KR100665973B1 - 플라즈마 아크 발염방사장치, 그 전극 및 플라즈마 아크 발염방사장치의 동작방법 - Google Patents

플라즈마 아크 발염방사장치, 그 전극 및 플라즈마 아크 발염방사장치의 동작방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마 아크 발염방사장치 화구에 관한 것으로서, 양극소자의 원주면에 인접한 또 다른 원주면으로 구성되고, 플라즈마 아크 발염방사장치의 인접 양극소자와의 사이에 전기적 접촉과 유체의 통과를 위해 형성되며, 상기 인접 원주면은 전기적 접촉과 유체의 통과를 제공한다.
전극, 음극, 플루트, 저지구, 통로

Description

플라즈마 아크 발염방사장치, 그 전극 및 플라즈마 아크 발염방사장치의 동작방법{Plasma Arc Torch, Tip Therefor, and Method of Operating the Plasma Arc Torch}
본 발명은 일반적으로 플라즈마 아크 발염방사장치에 관한 것으로, 특히 자동화된 고전류 플라즈마 아크 발염방사장치와 그를 위한 전극 및 플라즈마 아크 발염방사장치의 동작방법에 관한 것이다.
전기적 아크 발염방사장치로도 알려진 플라즈마 아크 발염방사장치는 보통 이온화된 가스 입자로 구성된 고에너지 플라즈마 흐름을 금속 제품쪽으로 공급함으로써 위 금속을 절단, 마킹, 가우징(gouging) 및 용접하는 데에 사용된다. 전형적인 플라즈마 아크 발염방사장치에서, 이온화될 가스는 발염방사장치의 말단부로 공급되며 플라즈마 아크 발염방사장치의 화구나 노즐을 통해 나가기 전에 전극을 지나간다. 위 전극은 상대적으로 음전위를 가지며 음극으로서 작용한다, 역으로, 발염방사장치 화구는 상대적으로 양전위를 구성하며 양극으로서 작용한다. 더우기, 전극은 화구의 말단부에 위치, 화구와 일정한 간격을 둠으로써 간극(gap)을 형성한다. 동작 중 전극과 화구 사이의 간극 내에 파일롯 아크(pilot arc)가 발생되는데, 이는 가스를 가열하여 이온화시킨다. 또한, 이온화된 가스는 발염방사장치로부터 분출되어 화구의 말단부로부터 퍼져나가는 플라즈마 흐름으로 나타난다. 발염방사장치의 말단부가 제품의 가까운 위치로 이동됨에 따라 제품과 그라운드간 임피던스가 발염방사장치 화구와 그라운드간 임피던스보다 낮기 때문에 아크는 발염방사장 치 화구에서 제품쪽으로 점프 또는 전달된다. 따라서, 제품은 양극으로서 기능하며, 플라즈마 아크 발염방사장치는 "전달 아크"모드에서 동작된다.
자동화된 플라즈마 아크 발염방사장치 애플리케이션에서, 플라즈마 아크 발염방사장치는 약 30amp에서 1,000amp 범위에서 동작한다. 이와 대응해서 발염방사장치는, 보다 높은 전류에서는, 상대적으로 높은 온도에서 동작한다. 따라서, 발염방사장치 및 소모성 구성요소는 손상 또는 오동작을 막고 플라즈마 아크 발염방사장치의 수명 및 절단 정확도를 증가시키기 위해 적절히 냉각되어야 한다. 그와 같은 냉각을 위하여, 부가적인 냉각유체가 이용될 수 있겠으나, 냉각제의 공급 및 반환 튜브가 발염방사장치를 통해 냉각유체의 흐름이 순환되도록 제공되는 고전류 플라즈마 아크 발염방사장치는 일반적으로 물로 냉각된다. 또한, 플라즈마 아크 발염방사장치의 적절한 동작을 위하여 다양한 냉각 및 가스 통로가 여러 가지 발염방사장치에 제공된다. 그러나, 기존에 알려진 기술상의 플라즈마 아크 발염방사장치 내 냉각유체의 흐름은 내부 냉각 통로의 위치 지정 및 형태로 인하여 상대적으로 제한돼 왔다.
기존의 자동화된 플라즈마 아크 발염방사장치로는, 제품 절단시 정확도를 유지하기 위하여, 전극과 화구나 노즐과 같은, 발염방사장치 내 부품의 집중이 매우 중요하다. 또한, 전극 및 화구는 통상, 동작 중에 발생하게 되는 마모 및/또는 손상으로 인해 일정 기간 후 교체되어야만 하는 소모성 구성요소로 알려져 있다. 따라서, 플라즈마 아크 발염방사장치가 수명이 다할 때까지 그와 같은 소모성 구성요소의 집중이 많은 교체품을 통하여 유지되어야 한다.
또한, 소모성 구성요소를 교체하는 경우, 소모성 구성요소와 발염방사장치 헤드간의 결합 형식에 따라서는 분해를 위한 용구들이 필요한 경우가 있다. 가령, 소모성 구성요소가 발염방사장치 헤드에 나사 결합되는 경우 렌치(wrentch) 또는 다른 용구에 의해 죄어져 고정된다. 따라서, 소모성 구성요소의 교체는 종종 플라즈마 아크 발염방사장치를 작동하는 사람들에게 시간이 소비되고 성가신 일이 되기도 한다. 더우기, 각 소모성 구성요소들은 전형적으로 한꺼번에가 아닌 개별적으로 교체가 되는 일이 많기 때문에 여러 개의 다른 소모성 구성요소들의 제거 및 설치는 더욱더 시간 소모 및 귀찮은 일이 된다.
따라서, 플라즈마 아크 발염방사장치 및 관련 방법 기술에 있어서 절단 효율및 정확도를 향상시킬 필요가 있다. 플라즈마 아크 발염방사장치 내 소모성 구성요소(가령, 전극, 화구)를 상대적으로 신속하고 효율적으로 교체할 수 있는 플라즈마 아크 발염방사장치 및 방법이 더욱 필요하다.
일반적으로, 본 발명은 발염방사장치 헤드에 결합되는 일련의 발염방사장치의 소모성 구성요소를 포함하는 플라즈마 아크 발염방사장치를 제공한다. 발염방사장치 헤드는 전원장치의 양극쪽과 전기적으로 통신하는 양극 몸체(anode body)와 상기 전원장치의 음극쪽과 전기적으로 통신하는 음극(cathode)을 포함한다. 음극은 음극을 양극 몸체와 절연시키기 위하여 중앙 절연체로 더 둘러싸여 있으며, 마찬가지로, 양극 몸체는 양극 몸체를 발염방사장치 헤드와 그 구성요소들을 인캡슐레이션하고 동작 중에 이들을 주위 환경으로부터 보호하는 하우징과 절연시키기 위하여 외부 절연체로 둘러싸여 있다. 발염방사장치 헤드는 또한 냉각제 공급튜브, 플라즈 마 가스튜브, 냉각제 복귀튜브 및 이차계 가스튜브와 이웃해 있는데, 플라즈마 아크 발염방사장치가 동작하는 동안 플라즈마 가스와 이차계 가스가 공급되며 냉각유체(cooling fluid)가 공급, 복귀된다. 또한, (-)리드 접속(negative lead connection)이 플라즈마 가스튜브나 액체튜브를 통해 음극에 제공되며, 파일롯 신호 접속(pilot signal connection)이 양극 몸체를 통해 발염방사장치 캡에 제공된다.
발염방사장치의 소모성 구성요소들은 전극, 화구(tip), 스페이서(spacer), 말단 양극부재(distal anode member), 중앙 양극부재(central anode member), 배플(baffle), 이차계 캡, 쉴드캡 및 이차계 스페이서를 포함하는데, 이들은 본 발명의 일형태로 카트리지 몸체에 의해 수용된다. 화구, 중앙 양극부재 및 말단 양극부재는 전원장치의 양극쪽 일부를 구성하는 양극소자들이며, 전극은 전원장치의 음극쪽 일부를 구성하는 음극소자이다. 따라서, 스페이서는 전극과 화구 사이에 위치하며, 다음에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이 가스를 분배하는 일정한 기능 외에도 전원장치의 양극과 음극을 전기적으로 분리되게 한다. 배플은 말단 양극부재와 쉴드캡 사이에 위치하며 동작 중에 냉각유체를 분배한다. 이차계 캡은 화구의 말단 쪽에 위치하며 이차계 가스를 분배하며, 이차계 스페이서는 화구와 이차계 캡간 간극을 제공한다. 또한, 쉴드캡은 다른 소모성 구성요소를 둘러싸며 다음에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이 잠금 링이나 다른 체결수단을 사용하여 발염방사장치 헤드에 결합된다.
본 발명의 또 다른 형태로, 소모성 구성요소들은 화구와 이차계 캡 사이에 위치하는 냉각제 씰(coolant seal)과 가이드를 더 포함하여 냉각유체의 흐름을 안내하고 제어한다. 전극은 카트리지 몸체 내에 중앙부에 위치하며 전극의 내부를 따라 음극과 전기적으로 접촉되어 있다. 전극과 음극은 전기적 접촉 부근 또는 인접 지역으로 냉각유체가 통과할 수 있도록 하기 위하여 통로가 형성되도록 구성되어 있다. 전극은 동작 중에 음극과 전극이, 다른 구성요소들과 함께 구성요소들을 따라, 적절히 냉각되도록 냉각제 튜브와 유체를 전달하는 중앙 캐비티(caity)를 더 정의한다. 또한, 카트리지 몸체는, 이어지는 상세한 설명에서 설명되는 바와 같이 화구의 여러 구성요소들간 분리 또는 절연을 제공하면서, 일반적으로 냉각유체, 플라즈마 가스 및 이차계 가스를 분배한다. 더우기, (냉각, 플라즈마, 이차계) 유체는 화구의 여러 구성요소들 사이로 동일 축방향으로 분배되며, 플라즈마 아크 발염방사장치 내 전체 유량과 냉각을 증가시킨다.
본 명세서에서, "동일한 축방향(coaxial)"이라는 표현은 환형이면서 플라즈마 아크 발염방사장치의 중심 세로축으로부터 임의의 반경방향의 위치에서 같은 방향으로 움직이는 흐름을 의미하는 것이라고 해석되어야 할 것이다. 또한, "환형(annular)"이라는 용어는 (앞으로 계속 꼭 필요한 것은 아니지만) 플라즈마 아크 발염방사장치의 중심 세로축 주위를 그 원주상으로(circumferentially) 분배되는 흐름을 의미하는 것이라고 해석되어야 할 것이다. 따라서, 동일 방향의 흐름이란 중심 세로축으로부터 반경방향 어느 위치에서도 동일한 방향으로 움직이고 있는 흐름을 의미한다. 예컨대, (본 명세서에서 참조 병합된 미국 특허 5,396,043 및 5,653,896에서 설명된 것과 같은) 플라즈마 아크 발염방사장치의 중심 세로축상을 가로지르는 흐름은 동일 방향의 흐름이 아니다. 동일 축방향의 흐름은 이어지는 상세한 설명에서 보다 상세하게 도시 설명된다.
화구는 전극의 말단부에 위치하며 스페이서에 의해 그로부터 의해 분리되어 있다. 마찬가지로, 이차계 캡은 화구 말단부에 위치하며 이차계 스페이서에 의해 그로부터 분리되어 있다. 말단 양극부재는 일반적으로 화구 주위에 위치하며 화구 및 중앙 양극부재 모두와 전기적으로 접촉되어 있다. 화구 및 말단 양극부재는 전기적 접촉 부근 또는 인접 지역으로 냉각유체가 통과할 수 있도록 하기 위하여 통로가 형성되도록 구성되어 있다. 또한, 중앙 양극부재는 전원장치 양극쪽에 전기적으로 연결되게 하기 위하여 발염방사장치 헤드 내 양극 몸체와 전기적으로 접촉되어 있다. 또한, 배플은 말단 양극부재와 이웃하여 위치하며, 차폐 컵은 배플과 이웃해 있다. 따라서, 냉각유체의 흐름을 위하여 통로들은 카트리지 몸체와 말단 양극부재 사이 및 말단 양극부재와 배플 사이에 형성된다. 마찬가지로, 이차계 가스의 흐름을 위하여 배플과 차폐 컵 사이에 통로가 형성된다.
또 다른 형태로, 냉각을 향상시키고, 전원장치의 음극과 양극쪽 각각을 통해전기적으로 연결시켜주며, 전극과 화구를 플라즈마 아크 발염방사장치에 효율적으로 체결시켜주는 여러 가지의 전극과 화구의 형태들이 제공된다. 또한, 소모성 카트리지의 형태들이 제공되는데, 하나 또는 하나 이상의 소모성 구성요소를 담고 있는 단일 카트리지는, 각 소모성 구성요소들을 한꺼번에 교체하기 보다는, 하나 또는 하나 이상의 소모성 구성요소가 교체되어야 할 때 제거, 교체된다. 또한, 발염방사장치를 위치지정튜브와 같은 이웃 구성요소에 고정시키기 위한 형태들도 본 발 명의 다른 형태에 의해 제공된다.
본 발명의 또 다른 응용분야는 다음에 제공되는 상세한 설명으로부터 명확하게 될 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하면서 설명되는 상세한 표현 및 특정한 예들은 단순히 설명 목적으로만 의도된 것이며 본 발명의 범위를 한정하려는 것이 아니라고 이해되어야 한다.
본 발명은 아래에 수반하는 도면과 실시예를 통하여 보다 상세히 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예로 만들어진 플라즈마 아크 발염방사장치의 전면도이다.
도 2는 본 발명의 플라즈마 아크 발염방사장치의 상세전면도이다.
도 3은 도 1의 플라즈마 아크 발염방사장치의 선(A-A)을 따라 그어진 길이방향의 단면도이다.
도 4는 도 3의 플라즈마 아크 발염방사장치 상세 길이 단면도이다.
도 5는 도 3의 플라즈마 아크 발염방사장치의 말단부의 확대된 길이방향 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예로 플라즈마 아크 발염방사장치의 소모성 구성요소의 길이방향 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예로 양극부재의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예로 중앙양극부재를 위한 유연한 탭을 예시하는 카 트리지 몸체의 투시도이다.
도 9a는 본 발명의 일실시예로 동축형태흐름을 예시하는 플라즈마 아크 발염방사장치의 길이방향 단면도이다.
도 9b는 본 발명의 일실시예로 동축흐름을 예시하는 플라즈마 아크 발염방사장치의 횡축단면도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예로 플라즈마 아크 발염방사장치의 발염방사장치캡의 투시도이다.
도 11은 본 발명의 일실시예로 유체통로를 예시하는 플라즈마 아크 발염방사장치의 유체흐름에 대한 투시도이다.
도 12a는 본 발명의 일실시예로 전극의 유체흐름 투시도이다.
도 12b는 본 발명의 일실시예로 발염방사장치 헤드 내의 음극과 전극의 투시도이다.
도 12c는 본 발명의 일실시예로 음극 주위에 위치한 전극의 단면도이다.
도 12d는 본 발명의 일실시예로 도 12c의 선(B-B)을 축으로 한 횡단면도이다.
도 13a는 본 발명의 일실시예로 전극의 이차계 실시예에 대한 투시도이다.
도 13b는 본 발명의 일실시예로 플라즈마 아크 발염방사장치 내에 결합되어 있는 이차계 실시예의 전극에 대한 길이방향 단면도이다.
도 13c는 본 발명의 일실시예로 플라즈마 아크 발염방사장치 내에 결합되어 있는 이차계 실시예의 전극에 대한 횡축 단면도이다.
도 14a는 본 발명의 일실시예로 전극의 제3 실시예에 대한 투시도이다.
도 14b는 본 발명의 일실시예로 플라즈마 아크의 제3 실시예의 길이방향 단면도이다.
도 15는 본 발명의 일실시예로 전극의 제4 실시예에 대한 길이방향 단면도이다.
도 16은 본 발명의 일실시예로 전극의 제5 실시예에 대한 길이방향 단면도이다.
도 17a는 본 발명의 일실시예로 전극과 전기적 접촉인접지역에서 음극에 형성되어 있는 유체통로의 길이방향 단면도이다.
도 17b는 본 발명의 일실시예로 도 17a의 선(C-C)에 대한 횡축단면도이다.
도 17c는 본 발명의 일실시예로 전극과 음극 사이에 있는 제3 요소에 의해 형성된 유체통로의 길이방향 단면도이다.
도 17d는 본 발명의 일실시예로 전극과 음극 사이에 있는 나선형 플루트에 의해 형성된 유체통로의 길이방향 단면도이다.
도 17e는 본 발명의 일실시예로 전극과 음극을 통해 형성된 유체통로의 길이방향 단면도이다.
도 17f는 본 발명의 일실시예로 전극을 통해 형성된 유체통로의 길이방향 단면도이다.
도 18은 본 발명의 일실시예로 전극홀더의 길이방향 단면도이다.
도 19는 본 발명의 일실시예로 화구의 투시도이다.
도 20은 도 19상의 화구의 측면도이다.
도 21은 도 20의 선(D-D)을 기준으로 화구의 길이방향 단면도이다.
도 22는 도 19의 화구의 상부도면이다.
도 23은 본 발명의 일실시예로 말단 양극부재에 인접하여 위치하는 화구의 단면도이다.
도 24a는 본 발명의 일실시예로 말단 양극부재와 전기적 접촉 부근 화상에 형성되는 유체통로의 단면도이다.
도 24b는 도 24a의 선(E-E)을 기준으로 한 단면도이다.
도 24c는 본 발명의 일실시예로 말단 양극부재와 화구 사이에 위치하고 있는 제3 부재에 의해 형성된 유체통로의 단면도이다.
도 24d는 본 발명의 일실시예로 말단 양극부재와 화구사이의 나선형 플루트에 의해 형성된 유체통로의 단면도이다.
도 25a는 본 발명의 일실시예로 이차계캡의 투시도이다.
도 25b는 본 발명의 일실시예로 이차계캡의 상부도면이다.
도 26a는 본 발명의 일실시예로 이차계 가스 통로의 길이방향 측단면도이다.
도 26b는 본 발명의 일실시예로 이차계 가스 통로를 포함하는 쉴드캡의 상부도면이다.
도 26c는 본 발명의 일실시예로 이차계 가스에 대한 선택적 발염방사장치예시에 대한 길이방향 측단면도이다.
도 27a는 본 발명의 일실시예로 이차계 캡스페이서의 투시도이다.
도 27b는 본 발명의 일실시예로 이차계 스페이서의 측면도이다.
도 28a는 본 발명의 일실시예로 소모성 카트리지의 투시도이다.
도 28b는 본 발명의 일실시예로 도 28a의 선(E-E)을 기준으로 한 소모성 카트리지의 길이방향 단면도이다.
도 29는 소모성 카트리지의 제2실시예의 길이방향 단면도이다.
도 30은 본 발명의 일실시예로 냉각유체통로를 예시하는 단계적 카트리지 부착물의 길이방향 단면도이다.
도 31은 본 발명의 일실시예로 가스 통로를 예시하는 단계적 카트리지 부착물의 길이방향 단면도이다.
도 32a는 본 발명의 일실시예로 냉각유체통로를 예시하는 카트리지 부착물의 길이방향 단면도이다.
도 32b는 본 발명의 일실시예로 가스통로를 예시하는 카트리지 부착물의 길이방향 단면도이다.
도 33a는 냉각유체통로를 예시하는 직선 카트리지 부착물의 길이방향 단면도이다.
도 33b는 가스통로를 예시하는 직선 카트리지 부착물의 길이방향 단면도이다.
도 34a는 본 발명의 일실시예로 볼잠금 매카니즘의 확대 길이방향 단면도이다.
도 34b는 본 발명의 일실시예로 볼잠금 매카니즘의 확대 길이방향 단면도이 다.
도 35a는 본 발명의 일실시예로 배열 기하를 갖는 발염방사장치헤드의 길이방향 단면도이다.
도 35b는 본 발명의 일실시예로 배역 기하를 갖는 발염방사장치헤드의 상부도이다.
도 36은 제2플라즈마 아크 발염방사장치 실시예의 길이방향 단면도이다.
도 37은 제2플라즈마 아크 발염방사장치 실시예의 길이방향 단면도이다.
도 38은 제2플라즈마 아크 발염방사장치 실시예의 소모성 구성요소의 길이방향 단면도이다.
도 39a는 본 발명의 일실시예로 카트리지 몸체의 투시도이다.
도 39b는 본 발명의 일실시예로 카트리지 몸체의 근접투시도이다.
도 39c는 본 발명의 일실시예로 카트리지 몸체의 상부도이다.
도 39d는 본 발명의 일실시예로 카트리지 몸체의 저면도이다.
도 40은 본 발명의 일실시예로 중앙양극부재의 투시도이다.
도 41은 본 발명의 일실시예로 말단양극부재의 투시도이다.
도 42는 본 발명의 일실시예로 화구와 화구가이드 그리고 화구씰의 전개투시도이다.
도 43은 본 발명의 일실시예로 화구 어셈블리의 측면도이다.
도 44는 냉각유체흐름을 예시하는 플라즈마 아크 발염방사장치의 길이방향 단면도이다.
도 45는 플라즈마 가스 흐름을 예시하는 플라즈마 아크 발염방사장치의 길이방향 단면도이다.
도 46은 이차계가스 흐름을 예시하는 플라즈마 아크 발염방사장치의 길이방향 단면도이다.
도 47a는 본 발명의 일실시예로 소모성 카트리지의 길이방향 단면도이다.
도 47b는 본 발명의 일실시예로 소모성 카트리지의 제 2실시예의 길이방향 단면도이다.
도 47c는 본 발명의 일실시예로 소모성 카트리지의 제3 실시예의 길이방향 단면도이다.
도 47d는 본 발명의 일실시예로 소모성 카트리지의 제4 실시예의 길이방향 단면도이다.
도 47e는 본 발명의 일실시예로 소모성 카트리지의 제5 실시예의 길이방향 단면도이다.
도 47f는 본 발명의 일실시예로 소모성 카트리지의 제6 실시예의 길이방향 단면도이다.
도 48a는 본 발명의 일실시예로 소모성 어셈블리의 길이방향 단면도이다.
도 48b는 본 발명의 일실시예로 소모성 어셈블리의 제2 실시예의 길이방향 단면도이다.
도 48c는 본 발명의 일실시예로 소모성 어셈블리의 제3 실시예의 길이방향 단면도이다.
도 48d는 본 발명의 일실시예로 소모성 어셈블리의 제4 실시예의 길이방향 단면도이다.
도 48e는 본 발명의 일실시예로 소모성 어셈블리의 제5 실시예의 길이방향 단면도이다.
도 48f는 본 발명의 일실시예로 소모성 어셈블리의 제6 실시예의 길이방향 단면도이다.
도 48g는 본 발명의 일실시예로 소모성 어셈블리의 제7 실시예의 길이방향 단면도이다.
도 48h는 본 발명의 일실시예로 소모성 어셈블리의 제8 실시예의 길이방향 단면도이다.
도 49는 본 발명의 일실시예로 발염방사장치헤드 연결의 전개길이방향 단면도이다.
도 50은 본 발명의 일실시예로 또 다른 플라즈마 아크 발염방사장치 실시예의 길이방향 단면도이다.
도 51은 본 발명의 일실시예로 플라즈마 아크 발염방사장치 절단 시스템 내에 적용되는 플라즈마 아크 발염방사장치를 예시하는 도면이다.
다음의 바람직한 실시예에 대한 설명은 사실상 예시적인 것에 불과하며 결코 발명, 그 응용 또는 이용을 한정하기 위한 것이 아니다.
도면을 참조하면서, 도1 내지 도6 상의 참조부호(10)에 의하여 본 발명에 따 른 플라즈마 아크 발염방사장치가 설명된다. 플라즈마 아크 발염방사장치(10)는 도시한 바와 같이 일반적으로 플라즈마 아크 발염방사장치(10)의 중심 외곽에 위치하는 발염방사장치 헤드(12) 및 이 발염방사장치 헤드(12)에 의해 보호되며 플라즈마 아크 발염방사장치(10)의 말단부에 위치하는 다수의 소모성 구성요소(16)로 구성되어 있다.
본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 플라즈마 아크 발염방사장치는 그 중에서도 특히 절단, 용접, 스프레잉, 가우징 또는 마킹을 위하여 플라즈마를 발생시키거나 플라즈마를 이용하는 기기라고 당업자에게 해석되어야 한다. 따라서, 플라즈마 아크 절단 발염방사장치 또는 플라즈마 아크 발염방사장치에 관한 특정의 참조가 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 더우기, 본 발명에 대한 교시에 따라 다른 유체, 가령 기체도 플라즈마 아크 발염방사장치에 제공될 수 있도록, 플라즈마 아크 발염방사장치에 가스를 제공하는 것에 관한 특정의 참조가 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 또한, 화살표(A')로 도시된 소모성 구성요소(16)로부터 발염방사장치 헤드(12)로의 방향은 몸체 인접쪽으로 향하며 화살표(B')로 도시된 발염방사장치 헤드(12)로부터 소모성 구성요소(16)로의 방향은 말단부로 향한다.
발염방사장치 헤드
특히 도5를 참조하며, 발염방사장치 헤드(12)는 전원장치(도시 안함)의 양극쪽과 전기적으로 통신하는 양극 몸체(20)와, 전원장치의 음극면과 전기적으로 통신하는 음극(22)을 포함한다. 음극(22)은 양극 몸체(20)와 절연시키기 위하여 중심절 연체(24)로 더 둘러싸여 있고, 이와 마찬가지로 양극 몸체(20)는 동작 중 외부환경으로부터 발염방사장치 헤드(12) 및 그 구성 부품들을 캡슐로 둘러싸고 보호하는 하우징(28)과 절연시키기 위하여 외부 절연체(26)로 둘러싸여 있다. 발염방사장치 헤드(12)는 또한 (도1 및 도2에 그 전체가 도시된) 냉각제 공급튜브(30), 플라즈마 가스튜브(32), 냉각제 반환튜브(34) 및 이차계 가스튜브(35)와 접해 있는데, 이하에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이 동작 중에 이들 내부에서 플라즈마 가스 및 이차계 가스가 플라즈마 아크 발염방사장치(10)에 공급되며 또한 냉각유체가 플라즈마 아크 발염방사장치(10)에 공급되고 복귀된다.
음극(22)은 바람직하게는 발염방사장치 헤드(12)의 중심부(38)에서 냉각제 공급튜브(30)와 유체를 전달하는 중심 보어(bore)(36)를 갖는 원통 튜브로 정의된다. 중심 보어(36) 또한 발염방사장치 헤드(12)의 말단부(44)에 위치하는 음극 캡(40)과 냉각제 튜브(42)와 유체를 전달한다. 일반적으로, 냉각제 튜브(42)는 냉각유체를 분배하는 역할을 하며 음극 캡(40)은 소모성 구성요소(16)나 다른 수리 부분의 교체 중의 손상으로부터 음극(22)의 말단부를 보호한다. 도시된 바와 같이, 음극(22)은 음극 캡(40)에 형성된 중심 가까이 위치하는 그루브(48)에 안착하는 내부 환형 링(46)을 구비하고 있다. 도시된 바와 같이, 음극 캡(40)이 음극(22) 내에서 적절히 보호되도록 음극 캡(40)에 형성된 플렉서블 칼라(flexible collar)로 환형 링(46)을 사용한다. 냉각제 튜브(42)를 보호하기 위하여, 음극 캡(40)은 냉각제 튜브(42)의 환형 링(52)이 접해 있는 내부 쇼울더(50)를 정의한다. 또한, 냉각제 튜브(42)는 음극 캡(40)과 냉각제 튜브(42) 간 인터페이스를 씰링하고 유지하기 위하여 0 링(56)을 수용하는 0 링 그루브(54)를 정의한다. 바람직하게는, 냉각제 튜브(42)는 스테인레스 스틸과 같은 내구제로 이루어져 있고, 음극 캡(40)은 절연체로 돼 있으며 바람직하게는 상대적으로 높은 온도(예컨대, 약 250도에서 약 350도)에서도 동작할 수 있는 톨론(상표명 TorlonTM)이나 당업계에 알려진 재료로 이뤄져 있다.
중심 절연체(24)는 바람직하게는 도시된 바와 같이 음극(22)을 수용하는 내부 보어(60)를 갖는 원통 튜브로 정의된다. 음극(22)은 플라즈마 아크 발염방사장치(10)의 세로축(X)을 따라 중심 절연체(24)의 중심 가까이에 위치하는 내부 쇼울더(64)와 접해 있는 중심 가까이에 위치하는 외부 쇼울더(62)를 정의한다. 또한, 음극(22)은 음극(22)과 중심 절연체(24) 간 인터페이스를 씰링하기 위하여 0 링(66)을 수용하는 0 링 그루브(65)를 포함하고 있다. 또한, 중심 절연체(24)는 중심부(68)를 따라 도시된 양극 몸체(20) 내에 위치해 있으며 냉각제 공급튜브(30), 플라즈마 가스튜브(32) 및 냉각제 반환튜브(34)를 수용하는 발염방사장치 캡(70)과 맞물려 있다.
파일롯 리턴과 같은 전기 신호를 위한 전기적 연속성이 발염방사장치 캡(70)과 양극 몸체(20) 사이에 위치한 컨택트(72)를 통하여 제공된다. 컨택트(72)는 발염방사장치 캡(70) 내에 형성된 리세스된 쇼울더(76)와 이웃하는 근접 플랜지(74) 및 도시된 양극 몸체(20)와 맞물려 있는 말단부(78)를 포함한다. 바람직하게는, 컨택트(72)는 양극 몸체(20)에 장착되어 있으며, 그러나, 본 발명의 범위 내에서 압축 또는 납땜과 같은 다른 부착 수단이 이용될 수도 있다. 또한, 발염방사장치 캡(70)의 말단 환형 벽(80)은 발염방사장치 캡(70)과 외부 절연체(26) 사이의 인터페이스를 씰링하기 위하여 외부 절연체(26) 내 0 링 그루브(84) 내부에 위치하는 0 링(82)과 접해 있다. 이와 마찬가지로, 하우징(28)의 말단 내벽(86)은 하우징(28)과 소모성 구성요소(16) 사이의 인터페이스를 씰링하기 위하여 소모성 구성요소(16)의 0 링 그루브(90) 내부에 위치하는 0 링(88)과 접해 있다. 대응하는 0 링(도시 안함)을 갖는 0 링 그루브(92)가 유체(플라즈마 가스, 이차계 가스, 냉각유체)를 씰링하기 위하여 다수의 인터페이스 사이에 추가적으로 제공된다.
이와 달리, 파일롯 리턴 또는 다른 전기 신호를 위한 전기적 연속성은 미국특허 6,163,008에 도시 및 설명돼 있는 쇼울더와 맞물려 있는 저지구(detent)를 이용하여 발염방사장치 캡(70) 및 양극 몸체(20) 사이의 인터페이스를 통해 직접 제공될 수도 있는데, 상기 미국특허의 내용은 본 발명에 참조병합되며 본 출원의 출원인에게 공동으로 양도되어 있다. 저지구는 그 상부에 대응 쇼울더 및 캡을 갖는 발염방사장치 캡(70)이나 양극 몸체(20) 상에 각각 결합되어질 수 있다. 또한, 저지구는 결합과 이를 해체하기에 상대적으로 간단하면서 용이한 연결을 제공한다. 단순히, 플라즈마 아크 발염방사장치(10) 내 다른 구성요소들은 본 발명의 범위 내에서 그들 각각의 연결을 위하여 저지구 및 쇼울더와 결합될 수도 있다.
소모성 구성요소
도6에 보다 상세히 도시된 소모성 구성요소(16)는 전극(100), 화구(102)와 도시된 바와 같이 전극(100)과 화구(102) 사이에 위치한 스페이서(104)를 포함하고있다. 스페이서(104)는 음극성의 전극(100)과 양극성의 화구(102) 간 전기적인 분리를 제공하며, 또한 이하에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이 일정한 가스 분배 기능을 제공한다. 또한, 소모성 구성요소(16)는 카트리지 몸체(106)도 플라즈마 아크 발염방사장치(10) 동작 중에 플라즈마 가스, 이차계 가스 및 냉각유체를 분배하는데, 이하에서 이에 대하여 보다 상세하게 설명한다. 또한, 소모성 구성요소는 전기적 연속성을 화구(102)에 제공함으로써 전원장치의 양극면 부분을 형성하기 위하여 말단 양극부재(108) 및 중심 양극부재(109)를 포함한다. 배플(110)도 말단 양극부재(108) 및 차폐 캡(114) 사이에 위치하는 것이 도시되어 있는데, 이는 이하에서 설명되는 냉각유체의 흐름을 위한 유체 통로를 형성한다. 또한, 소모성 구성요소는 이차계 가스의 분배를 위한 이차계 캡(112) 및 이차계 캡(112)을 화구(102)와 분리시키는 이 차계 스페이서(116)를 포함한다. 잠금 링(117)이 소모성 구성요소의 중심에서 가까운 말단부 부근에 위치하는 것이 도시되어 있는데, 이는 소모성 구성요소를 발염방사장치 헤드(12)(도시 안함)에 고정시키는 데에 사용된다.
전극(100)은 카트리지 몸체(106) 내에 중앙에 위치하며 아래에서 설명되는 전극(100)의 내부의 인접 캐비티(118)를 따라 (도5의) 음극(22)과 전기적으로 접촉되어 있다. 전극은 또한 (도5의) 냉각제 튜브(42)와 유체를 전달하는 말단 캐비티(120) 및 플라즈마 아크 발염방사장치(10)의 중심 세로축(X)을 따라 적절히 위치시키기 위한 스페이서(104)와 이웃하는 외부 쇼울더(122)를 정의한다. 카트리지 몸체(106)는 플라즈마 아크 발염방사장치(10)의 중심 세로축(X)을 따라 전극(100)을 적절히 위치시키기 위한 전극(100)의 인접 말단부(126)와 이웃하는 내부 환형 링(124)을 더 포함한다. 또한, 카트리지 몸체(106)와 음극(22)간 연결을 위해 본 발명의 범위 내에서 앞서 설명한 저지구와 쇼울더와 결합될 수도 있다. 다양한 소모성 구성요소(16)를 위치시키는 것에 더하여, 카트리지 몸체(106)도 양극부재(예컨대, 중심 양극부재(109))를 음극부재(예컨대, 전극(100))와 분리시킨다. 따라서, 카트리지 몸체(106)는 피이크(상표명 PEEKTM)나 상대적으로 높은 온도 하에서도 더 동작할 수 있는 당업계에서 통상적으로 알려진 이와 유사한 다른 물질과 같은 절연물질이다.
이하에서 설명되는 냉각유체의 분배를 위하여, 카트리지 몸체(106)는 상부 챔버(128) 및 카트리지 몸체(106)를 통해서 내부 냉각 챔버(132)로 돌출되어 있는 카트리지 몸체(106)와 말단 양극부재(108) 사이에 형성된 다수의 통로(130)를 정의한다. 바람직하게는, 전극(100)과 말단 양극부재(108) 사이에서 발생할 수 있는 많은 양의 절연 크리프(dielectric creep)를 줄이기 위하여 통로들(130)(선으로 도시함)은 상부 챔버(128)(선으로 도시함)로부터 말단 방향으로 (+)반경 방향으로 기 울어져 있다. 또한, 외부 축방향 통로들(133)이 냉각유체의 복귀를 제공하는 카트리지 몸체(106) 내에 형성되는데, 이는 아래에서 더 설명된다. 플라즈마 가스의 분배를 위하여, 카트리지 몸체(106)는 카트리지 몸체(106)의 인접 면(136)으로부터 말단부(138)까지 연장되는 다수의 말단 축방향 통로(134)를 정의하며, 다수의 축방향 통로들은 플라즈마 가스튜브(32)(도시 안함)와 유체를 전달하며 이하에서 보다 자세히 설명되는 화구(102) 내에 형성된다. 또한, 다수의 인접 축방향 통로들(140)이 이하에서 보다 자세히 설명될 이차계 가스의 분배를 위하여 리세스된 인접 면(142)에서 말단 외부면(144)으로 연장되는 카트리지 몸체(106)를 통해 형성된다. 소모성 구성요소(16)의 말단부 가까이에, 외부 유체 통로(148)가 말단 양극부재(108)와 이하에서 보다 자세히 설명되는 냉각유체의 복귀를 위한 배플(110) 사이에 형성된다. 따라서, 카트리지 몸체(106)는 플라즈마 가스 및 이차계 가스의 분배기능 외에도 냉각유체의 분배기능도 수행한다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 말단 양극부재(108)는 카트리지 몸체(106)와 배플(110) 사이에 위치하며 말단부에서 화구(102)와 전기적으로 접촉되어 있으며 중심부에서 중심 양극부재(109)와 전기적으로 접촉되어 있다. 또한, 중심 양극부재(109)는 양극 몸체(20)의 말단부와 전기적으로 접촉되어 있다. 바람직하게는, 기울어진 코일 스프링(도시 안함)이 중심 양극부재(109)와 양극 몸체(20) 사이의 전기적 접촉을 위하여 그루브(146) 내에 위치한다. 이와 달리, 파일롯 리턴 또는 다른 전기 신호를 위한 전기적 연속성은 미국 특허 6,163,008에 도시, 설명돼 있는 쇼울더와 맞물려 있는 저지구(detent)를 이용하여 중심 양극부재(70) 및 양극 몸체(20) 사이의 인터페이스를 통해 직접 제공될 수도 있는데, 상기 미국특허의 내용은 본 발명에 참조병합되며 본 출원의 출원인에게 공동으로 양도되어 있다. 저지구는 양극 몸체(20) 또는 중심 양극부재(109) 상의 대응 쇼울더 및 캡을 갖는 중심 양극부재(109) 또는 양극 몸체(20) 상에 각각 결합되어질 수 있다. 따라서, 양극 몸체(20), 말단양극부재(108), 중심 양극부재(109) 및 화구(102)는 플라즈마 아크 발염방사장치(10)를 위하여 양극 또는 양전위를 형성한다.
저지구는 도 7 및 도 8에 보다 상세하게 설명되어 있는데, 바람직하게는 중심 양극부재(109)는 도시된 저지구를 이용하여 카트리지 몸체(106)에 고정된다. ( 플라즈마 아크 발염방사장치(10) 및 카트리지 몸체(106)의 일부는 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 제외되어 있다). 저지구(260)는 (-)반경 방향으로 인접되어 도시된 바와 같이 (+)반경 방향으로 인접되는 카트리지 몸체(106)의 인접 말단부에 형성된 쇼울더(262)와 맞물려 있다. 이와 달리, 본 발명의 또 다른 형태로 저지구(260)는 (+)반경 방향으로 인접되고 쇼울더(262)는 (-)반경 방향으로 인접될 수도있다. 또한, 저지구(260)는 도시된 바와 같이 중앙 양극부재(109)의 가요성 탭(264) 내에 형성되고, 탭(264)은 부가적으로 중심 양극부재(109)의 어셈블리를 위하여 카트리지 몸체(106)에 가요성을 제공한다.
다시 도 6을 참조하면, 도시된 바와 같이 쉴드캡(114)은 배플(110)을 둘러싸고 있으며, 그들 사이에 이차계 가스 통로(150)가 형성된다. 일반적으로, 이차계 가스는 카트리지 몸체(106) 내에 형성된 인접 축방향 통로(140)에서 이차계 가스 통로(150)로 흘러, 이하에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 이차계 캡(112)을 지나 동작 중 이차계 캡(112)에 존재하는 플라즈마 흐름을 안정화시킨다. 쉴드캡(114)은 이차계 캡을 더 위치시키며, 이차계 캡(112)은 차페 캡(114)의 원뿔모양의 내면(154)과 맞물려 있는 환형 쇼울더(152)를 정의한다. 이와 달리, 쉴드캡(114)은 보다 나은 결합을 위해 환형 쇼울더(152)와 맞물릴 원뿔형 내면 대신 둥근 코너(도시 안함)를 정의할 수도 있다. 이와 마찬가지로, 이차계 캡(112)은 또한 쉴드캡(114)의 원뿔형 내면(154)과 맞물려 있는 둥근 코너를 정의할 수도 있다.
이차계 스페이서(116)는 이차계 캡(112)을 화구(102)로부터 이격시키며 절연시킨다. 바람직하게는, 이차계 스페이서(116)는 화구의 환형 쇼울더(158)와 이웃하 는 인접 면(156)과 이차계 캡(112)의 내부 쇼울더(164)와 이웃하는 쇼울더(162)를 포함한다. 보다 더 도시된 대로, 이하에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 이차계 가스 챔버(167)가 화구(102)와 이차계 캡(112) 사이에 형성된다. 이차계 캡(112)은 플라즈마 흐름이 유출되는 중심 유출구(exit orifice)(168)와 플라즈마 흐름을 제어하는 데 기여하는 리세스면(170)을 더 포함한다. 또한, 이하에서 설명하는 바와 같이 다른 형태가 채택될 수도 있지만, 축홀로 도시된 유출 통로(171)는 동작 중 부가적인 이차계 가스의 일부를 유출시키기 위하여 이차계 캡(112)으로 제공될 수도 있다.
화구(102)는 전기적으로 스페이서(104)에 의하여 전극(100)과 분리되어 있어, 전극(100)과 화구(102) 사이에 플라즈마 챔버(172)가 형성되게 된다, 화구(102)는 플라즈마 가스가 플라즈마 챔버(172) 내에서 이온화됨에 따라 플라즈마 아크 발염방사장치(10) 동작 중 플라즈마 흐름이 유출되는 중심 유출구(174)를 더 포함한다. 따라서, 플라즈마 가스는, 아래에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 도시된 대로 화구(102)의 내벽(180)을 통해 형성된 환형 링(176)과 와류형 홀(178)을 통해 화구(102)로 들어간다.
도시된 바와 같이, 잠금 링(117)은 플라즈마 아크 발염방사장치(10)가 다 조립되면 소모성 구성요소(16)를 발염방사장치 헤드(12)에 고정시킨다. 잠금 링(117)은 카트리지 몸체(106) 상에 형성된 환형 링(184)과 맞물려 있는 내부 쇼울더(182)를 형성하며 바람직하게는 장착 연결을 통해 발염방사장치 헤드(12)에 고정된다. 이와 달리, 발염방사장치 헤드(12)는 2001년 11월9일 미국에 함께 출원된 10/035,534출원에 도시, 설명된 바와 같이 이중 피치 잠금 커넥터를 이용하여 발염방사장치 소모성 구성요소(16)에 고정될 수도 있는데, 상기 미국특허의 내용은 본 발명에 참조병합되며 본 출원의 출원인에게 공동으로 양도되어 있다.
냉각유체 흐름
도 5 및 도 6을 다시 참조하면, 동작시 냉각유체 흐름은 음극(22)의 중심 보어(36), 냉각제 튜브(42)를 지나 아래로 흘러 전극(100)의 말단 캐비티(120)로 흐른다. 그런 다음 냉각유체는 전극(100)의 인접 캐비티(118)를 통해 흘러 상대적으로 고전류 및 고온 하에서 동작되는 전극(100) 및 음극(22)을 냉각시켜준다. 냉각유체는 카트리지 몸체(106) 내부의 반경방향 통로들(130) 근처로 계속해서 흐르고, 그런 다음 냉각유체는 통로들(130)을 통해 이동해 내부 냉각 챔버(132)로 간다. 그리고 나서 냉각유체는 상대적으로 고온 하에서 동작하는 화구(102)를 냉각시켜주기 위하여 화구(102)를 향해 아래로 흐른다. 냉각유체가 말단 양극부재(108)의 말단부에 이름에 따라, 냉각유체는 다시 방향을 바꿔 외부 유체 통로(148)를 지나 중심부 가까이로 카트리지 몸체(106) 내 외부 축방향 통로(133)를 흐른다. 그런다음 냉각유체는 리세스 벽(190)(선으로 도시함)과 양극 몸체(20) 내에 형성된 축방향 통로(192)(선으로 도시함)를 통해 흐른다. 냉각유체가 양극 몸체(20)의 인접 쇼울더(193)에 이르게 되면 유체가 냉각제 반환튜브(34)를 통해 흐르며 냉각제 공급튜브(30)를 통하여 분배를 위해 재순환된다.
따라서, 도 9a 및 도 9b에 설명된 냉각유체 흐름은 동일 축방향을 갖는데, 냉각유체는 굵은 화살표로 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 냉각유체는 일반적으 로 재순환을 위하여 말단으로 흐른 후, 중심 가까이로 흘러, 다시 말단으로 흐르며, 이후 중심 가까이로 흘러 냉각유체를 복귀시킨다. 더 도시된 바와 같이, 흐름은 각 K, L, M 및 N 반경방향 위치에서 동일한 방향(즉, 중심에 가까운 또는 말단)에 있다. 반경방향 위치 K에서, 냉각유체는 말단으로 흐르고 있으며; 반경방향 위치 L에서, 냉각유체는 중심 가까이로 흐르고 있으며; 반경방향 위치 M에서, 냉각유체는 말단으로 흐르고 있으며; 반경방향 위치 N에서, 냉각유체는 다시 중심 가까이로 흐르고 있다. 또한 중요한 점은 냉각유체가 유체의 복귀를 위해 반경방향으로 흘러 플라즈마 아크 발염방사장치(10)의 중심 세로축(X)을 교차하지 않는다는 것이다. 오히려, 냉각유체는 동일 축방향으로 점진적으로 바깥 방향으로 흘러 플라즈마 아크 발염방사장치(10)의 구성요소들을 냉각시키고 재순환을 위해 복귀한다.
따라서, 여기서 사용되는 바와 같이, 동축 방향의 흐름이라는 표현은 환형이며 플라즈마 아크 발염방사장치(10)의 중심 세로축(X)으로부터 주어진 반경방향 위치에서 동일 방향으로 흐르는 흐름을 의미하는 것이라고 해석되어야 한다. 따라서, "환형"이라는 용어는 플라즈마 아크 발염방사장치의 중심 세로축 주위로 원주를 따라 분배된다. 따라서, 동축 방향의 흐름은 발염방사장치의 중심 세로축 주위로 원주를 따라 분배되며 중심 세로축으로부터 반경방향 위치에서 동일 방향으로 흐르고 있는 흐름을 말한다. 따라서. 본 발명에 의하여 플라즈마 아크 발염방사장치(10)에 걸쳐 구성요소들을 효과적으로 냉각시켜주는 동축 방향의 냉각 흐름이 제공된다.
플라즈마 가스 흐름
도 5 및 도 6을 참조하면, 플라즈마 가스는 일반적으로 축방향 통로(194)(도시 안함)를 통해 플라즈마 가스튜브(32)로부터 말단으로 흘러, 양극 몸체(20) 내에 형성된 중심 캐비티(196)로 들어간다. 그런 다음 플라즈마 가스는 양극 몸체(20)의 내부 말단 쇼울더(200)를 통해 형성된 축방향 통로(198)를 통해 흘러 카트리지 몸체(106) 내에 형성된 말단 축방향 통로(134)로 들어간다. 그리고 나서 플라즈마 가스는 이하에서 보다 상세하게 설명되는 화구(102) 내 통로를 통해 플라즈마 챔버(172)로 들어가 플라즈마 가스가 파일롯 아크에 의해 이온화됨에 따라 플라즈마 흐름을 형성한다.
이차계 가스 흐름
도 5, 도 10 및 도11을 참조하면, 이차계 가스는 일반적으로 이차계 가스튜브(35)(도 1 및 도 2에 도시함)로부터 말단으로 흐르며 발염방사장치 캡(70)의 외벽(204)과 하우징(28) 사이에 형성된 축방향 통로(202)를 통과한다. 그런 다음 이차계 가스는 외부 절연체(26)의 연장 고리(208)를 통해 형성된 축방향 통로(206)를 통해 말단으로 흘러 카트리지 몸체(106)의 인접 축방향 통로(140)로 들어간다. 그리고 나서 이차계 가스는 이차계 가스 통로로 들어가 말단의 이차계 가스 통로(209)를 통해 배플(110)과 쉴드캡(114) 사이로 말단방향으로 흐른다. 최종적으로, 이차계 가스는, 이하에서 보다 상세하게 설명되는, 이차계 캡(112) 내에 형성된 통로들을 통해 이차계 가스 플레넘(plenum)(167)으로 들어가 화구(102)의 중심 유출구(174)를 통해 유출되는 플라즈마 흐름을 안정화시킨다.
동작
동작시, 음극 또는 음전위가 음극(22) 및 전극(100)에 의하여 전달된다. 양 극 또는 양전위가 양극(20), 말단 양극부재(108), 중심 양극부재(109) 및 화구(102)에 의하여 전달된다. 따라서, 전력이 플라즈마 아크 발염방사장치에 인가되면 파일롯 아크가 전극(100) 및 화구(102) 사이에 형성된 간극 내에 발생된다. 플라즈마 가스가 플라즈마 챔버(172)로 들어감에 따라 플라즈마 가스는 파일롯 아크에 의하여 이온화되는데, 플라즈마 가스는 플라즈마 흐름이 플라즈마 챔버(172) 내에 형성되도록 하며 화구(102)의 중심 유출구(174)를 통해 말단방향으로 흐른다. 또한, 이차계 가스는 이차계 가스 플레넘(167)으로 흘러 들어가 화구(102)의 중심 유출구(174)에서 유출되면서 곧 플라즈마 흐름을 안정화시킨다. 따라서, 고전류고공차 절단 동작을 위하여 매우 균일하고 안정된 플라즈마 흐름이 중심 유출구(168)를 빠져나가게 된다.
전극 실시예
이제 도 12a 내지 도 18을 참조하면, 전극(100)은 적절한 냉각을 위한 다양한 형태, 음극(22)과의 전기적 접촉 및 카트리지 몸체(106)에의 부착물들을 포함할 수 있다. 여기서 도시되고 설명되는 실시예에서, 전극(100)의 냉각은 전극(100)과 음극(22)간 전기적 접촉 부근에서 제공되며, 이하에서 보다 자세히 설명된다.
도 12a 내지 도 12d에 도시된 제1 실시예에서, 전극(100a)은 플루트(flutes)(220)와 돌기 보강재(raised rib)(222)를 정의한다. 플루트(220)는 전극(100a)과 음극(22a)간 전기적 접촉 부근에서 냉각을 위하여 전극(100a)과 음극(22a)(도 12d에 잘 도시됨) 사이에 유체 통로를 형성한다. 특히, 플루트(220)는, 냉각이 매우 중요한, 전극(100a)과 음극(22a)간 인터페이스 부근에서 상대적으 로 높은 속도의 흐름을 낳는다. 또한, 플라즈마 아크 발염방사장치(10)의 음극부재들(예컨대, 음극, 전극)간 전기적 연속성을 제공하는 돌기 보강재(222)는 음극(22a)의 외벽(224)과의 전기적인 접촉을 제공한다. 바람직하게는, 외벽(224)은 도 12b에 도시된 바와 같이 음극 캡(40)과 냉각제 튜브(42)가 음극(22a) 내에서 쉽게 조립될 수 있도록 다수의 축탭(226)을 정의한다.
특히 전극(100a)과 음극(22a)간 측면 인터페이스를 보여주고 있는 도 12d를 참조하면, 전극(100b)은 원주면(229)을 정의하며 음극(22b)은 원주면(331)을 정의한다. 따라서, 전극(100b)의 원주면(229)은 음극(22b)의 원주면 부근에 위치한다. (표면들은 단순히 설명 목적으로 작은 간극을 갖고 있는 것으로 도 13c에 도시되어 있으며, 전극(100b)의 원주면은 동작 중에 음극(22b)의 원주면(331)과 물리적으로 접촉한다). 인접 원주면(229, 331)은 본 발명에서는 단순히 전기적 접촉을 제공하지만, 전극(100b)과 음극(22b)간 인터페이스의 효율적인 냉각이 이뤄지도록 축방향 통로(230)를 통한 냉각유체의 통과는 도시된 바와 같이 전기적 접촉 부근에서 이다. 예컨대, 본 발명의 한 가지 태양으로 인접 영역을 정의하기 위하여 축방향 통로(230)와 음극(22c)의 원주면(331)간 거리(P)는 최고 약 0.050인치이다. 그러나, 전극(100c)과 음극(22c)간 전기적 인터페이스가 유체 통로를 통해 흐르는 냉각유체에 의해 적절히 냉각되는 한 다른 거리가 채택될 수도 있다. 따라서, 전극(100)과 음극(22b)간 인터페이스를 냉각시키는 것과 관련하여 여기서 사용되는 "부근(proximate)" 또는 "인접(adjacent vicinity)"이라는 용어는 효과적인 냉각이 이뤄지도록 전기적인 접촉에 가까운 거리를 따라 또는 그 거리 내에 있는 것을 의미하는 것으로 해석되어야 할 것이다. 따라서, 남은 전극 실시예에 걸쳐서 인접 원주면은 명확성을 기하기 위한 것으로 설명되어져서는 안될 것이다.
도 14a 및 도 14b의 전극(100c)에 관한 제3 실시예에서, 전극(100c)은 전극(100c)과 음극(22c) 사이를 냉각시키기 위하여 반경방향 통로(232) 및 축슬롯(234)을 정의한다. 냉각유체는 일반적으로 반경방향 통로(232) 부근으로 흐른 다음 축슬롯(234)으로 흘러가며, 냉각유체는 전술한 바와 같이 전극(100c)과 음극(22c)간 인터페이스를 지나 통로(130)를 통해 빠져나간다. 전기적 접촉을 위해, 내벽(236)은 음극(22c)의 외벽과 접촉시켜주는 전극(100c) 내부에 형성된다. 따라서, 전극(100c)의 원주면은 음극(22c)의 원주면과 인접해 전기적 접촉 부근을 냉각시키기 위한 통로를 형성한다.
이제 도 15를 참조하면, 전극(100d)의 제4 실시예는 전극(100d) 및 전극(100d)과 음극(22d)간 인터페이스의 부가적인 냉각을 제공하는 내부 언더컷(240)을 포함한다. 따라서, 음극(22d)은 도시된 바와 같이 냉각유체가 냉각제 튜브(42d)와 음극(22d) 사이 부근으로 흐르는 복귀 경로를 제공하는 반경방향 통로(242)를 정의한다. 따라서, 냉각유체는 재순환을 위해 냉각제 튜브(42d) 말단을 통과한 다음, 반경방향 통로(242) 내부를 원주상으로 흐른 후, 냉각제 튜브(42d)와 음극(22d)의 인접 사이를 흐른다. 또한, 전극(100d)의 내벽(244)과 음극(22d)의 외벽(224) 사이에 전기적인 접촉이 제공된다. 따라서, 전극(100d)과 음극(22d)간 전기적 접촉부근을 냉각시킬 수 있도록 유체 통로가 형성된다. 이와 달리, 전극(100d)은 여기서 설명된 바와 같이 본 발명의 범위 내에서 내부 언더컷 대 신 외부 언더컷을 구비할 수도 있다.
도 16에 도시된 바와 같이, 전극(100e)의 제5 실시예는 바람직하게는 미국 특허 6,163,008에 도시, 설명돼 있는 저지구(250)를 사용하여 음극(22e) 내에 고정되는데, 상기 미국특허의 내용은 본 발명에 참조병합되며 본 출원의 출원인에게 공동으로 양도되어 있다.
도시된 실시예에서, 저지구(250)는 도시된 바와 같이 음극(22e)의 말단부에 고정된 캡(254)의 쇼울더(252)와 결합되어 있다. 이와 마찬가지로, 도시된 바와 같이 화구(102) 역시 저지구를 사용하여 카트리지 몸체(106)에 고정될 수도 있으며, 저지구(256)는 카트리지 몸체(106)의 말단부에 고정된 절연 요소(260)의 쇼울더(258)와 결합되어 있다. 도시된 바와 같이, 저지구들(250, 256)은 각각 쇼울더들(252, 258)과 결합되기 위하여 (+)반경방향으로 돌출되어 있다. 그러나, 저지구들(250, 256)은 또한 본 발명의 또 다른 형태로서 (+)반경방향으로 돌출되어 있는 쇼울더들과 결합되기 위하여 (-)반경방향으로 돌출될 수도 있다.
도 17a 내지도 17f에는, 전극(100)과 음극(22)의 부가적인 실시예가 도시되어 있는데, 전극(100)과 음극(22)간 전기적 접촉 부근이 냉각되며 냉각유체가 전극(100) 및/또는 음극(10)을 통해 형성된 유체 통로가 적어도 하나 이상의 유체 통로를 통해 흐른다. 다음의 각 실시예에서, 유체 통로는 음극(22)이 전극(100) 내에 위치하는지 아니면 전극(100)이 음극(22) 내에 위치하는지에 따라 전극(100)이나 음극(22) 어느 쪽에 형성될 수가 있다. 따라서, 전극(100)을 통한 유체 통로에 대한 도면과 설명 또한 본 발명의 또 다른 태양에 따라 음극(22)을 통한 유체 통로 및 그 반대의 경우를 의미하는 것이라고 해석되어야 할 것이다.
도 17a 내지도 17b는 돌출된 내벽(251)을 정의하는 전극(100f)과 적어도 하나 이상의 스폿 리세스(spot recess)(253)를 정의하는 음극(22f)을 도시하고 있다. 따라서, 냉각유체는 음극(22f)의 말단부를 통해 흘러 스폿 리세스(253) 부근을 지나간다. 스폿 리세스들(253)은 전기적 접촉을 위해 도시된 바와 같이 음극(22f)의 원주면 둘레로 연속적이지 않으므로, 전극(100f)의 돌출된 내벽(251)은 음극(22f)의 외벽(23f)과 접촉한다. 따라서, 전극(100f)과 음극(22f)은 전술한 바와 같이 냉각과 전기적 접촉을 제공하는 인접 원주면을 정의한다.
도 17c는 제3 요소(255)가 음극(22g)과 전극(100g) 사이에 위치하여 전기적 접촉과 유체 통로를 제공하는 플라즈마 아크 발염방사장치(10)의 실시예를 도시하고 있다. 제3 요소(255)는 전극(100g)과 음극(22g) 모두에 전기적으로 접촉되어 있다. 따라서, 제3 요소(255)는 전도체이며 냉각유체가 말단 방향으로 흘러나갈 수 있도록 해준다. 예컨대, 제3 요소(255)는 기울어진 코일 스프링 또는 금속 소결체 등과 같은 다공질 전도체를 포함할 수도 있다.
도 17d를 참조하면, 전극(100h)은 냉각유체의 통과를 위하여 나선형 플루트(257)를 정의한다. 나선형 플루트(257)는 전극(100h)의 내면 주위로 그리고 그 내면을 따라 형성되며, 결과적으로 전극(100h) 주위에 다수의 보강재(rib)(259)가 형성되어 전극(100h)과 음극(22h)간 전기적 접촉을 제공한다. 따라서, 유체 통로는 나선형 플루트(257)를 포함하며 전술한 바와 같이 전극(100h)과 음극(22h)의 인접 원주면은 냉각 및 전기적 접촉을 제공한다.
도 17e의 또 다른 실시예서 도시된 바와 같이, 전극(100i)은 축방향 통로(266)와 전극(100i)의 인접면에 형성된 환형면(261)을 정의한다. 또한, 음극(22i)은 환형면(263)과 축방향 통로(266)와 유체를 전달하는 유체 통로(265)를 정의한다. 따라서, 환형면(261)은 전기적 접촉을 위해 인접 환형면(263)과 접해 있으며 전술한 바와 같이 냉각유체는 전극(100i) 내 축방향 통로(266)를 통과하고 전극(100i) 내 유체 통로(265)를 지나 전기적 접촉 부근을 냉각시켜준다.
도 17f를 참조하면, 전기적 접촉 부근을 냉각시켜주는 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 전극(100j)은 내부 챔버(267)와 내부 챔버(267)와 유체를 전달하는 기울어진 통로(269)를 정의한다. 또한 전극(100j)은 기울어진 통로(269)와 유체를 전달하는 컷아웃(271)을 정의한다. 동작 중, 냉각유체는 음극(22j)의 말단부를 통과하여 내부 챔버(267)로 흐른 다음, 전술한 바와 같이 인접 기울어진 통로(269)를 통과한다(도시 안함). 따라서, 음극(22j)과 전극(100j)간 전기적 접촉 부근을 냉각시킨다.
그러나 전기적 접촉 부근을 냉각시켜주는 플라즈마 아크 발염방사장치(10)의 또 다른 실시예가 도 18에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 전극(100k)이 전극 홀더(273)를 통해 음극(22k)에 고정되어 있다. 일반적으로, 전극 홀더(273)는 절연체이며 유체 통로를 정의하고 음극(22k)과 전기적으로 접촉되어 있는데, 전극(100k)는 장착수단으로서 당업계에서 흔히 알려진 방법을 사용하여 전극 홀더(273)에 고정되어 있다. 전극 홀더(273)는 전술한 바와 같이 리브(275)와 플루트(274)를 정의하는 것으로 도시되어 있는데, 그러나, 본 발명의 범위 내에서 본 명세서 도시 설명된 어떠한 유체 통로도 전극 홀더(273)와 결합될 수 있다. 따라서, 직접 음극(22k)과 전극(100k) 사이가 아닌 음극(22k)과 전극 홀더(273)간 전기적 접촉부근이 냉각된다.
화구 실시예
화구(102)도 도 19 내지 도 24f에 걸쳐 적절한 유체의 흐름과 전기적 접촉 및 부착을 위하여 다양한 형태를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이 전극(100)과 음극(22)과 유사하게, 화구(102)의 냉각이 화구(102)와 말단 양극부재(108) 또는 인접 양극 요소간 전기적 접촉 부근에 제공된다. 따라서, 화구(102)의 전기적 접촉 및 냉각과 관련하여 사용되는 인접 원주면, 부근 및 근접 영역이라는 용어는 전극(100)과 음극(22)과 관련하여 전술한 용어들에서와 같이 해석되어야 한다.
도 19 내지 도 23에 도시된 바와 같이, 화구(102a)의 한 형태로 화구는 화구(102a) 중심으로부터 옵셋돼 있고 인접 환형 리세스(280)을 통해 형성된 와류 홀(swirl hole)(282)을 갖는 인접 환형 리세스(280)를 포함한다. 따라서, 전술한 바와 같이 플라즈마 가스는 환형 리세스(280) 및 와류 홀(282)을 통과하여 플라즈마 챔버(172)로 들어간다. 또한, 화구(102a)는 0 링(도시 안함)을 수용하는 말단 환형 리세스(284)를 포함하며, 화구(102a)와 카트리지 몸체(106)(도시 안함)간 인터페이스를 씰링(sealing)한다.
도시된 바와 같이, 화구(102a)는 각각 냉각유체 통로와 말단 양극부재(108)와의 전기적 접촉을 제공하는 다수의 플루트(288)와 플루트들 사이에 위치하는 돌기 보강재(290)를 포함한다. 화구(102a)를 따라 흐르는 냉각유체는 플루트(288)를 통해 흐르며, 향상된 냉각을 위하여 화구(102a)와 말단 양극부재(108)간 인터페이스 부근에 상대적으로 높은 속도의 흐름을 제공한다. 따라서, 돌기 보강재들(290)은 말단 양극부재(108)와 접촉하여 플라즈마 아크 발염방사장치의 양극부재(즉, 화구(102a), 말단 양극부재(108), 중심 양극부재(109))를 통하여 전기적인 연속성을 제공한다. 따라서, 전술한 바와 같이 화구(102a)와 말단 양극부재(108)는 인접 원주면을 정의하며, 냉각 및 전기적 접촉이 제공된다.
도 24a 내지 도 24d를 참조하여, 화구(102)와 말단 양극부재(108)에 관한 추가적인 실시예가 도시되어 있으며, 화구(102)와 말단 양극부재(108)간 전기적 접촉부근을 냉각시키며 냉각유체가 화구(102) 및/또는 말단 양극부재(108)를 통해 형성된 적어도 하나 이상의 유체 통로를 통과한다. 다음의 각 실시예에서, 유체 통로는 화구(102) 및/또는 말단 양극부재(108) 내에 형성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 또 다른 태양으로서 화구(102)를 통한 유체 통로에 대한 도면과 설명도 말단 양극부재(108)를 통한 유체 통로를 의미하는 것으로 해석되어야 하며 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
도 24a 및 도24b는 적어도 하나 이상의 스폿 리세스(276)를 정의하는 화구(102a)와 돌출된 내벽(277)을 정의하는 말단 양극부재(108a)를 도시하고 있다. 따라서, 스폿 리세스(276)가 화구(102a)의 원주 주위에서 연속돼 있지 않으므로 냉각유체는 말단부의 스폿 리세스(276)를 통해 흐른다. 따라서, 말단 양극부재(108b)의 돌출된 내벽(277)은 전기적 접촉을 위하여 도시된 바와 같이 화구(102a)와 접촉되어 있다. 따라서, 전술한 바와 같이 화구(102a)와 말단 양극부재(108a)는 냉각 및 전기적 접촉 모두를 제공하는 인접 원주면을 정의한다.
도 24c는 제3 요소(279)가 화구(102c)와 말단 양극 부재(108c) 사이에 위치하여 전기적 접촉과 유체 통로 모두를 제공하는 플라즈마 아크 발염방사장치(10)의 일실시예를 도시하고 있다. 제3 요소(279)는 화구(102c)와 말단 양극부재(108c) 모두와 전기적으로 접촉되어 있다. 따라서, 제3 요소(279)는 전도체이며 냉각유체가 인접하는 곳에 걸쳐 흐르도록 해준다. 예컨대, 제3 요소(279)는 기울어진 코일스프링 또는 다공질 전도체를 포함할 수 있다.
도 24d를 참조하면, 화구(102c)는 냉각유체의 통과를 위하여 나선형 플루트(281)를 정의한다. 나선형 플루트(281)는 화구(102c)의 외면 주위로 그리고 그 외면을 따라 형성되며, 다수의 보강재(rib)(283)가 되어 화구(102c) 주위에 형성돼 전기적 접촉을 제공한다. 이와 유사하게, 나선형 플루트(281)는 여기서 설명된 바와 같이 화구(102c) 보다는 말단 양극부재(108) 내에 형성될 수 있다. 따라서, 유체 통로는 나선형 플루트(281)와 화구(102c)의 인접 원주면을 포함하며 전술한 바와 같이 말단 양극부재(108c)는 전기적 접촉 부근을 냉각시켜준다.
또한, 전극 홀더에 대하여 전술한 바와 같이 본 발명의 범위 내에서 화구 홀더도 채택될 수 있는데, 화구 홀더는 말단 양극부재(108)와의 전기적 접촉 부근의 냉각유체의 통과를 위하여 유체 통로를 포함한다. 따라서, 화구 홀더는 말단 양극부재(108)과 전기적으로 접촉되어 있는 인접 양극 요소이다.
이차계 캡(cap) 및 스페이서(spacer)
도 25a 및 도 25b를 참조하면, 본 발명의 일 태양으로 이차계 캡을 통한 이차계 가스의 흐름은 이차계 캡(112) 내에 형성된 와류 통로(swirl passageways)(300)를 이용하여 소용돌이친다. 바람직하게는, 와류 통로(300)는 도 13b에 도시된 바와 같이 이차계 캡(112)의 중심으로부터 옵셋되며 이차계 캡(112)과 쉴드캡(114)(도시 안함) 사이의 이차계 가스의 흐름을 위하여 통로를 형성한다. 이와 달리, 와류 통로(300)는 도 25b에 가장 잘 도시된 바와 같이 이차계 캡(112)을 통해 직접 형성될 수 있으며 마찬가지로 이차계 캡(112)의 중심으로부터 옵셋된다. 또한, 이차계 유출 통로들(171)은 도시된 실시예에서 축홀로 도시되어 있다.
이와 달리, 유출 통로들은 도 26a 내지 도 26c에 도시된 바와 같이 쉴드캡(114) 내에 또는 쉴드캡(114)과 이차계 캡(112) 사이에 형성될 수도 있다. 도 26a 내지 도 26c에 도시된 바와 같이, 이차계 가스 유출 통로들(173)은 바람직하게는 쉴드캡(114)의 측벽(175)을 따라 형성되며 이차계 캡(112)의 외면을 따라 말단 이차계 가스 통로(209)로부터 이차계 가스 일부를 안내한다. 따라서, 이차계 가스유출 통로(173)는 플라즈마 아크 발염방사장치(10) 동작 중 추가적인 냉각을 제공한다. 이와 달리, 이차계 가스 유출 통로(177)는 도 26c에 도시된 바와 같이 쉴드캡(114)과 이차계 캡(112) 사이에 제공될 수도 있다. 이와 유사하게, 이차계 가스유출 통로(177)는 이차계 캡(112)의 외면을 따라 말단의 이차계 가스 통로(209)로부터 이차계 가스의 일부를 안내하여 추가적인 냉각을 제공한다.
도 27a 도 27b를 참조하면, 와류 통로(302)는 또한 도시된 바와 같이 오히려 이차계 캡(112)을 통해서보다는 이차계 스페이서(116)를 통해 형성될 수도 있다. 와류 통로들(302)은 도시된 바와 같이 이차계 스페이서(116)의 측벽(303)을 통해 형성된다. 또한, 와류 통로들은 전술한 바와 같이, 이차계 스페이서(116)를 통하여 정상적으로 형성된 통로들과 같은 다른 형태나 구조가 이차계 가스를 소용돌이치는 데에 채택될 수도 있지만, 바람직하게는 이차계 스페이서(116)의 중심으로부터 옵셋된다.
소모성 카트리지(Consumable Cartridge)
지금까지 본 발명의 실시예에서, 도 28a 및 도 28b에 도시된 바와 같이 소모성 카트리지(310a)가 동작 중 교체의 효율성 및 용이성을 위해 제공된다. 일 태양으로서, 소모성 카트리지(310a)는 전극(312), 화구(314), 전극(312)과 화구(314) 사이에 위치한 스페이서(316), 카트리지 몸체를 이루는 양극부재(318)를 포함하며, 하나의 유닛으로 조립되어 제공된다.
도 29를 참조하면, 소모성 카트리지(310b)의 이차계 실시예는 바람직하게는 전술한 바와 같이 전극(312) 내에 형성된 저지구(320)를 사용하여 플라즈마 아크 발염방사장치(10)에 고정되며, 절연 캡(324) 내에 형성된 쇼울더(322)와 결합되어 있다. 절연 캡(324)은 음극(325)의 말단부에 고정되며, 전극(312)의 저지구(320)는 도시된 바와 같이 음극(325)와 접촉되어 음극의 일부 또는 전원장치의 음극을 형성한다. 따라서, 소모성 카트리지(310b)는 쉽게 설치되고 플라즈마 아크 발염방사장치(10)로부터 분리될 수 있다. 이와 달리, 소모성 카트리지(310b)는 중심 양극부재(109)(도시 안함)와 양극 몸체(20)(도시 안함) 사이와 같은 다른 연결과 관련하여 전술한 바와 같이 기울어진 코일 스프링(도시 안함)에 고정될 수도 있다.
발염방사장치 헤드 연결
도 30 내지 도 33b와 관련하여, 소모성 카트리지(16)는 계단형 카트리지 디자인(stepped cartridge design)(도 30, 31), 페이스 실 디자인(face seal design)(도 32a,b) 또는 스트레잇 카트리지 디자인(straight cartridge design)(도 33a,b)을 사용하여 인접 발염방사장치 헤드(12)에 고정된다. (냉각유체 통로를 도시하고 있는) 도 30과 (가스 통로를 도시하고 있는) 도 31에 도시된 바와 같이, 소모성 카트리지(16a)는 말단부에 발염방사장치 헤드(12a) 상에서 접하는 대응하는 스텝(step)(354)과 접해 끼워져 있는 다수의 스텝(352)을 정의한다. 또한, 4개의 O 링들(도시 안함)은 소모성 카트리지(16a)와 발염방사장치 헤드(12a)간 인터페이스를 씰링한다. 따라서, 소모성 카트리지(16a)와 발염방사장치 헤드(12a) 사이에 회전 얼라인먼트가 요구되지 않는 반면, 최소의 링으로도 용이하게 분리된다.
(냉각유체 통로를 도시하고 있는) 도 32a 및 (가스 통로를 도시하고 있는) 도 32b를 참조하면, 페이스 실 디자인은 또한 소모성 카트리지(16b)와 발염방사장치 헤드(12b) 사이에 채택되며, O 링들(340)은 소모성 카트리지(16b)의 인접 면과 발염방사장치 헤드(12b)의 말단 면 사이에 위치한다. 따라서, 상대적으로 콤팩트한 발염방사장치 헤드(12b)가 제공될 수 있다. 도 33a 및 도 33b에 도시된 본 발명의 또 다른 형태에서, 일련의 O 링들(342)이 발염방사장치 헤드(12c)와 소모성 카트리지(16c) 사이에 고리모양으로 위치하는 스트레잇 카트리지 디자인이 제공되며, 도시된 바와 같이 유체 통로들(344)이 O 링들(342) 사이에 위치한다.
또 다른 실시예에서, 소모성 구성요소들이 잠금 링(17d) 내에 위치한 볼 잠 금 메커니즘(ball lock mechanism)(360)을 이용하여 발염방사장치 헤드에 고정되며, 이에 대해서는 도 34a(연결) 및 도 34b(비연결)에서 보다 상세하게 도시돼 있다. 볼 잠금 메커니즘(360)은 소모성 구성요소(16d)들이 연결될 때 리세스(364) 내에 위치하는 볼들(362)을 포함한다. 소모성 구성요소(16d)를 분리시키기 위해서, 볼(362)이 (+)반경방향으로 잠금 링 리세스(366)로 이동하도록 잠금 링(17d)이 가까이 이동되며 소모성 구성요소(16d)는 발염방사장치 헤드에 대하여 말단부로 이동된다. 따라서, 소모성 구성요소들(16d)을 볼 잠금 메커니즘(160)을 채택함으로써 발염방사장치 헤드로부터 잠금 링(17d)으로 분리시킬 수 있다.
도35a와 35b에서 도시된 바와 같이, 다른 형태의 발염방사장치 헤드(12e)는 소모성 구성요소(16e)를 냉각유체와 플라즈마가스 이차계가스의 공급으로 적당하게 제어하기 위해서 제어벽(390)을 정의한다. 또한 발염방사장치캡(70e)는 발염방사장치 헤드(12e)와 소모성 구성요소(16e)를 적당히 위치시키기 위하여 발염방사장치 헤드 제어벽(390)과 교차하는 대응 제어벽(392)를 정의한다.
물질의 형태와 두께같은 작업특성에 따라서 플라즈마와 이차계에 사용되는 가스들은 다양하고 이들은 플라즈마 가스로서 질소(N2) 그리고 이차계 가스로서는 물(H2O) 등을 포함한다. 또 다른 예로, 아르곤(Ar), 수소(H2), 질소(N2)의 혼합물이 이차계 가스로서 질소(N2)와 함계 플라즈마가스의 대용으로 쓰인다. 추가적으로, 냉각유체는 바람직하게는, 물과 에틸린글리콜(H2O-enthylene glycol) 화합물 혹은 물 과 프로플린글리콜(H2O-propylene glycol) 화합물이다.
또 다른 플라즈마 아크 발염방사장치 실시예
본 발명에 따른 플라즈마 아크 발염방사장치의 다른 형태가 도36-38에서 도시된 바와 같이 참조번호(410)에 의해서 예시되고 표시된다. 플라즈마 아크 발염방사장치(410)는 플라즈마 아크 발염방사장치(410)의 앞단(414)에 위치한 플라즈마 아크 발염방사장치 헤드(412)(도37에 보다 상세히 도시되어 있음)와 발염방사장치헤드(412)에 결합되고 플라즈마 아크 발염방사장치(410)의 말단부에 위치한 다수의 소모성 구성요소(416)(도38에 보다 상세히 도시되어 있음)를 포함한다.
발염방사장치 헤드
특히 도 37과 관련하여, 발염방사장치 헤드(412)는 전력공급(미도시)의 양성측(positive side)과 전기적 교신관계에 있는 양극 몸체(420)와 전력공급의 음극쪽(negative side)과 전기적 교신관계에 있는 음극(422)을 포함한다. 음극(422)은 양극 몸체(420)로 부터 음극(422)을 절연시키기 위하여 중앙절연체(424)에 의해 둘러싸여 있으며, 음극(422)은 하우징(428)로부터 양극 몸체(420)를 절연시키기 위해서 외부절연체(426)에 의해 둘러싸여 있으며 여기서 하우징은 발염방사장치 헤드(412)와 그것의 구성요소들을 동작중 외부환경으로부터 보호한다.
발염방사장치 헤드(412)는 도면에 보여지는 바와 같이 냉각수공급관(430), 플라즈마가스관(432), 냉각수복귀관(434), 그리고 이차계가스관(435)와 이웃해 있 으며, 여기서, 플라즈마가스와 이차계가스는 아래에 좀 더 상세히 설명되는 바와 같이 동작중에 플라즈마 아크 발염방사장치(410)에 공급되고 냉각유체는 플라즈마아크 발염방사장치(410)에 공급되고 복귀된다.
음극(422)은, 바람직하게는, 발염방사장치 헤드(412)의 전단부(438)에서 냉각수공급관(430)과 유체교통하고 있는 중앙통로(436)를 갖는 실린더형관을 정의한다. 중앙통로(436)는 발염방사장치 헤드(412)의 말단부(444)에서 음극캡(440)과 냉각수관(442)과 유체교통하고 있다. 일반적으로, 음극캡(440)이 음극(422) 끝단을 보호하는 반면에, 냉각수관(442)는 냉각유체의 통과를 제공해 준다. 음극캡(440)은 음극캡(440)을 음극(422)에 결합시키기 위해서 음극(422) 안에 내부의 환상형홈(446)에 결합되는 환상형 쇼울더를 포함한다. 바람직하게는, 냉각수관(442)은 스테인레스스틸과 같은 내구력이 있는 물질로 형성하며 음극캡(440)은 절연성이 있으며 바람직하게는, 톨론(상표명 TorlonTM)과 같은 물질로 구성하거나 혹은 상대적으로 고온에서 동작할 수 있는 다른 물질 등으로 구성된다.
중앙절연체(424)는 바람직하게는 음극(422)을 애워싸는 내부통로(460)를 갖는 실린더형 관을 정의한다. 음극(422)은 플라즈마 아크 발염방사장치의 중앙의 길이축 X를 따라 음극(422)를 위치시키기 위해서 중앙절연체(424)의 가까운 내부쇼울더(464)와 이웃해 있는 가까운 외부쇼울더(462)를 정의한다. 중앙절연체(424)는 도시되어 있는 바와 같이 중앙부(468)을 따라 양극 몸체(420)안에 위치하고 냉각수공급관(430), 플라즈마가스관(432), 그리고 냉각수복귀관(434)을 수용하는 발염방사 장치캡(470)과 결합한다.
파일롯 리턴과 같은 전기신호의 전기적 연속성은 발염방사장치캡(470)과 양극 몸체(420)사이에 위치하는 접점(472)를 통해 제공된다. 접점(472)은 발염방사장치캡(470)과 양극 몸체(420)와 결합하는 말단부(478)에 형성되는 움푹파인 쇼울더(476)에 이웃하는 인접 플랜지(474)를 포함한다. 바람직하게는, 접점(472)은 양극몸체(420)에 치형결합(threaded)되지만 프레스나 솔더링같은 부착방법이 본 발명의 설명와 일치하여 사용될 수 있다.
또 다른 예로는, 파일롯리턴이나 다른 전기적 신호를 위한 전기적 연속성은 미국특허(U.S. Pstent No.6,163,008)에서 보여지는 바와 같이 쇼울더와 결합하는 저지구(detent)를 사용하는 양극 몸체(420)와 발염방사장치캡(470)사이에 인터페이스를 통해서 직접적으로 제공될 수도 있는데, 상기 미국특허의 내용은 본 발명에 참조병합되며 본 출원의 출원인에게 공동으로 양도되어 있다. 저지구는 발염방사장치캡(470)상에 병합되거나 혹은 양극 몸체(420) 또는 발염방사장치캡(470)상의 대응 쇼울더캡을 갖고 있는 양극 몸체(420)상에 각각 병합된다. 더 나아가 저지구는 결합과 해체가 상대적으로 단순하고 용이한 연결을 제공한다. 유사하게, 플라즈마 아크 발염방사장치(10) 내에 있는 구성요소들 간에 다른 연결이 본 발명의 범위안에서 저지구와 쇼울더를 도입하여 이루어진다.
소모성 구성요소
도38과 36에서 보다 상세히 보여지는 바와 같이, 소모성 구성요소(416)는 전극(500)과 화구(502) 사이에 위치하는 스페이서(504)와 화구(502) 및 전극(500)을 포함한다. 스페이서(504)는 음극성의 전극(500)과 양극성의 화구(502) 사이를 전기적으로 격리시키며 아래에 보다 상세히 설명되는 바와 같이 어떤 가스분배기능을 제공한다. 화구가이드(503)과 화구씰(tip seal)은 보여지는 바와 같이 화구(502)의 말단부에 위치하고 아래에 보다 상세히 설명되는 바와 같이 어떤 냉각유체배분과 씰링기능을 제공한다.
나아가, 소모성 구성요소(416)는 아래에 보다 상세히 설명되는 바와 같은 소모성 카트리지의 일부분이며 다른 소모성 구성요소(416)를 위치시키고 감싸는 카트리지 몸체(506)를 포함한다. 카트리지 몸체(506)는 플라즈마가스, 이차계가스, 그리고 냉각유체를 플라즈마 아크 발염방사장치(410)의 동작 중에 분배한다. 추가적으로 소모성 구성요소(416)는 화구(502)에 전기적 연속성을 제공함으로써 전력공급의 양성측 일부분을 형성하기 위해서 중앙양극부재(509)와 말단양극부재(508)을 포함한다. 격벽(510)은 아래에 보다 상세히 설명되는 바와 같이 냉각유체의 흐름을 위한 유체통로를 형성하는 말단 양극부재(508)과 쉴드캡(514)사이에 위치하여 보여진다. 더 나아가 소모성 구성요소(416)는 이차계가스의 배분을 위한 이차계캡(512)과 화구(502)로부터 이차계캡(512)을 분리시키고 이차계가스의 흐름을 유도하는 이차계 스페이서(516)를 포함한다. 잠금링(517)은 소모성 구성요소(416)의 근단부 주위에 배치되는데 상기 근단부는 소모성 구성요소(416)를 발염방사장치 헤드(412)에 결합시키기 위해서 사용된다.
전극(500)은 카트리지 몸체(506) 내에서 중앙에 위치하고 아래에 보다 상세히 설명되는 바와 같이 전극(500)의 내부(518)를 따라서 음극(422)과 전기적으로 접촉하고 있다. 전극(500)은 냉각수관(442)과 유체교통하는 말단캐비티(520)(distal cavity)와 플라즈마 아크 발염방사장치(410)의 중심길이축 X를 따라 적당히 위치하도록 스페이서(504)에 이웃하는 외부쇼울더(522)를 정의한다. 전극(500)은 음극(422)과의 전기적 접촉 직전에 냉각유체의 통과를 위한 최소한 하나 이상의 통로를 포함한다. 더 자세하게는, 전극(500)은 바람직하게는 다수의 보강재(521)와 보강재(521)사이에 위치하는 대응하는 다수의 플루트(523)를 포함하며, 상기 보강재(521)는 음극(422)과의 전기적 접촉을 제공하고 플루트(523)는 제1플라즈마 아크 발염방사장치(10)의 실시예에 관련하여 이전에 설명한 바와 같이 냉각유체의 통과를 마련해준다. 따라서, 전극(500)과 음극(422)은 이전에 설명한 바와 같이 전극(500)의 냉각이 전극(500)과 음극(422)사이의 전기적 접촉 직전 혹은 인접하여 마련되도록 인접 원주면들이 정의된다. 또한 전극(500)과 음극(422)은 이전에 설명된 바와 같이 다른 실시예들을 포함하고 있으며, 최소한 하나 이상의 유체통로가 적당한 냉각을 위해서 전기적 접촉 직전에 형성된다.
카트리지 몸체(506)는 플라즈마 아크 발염방사장치(410)의 중심길이축 X를 따라서 전극(500)을 적당히 위치시키기 위한 전극(500)의 근단부(526)의 이웃하는 내부환상형링(524)을 포함한다. 추가적으로, 카트리지 몸체(506)와 음극(422)간의 연결은 이전에 설명된 바와 같이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서 저지구와 쇼울더 등을 이용해서 얻어진다. 여러가지의 소모성 구성요소(416)를 위치시키는 것에 더해서, 카트리지 몸체(506)는 음극부재(예를들면, 음극(500))로부터 양극부재(예를 들면, 중앙양극부재(509))를 격리시킨다. 따라서, 카트리지 몸체(506)는 피이크(상표명 PEEKTM)와 같은 절연체 물질이거나 공지기술로서 알려진 고온에서 동작가능한 유사물질이다.
도38과 도39a-39d에 관련하여, 카트리지 몸체(506)는 다른 소모성 구성요소(416)를 위치시키는 것에 더해서 냉각유체, 플라즈마가스, 이차계가스들의 배분을 제공해준다. 아래에 보다 상세히 설명되는 냉각유체의 배분에 대해서 살펴보면, 카트리지 몸체(506)는 카트리지 몸체(506)를 통하고 카트리지 몸체(506)와 말단 양극부재(508)사이에 형성되는 내부냉각챔버(532)에 뻗치는 다수의 통로(530)와 중앙챔버(528)를 정의한다. 바람직하게는, 통로(530)는 전극(500)과 말단양극부재(508)사이에서 일어날 수도 있는 유전체 변형을 최소화시키기 위해서 중앙챔버(528)로부터 원거리방향쪽으로 방사상각도를 이루도록 형성된다. 이에 더하여, 외부축방향 통로(533)는 냉각유체의 복귀를 제공해주는 카트리지 몸체(506)에 형성된다, 또한, 외부축방향 통로(533)는 중앙양극부재(509)와 말단양극부재(508)를 따라서 위치하고 그 사이에 전기적 인터페이스에 근접하여 위치한다. 따라서, 외부축방향 통로(533)의 위치는 중앙양극부재(509)와 말단양극부재(508)의 냉각을 개선시켜준다. 소모성 카트리지(416)의 말단부 근처에 있는 외부유체통과(548)는 말단양극부재(508)와 격벽(510) 사이에 형성된다. 따라서 외부유체통과(548)는 아래에 보다 자세히 설명되는 바와 같이 냉각유체의 복귀를 위해서 외부축방향 통로(533)과 교통관계에 있다.
플라즈마가스의 분배에 대해서, 카트리지 몸체(506)는 카트리지 몸체(506)의 근접면(536)으로부터 그의 말단부(538)로 뻗어나가는 다수의 말단축방향 통로(534)(도38에 도시됨)를 정의하며 아래에 보다 상세히 설명되는 바와 같이 스페이서(504)에 형성되는 통로들과 플라즈마가스관(도시 안함)과 교통한다. 이에 더하여, 다수의 근접축방향 통로(540)는 아래에 자세히 설명된 바와 같이 이차계가스의 배분을 위해서 움푹들어간 근접면(542)으로부터 말단외부면(544)으로 뻗어있는 카트리지 몸체(506)를 통해서 형성된다. 더욱이, 카트리지 몸체(506)는 발염방사장치헤드(412)내의 카트리지 몸체(506)의 안착을 용이하게 해주는 스캘럽 모양의 근접원주(507)를 정의한다.
도36과 38에서 보여지는 바와 같이, 말단양극부재(508)는 카트리지 몸체(506)과 격벽(510)사이에 배치되고 근접부에 있는 중앙양극부재(509)와 말단부에 있는 화구(502)와 전기적으로 접촉해 있다. 더 나아가 중앙양극부재(509)는 양극몸체(420)의 말단부(546)와 전기적으로 접촉해 있다. 바람직하게는, 중앙양극부재(509)와 양극 몸체(420) 사이의 전기적인 접촉을 확보하기 위해서 근단부에 있는 저지구(549)를 정의하는 다수의 핑거(547)(도40에 잘 도시되어 있음)를 포함한다. 도시되어 있는 바와 같이 저지구(549)는 양극 몸체(420)의 말단부(546)위에 위치해있는 말단슬리이브(553)상에 형성되는 쇼울더(551) 위에 뻗어져 있다. 말단슬리이브(553)는 바람직하게는, 울템(상표명 ULTEMTM)과 같은 절연물질로 형성되고 양극 몸체(420)의 말단부(546)상에 눌러 고정된다. 저지구(549)는 미국특허(U.S. Patent No. 6,163,008)에 설명되어 있는 것들과 유사하며, 상기 미국특허의 내용은 본 발명에 참조병합되며 본 출원의 출원인에게 공동으로 양도되어 있다. 저지구(549)는 중앙양극부재(509)에 병합되거나 혹은 중앙양극부재(509) 또는 양극 몸체(420)위에 있는 대응쇼울더 및 캡을 가지고 있는 양극 몸체(420)에 각각 병합된다. 따라서 양극몸체(420), 말단양극부재(508), 중앙양극부재(509) 그리고 화구(502)는 플라즈마 아크 발염방사장치(410)에 대한 양극전위 혹은 양극을 형성한다.
도36, 38, 및 41과 관련하여, 축탭(566)은 말단양극부재(508)에 형성되며 축탭(566)은 저지구(567)를 정의하며 말단양극부재(508)과 중앙양극부재(509) 사이에 전기적 연속성을 마련하기 위해서 도면에 도시된 바와 같이 내측으로 바이어스된다. 말단양극부재(508)의 근단부는 중앙양극부재(509) 주위로 축탭(566)을 위치시키기 위해서 바깥쪽으로 뻗어있는 연장된 상부벽(569)을 정의한다. 도시된 바와 같이, 감금링(571)은 플라즈마 아크 발염방사장치(410)의 중앙길이축 X를 따라서 중앙양극부재(509)를 위치시키기 위해서 카트리지 몸체(506)의 중앙부주위에 배치된다. 따라서 축탭(566)과 연장된 상부벽(569)은 중앙양극부재(509)와 전기적인 접촉을 이루기 위해서 감금링(571)상으로 뻗어있다.
도36과 38과 관련해서, 쉴드캡(514)은 격벽(510)을 감싸고 있으며 이차계가스통로(550)가 그 사이에 형성된다. 일반적으로 동작 중에 이차계캡(512)을 빠져나가는 플라즈마 흐름을 안정화시키기 위해서, 아래에 보다 상세히 설명되고 있는 바와 같이, 이차계가스는 카트리지 몸체(506)에 형성된 근접 축방향 통로(540)로부터 이차계가스통로(550)로 흐르며 이차계캡(512)을 관통하여 흐른다. 쉴드캡(514)은 이차계캡(512)을 위치시키고 이차계캡(512)은 쉴드캡(514)의 내부쇼울더(554)와 결합하는 환상형쇼울더(552)를 정의한다. 이차계스페이서(516)는 화구(502)로부터 이차계캡(512)을 분리시키거나 절연시키며 동작 중에 플라즈마흐름을 안정화시키기 위해서 이차계가스를 배분한다. 바람직하게는, 이차계스페이서(516)는 화구씰(505)의 환상형쇼울더(558)에 접하는 근접면(556)과 말단면(560)과 각각 이차계캡(512)의 내부쇼울더(564)와 근접면(573)을 접하는 쇼울더(562)를 포함한다. 더 나아가서 이차계스페이서(516)는 화구씰(505)과 이차계캡(512)사이에서 이차계가스챔버(578)를 형성하며, 상기 이차계가스는 아래에 상세히 설명되는 바와 같이 플라즈마흐름을 안정화시키기 위해서 배분된다. 따라서, 이차계스페이서(516)는 이전에 설명한 바와 같이 이차계가스의 흐름을 유도하거나 바람직하게는 이차계 가스챔버(578)내로 빙빙돌려 보내는 이차계 가스통로(513)를 정의한다. 이차계캡(512)은 플라즈마흐름이 방출되는 중앙방출구(568)와 플라즈마흐름을 제어하는데 기여하는 움푹들어간 면(570)을 포함한다.
도38과 42에서 보여지는 바와 같이 화구가이드(503)와 화구씰(505)은 화구(502)의 말단부에 배치된다. 화구(502)는, 다른 화구 실시예에서 이전에 설명된 바와 같이, 다수의 플루트(579)와 융기된 리지(ridge)(581)를 정의하는 원추형 단부(577)를 포함하며, 상기 융기된 리지(581)는 전기적 접촉을 위해 말단양극부재(508)의 말단부에 접촉해 있고 플루트(579)는 아래에 상세히 설명된 바와 같이 동작중에 냉각유체의 통과를 위해 유체통로를 제공한다. 따라서 말단유체통로(580)는 화구(502)와 화구가이드(503) 사이에 그리고 화구가이드(503)와 화 구씰 사이에 형성되며 상기 화구가이드(503)는 냉각유체를 화구(502)를 지나는 방향으로 멀리 안내하고 아래에 보다 상세히 나타나 있는 바와 같이 냉각유체의 재순환을 돕는다.
도 42에서 가장 잘 보여지고 있는 바와 같이, 화구가이드(503)는 동작 중에 냉각유체를 적절히 안내하기 위해서 플루트(579) 내에 위치하는 방사형 탭(583)을 정의한다. 화구가이드(503)는 또한 화구(502)의 원추형 끝단부분(577)에 맞추도록 모양을 갖는 원추형 말단벽(585)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 화구씰(505)은 화구가이드(503)에 맞추기 위해서 원추형 말단부분(587)을 정의하며 이것은 말단 유체통로(580)의 형성하는 결과가 된다. 바람직하게는, 화구가이드(503)는 황동(brass)물질이며 화구씰(505)과 화구(502)는 텔루리움 구리 물질이다.
도38과 도43과 관련해서, 화구(502)는 피트(589)와 옵셋피트(591)을 포함하며 여기서 피트(589)는 보여지는 바와 같이 옵셋피트(591) 멀리 벗어나 뻗어있다. 화구씰(505)에 결합될 때, 피트(589)는 화구씰(505)의 상부환상면(601)을 결합하고 간극(603)이 업셋피트(591)와 화구씰(505)의 상부환상면(601) 사이에 형성된다. 따라서, 간극(603)은 재순환을 위해서 복귀되는 냉각유체의 흐름을 위해서 추가적인 공간을 제공한다. 보여지는 바와 같이, 화구는 화구씰(505)에 대해 화구(501)를 위치시키기 위해서 화구씰(505) 내부의 환상쇼울더와 결합하는 말단면(605)을 정의한다.
도38에서 보여지는 바와 같이, 화구(502)는 스페이서(504)에 의해 전극(500)으로부터 전기적으로 분리되며 이것은 플라즈마챔버(572)가 전극(500)과 화구(502)사이에 형성되는 결과를 낳는다. 스페이서(504)는 말단축방향 통로(534)로부터 플라즈마챔버(572)로 흘러들어가는 플라즈마가스를 소용돌이시키는 소용돌이통로(607)를 정의한다. 플라즈마 가스가 아래에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이 플라즈마챔버(572) 내에서 이원화될 때 플라즈마 아크 발염방사장치(410)의 동작 중에 플라즈마 흐름이 존재하는 중앙방출구(574)를 더 포함한다.
보여지는 바와 같이, 플라즈마 아크 발염방사장치(410)가 충분히 어셈블링될 때 잠금링(517)은 소모성 구성요소(416)를 발염방사장치 헤드(412)에 결합시킨다. 잠금링(517)은 바람직하게는, 치형연결을 통해 발염방사장치 헤드(412)에 결합되며, 잠금링(517)은 치형삽입부(519)를 포함한다. 바람직하게는, 치형삽입부(519)는 황동물질이고 잠금링(517)은 치형삽입부(519)상에 몰딩되는 열경화성 수지물질이다. 이와 달리, 소모성 구성요소(416)는 2001년 11월 9일에 출원된 미국출원번호 10/035,534에 기재된 바와 같이 이중피치잠금연결구를 사용해서 발염방사장치 헤드(412)에 결합될 수도 있으며, 상기 미국특허의 내용은 본 발명에 참조병합되며 본 출원의 출원인에게 공동으로 양도되어 있다.
냉각유체흐름
도44에 관계하여, 동작 중에, 냉각유체는 냉각수공급관(430)으로부터 음극(422)의 중앙통로(436)를 원거리로 통하고 냉각수관(442)을 통해서 전극(500)의 말단캐비티(520)로 흘러들어간다. 냉각유체는 상대적으로 고전류 고온하에 동작되는 전극(500)과 음극(422)에 냉각효과를 주기 위하여 음극(422)와 전극(500)의 플루트(523) 사이에 형성되는 인접캐비티를 인접하여 관통한다. 냉각유체는 계속해서 카트리지 몸체(506)에 있는 통로(530)에 근접하여 흐르며 냉각유체는 다시 통로(530)를 관통하여 흐르고 내부냉각챔버 속으로 흘러들어간다. 냉각유체는 다시 화구(502)에 냉각효과를 주기 위하여 상대적으로 고온 하에 동작하는 화구(502) 옆을 지나 흐른다. 보다 상세하게는 냉각유체는 화구(502)와 화구씰(505) 사이에서 화구가이드(503)에 의해 형성되는 말단유체통로(580)를 관통하여 흐른다. 냉각유체는 처음에는 화구(502)의 플루트(579)를 통해 멀리 흐르다가, 화구가이드(503)와 화구씰(505) 사이의 말단유체통로(580)를 근접하여 흐르게 하기 위해서 다시 화구가이드(503)의 말단부 주위로 방향을 바꿔서 흐른다. 냉각유체는 다시 격벽(510)과 말단양극부재(508) 사이에 형성된 외부 유체통로(548)를 통해서 흐르며 다시 카트리지 몸체(506)에 있는 외부축방향 통로(533)를 통해서 흐른다. 냉각유체는 다시 양극 몸체(420)에 형성된 축방향 통로(592)와 홈벽(590)을 인접하여 관통한다. 일단 냉각유체가 양극 몸체(420)의 인접쇼울더(593)에 도달하게 되면 유체는 냉각수 복귀관(434)을 관통하고 냉각수공급관(430)을 통한 재배분을 위해서 재순환된다. 결과적으로, 냉각유체흐름은 이전에 설명된 바와 같이 플라즈마 아크 발염방사장치(410)의 개량된 냉각과 동작을 위해서 동축형태의 흐름을 갖는다. 따라서, 냉각유체 흐름은 플라즈마 아크 발염방사장치(410)의 중앙길이축 X에 대해서 원주표면에 배분되고 동축형태의 흐름을 갖기 위해서 중앙길이축 X로 부터 같은 방향으로 어느 방사상 위치에서나 흐르게 된다.
플라즈마 가스 흐름
도45와 관련하여, 플라즈마 가스는 일반적으로 플라즈마가스관(432)으로부터 발염방사방치캡(470)을 통하고 양극 몸체(420)에 형성된 중앙캐비티(596)에 흘러들어간다. 플라즈마 가스는 다시 중앙절연체(424)의 홈이 파진 환상형 벽(425)을 통하고 카트리지 몸체(506)에 형성된 말단축방향 통로(534)에 흘러들어간다. 플라즈마 가스는 다시 전극(500)과 화구(502) 사이에 있는 스페이서(504)에 형성된 소용돌이통로(607)를 통해 흐른다. 플라즈마 가스는 다시 플라즈마 가스가 파일롯 아크에 의해서 이원화될 때 플라즈마흐름을 형성하기 위해서 플라즈마챔버(572)로 들어가고 플라즈마흐름은 화구(502)의 중앙방출구(574)와 이차계캡(512)의 중앙방출구(568)에서 방출한다. 이에 더하여, 플라즈마 가스 흐름은 이전에 설명한 바와 같이 동축형태의 흐름이며 플라즈마 가스는 발염방사장치의 중앙길이축에 대해서 원주면 상으로 배분되고 어느 방사형지역에서도 중앙길이축 방향으로부터 같은 방향으로 흐르게 된다.
이차계 가스 흐름
도36-38과 관련하여, 이차계 가스는 일반적으로 이차계 가스관(435)으로 부터 발염방사장치캡(470)을 통해 형성된 축방향 통로(602)를 통해서 주변을(distally) 흐른다. 그 후, 이차계 가스는 발염방사장치캡(470)과 양극 몸체(420) 사이에 있는 환상형챔버(595)를 통해서 외부를 향하여 방사상으로 흐르며 발염방사장치캡(470)과 하우징(428) 사이에 형성된 외부챔버(610) 속으로 계속해서 흘러들어간다. 이차계 가스는 다시 외부절연체(426)의 환상형연장부(608)를 통해서 형성된 축방향 통로(606)을 통해서 흐르고 카트리지 몸체(506)의 근접 축방향 통로(540)로 흘러들어간다. 이차계 가스는 다시 이차계 가스 통로(550)에 들어가고 격벽(510)과 쉴드캡(514) 사이를 말단 이차계 가스통로(609)를 통하고 이차스페이서(516)에 형성된 이차계 가스통로를 통해서 흐른다. 이차계 가스는 다시 화구(502)의 중앙방출구(574)로부터 존재하는 플라즈마 흐름을 안정화시키기 위해서 화구씰(505)과 이차계캡(512) 사이에 있는 이차계 가스챔버(578)로 들어간다. 이에 더하여, 이차계 가스 흐름은 이전에 설명한 바와 같이 동축형태의 흐름이며 이차계 가스는 발염방사장치의 중앙길이축에 관하여 원주표면상으로 배분되고 중앙길이축 방향으로부터 어느 방사상 위치에서나 같은 방향으로 흐른다.
동작
도36과 도44-46과 관련하여, 음극과 음전위는 음극(422)과 전극(500)에 의해서 수행되고 양극과 양전위는 양극 몸체(420)와 중앙양극부재(509) 말단양극부재(508) 그리고 화구(502)에 의해 수행되며 전력이 플라즈마 아크 발염방사장치(410)에 공급될 때 파일롯 아크는 플라즈마챔버(572) 내에서 전극(500)과 화구(502) 사이에 형성되는 간극에서 발생된다. 플라즈마 가스가 플라즈마챔버(572)에 들어가게 됨에 따라서 플라즈마 가스는 파일롯 아크에 의해서 이원화되며 플라즈마 흐름이 플라즈마챔버(572) 내에서 형성하도록 하고 화구(502)의 중앙방출구(574)를 통해서 흐르도록 하게 한다. 이에 더하여, 이차계 가스는 이차계가스챔버(578)로 흐르고 화구(502)의 중앙방출구에서 방출시 플라즈마 흐름을 안정화시킨다. 결과적으로, 매우 일정하고 안정적인 플라즈마 흐름이 고전류 고강도절단작업 환경을 위해서 이차계캡(512)의 증앙방출구(568)에서 방출된다. 플라즈마 아크 발염방사장치(410)은 도36-38에서 보여지는 바와 같이, 다수의 원형 형태의 링과 대응하는 원형형태의 슬롯을 포함한다. 원형 형태의 링은 일반적으로 유체통로 즉, 냉각유체, 플라즈마 가스 그리고 이차계 가스에 대한 통로들을 플라즈마 아크 발염방사장치의 동작중에 봉합하는데 이러한 기술은 당업자에게는 쉽게 이해될 수 있는 기술이다.
소모성 카트리지
도47a에서 47f를 참조하면, 본 발명은 일반적으로 카트리지 몸체(506)와 최소한 하나 이상의 소모성 구성요소를 포함하는 소모성 카트리지(650)를 제공한다. 예를 들면, 도47a에서 보여지는 바와 같이, 소모성 카트리지(650a)는 중앙양극부재(509), 전극(500), 화구(502a), 스페이서(504), 말단양극부재(508), 쉴드캡(514), 격벽(510), 화구가이드(503), 화구씰(505), 이차계캡(512), 이차계스페이서(516) 그리고 잠금링(517) 등이 일련의 원형링들을 따라서 구성되어져 있다. 소모성 카트리지(650)의 사용시, 하나 또는 그 이상의 소모성 구성요소를 교체할 필요가 있을 때, 개별적 소모성 구성요소를 한번에 하나씩 교체하기 보다는 소모성 구성요소의 빠르고 효율적인 교체를 위해 소모성 카트리지(650) 전체를 교체한다. 도 47b에서 보여지는 바와 같이, 소모성카트리지(650b)는 중앙양극부재(509), 전극(500), 화구(502), 스페이서(504), 말단양극부재(508), 월드컵(514), 격벽(510), 화구가이드(503), 화구씰(505), 이차계캡(512), 그리고 이차계스페이서(516)을 포함한다. 도47c에 있는 소모성 카트리지(650c)는 중앙양극부재(509)와 잠금링(517)을 포함한다. 도47d에 보여지는 소모성카트리지(650d)는 전극(500), 화구(502), 스페이서(504), 화구가이드(503), 화구씰(505), 이차계캡(512) 그리고 이차계 스페이서(516)를 포함한다.
도 47e와 관련하여, 소모성카트리지(650e)는 전극(500), 화구(502), 스페이서(504), 이차계캡(512) 그리고 이차계 스페이서(516)를 포함한다. 또한, 도47f에 있는 소모성카트리지(650f)는 중앙양극부재509), 전극(500), 화구(502), 스페이서(504), 말단양극부재(508), 쉴드캡(514), 격벽(510), 이차계캡(512) 그리고 이차계 스페이서(516)를 포함한다. 소모성 구성요소의 다른 조합들이 본 발명의 교시에 따라 적용될 수 있으며 여기에 예시된 특정 실시예는 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되지 말아야한다. 더욱이, 원형링들은 플라즈마 아크 발염방사장치 동작동안에 봉합을 위하여 소모성 카트리지(650)에서 보여지는 바와 같이 포함될 수 있다.
어셈블리
도48a-48h를 참조하여, 소모성 구성요소의 특정한 어셈블리들이 어셈블리를 용이하게 하기 위해서 그리고 플라즈마 아크 발염방사장치(410)의 보조를 위해 본 발명에 의해 제공된다. 예를 들면, 쉴드캡(514), 격벽(510), 그리고 말단양극부재(508)의 어셈블리가 쉴드캡어셈블리(660)로서 도48a에 나타나 있다. 바람직하게는, 쉴드캡 어셈블리(660)는 완전히 결합된 어셈블리로서 유져에게 제공되며 쉴드캡(514), 격벽(510) 그리고 말단양극부재(508)는 억지끼워맞춤(interference fit)을 통해 다른 것에 결합된다. 이에 더하여, 도48b는 화구어셈블리(662)를 보여주고 있으며, 화구(502)와 화구가이드(503)를 포함한다. 또 다른 화구 어셈블리(664)가 도48c에 나타나 있으며 화구(502), 화구가이드(503) 그리고 화구씰(505)을 포함한다.
도48d와 관련하여, 이차계스페이서어셈블리(666)는 화구씰(505), 이차계스페이서(516) 그리고 이차계캡(512)를 포함한다. 전극어셈블리(668)는 도48e에 보여지며 전극(500)과 스페이서(504)를 포함한다. 나아가 카트리지어셈블리(670)은 도 48f에 보여지며 카트리지 몸체(506), 중앙양극부재(509), 그리고 잠금링(517)을 포함한다. 또 다른 카트리지어셈블리(674)가 도 48g에 보여지며 카트리지 몸체(506)과 중앙양극부재(509)를 포함한다. 다른 어셈블리들의 조합이 본 발명의 교시에 따라 적용될 수 있으며 여기에 예시된 특정한 실시예들은 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되지 말아야 한다. 더욱이, 원형링들은 플라즈마 아크 발염방사장치 동작동안에 봉합을 위하여 몇몇 어셈블리들 중에서 보여지는 바와 같이 포함될 수 있다.
여기에서 이용되는 바와 같이 소모성카트리와 어셈블리들은 여기에 예시된 소모성 구성요소의 실시예들의 모든 조합이 포함된다. 따라서, 여기에 설명된 소모성카트리지와 어셈블리들은 특정한 플라즈마 아크 발염방사장치(410)의 일부분으로서 공개된 소모성 구성요소로 제한되어 해석되지 말아야 한다.
발염방사장치 헤드 연결
도49와 관련하여, 소모성 구성요소(416)는 이전에 설명된 바와 같이 잠금링(517)과 치형결합을 이용해서 발염방사장치 헤드(412)에 장착된다. 완전히 결합되었을때, 외부절연체(426)의 말단면(640)은 카트리지 몸체(506)의 홈이 있는 근접면(542)에 인접하여 배치된다. 따라서, 환상형챔버(682)는 외부절연체(426)의 말단면(680)와 카트리지 몸체의 홈이 있는 근접면(542)사이에 형성된다. 따라서, 외부절연체(426)의 축방향 통로(606)를 통해서 흐르는 이차계 가스는 카트리지 몸체(506)의 근접 축방향 통로(540)를 통한 통과를 위해서 환상형챔버(682) 주위로 분배한다. 따라서, 이차계가스는 발염방사장치 헤드(412)와 소모성 구성요소(416) 사이를 발염방사장치 헤드(412)와 관련하여 소모성 구성요소(416)의 회전식 배치와 관계없이 흐른다.
유사하게, 중앙절연체(424)의 홈이 있는 환상형벽들(425)은 카트리지 몸체의 근접면(536)에 근접하여 배치된다. 따라서, 환상형챔버(692)는 중앙절연체(424)의 홈이 있는 환상형벽(425)과 카트리지 몸체(506)의 근접면(536) 사이에 형성된다. 따라서, 중앙절연체(424)의 홈이 있는 환상형벽(425)을 통하는 플라즈마 가스는 카트리지 몸체(506)에 형성된 말단축방향 통로(534)를 관통시키기 위하여 환상형 챔버(692) 주위에 배분된다. 결과적으로, 이차계 가스는 발염방사장치 헤드(412)와 소모성 구성요소(416) 사이를 발염방사장치 헤드(412)와 관련하여 소모성 구성요소(416)의 회전식 배치와 관계없이 흐른다.
이차계 가스와 플라즈마 가스 흐름과 유사하게, 회전식 배치와 상관없는 발염방사장치 헤드 연결은 냉각유체흐름 복귀를 제공한다. 보여지는 바와 같이, 양극몸체(420)의 외부 말단면(700)은 카트리지 몸체(506)의 외부 근접면(702)에 근접하여 배치된다. 따라서, 환상형챔버(704)는 양극 몸체(420)의 외부 말단면(700)과 카트리지 몸체(506)의 외부 근접면(702)사이에 형성된다. 따라서, 카트리지 몸체(506)의 외부축방향 통로(533)를 통해 흐르는 냉각유체는 홈이 있는 벽(590)과 양극몸체(422)에 형성된 축방향 통로(592)를 통과시키기 위해서 환상형챔버(704) 주위에 배분된다. 결과적으로, 냉각유체는, 발염방사장치 헤드(412)와 관련해서 소모성 구성요소(416)의 회전식 배치와 관계없이, 소모성구성요소(416)와 발염방사장치 헤드(412) 사이에서 흐른다. 따라서, 근접요소(양극몸체(420), 외부절연체(426))와 말단요소(카트리지 몸체(506))는 근접요소와 말단요소가 결합될 때 최소한 하나 이상의 챔버를 정의하도록 구성된다. 근접요소와 말단요소의 회전식 배치와 관계없이 유체통로간에 유체연결을 이루기 위해서 챔버는 말단요소에 있는 최소한 하나 이상의 유체통로와 근접요소를 통하여 근접요소와 관통하는 최소한 하나 이상의 유체통로들과 교통하고 있다.
이에 더하여, 파일롯 리턴(800)은 플라즈마 아크 발염방사장치(410)의 근접끝단에 위치하고 양극 몸체(420)와 대면 접촉하여서 전기적 연결이 소모성 구성요소(416)의 회전식 배치와 관계없이 만들어진다. 더욱이, 양극 몸체(420)와 중앙양극부재(509) 사이의 전기적 연결은 중앙양극부재(509)상의 저지구(549)의 사용과 함께 이루어지는 회전식 배치와 상관없이 만들어진다. 따라서, 전기적 연결과 유체연결은 모두 회전식 배치와 관계없는 본 발명에 의해서 제공된다.
여기에 설명된 발염방사장치 헤드 연결은 여기에서 설명된 다른 플라즈마 아크 발염방사장치 실시예와 함께 적용될 수 있다. 따라서, 계단형 카트리지 디자인(도30, 31), 면봉합 디자인(도32a,b), 일직선 카트리지 디자인(도33a,b), 혹은 볼 잠금 매카니즘(도34a,b) 등과 같이 이전에 설명된 발염방사장치 헤드 연결은 본 발 명의 범위를 유지하는 한 여기에서 개시된 여러가지 플라즈마 아크 발염방사장치 실시예와 함께 적용될 수 있다. 따라서, 발염방사장치 헤드 연결은 플라즈마 아크발염방사장치(410)와 같은 어느 특정 아크발염방사장치 실시예에 한정되어 해석되지 말아야 한다.
더욱이, 여기서 설명한 각각의 소모성 구성요소 실시예(전극(100a-100k, 화구102a-102c)들은 특정 플라즈마 아크 발염방사장치 실시예에 한정되지 말아야 한다. 예를 들면, 전극 실시예 중에 하나가 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 선택적인 플라즈마 아크 발염방사장치(410)에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예 각각은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 여기에서 설명된 어느 플라즈마 아크 발염방사장치에 적용되어질 수 있다.
또 다른 플라즈마 아크 발염방사장치 실시예
본 발명에 따라 플라즈마 아크 발염방사장치의 또 다른 예가 도50의 참조번호 810에 의해 표시되어 있다. (단지 플라즈마 아크 발염방사장치(810)의 어떤 소모성 구성요소가 설명을 목적으로 예시되어 있다). 플라즈마 아크 발염방사장치(810)의 동작은 동축형태의 흐름, 플라즈마와 이차계가스의 배분, 여러가지 소모성 구성요소 실시예, 소모성 카트리지 사용, 어셈블리, 발염방사장치 헤드의 연결 등과 함께 이전에 설명된 것들과 매우 유사하다. 그러나, 플라즈마 아크 발염방사장치(810)는 전극(814)과 화구(816) 사이에 절연스페이서(812)를 포함한다. 상기 절연스페이서(812)는 이전에 설명한 바와 같이 화구(816)으로 부터 전극(814)를 이격시키고 절연시키는 스페이서(818) 내에 위치한다. 따라서, 파일롯 아크가 참조번호(820)에 의해 표시된 바와 같이 전극(814)와 화구(816) 사이에 화구(816)의 근접단 근처에서 발생되지 않도록, 전극 스페이서(812)는 음극(814)과 양극성의 화구(816)사이에 절연체 특성을 증가시킨다. 파일롯 아크는 참조번호(822)에 의해 나타난 바와 같이 전극(814)의 말단부 근처에서 형성된다. 바람직하게는, 절연스페이서(812)는 플루오로신트(상표명 FluorosintTM) 물질로 형성된다.
본 발명의 기술은 단순히 예시적인 것이며, 따라서 발명의 주요내용으로부터 벗어나 있지 않은 변경은 본 발명의 범위 내에 귀속되는 것으로 한다. 예를 들면, 도51에서 보여지는 바와 같이 여러가지 본 발명의 실시예가 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 유체제어시스템(914), 동작제어시스템(916), 아크 스타터(918), 그리고 중앙제어시스템(920)을 포함하는 플라즈마 아크 발염방사장치 절단시스템 (912)내에서 플라즈마 아크 발염방사장치(910)에 적용 시킬 수 있다. 그러한 변형은 본발명의 정신과 범위를 벗어나지 않는 것으로 간주된다.

Claims (47)

  1. 양극소자의 원주면에 인접한 또 다른 원주면으로 구성되고, 플라즈마 아크 발염방사장치의 인접 양극소자와의 사이에 진기적 접촉과 유체의 통과를 위해 형성되며, 상기 인접 원주면은 전기적 접촉과 유체의 통과를 제공하는 것을 특징으로 하는 화구(tip).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 화구는 하나 또는 다수의 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 화구(tip).
  3. 제2항에 있어서,
    상기 통로는 상기 화구에 형성된 하나 또는 다수의 스폿 리세스(spot recess)를 포함하는 것을 특징으로 하는 화구(tip).
  4. 제2항에 있어서,
    상기 통로는 화구상에 형성된 나선형 플루트를 포함하는것을 특징으로 하는 화구(tip).
  5. 제2항에 있어서,
    상기 통로는 화구상에 형성된 축방향의 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 화구(tip).
  6. 제1항에 있어서,
    상기 화구는 전기적 접촉을 위한 하나 또는 다수의 융기된 리지(ridge)와 유체의 통과를 위한 하나 또는 다수의 플루트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화구(tip).
  7. 제6항에 있어서,
    상기 플루트와 융기된 리지들은 화구의 외부를 따라 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 화구(tip).
  8. 제7항에 있어서,
    상기 플루트와 융기된 리지들은 화구의 말단부 주위에 일정하게 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 화구(tip).
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 화구는 플라즈마 가스를 유도하는 통로를 정의하는 리세스(recess)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화구(tip).
  10. 제1항에 있어서,
    플라즈마 아크 발염방사장치의 인접 구성요소와의 결합을 위한 저지구(detent)가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 화구(tip).
  11. 동축 유체 흐름을 위해 형성되고, 상기 동축 유체 흐름은 멀리서 화구 방향으로 흐르는 원류흐름 (distal flow)과 화구로부터 가까이 흐르는 근류흐름 (proximal flow)을 포함하고, 화구의 말단 외부에서 원류흐름을 근류흐름으로 안내 하는 것을 특징으로 하며, 플라즈마 아크 발염방사장치에 사용되는 화구(tip).
  12. 제11항에 있어서,
    화구는 인접 양극소자와의 전기적 접촉을 위해 형성되고, 유체는 전기적 접촉 발생 직전에 흐르게 되는것을 특징으로 하는 화구(tip).
  13. 제12항에 있어서,
    상기 화구는 유체의 통과를 위한 하나 또는 다수의 통로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화구(tip).
  14. 하나 또는 다수의 통로와 양극소자의 원주면에 인접한 또 다른 원주면을 포함하며, 플라즈마 아크 발염방사장치의 양극소자와의 전기적 접촉을 위해 형성되며, 냉각유체는 전기적 접촉 발생 시점에 인접하여 냉각시키기 위해 통로를 통해 통과하며 인접 원주면은 전기적 접촉을 제공하는 것을 특징으로 하는 화구(tip).
  15. 플라즈마 아크 발염방사장치의 양극소자와의 전기적 접촉을 위해 형성되고, 양극소자는 화구 말단에 위치하며, 유체의 통과를 위해 양극소자와 화구 말단 사이에 형성된 하나 또는 다수의 통로를 구비하는 것을 특징으로 하는 유체 냉각 화구(tip).
  16. 플라즈마 아크 발염방사장치의 양극소자와의 전기적인 접촉과 전기적 접촉 발생 직전에 냉각유체의 통과를 위하여 형성된 화구(tip)에 있어서:
    하나 또는 다수의 플루트; 그리고
    플루트에 인접하여 위치한 하나 또는 다수의 융기된 리지; 를 포함하며,
    상기 융기된 리지는 전기적 접촉을 위해 양극소자에 접촉하고 상기 냉각유체는 전기적 접촉 직전에 냉각시키기 위해서 플루트를 관통하는 것을 특징으로 하는 화구(tip).
  17. 플라즈마 아크 발염방사장치의 양극소자와의 전기적인 접촉과 전기적 접촉 발생 직전에 냉각유체의 통과를 위하여 형성된 화구(tip)에 있어서:
    다수의 플루트; 그리고
    플루트 사이에 위치한 다수의 융기된 리지; 를 구비하며,
    상기 융기된 리지들은 전기적 접촉을 위하여 양극소자에 접촉하고 상기 냉각유체는 전기적 접촉 직전에 냉각시키기 위하여 플루트를 관통하는 것을 특징으로 하는 화구(tip).
  18. 플라즈마 아크 발염방사장치의 양극소자와의 전기적인 접촉과 전기적 접촉 발생 직전에 냉각시키기 위하여 냉각유체의 통과를 위해 형성된 화구(tip)에 있어서:
    다수의 외부 융기 리지; 그리고
    상기 다수의 외부 융기 리지 사이에 위치한 다수의 외부 플루트; 를 구비하며,
    상기 융기 리지는 양극소자와의 전기적 접점과 냉각유체의 일부분의 흐름을 제공해주고, 상기 다수의 플루트는 냉각유체의 나머지 부분의 흐름을 제공하는 것을 특징으로 하는 화구(tip).
  19. 제18항에 있어서,
    상기 화구는 화구의 말단부에 위치한 다수의 피트(feet)와 오프셋피트(offset feet)를 포함하며, 상기 오프셋피트는 화구의 개량된 냉각을 제공하는 것을 특징으로 하는 화구(tip).
  20. 화구의 인접한 주변경계면 과 인접한 양극소자간에 전력을 전달하는 수단; 그리고,
    상기 전력을 전달하는 수단에 인접한 양극소자와 화구의 인접한 주변경계면간에 유체를 전달하는 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하며, 플라즈마 아크 발염방사장치에 사용되는 화구(tip).
  21. 원주면을 정의하는 양극소자; 그리고
    상기 양극소자와의 전기적 접점 및 상기 양극소자와 화구간에 유체의 통과를 위하여 형성되는 화구; 를 포함하며,
    상기 화구는 상기 양극소자의 원주면에 인접한 또 다른 원주면을 정의하고, 상기 인접한 원주면들은 전기적 접촉과 유체의 통과를 제공하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발염방사장치.
  22. 제21항에 있어서,
    하나 도는 다수의 통로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발염방사장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 통로는 상기 양극소자에 형성된 플루트를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발염방사장치.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 통로는 상기 양극소자와 화구상에 형성된 플루트를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발염방사장치.
  25. 제22항에 있어서,
    상기 통로는 상기 화구에 형성된 하나 또는 다수의 스폿 리세스를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발염방사장치.
  26. 제22항에 있어서,
    상기 통로는 상기 화구와 양극소자 사이에 위치하는 제3의 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발염방사장치.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 제3의 요소는 다공질 전도체 물질인 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크발염방사장치.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 제3의 요소는 경사진 코일 스프링인 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크발염방사장치.
  29. 제22항에 있어서,
    상기 통로는 화구에 형성된 나선형 플루트를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발염방사장치.
  30. 제22항에 있어서,
    상기 통로는 화구에 형성된 축방향의 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발염방사장치.
  31. 제22항에 있어서,
    상기 통로는 상기 양극소자에 형성된 축방향 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발염방사장치.
  32. 제21항에 있어서,
    상기 화구는 하나 또는 다수의 융기된 리지(ridge)와 하나 또는 다수의 플루트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발염방사장치.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 플루트와 융기된 리지는 상기 화구의 외부를 따라 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발염방사장치.
  34. 제32항에 있어서,
    상기 플루트와 융기된 리지는 상기 화구의 말단부 주위에 일정하게 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발염방사장치.
  35. 제32항에 있어서,
    상기 플루트는 구멍부에 냉각을 제공하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발염방사장치.
  36. 제21항에 있어서,
    상기 화부는 플라즈마 가스를 유도하는 통로를 정의하는 리세스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발염방사장치.
  37. 제21항에 있어서,
    상기 화구는 플라즈마 아크 발염방사장치의 인접 구성 요소에 결합을 위한 저지구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발염방사장치.
  38. 양극소자; 그리고
    양극소자에 인접하여 배치되고 동축 유체 흐름을 위해 형성된 화구; 를 포함하며,
    상기 유체는 화구에 의해 멀리서 화구의 말단 외부로 흐르다가 화구로부터 가까이 흐르도록 안내되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발염방사장치.
  39. 원주면을 정의하는 양극소자; 그리고
    상기 양극소자와의 전기적 접촉을 위해 형성된 화구(tip); 를 구비하며,
    상기 화구는 상기 양극소자의 원주면에 인접한 또 다른 원주면과 하나 또는 다수의 통로를 포함하며, 냉각유체는 전기적 접촉 발생 직전에 냉각시키기 위하여 통로를 관통하고 상기 인접한 원주면들은 전기적 접촉을 제공하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발염방사장치.
  40. 양극소자; 그리고
    화구의 말단에 위치한 상기 양극소자와의 전기적 접촉을 위해 형성된 유체냉각 화구; 를 구비하며,
    상기 화구는 상기 유체의 통과를 위해 상기 양극소자와 화구의 말단간에 형성된 하나 또는 다수의 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발염방사장치.
  41. 양극소자; 그리고
    상기 양극소자와의 전기적 접촉과 상기 전기적 접촉 직전에 냉각유체를 통과시키기 위해서 형성된 화구; 를 포함하며,
    상기 화구는 하나 또는 다수의 플루트와 상기 플루트에 인접하여 배치된 하나 또는 다수의 융기된 리지를 포함하며,
    상기 융기된 리지는 전기적 접촉을 위해 상기 양극소자와 접촉하고 상기 냉각유체는 전기적 접촉 직전에 냉각시키기 위하여 플루트를 관통하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발염방사장치.
  42. 양극소자와;
    상기 양극소자의 단말부에 위치하고 상기 양극소자와 전기적인 접촉에 있는 화구 홀더; 그리고
    상기 화구 홀더와 전기적인 접촉을 위해 형성한 화구; 를 구비하며,
    냉각 유체가 상기 화구 홀더를 통하고 상기 화구 홀더와 화구간에 전기적 접촉 인접 영역을 따라 통과하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발염방사장치.
  43. 화구의 인접한 원주면들과 인접한 양극소자간에 냉각유체와 전력을 안내하는 단계를 포함하며, 상기 인접 원주면들은 전기적 접촉과 유체의 통과를 제공하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발염방사장치를 동작 시키는 방법.
  44. 화구와 인접 양극소자간에 동축으로 유체를 전달하는 단계를 포함하며, 상기 유체는 화구에 의해 멀리서 화구의 말단 외부로 흐르다가 화구로부터 가까이 흐르도록 안내되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발염방사장치 동작 방법.
  45. 화구를 따라 정의되는 하나 또는 다수의 통로를 통해 냉각유체를 안내하는 단계; 그리고
    상기 화구와 인접 양극소자의 인접 원주면들을 따라 전력을 안내하는 단계; 를 포함하며, 상기 냉각유체는 전기적 접촉 직전에 냉각시키기 위하여 상기 통로를 관통하고 인접 원주면들은 전기적 접촉을 제공하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발염방사장치 동작 방법.
  46. 화구와 화구의 말단에 위치한 인접 양극소자간에 전력을 전달하는 단계; 그리고
    상기 양극소자와 상기 화구의 말단 간에 형성된 하나 또는 다수의 통로를 통하여 유체를 전달하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 냉각 플라즈마 아크 발염방사장치 동작 방법.
  47. 화구와 인접한 양극소자간에 전기적 연결이 되기 직전에 화구를 따라 정의되는 다수의 플루트를 통해 냉각유체를 안내하는 단계; 그리고
    상기 다수의 플루트간에 위치한 다수의 보강재를 통하여 전력을 안내하는 단계; 를 포함하며, 상기 보강재는 상기 양극소자와 전기적으로 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발염방사장치 동작 방법.
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