JP2011082146A - 電極消耗検出システムを有するプラズマトーチ - Google Patents

Abstract

【課題】電極の消耗を検出し、電極がある量の消耗を受けた時点で電極の使用を阻止するように設計されたプラズマトーチの提供。
【解決手段】電極３０またはノズル１５のいずれかが主トーチ本体１２に対して移動可能になっており、この移動可能な部品が突起７０を画定している。消耗ストッパ６５は、トーチのノズル１５から所定距離を隔てて位置決めされており、過度の消耗を受ける前には、電極３０は、ノズル１５と接触し、トーチ作動を開始させるためのパイロットアークを点弧させることが可能である。いったん電極の長さが消耗によって所定長さよりも短くなると、電極３０の突起７０が消耗ストッパ６５に係合し、消耗ストッパ６５が、電極３０がノズル１５と接触するのを妨げるようになっている。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、プラズマアークトーチ、特に、所謂、ブローバック式のプラズマアークトーチに関する。

プラズマトーチは、通常、金属加工片の切断またはマーキングに用いられている。一般的に、プラズマトーチは、電極を用いて、トーチ内に電気アークを生成するようになっている。高速ガスがトーチ内に流され、電気アークがこのガスをイオン化し、これによって、プラズマが生じることになる。このイオン化されたガス、すなわち、プラズマの高速流が、トーチのノズルを通って、切断される加工片に向かって送られることになる。プラズマは、電気をトーチから加工片に伝導する働きをしている。このようにして、プラズマは、加工片を加熱し、切断箇所の金属を溶融し、溶融した金属を機械的に吹き飛ばし、切断部を形成することになる。

ブローバックトーチでは、ノズルは、一般的にトーチ本体に対して固定されており、電極は、ノズルに対して移動可能になっている。最初、電極は、ノズルと接触している。ブローバックトーチが、例えば、ユーザのトリガー操作によって作動すると、電圧差がノズルと電極との間に印加され、（空気のような）プラズマガスが、トーチを通ってノズルに流れる。このガス流れによって、電極は、ノズルとの接触から後方に噴き返され（blow back）、電極とノズルとの間にパイロットアークが生じる。同時に、ガスがノズルから流出し、アークを加工片に移行させ、トーチ作動が行われることになる。

ブローフォワードトーチでは、電極は、一般的にトーチ本体に対して固定されており、ノズルは、電極に対して移動可能になっている。ブローバックトーチと同じように、ノズルは、最初、電極と接触している。しかし、ブローフォワードトーチが作動され、電圧差がノズルと電極との間に印加されると、プラズマガス流によって、ノズルは、電極との接触から前方に噴き出される（blow forward）。このようにして、パイロットアークが電極とノズルとの間に生じ、ガスがノズルから流出し、アークが前述したように加工片に移行することになる。

（ブローバック式およびブローフォワード式）プラズマトーチのユーザは、多くの場合、プラズマトーチ作動中に電極が消耗すると、トーチ内で用いられていたこの電極を取り換える必要がある。過度に消耗した電極を用いると、プラズマトーチおよび加工片に損傷をもたらすことがあり、さらに重要なことは、プラズマトーチのユーザに対する安全が懸念されることもある。

このようなことから、出願人は、電極の消耗を検出し、過度に消耗した電極の使用を阻止することができるプラズマトーチを提供することが望ましいことを見出した。以下に詳細に説明するように、出願人の努力によって、種々の課題が明らかにされ、かつ解消され、このようなプラズマトーチを考案かつ開発するに至ったものである。

従って、ユーザが電極の消耗を検出することを可能にするプラズマアークトーチ、電極、および方法が提供されている。特に、電極の消耗を検出し、電極がある量の消耗を受けた時点でその電極の使用を阻止するように設計された消耗ストッパを備えているプラズマアークトーチが提供されている。

１つの例示的実施形態では、プラズマアークトーチは、主トーチ本体と、加工片に向かってガス流を通過させるオリフィスを画定している導電性ノズルと、を備えている。また、トーチは、主トーチ本体内に配置された電極ホルダーと、電極ホルダーに取外し可能に取り付けられて、電極ホルダーからノズルの対向面に向かって前方向に突出している電極と、を備えている。電極は、端面および軸方向長さＬを画定している。長さＬは，プラズマアークトーチの使用中に、電極の端面が消耗するにつれて、減少することになる。

トーチは、主トーチ本体内に固定して取り付けられた非導電性消耗ストッパも備えている。消耗ストッパは、ノズルの対向面から所定距離Ｄだけ軸方向に離間している第１の係合面を画定している。電極およびノズルの一方は、電極およびノズルの他方に対して軸方向に移動可能になっており、軸方向に移動可能になっている電極およびノズルの一方は、突起を画定しており、この突起は、第２の係合面を画定している。さらに、消耗ストッパは、電極の端面が消耗する前には、電極の端面がノズルの対向面と電気的に接触しているとき、消耗ストッパの第１の係合面と突起の第２の係合面との間に軸方向隙間Ｃが存在するように、位置決めされている。従って、隙間Ｃは、プラズマアークトーチの使用中、電極の端面が消耗するにつれて、減少するようになっている。このようにして、隙間Ｃがゼロまで減少すると、消耗ストッパの第１の係合面が突起の第２の係合面に当接し、これによって、消耗が所定量を超えたとき、電極の端面がノズルの対向面と電気的に接触することが阻止されることになる。

従って、いくつかの実施形態では、ノズルは、主トーチ本体に固定されており、電極は、主トーチ本体に対して軸方向に移動可能になっており、突起は、電極の外面から半径方向外方に延在している。他の実施形態では、ノズルは、主トーチ本体に対して軸方向に移動可能になっており、電極は、本体に対して固定されており、突起は、ノズルから延在している。

一部の例では、プラズマアークトーチは、電極に電気的に接続された電源をさらに備えている。電源は、電極がノズルと電気的に接触しているときに、パイロットアークを点弧させるため、電極とノズルとの間に電圧差を印加するように構成されていてもよい。

プラズマアークトーチは、電圧差が印加されたときに電極とノズルとの間に画定された電気回路の状態を検出するように構成されたセンサをさらに備えていてもよい。一部の例では、電源が、センサを含んでいてもよい。さらに、プラズマアークトーチは、センサに連通している指示器を備えていてもよい。指示器は、センサによって検出された電気回路の状態をユーザに指示するように、構成されていてもよい。指示器は、検出された電気回路の状態が電極とノズルとの間の電気的不連続であるとき、ユーザに通知するように構成されていてもよい。

一部の例では、長さＬは、消耗ストッパが突起に係合して電極の端面がノズルの対向面と電気的に接触するのを妨げる前に、電極がプラズマアークトーチ内において使用できる概算時間に対応している。主トーチ本体および電極ホルダーは、電極ホルダーが電極の端面の消耗前の種々の長さＬを有する電極を個別に受け入れることができるように、構成されていてもよい。従って、必要に応じて、トーチ製造業者または部品配給業者は、トーチ内に取り付けられる電極として、種々の公称使用寿命を有する電極を供給することが可能となっている。

他の実施形態では、プラズマアークトーチ内の電極の消耗を検出する方法が提供されている。ここで、プラズマアークトーチは、主トーチ本体と、導電性ノズルと、主トーチ本体内に配置された電極ホルダーと、電極ホルダーに取外し可能に取り付けられた電極と、を備えており、電極とノズルとの一方が電極とノズルとの他方に対して軸方向に移動可能になっている。本方法は、軸方向に移動可能になっている電極とノズルとの一方から延在している突起を設けるステップと、主トーチ本体内に固定して取り付けられた非導電性消耗ストッパを設けるステップと、を含んでいる。消耗ストッパは、電極の軸方向長さＬがプラズマアークトーチの使用中に電極の端面の消耗によって所定の長さよりも短くなったときにのみ、突起が消耗ストッパに係合するように、位置決めされている。電圧差が電極とノズルとの間に印加され、この電圧差が印加されたときに電極とノズルとの間に画定された電気回路の状態が検出されるようになっている。

一部の例では、検出された電気回路状態は、ユーザに指示されるようになっている。検出され、かつユーザに指示される電気回路の状態は、電極とノズルとの間の電気的不連続であってもよい。

さらに、長さＬは、消耗ストッパが突起に係合して電極の端面がノズルの対向面と電気的に接触するのを妨げる前に、電極がプラズマアークトーチ内において使用できる概算時間に対応していてもよい。

他の実施形態では、主トーチ本体と、主トーチ本体に対して固定された導電性ノズルと、主トーチ本体に対して軸方向に移動可能になるように、主トーチ本体内に配置された電極ホルダーと、を備えているプラズマアークトーチが提供されている。トーチは、電極ホルダーに取外し可能に取り付けられた電極をさらに備えており、電極の端面は、パイロットアークを点弧させるために電極ホルダーがノズルの方に移動したとき、かつ端面の消耗が所定量よりも少ないとき、ノズルの対向面と電気的に接触するように、構成されている。電極は、外面および外面から半径方向外方に延在している突起を画定している。さらに、電極は、突起の前面と電極の端面との間に画定された軸方向長さＬを有している。

加えて、プラズマアークトーチは、主トーチ本体内に固定して取り付けられた非導電性消耗ストッパを備えている。消耗ストッパは、前記長さＬがプラズマアークトーチの使用中に電極の端面の消耗によって所定長さよりも短くなったときにのみ、突起に係合するように、構成されている。消耗ストッパと電極との係合によって、電極がノズルに向かって軸方向に移動することが阻止され、これによって、電極の端面のさらに継続する消耗によって、端面とノズルとの間の電気的接触が妨げられ、パイロットアークの点弧が阻止されるようになっている。

一部の例では、プラズマアークトーチは、電極に電気的に接続された電源を備えていてもよい。電源は、電極がノズルと電気的に接触しているときに、パイロットアークを点弧させるために、電極とノズルとの間に電圧差を印加するように、構成されていてもよい。

プラズマアークトーチは、電圧差が印加されたときに、電極とノズルとの間に画定された電気回路の状態を検出するように構成されたセンサを備えていてもよい。一部の例では、電源が、センサを含んでいてもよい。プラズマアークトーチは、センサに連通している指示器を備えていてもよい。指示器は、センサによって検出された電気回路の状態をユーザに指示するように、構成されている。指示器は、検出された電気回路の状態が電極とノズルとの間の電気的不連続であるとき、ユーザに通知するように構成されていてもよい。

一部の例では、長さＬは、消耗ストッパが突起に係合して電極の端面がノズルの対向面と電気的に接触するのを妨げる前に、電極がプラズマアークトーチ内において使用できる概算時間に対応している。主トーチ本体および電極ホルダーは、電極ホルダーが電極の端面の消耗前の種々の長さＬを有する電極を個別に受け入れることができるように、構成されていてもよい。

他の実施形態では、主トーチ本体と、主トーチ本体に対して軸方向に移動可能になっている導電性ノズルであって、突起を画定している、導電性ノズルと、を備えているプラズマアークトーチが提供されている。トーチは、主トーチ本体内に固定して取り付けられた電極ホルダーと、電極ホルダーに取外し可能に取り付けられた電極と、をさらに備えている。電極の端面は、パイロットアークを点弧させるためにノズルが電極の方に移動したとき、かつ端面の消耗が所定量よりも少ないとき、ノズルの対向面と電気的に接触するように、構成されている。トーチは、主トーチ本体内に固定して取り付けられた非導電性消耗ストッパも備えている。消耗ストッパは、プラズマアークトーチの使用中に電極の端面が所定量の消耗を受けたときにのみ、突起に係合するように構成されている。従って、消耗ストッパと突起との係合によって、ノズルが電極に向かって軸方向に移動することが妨げられ、これによって、電極の端面のさらに継続する消耗によって、端面とノズルとの間の電気的な接触が妨げられ、パイロットアークの点弧が阻止されるようになっている。

プラズマアークトーチは、電極に電気的に接続された電源と、センサと、をさらに備えていてもよい。電源は、電極がノズルと電気的に接触しているときに、パイロットアークを点弧させるために、電極とノズルとの間に電圧差を印加するように、構成されていてもよい。センサは、電圧差が印加されたときに、電極とノズルとの間に画定された電気回路の状態を検出するように構成されていてもよい。

他の実施形態では、ブローバック式プラズマアークトーチに用いられる電極が提供されている。電極は、プラズマアークトーチのノズルに対して軸方向に移動することができ、プラズマアークトーチ内にパイロットアークを点弧させるように、構成されている。電極は、端面と、軸方向長さＬと、外面とを画定しており、かつ外面から半径方向外方に延在している突起をさらに画定している。突起は、プラズマアークトーチの使用中に端面の消耗によって長さＬが所定長さよりも短くなったとき、プラズマアークトーチ内に配置された非導電性消耗ストッパに係合するように構成されており、突起と消耗ストッパとの係合によって、電極がノズルに向かって軸方向に移動することが妨げられ、これによって、端面のさらに継続する消耗によって、パイロットアークの点弧が阻止されるようになっている。

一部の例では、電極は、一端に孔を画定している電極ブランクと、孔内に嵌合されるように構成された放射要素であって、電極の端面が電極ブランクの一部および放射要素の一部を含んでいる放射要素と、を備えている。

従って、以下にさらに詳細に説明するように、ユーザが電極の消耗を検出することを可能にするプラズマアークトーチおよび方法が提供されることになる。

本発明を一般的な用語によって説明してきたが、以下、添付の図面について説明する。なお、これらの図面は、必ずしも尺度通りに描かれてはいない。

本発明の例示的な実施形態による加工片にトーチ作動を行っているプラズマトーチの概略図である。 本発明の例示的な実施形態によるブローバック式プラズマトーチの断面図である。 電極の消耗前のプラズマアークトーチの電極であって、伸長位置にある電極を示す図１の線２Ａ−２Ａに沿った図２の詳細図である。 電極の消耗前の後退位置にある電極を示す図２Ｂと同様の図である。 電極がいくらか消耗している状態（電極の突起が消耗ストッパに係合していない状態）を示す図２Ａと同様の図である。 図３と比較して電極がさらに消耗している状態（電極の突起が消耗ストッパに係合している状態）を示す図２Ａと同様の図である。 電極が過度に消耗している状態（電極の突起が消耗ストッパに係合しており、電極がもはやノズルと電気的に接触することができない状態）を示す図２Ａと同様の図である。 本発明の他の例示的な実施形態によるブローフォワード式プラズマトーチの断面図である。 本発明の他の例示的な実施形態による電源、センサ、および指示器を備えているプラズマトーチの概略図である。 図１のプラズマトーチの電極ホルダーの詳細な断面図である。

以下、全ての実施形態ではないが、いくつかの実施形態が示されている添付の図面を参照して、本発明の実施形態をさらに十分に説明する。実際、本発明は、多くの異なる形態で実施されてもよく、ここに記載されている実施形態に制限されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、この開示内容が適用される法的要件を満たすように提示されている。全体を通して、同様の参照番号は、同様の要素を指すものとする。

本発明の実施形態によるブローバック式プラズマトーチ１０が、図１および図２に示されている。トーチ１０は、主トーチ本体１２と、トーチ１０の作動端１４において本体１２に対して固定された導電性ノズル１５と、を備えている。以下に詳細に説明するように、ノズル１５は、高速流のプラズマガス２０を切断またはマーキングされる加工片２５に向かって導くように、構成されている。このようにして、トーチ１０内に点弧された電気アークが、プラズマガス２０によって加工片２５に伝導され、加工片を加熱し、金属を溶融し、切断部またはマーキング部をもたらすことになる。

図２Ａを参照すると、プラズマトーチ１０は、電極ホルダー３５に取外し可能に取り付けられた電極３０を備えている。例えば、電極ホルダー３５は、雌ネジ孔３７を画定しているとよい。雌ネジ孔３７は、電極３０の遠位端１６において（すなわち、トーチ１０の作動端１４から最も遠い電極の端において）、電極３０の外面３１に形成された雄ネジ部３９を受け入れるように、構成されている。従って、必要に応じて、使用済みの電極を取外し、新しい電極に取り換えることができる。

電極３０は、電極ブランク３２および放射要素３４を備えているとよい。電極ブランク３２は、銅、銅合金、銀、または銀合金のような消耗材料から作製されているとよい。さらに、電極ブランク３２は、電極の近位端１７において（すなわち、トーチの作動端１４に最も近い電極の端において）、孔４０を画定しているとよい。孔４０は、放射要素３４を受け入れるように構成されているとよい。放射要素３４は、消耗材料、例えば、ハフニウム、ハフニウム合金、ジルコニウム、ジルコニウム合金、または当技術分野において知られている適切な特性を有する他の材料から作製されているとよい。一部の例では、放射要素３４は、円形ロッド状とされ、ブランク３２の孔４０内に圧入、ロウ付け、または他の方法によって埋設されているとよい。放射要素３４およびブランク３２は、放射要素３４およびブランク３２の両方を含む端面４２を電極３０の近位端１７に形成するように、同心に配置されているとよい。

電極ホルダー３５は、本体１２に対して軸方向に移動可能になるように、主トーチ本体１２内に配置されている。電極３０は、電極ホルダーからノズル１５の対向面４５に向かって前方向に（すなわち、トーチ１０の作動端１４の方向に）突出するように、電極ホルダー３５に取外し可能に取り付けられているとよい。例えば、図２Ａにおいて、電極ホルダー３５は、Ａ軸に沿って移動可能である。従って、電極ブランク３２が図示されているように電極ホルダー３５に取り付けられているとき、電極ホルダー３５の軸方向の移動によって、電極３０をトーチ１０の作動端１４に向かう方またはトーチ１０の作動端１４から離れる方に移動させることが可能となる。

これに関連して、トーチ作動の開始前に、電極ホルダー３５および電極３０は、典型的には、例えば、バネ（図示せず）によって、ノズル１５の方に付勢されており、これによって、電極３０は、伸展位置にある。（図２Ａに示されている）伸展位置において、電極３０の端面４２は、ノズル１５の対向面４５と電気的に接触することになる。図２を参照すると、トリガー１１が作動したとき、電源（図示せず）を用いて、電極３０とノズル１５との間に電圧差を印加し、これらの間に電流を通流させることができる。ほぼ同時に、空気のようなプラズマガスが、ダクト１３を通って第１のチャンバ１９内に流れ、このガスの力が電極ホルダー３５の付勢力を上回り、電極ホルダー３５および電極３０をノズル１５から離れる方に移動させることになる。

電極ホルダー３５が、図２Ｂに示されている後退位置に向かって作動端１４から離れる方向に移動すると、電極３０の端面４２とノズル１５の対向面４５との間に間隙Ｇが生じ、パイロットアーク５０が、ノズル１５と電極３０との間で間隙Ｇを横切って生成されることになる。さらに具体的には、パイロットアーク５０は、図２Ｂに示されているように、放射要素３４からノズル１５の対向面４５に向かって延びることになる。

ガスは、第１のチャンバ１９から、主トーチ本体１２内の一連の通路を通って、第２のチャンバ２１（すなわち、図２Ｂに示されている電極３０とノズル１５との間の間隙Ｇによって生じた空間）に流れることになる。ノズル１５は、加工片に向かってガス流を通過させるオリフィス５５を画定している。従って、プラズマガスは、ノズルオリフィス５５を通してアークを外に「噴出（blow）」させ、これによって、アークが加工片に達することが可能となる。電源は、アークがノズルから加工片に移行したときのインピーダンスの変化を検知し、その結果、ノズルとの接続を遮断し、加工片に接続されるように構成されているとよい。この点から、電源は、加工片に流れる電流を切断用の作動レベルに調整するように、設計されていてもよい。

トーチ作動が進行すると、電極３０の面４２が侵食され、図３〜図５に示されているように、空洞６０を生じることがある。電極３０の侵食によって、放射要素３４を越えてトーチ１０の作動端１４に向かって延びているブランク３２の部分（例えば、部分６１）に加熱が生じ、これによって、米国特許第６，１９１，３８１号明細書に記載されているように、ブランク３２の亀裂および二重アーキング（double arcing）が生じることがある。なお、この特許の内容は、参照することによって、ここに含まれるものとする。従って、ノズル１５および／または電極３０は、著しい損傷を被ることになる。その結果、多くの場合、ユーザは、最悪の故障を回避するために、実際に必要とされるよりも頻繁に電極３０を取り換える必要がある。

図６に示されているトーチ１００のようなブローフォワード式プラズマアークトーチでは、ノズル１５が主トーチ本体１２に対して軸方向に移動可能になっており、電極ホルダー３５および電極３０は、本体１２に対して固定されている。従って、トーチ作動を開始するために、ノズル１５は、最初、例えば、バネ（図示せず）によって、電極３０の端面４２に接触しており、電極３０とノズル１５との間に電圧差が印加されると、プラズマガス流によって、ノズル１５が電極３０から離れる方に移動し、これによって、間隙をもたらし、この間隙を横切って、パイロットアークが点弧することになる。

従って、ここに述べるプラズマトーチ１０，１００の実施形態は、電極３０を最大限に活用し、同時に電極が過度の消耗を受けた時期を検出するために用いられるようになっており、これによって、電極を破損前に取り換えることができる。これに関連して、ブローバック式プラズマトーチ１０は、非導電性消耗ストッパ６５を備えている。この消耗ストッパ６５は、電極の近位端１７がある量の消耗を受けたとき、電極３０の前方向の移動を制限するように、構成されている。同様に、ブローフォワード式プラズマアークトーチ１００は、非導電性消耗ストッパ６５を備えている。この消耗ストッパ６５は、電極が十分に消耗したとき、ノズル１５の後方向の移動を制限するように、構成されている。従って、以下の説明の大半は、図２〜図５に示されているトーチ１０のようなブローバック式プラズマアークトーチに基づいているが、実施形態は、以下に説明するように、図６に示されているトーチ１００のようなブローフォワード式プラズマアークトーチにも適用可能である。

図２Ａのブローバック式プラズマアークトーチを再び参照すると、電極３０は、外面３１から半径方向外方に延在している突起７０を画定しているとよい。突起７０は、電極３０の周囲の一部または全体を取り巻いていてもよいし、または、複数のタブまたは複数の延長部から成っていてもよく、これらは、以下に述べるように、同じ効果をもたらすことになる。

電極３０は、軸方向長さＬを画定している。例えば、図２Ａでは、長さＬは、突起７０の前面７２と電極３０の端面４２との間に画定されている。前述したように、プラズマアークトーチ１０の使用中に電極３０の端面４２が消耗すると、長さＬは、減少することになる。従って、後に続く各トーチ作動を開始するには、電極３０の端面４２とノズル１５の対向面４５との間に必要とされる電気的な接触をもたらし、パイロットアークを点弧させるために、電極ホルダー３５を前回のトーチ作動を開始するのに必要とされた位置よりも前方の位置に移動させる必要がある。

例えば、図２Ａ、図３および図４は、電極３０が次第に多くの消耗を受けるにつれ、「接触位置」（すなわち、端面４２がノズル１５の対向面４５と接触したときの主トーチ本体１２に対する電極３０の位置）がいかにトーチ１０の作動端１４のより近くに移動しているかを示している。例えば、図２Ａでは、電極３０は、比較的わずかの消耗しか受けておらず、電極３０の相対的な接触位置は、基準点Ｐ１によって示されている。それに続くトーチ作動を示している図３および図４では、電極３０は、次第に多くの消耗を受けており、電極３０の相対的な接触位置は、それぞれ、基準点Ｐ２，Ｐ３によって示されている。従って、これらの図面に示されているように、図４における電極３０の短くなった長さＬにより、基準点Ｐ３は、先の接触位置を示す基準点Ｐ１，Ｐ２よりも、トーチ１０の作動端１４のより近くに位置している。

図２Ａおよび図３〜図５を参照すると、消耗ストッパ６５は、主トーチ本体１２内に固定して取り付けられており、第１の係合面６６（例えば、後面）を画定している。この第１の係合面６６は、所定距離Ｄだけ、ノズル１５の対向面４５から軸方向に離間している。これに関連して、消耗ストッパ６５は、高温プラスチックまたはセラミック材料など、どのような非導電性材料から作製されていてもよく、突起７０よりも端面４２に近い電極３０の部分を包囲する環状空間を有しているとよい。消耗ストッパ６５の内径は、電極３０の外面３１と消耗ストッパ６５との間に空間をもたらすために、電極３０の包囲された部分の直径よりも大きくなっているとよく、これによって、突起７０および消耗ストッパ６５が互いに係合していないとき、電極３０の自由な軸方向運動が可能になる。同時に、消耗ストッパ６５の内径は、突起７０の位置において測定された電極３０の直径よりも小さくなっているとよく、これによって、突起および消耗ストッパが互いに係合したとき、突起７０に当接することになる。代替的に、消耗ストッパ６５は、電極３０を包囲しているが電極３０の全周にわたって延在していない１つまたは複数の導電部分から構成されていてもよい。これらの消耗ストッパ部分は、以下に述べるように、電極３０の突起７０と相互作用することになる。

一部の例では、消耗ストッパ６５は、トーチ本体１２の一部であってもよいし、またはトーチ作動の開始を容易にするように主トーチ本体と相互作用するようになっていてもよい。例えば、消耗ストッパ６５は、プラズマガスを第１のチャンバ１９から第２のチャンバ２１に通流させることを可能にする通路を含むスワールバッフルであってもよい。スワールバッフルは、例えば、ガス流を集束させ、ガスを「旋回流（swirl）」として第２のチャンバ２１に流入させ、アークがノズルおよび／または加工片から逸れないように拘束するために、（例えば、アークの周囲にガス「シース（sheath）」を生成するために）、用いることができる。

いずれにしても、消耗ストッパ６５は、例えば、図２Ａに示されているように、電極３０の端面４２が消耗する前では、電極長さＬが距離Ｄを超えているように、位置決めされている。電極３０の端面４２がノズル１５の作動面４５と電気的に接触しているとき、消耗ストッパ６５の第１の係合面６６（例えば、後面）と第２の係合面７２（例えば、突起の前面）との間に、軸方向隙間Ｃが画定されている。従って、電極３０の端面４２がプラズマアークトーチ１０の使用中に消耗すると、図２Ａ、図３および図４に示されているように、隙間Ｃが減少することになる。

図４を参照すると、隙間Ｃが略ゼロに減少したとき（すなわち、無視できる隙間になったとき）、突起７０の第２の係合面７２が消耗ストッパ６５の第１の係合面６６に当接することになる。この時点で、電極３０の長さＬは、図４に示されているように、端面４２とノズル１５の対向面４５との間の接触をもたらすのに十分なものになっている。しかし、電極３０がさらに消耗すると、消耗ストッパ６５は、図５に示されているように、電極３０の端面４２がノズル１５の対向面４５と電気的に接触するのを妨げることになる。換言すると、いったん消耗ストッパ６５が突起７０に係合すると、電極３０と消耗ストッパ６５との係合によって、（例えば、減少した電極長さＬを補償するために）電極３０がノズル１５に向かって軸方向に移動することができなくなる。その結果、図５に示されているように、いったん突起７０が消耗ストッパ６５に係合した後、電極３０の端面４２がさらに継続して消耗すると、端面４２とノズル１５との間の電気的な接触が妨げられ、パイロットアーク５０の点弧が阻止されることになる。結果的に、電極３０とノズル１５との電気的な接触は、端面４２の消耗が所定量よりも少ないときにのみ生じ、電極３０がある量の消耗を受けたとき、パイロットアーク５０の点弧が阻止されることになる。

前述したように、これまでに説明した実施形態の態様は、図６に示されているようなブローフォワード式プラズマアークトーチ１００にも適用可能である。図６において、消耗ストッパ６５は、主トーチ本体１２内に固定して取り付けられており、第１の係合面６６（この場合、消耗ストッパの前面）を画定している。第１の係合面６６は、所定距離Ｄだけ、ノズル１５の対向面４５から軸方向に離間している。この場合、突起７０は、ノズル１５によって画定されている。例えば、突起７０は、ノズルの半径方向延長部であるとよい。この半径方向延長部は、電極の端面４２が消耗するにつれて、移動して消耗ストッパ６５と係合するように、構成されている。このようにして、いったん消耗ストッパの第１の係合面６６と突起７０の第２の係面面７２（この場合、突起の前面）との間に画定された隙間Ｃが略ゼロに減少した後、図２Ａのブローバック式プラズマアークトーチ１０を参照して前述したように、電極３０がさらに消耗を受けると、ノズル１５の対向面４５は、もはや電極３０の端面４２に接触することができない。

プラズマアークトーチ１０，１００のいずれの方式においても、いくつかの実施形態では、プラズマアークトーチ１０，１００は、図７に示されているように、電極３０に電気的に接続された電源８０を備えている。電源８０は、前述したように、電極３０がノズル１５と電気的に接触したときに、電極３０とノズル１５との間に電圧差を印加し、パイロットアーク５０を点弧させるように、構成されているとよい。換言すると、電極３０の端面４２がノズル１５の対向面４５と接触しているとき、電気回路８１が成立し、電極３０とノズル１５との間に電圧差を印加することによって、電流がこれらの２つの導体間に流れることになる。従って、例えば、図２Ｂに示されているように、電極３０がノズル１５から離れる方に移動すると、電流が、２つの導体間に生じた間隙Ｇを横切ってパイロットアーク５０を生成することになる。

従って、いくつかの実施形態では、トーチ１０，１００は、センサ８５をさらに備えているとよい。センサ８５は、電圧差が印加されたとき、電極３０とノズル１５との間に画定された電気回路８１の状態を検出するように、構成されている。センサ８５は、図７に示されているように、電源８０の内外に含まれているとよい。代替的に、センサ８５は、電源８０から物理的に離れてかつ別個に配置され、電源８０または回路８１の他の部分に連通するようになっていてもよい。

このように、センサ８５は、電源８０，電極３０，およびノズル１５によって画定された回路８１の電気的状態を検出することが可能である。例えば、電圧差が回路８１に印加されて、電流が流れているとき、センサ８５は、成立した回路を検出することが可能である。一方、もし電圧差が電極３０とノズル１５との間に印加されても、電流が流れていない場合、センサ８５は、センサ８５とノズル１５および／または電気回路８１の他の部分との間の電気的不連続の状態を検出することになる。

プラズマアークトーチ１０，１００は、センサ８５に連通している指示器９０をさらに備えていてもよい。指示器９０は、センサ８５によって検出された電気回路８１の状態をユーザに指示するように、構成されているとよい。指示器９０は、例えば、電気的不連続が検出されたときに点灯する光源またはＬＥＤのような視覚指示器であるとよい。従って、ユーザは、指示器の点灯を見て、故障状態が存在していることを知ることになる。一部の例では、指示器９０は、電気的不連続が検出されたときに音を発するポケットベルまたは音声器のような聴覚指示器であってもよいし、または電気回路の状態をユーザに知らせるどのような他の形式の指示器またはそれらの組合せであってもよい。指示器９０は、図７に示されているトーチ１０，１００の一部、例えば、トーチに含まれる光源であってもよいし、またはトーチ１０，１００から遠く離れた個所、例えば、指示器パネル上またはユーザがアクセス可能な別の装置上に配置されていてもよい。

従って、電圧差が最初に印加されたとき、もし電極３０がノズル１５に接触していないなら、（例えば、図５に示されている）間隙Ｇが回路８１の断線部として作用していることになり、電流が回路８１内に流れることができない。図５に示されているように、軸方向長さＬが距離Ｄよりも短くなる程度まで、電極３０の端面４２が消耗すると、消耗ストッパ６５によって端面４２がノズル１５の対向面４５と接触することができない状況が生じることになる。この場合、センサ８５は、電圧差が印加されたときに電気的不連続を検出し、指示器９０に信号を送給し、これによって、指示器９０が、例えば、表示灯を点灯することによって、ユーザに電気回路８１の状態を指示することになる。従って、光源または他の指示器は、電極３０が、さらに使用した場合にはトーチ１０，１００または加工片を損傷させる程度まで消耗している可能性があることを、ユーザに知らせることになる。その結果、ユーザは、電極３０を取り換えることになるだろう。電極３０の取換えによって、トーチが作動状態に戻らない場合、ユーザは、電気的不連続の原因を究明するために、他の診断を選択的に行うとよい。

ブローバック式プラズマアークトーチのいくつかの実施形態では、電極３０の長さＬは、消耗ストッパ６５が突起７０に係合して電極３０の端面４２がノズルの対向面４５と電気的に接触するのを妨げる前に、電極がプラズマアークトーチ１０，１００内において使用できる概算時間に対応している。換言すれば、電極３０を形成している材料および特定のアークトーチ１０，１００を作動させるのに用いられる電流レベルにおける予想される消耗率に基づいて、電極３０の継続的な使用時間を予想することができる。例えば、長さＬ１を有する特定の形式の電極がある条件下（例えば、あるレベルの電流で作動する条件下）で６０分間の連続的な使用に耐えることが予想可能である。この場合、長さＬ１よりも大きい長さＬ２を有している同一材料から作製されている他の電極は、同様の条件下で９０分間の連続的な使用に耐えることが予想されることになる。

従って、プラズマアークトーチ１０，１００は、種々の寸法の電極３０を受け入れるように構成されていてもよく、これによって、ユーザは、所定のトーチ作動に適する予想継続時間を有する電極を選択することが可能となる。これに関して、図２Ａおよび図６を参照すると、主トーチ本体１２および電極ホルダー３５は、電極３０の端面４２の消耗前の種々の長さＬを有する電極３０を個別に受け入れるように、構成されていてもよい（すなわち、そのように寸法決めされ、かつ形作られていてもよい）。

例えば、図８を参照すると、主トーチ本体１２は、電極３０の長さＬに依存して、電極３０が消耗する前の突起７０の前面７２と消耗ストッパ６５の後面６６との間に画定された軸方向隙間Ｃに対して種々の寸法が可能となるように、構成されていてもよい。すなわち、消耗前におけるより短い長さＬ１を有する電極３０は、消耗前におけるより長い長さＬ２を有する電極と比較して、より小さい隙間（およびより短い公称使用時間）をもたらすことになる。しかし、主トーチ本体１２は、両方の寸法の電極を受け入れるように構成されていてもよい。その結果、ユーザは、行われる特定のトーチ作動に適する予想継続時間を有する電極を選択する選択肢を有することになる。

前述の説明および関連する図面に現れている示唆の利得を受ける本発明が属する当技術分野の熟練者であれば、ここに述べた本発明の多くの修正形態および他の実施形態が思い浮かぶことだろう。従って、本発明は、開示されている特定の実施形態に制限されないこと、および修正形態および他の実施形態は、添付の請求項の範囲内に含まれることが意図されていることを理解されたい。ここでは、特定の用語が用いられているが、それらの用語は、包括的かつ叙述的な意味でのみ用いられており、制限する目的で用いられているものではない。

Claims (26)

1. 主トーチ本体と、
   加工片に向かってガス流を通過させるオリフィスを画定している導電性ノズルと、
   前記主トーチ本体内に配置された電極ホルダーと、
   前記電極ホルダーに取外し可能に取り付けられており、前記電極ホルダーから前記ノズルの対向面に向かって前方向に突出している電極であって、前記電極は、端面および軸方向長さＬを画定しており、前記長さＬは、前記プラズマアークトーチの使用中に、前記電極の前記端面が消耗するにつれて減少することになる、電極と、
   前記主トーチ本体内に固定して取り付けられた非導電性消耗ストッパであって、前記ノズルの前記対向面から所定の軸方向距離Ｄだけ軸方向に離間している第１の係合面を画定している、消耗ストッパと、
   を備えており、
   前記電極および前記ノズルの一方は、前記電極および前記ノズルの他方に対して、軸方向に移動可能になっており、軸方向に移動可能になっている前記電極および前記ノズルの前記一方は、突起を画定しており、前記突起は、第２の係合面を画定しており、
   前記消耗ストッパは、前記電極の前記端面が消耗する前には、前記電極の前記端面が前記ノズルの前記対向面と電気的に接触しているとき、前記消耗ストッパの前記第１の係合面と前記突起の前記第２の係合面との間に軸方向隙間Ｃが存在するように、位置決めされており、前記隙間Ｃは、前記プラズマアークトーチの使用中、前記電極の前記端面が消耗するにつれて減少するようになっており、
   前記隙間Ｃがゼロまで減少し、前記消耗ストッパの前記第１の係合面が前記突起の前記第２の係合面に当接すると、これによって、前記消耗が所定量を超えたとき、前記電極の前記端面が前記ノズルの前記対向面と電気的に接触することが妨げられるようになっていることを特徴とする、プラズマアークトーチ。
2. 前記ノズルは、前記主トーチ本体に対して固定されており、前記電極は、前記主トーチ本体に対して軸方向に移動可能になっており、前記突起は、前記電極の外面から半径方向外方に延在していることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマアークトーチ。
3. 前記ノズルは、前記主トーチ本体に対して軸方向に移動可能になっており、前記電極は、前記本体に対して固定されており、前記突起は、前記ノズルから延在していることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマアークトーチ。
4. 前記電極に電気的に接続された電源をさらに備えており、前記電源は、前記電極が前記ノズルに電気的に接触しているときに、パイロットアークを点弧させるために、前記電極と前記ノズルとの間に電圧差を印加するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマアークトーチ。
5. 前記電圧差が印加されたときに、前記電極と前記ノズルとの間に画定された電気回路の状態を検出するように構成されたセンサをさらに備えていることを特徴とする、請求項４に記載のプラズマアークトーチ。
6. 前記電源が、前記センサを含んでいることを特徴とする、請求項５に記載のプラズマアークトーチ。
7. 前記センサに連通している指示器をさらに備えており、前記指示器は、前記センサによって検出された前記電気回路の状態をユーザに指示するように構成されていることを特徴とする、請求項５に記載のプラズマアークトーチ。
8. 前記指示器は、検出された前記電気回路の状態が前記電極と前記ノズルとの間の電気的不連続であるとき、ユーザに通知するように構成されていることを特徴とする、請求項７に記載のプラズマアークトーチ。
9. 前記長さＬは、前記消耗ストッパが前記突起に係合して前記電極の前記端面が前記ノズルの前記対向面と電気的に接触するのを妨げる前に、前記電極が前記プラズマアークトーチ内において使用できる概算時間に対応していることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマアークトーチ。
10. 前記主トーチ本体および前記電極ホルダーは、前記電気ホルダーが前記電極の前記端面の消耗前の種々の長さＬを有する電極を個別に受け入れることができるように、構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマアークトーチ。
11. プラズマアークトーチ内の電極の消耗を検出する方法であって、前記プラズマアークトーチは、主トーチ本体と、導電性ノズルと、前記主トーチ本体内に配置された電極ホルダーと、前記電極ホルダーに取外し可能に取り付けられた電極と、を備えており、前記電極および前記ノズルの一方が前記電極および前記ノズルの他方に対して軸方向に移動可能になっている方法において、
    軸方向に移動可能になっている前記電極および前記ノズルの前記一方から延在している突起を設けるステップと、
    前記主トーチ本体内に固定して取り付けられた非導電性消耗ストッパを設けるステップであって、前記消耗ストッパは、前記電極の軸方向長さＬが前記プラズマアークトーチの使用中に前記電極の端面の消耗によって所定長さよりも短くなったときにのみ、前記突起が前記消耗ストッパに係合するように位置決めされている、ステップと、
    前記電極と前記ノズルとの間に電圧差を印加するステップと、
    前記電圧差が印加されたときに前記電極と前記ノズルとの間に画定された電気回路の状態を検出するステップと、
    を含んでいることを特徴とする、方法。
12. 前記検出された電気回路の状態をユーザに指示するステップをさらに含んでいることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 検出された前記電気回路の状態が前記電極と前記ノズルとの間の電気的不連続であることをユーザに指示するステップをさらに含んでいることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
14. 前記長さＬは、前記消耗ストッパが前記突起に係合して前記電極の前記端面が前記ノズルの前記対向面と電気的に接触するのを妨げる前に、前記電極が前記プラズマアークトーチ内において使用できる概算時間に対応していることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
15. 主トーチ本体と、
    前記主トーチ本体に対して固定された導電性ノズルと、
    前記主トーチ本体に対して軸方向に移動可能になるように、前記主トーチ本体内に配置された電極ホルダーと、
    前記電極ホルダーに取外し可能に取り付けられた電極であって、前記電極の端面は、パイロットアークを点弧させるために前記電極ホルダーが前記ノズルの方に移動したとき、かつ前記端面の消耗が所定量よりも少ないとき、前記ノズルの対向面と電気的に接触するように構成されており、前記電極は、外面および前記外面から半径方向外方に延在している突起を画定しており、かつ前記突起の前面と前記電極の前記端面との間に画定された軸方向長さＬを有している、電極と、
    前記主トーチ本体内に固定して取り付けられた非導電性消耗ストッパであって、前記長さＬが前記プラズマアークトーチの使用中に前記電極の前記端面の消耗によって所定長さよりも短くなったときにのみ、前記突起に係合するように構成されている、消耗ストッパと、
    を備えており、
    前記消耗ストッパと前記電極との係合によって、前記電極が前記ノズルに向かって軸方向に移動することが妨げられ、これによって、前記電極の前記端面のさらに継続する消耗によって、前記端面と前記ノズルとの間の電気的接触が妨げられ、前記パイロットアークの点弧が阻止されるようになっていることを特徴とする、プラズマアークトーチ。
16. 前記電極に電気的に接続された電源をさらに備えており、前記電源は、前記電極が前記ノズルと電気的に接触しているときに、前記パイロットアークを点弧させるために、前記電極と前記ノズルとの間に電圧差を印加するように構成されていることを特徴とする、請求項１５に記載のプラズマアークトーチ。
17. 前記電圧差が印加されたときに、前記電極と前記ノズルとの間に画定された電気回路の状態を検出するように構成されたセンサをさらに備えていることを特徴とする、請求項１６に記載のプラズマアークトーチ。
18. 前記電源が、前記センサを含んでいることを特徴とする、請求項１７に記載のプラズマアークトーチ。
19. 前記センサに連通している指示器をさらに備えており、前記指示器は、前記センサによって検出された前記電気回路の状態をユーザに指示するように構成されていることを特徴とする、請求項１７に記載のプラズマアークトーチ。
20. 前記指示器は、検出された前記電気回路の状態が前記電極と前記ノズルとの間の電気的不連続であるとき、ユーザに通知するように構成されていることを特徴とする、請求項１９に記載のプラズマアークトーチ。
21. 前記長さＬは、前記消耗ストッパが前記突起に係合して前記電極の前記端面が前記ノズルの前記対向面と電気的に接触するのを妨げる前に、前記電極が前記プラズマアークトーチ内において使用できる概算時間に対応していることを特徴とする、請求項１５に記載のプラズマアークトーチ。
22. 前記主トーチ本体および前記電極ホルダーは、前記電気ホルダーが前記電極の前記端面の消耗前の種々の長さＬを有する電極を個別に受け入れることができるように、構成されていることを特徴とする、請求項１５に記載のプラズマアークトーチ。
23. 主トーチ本体と、
    前記主トーチ本体に対して軸方向に移動可能になっている導電性ノズルであって、突起を画定している、導電性ノズルと、
    前記主トーチ本体内に固定して取り付けられた電極ホルダーと、
    前記電極ホルダーに取外し可能に取り付けられた電極であって、前記電極の端面は、パイロットアークを点弧させるために前記ノズルが前記電極の方に移動したとき、かつ前記端面の消耗が所定量よりも少ないとき、前記ノズルの対向面と電気的に接触するように構成されている、電極と、
    前記主トーチ本体内に固定して取り付けられた導電性消耗ストッパであって、前記プラズマアークトーチの使用中に前記電極の前記端面が所定量の消耗を受けたときにのみ、前記突起に係合するように構成されている、消耗ストッパと、
    を備えており、
    前記消耗ストッパと前記突起との係合によって、前記ノズルが前記電極に向かって軸方向に移動することが妨げられ、これによって、前記電極の前記端面のさらに継続する消耗によって、前記端面と前記ノズルとの間の電気的な接触が妨げられ、前記パイロットアークの点弧が阻止されるようになっていることを特徴とする、プラズマアークトーチ。
24. 前記電極に電気的に接続された電源と、センサと、をさらに備えており、前記電源は、前記電極が前記ノズルと電気的に接触しているときに、前記パイロットアークを点弧させるために、前記電極と前記ノズルとの間に電圧差を印加するように構成されており、前記センサは、前記電圧差が印加されたときに、前記電極と前記ノズルとの間に画定された電気回路の状態を検出するように構成されていることを特徴とする、請求項２３に記載のプラズマアークトーチ。
25. ノズルを備えているブローバック式プラズマアークトーチに用いられる電極であって、前記プラズマアークトーチのノズルに対して軸方向に移動することができ、前記プラズマアークトーチ内にパイロットアークを点弧させるように構成されている、電極において、
    前記電極は、端面と、軸方向長さＬと、外面と、を画定しており、
    前記電極は、前記外面から半径方向外方に延在している突起を画定しており、前記突起は、前記プラズマアークトーチの使用中に前記端面の消耗によって前記長さＬが所定長さよりも短くなったとき、前記プラズマアークトーチ内に配置された導電性消耗ストッパに係合するように構成されており、前記突起と前記消耗ストッパとの係合によって、前記電極が前記ノズルに向かって軸方向に移動することが妨げられ、これによって、前記端面のさらに継続する消耗によって、前記パイロットアークの点弧が阻止されるようになっている、ことを特徴とする、電極。
26. 前記電極は、
    一端に孔を画定している電極ブランクと、
    前記孔内に嵌合されるように構成された放射要素であって、前記電極の前記端面が、前記電極ブランクの一部および前記放射要素の一部を含んでいる、放射要素と、
    を備えていることを特徴とする、請求項２５に記載の電極。

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