BR112018068894B1

BR112018068894B1 - Sistema de corte por arco plasma incluindo bocais e outros consumíveis e métodos operacionais relacionados

Info

Publication number: BR112018068894B1
Application number: BR112018068894-0A
Authority: BR
Inventors: John Peters; Brian J. Currier; Madhura S. Mitra; Soumya Mitra
Original assignee: Hypertherm, Inc
Priority date: 2016-04-11
Filing date: 2017-04-11
Publication date: 2023-05-02
Also published as: RU176471U1; MX2018011668A; RU2655430C1; RU2017114669A3; WO2017180551A1; RU2662444C1; RU176854U1; RU2661355C1; EP3443819C0; EP4294133A2; RU2675420C2; CN107360660A; EP3443817A1; CN207039985U; CN107454730B; CN112911779A; US10716200B2; BR112018068894A2; EP4294133A3; US10638591B2

Abstract

A presente invenção se refere a um bocal para uma tocha de arco plasma. O bocal compreende um corpo termicamente condutor tendo uma extremidade distal, uma extremidade proximal e um eixo longitudinal que se estende através do mesmo. O bocal também inclui um orifício de saída de arco de plasma na extremidade distal do corpo termicamente condutor. O bocal inclui ainda uma cintura de arrefecimento localizada de modo circunferencial sobre a superfície externa do corpo condutor de calor. A cintura de arrefecimento inclui uma inclinação de entrada de líquido, uma inclinação de saída de líquido e uma região de troca de calor entre a inclinação de entrada de líquido e a inclinação de saída de líquido. A região de troca de calor se estende substancialmente paralela ao eixo longitudinal, e a inclinação de entrada de líquido e a inclinação de saída de líquido estão orientadas de modo geral perpendicular ao eixo longitudinal.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA RELACIONADA AO PEDIDO

[0001] Este pedido reivindica o benefício e a prioridade do Pedido de Patente Provisório Norte-Americano N°. 62/320,935, depositado em 11 de abril de 2016, cujo todo conteúdo pertence ao cessionário do presente pedido e é aqui incorporado por referência na sua totalidade.

CAMPO DA INVENÇÃO

[0002] A presente invenção se refere ao campo de sistemas e processos de corte por arco de plasma. Mais especificamente, a invenção se refere aos componentes consumíveis melhorados (por exemplo, bocais) e métodos operacionais para arrefecer uma tocha de arco de plasma.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[0003] As tochas de arco de plasma são amplamente utilizadas para processamentos de materiais em alta temperatura (por exemplo, aquecimento, corte, chanfragem e marcação). Uma tocha de arco de plasma geralmente inclui uma cabeça de tocha, um eletrodo montado dentro da cabeça da tocha, uma inserção emissiva disposta dentro de um orifício do eletrodo, um bocal com um orifício de saída central montado dentro da cabeça da tocha, uma blindagem, conexões elétricas, passagens para arrefecimento, passagens para fluidos de controle de arco (por exemplo, gás de plasma) e uma fonte de alimentação. Um anel de turbilhonamento pode ser usado para controlar os padrões de fluxo de fluido na câmara de plasma formada entre o eletrodo e o bocal. Em algumas tochas, uma tampa de retenção é usada para manter o bocal e/ou o anel de turbilhonamento na tocha de arco plasma. Em operação, a tocha produz um arco de plasma, que é um jato comprimido de um gás ionizado com alta temperatura e impulso suficiente para auxiliar na remoção de metal fundido. Os gases utilizados na tocha podem ser não reativos (por exemplo, argônio ou nitrogênio), ou reativos (por exemplo, oxigênio ou ar).

[0004] Considerações de projeto para uma tocha de arco de plasma incluem recursos para arrefecimento, uma vez que um arco de plasma gerado pode produzir temperatura acima de 10.000°C, que, se não for controlada, pode destruir a tocha, particularmente o bocal. Ou seja, a taxa de erosão de um bocal é afetada pela eficiência de arrefecimento no bocal. O arrefecimento eficiente pode ajudar a manter uma temperatura relativamente baixa, o que leva a uma menor taxa de erosão. Os bocais do estado da técnica anterior, tais como os bocais descritos na Patente U.S. No. 8,772,667 incluem uma câmera toroidal configurada para permitir que o fluido flua através e ao longo da câmera para promover o arrefecimento convectivo do bocal. Especificamente, um fluido entra na câmara a partir de um lado do bocal, flui em torno do bocal dentro da câmara para o outro lado do bocal e sai do bocal do lado oposto do bocal. Esse arrefecimento convectivo tende a promover turbulência no fluxo do fluido e resulta em desnivelamentos no arrefecimento, conforme o fluido de arrefecimento entra em um dos lados do bocal e sai do lado oposto a uma temperatura mais quente. Há uma necessidade de recursos de arrefecimento do bocal que podem fornecer fluxos de fluido laminares suaves, ao mesmo tempo em que permitem um arrefecimento uniforme em torno de praticamente toda a circunferência do bocal.

RESUMO DA INVENÇÃO

[0005] Portanto é um objetivo da presente invenção fornecer projetos de bocal que otimizam o líquido refrigerante através dos bocais, desse modo aumentando a vida útil dos bocais e aperfeiçoando a qualidade de corte. Em algumas modalidades, uma cintura de arrefecimento é provida ao redor de uma superfície externa de um bocal para permitir um líquido refrigerante laminar e arrefecimento uniforme do bocal em torno do perímetro do bocal.

[0006] Em um aspecto, um bocal para uma tocha de arco de plasma refrigerado a líquido é fornecido. O bocal inclui um corpo termicamente condutor tendo uma extremidade distal, uma extremidade proximal e um eixo longitudinal que se estende através do mesmo. O bocal também inclui um orifício de saída de arco de plasma na extremidade distal do corpo termicamente condutor. O bocal inclui adicionalmente uma cintura de arrefecimento localizada de modo circunferencial sobre uma superfície externa do corpo termicamente condutor. A cintura de arrefecimento inclui uma inclinação de entrada de líquido, uma inclinação de saída de líquido e uma região de troca de calor entre a inclinação de entrada de líquido e a inclinação de saída de líquido. A região de troca de calor se estende substancialmente paralela ao eixo longitudinal, e a inclinação de entrada de líquido e a inclinação de saída de líquido estão orientadas de modo geral perpendicular ao eixo longitudinal. O bocal inclui ainda um primeiro elemento de vedação localizado entre a inclinação de saída de líquido e a extremidade distal do corpo termicamente condutor, e um segundo elemento de vedação localizado entre a extremidade proximal do corpo termicamente condutor e a inclinação de entrada de líquido.

[0007] Em algumas modalidades, a inclinação de entrada de líquido e a inclinação de saída de líquido estão em localizações axiais diferentes em relação ao eixo longitudinal. Em algumas modalidades, a inclinação de entrada de líquido compreende um flange de alinhamento axial configurado para alinhar axialmente o bocal com outro componente da tocha de arco de plasma.

[0008] Em algumas modalidades, a cintura de arrefecimento é de modo geral localizada em uma parte central do corpo. Em algumas modalidades, a cintura de arrefecimento é configurada para facilitar um fluxo laminar de um líquido refrigerante através dele, de tal modo que o líquido refrigerante que entra na inclinação de entrada de líquido não se misture substancialmente com o líquido refrigerante que sai da inclinação de saída de líquido.

[0009] Em algumas modalidades, o bocal compreende ainda um terceiro elemento de vedação localizado entre o segundo elemento de vedação e a extremidade proximal do corpo. Em algumas modalidades, um orifício de ventilação está localizado entre o terceiro elemento de vedação e o segundo elemento de vedação. O orifício de ventilação é configurado para conectar uma superfície interna do corpo à superfície externa do corpo. Um orifício de abastecimento está localizado entre o terceiro elemento de vedação e a extremidade proximal do corpo. O orifício de abastecimento é configurado para conectar uma superfície externa do corpo à superfície interna do corpo. Um orifício de ventilação está localizado entre o primeiro elemento de vedação e a extremidade distal do corpo. O orifício de ventilação é configurado para conectar uma superfície interna do corpo a um canal de fornecimento de gás de proteção.

[0010] Em algumas modalidades, uma tampa de retenção é acoplada à superfície externa do corpo do bocal para definir uma câmara em cooperação com a cintura de arrefecimento. Em algumas modalidades, a câmara tem um volume de cerca de 0,03 polegadas cúbicas (0,49 cm3).

[0011] Em outro aspecto, é fornecido um bocal para uma tocha de arco de plasma arrefecida por líquido. O bocal inclui um corpo tendo uma extremidade distal, uma extremidade proximal e um eixo longitudinal que se estende através do mesmo. O bocal também inclui um orifício de saída de arco de plasma disposto na extremidade distal do corpo. O bocal inclui adicionalmente um meio de arrefecimento localizado centralmente em uma superfície externa do corpo entre a extremidade distal e a extremidade proximal. O meio de arrefecimento é orientado de modo circunferencial em torno do corpo. O meio de arrefecimento tem um meio de entrada para receber um líquido refrigerante e um meio de saída para redirecionar o líquido refrigerante radialmente para fora em um padrão de fluxo laminar. Os meios de entrada e saída estão axialmente espaçados um do outro. O bocal inclui ainda um primeiro dispositivo de vedação localizado entre os meios de saída e a extremidade distal do corpo, e um segundo dispositivo de vedação localizado entre os meios de entrada e a extremidade proximal do corpo.

[0012] Em algumas modalidades, o bocal inclui pelo menos um meio de ventilação disposto no corpo. Em algumas modalidades, os meios de arrefecimento são configurados para impedir que o líquido refrigerante no meio de entrada se misture com o líquido refrigerante nos meios de saída.

[0013] Ainda em um outro aspecto, é proporcionado um método para arrefecer por líquido um bocal de corte por plasma em uma tocha de arco de plasma. O bocal tem um corpo com uma extremidade distal, uma extremidade proximal e um eixo longitudinal que se estende através do mesmo. Uma cintura de arrefecimento está localizada de modo circunferencial sobre uma superfície externa do corpo em uma porção central do corpo entre a extremidade distal e a extremidade proximal. O método inclui direcionar um fluxo de líquido refrigerante ao longo de uma inclinação de entrada da cintura de arrefecimento em um ângulo geralmente perpendicular ao eixo longitudinal. O método também inclui a condução do fluxo do líquido refrigerante ao longo de uma região de troca de calor da cintura de arrefecimento substancialmente paralela ao eixo longitudinal. A região de troca de calor está localizada entre a inclinação de entrada e uma inclinação de saída da cintura de arrefecimento. O método inclui ainda direcionar o fluxo de líquido refrigerante sobre a inclinação de saída se afastando radialmente do bocal, em um ângulo geralmente perpendicular ao eixo longitudinal, da inclinação de saída distal para a inclinação de entrada. O fluxo de líquido refrigerante através da cintura de arrefecimento compreende um fluxo substancialmente laminar de tal modo que o líquido refrigerante que flui através da inclinação de entrada não se misture substancialmente com o fluxo de líquido refrigerante sobre a inclinação de saída.

[0014] Em algumas modalidades, o método compreende ainda a vedação do bocal em um ou mais de um primeiro local de vedação entre a inclinação de saída e a extremidade distal do corpo, um segundo local de vedação entre a extremidade proximal do corpo e a inclinação de entrada e terceiro local de vedação entre o segundo elemento de vedação e a extremidade proximal do corpo. Em algumas modalidades, o método compreende ainda ventilar pelo menos uma porção de um fluxo de gás através de pelo menos um primeiro orifício de ventilação localizado entre a terceira localização de vedação e a segunda localização de vedação e um segundo orifício de ventilação entre a primeira localização de vedação e a extremidade distal do corpo. Em algumas modalidades, o método compreende ainda fornecer um fluxo de gás para uma região interna do bocal através de um orifício de abastecimento localizado entre a terceira localização de vedação e a extremidade proximal do corpo.

[0015] Em algumas modalidades, o método inclui acoplar uma tampa de retenção à superfície externa do corpo para criar uma câmara em cooperação com a cintura de arrefecimento. Em algumas modalidades, a câmara tem um volume de cerca de 0,03 polegadas cúbicas (0,49 cm3).

[0016] Em algumas modalidades, o método compreende alinhar axialmente o bocal com outro componente da tocha de arco de plasma usando um flange de alinhamento axial na inclinação de entrada.

[0017] Em algumas modalidades, o método inclui o funcionamento da tocha de arco de plasma a cerca de 170 amperes ou menos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0018] As vantagens da invenção acima descritas, juntamente com vantagens adicionais, podem ser melhores compreendidas fazendo referência à descrição a seguir tomada em conjunto com os desenhos anexos. Os desenhos não estão necessariamente em escala, em vez disso, a ênfase de modo geral é colocada para ilustrar os princípios da invenção.

[0019] A figura 1 é uma vista em corte transversal de uma tocha de plasma de arrefecimento por líquido com um bocal tendo uma cintura de arrefecimento, de acordo com uma modalidade ilustrativa da presente invenção.

[0020] As figuras 2a e 2b são vistas isométricas e em corte do bocal da figura 1, de acordo com uma modalidade ilustrativa da presente invenção.

[0021] A figura 3 é uma vista em corte de outra tocha de arco de plasma com um bocal tendo uma cintura de arrefecimento, de acordo com uma modalidade ilustrativa da presente invenção.

[0022] As figuras 4a e 4b são vistas isométricas e em corte do bocal da figura 3, de acordo com uma modalidade ilustrativa da presente invenção.

[0023] A figura 5 é um diagrama que ilustra um processo para arrefecer por líquido um bocal de corte por plasma em uma tocha de arco de plasma, de acordo com uma modalidade ilustrativa da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0024] A figura 1 é uma vista em corte transversal de uma tocha de arco de plasma 100 de arrefecimento por líquido com um bocal 110 tendo uma cintura de arrefecimento 111, de acordo com uma modalidade ilustrativa da presente invenção. A tocha de arco de plasma 100 inclui um corpo de tocha 102 tendo um anel de corrente 122 e uma ponta de tocha 104 tendo múltiplos consumíveis, por exemplo, um eletrodo 105, o bocal 110, uma tampa de retenção interna 115, uma tampa de retenção externa 116, um anel de turbilhonamento 120, e uma blindagem 125. Na ponta da tocha 104, o bocal 110 distanciado do eletrodo 105 e tem um orifício de saída do bocal central 106. O anel de turbilhonamento 120 é montado em torno do eletrodo 105 e configurado para conferir um componente de velocidade tangencial para um fluxo de gás de plasma, fazendo com que o fluxo de gás de plasma gire. A tampa de retenção interna 115 é firmemente ligada (por exemplo, roscada) ao corpo da tocha 102 para reter o bocal 110 no corpo da tocha 102 e radial e/ou axialmente posicionar o bocal 110 com respeito a um eixo longitudinal da tocha 100. A blindagem 125, que inclui um orifício de saída de blindagem 107 é conectada à tampa de retenção externa 116 que prende a blindagem 125 ao corpo da tocha 102. Em algumas modalidades, o orifício de saída do bocal 106 e, opcionalmente, o orifício de saída da blindagem 107 definem um orifício de saída de arco plasma através do qual um arco de plasma é entregue a uma peça de trabalho durante a operação da tocha. A tocha 100 pode adicionalmente incluir conexões elétricas, passagens para arrefecimento, passagens para fluidos de controle de arco (por exemplo, gás de plasma). Em algumas modalidades, a tocha de arco de plasma 100 arrefecida por líquido da figura 1 é operada a uma corrente de cerca de 80 amperes.

[0025] Como as figuras 2a e 2b são vistas isométricas e em corte, respectivamente, do bocal 110 da figura 1, de acordo com uma modalidade ilustrativa da presente invenção. Como mostrado, o bocal 110 tem um corpo alongado, termicamente condutor que define um eixo longitudinal A, que se estende através da mesma e inclui uma extremidade/porção distal 202, uma porção central 204, e uma extremidade/porção proximal 206 ao longo do eixo longitudinalmente A. Uma extremidade distal 202 do corpo do bocal é configurada para definir o orifício de saída do bocal 110.

[0026] Em algumas modalidades, a parte central 204 define a cintura de arrefecimento 111 localizada de modo circunferencial sobre uma superfície externa do bocal 110 para conduzir um fluxo de líquido sobre pelo menos uma porção do bocal 110. Em algumas modalidades, a cintura de arrefecimento 111 se prolonga pelo menos cerca de 20% do comprimento do bocal 110 ao longo do eixo longitudinal A. Como mostrado nas figuras 2a e b, a cintura de arrefecimento 111 está localizada de modo geral no meio do bocal 110 ao longo do eixo longitudinal A.

[0027] A cintura de arrefecimento 111 inclui uma inclinação de entrada de líquido 210, uma inclinação de saída de líquido 212 e uma região de troca de calor 214 entre a inclinação de entrada de líquido 210 e a inclinação de saída de líquido 212. Como ilustrado, a inclinação de entrada de líquido 210 está próxima da região de troca de calor 214, que é proximal à inclinação de saída de líquido 212, de tal modo que a inclinação de entrada de líquido 210 e a inclinação de saída de líquido 212 estão em diferentes localizações axiais (em relação ao eixo longitudinal A) separadas pela região de troca de calor 214. Em algumas modalidades, a região de troca de calor 214 se estende substancialmente paralela ao eixo longitudinal A, enquanto cada inclinação de entrada de líquido 210 e inclinação de saída de líquido 212 está orientada em um ângulo diferente de zero relação a região de troca de calor 214 (isto em relação ao eixo longitudinal A). Em algumas modalidades, o comprimento da cintura de arrefecimento 111 ao longo do eixo longitudinal A (por exemplo, que se estende da borda externa da inclinação de entrada de líquido 210 até a borda externa da inclinação de saída de líquido 212) é de cerca de 0,25 polegadas (0,63 cm). O comprimento da região de troca de calor relativamente plana 214 ao longo do eixo longitudinal A é de cerca de 0,188 polegadas (0,48 cm). Em algumas modalidades, a inclinação de entrada de líquido 210 e a inclinação de saída de líquido 212 estão orientadas de modo geral perpendicular ao eixo longitudinal A. Em algumas modalidades, devido em parte à separação axial entre a inclinação de entrada 210 e a inclinação de saída 212, a cintura de arrefecimento 111 está configurada para facilitar um fluxo laminar radial para fora de um líquido refrigerante através da mesma, de tal modo que o líquido refrigerante entra na inclinação de entrada de líquido 210 não se mistura substancialmente com o líquido refrigerante que sai da inclinação de saída de líquido 212. O fluxo laminar do líquido refrigerante é desejável porque proporciona um fluxo mais suave de um líquido refrigerante através da tocha 100. Uma vez que o líquido refrigerante é adaptado para se mover de um componente da tocha para outro, o fluxo laminar do líquido refrigerante geralmente resulta em menor queda de pressão através do circuito de arrefecimento.

[0028] Em algumas modalidades, a porção do corpo do bocal entre a inclinação de saída de líquido 212 e a extremidade distal 202 define uma ranhura 216 na sua superfície externa, onde a ranhura 216 é configurada para alojar um primeiro elemento de vedação 218, que pode ser elastômero, tal como um anel de vedação. Quando o bocal 110 é instalado na tocha de arco de plasma 100, o contato superfície-superfície entre o bocal 110 e a tampa de retenção interna adjacente deforma o primeiro elemento de vedação 218 na ranhura 216 para fornecer uma vedação hermética ao líquido entre o bocal 110 e a tampa de retenção interna 115 nessa região.

[0029] Em algumas modalidades, a porção do corpo do bocal entre a inclinação de entrada de líquido 210 e a extremidade proximal 206 define pelo menos uma ranhura 220 na sua superfície externa, onde a ranhura 220 é configurada para alojar um segundo elemento de vedação 222, que pode ser elastômero, como um anel de vedação. Quando o bocal 110 é instalado na tocha de arco de plasma 100, o contato superfície-superfície entre o bocal 110 e um componente de tocha adjacente, tal como o anel de corrente 122 da figura 1, deforma o segundo elemento de vedação 222 na ranhura 220 para proporcionar uma vedação hermética para líquidos entre o bocal 110 e o anel de corrente 122 nessa região. Geralmente, os elementos de vedação 218 e 222 são configurados para reter o líquido refrigerante para dentro da cintura de arrefecimento 111. Em alguns casos, o bocal 110 é provido com um terceiro elemento de vedação 226 alojado em uma ranhura 224 que está localizada na superfície externa do corpo do bocal entre o segundo elemento de vedação 222 e a extremidade proximal 206 do bocal 110. Assim, o terceiro elemento de vedação 226 está axialmente proximal do segundo elemento de vedação 222. O terceiro elemento de vedação 226 é configurado para fornecer outra vedação hermética entre o bocal 110 e o anel de corrente 122.

[0030] Em algumas modalidades, a inclinação de entrada de líquido 210 inclui um flange de alinhamento 228 que se estende radialmente da superfície externa do corpo do bocal. O flange de alinhamento 228 é configurado para alinhar axialmente o bocal 110 com outro componente da tocha de arco de plasma 100, tal como o anel de corrente 122, durante a montagem da tocha 100. Assim, a inclinação de entrada de líquido 210 é adaptada para estender mais alta em uma direção perpendicular ao eixo longitudinal A do que na inclinação de saída de líquido 212.

[0031] Em algumas modalidades, o orifício de abastecimento 232 é posicionado entre o terceiro elemento de vedação 226 e a extremidade proximal 206 do corpo do bocal. O orifício de abastecimento 232 é configurado para ligar uma superfície externa do corpo do bocal para superfície interna do corpo do bocal para conduzir um fornecimento de gás de plasma radialmente para a região interna do bocal 110. O terceiro elemento de vedação 226 pode ser utilizado para direcionar o fluxo do gás de plasma através do orifício de abastecimento 232 e para a área entre o bocal 110 e o anel de turbilhonamento 120. Em algumas modalidades, um orifício de respiração 230 está posicionado entre o primeiro elemento de vedação 218 e a extremidade distal 202 do corpo de bocal. O orifício de ventilação 230 está configurado para ligar uma superfície interna do corpo do bocal à superfície externa do corpo do bocal para conduzir um fluxo de gás de plasma radialmente afastado do bocal 110. Por exemplo, o orifício de ventilação 230 está em comunicação fluida com o canal de fornecimento de gás de proteção 234 entre uma superfície externa do bocal 110 e uma superfície interna da blindagem 125, como mostrado na figura 1. Em operação, um fluxo de gás de plasma proveniente do bocal 110 pode ser ventilado para o canal de fornecimento de gás de proteção 234 através do orifício de ventilação 230 para suplementar o gás de proteção no canal 234. O gás de plasma ventilado no canal de gás de proteção 234 é adaptado para pré-aquecer o gás de proteção, que adiciona mais energia térmica para um corte pela tocha 100 e permite que mais gás auxiliar mova o metal derretido produzido durante o corte.

[0032] Em algumas modalidades, um orifício de ventilação (não mostrado na figura 1, mas mostrado como orifício de ventilação 336 na figura 3) é posicionado entre o segundo elemento de vedação 222 e o terceiro elemento de vedação 226. O orifício de ventilação é configurado para conectar uma superfície interna do corpo do bocal para a superfície externa do corpo do bocal para conduzir um fluxo de gás de plasma radialmente afastado do bocal 110. O orifício de ventilação é adaptado para ser ligado a uma passagem de ventilação, que permite que o gás plasma ionizado da tocha 100 passe para a atmosfera.

[0033] Em algumas modalidades, a superfície externa do bocal 110 na cintura de arrefecimento 111 e uma superfície interna da tampa de retenção adjacente 115 definem cooperativamente uma câmara de arrefecimento 208, como ilustrado na figura 1. A câmara de arrefecimento 208 pode ter um volume de cerca de 0,03 polegadas cúbicas (0,49 cm3). A câmera de arrefecimento 208 configurada para facilitar o arrefecimento condutivo para outras seções do bocal 110. Por exemplo, a largura relativamente grande da câmera de arrefecimento 208 permite que o fluido de arrefecimento se mova rapidamente através desta e o fluxo de alta velocidade resultante promova o arrefecimento.

[0034] A figura 3 é uma vista em corte de outra tocha de arco plasma 300 com um bocal 310 tendo uma cintura de arrefecimento 311, de acordo com uma concretização ilustrativa da presente invenção. A tocha de arco de plasma 300 pode ser operada a uma corrente de cerca de 130 amperes. As figuras 4a e 4b são vistas isométricas e em corte do bocal 310 da figura 3, de acordo com uma modalidade ilustrativa da presente invenção. O bocal 310, incluindo a cintura de bocal 311, é substancialmente semelhante ao bocal 110 e à cintura de bocal 111, respectivamente, das figuras 1, 2a e 2b. Por exemplo, semelhante ao bocal 110, o bocal 310 inclui um primeiro elemento de vedação 318 (correspondente ao elemento de vedação 218), um segundo elemento de vedação 322 (correspondente ao elemento de vedação 222) e um terceiro elemento de vedação 326 (correspondente ao elemento de vedação 226). Um orifício de ventilação 336 é posicionado entre o segundo elemento de vedação 322 e o terceiro elemento de vedação 326 para conduzir um fluxo de gás de plasma radialmente afastado do bocal 310 e para dentro do corpo da tocha. Como mostrado, o bocal 310 inclui adicionalmente um orifício de abastecimento 332, o mesmo que o orifício de abastecimento 232 do bocal 110, posicionado entre o terceiro elemento de vedação 326 e a extremidade proximal do bocal 310 para conduzir um fornecimento de gás de plasma radialmente para a região interna do bocal 310. Geralmente, o segundo elemento de vedação 322 é configurado para isolar de modo fluido o gás de plasma ventilado do fluido de arrefecimento na cintura 111, e o terceiro elemento de vedação 326 é configurado para fluidamente isolar o gás de plasma ventilado do gás da fonte de gás de plasma que flui para o anel de turbilhonamento 120 através do orifício de abastecimento 332.

[0035] Em geral, um bocal com uma cintura de arrefecimento, tal como o bocal 110 descrito acima, com referências às figuras 1, 2a e 2b e o bocal 310 descrito acima com referência às figuras 3, 4a e 4b podem ser incorporados em uma variedade de tochas de arco plasma que requerem arrefecimento líquido. Por exemplo, o bocal e a cintura de arrefecimento descritos no presente pedido podem ser instalados em tochas arrefecidas por líquido operadas a cerca de 170 amperes ou menos, tal como a cerca de 170 amperes, cerca de 130 amperes e/ou cerca de 80 amperes.

[0036] A figura 5 é um diagrama que ilustra um processo 600 para arrefecer por líquido um bocal de corte por plasma em uma tocha de arco de plasma, de acordo com uma modalidade ilustrativa da presente invenção. O bocal de corte a plasma compreende uma cintura de arrefecimento, tal como o bocal 110 descrito acima com referências às figuras 1, 2a e 2b ou o bocal 310 descrito acima com referência às figuras 3, 4a e 4b. Para fins de ilustração, o processo 600 é descrito com referência ao bocal 110. Durante o arrefecimento, um fluxo de líquido refrigerante é direcionado ao longo da inclinação de entrada 210 da cintura de arrefecimento 111 do bocal 110 em um ângulo diferente de zero (etapa 602), tal como com em um ângulo geralmente perpendicular ao eixo longitudinal A. O fluxo de líquido refrigerante é adaptado para ser introduzido na inclinação de entrada 210 do corpo da tocha 102 através de um canal de fornecimento do líquido refrigerante 242 que é em parte formado por uma superfície interna da tampa de retenção interna 115, como mostrado na figura 1. A região de troca de calor 214 da cintura de arrefecimento 111 então conduz o fluxo do líquido refrigerante axialmente em uma direção distal em direção à inclinação de saída 212 do bocal 110 (etapa 604), onde a região de troca de calor 214 é substancialmente paralela ao eixo longitudinal A. A inclinação de saída 212 da cintura de arrefecimento 111 adicionalmente direciona o fluxo de líquido refrigerante radialmente para fora do bocal 110 em um ângulo diferente de zero (etapa 606), tal como em um ângulo geralmente perpendicular ao eixo longitudinal A. A inclinação de saída 212 da cintura de arrefecimento 111 direciona ainda mais o fluxo de líquido refrigerante radialmente para fora do bocal 110 em um ângulo diferente de zero (etapa 606), tal como um ângulo geralmente perpendicular ao eixo longitudinal A.

[0037] Em algumas modalidades, o fluxo radial para fora do líquido refrigerante permite que o fluxo de líquido refrigerante se desloque ao longo um canal de blindagem de refrigerante 244 definido entre uma superfície externa da tampa de retenção interna 115 e uma superfície interna da blindagem 125, conforme ilustrado na figura 1. O canal de blindagem de refrigerante 244, em comunicação fluida com a inclinação de saída 212 da cintura de arrefecimento de bocal 111, conduz o líquido refrigerante proximalmente em direção ao corpo da tocha 104 para adicionalmente resfriar a blindagem 125 e a tampa de retenção externa 116. Este padrão de líquido refrigerante tem a vantagem de reduzir o espaço na tocha 100 usado para redirecionar o líquido refrigerante do bocal 110 para a blindagem 125. Especificamente, isto permite que o líquido refrigerante flua diretamente do bocal 110 para a blindagem 125 sem ser roteado de volta para a tocha 100.

[0038] Em algumas modalidades, o fluxo de líquido refrigerante através da cintura de arrefecimento 111 forma um fluxo substancialmente laminar, de modo que o líquido refrigerante que entra na inclinação de entrada 210 não se misture substancialmente com o líquido refrigerante que sai da inclinação de saída 212. Ainda, o líquido axial que flui da inclinação de entrada 210 para a inclinação de saída 212 é substancialmente uniforme em torno de uma circunferência do bocal 110. Por exemplo, o líquido refrigerante entra na inclinação de entrada 210 em torno substancialmente de toda a circunferência do bocal 110. O líquido refrigerante então resfria a região de troca de calor 214 uniformemente em torno da circunferência do bocal 110. O líquido refrigerante é direcionado para longe através da inclinação de saída 112 em torno da circunferência do bocal 110. O líquido refrigerante não se desloca de modo lateral ou circunferencial dentro da cintura de arrefecimento 111, mas se desloca em uma direção paralela ao eixo longitudinal A. O fluxo de líquido refrigerante também não entra de um lado lateral do bocal 110 e sai do outro lado. Em vez disso, este é adaptado para entrar e sair pelo mesmo lado do bocal 110 em um caminho reto geralmente paralelo ao eixo longitudinal do bocal 110.

[0039] Em algumas modalidades, o processo 600 inclui o fornecimento de um fluxo de gás de plasma para uma região interna do bocal 110 através de um orifício de abastecimento disposto no corpo do bocal, tal como o orifício de abastecimento 232 localizado entre o terceiro elemento de vedação 226 e a extremidade proximal 206 do bocal 110 da figura 1 ou o orifício de abastecimento 332 localizado entre o terceiro elemento de vedação 326 e a extremidade proximal do bocal 310 da figura 3. Em algumas modalidades, o processo 600 inclui ventilação de pelo menos uma porção do fluxo de gás através de um ou mais orifícios de ventilação, tal como o orifício de respiração 336 do bocal 310 localizado entre o terceiro elemento de vedação 326 e o segundo elemento de vedação 322 do bocal 310 e/ou o orifício de ventilação 230 do bocal 110 localizado entre o primeiro elemento de vedação 218 e a extremidade distal 202 do bocal 110.

[0040] Deve ser entendido que os vários aspectos e modalidades da invenção podem ser combinados de diversas formas. Com base nos ensinamentos deste relatório, uma pessoa versada na técnica pode prontamente determinar como combinar estas várias modalidades. Além disso, modificações podem ocorrer para aqueles versados na arte após a leitura do relatório.

Claims

1. Bocal para tocha de arco de plasma arrefecida por líquido, o bocal sendo CARACTERIZADO por compreender: um corpo termicamente condutor tendo uma extremidade distal, uma extremidade proximal e um eixo longitudinal que se estende através do mesmo; um orifício de saída do arco de plasma na extremidade distal do corpo termicamente condutor; uma cintura de arrefecimento localizada de modo circunferencial em torno de uma superfície externa do corpo termicamente condutor, a cintura de arrefecimento incluindo uma inclinação de entrada de líquido, uma inclinação de saída de líquido e uma região de troca de calor entre a inclinação de entrada de líquido e a inclinação de saída de líquido substancialmente paralela ao eixo longitudinal, e em que a inclinação de entrada de líquido e a inclinação de saída de líquido estão orientadas de de modo geral perpendicular ao eixo longitudinal; um primeiro elemento de vedação localizado entre a inclinação de saída de líquido e a extremidade distal do corpo termicamente condutor; e um segundo elemento de vedação localizado entre a extremidade proximal do corpo termicamente condutor e a inclinação de entrada de líquido.

2. Bocal, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a inclinação de entrada de líquido e a inclinação de saída de líquido estão em posições axiais diferentes em relação ao eixo longitudinal.

3. Bocal, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a cintura de arrefecimento está configurada para facilitar um fluxo laminar de um líquido refrigerante através desta, de tal modo que o líquido refrigerante que entra na inclinação de entrada de líquido não se misture substancialmente com o líquido refrigerante que sai da inclinação de saída de líquido.

4. Bocal, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a inclinação de entrada de líquido compreende um flange de alinhamento axial configurado para alinhar axialmente o bocal com outro componente da tocha de arco de plasma.

5. Bocal, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a cintura de arrefecimento está geralmente localizada em uma parte central do corpo.

6. Bocal, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que também compreende um terceiro elemento de vedação localizado entre o segundo elemento de vedação e a extremidade proximal do corpo.

7. Bocal, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda um orifício de ventilação localizado entre o terceiro elemento de vedação e o segundo elemento de vedação, o orifício de ventilação é configurado para ligar uma superfície interna do corpo à superfície externa do corpo.

8. Bocal, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda um orifício de abastecimento localizado entre o terceiro elemento de vedação e a extremidade proximal do corpo, o orifício de abastecimento sendo configurado para ligar uma superfície externa do corpo à superfície interna do corpo.

9. Bocal, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda um orifício de ventilação entre o primeiro elemento de vedação e a extremidade distal do corpo, o orifício de ventilação é configurado para ligar uma superfície interna do corpo a um canal de fornecimento de gás de proteção.

10. Bocal, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda uma tampa de retenção acoplada à superfície externa do corpo para definir uma câmara em cooperação com a cintura de arrefecimento.

11. Bocal de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADO pelo fato de que a câmara tem um volume de cerca de 0,03 polegadas cúbicas (0,49 cm3).

12. Bocal para uma tocha de arco de plasma arrefecida por líquido, o bocal sendo CARACTERIZADO por compreender: um corpo tendo uma extremidade distal, uma extremidade proximal e um eixo longitudinal que se estende através do mesmo; um orifício de saída de arco de plasma disposto na extremidade distal do corpo; dispositivos de arrefecimento localizados centralmente em uma superfície externa do corpo entre a extremidade distal e a extremidade proximal, os dispositivos de arrefecimento orientados de modo circunferencial em torno do corpo, os dispositivos de arrefecimento tendo um meio de entrada para receber um líquido refrigerante e um meio de saída para redirecionar o líquido refrigerante radialmente para fora em um padrão de fluxo laminar, os meios de entrada e de saída estão espaçados axialmente uns dos outros; um primeiro dispositivo de vedação localizado entre os meios de saída e a extremidade distal do corpo; e um segundo dispositivo de vedação localizado entre os meios de entrada e a extremidade proximal do corpo.

13. Bocal, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda pelo menos um dispositivo de ventilação disposto no corpo.

14. Bocal, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADO pelo fato de que os dispositivos de arrefecimento são configurados para impedir que o líquido refrigerante no meio de entrada se misture com o líquido refrigerante nos meios de saída.

15. Método para arrefecer por líquido um bocal de corte de plasma em uma tocha de arco de plasma, o bocal compreendendo um corpo com uma extremidade distal, uma extremidade proximal e um eixo longitudinal que se estende através dele, uma cintura de arrefecimento sendo localizada de modo circunferencial sobre uma superfície externa do corpo em uma porção central do corpo entre a extremidade distal e a extremidade proximal, o método sendo CARACTERIZADO pelo fato de compreender: direcionar um fluxo de líquido refrigerante ao longo de uma inclinação de entrada da cintura de arrefecimento em um ângulo geralmente perpendicular ao eixo longitudinal; conduzir o fluxo de líquido refrigerante ao longo de uma região de troca de calor da cintura de arrefecimento substancialmente paralela ao eixo longitudinal, a região de troca de calor localizada entre a inclinação de entrada e uma inclinação de saída da cintura de arrefecimento; e direcionar o fluxo de líquido refrigerante sobre a inclinação de saída se afastando radialmente do bocal, em um ângulo geralmente perpendicular ao eixo longitudinal, da inclinação de saída distal para a inclinação de entrada, em que o líquido refrigerante que flui através da cintura de arrefecimento compreende um fluxo substancialmente laminar de tal modo que o líquido refrigerante que flui através da inclinação de entrada não se misture substancialmente com o fluxo de líquido refrigerante sobre a inclinação de saída.

16. Método, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda a vedação do bocal em um ou mais de um primeiro local de vedação entre a inclinação de saída e a extremidade distal do corpo, um segundo local de vedação entre a extremidade proximal do corpo e a inclinação de entrada e um terceiro local de vedação entre o segundo elemento de vedação e a extremidade proximal do corpo.

17. Método, de acordo com a reivindicação 16, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda ventilar pelo menos uma porção de um fluxo de gás através de pelo menos um de um primeiro orifício de ventilação localizado entre o terceiro local de vedação e o segundo local de vedação e um segundo orifício de ventilação entre o primeiro local de vedação e a extremidade distal do corpo.

18. Método, de acordo com a reivindicação 16, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda fornecer um fluxo de gás para uma região interna do bocal através de um orifício de abastecimento localizado entre o terceiro local de vedação e a extremidade proximal do corpo.

19. Método, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda acoplar uma tampa de retenção à superfície externa do corpo para criar uma câmara em cooperação com a cintura de arrefecimento.

20. Método, de acordo com a reivindicação 19, CARACTERIZADO pelo fato de que a câmara tem um volume de cerca de 0,03 polegadas cúbicas (0,49 cm3).

21. Método, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda o alinhamento axial do bocal em relação a outro componente na tocha de arco de plasma usando um flange de alinhamento axial na inclinação de entrada.

22. Método, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de que adicionalmente compreende operar a tocha de arco de plasma a aproximadamente 170 amperes ou menos.