KR102569883B1 - 액체-냉각식 플라즈마 아크 토치용 카트리지 - Google Patents

액체-냉각식 플라즈마 아크 토치용 카트리지 Download PDF

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이. 마이클 시플스키
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Abstract

액체-냉각식 플라즈마 아크 토치용 소모품 카트리지가 제공된다. 소모품 카트리지는, 단부 표면을 갖는 선단 단부, 말단 단부 및 이를 통해 연장하는 길이 방향 중심 축선을 갖는 본체를 포함하는 카트리지 프레임을 포함한다. 카트리지는 토치 헤드와 RFID(radio-frequency identification) 인터페이스를 형성하도록 구성된다. 소모품 카트리지는 또한 말단 단부에서 카트리지 프레임에 부착된(affixed) 아크 이미터(arc emitter) 및 아크 압축기(arc constrictor); 및 단부 면에 인접한 카트리지 프레임에 또는 그 위에 형성된 RFID 장착 피처(mounting feature)를 포함한다. RFID 장착 피처는 본체의 길이 방향 중심 축선과 비-동심이다. 소모품 카트리지는, 또한, 카트리지가 토치 헤드에 연결될 때 카트리지에 대한 정보를 토치 헤드의 판독기 디바이스에 송신하기 위해 RFID 장착 피처에 또는 그 위에 배치되는 RFID 태그(tag)를 더 포함한다.

Description

액체-냉각식 플라즈마 아크 토치용 카트리지
[0001] 본 출원은, 2015년 8월 4일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 제62/200,913호를 우선권으로 주장하고 그에 대한 이익을 청구하며, 그 전체 내용은 현재의 출원의 양수인에 의해 소유되고 인용에 의해 그 전체가 본원에 통합된다.
[0002] 본 발명은 일반적으로, 액체-냉각식 플라즈마 아크 토치(plasma arc torch)용 카트리지들(cartridges)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 일체형 컴포넌트들을 갖는 하나 또는 그 초과의 교체 가능한 저비용 카트리지들에 관한 것이다.
[0003] 열적 프로세싱 토치들, 이를테면, 플라즈마 아크 토치들은, 재료들의 고온 프로세싱(예컨대, 가열, 절단, 가우징(gouging) 및 마킹(marking))을 위해 널리 사용된다. 플라즈마 아크 토치는 일반적으로, 토치 헤드, 토치 헤드 내에 장착된 전극, 전극의 보어 내에 배치된 방사성 인서트(emissive insert), 토치 헤드 내에 장착된 중심 익시트 오리피스(central exit orifice)를 갖는 노즐, 쉴드, 전기 연결들, 냉각을 위한 통로들(passages), 아크 제어 유체들(arc control fluids)(예컨대, 플라즈마 가스)을 위한 통로들 및 파워 서플라이를 포함한다. 스월 링(swirl ring)은 전극과 노즐 간에 형성된 플라즈마 챔버 내의 유체 유동 패턴들을 제어하는 데 사용될 수 있다. 일부 토치들에서, 리테이닝 캡(retaining cap)은 플라즈마 아크 토치에서 노즐 및/또는 스월 링을 유지하는 데 사용된다. 동작에서, 토치는, 용융된 금속의 제거를 보조하기 위해 고온 및 충분한 모멘텀으로 이온화된 가스의 압축된 제트(jet)인 플라즈마 아크를 발생시킨다. 토치에서 사용되는 가스들은 비반응성(예컨대, 아르곤 또는 질소) 또는 반응성(예컨대, 산소 또는 공기)일 수 있다.
[0004] 기존 플라즈마 절단 시스템들은, 열적 프로세싱 동작들을 수행하기 위해 사용자에 의해 현장에서 반복적으로 조립 및 분해되는, 상이한 전류들 및/또는 동작 모드들로 사용하기 위해 이용 가능한 별개의 소모품들의 큰 어레이를 포함한다. 많은 수의 소모품 옵션들은 사용자들을 위해 많은 부품 수들 및 재고들을 요구하며, 사용자들을 혼란스럽게 하고 부정확한 소모품들을 설치할 가능성을 증가시킬 수 있다. 많은 수의 소모품 옵션들은 또한, 너무 긴 토치 셋업 시간(들)을 야기할 수 있으며, 한 번에 하나의 컴포넌트로 현장에서 종종 수행되는 토치의 소모품들의 상이한 어레인지먼트들을 요구하는, 절단 프로세스들 간 전환을 어렵게 만들 수 있다. 예컨대, 절단 동작 전에, 특정 절단 태스크를 위한 소모품들의 정확한 세트를 선택 및 설치하는 것은 부담스러우며 시간-소모적일 수 있다. 게다가, 현장에서의 이들 컴포넌트들의 선택, 조립, 및 설치는, 오래된 컴포넌트들을 새로운 컴포넌트들과 함께 사용할 때, 정렬 문제들 또는 호환성 문제들을 야기할 수 있다. 토치 동작 동안, 기존 소모품들은, 적절한 소모품 정렬 및 거리를 유지하는 것에 실패하는 것과 같은 성능 문제들을 경험할 수 있다. 게다가, 현재의 소모품들은 상당한 양들의 고가의 재료들(예컨대, Vespel™)을 포함하며, 종종 상대적으로 복잡한 제조 프로세스를 요구하는데, 이는 상당한 제조 비용들을 초래하며, 그들의 광범위한 상품화, 생산 및 채택을 억제한다. 제조 비용들 및 시간을 감소시키고, 부품 수를 감소시키고, 시스템 성능(예컨대, 컴포넌트 정렬, 절단 품질, 소모품 수명, 가변성/융통성 등)을 증가시키고, 최종 사용자들에 의한 소모품들의 설치 및 사용을 용이하게 하는, 액체-냉각식 플라즈마 아크 토치들을 위한 새로운 그리고 개선된 소모품 플랫폼이 필요하다.
[0005] 본 발명은, 액체-냉각식 플라즈마 아크 토치를 위한 하나 또는 그 초과의 일체형의 비용 효율적인 카트리지 설계들을 제공한다. 일반적으로, 카트리지가 2개 또는 그 초과의 소모품 컴포넌트들의 묶음을 포함하기 때문에, 이는, 각각의 소모품 컴포넌트를 개별적으로 설치/교체하는 것과 비교하여, 사용의 편의성을 제공하고 플라즈마 아크 토치 내로의 설치를 위한 시간을 단축한다. 소모품 카트리지를 사용하는 것은 또한, 오퍼레이터가 잘못된 소모품 부분들을 넣고, 설치 동안 부분들을 오염시키고 그리고/또는 약하거나 불량한 부분을 우연히 다시 토치에 배치할 가능성을 감소시킨다. 이들 이점들은, 결과적인 액체-냉각식 플라즈마 아크 토치들을, 능숙한 오퍼레이터들이 동작시켜야할 필요성을 제거한다. 게다가, 액체-냉각식 토치에서의 카트리지의 사용은 컴포넌트 정렬, 절단 일관성 및 절단 품질 경험을 개선한다. 추가로, 소모품 카트리지들을 사용하는 것은 공급자들의 경험을 향상시키는데, 왜냐하면, 더 적은 소모품 부분들이 재고화되고(inventoried) 비축될(stocked) 필요가 있기 때문이다. 일부 경우들에서, 공급자는 사용된 카트리지들을 다시 구입하여, 컴포넌트들을 다른 용도들로 재활용할 수 있다. 그러나, 제조 및 재료 비용들은 카트리지들의 광범위한 상품화 및 생산을 금지시킬 수 있다. 본 발명은, 카트리지 상품화 및 생산을 가능하게 하고 그들의 설치를 개선하는 하나 또는 그 초과의 비용 효과적인 카트리지 설계들을 제공함으로써 이 문제점을 해결한다.
[0006] 일 양상에서, 본 발명은 액체-냉각식 플라즈마 아크 토치용 소모품 카트리지 프레임을 특징으로 하며, 소모품 카트리지 프레임은, 토치 헤드와 카트리지 팁 간에 배치되도록 구성된 절연체 본체, 절연체 본체 내에 배치되어, 카트리지 프레임에 연결된 카트리지 팁의 컴포넌트에 접촉되게 토치 헤드로부터 수용된 제1 유체 유동을 안내하도록 구성된 제1 냉각 채널, 및 절연체 본체 내에 배치되어, 제1 유체 유동의 적어도 일 부분을 컴포넌트로부터 토치 헤드로 안내하도록 구성된 제1 복귀 채널을 포함한다. 제1 냉각 채널 및 제1 복귀 채널은 본체의 길이 방향 중심 축선에 대해 비-동심이다.
[0007] 일부 실시예들에서, 소모품 카트리지 프레임은 추가로, 카트리지 팁을 미리 정해진 배향으로 토치 헤드에 반경 방향으로 고착하도록 구성된 토치 맞물림 피처를 포함한다. 카트리지 팁이 토치 맞물림 피처를 통해 토치 헤드에 반경 방향으로 고착될 때, 제1 냉각 채널은 토치 헤드의 대응하는 제1 냉각 채널과 실질적으로 정렬되도록 구성될 수 있다. 제1 액체 냉각 채널은 토치 헤드로부터 카트리지 팁 내로 냉각 액체를 안내하도록 적응될 수 있다. 카트리지 팁이 토치 맞물림 피처를 통해 토치 헤드에 반경 방향으로 고착될 때, 제1 복귀 채널은 토치 헤드의 대응하는 제1 복귀 채널과 실질적으로 정렬되도록 구성될 수 있다. 제1 복귀 채널은 카트리지 팁으로부터 토치 헤드 내로 냉각 액체를 복귀시키도록 적응될 수 있다.
[0008] 일부 실시예들에서, 소모품 카트리지 프레임은 추가로, 절연체 본체에 배치되고 그리고 절연체 본체의 길이 방향 중심 축선에 대해 동심인 중심 채널을 포함하며, 중심 채널은 (i) 제1 유체 유동을 토치 헤드로부터 전극으로 안내하거나 또는 (ii) 전류를 토치 헤드로부터 전극으로 통과시키는 것 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된다. 소모품 카트리지 프레임은 추가로, 절연체 본체 내에 배치되어, 제1 컴포넌트와 상이한 카트리지 팁의 제2 컴포넌트에 접촉되게 토치 헤드로부터 수용된 제1 유체 유동의 적어도 일 부분을 안내하도록 구성된 제2 냉각 채널, 및 절연체 본체 내에 배치되어, 제1 유체 유동의 적어도 일 부분을 제2 컴포넌트로부터 토치 헤드로 안내하도록 구성된 제2 복귀 채널을 포함할 수 있다. 제2 냉각 채널 및 제2 복귀 채널은 절연체 본체의 길이 방향 중심 축선에 대해 비-동심일 수 있다.
[0009] 일부 실시예들에서, 소모품 카트리지 프레임은 추가로, 절연체 본체 내에 배치되어, 제2 유체 유동을 카트리지 팁의 제2 컴포넌트로 안내하도록 구성된 적어도 하나의 가스 채널을 포함한다. 적어도 하나의 가스 채널은 절연체 본체의 길이 방향 중심 축선에 대해 비-동심이다. 제2 유체 유동은 플라즈마 가스 유동 또는 쉴드 가스 유동을 포함할 수 있다. 제2 컴포넌트는 노즐 또는 쉴드 중 하나를 포함할 수 있다.
[0010] 일부 실시예들에서, 제1 유체 유동은 액체 냉매 유동을 포함한다. 일부 실시예들에서, 카트리지 팁의 컴포넌트는 노즐 또는 쉴드 중 하나를 포함한다. 일부 실시예들에서, 제1 냉각 채널 및 제1 복귀 채널은 절연체 본체의 선단 구역으로부터 말단 구역으로 길이 방향으로 연장되고, 비-중첩식이다.
[0011] 다른 양상에서, 액체-냉각식 플라즈마 아크 토치 카트리지 소모품용 카트리지 프레임이 제공된다. 카트리지 프레임은 중심 구역, 내부 표면, 외부 표면, 선단 부분 및 말단 부분을 갖는 카트리지 프레임 본체를 포함하며, 카트리지 프레임 본체는 적어도 실질적으로 비-전도성 재료로 이루어진다. 카트리지 프레임은 또한, 카트리지 프레임 본체의 선단 부분에 위치된 토치 맞물림 인터페이스 표면을 포함하며, 토치 맞물림 인터페이스 표면은 토치 헤드와 맞물림하도록 구성된다. 카트리지 프레임은 추가로, 중심 구역에 형성된 복수 개의 컴포넌트 정렬 피처들 및 선단 부분과 말단 부분 간의 복수 개의 채널들을 포함한다. 복수 개의 채널들은 중심 구역의 중심 축선으로부터 오프셋되어 위치된다. 복수 개의 채널들은 카트리지 프레임을 통해 액체 및 가스를 지향시키도록 구성된다.
[0012] 일부 실시예들에서, 컴포넌트 정렬 피처들 중 하나 또는 그 초과의 컴포넌트 정렬 피처들은 노즐을 카트리지 프레임의 내부 표면에 정렬하고 노즐을 내부 표면과 짝을 이루어 맞물림하도록 구성된다. 하나 또는 그 초과의 컴포넌트 정렬 피처들은 노즐을 카트리지 프레임에 축선 방향으로 정렬하고 짝을 이루어 맞물림하도록 구성된 하나 또는 그 초과의 스텝들을 포함할 수 있다. 하나 또는 그 초과의 컴포넌트 정렬 피처들은, 노즐을 카트리지 프레임에 반경 방향으로 정렬하고 짝을 이루어 맞물림하도록, 카트리지 프레임의 내부 표면의 섹션을 따라 가변 직경을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 컴포넌트 정렬 피처들 중 하나 또는 그 초과의 컴포넌트 정렬 피처들은 쉴드를 카트리지 프레임의 외부 표면에 정렬하고 그리고 쉴드를 외부 표면과 짝을 이루어 맞물림하도록 구성된다.
[0013] 일부 실시예들에서, 복수 개의 채널들은 쉴드 가스 채널을 포함하며, 쉴드 가스 채널은 쉴드 가스 채널을 통해, 계량된 쉴드 가스 유동을 제공하도록 구성된다. 카트리지 프레임은 추가로, 카트리지 프레임 본체의 말단 부분에 배치된 배플 및 쉴드 스월 링을 포함할 수 있다. 배플 및 쉴드 스월 링은 쉴드 가스 채널과 유체 연통하여, 쉴드 가스 채널을 통해 쉴드 가스 유동의 적어도 하나의 파라미터를 조정할 수 있다.
[0014] 일부 실시예들에서, 카트리지 프레임은 추가로, 카트리지 프레임의 내부 표면 상에 개구를 포함한다. 복수 개의 채널들은 액체 냉매를 노즐에 공급하도록 구성된 냉매 채널을 포함하며, 개구는 액체 냉매를 노즐로부터 멀리 안내하기 위해 냉매 채널과 유체 연통한다. 일부 실시예들에서, 카트리지 프레임은 추가로, 카트리지 프레임의 외부 표면 상에 개구를 포함한다. 복수 개의 채널들은 액체 냉매를 쉴드에 공급하도록 구성된 냉매 채널을 포함하며, 개구는 액체 냉매를 쉴드로부터 멀리 안내하기 위해 냉매 채널과 유체 연통한다.
[0015] 일부 실시예들에서, 카트리지 프레임은 추가로, 카트리지 프레임의 내부 표면으로부터 외부 표면으로 연장하는 통기 통로(vent passage)를 포함한다.
[0016] 또 다른 양상에서, 액체-냉각식 플라즈마 아크 토치용 소모품 카트리지가 제공된다. 소모품 카트리지는 말단 구역 및 선단 구역을 갖는 본체 부분, 말단 구역에 위치된 팁 부분 ― 팁 부분은 플라즈마 이미터 및 플라즈마 아크 압축기를 포함함 ―, 및 선단 구역으로부터 본체의 말단 구역의 팁 부분으로 연장하는 2개 또는 그 초과의 비-동심 채널들을 포함한다.
[0017] 일부 실시예들에서, 2개 또는 그 초과의 비-동심 채널들은 절연체 재료로 이루어진 카트리지 프레임에 배치된다. 일부 실시예들에서, 카트리지 프레임은 팁 부분과 토치 헤드 간에 인터페이스를 형성한다.
[0018] 일부 실시예들에서, 팁 부분은 노즐, 쉴드 또는 전극 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 실시예들에서, 2개 또는 그 초과의 비-동심 채널들은, (i) 액체 냉매를 노즐로 그리고 노즐로부터 공급하기 위해 노즐과 유체 연통하는 냉매 채널 및 복귀 채널을 포함하는 채널들의 제1 세트, 및 (ii) 액체 냉매의 적어도 일 부분을 쉴드로 그리고 쉴드로부터 공급하기 위해 쉴드와 유체 연통하는 냉매 채널 및 복귀 채널을 포함하는 채널들의 제2 세트를 포함한다. 일부 실시예들에서, 2개 또는 그 초과의 비-동심 채널들은 스월 링과 노즐 간의 통로에 플라즈마 가스를 공급하기 위한 플라즈마 가스 채널을 포함한다. 일부 실시예들에서, 2개 또는 그 초과의 비-동심 채널들은 쉴드와 노즐 간의 통로에 쉴드 가스를 공급하기 위한 쉴드 가스 채널을 포함한다. 일부 실시예들에서, 소모품 카트리지는 추가로, 전극과 유체 연통하는 중심 채널을 포함하며, 중심 채널은 액체 냉매 또는 전류 중 적어도 하나를 전극에 통과시키도록 구성된다.
[0019] 또 다른 양상에서, 액체-냉각식 플라즈마 아크 토치용 소모품 카트리지 프레임이 제공된다. 소모품 카트리지 프레임은, 플라즈마 아크 토치의 토치 헤드에 연결하도록 구성된 제1 인터페이스, 및 소모품의 길이 방향 축선을 따라 제1 표면에 대해 축선 방향으로 이격된 제2 인터페이스를 포함하며, 제2 인터페이스는 적어도 노즐, 쉴드, 전극, 및 스월 링을 포함하는 복수 개의 컴포넌트들에 연결하도록 구성된다. 소모품 카트리지 프레임은 추가로, 제1 인터페이스를 제2 인터페이스에 연결하기 위해 길이 방향 축선을 따라 연장하는 본체 부분을 포함한다. 본체 부분은 제1 인터페이스 및 제2 인터페이스를 통해 토치 헤드와 복수 개의 컴포넌트들 간에 액체 및 가스를 이송하도록 구성된 복수 개의 채널들을 포함한다.
[0020] 일부 실시예들에서, 제1 인터페이스는 미리 정해진 배향으로 토치 헤드에 반경 방향으로 고착하도록 구성되는 정렬 피처를 포함한다. 복수 개의 채널들은 토치 헤드와 복수 개의 컴포넌트들 간에 액체 및 가스를 이송하기 위해 미리 정해진 배향으로 토치 헤드에서 대응하는 채널들과 정렬하도록 적응될 수 있다. 일부 실시예들에서, 복수 개의 채널들 중 2개 또는 그 초과의 채널들은 비-동심이다.
[0021] 일부 실시예들에서, 제2 인터페이스는, (i) 노즐을 카트리지 프레임과 짝을 이루어 맞물림하고 축선 방향으로 정렬하기 위한 소모품 카트리지 프레임의 내부 표면 상의 적어도 하나의 스텝, 및 (ii) 노즐을 카트리지 프레임과 짝을 이루어 맞물림하고 반경 방향으로 정렬하기 위한 가변 직경을 갖는 소모품 카트리지 프레임의 내부 표면의 적어도 하나의 섹션을 포함한다. 제2 인터페이스는 또한 쉴드를 카트리지 프레임과 축선 방향으로 그리고 반경 방향으로 정렬하고 쉴드를 카트리지 프레임과 짝을 이루어 맞물림하도록 구성되는 정렬 피처들을 포함할 수 있다. 정렬 피처들은 소모품 카트리지의 외부 표면 상에 스텝 또는 짝을 이룬 섹션 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
[0022] 일부 실시예들에서, 소모품 카트리지 프레임은 제1 인터페이스에 인접한 본체 부분에 배치된 공동을 더 포함할 수 있다. 공동은 토치 헤드의 판독기 디바이스와 통신하기 위한 RFID(radio-frequency identification) 태그를 수용하도록 구성된다.
[0023] 또 다른 양상에서, 액체-냉각식 플라즈마 아크 토치 카트리지 소모품용 카트리지 프레임이 제공된다. 카트리지 프레임은 카트리지 프레임 본체를 포함하며, 카트리지 프레임 본체는 선단 부분, 말단 부분, 외부 표면, 및 카트리지 프레임 본체의 중심 채널에 대한 내부 개구를 갖는다. 카트리지 프레임은 또한 카트리지 프레임 본체의 선단 부분으로부터 카트리지 프레임 본체의 말단 부분까지 연장하는 쉴드 가스 채널, 카트리지 프레임 본체의 선단 부분으로부터 내부 개구까지 연장하는 노즐 냉매 공급 채널, 및 카트리지 프레임 본체의 내부 개구로부터 선단 부분까지 연장하는 노즐 냉매 복귀 채널을 포함한다. 카트리지 프레임은 카트리지 프레임 본체의 외부 표면의 둘레 방향 냉매 유동 채널, 선단 부분으로부터 둘레 방향 냉매 유동 채널까지 연장하는 쉴드 냉매 공급 채널 및 둘레 방향 냉매 유동 채널로부터 선단 부분까지 연장하는 쉴드 냉매 복귀 채널을 더 포함한다.
[0024] 또 다른 양상에서, 플라즈마 아크 토치용 액체-냉각식 소모품 카트리지가 제공된다. 카트리지는, (i) 전극, (ii) 외부 표면 상에 제1 외부 리테이닝 피처 및 제2 외부 리테이닝 피처를 갖는 스월 링 ― 전극은 스월 링에 고착됨 ―, 및 (iii) 내부 표면 상에 내부 리테이닝 피처를 갖는 노즐을 포함하고, 여기서 노즐의 내부 리테이닝 피처는 스월 링의 제1 외부 리테이닝 피처와 짝을 이룬다. 카트리지는 또한 내부 표면 상에 내부 리테이닝 피처 및 외부 표면 상에 외부 리테이닝 피처를 갖는 카트리지 프레임을 포함한다. 카트리지 프레임의 내부 리테이닝 피처는 스월 링의 제2 외부 리테이닝 피처와 짝을 이룬다. 카트리지는 카트리지 프레임의 외부 리테이닝 피처와 짝을 이루는 내부 표면 상의 내부 리테이닝 피처를 갖는 쉴드를 더 포함한다. 적어도 노즐, 스월 링, 카트리지 프레임 및 쉴드는 서로 짝을 이룰 때 카트리지 프레임으로부터 쉴드 또는 노즐까지 적어도 하나의 액체 유동 경로를 제공하기 위해 미리 정해진 포지션에서 축선 방향으로 고착된다.
[0025] 일부 실시예들에서, 전극 및 노즐은 전극과 노즐 간에 물리적 접촉 없이 서로에 대해 축선 방향으로 그리고 반경 방향으로 정렬된다. 일부 실시예들에서, 노즐 및 쉴드는 노즐과 쉴드 간에 물리적 접촉 없이 서로에 대해 축선 방향으로 그리고 반경 방향으로 정렬된다.
[0026] 일부 실시예들에서, 쉴드, 노즐 또는 스월 링 중 적어도 하나는 카트리지 프레임과 직접적으로 짝을 이룬다. 전극은 스월 링 또는 전극 절연체 중 적어도 하나를 통해 카트리지 프레임과 간접적으로 짝을 이룰 수 있다.
[0027] 일부 실시예들에서, 노즐의 내부 리테이닝 피처와 스월 링의 제1 외부 리테이닝 피처 간에 짝을 이루는 것은 노즐을 스월 링과 반경 방향으로 정렬시킨다. 일부 실시예들에서, 카트리지 프레임의 내부 리테이닝 피처와 스월 링의 제2 외부 리테이닝 피처 간에 짝을 이루는 것은 카트리지 프레임과 스월 링 간에 축선 방향 또는 반경 방향 정렬 중 적어도 하나를 제공한다. 일부 실시예들에서, 쉴드의 내부 리테이닝 피처와 카트리지 프레임의 외부 리테이닝 피처 간에 짝을 이루는 것은 카트리지 프레임과 쉴드 간에 축선 방향 또는 반경 방향 정렬 중 적어도 하나를 제공한다. 일부 실시예들에서, 카트리지 프레임은 노즐의 외부 표면 상에 외부 리테이닝 피처와 짝을 이루도록 구성되는 내부 표면 상의 제2 내부 리테이닝 피처를 더 포함한다. 카트리지 프레임과 노즐 간에 짝을 이루는 것은 카트리지 프레임과 노즐 간에 축선 방향 또는 반경 방향 정렬 중 적어도 하나를 제공한다.
[0028] 일부 실시예들에서, 노즐은 노즐 재킷에 커플링된 비통기식 노즐이다. 일부 실시예들에서, 노즐은 노즐 라이너에 커플링된 통기식 노즐이다.
[0029] 또 다른 양상에서, 플라즈마 아크 토치용 액체-냉각식 소모품 카트리지가 제공된다. 카트리지는, (i) 전극, (ii) 외부 표면 상에 외부 리테이닝 피처 및 내부 표면 상에 내부 리테이닝 피처를 갖는 스월 링 ― 전극은 스월 링의 내부 리테이닝 표면에 고착됨 ―, 및 (iii) 외부 표면 상에 외부 리테이닝 피처를 갖는 노즐을 포함한다. 카트리지는 또한 내부 표면 상에 제1 내부 리테이닝 피처 및 제2 내부 리테이닝 피처 및 외부 표면 상에 외부 리테이닝 피처를 갖는 카트리지 프레임을 포함한다. 카트리지 프레임의 제1 내부 리테이닝 피처는 스월 링의 외부 리테이닝 피처와 짝을 이루고, 카트리지 프레임의 제2 내부 리테이닝 피처는 노즐의 외부 리테이닝 피처와 짝을 이룬다. 카트리지는 카트리지 프레임의 외부 리테이닝 피처와 짝을 이루는 내부 표면 상의 내부 리테이닝 피처를 갖는 쉴드를 더 포함한다. 적어도 노즐, 스월 링, 카트리지 프레임 및 쉴드는 짝을 이룰 때 미리 정해진 포지션에서 축선 방향으로 고착된다.
[0030] 또 다른 양상에서, 액체-냉각식 플라즈마 아크 토치용 소모품 카트리지가 제공된다. 소모품 카트리지는 비-전도성 카트리지 프레임, 및 부분적으로 플라즈마 플리넘을 규정하는 전도성 소모품 컴포넌트들의 세트를 포함한다. 전도성 컴포넌트들의 세트는 카트리지 프레임에 부착된다. 소모품 카트리지는 적어도 50 체적%의 비-전도성 재료로 구성된다. 일부 실시예들에서, 소모품 카트리지는 대략 60 체적% 내지 대략 80 체적%의 비-전도성 재료로 구성된다.
[0031] 일부 실시예들에서, 소모품 카트리지는 단일 사용 카트리지이다. 전도성 소모품 컴포넌트들의 세트는 카트리지 프레임에 부착된 후 개별적으로 서비스 가능하거나 배치될 수 없다.
[0032] 일부 실시예들에서, 카트리지 프레임은 전도성 컴포넌트들의 세트와 유체 연통하는 액체 및 가스 채널들을 포함한다. 액체 및 가스 채널들은 카트리지 프레임의 길이 방향 중심 축선에 대해 비-동심이다.
[0033] 일부 실시예들에서, 전도성 소모품 컴포넌트들의 세트는 쉴드, 노즐 및 전극을 포함한다.
[0034] 다른 양상에서, 복수 개의 컴포넌트들로부터 일체형 소모품 카트리지를 제조하는 방법이 제공된다. 방법은 전극을 스월 링에 축선 방향으로 그리고 반경 방향으로 고착시키는 단계, 스월 링의 외부 표면 상의 리테이닝 피처를 노즐 또는 카트리지 프레임의 내부 표면 상의 짝을 이루는 리테이닝 피처 중 적어도 하나에 축선 방향으로 그리고 반경 방향으로 고착시키는 단계, 및 카트리지 프레임의 외부 표면 상의 리테이닝 피처를 쉴드의 내부 표면 상의 짝을 이루는 리테이닝 피처에 축선 방향으로 그리고 반경 방향으로 고착시키는 단계를 포함한다. 소모품 컴포넌트들을 서로에 대해 축선 방향으로 그리고 반경 방향으로 고착시키는 단계는, 카트리지 프레임의 적어도 하나의 내부 유체 채널을, (i) 노즐의 유체 통로, 또는 (ii) 쉴드의 유체 통로로 포지셔닝한다.
[0035] 일부 실시예들에서, 전극을 스월 링에 축선 방향으로 그리고 반경 방향으로 고착시키는 단계는, 전극을 전극 절연체에 축선 방향으로 그리고 반경 방향으로 고착시키는 단계, 및 전극 절연체를 스월 링에 축선 방향으로 그리고 반경 방향으로 고착시키는 단계를 포함한다.
[0036] 일부 실시예들에서, 방법은 카트리지 프레임 내의 플라즈마 가스 채널을 스월 링과 노즐 간의 가스 통로와 반경 방향으로 정렬시키는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 방법은 카트리지 프레임 내의 쉴드 가스 채널을 노즐과 쉴드 간의 가스 통로와 반경 방향으로 정렬시키는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 방법은 카트리지 프레임 내의 중심 채널을 전극과 반경 방향으로 정렬시키는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 방법은 카트리지 프레임 내의 제1 냉매 채널 및 제2 냉매 채널을 노즐과 반경 방향으로 정렬시키는 단계, 및 카트리지 프레임 내의 제3 냉매 채널 및 제4 냉매 채널을 쉴드와 반경 방향으로 정렬시키는 단계를 더 포함한다.
[0037] 일부 실시예들에서, 방법은 아연을 사용하는 다이 캐스트를 통해 스월 링을 형성하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 방법은 비-전도성 재료를 사용하는 성형을 통해 카트리지 프레임을 형성하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 방법은 전도성 재료를 사용하는 스탬핑을 통해 쉴드를 형성하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 복수 개의 컴포넌트들을 축선 방향으로 그리고 반경 방향으로 고착시키는 것은 스냅 피트(snap fit), 프레스 피트(press fit) 또는 인터피어런스 피트(interference fit), 크림핑(crimping), 글루잉(gluing), 세멘팅(cementing) 또는 용접(welding) 중 하나 또는 그 초과를 통해 이루어진다.
[0038] 다른 양상에서, 플라즈마 아크 절단 토치용 액체-냉각식 소모품 카트리지를 조립하는 방법이 제공된다. 방법은 중심 구역, 외부 표면, 말단 단부 및 선단 단부를 갖는 절연체 카트리지 프레임을 제공하는 단계를 포함한다. 방법은 스월링 컴포넌트를 중심 구역에서 카트리지 프레임에 커플링시키는 단계, 전극을 중심 구역에서 카트리지 프레임에 커플링시키는 단계, 노즐을 중심 구역에서 카트리지 프레임에 커플링시키는 단계 및 쉴드를 외부 표면에서 카트리지 프레임에 커플링시키는 단계를 더 포함한다.
[0039] 일부 실시예들에서, 스월링 컴포넌트를 카트리지 프레임에 커플링시키는 단계는, 카트리지 프레임에 대한 스월링 컴포넌트의 축선 방향 또는 반경 방향 정렬 중 적어도 하나를 제공하는 카트리지 프레임의 내부 표면에 스월링 컴포넌트의 외부 표면과 짝을 이루는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 노즐을 카트리지 프레임에 커플링시키는 단계는, 카트리지 프레임에 대한 노즐의 축선 방향 또는 반경 방향 정렬 중 적어도 하나를 제공하는 카트리지 프레임의 내부 표면에 노즐의 외부 표면을 커플링시키는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 쉴드를 외부 표면에서 카트리지 프레임에 커플링시키는 단계는, 카트리지 프레임에 대한 쉴드의 축선 방향 또는 반경 방향 정렬 중 적어도 하나를 제공한다. 일부 실시예들에서, 방법은 스월링 컴포넌트 및 전극 절연체 중 적어도 하나를 통해 전극을 카트리지 프레임에 커플링시키는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 커플링시키는 단계는, 카트리지 프레임의 적어도 하나의 내부 유체 채널을, (i) 노즐의 유체 통로, 또는 (ii) 쉴드의 유체 통로와 정렬시킨다.
[0040] 일부 실시예들에서, 방법은 배플 및 제2 스월링 컴포넌트를 중심 구역에서 카트리지 프레임의 말단 단부에 배치하는 단계를 더 포함한다.
[0041] 액체-냉각식 플라즈마 아크 토치용 소모품 카트리지가 제공된다. 소모품 카트리지는 단부 표면을 갖는 선단 단부, 말단 단부 및 본체 ― 본체는 본체를 통해 연장하는 길이 방향 중심 축선을 가짐 ―를 포함하는 카트리지 프레임을 포함한다. 카트리지는 토치 헤드와 RFID(radio-frequency identification) 인터페이스를 형성하도록 구성된다. 소모품 카트리지는 또한 말단 단부에서 카트리지 프레임에 부착된 아크 이미터 및 아크 압축기 및 단부 면에 인접한 카트리지 프레임에 또는 그 위에 형성된 RFID 장착 피처를 포함한다. RFID 장착 피처는 본체의 길이 방향 중심 축선과 비-동심이다. 소모품 카트리지는, 카트리지가 토치 헤드에 연결될 때 카트리지에 대한 정보를 토치 헤드의 판독기 디바이스에 송신하기 위해 RFID 장착 피처에 또는 그 위에 배치되는 RFID 태그, 및 카트리지의 토치 헤드로의 연결 시에 RFID 태그를 토치 헤드의 판독기 디바이스에 회전식으로 정렬시키도록 구성되는 클로킹 피처를 더 포함한다.
[0042] 일부 실시예들에서, RFID 장착 피처는 카트리지 프레임의 본체에 배치되는 공동을 포함한다. RFID 태그는 카트리지 프레임의 본체의 공동에 매립되고 본체의 절연체 재료에 의해 둘러싸일 수 있다. 일부 실시예들에서, 단부 표면은 실질적으로 평탄하여, RFID 판독기가 플라즈마 아크 토치의 외측으로부터 RFID 태그에 질의하는 것을 허용한다. 일부 실시예들에서, RFID 태그는 플라즈마 아크 토치의 내측 또는 외측으로부터 판독가능하다.
[0043] 일부 실시예들에서, 카트리지 프레임의 본체는 절연체 재료로 구성된다. 일부 실시예들에서, 카트리지 프레임의 본체는, 적어도 하나의 채널을 포함하며, 이 채널을 통해 액체 냉매를 안내한다. 적어도 하나 채널은, 토치 헤드와 카트리지 간에 액체 냉매를 안내하기 위해 클로킹 피처에 의한 회전 정렬 시에 토치 헤드의 대응하는 채널과 실질적으로 정렬하도록 구성될 수 있다.
[0044] 일부 실시예들에서, 회전 정렬 시에, 카트리지 프레임의 RFID 태그 및 토치 헤드의 판독기 디바이스는, 중심 축선이 RFID 태그의 중심선 및 판독기 디바이스의 중심선을 통해 연장하도록 배향된다. 일부 실시예들에서, 회전 정렬 시에, RFID 태그와 판독기 디바이스 간의 제1 거리는 토치 헤드 또는 카트리지에 배치된 인접한 금속성 재료와 RFID 태그 간의 제2 거리보다 작다.
[0045] 일부 실시예들에서, 클로킹 피처는 토치 헤드로부터 연장하는 클로킹 핀을 수용하도록 구성된 공동을 포함한다.
[0046] 또 다른 양상에서, 액체-냉각식 플라즈마 아크 절단 토치용 소모품 카트리지가 제공된다. 소모품 카트리지는 카트리지의 제1 부분에 위치된 카트리지 팁을 포함한다. 카트리지 팁은 전극, 노즐 및 쉴드를 갖는다. 소모품 카트리지는 소모품 카트리지의 제2 부분에 플라즈마 가스 입구 개구, 제2 부분에 쉴드 가스 입구 개구, 제2 부분에 전극 냉매 입구 개구, 제2 부분에 노즐 냉매 입구 개구 및 노즐 냉매 출구 개구, 그리고 제2 부분에 쉴드 냉매 입구 개구 및 쉴드 냉매 출구 개구를 포함한다.
[0047] 일부 실시예들에서, 제2 부분은 카트리지의 선단 부분의 단부 면을 포함한다. 단부 면은 실질적으로 평탄할 수 있다.
[0048] 일부 실시예들에서, 플라즈마 가스 입구 개구, 쉴드 가스 입구 개구, 노즐 냉매 입구 개구, 노즐 냉매 출구 개구, 쉴드 냉매 입구 개구 및 쉴드 냉매 출구 개구는 카트리지의 길이 방향 중심 축선에 대해 비-동심이다.
[0049] 일부 실시예들에서, 플라즈마 가스 입구 개구는 플라즈마 가스 유동을 토치 헤드로부터 노즐로 지향시키기 위해 토치 헤드의 대응하는 개구와 정렬하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 쉴드 가스 입구 개구는 쉴드와 유체 연통한다. 쉴드 가스 입구 개구는 쉴드 가스 유동을 쉴드로 지향시키기 위해 토치 헤드의 대응하는 개구와 정렬하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 전극 냉매 입구 개구는 전극과의 전기 또는 유체 연통 중 적어도 하나를 유지한다. 전극 냉매 입구 개구는 액체 냉매 또는 전류 중 적어도 하나를 전극에 지향시키기 위해 토치 헤드의 대응하는 개구와 정렬하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 노즐 냉매 입구 개구 및 노즐 냉매 출구 개구는 노즐과 유체 연통한다. 노즐 냉매 입구 개구 및 노즐 냉매 출구 개구는 토치 헤드와 노즐 간에 액체 냉매를 지향시키기 위해 토치 헤드 상의 대응하는 개구들 중 개개의 개구들과 정렬하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 쉴드 냉매 입구 개구 및 쉴드 냉매 출구 개구는 쉴드와 유체 연통한다. 쉴드 냉매 입구 개구 및 쉴드 냉매 출구 개구는 토치 헤드와 쉴드 간에 액체 냉매를 지향시키기 위해 토치 헤드 상의 대응하는 개구들 중 개개의 개구들과 정렬하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 노즐 냉매 출구 개구는 쉴드 냉매 입구 개구에 유동적으로 연결된다.
[0050] 일부 실시예들에서, 소모품 카트리지는 제2 부분에 클로킹 핀 리셉터클을 추가로 포함한다. 클로킹 핀 리셉터클은 토치 헤드의 클로킹 핀을 수용하여 카트리지를 미리 정해진 배향으로 토치 헤드에 반경 방향으로 고착시키도록 구성된다.
[0051] 일부 실시예들에서, 소모품 카트리지는 절연체 본체를 갖는 카트리지 프레임을 추가로 포함한다. 카트리지 프레임은 카트리지 팁에 커플링된다. 플라즈마 가스 입구 개구, 쉴드 가스 입구 개구, 전극 냉매 입구 개구, 노즐 냉매 입구 개구, 노즐 냉매 출구 개구, 쉴드 냉매 입구 개구 및 쉴드 냉매 출구 개구는 절연체 본체의 선단 단부에 위치된다. 일부 실시예들에서, 소모품 카트리지는 카트리지 프레임의 절연체 본체에 배치된 비-동심 공동 및 공동에 배치된 RFID(radio-frequency identification) 태그를 추가로 포함한다.
[0052] 또 다른 양상에서, 액체-냉각식 플라즈마 아크 절단 토치용 소모품 카트리지가 제공된다. 소모품 카트리지는 카트리지의 제1 부분에 위치된 카트리지 팁을 포함한다. 카트리지 팁은 전극, 노즐 및 쉴드를 갖는다. 소모품 카트리지는 또한 카트리지의 제2 부분에 카트리지 프레임을 포함한다. 카트리지 프레임은 카트리지 팁에 연결된 말단 단부 및 선단 단부를 포함한다. 카트리지 프레임은 노즐로 플라즈마 가스 유동을 유입시키기 위해 노즐과의 유체 연통을 유지하도록 구성된 선단 단부에서의 플라즈마 가스 입구 개구, 쉴드로 쉴드 가스 유동을 유입시키기 위해 쉴드와의 유체 연통을 유지하도록 구성된 선단 단부에서의 쉴드 가스 입구 개구, 및 전극으로 냉매 유동 또는 전류 중 적어도 하나를 유입시키기 위해 전극과의 전기 또는 유체 연통 중 적어도 하나를 유지하도록 구성된 선단 단부에서의 전극 인터페이스를 포함한다. 카트리지 프레임은 카트리지 프레임과 노즐 간에 냉매 유동을 순환시키도록 구성된 선단 단부에서의 노즐 냉매 입구 개구 및 노즐 냉매 출구 개구, 그리고 카트리지 프레임과 쉴드 간에 냉매 유동을 순환시키도록 구성된 선단 단부에서의 쉴드 냉매 입구 개구 및 쉴드 냉매 출구 개구를 추가로 포함한다.
[0053] 다른 양상에서, 액체-냉각식 플라즈마 아크 토치용 토치 헤드가 제공된다. 토치 헤드는 토치 본체 및 실질적으로 비-전도성 절연체 본체를 갖는 토치 절연체를 포함한다. 토치 절연체는 토치 본체에 커플링된다. 토치 절연체는, (ⅰ) 절연체 본체 내에 배치되어, 제1 기존 유동 경로를 따라 토치 헤드로부터 소모품 카트리지로 유체 유동을 안내하도록 구성된 제1 액체 냉매 채널, (ⅱ) 절연체 본체 내에 배치되어, 제1 기존 유동 경로를 따라 카트리지로부터 토치 헤드로 유체 유동의 적어도 일 부분을 복귀시키도록 구성된 제1 액체 복귀 채널, 및 (iii) 절연체 본체 내에 배치되어, 제2 기존 유동 경로를 따라 토치 헤드로부터 카트리지로 제1 가스 유동을 안내하도록 구성된 가스 채널을 포함한다. 제1 기존 유동 경로 및 제2 기존 유동 경로는 서로 유동적으로 격리된다.
[0054] 일부 실시예들에서, 토치 헤드는 토치 절연체 및 카트리지를 통해 연장하는 제1 기존 유동 경로 및 제2 기존 유동 경로를 유지하기 위해 토치 헤드를 미리 정해진 배향으로 카트리지에 반경 방향으로 고착시키도록 구성된 정렬 피처를 추가로 포함한다. 제1 액체 냉매 채널은 토치 헤드가 정렬 피처를 통해 카트리지에 반경 방향으로 고착될 때 카트리지의 대응하는 제1 액체 냉매 채널과 실질적으로 정렬하도록 구성될 수 있다. 제1 액체 복귀 채널은 토치 헤드가 정렬 피처를 통해 카트리지에 반경 방향으로 고착될 때 카트리지의 대응하는 제1 액체 복귀 채널과 실질적으로 정렬하도록 구성될 수 있다. 제1 기존 유동 경로는 토치 헤드의 제1 액체 냉매 채널, 카트리지의 대응하는 제1 액체 냉매 채널, 카트리지의 대응하는 제1 액체 복귀 채널 및 토치 헤드의 제1 액체 복귀 채널을 포함할 수 있다.
[0055] 일부 실시예들에서, 토치 절연체는 절연체 본체에 매립된 가스 밸브를 추가로 포함하고, 가스 밸브는 가스 채널과 유체 연통하며, 가스 밸브는 가스 채널에 공급하기 위해 복수 개의 가스들 중 하나의 가스를 선택하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 토치 절연체는 절연체 본체 내에 배치되어, 제3 기존 유동 경로를 따라 제2 가스 유동을 토치 헤드로부터 카트리지로 안내하도록 구성된 제2 가스 채널을 추가로 포함한다. 제2 기존 유동 경로 및 제3 기존 유동 경로는 서로 유동적으로 격리된다. 일부 실시예들에서, 토치 절연체는 절연체 본체에 배치된 중심 채널을 추가로 포함하며, 중심 채널은, (i) 전류, 또는 (ii) 토치 헤드로부터 카트리지로의 유체 유동의 적어도 일 부분 중 적어도 하나를 제공하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 토치 절연체는 절연체 본체에 배치된 전기 채널을 추가로 포함하고, 전기 채널은 토치 헤드와 카트리지 간에 옴 접촉을 설정하는 옴 접촉 연결부를 수용하도록 구성된다.
[0056] 일부 실시예들에서, 토치 절연체는, (i) 절연체 본체의 말단 단부의 전류 링 ― 전류 링은 카트리지로부터의 파일럿 아크 전류를 수용하도록 구성됨 ―, 및 (ii) 카트리지로부터 토치 헤드로 파일럿 아크 전류를 통과시키기 위해 전류 링과 전기 통신하는 파일럿 아크 연결부를 수용하도록 구성된 파일럿 아크 채널을 추가로 포함한다.
[0057] 일부 실시예들에서, 토치 절연체는, (ⅰ) 절연체 본체 내에 배치되어, 제1 기존 유동 경로를 따라 유체 유동의 적어도 일 부분을 토치 헤드로부터 카트리지로 안내하도록 구성된 제2 액체 냉매 채널, (ii) 절연체 본체 내에 배치되어, 제1 기존 유동 경로를 따라 유체 유동의 적어도 일 부분을 카트리지로부터 토치 헤드로 복귀시키도록 구성된 제2 액체 복귀 채널, 및 (iii) 절연체 본체 내에 배치되어, 제1 액체 복귀 채널을 제2 액체 냉매 채널과 연결하는 분배 채널을 추가로 포함한다. 제1 기존 유동 경로는 제1 액체 냉매 채널, 제1 액체 복귀 채널, 분배 채널, 제2 액체 냉매 채널 및 제2 액체 복귀 채널을 포함하는 절연체 본체 내의 채널들의 순서를 통해 유동할 수 있다.
[0058] 일부 실시예들에서, 제1 액체 냉매 채널, 제1 액체 복귀 채널 및 가스 채널은 절연체 본체를 통해 연장하는 길이 방향 축선에 대해 비-동심이다.
[0059] 다른 양상에서, 액체-냉각식 플라즈마 아크 토치용 토치 헤드가 제공된다. 토치 헤드는, (i) 절연체 본체를 갖는 토치 절연체, (ii) 절연체 본체 내에 배치되어, 제1 유체 유동을 토치 헤드로부터 카트리지 내로 안내하도록 각각 구성된 제1 냉각 채널 및 제3 냉각 채널, (iii) 절연체 본체 내에 배치되어, 카트리지로부터 토치 헤드로 제1 유체 유동의 적어도 일 부분을 복귀시키도록 각각 구성된 제2 냉각 채널 및 제4 냉각 채널, 및 (iv) 절연체 본체 내에 배치되어, 제2 냉각 채널과 제3 냉각 채널을 연결하는 제1 분배 채널을 포함한다. 제1 분배 채널은 제1 유체 유동을 제2 채널로부터 제3 채널로 지향시키도록 구성된다.
[0060] 일부 실시예들에서, 제1 분배 채널은 제2 냉각 채널과 제3 냉각 채널을 연결하도록 둘레 방향으로 배향된다. 일부 실시예들에서, 제1 냉각 채널, 제2 냉각 채널, 제3 냉각 채널 및 제4 냉각 채널은 절연체 본체를 통해 연장하는 길이 방향 축선을 중심으로 비-동심이다. 일부 실시예들에서, 제1 냉각 채널, 제2 냉각 채널, 제3 냉각 채널 및 제4 냉각 채널 각각은 절연체 본체를 통해 연장하는 길이 방향 중심 축선에 대해 비대칭이다.
[0061] 또 다른 양상에서, 액체-냉각식 플라즈마 아크 토치용 토치 헤드가 제공된다. 토치 헤드는, (i) 선단 단부 및 말단 단부를 포함하는 절연체 본체를 갖는 토치 절연체, (ii) 절연체 본체의 선단 단부로부터 말단 단부까지 실질적으로 연장하는 복수 개의 가스 및 액체 채널들, (iii) 절연체 본체 내의 공동, 및 (iv) 회로판 및 (RFID: radio-frequency identification) 안테나 코일을 포함하는 통신 디바이스를 포함한다. RFID 안테나 코일은 회로판에 전기적으로 연결되고 통신 디바이스의 말단 단부에 인접하게 포지셔닝된다. 통신 디바이스는 RFID 안테나 코일이 절연체 본체의 말단 단부에 포지셔닝되도록 공동 내에 위치된다.
[0062] 일부 실시예들에서, 통신 디바이스는 액체가 내부에 진입하는 것을 방지하기 위한 밀봉된 하우징을 추가로 포함한다. 일부 실시예들에서, 통신 디바이스의 회로판은 안테나 코일에 전력을 공급하고 안테나 코일에 의해 수신된 RFID 신호를 판독하도록 구성된다. 안테나 코일은 통신 디바이스의 말단 단부의 단부 면에 포지셔닝될 수 있다. 일부 실시예들에서, 통신 디바이스는 통신 디바이스의 선단 단부에 커넥터를 추가로 포함한다.
[0063] 일부 실시예들에서, 복수 개의 가스 및 액체 채널들 및 공동은 절연체 본체의 길이 방향 중심 축선에 대해 비-동심이다.
[0064] 추가 이점들과 함께, 상기 설명된 본 발명의 이점들은 첨부 도면들과 함께 취해진 다음의 설명을 참조함으로써 더 잘 이해될 수 있다. 도면들은 반드시 실척대로가 아니며, 일반적으로 본 발명의 원리들을 예시할 때 대신에 강조가 이루어진다.
[0065] 도 1a 및 도 1b는, 본 발명의 예시적 실시예에 따라, 일반적으로 토치 헤드 및 카트리지를 포함하는 액체-냉각식 플라즈마 아크 토치(10)의 각각 분해도 및 조립도이다.
[0066] 도 2는, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 도 1b의 조립된 플라즈마 아크 토치의 횡단면도이다.
[0067] 도 3은, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 도 1의 토치 헤드의 선단 단부의 도면이다.
[0068] 도 4는, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 도 1의 토치 헤드의 말단 단부의 도면이다.
[0069] 도 5는, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 도 1의 토치 헤드의 캐소드의 예시적 설계이다.
[0070] 도 6은, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 도 1의 토치 헤드의 냉매 튜브의 예시적 설계이다.
[0071] 도 7은, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 플라즈마 아크 토치의 카트리지와 토치 헤드 간의 예시적 파일럿 아크 전류 유동 경로를 예시하도록 배향된, 도 2의 플라즈마 아크 토치의 단면도이다.
[0072] 도 8은, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 예시적 옴 접촉 경로를 예시하도록 배향된, 도 2의 플라즈마 아크 토치의 단면도이다.
[0073] 도 9는, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 도 1의 토치 헤드의 전류 링의 예시적 설계이다.
[0074] 도 10은, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 토치 헤드(102)의 통신 디바이스의 예시적 설계이다.
[0075] 도 11a 및 도 11b는, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 토치 헤드로부터 플라즈마 아크 토치의 카트리지로의 예시적 쉴드 가스 유동 경로를 예시하도록 배향된, 도 2의 플라즈마 아크 토치의 단면도들이다.
[0076] 도 12a 내지 도 12c는, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 토치 헤드로부터 플라즈마 아크 토치의 카트리지로의 예시적 플라즈마 가스 유동 경로를 예시하도록 배향된, 도 2의 플라즈마 아크 토치의 단면도들이다.
[0077] 도 13a 및 도 13b는, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 플라즈마 아크 토치의 카트리지와 토치 헤드 간에 순환하는 예시적 액체 냉매 유동 경로를 예시하도록 배향된, 도 2의 플라즈마 아크 토치의 단면도들이다.
[0078] 도 14a 및 도 14b는, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 각각, 토치 헤드의 캐소드 블록의 예시적 프로파일 및 선단 도면들이다.
[0079] 도 15는, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 도 1의 카트리지의 카트리지 프레임의 선단 단부의 도면이다.
[0080] 도 16은, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 도 1의 리테이닝 캡(120)의 예시적 설계의 단면도이다.
[0081] 도 17은, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 도 1의 카트리지의 단면도이다.
[0082] 도 18은, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 도 17의 카트리지의 카트리지 프레임의 예시적 설계이다.
[0083] 도 19는, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 도 17의 카트리지의 전극의 예시적 설계이다.
[0084] 도 20은, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 도 17의 카트리지의 카트리지 프레임에 어태치된 쉴드 스월 링 및 배플의 횡단면도이다.
[0085] 도 21은, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 도 17의 카트리지의 쉴드 스월 링의 횡단면도이다.
[0086] 도 22는, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 도 17의 카트리지의 카트리지 프레임의 사시도이고, 다양한 채널 개구들을 예시한다.
[0087] 도 23은, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 도 17의 카트리지의 스월 링의 예시적 설계이다.
[0088] 도 24a 및 도 24b는, 각각, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 도 17의 카트리지의 노즐 재킷 및 비통기식 노즐의 외형도들이다.
[0089] 도 25는, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 도 17의 카트리지의 쉴드의 횡단면도이다.
[0090] 도 26은, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 도 1의 플라즈마 아크 토치의 토치 헤드와 양립 가능한 예시적 통기식 카트리지이다.
[0091] 도 27a 및 도 27b는, 각각, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 도 26의 카트리지의 통기식 노즐 및 노즐 라이너의 외형도들이다.
[0092] 도 28은, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 도 1의 토치 헤드와 양립 가능한 카트리지를 형성하도록 적절하게 구성될 수 있는 다른 예시적 카트리지 프레임이다.
[0093] 도 29는, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 비평탄 선단 단부를 포함하는 예시적 통기식 카트리지이다.
[0094] 도 30은, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 도 17의 카트리지의 분해도이다.
[0095] 도 31은, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 도 2의 플라즈마 아크 토치의 일 부분이고, 신호 디바이스 및 통신 디바이스의 예시적 위치들을 예시한다.
[0096] 본 발명은, 토치 헤드 및 소모품 카트리지를 포함하는 액체-냉각식 플라즈마 아크 토치를 제공한다. 일부 실시예들에서, 소모품 카트리지는, 카트리지의 컴포넌트들이 개별적으로 서비스 가능하거나 일회용이 아닌 일체형 컴포넌트이다. 따라서, 소모품 카트리지의 하나의 컴포넌트가 교체될 필요가 있다면, 전체 카트리지가 교체된다. 일부 실시예들에서, 소모품 카트리지는 "단일 사용(single use)" 카트리지이고, 이 카트리지는, 전통적인 토치 설계들에서와 같이, 개별적인 소모품들을 보수하고 교체하기 보다는, 카트리지의 컴포넌트들 중 임의의 컴포넌트가 그 서비스 수명의 종료에 도달한 이후 오퍼레이터에 의해 교체된다. 일부 실시예들에서, 카트리지는, 다수의 아크들을 수반할 수 있는 단일 세션 이후 교체된다. 일부 실시예들에서, 카트리지는 단일 아크 이벤트 이후 교체된다.
[0097] 도 1a 및 도 1b는, 각각, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 토치 헤드(102) 및 카트리지(104)를 일반적으로 포함하는 액체-냉각식 플라즈마 아크 토치(10)의 분해도 및 조립도이다. 복수 개의 소모품 토치 컴포넌트들을 포함하는 카트리지(104)는, 플라즈마 아크 토치(10)의 길이 방향 중심 축선(A)을 따라 선단 단부(구역)(14) 및 말단 단부(구역)(16)를 갖는다. 토치 헤드(102)는, 길이 방향 축선(A)을 따라, 토치 본체(18), 선단 단부(구역)(20) 및 말단 단부(구역)(22)를 포함한다. 토치 본체(18)는 전기 전도성 재료, 이를테면 황동으로 만들어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 카트리지(104)의 선단 단부(14)는 토치 헤드(102)의 말단 단부(22)와 정렬되고, 리테이닝 캡(120)에 의해 말단 단부(22)에 고착된다. 일부 실시예들에서, 카트리지(104)의 선단 단부(14)는, 토치(102)의 말단 단부(22)와 짝을 이루어 맞물림되거나, 그에 연결된다. 예컨대, 선단 단부(14)와 말단 단부(22)는, 적어도 7개의 별개의 짝을 이루는 조인트들/정션들/연결 지점들을 통해 연결될 수 있다. 스레딩(threading), 인터피어런스 피트(interference fit), 스냅 피트(snap fit), 퀵 로크(quicklock), 등을 포함하는, 토치 헤드(102)와 카트리지(104) 간의 다른 맞물림 수단이 가능하다. 이하에서, 토치(10)가 워크피스(workpiece)를 프로세싱하는 데에 사용될 때 워크피스로부터 멀리 있는, 컴포넌트의 선단 단부는 길이 방향 축선(A)을 따라 컴포넌트의 구역을 규정하고, 토치(10)가 워크피스를 프로세싱하는 데에 사용될 때 워크피스에 근접하고 선단 단부의 반대쪽에 있는, 컴포넌트의 말단 단부는 컴포넌트의 구역을 규정한다.
[0098] 도 2는, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 도 1b의 조립된 플라즈마 아크 토치(10)의 횡단면도이다. 도시된 바와 같이, 도 1의 인터페이스(106)는, 카트리지(104)와 토치 헤드(102)가 서로 맞물림된 이후 이들 간의 경계를 규정한다. 실질적으로 일체형 엘리먼트인 카트리지(104)는, 전극(108)(즉, 아크 이미터), 노즐(110)(즉, 아크 압축기), 및 길이 방향 중심 축선(A)을 중심으로 동심으로 배치되는 쉴드(114)를 포함하는 카트리지 팁을 포함한다. 카트리지 팁의 컴포넌트들은 카트리지(104)의 카트리지 프레임(112)에 연결될 수 있다. 일부 실시예들에서, 카트리지(104)는 또한, 길이 방향 축선(A)을 중심으로 배치되는 스월 링(150)을 포함한다. 카트리지(104)에 관한 상세들은 도 15 및 도 17 내지 도 25를 참조하여 아래에서 설명된다. 토치 헤드(102)는, 길이 방향 축선(A)을 중심으로 토치 본체(18)에 배치되는 토치 절연체(118)를 포함한다. 토치 헤드(102)에 관한 상세들은 도 2 내지 도 14b를 참조하여 아래에서 설명된다.
토치 헤드
[0099] 도 2에 도시된 바와 같이, 토치 헤드(102)의 토치 절연체(118)는 실질적으로 토치 본체(18)에 배치되고 길이 방향 중심 축선(A)을 중심으로 토치 본체(18)에 의해 둘러싸인다. 토치 본체(18)는 전기 전도성 재료, 이를테면 황동으로 만들어질 수 있다. 선단 단부(21) 및 말단 단부(23)를 포함하는 토치 절연체(118)는, 전기 절연 재료, 이를테면, 플라스틱으로 만들어질 수 있다. 토치 절연체(118)는, 그의 선단 단부(21)에서, 캐소드(130), 통신 디바이스(122), 파일럿 아크 연결부(124), 및 옴 연결부(131) 중 하나 또는 그 초과에 커플링되면서, 이러한 컴포넌트들을 서로로부터 그리고 토치 본체(18)로부터 전기 절연할 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드(130), 통신 디바이스(122), 파일럿 아크 연결부(124), 또는 옴 연결부(131) 중 적어도 하나는, 이들이 토치 절연체(118)로부터 용이하게 또는 신속히 연결해제될 수 없도록, 토치 절연체(118)에 고정된다(예컨대, 토치 절연체(118)에 스레딩되거나 매립된다). 게다가, 토치 절연체(118)는, 가스 소스(도시되지 않음)로의 커플링 및 가스를 토치(10)에 도입하기 위한 적어도 하나의 가스 개구(126a)를 포함할 수 있다. 토치 절연체(118)는, 액체 냉매 소스(도시되지 않음)로의 커플링 및 냉매를 토치(10)에 도입하기 위한 적어도 하나의 냉매 개구(128a)를 추가로 포함할 수 있다. 도 3은, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 토치 헤드(102)의 선단 단부(20)의 도면이고, 토치 절연체(118)의 선단 단부(21)에 있는 다양한 전기, 가스, 및 액체 개구들을 도시한다. 도 4는, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 토치 헤드(102)의 말단 단부(22)의 도면이고, 토치 절연체(118)의 말단 단부(23)에 있는 다양한 전기, 가스, 및 액체 개구들을 도시한다.
a. 파일럿 아크 및 전달된 아크 연결부
[00100] 일 양상에서, 토치 절연체(118)는, 토치 헤드(102)와 카트리지(104) 간의 파일럿 아크 전류 및/또는 전달된 아크 전류를 유지하는 데에 사용되는 복수 개의 컴포넌트들을 상호연결할 수 있다. 예컨대, 토치 절연체(118)는, 토치 헤드(102)와 카트리지(104) 간의 파일럿 아크 전류 및 전달된 아크 전류 전도 둘 모두를 지원하는 구성으로, 캐소드(cathode)(130), 냉매 튜브(coolant tube)(116), 파일럿 아크 연결부(pilot arc connection)(124), 및 전류 링(current ring)(800)을 연결하도록 적응된다.
[00101] 일부 실시예들에서, 토치 절연체(118)는, 토치 절연체(118)의 선단 단부(21)에 있는 개구(132a)(도 3에 도시됨)로부터, 토치 절연체(118)의 말단 단부(23)에 있는 개구(132b)(도 4에 도시됨)로 연장되는 메인 채널 (132)(도 2에 도시됨)을 포함한다. 메인 채널(132)은, 메인 채널(132)이 길이 방향 중심 축선(A)에 대해 동심이도록, 토치 절연체(118) 내에서 중심에 위치될 수 있다. 메인 채널(132)은, 개구들(132a 및 132b)에 연결되도록, 절연체(118) 내에서 실질적으로 직선으로 연장될 수 있다. 메인 채널(132)은 캐소드(130)의 적어도 일 부분을 수납하도록 구성될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 캐소드(130)는 메인 채널(132) 내에서 토치 절연체(118)의 길이를 따라 연장될 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드 블록 로킹 컴포넌트(250)는, 캐소드(130)를 토치 절연체(118)의 내측의 메인 채널(132)에 고착시키는 데에 사용된다.
[00102] 도 5는, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 토치 헤드(102)의 캐소드(130)의 예시적 설계이다. 캐소드(130)는, 캐소드 튜브(604)에 커플링된 말단 단부를 갖는 캐소드 피팅(cathode fitting)(602)을 포함하고, 캐소드 튜브(604)는, 캐소드 블록(606)에 커플링된 말단 단부를 갖는다. 캐소드 피팅(602), 캐소드 튜브(604), 및 캐소드 블록(606) 각각은, 전도성 재료, 이를테면, 황동 또는 구리로 만들어질 수 있다. 하나의 예시적 설계에서, 캐소드 피팅(602) 및 캐소드 블록(606)은 황동으로 만들어지는 반면, 캐소드 튜브(604)는 구리로 만들어진다.
[00103] 도 2에 도시된 바와 같이, 캐소드 블록(606)의 말단 단부는, 토치 절연체(118)의 메인 채널(132) 내의 냉매 튜브(116)에 전기적으로 그리고/또는 물리적으로 커플링될 수 있다. 일부 실시예들에서, 냉매 튜브(116)는, 냉매 튜브(116)의 외부 표면과 캐소드 블록(606)의 내부 표면 간에 인터페이스를 형성하기 위한 o-링(133)을 수납하는 o-링 그루브를 규정한다. 따라서, 냉매 튜브(116)의 적어도 선단 부분은 캐소드 블록(606)의 말단 단부 내에 삽입된다. 일반적으로, 동작 동안, 일단 토치 헤드(102)가 카트리지(104)에 커플링되면, 냉매 튜브(116)는 냉각 유체를 카트리지(104)에 분배한다. 일부 실시예들에서, 냉매 튜브(116)는 부가적으로 전류를 캐소드(130)로부터 카트리지(104)로, 이를테면 카트리지(104)의 전극(108)으로 통과시키도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 비-전도성 재료로 만들어질 수 있는 캐소드 블록 전극 튜브(252)(도 2에 도시됨)는, 그 선단 단부에서 캐소드 블록(606)과 그리고 그 말단 단부에서 전극(108)과 연결되도록(예컨대, 그 내부로 스레딩되거나 인터피어런스 피트에 의해 밀봉되도록) 구성될 수 있다. 캐소드(130), 캐소드 블록 전극 튜브(252), 및 전극(108)을 포함하는 결과적인 하우징은, 냉매 유동을 내부에 포함하기 위해 냉매 튜브(116)를 실질적으로 감싼다.
[00104] 도 6은 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 토치 헤드(102)의 냉매 튜브(116)의 예시적 설계이다. 냉매 튜브(116)는 전도성 재료, 이를테면 황동으로 제조될 수 있다. 일부 실시예들에서, 냉매 튜브(116)는 냉매 튜브(116)가 용이하게 또는 신속히 연결해제될 수 없도록 캐소드 블록(606)의 말단 단부에 (예컨대, 스레딩에 의해) 부착된다. 일부 다른 실시예들에서, 냉매 튜브(116)는 냉매 튜브(116)가 용이하게 또는 신속히 연결해제될 수 있도록 캐소드 블록(606)의 말단 단부에 (예컨대, 인터피어런스 피트에 의해) 부착된다. 냉매 튜브(116)는 캐소드 블록(606)과 짝을 이루도록 구성된 단부인 선단 단부(740)에서 외부 표면 주위에 전기 커넥터, 이를테면 LouvertacTM 밴드(702)를 가질 수 있다. 루버택 밴드(702)는, 냉매 튜브(116)의 선단 단부(740)가 캐소드 블록(606)의 말단 단부 내에 삽입되고 그 말단 단부에 부착되면, 캐소드 블록(606)의 내부 표면으로부터 냉매 튜브(116)의 외부 표면으로 운반되는 절단 전류를 안내하도록 구성된다. 대안적으로, 냉매 튜브(116)는, 루버택 밴드(702) 없이, 스레드들 또는 다른 전류-운반 방법들을 통해 캐소드(130)에 고정식으로 고착될(fixedly secured) 수 있다. 일부 실시예들에서, 냉매 튜브(116)는, 토치 헤드(102)가 카트리지(104)에 고착되면 전극(108)의 내부 표면과 짝을 이루도록 구성된 단부인 냉매 튜브(116)의 말단 단부(742)에서 외부 표면 주위에 전기 커넥터, 이를테면 LouvertacTM 밴드(704)를 갖는다. 일부 실시예들에서, 냉매 튜브(116)는 냉매 튜브(116)와 전극(108) 간의 냉매 유동의 압력 강하를 제한하기 위해, 말단 단부(742)의 루버택 밴드(704) 아래의 냉매 튜브(116)의 외부 표면 상에 하나 또는 그 초과의 길이 방향 채널들(744)을 포함한다. 전류를 안내하는 것 외에도, 냉매 튜브(116)는 전극(108)에 냉매 유동을 안내하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 냉매 튜브(116)는, 각각, 냉매 유동이 냉매 튜브(116)에 진입하는 것 및 냉매 튜브(116)에서 나가는 것을 가능하게 하기 위해, 냉매 튜브(116)의 선단 단부(740)에 개구(745)를 갖고, 냉매 튜브(116)의 말단 단부(742)에 개구(746)를 갖는다. 일부 실시예들에서, 말단 단부(742) 또는 선단 단부(740) 중 하나, 또는 양 단부들에서의 LouvertacTM 밴드(702 또는 704)의 사용은 냉매 튜브(116)가 토치 헤드(102)에 미끄러짐 가능하게 커플링되게 허용하고, 마찬가지로, 카트리지(104)가 냉매 튜브(116)에 미끄러짐 가능하게 커플링되게 허용한다. 이 피처는 상세히 아래에서 설명된다.
[00105] 일부 실시예들에서, 토치 절연체(118)는 (도 3에 도시된) 토치 절연체(118)의 선단 단부(21)에 개구(148a)를 갖는 (도 2에 도시된) 공동(148)을 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 공동(148)은 파일럿 아크 연결부(124)를 하우징하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 공동(148)은 길이 방향 축선(A)을 따라 토치 절연체(118) 내로 부분적으로 연장한다.
[00106] 일부 실시예들에서, 전기 전도성 재료(예컨대, 황동)로 제조된 전류 링(800)이 토치 절연체(118)의 말단 단부(23)에 위치된다. 도 9는 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 토치 헤드(102) 내의 토치 절연체(118)의 전류 링(800)의 예시적 설계이다. 도시된 바와 같이, 전류 링(800)은 링 부분(800a) 및 돌출 부분(800b)을 갖는다. 링 부분(800a)은 얇은 말단 림(802)을 갖고, 돌출 부분(800b)은 말단 표면(805)을 갖는다. 전류 링(800)의 링 부분(800a)은 토치 절연체(118) 내의 캐소드(130) 및 냉매 튜브(116)에 대해 동심으로 위치될 수 있는 한편, 전류 링(800)의 돌출 부분(800b)은 돌출 부분(800b)이 공동(148)에 수납된 파일럿 아크 연결부(124)의 선단 단부와 전기적으로 및/또는 물리적으로 접촉하도록 배향될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전류 링(800)은, 전류 링(800)과 캐소드(130) 간에 또는 전류 링(800)과 냉매 튜브(116) 간에 전류가 실질적으로 전혀 통과되지 않도록, (도 2에 도시된) 캐소드 절연체(804)에 의해 냉매 튜브(116) 및 캐소드(130)로부터 전기 절연된다. 일부 실시예들에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 전류 링(800)의 적어도 하나의 표면은, 카트리지(104)가 토치 헤드(102)에 어태치되면 카트리지(104)의 컴포넌트가 전류 링(800)과 물리적으로 접촉할 수 있도록, 메인 전기 채널 개구(132b)를 통해 토치 절연체(118)의 말단 단부(23)로부터 노출된다. 예컨대, 링 부분(800a)의 얇은 말단 림(802) 및 전류 링(800)의 돌출 부분(800b)의 말단 표면(805) 둘 다는 개구(132b)로부터 노출될 수 있다.
[00107] 도 7은 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 플라즈마 아크 토치(10)의 카트리지(104)와 토치 헤드(102) 간의 예시적 파일럿 아크 전류 유동 경로(752)를 예시하기 위해 배향된 도 2의 플라즈마 아크 토치(10)의 단면도이다. 파일럿 아크를 시작하기 위해, 고-주파수, 고-전압(HFHV) 신호와 연관된 파일럿 아크 전류(752)는 파워 서플라이(도시되지 않음)로부터 플라즈마 아크 토치(10)까지의 파워 라인에 커플링된다. 파일럿 아크 전류 유동(752)은 캐소드 피팅(602)을 통해 파워 서플라이로부터 캐소드(130)로 통과될 수 있다. 이어서, 캐소드 피팅(602)에 연결된 캐소드 튜브(604)는 파일럿 아크 전류(752)를 캐소드 블록(606)으로 통과시키고, 캐소드 블록(606)은 냉매 튜브(116)의 선단 단부(740)의 루버택 밴드(702)를 통해 냉매 튜브(116)에 전류를 전달한다. 파일럿 아크 전류(752)는 냉매 튜브(116)를 통해 멀리 유동하고, 냉매 튜브(116)의 말단 단부(742)의 루버택 밴드(704)를 통해 전극(108)의 내부 표면으로 전달되며, 그에 의해, 전극(108)의 내부 표면을 에너자이징한다. 대안의 실시예들에서, 파일럿 아크 전류는, 냉매 튜브(116)를 사용하지 않고, 이를테면, 캐소드(130)와 전극(108) 간의 물리 연결부를 통해, 캐소드(130)로부터 전극(108)으로 통과된다. 전극(108)에 있게 되면, 파일럿 아크 전류 경로(752)는 전극(108)과 노즐(110) 간의 갭에서 유동하는 플라즈마 가스에서 스파크 방전을 유발시키고, 그에 의해, 갭에서 파일럿 아크를 생성한다. 파일럿 아크 회로를 완성하기 위해, 파일럿 아크 전류 경로(752)는 노즐(110)로부터 (전도성 재료로 제조될 수 있는) 스월 링(150)으로 그리고 토치 헤드(102) 내의 전류 링(800)으로 가깝게 유동함으로써, 토치 헤드(102)로 복귀할 수 있다. 도시된 바와 같이, 스월 링(150)의 말단 단부는 인터페이스(758)에서 노즐(110)과 물리적으로 접촉한다. 스월 링(150)의 선단 단부는 루버택 전기 커넥터(756)를 통해 전류 링(800)의 링 부분(800a)의 적어도 말단 림(802)과 물리적으로 접촉한다. 따라서, 스월 링(150)은 카트리지(104)의 노즐(110)로부터 토치 헤드(102)로 파일럿 아크 전류(752)를 복귀시키도록 구성된다. 전류 링(800)의 링 부분(800a)은 파일럿 아크 전류(752)를 전류 링(800)의 돌출 부분(800b)으로 전달할 수 있고, 돌출 부분(800b)은 파일럿 아크 전류를 파워 서플라이로 복귀시키기 위해 파일럿 아크 전류 유동(752)을 공동(148) 내의 파일럿 아크 전류 연결부(124)로 통과시킨다.
[00108] 전극(108)과 노즐(110) 간의 갭 내의 가스 유동은 전극(108)과 워크피스(도시되지 않음) 간의 전기 저항이 작게 되도록 파일럿 아크에 의해 이온화된다. 파일럿 아크를 개시하기 위해 사용되는 전압보다 더 높은 전압이, 갭이 이온화된 후에 워크피스에 전달할 아크를 유발시키기 위해, 전극(108)과 워크피스 양단에 인가될 수 있다. 전극(108)과 워크피스 간의 이 아크는 전달된 아크이다. 전달된 아크를 유지하기 위해, 파워 서플라이로부터 더 높은 전압을 공급하는 전달된 아크 전류는, 말단 파일럿 아크 전류 유동(752)과 실질적으로 유사한 방식으로, 루버택 밴드들(702, 704) 및 냉매 튜브(116)를 통해 캐소드(130)로부터 전극(108)으로 통과된다. 전달된 아크 회로를 완성하기 위해, 전달된 아크 전류는 별개의 와이어링들(도시되지 않음)을 통해 워크피스로부터 파워 서플라이로 복귀된다.
b. 통신 디바이스(RFID 판독기)
[00109] 다른 양상에서, 토치 절연체(118)는 토치 헤드(102)와 카트리지(104) 간의 무선 통신을 지원하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 토치 절연체(118)는 (도 3에 도시된) 토치 절연체(118)의 선단 단부(21)에 개구(144a)를 갖는 (도 2에 도시된) 공동(144)을 포함한다. 공동(144)은 토치 절연체(118) 내에 통신 디바이스(122)를 리테이닝하도록 구성될 수 있다. 통신 디바이스(122)는 개구(144a)를 통해 공동(144)으로부터 제거가능하다. 일부 실시예들에서, 공동(144)은 토치 절연체(118)의 말단 단부(23) 상에 대응하는 개구가 없도록 길이 방향 중심 축선(A)을 따라 토치 절연체(118) 내로 부분적으로 연장한다.
[00110] 도 10은 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 토치 헤드(102)의 통신 디바이스(122)의 예시적 설계이다. 통신 디바이스(122)는 (도 2에 도시된) 카트리지(104)에 위치된 인근 신호 디바이스(160)(예컨대, RFID 태그)로부터 무선으로 송신된 RFID 신호들을 수신하도록 적응된 RFID(radio-frequency identification) 판독기를 포함할 수 있다. 통신 디바이스(122)는 카트리지(104)(및/또는 다른 토치 정보)에 관하여 신호 디바이스(160)에 의해 송신된 관련된 데이터를 추출하기 위해 이들 신호들을 프로세싱하고, 분석을 위해 데이터를 프로세서(도시되지 않음)에 포워딩하도록 적응된다. 일반적으로, 통신 디바이스(122)는 신호 디바이스(160)와 통신 디바이스(122) 간의 무선 통신을 교란하는 아크 발화 및 플라즈마 아크의 가능성을 최소화하기 위해, 플라즈마 아크 토치(10), 이를테면 토치 절연체(118) 내의 위치에 배치될 수 있다. 통신 디바이스(122)는 통신 디바이스(122)의 선단 단부의 커넥터(806), 통신 디바이스(122)의 말단 단부의 안테나 어셈블리(808), 및 커넥터(806)와 안테나 어셈블리(808) 간의 프로세싱 어셈블리(810)를 포함할 수 있다.
[00111] 안테나 어셈블리(808)는, 신호 디바이스(160)에 질의하고 그리고/또는 질의에 대한 응답으로 신호 디바이스(160)로부터 RF 신호들을 수신하기 위해, 신호 디바이스(160)에 RF 신호들을 무선으로 송신하도록 구성된 안테나 코일(814)을 포함할 수 있다. 이 안테나 코일(814)은, 통신 디바이스(122)가 공동(144) 내에 삽입될 때, 안테나 코일(814)이 토치 절연체(118)의 말단 단부(23)에 매립되도록, 안테나 어셈블리(808)의 말단 단부(즉, 통신 디바이스(122)의 말단 단부)에 위치될 수 있다. 그러한 배치는 카트리지(104) 내의 신호 디바이스(160)와 안테나 코일(814) 간의 무선 통신 거리를 최소화하고, 이들 간의 통신 간섭을 감소시킨다. 일부 실시예들에서, 안테나 코일(814)은 통신 디바이스의 말단 단부의 단부 면에 포지셔닝된다. 예컨대, 안테나 코일(814)은 안테나 어셈블리(808)의 말단 단부에서 포스트(812) 주위에 권선될 수 있다. 어셈블리(808)는 또한, 안테나 코일(814)에 연결된 하나 또는 그 초과의 와이어들을 프로세싱 어셈블리(810)에 피드하도록 구성된 플라스틱 원통형 하우징을 포함할 수 있다. 프로세싱 어셈블리(810)는 내부에 배치된 하나 또는 그 초과의 하드웨어 컴포넌트들(예컨대, PCB(printed circuit board))을 갖는 플라스틱 원통형 하우징을 포함할 수 있다. 안테나 어셈블리(808)의 안테나 코일(814)로부터의 와이어들에 연결된 PCB는, (i) 안테나 어셈블리(808)를 포함하는 통신 디바이스(122)에 전력을 공급하고, (ii) 신호 디바이스(160)에 전력을 공급하고, 그리고/또는 (iii) 신호 디바이스(160)로부터의 데이터를 프로세싱하기 위해, 통신 프로토콜(예컨대, RFID 프로토콜, 이를테면 ISO/IEC 15693)을 사용하여 안테나 코일(814)을 통해 신호 디바이스(160)와 무선으로 통신하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, PCB는, 통신 디바이스(122), 신호 디바이스(160), 및 관련된 컴포넌트들을 포함하는, 토치(10) 상에 탑재된 전체 토치 통신 회로에 전력을 공급할 수 있다. 프로세싱 어셈블리(810)의 PCB와 전기적으로 통신하는 커넥터(806)는 프로세싱 어셈블리(810)에 의해 프로세싱된 데이터를 토치(10) 외부에 있는 컴퓨팅 디바이스(예컨대, 중앙 프로세싱 유닛 등)로 송신하도록 구성된다. 예컨대, 커넥터(806)는, 프로세싱 어셈블리(810)의 PCB와 협동하여, 무선 또는 유선 연결을 사용하여, 신호 디바이스(160)로부터 획득된 정보를 외부 컴퓨팅 디바이스로 이송할 수 있다.
[00112] 일부 실시예들에서, 통신 디바이스(122)와 신호 디바이스(160) 간의 무선 통신을 가능하게 하는 회로는 아날로그인 한편, 통신 디바이스(122)와 외부 컴퓨팅 디바이스 간의 (유선 또는 무선) 통신을 가능하게 하는 회로는 디지털이다. 이 구성에서, 토치(10)에 PCB를 포함하는 통신 디바이스(122)를 배치하는 것은 통신 디바이스(122)와 신호 디바이스(160) 간의 통신 거리를 감소시키고, 그에 따라, 대응하는 아날로그 회로에서 잡음 유입(noise pickup)을 감소시킨다. 그러나, 토치(10)에 통신 디바이스(122)를 배치하는 것은 통신 디바이스(122)와 원격 컴퓨팅 디바이스 간의 통신 거리를 늘릴 수 있고, 그에 따라, 대응하는 디지털 회로에서 잡음 유입을 증가시킬 수 있지만, 디지털 회로는 아날로그 회로보다 잡음 유입에 대해 더 견고하다(즉, 더 영향을 받지 않는다).
[00113] 일부 실시예들에서, 통신 디바이스(122)는, 예컨대, 전기 절연, 액체 냉매 누설 보호(플러스 냉매 유동에 의해 운반되는 폐기물로부터의 보호), 및 다른 환경 인자들에 대한 보호를 제공하는 보호 재료의 하나 또는 그 초과의 층들에 둘러싸인다. 일부 실시예들에서, 프로세싱 어셈블리(810)의 하우징 및/또는 안테나 어셈블리(808)의 하우징은 액체 및 잔해로부터 내부의 컴포넌트들을 보호하기 위해 내구성이 있는 플라스틱으로 제조된다. 하우징들은 내부의 PCB의 LED 신호들이 하우징들의 외측에서 가시적일 수 있도록 반투명일 수 있다. 일부 실시예들에서, 액체 손상에 대하여 통신 디바이스(122)를 보호하고, 전기 절연된 배리어를 생성하기 위해, 하나 또는 그 초과의 o-링 시일들이 사용된다.
[00114] 일부 실시예들에서, 토치 절연체(118) 내의 통신 디바이스(122)는, 이를테면, 대략 30,000 V의 전기 절연에 의해, 플라즈마 파워 및 발화 회로로부터 전기 절연된다. 일부 실시예들에서, 통신 디바이스(122)는, 상기 설명된 토치 절연체(118)의 모든 다른 컴포넌트들뿐만 아니라, 그 벌크에 부가된 통신 디바이스(122) 주위의 보호 층들을 수용하면서, 토치 절연체(118)의 내측에 끼워맞춤하도록 구성된다. 예컨대, 통신 디바이스(122)는 토치 절연체(118) 내에 더 양호하게 끼워맞춤하도록 길고 얇고 그리고/또는 가요적이도록 설계될 수 있다.
[00115] 동작 동안에, 플라즈마 아크 토치(100)는 주변 온도에서 최대 섭씨 100도를 발생시킬 수 있고, 이는 동작 온도 상승을 위해 약간의 여유를 남긴다. 그에 따라, 일부 실시예들에서, 통신 디바이스(122)는 최소 동작 온도를 생성하도록 설계된다. 예컨대, 통신 디바이스(122)는, 낮은 회로 파워 전압, 낮은 MCU(multi-point-control-unit) 클록 주파수, 낮은 동작 듀티 사이클, 및/또는 발열을 최소화하도록 수행하지 않는 슬립 모드를 가질 수 있다.
[00116] 일부 실시예들에서, 통신 디바이스(122) 및 신호 디바이스(160)를 포함하는 토치 통신 회로는 플라즈마 아크 토치(10)의 길이 방향 중심 축선(A)으로부터 축선을 벗어나 있다. 이 오프셋은 통신 회로가 플라즈마 프로세스 성능을 규정하는 토치의 구역으로부터 멀리 있게 허용한다. 일반적으로, 통신 회로가 배치된 영역은 플라즈마 프로세스 설계들의 변화에 취약하지 않고, 이는 플라즈마 프로세스에 대한 설계 자유 및 통신 회로 성능에 대한 안정성을 허용한다. 일부 실시예들에서, 토치 통신 회로와 인근 금속 컴포넌트들 간의 원하지 않는 커플링을 감소시키기 위해, 안테나 코일(814)의 크기가 최소화되고(예컨대, 감소된 코일 직경), 그리고/또는 결과적인 RFID 필드의 크기를 감소시키도록 RFID 파워가 최소화된다. 일반적으로, RFID 필드와 잠재적으로 커플링할 수 있는 인접한 금속 컴포넌트들이 고려될 수 있고, 토치 통신 회로에 대한 근접성 및 크기가 실질적으로 일관적으로 유지될 수 있다.
[00117] 대안의 실시예들에서, 플라즈마 아크 토치(10)는, 예컨대, 토치 헤드(102) 내의 통신 디바이스(122) 또는 카트리지(104) 내의 신호 디바이스(106)를 포함하는 통신 시스템을 포함하지 않는다. 예컨대, 토치 리셉터클에 차례로 연결되는 퀵-디스커넥트(quick-disconnect) 토치 헤드 또는 토치 헤드(102)에 카트리지(104)가 연결되는 경우에, 통신 시스템이 토치에 존재하지 않을 수 있다.
[00118] 일부 실시예들에서, 도 2 및 도 10에 예시된 바와 같이, 플라즈마 아크 토치(10)의 통신 시스템은, 토치 절연체(118) 내의 통신 디바이스(122)에 또는 상에, 이를테면, 안테나 코일(814)에 근접한 통신 디바이스(122)의 안테나 어셈블리(808)에 배치된 제2 신호 디바이스(162)(예컨대, RFID 태그)를 더 포함한다. 대안적으로, 제2 신호 디바이스(162)는 토치 절연체(118) 및/또는 통신 디바이스(122) 외부에 있는 토치 헤드(102)에 위치될 수 있다. 제2 신호 디바이스(162)를 적소에 유지하기 위해, 선택적인 베이스(164)가 사용될 수 있다. 제2 신호 디바이스(162)는 플라즈마 아크 토치(10)에 관한 정보(예컨대, 파이어링된 아크들의 수)를 판독하고 그리고/또는 기록하고, 플라즈마 절단 시스템에 정보를 통신하도록 구성되고, 이어서, 그 플라즈마 절단 시스템은 카트리지(104) 내의 제1 신호 디바이스(160)에 정보를 중계할 수 있다. 일반적으로, 제1 및 제2 신호 디바이스들(160, 162)은 이들 간에 앞뒤로 정보를 전달할 수 있다.
c. 옴 접촉(Ohmic contact)
[00119] 다른 양상에서, 토치 절연체(118)는 토치 동작을 가능하게 하기 위해 토치(10)와 워크피스 간의 상대 높이를 제어하는 목적을 위해 옴 접촉을 지원하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 토치 절연체(118)는 (도 3에 도시된) 토치 절연체(118)의 선단 단부(21)에 개구(146a)를 갖는 (도 8에 도시된) 옴 접촉 공동(146)을 포함한다. 도 8은 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 예시적 옴 접촉 경로(780)를 예시하기 위해 배향된 도 2의 플라즈마 아크 토치(10)의 단면도이다. 도시된 바와 같이, 토치 헤드(102) 내의 토치 절연체(118)의 옴 접촉 공동(146)은, (도 3에 도시된) 개구(146a)를 통해 공동(146)으로부터 제거 가능한 옴 접촉 연결부(131)를 리테이닝하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 옴 접촉 공동(146)은 토치 절연체(118)의 말단 단부(23) 상에 대응하는 개구가 없도록 길이 방향 축선(A)을 따라 토치 절연체(118) 내로 부분적으로 연장한다.
[00120] 도 8의 옴 접촉 경로(780)는 토치(10)의 제어기(도시되지 않음)로 하여금, 토치 동작 이전에 또는 동안에 토치(10)와 워크피스/플레이트(782) 간의 상대 높이를 제어하는 목적을 위해 워크피스/플레이트(782)를 검출하고 감지하게 허용한다. 옴 접촉 경로(780)에 대해, 토치 동작 동안에 토치 헤드(102)가 장착될 때, 인커밍 핀(도시되지 않음)이 전기 접촉 경로(780)를 형성하기 위해 옴 접촉 연결부(131)와 전기적으로 접촉한다. 이어서, 경로(780)는 세트 스크루(784)를 통해 토치 본체(18)와 전기적으로 접촉하기 위해 옴 접촉 연결부(131)의 길이를 통해 계속된다. 경로(780)는 카트리지(104)의 쉴드(114)에 도달하기 위해 토치 본체(18) 및 리테이닝 캡(120)에 걸쳐 멀리 이동한다. 이 경로(780)는, 제어기로 하여금 워크피스/플레이트(782)의 위치를 감지하게 허용하고, 그에 따라서 상대 높이를 조정하게 허용한다. 일부 실시예들에서, 카트리지(104)의 쉴드(114)는, 옴 접촉 경로(780)가 토치 헤드(102)로부터 토치(10)의 외부 표면 상의 쉴드(114)로 이동하게 허용하기 위해, 카트리지(104)의 노즐(110)로부터 전기 절연된다.
[00121] 일부 실시예들에서, 도 8의 옴 접촉 경로(780)는, 토치 절연체(118)의 사용에 의해, 전달된 아크 전류 유동 경로 및/또는 파일럿 아크 전류 유동 경로(752)로부터 전기 절연된다. 예컨대, 파일럿 아크 전류 유동 경로(752) 및 전달된 아크 전류 유동 경로는 토치 절연체(118)를 통할 수 있는 한편, 옴 접촉 경로(780)는 주로 토치 본체(18)를 통한다.
d. 쉴드 가스
[00122] 다른 양상에서, 토치 절연체(118)는 토치 헤드(102)로부터 카트리지(104)로 하나 또는 그 초과의 가스 유동들을 지향시키도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 토치 절연체(118)는 토치 헤드(102)로부터 카트리지(104)로 적어도 하나의 쉴드 가스를 지향시키도록 구성된다. 예시적 쉴드 가스들은 공기, 산소(즉, O2), 및 아르곤을 포함한다. 일부 실시예들에서, 본원에서 설명된 쉴드 가스 유동 경로 및 채널들은 또한, 토치 헤드(102)와 카트리지(104) 간에 쉴드 유체, 이를테면 물을 안내하는 것과 양립가능하다. 토치 절연체(118)는 (도 3에 도시된) 토치 절연체(118)의 선단 단부(21)의 개구(126a)로부터 (도 4에 도시된) 토치 절연체(118)의 말단 단부(23)의 쉴드 가스 개구(126b)로 연장하는 쉴드 가스 채널(850)을 포함할 수 있다.
[00123] 도 11a 및 도 11b는 본 발명의 예시적 실시예에 따른, (쉴드 가스 채널 세그먼트들(850a 및 850c)을 포함하는) 쉴드 가스 채널(850)을 통한 토치 헤드(102)로부터 카트리지(104)까지의 예시적 쉴드 가스 유동 경로(868)를 예시하기 위해 배향된 도 2의 플라즈마 아크 토치(10)의 단면도들이다. 도시된 바와 같이, 쉴드 가스 채널(850)은 수개의 세그먼트들을 포함할 수 있다. 제1 채널 세그먼트(850a)는 절연체(118) 내의 또는 상의 내부 개구(860)에 토치 절연체(118)의 선단 단부(21) 상의 개구(126a)를 연결한다. 제1 채널 세그먼트(850a)는 길이 방향 축선(A)에 실질적으로 평행하게 연장할 수 있다. 제2 채널 세그먼트(도시되지 않음)는 절연체(118) 내의 또는 상의 다른 내부 개구(862)와 개구(860)를 연결할 수 있고, 여기서, 제2 내부 개구(862)는 제1 내부 개구(860)로부터 반경 방향으로 오프셋된다. 예컨대, 내부 개구들(860, 862)은 대략 30도 내지 대략 90도로 반경 방향으로 오프셋될 수 있다. 제2 채널 세그먼트는 내부 개구들(860, 862)을 연결하기 위해 토치 절연체(118) 주위에서 둘레 방향으로(또는 상이한 배향으로) 연장할 수 있다. 제3 채널 세그먼트(850c)는 토치 절연체(118)의 말단 단부(23) 상의 개구(126b)에 내부 개구(862)를 연결한다. 제3 채널 세그먼트(850c)는 길이 방향 축선(A)에 실질적으로 평행하게 연장할 수 있다.
[00124] 일부 실시예들에서, 토치 헤드(102) 상으로의 카트리지(104)의 어태치먼트 시에, 카트리지(104)의 카트리지 프레임(112) 내의 대응하는 쉴드 가스 채널(864)은 쉴드 가스 채널 세그먼트(850c)와 유동적으로 정렬한다. 쉴드 가스 유동(868)은 카트리지 프레임(112) 내의 쉴드 가스 채널(864)의 선단 개구(864a)를 통해 카트리지(104)에 진입할 수 있다. 쉴드 가스 채널(864)은 또한, 쉴드(114)와 노즐(110) 간의 가스 통로(872)에 유동적으로 연결된 카트리지 프레임(112)의 말단 단부의 개구(864b)를 갖는다. 따라서, 쉴드 가스 채널(864)은 토치 헤드(102)로부터 가스 통로(872)로 쉴드 가스를 도입할 수 있다. 일부 실시예들에서, 카트리지 프레임(112)은, 내부의 쉴드 가스 유동(868)의 하나 또는 그 초과의 파라미터들(예컨대, 유동 패턴 및 레이트)을 조정하기 위해, 쉴드 가스 채널(864)의 경로에 하나 또는 그 초과의 컴포넌트들을 포함한다. 쉴드 가스 채널(864), 카트리지 프레임(112)의 스월링(swirling) 컴포넌트들, 및 카트리지(104)를 통하는 쉴드 가스 유동(868)에 관한 상세들은 아래에서 설명된다.
[00125] 도 11a 및 도 11b에 도시된 쉴드 가스 유동 경로(868)에 대해, 토치 절연체(118)의 선단 단부(21)의 쉴드 가스 개구(126a)를 통해 토치 헤드(102)에 쉴드 가스가 도입된다. 가스(868)는 내부 개구(860)에 도달하도록 쉴드 가스 채널 세그먼트(850a)를 통해 멀리 유동한다. 이어서, 가스(868)는, 내부 개구(860)에 대해 이격된 내부 개구(862)에 도달하기 위해, 쉴드 가스 채널(850)의 제2 세그먼트를 통해 토치 절연체(118) 주위에서 둘레 방향으로(또는 상이한 배향으로) 유동할 수 있다. 가스(868)는, 카트리지(104)에 도달하기 위해, 쉴드 가스 채널 세그먼트(850c)를 통해, 개구(862)로부터 토치 절연체(118)의 말단 단부(23) 상의 개구(126b)로 길이 방향으로 유동한다. 개구(126b)를 통해 토치 헤드(102)에서 나갈 시에, 쉴드 가스 유동(868)이 카트리지(104) 내의 카트리지 프레임(112)의 쉴드 가스 채널(864)에 진입한다. 가스(868)는 카트리지 프레임(112)의 쉴드 가스 채널(864)을 통해 멀리 유동하고, 2개의 컴포넌트들을 냉각하기 위해, 쉴드 가스 채널(864)의 개구(864b)로부터 쉴드(114)와 노즐(110) 간의 가스 통로(872)로 나간다. 쉴드 가스(868)는 쉴드 익시트 오리피스(shield exit orifice)(870)를 통해 카트리지(104)에서 나가도록 적응된다.
e. 플라즈마 가스
[00126] 일부 실시예들에서, 토치 헤드(102)의 토치 절연체(118)는 토치 헤드(102)로부터 카트리지(104)로 하나 또는 그 초과의 플라즈마 가스들을 지향시킬 수 있다. 예컨대, 토치 절연체(118)는, 가스의 다수의 소스들을 수용하고, 가스들 중 하나를 선택하거나 또는 가스들을 혼합하고, 선택된 가스 또는 가스 혼합물을 카트리지(104)에 도입하도록 구성될 수 있다. 도 12a 내지 도 12c는 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 토치 헤드(102)로부터 카트리지(104)까지의 예시적 플라즈마 가스 유동 경로(900)를 예시하기 위해 배향된 도 2의 플라즈마 아크 토치(10)의 단면도들이다.
[00127] 토치 절연체(118)는 토치 절연체(118)의 선단 단부(21)에 2개의 플라즈마 가스 개구들(200a 및 200b)을 포함하며, 여기서, 각각의 개구는, 플라즈마 가스, 이를테면, 산소(O2), 공기, 질소(N2), 수소-기반 가스들(예컨대, H35), F5 연료 가스, 또는 이들 화학물질들 중 하나 또는 그 초과의 혼합물을 수용하도록 구성된다. 게다가, 토치 절연체(118)는 플라즈마 가스 밸브(204)를 수납하도록 구성된 공동(202)(도 12a 내지 도 12c에 도시됨)을 포함할 수 있다. 공동(202)은 (도 3에 도시된) 토치 절연체(118)의 선단 단부(21)의 개구(202a)에 연결되고, 그 개구(202a)를 통해, 플라즈마 가스 밸브(204)가 공동(202)에 제거가능하게 배치될 수 있다. 플라즈마 가스 밸브(204)는, 플라즈마 가스 개구들(200a 및 200b)로부터 수용된 가스들 중 하나를 선택하거나 또는 그 가스들을 혼합하고, (도 4에 또한 도시된) 토치 절연체(118)의 말단 단부(23) 상의 개구(200c)를 통해, 그리고 (도 12a 내지 도 12c에 도시된) 플라즈마 가스 채널(206)을 통해, 결과적인 가스 또는 가스 혼합물을 카트리지(104)에 도입하도록 구성된다.
[00128] 도 12a에 도시된 바와 같이, 예시적 플라즈마 가스 유동 경로(900)는 연결 채널(902)을 통해 플라즈마 가스 개구(200a)로부터 공동(202)에 위치된 플라즈마 가스 밸브(204)로 도입되는 제1 플라즈마 가스 유동(900a)을 포함한다. 연결 채널(902)은, 제1 플라즈마 가스 유동(902)을 밸브(204)에 도입하기 위해, 플라즈마 가스 밸브(204)의 입구(904)와 개구(200a)를 유동적으로 연결한다. 도 12b에 도시된 바와 같이, 플라즈마 가스 유동 경로(900)는, 연결 채널(906)을 통해 플라즈마 가스 개구(200b)로부터 플라즈마 가스 밸브(204)로 도입되는 제2 플라즈마 가스 유동(900b)을 포함한다. 연결 채널(906)은, 제2 플라즈마 가스 유동(900b)을 플라즈마 가스 밸브(204)로 도입하기 위해, 제2 입구(908)와 개구(200b)를 유동적으로 연결한다. 도 12c에 도시된 바와 같이, 플라즈마 가스 밸브(204)는 가스들 중 하나를 선택하거나 또는 가스들을 혼합하고, 토치 절연체(118)의 말단 단부(23)의 개구(200c)로부터 나가도록 플라즈마 가스 채널(206)을 통해 결과적인 플라즈마 가스 유동(900c)을 전달한다. 플라즈마 가스 채널(206)은 토치(10)의 길이를 따라 길이 방향으로 연장하고, 토치 절연체(118)의 말단 단부(23)의 개구(200c)에 플라즈마 가스 밸브(204)의 출구(910)를 유동적으로 연결하도록 적응된다.
[00129] 도 12c에 도시된 플라즈마 가스 유동 경로(900c)에 대해, 개구(200c)를 통해 토치 헤드(102)에서 나갈 시에, 플라즈마 가스 유동(900c)은 카트리지 프레임(112)의 선단 단부(15) 상의 개구(912a)를 통해 카트리지(104) 내의 카트리지 프레임(112)의 대응하는 플라즈마 가스 채널(912)에 진입한다. 가스(900c)는 카트리지 프레임(112)의 플라즈마 가스 채널(912)을 통해 길이 방향으로 유동하고, 카트리지 프레임(112)의 말단 단부(17)의 개구(912b)로부터 나가며, 이는 카트리지(104)의 노즐(110)과 전극(108) 간의 플라즈마 가스 통로(918)에 가스를 도입한다. 플라즈마 가스(900c)는 통로(918)를 통해 멀리 유동하고, 중심 노즐 익시트 오리피스(916) 및 중심 쉴드 익시트 오리피스(870)를 통해 카트리지(104)에서 나가도록 적응된다. 일부 실시예들에서, 플라즈마 가스 유동(900c)의 경로 내의 스월 링(150)은 플라즈마 가스 유동(900c)에 스월링 모션을 도입할 수 있다. 플라즈마 가스 채널(912), 스월 링(150), 및 카트리지(104)를 통한 플라즈마 가스 유동(900c)에 관한 상세들은 아래에서 설명된다.
[00130] 일부 실시예들에서, 쉴드 가스 유동(868) 및 플라즈마 가스 유동(900)은, 이들 가스들이 경로들을 교차하거나 동일한 채널들을 공유하지 않도록, 토치 헤드(102) 및 카트리지(104) 둘 다에서 서로 유동적으로 분리된다. 예컨대, 플라즈마 가스 채널(206) 및 쉴드 가스 채널(850)은 서로로부터 유동적으로 분리된다. 일부 실시예들에서, 토치 헤드(102)의 토치 절연체(118)는, 카트리지(104) 내의 적합한 가스 통로들(예컨대, 쉴드 가스 유동(868)을 위한 노즐(110)과 쉴드(114) 간의 통로(872) 및 플라즈마 가스 유동(900c)을 위한 전극(108)과 노즐(110) 간의 통로(918))로의 분배를 위해 쉴드 가스 유동(868) 및 플라즈마 가스 유동(900)을 카트리지 프레임(112) 내의 적합한 채널들로 지향시킴으로써, 토치(10)를 통한 가스 유동들을 제어하도록 구성된다.
f. 액체 냉매 유동
[00131] 다른 양상에서, 토치 절연체(118)는 토치 헤드(102)와 카트리지(104) 간의 순환을 위해 액체 냉매 유동의 순서를 지향시키도록 구성될 수 있다. 예시적인 액체 냉매는 물, 프로필렌 글리콜, 에틸렌 글리콜, 또는 플라즈마 절단 시스템들을 위해 특별히 설계된 임의의 수의 상업적으로 입수 가능한 냉매들을 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 토치 절연체(118)는 액체 냉매를 토치 헤드(102)로 유입하기 위한, 토치 절연체(118)의 선단 단부(21)에 있는 냉매 개구(128a)를 포함할 수 있다.
[00132] 도 13a 및 도 13b는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 일련의 유동 세그먼트들에서 토치 헤드(102)와 카트리지(104) 간에 순환하는 예시적인 액체 냉매 유동 경로(950)를 예시하도록 배향된, 도 2의 플라즈마 아크 토치(10)의 단면도들이다. 도 13a의 액체 냉매 유동 경로(950)를 따라, 액체 냉매는 먼저 토치 절연체(118)의 선단 단부(21)에 있는 개구(128a)를 통해 토치 헤드(102)로 유입된다. 냉매(950)는 연결 채널(952)을 통해 개구(128a)로부터 토치 절연체(118) 내의 캐소드 블록(606)으로 유동하고, 캐소드 블록(606)의 적어도 하나의 입구를 통해 캐소드 블록(606)에 진입한다. 도 14a 및 도 14b는, 각각, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 토치 헤드(102)의 캐소드 블록(606)의 예시적인 프로파일 및 전면 도면들이다. 도 14b에 도시된 바와 같이, 캐소드 블록(606)은 캐소드 블록(606)의 내부 둘레 주변에 분산된 3개의 액체 입구들(620a-c)의 제1 세트를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 더 많거나 더 적은 입구들이 규정된다. 연결 채널(952)은 냉매를 캐소드 블록(606)으로 안내하기 위해 토치 절연체 개구(128a)를 액체 입구들(620a-c)의 제1 세트에 유동적으로 연결한다. 캐소드 블록(606)의 액체 입구들(620a-c)은, 위에서 설명된 바와 같이, 캐소드 블록(606)에 물리적으로 어태치될 수 있는 냉매 튜브(116)의 선단 단부(740)에 있는 개구(745)로 액체 냉매를 추가로 안내할 수 있다. 일부 실시예들에서, 냉매 튜브(116)의 선단 단부에 있는 개구(745)와 입구들(620a-c) 간의 연결들은, 냉매를 캐소드 블록(606)으로부터 냉매 튜브(116)로 이송하기 위해 (예컨대, 공간 절약 목적으로) 십자로 교차된다(crisscrossed).
[00133] 냉매 튜브(116)에 있다면, 냉매 유동 경로(950)는 냉매 튜브(116)의 말단 단부(742)를 향해 길이 방향으로 계속된다. 냉매 유동(950)은 냉매 튜브(116)의 말단 개구(746)를 통해 냉매 튜브(116)로부터 나오고, 카트리지(104)의 전극(108)의 내부 표면에 의해 규정된 공동(954)에 진입하고, 이로써 전극(108)에 대해 실질적으로 냉각한다. 따라서, 초기 냉매 유동 경로(950)는 토치 절연체(118)의 메인 채널(132)(캐소드(130) 및 냉매 튜브(116)의 적어도 일 부분을 수용함) 및 카트리지 프레임(112)의 대응하는 메인 채널(1020)(전극(108)의 공동(954)에 연결함) 내에 실질적으로 국한된다. 공동(954)의 벽에 의해 안내될 때, 냉매 유동(950)은 방향을 역전시키고, 냉매 튜브(116)의 외부 표면을 따라 메인 채널들(1020, 132)에 가깝게 계속된다. 이러한 역방향 유동은 또한 냉매 튜브(116)의 말단 단부(742)의 외부 부분을 둘러싸는 루버택 밴드(704)를 실질적으로 냉각한다.
[00134] 냉매 유동(950)은 토치 헤드(102)의 캐소드 블록(606)을 향해 계속된다. 냉매 유동(950)은 캐소드 블록(606)(도 14a에 도시됨)의 말단 개구(622)를 통해 캐소드 블록(606)에 진입할 수 있다. 캐소드 블록(606)의 내측에 있다면, 냉매(950)는 캐소드(130)의 출구 채널(624)을 통해 반경 방향으로 외측방으로 유동한다. 출구 채널(624)은, 냉매 유동(950)을 토치 헤드(102)로부터 카트리지(104)로 다시 안내하기 위해 토치 헤드(102)의 길이를 따라 길이 방향으로 연장하는, 토치 절연체(118)의 제1 냉매 채널(958)에 캐소드(606)를 유동적으로 연결한다. 자세하게는, 제1 냉매 채널(958)은 토치 절연체(118)(또한 도 4에 도시됨)의 말단 단부(23) 상의 제1 액체 냉매 개구(960A)에 출구 채널(624)을 유동적으로 연결한다. 제1 냉매 채널(958)은 토치 절연체(118)의 개구(960a)를 통해 냉매 유동(950)을 캐소드(130)로부터 카트리지(104)로 안내하고, 냉매 유동(950)을 카트리지 프레임(112)의 선단 단부(15) 상의 개구(962a)에 유입하고, 여기서 선단 개구(962a)는 카트리지(104) 내의 카트리지 프레임(112)의 대응하는 제1 냉매 채널(962)에 연결된다.
[00135] 냉매(950)는, 카트리지 프레임(112) 내의 제1 냉매 채널(962)을 노즐(110)과 연관된 노즐 개구(966)에 유동적으로 연결하는, 카트리지 프레임(112)의 말단 단부(17)에 있는 개구(962b)에 도달하기 위해, 제1 냉매 채널(962)을 통해 카트리지 프레임(112)을 통해 멀리 유동한다. 자세하게는, 노즐(110)은 외부 노즐 컴포넌트(111)(이를테면, 비통기식 노즐에 대한 노즐 재킷 또는 통기식 노즐에 대한 노즐 라이너)에 커플링될 수 있고, 개구(966)는, 자신이 냉매 유동을 말단 냉매 채널 개구(962b)로부터, 노즐(110)의 외부 표면과 외부 노즐 컴포넌트(111)의 내부 표면 간의 노즐 냉매 유동 챔버(965)로 유입할 수 있도록, 외부 노즐 컴포넌트(111) 상에 있을 수 있다. 냉매 유동(950)이 노즐 개구(966)를 통해 노즐 냉매 유동 챔버(965)를 통해 멀리 안내될 때, 냉매 유동(950)은 노즐(110) 및 외부 노즐 컴포넌트(111)를 실질적으로 냉각한다. 노즐(110)의 말단 팁에 도달할 때, 냉매 유동(950)은 노즐(110)의 외부 표면 상에 배치된 둘레 방향 채널(도시되지 않음)을 통해 노즐(110)의 둘레의 적어도 일 부분 주변에서 스월링할 수 있다. 냉매 유동(950)은 유동 챔버(965) 내의 노즐(110)의 상이한 측 상에 가깝게 그리고 외부 노즐 컴포넌트(111) 상의 다른 개구(967)를 향해 복귀할 수 있다. 제2 노즐 개구(967)는 차례로 카트리지 프레임(112) 내의 제2 냉매 채널(968)에 유동적으로 연결된다. 자세하게는, 제2 냉매 채널(968)은 카트리지 프레임(112)의 말단 단부(17)에 있는 개구(968b)에 있는 외부 노즐 컴포넌트(111)의 제2 개구(967)와 인터페이스한다. 카트리지 프레임(112)의 제2 냉매 채널(968)은 카트리지 프레임(112)의 선단 단부(15) 상의 제2 액체 냉매 채널 개구(968a) 및 토치 절연체(118)(또한 도 4에 도시됨)의 말단 단부(23)에 있는 제2 액체 냉매 채널 개구(960b)를 통해 액체 냉매 유동(950)을 노즐 냉매 유동 챔버(965)로부터 멀리 그리고 토치 헤드(102) 내의 토치 절연체(118)의 대응하는 제2 냉매 채널(970)로 안내하도록 적응된다. 냉매 유동(950)이 토치 헤드(102)의 제2 냉매 채널(970) 내의 토치 절연체(118)를 통해 가깝게 이동할 때, 냉매 유동은 토치 절연체(118) 내의 제2 냉매 채널(970)의 내부 개구(972)와 만난다. 즉, 제2 냉매 채널(970)은 내부 개구(972)와 토치 절연체(118)의 말단 단부(23) 상의 개구(960b)를 연결한다.
[00136] 도 13b에 예시된 바와 같이, 제2 냉매 채널(970)의 내부 개구(972)는, 토치 절연체(118) 주변에서 둘레 방향으로 연장하는 분배 채널(도시되지 않음)을 통해 토치 절연체(118)의 제3 냉매 채널(976)의 내부 개구(974)에 유동적으로 연결될 수 있다. 제2 냉매 채널(970) 및 제3 냉매 채널(976)은 대략 30도 내지 대략 90도(예컨대, 70도)로 서로 반경 방향으로 오프셋될 수 있다. 따라서, 분배 채널은, 냉매 유동(950)을 제2 냉매 채널(970)로부터 제3 냉매 채널(976)로 이송하기 위해 내부 개구들(972, 974)에 연결된다. 제3 냉매 채널(976) 내에서, 냉매(950)는, 카트리지(104)에 다시 진입하기 위해 토치 절연체(118)(또한 도 4에 도시되지 않음)의 말단 단부(23) 상의 제3 냉매 채널 개구(960c)를 향해 멀리 유동한다. 자세하게는, 개구(960c)를 통해 토치 헤드(102)의 토치 절연체(118)의 제3 냉매 채널(976)에서 나올 때, 냉매 유동(950)은, 카트리지(104) 내의 쉴드(114)를 향한 말단 유동을 계속하기 위해, 카트리지 프레임(112)의 제3 냉매 채널(978)에 연결된 카트리지 프레임(112)의 선단 단부(15) 상의 대응하는 제3 냉매 채널 개구(978a)를 통해 카트리지(104)에 진입하도록 적응된다. 냉매 유동(950)은, 카트리지 프레임(112)의 외부 측 표면과 쉴드(114)의 대응하는 내부 표면 간에 규정된 둘레 방향 쉴드 냉매 유동 구역(1222)에 진입하기 위해, 카트리지 프레임(112)의 말단 단부(17)에 있는 개구(978b)를 통해 제3 냉매 채널(978)에서 나온다. 냉매 유동(950)은 쉴드 냉매 유동 구역(1222) 주변에 둘레 방향으로 이동할 수 있고, 이로써 쉴드(114)를 냉각한다. 둘레 방향 쉴드 냉매 유동 구역(1222) 다음에, 냉매 유동(950)은 카트리지 프레임(112)의 말단 단부(17)에 있는 개구(982b)에 진입함으로써 유동 구역(1222)의 다른 측 상의 카트리지 프레임(112)으로 복귀할 수 있다. 쉴드 냉매 유동 구역(1222)과의 유체 연통하는 개구(982b)는 카트리지 프레임(112)의 제4 냉매 채널(982)에 연결된다. 이어서, 냉매 유동(950)은 제4 냉매 채널(982)에 가깝게 이동하고, 카트리지 프레임(112)의 선단 단부(15)에 있는 개구(982a)를 통해 제4 냉매 채널(982)에서 나오고, 토치 헤드(102)로 유동한다. 냉매 유동(950)은 토치 절연체(118)(또한 도 4에 도시됨)의 말단 단부(23)에 있는 제4 냉매 채널 개구(960d)를 통해 토치 헤드(102)에 진입한다. 토치 절연체(118)의 말단 단부(23)에 있는 개구(960d)는, 냉매 유동(950)을 카트리지(104)로부터, 캐소드 블록(606)에 유동적으로 연결되는, 토치 절연체 (118) 내의 내부 개구(986)로 이송하도록 구성된 토치 절연체(118)의 제4 냉매 채널(984)에 유동적으로 연결된다.
[00137] 도 14a 및 도 14b에 도시된 바와 같이, 캐소드 블록(606)은 캐소드 블록(606)의 외부 표면으로부터 내부 표면으로 연장하는 하나 또는 그 초과의 액체 입구들(626)의 제2 세트를 포함한다. 일부 실시예들에서, 캐소드 블록(606)은 캐소드 블록(606)의 외부 둘레 주변에 분산된 3개의 액체 입구들(626a-c)의 제2 세트를 포함한다. 다른 실시예들에서, 더 많거나 더 적은 입구들이 규정된다. 도 13b에 대해 도시된 연결 채널(988)은, 냉매(950)를 제4 냉매 채널(984)로부터 캐소드 블록(606)으로 안내하기 위해, 토치 절연체(118)의 제4 냉매 채널(984)의 내부 개구(986)를 액체 입구들(626a-c)의 제2 세트에 유동적으로 연결한다. 일부 실시예들에서, 입구들(626a-c)의 제2 세트와 내부 개구(986) 간의 연결들은 냉매를 스월링 방식으로 제4 냉매 채널(984)로부터 캐소드 블록(606)으로 이송하기 위해 (예컨대, 공간 절약 목적으로) 십자로 교차된다. 캐소드 블록(606)의 내측에 있다면, 냉매 유동(950)은 캐소드 튜브(604) 및 캐소드 피팅(602)을 통해 그 순서로 토치 절연체(118)를 나오기 위해 가깝게 계속된다.
[00138] 토치 절연체(118)의 일부 실시예들에서, 제1 냉매 채널(958) 및 제2 냉매 채널(970)은 대략 30도 내지 90도(예컨대, 대략 90도)로 서로 반경 방향으로 오프셋될 수 있다. 제3 냉매 채널(976) 및 제4 냉매 채널(984)은 대략 30도 내지 90도(예컨대, 대략 90도)로 서로 반경 방향으로 오프셋될 수 있다. 카트리지 프레임(112)의 일부 실시예들에서, 제1 냉매 채널(962) 및 제2 냉매 채널(968)은 토치 절연체(118)의 제1 냉매 채널(958)과 제2 냉매 채널(970) 간의 오프셋과 동일한 각도(예컨대, 대략 90도)만큼 서로 반경 방향으로 오프셋될 수 있다. 제3 냉매 채널(978) 및 제4 냉매 채널(982)은 토치 절연체(118)의 제3 냉매 채널(976)과 제4 냉매 채널(984) 간의 오프셋과 동일한 각도(예컨대, 대략 90도)만큼 서로 반경 방향으로 오프셋될 수 있다. 플라즈마 아크 토치(10)의 일부 실시예들에서, 제2 냉매 채널들(970, 968)은 대략 30도 내지 대략 90도(예컨대, 70도)만큼 제3 냉매 채널들(976, 978)로부터 반경 방향으로 오프셋된다.
[00139] 일반적으로, 카트리지(104)의 카트리지 프레임(112)과 협력하여 토치 헤드(102)의 토치 절연체(118)는, 도 13a 및 도 13b에 대해 위에서 설명된 바와 같이, 카트리지 팁의 다양한 컴포넌트들로의 토치 헤드(102) 및 카트리지(104) 내외의 냉매 유동(950)의 분배를 제어하도록 구성된다. 예컨대, 토치 절연체(118) 및 카트리지 프레임(112)은 다음의 순서로: (i) 전극(108)을 냉각하기 위해 캐소드(600)로부터 냉매 튜브(116)로 그리고 토치 절연체(118)의 메인 채널(132) 및 카트리지 프레임(112)의 메인 채널(1020)에서 역방향으로 ― 여기서 메인 채널들(132, 1020) 각각은 공급 및 복귀 채널 둘 다로서 작동함 ― ; (ii) 노즐(110)을 냉각하기 위해 토치 절연체(118)의 제1 냉매 채널(958)(즉, 공급 채널)로부터 카트리지(104)의 제1 냉매 채널(962)(즉, 공급 채널)로, 카트리지(104)의 제2 냉매 채널(968)(즉, 복귀 채널)로 그리고 토치 절연체(118)의 제2 냉매 채널(970)(즉, 복귀 채널)로; (iii) 쉴드(114)를 냉각하기 위해 토치 절연체(118)의 제3 냉매 채널(976)(즉, 공급 채널)로부터 카트리지(104)의 제3 냉매 채널(978)(즉, 공급 채널)로, 카트리지(104)의 제4 냉매 채널(982)(즉, 복귀 채널)로, 그리고 토치 절연체(118)의 제4 냉매 채널(984)(즉, 복귀 채널)로 냉매 유동(950)을 지향시킬 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 냉매 유동(950)은 하나의 카트리지 팁 컴포넌트를 냉각하기 위해 공급 및 복귀 채널들의 3개의 세트들 중 하나만을 포함한다. 대안적인 실시예들에서, 냉매 유동(950)은 2개의 카트리지 팁 컴포넌트들을 냉각하기 위해 공급 및 복귀 채널들의 3개의 세트들 중 2개를 포함한다.
[00140] 비록 도 13a 및 13b의 냉매 유동 경로(950)는, 전극(108)에 이어, 노즐(110), 및 이어서 카트리지 팁의 쉴드(114)를 냉각시키는 순서로 예시되지만, 다른 냉각 순서들이 균등하게 적용 가능하다. 예컨대, 상이한 순서는 쉴드(114)에 이어, 노즐(110) 및 이어서 전극(108)의 냉각을 포함할 수 있다. 또 다른 순서는 노즐(110)에 이어, 쉴드(114) 및 이어서 전극(108)의 냉각을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 카트리지 팁의 이들 3개의 컴포넌트들을 냉각시키기 위한 임의의 순서가 본 발명에 의해 고려된다.
[00141] 일부 실시예들에서, 쉴드 가스 유동 경로(868), 플라즈마 가스 유동 경로(900) 및 냉매 유동 경로(950)는 토치 헤드(102) 및 카트리지(104) 둘 다에서 서로 유동적으로 격리되어서 이들 유체들은 경로들을 가로지르거나 동일한 채널을 공유하지도 않는다. 일부 실시예들에서, 쉴드 가스 유동 경로(868), 플라즈마 가스 유동 경로(900) 및 냉매 유동 경로(950)는 미리 정해진 배향으로 카트리지(104)와 토치 헤드(102)의 로킹에 기초하여 미리 규정된다. 이 로킹 피처는 아래에서 상세히 설명될 것이다. 토치 절연체(118)의 일부 실시예들에서, 냉매 채널들(968, 970, 976, 984), 플라즈마 가스 채널(206) 및 쉴드 가스 채널(850) 중 하나 또는 그 초과는 길이 방향 중심 축선(A)에 대해 비-동심이다. 파일럿 아크 연결 공동(148), 통신 디바이스 공동(144) 및 플라즈마 가스 밸브 공동(202) 중 하나 또는 그 초과는 길이 방향 중심 축선(A)에 대해 비-동심이다. (도 3에 도시된) 토치 절연체(118)의 일부 실시예들에서, 플라즈마 가스 밸브(204)를 수용하기 위한 개구(202a), 플라즈마 가스 개구들(200a, 200b), 파일럿 아크 연결부(123)를 수용하기 위한 공동 개구(148a), 액체 냉매 개구(128a), 옴 연결부(131)를 수용하기 위한 공동 개구(146a), 쉴드 가스 개구(126a), 통신 디바이스(122)를 수용하기 위한 공동 개구(144a) 및 메인 채널 개구(132a) 중 하나 또는 그 초과는 토치 절연체(118)의 선단 단부(21)의 단부 면 상에 배치되며, 여기서 단부 면은 실질적으로 평탄하다. 이러한 개구들은, 메인 채널 개구(132a)를 제외하고, 길이 방향 중심 축선(A)에 대한 선단 단부 면 상에 비-동심으로 배치될 수 있다. (도 4에 도시된) 토치 절연체(118)의 일부 실시예들에서, 플라즈마 가스 개구(200c), 액체 냉매 개구들(960a-d) 및 쉴드 가스 개구(126b), 메인 채널 개구(132b) 중 하나 또는 그 초과는 토치 절연체(118)의 말단 단부(23)의 단부 면 상에 배치되며, 여기서 단부 면은 실질적으로 평탄하다. 이러한 개구들은, 메인 채널 개구(132a)를 제외하고, 길이 방향 중심 축선(A)에 대한 말단 단부면 상에 비-동심으로 배치될 수 있다. 본 발명의 콘텍스트에서, "비-동심"은, 적용 가능한 채널, 공동 또는 개구가 길이 방향 축선(A)에 대해 오프셋된다는 것을 의미한다. 일부 실시예들에서, 각각의 비-동심 채널, 공동 또는 개구는 길이 방향 축선(A)에 대해 비대칭으로 배향된다.
[00142] 일부 실시예들에서, 토치 절연체(118)의 선단 단부(21)의 메인 채널 개구(132a), 메인 채널(132) 및 토치 절연체(118)의 말단 단부(23)의 메인 채널 개구(132b)는 중심에 위치되고 길이 방향 중심 축선(A)에 대해 동심으로 배치된다. 위에서 설명된 바와 같이, 메인 채널(132)은 토치 헤드로부터 카트리지로 (i) 파일럿 아크 또는 전달된 아크 전류 또는 (ii) 액체 냉매 유동(950)의 적어도 일부중 적어도 하나를 제공하도록 구성된다.
토치 헤드와 카트리지 간의 인터페이스
[00143] 도 4를 참조하면, 토치 절연체(118)의 말단 단부(23)는 추가로, 토치 헤드(102)와 카트리지(104) 간의 맞물림 시에 미리 정해진 반경 방향 배향으로 토치 절연체(118)를 카트리지 프레임(112)에 고착시키도록 구성된 클로킹 피처(220)(예컨대, 핀)를 포함할 수 있다. 도 15는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 카트리지 프레임(112)의 선단 단부(15)의 뷰이다. 카트리지 프레임(112)의 선단 단부(15)는 토치 헤드(102)와 카트리지(104) 간의 인터페이스(106)(도 2에 도시됨)의 적어도 섹션을 형성하도록 토치 절연체(118)의 말단 단부(23) 상의 대응하는 클로킹 피처(220)와 상호작용할 수 있는 클로킹 피처(예컨대, 핀 공동)(1002)를 포함할 수 있다. 이러한 인터페이스(106)는 토치 헤드(102)와 카트리지(104) 간의 다양한 전기, 액체 냉매 및 가스 채널들의 정렬을 허용하고, 그리하여 도 7, 도 8 및 도 11a 내지 도 13b를 참조하여 위에서 설명된 미리 규정된 전기, 액체 냉매 및 가스 유동 경로를 유지시킨다. 일부 실시예들에서, 토치 절연체(118)의 말단 단부(23)의 단부 면은 실질적으로 평탄하다. 카트리지 프레임(112)의 선단 단부(15)의 단부 면은 또한 이들 간의 인터페이스(106)가 실질적으로 평탄하도록 실질적으로 평탄할 수 있다.
[00144] 토치 헤드(102)와 카트리지(104) 간의 냉매 유동의 연속성에 대해, 미리 정해진 반경 방향 배향으로 카트리지 프레임(112)과 토치 절연체(118)의 클로킹 시에, (도 4 및 도 13a에 도시된) 토치 절연체(118)의 말단 단부(23) 상의 제1 액체 냉매 채널 개구(960a)는, (도 13a에 도시된) 카트리지 프레임(112)의 제1 액체 냉매 채널(962)과 토치 절연체(118)의 제1 액체 냉매 채널(958)을 유동적으로 연결하도록 (도 13a 및 도 15에 도시된) 카트리지 프레임(112)의 선단 단부(15)에서 제1 냉매 채널 개구(962a)와 정렬된다. 동일한 미리 정해진 반경 방향 배향에서, (도 4 및 도 13a에 도시된) 토치 절연체(118)의 제2 액체 냉매 채널 개구(960b)는 (도 13a에 도시된) 카트리지 프레임(112)의 제2 냉매 채널(968)과 토치 절연체(118)의 제2 냉매 채널(970)을 유동적으로 연결하도록 (도 13a 및 도 15에 도시된) 카트리지 프레임(112)의 선단 단부(15)에서 제2 냉매 채널 개구(968a)와 정렬된다. 동일한 미리 정해진 반경 방향 배향에서, (도 4 및 도 13b에 도시된) 토치 절연체(118)의 제3 액체 냉매 채널 개구(960c)는 (도 13b에 도시된) 카트리지 프레임(112)의 제3 냉매 채널(978)과 냉매 절연체(118)의 제3 냉매 채널(976)을 유동적으로 연결하도록 (도 13b 및 도 15에 도시된) 카트리지 프레임(112)의 선단 단부(15)에서 제3 냉매 채널 개구(978a)와 정렬된다. 동일한 미리 정해진 반경 방향 배향에서, (도 4 및 도 13b에 도시된) 토치 절연체(118)의 제4 액체 냉매 채널 개구(960d)는 (도 13b에 도시된) 카트리지 프레임(112)의 제4 냉매 채널(982)과 냉매 절연체(118)의 제4 냉매 채널(984)을 유동적으로 연결하도록 (도 13b 및 도 15에 도시된) 카트리지 프레임(112)의 제4 냉매 채널 개구(982a)와 정렬된다.
[00145] 토치 헤드(102)와 카트리지(104) 간의 가스 유동의 연속성에 대해, 미리 정해진 반경 방향 배향에서, (도 4 및 도 11b에 도시된) 토치 절연체(118)의 말단 단부(23) 상의 쉴드 가스 개구(126b)는, (도 11b에 도시된) 카트리지 프레임(112)의 쉴드 가스 채널(864)과 토치 절연체(118)의 제3 쉴드 가스 채널 세그먼트(850c)를 유동적으로 연결하도록 (도 11b 및 도 15에 도시된) 카트리지 프레임(112)의 선단 단부(15)에서 쉴드 가스 개구(864a)와 정렬된다. 동일한 미리 정해진 반경 방향 배향에서, (도 4 및 도 12c에 도시된) 토치 절연체(118)의 말단 단부(23) 상의 플라즈마 가스 개구(200c)는 (도 12c에 도시된) 카트리지 프레임(118)의 플라즈마 가스 채널(912)과 토치 절연체(118)의 플라즈마 가스 채널(206)을 유동적으로 연결하도록 (도 12c 및 도 15에 도시된) 카트리지 프레임(112)의 선단 단부(15)에서 플라즈마 가스 선단 개구(912a)와 정렬된다.
[00146] 토치 헤드(102)와 카트리지(104) 간의 데이터 통신에 대해, 클로킹 피처(220, 1002)에 의해 가능해지는 미리 정해진 반경 방향 배향에서, 판독기 디바이스(122)는 신호 디바이스(160)와 회전식으로 정렬된다. 예컨대, 토치 절연체(118)에 매립된 안테나 코일(814)은, 카트리지(104)에 매립된 신호 디바이스(160)에 맵핑되는, (도 15에 도시된) 카트리지 프레임(112)의 선단 단부(15)의 영역(1016)의 중심(1018)과 실질적으로 정렬되는 중심(232)을 갖는 (도 4에 도시된) 토치 절연체(118)의 말단 단부(23)의 영역(230)에 맵핑된다. 중심들(232, 1018) 간의 이러한 회전 정렬은 판독기 디바이스(122)와 신호 디바이스(160) 간의 통신 간섭을 감소시킨다.
[00147] 도 31은 본 발명의 예시적 실시예에 따라 토치 헤드(102) 및 카트리지(104)가 서로에 대해 미리 정해진 반경 방향 배향에 있을 때 통신 디바이스(122) 및 신호 디바이스(160)의 예시적 위치들을 예시하는, 도 2의 플라즈마 아크 토치(10)의 일 부분이다. 일부 실시예들에서, 정렬된 포지션에서, 안테나 코일(814)의 길이 방향 및 반경 방향 중심과 신호 디바이스(160)의 길이 방향 및 반경 방향 중심 간의 거리(816)는 신호 디바이스(160)의 길이 방향 및 반경 방향 중심과 토치 헤드(102) 또는 카트리지(104)에 배치되는 임의의 인접한 금속 재료 간의 거리보다 작다. 일부 실시예들에서, 안테나 코일(814)에 의해 생성된 RFID 필드는 디스크-형상의 RFID 태그(160)의 둘레 주위에서 형상이 토로이달식이다. 임의의 포인트에서 토로이달식 필드의 횡단면은 원형이다. 간섭을 방지하기 위해, (필드의 원형 횡단면의 중심 포인트에서 측정된) x 축선을 따라 RFID 태그(160)와 판독기 디바이스(122) 간의 거리는 Y 축선을 따라 RFID 태그(160)와 임의의 인접한 금속 간의 거리보다 작거나 더 근접하다. 따라서, RFID 필드가 토로이달식 형상 주위의 원형 경로에서 이동함에 따라, 필드는 그것이 RFID 태그(160)와 만나기 전에 그것이 어떠한 금속과도 만나지 않도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 정렬된 포지션에서, 신호 디바이스(160) 및 판독기 디바이스(122)는 직선 축선이 신호 디바이스(160)의 중심선 및 판독기 디바이스(122)의 중심선을 통해 연장되도록 배향된다. 일부 실시예들에서, 판독기 디바이스(122)의 안테나 코일(814)은 신호 디바이스(160)에 실질적으로 평행하게 배향된다. 일부 실시예들에서, 안테나 코일(814) 및 RFID 태그(160)는 약 13.5 MHz의 주파수로 통신한다.
[00148] 도 2에 도시된 바와 같이, 토치 헤드(102)와 카트리지(104) 간의 전기 연결들의 연속성에 대해, 토치 절연체(118)와 카트리지 프레임(112)의 인터페이싱 시에, 토치 절연체(118)의 메인 채널(132)의 말단 개구(132b)는 카트리지 프레임(112)의 메인 채널(1020)로의 연결을 위해 카트리지 프레임(112)의 선단 단부(15)에서 개구(1020a)와 정렬되도록 적응된다. 따라서, 냉매 튜브(116)의 말단 단부(742)는 개구(1020a)를 통해 카트리지 프레임(112)의 메인 채널(1020) 내로 삽입되도록 적응된다. 카트리지 프레임(112)의 말단 단부(17)에서 메인 채널(1020)의 개구(1020b)는 전극(108)의 공동(954)에 연결되어서, 냉매 튜브(116)가 개구(1020b)를 통해 그리고 공동(954) 내로 연장된다. 위에서 설명된 바와 같이, 파워 서플라이로부터의 파일럿 아크 전류 및/또는 전달된 아크 전류는 토치 헤드(102)의 캐소드(130)로부터 냉매 튜브(116)로 라우팅될 수 있고, 이들 둘 다는 전극 공동(954)의 내부 표면을 통해 카트리지(104)의 전극(108)에 그리고 토치 절연체(118)에 부착된다. 따라서, 전류-운반 냉매 튜브(116)는 전극(108)의 내부 표면을 에너자이징시킨다. 일부 실시예들에서, 냉매 튜브(116)의 단부들(740, 742) 중 어느 하나 또는 둘 다 상의 하나 또는 그 초과의 루버택 밴드들(702, 704)은 파워 서플라이로부터 전극(108)의 내부 표면으로의 전기의 전도를 가능하게 하는 데 사용된다. 적어도 냉각제 튜브(116)의 말단 단부(742)의 루버택 밴드(704)의 사용은 냉매 튜브(116)에 대해 전극(108)을 반경 방향으로 정렬/센터링하지만, 전극(108)을 어떠한 특정한 반경 방향 배향으로 고정하지 않는다. 예컨대, 조립 동안, 오퍼레이터는, 냉매 튜브(116)의 말단 단부(742)의 루버택 밴드(704)가 전극(108)의 공동(954) 내에 완전히 착좌되고(seated) 공동(954) 대부분에 의해 커버될 때까지 냉매 튜브(116)에 대해 가깝게 전극(108)을 밀도록 축선 방향 힘을 인가할 수 있다. 따라서, 냉각제 튜브(116)의 루버택 밴드(704)는 스레딩(또는 다른 클로킹 이동)의 사용 없이 전극(108)이 맞물림 또는 맞물림해제 동안 축선 방향으로 각각 밀려지거나 이로부터 당겨지는 것을 허용하고, 그리하여 툴-프리(tool-free) 및/또는 스레드리스(threadless) 전극(108)의 사용을 가능하게 한다.
[00149] 단순한 푸시-온(push-on)/풀-오프(pull-off) 피처가 또한, 인터페이스(106)를 형성하기 위해 토치 절연체(118)의 클로킹 피처(220)와 카트리지 프레임(112)의 클로킹 피처(1002) 간의 맞물림과 양립가능하다. 즉, 토치 헤드(102)와 카트리지(104) 간의 커플링은, 전극(108)과 냉매 튜브(116) 간의 임의의 스레딩 또는 다른 클로킹 요건을 설명할 필요 없이, 로킹 피처들(220, 1002)에 의해 지배될 수 있다. 일반적으로, 냉매 튜브(116) 및 루버택 밴드(704)가 파일럿 아크/전달된 아크 전류를 카트리지(104)에 반송할 수 있게 하는 것은, (i) 토치 절연체(118)와 카트리지 프레임(112) 간의 물리 인터페이스를, (ⅱ) 캐소드(130)/냉매 튜브(116)와 전극(108) 간의 전기 연결로부터 분리시킨다. 이 분리는, 설계 공간을 최대화하고 토치 조립을 단순화하도록 적응된다. 게다가, 상대적으로 직선의 축선 방향 설치 그리고 전극(108)(및 그에 따른 카트리지(104))으로부터 냉매 튜브(116)(및 그에 따른 토치 헤드(102))의 제거는 더 빠른 소모품 교체 및 설치를 촉진한다. 추가로, (예컨대, 냉매 튜브(116)의 외부 표면 상에서의) 냉매 튜브(116)와 관련한 루버택 밴드(704)의 배치에 기인하여, 루버택 밴드(704)는 용이하게 검사되고 쉽게 서비스될 수 있다. 대안의 실시예들에서, 루버택 밴드(704)를 사용하는 대신에, 다른 전류-반송 및/또는 리테이닝 피처들, 이를테면 스레드 어태치먼트들, 인터피어런스 피트들 등이 사용될 수 있다.
[00150] 일부 실시예들에서, 냉매 튜브(116)에 의해 파워 서플라이로부터 전극(108)으로 절단 전류가 반송되기 때문에, 전극(108)은 전류 전달 목적들을 위해 토치 헤드(102)와 직접적으로 전기적 또는 물리적 접촉할 필요가 없다. 일부 실시예들에서, 전극(108)은 캐소드 블록 전극 튜브(252)에 의해 토치 헤드(102)로부터 전기 절연되며, 이 캐소드 블록 전극 튜브(252)는 전극(108)을 캐소드(130) 및 냉매 튜브(116)에 연결한다. 캐소드 블록 전극 튜브(252)는 비-전도성 재료, 이를테면 플라스틱으로 만들어질 수 있다. 다른 양상에서, 전극(108)은 캐소드로부터 직접적으로 전류를 수신하기 위해 사용되는 전극보다 더 짧다. 이 경우, 전극(108)이 더 이상 물리적으로 또는 전기적으로 캐소드(130)에 접촉하지 않기 때문에, 전극(108)은 직접-접촉 전극보다 더 짧은데, 이를테면 25%를 초과하여 더 짧을 수 있다.
[00151] 전극(108)의 공동(954) 안으로의 냉매 튜브(116)의 축선 방향 삽입 및 (예컨대, 카트리지 프레임(112)의 클로킹 핀 공동/리셉터클(1002) 안으로의 토치 절연체(118)의 클로킹 핀(220)의 삽입을 통한) 카트리지 프레임(112)과 토치 절연체(118)의 반경 방향 클로킹 시에, 카트리지(104)는, 리테이닝 캡(120)(도 1에서 도시됨)을 사용하여 토치 헤드(102)에 대해 리테이닝될 수 있다. 스레딩, 스냅 피트, 인터피어런스 피트 등을 포함하는, 토치 헤드(102)와 카트리지(104) 간의 다른 맞물림 방법들이 가능하다. 도 16은 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 카트리지(104)와 토치 헤드(102)를 서로 고착시키기 위해 사용되는 도 1의 리테이닝 캡(120)의 예시적 설계의 단면도이다. 리테이닝 캡(120)은 길이 방향 축선(A)을 따라 연장하는 본체(764), 선단 단부(760) 및 말단 단부(762)를 포함한다. 리테이닝 캡 본체(764)의 선단 단부(760)는 리테이닝 캡 본체(764)에 대해 토치 헤드(102)를 캡처하기 위해 내부 표면 상에 둘레 방향으로 배치된 맞물림 피처(766)(예컨대, 그루브, 스레드 또는 스텝)를 포함한다. 유사하게, 리테이닝 캡 본체(764)의 말단 단부(762)는 리테이닝 캡 본체(764)에 대해 카트리지(104)를 캡처하기 위해 내부 표면 상에 배치된 맞물림 피처(768)(예컨대, 그루브, 스레드 또는 스텝)를 포함한다. 따라서, 토치 헤드(102)와 카트리지(104)의 클로킹 시에, 리테이닝 캡(120)은 토치 헤드(102)의 말단 단부(22)에서 토치 헤드(102)의 외부 표면 그리고 카트리지(104)의 선단 단부(14)에서 카트리지(104)의 외부 표면을 단단하게 그리고 둘레 방향으로 둘러쌀 수 있다. 일부 실시예들에서, 토치 헤드(102) 및/또는 카트리지는 리테이닝 캡(120)에 대해 회전하지 않는다. 이 경우, 오퍼레이터는, 임의의 회전 이동을 사용하지 않으면서 부분들을 로킹하기 위해 카트리지(104) 및/또는 토치 헤드(102)에 걸쳐 리테이닝 캡(120)을 슬라이딩시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 리테이닝 캡(120)은 토치 헤드(102)의 부분으로서 제공된다. 일부 실시예들에서, 리테이닝 캡(120)은 카트리지(104)의 부분으로서 제공된다. 일부 실시예들에서, 리테이닝 캡(120)은 카트리지(104) 또는 토치 헤드(102)와 분리된, 별개의 컴포넌트로서 제공된다.
카트리지
[00152] 도 17은 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 도 1의 카트리지(104)의 단면도이며, 여기서 카트리지(104)는 비통기식 카트리지이다. 위에서 설명된 바와 같이, 카트리지(104)는 일반적으로, 전극(108)을 포함하는 카트리지 팁에 커플링된 카트리지 프레임(112), 노즐 재킷(111)에 어태치된 비통기식 노즐인 노즐(110), 및 쉴드(114)를 포함할 수 있다. 카트리지 프레임(112)이 카트리지 팁과 토치 헤드(102) 간의 인터페이스를 형성하도록 적응되어서, 카트리지 팁이 토치 헤드(102)에 연결된다. 카트리지 프레임(112), 전극(108), 노즐(110), 노즐 재킷(111) 및 쉴드(114)를 포함하는, 카트리지(104)의 다양한 컴포넌트들이 플라즈마 아크 토치(10)의 길이 방향 축선(A)을 중심으로 동심으로 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 카트리지(104)는 다수의 리테이닝 피처들을 포함하며, 이 다수의 리테이닝 피처들은, 카트리지 팁의 컴포넌트들이 카트리지 프레임(112)의 하나 또는 그 초과의 채널들과 정렬 및 맞물림하게 할 수 있어서, 이들 채널들은 토치 헤드(102)로부터의 액체 및 가스를 카트리지 프레임(112)을 통해 그리고 카트리지 팁의 원하는 컴포넌트들로 안내할 수 있다. 일부 실시예들에서, 카트리지 프레임(112)의 선단 단부(15)를 포함하여, 카트리지(104)의 선단 단부(14)는 실질적으로 평탄하다.
[00153] 일반적으로, 카트리지 팁의 다양한 컴포넌트들은, 카트리지 프레임(112)에 대해 축선 방향 정렬 및 반경 방향 정렬(즉, 센터링)을 성취하면서, 직접적으로 또는 간접적으로 카트리지 프레임(112)에 고착될 수 있다. 전극(108)은, 카트리지 프레임(112)의 중심 채널(1020)에 배치된 전극(108)의 적어도 일 부분을 이용하여 카트리지 프레임(112)에 고착될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전극(108)은 메인 채널(1020)의 적어도 일 부분을 둘러싸는 스월 링(150)을 통해 카트리지 프레임(112)에 고착된다. 자세하게는, 전극(108)의 외부 직경이 스월 링(150)의 내부 직경에 고착되어서, 전극(108)의 적어도 선단 부분이 스월 링(150)의 말단 부분 안에 삽입될 수 있다. 만약 스월 링(150)이 전기적으로 전도성이라면, 스월 링(150)은 전극 절연체(754)를 통해 전극(108)에 고착될 수 있다. 도시된 바와 같이, 전극(108)은, 전극(108)과 전극 절연체(754)의 서로에 대한 축선 방향 이동을 방지하기 위해, 전극 절연체(754)의 내부 표면 상의 내부 리테이닝 피처(1068)(예컨대, 하나 또는 그 초과의 상보적 스텝들 또는 돌출부들)와 짝을 이루어 맞물림하도록 구성된 외부 표면 상의 외부 리테이닝 피처(1066)(예컨대, 전극(108)의 가변 직경의 하나 또는 그 초과의 스텝들)를 포함한다. 리테이닝 피처들(1066, 1068) 간에 짝을 이루는 것은 스냅 피트, 프레스 피트 또는 인터피어런스 피트 중 하나일 수 있다. 전극(108)과 전극 절연체(754) 간의 결과적인 인터페이스(1067)는 또한, 2개의 컴포넌트들을 반경 방향으로 정렬/센터링한다. 차례로, 전극 절연체(754)는, 전극 절연체(754)와 스월 링(150)의 서로에 대한 축선 방향 이동을 방지하기 위해, 스월 링(150)의 내부 표면 상의 내부 리테이닝 피처(1054)(예컨대, 상보적 스텝 또는 돌출부)와 짝을 이루어 맞물림하기 위한 외부 표면 상의 외부 리테이닝 피처(1056)(예컨대, 전극 절연체(754)의 가변 직경의 스텝)를 포함한다. 리테이닝 피처(1054, 1056) 간에 짝을 이루는 것은 스냅 피트, 프레스 피트 또는 인터피어런스 피트 중 하나일 수 있다. 전극 절연체(754)와 스월 링(150) 간의 결과적인 인터페이스(1055)는 또한, 2개의 컴포넌트들을 반경 방향으로 정렬/센터링한다. 만약 스월 링(150)이 실질적으로 비-전도성이라면, 스월 링(150)은, 전극 절연체(754)의 사용 없이, 전극(108)에 직접적으로 고착될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전극(108)을 카트리지 프레임(112)에 커플링하기 위해, 스월 링(150)의 외부 직경은 카트리지 프레임(112)의 내부 직경과 짝을 이루어 맞물림된다. 예컨대, 스월 링(150)은, 스월 링(150)과 카트리지 프레임(112)의 서로에 대한 축선 방향 이동을 방지하기 위해, 카트리지 프레임(112)의 내부 표면 상의 내부 리테이닝 피처(1058)(예컨대, 상보적 스텝 또는 돌출부)와 외부 표면 상의 외부 리테이닝 피처(1052)(예컨대, 스월 링(150)의 가변 직경의 스텝)와 짝을 이루어 맞물림함으로써, 카트리지 프레임(112)에 고착될 수 있다. 리테이닝 피처들(1052, 1058) 간에 짝을 이루는 것은 스냅 피트, 프레스 피트 또는 인터피어런스 피트 중 하나일 수 있다. 스월 링(150)과 카트리지 프레임(112) 간의 결과적인 인터페이스(1053)는 또한, 2개의 컴포넌트들을 반경 방향으로 정렬/센터링한다.
[00154] 노즐(110) 및 노즐 재킷(111)은 스월 링(150)과 카트리지 프레임(112) 간에 맞물림될 수 있다. 일부 실시예들에서, 스월 링(150)의 외부 직경은 노즐(110)의 내부 직경에 맞물림된다. 스월 링(150)은, 스월 링(150)과 노즐(110)의 서로에 대한 축선 방향 이동을 방지하기 위해, 노즐(110)의 내부 표면 상의 내부 리테이닝 피처(1060)(예컨대, 상보적 스텝 또는 돌출부)와 외부 표면 상의 외부 리테이닝 피처(1050)(예컨대, 스월 링(150)의 가변 직경의 하나 또는 그 초과의 스텝들)를 짝을 이루어 맞물림함으로써, 노즐(110)에 고착될 수 있다. 리테이닝 피처들(1050, 1060) 간에 짝을 이루는 것은 스냅 피트, 프레스 피트 또는 인터피어런스 피트 중 하나일 수 있다. 스월 링(150)과 노즐(110) 간의 결과적인 인터페이스(1051)는 또한, 2개의 컴포넌트들을 반경 방향으로 정렬/센터링한다. 일부 실시예들에서, 노즐(110)의 외부 직경은 카트리지 프레임(112)의 내부 직경에 고착된다. 노즐(110)은, 노즐(110)과 카트리지 프레임(112)의 서로에 대한 축선 방향 이동을 방지하기 위해, 카트리지 프레임(112)의 내부 표면 상의 적어도 하나의 내부 리테이닝 피처(1072)(하나 또는 그 초과의 상보적 스텝들 또는 돌출부들)와 외부 표면 상의 적어도 하나의 외부 리테이닝 피처(1070)(예컨대, 노즐(110)의 가변 직경의 하나 또는 그 초과의 스텝들)를 짝을 이루어 맞물림함으로써, 카트리지 프레임(112)에 고착될 수 있다. 리테이닝 피처들(1070, 1072) 간에 짝을 이루는 것은 스냅 피트, 프레스 피트 또는 인터피어런스 피트 중 하나일 수 있다. 노즐(110)과 카트리지 프레임(112) 간의 결과적인 인터페이스(1071)는 또한, 2개의 컴포넌트들을 반경 방향으로 정렬/센터링한다.
[00155] 쉴드(114)는 카트리지 프레임(112)의 외부 표면에 커플링될 수 있다. 예컨대, 카트리지 프레임(112)의 외부 직경은, 카트리지 프레임(112)과 쉴드(114)의 서로에 대한 축선 방향 이동을 방지하기 위해, 쉴드(114)의 내부 표면 상의 내부 리테이닝 피처(1064)(예컨대, 상보적 스텝 또는 돌출부)와 카트리지 프레임(112)의 외부 표면 상의 외부 리테이닝 피처(1062)(예컨대, 카트리지 프레임(112)의 가변 직경의 스텝)를 짝을 이루어 맞물림함으로써, 쉴드(114)의 내부 직경에 고착된다. 리테이닝 피처들(1062, 1064) 간에 짝을 이루는 것은 스냅 피트, 프레스 피트 또는 인터피어런스 피트 중 하나일 수 있다. 카트리지 프레임(112)과 쉴드(114) 간의 결과적인 인터페이스(1063)는 또한, 2개의 컴포넌트들을 반경 방향으로 정렬/센터링한다. 게다가, 카트리지 프레임(112)이 크림핑을 통해 쉴드(114)의 말단 부분을 수용하도록 구성된 외부 표면 상의 만입부(indentation)(1065)를 포함하여서, 쉴드(114)가 카트리지 프레임(112)에 추가로 고착 및 정렬될 수 있다.
[00156] 일부 실시예들에서, 상기 설명된 리테이닝 피처들(1050-1072)은 스냅 피트, 프레스 피트, 인터피어런스 피트, 크림핑, 마찰 피팅, 글루잉, 세멘팅 또는 용접 중 하나를 통해 그들의 대응하는 리테이닝 피처들과 짝을 이룰 수 있다. 일부 실시예들에서, 리테이닝 피처들(1050-1072)은 예컨대 경화 에폭시 또는 고무로 만들어진 하나 또는 그 초과의 밀봉 o-링들 또는 개스킷들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 리테이닝 피처들(1050-1072)은, 카트리지 팁의 노즐(110), 재킷(111), 쉴드(114) 및/또는 전극(108)이 카트리지 프레임(112)의 하나 또는 그 초과의 채널들과 정렬 및 맞물림할 수 있게 하여서, 이들 채널들은 토치 헤드(102)로부터의 액체 및/또는 가스를 카트리지 프레임(112)을 통해 그리고 카트리지 팁의 원하는 컴포넌트들로 안내할 수 있다. 카트리지 프레임(112)과 카트리지 팁 간의 액체 및 가스 연결들은 상세히 아래에서 설명된다.
[00157] 도 18은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 도 17의 카트리지(104)의 카트리지 프레임(112)의 예시적 설계이다. 카트리지 프레임(112)은 토치 헤드(102)와 카트리지 팁 간에 배치된 일반적으로 원통형 절연체 본체(1100)를 포함한다. 보다 상세하게는, 절연체 본체(1100)는 내부 구역(1106), 외부 측 표면(1108), 메인 채널(1020)을 둘러싸고 형성하는 내부 측 표면(1110), 단부 면(1102)을 갖는 선단 단부(15), 및 단부 면(1104)을 갖는 말단 단부(17)를 포함한다. 도 15에 대해 상기 설명된 카트리지 프레임(112)의 선단 단부(15)는, 토치 헤드(102)의 냉매 튜브(116)로부터 전류 및/또는 냉매 유동(950)을 수용하는 중심 개구(1020a), 토치 절연체(118)로부터 플라즈마 가스 유동(900c)을 수용하기 위한 플라즈마 가스 개구(912a), 토치 절연체(118)로부터 쉴드 가스 유동(868)을 수용하기 위한 쉴드 가스 개구(864a), 및 카트리지(104) 내외로 액체 냉매 유동(950)을 안내하기 위한 4개의 액체 냉매 개구들(968a, 978a, 962a 및 982a)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 이 개구들은 절연체 본체(1100)의 선단 단부(15)의 단부 면(1102) 상에 배치된다. 일부 실시예들에서, 단부 면(1102)은 카트리지(104)의 선단 단부(14)와 실질적으로 동일 평면에 있다. 일반적으로, 이 개구들은, 일단 토치 헤드(102)가 카트리지 프레임(112)의 로킹 피처(1002) 및 토치 절연체(118)의 대응하는 로킹 피처(220)를 통해 미리 정해진 배향으로 카트리지(104)와 정렬되고 이에 연결되면, 토치 절연체(118)의 말단 단부(23) 상의 자신들의 대응하는 개구들과 전기 및/또는 유체 연통하도록 구성된다.
카트리지 내의 전기 연결들
[00158] 일부 실시예들에서, 전극(108)은 카트리지 프레임(112)의 절연체 본체(1100)에 배치된 메인 채널(1020)과 정렬되고 이에 연결된다. 채널(1020)은, 카트리지 프레임(112)의 선단 단부(15)의 단부 면(1102) 상의 개구(1020a)를 카트리지 프레임(112)의 말단 단부(17)의 단부 면(1104) 상의 개구(1020b)에 연결시키기 위해 그것을 통해 연장되는 길이 방향 중심 축선(A)을 따라 절연체 본체(110)의 중심에 배치될 수 있다. 말단 개구(1020b)는 차례로, 전극(108)의 공동(954)에 연결되고 이와 정렬된다(도 2에 도시됨). 위에서 설명된 바와 같이, 그러한 전극 인터페이스는 냉매 튜브(116)가 메인 채널(1020) 내로 삽입되어 토치 헤드(102)의 캐소드(130)로부터 전극(108)의 내부 표면으로 전류(즉, 파일럿 아크 또는 전달된 아크 전류)를 통과시킬 수 있게 한다. 그러한 경우, 전극(108)은 위에서 설명된 바와 같이, 캐소드(130)로부터 전기 절연될 수 있다. 대안의 실시예들에서, 전극(108)은 캐소드(130)로부터 직접적으로 전류를 수용하기 위해 캐소드(130)에 전기적으로 연결된다. 일부 실시예들에서, (즉, 카트리지 프레임(112)의 메인 채널(1020)을 통한 전극(108)과 토치 헤드(102) 간의) 동일한 전극 인터페이스는 토치 헤드(102)가 냉매 튜브(116)의 내측으로부터 전극(118)에 액체 냉매를 유입하게 할 수 있다. 카트리지 프레임(112)의 메인 채널(1020)의 이 액체 냉매 안내 피처는 아래에서 상세히 설명된다.
[00159] 도 19는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 도 17의 카트리지(104)의 전극(108)의 예시적 설계이다. 방사성 인서트(1200)는 방사 표면이 노출되도록 전극(108)의 말단 단부(1202)에 배치될 수 있다. 인서트(1200)는 내부식성 및 높은 열전자 방사율을 포함하는 적절한 물리 특성을 갖는 하프늄 또는 다른 재료들로 제조될 수 있다. 단조, 충격 압출 또는 냉간 성형은 컴포넌트의 기계 가공을 종료하기 이전에 전극(108)을 초기에 형성하기 위해 사용될 수 있다. 전극(108)의 선단 단부(1204)는 카트리지 프레임(112)의 말단 개구(1020b)를 통해 카트리지 프레임(112)의 메인 채널(1020)에 배치되고 이와 정렬될 수 있다. 전극(108)은 적어도 스월 링(150) 및 전극 절연체(754)를 사용하여 카트리지 프레임(112)에 연결될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전극(108)은 전극 절연체(754) 또는 스월 링(150)으로의 연결을 위한 임의의 스레드들을 포함하지 않는다. 위에서 설명된 바와 같이, 그러한 연결은 프레스 피트, 인터피어런스 피트, 크림핑 또는 스냅 피트 중 하나를 통해 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 전극(108)은 (즉, 냉매 튜브(116)를 사용하지 않고) 캐소드(130)로부터 직접적으로 전류를 수용하는데 사용되는 전극보다 짧다. 이러한 경우들에서, 전극(108)은 캐소드(130)를 물리적으로 또는 전기적으로 접촉시킬 필요가 없기 때문에, 전극(108)은 직접-접촉 전극보다 더 짧을 수 있으며, 이를테면, 25%보다 더 짧을 수 있다. 일부 실시예들에서, 전극(108)은 선단 단부(1204)에 o-링 그루브(1205)를 포함하며, 여기서 o-링 그루브(1205)는 전극(108) 및 노즐(110)에 의해 협력적으로 규정되는 플라즈마 챔버/플리넘(109)을 밀봉하는데 사용될 수 있는 o-링을 하우징하도록 구성된다. 그러한 밀봉은 플라즈마 가스 유동(900c)이 전극(108)과 전극 절연체(754)(도 17에 도시됨) 사이에서 이동하는 것을 방지한다.
카트리지에서의 쉴드 가스 연결들
[00160] 일부 실시예들에서, 쉴드(114)와 노즐 재킷(111) 간에 형성된 쉴드 가스 통로(872)는 카트리지 프레임(112)의 절연체 본체(1100)에 배치된 쉴드 가스 채널(864)(도 11a 및 도 11b에 도시됨)과 정렬된다. 쉴드 가스 채널(864)(도 11a 및 도 11b에 도시됨)은 절연체 본체(1100)의 내부 구역(1106)에서 길이 방향 축선(A)에 실질적으로 평행하지만, 길이 방향 중심 축선(A)으로부터 오프셋되게(즉, 길이 방향 축선(A)에 대해 비-동심으로) 연장될 수 있다. 쉴드 가스 채널(864)은 카트리지 프레임(112)의 선단 단부(15)의 단부 면(1102) 상의 개구(864a)를 카트리지 프레임(112)의 말단 단부(17)의 개구(864b)에 연결시킨다. 일부 실시예들에서, 개구(864b)는 카트리지 프레임(112)의 말단 단부(17)의 단부 면(1104) 상에 배치된다. 대안의 실시예들에서, 길이 방향 축선(A)을 따른 개구(864a)에 대해 멀리 있는 쉴드 가스 채널(864)의 개구(864b)는 카트리지 프레임 본체(1100)의 외부 측 표면(1108) 또는 내부 측 표면(1110) 상에 배치된다(즉, 채널(864)은 길이 방향으로 본체(1100)의 전체 길이를 통해 연장되지 않음). 개구(864b)는 차례로, 쉴드 가스 유동(868)이 토치 헤드(102)로부터 카트리지(104)의 카트리지 프레임(112)을 통해 쉴드 가스 통로(872)로 통과할 수 있게 하는 쉴드 가스 통로(872)(도 11a 및 도 11b에 도시됨)에 차례로 유동적으로 연결된다. 일부 실시예들에서, 쉴드 가스 채널(864)은 그 안의 쉴드 가스 유동(868)에 대한 계량 기능을 제공하도록 구성된다. 예컨대, 쉴드 가스 채널(864)의 직경은 계량 기능을 제공하기 위해 채널의 길이에 걸쳐 변할 수 있다. 카트리지 프레임(112)의 말단 단부(17)의 쉴드 가스 채널(864)의 직경은 쉴드 가스 유동(868)의 유량을 감소시키기 위해 카트리지 프레임(112)의 선단 단부(15)의 쉴드 가스 채널(864)의 직경의 대략 절반일 수 있다.
[00161] 일부 실시예들에서, 카트리지 프레임(112)은 그 안의 쉴드 가스 유동(868)의 하나 또는 그 초과의 특징들을 조정하기 위해 쉴드 가스 채널(864)의 경로에 하나 초과의 컴포넌트들을 포함한다. 예컨대, 카트리지 프레임(112)은 조정 컴포넌트, 이를테면, 배플(1112) 및 쉴드 스월 링(1114)을 포함하는 2-피스 컴포넌트를 포함할 수 있다. 도 17에 도시된 바와 같이, 배플(1112) 및 쉴드 스월 링(1114)은 말단 단부(17)에서 카트리지 프레임(112)의 절연체 본체(1100) 내에 둘레 방향으로 배치되고, 2개의 컴포넌트들은 쉴드 가스 채널 개구(864b)의 경로 내에 있어서, 이들은 소정의 유동 파라미터들을 조정하고, 쉴드 가스 유동(868)이 카트리지 프레임(112)에서 쉴드 가스 통로(872)로 나올 때 쉴드 가스 유동(868)으로 스월링 모션을 유입한다. 이들 2개의 별개의 컴포넌트들(1112, 1114)의 사용은, 오퍼레이터들이 배플들 및 쉴드 스월 링들의 상이한 조합들을 사용하여 상이한 타입들의 쉴드 가스 유동들을 개발할 수 있으므로, 제조 및 조립 이점들을 제공한다.
[00162] 도 20은 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 도 17의 카트리지(104)의 카트리지 프레임(112)에 어태치된 배플(1112) 및 쉴드 스월 링(1114)의 횡단면도이다. 일부 실시예들에서, 배플(1112) 또는 쉴드 스월 링(1114) 중 적어도 하나는 비-전도성 재료, 이를테면, Torlon™로 제조된다. 일부 실시예들에서, 배플(1112) 또는 쉴드 스월 링(1114) 중 적어도 하나는 전도성 재료로 제조된다. 배플(1112) 및 쉴드 스월 링(1114)은 성형, 스탬핑 또는 다이 캐스팅을 통해 개별적으로 제조될 수 있다.
[00163] 도시된 바와 같이, 배플(1112)은, 쉴드 가스 유동(868)이 멀리 이동할 때 그것이 배플(1112)에 의해 먼저 조절되고 이어서 쉴드 스월 링(1114)에 의해 조절되도록 쉴드 스월 링(1114)에 대한 선단에 위치된다. 다른 실시예들에서, 배플(1112) 및 쉴드 스월 링(1114)의 포지션이 반전된다. 배플(1112)은 카트리지 프레임(112)의 절연체 본체(1100) 내에, 이를테면, 절연체 본체(1100)의 말단 단부(17)에서 공동(1116) 내에 둘레 방향으로 배치될 수 있다. 배플(1112)은 인터피어런스 피트 또는 프레스 피트 중 하나에 의해 공동(1116)에 고착될 수 있다. 배플(1112)은, 반경 방향 부분(1120)이 공동(1116)의 폭(1122)의 일 부분을 커버하지만 반경 방향 부분(1120)의 외부 직경과 공동(1116)의 내부 표면 간의 반경 방향 간극(1124)을 남기도록 하는 각도로 길이 방향 부분(1118) 및 길이 방향 부분(1118)에 연결된 반경 방향 부분(1120)을 포함한다. 쉴드 가스 채널(864) 내의 쉴드 가스 유동(868)은 배플(1112)에 의해 분산되어 반경 방향 간극(1124)을 통해 그것의 외부 직경 주위로 균등하게 유동하고 스월 링(1114) 내로 유동하도록 적응된다. 반경 방향 간극(1124)은 쉴드 가스 유동(868)의 적어도 하나의 파라미터를 조정하도록 형상이 정해지고 치수가 정해진다. 예컨대, 반경 방향 간극(1124)은 쉴드 가스 유동(868)의 유량 및/또는 유체 압력을 조정할 수 있다. 일부 실시예들에서, 반경 방향 간극(1124)의 크기를 증가시키는 것은 쉴드 가스 유동(868)의 유량을 증가시키며, 이 경우, 플라즈마 아크 토치 시스템은 그에 따라서 정압(constant pressure)을 유지하도록 조정할 수 있다. 일부 실시예들에서, 반경 방향 간극(1124)의 크기를 증가시키는 것은 가스 압력을 감소시키며, 이 경우, 플라즈마 아크 토치 시스템은, 그에 따라서, 일정한 유량을 유지하도록 조정할 수 있다.
[00164] 쉴드 스월 링(1114)은 그것이 배플(1112)에 관해 멀리 있도록 인터피어런스 피트 또는 프레스 피트 중 적어도 하나에 의해 공동(1116)의 적어도 일 부분으로 삽입될 수 있다. 도 21은 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 쉴드 스월 링(1114)의 횡단면도이다. 쉴드 스월 링(1114)은 스월 링(1114)의 제1 둘레 주위의 제1 세트의 포트들(1126) 및 스월 링(1114)의 제2 둘레 주위의 제2 세트의 포트들(1128)을 규정할 수 있고, 각각의 포트는 카트리지 프레임(112)의 내부 표면을 카트리지 프레임(112)의 외부 표면에 연결시킨다. 제1 세트의 포트들(1126)은 제2 세트의 포트들(1128) 중 그들의 개개의 포트들로부터 오프셋된다. 그러한 오프셋은 이를통해 쉴드 가스 유동(868)에 스월링 모션을 부여한다. 그에 따라서, 배플(1112)과 쉴드 스월 링(1114)의 조합은 그것이 쉴드 가스 채널(864)을 통해 쉴드 가스 통로(872)로 멀리 이동할 때 쉴드 가스 유동(868)의 파라미터들을 조정할 수 있다. 일반적으로, 플라즈마 아크 토치(10) 내의 쉴드 가스 유동(868)은 배플의 간극(1124)의 크기 및/또는 쉴드 스월 링(1114) 내의 제1 세트 및 제2 세트의 포트들(1126, 1128)의 크기들을 변화시킴으로써 구성가능하다.
카트리지에서의 플라즈마 가스 연결들
[00165] 일부 실시예들에서, 전극(108)과 노즐(110) 간에 형성된 플라즈마 가스 통로(918)는 카트리지 프레임(112)의 절연체 본체(1100)에 배치된 플라즈마 가스 채널(912)(도 12a 내지 도 12c에 도시됨)과 정렬된다. 플라즈마 가스 채널(912)(도 12a 내지 도 12c에 도시됨)은 절연체 본체(1100)의 내부 구역(1106)에서 길이 방향 축선(A)에 실질적으로 평행하지만, 길이 방향 축선(A)으로부터 오프셋되게(즉, 길이 방향 축선(A)에 대해 비-동심으로) 연장될 수 있다. 플라즈마 가스 채널(912)은 카트리지 프레임(112)의 선단 단부(15)에서 선단 표면(1102) 상의 개구(912a)를 개구(912b)에 연결시킨다. 일부 실시예들에서, 길이 방향 축선(A)을 따라 개구(912a)에 대해 멀리 있는, 플라즈마 가스 채널(912)의 개구(912b)는 카트리지 프레임 본체(1100)의 내부 측 표면(1110) 상에 배치되며, 중심 채널(1020)과 유체 연통한다. 따라서, 이 구성에서, 플라즈마 가스 채널(912)은 길이 방향으로 카트리지 프레임 본체(1100)의 전체 길이에 걸쳐 연장되지 않는다.
[00166] 도 22는 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 플라즈마 가스 채널(912)의 개구(912b)를 포함하는 다양한 채널 개구들을 예시하는 카트리지 프레임(112)의 사시도이다. 도시된 바와 같이, 개구(912b)는 카트리지 프레임(112)의 중심 구역에서 내부 측 표면(1110) 상에 있고, 개구(912b)는 중심 채널(1020)에 유동적으로 연결된다. 대안의 실시예들에서, 플라즈마 가스 채널(912)은 카트리지 프레임 절연체 본체(1100)의 말단 단부 면(1104) 상에 위치된 개구(912b)를 갖는 카트리지 프레임(112)의 전체 길이에 걸쳐 연장된다. 개구(912b)는 플라즈마 가스 통로(918)에 유동적으로 연결된다. 그러한 연결은, 플라즈마 가스 유동(900c)이 토치 헤드(102)로부터 카트리지 프레임(112)을 통해 플라즈마 가스 통로(918)로 통과할 수 있게 하며, 이는 플라즈마 가스 유동(900c)이 토치(10)에서 중심 노즐 익시트 오리피스(916) 및 중심 쉴드 익시트 오리피스(870)(도 12a 내지 도 12c에 도시됨)를 통해 나오기 전에, 중심 메인 채널(1020)로 병합된다.
[00167] 일부 실시예들에서, 카트리지 프레임(112)은 내부에 플라즈마 가스 흐름(900c)의 하나 또는 그 초과의 특징들을 조정하도록 구성된 플라즈마 가스 채널(912)의 경로에 하나 초과의 컴포넌트들을 포함한다. 예컨대, 카트리지 프레임(112)은 메인 채널(1020) 주위에서 전극 절연체(754)와 노즐(110) 간에 둘레 방향으로 위치된 스월 링(150)을 포함할 수 있다. 스월 링(150)은 말단의 플라즈마 가스 채널 개구(912b)와 정렬될 수 있어서, 스월 링(150)은 그것이 카트리지 프레임(112)의 내부 측 표면(1110) 상에서 플라즈마 가스 채널(912)에서 개구(912b)를 통해 플라즈마 가스 통로(918)로 나올 때 플라즈마 가스 유동(900c)으로 스월링 모션을 유입할 수 있다.
[0168] 도 23은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 도 17의 카트리지(104)의 스월 링(150)의 예시적 설계이다. 도시되는 바와 같이, 스월 링(150)은 플라즈마 아크 토치(10)의 길이 방향 중심 축선(A)을 따라 선단 단부(1174) 및 말단 단부(1172)를 가지는 실질적으로 중공의, 세장형 본체(1170)에 의해 규정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 말단 단부(1172)에서의 스월 링(102)의 중공 본체(1170)는 전극 절연체(754)를 통해 직접적으로 또는 간접적으로 전극(104)의 적어도 일부분을 수용하도록 치수가 정해진다. 일부 실시예들에서, 스월 링(150)은 세장형 본체(1170)의 말단 단부(1172)를 중심으로 배치되는 반경 방향으로, 예컨대, 그 말단 단부(1172)의 둘레 주위에서 이격된 한 세트의 가스 유동 개구들(1176)을 포함한다. 각각의 가스 유동 개구(1176)는 세장형 본체(1170)의 내부 표면으로부터 외부 표면으로 연장할 수 있고, 전극(108)과 노즐(110) 사이의 가스 통로(918)에서 이동하는 플라즈마 가스 유동(900c)에 접선 방향 속도 성분을 부여하도록 배향되며, 이에 의해 가스 유동(900c)이 스월링하는(swirl) 것을 유발시킨다. 이러한 스월(swirl)은 플라즈마 아크를 압축시키는 와류를 생성하고, 전극(108)의 인서트(1200) 상에 아크의 포지션을 안정화한다.
카트리지에서의 냉매 연결들
[0169] 일부 실시예들에서, 전술된 바와 같이, 카트리지 팁(예컨대, 전극(108), 노즐(110) 또는 쉴드(114))의 컴포넌트는 각각, 토치 헤드(102)로부터 액체 냉매 유동을 수용하고 그리고 토치 헤드(102)로 유체 유동의 적어도 일부분을 복귀시키기 위해, 카트리지 프레임(112)의 절연체 본체(1100)에서 적어도 하나의 냉각 채널(예컨대, 채널(1002, 962 또는 978)) 및 적어도 하나의 냉매 복귀 채널(채널(1002, 968, 또는 982))과 정렬될 수 있다. 메인 채널(1002)을 제외하고, 냉각 채널들 및 복귀 채널들의 각각은 길이 방향 중심 축선(A)에 대해 비-동심이고, 길이 방향 축선(A)을 중심으로 비대칭일 수 있다. 일부 실시예들에서, 메인 채널(1002)을 제외하고, 냉각 및 복귀 채널들은 중첩되지 않는다. 즉, 메인 채널(1002)을 제외하고, 냉각 및 복귀 채널들의 각각은 액체 입구 채널 또는 액체 출구 채널이다.
[0170] 일부 실시예들에서, 중심 채널(1020)은, 카트리지 프레임(112)의 말단 단부(17)에서 그 개구(1020b)에 카트리지 프레임(112)의 선단 단부(15)에서 단부 면(1102) 상의 그 개구(1020a)를 연결시키기 위해 카트리지 프레임(112)의 절연체 본체(1100)를 통해 연장한다. 선단 개구(1020a)는 토치 절연체(118)의 메인 채널 개구(132b)와 정렬되고 이에 연결된다. 말단 개구(1020b)는 전극(108)의 캐비티(954)와 정렬되고 이에 연결되며, 이는 냉매 유동(950)이 냉매 튜브(116)의 내측에 있는 동안 카트리지 프레임(112)을 통해, 그리고 전극(108)의 캐비티(954) 내로 토치 헤드(102)로부터 통과하는 것을 허용한다(도 13a 및 도 13b에 도시됨). 이러한 연결은 또한, 냉매 유동(950)이 역방향으로 그리고 메인 채널(1020)을 통해 가깝게 토치 헤드(102)를 향하여 냉매 튜브(116)의 외부 표면을 따라 이동할 수 있도록, 냉매 유동(950)이 캐비티(954)의 말단 단부의 내부 표면 상에서 충돌하는 것을 허용한다(도 13a 및 도 13b에 도시됨). 냉매 튜브(116)의 외부 표면에 걸친 이러한 역방향 냉매 유동은 또한, 냉매 튜브(116)의 말단 단부(742)에 어태치된 루버택 밴드(704)를 실질적으로 냉각시킨다. 일부 실시예들에서, 역방향 냉매 유동은 루버택 밴드(704) 아래에 있는 냉매 튜브(116)의 외부 표면 상의 길이 방향 채널들(744)을 통해 이동할 수 있으며, 이에 의해 냉매 튜브(116)와 전극(108) 간의 압력 강하를 제한한다.
[0171] 일부 실시예들에서, 노즐 재킷(111) 상에 형성될 수 있는 노즐 개구(966)는 카트리지 프레임(112)의 절연체 본체(1100)에 배치되는 제1 냉매 채널(962)과 정렬된다(도 13a 및 도 13b에 도시됨). 노즐 개구(966)는 제1 냉매 채널(962)로부터의 냉매 유동(950)이 노즐(110)의 외부 표면과 노즐 재킷(111)의 내부 표면 간의 노즐 냉매 유동 챔버(965)에 진입하는 것을 허용한다. 제1 냉매 채널(962)(도 13a 및 도 13b에 도시됨)은 절연체 본체(1100)의 내부 구역(1106)에서 길이 방향 축선(A)에 대해 실질적으로 평행하게 연장할 수 있지만, 길이 방향 축선(A)으로부터 오프셋될 수 있다(즉, 길이 방향 축선(A)에 대해 비-동심임). 제1 냉매 채널(962)은, 카트리지 프레임(112)의 선단 단부(15)에서의 단부 면(1102) 상의 개구(962a)를, 길이 방향 축선(A)을 따라 개구(962a)에 대해 멀리 있는 카트리지 프레임(112)의 개구(962b)에 연결시킬 수 있다. 개구(962b)는 그 결과, 노즐 개구(966)에 유체 연결되며, 이는 냉매 유동(950)이 토치 헤드(102)로부터, 카트리지(104)의 카트리지 프레임(112)을 통해 그리고 노즐 냉매 유동 챔버(965) 내로 멀리 이동하는 것을 허용한다(도 13a 및 도 13b에 도시됨).
[0172] 일부 실시예들에서, 제1 냉매 채널(962)의 개구(962b)는 카트리지 프레임 본체(1100)의 내부 측 표면(1110) 상에 배치되고, 중심 채널(1020)과 유체 연통한다. 따라서, 이러한 구성에서, 제1 냉매 채널(962)은 길이 방향으로 카트리지 프레임 본체(1100)의 전체 길이에 걸쳐 연장하지 않는다. 제1 냉매 채널(962)의 개구(962b)는 도 22에서 예시된다. 도시되는 바와 같이, 개구(962b)는 카트리지 프레임(112)의 말단 단부(17)를 향하여 내부 측 표면(1110) 상에 있으며, 그리고 개구(962b)는 중심 채널(1020)에 유체 연결된다. 대안의 실시예들에서, 제1 냉매 채널(962)은 카트리지 프레임 절연체 본체(1100)의 말단 단부 면(1104) 상에 위치되는 개구(962b)를 갖는 카트리지 프레임(112)의 전체 길이에 걸쳐 연장한다. 개구(962b)는 노즐 재킷(111)에서 노즐 개구(966)에 유체 연결된다. 이러한 연결은 2 개의 노즐 컴포넌트들을 냉각시키기 위해 액체 냉매 유동(950)이 토치 헤드(102)로부터, 카트리지 프레임(112)을 통해 노즐(110)과 노즐 재킷(111) 간의 노즐 냉매 유동 챔버(965) 내로 통과하는 것을 허용한다.
[0173] 위에서 설명되는 바와 같이, 노즐 개구(966)는 카트리지 프레임(112)의 제1 냉매 채널(962)과 정렬되도록 구성되어, 냉매 유동(950)이 제1 냉매 채널(962)로부터 노즐 개구(966)를 통해 노즐 냉매 유동 챔버(965) 내로 도입될 수 있다. 노즐 개구(966)는 노즐 재킷(111) 상의 제2 노즐 개구(967)와 유체 연통할 수 있으며, 여기서 2개의 냉매 개구들(966, 967)은 서로로부터 반경 방향으로 오프셋된다(즉, 노즐(110)의 다른 측면들 상에 있음). 냉매 유동(950)은 노즐 개구(966)를 통해 노즐 냉매 유동 챔버(965)에 진입하고, 유동 챔버(965)를 통해 가깝게 유동하고, 챔버(965)의 다른 측 상에 멀리 복귀하고 그리고 제2 개구(967)를 통해 챔버(965)를 나갈 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 개구(967)은 카트리지 프레임(112)에 배치되는 제2 냉매 채널(968)과 정렬되고 이에 연결된다(도 13a 및 도 13b에 도시됨). 제2 냉매 채널(968)은 절연체 본체(1100)의 내부 구역(1106) 내에 길이 방향 축선(A)에 대해 실질적으로 평행하게 연장할 수 있지만, 길이 방향 축선(A)으로부터 오프셋될 수 있다(즉, 길이 방향 축선(A)에 대해 비-동심임). 제2 냉매 채널(968)은 카트리지 프레임(112)의 선단 단부(15)에서의 단부 면(1102) 상의 개구(968a)를, 제2 노즐 개구(967)에 차례로 연결되는, 카트리지 프레임(112)의 말단 단부(17)에서의 개구(968b)에 연결시킨다. 이러한 연결은, 냉매 유동(950)이 노즐 냉매 챔버(965)로부터, 카트리지(104)의 카트리지 프레임(112)을 통해, 그리고 토치 헤드(102) 내로 가깝게 이동하는 것을 허용한다(도 13a 및 도 13b에 도시됨). 일부 실시예들에서, 길이 방향 축선(A)을 따라 개구(968a)에 대해 멀리 있는, 제2 냉매 채널(968)의 개구(968b)는 카트리지 프레임 본체(1100)의 내부 측 표면(1110) 상에 배치된다. 따라서, 노즐 개구들(966, 967)과 협동하여 제1 및 제2 냉매 채널들(962, 968)은 냉매 유동(950)이 노즐 냉매 유동 챔버(965)를 통해 노즐(110) 및 노즐 재킷(111)을 냉각시키는 것을 허용한다.
[0174] 도 24a 및 도 24b는 각각, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 도 17의 비통기식 노즐(110) 및 노즐 재킷(111)의 외형도들이다. 비통기식 노즐(110)은 토치(10)의 길이 방향 축선(A)을 따라 선단 단부/부분(1206), 중간 부분(1208), 및 말단 단부/부분(1210)을 포함한다. 노즐(108)의 말단 단부(1210)는 이온화된 가스 제트와 같은 플라즈마 아크를 절단될 워크피스(도시되지 않음)에 도입하기 위한, 중심에 위치된 노즐 익시트 오리피스(916)를 포함한다. 노즐 재킷(111)은 길이 방향 축선(A)을 따라 선단 단부(1214) 및 말단 단부(1216)를 규정하는 실질적으로 중공 본체(1212)를 포함한다. 노즐(110)은, 노즐(108)의 말단 단부(1210)가 노즐 재킷(111)의 말단 단부(1216)의 개구를 통해 연장하도록 노즐 재킷(111)의 중공 본체(1212) 내로 삽입되도록 적응된다.
[0175] 일부 실시예들에서, 노즐 재킷(111)은 그 선단 단부(1214)에서 노즐 개구들(966, 967)을 포함하며, 여기서 각각의 개구는 노즐 재킷 본체(1212)의 내부 표면에 외부 표면을 연결시킨다. 개구들(966, 967)은 노즐 재킷(111)의 실질적으로 반대 측들 상에 배향될 수 있다(예를 들어, 서로 약 180도임). 일부 실시예들에서, 노즐(111)의 중간 부분(1208)의 외부 표면 및 노즐 재킷(111)의 상응하는 내부 표면은 노즐 냉매 유동 챔버(965)를 협동하여 규정한다. 유동 챔버(965)는 거의, 노즐(110)과 노즐 재킷(111)의 중간에 길이 방향 축선(A)을 따라 그리고/또는 이들의 가장 넓은 반경 방향 섹션들에서 위치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 노즐(110)의 말단 부분(1210)은 노즐 재킷(111)의 말단 단부(1216)에서 개구를 통해 위치되는 노즐(110) 주위에 둘레 방향 유동 채널(1218)(즉, 유동 채널은 노즐(110) 주위에 약 360도로 연장함)을 포함한다. 둘레 방향 채널(1218)은 냉매가 노즐(110)의 팁의 외부 표면에 걸쳐 유동하는 것을 허용하며, 이에 의해 토치 동작 동안 노즐 팁의 대류 냉각을 촉진시키고 그리고 유동하는 액체의 고임(stagnation)을 감소시킨다. 둘레 방향 유동 채널(1218)은 노즐(110)의 곡선형 표면에 의해 적어도 부분적으로 규정될 수 있다.
[0176] 동작시, 냉각 유체 유동(950)은 노즐 재킷(111)의 일 측 상에서 개구(966)를 통해 유동 챔버(965)에 진입할 수 있다. 냉각 유체 유동(950)은 유동 챔버(965)의 일 측 상에 길이 방향으로 둘레 방향 유동 채널(1218)을 향하여 멀리 이동할 수 있다. 둘레 방향 유동 채널(1218)에 도달할 때, 냉매 유동(950)은 노즐 팁을 중심으로 스월링할 수 있고, 말단 유동에 대해 실질적으로 반대에(예컨대, 약 180도로) 있는 노즐(110)의 다른 측 상에 가깝게 복귀할 수 있다. 복귀 유동(950)은 노즐 냉매 유동 챔버(965)로부터 개구(967)을 통해 카트리지 프레임(112)으로 나갈 수 있다.
[0177] 일부 실시예들에서, 쉴드(114)의 내부 표면은 카트리지 프레임(112)의 절연체 본체(1100)에 배치되는 제3 냉매 채널(978)과 유체 연통한다(도 13a 및 도 13b에 도시됨). 제3 냉매 채널(978)은 절연체 본체(1100)의 내부 구역(1106)에 길이 방향 축선(A)에 대해 실질적으로 평행하게 연장할 수 있지만, 길이 방향 축선(A)으로부터 오프셋될 수 있다(즉, 길이 방향 축선(A)에 대해 비-동심임). 제3 냉매 채널(978)은 카트리지 프레임(112)에서 선단 단부(15)에서의 단부 면(1102) 상의 개구(978a)를 길이 방향 축선(A)을 따라 개구(978a)에 대해 멀리 있는, 카트리지 프레임(112)의 개구(978b)에 연결시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 제3 냉매 채널(978)의 개구(978b)는 카트리지 프레임 본체(1100)의 외부 측 표면(1108) 상에 배치된다. 따라서, 이러한 구성에서, 제3 냉매 채널(978)은 길이 방향으로 카트리지 프레임 본체(1100)의 전체 길이에 걸쳐 연장하지 않는다. 제3 냉매 채널(978)의 개구(978b)는 도 22에서 예시된다. 도시되는 바와 같이, 개구(978b)는 카트리지 프레임(112)의 중간 부분의 외부 측 표면(1108) 상에 있다. 대안의 실시예들에서, 제3 냉매 채널(978)은 카트리지 프레임 절연체 본체(1100)의 말단 단부 면(1104) 상에 위치되는 개구(978b)를 갖는 카트리지 프레임(112)의 전체 길이에 걸쳐 연장한다. 개구(978b)는 쉴드(114)의 내부 표면에 유동적으로 노출될 수 있으며, 이는 냉매 유동(950)이 토치 헤드(102)로부터, 카트리지(104)의 카트리지 프레임(112)을 통해 그리고 쉴드(114) 내로 멀리 이동하는 것을 허용한다(도 13a 및 도 13b에 도시됨).
[00178] 일부 실시예들에서, 도 22에 도시된 바와 같이, 카트리지 프레임(112)의 중간 섹션의 외부 측 표면(1108)은 카트리지 프레임(112)에 대한 둘레 방향 유동 채널(1220)(즉, 카트리지 프레임(112) 주변에서 대략 360도 연장되는 유동 채널)을 규정한다. 둘레 방향 채널(1220)은 제3 냉매 채널(978)의 개구(978b)에 유동적으로 연결된다. 둘레 방향 채널(1220)은 쉴드(114)의 내부 둘레와 협동하여, 냉매 유동(950)이 이를 통해 유동하도록 허용하는 (도 13b에 도시된) 쉴드 냉매 유동 구역(1222)을 형성하며, 그에 의해, 쉴드(114)의 내부 둘레를 냉각시킨다. 일부 실시예들에서, 둘레 방향 채널(1220)은, 카트리지 프레임(112)의 외부 측 표면(1108) 상에 또한 위치될 수 있는 카트리지 프레임(112)의 제4 냉매 채널(982)의 개구(982b)와 유체 연통한다. 개구(982b)는 길이 방향 축선(A)을 따라 개구(982a)에 대해 멀리 있다. 개구들(978b, 982b)은, 그들이 카트리지 프레임(112)의 반대 측면들 상에 있도록 서로에 대해, 이를테면 180도만큼 반경 방향으로 오프셋될 수 있다. 제4 냉매 채널(982)은 길이 방향 축선(A)과 실질적으로 평행하게 연장되지만, 길이 방향 축선(A)으로부터 오프셋될 수 있다(즉, 길이 방향 축선(A)에 대해 비-동심임). 제4 냉매 채널(982)은 카트리지 프레임(112)의 선단 단부(15)에서 단부 면(1102) 상의 개구(982a)를 개구(982b)에 연결하도록 적응된다.
[00179] 동작시, 냉매 유동(950)은 제3 냉매 채널(978)의 개구(978b)를 통해 쉴드(114)로 멀리 이동할 수 있다. 쉴드 냉매 유동 구역(1222)(즉, 카트리지 프레임(112)의 외부 측 표면(1108) 상의 둘레 방향 유동 채널(1220) 및 쉴드(114)의 대응하는 내부 둘레에 의해 규정됨)으로 진입할 시에, 냉매 유동(950)은 쉴드 냉매 유동 구역(1222)을 중심으로 스월링하고, 말단 유동의 실질적으로 반대(예컨대, 대략 180도)인 쉴드 냉매 유동 구역(1222)의 다른 측 상에 가깝게 복귀할 수 있다. 복귀 유동(950)은 제4 냉매 채널(982)의 개구(982b)를 통해 쉴드 냉매 유동 구역(1222)을 카트리지 프레임(112)으로 내보낼 수 있다.
[00180] 도 25는 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 도 17의 카트리지(104)의 쉴드(114)의 단면도이다. 쉴드(114)는, 중심에 위치된 쉴드 익시트 오리피스(870)를 포함하는 실질적으로 중공 본체, 및 선택적으로는 쉴드(114)의 내부 표면으로부터 외부 표면으로 연장되는 하나 또는 그 초과의 가스 통기 홀들(도시되지 않음)을 포함한다. 쉴드(114)는 구리를 사용하여 냉간 성형되거나 또는 스탬핑될 수 있다.
[00181] 일반적으로, 카트리지 프레임(112)의 선단 단부(15)를 참조하면, 제1 냉매 채널 개구(962a)는 노즐(110)에 대한 냉매 입구로서 기능할 수 있고, 제2 냉매 채널 개구(968a)는 노즐(110)로부터의 냉매 출구로서 기능할 수 있고, 제3 냉매 채널 개구(978a)는 쉴드(114)에 대한 냉매 입구로서 기능할 수 있으며, 그리고 제4 냉매 채널 개구(982a)는 쉴드(114)로부터의 냉매 출구로서 기능할 수 있다. 일부 실시예들에서, 토치 헤드(102)가 카트리지(104)에 커플링될 때, 노즐(110)로부터의 냉매 출구로서 기능하는 제2 냉매 채널 개구(968a)는 쉴드(114)에 대한 냉매 입구로서 기능하는 제3 냉매 채널 개구(978a)에 유동적으로 연결된다. 자세하게는, 도 13a 및 도 13b를 참조하여 위에서 설명된 바와 같이, 토치 절연체(118)의 내부 개구들(972, 974)을 연결하는 토치 절연체(118)의 분배 채널은, 노즐 및 쉴드 둘 다를 냉각시키기 위해 제2 냉매 채널(968)로부터 제3 냉매 채널(978)로 냉매 유동(950)을 지향시킬 수 있다.
[00182] 일부 실시예에서, 액체 냉매 채널 개구들(962a, 968a, 978a, 982a), 플라즈마 가스 채널 개구(912a), 쉴드 가스 채널 개구(864a), 및 메인 채널 개구(1020a) 중 하나 또는 그 초과는 토치 절연체(118)의 선단 단부(21)의 단부 면(1102) 상에 배치되며, 여기서, 단부 면은 실질적으로 평탄할 수 있다. 이들 개구들은 메인 채널 개구(1020a)를 제외하고, 길이 방향 중심 축선(A)에 대해 선단 단부 면(1102) 상에 비-동심으로 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 카트리지 프레임(112)의 냉매 채널들(962, 968, 978, 982), 플라즈마 가스 채널(912), 및 쉴드 가스 채널(864) 중 하나 또는 그 초과는 길이 방향 중심 축선(A)에 대해 비-동심이다.
카트리지의 RFID 통신
[00183] 일부 실시예들에서, 카트리지 프레임(112)은 토치 헤드(102)와 카트리지 팁 간의 통신 인터페이스(예컨대, RFID 통신 인터페이스)를 형성한다. 도 17을 참조하면, 카트리지 프레임의 절연체 본체(1100)는 카트리지 프레임(112)의 선단 단부(15)의 단부 면(1102)에 인접하여 카트리지 프레임(112) 상에 또는 그 내에 형성된 RFID 장착 피처(1230)를 포함한다. 예컨대, 장착 피처(1230)는 단부 면(1102)으로부터 카트리지 프레임 본체(1110)에 배치된 공동일 수 있다. RFID 장착 피처(1230)(예컨대, 공동)은 카트리지 프레임(112)의 내부 구역(1106)에 배치될 수 있으며, 길이 방향 중심 축선(A)에 대해 비-동심 방식으로 배치/배향될 수 있다.
[00184] 신호 디바이스(160)는 카트리지(104)에 대한(예컨대, 전극(108), 노즐(110), 쉴드(114) 및/또는 카트리지 프레임(112) 그 자체에 대한) 정보를 인접한 판독기 디바이스, 이를테면, 토치 헤드(102)가 카트리지(104)에 커플링될 때 토치 절연체(118)의 통신 디바이스(122)에 송신하도록 장착 피처(1230) 내에 또는 그 상에 배치될 수 있다. 예컨대, 신호 디바이스(160)는 공동(1230)에 매립되고, 카트리지 프레임 본체(1100)의 절연체 재료에 의해 둘러싸일 수 있다. 신호 디바이스(160)는 전기적으로 기입 가능 및/또는 판독 가능 RFID 태그일 수 있다. 신호 디바이스(160) 상에 인코딩된 예시적인 정보는 일반적인 또는 고정된 정보, 이를테면, 컴포넌트의 이름, 상표, 제조자, 일련 번호, 및/또는 타입을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 인코딩된 정보는 컴포넌트, 이를테면, 컴포넌트의 금속 조성, 컴포넌트의 중량, 컴포넌트가 제조되었던 날짜, 시간 및/또는 위치 등에 대해 고유하다. 신호 디바이스(160)에 대해 인코딩된 정보는 또한, 컴포넌트의 검출 가능한 물리 특징과 독립적인, 컴포넌트에 대한 동작 파라미터들 및/또는 데이터를 특정할 수 있다. 신호 디바이스(160)는 RFID 태그 또는 카드, 바 코드 라벨 또는 태그, 집적 회로(IC) 플레이트 등일 수 있다.
[00185] 일부 실시예들에서, 카트리지 프레임(112)의 선단 단부(15)의 단부 면(1102)은 실질적으로 평탄하다. 이러한 구성에서, 만약 카트리지(104)가 토치 헤드(102)에 커플링되지 않는다면, 오퍼레이터는, 신호 디바이스(160)에 질의하고 신호 디바이스(160) 상에 저장된 정보를 추출하기 위해 실질적으로 평탄한 단부 면(1102)에 대해 평평하게 판독기, 이를테면 핸드헬드 디바이스 상에 설치된 RFID 판독기를 배치할 수 있다. 따라서, 카트리지 프레임(112)은, 카트리지 프레임(112) 내에 또는 그 상에 장착된 신호 디바이스(160)가 (예컨대, 토치 헤드(102)의 통신 디바이스(122)에 의해) 플라즈마 아크 토치(10)의 내측 또는 (예컨대, 외부 판독기에 의해) 플라즈마 아크 토치(10) 외측으로부터 판독가능하도록 구성될 수 있다.
[00186] 본 발명의 다른 양상에서, 토치 헤드(102)는 통기식 노즐을 포함하는 카트리지에 커플링될 수 있으며, 이러한 경우, 토치 헤드(102)는, 그 헤드가 비통기식 카트리지(104)에 대해 제공하는 것과 실질적으로 동일한 기능들을 여전히 제공한다. 도 26은 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 도 1의 플라즈마 아크 토치(10)의 토치 헤드(102)와 양립 가능한 예시적 통기식 카트리지(1300)이다. 통기식 카트리지(1300)의 카트리지 프레임(1302)은, 카트리지 프레임(1302)이 토치 헤드(102)와 카트리지 팁의 컴포넌트들(전극(1308), 노즐 라이너(1311)에 커플링된 통기식 노즐(1310), 및 쉴드(1314)를 포함함) 간에 동일한 인터페이스를 유지하도록 비통기식 카트리지(104)의 카트리지 프레임(112)과 구성 및/또는 재료 조성물에서 실질적으로 동일할 수 있다. 예컨대, 전극(1308)은 비통기식 카트리지(104)의 전극(108)과 실질적으로 동일할 수 있으며, 전극(1308)은 카트리지 프레임(112)에 대한 전극(108)을 부착하는 것과 동일한 방식으로 카트리지 프레임(1302)에 부착될 수 있다. 쉴드(1314)는 비통기식 카트리지(104)의 쉴드(114)와 실질적으로 동일할 수 있으며, 쉴드(1314)는 카트리지 프레임(112)에 쉴드(114)를 부착하는 것과 동일한 방식으로 카트리지 프레임(1302)에 부착될 수 있다.
[00187] 노즐 라이너(1311)는 통기식 노즐(1310)의 내부 표면에 배치되어 부착될 수 있다. 노즐 라이너(1311) 및 노즐(1310) 각각은, 노즐 라이너(1311) 및 노즐(1310)이 카트리지 프레임(1302)에 대해 축선 방향 및 반경 방향으로 정렬되도록 카트리지 프레임(1302)에 직접적으로 부착될 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 26에 예시된 바와 같이, 통기식 카트리지(1300)의 스월 링(1316)의 내부 표면과 전극(1308)의 외부 표면 간의 반경 방향 거리(1360)는 대략 0.08 인치이다. 일부 실시예들에서, 전극(108)의 외부 표면과 노즐 라이너(1311)의 내부 표면 간의 가장 가까운 브레이크다운 갭 거리(1362)는 대략 0.05 인치이다.
[00188] 도 27a 및 도 27b는 각각, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 도 26의 카트리지(1300)의 노즐 라이너(1311) 및 통기식 노즐(1310)의 외형도들이다. 도 27b에 도시된 바와 같이, 통기식 노즐(1310)은 토치(10)의 길이 방향 축선(A)을 따라 선단 단부/부분(1326) 및 말단 단부/부분(1328)을 갖는 실질적으로 중공 본체를 포함한다. 노즐(1310)의 말단 단부(1328)는 플라즈마 아크, 이를테면 이온화된 가스 제트를 절단될 워크피스(도시되지 않음)에 도입하기 위한 중심에 위치된 노즐 익시트 오리피스(1332)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 노즐(1310)은, 선단 단부(1326)에 위치된 노즐(1310)의 외부 표면에 대한 둘레 방향 냉매 채널(1339)(즉, 노즐(110)에 대해 대략 360도 연장되는 유동 채널)을 포함한다. 둘레 방향 채널(1339)은, 액체 냉매가 노즐(1310)의 외부 표면 위에서 스월링 패턴으로 유동하게 하며, 그에 의해, 대류 냉각을 촉진하고 유동 액체의 고임(stagnation)을 감소시킨다.
[00189] 도 27a에 도시된 바와 같이, 노즐 라이너(1311)는 길이 방향 축선(A)을 따라 선단 단부(1334) 및 말단 단부(1336)를 규정하는 실질적으로 중공 본체를 포함한다. 노즐 라이너(1311)는 말단 단부(1336)에서 중심 개구(1338), 및 중심 개구(1338) 주변에서 라이너(1311)의 외부 표면 상에 길이 방향으로 배향된 하나 또는 그 초과의 플라즈마 가스 채널(1337)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 노즐 라이너(1311)는, 통기식 플라즈마 가스 유동이 노즐 라이너(1311)의 내부 표면으로부터 외부 표면으로 이동하는 것을 허용하기 위해 자신의 선단 단부(1334)에 하나 또는 그 초과의 통기 홀들(1346)을 포함한다. 통기 홀들(1346)은 하나 또는 그 초과의 유동 파라미터들을 제어하기 위해 적절히 계량될 수 있다. 노즐 라이너(1311)는, 노즐(1310)의 말단 부분(1326)의 개구로부터 노즐(1310)의 중공 본체에 배치되도록 적응된다. 노즐 라이너(1311)는 노즐(1310)에 대해 반경 방향으로 정렬/센터링될 수 있다. 일단 노즐 라이너(1311)가 노즐(1310)에 배치되면, 중심 개구(1338)는 노즐 익시트 오리피스(1332)와 유체 연통할 수 있다. 노즐 라이너(1311)의 말단 단부(1334)는, 통기 홀들(1346)이 노즐(1310)에 의해 방해받지 않도록 노출될 수 있다.
[00190] 일부 실시예들에서, 통기식 카트리지(1300)를 통한 쉴드 가스 유동은 비통기식 카트리지(104)를 통한 쉴드 가스 유동(868)과 실질적으로 동일하다. 일부 실시예에서, 카트리지 프레임(1302)을 통한 플라즈마 가스 유동은 카트리지 프레임(112)을 통한 플라즈마 가스 유동(900c)과 동일하다. 플라즈마 가스 유동이 카트리지 프레임(112)으로부터 나온 이후의 플라즈마 가스 유동 경로가 도 26에 예시된다. 카트리지 프레임(112)의 플라즈마 가스 유동 경로(900b)와 실질적으로 동일하게, 스월 링(1316)은, 플라즈마 가스 유동(1340)이 카트리지 프레임(1302)을 나오도록 멀리 유동할 때, 플라즈마 가스 유동(1340)에 스월링 모션을 도입하도록 구성될 수 있다. 이어서, 플라즈마 가스 유동(1340)은, 전극(1308), 노즐 라이너(1311) 및 노즐(1310)에 의해 협동적으로 규정된 플리넘(1342)에 도달하기 위해 전극(1308)과 노즐 라이너(1311) 간에 멀리 이동한다. 플라즈마 가스 유동(1340)은, 플리넘(1342), 노즐 라이너(1311)의 중심 개구(1338), 중심 노즐 익시트 오리피스(1332) 및 중심 쉴드 익시트 오리피스(1344)를 통해 이동함으로써 플라즈마 아크 토치(10)를 나갈 수 있다. 플리넘(1342)의 플라즈마 가스 유동(1340)의 작은 부분(1341)은 라이너(1311)의 외부 표면과 노즐(1310)의 내부 표면 간의 하나 또는 그 초과의 플라즈마 가스 채널들(1337)을 통해 멀리 통기될 수 있다.
[00191] 플라즈마 가스 유동(1341)이 라이너(1311)와 노즐(1310) 간에 멀리 이동할 때, 그 플라즈마 가스 유동은 노즐 라이너(1311)의 선단 단부(1324)에 도달하고, 선단 단부(1324)에서 통기 홀(1346)을 통해 노즐 라이너(1311)를 나갈 수 있으며, 이는, 노즐 라이너 본체(1311)의 내부 표면을 노즐 라이너 본체(1311)의 외부 표면에 연결시킨다. 통기 홀(1346)은, 카트리지 프레임(1302)의 내부 측 표면과 카트리지 프레임(1302)의 외부 측 표면을 연결하기 위해 카트리지 프레임(1302)의 본체에서 반경 방향으로 배향되는 통기 채널(1348)과 유체 연통하도록 적응되며, 이는 차례로, 대기에 노출된다. 일부 실시예들에서, 유사한 통기 채널은, 동일한 카트리지 프레임이 통기식 및 비통기식 카트리지 설계 둘 다에서 사용가능하도록 비통기식 카트리지(112)에 대한 카트리지 프레임(112)의 절연체 본체(1100)에 구성될 수 있다. 따라서, 말단 플라즈마 가스 유동(1341)은, 카트리지 프레임(1302)의 본체에 배치된 통기 채널(1348)로 진입하기 위해 통기 홀(1346)을 통해 노즐(1310)을 나갈 수 있다. 말단 플라즈마 가스 유동(1341)은, 카트리지 프레임(1302)의 내부 측 표면으로부터 외부 측 표면으로 통기 채널(1348)을 따르게 함으로써 대기로 통기될 수 있다. 일부 실시예들에서, 만약 리테이닝 캡(120)이 토치 헤드(102)에 카트리지 프레임(1302)을 연결하는데 사용되면, 리테이닝 캡(120)의 본체에 배치된 통기 홀은, 말단 플라즈마 가스 유동(1341)이 토치(10)로부터 탈출하는 것을 허용하기 위해 카트리지 프레임의 통기 채널(1348)과 정렬될 수 있다. 일반적으로, 플라즈마 가스 유동(1341)이 토치 헤드(102) 대신에 카트리지(1300)로부터 통기되게 허용함으로써, 플라즈마 가스 유동(1341) 내의 오존은 그렇지 않으면, 토치(10)를 파괴하지 않을 것인데, 왜냐하면, 토치 헤드(102)는 반복적으로 사용될 수 있는 더 내구성있는 컴포넌트인 반면, 카트리지(1300)는 정기적으로 (예컨대, 대략 2-20 시간의 동작마다, 이를테면 대략 8 시간의 동작마다) 교체되거나 또는 각각의 사용 이후 교체될 수 있는 소모품 컴포넌트이기 때문이다.
[00192] 일부 실시예들에서, 카트리지 프레임(1302)을 통한 냉매 유동은 실질적으로 카트리지 프레임(112)을 통한 액체 냉매 유동(950)과 동일하다. 통기식 카트리지(1300)에서, 냉매 유동은 동일한 냉매 채널들 및 통로들/유동 구역들을 사용하는 비통기식 카트리지(104)에 대한 냉매 유동(950)과 실질적으로 동일한 방식으로 전극(1308) 및 쉴드(1314)를 냉각할 수 있다. 예컨대, 통기식 카트리지(1300)의 전극(1308)을 냉각하는 것은 전극(108)의 공동(954)에 연결된 메인 냉매 채널(1002)을 사용함으로써 비통기식 카트리지(104)의 전극(108)을 냉각하는 것과 동일할 수 있다. 다른 예로서, 통기식 카트리지(1300)의 쉴드(1314)를 냉각하는 것은 쉴드(114)의 쉴드 냉매 유동 구역(1222)에 연결된 제3 및 제4 냉매 채널들(978, 982)을 사용함으로써 비통기식 카트리지(104)의 쉴드(114)를 냉각하는 것과 동일할 수 있다.
[00193] 통기식 카트리지(1300)의 통기식 노즐(1310)을 냉각하기 위해, 카트리지 프레임(1302)을 통한 냉매 유동은 제1 및 제2 냉매 채널들(962, 968)을 걸친 카트리지 프레임(1통기식 카트리지(1300)의 통기식 노즐(1310)을 냉각하기 위해, 카트리지 프레임(1302)을 통한 냉매 유동은 제1 및 제2 냉매 채널들(962, 968)을 걸친 카트리지 프레임(112)을 통한 액체 냉매 유동(950)과 실질적으로 동일하다. 카트리지 프레임(112)으로부터 나온 후 통기식 노즐(1310)을 향한 냉매 유동 경로는 도 26에 예시된다. 도시된 바와 같이, 카트리지 프레임(1302)의 내부 측 표면상에 위치된 제1 냉매 채널(962)의 개구(962b)는 카트리지 프레임(1302)의 내부 구역으로부터 중심 메인 채널(1351)(예컨대 카트리지 프레임(112)의 메인 채널(1020)과 동일함)로 냉매 유동(1350)을 안내한다. 냉매 유동(1350)은 카트리지(1302)로부터 메인 채널(1351)을 통해, 노즐(1310)의 외부 표면상의 둘레 방향 채널(1339)과 쉴드(1314)의 내부 표면 간에 규정된 노즐 냉매 유동 구역(1352)으로 멀리 이동할 수 있다. 예컨대, 제1 냉매 채널(962)의 개구(962b)는 둘레 방향 채널(1339)(및 노즐 냉매 유동 구역(1352))과 유체 연통할 수 있어서, 카트리지 프레임(1302)으로부터 노즐 냉매 유동 구역(1352)으로의 냉매 유동(1350)을 노즐(1310)의 측 표면으로부터 중앙으로 안내한다. 냉매 유동(1350)은 노즐 냉매 유동 구역(1352)의 측 표면에 걸쳐 길이 방향으로 둘레 방향 유동 채널(1339)을 향해 멀리 이동할 수 있다. 둘레 방향 유동 채널(1339)에 도달할 때, 냉매 유동(1350)은 노즐(1310)을 중심으로 스월링할 수 있고 말단 유동의 실질적으로 반대 측(예컨대, 약 180도)의 노즐(1310)의 다른 측 상에 가깝게 복귀한다. 둘레 방향 유동 채널(1339)은 또한 제2 냉매 채널(968)의 개구(968b)와 유체 연통할 수 있어서, 복귀 유동(1350)은 노즐 냉매 유동 지역(1352)으로부터 나가서 제2 냉매 채널(968)의 개구(968b)를 통해 카트리지 프레임(1302)에 진입할 수 있다.
[00194] 일부 실시예들에서, 비통기식 노즐(110)에 대한 냉매 유동(950)과 달리, 통기식 카트리지(1300)에 대한 냉매 유동(1350)은 라이너(1311)와 통기식 노즐(1310) 간의 구역에 진입하지 않는다. 대신, 냉매 유동(1350)은 라이너(1311)에 대해 멀리 이격된 노즐(1310)의 외부 둘레로 유동한다.
[00195] 일반적으로, 비통기식 카트리지(104)에 대한 카트리지 프레임(112)과 통기식 카트리지(1300)에 대한 카트리지 프레임(1302)은 동일할 수 있다. 일부 실시예들에서, 동일한 카트리지 프레임은 상이한 타입들의 컴포넌트들을 카트리지 프레임에 정렬하고 어태치함으로써 상이한 타입들의 카트리지들에 사용될 수 있다. 예컨대, 위에서 설명된 바와 같이, 본 발명의 카트리지 프레임은 플라즈마 가스 통기 용량들을 맞춤화하기 위해 통기식 또는 비통기식 노즐에 커플링될 수 있다. 다른 예로서, 상이한 스월 링들(예컨대, 스월 링(150) 또는 스월 링(1316))은 카트리지를 통한 플라즈마 가스 유동의 스월링 패턴을 맞춤화하기 위해 카트리지 프레임에 어태치될 수 있다. 또 다른 예로서, 상이한 배플들(예컨대, 배플(1112)) 또는 쉴드 스월 링들(예컨대, 쉴드 스월 링(1114))은 카트리지를 통한 쉴드 가스 유동의 유동 특징들을 맞춤화하기 위해 카트리지 프레임에 어태치될 수 있다. 따라서, 본 발명의 카트리지 프레임은 소모품 카트리지가 상이한 절단 목적들을 구현하도록 구성가능하고 맞춤화 가능하도록 허용한다.
[00196] 도 28은 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 도 1의 토치 헤드(102)와 양립 가능한 카트리지를 형성하도록 적절하게 구성될 수 있는 다른 예시적 카트리지 프레임(1400)이다. 카트리지 프레임(1400)은 카트리지 프레임(112) 또는 카트리지 프레임(1302)과 실질적으로 동일하다. 주된 차이는, "꽃잎형(flower petal)" 구성을 가지는, 카트리지 프레임(1400)의 선단 단부(1402)의 형상이다. 입구 및 출구 개구들 및 채널들을 포함하는, 카트리지 프레임(1400)의 모든 다른 피처들은 카트리지 프레임(112)의 피처들과 동일하게 계속 유지된다. 카트리지 프레임(112)과 동일하게, 카트리지 프레임(1400)은 절연체 재료, 이를테면 TorlonTM 또는 폴리페닐렌 설파이드로 만들어질 수 있다. 카트리지 프레임(1400)의 선단 단부(1402)의 "꽃잎형" 구성은 카트리지 프레임(1400)이 사출 성형 기법을 사용하여 제조되는 것을 허용하고, 이는 더 적은 질량을 사용하는 것을 포함하여 전통적인 프로세스들과 비교하여 더 빠르고 더 값싼 제조 접근법을 제공하고, 캐비테이션 없이 더 우수하고 더 균등하게 냉각시킨다. 대안의 실시예들에서, 카트리지 프레임(112 또는 1400)은 기계가공될 수 있다.
[00197] 일부 실시예들에서, 노즐 재킷(111) 또는 전극 절연체(754) 중 적어도 하나는 비-전도성 재료, 이를테면 TorlonTM 또는 폴리페닐렌 설파이드로 만들어진다. 전극들(108, 1308), 인서트(1200), 비통기식 노즐(110), 통기식 노즐(1310), 노즐 라이너(1311), 또는 쉴드들(114, 1314) 중 적어도 하나는 전도성 재료, 이를테면 구리 또는 황동으로 만들어질 수 있다. 스월 링들(150, 1316)은 전도성 재료, 이를테면 아연(예컨대 Zamac 3)으로 만들어질 수 있다. 배플(1112) 또는 쉴드 스월 링(1114)의 각각은 절연체 재료 또는 전도성 재료로 만들어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 비통기식 카트리지(104) 또는 통기식 카트리지(1300)의 각각은 적어도 약 50 체적%의 플라스틱으로 구성된다. 일부 실시예들에서, 길이 방향 축선(A)을 따라 카트리지(104 또는 1300)의 전체 길이는 대략 2 인치이고, 길이 방향 축선(A)에 대해 수직인 평면을 따라 카트리지(104 또는 1300)의 가장 큰 직경은 대략 1.7 인치이다.
[00198] 전극들(108, 1308) 및 쉴드들(114, 1314)은 냉간 성형, 스탬핑 또는 기계가공 기법을 사용하여 제조될 수 있다. 비통기식 노즐(110) 또는 통기식 노즐(1310)은 냉간 성형, 스탬핑 또는 드릴링된 피처들(예컨대, 홀들)을 갖는 기계가공을 사용하여 제조될 수 있다. 스월 링들(150, 1316)은 드릴링된 스월 홀들을 갖는 다이 캐스팅, 드릴링된 스월 홀들을 갖는 사출 성형 또는 기계 가공을 사용하여 제조될 수 있다. 배플(1112)은 스탬핑, 다이 캐스팅, 기계가공 또는 성형을 사용하여 형성될 수 있다. 쉴드 스월 링(1114)은 다이 캐스팅, 성형 또는 기계가공을 사용하여 형성될 수 있다. 일반적으로, 제조 비용 및 복잡성을 감소시키기 위해, 카트리지(104 또는 1300)는 VespelTM을 거의 포함하지 않거나 아예 포함하지 않고, 라바(lava)를 거의 포함하지 않거나 아예 포함하지 않고, 알루미늄을 거의 포함하지 않거나 아예 포함하지 않고, 최소 구리 사용량, 및/또는 매우 적은 o-링 그루브들을 포함한다. 추가로, 카트리지들(104, 1300)의 컴포넌트들은 드릴링된 홀들을 최소화하도록 제조된다.
[00199] 일부 실시예들에서, 카트리지(104) 또는 카트리지(1300)는 선단 단부가 평탄하지 않도록 설계되어, 카트리지와 토치 헤드(102) 간의 인터페이스는 또한 평탄하지 않다. 도 29는 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 평탄하지 않은 선단 단부(1452)를 포함하는 예시적 통기식 카트리지(1450)이다. 통기식 카트리지(1450)는 카트리지 프레임(1454) 상에 배치된 돌출하는 말단 부분(1460) 및 단부 면(1458)을 포함할 수 있다. 자세하게는, 돌출하는 말단 부분(1460)은 메인 중심 채널(1456)을 형성하는 카트리지 프레임(1454)의 부분이다. 돌출하는 말단 부분(1460)은 카트리지 프레임(1454)의 내부 구역(1462)의 단부 면(1458)을 넘어 길이 방향 축선(A)을 따라 멀리 연장될 수 있다. 카트리지(1450)의 모든 다른 피처들/기능들은 상기 설명된 통기식 카트리지(1300)와 실질적으로 동일하게 계속 유지될 수 있다.
[00200] 도 30은 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 도 18의 카트리지(104)의 분해도이다. 카트리지(104)를 조립하기 위해, 방사성 인서트(1200)는 전극(108)의 말단 단부(1202)에서 전극(108)으로 먼저 삽입될 수 있다. 이어서, 전극(108)은 전극 절연체(754)의 말단 단부로부터 전극 절연체(754)에 커플링될 수 있다. 예컨대, 전극(108)의 외부 리테이닝 피처들(1066)은 컴포넌트들을 축선 방향으로 정렬하고 인터페이스(1067)를 따라 이들을 반경 방향으로 정렬/센터링하기 위해 전극(754)의 내부 리테이닝 피처들(1068)과 짝을 이루어 맞물림할 수 있다. 결과적인 컴포넌트들은 제1 하위-어셈블리(1502)를 형성하기 위해 스월 링(150)에 커플링될 수 있다. 예컨대, 전극 절연체(754)의 외부 리테이닝 피처(1056)는 컴포넌트들을 축선 방향으로 정렬하고 이들을 인터페이스(1055)를 따라 반경 방향으로 정렬/센터링하도록 스월 링(150)의 내부 리테이닝 피처(1054)와 짝을 이루어 맞물림할 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나 또는 그 초과의 o-링들은 제1 하위-어셈블리(1502)에서 서로에 대해 컴포넌트들(예컨대, 스월 링(150), 전기 절연체(75) 및 전극(108))을 추가로 고착시키기 위해 사용된다. 제2 하위-어셈블리(1504)는 노즐(110)을 노즐 재킷(111)에 부착함으로써 형성될 수 있고, 노즐(110)은 노즐 재킷(111)의 중공 본체에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나 또는 그 초과의 o-링들은 제2 하위-어셈블리(1504)에서 서로에 대해 노즐(110) 및 노즐 재킷(111)을 추가로 고착시키기 위해 사용된다.
[00201] 제1 하위-어셈블리(1502), 제2 하위-어셈블리(1504), 및 쉴드(114)는 카트리지(104)를 형성하기 위해 카트리지 프레임(112)에 직접적으로 어태치될 수 있다. 예컨대, 스월 링(150)의 외부 리테이닝 피처(1052)는 컴포넌트들을 축선 방향으로 정렬하고 이들을 인터페이스(1053)를 따라 반경 방향으로 정렬/센터링하기 위해 카트리지 프레임(112)의 내부 리테이닝 피처(1058)와 짝을 이루어 맞물림할 수 있다. 노즐(110)의 외부 리테이닝 피처(1070)는 컴포넌트들을 축선 방향으로 정렬하고 이들을 인터페이스(1071)를 따라 반경 방향으로 정렬/센터링하기 위해 카트리지 프레임(112)의 다른 내부 리테이닝 피처(1072)와 짝을 이루어 맞물림할 수 있다. 카트리지 프레임(112)의 외부 리테이닝 피처(1062)는 컴포넌트들을 축선 방향으로 정렬하고 이들을 인터페이스(1063)를 따라 반경 방향으로 정렬/센터링하기 위해 쉴드(114)의 내부 리테이닝 피처(1064)와 짝을 이루어 맞물림할 수 있다. 게다가, 쉴드(114)의 말단 단부는 2개의 컴포넌트들을 함께 추가로 고착시키기 위해 카트리지 프레임(112)의 외부 표면상의 만입부(1065)에 크림핑될 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나 또는 그 초과의 o-링들은 카트리지 프레임(112)에 제1 하위-어셈블리(1502), 제2 하위-어셈블리(1504) 및/또는 쉴드(114)의 맞물림을 보조하기 위해 사용된다.
[00202] 본 발명의 다양한 양상들 및 실시예들이 다양한 방식들로 조합될 수 있는 것이 이해되어야 한다. 본 명세서의 교시들에 기반하여, 당업자는 이들 다양한 실시예들을 조합하는 방법을 쉽게 결정할 수 있다. 수정들은 또한 명세서를 읽을 때 당업자들에게 떠오를 수 있다.

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  12. 액체-냉각식 플라즈마 아크 절단 토치용 소모품 카트리지로서,
    카트리지 프레임, 및 카트리지 팁(cartridge tip)을 포함하고,
    상기 카트리지 프레임은:
    전기 절연 재료로 구성된 본체로서, 길이 방향 중심 축선, 선단 부분, 및 말단 부분을 포함하는, 본체;
    상기 본체의 상기 선단 부분에 위치되며, 상기 소모품 카트리지로의 토치 헤드와 맞물리도록 구성되는, 토치 맞물림 인터페이스 표면(torch engagement interface surface)으로서, 토치 맞물림 인터페이스는 상기 카트리지와 상기 토치 헤드 간의 맞물림 시 상기 토치 헤드의 대응하는 개구와 실질적으로 정렬되도록 구성되는 적어도 하나의 유체 개구를 포함하며, 상기 적어도 하나의 유체 개구는 상기 길이 방향 중심 축선에 대해 비-동심인, 토치 맞물림 인터페이스 표면; 및
    상기 본체 내에 위치되며 상기 선단 부분과 상기 말단 부분 사이에서 연장하는 적어도 하나의 유체 채널로서, 상기 적어도 하나의 유체 채널은 상기 토치 맞물림 인터페이스 상의 상기 유체 개구와 연통하고, 상기 적어도 하나의 유체 채널의 축선은 상기 길이 방향 중심 축선에 대해 반경 방향으로 이격된(offset), 적어도 하나의 유체 채널을 포함하고,
    상기 카트리지 팁은 상기 카트리지 프레임의 상기 본체의 말단 부분에 연결되도록(couple) 구성되고, 상기 카트리지 팁은 전극, 노즐 및 쉴드(shield)를 갖는,
    액체-냉각식 플라즈마 아크 절단 토치용 소모품 카트리지.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 카트리지 프레임 및 상기 카트리지 팁을 포함하는 상기 소모품 카트리지는 단일 유닛으로서 교체가능한,
    액체-냉각식 플라즈마 아크 절단 토치용 소모품 카트리지.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 토치 맞물림 인터페이스 표면은 실질적으로 평탄한,
    액체-냉각식 플라즈마 아크 절단 토치용 소모품 카트리지.
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 유체 개구는, 복수의 유체 유동 각각을 상기 카트리지 안으로 그리고 밖으로 전달하기 위한, 복수의 유체 개구들을 포함하는,
    액체-냉각식 플라즈마 아크 절단 토치용 소모품 카트리지.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 유체 채널은 상기 카트리지 프레임 내에 위치된 복수의 유체 채널들을 포함하고, 상기 복수의 유체 개구들은 상기 복수의 유체 채널들 각각과 유체 연통하고, 상기 유체 채널들 각각의 길이방향 축선은 상기 카트리지 프레임의 길이 방향 중심 축선에 대해 반경방향으로 이격된(offset),
    액체-냉각식 플라즈마 아크 절단 토치용 소모품 카트리지.
  17. 제12 항에 있어서,
    상기 선단 부분에 클로킹 핀 리셉터클(clocking pin receptacle)을 더 포함하고, 상기 클로킹 핀 리셉터클은 상기 토치 헤드의 클로킹 핀을 수용하여 상기 카트리지를 미리 정해진 배향으로 상기 토치 헤드에 반경 방향으로 고착시키도록 구성되는,
    액체-냉각식 플라즈마 아크 절단 토치용 소모품 카트리지.
  18. 제16 항에 있어서,
    상기 복수의 유체 개구들은 쉴드 가스 입구 개구 및 노즐 냉매 입구 개구를 포함하고, 상기 복수의 유체 채널들은 냉매 채널, 및 가스 채널을 포함하고,
    상기 쉴드 가스 입구 개구는 쉴드 가스 유동을 상기 토치 헤드로부터 상기 쉴드로 지향시키기 위해 상기 가스 채널과 연통하고, 상기 노즐 냉매 입구 개구는 액체 냉매 유동을 상기 노즐로 지향시키기 위해 상기 냉매 채널과 연통하는,
    액체-냉각식 플라즈마 아크 절단 토치용 소모품 카트리지.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 카트리지 프레임의 절연체 본체에 배치된 비-동심 공동; 및
    상기 공동에 배치된 RFID(radio-frequency identification) 태그를 더 포함하는,
    액체-냉각식 플라즈마 아크 절단 토치용 소모품 카트리지.
  20. 제12 항에 있어서,
    상기 소모품 카트리지는 체적의 적어도 50%가 상기 전기 절연 재료로 구성되는,
    액체-냉각식 플라즈마 아크 절단 토치용 소모품 카트리지.
  21. 제18 항에 있어서,
    상기 쉴드 가스 입구 개구는 상기 쉴드와 유체 연통하며, 상기 쉴드 가스 입구 개구는 상기 쉴드 가스 유동을 상기 쉴드로 지향시키기 위해 상기 토치 헤드의 대응하는 개구와 정렬하도록 구성되는,
    액체-냉각식 플라즈마 아크 절단 토치용 소모품 카트리지.
  22. 제15 항에 있어서,
    상기 복수의 유체 개구들은 전극 냉매 입구 개구를 포함하고,
    상기 전극 냉매 입구 개구는, 상기 전극과의 전기 또는 유체 연통 중 적어도 하나를 유지시키도록 구성되고, 상기 전극 냉매 입구 개구는 액체 냉매 또는 전류 중 적어도 하나를 상기 전극에 지향시키기 위해 상기 토치 헤드의 대응하는 개구와 정렬하도록 구성되는,
    액체-냉각식 플라즈마 아크 절단 토치용 소모품 카트리지.
  23. 제18 항에 있어서,
    상기 노즐 냉매 입구 개구는 상기 노즐과 유체 연통하며, 상기 노즐 냉매 입구 개구는 상기 토치 헤드와 상기 노즐 간에 상기 액체 냉매 유동을 지향시키기 위해 상기 토치 헤드 상의 대응하는 개구와 정렬하도록 구성되는,
    액체-냉각식 플라즈마 아크 절단 토치용 소모품 카트리지.
  24. 삭제
  25. 액체-냉각식 플라즈마 아크 절단 토치용 소모품 카트리지로서,
    상기 소모품 카트리지는,
    상기 카트리지의 제1 부분에 위치되며, 전극, 노즐 및 쉴드를 갖는, 카트리지 팁; 및
    상기 카트리지의 제2 부분에 카트리지 프레임을 포함하며,
    상기 카트리지 프레임은, 전기 절연 재료로 구성되고, 상기 카트리지 팁에 연결된 말단 단부, 및 선단 단부를 포함하고, 상기 선단 단부에 위치되며 상기 소모품 카트리지로의 토치 헤드와 맞물리도록 구성되는 토치 맞물림 인터페이스 표면을 포함하며, 토치 맞물림 인터페이스는:
    상기 쉴드로 쉴드 가스 유동을 유입시키기 위해 상기 쉴드와의 유체 연통을 유지하도록 구성된, 상기 선단 단부에서의 쉴드 가스 입구 개구;
    상기 전극으로 냉매 유동 또는 전류 중 적어도 하나를 유입시키기 위해 상기 전극과의 전기 또는 유체 연통 중 적어도 하나를 유지하도록 구성된, 상기 선단 단부에서의 전극 인터페이스; 및
    상기 카트리지 프레임으로부터 상기 노즐로 상기 냉매 유동을 제공하도록 구성된, 상기 선단 단부에서의 노즐 냉매 입구 개구를 포함하고,
    상기 쉴드 가스 입구 개구 및 상기 노즐 냉매 입구 개구는 길이 방향 중심 축선에 대해 비-동심인,
    액체-냉각식 플라즈마 아크 절단 토치용 소모품 카트리지.
  26. 삭제
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