KR19980080232A - 플라스마 아크 토치용 드래그 컵 - Google Patents

플라스마 아크 토치용 드래그 컵 Download PDF

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Abstract

플라스마 아크 토치용 드래그 컵은 토치 노즐과 전극 조립체를 향해 수렴하는 원뿔형 외면부를 구비한 토치 팁의 슬리브 부재에 장착된다. 드래그 컵은 장착 단부와, 슬리브 부재의 원뿔형부를 따라 연장하는 원뿔형부와, 그리고 토치 노즐로부터 반경방향으로 이격되어 토치 노즐을 감싸는 단부를 포함하며, 그 단부는 노즐의 단부에서 축방향 외측으로 이격되는 단부벽을 구비하며, 그 단부벽에는 노즐의 플라스마 제트 유출 오리피스와 동축인 관통 개구가 형성되어 있다. 드래그 컵의 단부벽을 관통하는 개구의 크기는 노즐 오리피스의 크기의 3 내지 6 배이며, 플라스마 제트를 교란시키지 않으면서 플라스마 제트를 중심으로 하는 차폐 가스 유동을 제공할 만큼 충분히 크면서 동시에 개구를 통한 용융 금속의 블로우 백으로부터 노즐을 보호할만큼 충분히 작다.

Description

플라스마 아크 토치용 드래그 컵
본 발명은 플라스마 아크 토치(plasma arc torch)에 관한 것으로, 특히 이 플라스마 아크 토치에 사용되는 개선된 형태의 드래그 컵(drag cup)에 관한 것이다.
공지된 플라스마 아크 토치는 전극(electrode)을 수용하기 위한 노즐을 포함하며, 노즐의 단부벽은 전극의 노우즈(nose) 단부와 마주하고 있으며 노즐의 단부벽을 관통하여 플라스마 유출 개구를 구비하고 있다. 전극과 노즐은 전극이 노즐의 단부벽과 접촉하는 시동 위치와, 전극이 노즐의 단부벽으로부터 작동 거리만큼 이격되는 작동 위치 사이에서 상대 변위 가능하다. 노즐의 단부벽과 전극의 단부면은 가스실을 형성하여 이 가스실로 플라스마 가스가 공급되며, 전극과 노즐 사이에 아크 전류가 흐르면 그 가스실로부터 플라스마 제트(jet)가 유출 오리피스를 통해 방출된다. 전극을 단부벽과의 접촉이 해제되도록 이동시켜 파일럿(pilot) 아크가 발생되도록 하여 토치를 시동시켰을 때, 그 토치는 비이송형 파일럿 아크 모드로 작동하며, 노즐을 가공물(workpiece)에 근접하게 이동시키면, 아크가 가공물로 인가되면서 토치는 아크 이송형 모드로 작동한다. 구조가 다른 변형예에 있어서, 전극과 노즐은 서로에 대해 고정될 수 있으며 토치는 고주파를 사용하거나 다른 공지된 시동 절차에 의해 시동된다.
드래그 컵은 손바닥 크기의 플라스마 아크 토치와 사용되는데, 작동자가 가공물 절삭 작업 동안 토치 조립체와 가공물을 접촉시키는 것을 허용하여, 무엇보다도 작동자가 토치와 가공물 사이에 정확한 고립 거리를 유지하는 것을 돕는 것이 장점이다. 또한, 드래그 컵은 노즐이 가공물과 접촉할 때 발생하는 이중 아킹(arcing)을 방지하는 기능을 한다. 이러한 드래그 컵은 일반적으로 세라믹 재료나 금속 재료로 제조되는데, 세라믹 재료는 쉽게 파손되므로 금속 재료가 바람직하다. 금속 재료가 사용될 때 노즐로부터 드래그 컵을 전기적으로 절연하기 위하여 토치 노즐과 드래그 컵 사이에 절연층이 제공된다. 모든 경우에, 드래그 컵은 토치 작업 동안 노즐 외부를 따라 유동하는 차폐 가스에 의해 냉각된다. 종래의 드래그 컵은 원통형 스커트부를 포함하는데, 이것은 비교적 직경이 큰, 종종 노즐의 직경보다도 큰 개구를 제공하여 드래그 컵의 외측 단부에 큰 개방 영역을 제공한다. 차폐 가스는 노즐 단부벽의 유출구를 통해 배출되는 플라스마 제트를 교란시키지 않으면서 개방 영역을 통해 유동하는데, 이 드래그 컵의 주 단점은 용융 금속의 블로우 백(blow back)을 방지할 수 없다는 것이다. 따라서, 노즐의 외측 단부에 금속이 증가되어, 결과적으로 노즐과 가공물 사이의 간격이 짧아져 이중 아킹(arcing)을 유발한다. 이전의 시판되던 다른 드래그 컵은 이것의 외측 단부에 걸쳐 단부벽을 포함하고 있으며 이 단부벽에는 플라스마 제트용 노즐 유출구 및 축방향으로 정렬된 작은 개구가 제공되어 있다. 이러한 단부벽은 용융 금속의 블로우 백을 방지하며, 용융 금속은 차폐 가스가 플라스마 아크용의 단부벽의 중앙 개구 및 이것의 주위에 제공된 복수 개의 측방향 외측을 향한 배출(bleed) 포트를 통하여 유동함에 의해 드래그 컵의 단부로부터 블로우(blow) 제거된다. 중앙 개구와 배기 통로를 통한 차폐 가스의 유동이 원활하여야 함에 따라, 이러한 구조로된 드래그 컵은 다수의 관통 구멍을 드릴링(drilling) 및 디버링(deburring)하여야 하므로 제조 비용이 비싼 것이 단점이다.
본 발명에 따라, 이전의 시판되던 드래그 컵의 사용 및 구조로 인한 전술한 그리고 다른 문제들을 바람직하게 최소화하거나 극복하는 구조의 드래그 컵이 제공된다. 특히, 본 발명에 따른 구조의 드래그 컵에 의해 용융 금속의 블로우 백으로부터 토치 노즐을 보호하며, 또한 이러한 보호는 향상된 차폐 가스의 유동을 향상시킴으로써 드래그 컵 단부벽의 중앙 개구를 둘러싸고 있는 배출 포트 없이도 달성된다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 드래그 컵은 토치 노즐을 가로질러 연장하는 단부벽을 구비하며, 이 단부벽에는 노즐을 통과하는 플라스마 제트 오리피스와 동축이면서 이것보다 직경이 몇배 큰 중앙 개구가 제공된다. 차폐 가스는 노즐을 따라 노즐의 단부를 가로질러 유동한 다음 플라스마 제트용의 드래그 컵 단부벽의 중앙 개구를 통과하여야 하므로, 이러한 중앙 개구를 통한 차폐 가스의 유동과 함께 단부벽이 용융 금속의 블로우 백을 방지하며, 배출 포트 없이도 아크에서 먼쪽으로 용융 금속을 블로우한다. 중앙 개구의 직경은 차폐 가스의 총 유량에 따라 플라스마 제트용 노즐의 유출 직경의 약 3 내지 6 배 커진다. 또한, 중앙 개구는, 모든 차폐 가스가 플라스마 제트를 교란시키지 않으면서 이 중앙 개구를 통해 유동할 수 있으며, 동시에 전술한 바와 같이 용융 금속이 드래그 컵으로 블로잉(blowing)되어 노즐 단축이 촉진되는 것을 방지할 만큼 충분히 크다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 드래그 컵은 토치 팁(tip)에 신속하게 장착 및 해체될 수 있는 구조로 형성된다.
따라서, 본 발명의 가장 큰 목적은 수동식 플라스마 아크 토치에 사용되는 개선된 드래그 컵을 제공하는 것이다.
다른 목적은 토치 노즐로부터 방출되는 플라스마 제트에 영향을 주지 않으면서 용융 금속의 블로우 백을 최대한도로 방지하여 이중 아킹을 방지하는 상기 목적을 위한 드래그 컵을 제공하는 것이다.
또다른 목적은 토치 작동 동안 토치 팁 조립체와 드래그 컵을 최대한도로 냉각시키는 전술한 특성의 드래그 컵을 제공하는 것이다.
또다른 목적은 구조적으로 간단하며 생산이 경제적이며, 토치 팁에 신속하게 장착 및 해체 가능하며, 그리고 노즐을 이중 아킹으로부터 보호함과 함께 팁 조립체와 드래그 컵을 최대한도로 냉각시킴으로써 토치의 보다 효율적인 사용과 작동을 촉진하는 전술한 특성의 드래그 컵을 제공하는 것이다.
전술한 그리고 다른 목적들은 첨부 도면에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예의 설명에 대한 아래의 보다 상세한 설명으로부터 분명해질 것이며 강조될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 드래그 컵과 플라스마 아크 토치의 구성 부재들의 전개 사시도,
도 2는 조립되어 있는 토치 구성 부재들의 입단면도,
도 3은 드래그 컵의 평면도,
도 4는 드래그 컵의 단면도,
도 5는 드래그 컵이 장착되어 있는 토치 팁 부재의 정면도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
10 : 플라스마 아크 토치
12 : 본체부
18 : 절연 슬리브
34 : 노즐 부재
36 : 슬리브 부재
48 : 전극
60 : 실린더 부재
82 : 피스톤 부재
124 : 드래그 컵
도면들을 보다 상세히 참조하면, 도면들은 단지 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고자 하는 것으로 본 발명을 제한하려는 것은 아니며, 도 1 및 도 2에는 축(A)을 구비한 플라스마 아크 토치(10)가 도시되어 있는데, 이것은 동축으로 배열된 노즐과, 전극과, 그리고 이후에 보다 상세히 설명될 바와 같은 전극 배치 부재를 지지하며 축(A)과 동축인 본체부(12)를 포함한다. 도 2에 도시된 토치(10)의 수직 단면도를 참조하면, 본체부(12)의 하단에는 각각의 외부 및 내부 나사산(14,16)이 제공되어 있으며, 와류형(swirl) 링 조립체는 절연 재료(18)로된 슬리브와 본체부(10)의 하단에 수납되는 장착 슬리브(20)를 포함하며 슬리브(20)의 외부 나사산과 본체부(12)의 내부 나사산(16)이 서로 맞물림으로써 본체부의 하단에 장착된다. 설명될 또는 아래에 분명해질 목적들을 위해, 절연 슬리브(18)의 내측 단부에는 반경방향으로 관통하여 뚫려 있는 복수 개의 와류형 포트(24)와 그리고 절연 슬리브의 외주변 둘레를 연장하는 오목부 내의 O-링 시일(26;seal)이 제공되며, 장착 슬리브(20)의 하단에는 축(A)에 교차하는 단부면(28)과, 이 단부면(28)에 대해 발산하는(diverging) 원뿔형 벽(30)과, 그리고 원뿔형 벽(30)으로부터 축방향 위쪽으로 연장하며 장착 슬리브 외주변 둘레를 연장하는 복수 개의 V 자형 핀(32;fin)이 형성되어 있는 외면이 제공된다. 도면 부호가 표시되지 않은 쇼울더(shoulder)가 핀(32)의 상단으로부터 반경방향 내측으로 연장하여 본체부(12)의 하단면에 맞물려져 본체부 내부에 와류형 링 조립체가 배치된다.
노즐 부재(34)는 본체부(12)의 외부 나사산(14)과 맞물리는 내부 나사산(38)을 상단에 구비한 차폐용 컵(36) 또는 슬리브 부재에 의해 본체부(12)의 하단에 장착된다. 아래에 보다 상세히 설명될 노즐 부재(34)는 이것의 축방향 양단부의 중간 둘레를 연장하는 장착 플랜지(40)를 포함하며, 이것은 장착 슬리브(20)의 단부면(28)과 슬리브(36)의 하단 플랜지(42)에 의해 제공된 반경방향 내측으로 연장하는 쇼울더(41) 사이에 축방향으로 포획된다. 도 2에 가장 잘 도시된 바와 같이, 슬리브(36)의 내면은 쇼울더(41)로부터 내부 나사산(38)으로 발산하는 원뿔형 표면(44)을 포함하며, 이것은 원뿔형 벽(30)과 장착 슬리브(20)의 핀(32)으로부터 반경방향으로 이격되어 이들과의 사이에 후술될 목적을 위해 공동(46)을 제공한다.
토치(10)는 이것과 동축이면서 노즐(34)에 대해 축방향 변위 가능하게 토치 내부에 지지되는 전극(48)을 추가로 포함한다. 전극(48)은 노즐(34)에 수용되는 노우즈 단부(50)를 포함하며, 노우즈 단부의 원통형 외면은 선단면(52)의 노우즈 단부 하단에서 종결된다. 노우즈 단부(50)의 하단은 하프늄(hafnium), 지르코늄(zirconium), 텅스텐(tungsten) 등으로된 삽입부(54)를 포함하며, 이 삽입부는 널리 공지된 바와 같이, 토치 작동과 관련하여 플라스마 아크를 생성하도록 노즐과 함께 작용한다. 전극(48)의 노우즈 단부(50)의 축방향 내측으로 헬리컬 와류형 홈(56)에 의해 형성되는 가스 와류형부가 제공되며, 이 와류형부는 홈(56)을 위한 와류형 링 조립체의 슬리브(18) 내에 수납되어 와류형 홈과 슬리브 사이에 와류형 통로를 형성한다. 전극(48)의 최내측 단부에는 헤드(58)가 제공되며, 와류형 홈(56)과 슬리브(18) 사이의 헬리컬 통로는 헤드(58)에 축방향 내측으로 이격되어 있으며, 슬리브(18)를 관통하는 포트(24)에 인접한 유입단과, 노우즈 단부(50)로부터 축방향 내측으로 이격되며 노즐(34)과 슬리브(18)의 축방향 이격 단들에 인접한 유출단을 구비한다.
토치(10)는 피스톤과 실린더 장치를 추가로 포함하며, 이 장치에 의해 전극(48)은 토치 본체부(12)와 노즐(34)에 대해 축방향으로 변위 가능하다. 이 경우 특히, 토치 본체부(12)의 상단은 실린더 부재(60)를 수납하여 지지하며, 이 실린더 부재는 본체부(12)의 상단에 인접하는 헤드부(62)와, 이 헤드부로부터 축방향 아래쪽으로 연장하며 와류형 링 조립체의 슬리브(18)의 외면에 축방향으로 겹쳐지는 하단을 구비한 슬리브부(64)를 포함한다. 헤드부(62)의 쇼울더(66)는 토치 본체부(12)에 대해 맞물려지며, 실린더 부재(60)는 분할 링(68)에 의해 토치 본체부(12)에 축방향으로 보유된다. 아래에 분명해질 목적들을 위해, 실린더 부재(60)의 슬리브부(64)의 외면에는 이것의 외주변 둘레에 원주방향으로 이격되어 있는 복수 개의 축방향으로 연장하는 오목부(70)와, 이들 오목부의 바닥면을 하나씩 걸러 형성된, 슬리브부(64)를 관통하여 반경방향으로 연장하는 복수 개의 포트(72)가 제공되지만, 이 포트는 모든 오목부의 바닥면을 관통하여 연장할 수도 있음을 알 수 있다. 또한, 아래에 분명해질 목적들을 위해, 실린더 부재의 헤드부(62)에는 토치 본체부(12)의 포트(78)를 통해 대기에 드러나는 외주변 배기 통로(76)에 뚫려 있는 반경방향으로 연장하는 배기 통로(74)가 제공되며, 이들 배기 통로는 실린더 부재가 토치 본체부에 장착될 때 헤드부(62) 외주변과 토치 본체부(12)의 내면을 서로 맞물려 밀봉하기 위해 대응하는 오목부에 수납된 한 쌍의 O-링 사이에 축방향으로 형성되어 있다.
토치(10)의 피스톤과 실린더 조립체는 환형 밀봉 링(86)을 지지하는 헤드(84)와, 축방향 내측 단부(88)와, 그리고 스템(90) 형태의 외측 단부를 구비한 피스톤 부재(82)를 추가로 포함한다. 피스톤(82)은 실린더 부재(60) 내에 수납되어 이것에 대해 축방향으로 왕복 이동 가능하며, 이에 따라, 피스톤의 헤드(84)는 전극(48)의 축방향 내측 단부(58)와 맞물리는 내측 단부(88)를 구비한 실린더 부재(60)의 슬리브부(64)에 수납된다. 압축 스프링(92)이 도 2에 도시된 피스톤의 위치로부터 아래쪽으로 피스톤(82)을 기울어지게 하며, 피스톤(82)은 플라스마 가스가 가압되어 유입 통로(84)를 통해 주입되어 오목부(70)를 따라 축방향으로 유동한 다음 반경방향 내측으로 슬리브(18)의 포트(24)를 통과하여 전극 헤드(58)의 아랫면에 부딪침으로써 도 2에 도시된 위치로 변위된다. 유입 통로(94)로 입장하는 가스 일부는 스템(90) 내로 반경방향으로 연장하는 포트(96)까지 반경방향 내측으로 포트(72)를 통과한 다음 스템의 축방향 통로(98)를 통하여 위쪽으로 유동한다. 유입 통로(94)로의 가스 유동은 도시되지 않은 솔레노이드 밸브에 의해 제어되며, 이 솔레노이드 밸브는 예를 들면, 토치 작동자가 토치를 시동시키기 위하여 토치 트리거(trigger)를 내리 누름에 응답하여 개방된다. 도 2에 도시된 위치로의 피스톤(82)의 변위 동안, 피스톤 헤드(84) 위의 공기는 배기 통로(74,76,78)를 통해 대기로 배기된다. 작동자가 토치 트리거를 해제하면 솔레노이드 밸브가 폐쇄되어, 유입 통로(94)의 가스 압력이 사라지며, 스프링(92)이 도 2에 도시된 위치로부터 아래쪽으로 피스톤(82)을 변위시켜, 전극(48)을 아래쪽으로 변위시킨다. 피스톤 헤드(84) 아래의 공기는 항상 반경방향 포트(96)와 축방향 통로(98)를 통해 배기되며, 이것은 피스톤을 냉각시키기에 바람직하다. 피스톤의 하향 이동 동안, 공기는 배기 통로(74,76,78)를 통해 피스톤 헤드(84) 위의 공간으로 끌어 당겨진다. 토치 작동 동안, 아래에 분명해질 바와 같이, 플라스마 가스는 냉각을 위해 그리고 플라스마 아크 제트 발생을 위해, 토치 본체를 통과하여 노즐과 전극 부재 사이에 계속적으로 유동된다. 전술로부터 분명해질 바와 같이, 이러한 냉각 및 작업 가스는 실린더 부재(60) 슬리브부(64)의 오목부(70) 상단에 인접한 토치 본체를 관통하여 반경방향으로 뚫려 있는 유입 통로(94)를 통해 토치 본체부(12)에 주입된다.
노즐 부재(34)는 축(A)과 동축의 원통형 벽(100)을 구비한 관형 부재로, 이것의 상단(101)은 전극(48)의 노우즈 단부(50)를 수납하도록 개방되어 있으며, 이것의 하단은 축(A)에 교차하는 단부벽(102)에 의해 폐쇄되며 축(A)과 동축으로 노즐 부재를 관통하는 플라스마 아크 유출 오리피스(104)를 구비한다. 장착 플랜지(40)는 축방향 반대쪽의 각각의 상면 및 하면(106,108)을 구비하며, 외주변에는 이것의 둘레로 원주방향으로 동일한 간격으로 이격되어 있는, 반경방향 외측으로 개방된 오목부(110)가 제공된다. 플랜지(40)의 하면(108)과 단부벽(102)의 최하단 사이의 노즐(34)의 외면은 동축이면서 축방향으로 인접하고 있는 각각의 제1 원통형 표면부(112)와, 원뿔형 표면부(114)와, 그리고 제2 원통형 표면부(116)를 포함하며, 이들은 플랜지(40)의 하면(108)으로부터 노즐의 최하단까지 순서대로 연장하고 있다. 표면부(116)의 직경이 표면부(112)의 직경보다 크므로, 원뿔형 표면부(114)는 표면부(112)의 하단으로부터 표면부(116)의 상단으로 발산한다. 보다 상세히 후술될 목적을 위해, 플랜지(40)를 가로지르는 각각의 오목부(110)는 제1 원통형 표면부(112)로부터 반경방향 외측으로 이격된 반경방향 내측 단부(118)를 구비하며, 플랜지(40)의 상면(106)과 벽(100)의 상단(101) 사이의 노즐(34)의 상단에는 복수 개의 축방향으로 연장하는 홈(120)이 제공된다. 홈(120)의 수는 오목부(110)의 수와 일치하며, 대응하는 각각의 오목부(100)와 반경방향 및 원주방향으로 정렬되므로, 홈의 반경방향 내측 단부(112)는 오목부(110)의 내측 단부(118)와 공면(共面)이다.
본 발명에 따르면, 토치 팁에는 드래그 컵(124)이 제공되며, 바람직한 실시예에 있어서, 드래그 컵은 축(A)과 동축의 토치 팁의 차폐용 컵 또는 슬리브 부재(36)에 제거 가능하게 장착된다. 도 3 및 도 4에 도시된 드래그 컵(124)의 구조로부터, 드래그 컵의 본체부는 축(A)에 교차하는 단면이 원형이며 축방향 양 단부(126,128)를 구비함을 알 수 있다. 본체부의 단부(126)는 축방향 외측 가장자리(132)와 축방향 내측 가장자리(134)를 구비한 원형 벽부(130)를 포함하며, 본체부의 단부(128)는 직경이 벽부(130)보다 작으며 각각의 축방향 외측 단부(138)와 축방향 내측 단부(140)를 구비한 환형 벽부(136)를 포함한다. 본체부는 벽부(130)의 내측 단부(134)와 벽부(136)의 내측 단부(140) 사이에 중간, 원뿔형 벽부(142)를 추가로 포함하며, 이것은 단부(134)로부터 단부(140)를 향한 방향으로 축(A)을 중심으로 반경방향으로 수렴한다(converging). 드래그 컵(124)은 벽(136)의 축방향 외측 단부에 축(A)에 교차하는 단부벽(144)을 추가로 포함한다. 단부벽(144)은 축(A)과 동축의 관통 개구를 구비하며, 이 개구는 단부벽(144)의 축방향 내면으로부터 축방향 외측으로 연장하는 원형부(106)를 포함하며 개구의 직경은 노즐 부재(34)의 유출 오리피스(148)보다 몇배 크다. 단부벽(144)을 관통하는 개구는 단부벽(144)의 축방향 내면 및 외면 사이 중간 부근 원형부(146)에 교차하게 단부벽(144)의 축방향 외면에 원뿔형 표면부(148)를 추가로 포함하며, 이것은 축(A)에 교차하는 평면에 대해, 약 18°의 바람직한 각도(x)로 축방향 및 반경방향 외측으로 발산한다. 표면(148)의 용도는 아래에 분명해질 것이다.
드래그 컵(124)의 본체부의 단부(126)에는 벽(130) 둘레로 원주방향으로 동일한 간격으로 이격되며 벽의 가장자리(132)로부터 축방향 내측으로 연장하는 복수 개의 슬롯(150)이 제공된다. 각각의 슬롯은 외측 가장자리(132)로부터 축방향 내측으로 연장하는 한 쌍의 원주방향으로 이격된 평행한 측면 가장자리(152)에 의해 형성되며, 이것의 도면 부호가 표시되지 않은 내측 단부는 벽(130)의 내측 단부(134)에 위치한다. 각각의 슬롯은 측면 가장자리(152)의 내측 단부들 사이에 아치형 내부 가장자리(154)를 추가로 포함하며, 내측 가장자리(154)로부터 드래그 컵의 원뿔형 벽부(142)까지 축방향으로 연장한다. 원주방향으로 인접하는 슬롯(150) 사이 본체부의 단부(126)에는 복수 개의 축방향으로 연장하는 원주방향으로 이격된 탭(156)이 제공된다. 드래그 컵은 구리 또는 텔루르(tellurium) 구리와 같은 구리 합금으로 제조되며, 벽부들(130,142) 사이 접합부에서 벽의 반경방향 두께는 비교적 얇으므로, 탭(156)은 후술할 바와 같은 목적을 위해 반경방향 외측으로 탄성적인 것이 바람직하다. 또한, 각각의 탭(156)의 원주방향 양 측면은 원주방향으로 인접한 슬롯(150)의 측면 가장자리(152)에 의해 형성되며, 보다 상세히 후술될 목적을 위해 각각의 탭의 반경방향 내측 가장자리에는 벽부(130)의 외측 가장자리(132)로부터 반경방향 내측으로 연장하며 탭의 측면(152) 사이를 원주방향으로 연장하는 반경방향 내측을 향한 돌출부(158)가 제공되는 것이 바람직함을 알 수 있다. 바람직하게, 각각의 돌출부(158)와 벽부(130)의 대응하는 가장자리(132)간의 접합부(160)는 후술할 목적을 위해 둥글게 형성된다.
전술한 바와 같이, 드래그 컵(124)은 토치 팁의 차폐물 또는 슬리브 부재(36)에 제거 가능하게 장착될 수 있으며, 드래그 컵이 토치 팁에 장착될 때 드래그 컵과 토치 팁 간의 구조적인 상호 관련성은 도 1, 도 2, 및 도 5를 참조한 아래의 설명으로부터 분명해진다. 도시된 실시예에 있어서, 슬리브 부재(36)는 이것의 축방향 내측 단부에 위치한 원형 외면부(162)와, 이 표면부(162)에 대해 반경방향 내측으로 층이지게 축방향으로 이격된 외면부(164)와, 그리고 이들 사이의 원뿔형 쇼울더(163)를 구비한다. 슬리브(36)는 표면부(164)로부터 플랜지(42)에 의해 형성되는 바와 같은 슬리브의 하부 또는 축방향 외측 단부를 향해 수렴하는 원뿔형 표면부(166)를 추가로 포함한다. 슬리브(36)는 둘레에 원주방향으로 동일하게 이격된 복수 개의 반경방향 외측으로 연장하는 돌출부(170)를 추가로 포함하며, 이것의 수는 드래그 컵(124)의 슬롯(150)의 수와 일치한다. 각각의 돌출부(170)는 쇼울더(163)에 위치한 축방향 내측 단부(172)와, 표면부들(164,166)간의 접합부에 위치한 아치형의 축방향 외측 단부(174)를 구비한다. 돌출부(170)는 원주방향으로 아치형이며 이것의 원주방향 폭은 슬롯(150)의 원주방향 폭에 대체로 일치하며, 인접한 돌출부들은 드래그 컵의 탭(156)의 원주방향 길이에 대체로 일치하는 간격으로 원주방향으로 이격된다. 드래그 컵은 단부(42)로부터 표면부(164)쪽 방향으로 슬리브 부재(36) 상에서 축방향으로 드래그 컵의 단부(126)를 이동시켜 돌출부(170)와 슬롯(150)을 원주방향으로 정렬시킴으로써 슬리브 부재(36)에 제거 가능하게 장착된다. 탭(156)의 돌출부(158)가 표면부(164)와의 접합부에 인접하게 원뿔형 표면(166)과 맞물릴 때, 탭의 원형 가장자리(160)에 의해, 드래그 컵의 원뿔형 벽(142)의 내면이 슬리브(36)의 원뿔형 외면(166)에 대해 안착될 때까지 탭은 돌출부를 향해 반경방향 외측으로 이동되어 표면부(164)를 따라 형성된 축방향 슬라이드(slide)와 맞물린다. 장착되고 나면, 슬롯(150)은 돌출부(170)를 축방향으로 수납하여 서로 맞물려져 토치 팁과 드래그 컵 사이의 상대 회전이 억제된다.
도 2에 가장 잘 도시된 바와 같이, 드래그 컵(24)이 전술한 방식으로 슬리브 부재(36)에 장착될 때, 드래그 컵의 원뿔형 벽부(142)의 하단은 슬리브 부재(36)의 플랜지(42) 아래 노즐(34)의 외면으로부터 반경방향 외측으로 이격되어, 노즐 부재 둘레를 연장하는 차폐 가스실(182)을 제공하며, 상세히 후술될 바와 같이, 토치 팁을 통과하여 유동하는 차폐 가스 일부는 토치의 작동과 관련하여 차폐 가스실로 유동하는데, 그 목적은 이러한 작동과 연관되어 설명될 것이다. 도 2에 상세히 도시된 바와 같이, 드래그 컵(124)이 슬리브 부재(36)에 장착될 때, 드래그 컵의 환형 벽부(136)는 노즐(34)의 하단을 감싸면서 이것으로부터 반경방향 외측으로 이격되어, 이들 사이에 환형 통로(184)를 제공하며, 드래그 컵 단부벽(144)의 내면은 노즐(34) 단부벽(102)의 축방향 외면에서 축방향 외측으로 이격되어 이들 사이에 반경방향 내측으로 연장하는 통로(186)를 제공한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 드래그 컵(124)이 슬리브 부재(36)에 장착될 때, 벽부(136)의 하단(138)과 단부벽(144)은 노즐(34)의 단부벽(102)의 축방향 외면으로부터 축방향 외측으로 배치되어, 가공물과 맞물려지며 가공물으로부터 적당한 고립 거리로 노즐(34)을 이격시킨다.
이제 전술과 연관지어 토치의 작동에 대해 도 2를 참조하면, 전극(48)의 노우즈 단부(50)가 노즐(34)의 단부벽(102)으로부터 위쪽으로 이격된 전극의 작동 위치가 도시되어 있다. 전술한 바와 같이, 시동에 앞서 전극의 토치 노우즈 단부(50)는 스프링(92)의 편향에 의해 노즐(34)의 단부벽(102)과 맞물리며, 이 위치로부터 플르즈마 가스가 가압되어 통로(94)와 오목부(70)와 그리고 포트(24)를 통해 전극(48)의 헤드(58)의 아랫면까지 주입됨으로써 도 2에 도시된 작동 위치로 변위된다. 널리 공지된 바와 같이, 전극과 노즐은 아크 전원에 교차 연결되므로, 전극(48)이 이것의 노즐(34) 접촉 위치로부터 도 2에 도시된 위치로 변위될 때, 이들 사이에 파일럿 아크가 발생된다. 도시된 실시예의 토치의 이러한 시동 및 작동과 관련하여, 전극(48) 노우즈 단부(50)의 하단면(52)과 노즐(34) 단부벽(102)의 축방향 내면 사이의 영역은, 노즐(34) 단부(101)의 내면과 전극 노우즈 단부(50)의 외면 사이의 환형 공간에 의해 형성된 환형 통로(192)로부터 환형 도입부(190) 까지의 플라스마 가스실(188)을 제공한다. 파일럿 아크를 형성하기에 앞서, 플라스마 가스는 토치 본체부(12)의 유입 통로(94)를 통해 주입되어 토치 본체와 실린더 슬리브(64) 사이의 환형 공간에서 유동하며 와류형 링 조립체의 슬리브 부재(18)의 와류형 포트(24)를 향해 오목부(70)의 내부를 따라 축방향으로 유동한 다음 포트(18)를 통해 반경방향 내측으로 유동한다. 그 후, 플라스마 가스는 와류형 통로(56)를 따라 전극(48)의 상단 둘레에서 아래쪽으로 슬리브(18)의 하단까지 유동한다. 노즐(34)의 단부(101)로부터 축방향으로 이격된 슬리브(18)의 하단에서, 가스 일부는 와류형 패턴으로 환형 통로(192)에서 유동한 다음 주변 도입부(190)로부터 가스실(188)로 유동한다. 그 후 전극이 파일럿 아크를 발생하도록 노즐에 대해 변위될 때, 유출 오리피스(104)는 개방되어 플라스마 제트(P)가 이 유출구를 통해 방출된다. 도 2에 보다 상세히 도시된 바와 같이, 와류형 포트(24)를 통과한 다음 헬리컬 와류형 통로(56)를 따라 이것의 배기단까지 유동하는 플라스마 가스 일부는 노즐(34) 상단(101)을 가로질러 측방향 외측으로 유동한 다음 노즐 외면의 홈(120)을 축방향으로 통과하여 노즐의 장착 플랜지(40)의 오목부(110)를 가로질러 축방향으로 유동한다. 또한, 홈(120)을 통과하여 유동하는 플라스마 가스 일부는 오목부(110)로부터 장착 링(20)의 표면(30)과 장착 링(36)의 표면(44) 사이 환형 공간으로 반경방향 외측으로 유동하며 냉각 핀(32)을 가로질러 공동(46)으로 유동하므로, 이 영역의 토치의 구성 부재들의 냉각을 촉진시킨다. 플랜지(40)의 오목부(110)를 가로질러 축방향으로 유동하는 플라스마 가스는 슬리브 부재(36)의 쇼울더(41)로부터 아랫방향으로 연장하여 표면부(112)에 대해 수렴하는 원뿔형 벽부(43)에 의해 노즐(34)의 제1 원통형 표면(112)에 대해 반경방향 내측으로 편향된다. 가스가 표면부(112)를 따라 축방향으로 유동함에 따라, 가스는 원뿔형 표면부(114)에 부딪치며 통로(184)로 축방향으로 유동하기 위해 표면부(114)로부터 차폐 가스실(182)로 반경방향 외측으로 편향된 다음 드래그 컵(124)의 단부벽(144)의 개구(146)까지 통로(186)를 따라 반경방향 내측으로 유동한다. 그 후, 차폐 가스는 플라스마 제트(P) 주변의 개구(146)를 통해 축방향 외측으로 유동하며 토치 팁의 반경방향 외측으로 용융 금속을 블로우하기 위하여 개구의 원뿔형 벽부(148)에 의해 축(A)에 대해 반경방향 외측으로 편향된다. 개구(146)의 직경은 이것을 통과하는 차폐 가스의 유동이 플라스마 제트(P)를 측방향으로 교란시키는 것을 방지하기에 충분할 만큼 노즐의 유출구(104)의 직경보다 크다. 원뿔형 표면(148)과 함께 이러한 개구(146)의 크기도 개구(146)를 통과하여 노즐에 대항하는 용융 금속의 블로우 백 방지를 촉진시킨다. 용융 금속의 블로우 백과 강력한 이중 아킹으로부터 토치 노즐을 보호함과 관련한 전술한 장점을 제공하는 것 외에, 칼라 부재(20,36) 사이와 이들 사이 공동(46)으로의 플라스마 가스의 유동과, 챔버(182)를 통한 통로(184,186)로의 유동은 토치 팁 조립체의 구성 부재를 최대한도로 냉각시킨다.
전술한 바와 같이, 노즐(34) 단부벽(102)의 유출구(104)의 크기에 대한 드래그 컵 단부벽(144)의 개구(146)의 크기는 용융 금속 블로우 백과 이중 아킹에 대해 노즐을 보호함과 더불어 토치 팁 조립체의 소정의 냉각을 달성하는 것과 관련하여 중요하다. 본 명세서에 도시 및 설명된 실시예에 있어서, 외면부(116)에 의해 형성된 바와 같은 노즐(34) 단부벽(102)의 외경은 약 0.440 inch이며, 벽(102)의 유출 오리피스(104)의 직경은 약 0.042 inch이며, 그리고 드래그 컵의 단부벽(144)을 관통하는 개구(146)의 직경은 약 0.188 inch이다. 이에 따라 오리피스 대 컵 개구의 직경비는 약 1 내지 4.5가 된다. 개시된 실시예를 보다더 참조하면, 토치의 작동 동안 토치 팁을 통과하는 총 가스 유동은 약 240 ft3/hr이며, 팁 조립체의 구조에 따라, 가스의 약 1/3은 통로(192)를 통과하여 전극과 노즐 사이의 챔버(188)를 유동하며, 가스의 약 2/3는 챔버(182)와 그리고 노즐과 드래그 컵 사이의 통로(184,186)로 유동한다. 전술한 가스 유동이 바람직하며, 이와 함께 전술한 비율은 용융 금속의 블로우 백을 방지하며 차폐 가스가 플라스마 제트를 교란시키지 않으면서 유동하는데 대한 소정의 결과를 제공하는데, 노즐 오리피스 직경은 총 가스 유동이 약 100 ft3/hr 내지 약 360 ft3/hr로 변화할 수 있음에 따라 가변적이다. 노즐 유출구가 바람직한 실시예의 것과 동일하게 즉, 직경이 0.042 inch인 토치 팁 조립체에서 이루어지는 이러한 가스 유동 변화를 가정하면, 플라스마 제트 주변의 드래그 컵 개구(146)를 통한 플라스마 가스의 유동에 관한 소정의 결과는 낮은 가스 유량에 대해서는 개구의 직경이 약 0.125 inch이며 높은 가스 유량에 대해서는 개구의 직경이 약 0.250 inch 이다. 따라서, 이들 치수들의 경우 각각 노즐 오리피스 대 드래그 컵 개구의 비율은 약 1:3 및 1:6 임을 알 수 있다. 본 발명에 따라, 드래그 컵의 단부벽은, 노즐의 외경보다 작으면서 노즐의 유출 오리피스보다 크며, 플라스마 제트를 교란시키지 않고 플라스마 제트 주변으로 가스가 유동할 수 있도록 충분히 크면서 동시에 용융 금속의 블로우 백으로부터 노즐을 보호하도록 충분히 작은, 단일 개구를 구비한다는 것은 중요하다. 본 명세서의 설명으로부터, 이들 소정의 결과는 여러 가지 상이한 총 가스 유동 비율과 함께 다양한 노즐 오리피스 대 드래그 컵 개구 비율에 의해 달성될 수 있다.
본 명세서에서 바람직한 실시예의 구성 부재들의 구조 및 구성 부재들 간의 구조적 관련성이 상당히 강조되고 있지만, 다른 실시예가 이루어질 수 있으며 본 발명의 원리를 벗어나지 않으면서 전술한 바와 같은 변형 외에도 바람직하게 실시예가 변경될 수 있음을 알 수 있다. 특히, 토치 팁에 컵을 장착하기 위해 드래그 컵의 축방향 내측 단부에 슬롯과 탭이 아닌 다른 장치가 사용될 수 있음을 알 수 있다. 마찬가지로, 드래그 컵은 본 명세서에 개시된 바와 다른 구조 및 작동 특성을 갖춘 토치 팁 조립체, 예를 들면 전극과 노즐 부재가 서로에 대해 변위 가능하도록 대항함으로써 축방향으로 이격된 관계로 고정된 조립체와 사용될 수 있는데, 이러한 장치의 경우, 전극과 노즐은 본 명세서에 개시된 피스톤과 실린더 장치에 의한 것보다 더 변위 가능함을 알 수 있다. 또한, 토치 팁 조립체는 본 명세서에 개시된 바와 상이한 내부 차폐 가스 유동 장치 또는 장치들을 포함할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 드래그 컵을 장착하기 위해 슬롯과 탭 장치는 6개의 탭과 슬롯으로 구성되는 것이 바람직하지만, 구조가 상이할 뿐만 아니라 보다 적거나 많은 수의 탭과 슬롯으로 구성된 장치가 사용될 수 있음을 알 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예 뿐만 아니라 다른 실시예들의 이와 같은 또는 다른 변경들은 본 명세서의 설명으로부터 당해 업계의 숙련자에게는 분명해질 것이며, 전술한 기술적인 문제는 단지 본 발명을 예시하는 것으로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
본 발명에 따라 제공되는 수동식 플라스마 아크 토치와 사용하기 위한 향상된 드래그 컵에 의해, 토치 노즐로부터 방출되는 플라스마 제트를 교란시키지 않으면서 용융 금속의 블로우 백 및 이중 아킹을 방지할 수 있으며, 토치 작동 동안 토치 팁 조립체와 드래그 컵을 최대한도로 냉각시켜 토치의 보다 효율적인 사용 및 작동이 촉진되며, 또한 본 발명의 드래그 컵은 구조가 간단하여 저렴하게 생산할 수 있으며, 토치 팁에 신속하게 장착 및 해체될 수 있다.

Claims (16)

  1. 축과, 외경을 갖는 원통형 벽부와, 상기 축에 교차하는 노즐 단부벽과 그리고 상기 축과 동축으로 상기 노즐 단부벽을 관통하는 플라스마 제트 유출 오리피스를 구비하는 노즐을 포함하며, 상기 오리피스의 직경은 상기 외경보다 작은 플라스마 토치 팁 조립체용 드래그 컵으로서,
    상기 드래그 컵은 축방향 양단부와, 상기 팁 조립체에 상기 컵을 장착하기 위해 상기 양단부중 일단부에 형성된 장착 수단과, 상기 축에 교차하며 상기 드래그 컵이 상기 팁 조립체에 장착될 때 상기 노즐 단부벽으로부터 축방향으로 이격되는 상기 양단부중 타단부에 형성된 컵 단부벽을 구비한 본체부를 포함하며, 상기 컵 단부벽은 상기 축과 동축의 단 하나의 관통 개구를 구비하며 개구의 직경은 상기 오리피스의 상기 직경보다 크고 상기 노즐의 상기 외경보다 작은 것을 특징으로 하는 드래그 컵.
  2. 제1항에 있어서, 상기 컵 단부벽은 축방향을 따른 내면 및 외면을 구비하며, 상기 단부벽을 관통하는 개구는 상기 내면으로부터 상기 외면을 향해 발산하는(diverging) 원뿔형으로 오목한 부분을 상기 외면상에 포함하는 것을 특징으로 하는 드래그 컵.
  3. 제1항에 있어서, 상기 본체부는 상기 축에 교차하는 단면이 원형이며, 상기 일단부는 제1 직경을 갖는 제1 환형 벽부를 포함하며, 상기 타단부는 상기 제1 직경보다 작은 제2 직경을 갖는 제2 환형 벽부를 포함하며, 상기 제2 환형 벽부는 상기 노즐의 상기 원통형 벽부에 반경방향 외측으로 이격되어 이것을 둘러싸며, 상기 본체부는 상기 제1 및 제2 벽부 사이에 중간 벽부를 포함하는 것을 특징으로 하는 드래그 컵.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 환형 벽부는 축방향으로 이격되어 있으며, 상기 중간 벽부는 원뿔형으로 상기 제1 벽부로부터 상기 제2 벽부를 향한 방향으로 수렴하는(converging) 것을 특징으로 하는 드래그 컵.
  5. 제4항에 있어서, 상기 토치 팁 조립체는 상기 컵이 상기 토치 팁 조립체에 장착될 때 상기 본체부의 상기 제1 환형 벽부 및 상기 원뿔형 중간 벽부의 반경방향 아래에 위치하는 각각의 축방향으로 연장하는 환형 외면부 및 원뿔형 외면부를 구비한 슬리브 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 드래그 컵.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 환형 벽부는 상기 축을 중심으로 원주방향으로 이격되는 복수 개의 축방향으로 연장하는 탄성적인 탭을 포함하며, 상기 탄성적인 탭은 상기 팁 조립체에 상기 드래그 컵을 해체 가능하게 장착하기 위해 상기 슬리브 부재의 상기 축방향으로 연장하는 외면부와 맞물리는 것을 특징으로 하는 드래그 컵.
  7. 제6항에 있어서, 상기 슬리브 부재는 그 슬리브 부재의 상기 외면부에서 반경방향 외측으로 연장하는 돌출부를 포함하며, 그 돌출부는 원주방향으로 인접하는 상기 탭들 사이 공간에 수납되어 서로 맞물림으로써 상기 축을 중심으로한 상기 팁 조립체와 상기 드래그 컵 사이의 상대 회전을 방지하는 것을 특징으로 하는 드래그 컵.
  8. 제7항에 있어서, 상기 컵 단부벽은 축방향을 따른 내면 및 외면을 구비하며, 상기 단부벽을 관통하는 개구는 상기 내면으로부터 상기 외면을 향해 발산하는 원뿔형으로 오목한 부분을 상기 외면상에 포함하는 것을 특징으로 하는 드래그 컵.
  9. 제1항에 있어서, 상기 컵 단부벽을 관통하는 상기 개구의 상기 직경은 상기 오리피스의 상기 직경보다 3 배 이상 큰 것을 특징으로 하는 드래그 컵.
  10. 제1항에 있어서, 상기 컵 단부벽을 관통하는 상기 개구의 상기 직경은 상기 오리피스의 상기 직경의 3 배 내지 6 배인 것을 특징으로 하는 드래그 컵.
  11. 제10항에 있어서, 상기 컵 단부벽을 관통하는 상기 개구의 상기 직경은 상기 오리피스의 상기 직경보다 4.5배 큰 것을 특징으로 하는 드래그 컵.
  12. 제11항에 있어서, 상기 컵 단부벽은 축방향을 따른 내면 및 외면을 구비하며, 상기 단부벽을 관통하는 개구는 상기 내면으로부터 상기 외면을 향해 발산하는 원뿔형으로 오목한 부분을 상기 외면상에 포함하는 것을 특징으로 하는 드래그 컵.
  13. 제12항에 있어서, 상기 원뿔형으로 오목한 부분은 상기 축에 교차하는 평면에 대해 18°의 각도로 발산하는 것을 특징으로 하는 드래그 컵.
  14. 제11항에 있어서, 상기 본체부는 상기 축에 교차하는 단면이 원형이며, 상기 일단부는 제1 직경을 갖는 제1 환형 벽부를 포함하며, 상기 나머지 단부는 상기 제1 직경보다 작은 제2 직경을 갖는 제2 환형 벽부를 포함하며, 상기 제2 환형 벽부는 상기 노즐의 상기 원통형 벽부에 반경방향 외측으로 이격되어 이것을 둘러싸며, 상기 본체부는 상기 제1 및 제2 벽부 사이에 중간 벽부를 포함하며;
    상기 제1 및 제2 환형 벽부는 축방향으로 이격되어 있으며, 상기 중간 벽부는 원뿔형으로 상기 제1 벽부로부터 상기 제2 벽부를 향한 방향으로 수렴하며;
    상기 토치 팁 조립체는 상기 컵이 상기 토치 팁 조립체에 장착될 때 상기 본체부의 상기 제1 환형 벽부 및 상기 원뿔형 중간 벽부의 반경방향 아래에 위치하는 각각의 축방향으로 연장하는 환형 외면부 및 원뿔형 외면부를 구비한 슬리브 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 드래그 컵.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제1 환형 벽부는 상기 축을 중심으로 원주방향으로 이격되는 복수 개의 축방향으로 연장하는 탄성적인 탭을 포함하며, 상기 탄성적인 탭은 상기 팁 조립체에 상기 드래그 컵을 해제 가능하게 장착하기 위해 상기 슬리브 부재의 상기 축방향으로 연장하는 외면부와 맞물리며;
    상기 슬리브 부재는 그 슬리브 부재의 상기 외면부에서 반경방향 외측으로 연장하는 돌출부를 포함하며, 그 돌출부는 원주방향으로 인접하는 상기 탭들 사이 공간에 수납되어 서로 맞물림으로써 상기 축을 중심으로한 상기 팁 조립체와 상기 드래그 컵 사이의 상대 회전을 방지하는 것을 특징으로 하는 드래그 컵.
  16. 제15항에 있어서, 상기 컵 단부벽은 축방향을 따른 내면 및 외면을 구비하며, 상기 단부벽을 관통하는 개구는 상기 내면으로부터 상기 외면을 향해 발산하는 원뿔형으로 오목한 부분을 상기 외면상에 포함하며;
    상기 원뿔형으로 오목한 부분은 상기 축에 교차하는 평면에 대해 18°의 각도로 발산하는 것을 특징으로 하는 드래그 컵.
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