CN101682979B - 具有优化水冷却的等离子体电弧割炬切割部件 - Google Patents

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Abstract

一种等离子体电弧割炬的喷嘴、保持帽或保护罩，包括形成与相邻割炬部件进行热传递的热传导接触部。该相邻割炬部件可以是保持帽、电极或喷嘴。喷嘴、保持帽或保护罩的表面也可至少部分地形成具有弧形表面的冷却通道。密封物部可位于热传导接触部和冷却通道之间。密封物部可形成或产生在冷却通道和热传导部之间流体阻挡结构。

Description

具有优化水冷却的等离子体电弧割炬切割部件
技术领域
本发明总的涉及金属材料的高温处理，包括用等离子体电弧割炬切割材料。更具体地，本发明涉及能够增进等离子体割炬及其部件的性能或预期寿命的改进设计和冷却技术。
背景技术
等离子体电弧割炬广泛地用于工件加工，例如金属材料(例如基本金属、金属合金等)的切割、钻穿和/或作标记。等离子体电弧割炬通常包括：安装在割炬的本体(例如割炬本体)中的电极；同样安装在割炬本体中、具有等离子体排出部的喷嘴(有时被称为排出口、排出孔或排出端口)；电连接；冷却流体、保护流体和电弧控制流体的的流体通道；用来控制形成在电极和喷嘴之间的等离子体腔室内的流体流动图案的涡流环；以及电源。割炬产生等离子体电弧，该等离子体电弧是具有高温和高动量的受约束等离子体气体的离子化喷射流(例如离子化等离子体气体的流动流)。用于等离子体电弧割炬的气体可以是非氧化性气体(例如氩或氮)或氧化性气体(例如氧或大气)。
在操作中，首先在电极(例如阴极)和喷嘴(例如阳极)之间产生引导电弧。引导电弧的产生可借助耦合于DC电源和等离子体电弧割炬的高频、高电压信号或多种接触起弧方法中的任意方法来实现。在一些构造中，将保护罩安装在割炬本体以防止在加工期间从工件(有时被称为熔渣)溅射出的金属积累在割炬部件(例如喷嘴或电极)上。一般来说，保护罩包括允许等离子体喷射流从中经过的护罩出口部(也称为护罩口)。保护罩可相对于喷嘴同轴地安装以使等离子体出口部与保护罩出口部对准。
为了获得具有良好切割质量的高等离子体切割速度，一般需要便于高电流密度的喷嘴设计。通过减小喷嘴口的尺寸(例如直径)和/或延长喷嘴孔的长度以限制等离子体电弧的流动面积从而增加等离子体电弧的能量密度(安培/英寸2)，在等离子体割炬中已获得高电流密度。具有相对高的电流密度和/或相对高的长度/直径比的喷嘴在喷嘴孔内遇到来自等离子体电弧的相对较高的热通量。较高的热通量可导致喷嘴过热，使喷嘴材料(例如铜)氧化侵蚀或局部熔化喷嘴材料。较高的热通量可导致双燃弧，其中喷嘴因喷嘴、电极和工件之间的连续起弧而受到侵蚀。由于过热和双燃弧的喷嘴损坏会使等离子体喷射流或电弧因失去喷嘴形状的约束而变宽和/或发散，导致例如角度变化增加、宽截口和熔渣过量的切割质量缺陷。
总地来说，喷嘴口的侵蚀率受喷嘴口处的冷却效率影响。在该位置的有效冷却有助于保持相对低温，这导致较低的侵蚀率。对用于高电流等离子体割炬中的水冷却喷嘴，冷却可包括在或经过喷嘴外表面通过固体金属的热传导或通过冷却液的热对流。在一些设计中，可在喷嘴的外表面上使用保护气体提供额外的冷却，例如象新罕布什尔州汉诺威的Hypertherm公司的HPRTM割炬设计以及由南卡罗来纳州佛罗伦萨的ESAB出售的割炬所实现的那样，这两种割炬均采用相对高的电流。总地来说，用气流冷却喷嘴比用水或其它液体冷却喷嘴要弱或效率要低。
需要去除由排出口附近的喷嘴头端(主要在开口壁处)吸收的热量。热去除是通过喷嘴上部的热传导和水冷对流和/或保护气体的热对流(如果由气体造成的喷嘴冷却无法忽略不计)这两者来实现的。在多数情形下，气体冷却功能相比水冷却而言是可忽略的，因此所有或大部分通过喷嘴的总热传递是通过水冷却实现的。在这些情形下，从喷嘴口到冷却水的热传递率主要受喷嘴头端处(例如靠近喷嘴出口)的温度梯度、固体/液体界面(例如铜的喷嘴材料和例如水的冷却液之间)和原始冷却水之间的温度差以及对流热传递效率的控制。这可描述成两种调整关系，即热传导方程(下面的方程1)和热对流方程(下面的方程2)。
Q A Orifice = - k T S / L - T Orifice ΔX (方程1)
其中：Q是喷嘴口处的总热通量，假设热量只通过喷嘴口壁传递；
AOrifice是喷嘴口的表面积；
k是喷嘴材料的热传导系数；
TS/L是喷嘴和冷却流体(例如水)的界面处的温度；
TOrifice是喷嘴口处的温度，假设温度是均一的；以及
ΔX是喷嘴口至固液界面的有效距离。
Q A S / L = h ( T S / L - T 0 ) (方程2)
其中：AS/L是喷嘴和冷却流体的界面的面积；
h是喷嘴材料的对流热传递系数；
TS/L是喷嘴和冷却流体(例如水)的界面处的温度；以及
T0是冷却流体的初始温度。
喷嘴冷却的传统设计方法是使冷却剂物质尽可能地靠近喷嘴出口。例如，通过减小它们之间的距离，即方程1中的ΔX项。然而，减小冷却液和喷嘴出口之间的距离会受到使固/液界面温度保持在可接受的水平的热对流能力的限制。存在若干方法来作出冷却剂密封。
图1绘出用于冷却喷嘴110头端105的系统100的典型设计的剖视图局部剖视图。系统100的一般代表为南卡罗来纳州查尔斯顿的Kaliburn公司出售的Proline 2200TM、200安培喷嘴。系统100包括喷嘴110以及可拆卸地安装于割炬本体(未示出)以相对于割炬本体固定喷嘴110的喷嘴保持帽115。系统100的完整剖视图可包括系统100的部件关于中心线或纵轴线A对称设置的镜像。头端105形成出口部120，等离子体喷射流(未示出)通过该出口部120排出喷嘴110。头端105还形成凹进部125，其中设有密封部件130(例如O形环)以在喷嘴110和喷嘴保持帽115之间形成流体密封。头端105还形成第一肩部135，该第一肩部135构造成与喷嘴保持帽115的相应平整部140配合以在其间形成金属-金属界面143。界面143在喷嘴110和喷嘴保持帽115之间提供热传导路径。喷嘴110的后部145与喷嘴保持帽115的相应后部150协配以形成使冷却流体(未示出)流过的腔室115。
界面143将喷嘴110固定于割炬并使喷嘴110相对于纵轴线A定位。系统100的一般代表为德国Finsterwald的Kjellberg Elektroden und MaschinenGmbH出售的PBS-75/PBS-76喷嘴。系统100存在若干缺陷。例如，系统100的构造导致喷嘴头端105的不充分冷却。凹进部分125过热，导致密封部件130的过热和/或燃烧。密封部件的失效会导致无法在喷嘴110和喷嘴保持帽115之间形成流体密封，从而导致冷却流体的泄漏、喷嘴110或喷嘴保持帽115的过早失效和/或图1A中未示出的其它割炬部件(例如割炬电极或保护罩)的损坏。另外，凹进部125导致喷嘴110和喷嘴保持帽115之间较少的金属-金属接触，这会减小它们之间的物理接触表面积。
系统100还在界面143附近的腔室155内形成“滞流区”158。在“滞流区”158中的流体流动相对腔室155的其它部分要慢，这导致在“滞流区”158附近的对流冷却减少。“滞流区”158表现出妨碍相对较冷的流体流入“滞流区”158的流体流动阻力，这减少了流体的对流冷却效果。
图1B是用于冷却喷嘴110’的头端105’的第二或可替换系统160的设计的局部剖视图。系统160包括喷嘴110’和喷嘴保持帽115’。系统160完整剖视图包括系统160的部件关于中心线或纵轴线A对称设置的镜像。头端105’形成出口部120’，等离子体喷射流(未示出)通过该出口部120’排出喷嘴110’。头端105’包括与喷嘴保持帽115’的相应部分170形成物理接触以在其间形成金属-金属界面175的的密封部165。喷嘴110’的后部180与喷嘴保持帽115’的相应后部185协配以形成使冷却流体(未示出)流过的腔室155’。
界面175将喷嘴110’固定于割炬并使喷嘴110’相对于纵轴线A定位。界面175一般还充当流体密封结构以阻碍在腔室155’中流动的冷却流体泄漏。系统160存在若干缺陷。例如，制造或加工喷嘴110’和/或喷嘴保持帽115’以在金属-金属界面175获得流体密封存在困难。结果，界面175容易在操作过程中(随着喷嘴110’(和头端105’)工作温度的增加)泄漏出冷却流体。在喷嘴110’和喷嘴保持帽115’之间发生泄漏后，一般必须将它们都更换掉。此外，作为密封结构175的界面的失效将导致割炬电极(未示出)和保护罩(未示出)的损坏，这通常也需要更换。
一般来说，喷嘴110’和喷嘴保持帽115’是由不同材料制成的。例如喷嘴110’经常由铜或铜合金制成，而保持帽115’通常由黄铜制成。不同的材料具有不同的热膨胀系数，这影响到喷嘴110’和喷嘴保持帽115’在加热期间(例如割炬操作期间)和收缩期间(例如在冷却或热张驰期间)的膨胀有多快。界面175易受金属尘和/或喷嘴110’或喷嘴保持帽115’的表面光洁度的影响。
发明内容
因此，需要在保持流体密封的同时改善喷嘴和喷嘴头端的冷却，以防止喷嘴或喷嘴保持帽的灾难性失效。另外，需要在改善保护罩冷却的同时维持保护罩和相邻部件之间的流体密封。本文描述的理念通过优化喷嘴、保持帽和保护罩的传导和对流冷却同时保持相邻等离子体电弧割炬部件之间的流体密封的设计来解决这些问题。
一般来说，本发明的一个方面涉及一种等离子体电弧割炬的喷嘴。该喷嘴包括形成用来与相邻的割炬部件热交换的热传导接触部的外表面。相邻的割炬部件可以是保持帽或电极。喷嘴的外表面也可至少部分地形成具有弧形表面的流体流动路径。该流体流动路径可对流地将热量从喷嘴传递至在流体流动路径中流动的流体。弧形表面可以是喷嘴外表面的一部分。密封物部可位于热传导接触部和流体流动路径之间。密封物部可包括至少部分地设置在位于喷嘴外表面上的沟槽内的弹性体密封件。包含弹性体密封件和沟槽的密封物部可形成密封部件或密封构件。沟槽的位置使密封部件在流体流动路径和热传导部之间形成或产生流体阻挡结构。在一些实施例中，密封物部还可包括所施加的密封件或衬垫中的至少一个。
在另一方面，这里给出一种等离子体电弧割炬的保持帽。该保持帽包括形成与相邻割炬部件热交换的热传导接触部的内表面。相邻的割炬部件可以是喷嘴。保持帽的内表面可至少部分地形成具有弧形表面的流体流动路径。弧形表面可以是保持帽的内表面的至少一部分。密封物沟槽可位于热传导接触部和流体流动路径之间。密封物沟槽也可包括至少部分地位于密封件内以形成密封部件或密封构件的弹性体密封件。在一些实施例中，密封部还可包括所施加的密封件或衬垫中的至少一个。
在本发明的另一方面，等离子体电弧割炬的对流冷却结构可设置在等离子体电弧割炬的喷嘴和保持帽中的至少一个中。对流冷却结构包括形成通道的至少一部分的凹弧形部以及促进流体流入前述凹弧形部的凸弧形部。切向连接部位于凸弧形部和凹弧形部之间。
在本发明的又一方面，一种用于联接相邻的等离子体割炬部件并在它们之间提供热传递的冷却和密封结构包括提供与相邻割炬部件的接触界面的肩部。接触界面可在相邻的割炬部件之间传导地交换热量。该结构也可包括对流冷却通道，该对流冷却通道包括凸弧形部、凹弧形部以及设置在凸弧形部和凹弧形部之间的切向连接部。密封件或密封物部可位于肩部和对流冷却通道之间。密封部可包括设置在例如喷嘴或保持帽的割炬部件中的沟槽以及至少部分地设置在所述沟槽中的弹性体密封件。沟槽的位置使密封件不暴露于过高的热量下。在一些实施例中，密封部位于对流冷却通道的附近或相邻处。
在另一方面，本发明涉及一种用于流体冷却的等离子体割炬的喷嘴。喷嘴可包括具有部分地界定流体通道的外周的本体，该本体可包括端面，其中该端面垂直于部件的纵轴线。在一些实施例中，沟槽至少部分地延伸通过端面并可将弹性体密封件放置在沟槽中以在等离子体气流和流体通道之间形成阻挡结构。沟槽和密封件可在割炬的等离子体气体区和割炬的水冷却区之间提供流体密封。在一些实施例中，位于喷嘴端面中的沟槽和密封件可提供保护性阻挡结构，这种结构加强并补充了位于喷嘴外表面内的密封部件。
本发明的又一方面涉及联接等离子体割炬部件并在它们之间提供热传递的冷却和密封结构。在一些实施例中，该结构包括在相邻割炬部件之间热传导冷却的装置。热传导冷却的装置可包括割炬部件的接触部。接触部可包括喷嘴的肩部或肩部表面或保持帽的内表面。在一些实施例中，肩部表面可以是方形的、弯曲的或斜切的，在一些实施例中，肩部表面具有阶梯外形。冷却和密封结构还可包括没有冷却流体滞流地提供等离子体割炬的一部分的对流冷却。用于对流冷却的装置可包括至少部分地由弧形表面形成的冷却通道或流体腔室。在一些实施例中，冷却通道可具有球根形状。在一些实施例中，对流冷却装置可围绕等离子体割炬或等离子体喷嘴的纵轴线成环面。冷却和密封结构还可包括提供流体密封的密封装置。该流体密封可至少部分地由设置在喷嘴外表面的沟槽形成。在一些实施例中，沟槽位于保持帽的内表面内。
在本发明的另一方面，一种流体冷却的等离子体电弧割炬喷嘴包括前部和后部。前部包括形成排出口的前表面。喷嘴还可包括尺寸设计成与相邻部件轴向对准的热传导肩部以及设置在肩部和后部之间的流体冷却部。在一些实施例中，密封件可设置在液体冷却部和热传导肩部之间。
本发明的又一方面涉及将在等离子体割炬内定位相邻部件的对准结构。在一些实施例中，该结构包括：阶梯构件，用来提供两相邻部件之间的轴向对准；以及密封构件，它与倾斜面或弯曲面协配以提供两相邻部件之间的径向对准。在一些实施例中，对准结构还可包括具有弧形部的对流冷却通道。弧形部可具有球根形或环面形中的至少一个的表面。
本发明的另一方面提供一种等离子体电弧割炬系统，该系统包括电源、连接于电源的割炬本体以及设置在割炬本体中的电极。在一些实施例中，等离子体电弧割炬系统包括割炬部件，该割炬部件具有形成与相邻割炬部件热交换的热传导接触部的表面以及包含形成冷却通道的至少一部分的凹弧形部的对流冷却结构。在一些实施例中，割炬系统可包括控制至电极的气体流动的控制器。在一些实施例中，割炬系统包括：在相邻割炬部件之间热传导冷却的第一冷却装置；无冷却流体流动滞流地提供等离子体割炬的一部分的对流冷却的第二冷却装置；以及设置在第一冷却装置和第二冷却装置之间以提供流体密封的密封装置。在一些实施例中，等离子体电弧割炬系统可包括控制器和气体控制台。
在本发明的又一方面，一种冷却等离子体割炬部件的方法包括通过热传导接触部将来自第一割炬部件的热量与相邻割炬部件交换。在一些实施例中，该方法包括使冷却流体流过具有弧形表面的冷却通道，所述弧形表面被构造成防止流体滞流。在一些实施例中，该方法还包括提供包括在热传导接触部和冷却通道之间的密封部件的阻挡结构。
本发明的一个方面还涉及一种制造等离子体割炬部件的方法，该方法包括第一割炬部件上形成一表面，该表面形成与相邻割炬部件热交换的热传导接触部。该制造等离子体割炬部件的方法还包括形成冷却通道的成形部，该冷却通道部至少部分地由第一割炬部件或相邻割炬部件中的一个形成，该成形部具有弧形表面并将密封物沟槽定位在该表面和成形部之间。
本发明的另一方面可包括一种等离子体电弧割炬的喷嘴，其中该喷嘴可具有能够容纳电极的基本中空本体。喷嘴也可具有外表面，该外表面包括具有至少部分地形成冷却流体流动路径的弧形表面轮廓部分的外表面。
本发明的另一方面涉及一种等离子体电弧割炬的保持帽，该保持帽被构造成将喷嘴固定在割炬中。在一些实施例中，保持帽包括具有至少部分地形成冷却流体流动路径的弧形表面轮廓部分的内表面。
本发明的一个方面可包括一种等离子体电弧割炬的保护罩。在一些实施例中，该保护罩包括：形成与相邻割炬部件热交换的热传导接触部的外表面；至少部分由弧形表面形成的流体流动路径；以及位于热传导接触部和流体流动路径之间的密封物部件。
本发明的又一方面包括一种用于联接等离子体电弧割炬的保护罩和相邻割炬部件并在其间提供热传递的冷却和密封结构。冷却和密封结构可包括：在保护罩和相邻割炬部件之间提供接触表面的肩部；包括凸弧形部的对流冷却通道。在一些实施例中，该结构可包括位于肩部和对流冷却通道之间的密封部件。而在一些实施例中，对流冷却通道可包括凹弧形部以及设置在凸弧形部和凹弧形部之间的切向连接部。
本发明的另一方面包括一种联接保护罩和至少一个相邻等离子体割炬部件并在其间提供热传递的冷却和密封结构。该结构可包括在保护罩和至少一个相邻割炬部件之间热传导冷却的装置以及通过减少冷却流体的滞流对流地冷却等离子体割炬的至少一部分的装置。一些实施例还可包括在热传导冷却装置和对流冷却装置之间提供流体密封的密封装置。
本发明的一个方面可包括一种等离子体电弧割炬，该电弧割炬可包括连接于电源的割炬本体、设置在电极本体内并形成等离子体腔室的电极和喷嘴以及相对于喷嘴设置的保护罩。在一些实施例中，保护罩具有形成与相邻割炬部件热交换的热传导接触部的外表面以及包含形成冷却通道的至少一部分的凹弧形部的对流冷却结构。
本发明的另一方面包括一种等离子体电弧割炬系统。等离子体电弧系统可包括：电源；连接于电源的割炬本体；设置在割炬本体内的电极；控制至电极的气体流动的控制器；具有能够接纳喷嘴的基本中空本体的保护罩。在一些实施例中，保护罩包括：用来在保护罩和相邻割炬部件之间热传导冷却的第一冷却装置；无冷却流体流动滞流地提供等离子体割炬的一部分的对流冷却的第二冷却装置；以及设置在第一冷却装置和第二冷却装置之间以提供流体密封的密封装置。
本发明的另一方面包括一种冷却等离子体割炬部件的方法。该方法可包括：通过热传导接触部将来自保护罩的热量与相邻割炬部件交换；使冷却流体流过具有弧形表面的冷却通道，所述弧形表面被构造成防止流体滞流；以及提供包括在热传导接触部和冷却通道之间的密封部件的阻挡结构。
本发明的又一方面可包括一种制造用于等离子体割炬的保护罩的方法，该制造保护罩的方法可包括：在保护罩上形成一表面，该表面形成与相邻割炬部件热交换的热传导接触部；形成冷却通道的成形部，该冷却通道部至少部分地由保护罩形成；该成形部具有弧形表面并将密封物沟槽定位在该表面和成形部之间。
本发明的一个方面可包括一种用于等离子体电弧割炬的保护罩，该保护罩具有能够接纳喷嘴的基本中空本体。在一些实施例中，保护罩可包括外表面，该外表面包括具有至少部分地形成冷却流体的流动路径的弧形轮廓的部分。
任何上述方面可包括下面一个或多个特征。喷嘴可包括位于喷嘴外表面内的一个或多个密封物沟槽。弹性体密封件可至少部分地设置在密封物沟槽中。密封物沟槽也可位于喷嘴或割炬部件的后部的表面上。密封部件或密封物构件可设置在喷嘴或保护罩的后表面上。密封物沟槽和弹性体密封件可形成密封部件。在一些实施例中，弹性体密封件可变形以在至少两个相邻割炬部件之间关于斜面或弯曲表面提供流体密封。弹性体密封构件也可包括O形环。在一些实施例中，密封部件可包括O形环或弹性体密封件中的至少一个。在一些实施例中，密封部件位于割炬部件或相邻的割炬部件中的至少一个上。而在一些实施例中，阶梯构件和密封构件相对于彼此设置以形成单个对准构件。在一些实施例中，密封部件可尺寸制定和构造成在热传导接触部和对流冷却结构之间提供流体密封。
任何一个上述方面还可包括下面一个或多个特征。流体流动路径可至少由电极、喷嘴、保持帽或保护罩的表面形成。流体流动路径可形成环面腔室的至少一部分。流体流动路径还可包括具有凸弧形部和凹弧形部的流体腔室的至少一部分，凸弧形部促使流体流入凹弧形部。
上述任何一个方面也可包括一个或多个下列特征。热传导接触部可形成弯曲或倾斜的接触表面。在一些实施例中，接触表面提供喷嘴或保护罩与相邻割炬部件的轴向和径向对准。热传导接触部可包括设置于其上的一层热传导金属或金属氧化物。
上述方面中的任何一个还可包括下面一个或多个特征。肩部可提供相邻割炬部件中的至少两个之间的径向和轴向对准。在一些实施例中，肩部包括沿固体-固体界面的一层热传导材料。对流冷却通道可包括球根形部。而在一些实施例中，对流冷却通道包括环面形状。在一些实施例中，热传导接触部、对流冷却通道和弹性体密封件是单个等离子体割炬部件的一部分。在一些实施例中，阶梯构件以及倾斜或弯曲表面构件中的至少一个可包括设置在其上的一层热传导材料。
上述方面的任意一个可包括下面一个或多个特征。冷却结构可至少部分地设置在喷嘴或保护罩内。而在一些实施例中，冷却结构至少部分地设置在保持帽中。在一些实施例中，在等离子体电弧割炬的喷嘴中设置一个通道。在一些实施例中，在等离子体电弧割炬的保护罩内设置一个通道。而在一些实施例中，通道进入喷嘴的壁厚。并且在一些实施例中，通道被构造成减小流体流动滞流程度。
任何方面都可包括下面一个或多个特征。一种喷嘴可包括：前部和后部，前部包括形成排出口的前表面；肩部，其尺寸设计成提供与相邻部件的传热传导交换；以及弹性体密封件，其设置在肩部和后部之间，其中弹性体密封件变形以提供与相邻部件的流体密封。在一些实施例中，相邻割炬部件包括喷嘴、保护罩和保持帽。
这些方面可包括下面一个或多个特征。一种保护罩可包括：前部和后部，前部包括形成排出口的前表面；肩部，其尺寸设计成提供与相邻部件的传热传导交换；以及弹性体密封件，其设置在肩部和后部之间，其中弹性体密封件变形以提供与相邻部件的流体密封。在一些实施例中，相邻割炬部件包括喷嘴和保持帽。
上述方面的任意一个可包括下面一个或多个特征。一些实施例包括用于传导冷却的装置、提供对流冷却的装置，而密封装置至少部分地位于单个等离子体割炬部件上。用于提供有效对流冷却的装置可形成在相邻割炬部件之间，相邻割炬部件包括喷嘴、保护罩或保持帽。用于传导冷却的装置还可提供相邻割炬部件之间的径向对准或轴向对准中的至少一个。在一些实施例中，对流或传导冷却装置可包括环面形状。在一些实施例中，流体冷却部分包括环面形状。
上述方面的任意一个可包括下面一个或多个特征。等离子体割炬部件可包括喷嘴、电极、保护罩或保持帽。
本发明前述和其它目的、方面、特征和优点将从后面的说明书和权利要求书中变得更清楚。
附图说明
这些和其它的特征通过结合附图参照下面的详细说明就能变得更为易懂，附图是示例性的并且不一定按比例绘出。
图1A示出用于冷却喷嘴头端的系统的已知设计的局部剖视图。
图1B示出用于冷却喷嘴头端的已知系统的第二设计的局部剖视图。
图2是已知割炬设计的图。
图3A是等离子体电弧割炬的喷嘴的侧视图。
图3B是包括图3A喷嘴的割炬头端的剖视立体图。
图4是包括具有多个用于弹性体密封件的沟槽的喷嘴的割炬头端的剖视图。
图5是割炬头端的剖视图。
图6是双件式喷嘴的侧剖视图。
图7是包括设置在保持帽中的弹性体密封件的喷嘴头端的侧剖视图。
图8A-8E是等离子体电弧割炬的喷嘴的侧剖视图。
图9是自动化等离子体电弧割炬系统的示意图。
图10是自动化等离子体电弧割炬系统的示意图。
图11是包括具有弧形外表面的保护罩的割炬头端的剖视立体图和端视图。
图12是包括具有弧形外表面的保护罩的割炬头端的剖视立体图和端视图。
具体实施方式
图2示出一种已知等离子体电弧割炬10的简化示意形式，其代表为办事机构在新罕布什尔州汉诺威的Hypertherm公司出售的各种型号的割炬中的任何一种。割炬10具有基本圆柱形的本体12，其在下端16具有排出口14。等离子体电弧18，即离子化气体喷射流，经过排出口14并连上正被切割的工件19。割炬10被设计成转移电弧模式下穿透和切割金属，尤其是软钢，或其它材料。在切割软钢时，割炬10通过例如氧气或空气的反应气体工作，将其作为等离子体气体28以形成转移等离子体电弧18。
割炬本体12支承具有大致圆柱形本体21的铜电极20。可将铪插入件22压配合入电极20的下端21a以露出平面的发射表面22a。割炬本体12还支承与电极20隔开一段距离的喷嘴24。喷嘴24具有形成排出口14的中央口。在一些实施例中，安装于割炬本体12的涡流环26具有一组径向偏移(或带斜角的)气体分配孔26a，这些孔26a将切向速度分量施加于等离子体气流以使其涡旋。这种涡旋形成约束电弧18并使电弧18在插入件22上的位置稳定的涡流。割炬还具有保护罩60。保护罩60联接于(例如在其上侧壁60a螺纹连接于)绝缘环64。绝缘环64在其上侧壁64a联接于(例如螺纹连接于)帽76，所述帽76螺纹连接在割炬本体12上。保护罩60构造成与喷嘴24隔开一定距离以形成气流通道68。保护罩60的前表面60b具有与喷嘴排出口14对准的排出口72。
在操作中，等离子体气体28流过气体入口管29和涡流环26中的气体分配孔26a。从那里，等离子体气体28流入等离子体腔室30并通过排出口14和排出口72流出割炬10。引导电弧首先产生在电极20和喷嘴24之间。引导电弧使经过喷嘴排出口14和保护罩排出口72的气体离子化。然后使该电弧从喷嘴24转移至工件19以切割工件19。要注意，割炬10的具体结构细节，包括部件布置、气体引导和冷却流体流动以及提供电气连接，都可采用多种形式。
图3A是示出本发明一个实施例的等离子体电弧割炬的喷嘴200的侧视图。喷嘴200包括前部或前端部202和后部204。如图所示，前部202和后部204是整体地形成的(例如来自同一件材料)。在一些实施例中，前部202和后部204可由不同件材料形成并联接在一起(例如当安装于割炬时通过焊接或以协配关系固定在一起)。
前部202包括延伸部206，该延伸部206形成排出口(未示出)，等离子体喷射流(未示出)通过该排出口排出喷嘴200。前部202还形成肩部20g。如图所示，肩部208包括表面210。该表面210是关于中心线A对称地倾斜或斜切。如图所示，表面210相对于延伸部206设置，但也可采用其它结构。肩部208和表面210用来与相邻部件(未示出)传导地进行热传递。表面210可以物理方式表面一表面地接触相邻部件的相应表面(未示出)以传导地进行热传递。在一些实施例中，将媒质(未示出)设置在表面210和相邻部件之间，以使表面-表面接触不发生，但发生热联系。媒质可以是例如密封部件或涂层。
所示喷嘴200还形成位于前部202和后部204之间的沟槽212。在一些实施例中，沟槽212位于肩部208和冷却通道255的对流冷却部附近。沟槽212可容纳弹性体密封件，例如O形环或倾斜的O形环(未示出)。弹性体密封件还可以是密封衬垫或涂层。当喷嘴200和相邻部件被安装在等离子体电弧割炬上时，表面210和相邻部件相应表面的表面-表面接触使弹性体密封件变形以在喷嘴200和相邻部件之间提供流体密封。流体密封可帮助防止对流冷却区的失效，对流冷却区的失效会导致流体从喷嘴200的冷却通道255泄漏出。
喷嘴200还包括对流部214。该对流部214设置在喷嘴200的沟槽212和后部204之间。当喷嘴200安装在割炬中时，对流部位于密封件和后部204之间。在一些实施例中，密封件位于接近冷却通道255或与其附近。对流部214提供允许流体在喷嘴200的外表面216上流动的流体流动路径。流体(未示出)在割炬工作时促进喷嘴200的对流冷却。在一些实施例中，流体流动路径至少部分地由弧形表面形成。弧形表面可以是喷嘴或保持帽的表面的一部分。
喷嘴200的对流部214的形状能促进对流冷却并减小流体的滞流。例如，对流部214包括成形部218。在一些实施例中，成形部218被尺寸设计和构造成具有弧形表面。成形部218可形成以中心线A为中心的环面腔室220的至少一部分。在操作中，流体通过并沿环面腔室流动以促进喷嘴的对流冷却。在一些实施例中，冷却流体进入环面通道的一侧，在流体腔室256内围绕喷嘴前部流动并在喷嘴的相反侧排出。通过减少冷却流体(例如液体或气体)的滞流并另外通过使露出于冷却液的表面积增大或扩展的成形部218而促进对流冷却，在一些实施例中，成形部218包括凹弧形部222和与凹弧形部222相邻的凸弧形部224。成形部218可通过铸造工艺(例如在模子中形成喷嘴200)或通过使用合适的去除工具的去除工艺(例如在例如金属车床上生产时去除一部分喷嘴材料)来产生。在一些实施例中，喷嘴的对流部被构造和尺寸设计成允许冷却流体对流地从喷嘴去除热量。在一些实施例中，热量可通过喷嘴传导地从喷嘴前部传递至喷嘴后部并同时通过冷却流体从喷嘴对流地传递。包含前述一个或多个弧形部的成形部可关于喷嘴纵轴线径向地对称。因此，剖面轮廓可具有上述或如附图所示的形状。
喷嘴200包括与对流部214相邻的沟槽224。沟槽224增加了喷嘴的表面积并利于对流冷却并通过将一些紊流引入流动中的流体而减少滞流。喷嘴200还包括设置在后部204的通道226。
图3B是包括图3A喷嘴200的割炬头端240的剖视立体图。割炬头端240包括保持帽244。保持帽244可将喷嘴200固定于等离子体电弧割炬并相对中心线A径向和/或轴向地定位喷嘴200。保持帽244形成构造成与喷嘴的延伸部206匹配的开口246。喷嘴200的延伸部206形成等离子体排出端口248，等离子体喷射流(未示出)通过端口248从等离子体腔室250排出喷嘴。保持帽244形成外表面252和内表面254。如图所示并如上所述，内表面254倾斜以与喷嘴200的肩部208的表面210匹配。内表面254和表面210之间的接触有利于喷嘴200和保持帽244之间的热传导。表面210形成沿喷嘴200的前部202的肩部208延伸的斜面210。通过增大表面-表面接触，可增进喷嘴200和保持帽244之间的热传导。增进两个或多个割炬部件之间的热传导有助于喷嘴冷却，这能够延长喷嘴寿命。在一些实施例中，在表面210、254上具有提供表面-表面接触区的例如银(未示出)的一个传导材料层。传导材料可增进相邻割炬部件之间的热传递。
当弹性体密封部件(未示出)位于沟槽212时，保持帽244和喷嘴200之间的协配使弹性体密封部件变形以形成流体密封界面。内表面254与成形部214和喷嘴200的后部204协配以形成流体腔室256。
喷嘴200的后部204还包括在表面258中形成沟槽260的表面258。当喷嘴200安装在等离子体电弧割炬中时，可在沟槽260中设置一弹性体密封部件(未示出)。当喷嘴200安装在割炬时，表面258抵靠在割炬本体(未示出)上。在设置于沟槽224或通道226的密封部件失效的情形下，沟槽258中的密封部件提供备用密封件。在一些实施例中，使用沟槽258中的密封件或使用沟槽226中的密封件。另外，沟槽258中的密封部件不会因为安装喷嘴200(或其它喷嘴)或从割炬拆下喷嘴200(或其它喷嘴)所造成的割炬本体侧壁中的刮擦而使其性能受到损害。相反，沟槽258中的密封部件密封在割炬内部的后表面上。相比割炬内侧壁，喷嘴内部的后表面不大可能因喷嘴的反复更换而被擦伤。沟槽258中的密封部件提供柔软的界面并减小喷嘴200和割炬本体之间的金属-金属接触。包括例如喷嘴、保持帽、电极的消耗性部件的重复连接和分离会擦伤(gauge)和刮擦割炬连接结构。擦伤和刮擦会危及等离子体电弧割炬的流体冷却区和等离子体气体区之间的密封。当危及两区域间的密封时，旨在冷却的流体会泄漏至等离子体气体区或反之亦然。沟槽258中的密封部件提供保护包括冷却通道255的流体冷却区(流体流动路径)对于等离子体气体区的坚实密封。在一些实施例中，密封部件变形以在两割炬区之间提供密封。
表面258形成第一平面B。表面210形成第二平面C。平面B和平面C在流体路径中均处于用于冷却液体的流体通道(未示出)。
图4示出包括喷嘴200和保持帽244的本发明另一实施例。喷嘴200形成一流体腔室256，在那里喷嘴200的成形部214包括凸弧形部224、凹弧形部222。切向部连接这些弧形部。在一些实施例中，流体腔室256可由一个或多个弧形表面的其它结构形成。弧形部表面的构造成不具有锐角以防止滞流区。在一些实施例中，凸弧形部224增进流体向凹弧形部222流动。包含一个或多个上述弧形部的成形部214可关于喷嘴纵轴线径向对称。在一些实施例中，成型表面可具有球根形状。因此，剖面轮廓可具有上述形状或如图所示。
图4所示喷嘴200的肩部208具有阶梯外形。在一些实施例中，阶梯外形包括锐角或直角。肩部208的阶梯外形增加了增进从喷嘴至保持帽244的传导性热传递的表面积。在一些实施例中，肩部208和成形部214被构造成使喷嘴壁具有足以传导地将热量从喷嘴200靠近等离子体排出端口248的前部202热传递至喷嘴200后部204的厚度。
图4的喷嘴200还包括防止流体从流体腔室256到达喷嘴200的与其延伸部206相邻的前部202的密封部件。密封部件(未示出)可部分地设置在沟槽212且该沟槽可切入喷嘴的外表面216。沟槽212可位于沿喷嘴表面的任何位置。在一些实施例中，密封部件可位于使密封机构不暴露于升高的温度的位置，尤其是对于由布纳材料形成密封部件高于约华氏250-300度的高温，以及对于由硅树脂形成的密封部件高于华氏400度的高温。具有弧形或方形边缘的沟槽212可切入喷嘴。在一些实施例中，具有关联密封部件的一个或多个沟槽被切入喷嘴的表面。在一个实施例中，密封部件沿斜面定位。在一些实施例中，密封部件沿喷嘴的肩部定位。密封部件可与冷却通道相邻并且在一些实施例中沟槽的位置使流体腔室的底部和沟槽212的顶部沿着喷嘴的外表面216相邻。
在一些实施例中，喷嘴的延伸部206可延伸超过保持帽244的开口246。在图5中，例如206延伸超过保持帽244的开口246。保持帽244的开口246和喷嘴200的相邻肩部208可协配以提供相邻割炬部件的径向和轴向对准。
在割炬操作过程中，可包括斜面的延伸部206将热量从喷嘴200的前部202传导地传递向喷嘴200的后部204。在一些实施例中，喷嘴和保持帽的接触部被尺寸设计和构造成在相邻割炬部件之间传导地传递热量。在一些实施例中，接触部是肩部208的表面210和保持帽的内表面254。相邻割炬部件之间的表面-表面接触有利于传导性热传递。在一些实施例中，热量可传导地从喷嘴的肩部208传递至保持帽244。肩部208的表面210可具有方形边缘。在一些实施例中，肩部208的表面210可倾斜或弯曲状的。在一些实施例中，肩部208的表面210形成一斜面。
密封部件可与喷嘴200的肩部208形成间隔关系。密封部件可至少部分地位于肩部208的表面210中。在一些实施例中，密封部件可包括沟槽212和至少部分地设置在沟槽212中的弹性体密封件(未示出)。在一些实施例中，密封部件是位于喷嘴200表面和保持帽244内表面254之间的弹性体密封件。如果肩部是倾斜、弯曲或直边的，沟槽可切入肩部的表面。在一些实施例中，密封部件在接触表面之间是金属-金属界面。不管位置如何，密封部件旨在防止流体在热传导肩部208和例如流体腔室256的对流冷却通道255之间流动。
可包含流体腔室256的对流冷却通道255可由喷嘴的外表面216和相邻割炬部件形成。相邻割炬部件在一些实施例中可以是保持帽244。对流冷却通道255旨在最小化冷却流体的滞流。在一些实施例中，冷却通道中的流体流动是没有滞流的。在一些实施例中，没有滞流也意味着相比在带表面锐角或直角边的冷却通道中的流体滞流减小滞流或使滞流最小。
如图6所示，本发明的实施例包括等离子体割炬部件，该部件包括含两个部分的喷嘴，其中喷嘴的前部202和后部204由不同材料块形成并联接在一起。在一些实施例中，前部202可包括斜面。喷嘴200还可具有含阶梯外形的肩部208。斜面和肩部可一起使用或单独以使喷嘴200沿径向和轴向对准于相邻割炬部件(例如保持帽或保护罩)。斜面也可传导地将热量传离喷嘴200的等离子体排出端口248周围的区域。
喷嘴200的前部202和喷嘴200的后部204可构造成使热量传导地从喷嘴200的前部202传递至后部204。喷嘴200的后部204的外表面可至少部分地形成冷却通道255或流体腔室256，籍此冷却通道可对流地从喷嘴200的后部204移去热量。流体腔室256可由形成在喷嘴200后部204中的弧形表面以及与喷嘴200的后部204呈间隔关系的相邻割炬部件的表面形成。在一些实施例中，冷却通道255的一部分可由形成在喷嘴200的前部202中的弧形表面以及与喷嘴200的前部202呈间隔关系的相邻割炬部件形成。在一些实施例中，冷却通道255的至少一部分是环面形或球根形状。冷却通道可相对于喷嘴200后部204的外表面216凹入，在一些实施例中冷却通道可包括由切向部分连接的凹部和凸部。具有上述一个或多个弧形部的冷却通道可关于部件的纵轴线径向对称。因此，剖面轮廓可具有如上所述或如附图所示的形状。
图7是包含本发明特征的割炬头端的实施例的侧视图。所示割炬头端包括具有保持帽244和保护罩262的喷嘴200。保持帽244的内表面254可形成一成形部。在一些实施例中，喷嘴的外表面216也可形成一成形部。所述成形部为弧形表面。保持帽244的成形部和喷嘴200的外表面216形成冷却通道。在一些实施例中，保持帽244的成形部构造有促进流体流过冷却通道的凹表面。在一些实施例中，冷却通道具有球根形状，而在一些实施例中，该通道为在围绕保持帽纵轴线的环面。冷却通道被构造成最小化或减少流体腔室256中的流体滞流。保持帽244的成形部的形状可构造成使从喷嘴200和保持帽244至冷却流体的对流性热传递变得最大。在一些实施例中，冷却通道的前端可以是凸起的或球根形状的。成形部214可以关于保持帽的纵轴线径向地对称。因此，剖面轮廓可如上所述地或如附图所示地形成。
喷嘴200可具有前部202和后部204。喷嘴200的前部202形成延伸部206和等离子体排出端口248。保持帽244可与喷嘴200以某一间隔关系设置，以使保持帽244的开口246沿轴向和径向地对准于喷嘴200的延伸部206。在一些实施例中，位于喷嘴200的前部202上的肩部208允许喷嘴200沿轴向和径向地与保持帽244对准。
肩部208可形成构造成提供与相邻割炬部件的传导性热交换的表面210。肩部208的表面210可以是斜面、圆锥形或弯曲的表面。在一些实施例中，相邻割炬部件是保持帽244。保持帽244具有内表面区254和外表面区252。保持帽244的内表面区254和肩部208的表面210之间的接触允许热量从喷嘴200的前部202热传导地热传递至保持帽244。
保持帽244的内侧254可形成沟槽212；弹性体密封件或一些其它密封部件可至少部分地设置在沟槽212中。密封部件的位置可使保持帽244和喷嘴200之间的接触表面具有充分的传导性热传递。在一些实施例中，密封部件旨在防止流体从流体腔室256(流体腔室也可称为冷却通道)流至保持帽244的内表面和喷嘴200的延伸部之间的固体-固体接触处。在一些实施例中，密封部可位于肩部208和对流性流体腔室256之间。
密封部件的位置不局限于与形成流体腔室256并防止流体滞流的弧形表面相同的割炬部件。在一些实施例中，防止或最小化流体流动滞流的弧形表面位于一个割炬部件上而包含沟槽和弹性体密封件的密封部件位于相邻的割炬部件上。在一些实施例中，例如密封部件可位于喷嘴200上且流体腔室256至少部分地由保持帽244的弧形内表面254形成。在一些实施例中，密封部件可位于保持帽244上且喷嘴200的弧形表面至少部分地形成冷却通道，该冷却通道防止和最小化流过冷却通道的流体的滞流。
具有改变的冷却通道结构的其它实施例示出于图8A-8E。冷却通道的弧形部可包括至少部分地形成冷却通道的不同形状弧形表面。冷却通道关联于喷嘴和保持帽的位置可改变以最小化滞流。在一些实施例中，冷却通道的位置和结构尺寸设计成使最大化离开喷嘴的热传递。
等离子体系统广泛用于切割金属材料并能自动化以自动切割金属工件。在一个实施例中，参照图9和图10，等离子体电弧割炬系统包括计算机数控(CNC)522、显示屏553、电源510、自动过程控制器536、割炬高度控制器538、驱动系统540、切割台542、龙门架526、供气源(未示出)、控制器500、定位装置(未示出)以及等离子体电弧割炬400。等离子体电弧割炬系统可选地包括阀控制台520。等离子体电弧割炬400的割炬本体404包括喷嘴410和保持帽244。在操作中，等离子体电弧割炬400的头端可通过定位装置定位在工件530附近。
控制器可设置在电源510上。例如，控制器可容纳在电源510中，见图10。或者，控制器500可位于电源510壳体的外部，例如在电源壳体的外部上。在一个实施例中，见图10，控制器500连接于一个部件，例如电源510。控制器可控制发送给割炬或割炬系统的信号。同样，阀控制台520可设置在电源510上，例如阀控制台520可容纳在电源510中，见图10。阀控制台520也可设置在电源510壳体的外部，例如设置在电源壳体的外部。在一个实施例中，见图9，阀控制台520连接于一个部件，例如电源510。阀控制台520可包含使等离子体气体、电极气体、保护气体和其它气体流入和/或流出的阀。
在操作中，用户将工件530放置在切割台542上并将等离子体电弧割炬400安装在定位装置上，以提供等离子体电弧割炬400的头端和工件530之间的相对运动，从而沿加工路径引导等离子体电弧。割炬高度控制器538设定割炬400相对于工件530的高度。用户将开始命令提供给CNC 552以初始化切割过程。驱动系统540从CNC552接收命令信号以在切割台542上沿x方向或y方向移动等离子体电弧割炬400。切割台542支承工件530。等离子体电弧割炬400安装于割炬高度控制器538，该割炬高度控制器538安装于龙门架526。驱动系统540使龙门架526相对于切割台542移动并使等离子体电弧割炬400沿龙门架526移动。
CNC 552引导等离子体电弧割炬400和/或切割台542的运动以使工件530被切割成预定图案。CNC 552与定位装置通信。定位装置使用来自CNC 552的信号以沿理想的切割路径引导割炬400。位置信息从定位装置返回到CNC552以使CNC 552与定位装置相互作用地运作以获得精确的切割路径。
电源510提供产生等离子体电弧所需的电流。电源510的主通/断开关可由CNC 552本地或远程地控制。作为选择，电源510也容纳用于割炬400的冷却系统。该冷却系统可通过引导管线(未示出)联接于割炬。引导管线将冷却流体从冷却系统传递到割炬400。当冷却系统进入割炬400时，它转到由喷嘴外表面216和保持帽的内表面形成的冷却通道。设置在喷嘴后表面上的密封部件提供防止冷却流体泄漏进入割炬的等离子体气体区的阻挡结构。在一些实施例中，保持帽的内表面可具有弧形部。在一些实施例中，喷嘴的外表面216的至少一部分可以是弧形的，例如喷嘴外部可具有凹入部或凸起部。在一些实施例中，喷嘴表面的凸起部促使流体流过喷嘴表面的凹部。冷却通道提供等离子体电弧排出口附近的喷嘴对流冷却。冷却通道的表面的弧形部可构造成使流体滞流最小化或没有。最小化冷却通道中的流体滞流增加了离开喷嘴前部的热量对流性热传递。
控制器可用于手动式割炬、机械式割炬或其它合适的等离子体电弧割炬。在一个实施例中，等离子体电弧割炬系统包括设置在手动式割炬电源上的控制器，例如设置在电源壳体内或通过例如引导线路连接于手动式割炬的电源壳体外。在另一例子中，等离子体电弧割炬系统包括通过例如在电源和手动式割炬之间的一个或多个引导线路连接于手动式割炬的控制器500。
在一个实施例中，现在参见图10，控制器500控制防止等离子体气体流动并使等离子体气体流过等离子体腔室428的等离子体气体阀系统(未示出)。等离子体气体阀系统可以是防止等离子体气体流动并使等离子体气体流至等离子体腔室428的机械阀。或者，等离子体气体阀系统可以是计量流量以获得要求流率的比例阀。
在一个实施例中，等离子体电弧割炬包括连接于电源510的割炬本体404。割炬本体404包括将等离子体气体引至形成等离子体电弧的等离子体腔室428的等离子体流动路径。喷嘴416可相对于割炬本体404中的电极100安装以形成等离子体腔室428。在一个实施例中，孔128设置在电极本体100的第二端112且插入件132位于孔128中。在一个实施例中，插入件132由高热离子发射率材料制成，例如坞或铪。
图11是包含用来保护喷嘴不受因切割熔融工件相关的溅射影响的保护罩的割炬头端340的剖视立体图。在一些实施例中，保护罩具有暴露于工件(未示出)的外表面。保护罩的外表面和在一些实施例中可包括保持帽的相邻割炬部件的内表面形成可包括成形部208的冷却通道356或流体通道。由保护罩300和相邻割炬部件形成的冷却通道356的形状做成形成冷却通道356的对流部314。在一些实施例中，冷却通道允许在割炬部件和流过冷却通道356的流体之间具有充分的对流性热传递。在一些实施例中，成形部包括凹弧形表面332或凸弧形表面324中的至少一个。切向部分形成在凹弧形部和凸弧形部之间。成形部318可以是相对于中心轴线a的环面形或球根形。在一些实施例中，凹弧形部322可形成环面腔室。在一些实施例中，弧形表面可防止或减少在冷却通道356中的流体滞流。保护罩的弧形表面或成形部318不局限于图11所公开的表面，而可以采用实现冷却通道流体滞流的任何形式，并且在一些实施例中不包括任何形状角，例如90度角。
在图11所示的本发明实施例中，保护罩可包括前部302和后部304。保护罩的前部302可包括将等离子体电弧从等离子体割炬射出的等离子体排出端口248。前部302还可包括超过例如保持帽244的开口346前端露出的延伸部306。在一些实施例中(未示出)，包括斜面的延伸部向保护罩的后部传导地进行热传递。在其它实施例中，延伸部的表面和相邻割炬部件的表面协配以实现热量的充分热传导传递。在一些实施例中保持帽346的开口或在另一些实施例中相邻割炬部件被构造成与保护罩的肩部208匹配。在一些实施例中，肩部308可允许保护罩300与相邻割炬部件轴向或径向地对准。在一些实施例中，肩部308允许保护罩和相邻割炬部件之间的传导性冷却。保护罩的肩部308可包括允许在保护罩300和例如保持帽244之间热传导的接触表面310的部分。肩部308被形状被构造成：使保护罩外表面和保持帽的内表面254之间的接触表面310允许在相邻割炬部件之间充分的热传递。另外，肩部的尺寸设计成从保护罩的前部302至保护罩的后部304可发生足够热传递。在一些实施例中，接触表面也可增进保护罩和其它相邻割炬部件之间的传导性冷却或热传递。
保护罩的外表面可形成沟槽312。图11和图12示出沟槽312的两个实施例。沟槽312可位于热传导接触表面和保护罩300外表面的成形部318之间。在一些实施例中，沟槽312位于肩部上。在一些实施例中，沟槽可切割成方面、弯曲面或倾斜面。例如，图11示出沿肩部直边设置的沟槽。在一些实施例中，例如图12所示，沟槽可沿肩部的倾斜面设置。弹性体密封件(未示出)或一些其它密封部件或机构可至少部分地设置在沟槽中。密封部件可设置在沟槽312中，以使充分热传导或热传递发生在保护罩前部和后部之间。在一些实施例中，设置沟槽和密封部件以促进保护罩300和例如保持帽244的相邻割炬部件之间的热传递。密封部件在一些实施例中可提供保护罩的肩部和流体腔室之间的流体密封。流体密封防止来自冷却通道的流体泄漏进入肩部或保护罩前部的接触表面。在其它实施例中，泄漏到肩部或接触表面上的流体泄漏会造成割炬头端的灾难性失效。
在一个实施例中，本发明包括一种冷却等离子体割炬部件的方法。该方法可包括：通过热传导接触部使来自保护罩的热量与相邻割炬部件交换。该热传导接触部可包括在保护罩前部上的保护罩的接触表面。该方法还可包括使冷却流体流过具有弧形表面的冷却通道。在一些实施例中，弧形表面被构造成防止在冷却通道356中流动的流体的流体滞流。弧形表面可包括凹弧形表面322和凸弧形表面324。在一些实施例中，冷却等离子体割炬部件的方法包括在热传导接触部和冷却通道之间提供阻挡结构，该阻挡结构可包括密封部件。
在另一实施例中，本发明包括一种制造用作等离子体割炬保护罩的保护罩的方法。该方法包括在保护罩上形成与相邻割炬部件热交换的热传导接触部的表面。在一些实施例中，形成一表面的方法可包括将热传导金属层或金属氧化物层施加于热传导接触部。在一些实施例中，该方法还包括形成冷却通道的成形部，该冷却通道至少部分地由保护罩形成，该成形部具有弧形表面，并将密封物沟槽设置在该表面和成形部之间。在一些实施例中，弹性体密封件或一些其它密封部件被设置在沟槽中。
在一些实施例中，该方法包括一种冷却等离子体割炬部件的方法。冷却等离子体割炬部件的方法包括通过热传导接触部使来自第一割炬部件的热量与相邻割炬部件交换。第一割炬部件可以是喷嘴或保持帽而第二割炬部件可包括喷嘴或保持帽。该方法还可包括使冷却流体流过具有弧形表面的冷却通道。在一些实施例中，弧形表面可构造成防止流体滞流。流体流过冷却通道可包括使流体从割炬部件的第一侧环绕地流过流体腔室并使流体在割炬部件另一侧排出冷却通道。在一些实施例中，流动的流体可包括通过冷却通道的气态和液态冷却流体。等离子体割炬部件的冷却还可包括提供在热传导接触部和冷却通道之间密封部件的阻挡结构。提供阻挡结构可包括密封沟槽，密封部件至少部分地设置在沟槽中。在一些实施例中，提供密封件可包括施加密封件或衬垫或密封部件。密封部件可以是O形环或弹性体密封件或倾斜的O形环。
在一个实施例中，本发明包括一种制造等离子体割炬部件的方法。制造等离子体割炬部件的方法可包括：在第一割炬部件上形成一个表面，该表面形成与相邻割炬部件热交换的热传导接触部。形成该表面可包括使用合适的工具和材料的来模塑、浇铸或切除工序。该方法还可包括形成至少部分地由第一割炬部件或相邻割炬部件中的一个形成的冷却通道的成形部，该成形部具有弧形表面；并将密封物部定位在该表面和成形部之间。该密封物部可包括沟槽或密封物部件。密封部分也可包括面对面的密封件或衬垫。弹性体密封件在一些实施例中还可是密封部分的至少一部分。
尽管已参照特定实施例对本发明进行了详细示出和阐述，然而本文描述内容的其它方面也可应用于切割系统、焊接系统、喷涂系统或本领域内技术人员所知的其它合适系统。本领域内技术人员应当理解，可不脱离本发明如所附权利要求书限定的精神和范围地作出各种形式和细节的变化。

Claims (23)

1.一种用于等离子体电弧割炬的保护罩，包括：
形成与相邻割炬部件热交换的热传导接触部的外表面；
至少部分由弧形表面形成的流体流动路径，所述弧形表面包括凸弧形部和凹弧形部，所述凸弧形部促进流体流入所述凹弧形部；以及
位于所述热传导接触部与所述流体流动路径之间的密封部件。
2.如权利要求1所述的保护罩，其特征在于，所述密封部件还包括弹性体密封件。
3.如权利要求1所述的保护罩，其特征在于，所述流体流动路径形成环面腔室的至少一部分。
4.如权利要求1所述的保护罩，其特征在于，所述热传导接触部提供所述保护罩相对于所述相邻割炬部件的轴向和径向对准。
5.如权利要求1所述的保护罩，其特征在于，所述热传导接触部包括设置在其上的热传导金属层或金属氧化物层。
6.一种用于在等离子体电弧割炬的保护罩和相邻割炬部件之间实现联接并提供热传递的冷却和密封结构，所述结构包括：
在所述保护罩和所述相邻割炬部件之间提供接触表面的肩部；
至少部分由弧形表面形成的对流冷却通道，所述弧形表面包括凸弧形部和凹弧形部，所述凸弧形部促进流体流入所述凹弧形部；
位于所述肩部和所述对流冷却通道之间的密封部件。
7.如权利要求6所述的结构，其特征在于，所述对流冷却通道还包括切向连接部，所述切向连接部位于所述凸弧形部和所述凹弧形部之间。
8.如权利要求6所述的结构，其特征在于，所述对流冷却通道包括球根部。
9.如权利要求6所述的结构，其特征在于，所述对流冷却通道包括环面形状。
10.如权利要求6所述的结构，其特征在于，所述肩部、所述对流冷却通道以及所述密封部件是所述保护罩的一部分。
11.一种在保护罩和至少一个相邻等离子体割炬部件之间实现联接并提供热传递的冷却和密封结构，所述结构包括：
在所述保护罩和所述至少一个相邻割炬部件之间热传导地进行冷却的传导冷却装置；
通过减少冷却流体的滞流而对流地冷却所述等离子体割炬的至少一部分的对流冷却装置，对流冷却装置包括至少部分由弧形表面形成的流体流动路径，所述弧形表面包括凸弧形部和凹弧形部，所述凸弧形部促进流体流入所述凹弧形部；以及
提供所述传导冷却装置和所述对流冷却装置之间的流体密封的密封装置。
12.如权利要求11所述的冷却和密封结构，其特征在于，所述相邻割炬部件包括喷嘴或保持帽中的至少一个。
13.如权利要求11所述的冷却和密封结构，其特征在于，所述传导冷却装置、所述对流冷却装置以及密封装置至少部分地位于单个等离子体割炬部件上。
14.如权利要求11所述的冷却和密封结构，其特征在于，所述对流冷却装置形成在相邻割炬部件之间。
15.如权利要求11所述的冷却和密封结构，其特征在于，所述传导冷却装置还提供在所述相邻割炬部件之间的径向对准或轴向对准的至少其中之一。
16.一种等离子体电弧割炬，包括：
连接于电源的割炬本体；
设置在所述割炬本体中的电极；
保护罩，所述保护罩具有形成与相邻割炬部件热交换的热传导接触部的外表面以及包含形成冷却通道的至少一部分的弧形表面的对流冷却结构，所述弧形表面包括凸弧形部和凹弧形部，所述凸弧形部促进流体流入所述凹弧形部。
17.如权利要求16所述的等离子体电弧割炬，其特征在于，还包括尺寸设计和构造成在所述热传导接触部和所述对流冷却结构之间提供流体密封的密封部件。
18.如权利要求17所述的等离子体电弧割炬，其特征在于，所述密封部件位于所述保护罩或所述相邻割炬部件中的至少一个上。
19.一种等离子体电弧割炬系统，包括：
电源；
连接于所述电源的割炬本体；
设置在所述割炬本体中的电极；
控制气体至所述电极的流动的控制器；
具有能够接纳喷嘴的基本中空本体的保护罩，所述保护罩包括：
用于在所述保护罩和相邻割炬部件之间热传导冷却的第一冷却装置；
提供所述系统的等离子体电弧割炬的一部分的对流冷却而不会使冷却流体流动发生滞流的第二冷却装置，所述第二冷却装置包括至少部分由弧形表面形成的流体流动路径，所述弧形表面包括凸弧形部和凹弧形部，所述凸弧形部促进流体流入所述凹弧形部；以及
设置在所述第一冷却装置和第二冷却装置之间以提供流体密封的密封装置。
20.一种冷却等离子体割炬部件的方法，包括：
通过热传导接触部与相邻割炬部件交换来自保护罩的热量；
使冷却流体流过至少部分由弧形表面形成的冷却通道，所述弧形表面包括凸弧形部和凹弧形部，所述凸弧形部促进流体流入所述凹弧形部，以防止流体滞流；以及
提供包含所述热传导接触部和所述冷却通道之间的密封部件的阻挡结构。
21.一种制造用于等离子体割炬的保护罩的方法，所述保护罩包括：
在所述保护罩上形成热传导接触表面，用来与相邻割炬部件进行热交换；
形成具有带弧形表面的成形部的冷却通道，所述弧形表面包括凸弧形部和凹弧形部，所述凸弧形部促进流体流入所述凹弧形部；以及
在所述热传导接触表面和所述成形部之间形成密封物沟槽。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述密封物沟槽还包括具有O形环或弹性体密封件中的至少一个的密封部件。
23.一种用于具有能够接纳喷嘴的基本中空本体的等离子体电弧割炬的保护罩，所述保护罩包括：
外表面，所述外表面包括含至少部分地形成冷却流体的流动路径的弧形轮廓的部分，所述弧形轮廓包括凸弧形部和凹弧形部，所述凸弧形部促进流体流入所述凹弧形部。
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