KR101793314B1 - 개선된 열전달과 신규한 조립 방법을 가진 플라즈마 토치용 전극 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 아크 토치용 전극에 관한 것으로서, 상기 전극은 일반적인 관형 외측 벽, 단부 벽, 및 돌출부를 포함한다. 단부 벽은 외측 벽의 원위 단부에 결합되고 일반적인 중앙 영역에서 방사 요소를 지지한다. 돌출부는 단부 벽의 일반적인 중앙 영역으로부터 연장되고 탈착식 연결부에 의해 전극 홀더와 연결하도록 구성되는데, 돌출부는 전극이 전극 홀더와 연결될 때 하나 이상의 냉각제 통로가 전극 홀더와 돌출부 사이에 형성되도록 구성된다. 몇몇 구체예들에서, 탈착식 연결부는 스레드-결합된 연결부를 포함하며, 돌출부는 전극 홀더의 스레드-결합된 냉각제 튜브에 탈착식으로 연결하도록 스레드-결합된다. 그 외의 다른 구체예들에서, 스레드-결합된 연결부에 의해 하나 이상의 냉각제 통로가 형성된다.

Description

개선된 열전달과 신규한 조립 방법을 가진 플라즈마 토치용 전극{ELECTRODE FOR PLASMA TORCH WITH NOVEL ASSEMBLY METHOD AND ENHANCED HEAT TRANSFER}

본 발명의 구체예들은 플라즈마 아크 토치용 전극 조립체, 특히 스레드-결합된 연결부(threaded connection)에 의해 플라즈마 아크 토치에 고정되거나 혹은 서로 고정된 전극 홀더와 전극에 관한 것이다. 추가로, 몇몇 구체예들은 전극에 냉각제(coolant)를 제공하기 위해 형성된 통로를 가진 전극 조립체에 관한 것이다.

플라즈마 아크 토치는 절삭, 용접, 표면 처리, 용융, 및 어닐링(annealing)을 포함하는 금속 가공에 공통적으로 사용된다. 이러한 토치는 가공공정의 전달-아크 모드(transferred-arc mode)에서 전극으로부터 워크피스(workpiece)로 연장되는 아크를 지지하는 전극을 포함한다. 가공공정을 용이하게 하기 위하여, 전류를 전극에 통과시켜 아크를 발생시키는데, 이때 전극이 고온으로 가열되어 전극 수명이 짧아지고 부식이 발생하게 된다. 따라서, 아크를 플라즈마 가스의 와류(vortex flow)로 둘러싸고 몇몇 토치 디자인에서 플라즈마 가스와 아크가 2차 유체(secondary fluid), 가령, 가스 또는 물의 흐름에 의해 둘러싸이는 것이 통상적이다.

전극 수명을 개선하고 제작 비용을 줄이기 위한 노력으로, 본 발명의 구체예들은 신규한 조립 방법과 향상된 열전달 특성을 가진 플라즈마 아크 토치용 전극을 제공한다.

한 대표적인 구체예는 플라즈마 아크 토치용 전극으로서, 상기 전극은 일반적인 관형 외측 벽, 단부 벽, 및 돌출부를 포함한다. 단부 벽은 외측 벽의 원위 단부에 결합되고 단부 벽의 일반적인 중앙 영역에서 방사 요소(emissive element)를 지지한다. 돌출부는 단부 벽의 일반적인 중앙 영역으로부터 연장되고 탈착식 연결부(releasable connection)에 의해 전극 홀더와 연결하도록 구성되는데, 돌출부는 전극이 전극 홀더와 연결될 때 하나 이상의 냉각제 통로가 전극 홀더와 돌출부 사이에 형성되도록 구성된다. 몇몇 구체예들에서, 탈착식 연결부는 스레드-결합된 연결부를 포함할 수 있으며, 돌출부는 돌출부를 전극 홀더의 스레드-결합된 냉각제 튜브에 탈착식으로 연결하도록 스레드-결합될 수 있다(threaded). 그 외의 다른 구체예들에서, 스레드-결합된 연결부에 의해 하나 이상의 냉각제 통로가 형성된다.

본 발명의 또 다른 구체예는 토치 바디, 토치 바디의 한 단부에 인접하게 지지된 노즐, 전극, 및 전극 홀더를 포함하는 플라즈마 아크 토치이다. 전극 홀더는 토치 바디에 의해 지지되고 전극 홀더의 내부를 통해 냉각제를 제공하도록 구성된다. 전극은 방사 요소를 지지하는 단부 벽 및 단부 벽의 일반적인 중앙 영역으로부터 연장되는 돌출부를 포함한다. 돌출부는 탈착식 연결부에 의해 전극 홀더에 연결되며, 하나 이상의 냉각제 통로가 돌출부와 전극 홀더 사이에 형성된다. 하나 이상의 냉각제 통로는 냉각제가 사이를 통해 흐르고 전극의 단부 벽 위에 부딪힐 수 있게 한다. 몇몇 구체예들에서, 탈착식 연결부는 스레드-결합된 연결부를 포함하며, 돌출부는 전극 홀더의 스레드-결합된 냉각제 튜브에 탈착식으로 연결하도록 스레드-결합된다. 그 외의 다른 구체예들에서, 스레드-결합된 연결부에 의해 하나 이상의 냉각제 통로가 형성된다.

본 발명의 그 외의 다른 구체예들은 플라즈마 아크 토치용 전극 조립체(electrode assembly)를 포함한다. 전극 조립체는 전극과 전극 홀더를 포함한다. 전극은 일반적인 관형 외측 벽, 외측 벽의 원위 단부에 결합되고 단부 벽의 일반적인 중앙 영역에서 방사 요소를 지지하는 단부 벽, 및 단부 벽의 일반적인 중앙 영역으로부터 연장되는 돌출부를 포함한다. 전극 홀더는 전극에 냉각제를 제공하기 위한 내측 냉각제 튜브 및 내측 및 외측 냉각제 튜브 사이의 공간을 통해 전극으로부터 냉각제를 제거하기 위하여 내측 냉각제 튜브를 둘러싸는 외측 냉각제 튜브를 포함한다. 전극의 돌출부는 탈착식 연결부에 의해 전극 홀더의 내측 냉각제 튜브와 연결하도록 구성되고, 전극이 전극 홀더와 연결될 때 하나 이상의 냉각제 통로가 전극 홀더의 내측 냉각제 튜브와 전극의 돌출부 사이에 형성된다. 몇몇 구체예들에서, 탈착식 연결부는 스레드-결합된 연결부를 포함하고, 돌출부는 전극 홀더의 스레드-결합된 냉각제 튜브에 돌출부를 탈착식으로 연결하도록 스레드-결합될 수 있다. 그 외의 다른 구체예들에서, 하나 이상의 냉각제 통로는 스레드-결합된 연결부에 의해 형성된다.

본 발명의 또 다른 구체예는 플라즈마 아크 토치 내에 있는 전극을 냉각하기 위한 방법으로서, 상기 방법은 탈착식 연결부에 의해 전극을 전극 홀더에 연결하는 단계들을 포함한다. 전극은 방사 요소를 지지하는 단부 벽과 단부 벽의 일반적인 중앙 영역으로부터 연장되는 돌출부를 가지며, 상기 돌출부는 탈착식 연결부에 의해 전극 홀더와 연결하도록 구성된다. 상기 방법은 전극 홀더의 냉각제 튜브를 통해 냉각제를 제공하고 탈착식 연결부에 의해 형성된 하나 이상의 냉각제 통로를 통해 냉각제를 제공하여 이에 따라 전극의 단부 벽이 냉각제에 의해 부딪히는 단계를 추가로 포함한다.

반드시 실측으로 도시될 필요는 없지만, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명은 일반적인 용어들로 기술되는데, 여기서:
도 1은 종래 기술에서 사용되는 것과 같은 전극 조립체를 예시하는 통상적인 실드 가스 플라즈마 아크 토치를 도시한 횡단 측면도이며;
도 2는 내부를 통과하는 냉각제 흐름을 예시하기 위해 도 1과 상이한 단면을 따라 절단한 토치를 도시한 횡단 측면도이고;
도 3은 종래의 전극 조립체를 예시한 도면으로서 도 1에 도시된 것과 같은 토치의 하측 부분을 확대하여 도시한 횡단면도이며;
도 4는 본 명세서에서 논의된 몇몇 구체예들에 따라 전극 조립체의 한 대표적인 구체예를 예시하는 플라즈마 아크 토치의 하측 부분을 확대하여 도시한 횡단면도이고;
도 5는 본 명세서에서 논의된 몇몇 구체예들에 따라 도 4의 전극 조립체를 도시한 횡단면도이며;
도 6은 본 명세서에서 논의된 몇몇 구체예들에 따라 도 4의 전극 조립체의 하측 부분을 확대하여 도시한 횡단면도이고;
도 7은 본 명세서에서 논의된 몇몇 구체예들에 따라 도 4의 전극 조립체의 전극을 확대하여 도시한 횡단면도이며;
도 7a는 본 명세서에서 논의된 몇몇 구체예들에 따라 도 7의 전극을 도시한 투시도이고;
도 8은 본 명세서에서 논의된 몇몇 구체예들에 따라 도 4의 전극 조립체의 전극 홀더의 하측 부분을 확대하여 도시한 횡단면도이며;
도 9는 본 명세서에서 논의된 몇몇 구체예들에 따라 전극 조립체의 또 다른 대표적인 구체예의 하측 부분을 확대하여 도시한 횡단면도이고;
도 10은 본 명세서에서 논의된 몇몇 구체예들에 따라 도 9의 전극 조립체의 전극을 확대하여 도시한 횡단면도이며;
도 10a는 본 명세서에서 논의된 몇몇 구체예들에 따라 도 10의 전극을 도시한 투시도이고;
도 11은 본 명세서에서 논의된 몇몇 구체예들에 따라 도 9의 전극 조립체의 전극 홀더의 하측 부분을 확대하여 도시한 횡단면도이며;
도 12는 본 명세서에서 논의된 몇몇 구체예들에 따라 전극 조립체의 또 다른 구체예의 하측 부분을 확대하여 도시한 횡단면도이고;
도 13은 본 명세서에서 논의된 몇몇 구체예들에 따라 도 12의 전극 조립체의 전극을 확대하여 도시한 횡단면도이며;
도 13a는 본 명세서에서 논의된 몇몇 구체예들에 따라 도 13의 전극을 도시한 투시도이고;
도 14는 본 명세서에서 논의된 몇몇 구체예들에 따라 도 12의 전극 조립체의 전극 홀더를 확대하여 도시한 횡단면도이며;
도 15는 본 명세서에서 논의된 몇몇 구체예들에 따라 전극 조립체의 또 다른 구체예를 도시한 횡단면도이다.

이제, 본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여 보다 상세하게 기술될 것이며, 상기 도면들에는 본 발명의 모든 구체예들이 도시되는 것이 아니라 몇몇 구체예들만 도시된다. 실제로, 본 발명은 다수의 상이한 형태들로 실시될 수 있으나 본 명세서에 설명된 구체예들에만 제한되는 것으로 간주되어서는 안 되며; 대신, 이러한 구체예들은 본 명세서가 법적 요건들을 충족하도록 제공된다. 본 명세서에서 비슷한 도면부호들은 전반적으로 비슷한 요소들을 가리킨다.

플라즈마 아크 토치는 종종 높은 열전도성을 가진 재료(예컨대, 구리, 구리 합금, 은 등)를 포함하는 기다란(elongate) 관형 부재(tubular member)를 포함하는 전극을 사용한다. 관형 전극의 전방 또는 배출 단부(discharge end)는 아크를 지지하는 내부에 내장된 방사 요소를 가지는 바닥 단부 벽을 포함한다. 이에 맞은편에 있는 전극의 맞은편 단부는 토치 내에서 탈착식 연결부(예컨대, 스레드-결합된 연결부(threaded connection))에 의해 전극을 전극 홀더에 고정한다. 전극 홀더는 일반적으로 전극이 고정되는 단부의 맞은편에 있는 한 단부에서 스레드-결합된 연결부에 의해 토치 바디(torch body)에 고정된 기다란 구조물이다. 전극 홀더와 전극은 전극을 전극 홀더에 고정시키기 위해 스레드-결합된 연결부를 형성한다.

전극의 방사 요소는 상대적으로 작은 일 함수(work function)를 가진 재료로 구성되며, 상기 일 함수는 전자볼트(eV)로 측정되고 종래 기술에서 포텐셜 스텝(potential step)으로 정의되는데, 주어진 온도에서 금속의 표면으로부터 열이온 방출을 촉진시킨다. 이와 같이 작은 일 함수의 관점에서 볼 때, 방사 요소는 전기포텐셜이 제공될 때 전자를 쉽게 방출할 수 있다. 일반적으로 사용되는 방사 재료는 하프늄, 지르코늄, 텅스텐, 및 이들의 합금을 포함한다.

노즐이 전극의 배출 단부를 둘러싸며 아크가 워크피스(workpiece)를 향하도록 안내하기 위한 통로를 제공한다. 정상적인 아크-전달 공정 동안 아크가 노즐 표면으로부터가 아니라 노즐을 통해 방출될 수 있도록 하기 위하여, 전극과 노즐은 서로에 대해 서로 다른 전기포텐셜에 유지된다. 따라서, 노즐과 전극이 전기적으로 분리되어 있는 것은 중요하며, 이것은 통상 구성요소들 사이에 미리 정해진 물리적 간극(physical gap)을 유지함으로써 구현된다. 가장 일반적으로는, 간극을 형성하는 체적에는 유동 공기 또는 토치 공정에서 사용되는 그 외의 다른 몇몇 가스가 채워진다.

플라즈마 아크에 의해 발생된 열은 상당하다. 가장 강렬하게 가열되는 토치 구성요소는 전극이다. 플라즈마 아크 토치의 서비스 수명을 연장시키기 위하여, 일반적으로 토치의 다양한 구성요소들이 가능한 최저 온도에서 상기 발생된 열을 견디도록 유지하는 것이 바람직하다. 몇몇 토치에서, 전극 홀더를 통해 통로 또는 보어(bore)가 형성되며 냉각제, 가령, 물이 전극을 내부적으로 냉각시키기 위해 상기 통로를 통해 순환된다.

심지어, 수냉(water-cooling) 방식으로, 전극은 제한된 수명을 가지며 소모성 부품으로 간주된다. 따라서, 정상적인 작동 과정에서, 토치 운영자는 우선 노즐을 제거하고 그 뒤 전극 홀더로부터 전극을 언스레딩(unthreading) 함으로써 소모된 전극을 주기적으로 교체해야 한다. 그 뒤, 새로운 전극이 전극 홀더에 조여지며(screwed) 노즐이 재장착되어 플라즈마 아크 토치가 작동을 재개할 수 있다.

전극 디자인에 대한 그 외의 고려사항들은 전극과 전극 홀더 사이의 스레드-결합된 연결부에 대한 제한사항들을 포함한다. 예를 들어, 스레드-결합된 연결부는 전극을 전극 홀더에 견고하게 고정시키기에 구조적으로 충분히 강해야 한다. 추가로, 상당한 전류, 몇몇 경우에서는, 최대 1,000 암페어의 차단 전류(cutting current)가 전극 홀더를 통해 전극으로 통과된다. 따라서, 스레드-결합된 연결부는 전극과 전극 홀더 사이에 충분한 접촉 표면적을 제공하여 상기 전류가 통과할 수 있게 해야 한다. 마지막으로, 특히 전극이 종종 교체되어야 하는 소모성 부품이기 때문에 전극 제작 비용은 가능한 최대한 저렴해야 한다.

따라서, 전극 홀더와 전극의 제작 비용을 저렴하게 유지하면서도, 냉각제를 제공하기 위해 보다 효율적인 방법에 의해 전극의 활용 수용(useful life)을 증가시킬 필요가 있다.

도 1-3에 대해 밑에서 논의된 내용은 본 발명에 따라 개선될 수 있는 종래의 플라즈마 아크 토치를 기술하고 있다. 본 발명의 몇몇 구체예들에 따른 전극 홀더와 전극을 사용하는 플라즈마 아크 토치(300)가 도 4에 예시된다. 따라서, 본 발명의 구체예들은 도 4-15에 관하여 보다 상세하게 기술된다.

도 1-3은 종래의 플라즈마 아크 토치(10)를 도시한다. 토치(10)는 토치 공정의 작동 모드(working mode) 동안 전기 아크를 둘러싸는 실드 가스(shielding gas)의 제트(jet) 또는 와류 커튼(swirling curtain)을 제공하는 실드 가스 토치이다. 토치(10)는 포팅 화합물(potting compound) 또는 이와 유사한 것으로 형성될 수 있는 통상 원통형의 상측 또는 후방 절연체 바디(12), 통상 전도성 재료, 가령, 금속으로 제조되고 후방 절연체 바디(12)에 연결된 통상 원통형의 메인 토치 바디(14), 상기 메인 토치 바디(14)에 연결된 통상 원통형의 하측 또는 전방 절연체 바디(16), 전극 홀더 조립체의 한 자유 단부에서 전극(20)을 지지하고 전방 절연체 바디(16)와 메인 토치 바디(14)를 통해 연장되는 전극 홀더 조립체(18), 및 전극(20)에 인접한 절연체 바디(16)에 연결된 노즐 조립체(22)를 포함한다.

플라즈마 가스 커넥터 튜브(24)가 후방 절연체 바디(12)를 통해 연장되고 나사(도시되지 않음)들에 의해 메인 토치 바디(14)의 플라즈마 가스 통로(26) 내에 연결된다. 플라즈마 가스 통로(26)는 플라즈마 가스(종종, 차단 가스(cutting gas)로 지칭됨), 가령, 산소, 공기, 질소, 또는 아르곤을 절연체 바디(16) 내의 상응하는 통로에 공급하기 위해 메인 토치 바디(14)를 통해 하측 단부 면(28)으로 연장된다.

실드 가스 커넥터 튜브(30)가 후방 절연체 바디(12)를 통해 연장되고 나사들에 의해 메인 토치 바디(14)의 실드 가스 통로(32) 내에 연결된다. 실드 가스 통로(32)는 실드 가스, 가령, 아르곤 또는 공기를 절연체 바디(16) 내의 상응하는 통로에 공급하기 위해 메인 토치 바디(14)를 통해 하측 단부 면(28)으로 연장된다.

절연체 바디(16)는 메인 토치 바디의 하측 단부 면(28)에 접하는 상측 단부 면(34)을 갖는다. 플라즈마 가스 통로(36)가 상측 단부 면(34)으로부터 절연체 바디(16)를 통해 절연체 바디(16)의 하측 단부에 있는 원통형의 카운터보어(4) 내로 연장된다. 밑에서 추가로 기술되는 것과 같이, 카운터보어(38)는 노즐 조립체(22)의 상측 단부와 함께 플라즈마 가스 챔버(40)를 형성하는데, 상기 플라즈마 가스 챔버로부터 플라즈마 가스가 토치의 제 1 또는 플라즈마 가스 노즐에 공급된다. 이렇게 하여, 적절한 공급원으로부터 나온 플라즈마 가스는 플라즈마 가스 커넥터 튜브(24)를 통과하여 흐름으로써 플라즈마 가스 챔버(40) 내에 유입되고, 메인 토치 바디(14) 내의 플라즈마 가스 통로(26)를 통해, 통로(26)와 나란하게 배열된, 절연체 바디(16)의 플라즈마 가스 통로(36) 내로 유입되어 챔버(40) 내에 유입된다.

2-부분 노즐 조립체(22)로서 예시된 노즐은 상측 노즐 부재(42)를 포함하는데, 상기 상측 노즐 부재는 절연체 바디(16)의 카운터보어(38) 내에 삽입되는 금속 삽입 슬리브(44) 내에 슬라이딩 이동되어 수용되는(slidingly received) 통상 원통형의 상측 부분을 갖는다. O-링(46)이 상측 노즐 부재(42)와 금속 삽입 슬리브(44) 사이의 슬라이딩 이동되는 상호연결부(sliding interconnection)를 밀봉한다. 통상 원뿔 형태로 구성된 하측 노즐 끝단(48)이 노즐 조립체(22)의 일부분을 형성하며 상측 노즐 부재(42) 안으로 스레드-결합된다(threaded). 하측 노즐 끝단(48)은 상기 하측 노즐 끝단 단부에서 노즐 배출 오리피스(50)를 포함한다. 하측 노즐 끝단(48)과 상측 노즐 부재(42)는 대안으로서 일체형 노즐로 형성될 수도 있다. 이들 중 한 형상에서, 노즐은 플라즈마 가스를 상대적으로 큰 원위 개구(49)로부터 배출 노즐(50)로 전달한다(channel). 따라서, 워크피스에 가공 공정을 수행하는데 도움을 주도록 플라즈마 가스 제트가 노즐 배출 오리피스(50)로부터 배출되는 것을 안내하기 위해, 노즐 챔버(41)를 통해 플라즈마 가스 챔버(40)로부터의 플라즈마 가스 흐름 경로가 형성된다.

플라즈마 가스 제트는 절연체 바디(16)의 카운터보어 리세스(54) 내에 부분적으로 배열된 원통형의 중공 세라믹 가스 배플(52)에 의해 공지 방식으로 생성된 와류 성분(swirl component)을 가지는 것이 바람직하다. 배플(52)의 하측 단부는 상측 노즐 부재(42)의 환형 플랜지 면과 접한다. 배플(52)은 와류 성분 속도로 플라즈마 가스를 플라즈마 가스 챔버(40)로부터 노즐 챔버(41)의 하측 부분 내로 안내하기 위해 비-반경방향 홀(도시되지 않음)들을 가진다.

전극 홀더 조립체(18)는 메인 토치 바디(14) 내의 블라인드 축방향 보어(58) 내에 스레드(11)들에 의해 연결된 상측 단부를 가지는 관형 전극 홀더(56)를 포함한다. 전극 홀더(56)는 보통 전극 자체보다는 덜 하지만 다소 소모성이며, 따라서 전극 홀더와 축방향 보어(58)에는 밑에서 논의되는 것과 같이 본 발명에 따른 스레드-결합된 연결부가 제공될 수 있다. 전극 홀더(56)의 상측 단부는 절연체 바디(16)를 통해 형성된 축방향 보어(60)를 통해 연장되며, 전극 홀더(56)의 하측 단부는 확대된 내부 나사-결합 커플러(62)를 포함하는데, 상기 커플러는 커플러(62)의 외측면 위에 슬리브구성되는(sleeved) 세라믹 가스 배플(52)의 내측 직경보다 약간 더 작은 외측 직경을 가진다. 또한, 전극 홀더(56)는 냉각 튜브(64)를 스레드 방식으로 수용하기(threading receiving) 위해 커플러(62) 위에 거리가 떨어져서 위치된(spaced) 내부 나사들을 포함하며, 상기 냉각 튜브는 전극(20)에 냉각제를 공급하고, 밑에서 추가로 기술되는 것과 같이, 절연체 바디(16)의 축방향 보어로부터 전극(20)의 중앙 통로 내로 외부를 향해 연장된다. 전극 홀더(56)와 냉각 튜브(64)가 부적절하게 해체되거나 재조립되는 것을 방지하기 위하여, 상기 부재들 사이의 나사 연결부는 시멘트로 결합될 수 있거나 그 외의 경우 제작 과정 동안 함께 고정되어 분리될 수 없는 전극 홀더 조립체(18)를 형성할 수 있다. 전극(20)은 미국 특허번호 5,097,111호에 기술되어 있는 타입으로 구성될 수 있는데, 상기 미국 특허는 본 명세서의 양수인에게 양도되었으며 본 명세서에서 참조문헌으로 인용된다.

종래 기술의 전극(20)은 컵 형태의 바디를 포함하는데, 상기 바디의 열린 상측 단부는 나사(63)들에 의해 전극 홀더(56)의 하측 단부에서 커플러(62) 내에 스레드-결합되고 상기 바디의 캡 형태의(capped) 하측 단부는 냉각 튜브(64)의 하측 단부에 아주 가까이 인접하게 위치된다. 냉각제 순환 공간이 전극(20)의 벽의 내측 표면과 냉각 튜브(64)의 벽의 외측 표면 사이에 존재하고, 냉각 튜브(64)의 벽의 외측 표면과 전극 홀더(56)의 벽의 내측 표면 사이에 존재한다. 전극 홀더(56)는 전극 홀더 내의 공간으로부터 절연체 바디(16) 내의 축방향 보어(60)의 내측 벽과 전극 홀더 사이의 공간(68)에 냉각제를 공급하기 위해 복수의 홀(66)을 포함한다. 커플러(62)와 홀(66)들 사이에 위치된 밀봉부(69)가 보어(60)의 내측 벽에 대해 밀봉되어 공간(68) 내에 있는 냉각제가 밀봉부(69)를 지나 커플러(62)를 향하도록 흐르는 것이 방지된다. 전극 홀더(56)의 외측 표면 위에서 올라간 환형 리브 또는 댐(71)이 밀봉부(69)로부터 홀(66)들의 다른 면 위에 위치되는데, 그 이유는 밑에서 명백해질 것이다. 밑에서 추가로 기술되는 것과 같이, 냉각제 공급 통로(70)(도 2)가 노즐 조립체(22)에 냉각제를 공급하기 위해 절연체 바디(16)의 원통형 외측 표면을 통해 공간(68)으로부터 절연체 바디를 통해 연장된다.

토치(10)가 시작되는 동안, 노즐 끝단(48)과 전극(20) 사이에 전기적 전압포텐셜(electrical voltage potential)에서의 차가 발생하여 이들 사이의 간극(gap)을 가로질러 전기 아크가 형성된다. 그 뒤, 플라즈마 가스가 노즐 조립체(22)를 통해 흐르며 워크피스에 결부될 때까지 전기 아크가 노즐 배출 오리피스(50)로부터 외부 방향으로 불어지고(blown), 이 지점에서 노즐 조립체(22)는 아크가 전극(20)과 워크피스 사이에 존재하도록 전기공급원으로부터 분리된다. 그러면, 토치는 공정의 작동 모드에 있게 된다.

수행되는 작동 공정을 조절하기 위하여, 아크를 가스의 와류 커튼으로 둘러싸기 위해 컨트롤 유체(control fluid), 가령, 실드 가스를 사용하는 방법이 알려져 있다. 이를 위하여, 절연체 바디(16)는 상측 단부 면(34)으로부터 축방향으로 절연체 바디 내로 연장되며, 그 뒤, 외부 방향으로 굽어지고(angle) 절연체 바디의 원통형 외측 표면을 통해 연장되는 실드 가스 통로(72)를 포함한다. 노즐 리테이닝 컵 조립체(74)가 절연체 바디(16)를 둘러싸며 절연체 바디(16)와 노즐 리테이닝 컵 조립체(74) 사이에 통상 환형의 실드 가스 챔버(76)를 형성한다. 실드 가스가 절연체 바디(16)의 실드 가스 통로(72)를 통해 실드 가스 챔버(76) 내에 공급된다.

노즐 리테이닝 컵 조립체(74)는 노즐 리테이닝 컵 홀더(78)와 스냅 링(81) 또는 이와 유사한 것에 의해 상기 홀더(78) 내에 고정되는 노즐 리테이닝 컵(80)을 포함한다. 노즐 리테이닝 컵 홀더(78)는 바람직하게는 금속으로 형성된 통상 원통형 슬리브이며, 메인 토치 바디(14)를 둘러싸는 토치 외측 하우징(82)의 하측 단부 위에 스레드-결합된다. 외측 하우징(82)과 메인 토치 바디(14) 사이에 절연부(84)가 삽입된다. 노즐 리테이닝 컵(80)은 플라스틱으로 형성되는 것이 바람직하며 스냅 링(81)에 의해 컵 홀더(78) 내에 공정된 통상 원통형의 상측 부분과 내부 방향으로 안내되는 플랜지(86)를 포함하고 토치의 단부를 향해 연장되는 통상 원뿔 형태의 하측 부분을 갖는다. 플랜지(86)는 상측 노즐 부재(42) 위에서 외부 방향으로 안내되는 플랜지(88)와 대면하고(confront) 이들 사이에 배열된 O-링(90)과 접촉한다. 따라서, 노즐 리테이닝 컵 조립체(74)를 외측 하우징(82) 위에 스레드-결합하는데 있어서, 노즐 리테이닝 컵(80)은 노즐 조립체(22)를 상부 방향으로 끌어당겨(draw upward) 절연체 바디(16) 내의 금속 삽입 슬리브(44) 내로 삽입한다. 이때, 노즐 조립체(22)는 절연체 바디(16)의 카운터보어(38) 내에 고정된 전기 접촉 링과 접촉하게 된다. 토치 내에 있는 전기 연결부들의 보다 상세한 내용들은 공동-소유된 미국 특허번호 6,215,090호에서 발견될 수 있는데, 이 미국 특허는 본 명세서에서 전반적으로 참조문헌으로 인용된다.

노즐 리테이닝 컵(8)은 컵 홀더(78) 내에 헐렁하게 끼워지며(fit loosely), 실드 가스가 챔버(76)로부터 토치의 단부를 향해 통과하게 하기 위해 외측 표면 내에 있는 세로방향 홈(92)들을 포함한다. 대안으로 혹은 그 외에도, 홈(도시되지 않음)들이 컵 홀더(78)의 내측 표면 내에 형성될 수 있다. 통상 원뿔 형태의 실드 가스 컵(94)이 동심 방식으로 둘러싸며(concentrically surround) 하측 노즐 끝단(48)의 외부 방향으로 거리가 떨어져 위치되며 컵 홀더(78)의 하측 단부 위에 스레드-결합된 실드 리테이너(96)에 의해 고정된다. 따라서, 실드 가스 흐름 경로(98)가 리테이닝 컵(80) 내의 세로방향 홈(92)들로부터 연장되어, 실드 리테이너(96)와 리테이닝 컵(80) 및 상측 노즐 부재(42) 사이, 및 실드 가스 컵(94)과 하측 노즐 끝단(48) 사이에 형성된다.

실드 가스 컵(94)은 실드 가스가 실드 가스 컵(94)과 하측 노즐 끝단(48) 사이의 흐름 경로 내로 흐르도록 알려진 방식으로 와류효과(swirl)를 발생시키는 디퓨저(100)를 포함한다. 따라서, 실드 가스의 와류 커튼이 생성되어 노즐 배출 오리피스(50)로부터 발생되는 아크와 플라즈마 가스 제트를 둘러싼다.

이제, 주로, 도 2에서, 노즐 조립체(22)와 전극(20)을 냉각시키기 위한 냉각 회로가 기술될 것이다. 토치(10)는 메인 토치 바디(14)에서 냉각제 유입 통로(114) 안에 고정되고 후방 절연체 바디(12)를 통해 연장되는 냉각제 유입 커넥터 튜브(112)를 포함한다. 냉각제 유입 통로(114)는 축방향 보어(58)를 메인 토치 바디 내의 중앙에 위치시키도록 연결된다. 따라서, 냉각제가 보어(58) 내에 공급되고 전극 홀더(56)를 통해 내부 종로 내로 유입되며, 냉각 튜브(64)의 내부 통로를 통해 전극(20)과 튜브(64) 사이의 공간 내로 들어간다. 열이 전극의 하측 단부(이로부터 아크가 발생되는)로부터 액체 냉각제(통상 물 또는 부동액)로 전달되고 그 뒤 액체는 전극(20)과 냉각 튜브(64)의 하측 단부 사이의 통로를 통해 흐르며 전극(20)과 냉각 튜브(64) 사이의 환형 공간을 통해 상부 방향으로 흘러서 전극 홀더(18)와 냉각 튜브(64) 사이의 환형 공간 내로 들어간다.

그 뒤, 냉각제는 홀(66)들을 통해 공간(68) 내로 흘러서 절연체 바디(16)를 통해 통로(70) 내로 들어간다. 밀봉부(69)는 공간(68) 내에 있는 냉각제가 홀더(56)의 하측 단부에서 커플러(62)를 향해 흐르는 것을 방지하고, 보어(60)의 내측 벽과 댐(71) 사이에 포지티브 밀봉부(positive seal)가 없다 하더라도, 댐(81)은 냉각제가 댐(71)을 지나 그 외의 다른 방향으로 흐르는 것을 실질적으로 방지한다. 따라서, 공간(68) 내의 냉각제는 통로(70) 내로 흐르는 것이 대부분 제한된다. 절연체 바디(16)는 냉각제가 노즐 리테이닝 컵(80)과 절연체 바디(16) 사이의 통로(70)로부터 상측 노즐 부재(42)를 둘러싸는 냉각제 챔버(118) 내로 흐를 수 있게 하는 홈 또는 평평 부분(116)을 포함한다. 냉각제는 상측 노즐 부재(42) 주위로 흘러 노즐 조립체를 냉각시킨다.

냉각제는 상기 부분(116)으로부터 각도적으로 이동된(angularly displaced) 제 2 홈 또는 평평 부분(120)을 통해 노즐 조립체로부터 절연체 바디(16) 내의 냉각제 회수 통로(122) 안으로 회수된다(returned). 냉각제 회수 통로(122)는 댐(71)에 의해 냉각제 공급 통로(70)로부터 분리된 축방향 보어(60)의 일부분 내로 연장된다. 그 뒤, 냉각제는 메인 토치 바디(14) 내의 보어(58)와 보어(60)의 내측 벽 및 전극 홀더(56) 사이에서 흘러서 메인 토치 바디(14) 내에 형성된 냉각제 회수 통로(128)와 연결된 환형 공간(126) 내로 들어가며, 내부에 고정된 냉각제 회수 커넥터 튜브(130)를 통해 냉각제 회수 통로(128)로부터 나온다. 통상, 회수된 냉각제는 폐루프(closed loop) 내에서 재순환되어 냉각된 후에 토치로 다시 들어온다.

사용 시에, 도 1을 보면, 전기포텐셜 공급원(210)의 한 면, 통상, 캐소드 면(cathode side)이 메인 토치 바디(12)에 연결되고 따라서 전극(20)과 전기적으로 연결되며, 상기 공급원(210)의 다른 면, 통상 애노드 면(anode side)은 스위치(212)와 레지스터(214)를 통해 노즐 조립체(22)에 연결된다. 또한, 애노드 면은 그 사이에 어떠한 레지스터(resistor)도 삽입되지 않은 채 워크피스(216)에 평행하게 연결된다. 전극과 노즐 조립체를 가로질러 고전압과 고주파가 가해져서 전기 아크가 플라즈마 가스 노즐 배출부에 인접한 간극을 가로질러 생성되게 한다. 플라즈마 가스가 노즐 조립체를 통해 흘러 파일럿 아크(pilot arc)가 상기 아크가 워크피스에 결부될(attached) 때까지 노즐 배출부를 통해 외부 방향으로 불어진다(blow). 그 뒤, 포텐셜 공급원을 노즐 조립체에 연결하는 스위치(212)가 개방되며, 토치는 워크피스 상의 작동 공정을 수행하기 위한 전달 아크 모드(transferred arc mode)에 있다. 토치에 공급된 파워(power)는 전달 아크 모드에서 증가되어 파일럿 아크보다 더 높은 전류로 구성된 절단 아크(cutting arc)를 생성한다.

본 발명의 대표적인 구체예들이 도 4-15에 예시된다. 도 4는 신규한 스레드-결합된 연결부와 전극 홀더 조립체(318)를 포함하는 플라즈마 아크 토치(300)의 한 대표적인 구체예를 도시한다. 전극 홀더 조립체(318)는 전극 홀더(356)와 전극(320)을 포함한다. 본 명세서에서는 아크를 시작하기 위해 고주파 파일럿 신호를 사용하는 토치로 예시되지만, 본 발명에 따른 전극 홀더와 전극은 역류(blowback)-타입의 토치들로 사용될 수도 있다.

도 4-6을 보면, 전극 홀더(356)는 관형이며, 위에서 기술된 것과 같이, 메인 토치 바디 내의 블라인드 축방향 보어 내에서 스레드(11)들에 의해 연결된 상측 단부와 전극(320)에 연결된 하측 단부를 포함한다. 전극 홀더(356)는 내측 냉각제 튜브(352)와 외측 냉각제 튜브(354)를 포함한다. 내측 냉각제 튜브(352)는 냉각제를 전극(320)에 공급한다. 외측 냉각제 튜브(354)는 일반적으로 관형 형태로 형성되며 내측 냉각제 튜브(352)를 환형으로 둘러싼다(annularly surround). 외측 냉각제 튜브(354)는 전극(320)으로부터 냉각제를 제거하도록 구성된다. 전극 홀더(356)는 다양한 서로 다른 전기전도성 재료들로 형성될 수 있지만, 한 구체예에서, 전극 홀더(356)는 황동 또는 황동 합금으로 제조된다.

도 7에서는 횡단면으로 도시되고 도 7a에서는 투시도로서 도시된 전극(320)은 일반적으로 컵 형태로 구성된다. 도시된 구체예에서, 전극(320)은 외측 벽(335), 단부 벽(330), 및 돌출부(325)를 포함한다. 외측 벽(335)은 일반적으로 관형 형태로 구성되며, 도 6을 보면, 전극 홀더(356)와 결합되도록 구성될 수 있으며, 이에 따라 외측 벽(335)의 내측 표면과 내측 냉각제 튜브(352)의 외측 표면 사이에 외측 통로(337)가 형성되어, 냉각제가 외측 통로(337)를 통해 외측 냉각제 튜브(354)로 통과할 수 있게 한다. 단부 벽(330)은 외측 벽(335)의 원위 단부에 결합되고(join) 단부 벽(330)의 일반적인 중앙 영역에서 방사 요소(332)를 지지한다. 돌출부(325)는 단부 벽(330)의 일반적인 중앙 영역으로부터 연장되며 탈착식 연결부, 가령, 상기 도시된 구체예에 예시된 스레드-결합된 연결부에 의해 전극 홀더(356)와 연결되도록 구성된다. 전극(320)은 다양한 서로 다른 전기전도성 재료들로 형성될 수 있지만, 한 구체예에서, 전극(320)은 구리 또는 구리 합금으로 제조된 바디를 포함한다.

도 6과 7을 보면, 스레드(310)들은 전극(320)을 전극 홀더(356)에 고정시킨다. 도시된 구체예에서, 전극 홀더(356)의 내측 냉각제 튜브(352)는 내측 냉각제 튜브(352)의 내측 표면 위에서 내부에 형성된 암의 스레드-결합된 부분(317)을 가진다. 전극(320)의 돌출부(325)는 돌출부(325)의 외측 표면 위에서 상부에 형성된 수의 스레드-결합된 부분(319)을 가진다. 도 8에 도시된 암의 스레드-결합된 부분(317)은 내측 냉각제 튜브(352)의 하측 단부 위에 형성될 수 있으며 돌출부(325)의 수의 스레드-결합된 부분(319)을 탈착 가능하게 수용하도록 구성된다. 수의 스레드-결합된 부분(319)은 임의의 스레드 타입, 가령, 2중 스타트 나사(double start screw thread), 미터 나사(metric screw thread), 유니파이 나사(unified screw thread), 파이프용 영나사(British standard pipe thread), 휘트워드 나사(Whitworth screw thread), 또는 본 발명의 양수인에게 양도되고 본 명세서에서 참조문헌으로 인용되는 미국 특허번호 7,081,597호에 기술된 것과 같은 스터브 정점 프로파일(stub acme profile)을 가진 나사로서 구성된 스레드(310)들을 포함할 수 있다. 또한, 암의 스레드-결합된 부분(317)은 임의의 타입의 스레드, 가령, 위에 열거한 이러한 나사로서 구성된 스레드(310)들을 가진 수의 스레드-결합된 부분(319)과 일치하는 스레드 프로파일로 구성될 수 있다.

몇몇 구체예들에서, 돌출부(325)는 전극(320)이 전극 홀더(356)에 연결될 때 하나 이상의 냉각제 통로(360)가 돌출부(325)와 전극 홀더(356) 사이에서 형성되도록 추가로 구성될 수 있다. 도시된 구체예에서, 수의 스레드-결합된 부분(319)과 암의 스레드-결합된 부분(317)은 스레드(310)들 사이의 여분의 공간들로 구성되며 이에 따라 냉각제는 스레드(310)들 사이에서 흐를 수 있다. 특히, 도 6에 도시된 것과 같이, 여분의 공간은 전극 홀더(356)의 내측 냉각제 튜브(352)와 돌출부(325) 사이에 하나 이상의 냉각제 통로(360)를 형성할 수 있다. 도시된 구체예에서, 냉각제 통로(360)는 돌출부(325) 상의 수의 스레드-결합된 부분(319)의 스레드 프로파일(thread profile)과 내측 냉각제 튜브(352) 상의 암의 스레드-결합된 부분(317)의 스레드 프로파일 사이에서 나선형으로 연장되는 공간을 포함한다. 따라서, 냉각제는 내측 냉각제 튜브(352)로부터 냉각제 통로(360)로 들어가고, 스레드 내부에서 냉각제 통로(360) 주위로 감아 돌아가며(spiral), 냉각제 통로(36)로부터 배출되어 단부 벽(330)에 부딪친다(impinge). 그 뒤, 냉각제는 외측 통로(337) 내로 들어가며 외측 냉각제 튜브(354)를 통해 전극(320)으로부터 멀어진다. 전극 조립체(318)의 스레드-결합된 연결부를 따르는 이러한 신규한 냉각제 통로(360)들은 상기 흐르는 냉각제가 도 1-3에 도시된 것과 같은 전극에 대해 상당한 양의 시간 동안 전극의 내측 표면들과 접촉할 수 있게 한다. 추가로, 상대적으로 빠른 냉각제 속도가 구현될 수 있는데, 이에 따라 전극으로부터 냉각제로 대류 열전달(convective heat transfer)이 개선될 것이다. 그에 따른 전체적인 결과는 전극(320)의 냉각 공정이 향상되어야 하며, 이에 따라 차례로 전극(320)의 수명도 연장되어야 한다.

도시된 구체예에서, 전극 홀더(356)의 내측 냉각제 튜브(352)는 일반적으로 전극(320)을 향해 연장되는 바닥 단부(353)를 포함한다. 전극 조립체(318)의 상이한 형상들은 적절하게 기능하도록 내측 냉각제 튜브(352)의 바닥 단부(353)가 플라즈마 아크 토치용 전극(320)에 대해 적절하게 위치되도록 요구할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 구체예들에서, 냉각제가 냉각제 통로(360)로부터 전극(320)의 외측 벽(335)과 내측 냉각제 튜브(352) 사이에 형성된 외측 통로(337)으로 흐를 수 있게 하고 이에 따라 냉각제가 외측 냉각제 튜브(354)를 통해 전극(320)으로부터 결국 제거될 수 있도록, 개구(363)가 구성될 수 있다. 도시된 구체예에서, 개구(363)는 전극(320)의 단부 벽(330)과 내측 냉각제 튜브(352)의 바닥 단부(353) 사이의 추가적인 공간으로서 형성된다. 몇몇 구체예들에서, 이는, 돌출부(325)가 오직 특정 거리 동안만 암의 스레드-결합된 부분(317) 내에 조여져서 개구(363)가 형성될 수 있도록, 암의 스레드-결합된 부분(317)이 내측 냉각제 튜브(352)의 하측 단부까지 단지 부분적으로만 연장되도록 구성함으로써 구현될 수 있다. 대안으로 혹은 그 외에도, 돌출부(325)의 수의 스레드-결합된 부분(319)이 특정 지점(즉 스토퍼의 위치)을 지나 전진되는 것을 방지하여 개구(363)가 형성될 수 있도록 스토퍼(도시되지 않음)가 암의 스레드-결합된 부분(317) 내에 위치될 수 있다.

대안으로 혹은 그 외에도, 그 외의 다른 구체예들에서, 개구(363)는 냉각제 통로(360)를 외측 통로(337)에 연결하는 내측 냉각제 튜브(352) 내에 있는 슬롯(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 이 슬롯은 냉각제가 슬롯으로부터 나와서 전체 냉각제 통로(360)를 통해 외측 통로(337) 내로 흐르고 최대로 외측 냉각제 튜브(354)를 통과하도록 냉각제 통로(360)의 바닥에 인접하게 위치하게끔 구성될 수 있다. 몇몇 구체예들에서, 상기 슬롯은 냉각제가 전극 조립체(318)를 통해 상당히 빠르게 통과할 수 있게 하여, 대류 열전달을 개선하고 전극(320)의 수명을 연장시킬 수 있다.

도 9-11은 본 발명의 또 다른 구체예를 도시하는데, 여기서, 전극 조립체(418)가 전극 홀더(456)와 전극(420) 사이에 탈착식 연결부용 2중 스타트 나사를 사용한다. 하지만, 전극 조립체(418)는 도 4-8에 대해 위에서 기술한 전극 조립체(318) 및 여기서 기술한 것과 같이 본 발명의 그 외의 다른 구체예들과 비슷한 방법으로 플라즈마 아크 토치 내에서 사용될 수 있다.

상기 도시된 도 9의 구체예에서, 전극 조립체(418)는 전극(420)과 전극 홀더(456)를 포함한다. 전극(420)은 2중-스타트 나사를 형성하는 스레드(410)들에 의해 형성된 수의 스레드-결합된 부분(419)을 가진 돌출부(425)를 포함한다. 전극 홀더(456)는 탈착식 연결부를 위해 수의 스레드-결합된 부분(419)의 2중 스타트 나사와 일치하는 스레드 프로파일로 구성된 암의 스레드-결합된 부분(417)을 가진 내측 냉각제 튜브(452)를 포함한다. 게다가, 전극 조립체(318)의 수 및 암의 스레드-결합된 부분(319, 317)들과 유사한 수 및 암의 스레드-결합된 부분(419, 417)들의 스레드 프로파일은 하나 이상의 냉각제 통로(460)를 형성할 수 있다. 도시된 구체예에서, 전극 조립체(418)는 2중 스타트 나사의 스레드 프로파일 때문에 개별적으로 형성된 2개의 냉각제 통로(460 및 460')를 포함한다. 이런 방식으로, 몇몇 구체예들에서, 냉각제는 각각의 개구(463, 463')로부터 두 냉각제 통로(460, 460')를 통해 흘러서 외측 냉각제 통로(454)를 통해 전극(420)으로부터 멀어질 수 있다. 도시된 구체예에서, 개구(463, 463')는 내측 냉각제 튜브(452) 내에 형성된 슬롯들을 포함한다.

도 12-14는 본 발명의 또 다른 구체예를 도시하는데, 여기서, 전극 조립체(518)는 돌출부(525)의 내측 표면과 내측 냉각제 튜브(552)의 외측 표면 사이에 스레드-결합된 연결부를 가진 전극 홀더(556)와 전극(520)을 포함한다. 또한, 전극 조립체(518)는 도 4-8에 대해 위에서 기술한 전극 조립체(318) 및 여기서 기술한 것과 같이 본 발명의 그 외의 다른 구체예들과 비슷한 방법으로 플라즈마 아크 토치 내에서 사용될 수 있다.

도 12를 보면, 전극(520)은 암의 스레드-결합된 부분(517)을 가진 환형 돌출부(525)를 포함한다. 전극 홀더(556)는 스레드(510)들을 포함하는 수의 스레드-결합된 부분(519)을 가진 내측 냉각제 튜브(552)를 포함한다. 수의 스레드-결합된 부분(519)과 이에 상응하는 암의 스레드-결합된 부분(517)의 스레드 프로파일은 임의의 타입의 나사, 가령, 2중 스타트 나사, 미터 나사, 유니파이 나사, 파이프용 영나사, 휘트워드 나사, 또는 스터브 정점 프로파일을 가진 나사일 수 있다.

도시된 구체예에서, 돌출부(525)의 중앙 보어와 내측 냉각제 튜브(552)는 냉각제가 전극(520)으로 흐를 수 있게 하도록 구성된 내측 통로(536)를 형성한다. 몇몇 구체예들에서, 내측 통로(536)는 단부 벽(530)과 상기 단부 벽(530) 내에 포함된 방사 요소(532) 바로 위에 위치된 리저버(reservoir)를 형성한다. 따라서, 리저버 내에 있는 냉각제는 최고 온도로 전극(520) 부분(즉 방사 요소(532) 가까이 위치된 부분)과 직접 접촉될 것이다.

그 외에도, 도시된 구체예에서, 전극(520)은 하나 이상의 통로 또는 슬롯(576)을 추가로 포함한다. 슬롯(576)의 한 단부는 내측 통로(536)를 돌출부(525)와 외측 벽(535) 사이에 형성된 외측 통로(537)에 연결시킨다. 따라서, 슬롯(576)은 냉각제가 내측 통로(536)로부터 외측 통로(537)로 흐를 수 있게 하며, 이에 냉각제는 전극으로부터 흘러 나와서 결국 전극 홀더(556)의 외측 냉각제 튜브(554)를 통해 흐를 수 있다.

도 15는 전극 홀더(656)와 이에 결부된 전극(620)을 가진 전극 조립체(618)의 또 다른 구체예를 도시한다. 도시된 구체예에서, 전극(620)은 돌출부(625)를 지나 연장되는 관형 외측 벽(635)을 포함한다. 냉각제는 위에서 언급한 여러 구체예들에서 기술한 것과 같이 전극 홀더(656)의 내측 냉각제 튜브(652)를 통해 돌출부(625) 주위로 흘러서 전극(620)을 냉각시킬 수 있다. 게다가, 냉각제는 전극(620)으로부터 제거를 위해 내측 냉각제 튜브(652)의 외측 표면과 외측 벽(635)의 내측 표면 사이에서 외측 냉각제 튜브(654)로 흐를 수 있다.

본 발명의 또 다른 구체예는 플라즈마 아크 토치 내의 전극을 냉각하기 위한 방법을 포함하는데, 이 방법은 여기서 기술한 것과 같이 본 발명의 여러 구체예들을 통해 전극에 냉각제를 제공하는 단계를 포함한다. 특히, 상기 방법은 사이에 있는 탈착식 연결부에 의해 전극을 전극 홀더에 연결하는 단계들을 포함할 수 있는데, 상기 전극은 방사 요소를 지지하는 단부 벽과 상기 단부 벽의 일반적인 중앙 영역으로부터 연장되는 돌출부를 가지고, 상기 돌출부는 탈착식 연결부에 의해 전극 홀더와 연결하도록 구성된다. 상기 방법은 전극 홀더의 냉각제 튜브를 통해 냉각제를 제공하고 탈착식 연결부에 의해 형성된 하나 이상의 냉각제 통로를 통해 냉각제를 제공하여 전극의 단부 벽이 냉각제에 의해 부딪히도록 하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 몇몇 구체예들에서, 상기 방법은 냉각제 통로에 인접한 하나 이상의 슬롯을 통해 하나 이상의 냉각제 통로로부터 냉각제를 제거하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 또한, 상기 방법은 전극 홀더 내에 형성된 외측 냉각제 튜브를 통해 전극으로부터 냉각제를 제거하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 그 외의 다른 구체예들에서, 하나 이상의 냉각제 통로를 통해 냉각제를 제공하는 단계는 전극 바디의 돌출부 상의 스레드 프로파일과 전극 홀더의 냉각제 튜브 상의 스레드 프로파일 사이의 나선형으로 연장되는 공간을 통해 냉각제를 통과시키는 단계를 포함한다.

본 명세서에서 기술된 것과 같은 본 발명의 구체예들은 탈착식 연결부 문제 및 전극 냉각 방법에 대한 열전달 문제를 제기한다. 특히, 몇몇 구체예들은 전극 홀더의 내측 냉각제 튜브와 전극의 스레드 프로파일 사이에 형성된 냉각제 통로를 사용하여 냉각제 흐름 속도를 증가시키고 냉각제와 전극 사이의 열전달을 위해 사용되는 표면적을 증가시킨다. 또한, 본 명세서에 기술되는 그 외의 다른 구체예들은 냉각제 흐름을 촉진하기 위해 슬롯을 사용하는 것이 바람직하다. 실제로, 슬롯과 냉각제 통로 조합은 흐름 속도를 3배만큼 증가시키는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 본 발명의 구체예들은 흐름 속도를 증가시키고 냉각제와 상호작용하는 전극의 표면을 증가시키며 이에 따라 플라즈마 아크 토치 내에 있는 전극의 사용 수명을 증가시킴으로써 열전달을 개선한다.

본 발명의 다수의 변형예들과 그 외의 다른 구체예들은 위에서 기술한 설명과 첨부된 도면들에 나타난 개념들의 혜택을 가진 본 발명에 대해 당업자에게 명확해질 것이다. 따라서, 본 발명이 본 명세서에 기술된 특정 구체예들에만 제한되는 것이 아니며 변형예들과 그 외의 다른 구체예들이 본 명세서에 포함될 수 있다는 사실을 이해해야 한다. 본 명세서에서 특정 용어들이 사용되었지만, 이 용어들은 제한하려는 목적이 아니라 오직 통상적이고 예시적인 목적으로 사용된다.

Claims (29)

1. 플라즈마 아크 토치용 전극에 있어서,
   상기 전극은:
   - 관형 외측 벽;
   - 상기 외측 벽의 원위 단부에 결합되고 단부 벽의 중앙 영역에서 방사 요소를 지지하는 단부 벽;
   - 단부 벽의 중앙 영역으로부터 연장되고 탈착식 연결부에 의해 전극 홀더와 연결하도록 구성된 돌출부를 포함하며, 상기 돌출부는 전극이 전극 홀더와 연결될 때 하나 이상의 냉각제 통로가 전극 홀더와 돌출부 사이에 형성되도록 구성되는 플라즈마 아크 토치용 전극.
2. 제1항에 있어서,
   탈착식 연결부는 스레드-결합된 연결부(threaded connection)를 포함하며, 돌출부는 전극 홀더의 스레드-결합된 냉각제 튜브에 돌출부를 탈착식으로 연결하기 위해 스레드-결합되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치용 전극.
3. 제2항에 있어서,
   스레드-결합된 연결부에 의해 하나 이상의 냉각제 통로가 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치용 전극.
4. 제2항에 있어서,
   외측 벽의 근위 단부가 전극 홀더의 외측 냉각제 튜브와 짝을 이루도록 구성되며 이에 따라 외측 벽은 냉각제를 전극으로부터 전극 홀더의 외측 냉각제 튜브로 제거하도록 구성된 외측 통로를 형성하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치용 전극.
5. 제2항에 있어서,
   스레드-결합된 연결부는 2중 스타트 나사(double start screw thread), 미터 나사(metric screw thread), 유니파이 나사(unified screw thread), 파이프용 영나사(British standard pipe thread), 휘트워드 나사(Whitworth screw thread), 및 스터브 정점 프로파일을 가진 나사 중 하나로서 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치용 전극.
6. 제3항에 있어서,
   하나 이상의 냉각제 통로는 전극 홀더의 냉각제 튜브 상의 스레드 프로파일과 전극의 돌출부 상의 스레드 프로파일 사이에 나선형으로 연장되는 공간을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치용 전극.
7. 제2항에 있어서,
   돌출부의 외측 표면의 적어도 일부분은 스레드-결합된 연결부에 의해 전극 홀더의 냉각제 튜브와 연결되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치용 전극.
8. 제7항에 있어서,
   돌출부는, 추가로, 전극이 전극 홀더에 연결될 때 전극 홀더의 냉각제 튜브와 단부 벽 사이에 간극이 형성되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치용 전극.
9. 제2항에 있어서,
   돌출부는 환형이며 내측 표면을 포함하고, 돌출부의 내측 표면의 적어도 일부분은 스레드-결합된 연결부에 의해 전극 홀더의 냉각제 튜브와 연결하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치용 전극.
10. 제9항에 있어서,
    전극은 돌출부에 의해 형성된 내측 통로와 외측 벽과 돌출부 사이에 형성된 외측 통로를 포함하고, 돌출부는 내측 통로를 외측 통로에 연결하는 하나 이상의 슬롯으로 추가로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치용 전극.
11. 플라즈마 아크 토치에 있어서,
    상기 플라즈마 아크 토치는:
    - 토치 바디;
    - 토치 바디의 한 단부에 인접하게 지지된 노즐;
    - 토치 바디에 의해 지지되고 전극 홀더의 내부를 통해 냉각제를 제공하도록 구성된 전극 홀더; 및
    - 방사 요소를 지지하는 단부 벽 및 단부 벽의 중앙 영역으로부터 연장되는 돌출부를 가진 전극을 포함하며, 상기 돌출부는 탈착식 연결부에 의해 전극 홀더에 연결되고, 하나 이상의 냉각제 통로가 돌출부와 전극 홀더 사이에 형성되며, 하나 이상의 냉각제 통로는 냉각제가 사이를 통해 흐르고 전극의 단부 벽 위에 부딪힐 수 있게 하는 플라즈마 아크 토치.
12. 제11항에 있어서,
    탈착식 연결부는 스레드-결합된 연결부를 포함하며, 돌출부는 전극 홀더의 스레드-결합된 냉각제 튜브에 돌출부를 탈착식으로 연결하기 위해 스레드-결합되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치.
13. 제12항에 있어서,
    스레드-결합된 연결부에 의해 하나 이상의 냉각제 통로가 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치.
14. 제11항에 있어서,
    전극 홀더는 내측 냉각제 튜브와 외측 냉각제 튜브를 포함하고, 내측 냉각제 튜브는 돌출부가 있는 탈착식 연결부를 가지며 냉각제를 전극에 제공하도록 구성되고, 외측 냉각제 튜브는 전극으로부터 냉각제를 제거하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치.
15. 제14항에 있어서,
    전극 홀더는 하나 이상의 냉각제 통로에 인접하게 위치된 하나 이상의 슬롯을 추가로 포함하며 이에 따라 냉각제는 냉각제 통로로부터 하나 이상의 슬롯을 통해 외측 냉각제 튜브로 흐를 수 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치.
16. 제15항에 있어서,
    하나 이상의 냉각제 통로는 냉각제가 유입되는 근위 단부와 냉각제가 배출되는 원위 단부를 가지며, 하나 이상의 슬롯은 냉각제 통로의 원위 단부에 인접하게 위치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치.
17. 제12항에 있어서,
    스레드-결합된 연결부는 2중 스타트 나사, 미터 나사, 유니파이 나사, 파이프용 영나사, 휘트워드 나사, 및 스터브 정점 프로파일을 가진 나사 중 하나로서 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치.
18. 제12항에 있어서,
    하나 이상의 냉각제 통로는 전극 홀더의 냉각제 튜브 상의 스레드 프로파일과 전극의 돌출부 상의 스레드 프로파일 사이에 나선형으로 연장되는 공간을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치.
19. 제14항에 있어서,
    탈착식 연결부는 돌출부의 외측 표면의 적어도 일부분과 내측 냉각제 튜브의 내측 표면의 적어도 일부분 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치.
20. 제14항에 있어서,
    내측 냉각제 튜브는 전극을 향하는 바닥 단부를 포함하며, 내측 냉각제 튜브는 전극 홀더가 전극에 연결될 때 전극의 단부 벽과 바닥 단부 사이에 한 공간을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치.
21. 제12항에 있어서,
    돌출부는 환형이며 내측 표면을 포함하고, 돌출부의 내측 표면의 적어도 일부분은 스레드-결합된 연결부에 의해 전극 홀더의 냉각제 튜브와 연결하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치.
22. 제21항에 있어서,
    전극은 돌출부에 의해 형성된 내측 통로와 외측 벽과 돌출부 사이에 형성된 외측 통로를 포함하고, 돌출부는 내측 통로를 외측 통로에 연결하는 하나 이상의 슬롯으로 추가로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치.
23. 플라즈마 아크 토치 내에 있는 전극을 냉각하기 위한 방법에 있어서,
    상기 방법은:
    - 탈착식 연결부에 의해 전극을 전극 홀더에 연결하는 단계를 포함하고, 전극은 방사 요소를 지지하는 단부 벽과 단부 벽의 중앙 영역으로부터 연장되는 돌출부를 가지며, 상기 돌출부는 탈착식 연결부에 의해 전극 홀더와 연결하도록 구성되고;
    - 전극 홀더의 냉각제 튜브를 통해 냉각제를 제공하고 탈착식 연결부에 의해 형성된 하나 이상의 냉각제 통로를 통해 냉각제를 제공하여 이에 따라 전극의 단부 벽이 냉각제에 의해 부딪히는 단계를 포함하는, 플라즈마 아크 토치 내에 있는 전극을 냉각하기 위한 방법.
24. 제23항에 있어서,
    상기 방법은 냉각제 통로에 인접한 하나 이상의 슬롯을 통해 하나 이상의 냉각제 통로로부터 냉각제를 제거하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치 내에 있는 전극을 냉각하기 위한 방법.
25. 제24항에 있어서,
    상기 방법은 전극 홀더 내에 형성된 외측 냉각제 튜브를 통해 전극으로부터 냉각제를 제거하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치 내에 있는 전극을 냉각하기 위한 방법.
26. 제23항에 있어서,
    하나 이상의 냉각제 통로를 통해 냉각제를 제공하는 단계는 전극 홀더의 냉각제 튜브 상의 스레드 프로파일과 전극 바디의 돌출부 상의 스레드 프로파일 사이에 나선형으로 연장되는 공간을 통해 냉각제를 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치 내에 있는 전극을 냉각하기 위한 방법.
27. 플라즈마 아크 토치용 전극 조립체에 있어서,
    상기 전극 조립체는:
    - 전극을 포함하고, 상기 전극은:
    - 관형 외측 벽;
    - 상기 외측 벽의 원위 단부에 결합되고 단부 벽의 중앙 영역에서 방사 요소를 지지하는 단부 벽;
    - 단부 벽의 중앙 영역으로부터 연장되는 돌출부를 포함하며,
    - 탈착식 연결부에 의해 전극에 연결된 전극 홀더를 포함하고, 상기 전극 홀더는:
    - 전극에 냉각제를 제공하기 위한 내측 냉각제 튜브;
    - 내측 및 외측 냉각제 튜브 사이의 공간을 통해 전극으로부터 냉각제를 제거하기 위하여 내측 냉각제 튜브를 둘러싸는 외측 냉각제 튜브를 포함하며;
    전극의 돌출부는 탈착식 연결부에 의해 전극 홀더의 내측 냉각제 튜브와 연결하도록 구성되고, 전극이 전극 홀더와 연결될 때 하나 이상의 냉각제 통로가 전극 홀더의 내측 냉각제 튜브와 전극의 돌출부 사이에 형성되는 플라즈마 아크 토치용 전극 조립체.
28. 제27항에 있어서,
    탈착식 연결부는 스레드-결합된 연결부를 포함하고, 돌출부는 전극 홀더의 스레드-결합된 냉각제 튜브에 돌출부를 탈착식으로 연결하도록 스레드-결합되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치용 전극 조립체.
29. 제28항에 있어서,
    하나 이상의 냉각제 통로는 스레드-결합된 연결부에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치용 전극 조립체.

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