개시 중에 (예를 들면, 도 4B의 블로운-백 구조 이전에) 이송된다. 상기 공작물과 통하는 전기 리드(도시하지 않음)는 상기 공작물에 대한 아크의 이송을 토대로 전원(도시하지 않음)에 신호를 제공할 수 있다. 상기 전극 바디(302)가 블로운-백 구조인 경우, 상기 전원은 상기 토치(400)에 대한 증가된 전류(예를 들면, 절개 전류)를 제공한다. 상기 토치에 대한 전류를 증가시키는 방법의 하나의 예는 “이중 문턱(dual threshold)"으로 공지되어 있으며, 이는 미합중국 뉴햄프셔 하노버 소재의 Hypertherm에 양도된 미국특허 제 6,133,543 호에 개시되어 있으며, 이는 본 명세서에 참조로 인용된다.
상기 절개 전류는 예를 들면 대략 100 내지 대략 150 암페어일 수 있다. 상기 절개 전류는 이송된 아크 모드에서 상기 토치(400)의 작동과 관련된다. 몇몇 실시예에 있어서, 제공되는 절개 전류의 양은 공작물의 조성 또는 공작물의 물리적 특성 (예를 들면, 공작물의 두께 또는 절단 깊이)에 따라 다르다. 몇몇 실시예에 있어서, 이송된 아크 모드는 상기 아크가 상기 공작물로 이동되는 것 및 상기 전원 이 상기 절개 전류를 제공하는 것으로 인용된다. 몇몇 실시예에 있어서, 이송된 아크 전류는 상기 아크가 상기 공작물로 이송되는 것으로 인용된다.
상기 전극 바디(302)가 블로운-백 구조인 경우, 상기 전원은 전류를 상기 전력 접점(406), 상기 접점 요소(316) 및 상기 전극 바디(302)로 제공한다. 상기 전력 접점(316)은 상기 전극 바디(302) 및 전력 접점(406)에 대해 상대적으로 고정된 상태를 유지한다. 특히, 상기 접점 요소(316)의 제 1 표면(318)은 상기 전극(300)이 상기 토치(400) 내에 설치된 후 상기 전력 접점(406)과 물리적으로 접하고 전기적으로 통하는 상태를 유지하도록 설계될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 접점 요소(316)는 상기 전력 접점(406)에 대해, 예를 들면, 마찰 접합부에 의해 고정됨으로써, 상기 전극 바디(302)에 작용하는 지구의 중력이 상기 전극(300)을 상기 토치(400)로부터 분리시키기에 충분하다. 상기 전극(300) 상의 마모의 대부분은 상기 토치(400)의 작동(예를 들면, 개시 및 정지) 중에 상기 전극 바디(302) 및 상기 접점 요소(316)의 반복된 접촉 및 분리로 인해 상기 접점 요소(316)의 제 2 표면(320) 및 상기 전극 바디(302)의 접점 표면(322) 사이의 인터페이스에서 일어난다. 상기 전극(300)의 디자인은 상기 접점 요소(316)의 제 1 표면(318)이 상기 전력 접점(406)과의 접촉을 유지하여 상기 전력 접점(406) 및 상기 제 1 표면(318) 사이의 아크의 형성을 감소시키므로 상기 전력 접점(406) 상의 마모량을 감소시킨다. 상기 전력 접점(406) 및 상기 제 1 표면(318) 사이의 아크의 형성은 상기 전력 접점(406) 및 상기 전극(300)의 작동수명을 감소시키는 표면 결함을 생성할 수 있다.
도 5A는 상기 전극 바디의 수용체 내에 배치되는 접점 요소 및 탄성 전도성 요소를 포함하는 바람직한 전극의 단면이다. 상기 전극(500)은 상기 길이방향 축선(A)을 따라 반대쪽에 배치되는 말단부(504) 및 인접 단부(506)를 규정하는 전극 바디(502)를 포함한다. 상기 말단부(504)는 발광 요소(510)를 수용하기 위한 구멍(508)을 규정한다. 상기 전극 바디(502)의 인접 단부(506)는 상기 길이방향 축선(A)을 중심으로 하는 원통형 구조의 수용체(512)를 규정한다. 몇몇 실시예에 있어서, 비-원통형 구조의 수용체(512)가 사용될 수 있다. 상기 수용체(512)는 상기 전극 바디(502)에 의해 구멍(508)으로부터 분리된다(예를 들면, 상기 전극 바디는 관통 구멍을 갖지 않는다). 상기 수용체(512)는 상기 수용체(512)의 바닥에 배치되는 제 1 접점 표면(514)을 규정한다. 상기 접점 표면(514)은 상기 전력 접점(도 5B에 도시됨)과의 전기적 도통 및/또는 물리적 접촉을 제공하도록 형성된다. 상기 수용체(512) 또한 제 2 접점 표면(516)을 규정한다.
상기 전극(500)은 상기 수용체(512) 내에 배치되는 접점 요소(518) 및 탄성 전도성 요소(520)를 포함한다. 상기 접점 요소(518)는 제 1 표면(522) 및 제 2 표면(534)을 규정한다. 상기 제 2 표면(524)은 상기 탄성 전도성 요소(520)에 대해 그리고 상기 수용체(512)의 제 2 접점 표면(516)에 대해 반응하도록 형성된다. 상기 탄성 전도성 요소(520)는 상기 제 1 접점 표면(514)에 대해 반응하여 플라즈마 토치 내에 설치되는 경우 노즐(도시하지 않음)과 접촉하도록 상기 전극 바디(502)를 가압한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 전도성 요소(520)는 상기 수용체(512) 내의 제 3 표면(도시하지 않음)에 대해 반응할 수 있다.
상기 접점 요소(518)는 상기 전력 접점을 둘러싸도록 설계되는 환형 구조를 규정한다. 상기 환형 구조는 상기 전력 접점에 대해 반응함으로써 상기 전극 바디(520)의 방사상 이동을 제한하도록 정렬부(526)를 제공한다. 상기 접점 요소(518) 및 탄성 전도성 요소(520)는 상기 접점 요소(518)의 직경보다 작은 직경의 테이퍼진 부분에 의해 상기 수용체(512)에 대해 고정된다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 테이퍼진 부분(528)은 상기 접점 요소(518) 및 상기 탄성 전도성 요소(520)가 상기 전극 바디(502)(예를 들면, 상기 수용체(512))로부터 해제되지 않도록 하는 제한 표면이다. 예를 들면, 상기 테이퍼진 부분(528) 및 상기 제한 요소(518)의 조합은 상기 탄성 전도성 요소(520)가 상기 전극 바디(502)로부터 해제되지 않도록 직경 억지 끼워 맞춤에 의해 방지한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 테이퍼진 부분(528)은 환형 구조를 규정한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 수용체(512)는 테이퍼진 부분(528)을 포함하지 않고, 상기 접점 요소(518) 및 상기 탄성 전도성 요소(520)는 상기 수용체(512)에 대해 고정되지 않는다.
도 5B는 이송된 아크 모드에 배치되는 도 5A의 상기 전극을 도시한다. 도 5B는 상기 전극 바디(502)의 인접 단부(506) 및 전력 접점(540)의 상세 단면도이다. 상기 전력 접점(540)은 상기 수용체(512) 및 상기 전극(500)의 접점 요소와 상호 반응하도록 구성되는 축방향 연장부(542)를 규정한다. 상기 축방향 연장부(542)는 상기 전극 바디(502)의 제 1 접점 표면(514))(예를 들면, 상기 수용체(512)에 의해 규정되는) 및 상기 접점 요소(518)의 제 1 표면(522)과의 전기적 도통 및/또는 물리적 접촉을 위한 제 1 대응 표면(544) 및 제 2 대응 표면(546)을 규정한다. 상기 전력 접점(540)은 상기 전극 바디(502)의 테이퍼진 부분(528)에 대응하도록 구성되는 시트(seat) 부분(548)을 규정하여 상기 전극 바디(502)의 방사상 이동을 제한한다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 전극 바디(500)는 토치 내에 위치됨으로써 상기 접점 요소(518)의 제 1 표면(522)이 상기 전력 접점(540)의 제 2 대응 표면(546)과 전기적 도통 및/또는 물리적 접착 상태가 되어 토치 작동 중에 상기 전극 바디(502)에 대해 상대적으로 고정되는 인터페이스를 형성한다. 상기 접점 요소(518)의 제 2 표면(524)은 초기에는 상기 수용체(512)의 제 2 접점 표면(516)으로부터 멀리 위치하고, 상기 전력 접점의 제 1 대응 표면(544)은 상기 전극 바디(502)의 접점 표면(514)으로부터 멀리 위치한다.
파일럿 아크 작동 중에, 파일럿 전류는 상기 전원(도시하지 않음) 및 상기 전력 접점(540) 사이를 통과한다. 상기 파일럿 전류는 상기 전력 접점(540)으로부터 상기 접점 요소(518)까지 및 상기 접점 요소(518)로부터 상기 탄성 전도성 요소(520)를 통해 상기 전극 바디(502)까지 통과함으로써, 상기 탄성 전도성 요소(518)가 거의 전체 파일럿 아크 전류를 이송한다. 상기 전극 바디(502)가 상기 노즐(도시하지 않음)로부터 떨어져 이동되어 아크를 생성함에 따라, 상기 제 2 접점 표면(516)은 상기 접점 요소(516)의 제 2 표면(524)과 접촉하고, 상기 제 1 접점 표면(514)은 상기 전력 접점(540)의 제 1 대응 표면(544)과 접촉한다. 거의 모든 절개 전류는 상기 전력 접점(540)으로부터 상기 접점 요소(516)를 통해 상기 전극 바디(502) 및 직접 상기 전극 바디까지 통과된다. 이송된 아크 작동 중에, 상 기 탄성 전도성 요소(520)는 상당량의 전류를 이송하지 않는다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 제 1 대응 표면(544) 또는 상기 제 2 대응 표면(546)은 이송된 아크 작동 중에 거의 모든 전류를 상기 전극 바디(502)까지 통과시킨다. 다중 대응 표면들(544,546)은 상기 전극 바디(502)의 접점 표면(514) 또는 상기 접점 요소(518)의 제 1 표면(522) 상의 물리적 마모를 줄일 수 있다. 이러한 구조는 상기 전력 접점(540) 및 각각의 상기 접점 요소(518) 및 상기 전극 바디(502) 사이의 물리적 접촉과 관련된 기계적 부하를 감소시킴으로써 마모를 감소시킨다. 감소된 마모는 상기 전극(500)의 수명을 연장시킬 수 있다.
도 6A는 상기 전극 바디의 인접 단부에 배치되는 접점 요소 및 탄성 전도성 요소를 포함하는 바람직한 전극의 단면도이다. 상기 전극(600)은 상기 길이방향 축선(A)을 따라 반대쪽에 배치되는 말단부(604) 및 인접 단부(606)를 규정하는 전극 바디(602)를 포함한다. 상기 말단부(604)는 발광 요소(610)를 수용하는 구멍(608)을 규정한다. 상기 전극(600)은 접점 요소(612) 및 탄성 전도성 요소(614)를 포함한다. 상기 접점 요소(612)는 전력 접점(도 6B 참조)과의 전기적 도통 및/또는 물리적 접촉을 위한 제 1 접점 요소(616) 및 상기 전극 바디(602)의 대응 표면(620)과의 전기적 도통 및/또는 물리적 접촉을 위한 제 2 접점 표면(618)을 규정한다. 상기 전극 바디(602)의 인접 단부(606)는 상기 전력 접점과의 전기적 도통 및/또는 물리적 접촉을 위한 접점 표면(622)을 규정한다. 상기 전극 바디(602)는 상기 탄성 전도성 요소(614)에 대해 반응하는 반응 표면(624)을 규정하여 상기 반응 표면(624) 및 상기 전극 바디(602)에 대한 가압력을 제공한다. 상기 전극 바 디(602)의 인접 단부(606)는 상기 접점 요소(612) 및 상기 탄성 전도성 요소(614)(예를 들면, 직경 억지 끼워 맞춤에 의한) 해제를 막는 제 1 제한 표면(626)를 규정한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 전극 바디(602)는 상기 제한 표면(624)을 포함하지 않으며, 상기 접점 요소(612) 및/또는 상기 탄성 전도성 요소(614)는 상기 전극 바디(602)에 대해 해제 가능하다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 전도성 요소(614)는 상기 전극 바디(602) 또는 상기 접점 요소(612) 중 하나 또는 둘 다에 고정된다.
상기 접점 요소(614)는 환형 구조를 규정하며, 상기 전극 바디(602)의 방사상 이동을 제한하는 정렬부(628)를 포함한다. 예를 들면, 상기 정렬부(628)는 상기 전극 바디(602)의 인접 단부(606)의 축방향 연장 가능부(630)와 상호 작용할 수 있다. 상기 부분(630)은 상기 정렬부(628)의 직경보다 약간 작을 직경을 규정함으로써, 상기 부분(630)이 상기 길이방향 축선(A)을 따라 상기 정렬부(628)와 현저한 방사상 변동 없이 미끄럼 결합할 수 있다.
도 6B는 이송된 아크 모드에 배치되는 도 6A의 상기 전극을 도시한다. 도 6B의 구조는 상기 전극 바디(602)의 인접 단부(606)에 대해 위치되는 전력 접점(640)을 포함한다. 상기 전력 접점(640)은 상기 전극 바디(602)가 상기 노즐(도시하지 않음)로부터 가스 압력 하에서 멀어져 이동함에 따라 상기 전극 바디(602)의 인접 단부(606)가 전진하는 개방공(642)을 규정한다. 상기 개방공(642)은 상기 길이방향 축선(A)을 거의 중심으로 하는 수용체 부분(644)에 인접한다. 상기 수용체 부분(644)은 상기 접점 요소(612)와의 전기적 도통 및/또는 물리적 접촉을 위한 제 1 접점 표면(646) 및 상기 전극 바디(602)의 접점 표면(622)과의 전기적 도통 및 물리적 접촉을 위한 제 2 접점 표면을 규정한다. 상기 수용체 부분(644)은 상기 전극 바디(602)의 인접 단부(606)의 일부에 더하여 상기 접점 요소(612) 및 상기 탄성 전도성 요소(614)를 수용하는 크기를 갖는다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 수용체 부분(644)은 상기 전극 바디(602)의 인접 단부(606) 만을 수용하는 크기를 갖는다.
설치 중에, 상기 전극(600)은 상기 제 1 표면(616)이 상기 전력 접점(640)의 제 1 접점 표면(646)과 전기적으로 통하고 물리적으로 접하여 토치 작동 중에 상기 전극 바디(602)에 대해 상대적으로 고정되는 인터페이스를 형성하도록 위치된다. 상기 접점 요소(612)의 제 2 표면(618)은 초기에 상기 전극 바디의 대응 표면(620)으로부터 물리적으로 멀리 위치하며, 상기 전극 바디(602)의 접점 표면(622)은 초기에 상기 전력 접점(640)의 제 1 접점 표면(648)으로부터 물리적으로 멀리 위치한다.
파일럿 아크 작동 중에, 파일럿 전류는 상기 전원(도시하지 않음) 및 상기 전력 접점(640) 사이를 통과한다. 상기 파일럿 전류는 상기 전력 접점(640)으로부터 상기 접점 요소(612)까지 및 상기 접점 요소(612)로부터 상기 탄성 전도성 요소(614)를 통해 상기 전극 바디(602)까지 통과함으로써, 상기 탄성 전도성 요소(614)가 거의 전체 파일럿 아크 전류를 이송하도록 한다. 상기 전극 바디(602)가 상기 노즐(도시하지 않음)로부터 떨어져 이동되어 아크를 형성함에 따라, 상기 대응 표면(620)은 상기 접점 요소(612)의 제 2 표면(618)과 전기적 도통 및/또는 물리적 접촉 상태가 되고, 상기 접점 표면(622)은 상기 전력 접점의 제 2 접점 표면(648)과 전기적으로 도통 및/또는 물리적 접촉 상태가 된다. 거의 모든 절개 전류는 상기 전력 접점(640)으로부터 상기 접점 요소(612)를 통해 상기 전극 바디(602)까지 및 직접 상기 전극 바디(602)까지 통과된다. 이송된 아크 작동 중에, 상기 탄성 전도성 요소(614)는 상기 전류의 상당량을 이송하지 않는다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 제 1 대응 표면(646) 및 상기 제 2 대응 표면(648)은 이송된 아크 작동 중에 거의 모든 전류를 상기 전극 바디(602)로 통과시킨다. 다중 대응 표면들(646,648)은 상기 전극 바디(602)의 제 1 접점 표면(622) 또는 상기 접점 요소(612)의 제 1 접점 표면(616) 상의 물리적 마모를 감소시킬 수 있다. 이러한 구조에 따라 상기 전력 접점(640)과 각각의 상기 접점 요소(612) 및 상기 전극 바디(602) 사이의 물리적 접촉과 관련된 기계적 부하를 감소시킴으로써 마모가 감소된다. 마모가 감소됨으로써 상기 전극의 수명을 연장할 수 있다.
도 7A는 본 발명의 원리를 구현하는 바람직한 접점 요소, 탄성 요소 및 전력 접점의 부분 분해도를 도시한다. 투피스 전력 연결부(700)는 전력 접점(702), 접점 요소(704), 및 탄성 요소(706)를 포함하며, 이들은 길이방향 축선(A)을 따라 거의 정렬된다. 상기 전력 접점(702)은 상기 접점 요소(704)의 축방향 연장부(712)를 수용하는 공동(710, cavity)에 인접한 개구(708)를 규정한다. 상기 부분(712)의 직경은 상기 공동(710)의 직경보다 약간 작다. 제 2 탄성 요소(714)는 상기 부분(712)의 축방향 길이를 따라 방사상으로 형성되어 상기 공동(710)에 대해 충분한 마찰을 제공함으로써, 상기 부분(712) 및 상기 접점 요소(704)가 상기 전력 접 점(702)(예를 들면, 마찰 접합부)으로부터 해제되는 것을 막고 상기 접점 요소(704)의 방사상 이동을 제한한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 제 2 탄성 요소(714)는 Louvertac(TM) 스프링, 예를 들면, 베릴륨 구리로 제조되며, 미합중국 펜실베이니아 해리스버그 소재의 Tyco Electronics Corp.에 의해 판매된다. 다른 구리 합금 또한 본 발명의 범주에 들어간다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 제 2 탄성 요소(714)는 전도성 금속, 예를 들면, 금, 은, 니켈 또는 주석으로 도금된다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 제 2 탄성 요소(714)는 전기 전도성이며, 상기 전력 접점(702) 및 상기 접점 요소(704) 사이의 전원(도시하지 않음)에 의해 공급되는 전류의 일부를 통과시킨다. 상기 탄성 요소(706)는 파일럿 아크의 개시 중에 상기 전원 및 상기 전극 바디 사이로 파일럿 아크 전류를 통과시킬 수 있다.
상기 전력 접점(702)은 제 1 표면(718)이 연장부(712)에 인접하는 경우 상기 접점 요소(704)의 제 1 대응 표면(718)까지 전류를 통과시키는 상기 개구(708)에 인접하는 표면(716)을 규정한다. 상기 접점 요소(704) 또한 상기 제 1 탄성 요소(706)에 대해 반응하는 상기 제 1 표면(718)과 반대로 위치하는 제 2 표면(720)을 포함한다. 상기 접점 요소(704)는 상기 제 2 표면(720)으로부터 축방향으로 연장하는 부분(722)을 포함하며, 상기 탄성 요소(706)의 내경보다 작은 직경을 규정함으로써 상기 탄성 요소(706)가 상기 부분(722)을 둘러싸도록 한다. 상기 부분(722)은 토치 전극 바디(도시하지 않음)의 인접 단부와 전기적으로 접하도록 구성된다. 상기 부분(722)은 경계면(724) 및 단부면(726)을 규정한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 경계면(724), 상기 단부면(726), 또는 둘 다는 상기 전극 바디의 대응 표면들과 결합한다. 상기 탄성 요소(706)는 구성요소(728)와 결합된다. 상기 구성요소(728)는 상기 전극 바디의 대응 표면(도시하지 않음)에 대해 반응하도록 설계되어 상기 전극 바디의 말단부(도시하지 않음)를 향해(예를 들면, 상기 전력 접점(700)으로부터 멀어져) 배향되는 축방향 힘을 제공한다. 가스 압력은 상기 전극 바디의 가스 반응 표면에 대해 반응하고 상기 축방향 힘을 극복함으로써, 상기 경계면(724), 상기 단부면(726) 또는 둘 다가 이송된 아크 작동 중에 상기 전극 바디의 대응 부분들에 대해 반응할 때까지, 상기 전극 바디를 상기 인접 단부를 향해 이동시킨다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 구성요소(728)는 상기 탄성 요소(706)와 일체로 동일 물질로 형성된다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 구성요소(728)는 별개의 구성요소 및/또는 상기 탄성 요소(706)에 고정되는 다른 물질로 형성된다. 상기 구성요소(728)는 상기 탄성 요소(706)와 결합되는 환형 와셔로서 도시된다. 상기 구성요소(728)의 다른 구조, 예를 들면, 상기 탄성 요소(706)의 인접 축방향 외부와 외접하는 원형 판 또는 고리(예를 들면, 도 9에 대해 아래에서 설명되는 접점 요소(904)와 유사)가 사용될 수 있다. 이러한 구조는 상기 탄성 요소(706)가 각각의 전극 바디로부터 가려지도록 함으로써, 상기 전극 바디 및 상기 구성요소(728)가 상기 전력 접점(702)에 대해 거의 함께 이동하도록 한다. 보다 상세히 설명하면, 상기 구성요소(728)는 상기 전극 바디에 대해 고정되며, 상기 접점 요소(704) 및 상기 전력 접점(702)에 대해 이동가능하다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 구성요소(728)의 제 1 표면(도시하지 않음)은 상기 전극 바디의 대응 표면과 대면하고, 상기 구성요소(728)의 제 2 표면(도시하지 않음)은 상기 접점 요소(704)의 단부면(726)을 대면한다. 이송된 아크 작동 중에, 상기 구성요소(728)의 제 2 표면은 상기 접점 요소(704)의 단부면과 물리적으로 접하고, 상기 구성요소(728)의 제 1 표면은 상기 전극 바디와 물리적으로 접하여 상기 전원으로부터 상기 전극 바디까지 상기 전력 접점(702) 및 상기 접점 요소(704)를 통한 전류 경로를 제공한다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 요소(706)는 전기 전도성이 아니며, 전도성 요소(도시하지 않음) 파일럿 아크 작동 중에 상기 구성요소(728)까지의 전류 경로를 제공한다. 상기 전도성 요소는 상기 구성요소를 상기 접점 요소(704) 또는 상기 전력 접점(702)에, 예를 들면, 납땜, 용접 또는 기타 전기적 접점에 의해 전기적으로 연결하도록 상기 접점 요소(704) 또는 상기 전력 접점(702) 및 상기 전도성 요소 사이에 위치되는 와이어 또는 전도성 스트립일 수 있다.
이송된 아크 작동 중에, 이송된 아크 전류는 상기 접점 요소(704)(예를 들면, 상기 경계면(724), 상기 단부면(726) 또는 둘 다를 통해) 및 상기 전극 바디 사이에 물리적 접점을 거쳐 통과될 수 있다. 이러한 구조는 상대적으로 낮은 정격 전류의 전도성 요소가 상기 파일럿 전류를 상기 전극 바디까지 통과시키도록 사용되도록 하는바, 이는 상대적으로 작은 전도성 요소가 사용되도록 한다. 작은 전도성 요소는 상기 전도성 요소와 상기 토치 시스템의 이동 부품들(예를 들면, 상기 탄성 요소(706) 및 상기 전극 바디) 사이에서의 물리적 간섭을 줄이는데 유용한다. 거의 모든 정격 전류(예를 들면, 파일럿 전류 및 이송된 아크 전류)는 상기 구성요 소(728)를 통해 상기 전극 바디까지 통과된다.
도 7B는 플라즈마 아크 토치 작동에 배치되는 도 7A의 구성요소를 도시한다. 상기 접점 요소(704)의 상기 부분(712)은 상기 공동(710) 내로 전진하며, 상기 제 2 탄성 요소(714)는 상기 공동(710)의 내면(도시하지 않음)에 대해 반응하여 상기 접점 요소(704)의 해제를 마찰을 사용하여 방지한다. 상기 접점 요소(704)의 상기 제 1 대응 표면(718)은 상기 공동(710)에 인접한 상기 표면(716)에 대해 안착하거나 물리적으로 접하여 상기 전력 접점(702)으로부터 상기 접점 요소(704)까지의 전류 경로를 제공한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 접점 요소(704) 또는 상기 탄성 요소(706)는 상기 전력 접점(702)을 교체하지 않고도 교환될 수 있다. 상기 전력 접점(702) 및 상기 접점 요소(704) 사이의 인터페이스(예를 들면, 상기 표면(716) 및 대응 표면(718) 사이의 인터페이스)는 상기 전력 접점(702)에 대해 고정이며, 상기 전력 접점(702)은 상기 전류 경로 및 상기 물리적 인터페이스가 동시에 발생하는 구조에서와 같이 빨리 마모되지 않는다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 접점 요소(704) 및 상기 전력 접점(702)은 일체형 바디(예를 들면, 두 개의 분리된 조각이 아니라, 동일한 조각의 물질로 제조되는)를 형성할 수 있다. 도 7A 및 도 7B의 구조는 현재의 접점 개시 플라즈마 아크 토치에서 채용될 수 있는바, 예를 들면, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 일체형 전력 접점(108)을 투피스 전력 연결부(700)로 교체함으로써 및 상기 전극 블록(116)을 교체함으로써 상기 전력 연결부(700)를 용이하게 구성할 수 있다. 상기 전력 연결부(700)는 상기 전극 바디에 대해, 예를 들면, 전술한 바와 같은 클립 또는 핀에 의해 상대적으로 고정 체결될 수 있다.
도 8A는 플라즈마 아크 토치 내의 설치 전 전극 바디, 탄성 전도성 요소 및 접점 요소의 다른 실시예의 단면도이다. 상기 전극(800)은 전극 바디(802), 접점 요소(804) 및 탄성 전도성 요소(806)를 포함하며, 이들은 길이방향 축선(A)에 대해 거의 정렬된다. 도 8A는 플라즈마 아크 토치(도시하지 않음) 내에 배치될 수 있는 전극(800)의 인접 단부(808)를 도시한다. 상기 전극 바디(802)는 상기 전극 바디(802)로부터 방사상으로 연장하는 숄더(810)를 특징으로 한다. 상기 숄더(810)는 제 1 표면(812) 및 제 2 표면(814)을 규정한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 제 1 표면(812)은 제한 표면으로서 작용하여 상기 접점 요소(804)의 대응 표면(816)과 접촉하고 상기 접점 요소(804)가 축방향 힘(예를 들면, 탄성 전도성 요소(806), 가스 압력, 또는 어떤 경우에는 중력에 의해 제공되는)의 존재 하에서 상기 전극 바디(802)로부터 해제되는 것을 방지한다. 상기 숄더(810)의 상기 제 2 표면(814)은 상기 탄성 전도성 요소(86)의 표면(818)과 결합하여 반응 인터페이스를 형성하도록 구성된다.
상기 접점 요소(804)는 제 표면(820) 및 제 2 표면(822)을 규정한다. 상기 제 1 표면(820)은 전력 접점(도시하지 않음)의 대응 표면(도시하지 않음)에 대해 안착 또는 정합하도록 설계 또는 구성되어 물리적 접촉 및 전기적 도통을 확립한다. 상기 접점 요소(804)의 제 2 표면(822)은 상기 전극 바디(802)에 의해 규정되는 표면(826)에 대응하도록 설계 또는 구성된다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 전도성 요소(806)는 상기 접점 요소(804)의 제 2 표면(822)과 결합하여 축방향 힘을 제공한다. 상기 접점 요소(804)는 수용체(828)를 규정한다. 상기 수용 체(828)는 상기 탄성 전도성 요소(806)가 상기 전극 바디(802)의 일부를 중심으로 배치되고 상기 접점 요소의 수용체(828) 내에 배치되도록 하는 크기로 형성된다.
몇몇 실시예에 있어서, 파일럿 아크 작동 중에, 상기 접점 요소(804)의 제 1 표면(820)은 상기 전력 접점과 전기적 도통(및/또는 물리적 접촉) 상태가 된다. 상기 전력 접점은 상기 접점 요소(804)를 가로질러 상기 제 2 표면(822)까지 이송되는 상기 제 1 표면(820)에 전류를 제공한다. 전류는 상기 탄성 전도성 요소(806) 및 상기 제 2 표면(822) 사이의 인터페이스를 거쳐 상기 접점 요소(804) 및 상기 탄성 전도성 요소(806) 사이를 통과할 수 있다. 상기 탄성 전도성 요소(806)는 상기 전력 접점 및 상기 전극 바디(802) 사이에 전류를 통과시키기 위한 전류 경로를 제공한다. 예를 들면, 전류는 상기 숄더(810)의 표면(818) 및 대응 제 2 표면(814) 사이의 인터페이스에서 상기 전극 바디(802) 및 상기 탄성 전도성 요소(806) 사이를 통과한다. 일반적으로, 상기 수용체(828), 상기 탄성 전도성 요소(806) 및/또는 상기 표면(812)은 협동하여 상기 전극(800)이 상기 플라즈마 아크 토치에 장착되는 경우 상기 전극 바디(802)의 방사상 이동을 제한한다.
도 8B는 이송된 아크 모드 중에 도 8A의 구성요소의 구조를 도시한다. 파일럿 아크 모드 중에, 가스 압력은 상기 전극 바디(802)에 대해 반응하여 상기 인접 단부(808)로부터 축방향으로 멀어지는 방향으로 상기 탄성 전도성 요소(806)의 가압력을 극복하여 상기 전극 바디(802), 특히 표면(826)을 상기 접점 요소(804)의 대응 제 2 표면(822)과 접촉 상태로 이동시킨다. 이러한 구조에 있어서, 전기적 도통은 상기 접점 요소(804) 및 상기 전극 바디(802) 사이에서 직접 확립될 수 있 으며, 상기 전류는 이송된 아크 작동을 위해 증가될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 접점 요소(804)는 상기 전극 바디(802)의 표면(842)으로부터 먼 단부면(840)을 규정한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 단부면(840)은 상기 표면(842)에 대해 반응함으로써 접촉 또는 “버텀 아웃”하여 상기 접점 요소(804) 및 상기 전극 바디(802) 사이에 제 2 전류 경로를 제공한다.
도 9는 본 발명을 구현하는 전극의 다른 실시예의 단면도이다. 상기 전극(900)은 전극 바디(902), 접점 요소(904) 및 탄성 전도성 요소(906)를 포함하며, 이들은 길이방향 축선(A)을 따라 거의 정렬된다. 상기 전극 바디(902)는 상기 탄성 전도성 요소(906)의 표면(910)에 대해 반응하여 상기 탄성 전도성 요소(906)가 상기 전극 바디(902)로부터 해제를 방지(예를 들면, 포획)할 수 있는 반사상 연장 표면(908)을 규정한다. 상기 탄성 전도성 요소(906) 또는 상기 표면(910)은 상기 길이방향 축선(A)을 따라 축방향으로 전진되어 상기 표면(908) 상에서 가압 또는 압축되어 반경 억지 끼워 맞춤을 형성할 수 있다. 다른 방식의 접합부들이 상기 전극 바디(902)로부터의 상기 탄성 전도성 요소(906)의 해제를 방지하도록 사용될 수 있다.
상기 접점 요소(904)는 수용체(912), 플라즈마 아크 토치(도시하지 않음)의 전력 접점의 대응 표면과 전기적 도통 및/또는 물리적 접촉 상태인 제 1 표면(914), 및 상기 전극 바디(902)의 대응 표면(918)과 전기적 도통 및/또는 물리적 접촉 상태인 제 2 표면(916)을 규정한다. 상기 수용체(912)는 상기 수용체의 내경이 상기 탄성 전도성 요소(906)의 외경보다 약간 작도록 형성될 수 있다. 상기 접 점 요소(904) 및 상기 수용체(912)는 상기 탄성 전도성 요소(906) 전체에 걸쳐 압축 또는 가압되어 상기 탄성 전도성 요소(906)의 일부 및 상기 수용체(912) 사이에 마찰부 또는 다른 방식의 접합부를 확립한다. 몇몇 실시예에 있어서, 선택적 또는 추가의 조인트 또는 접합부들이 상기 접점 요소(904)를 상기 탄성 전도성 요소(906) 및 상기 전극(900)에 고정하도록 사용될 수 있다. 일반적으로, 상기 수용체(912)는 상기 탄성 전도성 요소(906)와 협동하여 상기 전극(900)이 상기 플라즈마 아크 토치 내에 장착되는 경우 상기 전극 바디(902)를 방사상으로 제한한다.
도 10A는 본 발명의 원리를 구현하는 바람직한 접점 요소 및 탄성 전도성 요소의 사시도이다. 상기 시스템(100)은 접점 요소(1002) 및 상기 접점 요소(1002)의 수용체(1006) 내에 배치되는 탄성 전도성 요소(1004)를 포함한다. 상기 접점 요소(1002)는 하나 또는 그 이상의 관통 구멍(1010)을 규정하는 플랜지(1008)를 포함하여 상기 시스템(100)을 중심으로 하는 가스의 통과를 용이하게 한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 관통 구멍(1010)은 가스가 전극 바디를 중심으로 이동함에 따라 상기 가스에 소용돌이 이동을 부여하여, 예를 들면, 상기 전극 바디 또는 플라즈마 아크 토치를 냉각한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 전도성 요소(1004)는 상기 접점 요소(1002)에 고정 또는 체결(예를 들면, 접착에 의해)된다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 전도성 요소(1002)는 상기 접점 요소(1002)와 일체로 형성된다.
도 10B는 파일럿 아크 작동 중에 도 10A의 구성요소를 채용하는 플라즈마 아크 토치의 일부 단면도이다. 상기 토치(1020)는 상기 접점 요소(1002), 상기 탄성 전도성 요소(1004), 전극 바디(1022), 및 전력 접점(1024)을 포함하며, 이들은 길이방향 축선(A)을 따라 거의 정렬된다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 전력 접점(1024)은 전원(도시하지 않음)과 전기적으로 접한다. 상기 전력 접점(1024)은 상기 접점 요소(1004)의 외면(1028)과 협동하여 가스 통로(1030)를 규정하는 토치 구성요소(1026)에 의해 둘러싸인다. 가스는 도 2A를 참조하여 설명된 플라즈마 아크 생성 및 공작물 처리를 위해 공급될 수 있다. 상기 토치(1020) 내의 가스 압력은 상기 전극 바디(1022) 둘레에서 (예를 들면, 핀들(1032)에 의해 안내되는 상기 전극 바디(1022) 둘레를 소용돌이침으로써) 상기 전력 접점(1024)을 향해 흐름으로써 감소된다. 가스는 상기 접점 요소(1004) 내에서 상기 가스 통로(1030)를 따라 상기 전극 바디(1022)로부터 멀어져 상기 구멍(1010)을 통해 흐를 수 있다.
도시된 실시예에 있어서, 상기 플랜지(1008)는 상기 토치 구성요소(1026)의 표면(1034) 및 상기 소용돌이 링(1038)의 표면(1036) 사이에 배치된다. 몇몇 실시예에 있어서, 도 10A의 시스템(1000)은 소모성 부품으로서, 상기 토치(1020) 내에 설치되며, 상기 전극 바디(1022)는 상기 시스템(1000) 보다 자주 교체된다. 이는, 예를 들면, 상기 전극 바디(1022)가 소모된 후 상기 토치(1020)를 해체하지 않고 쉽게 교환될 수 있도록 한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 시스템(1000)은 억지 끼워 맞춤에 의해 상기 전력 접점(1024)에 대해 고정된다. 예를 들면, 상기 시스템(1000)은 상기 토치(1020) 내에 위치되고, 상기 소용돌이 링(1038)은 상기 토치 구성요소(1026)의 외면(1040)에 대해 (예를 들면, 나사 결합) 고정되어 상기 플랜지(1008)를 상기 토치 구성요소(1026), 전력 접점(1024) 및/또는 상기 토치(1020) 에 대해 축방향 및/또는 방사상으로 고정한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 플랜지는 상기 토치(1020)의 다른 구성요소와 반응 또는 그에 대해 안착한다.
상기 시스템(1000)의 하나 또는 그 이상의 구성요소는 상기 소용돌이 링(1038)과 일체로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 플랜지(1008)는 상기 소용돌이 링(1038)에 접착 또는 다른 방식으로 고정되어 일체형 구성요소를 형성할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 접점 요소(1002)는 가공 또는 제조 공정 중에 상기 소용돌이 링(1038)과 동일한 물질로 형성된다. 상기 탄성 요소(1004)는 상기 접점 요소(1002)-소용돌이 링(1038) 조합에, 예를 들면, 직경 억지 끼워 맞춤 또는 다른 고정 방식에 의해 고정될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 탄성 요소(1004)는 상기 접점 요소(1002) 또는 상기 소용돌이 링(1038) 어느 것에도 고정되지 않는다.
상기 전극 바디(1022)는 상기 전력 접점(1024)을 향해 이동(예를 들면, 가스 압력에 의해)됨으로써 상기 전극 바디(1022)의 표면(1042)이 상기 접점 요소(1002)의 대응 표면(1044)과 결합하여 전기적 도통 및 물리적 접촉을 확립하도록 할 수 있다. 상기 토치(1020)의 이송된 아크 작동과 관련된 전류는 상기 전극 바디(1022) 및 상기 접점 요소(1002) 사이를 통과한다.
도 11A는 접점 개시 플라즈마 아크 토치에서 사용되는 바람직한 접점 요소를 도시한다. 상기 접점 요소(1100)는 제 1 표면(1102), 제 2 표면(1104), 연장부(1106), 및 제한부(1108)를 포함한다. 상기 제 1 표면(1102)은 플라즈마 아크 토치(도시하지 않음)의 전력 접점과 전기적으로 통하도록 구성된다. 예를 들면, 전기적 도통은 상기 전력 접점의 대응 표면(도시하지 않음)과의 물리적 접촉에 의해 달성될 수 있다. 상기 제 2 표면(1104)은 전극 바디(도시하지 않음), 탄성 전도성 요소, 또는 둘 다와 전기적으로 통하도록 구성된다. 예를 들면, 전기적 도통은 상기 제 2 표면(1104) 및 상기 전극 바디의 대응 표면 사이의 물리적 접촉에 의해 상기 전극 바디를 통해 달성될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 전력 접점 및 상기 제 1 표면(1102) 사이의 물리적 접촉과 상기 전극 바디 및 상기 제 2 표면 사이의 물리적 접촉은 상기 전력 접점(예를 들면, 전원) 및 상기 전극 바디 사이를 흐르는 전류 경로를 수립한다.
상기 접점 요소의 연장부(1106)는 상기 제한부(1108)에 인접한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 연장부 및 상기 제한부는 일체로(예를 들면, 동일한 물질로) 형성된다. 상기 연장부(1106)는 상기 제 2 표면(1104)으로부터 직각으로 돌출한다. 도시된 바와 같이, 상기 연장부(1106)는 직경을 갖는 원형 단면을 규정하지만, 다른 구조도 가능하다. 상기 제한부(1108)의 폭(w)은 상기 연장부(1106)의 직경보다 크며, 상기 제한부(1108)의 두께(t)는 상기 직경보다 작다.
도 11B는 수직 축선을 중심으로 90도 회전된 도 11A의 접점 요소를 도시한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 제한부(1108) 및 상기 연장부(1106)는 도 11B에 도시된 바와 같이 제 1 배향으로 전극 바디(도시하지 않음)의 수용체 내로 전진한다. 상기 수용체에 인접한 개방공은 상기 제한부(1108) 및 상기 연장부(1106)가 상기 수용체로 들어갈 수 있게 하는 치수로 형성된다. 그러나, 상기 접점 요소(1100)를 수직 축선(예를 들면, 도 1A에 도시된 바와 같이) 회전시킴으로써, 상 기 제한부(1108)가 상기 수용체의 일부에 대해 작용하여 상기 접점 요소가 상기 전극 바디로부터 해제되지 않도록 상기 접점 요소(1100)를 위치시킨다. 상기 접점 요소(1100)는 전극 바디에 다른 방식으로, 예를 들면, 나사 결합 또는 억지 끼워 맞춤에 의해 고정될 수 있다.
도 12A는 접점 개시 플라즈마 아크 토치용 조립체(1200)의 단면 부분 사시도이다. 상기 조립체(1200)는 전극(1204), 중공 바디(1208), 탄성 요소(1212), 및 전력 접점(1216)을 포함한다. 상기 전극(1204)은 발광 요소(1228)를 수용하는 말단부(1224)를 포함하는 전극 바디(1220)를 포함한다. 상기 전극(1204)은 또한 상기 말단부(1224)로부터 멀리 위치되는 단부(1232)를 포함한다. 상기 단부(1232)는 상기 말단부(1224)(예를 들면, 상기 전극 바디(1220)에 인접한)에 대해 위치된다. 상기 전극 바디(1220)는 가스 흐름의 방향을 정하고 상기 조립체(1200)의 냉각을 용이하게 하는 나선형 홈들(1236)의 조합을 포함한다. 상기 전극(1204)은 상기 조립체(1200)가 토치(도시하지 않음) 내에 설치되는 경우 축선(A)을 따라, 예를 들면, 상기 중공 바디(1208)의 내면(1240)과 미끄럼 결합하도록, 이동할 수 있다. 상기 중공 바디(1208)는 전방부(1244) 및 후방부(1248)를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 상기 전방부(1248)는 외면(1356)부터 내면(1240)까지 형성되는 하나 또는 그 이상의 구멍(1252)을 포함한다. 상기 구멍들(1252)은 상기 축선(A)에 대한 소용돌이 이동을 상기 조립체(1200)를 통해 흐르는 가스에 가할 수 있다. 소용돌이 가스 흐름을 생성하는 이러한 구멍들(1252)을 갖는 중공 바디(1208)는 통상 소용돌이 링이라 불린다. 소용돌이 링은 중공 바디(1208)의 단순한 변형예이며, 본 명세 서에 개시된 상기 시스템은 상기 중공 바디(1208) 또는 소용돌이 링 구조의 기능을 수행할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, 상기 중공 바디는 토치의 일체 형성부일 수 있다.
상기 전극(1204)의 단부(1232)는 축선(A)을 따라 축방향으로 연장하는 부분(1260)을 포함한다. 상기 부분(1260)은 제 1 방향(예를 들면, 축선(A)으로부터 방사상으로 멀어지는)을 따른 제 1 길이(1264)(또는 거리), 및 제 2 방향(예를 들면, 상기 축선(A)으로부터 방사상으로 멀어지며 상기 제 1 방향과 수직인)을 따른 제 2 길이(1268)(또는 거리)를 포함한다. 상기 중공 바디(1208)는 상기 내면(1240)(예를 들면, 상기 내면(1240) 상에 규정되는)에 대해 배치되는 숄더(1272)를 포함한다. 상기 숄더(1272)는 또한 외형, 단차, 또는 플랜지로 불릴 수도 있으며, 상기 내면에 대해 다양한 기하학적 구조(예를 들면, 반원형, 삼각형, 사각형, 또는 비-정다각형 구조)를 가질 수 있다. 상기 숄더(1272)는 제 1 부분(1276) 및 제 2 부분(1280)을 규정한다. 상기 제 1 부분(1276) 및 제 2 부분(1280)은 협동하여 상기 전극(1204)의 상기 부분(1260)이 이동할 수 있는 외형의 개방공을 형성한다. 상세히 설명하면, 상기 제 2 부분(1280)은 그를 통한 상기 제 2 길이(1268)의 미끄럼 통과를 용이하게 하기에 충분한 상기 축선(A)으로부터의 거리에 위치된다. 상기 제 1 부분(1276)은 상기 제 2 부분(1280)과 협동하여 상기 제 1 길이(1264)보다 충분히 큰 슬롯(1284)을 갖는 개방공을 규정하여 그를 통한 상기 제 1 길이(1264)의 미끄럼 통과를 용이하게 한다. 상기 전극(1204)은 상기 중공 바디(1208) 내의 토치 내에 설치됨으로써 상기 부분(1260)이 축선(A)을 따라 축방향 으로 상기 제 1 부분(1276) 및 상기 제 2 부분(1280)에 의해 규정되는 상기 개방공을 통해 왕복 가능하게 이동할 수 있다.
상기 부분(1260)은 또한 표면(1288)을 포함하며, 상기 표면(1288)은 상기 탄성 요소(1212)와 전기적으로 통하는 제 1 영역(1290) 및 상기 전력 접점(1216)과, 예를 들면, 상기 전력 접점(1216)의 대응 표면(1294)과의 물리적 접촉을 통해, 전기적으로 통하는 제 2 영역(1292)을 포함한다. 상기 탄성 요소(1212)는 상기 전극(1204)을 상기 말단부(1224)를 향해 탄성 가압한다. 상기 전극(1204)은 노즐(도시하지 않음)이 설치되는 경우 상기 말단부(1224)와 물리적으로 접하는 상기 노즐에 의해 상기 토치로부터 배출되는 것이 방지된다. 상기 노즐은 상기 토치에 고정되어 상기 부분(1260)(예를 들면, 상기 제 1 영역(1290)을 통해)이 상기 탄성 요소(1212)와 물리적으로 접하도록 한다. 예를 들면, 상기 노즐을 설치함으로써 상기 부분(1260)을 상기 슬롯(1284)을 통해 가압하고 상기 제 1 영역(1290)이 상기 탄성 요소(1212)와 물리적으로 접하도록 위치시킨다. 상기 노즐이 설치되는 경우, 상기 탄성 요소는 압축된다.
상기 탄성 요소(1212)는 상기 전력 접점(1216)의 숄더(1272) 및 플랜지(1296) 사이에 위치된다. 상기 탄성 요소(1212)는 상기 중공 바디(1208)(예를 들면, 상기 숄더(1272)를 통해) 및 상기 전력 접점(1216)(예를 들면, 상기 플랜지(1296)를 통해) 사이에 고정 또는 포획된다. 상기 숄더(1272)는 상기 탄성 요소(1212)를 고정하고 상기 전극(1204)에 의해 상기 탄성 요소(1212) 및 상기 전력 접점(1216)에 용이하게 접근한다.
상기 전력 접점(1216)은 전원(도시하지 않음)과 전기적으로 접한다. 파일럿 아크 작동 중에, 상기 전원은 상기 전원 접점(1216)에 파일럿 아크 전류를 제공하고, 상기 전류는 상기 플랜지(1296)로부터 상기 탄성 요소(1212)를 통해 상기 전극(1204)의 제 1 영역(1290)까지 흐른다. 플라즈마 가스(도시하지 않음)는 파일럿 아크 개시 중에 상기 전극을 중심으로 흐르고, 상기 플라즈마 가스는 상기 전극(1204) 상의 유압을 증가시킨다. 상기 압력은 상기 전극(1204)을 상기 전력 접점(1216)을 향해 축방향 이동시켜 물리적으로 접촉시킨다. 상기 전극(1204) 및 상기 노즐이 물리적으로 분리됨에 따라 상기 노즐 및 상기 전극(1204) 사이에 형성되는 플라즈마 챔버(도시하지 않음) 내에 파일럿 아크가 생성된다. 압력은 전극(1204)을 이동시켜 이송된 아크 작동을 위해 상기 전력 접점(1216)과 물리적으로 접하고 전기적으로 통하도록 한다. 상기 전극(1204)이 상기 전력 접점과 접하는 경우, 상기 부분(1260)은 상기 슬롯(1284) 내에 배치된다.
이송된 아크 작동 중에, 이송된 아크 전류는 상기 전원으로부터 상기 전력 접점(1216)을 통해 상기 전극(1204)까지 상기 부분(1260)의 표면(1280)의 제 2 영역(1292) 및 상기 전력 접점(1216)의 대응 표면(1294) 사이의 물리적 접촉을 통해 흐른다. 가스 압력은 이송된 아크 작동 중에 증가되어 공작물(도시하지 않음)을 처리하기 위한 플라즈마 제트를 형성한다.
상기 조립체(1200)에는 상기 제 1 영역(1290)이 상기 탄성 요소(1212)와 직접 물리적으로 접하는 것으로 도시되어 있지만, 다른 구조도 가능하다. 예를 들면, 상기 탄성 요소(1212)는 상기 전극과 물리적으로 접하고 전기적으로 통하는 상 기 탄성 요소(1212)에 고정되는 환형 와셔-형 판과 같은 분리형 접점 표면(도시하지 않음)을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 상기 전력 접점(1216)의 대응 표면(1294)은 상기 전극(1204)이 상기 전력 접점(1216) 자체가 아니라 도금부나 코팅부와 접촉하도록 어떤 물질로 도금 또는 코팅될 수 있다. 이러한 구조는 본 발명의 범주 내에 들어간다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 중공 바디(1208)의 상기 전방부(1244) 및 상기 후방부(1248)는 일체로(예를 들면, 동일 조각의 물질로 제조) 형성된다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 전방부(1244) 및 상기 후방부(1248)는 각기 다른 물질로 형성될 수 있는바, 예를 들면, 상기 전방부(1244)는 절연 물질로 형성될 수 있고, 상기 후방부(1248)는 전도성 물질로 형성될 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 슬롯(1284)은 상기 중공 바디(1208) 내의 축선(A)을 중심으로 상기 전극(1204)의 각도 변위를 용이하게 하도록(예를 들면, 상기 부분(1260)이 상기 슬롯(1284) 내에 배치되는 동안) 상기 제 1 길이(1264)보다 상당히 큰 치수 또는 크기를 갖는다. 상기 슬롯(1284)은 상기 축선(A)을 중심으로 상기 전극(1204)의 각도 변위에, 예를 들면, 각도 변위를 막도록 상기 부분(1260)에 대해 반응함으로써, 저항할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 표면(1288)의 상기 제 1 영역(1290) 및 상기 제 2 영역(1292)은 공동 평면이 아니며 동일 표면의 영역을 형성하지 않는다. 예를 들면, 상기 제 1 영역(1290)은 상기 제 2 영역(1292)으로부터 축방향으로 멀리 위치되어, 상기 전극(1204)의 상기 부분(1260)이 축방향 단차, 플랜지, 또는 숄더(도시하지 않음)를 포함하도록 할 수 있다.
도 12B는 도 12A의 조립체(1200)의 분해 사시도로서, 중공 바디(1208)의 일부는 절개된 상태이다. 도 12B는 상기 전극(1204), 상기 중공 바디(1208), 상기 탄성 요소(1212), 및 상기 전력 접점(1216)을 도시하는바, 이들은 플라즈마 아크 토치(도시하지 않음) 내의 설치 전의 조립되지 않은 구조이다. 조립 동안, 상기 전극(1204)은 상기 중공 바디(1208)와 미끄럼 가능하게 결합하여, 상기 전극(1204)을 상기 중공 바디(1208)에 부착하는데 나사 결합이 필요 없도록 한다. 상기 탄성 요소(1212)의 표면(1297)이 도시된다. 상기 표면(1297)은 상기 탄성 요소(1212)가 상기 토치 내에 위치되는 경우 상기 중공 바디(1208)의 숄더(1272)와 접촉한다. 상기 제 1 영역(1290)은 상기 슬롯(1284)을 통해 이동되어 상기 탄성 요소(1212)의 표면(1297)의 적어도 일부와 물리적으로 접하고 전기적으로 통하게 된다.
도 12C는 도 12A의 조립체의 일부의 평면도이다. 도 12C는 상기 중공 바디(1208), 상기 전력 접점(1216), 및 상기 탄성 요소(1212)의 표면(1297)을 도시한다. 상기 전극(1204)은 도시되지 않았지만, 도 12A에 도시된 바와 같은 상기 전극(1204)의 다양한 특징들은 참조로 인용된다. 상기 중공 바디(1208)는 상기 숄더(1272)를 포함한다. 상기 숄더(1272)는 상기 전극(1204)의 일부(1260)가 이동할 수 있는 외형의 개방공을 형성하도록 협동하는 제 1 영역(1276) 및 제 2 영역(1280)을 규정한다. 도시된 바와 같이, 상기 제 1 영역(1276) 및 상기 제 2 영역(1280)은 협동하여 상기 개방공 내에 상기 슬롯(1284A, 1284B)을 형성하는바, 상기 전극(1204)이 상기 토치 내에 설치되는 경우 상기 전극(1204)의 상기 부분(1260)은 이를 통해 이동(예를 들면, 왕복 미끄럼 이동)할 수 있다. 이러한 구 조에 있어서, 상기 중공 바디(1208) 내의 상기 슬롯(1284A, 1284B)은 상기 전극의 상기 부분(1260)의 형상에 대해 상보형 모양을 갖는다. 상기 슬롯(1284A, 1284B)의 형상은 그들이 상기 전극의 상기 부분(1260)을 수용하도록 형성된다는 점에서 상보형이다. 그러나, 상기 슬롯(1284A, 1284B)의 형상은 상기 전극의 상기 부분(1260)의 형상과 정합할 필요는 없다. 그 대신, 상기 슬롯(1284A, 1284B)의 형상은 상기 전극의 상기 부분(1260)의 간극을 허용할 수 있으면 된다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 제 1 부분(1276) 및 상기 제 2 부분(1280)은 협동하여 하나의 슬롯(1284A 또는 1284B)(둘 다는 아님)을 갖는 외형의 개방공을 형성한다. 각각의 슬롯(1284A, 1284B)은 서로 평행한 두 개의 부분(1285)에 의해 규정된다. 상기 부분들(1285)은 또한 다른 구조 및 배향을 규정할 수 있다. 예를 들면, 상기 부분들(1285)은 상기 축선(A)에 대해 방사상으로 배향(예를 들면, 삼각형 슬롯(1284)을 형성)할 수 있다. 상기 부분들(1285)은 원형, 반원형, 또는 다른 곡면일 수 있다. 일반적으로, 상기 부분들(1285)은 상기 전극의 상기 부분(1260)이 상기 숄더(1272)를 통과하도록 (예를 들면, 상기 제 1 부분(1276) 및 상기 제 2 부분(1280)에 의해 규정되는 개방공을 통해) 하는 어떤 구조든 규정할 수 있다.
상기 축선(A)으로부터 상기 제 2 부분(1280)까지의 거리(d1)는 상기 축선(A)으로부터 상기 제 1 부분(1276)까지의 거리(d2)보다 크다. 상기 축선(A)으로부터 상기 탄성 요소(1212)까지의 거리(d3)는 상기 거리(d2)보다 크고 상기 거리(d1)보다 작다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 거리(d3)는 상기 거리(d2)보다 작을 수 있다(예를 들면, 환형 판(도시하지 않음)은 상기 탄성 요소(1212)에 고정된다). 상 기 축선(A)으로부터 상기 전력 접점(1216)까지의 거리(d4)는 상기 거리(d3)보다 작아서 상기 탄성 요소(1212)를 통한 상기 제 2 영역(1292)의 통과를 용이하게 하고 상기 전력 접점(1216)의 대응 표면(1294)과 물리적으로 접하고 전기적으로 통하도록 한다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 전극(1204)은, 예를 들면, 상기 부분(1260) 및 상기 슬롯(1284A, 1284B)이 정렬되지 않는 경우, 상기 숄더를 지나 이동하지 않는다. 이러한 구조에 있어서, 상기 부분(1260)은 상기 숄더(1272)와 접촉하여 그를 통한 상기 부분(1260)의 통과에 저항한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 전극(1204)은 상기 토치 내에 견고하게 위치될 수 있다. 예를 들면, 상기 부분(1260)은 상기 탄성 요소(1212)와 (예를 들면, 상기 제 1 영역(1290)을 통해) 접촉하는 상기 숄더(1272)를 통해 완전히 통과될 수 있다. 상기 부분(1260)은 상기 탄성 요소(1212)를 압축한다. 상기 탄성 요소(1212)는 상기 전극(1204)을 상기 말단부(1224)를 향해 가압한다. 상기 축선(A)을 중심으로 하는 상기 부분(1260)의 각도 변위 시, 상기 숄더(1272)의 인접 표면(도시하지 않음)은 상기 전극(1204)의 말단 이동을 저항한다. 상기 부분(1260) 및 상기 숄더(1272)의 인접 표면은 상기 탄성 요소(1212)가 상기 전극(1204)을 상기 중공 바디(1208) 및/또는 상기 토치로부터 배출하는 것을 방지한다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 부분(1260)은 상기 축선(A)을 중심으로 하는 원형 구조를 갖는다. 이러한 실시예에 있어서, 상기 부분(1260)은 상기 탄성 요소(1212)와 물리적으로 접하고 전기적으로 통하는 제 1 영역(1290)(예를 들면, 원 형 구조의 환형 외주) 및 상기 전력 접점(1216)과 전기적으로 통하고 물리적으로 접하는 제 2 영역(1292)(예를 들면, 환형 외주 내에 배치되는 영역)을 포함한다. 전술한 바와 같이, 상기 제 1 영역(1290) 및 제 2 영역(1292)은 공동 평면(예를 들면, 동일 표면의 부분들) 또는 비-공동 평면(예를 들면, 다른 표면들의 부분들)일 수 있다. 선택적 실시예에 있어서, 상기 제 1 영역(1290)은 상기 전극(1204)을 통해 방사상으로 연장하는 핀과 같이, 상기 전극(1204)의 길이방향 축선(A)의 길이를 따라 위치되는 별도의 방사상 연장부(도시하지 않음)일 수 있다. 상기 방사상 연장부는 파일럿 아크를 전하는 탄성 요소(1212)에 상기 전극(1204)에 전기적으로 결합하는 메커니즘을 제공함으로써 상기 제 1 영역(1290)과 동일한 방식으로 기능을 수행한다. 일 실시예에 있어서, 상기 방사상 연장부는 상기 숄더(1272)를 통과할 수 있는 긴 숄더 또는 핀이며, 여전히 상기 탄성 요소가 상기 중공 바디(1208) 내에 유지될 수 있도록 한다. 이러한 실시예에 있어서, 상기 숄더(1272)는 상기 전극의 말단부를 향해 상기 중공 바디(1208)의 축방향 길이를 더 아래에 위치시킨다.
도 13A는 접점 개시 플라즈마 아크 토치의 전극(1300)의 사시도이다. 상기 전극(1300)은 도 12A에 도시된 상기 전극(1204)과 유사하다. 상기 전극은 말단부(1304) 및 제 2 단부(1308)를 포함한다. 상기 제 2 단부(1308)는 상기 축선(A)을 따라 축방향으로 연장하는 연장부(1312)를 포함한다. 상기 연장부(1312)는 세 개의 부분(1316A, 1316B, 1316C)을 규정하는바(“핀들(fins)”이라고도 불림), 이들 모두는 상기 축선(A)으로부터 떨어져 연장한다. 상기 세 개의 부분(1316A,1316B,1316C) 각각은 제 1 길이(l1) 및 상기 제 1 길이(l1)보다 큰 제 2 길이(l2)를 규정한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 세 개의 부분(1316A, 1316B, 1316C) 각각의 제 1 길이(l1) 및 제 2 길이(l2)의 값들은 동일하다. 상기 제 1 길이(l1) 및 제 2 길이(l2)의 값들은 상기 세 개의 부분(1316A, 1316B, 1316C) 각각에 대해 다를 수도 있다. 상기 길이(l1, l2)는 서로에 대해 직각으로 배향되는 것으로 도시된다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 길이(l1, l2)는 다른 구조로, 예를 들면, 상기 축선(A)으로부터 포인트(1320A, 1320B)를 향해 각각 방사상으로 멀어지는 방향으로, 배향될 수 있다. 상기 길이(l1, l2)의 다른 방향들로 가능하다.
도시된 바와 같이, 상기 세 개의 부분(1316A, 1316B, 1316C) 각각은 상기 축선(A)을 중심으로 등각 구조(예를 들면, 상기 세 개의 부분(1316A, 1316B, 1316C) 각각의 사이에서 각도(?))로 배치된다. 그러나, 상기 세 개의 부분(1316A, 1316B, 1316C) 각각은 등각이 아닌 다른 각도 구조로 상기 축선(A)을 중심으로 배치될 수 있다.
상기 세 개의 부분(1316A, 1316B, 1316C) 각각은 탄성 요소(도시하지 않음)의 대응 표면(도시하지 않음)과 전기적 도통 및/또는 물리적 접촉을 위한 제 1 영역(1324A, 1324B, 1324C)을 각각 포함한다. 상기 세 개의 부분(1316A, 1316B, 1316C) 각각은 전력 접점(도시하지 않음)의 대응 표면(도시하지 않음)과 전기적 도통 및/또는 물리적 접촉을 위한 제 2 영역(1328A, 1328B, 1328C)을 각각 포함한다.
도시된 바와 같이, 각각의 부분(1316A, 1316B, 1316C)의 제 1 영역(1324A, 1324B, 1324C)은 각각의 제 2 영역(1328A, 1328B, 1328C)과 공동 평면으로 도시된다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 제 1 영역(1324A, 1324B, 1324C)은 상기 각각의 제 2 영역(1328A, 1328B, 1328C)과 공동 평면이 아니다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 제 2 영역(1328A, 1328B, 1328C)은 다른 각각의 제 2 영역과 공동 평면이 아니다. 몇몇 실시예에 있어서, 세 개의 부분의 서브 조합, 예를 들면, 1316A 및 1316B는 상기 탄성 요소와 전기적으로 통하고, 다른 부분, 즉, 1316C는 상기 탄성 요소와 전기적으로 통하지 않는다. 상기 부분들, 예를 들면, 상기 탄성 요소와 전기적으로 통하지 않는 1316C는 상기 전극의 냉각을 향상하도록 정렬 특징부 또는 증가된 표면적을 제공할 수 있다. 상기 부분(1316C)은 여전히 이송된 아크 작동 중에 상기 전력 접점과 물리적으로 접하고 물리적으로 통하도록 이동될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 제 1 영역(1324A, 1324B, 1324C) 또는 제 2 영역(1328A, 1328B, 1328C), 또는 둘 다는 상기 연장부(1312)와 일치할 수 있다. 예를 들면, 파일런 전류 및/또는 이송된 아크 전류는 전원 및 상기 전극(1300) 사이를 상기 연장부(1312)를 갖는 전기적 도통부를 통해 (예를 들면, 전술한 미끄럼 접점을 통해) 흐를 수 있다.
도 13B는 도 13A의 전극에 사용되는 조립체(1340)의 평면도이다. 상기 조립체(1340)는 중공 바디(1344), 탄성 요소(1348), 및 전력 접점(1352)을 포함한다. 상기 조립체는 도 12C에 도시된 조립체(1200)와 유사하다. 상기 조립체(1340)는 도 13A의 전극(1300)에 사용되도록 구성된다. 상세히 설명하면, 중공 바디(1344)는 세 개의 슬롯(1368A, 1368B, 1368C)을 갖는 외형의 개방공을 형성하도록 협동하는 제 1 부분(1360) 및 제 2 부분(1364)을 갖는 숄더(1356)를 포함한다. 상기 개방공 및 상기 세 개의 슬롯(1368A, 1368B, 1368C)은 상기 개방공을 통한 대응 부(1316A, 1316B, 1316C)의 이동을 용이하게 하고 상기 탄성 요소(1348)와 물리적으로 접하고 전기적으로 통하도록 한다. 전술한 바와 같이, 슬롯(1368A, 1368B, 1368C)의 크기는 상기 부분(1316A, 1316B, 1316C)과 거의 동일한 크기를 갖는 것으로 도시되지만, 상기 슬롯(1368A, 1368B, 1368C)은 상기 대응부(1316A, 1316B, 1316C)보다 클 수(예를 들면, 원주 방향으로 클 수) 있다.
도 14A, 14B, 15A, 15B 및 16은 전술한 바와 유사하게 동작하는 전극 및 조립체들의 선택적 실시예들을 도시한다.
도 14A는 접점 개시 플라즈마 아크 토치의 전극(1400)의 사시도이다. 상기 전극(1400)은 네 개의 부분(1404A, 1404B, 1404C, 1404D)을 포함한다.
도 14B는 도 14A의 전극(1400)에 사용되는 조립체(1420)의 평면도이다. 상기 조립체(1420)는 네 개의 슬롯(1440A, 1440B, 1440C, 1440D)을 구비하는 외형의 개방공을 규정하는 제 1 부분(1432) 및 제 2 부분(1436)을 갖는 숄더(1428)를 포함하는 중공 바디(1424)를 포함함으로써 상기 외형의 개방공을 통한 상기 네 개의 대응 부분(1404A, 1404B, 1404C, 1404D)의 통과를 용이하게 하며 상기 탄성 요소(1444) 및 상기 전력 접점(1448)과의 물리적 접촉 및/또는 전기적 도통 상태가 된다.
도 15A는 접점 개시 플라즈마 아크 토치의 전극(1500)의 사시도이다. 상기 전극(1500)은 다섯 개의 부분(1504A, 1504B, 1504C, 1504D, 1504E)을 포함한다.
도 15B는 도 15A의 전극(1500)에 사용되는 조립체(1520)의 평면도이다. 상기 조립체(1520)는 상기 외형의 개방공을 통한 상기 다섯 개의 대응부(1504A, 1504B, 1504C, 1504D, 1504E)의 통과를 용이하게 하며 탄성 요소(1532) 및 전력 접점(1536)과 물리적 접촉 및/또는 전기적 도통 상태가 된다. 상기 전극(1500)은 도 12A의 전극(1204), 도 13A의 전극(1300) 및 도 14A의 전극(1400)에 대해 설명된 바와 유사한 방식으로 사용될 수 있다.
상기 플라즈마 아크 토치의 작동 전류의 값은 특정 전극이 포함하는 부분들의 숫자(예를 들면, 도 13A의 세 개의 부분(1316A-1316C), 도 14A의 네 개의 부분(1404A-1404D), 또는 도 15A의 다섯 개의 부분(1504A-1504E))와 연관 또는 관련될 수 있다. 예를 들면, 상기 세 개의 부분(1316A-1316C)을 갖는 전극은 이송된 아크 작동 중에 대략 60 암페어에서 작동하는 토치에 사용될 수 있다. 네 개의 부분(1404A-1404D)을 갖는 전극은 이송된 아크 작동 중에 대략 80 암페어에서 작동하는 토치에서 사용될 수 있다. 다섯 개의 부분(1504A-1504E)을 갖는 전극은 이송된 아크 작동 중에 대략 100 암페어에서 작동하는 토치에서 사용될 수 있다. 도 13A, 도 14A, 및 도 15A에 도시된 디자인을 채용하는 전극들은 도 13B, 도 14B 및 도 15B에 도시된 외형의 개방공을 갖는 토치들에 각각 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 전극은 다섯 개의 부분 이상을 포함할 수 있다.
상기 토치 작동 전류에 핀들의 숫자를 관련시킴으로써, 상기 토치의 주어진 작동 전류에 대해 올바른 전극의 사용이 보장될 수 있다. 예를 들면, 60 암페어 토치의 작동에 있어서, 세 개의 슬롯(1368A, 1368B, 1368C)을 갖는 중공 바디(1344)의 사용은 대응하는 숫자의 부분들(또는 “핀들”), 예를 들면, 세 개의 부분(1316A-1316C)을 갖는 60 암페어 전극을 수용할 수 있다. 반면, 사용자가 100 암페어 전극을 사용하고자 하는 경우, 예를 들면, 세 개의 슬롯(1368A, 1368B, 1368C)을 갖는 60 암페어 토치에서 다섯 개의 부분(1504A-1504E)을 갖는 전극의 경우, 상기 전극(1500) 및 상기 중공 바디(1344)는 정합하지 않는다. 상기 다섯 개의 부분(1504A-1504E)은 상기 세 개의 슬롯(1368A-1368C)을 통과하는 것이 방지한다. 이러한 시스템을 채용함으로써, 상기 특정 토치는 특정 전극에 대해 최적화될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 사용자가 다섯 개의 핀들을 구비하는 전극(예를 들면, 전극(1500))을 사용하는 것이 방지되며, 토치는 그 전극(예를 들면, 세 개의 슬롯(1368A-1368C)을 갖는 토치)에 최적화되지 않는다. 게다가, 더 작은 핀들(예를 들면, 세 개의 부분(1316A-1316C)을 갖는 전극 (예를 들면, 상기 전극(1300))은 더 많은 슬롯(예를 들면, 상기 중공 바디(1524)의 다섯 개의 슬롯)을 채용하는 토치에 사용되는 것을 방지하여, 상기 전극을 통해 흐르는 전류의 양을 최적화함으로써 상기 전극의 작동 수명을 증가시킨다.
도 16은 접점 개시 플라즈마 아크 토치의 전극(1600)의 사시도이다. 상기 전극(1600)은 말단부(1604) 및 제 2 단부(1608)를 포함한다. 상기 제 2 단부(1608)는 직경(d1)을 갖는 표면(1616)을 규정하는 연장부(1612)를 포함한다. 두 개의 영역(1620A, 1620B)은 축선(A)을 따라 상기 표면(1616)으로부터 연장한다. 상기 영역(1620A, 1620B) 각각은 각각의 단부면(1624A, 1624B)을 규정한다. 상기 단부면(1624A, 1624B)은 탄성 요소의 대응 표면(예를 들면, 도 12C의 탄성 요소(1212)의 표면(1297))에 물리적으로 접하고 전기적으로 통하도록 사용될 수 있다. 파일럿 아크용 전류는 상기 탄성 요소(도시하지 않음) 및 상기 전극(1600) 사 이를 상기 표면(1624A, 1624B) 및 상기 영역(1620A, 1620B)을 통해 흐른다. 상기 표면(1616)은 이송된 아크 작동용의 도 12A의 전력 접점(1216)의 표면(1294)와 같은, 전력 접점(도시하지 않음)의 대응 표면(도시하지 않음)과 물리적으로 접하고 전기적으로 통하게 된다.
상기 영역(1620A, 1620B) 또한 각각의 연장 표면(1628A, 1628B)을 규정한다. 상기 영역(1620A, 1620B)은 도 12C의 슬롯(1284A, 1284B)(예를 들면, 상기 숄더(1272)의 제 1 부분(1276) 및 제 2 부분(1280)에 의해 규정되는 슬롯(1284A, 1284B)을 통과할 수 있다. 상기 연장부(1628A, 1628B)는 슬롯(1284A, 1284B)에 대해 작용하여 상기 토치 내의 상기 축선(A)을 중심으로 하는 상기 전극(1600)의 각도 변위를 방지 또는 저항한다. 도시된 바와 같이, 상기 영역(1620A, 1620B)은 상기 축선(A)에 거의 평행하다. 상기 영역(1620A, 1620B)의 다른 구조 또는 정렬이 사용될 수 있다. 각각의 영역(1620A, 1620B)은 직경(d1)보다 작은 직경(d2)를 규정한다.
몇몇 실시예에 있어서, 제 2 연장부(도시하지 않음)는 상기 표면(1616)으로부터 연장하며 제 2 표면(도시하지 않음)을 규정한다. 상기 제 2 표면은 상기 표면(1616)에 대해 평행할 수 있다. 상기 제 2 연장부는 말단까지 연장하여 (예를 들면, 상기 말단부(1604)를 향해) 상기 표면(1616)에 대해 상기 제 2 단부(1608) 내에 공동(도시하지 않음)을 규정한다. 상기 제 2 연장부는 인접하게 연장하여 (예를 들면, 말단부(1604)로부터 멀어져) 원통형 또는 기둥형 부분을 규정한다. 이러한 실시예에 있어서, 상기 제 2 표면은 이송된 아크 작동을 위한 전력 접점의 대응 표면과 물리적으로 접하고 전기적으로 통할 수 있다.
상기 영역(1620A, 1620B)은 서로에 대해 직경방향으로 반대쪽에 배치되며 상기 축선(A)으로부터 등거리에 위치된다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 전극(1600)은 둘 이상의 영역(1620A, 1620B)(예를 들면, 도 13B, 도 14B, 및 도 15B의 조립체들(1340, 1420, 1520)에 각각 사용되는 셋, 넷 도는 다섯 개의 영역)을 포함한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 전극(1600)은 단지 하나의 영역(1620A 또는 1620B)만을 포함한다. 이러한 실시예에 있어서, 상기 영역(1620A, 1620B)은 상기 축선(A)에 대해 평행 및 정렬될 수 있다. 상기 숄더(예를 들면, 숄더(1272)는 이러한 실시예에 있어서 거의 연속적인 원주(예를 들면, 슬롯(1284) 없이)를 갖는 개방공을 규정할 수 있다. 상기 개방공의 직경은 상기 탄성 요소의 외경보다 작으며 상기 탄성 요소의 내경보다 커서 상기 탄성 요소가 상기 토치로부터 분리되디 않도록 한다. 상기 영역(1620A, 1620B)은 상기 개방공의 직경보다 작고 상기 탄성 요소의 내경보다 큰 직경을 규정함으로써, 상기 영역(1620A 또는 1620B) 및 상기 탄성 요소 사이의 접촉을 용이하게 한다.
본 발명은 특정 실시예들을 참조로 도시 및 설명하였으나, 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 형태 및 세부 사항에 있어 다양한 변화가 이하의 청구범위에 의해 규정되는 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않고도 이루어질 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 몇 개의 표면이 평판형으로 도시되었지만, 구형, 반구형, 원추형, 및/또는 원통형 구조와 같은 비-평판형 구조를 갖는 표면들이 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않고도 사용될 수 있다.
Claims (71)
- 전원과 전기적으로 통하는 플라즈마 아크 토치용 전극에 있어서, 상기 전극은:전기 전도성 물질로 이루어지며 길이방향 축선을 규정하는 긴 전극 바디; 및상기 플라즈마 아크 토치의 파일럿 아크 작동 중에 상기 전원 및 상기 전극 바디 사이의 거의 모든 파일럿 아크 전류를 통과시키는 탄성 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 1 항에 있어서,상기 전극 바디는 공작물로부터 멀리 위치하는 상기 전극 바디의 인접 단부에 대해 이격된 관계로 배치되며 전기 전도성 탄성 요소와 전기적으로 통하도록 형성되는 반응 표면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 2 항에 있어서,상기 반응 표면은 상기 전극 바디와 일체로 형성되는 방사상 연장 플랜지를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 1 항에 있어서,상기 탄성 요소는 상기 전극 바디에 대해 고정되는 것을 특징으로 하는 전 극.
- 제 4 항에 있어서,상기 탄성 요소는 직경 억지 끼워 맞춤에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 1 항에 있어서,상기 탄성 요소는 상기 전극 바디의 말단부에 인접하여 배치되며, 상기 말단부는 발광 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 1 항에 있어서,상기 탄성 요소는 상기 전극 바디와 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 1 항에 있어서,상기 파일럿 아크 작동은 파일럿 아크의 개시를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 1 항에 있어서,상기 탄성 요소를 유지하고 상기 전극 바디를 미끄럼 가능하게 수용하기 위 한 중공 바디를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 9 항에 있어서,상기 중공 바디는 소용돌이 링인 것을 특징으로 하는 전극.
- 플라즈마 아크 토치용 전극에 있어서, 상기 전극은:길이방향 축선을 규정하는 전기 전도성 물질로 이루어지며 발광 요소를 포함하는 말단부를 갖되, 상기 토치에 대해 이동 가능한 긴 전극 바디; 및전원과의 전기적 도통을 용이하게 하는 제 1 표면 및 상기 토치가 이송된 아크 모드에서 작동되는 경우 상기 전극 바디의 대응 접점 표면과의 전기적 도통을 용이하게 하는 제 2 표면을 포함하는 접점 요소를 포함하되, 상기 접점 요소의 상기 제 2 표면은 파일럿 아크의 개시 중에 상기 전극 바디의 상기 접점 표면과의 접촉이 없는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 11 항에 있어서,상기 제 2 표면은 상기 토치가 이송된 아크 모드에서 작동되는 경우 상기 전극 바디의 상기 접점 표면과 물리적으로 접촉하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 11 항에 있어서,상기 전극 바디는 전도성 탄성 요소와의 물리적으로 접하는 반응 표면을 더 포함하며, 상기 반응 표면은 상기 전극 바디의 인접 단부와 이격 관계로 배치되며 상기 말단부와 멀리 형성되는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 13 항에 있어서,상기 반응 표면은 상기 전극 바디와 일체로 형성되는 방사상 연장 플랜지에 의해 규정되는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 11 항에 있어서,적어도 하나의 상기 접점 요소 또는 전극 바디와 전기적으로 통하는 전기 전도성 탄성 요소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 15 항에 있어서,상기 탄성 요소는 적어도 하나의 상기 전극 바디 또는 상기 접점 요소와 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 15 항에 있어서,상기 탄성 요소는 상기 전극 바디의 말단부에 인접 배치되는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 15 항에 있어서,상기 탄성 요소는 상기 전극 바디에 의해 유지되는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 15 항에 있어서,상기 전극 바디는 그와 일체로 형성되는 반응 표면을 포함하며, 상기 탄성 요소는 상기 접점 요소의 상기 반응 표면 및 상기 제 2 표면 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 15 항에 있어서,상기 탄성 요소는 파일럿 아크 작동 중 상기 전원 및 상기 전극 바디 사이에 거의 모든 파일럿 아크를 통과시키도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 15 항에 있어서,상기 탄성 요소는 적어도 하나의 스프링 또는 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 11 항에 있어서,상기 접점 요소의 적어도 일부는 상기 전극 바디와 미끄럼 가능하게 결합하는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 22 항에 있어서,상기 접점 요소의 일부는 상기 접점 요소가 상기 전극 바디와 미끄럼 가능하게 결합하는 경우 상기 접점 요소 및 상기 전극 바디 사이의 파일럿 아크 전류의 통과를 용이하게 하는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 11 항에 있어서,상기 접점 요소는 상기 전극 바디에 의해 유지되는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 11 항에 있어서,상기 접점 요소는 상기 전극 바디의 방사상 이동을 제한하는 정렬 표면을 규정하는 연결 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 25 항에 있어서,상기 연결 부재는 상기 접점 요소와 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 11 항에 있어서,상기 전극 바디는 공작물로부터 멀리 떨어진 상기 전극 바디의 인접 단부에 인접하여 배치되는 수용체를 포함하며, 상기 수용체는 상기 접점 요소가 상기 전극 바디로부터 해제되는 것을 막도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전극.
- 접점 개시 플라즈마 아크 토치의 토치 바디 내에 미끄럼 가능하게 장착되는 전원 및 전극 바디 사이에 전류를 통하는 접점 요소에 있어서, 상기 접점 요소는:상기 전원과의 전기적 전도를 용이하게 하는 제 1 표면;상기 전극 바디의 인접 단부에 의해 규정되는 접점 표면과의 전기적 도통을 위한 제 2 표면으로서, 상기 전극바디가 상기 제 2 표면과 물리적 접촉하는 경우, 이송된 아크 전류의 적어도 일부는 이송된 아크 모드 내의 상기 토치의 작동을 위해 상기 접점 요소를 통과하고 상기 전원 및 상기 전극 바디 사이를 통과하는 상기 제 2 표면; 및거의 모든 파일럿 아크 전류를 플라즈마 아크 토치의 파일럿 아크 작동 중에 상기 전원으로부터 상기 전극 바디로 통과시키도록 상기 전극 바디에 인접하여 배치되는 전기 전도성 탄성 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 접점 요소.
- 제 28 항에 있어서,상기 제 2 표면으로부터 연장하여 상기 전극 바디와 미끄럼 가능하게 결합하는 연결 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 접점 요소.
- 제 29 항에 있어서,상기 연결 부재는 상기 제 2 표면과 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 접점 요소.
- 제 29 항에 있어서,상기 연결 부재는 상기 토치가 이송된 아크 모드에서 작동되는 경우 상기 전원 및 상기 전극 바디 사이에서 상기 이송된 아크 전류의 일부를 통과시키도록 형성되는 제 3 표면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 접점 요소.
- 제 28 항에 있어서,상기 전극 바디의 인접 단부의 일부를 둘러싸는 수용부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 접점 요소.
- 제 28 항에 있어서,상기 탄성 요소는 상기 수용부 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 접점 요소.
- 제 28 항에 있어서,적어도 하나의 상기 제 1 표면 또는 제 2 표면은 환형 표면을 규정하는 것을 특징으로 하는 접점 요소.
- 제 28 항에 있어서,상기 토치가 이송된 아크 모드에서 작동되는 경우 상기 전원과 전기적으로 통하고 상기 전원 및 상기 전극 바디 사이의 이송된 아크 전류의 일부를 통과시키기 위한 제 3 표면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 접점 요소.
- 제 28 항에 있어서,축선을 규정하는 정렬부를 포함하며, 상기 정렬부는 상기 전극 바디의 인접 단부와 이격 관계로 배치되며, 상기 전극 바디의 방사상 이동을 제한하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 접점 요소.
- 플라즈마 아크 토치용 전극에 있어서, 상기 전극은:전기 전도성 물질로 이루어지며 길이방향 축선을 규정하는 긴 전극 바디를 포함하며, 상기 전극 바디는:발광 요소를 수용하는 구멍을 규정하는 말단부;전원과 전기적으로 통하는 접점 표면을 규정하는 인접 단부; 및접점 요소의 적어도 일부를 수용하도록 형성되는 상기 전극 바디의 상기 인접 단부 내에 배치되는 수용체를 포함함으로써, 상기 접점 요소의 제 1 부분은 파일럿 아크의 개시 중에 상기 전극 바디로부터 물리적으로 멀리 떨어지며, 상기 제 1 부분은 상기 토치가 이송된 아크 모드에서 작동되는 경우 전원 및 상기 전극 바디 사이의 거의 모든 이송된 아크 전류를 통과시키기 위한 것이며, 상기 구멍 및 수용체는 상기 전극 바디에 의해 분리되는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 37 항에 있어서,상기 접점 표면의 적어도 일부는 상기 수용체 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 38 항에 있어서,상기 접점 요소는 환형 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 37 항에 있어서, 상기 수용체는:원통형 부분; 및상기 접점 요소의 일부에 대해 반응하는 상기 수용체의 인접 단부에 배치되어 상기 접점 요소가 상기 수용체로부터 해제되는 것을 제한하는 제한 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 40 항에 있어서,상기 제한 표면은 환형 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 40 항에 있어서,상기 원통형 부분은 제 1 직경에 의해 규정되며, 상기 제한 표면은 제 2 표 면을 포함하며, 상기 접점 요소의 연결 부재의 말단 영역은 제 3 직경을 규정하며, 상기 제 3 직경은 상기 제 2 직경보다 크고 상기 제 1 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 42 항에 있어서,상기 말단 영역은 상기 연결 부재의 말단부인 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 37 항에 있어서,상기 수용체는 상기 전극 바디의 방사상 이동을 제한하기 위한 상기 수용체의 축선을 따라 형성되는 방사상 치수를 갖는 표면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 44 항에 있어서,상기 방사상-치수 표면은 상기 수용체에 의해 수용되는 상기 접점 요소의 일부와 물리적으로 접촉하는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 37 항에 있어서,상기 전극 바디는 전도성 탄성 요소와 접촉하는 반응 표면을 더 포함하며, 상기 반응 표면은 상기 접점 표면에 대해 이격 관계로 배치되는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 46 항에 있어서,상기 반응 표면은 상기 전극 바디와 일체로 형성되는 방사상 연장 플랜지를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 37 항에 있어서,상기 전극 바디에 의해 고정되는 전기 전도성 탄성 요소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 48 항에 있어서,상기 탄성 요소는 직경 억지 끼워 맞춤에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 전극.
- 제 48 항에 있어서,상기 탄성 요소는 상기 수용체 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 전극.
- 접점 개시 플라즈마 아크 토치의 토치 바디 내에 미끄럼 가능하게 장착되는 전원 및 전극 바디 사이에 전류를 통하게 하는 접점 요소로서, 상기 전극 바디는 발광 요소를 포함하는 말단부를 포함하는 상기 접점 요소에 있어서, 상기 접점 요소는:상기 전원과의 전기적 도통을 용이하게 하는 제 1 표면; 및상기 전극 바디의 인접 단부와의 전기적 도통을 용이하게 하는 제 2 표면을 포함하되, 상기 제 2 표면은 파일럿 아크의 개시 중에 상기 인접 단부와 접촉하지 않고 이송된 아크 모드 중에 인접 단부와 접촉함으로써 상기 토치가 상기 이송된 아크 모드에서 작동되는 경우 상기 전원으로부터의 이송된 아크 전류의 적어도 일부가 상기 접점 요소의 상기 제 1 및 제 2 표면 사이를 통과하여 상기 전극 바디까지 가도록 하는 것을 특징으로 하는 접점 요소.
- 제 51 항에 있어서,상기 전극 바디에 인접 위치되는 전기 전도성 탄소 요소를 포함하여 파일럿 아크 개시 중에 상기 전원 및 상기 전극 바디 사이에 거의 모든 파일럿 아크 전류를 통과시키는 것을 특징으로 하는 접점 요소.
- 제 51 항에 있어서,상기 제 2 표면 및 상기 전극 바디 사이에 배치되는 연결 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 접점 요소.
- 제 53 항에 있어서,상기 연결 부재는 상기 제 2 표면과 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 접점 요소.
- 제 53 항에 있어서,상기 연결 부재는 상기 전극 바디의 방사상 이동을 제한하기 위한 상기 인접 단부와 이격 관계인 축선 및 정렬 표면을 규정하는 것을 특징으로 하는 접점 요소.
- 제 51 항에 있어서,상기 제 1 표면, 상기 제 2 표면 또는 둘 다는 환형 표면을 규정하는 것을 특징으로 하는 접점 요소.
- 제 51 항에 있어서,상기 플라즈마 아크 토치를 통해 흐르는 가스로 방사상 움직임을 가하고, 상기 토치에 대한 상기 전극 바디의 방사상 이동을 제한하며, 상기 전극 바디를 상기 토치의 노즐로부터 전기적으로 절연하며, 상기 가스를 상기 전극 바디 상의 복수의 핀을 향하게 하는 기능 중 적어도 하나 또는 이들의 조합 중 어느 하나를 수행하는 소용돌이 링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 접점 요소.
- 제 57 항에 있어서,상기 접점 요소는 상기 소용돌이 링 부분과 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 접점 요소.
- 플라즈마 아크 토치에 있어서,상기 토치로 전류를 제공하는 전원;상기 전극 바디의 인접 단부와 말단부에 의해 규정되는 축선을 따라 상기 토치 내에 미끄럼 가능하게 장착되는 노즐 및 전기 전도성 전극 바디에 의해 규정되며, 상기 인접 단부는 접점 표면을 규정하며, 상기 말단부는 상기 노즐의 출구 오리피스에 인접 배치되는 플라즈마 챔버;상기 플라즈마 챔버에 대해 고정 위치에 배치되는 전력 접점으로서, 상기 전원과 전기적으로 통하는 상기 전력 접점;상기 플라즈마 아크 토치의 파일럿 아크 작동 중 상기 전극 바디의 상기 전력 접점 및 상기 접점 요소 사이로 거의 모든 파일럿 아크 전류를 통과시키는 탄성 전도성 요소; 및상기 전극 바디의 대응 접점 표면과 전기적으로 통하는 제 1 표면 및 이송된 아크 모드 중에 상기 전원 및 상기 전극 바디 사이에 거의 모든 이송된 아크 전류를 통과시키는 전력 접점과 물리적으로 접하는 제 2 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치.
- 제 59 항에 있어서,상기 탄성 전도성 요소는 상기 전극 바디를 상기 노즐을 향해 가압하는 것을 특징으로 하는 토치 시스템.
- 제 59 항에 있어서,상기 전극 바디를 상기 노즐을 향해 가압하는 제 2 탄성 요소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토치 시스템.
- 제 59 항에 있어서,상기 접점 요소는 상기 전극 바디에 대해 고정 배치되는 것을 특징으로 하는 토치 시스템.
- 제 59 항에 있어서,상기 접점 요소는 상기 전력 접점과 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 토치 시스템.
- 제 59 항에 있어서,상기 노즐의 출구 오리피스에 인접 위치되는 출구 포트를 규정하는 차폐물을 더 포함하며, 상기 차폐물은 상기 플라즈마 아크 토치의 토치 바디 상에 지지되는 고정 캡 상에 장착되는 것을 특징으로 하는 토치 시스템.
- 제 59 항에 있어서,상기 토치를 통해 흐르는 가스에 대해 방사상 움직임을 가하는 소용돌이 링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토치 시스템.
- 플라즈마 아크 토치에 있어서,상기 토치에 전류를 제공하기 위한 전원;상기 전극 바디의 인접 단부와 말단부에 의해 규정되는 축선을 따라 상기 토치 내에 미끄럼 가능하게 장착되는 전기 전도성 전극 및 노즐에 의해 규정되는 플라즈마 챔버로서, 상기 전극 바디는 접점 표면을 규정하며, 상기 말단부는 상기 노즐의 출구 오리피스에 인접 배치되는 상기 플라즈마 챔버;플라즈마 챔버에 대해 고정 위치에 배치되는 전력 접점으로서 상기 전원과 전기적으로 통하는 상기 전력 접점; 및상기 플라즈마 아크 토치의 파일럿 아크 작동 중 상기 전극 바디의 상기 전력 접점과 상기 접점 표면 사이에 거의 모든 파일럿 아크 전류를 통과시킴으로써 상기 전극 바디를 상기 노즐을 향해 가압하는 탄성 전도성 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치.
- 제 66 항에 있어서,상기 전력 접점은 상기 토치가 이송된 아크 모드에서 작동되는 경우 상기 전극 바디의 대응 제 2 점점 표면과 물리적으로 접촉하고 전기적으로 통하는 것을 용이하게 하는 제 1 표면을 포함하되, 상기 전력 접점의 상기 제 1 표면은 파일럿 아크의 개시 중에 상기 전극 바디의 상기 대응 제 2 접점 표면과의 접촉이 없다는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치.
- 전원과 전기적으로 통하는 플라즈마 아크 토치용 전극에 있어서,전기 전도성 물질로 이루어지며 길이방향 축선을 규정하는 긴 전극 바디를 포함하며, 상기 전극 바디는:파일럿 아크의 개시 중에 상기 전원 및 상기 전극 바디 사이의 파일럿 아크 전류의 통과를 용이하게 하는 제 1 전도성 요소와 전기적으로 통하는 제 1 표면; 및상기 제 1 표면으로부터 멀리 떨어져 위치되는 제 2 표면을 포함하며, 상기 제 2 표면은 이송된 아크 작동 중에 상기 전원 및 상기 전극 바디의 사이에 거의 모든 이송된 아크 전류의 통과를 용이하게 하는 전력 접점의 대응 표면과 물리적으로 접하고 전기적으로 통하되, 상기 전극 바디의 상기 제 2 표면은 상기 파일럿 아크의 개시 중에 상기 전력 접점의 대응 표면과의 접촉이 없다는 것을 특징으로 하는 전극.
- 전극을 미끄럼 가능하게 수용하는 플라즈마 토치 구성요소에 있어서, 상기 구성요소는 긴 중공 바디 및 전기 전도성 탄성 부재를 포함하며,상기 긴 중공 바디는 제 1 단부 및 제 2 단부를 가지며, 상기 긴 중공 바디는:내부 표면,상기 내부 표면상에 위치되며 상기 중공 바디의 상기 제 1 단부 및 상기 제 2 단부 사이에 배치되는 하나 또는 그 이상의 외형, 단차 또는 플랜지로서, 상기 전극의 상보형 부분을 미끄럼 가능하게 수용하도록 적용되는 형상의 개방공을 규정하는 상기 적어도 하나의 외형, 단차 또는 플랜지,전기적 접점 요소를 수용하는 크기의 상기 중공 바디의 상기 제 1 단부 내의 제 1 개방공, 및상기 전극을 미끄럼 가능하게 수용하는 크기의 상기 중공 바디의 상기 제 2 단부 내의 제 2 개방공을 포함하며,상기 전기 전도성 탄성 부재는 파일럿 아크의 전기적 도통을 용이하게 하며, 상기 탄성 부재는 상기 중공 바디 내에 배치되어 상기 탄성 부재가 상기 하나 또는 그 이상의 외형, 단차 또는 플랜지에 의해 상기 중공 바디 내에 적어도 부분적으로 유지되도록 하되, 상기 탄성 부재는 상기 제 1 개방공과 정렬하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치 구성요소.
- 제 69 항에 있어서,상기 중공 바디는 가스에 대해 소용돌이 흐름을 가하는 상기 중공 바디의 상기 제 2 개방공에 인접한 복수의 구멍을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치 구성요소.
- 제 69 항에 있어서,상기 중공 바디의 상기 제 1 단부 내에 배치되는 접점 요소를 더 포함하되, 상기 접점 요소는 상기 중공 바디 내에 상기 탄성 부재를 유지하며 상기 탄성 부재 및 전원 사이의 전기적 결합을 용이하게 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치 구성요소.
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