KR101315587B1 - 향상된 관통 성능을 위한 액체 냉각식 쉴드용 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

토치를 향해 튀는 용융 금속을 생성하는 금속성 공작물을 관통 및 절단하는 플라즈마 아크 토치용 쉴드가 제공되는바, 쉴드는 튀는 용융 금속으로부터 플라즈마 아크 토치의 소모성 부품을 보호한다. 쉴드는 바디, 가스 유동에 의해 접촉-냉각되도록 구성되는 바디의 제 1 표면, 액체 유동에 의해 접촉-냉각되도록 구성되는 바디의 제 2 표면, 및 바디에 고정되도록 구성되며 제 2 표면을 접촉-냉각하는 액체 유동을 유지하도록 구성되는 제 2 표면에 대해 배치되는 밀봉 조립체를 포함할 수 있다.

Description

향상된 관통 성능을 위한 액체 냉각식 쉴드용 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR A LIQUID COOLED SHIELD FOR IMPROVED PIERCING PERFORMANCE}

본 발명은 일반적으로 플라즈마 아크 토치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 플라즈마 아크 토치의 소모품을 보호하기 위한 쉴드(shield)에 관한 것이다.

현대 플라즈마 아크 토치의 기본 구성요소는 토치 바디, 바디 내에 장착되는 전극(예를 들면, 음극), 상기 전극에 대한 파일럿 아크를 생성하여 적절한 가스(예를 들면, 질소 또는 산소)의 유동 내에 플라즈마 아크를 개시하는 중앙 오리피스 및 관련 전기 연결부 및 냉각용 통로를 구비하는 노즐(예를 들면, 음극), 및 아크 제어 유체를 포함한다.

플라즈마 아크 토치를 사용하여 금속을 관통하는 방법에 있어서, 중요한 설계상 고려사항은, 노즐을 파괴할 수 있는, 토치 상으로의 컷 커프 백(cut kerf back)으로부터의 용융 금속의 분출이다. 이러한 파괴에는 두 가지 주요 모드가 있다. 먼저, 컷 커프로부터 분출된 용융 금속은 플라즈마 제트를 방해하여 그가 노즐을 찌르도록(gouge) 할 수 있다. 둘째, 용융 금속은 노즐의 전방 표면에 고형화하여 들러붙을 수 있으며, 결국 노즐과 공작물 사이에 전기적 브리지를 유발한다. 이는 노즐의 수명을 급격하게 감소시킬 수 있는 "더블 아킹(double arcing)"을 초래한다.

용융 금속의 분출에 의해 생성되는 가우징(gouging) 및 더블 아킹을 해결하기 위한 몇 가지 방식이 제공된 바 있다. 고 전류 플라즈마 절단 토치(예를 들면, 200 암페어 및 그 이상)에 있어서, 물 분사 냉각 기능을 갖는 다중-조각(multi-piece) 노즐을 사용하는 해결 방안이 제시된 바 있다. 이러한 방식의 통상적인 노즐은 하이퍼썸사(Hypertherm, Inc.)에 의해 제조된 것으로서, Hypertherm Models HT400 및 PAC500이 있으며, 노즐의 전면은 세라믹으로 만들어진다. 이러한 장치는 (1) 세라믹 노즐 표면이 비-전도성이며 그에 따라 더블 아킹을 유발하지 않을 것이며, (2) 노즐이 세라믹 배리어에 의해 보호되기 때문에 가우징 및 더블 아킹을 제어한다. 또한, 세라믹 노즐 조각을 냉각함으로써 및 관통 중에 분출되는 용융 금속을 수증기 냉각함으로써 작동되는 물의 우수한 냉각 특성은 용융 금속이 세라믹 요소에 결합 및 융착하거나, 심각한 경우, 세라믹을 공격하는 것을 억제한다. Model PAC500으로 하이퍼썸사에 의해 판매되는 노즐과 유사한 고-전류, 다중-요소 노즐은 세라믹 노즐 조각으로서 방사상 물 분사 방식이지만, 세라믹 노즐 조각은 구리로 된 전면 조각에 의해 대체된다. 절연 요소는 노즐 요소를 분리하여 노즐의 전방이 전기적으로 부유(floating)하도록 한다. 구리는 세라믹보다 쉽게 냉각되며 내구성이 훨씬 우수하므로, 노즐의 수명을 연장한다.

몇몇 경우에 있어서, 세라믹 절연 슬리브는 노즐을 보호하도록 노즐 외면에 부착된다. 이는 소위 "쉴드 컵(shield cup)"이라 불린다. 이것의 주요 목적은 노즐-공작물 접촉이 더 이상 없도록 하는 것이다. 작업자는 더블 아킹 없이 토치를 공작물 상에 접촉하거나 끌고 갈 수 있다. 이러한 세라믹 슬리브는, 그러나, 용융 금속 스플래터(splatter)에 대한 관통 도중 및 이로 인한 가우징 및 더블 아킹 문제에 대해 어떤 보호도 제공하지 못한다. 또한, 세라믹 쉴드는 (1) 취성이어서 쉽게 부서지며, (2) 수냉에 대한 보호 수단이 없는 세라믹 쉴드는 절단부로부터 분출되는 용융 금속에 의해 공격받는다.

수냉식 플라즈마 아크 토치의 냉각 소모품(예를 들면, 쉴드)은 안전상의 이점을 가질 수 있다. 액체 냉각 없이도, 소모품은 사용 중에 안전 문제를 제기할 수 있는 극한의 고온에 도달할 수 있다. 무손실 냉각 시스템은 건식 플라즈마 및 건식 절단 테이블의 사용을 가능하게 한다. 건식 테이블은 감소한 찌꺼기 및 독성 폐기물로서 고려될 수 있는 사용된/오염된 물의 폐기 필요성의 제거로 인해 바람직할 수 있다.

본 발명은 낮아진 온도에서 작동하며 쉴드의 노출된 표면상의 슬래그(slag) 형성을 억제하여 쉴드의 유효 수명을 연장하고 플라즈마 아크 토치의 절단 품질을 높이는 가스 및/또는 액체 냉각식 쉴드를 사용하여 전술한 문제점을 극복할 수 있다. 예를 들면, 쉴드 상의 슬래그의 형성 및 성장은 토치의 초기 높이를 규정하는데 영향을 줄 수 있는바, 이는 플라즈마 아크 토치의 절단 품질에 영향을 미칠 수 있다. 쉴드 상의 슬래그의 형성은 또한 쉴드의 환기 구멍 및/또는 오리피스를 막아서 쉴드의 절단 품질 및 수명에 영향을 미친다(예를 들면, 쉴드를 냉각하는 능력에 영향을 미침으로써). 쉴드 상의 슬래그 형성은, 몇몇 경우에 있어서, 쉴드를 녹일 수 있다. 예를 들면, 몇몇 실시예에 있어서, 플라즈마 아크 토치가 강철을 절단하도록 사용되고 쉴드가 구리로 만들어지는 경우, 강철이 구리보다 더 높은 용융점을 가지므로, 슬래그는 쉴드를 녹일 수 있다. 슬래그 형성은 또한 쉴드가 열을 쉴드의 산화 온도까지 성장시키도록 하며(예를 들면, 쉴드가 구리로 만들어지는 경우, 슬래그로부터의 열 성장은 구리의 산화를 초래하는 높은 구리 온도를 유발할 수 있다), 쉴드의 열화를 유발한다(예를 들면, 오리피스의 에지에서).

일 양태에 있어서, 본 발명은 토치를 향해 튀는(splattering) 용융 금속을 생성하는 금속성 공작물을 관통 및 절단하는 플라즈마 아크 토치용 쉴드를 특징으로 하며, 상기 쉴드는 상기 플라즈마 아크 토치의 소모성 부품을 상기 튀는 용융 금속으로부터 보호한다. 상기 쉴드는 바디, 가스 유동에 의해 접촉-냉각되도록 구성되는 상기 바디의 제 1 표면, 및 액체 유동에 의해 접촉-냉각되도록 구성되는 상기 바디의 제 2 표면을 포함할 수 있다. 상기 쉴드는 또한 상기 바디에 고정되도록 구성되며 상기 제 2 표면을 접촉-냉각시키는 액체 유동을 유지하도록 구성되는 상기 제 2 표면에 대해 배치되는 밀봉 조립체를 포함할 수 있다.

다른 양태에 있어서, 본 발명은 토치를 향해 튀는 용융 금속을 생성하는 금속성 공작물을 관통 및 절단하는 플라즈마 아크 토치에 고정되는 쉴드 상의 슬래그의 형성을 감소시키기 위한 방법을 특징으로 한다. 상기 방법은 가스 유동에 의해 상기 쉴드의 제 1 표면을 접촉-냉각하는 단계, 액체 유동에 의해 상기 쉴드의 제 2 표면을 접촉-냉각하는 단계, 및 상기 액체 유동을 유지하도록 밀봉 조립체를 제공하는 단계를 포함하며, 상기 밀봉 조립체는 상기 플라즈마 아크 토치의 리테이너 캡에 대해 상기 액체가 상기 제 2 표면과 접촉 상태를 유지하도록 구성된다. 상기 방법은 또한 상기 제 1 표면 및 상기 제 2 표면과 열 연통하는 열 전도성 물질의 적어도 일부에 형성되는 열 전도성 경로를 제공함으로써 상기 튀는 융융 금속에 노출되는 상기 쉴드의 제 3 표면을 전도성 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.

또 다른 양태에 있어서, 본 발명은 토치를 향해 튀는 용융 금속을 생성하는 금속성 공작물을 관통 및 절단하는 플라즈마 아크 토치에 고정되는 쉴드 상의 슬래그 형성을 감소시키는 방법을 특징으로 한다. 상기 방법은 냉각 매체 유동으로 상기 플라즈마 아크 토치에 고정되는 상기 쉴드를 빠르게 냉각하는 단계, 상기 플라즈마 토치 내에 상기 냉각 매체 유동을 유지시키는 단계, 및 상기 쉴드를 반복적으로 냉각(예를 들면, 상기 쉴드를 복수 회, 복수 사이클, 기타 냉각)하여 상기 튀는 용융 금속에 노출되는 상기 쉴드의 표면상의 슬래그의 형성을 방지하는 단계를 포함할 수 있다.

일 양태에 있어서, 본 발명은 토치를 향해 튀는 용융 금속을 생성하는 금속성 공작물을 관통 및 절단하는 플라즈마 아크 토치용 쉴드를 특징으로 한다. 상기 쉴드는 흐르는 액체에 의해 직접 냉각되도록 구성되는 부분을 포함할 수 있다. 상기 쉴드는 또한 흐르는 액체에 의해 직접 냉각되는 상기 부분에 대해 배치되는 제 1 밀봉 메커니즘 및 제 2 밀봉 메커니즘을 포함할 수 있으며, 상기 제 1 및 제 2 밀봉 메커니즘은 상기 플라즈마 아크 토치의 리테이너 캡에 대해 상기 쉴드의 일부를 직접 냉각하는 상기 흐르는 액체를 유지하도록 구성된다.

다른 양태에 있어서, 본 발명은 플라즈마 아크 토치 시스템을 특징으로 한다. 상기 플라즈마 아크 토치 시스템은 플라즈마 아크 토치, 냉각 매체를 제공하도록 구성되는 냉각 장치 및 상기 플라즈마 아크 토치에 대해 배치되는 쉴드를 포함할 수 있으며, 상기 쉴드의 제 1 부분은 튀는 용융 금속에 노출된다. 상기 쉴드는 상기 냉각 장치로부터 흐르는 상기 냉각 매체에 의해 직접 냉각되는 제 2 부분을 포함할 수 있으며, 상기 제 2 부분은 튀는 용융 금속에 노출되는 상기 제 1 부분과 열 연통한다. 상기 쉴드는 또한 상기 냉각 장치로부터 흐르는 상기 냉각 매체를 유지하도록 구성되는 밀봉 장치를 포함할 수 있으며, 상기 밀봉 장치는 상기 플라즈마 아크 토치의 상기 제 2 부분과 접촉하는 상기 냉각 매체를 유지하도록 구성된다.

또 다른 양태에 있어서, 본 발명은 내면 및, 적어도 부분적으로, 제 1 액체 냉매 채널을 규정하는 외면을 갖는 외부 요소를 포함하는 플라즈마 아크 토치용 리테이닝 캡을 특징으로 한다. 상기 리테이닝 캡은 상기 외부 요소 내에 원주 방향으로 배치되며 외면 및, 적어도 부분적으로, 제 2 액체 냉매 채널을 규정하는 내면을 갖는 내부 요소를 포함할 수 있다. 상기 리테이닝 캡은 또한 상기 외부 요소의 상기 내면 및 상기 내부 요소의 상기 외면에 의해 적어도 부분적으로 규정되는 가스 유동 채널을 포함할 수 있다. 포트(port)는 상기 외부 요소의 내면 및 상기 내부 요소의 외면 사이의 상기 가스 유동 채널의 단부에 위치될 수 있다.

다른 양태에 있어서, 본 발명은 쉴드를 플라즈마 아크 토치에 유지하는 쉴드 리테이닝 캡을 특징으로 한다. 상기 쉴드 리테이닝 캡은 내면 및 외면을 갖는 외부 요소 및 상기 외부 요소 내에 원주 방향으로 배치되며 내면 및 외면을 갖는 내부 요소를 포함할 수 있다. 상기 쉴드 리테이닝 캡은 또한 액체 냉매 채널을 포함할 수 있되, 이는 상기 액체 냉매 채널의 제 1 부분이 적어도 부분적으로 상기 내부 요소의 내면의 일부에 의해 규정될 수 있는 경우이다. 상기 액체 냉매 채널의 제 2 부분은 상기 내부 요소의 외면 및 상기 외부 요소의 내면에 의해 적어도 부분적으로 규정될 수 있다. 상기 쉴드 리테이닝 캡은 상기 내부 요소의 외면 및 상기 외부 요소의 내면 사이에 포트를 포함할 수 있다. 상기 포트는 상기 쉴드 리테이닝 캡의 상기 외부 요소 및 상기 내부 요소 중 적어도 하나의 단부에 배치될 수 있다.

다른 양태에 있어서, 본 발명은 적어도 부분적으로 제 1 액체 냉매 채널을 규정하는 외면을 갖는 쉘을 포함하는 플라즈마 아크 토치용 리테이닝 캡을 특징으로 한다. 라이너는 상기 쉘 내에 원주 방향을 따라 배치되며 적어도 부분적으로 제 2 액체 냉매 채널을 규정하는 내면을 가질 수 있다. 상기 리테이닝 캡은 또한 상기 쉘 및 상기 라이너에 의해 적어도 부분적으로 규정되며 그 사이에 위치되는 가스 유동 채널을 포함할 수 있다.

다른 양태에 있어서, 본 발명은 쉘, 상기 쉘의 내면 내에 원주 방향으로 배치되는 라이너, 및 액체 냉매 채널을 포함하는 플라즈마 아크 토치용 쉴드 리테이닝 캡을 특징으로 한다. 상기 액체 냉매 채널의 제 1 부분은 적어도 부분적으로 상기 라이너의 내면에 의해 규정될 수 있다. 상기 액체 냉매 채널의 제 2 부분은 적어도 부분적으로 상기 쉘의 내면의 일부에 의해 규정될 수 있다. 상기 액체 냉매 채널의 제 2 부분은 또한 적어도 부분적으로 상기 라이너의 외면의 일부에 의해 규정될 수 있다.

다른 양태에 있어서, 본 발명은 플라즈마 아크 토치를 냉각하는 방법을 특징으로 한다. 상기 방법은 액체 냉매를 전극으로 향하게 하는 단계, 상기 액체 냉매를 적어도 부분적으로 제 1 리테이닝 캡에 의해 규정되는 제 1 액체 냉매 채널을 통해 노즐로 향하게 하는 단계, 및 상기 액체 냉매를 적어도 부분적으로 제 2 리테이닝 캡에 의해 규정되는 제 2 액체 냉매 채널을 통해 상기 노즐로부터 쉴드로 향하게 하는 단계를 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 냉매가 상기 전극, 노즐 및 쉴드로 향하게 하는 순서는 역전되거나 재배열될 수 있다.

또 다른 양태에 있어서, 본 발명은 플라즈마 아크가 형성되는 플라즈마 챔버로 플라즈마 가스를 향하게 하는 플라즈마 가스 유동 경로를 포함하는 토치 바디, 전극, 및 상기 플라즈마 챔버를 규정하도록 상기 전극에 대해 배치되는 노즐을 포함하는 플라즈마 아크 토치 시스템을 특징으로 한다. 상기 플라즈마 아크 토치 시스템은 또한 노즐에 대해 고정되는 전술한 바와 같은 리테이닝 캡을 포함할 수 있다. 상기 플라즈마 아크 토치 시스템은 또한 상기 노즐에 대해 배치되는 쉴드 및 상기 쉴드에 대해 고정되는 전술한 바와 같은 쉴드 리테이닝 캡을 포함할 수 있다.

다른 양태에 있어서, 본 발명은 상기 플라즈마 아크 토치의 쉴드를 수용하는 치수로 구성되는 거의 원통형 바디 및 상기 거의 원통형 바디에 의해 규정되는 액체 냉매 채널을 포함하는 플라즈마 아크 토치용 쉴드 리테이닝 캡을 특징으로 한다. 상기 액체 냉매 채널은 복귀 경로 및, 상기 쉴드의 원주 방향 연장 부분과 충돌하도록 냉매를 배향시키는 공급 경로를 포함할 수 있다.

다른 예에 있어서, 전술한 양태, 전술한 장치 또는 방법 중 어느 것이든, 다음 특징 중 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다.

쉴드 상의 밀봉 조립체는 리테이닝 캡과 기계적 연통 상태일 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 쉴드는 상기 플라즈마 아크 토치와 연통하며, 상기 쉴드는 대체로 상기 플라즈마 아크 토치의 노즐을 둘러싼다.

몇몇 실시예에 있어서, 쉴드는 가스 유동에 의해 접촉-냉각되도록 구성되는 상기 바디의 제 1 표면을 포함할 수 있으며, 상기 가스 유동은 상기 제 1 표면을 대류 냉각한다. 상기 쉴드는 액체 유동에 의해 접촉-냉각되도록 구성되는 상기 바디의 제 2 표면을 포함할 수 있으며, 상기 액체 유동은 상기 제 2 표면을 대류 냉각한다. 상기 쉴드는 상기 가스 유동 또는 상기 액체 유동 중 적어도 하나에 의해 전도 냉각되는 영역을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 전도 냉각되는 영역은 상기 영역을 가로지르는 온도 구배를 포함한다.

몇몇 실시예에 있어서, 상기 쉴드는 또한 상기 용융 금속에 노출되는 상기 쉴드의 표면에 대해 인접하게 배치되는 플랜지를 포함할 수 있으며, 액체 유동에 의해 접촉-냉각되도록 구성되는 상기 바디의 제 2 표면의 일부는 상기 플랜지 상에 배치된다.

상기 쉴드는 또한 상기 쉴드의 바디의 말단부에 배치되는 오리피스를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 쉴드는 상기 쉴드의 상기 바디의 말단부에 대해 배치되는 제 3 표면을 포함하며, 상기 제 3 표면은 튀는 용융 금속에 노출된다. 액체 유동에 의해 접촉-냉각되도록 구성되는 상기 제 2 표면은 상기 제 3 표면에 대해 인접하여 배치될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 튀는 용융 금속에 노출되는 상기 제 3 표면은 상기 액체 유동에 의해 전도 냉각된다. 튀는 용융 금속에 노출되는 상기 제 3 표면은 상기 가스 유동에 의해 전도 냉각될 수 있다.

몇몇 실시예에 있어서, 제 2 표면은 액체 유동에 의해 접촉-냉각될 수 있으며, 상기 제 2 표면은 상기 쉴드의 제 1 단부에 대해 배치된다. 쉴드는 튀는 용융 금속에 노출되는 제 3 표면을 포함할 수 있으며, 상기 쉴드의 제 2 단부에 대해 배치될 수 있다. 상기 쉴드는 또한 상기 쉴드의 제 1 단부에 대해 배치되는 플랜지를 포함할 수 있으며, 상기 제 1 표면(예를 들면, 가스 유동에 의해 접촉-냉각되는 표면) 및 제 2 표면 중 적어도 일부는 상기 플랜지 상에 배치된다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 액체 유동에 의해 쉴드의 제 2 표면을 접촉-냉각하는 단계는 상기 쉴드의 외면 둘레에 일정한 액체 유동을 제공하는 단계를 포함한다.

쉴드를 신속하게 냉각하는 단계는 상기 쉴드를 냉각함으로써 용융 금속이 상기 용융 금속 및 쉴드 사이의 결합의 강화를 방지하도록 냉각되도록 하는 단계를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 쉴드를 신속하게 냉각하는 단계는 상기 쉴드를 냉각하여 상기 쉴드의 표면과 접촉하는 상기 용융 금속으로부터 열을 추출함으로써 상기 쉴드가 관통 전과 거의 동일한 관통중 온도에서 머무를 수 있도록 하는 단계를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 쉴드를 신속하게 냉각하는 단계는 상기 튀는 용융 금속에 노출되는 상기 쉴드의 표면과 열 연통하는 상기 쉴드의 표면을 접촉-냉각하는 단계를 포함한다.

상기 튀는 용융 금속에 노출되는 상기 쉴드의 표면은 전도 냉각될 수 있다. 상기 쉴드는 주위 온도 아래까지 냉각될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 쉴드는 대략 화씨 60도 아래까지 냉각된다.

상기 쉴드는 또한 가스에 의해 직접 냉각되도록 구성되는 부분을 포함할 수 있다. 쉴드는 립(lip)을 포함할 수 있으며, 상기 액체에 의해 직접 냉각되도록 구성되는 상기 쉴드의 일부는 상기 립 위에 배치된다. 몇몇 실시예에 있어서, 액체에 의해 직접 냉각되도록 구성되는 상기 쉴드의 일부는 상기 쉴드의 외면상에 배치된다. 상기 가스-냉각된 부분은 상기 쉴드의 내면 상에 배치될 수 있다.

상기 쉴드는 O-링, 에폭시 실(epoxy seal) 또는 경금속(hard metal) 접촉 실 중 하나를 포함할 수 있는 밀봉 메커니즘을 포함할 수 있다.

몇몇 실시예에 있어서, 냉각 장치는 냉각 매체를 제공하며 상기 냉각 장치는 냉장장치(chiller)이다. 상기 냉각 매체는 상기 쉴드의 일부를 반복적으로 냉각할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 쉴드는 튀는 용융 금속에 노출되는 제 1 부분 및 냉각 매체(예를 들면, 가스 또는 액체)에 의해 반복적으로 냉각되는 제 2 부분을 포함하며, 상기 제 2 부분은 튀는 용융 금속에 노출되는 상기 제 1 부분과 열 연통한다.

리테이닝 캡은 제 1 액체 냉매 채널 및 제 2 액체 냉매 채널을 규정할 수 있다. 상기 제 1 액체 냉매 채널은 상기 제 2 액체 냉매 채널과 유체 연통할 수 있다. 상기 제 1 액체 냉매 채널은 액체 냉매의 복귀 유동일 수 있다. 상기 제 2 액체 냉매 채널은 액체 냉매의 공급 유동일 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 리테이닝 캡은 쉴드 가스를 공작물에 공급하는 가스 유동 채널을 포함할 수 있다.

몇몇 실시예에 있어서, 리테이닝 캡의 내부 요소의 내면은 상기 플라즈마 아크 토치의 노즐에 대해 고정된다. 상기 리테이닝 캡의 내부 요소의 내면은 플라즈마 아크 토치 바디에 대해 액체 냉매를 밀봉하는 밀봉 조립체를 포함할 수 있다. 상기 내부 요소의 내면 및 플라즈마 아크 토치 바디는 적어도 부분적으로 상기 제 2 액체 냉매 채널을 규정한다. 몇몇 실시예에 있어서, 리테이닝 캡은 상기 외부 요소의 외면 및 상기 플라즈마 아크 토치의 외부 리테이닝 캡이 적어도 부분적으로 상기 제 1 액체 냉매 채널을 규정하는 외부 요소를 포함한다.

쉴드 리테이닝 캡은 내부 및 외부 요소를 가질 수 있으며, 상기 내부 요소 또는 상기 외부 요소 중 적어도 하나가 쉴드에 대해 고정된다. 몇몇 실시예에 있어서, 쉴드 리테이닝 캡은 상기 쉴드에 의해 규정 또는 형성되는 상기 액체 냉매 채널의 단부에 배치되는 포트를 포함할 수 있다. 상기 액체 냉매 채널은 냉매를 쉴드 위로 향하게 할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 액체 냉매 채널의 제 1 부분은 냉매 공급 유동이며 상기 액체 냉매 채널의 제 2 부분은 냉매 복귀 유동이다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 쉴드 리테이닝 캡의 내부 요소의 내면 및 내부 리테이닝 캡은 적어도 부분적으로 상기 액체 냉매 채널의 제 1 부분을 규정한다.

몇몇 실시예에 있어서, 상기 쉴드와 충돌하는 냉매의 온도는 상기 쉴드의 원주방향 연장 부분을 따라 각 지점에서 일정하다. 상기 쉴드 리테이닝 캡은 냉매를 상기 쉴드의 일부로 향하게 하는 액체 냉매 채널을 적어도 부분적으로 규정할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 쉴드 리테이닝 캡은 거의 원통형 외부 요소 및 상기 외부 요소 내에 배치되는 거의 원통형 내부 요소를 포함하는 거의 원통형 바디를 갖는다. 액체 냉매 채널의 공급 경로는 상기 거의 원통형 내부 요소의 내면에 의해 적어도 부분적으로 형성될 수 있다. 액체 냉매 채널의 복귀 경로는 상기 거의 원통형 내부 요소의 외면 및 상기 거의 원통형 외부 요소의 내면에 의해 적어도 부분적으로 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 양태 및 장점은 본 발명의 원리를 단지 예시적으로 설명하는 이하의 도면 및 상세한 설명으로부터 명료하게 나타날 것이다.

본 발명에 따라, 플라즈마 아크 토치의 소모품을 보호하기 위한 쉴드가 제공된다. 그에 따라, 낮아진 온도에서 작동하며 쉴드의 노출된 표면상의 슬래그 형성을 억제하여 쉴드의 유효 수명을 연장하고 플라즈마 아크 토치의 절단 품질을 높일 수 있다.

전술한 본 발명의 장점은, 추가의 장점과 함께, 첨부 도면을 참조하는 이하의 상세한 설명을 참조함으로써 더욱 잘 이해될 수 있을 것이다. 첨부 도면은 반드시 축척이 일치할 필요는 없으며, 강조 부분은 본 발명의 원리 설명시 개괄적으로 위치될 수 있다.
도 1은 바람직한 실시예에 따른 쉴드의 도면이다.
도 2는 바람직한 실시예에 따른 쉴드의 단면도이다.
도 3은 바람직한 실시예에 따른 쉴드 및 플라즈마 아크 토치의 부분 단면도이다.
도 4는 선택적 바람직한 실시예에 다른 쉴드 및 플라즈마 아크 토치의 다른 단면도이다.
도 5는 바람직한 실시예에 따른, 액체에 의해 냉각되는 쉴드를 도시한다.
도 6은 바람직한 실시예에 따른 쉴드를 사용하는 관통 프로토콜 테스트에서의 슬래그 축적을 예시하는 그래프이다.
도 7은 바람직한 실시예에 따른 쉴드를 사용하는 관통 프로토콜 테스트에서의 냉장된 쉴드 및 냉각된 쉴드 위의 슬래그를 예시하는 그래프이다.
도 8은 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 아크 토치용 소모품의 스택업(stackup)의 부분 단면도이다.
도 9는 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 아크 토치용 소모품의 반단면도이다.

도 1은 바람직한 실시예에 따른 쉴드(5)의 도면이다. 쉴드(5)는 상기 토치를 향해 튀는(splattering) 용융 금속을 생성하는 금속성 공작물을 관통 및 절단하는 플라즈마 아크 토치에 대해 배치될 수 있다. 쉴드(5)는 플라즈마 아크 토치의 소모성 부품을 상기 튀는 용융 금속으로부터 보호할 수 있다. 쉴드는 바디를 포함한다. 본 실시예에 있어서, 쉴드의 바디는 가스 유동(도시하지 않음)에 의해 접촉-냉각되도록 구성되는 제 1 표면을 포함한다. 접촉-냉각 단계는 쉴드의 일부(예를 들면, 표면)를 냉매(예를 들면, 냉각 매체, 냉각 액체, 냉각 가스, 등)와 접촉시킴으로써 쉴드의 일부를 냉각하는 단계를 포함한다. 몇몇 실시예에 있어서, 가스 유동에 의해 냉각된 표면은 쉴드에 대해 배치되는 내면(예를 들면, 구멍, 출구)이다. 쉴드의 바디는 또한 액체 유동에 의해 접촉-냉각되도록 구성되는 제 2 표면(10)을 포함한다. 몇몇 실시예에 있어서, 쉴드의 바디는 두 개의 조각을 포함한다. 몇몇 실시예에 있어서, 쉴드(5)를 냉각하는 단계는 쉴드(5)의 외면 둘레에 일정한 액체 유동을 제공하는 단계를 포함한다. 본 실시예에 있어서, 쉴드(5)는 또한 바디(예를 들면, 쉴드(5)에 대해 배치되는 채널 내의 쉴드(5) 상에 배치되는 O-링, 쉴드에 대해 배치되는 채널 없이 쉴드(5) 상에 배치되는 O-링, 리테이너 캡에 대해 액체 유동을 밀봉하는 바디의 특징부, 또는 이들의 기타 조합)에 고정되도록 구성되는 밀봉 조립체(15A, 15B)(예를 들면, O-링, 에폭시 실, 높은 공차 표면상의 경금속 접촉, 또는 이들의 기타 조합)을 포함하며, 밀봉 조립체(15A, 15B)는 제 2 표면(10)에 대해(예를 들면, 인접하여) 배치된다. 밀봉 조립체(15A 또는 15B)는 제 2 표면(10)을 접촉-냉각하는 액체 유동을 유지하도록 구성될 수 있다.

몇몇 실시예에 있어서, 쉴드(5)는 일정한 열 매체(예를 들면, 금속)를 제공하는 금속으로 이루어짐으로써 튀는 용융 금속에 노출되는 쉴드의 표면(20)이 제 2 표면(10)을 접촉-냉각하는 액체 유동 또는 제 1 표면(도시하지 않음)을 접촉 냉각하는 가스 유동 중 적어도 하나의 결과로서 전도 냉각되도록 한다. 몇몇 실시예에 있어서, 쉴드의 일부(예를 들면, 표면, 영역)를 전도 냉각하는 단계는 쉴드의 부분을 가로지르는 온도 구배를 갖는 쉴드의 부분 내의 냉각 단계를 포함한다. 쉴드(5)는 또한 배출되는 쉴드 가스용 출구(25)를 포함하여, 쉴드(5)에 대한 보호를 제공한다. 쉴드(5)는 또한 플라즈마 아크의 통과 및 가스의 유동을 허용하는 출구 오리피스(30)를 포함한다.

쉴드(5)를 차게 유지하는 단계는 관통 두께 능력을 증가시키고 또한 용융 슬래그 및 쉴드(5) 사이의 양호한 결합의 형성을 방지할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 쉴드(5)를 냉각하는 단계는 쉴드(5)를 냉장하는 단계를 포함한다. 몇몇 실시예에 있어서, 액체 유동은 충분히 낮은 온도(예를 들면, 대략 화씨 60도 또는 화씨 40도 이하)를 갖는바, 이 온도에서 액체 유동은 제 2 표면(10)을 접촉-냉각함으로써 및 쉴드(5)의 나머지를 전도 냉장함으로써 쉴드(5)를 냉장한다. 쉴드(5) 상의 감소한 슬래그 축적은 쉴드(5)의 수명을 연장한다. 쉴드(5) 상의 감소하는 슬래그 축적은 용융 금속이 플라즈마 제트를 방해하는 가능성 및 노즐의 가우징 및/또는 노즐과 공작물 사이의 더블 아킹 가능성을 감소시킨다. 감소한 쉴드 온도는 두께 용량을 연장한다. 두꺼운 금속의 관통은 아크가 금속을 관통 용융하도록 하는데 필요한 상대적으로 긴 관통 시간 및 토치에서(예를 들면, 일차적으로 쉴드(5)에서) 후방으로 날려오는 결과적인 용융 슬래그로 인해 제한되었다. 예를 들면, HT4400 400A 공정은 관통 1-1/4" 연철(mild steel, MS)로 제한된다. 몇몇 실시예에 있어서, 더 두꺼운 강철을 관통하고자 하는 경우, 쉴드(5)의 냉각만이 쉴드 가스를 통해 이루어지므로 쉴드(5)는 결국 녹게 될 것이다. 1인치 및 그 이상의 강철을 관통하는 경우, 종종, 슬래그는 쉴드(5) 상에 축적되기 시작하며, 깨끗하게 제거되지 않으면, 쉴드 성능은 슬래그가 계속 성장함에 따라 악화하기 시작할 것이다. 결국, 절단 품질은 받아들일 수 없는 상태가 될 수도 있고, 쉴드(5)는 큰 덩어리의 고온인 강철로 인해 녹게 될 수도 있다. 몇몇 테스트에 있어서, 쉴드(5)는 25회 관통 이내에 많은 양의 슬래그가 축적되었다는 것이 발견되었다. 축적된 슬래그에 따라, 쉴드(5)는 녹아서 토치가 추가의 관통을 수행할 수 없도록 할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 관통 프로토콜은 이러한 공정이 작업자의 개입(예를 들면, 관통 사이에 쉴드(5)의 슬래그를 청소) 없이 주어진 두께의 판을 300번 관통할 수 있도록 할 것을 요구한다.

도 2는 바람직한 실시예에 따른 쉴드(5)의 단면도이다. 본 실시예에 있어서, 쉴드(5)는 노즐(도시하지 않음)에 대해 배치된다. 몇몇 실시예에 있어서, 쉴드(5)는 그의 구멍 특징부 및 출구를 통해 흐르도록 하는 가스용 구멍 특징부(32)(예를 들면, 출구)를 포함한다. 몇몇 실시예에 있어서, 쉴드(5)는 제 1 표면(35), 제 2 표면(10) 및 제 3 표면(20)을 포함한다. 제 3 표면(20)은 적어도 하나의 액체 유동 또는 가스 유동에 의해 전도 냉각될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 제 2 표면(10)은 액체를 사용하여 접촉-냉각(예를 들면, 표면을 냉각 매체에 접촉시킴으로써 냉각)되어 전도 냉각을 수행하며, 토치의 작동 중에 용융 금속에 노출될 수 있는 제 3 표면(20) 상에 저온 상태를 달성한다. 몇몇 실시예에 있어서, 제 3 표면(20)은 제 1 표면(35)과 가스 유동과의 접촉-냉각 및/또는 제 2 표면(10)과 액체 유동과의 접촉-냉각의 결과로서 전도 냉각된다.

몇몇 실시예에 있어서, 제 2 표면(10)은 쉴드(5)의 제 1 단부(36)(예를 들면, 인접 단부)에 대해 배치된다. 몇몇 실시예에 있어서, 쉴드(5)는 바디를 포함하며, 상기 바디는 상기 쉴드(5)의 바디의 제 2 단부(예를 들면, 말단부)에 배치되는 오리피스를 포함한다. 쉴드(5)는 튀는 용융 금속에 노출되며 액체 유동 또는 가스 유동에 의해 접촉-냉각되지 않는 제 3 표면(20)을 포함할 수 있다. 제 3 표면(20)은 제 1 표면(35)을 접촉-냉각하는 가스 유동 또는 제 2 표면(10)을 냉각하는 액체 유동에 의해 전도 냉각될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 제 3 표면(20)은 쉴드의 외면상에 배치되며 제 2 표면(10)은 제 3 표면(20)에 대해 인접하게 배치된다. 몇몇 실시예에 있어서, 용융 금속에 노출되는 제 3 표면(20)은 쉴드의 바디의 제 2 단부(37)(예를 들면, 말단부)에 대해 배치된다. 몇몇 실시예에 있어서, 액체 유동에 의해 접촉-냉각되는 제 2 표면(10)은 용융 금속에 노출되는 제 3 표면(20)에 대해 인접하여 배치된다. 쉴드(5)는 또한 쉴드(5)의 제 1 단부(36)에 배치되는 플랜지(40), 제 1 표면(35)의 적어도 일부 및/또는 상기 플랜지(40) 위에 배치되는 제 2 표면(10)을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 제 3 표면(20)은 플랜지(40)에 대해 멀리 배치될 수 있다. 플랜지(40)는 제 3 표면(20)(예를 들면, 용융 금속에 노출되는 쉴드의 표면)에 대해 인접하게 배치될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 가스 유동에 의해 접촉-냉각되는 제 1 표면(35)의 적어도 일부는 플랜지(40)의 내면 또는 쉴드(5) 상에 배치된다. 몇몇 실시예에 있어서, 액체 유동에 의해 접촉-냉각되는 제 2 표면(10)의 적어도 일부는 플랜지(40)의 외면 또는 쉴드(5) 상에 배치된다.

본 실시예에 있어서, 가스 유동에 의해 접촉-냉각되는 제 1 표면(35)은 튀는 용융 금속에 노출되지 않는 쉴드의 내면 상에 배치된다. 몇몇 실시예에 있어서, 가스 유동은 제 1 표면(35)을 대류 냉각한다. 본 실시예에 있어서, 액체 유동에 의해 접촉-냉각되는 제 2 표면(10)은 쉴드의 외면상에 배치된다. 몇몇 실시예에 있어서, 쉴드(5)를 냉각하는 단계는 쉴드(5)의 외면 둘레에 일정한 액체 유동을 제공하는 단계를 포함한다. 몇몇 실시예에 있어서, 액체 유동은 제 2 표면을 대류 냉각한다. 몇몇 실시예에 있어서, 쉴드(5)는 플랜지(40)(예를 들면, 립) 및 상기 플랜지(40)에 대해 배치되는 제 1 표면(35)의 적어도 일부 및 제 2 표면(10)의 적어도 일부를 포함한다.

쉴드(5)는 적어도 하나의 가스 유동 또는 액체 유동에 의해 전도 냉각(예를 들면, 영역을 가로지르는 온도 구배를 갖는 영역 내에서 발생하는 냉각)되는 영역(45)을 포함할 수 있다. 영역(45)은 냉매(예를 들면, 액체 또는 가스와 같은 냉각 매체)와 접촉하지 않는 쉴드의 어떤 부분이든 될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 영역은 튀는 용융 금속에 노출되는 쉴드의 표면 또는 냉매와 접촉하는 표면 아래의 쉴드의 일부이다. 몇몇 실시예에 있어서, 액체 유동은 액체 유동이 제 2 표면(10)을 접촉-냉각하고 쉴드(5)의 나머지를 전도 냉장함으로써 쉴드(5)를 냉장하는 충분히 낮은 온도(예를 들면, 대략 화씨 60도 또는 화씨 40도보다 낮은)를 갖는다. 쉴드(5)는 적어도 제 1 표면(35) 또는 제 2 표면(10) 사이의 열 전도성 경로를 전도 냉각된 영역(45)에 제공하도록 구성된다. 몇몇 실시예에 있어서, 쉴드(5)는 금속 또는 열 전도성 매체로 만들어지는 단일 구조물이다. 몇몇 실시예에 있어서, 쉴드(5)는 균일한 열 매체로 이루어져 일정한 열 전도성 경로를 형성하는 복수의 구조물로 구성된다. 몇몇 실시예에 있어서, 쉴드(5)는 유사한 열 특성을 갖는 복수의 구조물로 구성된다.

쉴드(5)는 토치를 향해 튀는 용융 금속을 생성하는 금속성 공작물을 관통 및 절단하는 플라즈마 아크 토치(도시하지 않음)에 사용될 수 있다. 쉴드(5)는 흐르는 액체에 의해 직접 냉각되도록 구성되는 부분(예를 들면, 제 2 표면(10) 및 상기 액체에 의해 냉각되는 부분에 대해 배치되는 제 1 밀봉 메커니즘(15A) 및 제 2 밀봉 메커니즘(15B)을 포함할 수 있다. 액체에 의해 직접 냉각되도록 구성되는 부분(예를 들면, 제 2 표면(10))은 쉴드(5)의 외면상에 배치될 수 있으며 가스에 의해 직접 냉각되도록 구성되는 부분은 쉴드(5)의 내면 상에 배치될 수 있다. 제 1 및 제 2 메커니즘(15A, 15B)은 플라즈마 아크 토치의 리테이너 캡(도시하지 않음)에 대해 쉴드의 액체-냉각 부분(예를 들면, 제 2 표면(10))을 직접 냉각하는 유동 액체를 유지하도록 구성될 수 있다. 밀봉 메커니즘(15A 또는 15B)은 O-링, 에폭시 실 또는 경금속 접촉 실 중 적어도 하나일 수 있다. 쉴드는 또한 가스에 의해 직접 냉각되도록 구성되는 부분(예를 들면, 제 1 표면(35))을 포함할 수 있다. 쉴드는 또한 립(lip)(예를 들면, 플랜지(40))을 포함할 수 있으며, 액체에 의해 직접 냉각되도록 구성되는 부분(예를 들면, 제 2 표면(10))은 립(예를 들면, 플랜지(40)) 위에 배치된다.

몇몇 실시예에 있어서, 토치를 향해 튀는 용융 금속을 생성하는 금속성 공작물을 관통 및 절단하는, 플라즈마 아크 토치(도시하지 않음)에 고정되는 쉴드(5) 상의 슬래그의 형성을 감소시키는 방법은 가스 유동에 의해 쉴드(5)의 제 1 표면(35)을 접촉-냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 액체 유동에 의해 쉴드(5)의 제 2 표면(10)을 접촉-냉각하는 단계 및 액체 유동을 유지하도록 밀봉 조립체(15A, 15B)를 제공하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 밀봉 조립체(15A, 15B)는 액체가 플라즈마 아크 토치의 리테이너 캡(도시하지 않음)에 대해 제 2 표면과 접촉하도록 구성된다. 상기 방법은 또한 제 1 표면(35) 및 제 2 표면(10)과 열 연통하는 열 전도성 물질로 적어도 일부가 형성되는 열 전도성 경로를 제공함으로써 튀는 용융 금속에 노출되는 쉴드(5)의 제 3 표면을 전도 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 액체 유동에 의해 제 2 표면(10)을 접촉-냉각하는 단계는 쉴드(5)의 외면 둘레에 일정한 액체 유동을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.

도 3은 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 아크 토치(55)에 대해 배치되는 쉴드(50)의 부분 단면도이다. 쉴드(50)는 플라즈마 아크 토치(55)와 연통할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 쉴드(50)는 플라즈마 아크 토치(55)의 리테이너 캡(65)과 기계적 연통하는 밀봉 조립체(60A, 60B)를 포함한다. 몇몇 실시예에 있어서, 쉴드(50)의 밀봉 조립체(60A, 60B)는 복수의 O-링이다. O-링은 쉴드의 제 2 표면(70)을 접촉-냉각(예를 들면, 표면을 냉매와 접촉시킴으로써 냉각)하는 액체 유동을 유지하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 쉴드(50)를 냉각하는 단계는 쉴드(50)의 외면 둘레에 일정한 액체 유동을 제공하는 단계를 포함한다. 몇몇 실시예에 있어서, 액체 유동은 제 2 표면(70)을 접촉-냉각하고 쉴드(50)의 나머지를 전도 냉각(예를 들면, 쉴드(50)의 나머지를 가로지르는 온도 구배를 갖는 쉴드의 나머지 내에서 발생하는 냉각)함으로써 액체 유동이 쉴드(50)를 냉각하는 충분히 낮은 온도(예를 들면, 대략 화씨 60도 또는 화씨 40도보다 낮은)를 갖는다. 본 실시예에 있어서, 쉴드(50)는 플라즈마 아크 토치(55)에 고정됨으로써 쉴드(50)가 리테이닝 캡(65)과 기계적 연통하여, 플라즈마 아크 토치(55)를 통해 액체가 공급원(도시하지 않음)으로부터 흐르도록 하고 쉴드(50)의 제 2 표면(70)을 접촉-냉각하고 플라즈마 아크 토치(55)를 통해 다시 역류하도록 하는 경로(75)를 형성한다.

토치(55)를 향해 튀는 용융 금속을 생성하는 금속성 공작물을 관통 및 절단하는, 플라즈마 아크 토치(55)에 고정되는 쉴드(50) 상의 슬래그의 형성을 감소시키는 방법은 플라즈마 아크 토치(55)에 고정되는 쉴드(50)를 냉각 매체 유동으로 신속하게 냉각시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 플라즈마 아크 토치(55) 내에 냉각 매체 유동을 유지하는 단계 및 쉴드(50)를 반복적으로 냉각(예를 들면, 쉴드를 복수의 횟수, 복수의 사이클, 등으로 냉각)하는 단계를 포함하여 튀는 용융 금속에 노출되는 쉴드의 표면상의 슬래그의 형성을 방지할 수 있다. 신속 냉각 단계는 쉴드(50)를 냉각함으로써 용융 금속이 상기 용융 금속 및 쉴드(50) 사이의 결합을 강화하는 것을 방지하도록 냉각되도록 하는 단계를 포함할 수 있다. 쉴드(50)를 신속하게 냉각하는 단계는 또한 쉴드(50)를 냉각함으로써 상기 쉴드(50)의 표면과 접촉하는 용융 금속으로부터 열을 추출함으로써 관통 이전과 거의 동일한 관통중 온도에서 머무르도록 하는 단계를 포함할 수 있다. 쉴드(50)를 신속하게 냉각하는 단계는 튀는 용융 금속에 노출되는 쉴드(50)의 표면과 열 연통하는 쉴드(50)의 표면을 접촉-냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 튀는 용융 금속에 노출된 쉴드(50)의 표면은 전도 냉각될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 쉴드(50)는 주위 온도 이하까지 냉각된다. 쉴드는 대략 화씨 60도 아래까지 냉각될 수 있다.

도 4는 바람직한 실시예에 따른 쉴드(50) 및 플라즈마 아크 토치의 다른 단면도이다. 플라즈마 아크 토치(55)는 토치 바디(80), 상기 바디 내에 장착되는 전극(85)(예를 들면, 음극), 플라즈마 아크를 개시하도록 전극(85)에 파일럿 아크를 생성하는 중앙 오리피스(95)를 갖는 노즐(90)(예를 들면, 양극)을 포함한다. 또한, 도시된 것은 플라즈마 가스(100A)용 관련 전기 연결부 및 통로, 냉각 액체(100B)용 통로, 및 쉴드 가스(100C)용 통로이다. 본 실시예에 있어서, 쉴드(50)는 플라즈마 아크 토치(55)에 대해 배치된다. 쉴드(50)는 노즐(90)을 대체로 둘러싼다. 몇몇 실시예에 있어서, 쉴드(50)는 플랜지(105)를 포함한다. 쉴드(50)는 또한 쉴드(50)를 플라즈마 아크 토치(55)에 고정하는 고정 장치(110)를 포함한다. 고정 장치(110)는 토치 바디(80) 또는 리테이너 캡(65) 위에 나사 결합될 수 있는 나선 부분일 수 있다. 본 실시예에 있어서, 경로(75)는 액체가 플라즈마 아크 토치(55)를 통해 공급원(도시하지 않음)으로부터 흐르도록 하고, 전극(85)을 냉각시키고, 노즐(90)의 외면을 냉각시키고, 쉴드(50)의 제 2 표면(70)을 접촉-냉각시키고, 플라즈마 아크 토치(55)를 통해 역류하도록 한다. 몇몇 실시예에 있어서, 플라즈마 아크 토치(55)의 구성요소(예를 들면, 전극(85), 노즐(90), 쉴드(50))는 각기 다른/선택적 순서로 냉각될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 쉴드(50)를 냉각하는 단계는 쉴드(50)의 외면 둘레에 일정한 액체 유동을 제공하는 단계를 포함한다.

몇몇 실시예에 있어서, 가스 유동에 의해 접촉-냉각(예를 들면, 표면을 냉매와 접촉시킴으로써 냉각)되는 제 1 표면(115)은 쉴드(50)의 내면 상에 배치된다. 쉴드(50)는 가스 유동 배출용 통로를 포함하여 가스 유동이 제 1 표면(115)을 접촉-냉각할 뿐만 아니라, 가스 유동이 쉴드를 빠져나감에 따라 쉴드(50)를 튀는 용융 금속으로부터 보호하는 쉴드 가스로서 작용하도록 한다. 몇몇 실시예에 있어서, 쉴드(50)는 플랜지(105)를 포함하며 제 1 표면(115) 중 적어도 일부는 플랜지(105)의 내면 상에 배치된다.

몇몇 실시예에 있어서, 쉴드(50)는 플랜지(105)를 포함하며 액체 유동에 의해 접촉-냉각되는 제 2 표면(70)의 적어도 일부는 플랜지(105)의 외면상에 배치된다. 몇몇 실시예에 있어서, 액체 유동은 쉴드(50)의 외면 둘레에 일정한 액체 유동을 제공함으로써 쉴드(50)의 제 2 표면(70)을 접촉-냉각한다. 몇몇 실시예에 있어서, 일정한 액체 유동은 플랜지(105)의 외면 둘레에 제공된다.

몇몇 실시예에 있어서, 액체 유동은 그가 제 2 표면(70)을 접촉-냉각하고 쉴드(50)의 나머지를 전도 냉장(예를 들면, 쉴드(50)의 나머지를 가로지르는 온도 구배를 갖는 쉴드의 나머지 내에서 발생하는 냉장)함으로써 쉴드(50)를 냉장하는 낮은 온도(예를 들면, 대략 화씨 60도 또는 화씨 40도보다 낮은)를 갖는다. 도 4에 도시된 바와 같이, 쉴드는 쉴드의 외면상에 배치되며 플라즈마 아크 토치가 금속성 공작물을 관통 및 절단하는 경우 튀는 용융 금속에 노출되는 제 3 표면(125)을 포함할 수 있다. 쉴드(50)는 균일한 열 매체로 구성되어, 제 3 표면(125)이 적어도 하나의 가스 유동 또는 액체 유동에 의해 전도 냉각되도록 한다.

몇몇 실시예에 있어서, 플라즈마 아크 토치 시스템은 플라즈마 아크 토치(55), 냉각 매체를 제공하도록 구성되는 냉각 장치(도시하지 않음) 및 플라즈마 아크 토치(55)에 대해 배치되는 쉴드(50)를 포함할 수 있으며, 쉴드의 제 1 부분은 튀는 용융 금속(예를 들면, 제 3 표면(125))에 노출된다. 쉴드(50)는 냉각 장치로부터 흐르는 냉각 매체에 의해 직접 냉각되는 제 2 부분(예를 들면, 제 1 표면(115), 제 2 표면(70) 또는 이들의 조합)을 포함할 수 있으며, 제 2 부분(예를 들면, 제 1 표면(115), 제 2 표면(70) 또는 이들의 조합)은 튀는 용융 금속에 노출되는 제 1 부분과 열 연통한다. 밀봉 장치(예를 들면, 밀봉 조립체(60A, 60B))는 또한 냉각 장치로부터 흐르는 냉각 매체를 유지하도록 구성될 수 있으며, 밀봉 장치는 플라즈마 아크 토치 내의 쉴드의 제 2 부분과 접촉하는 상태로 냉매를 유지하도록 구성된다. 냉각 장치는 냉장장치(chiller)일 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 냉각 매체는 제 2 부분을 반복적으로 냉각(예를 들면, 쉴드를 복수의 횟수, 복수의 사이클, 등으로 냉각)한다.

도 5는 바람직한 실시예에 따른, 액체에 의해 냉각되는 쉴드(130)를 도시하는 도면이다. 본 실시예에 있어서, 액체는 공급 채널(140)과 환형 냉각 플레넘(145)을 통해 공급부(135)로부터 흐르며, 액체 유동은 쉴드 상의 외면(155)의 일부를 접촉-냉각(예를 들면, 일부 또는 표면을 냉매 또는 냉각 매체에 접촉시킴으로써 냉각)한다. 몇몇 실시예에 있어서, 쉴드(130)는 플랜지(150)를 포함하며 액체 유동은 플랜지(150) 상의 쉴드의 외면(155)의 일부를 접촉-냉각한다. 본 실시예에 있어서, 쉴드의 외면(155)의 일부를 접촉-냉각한 후, 액체는 복귀 채널(160)을 통해 쉴드(130)로부터 흐른다. 본 실시예는 쉴드(130)의 외면 둘레의 일정한 액체 유동을 허용할 수 있다.

몇몇 실시예에 있어서, 액체 유동에 의해 접촉-냉각되는 쉴드의 외면(155)은 쉴드(130)의 제 1 단부(161)에 대해 배치된다. 몇몇 실시예에 있어서, 쉴드는 쉴드(130)의 제 2 단부(162)(예를 들면, 말단부)에 대해 배치되는 튀는 용융 금속(165)에 노출되는 표면을 포함한다. 몇몇 실시예에 있어서, 액체 유동에 의해 접촉-냉각되는 외면(155)은 튀는 용융 금속(165)에 노출되는 표면에 대해 인접하게 배치된다.

액체 유동을 유지하는 단계는 액체 유동에 의한 쉴드(130)의 무손실 접촉-냉각을 허용한다. 쉴드(130)는 균일한 열 매체(예를 들면, 금속)를 제공하는 물질로 이루어진다. 쉴드의 외면의 일부를 접촉-냉각하는 일정한 액체 유동을 제공하는 단계는 튀는 용융 금속(165)에 노출되는 표면을 전도(예를 들면, 쉴드의 외면의 일부를 가로지르는 온도 구배를 갖는 쉴드의 외면의 일부에서 발생하는 냉각) 및 반복 냉각(예를 들면, 쉴드를 복수의 횟수, 복수의 사이클, 등으로 냉각)한다. 일정한 액체 유동을 제공하는 단계는 쉴드(130)의 신속하며 반복적인 냉각(예를 들면, 전도 냉각에 의해)을 허용하여 튀는 용융 금속(165)에 노출되는 쉴드의 표면상의 슬래그의 형성을 방지한다. 몇몇 실시예에 있어서, 액체 유동은 그가 쉴드의 외면(155)의 일부를 접촉-냉각 및 쉴드(130)의 나머지를 전도 냉장함으로써 쉴드(130)를 냉장하는 충분히 낮은 온도(예를 들면, 대략 화씨 60도 또는 화씨 40도보다 낮은)를 갖는다.

쉴드를 신속하게 냉각하는 단계는 용융 금속과 쉴드 사이의 결합을 방지 및/또는 용융 금속과 쉴드 사이의 결합의 강화를 방지한다. 예를 들면, 쉴드를 신속하게 냉각하는 단계는 용융 스프레이를 반복적으로 냉각(예를 들면, 복수의 횟수, 복수의 사이클, 등으로 쉴드를 냉각)하도록 충분히 빠르게 쉴드를 냉각하여 i) 용융 금속의 쉴드에 대한 결합을 방지하거나, ii) 용융 금속이 용융 금속의 고형화 전에 쉴드와 강하게 접촉하는 것을 방지한다. 쉴드를 신속하게 냉각하는 단계는 쉴드의 표면의 적어도 일부를 접촉-냉각하는 단계 또는 쉴드의 영역을 전도 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 쉴드를 신속하게 냉각하는 단계는 쉴드를 냉각함으로써 쉴드와 접촉하는 용융 금속으로부터 열을 추출함으로써 용융 금속의 스프레이 중에 쉴드가 거의 동일한 온도에서 유지되도록 하는 단계를 포함할 수 있다. 쉴드를 신속하게 냉각하는 단계는 도 1 내지 도 5에 도시된 실시예를 통해 달성될 수 있다.

도 6은 바람직한 실시예에 따른 쉴드를 사용하는 관통 프로토콜 테스트에 있어서의 슬래그 축적을 예시하는 그래프(170)이다. 관통 프로토콜 테스트는 슬래그 축적 레벨의 지시계로서 25회 관통 후에 무게를 재는 쉴드/외부 캡 조립체로 수행되었다. 테스트는 1-1/2" 연철(MS)을 사용하여 수행되었다. 그래프의 x-축(175)은 조각의 숫자를 표시하며 그래프의 y-축은 축적된 슬래그의 질량을 표시한다. 많은 양의 냉매의 온도의 각기 다른 레벨은 화씨 135도, 화씨 85도 및 화씨 38도가 사용되었다. 냉각 유체는 물이며 화씨 38도가 물의 사용가능한 온도의 하단부로서 선택되었다. 성능은 첨가제 또는 다른 액체(예를 들면, 글리콜)가 사용되는 경우 증대될 수 있다. 프로토콜 테스트 결과는 쉴드를 냉각함으로써 쉴드가 300번의 관통까지 가능하였음을 보여준다. 그래프(170)는 쉴드가 냉각되지 않은 경우 50번의 관통 이전에 용융된 쉴드가 달성될 수 있었음을 보여준다. 화씨 38도의 물 온도는 쉴드 상에 축적되는 슬래그의 양을 감소시켰다.

도 7은 바람직한 실시예에 따른 쉴드를 사용하는 관통 프로토콜 테스트에 있어서 냉장된 쉴드 및 냉각된 쉴드 상의 슬래그를 예시하는 도 6으로부터의 데이터를 보여주는 선택적 그래프(185)이다. 도 7에 있어서, x-축(190)은 관통 프로토콜 테스트에 사용되는 많은 양의 냉매 온도의 세 가지 각기 다른 레벨은 화씨 135도, 화씨 85도 및 화씨 38도이다. y-축은 바람직한 실시예에 따른 쉴드를 사용하여 300번의 관통을 통해 측정된 슬래그의 합계를 보여준다. 그래프(185)는 냉각된 쉴드의 더 낮은 온도가 300번의 관통을 통해 측정된 슬래그의 더 낮은 합계와 관련된다는 것을 보여준다. 예를 들면, 화씨 135도에서 냉각된 쉴드는 관통 프로토콜 테스트 동안 300번의 관통을 통해 총 198그램의 슬래그를 축적하였다. 화씨 85도에서 냉각된 쉴드는 관통 프로토콜 테스트 중에 300번의 관통을 통해 총 175그램의 슬래그를 축적하였다. 비교해 보면, 화씨 38도에서 냉장된 쉴드는 관통 프로토콜 테스트 동안 300번의 관통을 통해 총 31그램의 슬래그를 축적하였다.

도 8은 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 아크 토치(200)용 소모품의 스택업의 부분 단면도이다. 플라즈마 아크 토치(200)는 전극(예를 들면, 도 4의 전극(85)) 쉴드(205), 노즐(210), 노즐(210)에 대해 고정될 수 있는 리테이닝 캡(215), 및 쉴드(205)에 대해 고정될 수 있는 쉴드 리테이닝 캡(220)을 포함할 수 있다. 플라즈마 아크 토치는 액체 냉매 채널(225A, 225B, 230)을 포함할 수 있다. 플라즈마 아크 토치는 또한 가스 유동 채널(235)을 가질 수 있다.

플라즈마 아크 토치(200)는 플라즈마 아크가 형성되는 플라즈마 챔버에 플라즈마 가스를 향하게 하는 플라즈마 가스 유동 경로를 포함하는 토치 바디(예를 들면, 도 4의 토치 바디(80))를 포함할 수 있다. 플라즈마 챔버는 상기 플라즈마 챔버를 규정하도록 전극 및 상기 전극에 대해 배치되는 노즐에 의해 적어도 부분적으로 규정될 수 있다. 내부 리테이닝 캡(예를 들면, 리테이닝 캡(215))은 노즐(210)에 대해 고정될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 쉴드(205)는 노즐(210)에 대해 배치되며 외부 리테이닝 캡(예를 들면, 쉴드 리테이닝 캡(220))은 쉴드(205)에 대해 고정된다.

리테이닝 캡(215)(예를 들면, 노즐 리테이닝 캡)은 외부 요소(24) 및 내부 요소(245)를 포함할 수 있다. 외부 요소(240)는 내면(250) 및 외면(255)을 가질 수 있다. 외부 요소의 외면(255)은 적어도 부분적으로 액체 냉매 채널(225A)을 규정할 수 있다. 리테이닝 캡(215)은 또한 외부 요소(240) 내에 원주방향으로 배치되는 내부 요소(245)를 포함할 수 있다. 내부 요소(245)는 외면(260) 및 내면(265)을 가질 수 있다. 내부 요소(245)의 내면(265)은 플라즈마 아크 토치(200)의 노즐(210)에 대해 고정될 수 있다.

플라즈마 아크 토치(200)의 가스 유동 채널(235)은 리테이닝 캡(215)의 외부 요소(240)의 내면(250) 및 내부 요소(245)의 외면(260)에 의해 적어도 부분적으로 규정될 수 있다. 포트(270)(예를 들면, 출구)는 가스 유동 채널(235)의 단부에 배치될 수 있다. 포트(270)는 리테이닝 캡(215)의 외부 요소(240)의 내면(250) 및 내부 요소(245)의 외면(260) 사이에 배치될 수 있다.

내부 요소(245)의 내면(265)은 다른 액체 냉매 채널(230)을 적어도 부분적으로 규정할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 내부 요소(245)의 내면(265)은 플라즈마 토치 바디에 대해 액체 냉매를 밀봉하는 밀봉 조립체(275)를 포함할 수 있다. 내부 요소(245)의 내면(265) 및 플라즈마 아크 토치 바디는 적어도 부분적으로 액체 냉매 채널(230)을 규정할 수 있다. 외부 요소(240)의 외면(255) 및 플라즈마 아크 토치(200)의 쉴드 리테이닝 캡(220)(예를 들면, 외부 리테이닝 캡)은 적어도 부분적으로 액체 냉매 채널(225A)을 규정할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 액체 냉매 채널(225A)은 액체 냉매 채널(230)과 유체 연통(예를 들면, 유체 도관, 통로, 튜브, 등을 통해 연결)할 수 있다. 액체 냉매 채널(225A)은 액체 냉매의 공급 유동일 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 액체 냉매 채널(225B)은 액체 냉매의 복귀 유동이다. 가스 유동 채널(235)은 쉴드 가스를 공작물에 공급할 수 있다.

몇몇 실시예에 있어서, 리테이닝 캡(215)은 적어도 부분적으로 액체 냉매 채널(225A)을 규정하는 외면(예를 들면, 외면(225))을 갖는 쉘(예를 들면, 외부 쉘(240))을 포함한다. 리테이닝 캡(215)은 쉘 내에 원주방향으로 배치되는 라이너(예를 들면, 내부 요소(245))를 포함할 수 있다. 라이너는 적어도 부분적으로 액체 냉매 채널(230)을 규정하는 내면(예를 들면, 내부 요소의 내면(265))을 포함할 수 있다. 리테이닝 캡(215)은 쉘 및 라이너에 의해 적어도 부분적으로 규정되며 그 사이에 위치되는 가스 유동 채널(235)을 포함할 수 있다.

쉴드 리테이닝 캡(220)은 외부 요소(280) 및 내부 요소(285)를 포함할 수 있다. 쉴드 리테이닝 캡(220)의 외부 요소(280)는 내면(290) 및 외면(295)을 포함할 수 있다. 내부 요소(285)는 외부 요소(280) 내에 원주방향으로 배치될 수 있다. 내부 요소(285)는 내면(300) 및 외면(305)을 가질 수 있다. 내부 요소(285) 또는 외부 요소(280) 중 적어도 하나는 쉴드(205)에 대해 고정될 수 있다.

액체 냉매 채널(225A)은 쉴드 리테이닝 캡(220)의 내부 요소(285)의 내면(300)의 일부에 의해 적어도 부분적으로 규정될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 내부 요소(285)의 내면(300) 및 리테이닝 캡(215)(예를 들면, 내부/노즐 리테이닝 캡)은 적어도 부분적으로 액체 냉매 채널(225A)을 규정한다. 액체 냉매 채널(225B)은 쉴드 리테이닝 캡(220)의 내부 요소(285)의 외면(305) 및 외부 요소(280)의 내면(290)에 의해 적어도 부분적으로 규정될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 액체 냉매 채널(225A, 225B)은 액체 냉매 채널의 제 1 부분 및 동일한 채널의 제 2 부분을 형성한다. 몇몇 실시예에 있어서, 액체 냉매 채널(225A, 225B)은 냉매를 쉴드(205) 상으로 향하게 한다. 액체 냉매 채널(225A)은 냉매 공급 유동용 경로로서 작용할 수 있으며 액체 냉매 채널(225B)은 냉매 복귀 유동용 경로로서 작용할 수 있다. 쉴드 리테이닝 캡(220)은 또한 액체 냉매 채널(225A 및/또는 225B)의 단부에 형성되는 포트(310)를 포함할 수 있다. 포트(310)는 쉴드 리테이닝 캡(220)의 내부 요소(285)의 외면(305) 및 외부 요소(280)의 내면(290) 사이에 배치될 수 있다. 포트(310)는 쉴드 리테이닝 캡(220)의 외부 요소(280) 또는 내부 요소(285) 중 적어도 하나의 단부에 배치될 수 있다.

몇몇 실시예에 있어서, 쉴드 리테이닝 캡(220)은 쉘(예를 들면, 쉴드 리테이닝 캡(220)의 외부 요소(280) 및 라이너(예를 들면, 쉴드 리테이닝 캡(220)의 내부 요소(285)를 포함할 수 있다. 쉴드 리테이닝 캡(220)의 라이너는 쉘의 내면(예를 들면, 쉴드 리테이닝 캡(220)의 외부 요소(285)의 내면(300)) 내에 원주방향으로 배치될 수 있다. 액체 냉매 채널(225A)은 라이너의 내면에 의해 적어도 부분적으로 규정될 수 있다. 액체 냉매 채널(225B)은 쉘의 내면의 일부 및 라이너의 외면의 일부(예를 들면, 쉘 리테이닝 캡(220)의 내부 요소(285)의 외면(305)에 의해 적어도 부분적으로 규정될 수 있다.

플라즈마 아크 토치를 냉각하는 방법은 액체 냉매를 전극(예를 들면, 도 4의 전극(85)으로 향하게 하는 단계, 액체 냉매를 제 1 리테이닝 캡(예를 들면, 리테이닝 캡(215))에 의해 적어도 부분적으로 규정되는 제 1 액체 냉매 채널(예를 들면, 액체 냉매 채널(230))을 통해 노즐(210)로 향하게 하는 단계, 및 액체 냉매를 제 2 리테이닝 캡(예를 들면, 리테이닝 캡(220))에 의해 적어도 부분적으로 규정되는 제 2 액체 냉매 채널(예를 들면, 액체 냉매 채널(225A 및/또는 225B)을 통해 노즐(210)로부터 쉴드(205)까지 향하게 하는 단계를 포함할 수 있다. 선택적으로, 몇몇 실시예에 있어서, 냉매가 전극, 노즐 및 쉴드로 향하는 순서는 역전될 수도 있고 재배열될 수도 있다.

도 9는 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 아크 토치(315)의 소모품의 반단면도이다. 플라즈마 아크 토치는 냉매 채널(225A, 225B) 및 가스 유동 채널(235)을 규정할 수 있는 리테이닝 캡(215) 및 쉴드 리테이닝 캡(220)을 포함할 수 있다.

리테이닝 캡(215)은 외부 요소(240) 및 내부 요소(245)를 포함할 수 있다. 리테이닝 캡(215)의 내부 요소(245)는 내면(265) 및 외면(260)을 포함할 수 있다. 리테이닝 캡(215)의 외면(240)은 내면(250) 및 외면(255)을 포함할 수 있다. 내부 요소(245)의 내면(265)은 액체 냉매 채널(예를 들면, 도 8의 액체 냉매 채널(230))의 일부를 규정할 수 있다. 가스 유동 채널(235)은 리테이닝 캡(215)의 외부 요소(240) 및 내부 요소(245) 사이에 배치되며 그에 의해 규정될 수 있다.

쉴드 리테이닝 캡(220)은 또한 외부 요소(280) 및 내부 요소(285)를 포함할 수 있다. 쉴드 리테이닝 캡(220)의 외부 요소(280)는 외면(295) 및 내면(290)을 포함할 수 있다. 쉴드 리테이닝 캡(220)의 내부 요소(285)는 외면(305) 및 내면(300)을 포함할 수 있다. 액체 냉매 채널(225A, 225B)로 구성되는 액체 냉매 채널은 쉴드 리테이닝 캡(220)의 외부 요소(280) 및 내부 요소(285)에 의해 형성될 수 있다. 액체 냉매 채널(225A)은 쉴드 리테이닝 캡(220)의 내부 요소(285) 및 노즐 리테이닝 캡(예를 들면, 리테이닝 캡(215))의 외부 요소(240)에 의해 적어도 부분적으로 형성될 수 있다. 액체 냉매 채널(225B)은 쉴드 리테이닝 캡(200)의 외부 요소(280) 및 내부 요소(285) 사이에 배치되며 그에 의해 규정될 수 있다.

쉴드 리테이닝 캡(220)은 플라즈마 아크 토치의 쉴드(205)를 수용하는 치수로 형성되는 거의 원통형 바디(예를 들면, 외부 요소(280) 및 내부 요소(285)로 구성되는 바디)를 포함할 수 있다. 쉴드 리테이닝 캡(220)은 거의 원통형 바디에 의해 규정되는 액체 냉매 채널(예를 들면, 액체 냉매 채널(225A, 225B)을 포함)을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 액체 냉매는 액체 냉매 채널(225A)을 통해 공급되어, 쉴드(205)의 일부(예를 들면, 쉴드의 플랜지)와 충돌하고 액체 냉매 채널(225B)을 통해 복귀한다. 액체 냉매 채널은 복귀 경로(예를 들면, 액체 냉매 채널9225B)) 및 냉매가 쉴드의 원주방향 연장부(320)와 충돌하도록 배향하는 공급 경로(예를 들면, 액체 냉매 채널(225A))를 포함할 수 있다. 쉴드(205)와 충돌하는 냉매의 온도는 쉴드(320)의 원주방향 연장부를 따르는 각 지점에서 일정할 수 있다.

몇몇 실시예에 있어서, 거의 원통형 바디는 거의 원통형 외부 요소(예를 들면, 외부 요소(280)) 및 외부 요소 내에 배치되는 거의 원통형 내부 요소(예를 들면, 내부 요소(285))를 포함한다. 액체 냉매 채널(예를 들면, 액체 냉매 채널(225A))의 공급 경로는 거의 원통형 내부 요소의 내면(예를 들면, 내면(300))에 의해 거의 부분적으로 형성된다. 몇몇 실시예에 있어서, 액체 냉매 채널의 복귀 경로(예를 들면, 액체 냉매 채널(225B))은 거의 원통형 내부 요소의 외면(예를 들면, 내부 요소의 외면(305)) 및 거의 원통형 외부 요소의 내면(예를 들면, 외부 요소의 내면(290))에 의해 적어도 부분적으로 형성된다.

본 발명이 특정의 바람직한 실시예를 참조하여 특정하게 도시 및 설명되었다 하더라도, 형태 및 세부 사항에 있어서의 다양한 변형이 본 발명의 사상 및 범주를 이탈하지 않고도 실시 가능하다는 것을 알 수 있을 것이다.

5, 50, 130, 205: 쉴드 10, 70: 제 2 표면
20, 125: 제 3 표면 25: 출구
30: 출구 오리피스 35, 115: 제 1 표면
40, 150: 플랜지 55, 200: 플라즈마 아크 토치
65: 리테이너 캡 85: 전극
140: 공급 채널 160: 복귀 채널
210: 노즐 215: 리테이닝 캡
220: 쉴드 리테이닝 캡 240, 280: 외부 요소
245, 285: 내부 요소

Claims (52)

1. 토치를 향해 튀는(splattering) 용융 금속을 생성하는 금속성 공작물을 관통 및 절단하는 플라즈마 아크 토치용 쉴드로서, 상기 플라즈마 아크 토치의 소모성 부품을 상기 튀는 용융 금속으로부터 보호하는 상기 쉴드에 있어서,
   바디;
   가스 유동에 의해 접촉-냉각되도록(contact-cooled) 구성되는 상기 바디 내부의 제 1 표면;
   액체 유동에 의해 접촉-냉각되도록 구성되는 상기 바디 외부의 제 2 표면;
   상기 바디의 말단부에 인접하게 배치되고, 튀는 용융 금속에 노출되는 외부의 제 3 표면으로서, 상기 제 3 표면은 상기 액체 유동 및 상기 가스 유동에 의해 전도 냉각되도록(conductively cooled) 구성되고, 상기 제 2 표면은 상기 제 3 표면에 대해 인접하게 배치되는, 상기 제 3 표면;
   상기 바디에 고정되도록 구성되고, 상기 제 2 표면 및 상기 제 3 표면 사이에 배치되며, 상기 제 2 표면을 접촉-냉각시키는 액체 유동을 유지하도록 구성되는 밀봉 조립체; 및
   상기 바디의 말단부(distal end)에 배치되는 오리피스를 포함하는, 토치를 향해 튀는(splattering) 용융 금속을 생성하는 금속성 공작물을 관통 및 절단하는 플라즈마 아크 토치용 쉴드.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 가스 유동은 상기 제 1 표면을 대류 냉각하는 쉴드.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 액체 유동은 상기 제 2 표면을 대류 냉각하는 쉴드.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 밀봉 조립체는 리테이닝 캡과 기계적으로 연통하는 쉴드.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 가스 유동 또는 상기 액체 유동 중 적어도 하나에 의해 전도 냉각되는 영역을 더 포함하는 쉴드.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 전도 냉각되는 영역은 상기 영역을 가로지르는 온도 구배를 포함하는 쉴드.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 쉴드는, 상기 쉴드의 제 3 표면에 대해 인접하게 배치되는 플랜지를 더 포함하며, 상기 제 2 표면의 적어도 일부는 상기 플랜지 위에 배치되는 쉴드.
8. 삭제
9. 삭제
10. 제 1 항에 있어서, 상기 쉴드는 상기 플라즈마 아크 토치와 연통하며, 상기 쉴드는 상기 플라즈마 아크 토치의 노즐을 둘러싸는 쉴드.
11. 토치를 향해 튀는 용융 금속을 생성하는 금속성 공작물을 관통 및 절단하는 플라즈마 아크 토치에 고정되는 쉴드 상의 슬래그의 형성을 감소시키기 위한 방법에 있어서,
    가스 유동에 의해 상기 쉴드의 제 1 내부 표면(interior surface)을 접촉-냉각하는 단계;
    액체 유동에 의해 상기 쉴드의 제 2 외부 표면(exterior surface)을 접촉-냉각하는 단계;
    튀는 용융 금속에 노출되는 상기 쉴드의 제 3 외부 표면을 전도 냉각하는 단계 ― 상기 제 3 외부 표면은 상기 가스 유동 및 상기 액체 유동에 의해 전도 냉각됨 ― ;
    상기 액체 유동을 유지하도록 밀봉 조립체를 제공하는 단계 ― 상기 밀봉 조립체는 상기 접촉-냉각되는 상기 제 2 외부 표면의 상기 액체 유동을 상기 플라즈마 아크 토치 내에 유지하도록 구성됨 ― 를 포함하는 방법.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 제 2 외부 표면은 상기 쉴드의 제 1 단부에 인접하게 배치되며, 상기 튀는 용융 금속에 노출되는 상기 쉴드의 제 3 외부 표면은 상기 쉴드의 제 2 단부에 인접하게 배치되는 방법.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 쉴드는 상기 쉴드의 제 1 단부에 인접하게 배치되는 플랜지를 더 포함하며, 상기 제 1 내부 표면 및 제 2 외부 표면 중 적어도 일부는 상기 플랜지 위에 배치되는 방법.
14. 제 11 항에 있어서, 상기 액체 유동에 의해 상기 제 2 외부 표면을 접촉-냉각하는 단계는 상기 쉴드의 외면 둘레에 일정한 액체 유동을 제공하는 단계를 포함하는 방법.
15. 토치를 향해 튀는 용융 금속을 생성하는 금속성 공작물을 관통 및 절단하는 플라즈마 아크 토치에 고정되는 쉴드 상의 슬래그 형성을 감소시키는 방법에 있어서,
    냉각 매체 유동으로 상기 플라즈마 아크 토치에 고정되는 상기 쉴드를 신속 냉각하는 단계로서:
    가스 유동에 의해 상기 쉴드의 제 1 내부 표면을 접촉-냉각하는 단계;
    액체 유동에 의해 상기 쉴드의 제 2 외부 표면을 접촉-냉각하는 단계; 및
    상기 튀는 용융 금속 및 상기 쉴드의 제 3 외부 표면 사이의 결합을 방지하도록 하기 위해, 튀는 용융 금속에 노출되는 상기 쉴드의 상기 제 3 외부 표면을 상기 가스 유동 및 상기 액체 유동에 의해 전도 냉각하는 단계를 포함하는, 상기 쉴드 냉각 단계;
    상기 제 2 외부 표면을 접촉-냉각하는 상기 액체 유동을 상기 플라즈마 아크 토치 내에 유지하도록 밀봉 조립체를 상기 제 2 외부 표면에 제공하는 단계; 및
    상기 튀는 용융 금속에 노출되는 상기 쉴드의 제 3 외부 표면 상의 슬래그의 축적을 방지하기 위해 상기 쉴드의 상기 표면들을 반복적으로 냉각하는 단계를 포함하는, 토치를 향해 튀는 용융 금속을 생성하는 금속성 공작물을 관통 및 절단하는 플라즈마 아크 토치에 고정되는 쉴드 상의 슬래그 형성을 감소시키는 방법.
16. 삭제
17. 제 15 항에 있어서, 상기 신속 냉각 단계는 상기 쉴드의 제 3 외부 표면과 접촉하는 상기 용융 금속으로부터 열을 추출함으로써 상기 쉴드가 관통 동안과 동일한 온도에 머무르도록 상기 쉴드를 냉각하는 단계를 포함하는 방법.
18. 삭제
19. 제 15 항에 있어서, 상기 쉴드는 미리 결정된 온도 이하로 냉각되는 방법.
20. 제 19 항에 있어서, 상기 쉴드는 60℉ 이하로 냉각되는 방법.
21. 토치를 향해 튀는 용융 금속을 생성하는 금속성 공작물을 관통 및 절단하는 플라즈마 아크 토치용 쉴드에 있어서,
    액체 유동에 의해 직접 냉각되도록 구성되고 상기 쉴드의 인접 단부에 배치된, 상기 쉴드 외부의 제 2 부분;
    흐르는 액체에 의해 직접 냉각되는 상기 제 2 부분에 인접하게 배치되는 제 1 밀봉 메커니즘 및 제 2 밀봉 메커니즘 ― 상기 제 1 및 제 2 밀봉 메커니즘은 상기 플라즈마 아크 토치의 리테이너 캡에 대해 상기 쉴드의 일부를 직접 냉각하는 상기 흐르는 액체를 유지하도록 구성됨 ― ;
    가스 유동에 의해 직접 냉각되도록 구성되는, 상기 쉴드 내부의 제 3 부분;
    상기 쉴드의 말단부에 배치된 오리피스; 및
    용융 금속에 노출되는 상기 쉴드 외부의 제 1 부분 ― 상기 제 1 부분은, 상기 튀는 용융 금속이 상기 제 1 부분에 결합되는 것을 방지하기 위해 상기 가스 유동 및 상기 액체 유동에 의해 전도 냉각되도록 구성됨 ― 을 포함하고,
    상기 제 1 부분은 상기 쉴드의 말단부에 인접하게 배치되고, 제 2 부분은 제 1 부분에 대해 인접하게 배치되는 플라즈마 아크 토치용 쉴드.
22. 삭제
23. 제 21 항에 있어서, 립(lip)을 더 포함하되, 상기 액체에 의해 직접 냉각되도록 구성되는 상기 제 1 부분은 상기 립 위에 배치되는 쉴드.
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25. 제 21 항에 있어서, 상기 밀봉 메커니즘은 O-링, 에폭시 실 또는 경금속 접촉 실 중 적어도 하나인 쉴드.
26. 플라즈마 아크 토치 시스템에 있어서,
    플라즈마 아크 토치;
    냉각 매체를 제공하도록 구성되는 냉각 장치 ― 상기 냉각 매체는 가스와 액체를 포함함 ― ; 및
    상기 플라즈마 아크 토치에 배치되는 쉴드를 포함하며,
    상기 쉴드는:
    튀는 용융 금속에 노출되는, 상기 쉴드 외부의 제 1 부분;
    쉴드의 말단부에 배치된 오리피스 ― 상기 제 1 부분은 상기 말단부에 대해 배치됨 ― ;
    상기 냉각 장치로부터 흐르는 상기 냉각 매체 중 상기 액체에 의해 직접 냉각되는 외부의 제 2 부분 ― 상기 제 2 부분은 쉴드의 인접 단부에 배치됨 ― ; 및
    상기 냉각 장치로부터 흐르는 상기 냉각 매체 중 상기 가스에 의해 직접 냉각되는 내부의 제 3 부분; 및
    상기 제 1 부분 및 상기 제 2 부분 사이에 배치되는 밀봉 장치 ― 상기 밀봉 장치는 상기 냉각 장치로부터 흐르는 상기 냉각 매체 중 상기 액체를 유지하도록 구성되고, 상기 플라즈마 아크 토치의 상기 제 2 부분과 접촉하는 상기 냉각 매체 중 상기 액체를 유지하도록 구성됨 ― 를 포함하고,
    상기 튀는 용융 금속이 상기 제 1 부분에 결합되는 것을 방지하기 위해, 상기 제 1 부분은 상기 냉각 장치로부터 흐르는 상기 냉각 매체 중 상기 액체 및 상기 가스에 의해 전도 냉각되는 플라즈마 아크 토치 시스템.
27. 제 26 항에 있어서, 상기 냉각 장치는 냉장 장치(chiller)인 시스템.
28. 제 26 항에 있어서, 상기 냉각 매체는 상기 제 2 부분 및 상기 제 3 부분을 반복적으로 냉각하는 시스템.
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