KR101371979B1

KR101371979B1 - 각진 쉴드 흐름 주입을 제공하는 플라즈마 아크 토치

Info

Publication number: KR101371979B1
Application number: KR1020077024569A
Authority: KR
Inventors: 듀안 쳉; 스테펀 엠. 라이볼드; 애론 디. 브랜츠
Original assignee: 하이퍼썸, 인크.
Priority date: 2005-04-19
Filing date: 2006-04-19
Publication date: 2014-03-07
Also published as: US20070007256A1; CN101204123A; EP1878324B1; US7605340B2; US20110062124A1; EP1878324B2; WO2006113737A3; BRPI0610299A2; KR20080007335A; US20060289396A1; EP2384097B1; CN101204123B; US7829816B2; BRPI0610299B1; US8395077B2; EP2384097A1; EP1878324A2; MX2007013067A; WO2006113737A2

Abstract

본 발명에 따른 플라즈마 아크 토치는 각진 쉴드 흐름 주입을 제공하는 개선된 노즐을 갖는 토치 팁을 포함한다. 특히, 노즐은 플라즈마 아크 토치를 통해 흐르는 이온화된 플라즈마 가스에 각진/원뿔형 유체 충돌(예를 들면, 쉴드 가스)을 제공한다. 본 발명에 따른 토치 팁은 각진 유체 흐름을 형성하기 위해 상보형 내부 구조를 갖는 쉴드와 결합된 원뿔형 외부 모양을 갖는 노즐을 포함한다. 그 결과, 개선된 노즐을 포함하는 플라즈마 아크 토치는 강화된 노즐 냉각과 토치 사용중 슬래그 반사로부터의 보호와 함께 안정적인 이온화된 플라즈마 가스 흐름의 이점을 갖는다.

플라즈마 아크 토치, 노즐, 쉴드, 토치 팁

Description

각진 쉴드 흐름 주입을 제공하는 플라즈마 아크 토치{PLASMA ARC TORCH PROVIDING ANGULAR SHIELD FLOW INJECTION}

본 발명은 일반적으로 금속을 커팅, 피어싱, 그리고 마킹하는데 이용되는 플라즈마 아크 토치(plasma arc torches)에 관한 것이며, 좀더 구체적으로는 플라즈마 아크에 각진(예를 들면, 원뿔형) 쉴드 흐름 주입(angular shield flow injection)을 제공하는 플라즈마 아크 토치에 관한 것이다.

플라즈마 아크 토치는 금속성 물질(예를 들면, 기본적인 금속들, 금속 합금들)의 커팅, 피어싱, 및/또는 마킹에 광범위하게 이용된다. 플라즈마 아크 토치는 일반적으로 토치의 바디(즉, 토치 바디)내에서 마운트되는 전극, 토치 바디내에서 역시 마운트되는 출구 오리피스(exit orifice)를 구비한 노즐, 전기적 연결부들, 유체를 냉각하기 위한 유체 통로(fluid passageway), 쉴드 유체, 그리고 아크 제어 유체, 전극과 노즐 사이에 형성된 플라즈마 챔버내의 유체 흐름 패턴을 제어하기 위한 스월 링(swirl ring), 그리고 전력공급원을 포함한다. 토치는 플라즈마 아크(높은 온도 및 높은 모멘텀의 플라즈마 가스의 압축 이온화된 분출물, 즉 이온화된 플라즈마 가스 흐름 스트림)를 만든다. 플라즈마 아크 토치에 이용되는 가스는 비-산화제(예를 들면, 아르곤, 질소) 또는 산화제(예를 들면, 산소, 공기)일 수 있다.

동작에 있어서, 파일럿 아크(pilot arc)가 먼저 전극(즉, 캐소드)과 노즐(즉,애노드)사이에서 생성된다. 파일럿 아크는 DC 전력공급원 및 플라즈마 아크 토치에 결합되는 고주파, 고전압 신호에 의해 또는 다양한 컨택 방법에 의해 생성될 수 있다.

일반적으로, 금속 물질을 커팅, 피어싱, 또는 마킹하기 위한 플라즈마 아크를 제공하기 위해 전극, 노즐, 그리고 유체 통로 서로가 연관되어 구성된다. 도 1을 참조하여, 공지된 구성으로, 플라즈마 아크 토치는 쉴드(3)와 노즐(2) 사이에 배치된 공간을 통해 유체(예를 들면, 쉴드 가스)가 통과하기 위한 하나 이상의 통로를 형성하기 위해 쉴드(3)와 공간을 두고 구비되는 전극(1)과 노즐(2)을 포함한다. 이러한 공지 구성에서, 플라즈마 가스 흐름(4)은 토치의 세로축을 따라 토치를 통과한다(예를 들면, 전극 근처에서, 노즐을 통해, 노즐 출구 오리피스를 통해 외부로 배출). 쉴드 가스(5) 또는 다른 유체는 노즐을 냉각시키기 위해 하나 이상의 통로를 통해 통과하고 플라즈마 가스 흐름이 노즐 출구 오리피스를 통해 통과할 때 90도 각도에서 이온화된 플라즈마 가스 흐름에 부딪친다. 이러한 충돌에 의해, 이온화된 플라즈마 가스 흐름은 분열(예를 들면, 플라즈마 가스 흐름이 불안정해짐)되며, 이것은 커팅, 피어싱, 마킹 작업을 열화시키는 원인이 된다.

도 2를 참조하여, 또 다른 공지 구성에서, 쉴드 가스(5)와 이온화된 플라즈마 가스(4)의 원주형(columnar) 흐름을 제공하기 위해 노즐(2)과 쉴드(3)가 구비될 수 있다. 즉, Lindsay에 의한 미국 등록특허 6,207,923에 개시된 바와 같이, 노즐 출구 오리피스 90도 각도에서 이온화된 플라즈마 가스 흐름(4)에 충돌하지 않고, 쉴드 가스(5)는 플라즈마 가스 흐름에 평행 방향으로 통로 바깥으로 분출된다. 이러한 구성을 갖는 플라즈마 아크 토치는 쉴드 가스가 90도 각도로 플라즈마 가스 흐름과 충돌하는 토치보다 개선된 안정성을 보여준다. 또한, 원주형 흐름을 포함하는 플라즈마 아크 토치는 큰(예를 들면, 2.4보다 큰) 노즐 출구 오리피스 길이 대 지름 비율, L/D 를 갖는 경향이 있다. 일부 연구자들은 큰 L/D 비율이 두꺼운 금속 제품을 커팅할 수 있는 안정성과 보다 빠른 커팅 속도를 달성할 수 있도록 하는 것을 발견했다. 그러나, 일반적으로, 쉴드 가스 및 플라즈마 가스의 원주형 흐름을 갖는 플라즈마 아크 토치는 90도 충돌 쉴드 가스 흐름 분출을 사용하는 플라즈마 아크 토치보다 노즐의 팁(tip)을 냉각하는데 어려움을 가지고 있으며 커팅 중 반사 슬래그(reflecting slag)로부터의 보호가 어렵다.

따라서, 노즐의 효과적인 냉각을 달성하고 반사 슬래그로부터의 보호를 제공하고 또한 안정적인 플라즈마 가스 흐름 및 큰 L/D 비율을 제공하는 플라즈마 아크 토치를 제공하는 것이 바람직하다.

일실시예에서, 본 발명은 토치 노즐의 효과적인 냉각과 슬래그 반사로부터 보호와 또한 안정적인 플라즈마 가스 흐름을 제공하는 플라즈마 아크 토치를 제공함으로써 종래 기술의 결점들을 제거한다. 본 발명의 플라즈마 아크 토치는 금속 물질을 커팅, 피어싱 및/또는 마킹하는데 이용될 수 있다. 토치는 플라즈마 챔버를 규정하기 위해 바디내에서 전극과 연관되어 구비되는 노즐을 구비한 토치 바디를 포함한다. 토치 바디는 플라즈마 가스를 플라즈마 챔버로 향하게 하는 플라즈마 흐름 경로를 포함한다. 토치는 또한 토치 바디에 부착된 쉴드를 포함한다. 노즐, 전극, 그리고 쉴드는 주기적인 교체가 필요한 소모 부품이다. 따라서, 이러한 부품들은 쉽게 제거, 교환이 가능하도록 탈착가능하고, 일실시예에서는, 재부착가능하다.

일측면에서, 본 발명은 플라즈마 아크 토치를 위한 노즐로 특징지어진다. 노즐은 실질적으로 중공형 내부(hollow interior)와 실질적으로 원뿔형의 외부(conical exterior)를 포함하는 노즐 바디를 포함한다. 원뿔형 외부는 약 20도에서 약 60도의 제1 범위에서 선택된 반쪽-원뿔 각도를 갖는다. 노즐 바디는 노즐의 단면상에 배치되는 출구 오리피스(exit orifice)를 규정한다. 출구 오리피스는 오리피스 지름(D), 오리피스 길이(L), 그리고 노즐 단면 지름(φ1)에 의해 규정되고, L 대 D 비율이 2.4보다 크거나 같고, φ1 대 D 비율은 약 1.9에서 2.5의 제2 범위내에 있다.

본 발명의 일측면에 의한 실시예들에서 하나 이상의 다음과 같은 특징을 포함할 수 있다. 일실시예에서, 제1 범위는 약 30도에서 50도이다. 특정 실시예에서, 제1 범위는 약 34도에서 약 44도 사이로 예를 들면, 42.5도일 수 있다. 일실시예에서, L 대 D 비율은 약 2.5에서 3.0 사이로 예를 들면, 2.8이다. 일실시예에서, φ1 대 D 비율은 약 2.1이다. 본 발명의 노즐 바디는 또한 플라즈마 토치 바디에 노즐 바디를 고정하기 위한 고정 메카니즘을 포함할 수 있다. 이러한 고정 메카니즘은 o-링과 쓰레드(thread)를 포함한다. 특정 실시예에서, 노즐 바디는 예를 들어 구리, 알루미늄, 또는 황동(brass)과 같은 전도성 물질로부터 형성된다.

다른 측면에서, 본 발명은 플라즈마 아크 토치를 위한 토치 팁(torch tip)으로 특징지어 진다. 토치 팁은 세로축을 가지고 노즐 및 쉴드를 포함한다. 토치 팁의 노즐은 중공형 내부와 원뿔형 외부를 포함하는 노즐 바디를 포함한다. 원뿔형 외부는 약 20도에서 약 60도 사이의 제1 범위로부터 선택된 노즐 반쪽-원뿔 각도를 갖는다. 노즐 바디는 노즐의 단면상에 배치된 출구 오리피스를 규정한다. 출구 오리피스는 오리피스 지름(D), 오리피스 길이(L), 그리고 노즐 단면 지름(φ1)으로 규정되고, L 대 D 비율은 2.4보다 크거나 같다. 토치 팁의 쉴드는 쉴드 출구 오리피스 지름(φ2)를 갖는 쉴드 출구 오리피스를 규정하는 쉴드 바디를 포함한다. 쉴드 바디는 노즐 반쪽-원뿔 각도와 동일한 쉴드 반쪽-원뿔 각도를 갖는 원뿔형 내부를 포함한다. 쉴드의 원뿔형 내부와 노즐의 원뿔형 외부 사이의 공간에 유체 통로가 형성되도록, 토치 팁의 세로축에 대해 노즐과 상대적으로 공간을 가지고 구비된다.

이러한 측면의 실시예들은 하나 이상의 다음과 같은 특징을 포함한다. 일실시예에서, 쉴드는 노즐로부터 세로축을 따라 거리(s)에서 간격을 두고 통로는 노즐 반쪽-원뿔 각도의 사인(sine)에 의해 곱해진 s 에 의해 규정된 두께를 갖는다. 특정 실시예에서, s 의 값은 쉴드 출구 유체 속도가 초당 약 2,000 인치에서 초당 약 6,000 인치의 속도가 되도록 통로의 두께를 제공하기 위해 선택된다. 일실시예에서, s 의 값은 약 0.022 인치의 두께를 제공하기 위해 선택된다. 노즐은 φ1 대 D 비율이 약 1.9에서 2.5 사이의 범위내, 예를 들면 2.1를 갖는다. 일실시예에서, 제1 범위(즉, 노즐 반쪽-원뿔 각도의 범위)는 약 30도에서 약 50도 사이일 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 범위는 약 34도에서 약 44도 사이의 범위내, 예를 들면, 42.5도 일 수 있다. L 대 D 비율은 약 2.5에서 약 3.0 사이의 범위내, 예를 들면, 2.8일 수 있다. 토치 팁은 약 0.8에서 1.2 사이의 범위내에서 φ2 대 φ1 비율을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, φ2 대 φ1 비율은 1보다 크다. 일실시예에서, 쉴드는 하나 이상의 통기공(vent hole)을 포함한다. 특정 실시예에서, 쉴드는 어떤 통기공도 포함하지 않는다. 노즐뿐만 아니라 쉴드도 전도성 물질로 형성될 수 있다. 특정 실시예에서, 노즐 바디는 또한 노즐 바디를 플라즈마 토치 바디로 고정하기 위한 고정 메카니즘을 포함한다.

다른 측면에서, 본 발명은 플라즈마 아크 토치로 특징지어 진다. 플라지마 아크 토치는 세로축을 가지고 플라즈마 아크 토치 바디, 노즐, 그리고 쉴드를 포함한다. 플라즈마 아크 토치 바디는 플라즈마 가스가 플라즈마 아크가 형성되는 플라즈마 챔버로 향하도록 하는 플라즈마 흐름 경로를 포함한다. 노즐은 중공형 내부와 원뿔형 외부를 포함하는 노즐 바디를 포함한다. 원뿔형 외부는 약 20도에서 약 60도의 제1 범위로부터 선택되는 노즐 반쪽-원뿔 각도를 갖는다. 노즐 바디는 노즐의 단면상에 배치되는 출구 오리피스를 규정한다. 출구 오리피스는 오리피스 지름(D), 오리피스 길이(L), 그리고 노즐 단면 지름(φ1)에 의해 규정되고, L 대 D 비율은 2.4보다 크거나 같다. 쉴드는 쉴드 출구 오리피스 지름(φ2)를 갖는 쉴드 출구 오리피스를 규정하는 쉴드 바디를 포함한다. 쉴드 바디는 노즐 반쪽-원뿔 각도와 동일한 쉴드 반쪽-원뿔 각도를 갖는 원뿔형 내부를 포함한다. 쉴드의 원뿔형 내부와 노즐의 원뿔형 외부 사이의 공간에 유체 통로가 형성되도록 플라즈마 아크 토치의 세로축에 대하여 노즐과 간격을 두고 구비된다.

이러한 측면의 실시예들은 하나 이상의 다음과 같은 특징을 포함한다. 일실시예에서, 쉴드는 노즐로부터 세로축을 따라 거리(s)에서 간격을 두고 통로는 노즐 반쪽-원뿔 각도의 사인(sine)에 의해 곱해진 s 에 의해 규정되는 두께를 갖는다. 특정 실시예에서, s 의 값은 쉴드 출구 유체 속도가 초당 약 2,000 인치에서 초당 약 6,000 인치의 속도가 되도록 통로의 두께를 제공하기 위해 선택된다. 일실시예에서, s 의 값은 약 0.022 인치의 두께를 제공하기 위해 선택된다. 노즐은 φ1 대 D 비율이 약 1.9에서 2.5 사이의 범위내, 예를 들면 2.1를 갖는다. 일실시예에서, 제1 범위(즉, 노즐 반쪽-원뿔 각도의 범위)는 약 30도에서 약 50도 사이일 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 범위는 약 34도에서 약 44도 사이의 범위내, 예를 들면, 42.5도 일 수 있다. L 대 D 비율은 약 2.5에서 약 3.0 사이의 범위내, 예를 들면, 2.8일 수 있다. 플라즈마 아크 토치는 약 0.8에서 1.2 사이의 범위내에서 φ2 대 φ1 비율을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, φ2 대 φ1 비율은 1보다 크다. 일실시예에서, 쉴드는 하나 이상의 통기공(vent hole)을 포함한다. 특정 실시예에서, 쉴드는 어떤 통기공도 포함하지 않는다. 노즐뿐만 아니라 쉴드도 전도성 물질로 형성될 수 있다. 특정 실시예에서, 노즐 바디는 또한 노즐 바디를 플라즈마 토치 바디로 고정하기 위한 고정 메카니즘을 포함한다.

다른 측면에서, 본 발명은 플라즈마 아크 토치의 노즐로 특징지어 진다. 노즐은 중공형 내부와 노즐 반쪽-원뿔 각도를 갖는 원뿔형 외부를 포함하는 노즐 바디를 포함한다. 노즐 바디는 노즐의 단면상에 배치되는 출구 오리피스를 규정한다. 출구 오리피스는 오리피스 지름(D), 오리피스 길이(L), 그리고 노즐 단면 지름(φ1)에 의해 규정되고, 노즐 반쪽-원뿔 각도, L 대 D 비율, 그리고 φ1 대 D 비율은 노즐의 효과적인 냉각과, 슬래그 반사로부터의 보호, 그리고 안정적인 이온화된 플라즈마 가스 흐름을 제공하기 위해 선택된다.

다른 측면에서, 본 발명은 플라즈마 아크 토치를 위한 토치 팁으로 특징지어진다. 토치 팁은 세로축을 가지며 노즐 및 쉴드를 포함한다. 노즐은 중공형 내부와 노즐 반쪽-원뿔 각도를 갖는 원뿔형 외부를 포함하는 노즐 바디를 포함한다. 노즐 바디는 노즐의 단면상에 배치되는 출구 오리피스를 규정한다. 출구 오리피스는 오리피스 지름(D), 오리피스 길이(L), 그리고 노즐 단면 지름(φ1)에 의해 규정된다. 쉴드는 쉴드 출구 오리피스 지름(φ2)를 규정하는 쉴드 바디를 포함한다. 쉴드 바디는 노즐 반쪽-원뿔 각도와 동일한 쉴드 반쪽-원뿔 각도를 갖는 원뿔형 내부를 포함한다. 쉴드는 쉴드의 원뿔형 내부와 노즐의 원뿔형 외부 사이의 공간에 유체 통로가 형성되도록 세로축에 대하여 노즐과 간격을 두고 구비된다. 노즐 반쪽-원뿔 각도, L 대 D 비율, 그리고 φ2 대 φ1 비율은 노즐의 효과적인 냉각과, 슬래그 반사로부터의 보호, 그리고 안정적인 이온화된 플라즈마 가스 흐름을 제공하기 위해 선택된다.

다른 측면에서, 본 발명은 세로축을 포함하는 플라즈마 아크 토치에 의해 특징지어진다. 플라즈마 아크 토치는 플라즈마 아크 토치 바디, 노즐, 그리고 쉴드를 포함한다. 플라즈마 아크 토치 바디는 플라즈마 아크가 형성되는 플라즈마 챔버로 플라즈마 가스를 향하게 하기 위한 플라즈마 흐름 경로를 포함한다. 노즐은 플라즈마 챔버를 규정하기 위해 플라즈마 토치 바디내의 전극에 대하여 구비된다. 노즐은 중공형 내부와 노즐 반쪽-원뿔 각도를 갖는 원뿔형 외부를 포함하는 노즐 바디를 포함한다. 노즐 바디는 노즐의 단면상에 배치되는 출구 오리피스를 규정한다. 출구 오리피스는 오리피스 지름(D), 오리피스 길이(L), 그리고 노즐 단면 지름(φ1)에 의해 규정된다. 쉴드는 쉴드 출구 오리피스 지름(φ2)을 규정하는 쉴드 바디를 포함한다. 쉴드 바디는 노즐 반쪽-원뿔 각도와 동일한 쉴드 반쪽-원뿔 각도를 갖는 원뿔형 내부를 포함한다. 쉴드는 쉴드의 원뿔형 내부와 노즐의 원뿔형 외부 사이의 공간에 유체 통로가 형성되도록 세로축에 대하여 노즐과 간격을 두고 구비된다. 노즐 반쪽-원뿔 각도, L 대 D 비율, φ2 대 φ1 비율은 노즐의 효과적인 냉각과, 슬래그 반사로부터의 보호, 그리고 안정적인 이온화된 플라즈마 가스 흐름을 제공하기 위해 선택된다.

다른 측면에서, 본 발명은 플라즈마 아크 토치 제품으로 특징지어진다. 제품은 이온화된 플라즈마 유체를 위한 제1 통로와 쉴드 유체를 위한 제2 통로를 포함한다. 제1 통로는 제품의 세로축과 평행하다. 제1 통로는 이온화된 플라즈마 유체를 배출하기 위한 제1 출구 오리피스를 포함한다. 제2 통로는 제2 출구 오리피스를 포함하고, 제품의 일부의 효과적인 냉각과, 슬래그 반사로부터의 보호, 그리고 안정적인 이온화된 플라즈마 유체 흐름을 갖는 플라즈마 아크 토치를 제공하기 위해 선택된 각도에서의 배출 이후 쉴드 유체가 플라즈마 유체와 충돌하도록 제1 통로에 각진 곳에 배치된다.

도 1은 일반적인 90도 쉴드 흐름 주입을 사용하는 종래 플라즈마 아크 토치 의 일부(즉, 토치 팁)의 단면도이다. 즉, 쉴드 흐름은 90도 각도에서 플라즈마 가스 흐름과 충돌한다.

도 2는 원주형 쉴드 흐름 주입을 사용하는 또 다른 종래 플라즈마 아크 토치의 토치 팁의 단면도이다. 즉, 쉴드 흐름은 플라즈마 가스 흐름과 동축이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 토치 팁의 단면도이다. 도 3에서, 토치 팁은 플라즈마 가스 흐름에 원뿔형 쉴드 흐름 주입을 제공한다.

도 4A는 본 발명의 일실시예에 따른 토치 팁의 단부의 개략도이다. 도 4B-4D는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 토치 팁의 단부의 개략도이다.

도 5A 및 5B는 도 4 일부의 확대된 개략도이다.

도 6은 도 3의 토치 팁을 포함하는 플라즈마 아크 토치의 단면도이다.

도 7은 열 분석 결과를 나타내는 도 2의 토치 팁의 일부에 대한 단면도이다.

도 8은 열 분석 결과를 나타내는 도 3의 토치 팁의 일부에 대한 단면도이다.

본 발명은 이온화된 플라즈마 가스 흐름에 대한 냉각 유체(예를 들면, 쉴드 가스) 흐름의 각진(예를 들면, 원뿔형) 충돌을 형성하기 위해 대응하는 원뿔형 쉴드 내부와 결합된 원뿔형 노즐 외부를 사용한다. 각진 쉴드 흐름 충돌은 2가지 요소(즉, 원주 또는 x-성분, 그리고 수직 또는 y-성분)에 따라 수학적으로 고려된다. 원주 성분은 이온화된 플라즈마 가스의 불안정성을 줄이는데 도움을 줄 수 있고, 수직 성분은 반사 슬래그로부터의 보호와 효과적인 노즐 냉각 능력을 제공할 수 있다. 각진 흐름의 각도를 조정함으로써, 원주 및 수직 성분 비율은 더 안정적인 이 온화된 플라즈마 가스 흐름 및 슬래그 반사로부터의 효과적인 보호 그리고 노즐 냉각을 제공하는데 최적화될 수 있다.

도 3을 참조하면, 토치 팁(10)은 노즐(15)과 쉴드(20)를 포함하며, 노즐과 쉴드는 토치 팁(10)의 세로축(25)을 따라 서로 간격을 두고있다. 노즐(15)과 쉴드(20) 둘다 전도성 물질로부터 형성된다. 일실시예에서, 노즐 및 쉴드는 동일한 전도성 물질로 형성되고, 다른 실시예에서는 노즐 및 쉴드는 다른 전도성 물질로 형성된다. 본발명에 사용되는 적절한 전도성 물질의 예로는 구리, 알루미늄, 황동이 있다.

노즐(15)과 쉴드(20) 사이의 공간에 형성된 것은 유체를 위한 통로(30)이다. 예를 들어, 사용중 노즐을 냉각시키기 위해 통로(30)를 통해 쉴드 가스와 같은 유체가 흐른다. 통로(30)를 통한 유체 흐름은 노즐(15)을 통해 흐르는 이온화된 플라즈마 가스 스트림과 충돌한다. 그 결과, 플라즈마 가스 흐름은 원뿔형 쉴드 흐름 주입으로 제공되어진다, 다시 말하면, 쉴드 가스는 플라즈마 가스에 상대적으로 각진 흐름을 갖는다. 플라즈마 가스 흐름과 쉴드 가스 흐름은 도 3에서 화살표 4 및 5로 각각 나타나 있다. 즉, 플라즈마 가스 흐름은 화살표 4로 쉴드 가스 흐름은 화살표 5로 도시되어 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 쉴드(30)는 노즐(15)에 추가적인 냉각(즉, 통풍)을 제공하기 위해 하나 이상의 통기공(32)을 포함할 수 있다. 그러나, 일실시예에서, 쉴드(30)는 어떤 통기공도 포함하지 않는다.

토치 팁(10) 단부의 개략도인 도 4A를 참조하면, 노즐(15)은 원뿔형 외부(40)와 중공형 내부(45)를 포함하는 노즐 바디(35)를 포함한다. 도 4A에 도시된 바와 같이, 원뿔형 외부(40)는 노즐 반쪽-원뿔 각도(a), 즉 세로축(25)과 노즐(15)의 원뿔형 외부(40) 사이의 각도에 의해 규정된다. 일반적으로, 노즐 반쪽-원뿔 각도(a)는 외부(40)가 가파르도록 변경될 수 있고, 따라서 통로(30) 또한 변경될 수 있다. 일반적으로, 큰 노즐 반쪽-원뿔 각도가 선택되면 통로(30)를 통해 흐르는 유체가 이온화된 플라즈마 가스 흐름에 충돌할 때 불안정성이 유도되기 쉽다. 따라서, 일실시예에서, 불안정한 이온화된 플라즈마 가스 흐름 생성을 제한하기 위해, 노즐 반쪽-원뿔 각도는 약 20도에서 60도 사이에서 선택하는 것이 바람직하다.

노즐(15)은 또한 노즐(15)의 단면(55)상에 배치된 출구 오리피스(50)를 포함한다. 플라즈마 챔버(즉, 전극과 중공형 내부(45) 사이에 규정된 공간내)에서 생성된 이온화된 플라즈마 가스 흐름은 전도성 재료에 대한 커팅, 마킹, 및/또는 피어싱 목적을 위해 출구 오리피스(50)를 통해 쉴드(20)를 통과한다. 출구 오리피스(50)는 오리피스 지름(D), 오리피스 길이(L), 그리고 노즐 단면 지름(φ1)에 의해 규정된다.

도 4A, 4B, 4C, 4D를 참조하여, 오리피스 길이(L)는 노즐(15)을 통한 보어(bore)(즉, 통로)의 전체 길이이다. 즉, L 은 보어 입구로부터 노즐(15)의 단면(55)내의 보어 끝까지 규정된 보어의 길이와 같다. 유압 지름으로 알려진, 노즐 지름(D)은 보어를 둘러싼 벽의 전체 영역을 보어의 전체 길이(L)과 파이(pi)의 곱으로 나눈 것으로 규정된다. 도 4A에 도시된 바와 같은, 특정 실시예에서, 보어의 지름은 전체 길이(L)를 따라 상수(constant)로 유지된다. 그 결과, 다음과 같은 식 에 의해 D가 규정된다.:

D = (πD₁L₁)/πL ; 여기서, L1 = L.

그러나, 도 4B와 같은, 다른 실시예에서, 보어는 원통형 섹션(cylindrical section)(즉, 길이 L₁보다 큰 상수 지름 D₁을 갖는 섹션)과 원뿔형 섹션(즉, 가장 작은 지름 D1 부터 가장 큰 지름 D2까지 그 지름이 증가하는 섹션)을 가지고 있으며, D는 다음과 같은 식에 의해 규정된다:

D = (πD₁L₁+ π/2(D₁+D₂)sqrt(1/4(D₂-D₁)^2+(L-L₁)^2))/πL.

도 4C에 도시된 실시예에서, 보어는 2개의 다른 원통형 섹션을 갖는다. 제1 원통형 섹션은 길이 L₁을 따라 연장하고 제2 원통형 섹션은 L₂를 따라 연장하며, 여기서 L₁+L₂는 L과 같다. 그 결과, D는 다음과 같은 식으로 규정된다:

D = (πD₁L₁ + πD₂(L-L₁))/πL

도 4D는 보어 입구(52)에서의 지름이 보어 출구 또는 노즐(15)의 단면(55)보다 큰 실시예를 나타내고 있다. 이 실시예에서, 보어 구조는 보어 입구(52)에서 가장 큰 지름인 D₁을 가지며 길이 L₁ 동안 가장 작은 지름(D₂)으로 점차 감소하는 제1 섹션을 포함한다. 또한 보어는 남은 길이(즉, L-L₁)동안 지름이 상수인 제2 섹션을 포함한다. 그 결과, D 는 다음과 같은 식으로 규정된다:

D = (π/2(D₁+D₂)sqrt(1/4(D₂-D₁)^2+(L₁)^2)+πD₂(L-L₁))/πL

도 4A-4D 는 네가지 가능한 보어 구조를 도시하고 있지만, 다른 구조 또한 가능하다.

D, L 그리고 φ1 각각의 값은 플라즈마 아크 토치로 전도성 재료를 최적으로 커팅, 마킹 및/또는 피어싱하기 위해 선택될 수 있다. 예를 들면, 커팅 속도와 재료 두께는 노즐(15)의 L 대 D 비율을 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 일반적으로, 커팅 속도와 커팅 두께 이득과 관련된 L 대 D 비율(L/D)은 2.4보다 크거나 같다. 그러나, 원주형 또는 수직형 쉴드 가스 충돌을 사용하는 종래 노즐에 따르면, 노즐 오버히팅으로 인해 또는 이온화된 플라즈마 가스 안정성 문제로 인해 2.4보다 크거나 같은 L/D 비율을 얻기 어렵다. 통풍 또는 통풍없는 노즐과의 냉각 유체의 각진 충돌을 사용하는 것은 종래 노즐의 문제점들을 최소화하며, L/D 비율이 적어도 약 2.4까지 증가되는 것을 허용한다. 일실시예에서, L/D 비율은 약 2.5에서 약 3.0 사이의 범위내의 값, 예를 들면 2.8 로 증가될 수 있다.

실험과 분석을 통해, 노즐 단면 지름(φ1) 과 오리피스 지름D 사이의 최적의 비율 범위가 결정된다. φ1/D 비율은 유체 흐름(예를 들면, 쉴드 가스)과 이온화된 플라즈마 가스 스트림의 결합 포인트의 위치를 결정하는데 도움을 주기 때문에 중요하다. 결합 포인트는 도 4A의 M 포인트에 배치되며, 쉴드 가스 출구 포인트로부터의 포인트 M의 거리 P 는 출구 오리피스(50) 근처 유체의 재순환의 정도를 결정할 것이다. 재순환의 양이 증가할수록, 이온화된 플라즈마 가스 흐름의 불안정성도 증가한다. 따라서, 일실시예에서, 최적의 커팅, 피어싱, 또는 마킹은 M과 P의 위치를 변경시키는 것에 의해 달성될 수 있다. 예를 들면, φ1/D 비율이 1 값으로 접근하면(따라서 M 과 P 사이 거리가 감소), 노즐의 단면은 너무 과열되고 노즐 수명을 단축시킨다. 이러한 비율이 증가되면, 노즐 및 노즐 단면은 냉각될 수 있으나, M과 P 사이 거리가 증가되기 때문에 쉴드 가스 흐름이 부정적인 영향을 받게 될 것이고, 이것에 의해 이온화된 플라즈마 가스 흐름의 불안정성을 증가시키게 된다. 일실시예에서, φ1/D 비율의 최적값은 약 1.9에서 약 2.5 사이의 범위내에서 결정된다.

쉴드(20)는 쉴드 반쪽-원뿔 각도(b)를 갖는 원뿔형 내부(65)에 의해 규정되는 쉴드 바디(60)를 갖는다. 쉴드 반쪽-원뿔 각도 b 는 노즐 반쪽-원뿔 각도 a 와 대체로 동일하며(예를 들면, ± 5도), 쉴드가 세로축(25)을 따라 노즐과 간격을 두고 구비될 때, 노즐의 원뿔형 외부(40)와 쉴드의 원뿔형 내부(65)는 통로(30)의 평행벽을 형성한다. 통로(30)의 구조로 인해, 유체(예를 들면, 쉴드 가스)는 통로(30)를 통해 흐로고 배출되어 이온화된 플라즈마 가스 흐름에 각지게 충돌한다.

쉴드 바디(60)는 노즐(15)의 출구 오리피스(50)에 인접하여 배치되는 쉴드 출구 오리피스(70)를 포함하며, 쉴드 유체 흐름과 함께 이온화된 플라즈마 가스 흐름은 재료로 바로 향하게 된다. 쉴드 출구 오리피스는 쉴드 출구 오리피스 지름(φ2)에 의해 규정된다. 일실시예에서, 쉴드 출구 오리피스는 부드러운 쉴드 유체 흐름을 형성하기 위해 노즐 단면 지름(φ1)과 같은 크기를 가질 수 있다. φ2/φ1 비율이 너무 작으면(즉, 0.5 또는 그보다 작으면), 유체 재순환 증가가 출구 오리피스(50) 근처에서 발생할 수 있으며 그 결과, 불안정성의 증가가 관찰될 것이다. φ2/φ1 비율이 너무 크면(즉, 1.5 보다 크면), 너무 큰 쉴드 출구 오리피스(70) 때 문에 노즐 단면(55)이 토치 사용중의 슬래그 반사에 노출될 수 있다. 특정 실시예에서, 반사 슬래그에 대한 효과적인 보호 및 안정적인 이온화된 플라즈마 가스 흐름을 제공하기 위해, φ2/φ1 비율은 0.8에서 1.2 사이의 범위내일 수 있다.

쉴드(20)와 노즐(15) 사이를 통과하는 유체의 속도 역시 재료 커팅, 마킹, 그리고 피어싱 결과에 영향을 준다. 예를 들면, 쉴드 가스의 속도가 너무 느리면, 토치 팁(10)이 반사 슬래그로부터 노즐을 보호하는 능력이 감소된다. 속도가 너무 빠르면, 이온화된 플라즈마 가스 스트림이 불안정해진다. 따라서, 일실시예에서, 통로(30)내에서 유체의 속도는 초당 2,000 인치에서 초당 6,000 인치 사이에 있는 것이 바람직하다. 부분적으로, 이러한 유체 속도는 통로(30)의 두께(t)에 의해 결정된다. 통로(30)의 두께는 노즐(15)과 쉴드가 간격을 두고 있는 세로축(25)을 따른 거리(s)에 의해 결정된다. 도 5A 와 5B를 참조하여, 통로(30)의 두께(t)는 s*sin(a)과 같으며, 여기서 b=a. 포인트 P에서의 유체(예를 들면, 쉴드 가스)의 속도는 출구 포인트 P 에서의 영역에 의해 나눠진 유체의 효과 흐름 비율과 같다. 포인트P에서 영역은 π*t*(φ1 + t*cos(a))와 같다. 따라서, 거리(s)와 최종적으로는 통로의 두께(t)는 통로(30)를 통해 흐르는 유체의 속도를 결정할 것이다.

도 6을 참조하여, 토치 팁(10)은 토치 바디(105), 전극(110), 그리고 플라즈마 가스 통로(115)를 포함하는 플라즈마 아크 토치(100)에 부착될 수 있다. 토치 팁(10)의 노즐(15)은 고정 메카니즘(securing mechanism)(예를 들면 노즐의 표면(130)상에 패터닝된 한쌍의 변형가능 o-링 또는 쓰레드)(120)을 통해 토치 바디(105)에 바로 부착될 수 있다. 일실시예에서, 쉴드(20)는 잠김 메카니 즘(fastening mechanism)(예를 들면, 유지 캡(150)의 사용을 통해)을 통해 플라즈마 아크 토치(100)에 부착될 수 있다.

이하의 예들은 본 발명을 보다 용이하게 이해하고 설명하기 위해서 제공된다. 이러한 특정 예들은 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며 설명의 목적으로 위한 것이다.

예 1

원뿔형 외부 노즐 부분과 원뿔형 내부 쉴드 부분을 구비한 토치 팁이 100ipm 까지의 드로스-프리 속도(dross-free speed)에서 3/4 인치 연강(mild steel)을 커팅하는데 사용되었다. 이와 동일한 토치 팁이 플라즈마 아크 토치와 결합하여 3/8 인치, 1/2 인치, 1 인치, 1 1/4 인치 연강을 피어싱하기 위해 사용되었다. 원뿔형 외부 노즐 부분과 원뿔형 내부 쉴드 부분 모두 42.5도의 반쪽-원뿔 각도를 갖는다. 쉴드와 노즐 각각은 구리로 만들어지고 토치 팁을 플라즈마 아크 토치에 고정하기 위한 o-링을 포함한다. 쉴드는 추가적인 냉각을 제공하기 위해 그 자체에 12개의 통기공을 갖는다.

쉴드와 노즐은 0.022의 두께를 갖는 통로를 형성하기 위해 0.0326 인치의 거리에서 세로축을 따라 서로 각각 구비된다. 포인트 P에서 통로를 나가는 쉴드 가스(공기)의 속도는 초당 4,100 인치이다. 노즐의 출구 오리피스는 0.235인치의 길이(L), 0.081 인치의 지름(D), 그리고 0.18 인치의 노즐 단면 지름(φ1)을 갖는다. 그 결과, 노즐은 2.8의 L/D 비율과 2.1의 φ1/D 비율을 갖는다. 쉴드는 0.185 인치의 쉴드 출구 오리피스 지름(φ2)을 갖는다. 따라서, 토치 팁의 φ2/φ1 비율은 1.03이다.

이 예에서의 토치 팁은 뉴 햄프셔, 하노버의 하이퍼썸사의 HPR 플라즈마 아크 토치와 함께 사용되었다. 여러가지 두께의 연강에 대한 다양한 테스트 결과, 각진 충돌을 제공하는 토치 팁이 원주형 충돌을 제공하는 토치 팁보다 나은 실행결과를 나타내었다. 실제로, 원주형 충돌을 제공하는 토치 팁은 피어싱 재료가 1인치 또는 그 이상의 두께를 갖는 경우 냉각하기 어렵고 또한 손상을 입었다.

예 2

원뿔형 외부 노즐 부분과 원뿔형 내부 쉴드 부분을 구비한 토치 팁이 열 분석을 사용하여 모델화되었고 그 결과 원주형 흐름을 제공하는 종래 토치 팁의 모델과 비교되었다. 도 7 및 8을 참조하여, 도 7은 원주형 흐름을 제공하는 토치 팁에 대한 열 분석 결과를 나타내며 도 8은 42.5 도의 각진 흐름을 제공하는 토치 팁에 대한 열 분석 결과를 나타낸다. 종래 토치 팁 및 본발명에 따른 토치 팁 모두 2.6의 L/D, 2.1의 φ1/D, 그리고 1.03의 φ2/φ1 비율을 갖는다.

도 7에 도시된 바와 같이, 원주형 흐름을 갖는 토치 팁은 996 도씨의 최대 온도를 보이며, 반면에 각진 흐름을 제공하는 토치 팁(도 8)은 히트 로딩과 같거나 낮은 696 도씨의 최대 동작 템퍼(operating temper)를 보인다. 그 결과, 본 발명의 토치 팁은 사용중 노즐로부터의 더 좋은 열 전도를 제공한다. 따라서, 본 발명의 노즐은 사용중에 덜 닳아지고, 따라서 교체 주기가 감소된다.

예 3

원뿔형 외부 노즐 부분과 원뿔형 내부 쉴드 부분을 구비한 토치 팁이 100ipm 의 드로스-프리 속도로 3/4 인치 연강을 커팅하는데 사용될 수 있다. 원뿔형 외부 노즐 부분 및 원뿔형 내부 쉴드 부분 모두 30도의 반쪽-원뿔 각도를 갖는다. 쉴드 및 노즐 각각은 구리로 만들어지고 토치 팁을 플라즈마 아크 토치에 고정하기 위해 o-링을 포함한다. 쉴드는 추가적인 냉각을 제공하기 위해 12개의 통기공을 갖는다.

쉴드와 노즐은 0.020의 두께를 갖는 통로를 형성하기 위해 0.04 인치의 거리에서 세로축을 따라 서로 각각 구비된다. 포인트 P에서 통로를 나가는 쉴드 가스(공기)의 속도는 초당 2,500 인치이다. 노즐의 출구 오리피스는 0.234인치의 길이(L), 0.0867 인치의 지름(D), 그리고 0.18 인치의 노즐 단면 지름(φ1)을 갖는다. 그 결과, 노즐은 2.7의 L/D 비율과 2.07의 φ1/D 비율을 갖는다. 쉴드는 0.162 인치의 쉴드 출구 오리피스 지름(φ2)을 갖는다. 따라서, 토치 팁의 φ2/φ1 비율은 0.9이다.

예 4

원뿔형 외부 노즐 부분과 원뿔형 내부 쉴드 부분을 구비한 토치 팁이 100ipm의 드로스-프리 속도로 3/4 인치 연강을 커팅하는데 사용될 수 있다. 원뿔형 외부 노즐 부분 및 원뿔형 내부 쉴드 부분 모두 47도의 반쪽-원뿔 각도를 갖는다. 쉴드 및 노즐 각각은 구리로 만들어지고 토치 팁을 플라즈마 아크 토치에 고정하기 위해 o-링을 포함한다. 쉴드는 추가적인 냉각을 제공하기 위해 12개의 통기공을 갖는다.

쉴드와 노즐은 0.022의 두께를 갖는 통로를 형성하기 위해 0.03 인치의 거리에서 세로축을 따라 서로 각각 구비된다. 포인트 P에서 통로를 나가는 쉴드 가스(공기)의 속도는 초당 5,000 인치이다. 노즐의 출구 오리피스는 0.234인치의 길이(L), 0.0867 인치의 지름(D), 그리고 0.208 인치의 노즐 단면 지름(φ1)을 갖는다. 그 결과, 노즐은 2.7의 L/D 비율과 2.4의 φ1/D 비율을 갖는다. 쉴드는 0.229 인치의 쉴드 출구 오리피스 지름(φ2)을 갖는다. 따라서, 토치 팁의 φ2/φ1 비율은 1.1이다.

이상의 몇가지 실시예들이 설명되었지만, 또 다른 실시예들이 가능하다. 예를 들면, 노즐(15)과 쉴드(20)가 개별적인 부분으로 설명되었지만, 일실시예에서, 노즐(15)과 쉴드(20)는 교체가능한 부분으로서, 하나로 형성될 수 있다. 그 결과, 본 발명에 따른 플라즈마 아크 토치의 유지중, 전체 토치 팁(10)은 단일 부분으로서 교체될 수 있다. 다른 실시예에서, 쉴드(20)와 노즐(15)은 개별적인 부분이고 그들의 닳아짐에 따라 서로 개별적으로 교체될 수 있다. 가능한 실시예의 또 다른 예로, 토치 팁(10)은 여러가지 수단들을 통해 플라즈마 아크 토치(100)에 연결될 수 있다. 예를 들면, 노즐(15)과 쉴드 모두 토치 바디상에 패터닝된 쓰레드와 함께 메이트 되는 쓰레딩을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, o-링과 같은 변형가능 부품이 쉴드와 노즐을 플라즈마 아크 토치에 부착하는데 이용될 수 있다. 또한, 노즐(15)과 쉴드(20)는 플라즈마 아크 토치9100)에 부착하기 위해 서로 다른 수단을 사용할 수 있다.

본 발명의 범위 및 의도에서 벗어나지 않는 다양한 변경, 변화, 다른 구현이 발생할 수 있다는 것을 당업자라면 명확히 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 전술한 기재에 따라 제한되는 것이 아니다.

Claims

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플라즈마 아크 토치용 토치 팁에 있어서,

세로축을 가진 상기 토치 팁은,

중공형 내부와 원뿔형 외부를 포함하는 노즐 바디를 포함하는 노즐 ― 상기 원뿔형 외부는 20도에서 60도 사이의 제1 범위로부터 선택되는 노즐 반쪽-원뿔 각도를 가지며, 상기 노즐 바디는 상기 노즐의 단면상에 배치되는 출구 오리피스를 규정하며, 상기 출구 오리피스는 오리피스 지름(D)과, 오리피스 길이(L)와, 노즐 단면 지름(φ1)에 의해 규정되며, L 대 D 비율이 2.4보다 크거나 같으며, φ1 대 D 비율은 1.9 내지 2.5의 범위 내에 있음 ― 과,

쉴드 출구 오리피스 지름(φ2)을 갖는 쉴드 출구 오리피스를 규정하는 쉴드 바디를 포함하는 쉴드를 포함하고,

상기 쉴드 바디는 쉴드 반쪽-원뿔 각도를 갖는 원뿔형 내부를 포함하며, 상기 쉴드 반쪽-원뿔 각도는 상기 노즐 반쪽-원뿔 각도와 동일하며, 상기 쉴드는 상기 쉴드의 상기 원뿔형 내부와 상기 노즐의 상기 원뿔형 외부 사이의 공간에 유체 통로가 형성되도록, 상기 토치 팁의 상기 세로축에 대해 상기 노즐과 간격을 두고 구비되고,

상기 유체 통로는 상기 쉴드로부터의 쉴드 유체로 하여금 상기 제1 범위 내에서 선택된 각도에서 배출 이후에 상기 노즐로부터의 플라즈마 유체와 충돌하게 하는, 플라즈마 아크 토치용 토치 팁.
제10항에 있어서,

상기 쉴드는 상기 노즐로부터 상기 세로축을 따라 거리(s)만큼 간격을 두고 떨어져 있고, 상기 통로는 상기 노즐 반쪽-원뿔 각도의 사인(sine) 곱하기(multiply) s 에 의해 규정되는 두께를 갖는, 토치 팁.
제11항에 있어서,

s 값은 초당 2000 인치에서 초당 6000 인치의 쉴드 출구 유체 속도를 얻을 수 있는 두께를 제공하도록 선택되는, 토치 팁.
제11항에 있어서,

s 값은 0.022 인치의 두께를 제공하도록 선택되는, 토치 팁.
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제10항에 있어서,

상기 φ1 대 D 비율은 2.1인, 토치 팁.
제10항에 있어서,

상기 제1 범위는 30도에서 50도인, 토치 팁.
제10항에 있어서,

상기 제1 범위는 34도에서 44도인, 토치 팁.
제10항에 있어서,

상기 노즐 반쪽-원뿔 각도는 42.5도인, 토치 팁.
제10항에 있어서,

상기 L 대 D 비율은 2.5에서 3.0 사이인, 토치 팁.
제10항에 있어서,

상기 L 대 D 비율은 2.8인, 토치 팁.
제10항에 있어서,

상기 토치 팁은 0.8에서 1.2 사이의 φ2 대 φ1 비율을 더 포함하는, 토치 팁.
제21항에 있어서,

상기 φ2 대 φ1 비율은 1보다 큰, 토치 팁.
제10항에 있어서,

상기 쉴드 바디는 하나 이상의 통기공(vent holes)을 더 포함하는, 토치 팁.
제10항에 있어서,

상기 노즐 바디는 상기 노즐 바디를 플라즈마 토치 바디로 고정하기 위한 고정 메카니즘을 더 포함하는, 토치 팁.
제10항에 있어서,

상기 노즐 바디는 전도성 물질로부터 형성되는, 토치 팁.
제10항에 있어서,

상기 쉴드 바디는 전도성 물질로부터 형성되는, 토치 팁.
세로축을 갖는 플라즈마 아크 토치에 있어서,

상기 플라즈마 아크 토치는,

플라즈마 아크가 형성되는 플라즈마 챔버에 플라즈마 가스를 향하게 하는 플라즈마 흐름 경로를 포함하는 플라즈마 아크 토치 바디와,

상기 플라즈마 챔버를 규정하기 위해 상기 플라즈마 토치 바디내의 전극에 대하여 구비되는 노즐 ― 상기 노즐은 중공형 내부와 원뿔형 외부를 포함하는 노즐 바디를 포함하며, 상기 원뿔형 외부는 20도에서 60도 사이의 제1 범위로부터 선택되는 노즐 반쪽-원뿔 각도를 가지며, 상기 노즐 바디는 상기 노즐의 단면상에 배치되는 출구 오리피스를 규정하며, 상기 출구 오리피스는 오리피스 지름(D)와, 오리피스 길이(L)와, 노즐 단면 지름(φ1)에 의해 규정되며, L 대 D 비율은 2.4보다 크거나 같며, φ1 대 D 비율은 1.9 내지 2.5의 범위 내에 있음 ― 과,

쉴드 출구 오리피스 지름(φ2)을 갖는 쉴드 출구 오리피스를 규정하는 쉴드 바디를 포함하는 쉴드를 포함하고,

상기 쉴드 바디는 쉴드 반쪽-원뿔 각도를 갖는 원뿔형 내부를 포함하며, 상기 쉴드 반쪽-원뿔 각도는 상기 노즐 반쪽-원뿔 각도와 동일하며, 상기 쉴드는 상기 쉴드의 상기 원뿔형 내부와 상기 노즐의 상기 원뿔형 외부 사이의 공간에 유체 통로가 형성되도록 상기 플라즈마 아크 토치의 상기 세로축에 대해 상기 노즐과 간격을 두고 구비되고,

상기 유체 통로는 상기 쉴드로부터의 쉴드 유체로 하여금 상기 제1 범위 내에서 선택된 각도에서 배출 이후에 상기 노즐로부터의 플라즈마 유체와 충돌하게 하는, 플라즈마 아크 토치.
제27항에 있어서,

상기 쉴드는 상기 노즐로부터 상기 세로축을 따라 거리(s) 만큼 간격을 두고 떨어져 있고, 상기 통로는 상기 노즐 반쪽-원뿔 각도의 사인(sine) 곱하기 s 에 의해 규정되는 두께를 가지는, 플라즈마 아크 토치.
제28항에 있어서,

s 값은 초당 2000 인치에서 초당 6000 인치의 쉴드 출구 유체 속도를 얻을 수 있는 두께를 제공하도록 선택되는, 플라즈마 아크 토치.
제28항에 있어서,

s 값은 0.022 인치의 두께를 제공하도록 선택되는, 플라즈마 아크 토치.
삭제
제27항에 있어서,

상기 φ1 대 D 비율은 2.1인, 플라즈마 아크 토치.
제27항에 있어서,

상기 제1 범위는 30도에서 50도인, 플라즈마 아크 토치.
제27항에 있어서,

상기 제1 범위는 34도에서 44도인, 플라즈마 아크 토치.
제27항에 있어서,

상기 노즐 반쪽-원뿔 각도는 42.5도인, 플라즈마 아크 토치.
제27항에 있어서,

상기 L 대 D 비율은 2.5에서 3.0 사이인, 플라즈마 아크 토치.
제27항에 있어서,

상기 L 대 D 비율은 2.8인, 플라즈마 아크 토치.
제27항에 있어서,

상기 플라즈마 아크 토치는 0.8에서 1.2 사이의 φ2 대 φ1 비율을 더 포함하는, 플라즈마 아크 토치.
제38항에 있어서,

상기 φ2 대 φ1 비율은 1보다 큰, 플라즈마 아크 토치.
제27항에 있어서,

상기 쉴드 바디는 하나 이상의 통기공(vent holes)을 더 포함하는, 플라즈마 아크 토치.
제27항에 있어서,

상기 노즐 바디는 상기 노즐 바디를 플라즈마 토치 바디로 고정하기 위한 고정 메카니즘을 더 포함하는, 플라즈마 아크 토치.
제27항에 있어서,

상기 노즐 바디는 전도성 물질로부터 형성되는, 플라즈마 아크 토치.
제27항에 있어서,

상기 쉴드 바디는 전도성 물질로부터 형성되는, 플라즈마 아크 토치.
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플라즈마 아크 토치용 제품으로서,

이온화된 플라즈마 유체를 위한 제1 통로 ― 상기 제1 통로는 상기 제품의 세로축과 평행하며, 상기 제1 통로는 상기 이온화된 플라즈마 유체를 배출하기 위한 제1 출구 오리피스를 포함함 ― ;

쉴드 유체를 위한 제2 통로 ― 상기 제2 통로는 제2 출구 오리피스를 포함하며, 20도 내지 60도의 범위 내에서 선택된 각도에서 배출 이후에 상기 플라즈마 유체와 상기 쉴드 유체가 충돌하도록 상기 제2 통로는 상기 제1 통로에 각을 가지고 배치됨 ― ; 및

오리피스 지름(D) 및 오리피스 길이(L)을 포함하는 출구 오리피스를 규정하는 노즐을 포함하고,

L 대 D 비율은 2.4보다 크거나 같은,

플라즈마 아크 토치용 제품.