KR20020063796A

KR20020063796A - 플라즈마 아크 토치의 개선된 가스 흐름

Info

Publication number: KR20020063796A
Application number: KR1020010075303A
Authority: KR
Inventors: 세버런스웨인스텐리주니어
Original assignee: 더 에삽 그룹 인코포레이티드
Priority date: 2001-01-30
Filing date: 2001-11-30
Publication date: 2002-08-05
Also published as: CA2361818A1; EP1232827A2; DE60125140T2; EP1232827B1; ATE347965T1; MXPA02001040A; KR100480391B1; TW506872B; DE60125140D1; US6362450B1; JP3728252B2; JP2002224839A; CA2361818C; EP1232827A3

Abstract

플라즈마 아크 토치 및 방법은 가스를 1차 흐름과 2차 흐름으로 분리하기 전에 가스의 흐름을 실질적으로 전극의 길이로 향하도록 하기 위하여 제공된다. 토치는 모든 가스를 그를 통하고 홀더와 노즐에 의하여 형성되는 챔버 내부로 향하게 하는 정면 단부에 복수개의 개구를 형성하는 금속 홀더를 갖는 전극을 포함한다. 상기 노즐은 노즐 챔버 내부의 가스를 적어도 1차 흐름과 2차 흐름으로 분리하기 위하여 복수개의 제2 개구 및 중앙 구멍을 형성한다.

Description

플라즈마 아크 토치의 개선된 가스 흐름 {IMPROVED GAS FLOW FOR PLASMA ARC TORCH}

본 발명은 플라즈마 아크 토치에 관한 것으로, 특히 플라즈마 아크 토치에 아크를 지지하도록 가스 흐름을 공급하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로 플라즈마 아크 토치는 절단, 용접, 표면 처리, 융해, 및 어닐링을 포함하는 금속의 가공에 사용된다. 상기한 토치는 작업의 이송 아크 모드에서 전극으로부터 이송되는 공작물로 연장되는 아크를 지지하는 전극을 포함한다. 또한 가스의 소용돌이치는 와류로 아크를 둘러싸는 것이 일반적이며, 또한 일부 토치 설계에서 물의 와류 분사시 가스 및 아크를 둘러싸는 것이 일반적이다.

일반적으로 설명되는 종류의 종래 토치에 사용되는 전극은, 구리 또는 구리 합금과 같이, 높은 열전도성의 재질로 구성되는 기다란 관형상 부재를 포함한다.상기 관형상 전극의 정면 또는 방전 단부는 아크를 지지하며, 그에 내장된 방출 부재(emissive element)를 갖는 하부 단부벽을 포함한다. 상기 방출 부재는 비교적 낮은 일 함수(low work function)를 갖는 재질로 구성되는데, 상기 일 함수는 전위 방법과 같은 기술로 형성되고, 설정된 온도에서 금속의 표면으로부터 열전자 방출을 허용하는, 전자 볼트로 측정된다. 이 낮은 일 함수 때문에, 상기 부재는 전위가 그에 작용하면 전자를 쉽게 방출할 수 있다. 일반적으로 사용되는 방출 부재의 재질은 하프늄, 지르코늄, 텅스텐, 및 그 합금을 포함한다. 노즐은 전극의 방전 단부를 둘러싸고 아크를 공작물로 향하게 하는 통로를 제공한다.

앞에서 언급된 종류의 토치와 관련된 문제점은 특히, 토치가 산소 또는 공기와 같은 산화 가스와 함께 사용되면 전극의 수명이 짧아진다는 것이다. 특히, 이러한 토치의 방출 부재는 방전 단부에 구리 홀더의 표면 하부를 부식시킨다. 또한, 가스는 방출 부재를 둘러싸는 전극의 구리를 급속히 산화시키는 경향이 있고, 구리가 산화됨에 따라, 그 일 함수가 감소된다. 따라서, 방출 부재를 둘러싸고 있는 산화된 구리가 방출 부재 보다 오히려 아크를 지지하는 시작점에 도달된다. 이런 일이 발생되면, 구리 산화물 및 지지 구리 금속은 전극을 쉽게 파손시키거나 고장을 일으킨다.

특히 공기 냉각 플라즈마 아크 토치용, 방출 부재를 둘러싸고 있는 산화 구리의 형성을 방지하거나 또는 감소시키기 위하여, 아크로부터 전극에서 멀리 열 전달을 개선하기 위하여 공기가 전극 주변을 신속하게 순환된다. 공기가 공냉식 플라즈마 아크 토치 내로 공급되는 종래의 방법은 어떤 종류에 최초로 사용되는 공기가전극을 냉각시키고 그 다음 별도의 1차 흐름과 2차 흐름으로 분리된다. 일반적으로, 이것은 아크의 위치를 유지하는 것을 도우며, 흐름을 제1 또는 절단 가스 흐름 및 제2 또는 실드 가스 흐름으로 분리하기 위하여 전극과 노즐 사이에 위치되는 가스 배플(gas baffle)에 의하여 달성된다. 특히, 가스의 1차 흐름은 제1 노즐 및 전극에 의하여 형성되는 챔버 내부의 가스 배플의 구멍을 통과하고, 제1 노즐에 의하여 배출되는 한편, 나머지 가스는 제1 가스 흐름을 둘러싸기 위하여 제2 노즐 외부로 향하게 된다. 바람직하지 못하게, 배플은 노즐 챔버 앞에서 가스를 1차 흐름 및 2차 흐름으로 분리하는데, 이것은 이하에서 논의되는 바와 같이, 전극으로부터 열을 전달하는 토치의 능력을 제한하고 토치의 속도를 감소시킬 수 있다.

또한 배플은 토치의 제조 및 조립 비용 및 복잡성을 증가시킨다. 특히, 배플은 고장을 일으키고 때때로 토치의 조립시 작업자가 부주의로 생략할 수 있다. 또한, 배플은 시간이 지나면 깨지기 쉽고 결국 균열이 생기게 되는데, 이것은 배플이 자주 교체되지 않으면 종종 큰 고장에 이르게 한다. 토치에 부가적인 비용을 증가시키는 정기적인 예방적 보수 점검이 이루어지더라도, 작압자의 실수는 토치의 조립시 배플을 제외할 수 있으며, 이는 토치를 손상시키거나 또는 토치를 부정확하게 작동시킬 수 있게 한다. 또한, 배플은 아크가 배플을 가로질러 점프 또는 추적하게 할 수 있는데, 이는 토치를 또한 손상시킬 수 있다. 특히, 배플의 사용은 공기가 통과할 수 있고, 통로를 통하여 아크의 이동을 유도할 수 있는 전극 주변이나 내부에 나선형 통로 세트를 만들게 한다. 토치에 의하여 통로의 미로를 격리시키기 위한 시도들이 있었지만, 통로 내 종종 습기를 통한 아크 형성이 종래의 토치가갖는 문제점으로 된다.

종래의 토치가 갖는 다른 문제점은 가스가 실질적으로 전극의 전체 길이를 따라 순환되기 전에 가스가 다른 흐름으로 분리되기 때문에 가스에 의하여 발생될 수 있는 냉각의 부족이다. 특히, 다수의 토치가 전극의 대향 단부의 중간 위치에서 가스를 1차 흐름과 2차 흐름으로 분리한다. 이것은 냉각을 위한 적당한 흐름을 제공하지만 노즐 챔버 내에 실현된 압력을 제한하기 위하여 필요하다고 고려된다. 과다한 노즐 압력 때문에 토치의 고장을 피할 수 있지만 토치를 냉각시키기 위하여, 종종 종래의 토치에 공급되는 전체 가스의 70 ~ 90% 만큼이 노즐 챔버로부터 다른 출구로 향하게 되고, 이것이 2차 흐름으로 향하게 된다. 따라서, 토치에 공급되는 전체 가스의 일부만이 실질적으로 전극의 전체 길이를 따라 전극을 냉각시키기 위하여 사용될 수 있고, 최적 이하의 가스 압력도 제1 가스 흐름으로서 노즐의 출구 단부에서 이용될 수 있다. 따라서, 종래의 토치는 절단 속도를 제한시키고, 이것은 토치 작동에 시간 및 비용을 증가시킨다. 더 큰 노즐 챔버 압력을 제공하여 절단 속도를 증가시킬 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 그러나, 설명된 바와 같이 종래의 토치 제한 때문에, 그리고 대부분의 공장과 용접 공장은 노즐 챔버 내의 가스 압력을 증가시키기 위하여 증가될 수 없는 표준 "공장(shop)" 공기 압력을 사용한다는 사실 때문에, 이것은 어려운 제안이다.

다수의 특허가 여러가지 흐름 패턴을 갖는 플라즈마 아크 토치를 논의한다. 예를 들면, Luo 등에게 허여된 미국 특허 No.5,726,415는 그 방전 단부에 위치된 방출 부재를 갖는 금속 홀더를 구비한 전극을 갖는 플라즈마 아크 토치를 공개한다. 또한 상기 토치는 홀더와 조합하여 냉각 가스를 전극 주변으로 향하게 하기 위하여 그 사이에 환형의 가스 챔버를 형성하는 노즐을 포함한다. 또한 상기 노즐은 제1 가스 흐름을 공작물로 향하게 하는 원통형 배출 포트, 및 실드 또는 제2 가스 흐름으로 사용하기 위하여 대부분의 가스를 구멍을 통하여 배출하는 노즐의 후방부에 위치된 블리드 포트(bleed ports)를 형성한다. 작동시, 블리드 포트는 대략 가스의 90%를 배출하며, 따라서 가스의 10%를 남겨서 전극의 전체 길이를 냉각시키고 원통형 배출 포트를 제1 가스 흐름으로서 공작물로 배출한다. 따라서, 토치로 들어가는 가스의 일부만이 전극의 길이로 실질적으로 이동하며, 이것은 가스의 냉각 능력을 감소시킨다.

Hatch에게 허여된 미국 특허 No.4,558,201은 그 대향 단부에 위치된 전방 삽입물과 후방 삽입물을 갖는 가역 전극을 갖는 플라즈마 아크 토치를 공개한다. 상기 전극은 가스를 공작물로 향하게 하는 복수의 통로를 형성한다. 특히, 가스는 전극의 세로축을 따라 연장되는 중앙 통로까지 뿐만 아니라 전극의 외부 주위에 채널까지 향하게 된다. 그러나, 가스가 전극의 중간점에 도달하면, 상기 가스가 1차 흐름과 2차 흐름으로 분리되고, 상기 2차 흐름은 인슐레이터 주위의 전극으로부터 노즐 및 인슐레이터에 의하여 형성된 챔버의 정면부로 향하게 된다. 상기 1차 흐름은 전방 방출 삽입물로부터 공작물로 연장되는 아크를 따라 노즐 내의 중앙 오리피스 외부로 향하게 된다. Luo'415 특허에서와 같이, 가스 흐름은 가스가 전극의 길이를 따라 실질적으로 이동하기 전에 1차 흐름과 2차 흐름으로 분리되며, 이는 가스의 열 전달 능력을 감소시키고 노즐 챔버 내에 더 작은 가스 압력을 제공하며,토치의 효율을 감소시킨다.

따라서, 아크 및 토치로부터 열을 전달하지만, 그러나 노즐 챔버 내에 실현된 절단 속도 및 압력을 희생시키지 않으면서 토치에 충분한 가스 흐름을 제공할 필요가 있다. 또한 간단하게 조립되는 토치를 제공하고 가스 흐름을 전극으로부터 노즐 챔버로 향하게 하는 배플을 사용하지 않은 것이 바람직하다.

본 발명의 상기 목적과 다른 목적은 토치를 냉각시키기 위하여 종래의 토치에 비하여 더 많은 가스가 사용되도록 가스 흐름을 실질적으로 전극의 길이를 따라 향하게 하는 플라즈마 아크 토치에 의하여 달성된다. 본 발명의 토치는 전극의 정면 단부 근처에 위치되는 복수의 개구를 형성하는 전극을 포함하여 상기 토치에 공급되는 모든 가스가 개구를 통하여 전극 및 노즐에 의하여 형성되는 챔버 내부로 향하게 된다. 이 경우, 노즐 챔버 내의 가스 압력은 종래의 토치에 비하여 증가되는데, 이것은 본 발명의 토치가 더 빠른 절단 속도를 갖도록 한다. 바람직하게, 본 발명의 토치는 가스의 흐름을 향하게 하기 위하여 전극 그 자체의 개구를 이용하고, 종래의 토치와 같이 배플을 이용하지 않는다.

특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 아크 토치는 내주 구멍을 형성한 상부 관형상 부재와 하부 컵형상 부재 또는 상기 상부 관형상 부재의 내주 구멍과 유체 연통되는 중앙 통로를 형성한 홀더를 갖는 전극을 포함한다. 상기 홀더의 정면 단부는 방출 삽입물을 수용하기 위한 공동(cavity)을 형성한다. 또한 상기 홀더는 중앙 통로와 유체 연통되는 복수의 측부 개구를 형성한다. 일 실시예에서,측부 개구는 이를 통하여 가스 흐름에 와류 운동을 부여하도록 배치된다.

또한 플라즈마 아크 토치는 홀더의 정면 단부 근처에 위치되는 노즐을 포함하고 그 사이에 노즐 챔버가 형성된다. 상기 노즐은 제1 가스 흐름을 공작물로 배출하기 위한 중앙 구멍을 형성하며, 또한 일 실시예에서 이를 통하여 제2 가스 흐름을 생성하기 위한 복수의 제2 개구를 형성한다. 바람직하게, 상기 노즐 및 홀더에 형성된 개구는 가스 흐름을 1차 흐름과 2차 흐름으로 분리하기 위한 별도의 배플의 필요성을 없애준다.

또한 안전 부품이 본 발명의 토치의 일부분이다. 특히, 일 실시예에서, 볼 밸브 조립체(ball valve assembly)가 전극을 통하여 가스 흐름을 조절하기 위한 전극의 상부 관형상 부재의 내주 구멍 내에 위치된다. 이 경우, 볼 밸브 어셈블리는 토치에 의하여 가스 흐름을 차단함에 의하여, 전극의 홀더와 같이, 사용자가 토치 부분 없이 토치를 작동하기 시도하면 토치의 손상을 방지하도록 작용한다. 또한 본 발명의 아크 토치는 노즐 챔버와 유체 연통되는 압력 스위치를 포함한다. 상기 압력 스위치는 노즐 챔버 내에서와 같이, 토치가 부정확하게 조립되거나 또는 토치가 손상되면 발생할 수 있는, 토치 내의 가스 압력이 설정값 이하이면, 토치가 작동되지 않도록 할 수 있다.

또한 방법이 본 발명의 일부이다. 본 발명의 일 방법에 따르면, 금속 홀더를 갖는 전극이 제공되며, 상기 홀더는 복수의 측부 개구 및 그와 함께 유체 연통되는 중앙 통로를 형성한다. 노즐은 노즐 챔버를 그 사이에 형성하기 위하여 홀더 근처에 위치된다. 가스 흐름이 중앙 통로를 통하여 노즐 챔버 내부로 향하게 하여중앙 통로 내부로 공급되는 모든 가스가 측부 개구를 통하여 노즐 챔버 내부로 향하게 된다. 바람직하게, 가스의 흐름이 노즐 챔버로 들어간 후 가스가 적어도 1차 흐름과 2차 흐름으로 분리되는데, 이것은 노즐 챔버 내에 더 큰 압력을 제공하고 더 빠른 절단 속도를 허용한다. 아크로부터 열을 전달하는 토치의 능력을 개선하기 위하여, 가스 흐름은 그 측부 개구로 향하기 전에 홀더 길이의 1/2 보다 먼 거리로 중앙 통로로 향하게 된다. 이와 같이, 더 많은 가스가 토치로부터 아크 및 전극으로부터 열을 전달하기 위하여 사용될 수 있다.

상기한 바와 같이, 또한 가스 흐름이, 흐름 조절 볼 밸브 조립체와 같은, 안전장치로, 또는 노즐 챔버와 유체 연통되는 압력 스위치로 향하게 될 수 있다. 바람직하게, 상기 토치는 설정값 이하인 토치 내의 가스 압력을 갖는 것과 같이, 임의의 조건이 발생하면 작동되지 않을 수 있다.

따라서, 본 발명은 토치의 절단 속도 또는 노즐 챔버 내에 실현된 압력을 희생시키지 않으면서 종래의 토치의 문제점을 극복하는 플라즈마 아크 토치를 제공한다. 바람직하게, 본 발명의 토치와 방법은 가스 흐름을 전극으로부터 1차 흐름 및 2차 흐름으로 향하게 하여 배플의 사용을 피하는데, 이것은 토치의 조립, 신뢰성, 및 비용을 개선한다.

일반적인 용어로 본 발명을 설명하면서 첨부 도면을 참조하게 될 것이고, 이 도면은 축척을 이용하여 작성한 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 아크 토치의 정면부의 단면도이다;

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 및 노즐부의 상세 단면도이다;

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 3-3 선 상세 단면도이다.

본 발명은 본 발명의 바람직한 실시예가 도시된, 첨부 도면을 참조하여 이하에서 더욱 상세하게 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 다수의 다른 형태로 구현될 수 있고, 이하에서 설명되는 실시예에 제한되지 않는 것으로 해석되어야 한다; 또한, 이러한 실시예들은 이 공개가 철저하고 완전하게 되도록 하고, 당업자에게 본 발명의 범위를 충분히 전달하도록 제공된다. 동일한 번호는 처음부터 끝까지 동일한 부재를 나타낸다.

첨부 도면을 참조하면, 도 1은 본 발명에 따른, 일반적으로 10으로 지시되는 플라즈마 아크 토치의 바람직한 실시예를 도시한다. 상기 토치(10)는 토치 보디(20)와 상기 토치 보디 내에 장착된 전극(40), 및 복수의 부싱(bushing)에 의하여 프레스 끼워맞춤과 같이, 상기 토치 보디에 고정된 핸들(13)을 포함한다. 상기 토치(10)는 가스의 가압 흐름을 토치 보디(20)로 향하게 하고 전류를 전극으로 향하게 하는 공급 라인(70)을 더 포함한다. 일 실시예에서, 또한 토치(10)는 토치 보디의 가스 압력을 감지하여 전극(40)에 전류의 흐름을 차단하는 본 발명에 따른 검출장치(80)를 포함한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 토치 보디(20)는 방전축을 형성하는 대개 원통형 헤드부(21)를 포함한다. 상기 헤드부(21)는 방전축을 따라서 전극(40)의 일부를 둘러싸는 하우징(22)을 포함한다. 상기 하우징(22)은 플라즈마 아크 절단시 발생되는 고온의 열로부터 토치의 구성요소를 보호하는, 열경화성 플라스틱 또는 에폭시 화합물과 같이 일반적으로 견고한 열저항 재질로 이루어진다. 상기 전극(40)은 상부 관형상 부재(23)와 하부 컵형상 부재 또는 홀더(holder)(41)를 포함한다. 상기 상부 관형상 부재(23)는 방전축과 동일축으로 정렬되는 내주 구멍(24)을 형성한다. 일 실시예에서, 내주 구멍(24)은 이하에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이 밸브 시트(34)를 포함한다. 상기 상부 관형상 부재(23)는 전기적으로 전도성 재질, 바람직하게 구리 또는 구리 합금으로 이루어져, 상부 관형상 부재가 전류를 전극(40)의 다른 부분으로 전도한다. 또한 상부 관형상 부재(23)는 통로(25)를 형성하여 내주 구멍(24)이 공급 라인(70)과 유체 연통된다. 또한, 캡(26)이 방전축을 따라서 가스를 향하게 하는 상부 관형상 부재(23)의 상부에 고정된다. 일 실시예에서, 상부 관형상 부재(23)는 암나사부(27)를 포함한다.

공급 라인(70은 가스 통로를 형성하는 중공의 도관(72)을 포함하고 토치 보디(20)의 내부에 위치된다. 상기 도관(72)은 가압 가스의 소스(source)에서 시작하고 전극(40)의 상부 관형상 부재(23)에서 끝나, 가압 가스의 소스가 내주 구멍(24)과 유체 연통한다. 상기 공급 라인(70)은 도관(72)에 전기적으로 연결된 동력 공급 케이블(71)과 동력원을 더 포함하여 동력원이 전극(40)에 전기적으로 연결된다.

도 2는 전극(40)의 홀더(41)의 일 실시예를 도시한다. 특히, 홀더(41)는 상부 관형상 부재(23)의 내주 구멍(24)과 유체 연통하는 중앙 통로(43)를 형성하는 후면 단부(42)를 가지고 있다. 일 실시예에서, 후면 단부(42)는 상부 관형상 부재(23)의 암나사부와 나사 결합하는데 적합한 복수의 수나사(44)를 포함한다. 또한 상기 홀더(41)는 정면(46)을 갖고 있고 거기에 정면 공동 또는 구멍(47)을 형성하는 정면 단부(45)를 포함한다. 상기 홀더(41)는 측벽(48)과 중앙 통로(43)를 형성하는 가로 단부벽(49)을 포함한다.

또한 상기 홀더(41)는 단부벽(49)에 인접한 측벽(48)에 위치되는 복수개의구멍(50)을 형성한다. 바람직하게, 구멍(50)은 그 정면(46)으로부터 상기 홀더(41) 길이의 반 이하의 위치에 위치된다. 바람직한 실시예에서, 개구(50)는 중앙 통로의 정면 단부에서 홀더(41)의 단부벽(49)에 근접하여 위치되고, 일 실시예에 따라, 비방사상으로 향하게 되어 개구를 통과하는 가스가 홀더에 대하여 와류를 일으킨다. 도 3에 도시된 일 실시예에서, 단부벽(49)은 가스를 중앙 통로(43)로부터 개구로 향하게 하는 개구(50)에 대응하는 복수의 채널(56)을 형성한다. 이하에서 논의되는 바와 같이, 가스는 공급 라인(70)을 통하여 그리고 상부 관형상 부재(23)의 내주 구멍(24) 내로 향하게 된다. 또한 가스는 개구(50)를 향하여 홀더(41)의 중앙 통로(43) 내부로 향하게 되어 토치(10)가 사용되는 전극을 냉각시킨다. 또한 가스의 냉각 작용에 더하여, 채널 밸브 핀(51)이 가스에 와류를 발생시킴과 같이, 그 가스의 속도를 증가시키는 중앙 통로(43) 및 내주 구멍(24) 내부에 위치될 수 있다. 이 방식에서, 가스는 전극(40)과 더 많이 접촉하게 되며, 이로 인하여 전극과 가스 사이에 열 전달을 증가시킨다. 또한 상기 핀(51)은 이하에서 더욱 자세하게 논의되는 바와 같이, 안전장치로서 사용될 수 있다.

일 실시예에서, 홀더(41)의 정면 단부(45)는 개구(47)에 배치된 방출 부재(emissive element)(52)를 포함한다. 상기 방출 부재(52)는 이하에서 더욱 상세하게 논의되는 바와 같이, 전극(40)의 정면 단부로부터 공작물(WP)의 방향으로 연장되는 아크용 음극 단자로서 작용한다. 예를 들면, 방출 부재를 포함하는 전극은 본 발명의 양수인에게 양도된, Serverance, Jr.의 미국 특허 No.5,023,425에 공개되어 있다. 상기 방출 부재(52)는 비교적 낮은 일 함수(work function)를 가지고 있는 재질로 구성되고, 일정한 온도에서 금속 표면으로부터 열전자 방출을 허용하는, 전자 볼트로 측정되고, 전위 방법(potential step)과 같은 기술로 형성된다. 낮은 일 함수 때문에, 상기 방출 부재는 전위의 존재시 전자를 쉽게 방출한다. 일반적으로 사용되는 삽입 재료는 하프늄(hafnium), 지르코늄(zirconium), 텅스텐 및 그 합금을 포함한다.

또한, 비교적 비-방출 분리기(separator)(도시 않음)는 홀더(41)의 정면 단부(45)에서 방출 부재(52)의 근처에 위치될 수 있다. 특히, 분리기는 전극의 개구(47) 내에서 방출 부재(52)의 근처에 위치된다. 상기 분리기는 홀더(41)의 재질보다 크며, 또한 상기 방출 부재(52)의 재질보다 큰 일 함수를 갖는 금속 재질로 구성된다. 이 점에 있어서, 분리기는 비교적 높은 일 함수를 갖는 금속 재질로 구성되는 것이 바람직하다. 수 개의 금속과 합금, 예를 들면, 은, 금, 백금, 로듐(rhodium), 이리듐(iridium), 팔라듐(palladium), 니켈이 본 발명의 비-방출 분리기용으로 사용될 수 있다. 상기 방출 부재(52), 분리기, 및 홀더(41)는 홀더의 정면 단부(46)에서 서로 동일 평면상에 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 또한 상기 토치(10)는 전극(40)의 홀더(41) 근처에 위치되는 노즐(60)을 포함한다. 상기 노즐(60)은 상부(61), 중간부(62), 및 원추대형(frustoconical)의 하부(63)를 포함한다. 상기 노즐(60)은 홀더(41)의 근처에 위치되어 챔버(90)가 그 사이에 형성된다. 상기 노즐(60)의 상부(61)는 공기압 형성 노즐 챔버(90)가 검출장치(80)에 연통되는 복수개의 슬롯(65)을 형성한다. 상기 노즐의 중간부(62)는 상부와 함께 쇼울더(64)를 형성하고 중간부를 통해서 복수개의 개구(66)를 형성하여 노즐 챔버(90)가 실드(shield) 또는 제2 가스 흐름 포트(91)와 유체 연통되고, 상기 가스 흐름 포트는 노즐(60)과 외부 열 실드(74) 사이에 형성되고 대기와 유체 연통된다(도 1 참조). 노즐(60)의 하부(63)는 가스를 상기 노즐 챔버(90)로부터 노즐에 인접하여 위치된 공작물(WP)로 배출하기 위한 중앙 구멍(67)을 형성한다.

상기 노즐(60)은 외부 열 실드(41) 근처에 고정된다. 일 실시예에서, 열 실드(74)는 바람직하게 전기적으로 절연 재질로 형성되고, 일 단부에 가로부(93) 및 다른 단부에 나사부(76)를 갖는 금속 슬리브(92)를 포함한다. 상기 나사부(76)는 하우징(22)의 나사면(79)과 나사 결합되고, 상기 가로부(93)는 노즐(60)상에 제공된 쇼울더(64)와 결합되어 열 실드(74)가 토치 보디(20)에 고정될 때 노즐이 홀더(41) 근처에 지지된다. 일단 설치되면, 또한 상기 열 실드(74)는 인접한 노즐(60)을 통하여 중앙 개구(78)를 형성하고 배기축과 동일축으로 정열되어 실드 가스 흐름 포트(91)가 열 실드와 노즐 사이에 형성된다. 탄성 O-링(77)은 외부 오염물질로부터 전극(40) 및 노즐(60)을 보호하고 열 실드가 그에 적절하게 고정될 때 토치 보디(20)를 밀봉하기 위하여 하우징(22)과 열 실드(74) 사이에 위치된다.

압력 검출장치(80)는 토치 보디(20) 내부에 가스 통로를 형성하는 중공의 도관(82)을 포함한다. 특히, 도관(82)은 토치 보디(20)의 헤드부(21)에서 시작하고, 압력 스위치(도시 않음)에서 끝나, 압력 스위치가 측부 개구(50) 및 슬롯(65)을 통하여 상부 관형상 부재(23)의 내주 구멍(24) 및 홀더(41)의 중앙 통로(43)와 유체 연통된다. 이런 종류의 도관(82) 및 압력 스위치는 미국 특허 No. 5,681,489에 설명되고, 본 발명의 양수인에게 양도되고 참고로 여기에 통합된다.

작동시, 작업자가 제어 스위치(도시 않음)를 누르면, 동력원의 저 전압 전류가 차단된다. 전류가 동력원에 위치된 솔레노이드를 흐르게 되어 공급 라인(70)이 가스의 단일의, 가압된 흐름을 도관(72)을 통하여 헤드부(21)와 상부 관형부재(23)의 내주 구멍(24)으로 향하게 한다. 상기 가압된 가스는 플라즈마 흐름을 형성할 수 있는 임의의 가스일 수 있지만, 바람직하게 공기, 수소 또는 질소이다. 또한 상기 가스는 홀더(41)에 형성된 중앙 통로(43)로 향하게 된다. 바람직하게, 중앙 통로 내부로 공급되는 모든 가스는 홀더(41)의 단부벽(49)에 인접하고 노즐 챔버(90)의 내부에 위치한 개구(50)를 통하여 배출된다. 따라서, 상기 가스는 정면(46)으로부터 가로축을 따라서 측정되는, 전극(40) 길이의 반 이하, 그리고 바람직하게 홀더(41) 길이의 반 이하의 위치까지와 같이, 전극(40) 부분을 실질적으로 이동한다. 이와 같이, 본 발명의 토치는 종래의 토치에 비하여 전극의 냉각을 개선하게 된다. 상기에서 언급된 바와 같이, 개구(50)는 도 3에 도시된 바와 같이, 바람직하게 접선 배치이다. 이러한 배치는 가스가 노즐 챔버(90)로 들어갈 때 정면 단부(45)에 대하여 와류형을 발생시킨다.

상기 가스가 개구(50)를 통하여 노즐 챔버(90) 내에 도달 한 후, 가스의 1차 흐름부가 노즐(60)의 중앙 구멍(67)으로 향하게 된다. 또한, 노즐(60)의 중간부(62)에 형성된 개구(66)는 가스의 2차 흐름부를 실드 가스 흐름 포트(91)로 나가도록 한다. 따라서, 노즐 챔버(90) 내에 존재한 모든 가스가 홀더(41)의 구멍(50)을 통하여 노즐 챔버로 들어간다. 이런 방식에서, 더 높은 노즐 압력이얻어질 수 있으며, 이는 토치(10)의 절단 속도를 더 빠르게 한다. 또한, 가스는 종래의 토치에 비하여 더 장시간 동안 전극(40)과 접촉하여, 토치의 냉각 성능을 개선한다.

상기한 바와 같이, 가스의 흐름은 작업자가 제어 스위치를 누름으로써 시작된다. 전극에 전류를 공급하기 위하여, 충분한 가스압력이 토치에 존재해야 한다. 특히, 외부 열 실드(74)가 토치 보디(20) 상의 노즐(60)에 대하여 적절하게 고정되면, 압력 검출장치(80)는 노즐 챔버(90)에서와 같이, 토치 보디 내의 가스 압력을 검출한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 노즐 챔버(90) 내의 압력이 대략 75 psi인 종래의 "공장(shop)" 공기를 사용한 적어도 대략 30 psi이어야 한다. 만약 장치(80)가 설정 시간, 일반적으로 약 3초 동안 노즐 챔버(90) 내의 충분한 가스 압력을 검출하면, 상기 검출장치는 동력원이 전류를 토치(10)에 공급하게 하는 전류를 차단하거나 차단하게 한다. 즉, 적절히 조립된 토치를 통하여 설정된 가스 유량을 지지함에 의하여 달성될 수 있는, 노즐 챔버(90) 내에 충분한 가스 압력이 있는 한, 동력원은 전류를 전극(40)에 공급할 것이다.

그러나, 노즐(60)이 제거되거나 정렬되어 있지 않을 때와 같이, 토치 보디(20) 내에 가스 압력이 충분하지 않으면, 또는 열 실드(74)가 제거되면, 가압된 가스는 개구(50)를 통하여 그리고 토치의 정면으로부터 대기로 주로 흐르게 되어, 실질적으로 어떤 가스도 압력 검출장치(80)의 도관(82)으로 들어가지 않게 된다. 따라서, 충분한 가스 압력이 도관(82)을 통하여 압력 스위치에 검출되지 않으며, 그 때문에 전극(40)에 전류 공급을 중지시킨다. 일 실시예에서, 또한토치(10)는 토치를 통하여 가스를 조절할 수 있는 볼 밸브 조립체를 포함한다. 특히, 상기 조립체는 상부 관형상 부재(23)의 내주 구멍(24) 내에 위치되고 밸브 시트(34)에 대하여, 스프링과 같은 가압 부재(bias member)(35)에 의하여 편향되는 구형상의 비-전도성 볼(33)을 포함한다.

밸브 핀(51)은 홀더(41)가 적절하게 설치되고 상부 관형상 부재(23)와 결합되면 볼(33)을 밸브 시트(34)로부터 멀리 이동시키고 지지시켜 줄 수 있다. 특히, 상기 볼(33)은 홀더(41) 또는 밸브 핀(51)이 제거된다면 토치 보디(20)가 손상되는 것을 방지하는 "적소의 부품(parts in place)" 특징으로서 작용한다. 어느 하나가 생략되면, 볼(33)은 밸브 시트(34)에 접촉하게 되어, 가스가 내주 구멍(24)을 통하여 중앙 통로(43)로 흐르는 것을 방지한다. 따라서, 가스 흐름의 부족은 압력 신호가 도관(82)을 통하여 압력 스위치에 전달되는 것을 방지하며, 압력 스위치는 동력원이 토치(10)에 전류를 전달하도록 해야만 한다. 이런 특징은 본 발명의 양수인에게 양도되고 참조로 여기에 통합되는, 미국 특허 No. 4,580,032에 설명되어 있다.

따라서, 본 발명은 전극의 현저한 냉각이 달성되고 절단 속도가 종래 토치에 비하여 증가될 수 있도록 토치 내의 가스 흐름을 향하게 하는 플라즈마 아크 토치 및 방법을 제공한다. 특히, 본 발명의 전극은 가스를 1차 흐름과 2차 흐름으로 분리하기 전에 모든 가스를 노즐 챔버 내부로 향하게 하는 복수의 개구를 그 정면 단부 근처에 형성하는 홀더를 구비한다. 이와 같이, 가스는 흐름이 분리되기 전에 실질적으로 전극의 길이를 따라 전극과 접촉되고, 이것이 전극의 냉각을 개선시킨다. 또한, 가스 배플(baffle)이 가스를 1차 흐름과 2차 흐름으로 분리하기 위하여 토치의 조립체에 사용되지 않는다. 이 경우, 토치의 조립 시간 및 비용이 감소되지만, 노즐 챔버 압력을 증가시키며 따라서 토치의 절단 속도를 증가시킨다.

본 발명의 다수의 수정과 다른 실시예가 상기한 상세한 설명과 첨부 도면에 제시된 가르침의 이익을 가지고 있고 이 발명이 속하는 당업자에게 떠오르게 될 것이다. 예를 들면, 본 발명의 검출장치와 다른 안전 특징이 여기서 제시된 가르침으로부터 이익을 얻기 위하여 필수적이지 않으며, 작업자 안전과 토치 수명을 위하여 추천된다. 그러므로, 본 발명은 공개된 특정 실시예에 제한되지 않으며 수정과 다른 실시예가 부가된 청구항의 범위 내에 포함되도록 의도된 다는 것을 알 수 있다. 여기서 특정 용어들이 사용될지라도, 그 용어들은 일반적이고 서술적인 의미로만 사용되고 제한할 목적으로 사용되는 것은 아니다.

본 발명은 토치를 냉각시키기 위하여 종래의 토치에 비하여 더 많은 가스가 사용되도록 가스 흐름을 실질적으로 전극의 길이를 따라 향하게 되는 효과가 있다.

Claims

내주 구멍을 형성한 상부 관형상 부재 및 세로축을 따라서 정면 단부와 후면 단부를 갖는 금속 홀더를 포함하는 전극,

상기 홀더의 정면 단부에 근접하여 위치되고 그 사이에 노즐 챔버를 형성하는 노즐,

상기 중앙 구멍을 통하여 상기 전극의 방출 부재로부터 공작물까지 연장되는 아크를 발생하는 전기 공급부, 및

상기 토치에 의하여 사용되는 모든 가스가 공급되는 가스 공급 라인

을 포함하고,

상기 정면 단부는 그에 위치된 적어도 하나의 방출 부재를 갖는 정면 공동(cavity)을 형성한 정면을 가지고 있고,

상기 후면 단부는 가스를 후면 단부로부터 홀더의 정면 단부로 향하게 하는 내주 구멍과 유체 연통되는 중앙 통로를 형성하며,

상기 홀더는 또한 중앙 통로와 유체 연통되는 홀더의 정면 단부에 근접하여 위치된 복수개의 측부 개구를 형성하고,

상기 노즐은 가스의 1차 흐름을 노즐 챔버로부터 노즐에 인접하여 위치된 공작물로 배출하는 중앙 구멍을 형성하며,

상기 가스 공급 라인은 모든 가스를 전극의 중앙 통로로 향하게 하고, 상기 모든 가스는 홀더에 의하여 형성된 측부 개구를 통하여 중앙 통로로부터 노즐 챔버로 향하게 되는

플라즈마 아크 토치.
제1항에 있어서,

상기 노즐은 금속 홀더의 정면 단부에서 측부 개구로부터 노즐 챔버를 가로질러 위치되는 복수개의 제2 개구를 추가로 형성하며,

상기 제2 개구는 그를 통하여 제2 가스 흐름을 형성하는 플라즈마 아크 토치.
제1항에 있어서,

상기 상부 관형상 부재의 내주 구멍에 위치되는 볼 밸브 조립체를 추가로 포함하며,

상기 볼 밸브 조립체는 토치를 통하여 가스를 조절할 수 있는 플라즈마 아크 토치.
제1항에 있어서,

상기 노즐 챔버와 유체 연통되는 압력 검출장치를 추가로 포함하며,

상기 압력 검출장치는 노즐 챔버 내의 가스 압력이 설정값 이하이면 토치의 기능을 억제하는 플라즈마 아크 토치.
제1항에 있어서,

상기 홀더 내의 측부 개구는 노즐 챔버 내부로 흐르는 가스에 와류 운동을 주기 위하여 배치되는 플라즈마 아크 토치.
제1항에 있어서,

상기 홀더에 의하여 형성되는 측부 개구는 홀더의 정면으로부터 세로축을 따라서 홀더 길이 1/2 이하의 위치에 위치되는 플라즈마 아크 토치.
내주 구멍과 그 일 단부에 나사부를 형성하는 상부 관형상 부재, 및

정면 단부와 후면 단부, 및 상기 정면 단부를 폐쇄하는 가로 단부벽을 갖는 세로축을 형성하는 금속 관형상 홀더

를 포함하고,

상기 가로 단부벽은 정면을 가지고 있고 세로축을 따라서 후면으로 연장되는 정면에 형성되는 공동을 형성하며,

상기 후면 단부는 가스를 홀더의 정면 단부로 향하게 하는 내주 구멍과 유체 연통되는 중앙 통로를 형성하고,

상기 홀더는 또한 중앙 통로와 유체 연통되는 홀더의 정면 단부 근처에 위치되는 복수개의 측부 개구를 형성하여 가스가 상기 홀더의 정면 단부 근처에 위치되는 측부 개구를 통하여만 중앙 통로로 배출될 수 있는

플라즈마 아크 토치의 아크 지지용 전극.
제7항에 있어서,

상기 상부 관형상 부재의 내주 구멍 내에 위치되는 볼 밸브 조립체를 추가로 포함하고,

상기 볼 밸브 조립체가 전극을 통하여 가스를 조절할 수 있는 전극.
제7항에 있어서,

상기 홀더 내의 측부 개구가 이 측부 개구를 배출되는 가스에 와류 운동을 주기 위하여 배치되는 전극.
제7항에 있어서,

상기 홀더에 의하여 형성되는 복수개의 측부 개구는 홀더의 정면으로부터 세로축을 따라서 홀더 길이 1/2 이하의 위치에 위치되는 전극.