KR19980080231A - 플라스마 아크 토치 - Google Patents

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루오 리펑
티. 매튜 윌리암
더블유. 페린 데이빗
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프레드릭 지. 스튜버
더 링컨 일렉트릭 컴패니
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Abstract

본 발명에 따른 플라스마 토치는 단부 벽을 구비하는 관형의 노즐과, 상기 노즐 내에 상기 단부 벽에 대면하는 노우즈 단부를 구비하는 전극을 포함한다. 상기 노우즈 단부와 단부 벽은 플라스마 가스실을 제공하고, 단부 벽은 그것을 통해 축방향으로 연장하는 가스실 유출구를 구비한다. 가스실은 유출구의 방사상 외측으로 입구를 구비하고, 단부 벽은 그 위에 상기 유출구를 중심으로 원주를 따라 서로 이격되어 플라스마 가스가 입구로부터 유출구까지 와류 패턴으로 유동하도록 가이드하는 복수개의 아치형 가스 안내 채널을 제공하는 아치형의 복수개의 리브를 구비한다. 노즐과 노즐 장착 구성품들은 토치 선단을 냉각하기 위해 그리고 플라스마 제트를 중심으로 가스 차폐를 발생시키기 위해 개선된 장치를 제공한다.

Description

플라스마 아크 토치
본 발명은 플라스마 아크 토치 분야에 관한 것으로, 특히 토치를 냉각시키고 작동시키기 위해 플라스마 아크를 통해서 흐르는 가스의 유동과 관련한 개선에 관한 것이다.
전극과 노즐을 포함하는 플라스마 아크 토치가 공지되어 있는데, 상기 노즐 내에서 전극의 노우즈(nose) 단부가 노즐의 단부 벽에 면하도록 전극의 노우즈 단부가 지지되고, 상기 단부 벽은 단부 벽을 통하는 플라스마 유출구(outlet opening)를 구비한다. 전극과 노즐은 전극이 노즐의 단부 벽과 접촉하는 위치와, 전극이 단부 벽으로부터 작동 거리만큼 이격되어 있는 위치 사이에서 상대적으로 이동할 수 있어, 전극이 단부 벽으로부터 그 작동 위치로 물러날 때 파일럿 아크(pilot arc)가 생성될 수 있다. 선택적으로, 전극과 노즐은 서로에 대해 고정될 수 있어, 고주파수를 사용함으로써 또는 다른 시동 과정에 의해 토치가 시동된다. 어쨌든, 노즐의 단부 벽과 전극의 단부면은 가스실(gas chamber)을 제공하는데, 가스실 속으로 플라스마 또는 아크 가스가 공급되고, 아크 전류가 전극과 노즐 사이에서 흐를 때 가스실로부터 플라스마 분사물(plasma jet)이 유출구를 통해 방사된다. 토치를 시동시킬 때, 토치는 비이송형(non-transferred) 파일럿 아크 모드에서 작동하고, 노즐을 시편과 근접하게 이동시킴으로써, 아크는 시편으로 이송되고, 다음에 토치는 아크 이송형 모드에서 작동한다. 이러한 토치는 물론, 가열, 용접, 절단, 용융, 어닐링 등과 관련하여 사용된다고 알려져 있다.
전술한 특징의 플라스마 아크 토치와 관련하여, 냉각의 목적으로 가스실 상류의 플라스마 가스에 와류 운동을 분배하고, 방사된 플라스마 분사물을 전극의 축과의 일직선상에 집중되게 유지한다는 것이 또한 공지되어 있다. 이러한 와류는 양질의 플라스마 아크를 발생시키고, 절단 속도를 개선하며, 수행되는 작업 및 토치의 작동과 관련하여 경제성 및 효율을 증진시킬 때 유용하다. 노즐의 수명을 증대시키기 위하여 노즐로부터의 침식물을 제거할 목적으로 와류 가스를 고정된 전극에서의 전극 단부면을 가로질러 내측으로 노즐 장치로 향하도록 하는 것이 또한 공지되어 있다. 가스 유동을 제어하는 것과 관련한 다른 노력으로는, 측방향으로 벗어나지 않도록 플라스마 분사물을 안정시키고, 플라스마 가스의 완만한 유동을 달성하고 토치 내에서 아크 분사물의 안정성을 유지하기 위하여 플라스마 분사물이 가스실을 빠져나가기 전에 가스실로 들어가는 플라스마 가스의 와류의 양과 속도를 감소시키기 위하여, 플라스마 분사물이 노즐을 통해 유출구를 빠져나갈 때 플라스마 분사물 중심으로 가스를 와류시키는 것을 포함한다. 가스가 전극과 플라스마 분사물 유출구 사이의 가스실로 들어가기 전에 가스를 와류시키는 것은 측방향으로 벗어나지 않도록 플라스마 분사물을 안정시키기 위하여 전극의 노우즈 단부 주위의 와류 가스를 방사상 내측으로 향하도록 하는 것을 포함한다.
상기한 것과 같은 노력은 플라스마 분사물의 방향을 적어도 어느 정도는 제어하고 그 부근에 차폐(shied)를 제공하도록 작동될 수 있었던 반면에, 가스의 와류가 그 발생점과 플라스마 분사물 유출구 사이에서 저하되어, 노즐과 시편 사이의 직선을 따라가도록 플라스마 분사물의 원하는 구속은 충분히 달성되지 않는다는 문제점이 남아 있다. 또한, 플라스마 분사물 주위의 차폐 가스의 유동뿐만 아니라 플라스마 분사물의 원하는 제어를 달성하려는 노력에서 제공된 전술한 장치들은 구조적으로 복잡하고, 따라서 바람직하지 않게도 제조 비용 및 유지 비용이 비싸다. 와류 운동의 저하와 관련하여, 가스가 와류 운동을 부여하는 통로(또는 통로들)를 일단 빠져나가면, 가스는 가스실로 그리고 가스실을 통해, 완만하고 따라서 초기의 와류 운동을 유지하기에는 효과적이지 못한 노즐의 내부 표면들을 따라 플라스마 분사물 유출구로 이동한다. 더욱이, 와류 가스는 와류 가스를 만들어내는 통로(또는 통로들)를 빠져나갈 때 압력 강하를 겪게 되고, 이러한 압력 강하는 또한 와류 유동 패턴의 저하에 기여한다.
본 발명에 따라서, 개선된 노즐 및 전극 장치가 플라스마 아크 토치에 제공되어 토치를 통하는 가스 유동의 제어에 수반되는 전술한 단점 및 다른 단점들은 최소화되거나 또는 극복된다. 특히, 이와 관련하여, 플라스마 분사물이 유출구를 통해 노즐을 빠져나가게 되는 유출구를 포함하는 노즐 구성품의 단부 벽에는 가스실 주위로 들어가는 플라스마 가스가 단부 벽을 가로질러 와류 패턴으로 유출구로 방사상 안내되도록 하는 구조체가 제공되고, 이에 의해 가스는 플라스마 분사물 유출구의 입구 단부에서 바로 와류로 되어, 선형성이 개선되고 측방향 편향에 대한 안정성이 개선된 분사물 속으로 가스를 방사상 압착 또는 구속한다. 동시에, 와류 가스 유동은 전극의 노우즈 단부로부터 하류에 있고, 따라서 전극을 침식시키지 않으며, 전극의 수명을 감소시키지 않는다. 바람직하게는, 와류 운동은 원주를 따라 서로 이격된 복수개의 아치형 리브를 노즐 단부 벽의 내측면에 제공함으로써 가스에 부여되는데, 상기 리브는 가스실의 외주로부터 유출구를 향해 방사상으로 그리고 원주를 따라 리브 사이에서 연장하는 아치형 채널을 제공하고, 따라서 플라스마 아크 칼럼 또는 분사물의 위치에서 바로 플라스마 가스의 와류 운동을 발생시킨다.
맞물림 위치와, 전극이 노즐로부터 작업 거리만큼 간격을 두고 떨어져 있는 위치 사이에서 전극과 노즐이 상대적으로 이동할 수 있는 특징을 갖는 플라스마 아크 토치에서, 플라스마 가스는 전극이 노즐과의 접촉부로부터 멀어지는 방향으로 이동하도록 하기 위하여 전극에 대해 이용가능한 힘을 증가시키도록 전극이 리브와 맞물릴 때 전극의 노우즈 단부 아래에서 이동할 수 있다. 마찬가지로, 가스 솔레노이드 밸브에 전류를 통하게 함으로써 전극을 이동시켜 노즐과 접촉하도록 하기 위하여 피스톤 챔버 내에 가스가 사용될 때, 전극과 노즐 사이의 더 작은 접촉 면적으로 인해 전극의 노우즈가 노즐과 맞물리는 힘은 최적화된다. 따라서, 전극과 노즐 사이의 양호한 전기적 접촉을 제공하기 위해 요구되는 가스 압력은 전극이 노즐의 완만한 내표면과 맞물릴 때 요구되는 가스 압력에 비해 감소될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따라서, 플라스마 가스의 일부분이 노즐 내부의 가스실을 빠져나가는 플라스마 분사물을 중심으로 원뿔형의 가스 차폐를 제공하도록 유동하도록 하기 위하여 사이에 환상의 냉각 공동(空洞, cavity)을 제공하는 동축의 슬리브 장치에 의해 노즐 구성품이 구성되고 토치 본체부 상에 장착된다. 바람직하게는, 동축의 슬리브 구성품들은 플랜지 장치의 일단부에 인접하는 노즐 부재의 외주 상에 축방향으로 플랜지 장치를 축방향으로 유지하고, 플랜지와 노즐의 대응 단부는 토치 본체부를 통해 유동하는 와류 가스와 연통되어, 가스의 일부가 외측으로 그리고 플랜지 장치를 가로질러 유동하고, 가스의 다른 부분은 노즐의 내측으로 그리고 가스실을 향해 전극을 중심으로 유동한다. 노즐의 외주에는 플랜지 장치의 하류에 축방향으로 연장하는 리세스(recess)가 제공되고, 리세스에 의해 플랜지를 가로질러 유동하는 가스는 노즐의 방사상 외측으로, 그리고 축방향 전방으로 편향되어, 가스실을 빠져나가는 플라스마 분사물 주위에 차폐 가스를 형성한다. 플랜지 장치는 환상의 냉각 공동과 연통되고, 플랜지 장치의 하류에 있는 리세스와 함께 구조적으로 간단한 노즐 구성품을 제공하여, 플라스마 가스 일부의 유동은 냉각을 위해 그리고 원뿔형 가스 차폐의 형성을 위해 제어되고, 가스의 다른 부분의 유동은 가스실 내에 플라스마 분사물을 발생시키기 위해 가스실로 유동하도록 노즐과 전극 사이를 향하게 된다. 바람직하게는, 전극과 노즐 사이 및 가스실을 향하는 플라스마 가스의 유동은 노즐 상측의 와류 장치로부터 기인하고, 냉각을 위해 공동 속으로 그리고 원뿔형 가스 차폐를 발생시키는 노즐의 외측면을 따른 외부 유동을 얻기 위한 노즐의 구조는 가스실 주위로부터 유출구로의 플라스마 가스의 유동과는 무관하게 상당한 이점을 제공하고, 플라스마 분사물을 발생시키는 것과 함께 와류 운동이 제공될 때 최적의 이점이 실현된다.
따라서, 본 발명의 제1 목적은 플라스마 가스 토치의 전극 및 노즐 구성 품에 대한 플라스마 가스의 유동과 관련한 개선점을 제공하는 것이다.
본 발명의 제2 목적은 플라스마 아크 토치의 노즐에 플라스마 가스가 유출구로 그리고 전극과 노즐 사이의 가스실로부터 그 유출구를 통해 유동할 때 플라스마 가스를 와류시키는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제3 목적은 플라스마 아크 토치에 개선된 노즐 및 전극 조립체를 제공하는 것으로, 상기 조립체에서 냉각, 그로부터 방사된 플라스마 분사물의 선형성의 유지 그리고 분사물에 대한 플라스마 가스 차폐를 최적화하기 위하여 플라스마 가스 유동이 제어된다.
본 발명의 제4 목적은 파일럿 아크를 발생시키는 것과 관련하여 접촉 및 분리를 위해 상대적으로 이동할 수 있고, 가스 유동 제어를 개선시킨 노즐 및 전극 구성품들을 구비하는 특징을 갖는 플라스마 토치를 제공하는 것으로, 이에 의해 서로 맞물리고 맞물림 해제되는 구성품들의 가스 편향이 최적화된다.
본 발명의 제5 목적은 플라스마 가스에 대하여 가스 유동 제어 특성을 개선시킨 노즐 및 전극 조립체를 구비하는 플라스마 토치를 제공하는 것으로, 이에 의해 아크 플라스마 칼럼 또는 분사물의 질, 수행되는 작업의 질 그리고 토치의 작동에 소요되는 비용 및 효율이 최적화된다.
전술한 목적들 및 다른 목적들은 첨부 도면에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명과 함께 이하에서 보다 완전하게 어느 정도 명확해지고 지적될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 플라스마 아크 토치의 구성품들의 분해 사시도.
도 2는 토치의 조립된 구성 요소들의 입단면도.
도 3은 토치 노즐의 평면도.
도 4는 부분적으로 절취한 노즐의 측입면도.
도 5는 노즐 상의 와류형 리브 및 채널에 대한 크기 및 형태 기준을 도시하는 상세 평면도.
도 6은 도 5의 6-6 선을 따라 절취한 노즐의 단부 벽 부분의 상세 입단면도로, 본 발명에 따른 와류형 리브의 형상을 투영하여 도시한다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 플라스마 아크 토치
12 : 본체부
18 : 슬리브
20 : 장착 슬리브
34 : 노즐
48 : 전극
60 : 실린더
82 : 피스톤
본 발명을 제한하려는 것이 아니라 단지 본 발명의 바람직한 실시예를 도시할 목적인 도면을 참조하여 상세히 설명하면, 도 1 및 도 2는 축(A)을 갖고, 상기 축(A)과 동축이고 후술하는 바와 같이 동축으로 배치된 노즐, 전극 및 전극 이동 구성품들을 지지하는 본체부(12)를 포함하는 플라스마 아크 토치(10)를 도시한다. 도 2에 도시한 수직 방향의 토치(10)와 관련하여, 본체부(12)는 각각 외측 나사(14) 및 내측 나사(16)가 제공된 하측 단부를 구비하고, 장착 슬리브(20)와 절연 재료로 제조된 슬리브(18)를 포함하는 와류형 링 조립체는 슬리브(18)의 외측 나사(22)를 본체부(12)의 내측 나사(16)와 상호 체결함으로써 본체부(12)의 하측 단부에 수용되고 장착된다. 이하에서 설명하고, 이하의 설명으로부터 명백해질 목적을 위해, 절연 슬리브(18)의 내측 단부에는 슬리브를 관통하여 방사상 개방되어 있는 복수개의 포트(24)와 슬리브의 주위 둘레로 연장하는 리세스 내에 O-링 밀봉부(26)가 제공되고, 장착 슬리브(20)의 하측 단부에는 축(A)을 가로지르는 단부면(28)과, 단부면(28)에 대해 발산하는(diverging) 원뿔형 벽(30)과, 원뿔형 벽(30)으로부터 축방향 상측으로 연장하며 장착 슬리브 주위 둘레로 연장하는 복수개의 V-형태의 핀(fin)(32)에 의해 형성되는 외표면이 제공된다. 도면 부호를 표시하지는 않았지만, 쇼울더(shoulder)가 핀(32)의 상측 단부로부터 방사상 내측으로 연장하고, 본체부(12)의 하측 단부면에 대해 맞물려 와류형 링 조립체를 본체부 안에 위치시킨다.
상측 단부 상에 본체부(12)의 외측 나사(14)와 체결되는 내측 나사(38)를 구비하는 슬리브 부재 또는 차폐 컵(36)에 의해 노즐 구성품(34)이 본체부(12)의 하측 단부에 장착된다. 이하에서 상세히 설명할 노즐 구성품(34)은 그 축방향으로 반대쪽에 있는 단부들의 중간 부근에 그 둘레로 연장하는 장착 플랜지(40)를 포함하는데, 상기 플랜지(40)는 장착 슬리브(20)의 단부면(28)과, 차폐 컵(36)의 하측 단부에서 플랜지(42)에 의해 제공되며 방사상 내측으로 연장하는 쇼울더(41) 사이에서 축방향으로 고정된다. 도 2에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 차폐 컵(36)의 내측면은 쇼울더(41)로부터 내측 나사(38)까지 발산하는 원뿔면(44)을 포함하고, 상기 원뿔면(44)은 장착 슬리브(20)의 원뿔형 벽(30)과 핀(32)으로부터 방사상 이격되어 이하에서 설명할 목적을 위해 장착 슬리브와 함께 공동(46)을 제공한다.
토치(10)는 또한 토치와 동축이고 노즐(34)에 대하여 축방향으로 이동할 수 있도록 노즐 내에서 지지되는 전극(48)을 포함한다. 전극(48)은, 노즐(34) 내에 수용되고 노우즈 단부면(52)의 하측 단부에서 끝나는 원통형 외표면을 갖는 노우즈 단부(50)를 포함한다. 노우즈부(50)의 하측 단부는 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 텅스텐 등 재질의 삽입부(54)를 포함하는데, 이는 공지된 것처럼 노즐과 함께 토치의 작동과 관련하여 플라스마 아크를 발생시키는 기능을 한다. 전극(48)에는 노우즈부(50)의 축방향 내측으로 나선형 와류 홈(56)에 의해 형성되는 가스 와류부가 제공되고, 상기 와류부는 와류형 링 조립체의 슬리브(18)에 수용되어 홈(56)이 슬리브와 함께 와류 통로를 형성한다. 전극(48)의 맨 안쪽 단부에는 헤드(58)가 제공되고, 와류 홈(56)과 슬리브(18) 사이의 나선형 통로는, 헤드(58)의 축방향 내측으로 이격되고 슬리브(18)를 관통하는 포트(24)와 인접하는 유입 단부들과, 노우즈부(50)로부터 축방향 내측으로 이격되고 서로 축방향으로 이격된 노즐(34) 및 슬리브(18)의 단부들에 인접하는 유출 단부들을 구비한다.
토치(10)는 또한 피스톤 및 실린더 장치를 포함하는데, 이에 의해 전극(48)은 토치 본체부(12)에 대해 따라서 노즐(34)에 대해 축방향으로 이동될 수 있다. 특히 이와 관련하여, 토치 본체부(12)의 상측 단부는 실린더 구성품(60)을 수용하고 지지하는데, 상기 실린더 구성품은 본체부(12)의 상측 단부에 인접하는 헤드부(62)와, 헤드부로부터 축방향 아래쪽으로 연장하고 와류형 링 조립체의 슬리브(18)의 외측면과 축방향으로 겹치는 하측 단부를 구비하는 슬리브 부분(64)을 포함한다. 헤드부(62)는 토치 본체부(12) 내에서 쇼울더(66)에 대해 맞물리고, 실린더 구성품(60)은 토치 본체부(12) 내에서 분할 링(split ring)(68)에 의해 축방향으로 유지된다. 이하에서 명백해질 목적을 위해, 실린더 구성품(60)의 슬리브 부분(64)의 외측면에는 그 주위에 원주를 따라 서로 이격되어 축방향으로 연장하는 복수개의 리세스(70)와, 비록 모든 리세스들의 바닥을 통해 연장할 수도 있지만 교대로 리세스의 바닥으로부터 슬리브 부분(64)을 관통하여 방사상 연장하는 복수개의 포트(72)가 제공된다. 또한, 이하에서 명백해질 목적을 위해, 실린더 구성품의 헤드부(62)에는 토치 본체부(12) 내의 포트(78)를 통해 대기로 배기되는 주위 배기 통로(76) 속으로 개방되어 있고 방사상 연장하는 배기 통로(74)들이 제공되며, 상기 배기 통로(74)들은 실린더 구성품이 본체부에 장착될 때 토치 본체부(12)의 내표면과 상호 밀봉 체결되도록 헤드부(62) 외주의 대응 리세스에 수용된 한 쌍의 O-링(80) 사이에 축방향으로 위치한다.
토치(10)의 피스톤 및 실린더 조립체는 또한 환상의 밀봉 링(86)을 지지하는 헤드(84)와, 축방향 내측 단부(88)와, 스템(90) 형태의 축방향 외측 단부를 구비하는 피스톤 부재(82)를 포함한다. 피스톤(82)은 실린더 구성품(60) 내에 수용되고 실린더 구성품(60)에 대해 축방향으로 왕복 운동이 가능하며, 이와 관련하여, 피스톤의 헤드(84)는 내측 단부(88)가 전극(48)의 축방향 내측 단부(58)와 맞물리면서 실린더 구성품의 슬리브 부분(64) 내에 수용된다. 압축 스프링(92)은 도 2에 도시한 피스톤의 위치로부터 아래쪽으로 피스톤(82)을 편향시키고, 피스톤(82)은, 유입 통로(94)를 통해 도입되고 리세스(70)를 따라 축방향으로 그리고 그곳에서부터 슬리브(18) 내의 포트(24)를 통해 방사상 내측으로 그리고 전극의 헤드(58)의 하측에 대해 유동하는 압력하의 플라스마 가스에 의해 도 2에 도시한 피스톤 위치로 이동된다. 유입 통로(94)로 들어가는 가스의 일부는 스템(90) 속으로 방사상 연장하는 포트(96)로 포트(72)를 통해 방사상 내측으로, 그리고 다음에 스템 내의 축방향 통로(98)를 통해 상측으로 유동한다. 유입 통로(94) 속으로의 가스 유동은 솔레노이드 밸브(도시하지 않음)에 의해 제어되는데, 상기 밸브는 예컨대 토치를 시동시키기 위하여 토치 트리거(trigger)를 누르는 토치 작동자에 응답하여 개방될 수 있다. 피스톤(82)이 도 2에 도시한 위치로 이동하는 동안, 피스톤 헤드(84) 위의 공기는 배기 통로(74,76,78)를 통해 대기로 배기된다. 작동자가 토치 트리거를 해제하면, 솔레노이드 밸브는 폐쇄되고, 가스 압력은 유입 통로(94)로부터 제거되며, 스프링(92)은 피스톤(82)을 도 2에 도시한 위치로부터 아래쪽으로 이동시키고, 따라서 전극(48)을 아래쪽으로 이동시킨다. 피스톤 헤드(84) 아래의 공기는 항상 방사상 포트(96) 및 축방향 통로(98)를 통해 배기되고, 이것은 유리하게는 피스톤을 냉각시킨다. 피스톤(82)이 아래쪽으로 이동하는 동안, 공기는 배기 통로(74,76,78)를 통해 피스톤 헤드(84) 위의 공간 속으로 당겨진다. 토치가 작동하는 동안, 이하에서 명백해질 것처럼, 냉각의 목적을 위해 그리고 플라스마 아크 분사물을 확립할 목적을 위해, 플라스마 가스는 토치 본체부를 통해 그리고 노즐과 전극 구성품 사이로 연속해서 유동된다. 전술한 설명으로부터 명백히 알 수 있는 바와 같이, 이러한 냉각 및 작업 가스는 실린더 구성품(60)의 슬리브 부분(64)에 있는 리세스(70)의 상측 단부와 인접하는 토치 본체부를 통하여 방사상 개방되는 유입 통로(94)를 통해 토치 본체부(12) 내에 도입된다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 노즐 구성품(34)은 축(A)과 동축인 원통형 벽(100)과, 전극(48)의 노우즈부(50)를 수용하도록 개방되어 있는 원통형 벽의 상측 단부(101)와, 축(A)을 가로지르는 단부 벽(102)에 의해 폐쇄되는 원통형 벽의 하측 단부와, 축(A)과 동축인 플라스마 아크 유출구(104)를 구비하는 관형의 구성품이다. 장착 플랜지(40)는 각각 축방향으로 반대쪽에 있는 상측면 및 하측면(106,108)을 가지며, 그 외주에는 등간격으로 원주를 따라 서로 이격되어 방사상 외측으로 개방된 V-형태의 리세스(110)가 제공된다. 플랜지(40)의 하측면(108)과 단부 벽(102)의 최하측 단부 사이의 노즐(34)의 외표면은, 각각 동축이고 축방향으로 인접하는 제1의 원통형 표면부, 원뿔형 표면부 및 제2의 원통형 표면부(112,114,116)를 포함하며, 이 표면부들은 플랜지(40)의 하측면(108)으로부터 노즐의 최하측 단부까지 연속적으로 연장한다. 표면부(116)는 표면부(112)의 직경보다 큰 직경을 가지고, 원뿔형 표면부(114)는 따라서 표면부(112)의 하측 단부로부터 표면부(116)의 상측 단부까지 발산한다. 이하에서 상술한 설명으로부터 명백해질 목적을 위해, 플랜지(40)를 가로지르는 각각의 리세스(110)는 제1의 원통형 표면부(112)로부터 방사상 외측으로 이격된 방사상 내측 단부(118)를 구비하고, 플랜지(40)의 상측면(106)과 벽(100)의 상측 단부(101) 사이에 있는 노즐(34)의 상측 단부에는 축방향으로 연장하는 복수개의 홈(groove)(120)이 제공된다. 홈(120)은 리세스(110)의 수와 대응하고, 대응 리세스(110)와 축방향으로 그리고 원주를 따라 정렬되며, 따라서 리세스(110)의 내측 단부(118)와 동일 평면에 있는 방사상 내측 단부(122)를 구비한다.
노즐(34)의 벽(100)은 벽(100)의 상측 단부(101)로부터 노즐의 단부 벽(102)을 향해 연장하는 원통형 내표면(124)을 갖는다. 단부 벽(102)은 도시된 실시예에서, 유출구(104)를 향해 그 방사상 내측으로 연장하고 표면(124)에 대해 약간 발산하는 내표면(126)을 갖는다. 이하에서 설명할 목적을 위해, 표면(124,126) 사이의 접합부(128)는 아치형인 것이 바람직하다. 단부 벽(102)의 내표면(126)에는 축(A)을 중심으로 원주를 따라 등간격 이격되어 벽(100)의 내표면(124)으로부터 유출구(104)를 향해 원주를 따라 그리고 방사상 내측으로 연장하는 복수개의 와류형 리브(swirl rib)(130)가 제공된다. 도시된 실시예에 있어서, 이러한 와류형 리브(130)가 여섯 개 제공되고, 도 5에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 각각의 리브는 원주를 따라 서로 이격된 아치형의 평행한 측벽(132,134)을 포함하는데, 각각의 측벽은 선(137)에 수직한 기준선(139) 상의 축(A)으로부터 편의(偏倚)된 기준선(137) 상의 축(A)으로부터 측방향으로 이격된 기준점(136)으로부터 곡률 반경(R1,R2)을 갖는다. 각각의 리브(130)는 또한 축(A)으로부터 각각 곡률 반경(R3,R4)을 갖는 아치형의 방사상 내측 단부 및 외측 단부(138,140)를 포함한다. 원주를 따라 인접한 리브(130)들의 곡률 반경(R1,R2)에 대한 기준선(137) 및 기준점(136)은 360°가 리브들의 수만큼 분할되는 각도에 의해 서로 원주를 따라 이격된다. 따라서, 도시된 실시예에 있어서 도 5에 허상으로 표시한 리브(130)에 대한 기준선(137)과 기준점(130)은 도 5에 도시한 위치로부터 시계방향으로 60°의 위치에 있을 것이다. 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 리브(130)의 외측 단부에 대한 곡률 반경은 노즐 벽(100)의 내표면(124)의 곡률 반경에 대응한다. 도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 와류형 리브(130)들 각각은, 단부 벽(102)의 내표면(126)으로부터 축방향으로 이격되고 노즐 벽(100)의 내표면(124)과 섞여 있는 아치형 부분(144)을 포함하는 방사상 외측 단부를 갖는 상단면(142)을 구비한다. 상단면(142)은 그 외측 단부로부터, 단부 벽(102)의 내표면(126)과 섞여 있는 아치형 부분(146)을 포함하는 내측 단부까지 축방향 내측으로 테이퍼진다. 바람직하게는, 상단면(142)은 그 방사상 내측 단부와 외측 단부 사이에서 약간 볼록해서 토치의 시동 동안 그것과 함께 전극이 맞물리는 표면적이 증가한다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 원주를 따라 인접하는 와류형 리브(130)들은 그 사이에 가스 유동 채널(148)을 제공하는데, 채널 각각은 노즐 벽(100)의 내표면(124)에 입구 단부와, 인접하는 리브들 중 하나의 측벽(132)과 다른 리브의 측벽(134)의 방사상 내측 단부들 사이에 유출 단부를 구비한다. 특히, 도 3 및 도 5를 통해 알 수 있는 바와 같이, 각 채널의 입구 단부에서의 리브 벽들 사이의 원주 거리는 채널의 유출 단부에서의 벽들 사이의 원주 거리보다 커서, 각 채널(148)은 그 입구 단부 속으로 유동하는 가스를 채널의 입구 단부로부터 유출 단부의 방향으로 구속되는 아치형 경로를 따라 가이드하도록 구성된다. 더욱이, 채널들은 그 유출 단부로부터 유출구(104)에 대해 통상 접선 방향으로 가스를 방출하도록 구성되어, 채널들은 가스가 유출구(104)로 들어갈 때 협동하여 가스를 와류시키고 방사상 압착하여 따라서 토치를 빠져나가는 플라스마 분사물에 대해 선형성을 최적으로 유지하게 된다.
실시예를 통해, 그리고 본원에서 설명하고 도시한 실시예에 관하여, 노즐에서 표면(124)의 내경은 약 0.340 inch, 벽(102)의 내측면(126)은 축(A)을 가로지르는 평면에 대해 약 15°의 각도에 있으며, 유출구(104)는 약 0.042 inch의 직경을 갖고, 리브(130)의 크기(R1,R2,R3,R4)는 각각 0.125 inch, 0.100 inch, 0.070 inch, 0.170 inch이다. 축(A)으로부터 기준점(136)의 편의는 축(A)으로부터 0.004 inch 이격된 선 상에서 0.076 inch이고, 노즐 표면들(124,126) 사이 그리고 리브(130)의 노즐 표면과 내외측 단부들 사이의 아치형 부분(128,144,146) 각각의 곡률 반경은 0.050 inch이다. 마지막으로, 리브 각각의 상단면(142)의 볼록 곡률은, 축(A)으로부터 측방향으로 0.207 inch 이격되고 플랜지(40)의 상측면(106)으로부터 축방향으로 0.643 inch 이격된 기준점으로부터 0.125 inch의 반경을 갖는다.
도 3 내지 도 6의 전술한 설명과 함께 도 2를 참조하면, 전극(48)의 노우즈부(50)는 노즐(34)의 단부 벽(102)으로부터 상측으로 이격된 그 작동 위치에 도시되어 있다. 공지된 바와 같이, 전극과 노즐은 아크 전류원을 가로질러 연결되도록 구성되어 있어, 전극(48)이 도 2에 도시된 위치로부터 아래쪽으로 이동되어 와류형 리브(130)와 맞물림으로써 노즐(34)과 접촉하고 다음에 도 2에 도시한 위치를 향해 물러날 때, 파일럿 아크가 그 사이에서 발생된다. 도시된 실시예에서 토치의 이러한 시동 및 작동과 관련하여, 전극(48) 노우즈부(50)의 하측 단부면(52)과 노즐(34) 단부 벽(102)의 축방향 내표면(126) 사이의 면적은 플라스마 가스실(150)을 제공하는데, 이 가스실은 노즐의 내표면(124)과 전극(48) 노우즈부(50)의 환상의 외측 공간 사이의 환상 공간에 의해 형성되는 것처럼 그 외주 주위에 환상의 입구(152)를 구비한다. 파일럿 아크를 발생시키기 전에, 전극 노우즈부(50)의 하측 단부면(52)은 압축 스프링(92)의 영향하에서 리브(130)와 맞물리고, 플라스마 가스는 토치 본체부와 실린더 슬리브(64) 사이의 환상 공간에서 그리고 리세스(70)를 따라 와류형 링 조립체의 슬리브 구성품(18)의 와류 포트(24)를 향해 유동하도록 토치 본체부(12)의 유입 통로(94)를 통해 도입된다. 다음에 플라스마 가스는 포트(24)를 통해 방사상 내측으로 유동하고, 전극(48) 헤드(58)의 아래쪽에 대해 작용하여 전극을 스프링(92)의 편향에 대항하여 도 2에 도시한 위치로 상향 이동시킨다. 가스는 또한 전극(48)의 상측 단부 주위에서 아래쪽으로 와류형 통로(56)를 따라 슬리브(18)의 하측 단부로 유동하는데, 슬리브의 하측 단부에서 가스의 일부는 노즐(34)의 내표면(124)과 전극 노우즈부(50)의 외표면 사이의 환상 통로에서 와류 형태로 그리고 주위 입구(152)로부터 가스실(150) 속으로 유동한다. 상기 지점에서 플라스마 가스는 인접 리브(130)들 사이의 채널을 따라 원주를 따라 그리고 방사상 내측으로 유동하고, 유출구(104)의 주위 연부에 대해 통상 접선 방향으로 채널의 유출 단부를 통해 유동한다. 따라서, 가스는 와류 패턴으로 원형 경로 주위에서 그리고 점진적으로 유출구(104)를 향해 그리고 다음에 유출구(104)를 통해 유동한다. 상기한 바와 같이, 전극이 노즐과 접촉 해제되어 이동할 때, 전극과 노즐 사이에서 파일럿 아크가 발생되고 이로 인해 플라스마 분사물(P)이 리브(130)와 리브 사이의 채널(148)에 발생된 와류 패턴으로 가스실(150)을 빠져나간다. 플라스마 가스가 계속 가스실(150)을 통해 유동함에 따라, 압력이 전극의 내측 단부(52)에 대해 가해지고 이로 인해 전극(48)을 그 작동 위치에 유지시키기 위해 좀 더 작은 압력만이 요구된다.
또한 플라스마 가스가 가스실(150)로 유입하고 가스실(150)을 가로질러 유출구(104)로 방사상 유동하는 것과 관련하여, 도 4 및 도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 리브(130)의 상단면(142)에 대해 입구(152)를 통해 리브 사이의 채널(148) 입구 속으로의 가스 유동은 유리하게는 입구(152)에 인접하는 아치형 표면(144,128)에 의해 완만해지고, 이로 인해 가스 유동의 난류를 최소화하거나 또는 피할 수 있고, 전극의 노우즈부(50)를 따라 축방향 및 원주 방향 유동으로부터 유출구(104)를 향하는 채널(148) 내에서 리브(130)를 따라 원주 방향 및 방사상 유동으로 유동의 변화를 최적화시킨다. 이러한 유동의 변화와 관련하여, 상기 지점에서 가스실(150)로부터 상측의 전극의 노우즈부(50) 주위의 와류 유동 방향은 리브(130) 사이의 채널(148)을 통하는 유동의 원주 방향에 대응하며, 또한 최소의 난류 또는 난류 없이 유동의 변화를 달성하는 것을 증진시킨다는 것에 유의하여야 한다. 일단 파일럿 아크가 발생되면, 토치는 비이송형 파일럿 아크 모드로 작동하고, 공지된 것처럼, 노즐은 아크가 시편으로 이송될 수 있도록 다음에 토치가 아크 이송형 모드로 작동되도록 시편과 인접하게 이동될 수 있다.
또한, 토치의 작동과 관련하여, 노즐(34)의 구조는 냉각의 목적을 위해 플라스마 가스의 일부 유동의 방향 제어와 관련한 이점을 제공한다. 이와 관련하여, 도 2 내지 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 와류 포트(24)를 통해 그리고 다음에 나선형 와류 통로(56)를 따라 출구 단부로 유동하는 플라스마 가스의 일부는 노즐의 상측 단부(101)를 가로질러 축방향 외측으로 유동하고, 다음에 노즐의 외표면에 있는 홈(120)을 통해 축방향으로 그리고 노즐의 장착 플랜지(40) 내의 리세스(110)로 그리고 리세스(110)를 가로질러 유동한다. 더욱이, 홈(120)을 통해 유동하는 플라스마 가스의 일부는 리세스(110)로부터 장착 링(20,36) 표면(30,44) 사이의 환상 공간 속으로, 그리고 냉각 핀(32)을 가로질러 공동(46) 속으로 방사상 외측으로 유동하여 상기 영역에서 토치 구성품들의 냉각을 증진시킨다. 홈(120)을 통해 유동하는 플라스마 가스의 다른 부분은 플랜지(40) 내의 리세스(110)를 가로질러 축방향으로 유동하고, 원뿔형 표면부(114)를 향해 그 부분을 따라 유동하도록 노즐(34)의 제1 원통형 표면(112)에 대해 방사상 내측으로 편향된다. 특히 이와 관련하여, 장착 슬리브(36) 상의 쇼울더(41)는 플랜지(40)의 하측면(108)에 인접한 리세스(110) 부분 위로 방사상 겹쳐지고, 원뿔형 벽부(43)는 노즐 표면부(112)와 수렴하는 관계로 쇼울더(41)로부터 아래쪽으로 연장하고, 따라서 리세스(110)의 바닥(118)을 따라 축방향으로 유동하는 가스를 노즐 표면부(112)를 향해 방사상 내측으로 편향시킨다. 가스가 노즐 표면부를 따라 축방향으로 유동함에 따라서, 가스는 원뿔형 표면부(114)와 부딪히고, 방사상 외측으로 그리고 원뿔형 표면부로부터 축방향으로 편향되어 플라스마 분사물(P) 주위에 연장하는 원뿔형 가스 차폐를 형성한다.
바람직한 실시예에 따른 구성품들 사이의 구조들 및 구조의 상호 관계에 대해 본원에서 상당히 강조되었지만, 본 발명의 원리를 벗어나지 않으면서 바람직한 실시예 형태로 많은 실시예 및 변형이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 특히, 노즐과 전극이 서로에 대해 축방향으로 고정된 관계로 장착되는 토치에 노즐 구조체가 사용될 수 있으며, 토치의 시동은 전극을 노즐과 접촉시키고 접촉 해제시키도록 이동시키는 것에 의한 것 이외의 것으로 달성될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 더욱이, 노즐 단부 벽의 내측면상에 다른 와류형 리브 형태가 안출될 수 있고, 바람직한 여섯 개의 리브보다 많거나 적은 수의 리브가 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 노즐의 단부 벽을 가로지르는 가스의 와류는 단부 벽 상류의 가스 와류 없이 유리하게 사용될 수 있고, 단부 벽 상류의 가스 와류는 바람직한 실시예에서 전극 상의 와류 통로에 의하는 것 이외의 것으로 달성될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 본 발명의 다른 실시예뿐만 아니라 바람직한 실시예에서의 이러한 변형 및 다른 변형은 본원에 개시된 것으로부터 당업자에게 명백할 것이며, 따라서 전술한 상세한 설명은 본 발명의 단지 예시일 뿐이며 본 발명을 제한하려는 것은 아니라는 것을 확실히 이해할 수 있을 것이다.
플라스마 분사물이 유출구를 통해 노즐을 빠져나가게 되는 유출구를 포함하는 노즐 구성품의 단부 벽에는 가스실 주위로 들어가는 플라스마 가스가 단부 벽을 가로질러 와류 패턴으로 유출구로 방사상 안내되도록 하는 복수개의 리브가 제공되어 가스는 플라스마 분사물 유출구의 입구 단부에서 바로 와류로 되어, 선형성이 개선되고 측방향 편향에 대한 안정성이 개선된 분사물 속으로 가스를 방사상 압착 또는 구속시키며, 와류 가스 유동은 전극의 노우즈 단부로부터 하류에 있어 전극을 침식시키지 않으며, 전극의 수명을 감소시키지 않는다.

Claims (59)

  1. 축과, 축방향으로 반대쪽에 있는 단부들과, 상기 단부들 중 하나에 단부 벽을 구비하는 관형의 노즐과,
    상기 노즐 내에 상기 단부 벽에 대면하는 노우즈 단부를 갖는 전극을 포함하며,
    상기 노우즈 단부와 상기 단부 벽은 플라스마 가스실을 제공하고, 상기 단부 벽은 단부 벽을 통해 축방향으로 연장하는 가스실 유출구를 구비하며, 상기 가스실은 상기 유출구의 방사상 외측으로 이격된 입구를 구비하고,
    상기 입구로부터 상기 유출구를 향하는 방향으로 가스실을 통해 플라스마 가스를 유동시키는 수단과,
    플라스마 분사물이 상기 유출구를 통해 유동하도록 상기 노즐과 전극 사이에 아크를 발생시키는 수단을 포함하는 상기 플라스마 토치에 있어서,
    상기 입구로부터 상기 유출구로 상기 플라스마 가스의 유동을 방사상 가이드하기 위하여 상기 노즐의 상기 단부 벽 상에 리브 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 리브 수단은 상기 단부 벽 상에 상기 유출구를 중심으로 원주를 따라 서로 이격된 복수개의 리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 리브 수단은 상기 단부 벽에 상기 유출구를 중심으로 원주를 따라 서로 이격된 복수개의 가스 안내 채널을 제공하는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 채널들은 각각 원주 크기를 갖는 방사상 외측 단부 및 내측 단부를 구비하며, 상기 외측 단부의 원주 크기는 상기 내측 단부의 원주 크기보다 큰 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 채널들은 방사상 외측 단부 및 내측 단부를 구비하고 그 사이에서 아치 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  6. 제3항에 있어서, 상기 채널들을 제공하는 상기 리브 수단은 상기 단부 벽 상에 상기 유출구를 중심으로 원주를 따라 서로 이격된 복수개의 리브를 포함하고, 상기 각각의 채널은 원주를 따라 인접하는 한 쌍의 상기 리브 사이의 공간인 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 리브들은 방사상 외측 단부 및 내측 단부를 구비하고, 그 사이에서 원주 크기가 통상 균일한 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 리브들은 방사상 외측 단부 및 내측 단부를 구비하고, 원주를 따라 인접하는 리브들의 방사상 내측 단부들은 상기 인접하는 리브들의 외측 단부들 사이보다 작은 거리만큼 서로 이격되어 있는 것을 특징으로 플라스마 토치.
  9. 제6항에 있어서, 상기 리브들 각각은 방사상 외측 단부 및 내측 단부와, 원주를 따라 반대쪽에 있는 측면들과, 상기 측면들 사이에 있고 상기 전극 노우즈 단부에 대면하는 상부 벽을 구비하며, 상기 상부 벽은 상기 리브의 외측 단부로부터 상기 리브의 내측 단부를 향하는 방향으로 상기 단부 벽을 향해 테이퍼지는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 각각의 채널은 방사상 연장하는 바닥면과, 상기 인접하는 리브의 원주를 따라 대향하는 측면들 사이에서 축방향으로 연장하는 외측 단부면과, 상기 바닥면과 상기 외측 단부면을 결합시키는 아치형 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 채널의 상기 바닥면은 상기 인접하는 상기 리브들의 외측 단부로부터 내측 단부를 향하는 방향에서 상기 전극의 상기 노우즈 단부로부터 멀리 축방향으로 테이퍼지는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  12. 제9항에 있어서, 상기 리브의 상기 상부 벽은 상기 방사상 외측 단부와 내측 단부 사이에 아치형 부분을 가지며, 상기 아치형 부분은 상기 전극의 상기 노우즈 단부에 대해 볼록한 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  13. 제6항에 있어서, 상기 리브들은 방사상 외측 단부 및 내측 단부를 구비하며, 그 사이에서 아치형인 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 원주를 따라 인접하는 리브들의 방사상 내측 단부들은 상기 리브들의 상기 인접 리브들의 외측 단부들 사이의 거리보다 작은 거리만큼 서로 원주를 따라 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 각각의 리브는 방사상 외측 단부 및 내측 단부와, 원주를 따라 반대쪽에 있는 측면들과, 상기 측면들 사이에 있고 상기 전극의 상기 노우즈 단부에 대면하는 상부 벽을 구비하며, 상기 상부 벽은 상기 리브의 외측 단부로부터 내측 단부를 향하는 방향으로 상기 단부 벽을 향해 테이퍼지는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 각각의 채널은 방사상으로 연장하는 바닥면과, 상기 인접하는 리브들의 원주를 따라 대향한 측면들 사이에서 축방향으로 연장하는 방사상 외측 단부면을 가지며, 상기 바닥면은 상기 리브들의 상기 인접 리브들의 외측 단부로부터 내측 단부를 향하는 방향에서 상기 전극의 상기 노우즈 단부로부터 멀리 축방향으로 테이퍼지는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 가스실은 원주 벽을 구비하고, 상기 리브들의 상기 외측 단부들은 상기 원주 벽과 합체되며, 상기 원주를 따라 인접하는 리브들 사이의 상기 원주 벽 부분들은 상기 채널들의 축방향으로 연장하는 외측 단부면들과, 상기 바닥면들과 방사상 외측 단부면들을 결합시키는 제1 아치형 표면들과, 상기 리브들의 상부 벽들과 상기 가스실의 상기 원주 벽을 겹합시키는 제2 아치형 표면들을 제공하는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 리브의 상기 상부 벽은 상기 방사상 외측 단부와 내측 단부 사이에 아치형 부분을 가지며, 상기 아치형 부분은 상기 전극의 상기 노우즈 단부에 대해 볼록한 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  19. 제1항에 있어서, 상기 플라스마 가스를 가이드하는 상기 리브 수단은 상기 노즐의 상기 단부 벽 상에 복수개의 리브를 포함하고, 상기 리브들은 상기 유출구를 중심으로 원주를 따라 서로 이격되며 리브에 대해 방사상 외측 단부 및 내측 단부를 구비하고, 상기 리브들은 상기 외측 단부와 내측 단부 사이에서 아치형인 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 유출구는 축을 가지고, 상기 리브들 각각의 상기 방사상 외측 단부 및 내측 단부 각각은 아치형이며 상기 유출구의 상기 축에 대해 곡률 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 가스실은 상기 유출구의 상기 축과 동축이고 상기 리브의 방사상 외측 단부의 곡률 반경을 제공하는 곡률 반경을 갖는 원형의 원주 벽을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 유출구는 원형의 주위 연부를 구비하고, 상기 리브들의 방사상 내측 단부들은 상기 연부의 방사상 외측으로 이격되는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  23. 제19항에 있어서, 상기 유출구는 축을 가지고, 상기 리브 각각은 원주를 따라 반대쪽에 있는 측면들을 가지며, 상기 반대쪽에 있는 측면들 각각은 아치형이고 상기 유출구의 상기 축과 평행하고 상기 축으로부터 측방향으로 이격된 기준축에 대해 곡률 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  24. 제23항에 있어서, 상기 각 리브의 상기 각 방사상 외측 단부 및 내측 단부는 아치형이고 상기 유출구의 상기 축에 대해 곡률 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  25. 제24항에 있어서, 상기 가스실은 상기 유출구의 상기 축과 동축인 원주 벽을 구비하고, 상기 유출구는 주위 연부를 구비하며, 상기 원주 벽은 상기 리브의 방사상 외측 단부의 곡률 반경을 제공하는 곡률 반경을 가지며, 상기 리브의 방사상 내측 단부는 상기 유출구의 방사상 외측으로 이격되는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  26. 제25항에 있어서, 상기 각각의 리브는 상기 전극의 상기 노우즈 단부에 면하고 상기 리브의 방사상 외측 단부로부터 방사상 내측 단부를 향하는 방향으로 상기 노즐의 상기 단부 벽을 향해 테이퍼지는 상부 벽을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  27. 축과 이 축을 가로지르는 단부 벽을 구비하는 관형의 노즐과,
    상기 노즐 내에 상기 축과 동축이고, 상기 단부 벽에 인접하는 단부를 구비하고 단부 벽과 함께 가스실을 제공하는 전극과,
    상기 가스실로부터 상기 축과 동축인 상기 단부 벽을 통하는 유출구를 포함하며,
    상기 노즐과 전극은 상기 전극의 상기 단부 주위에서 상기 가스실에 환상의 입구를 제공하고,
    상기 입구로부터 상기 유출구로 방사상 내측으로 유동하도록 상기 입구를 통해 상기 가스실로 플라스마 가스를 유동시키는 수단과,
    플라스마 분출물이 상기 유출구를 통하여 유동하도록 상기 노즐과 상기 전극 사이에 아크를 발생시키는 수단을 포함하며,
    상기 노즐의 상기 단부 벽은 상기 전극의 상기 단부에 대면하는 축방향 내측면을 가지고,
    상기 입구로부터 상기 유출구를 향해 상기 가스실의 방사상 내측으로 가스가 유동하도록 상기 내측면 상에 위치하는 복수개의 가스 유동 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  28. 제27항에 있어서, 상기 각각의 가스 유동 채널은 상기 입구로부터 상기 유출구를 향해 유동하는 가스를 원주를 따라 압축시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  29. 제27항에 있어서, 상기 각각의 가스 유동 채널은 가스를 통상 상기 유출구의 접선 방향으로 향하도록 하기 위한 출구 단부를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  30. 제27항에 있어서, 상기 유출구는 주위 연부를 구비하고, 상기 가스 유동 채널은 채널로부터 유동하는 가스가 상기 연부에 대해 원형의 경로를 따라 유동하도록 하기 위한 출구 단부들을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  31. 제27항에 있어서, 상기 각각의 가스 유동 채널은 가스가 상기 입구로부터 상기 유출구를 향해 아치형 경로를 따라 유동하도록 하는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  32. 제31항에 있어서, 상기 아치형 경로는 상기 입구로부터 상기 유출구를 향하는 방향으로 점차 좁아지는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  33. 제27항에 있어서, 상기 단부 벽의 상기 내측면은 상기 입구와 축방향으로 정렬된 방사상 외주를 가지고, 상기 외주로부터 방사상 내측으로 연장하는 복수개의 원주를 따라 이격된 리브를 포함하며, 상기 원주를 따라 인접하는 상기 리브들 사이의 공간은 상기 가스 유동 채널을 제공하는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  34. 제33항에 있어서, 상기 리브들 각각은 방사상 외측 단부 및 내측 단부와, 원주를 따라 반대쪽에 있는 측면들과, 상기 측면들 사이에 있고 상기 전극의 상기 단부에 대면하는 상부 벽을 구비하며, 상기 원주를 따라 인접하는 리브들의 원주를 따라 대향하는 측면들은 상기 리브들의 방사상 외측 단부로부터 방사상 내측 단부를 향하는 방향으로 서로에 대해 수렴하는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  35. 제34항에 있어서, 상기 각각의 채널은 방사상 연장하는 바닥면과, 상기 인접하는 리브들의 원주를 따라 대향하는 측면들 사이에 축방향으로 연장하는 방사상 외측 단부면을 가지며, 상기 바닥면들은 상기 리브들의 외측 단부로부터 내측 단부를 향하는 방향에서 상기 전극의 상기 단부로부터 멀리 축방향으로 테이퍼지는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  36. 제35항에 있어서, 상기 가스실은 원주 벽을 구비하고, 상기 리브들의 상기 외측 단부들은 상기 원주 벽과 합체하며, 상기 원주를 따라 인접하는 리브들 사이의 상기 원주 벽 부분들은 상기 채널들의 축방향으로 연장하는 방사상 외측 단부면들과, 상기 바닥면들과 상기 채널들의 방사상 외측 단부면들을 결합시키는 제1 아치형 표면들과, 상기 리브들의 상부 벽들과 상기 가스실의 상기 원주 벽들을 결합시키는 제2 아치형 표면들을 제공하는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  37. 제36항에 있어서, 상기 리브의 상기 상부 벽은 상기 방사상 외측 단부와 내측 단부 사이에 상기 전극의 상기 단부에 대해 볼록한 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  38. 제34항에 있어서, 상기 리브 각각의 상기 원주를 따라 반대쪽에 있는 측면들은 상기 리브의 상기 외측 단부로부터 상기 내측 단부를 향하는 방향으로 상기 축에 대해 아치형인 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  39. 제38항에 있어서, 상기 각 리브의 상기 상부 벽은 상기 리브의 상기 외측 단부로부터 상기 내측 단부를 향하는 방향에서 상기 단부 벽을 향해 축방향으로 테이퍼지는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  40. 토치 본체부와,
    상기 토치 본체부에 장착되고, 축과, 축방향으로 연장하는 내표면과, 축방향으로 반대쪽에 있는 단부들과, 상기 반대쪽에 있는 단부들 중 하나의 단부에 단부 벽을 구비하는 관형의 노즐과,
    상기 토치 본체부에서 지지되고, 상기 노즐 내에 상기 축과 동축인 노우즈부를 구비하는 전극을 포함하며,
    상기 전극의 상기 노우즈부는 상기 단부 벽에 인접하는 노우즈 단부를 구비하고 상기 단부 벽과 함께 가스실을 제공하며,
    상기 단부 벽은 상기 가스실로부터 단부 벽을 통해 축방향으로 연장하는 유출구를 구비하고,
    상기 전극의 상기 노우즈부는 상기 노즐의 상기 내표면을 따라 상기 노우즈 단부로부터 축방향으로 연장하는 방사상 외주면을 구비하고, 그것과 함께 상기 가스실로 개방되는 환상의 제1 가스 통로를 제공하며, 상기 노즐의 상기 반대쪽에 있는 단부들 중 다른 쪽에 입구 단부를 구비하며,
    상기 노즐은 상기 반대쪽에 있는 단부들 사이에서 연장하는 외측면을 가지고,
    상기 노즐의 상기 외측면은 장착 플랜지 수단의 상기 제1 측면으로부터 상기 노즐의 상기 반대쪽에 있는 단부들 중 한 단부로 연속하여 연장하는, 동축이고 축방향으로 인접하는 제1 원통형 표면부, 원뿔형 표면부 및 제2 원통형 표면부를 포함하며,
    상기 제1 및 제2의 원통형 표면부들은 각각 제1 및 제2의 직경을 가지며, 상기 제2 직경은 상기 제1 직경보다 크고,
    상기 원뿔형 표면부는 상기 제1 표면부로부터 상기 제2 표면부로 발산하며,
    상기 가스실로 그리고 상기 원뿔형 표면부를 향해 상기 제1 원통형 표면부를 따라 축방향으로 유동시키기 위해 상기 제1 가스 통로의 상기 입구 단부 속으로 그리고 상기 노즐의 상기 외측면으로 가스를 유동시키는 수단을 포함하며,
    플라스마 분사물이 상기 유출구를 통해 유동하도록 상기 노즐과 전극 사이에 아크를 발생시키는 수단을 포함하고,
    상기 제1 원통형 표면부를 따라 유동하는 상기 가스는 상기 원뿔형 표면부에 의해 방사상 외측으로 그리고 상기 노즐의 상기 한 단부를 향해 축방향으로 향해져 상기 플라스마 분사물을 위한 원뿔형 가스 차폐를 형성하는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  41. 제40항에 있어서, 상기 노즐은 상기 반대쪽에 있는 단부들 중간에 상기 외측면의 방사상 외측으로 연장하는 장착 플랜지 수단을 포함하고, 상기 플랜지 수단은 각각 상기 노즐의 상기 반대쪽에 있는 단부들의 한 단부와 다른 단부에 대면하고 축방향으로 반대쪽에 있는 제1 및 제2 측면을 가지며, 상기 노즐은, 상기 반대쪽에 있는 단부들 중 다른 단부로부터 한 단부를 향해 상기 노즐의 상기 외측면을 따라 축방향으로 제2 가스 통로를 제공하고 상기 장착 플랜지 수단을 가로질러 축방향으로 연장하는 부분을 갖는 수단을 포함하며, 상기 제2 가스 통로는 상기 노즐의 상기 다른 단부와 상기 장착 플랜지 수단의 상기 제1 측면에서 각각 유입 단부 및 유출 단부를 구비하고, 상기 노즐의 상기 외측면으로 가스를 유동시키는 상기 수단은 상기 제2 가스 통로의 상기 유입 단부 속으로 가스를 유동시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  42. 제41항에 있어서, 상기 제2 가스 통로의 상기 유출 단부를 통해서 유동하는 가스를 상기 제1 원통형 표면부를 향해 방사상 내측으로 전환시키기 위해 상기 장착 플랜지 수단의 상기 제1 측면과 맞물리는 노즐 장착 수단을 포함하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  43. 제41항에 있어서, 동축의 제1 및 제2 슬리브 부재를 구비하는 노즐 장착 수단을 추가로 포함하며, 상기 제1 및 제2 슬리브 부재는 상기 토치 본체부 상에 장착되고 각각 축방향으로 서로 이격된 제1 및 제2 표면들을 포함하고 그 사이의 상기 장착 플랜지 수단과 맞물리며, 상기 제1 슬리브는 외표면을 포함하고, 상기 제2 슬리브는 상기 제1 슬리브를 둘러싸며 상기 내측 슬리브의 상기 외표면의 방사상 외측으로 이격된 내표면을 포함하고 그것과 함께 공동을 제공하며, 상기 제2 가스 통로는 상기 장착 플랜지 수단 내에 상기 제2 가스 통로를 통해 유동하는 가스의 일부가 상기 공동 속으로 유동하도록 상기 공동과 연통하는 통로들을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  44. 제43항에 있어서, 상기 제1 슬리브의 상기 외표면은 상기 공동 내에 원주를 따라 서로 이격되어 축방향으로 연장하는 복수개의 냉각 핀을 구비하는 원주부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  45. 제40항에 있어서, 상기 전극은 상기 노우즈부의 축방향으로 연장하는 내측 단부 부분을 포함하고, 상기 내측 단부 부분은 상기 축을 중심으로 그리고 상기 제1 가스 통로의 상기 입구 단부를 향하는 방향의 축방향으로 상기 가스의 와류 유동을 발생시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  46. 제40항에 있어서, 상기 노즐의 상기 단부 벽은 상기 환상의 제1 가스 통로부터 상기 유출구로 유동하는 가스에 와류 운동을 부여하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  47. 제40항에 있어서, 상기 전극은 상기 노우즈부의 축방향 내측으로 연장하는 내측 단부 부분을 포함하고, 상기 내측 단부 부분은 상기 축을 중심으로 그리고 상기 제1 가스 통로의 상기 입구 단부를 향하는 방향의 축방향으로 상기 가스의 와류 유동을 발생시키는 수단을 포함하고, 상기 노즐의 상기 단부 벽은 상가 환상의 제1 가스 통로로부터 상기 유출구로 유동하는 가스에 와류 운동을 부여하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  48. 제47항에 있어서, 상기 노즐은 상기 반대쪽에 있는 단부들 중간에 상기 외측면의 축방향 외측으로 연장하는 장착 플랜지 수단을 포함하고, 상기 플랜지 수단은, 상기 노즐의 상기 반대쪽에 있는 단부들의 한 단부와 다른 단부에 각각 대면하고 축방향으로 반대쪽에 있는 제1 및 제2 측면을 가지며, 상기 노즐은, 상기 반대쪽에 있는 단부들의 상기 다른 단부로부터 상기 한 단부를 향해 상기 노즐의 상기 외측면을 따라 축방향으로 제2 가스 통로를 제공하고 장착 플랜지 수단을 가로질러 축방향으로 연장하는 부분을 구비하는 수단을 포함하며, 상기 제2 가스 통로 수단은 상기 노즐의 상기 다른 단부와 상기 장착 플랜지 수단의 상기 제1 측면에서 각각 유입 단부와 유출 단부를 구비하며, 상기 가스를 상기 노즐의 상기 외측면으로 유동시키는 상기 수단은 가스를 상기 제2 가스 통로의 상기 유입 단부 속으로 유동시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  49. 제48항에 있어서, 동축의 제1 및 제2 슬리브 부재를 구비하는 노즐 장착 수단을 추가로 포함하며, 상기 제1 및 제2 슬리브 부재는 상기 토치 본체부 상에 장착되고 축방향으로 서로 이격된 제1 및 제2 표면을 각각 포함하며 그 사이에 상기 장착 플랜지 수단과 맞물리고, 상기 제1 슬리브는 외표면을 가지며, 상기 제2 슬리브는 상기 제1 슬리브를 둘러싸고 상기 내측 슬리브의 상기 외표면의 방사상 외측으로 이격된 내표면을 포함하며 그것과 함께 공동을 제공하고, 상기 제2 가스 통로는 상기 장착 플랜지 수단 내에 상기 제2 가스 통로를 통해 유동하는 가스의 일부가 상기 공동 속으로 유동하도록 상기 공동과 연통하는 통로들을 포함하며, 상기 제1 슬리브의 상기 외표면은 상기 공동 내에 원주를 따라 서로 이격되어 축방향으로 연장하는 복수개의 냉각 핀을 구비하는 원주부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  50. 제49항에 있어서, 상기 노즐 장착 수단은 상기 제2 슬리브 부재 상에 상기 제2 표면으로부터 상기 노즐의 한 단부를 향해 그리고 상기 제2 가스 통로의 상기 유출 단부를 통해 유동하는 가스를 상기 제1 원통형 표면부를 향해 방사상 내측으로 전환시키기 위해 상기 축의 방사상 내측으로 연장하는 가스 전환 표면 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  51. 제40항에 있어서, 상기 노즐은 상기 반대쪽에 있는 단부들의 중간에 상기 외측면의 방사상 외측으로 연장하는 장착 플랜지 수단을 포함하고, 상기 플랜지 수단은 상기 노즐의 상기 반대쪽에 있는 단부들의 한 단부와 다른 단부에 각각 면하고 축방향으로 반대쪽에 있는 제1 및 제2 측면을 가지며, 상기 노즐은, 상기 반대쪽에 있는 단부들 중 상기 다른 단부로부터 상기 한 단부를 향해 상기 노즐의 상기 외측면을 따라 축방향으로 제2 가스 통로를 제공하고 상기 장착 플랜지 수단을 가로질러 축방향으로 연장하는 부분을 구비하는 수단을 포함하며, 상기 제2 가스 통로는 상기 노즐의 상기 단부와 상기 장착 플랜지 수단의 상기 제1 측면에서 각각 유입 단부 및 유출 단부를 구비하고, 가스를 상기 노즐의 상기 외측면으로 유동시키는 상기 수단은 가스를 상기 제2 가스 통로의 상기 유입 단부 속으로 유동시키는 수단을 포함하며, 상기 장착 플랜지 수단은 상기 노즐의 상기 외측면 둘레로 연장하며 외주부를 구비하고, 상기 제2 가스 통로의 상기 부분은 상기 플랜지 수단을 가로질러 축방향으로 연장하고, 상기 원주부 둘레에 서로 이격되어 외측으로 개방된 복수개의 리세스를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  52. 제51항에 있어서, 상기 복수개의 리세스는 상기 제1 원통형 표면부의 방사상 외측으로 이격된 방사상 내측 단부들을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  53. 제52항에 있어서, 상기 제2 가스 통로를 제공하는 상기 수단은 상기 노즐의 상기 외측면 내에 상기 장착 플랜지 수단의 상기 제2 측면으로부터 상기 노즐의 상기 반대쪽에 있는 단부들 중 상기 다른 단부로 축방향으로 연장하는 복수개의 홈을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  54. 제53항에 있어서, 상기 복수개의 홈은 상기 복수개의 리세스의 수에 대응하고, 상기 각각의 홈은 상기 리세스의 대응하는 리세스의 방사상 내측 단부와 원주를 따라 그리고 방사상으로 정렬된 방사상 내측 단부를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  55. 제54항에 있어서, 상기 전극은 상기 노우즈부의 축방향 내측으로 연장하는 내측 단부 부분을 포함하고, 상기 내측 단부 부분은 상기 축을 중심으로 그리고 상기 제1 가스 통로의 입구 단부 및 상기 제2 가스 통로의 상기 유입 단부를 향하는 방향의 축방향으로 상기 가스의 와류 유동을 발생시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  56. 제55항에 있어서, 동축의 제1 및 제2 슬리브 부재를 구비하는 노즐 장착 수단을 추가로 포함하며, 상기 제1 및 제2 슬리브는 상기 토치 본체부 상에 장착되고 서로 축방향으로 이격된 제1 및 제2 표면을 각각 가지며, 그 사이에 상기 장착 플랜지 수단과 맞물리고, 상기 제2 슬리브는 상기 제1 슬리브를 둘러싸고 그로부터 방사상 외측으로 이격되어 그 사이에 환상의 공동을 제공하며, 상기 장착 플랜지 수단 내의 상기 리세스는 상기 플랜지 수단을 가로질러 유동하는 가스의 일부가 상기 공동 속으로 유동하도록 상기 공동과 연통하는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  57. 제56항에 있어서, 상기 노즐 장착 수단은 상기 제2 슬리브 부재 상에, 상기 제2 표면으로부터 상기 노즐의 상기 한 단부를 향해 축방향으로, 그리고 상기 제2 가스 통로의 상기 유출 단부를 통해 유동하는 가스를 상기 제1 원통형 표면부를 향해 방사상 내측으로 전환시키기 위해 상기 축의 방사상 내측으로 연장하는 가스 전환 표면 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  58. 제57항에 있어서, 상기 제1 슬리브의 상기 외표면은 상기 공동 내에 원주를 따라 서로 이격되어 축방향으로 연장하는 복수개의 냉각 핀을 구비하는 원주부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
  59. 제58항에 있어서, 상기 노즐의 상기 단부 벽은 상기 환상의 제1 가스 통로로부터 상기 유출구로 유동하는 가스에 와류 운동을 부여하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 토치.
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