KR20070084230A - 내부 통로가 있는 전극을 구비하는 플라즈마 아크 토치 - Google Patents

내부 통로가 있는 전극을 구비하는 플라즈마 아크 토치 Download PDF

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KR20070084230A
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Abstract

노즐 상에 고 방사율 재료의 퇴적을 최소화하는 플라즈마 아크 절단 토치용 전극에 의해서, 전극 마모가 감소되고 절단 품질이 향상된다. 전극은 제1 단부, 제1 단부에 대해 이격되어 있는 제2 단부, 및 제1 단부로부터 제2 단부까지 연장되는 외부 표면을 갖는 몸체를 구비한다. 몸체는 제2 단부에 배치되는 단부면을 가진다. 전극은 또한 몸체내 제1 개구로부터 단부면내 제2 개구까지 연장되는 통로를 최소한 하나 포함한다. 제어기는 플라즈마 아크 토치 파라미터의 함수로서 통로를 통하는 전극 가스 흐름을 제어할 수 있다. 이러한 전극을 사용하여 플라즈마 아크 절단 토치를 동작시키는 방법을 개시한다.

Description

내부 통로가 있는 전극을 구비하는 플라즈마 아크 토치{PLASMA ARC TORCH HAVING AN ELECTRODE WITH INTERNAL PASSAGES}
본 발명은 일반적으로 플라즈마 아크 토치 시스템 및 처리 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 플라즈마 아크 토치용의 개선된 전극 및 이러한 전극을 제조하는 방법에 관한 것이다.
플라즈마 아크 토치 및 레이저와 같은 재료 처리 장치가 금속 재료의 절단에 널리 사용된다. 플라즈마 아크 토치는 일반적으로 토치 몸체, 몸체 내에 설치되는 전극, 중앙의 출구가 있는 노즐, 전기 배선(electrical connections), 아크 제어 유체 냉각용 통로, 유체 흐름 패턴을 제어하기 위한 스월 링(swirl ring) 및 전원을 포함한다. 토치에서 사용되는 가스는 비반응성(예를 들어, 아르곤 또는 질소)이거나 반응성(예를 들어, 산소 또는 공기)일 수 있다. 토치는 고온 및 고 모멘텀을 갖는 플라즈마 가스의 응축된 이온화 젯(constircted ionized jet of a plasma gas)인 플라즈마 아크를 생성한다.
플라즈마 아크 절단 토치는 통상 20,000 내지 40,000 A/in2 범위의 전류 밀도로 전이된 플라즈마 아크를 생성한다. HD 토치(high definition torches)는 보다 높은 전류 밀도, 통상 약 60,000 A/in2 을 갖는 보다 좁은 젯을 특징으로 한다. HD 토치에 의해서 좁은 절단 보정(narrow cut kerf) 및 정방형 절단 각도가 가능하게 된다. 이러한 토치는 열에 의해 영향을 받는 구역이 보다 얇고 드로스 프리 컷 생성(producing a dross free cut) 및 용융된 금속을 블로우하는 데 보다 효과적이다.
금속 모재(metallic workpiece)를 플라즈마 아크 절단하는 과정에서, 전극(음극)과 노즐(양극) 사이에 파일럿 아크(pilot arc)가 먼저 생성된다. 파일럿 아크는 노즐 출구 구멍을 통과하는 가스를 이온화한다(ionize). 이온화된 가스가 전극과 모재 사이의 전기 저항을 감소시킨 후에, 아크가 그 후 노즐로부터 모재로 이행한다. 토치는 모재의 절단을 위하여, 전극으로부터 모재로의 이온화된 가스의 도전성 흐름을 특징으로 하는 이송식 플라즈마 아크 모드로 동작한다.
반응성 플라즈마 가스를 사용하는 플라즈마 아크 토치에서, 고 열 방출 재료의 인서트가 있는 구리 전극을 사용하는 것이 일반적이다. 인서트는 방출 표면을 한정하는 인서트의 단부면이 노출되도록 전극의 바닥 단부내로 프레스되어 맞춰진다. 인서트의 노출된 표면은 전극의 단부면과 동일 평면 상이다. 전극의 단부면은 전형적으로 평면이지만 어떤 경우에는 예를 들어, 타원형(ellipsoidal shape), 포물형(paraboloidal shape) 구형 또는 원추형(frusto-conical shape)을 가질 수 있다. 인서트는 통상 하프늄 또는 지르코늄으로 제조되고 원통형의 형상이다. 방출 표면은 통상 평면이다.
모든 플라즈마 아크 토치, 특히 반응성 가스를 사용하는 플라즈마 아크 토치에서, 전극은 인서트의 노출된 방출 표면에서 시간 경과에 따라 대체로 오목한 핏(concave pit)의 형태로의 마모를 보인다. 핏은 인서트로부터, 용융된 방출 재료의 배출로 인해 형성된다. 방출 표면은, 아크가 먼저 생성되고, 아크의 안정된 시기 동안에 고 방사율 재료가 용융된 풀(molten pool)로부터 전자가 방출된다. 그러나, 용융된 재료는 토치 동작의 3 상태 : (1) 아크 시작, (2) 아크의 안정된 시기 및 (3) 아크의 정지 동안에 방출 표면으로부터 배출된다. 상당량의 재료가 노즐 구멍뿐만 아니라 노즐의 내부 표면상에 퇴적된다.
플라즈마 아크 시작 및 정지 시기 동안에 노즐의 내부 표면상에 고 방사율 재료의 퇴적은 뉴 햄프셔주 하노버에 소재하는 하이퍼텀 주식회사(Hypertherm, Inc. in Hanover, NH)가 공동 양수인인 미국 특허 제 5,070,227호 및 5,166,494호에서 지적되었다. 지금까지 아크의 안정된 상태 동안에 고 방사율 재료 퇴적의 문제가 전극 수명을 감소시킬 뿐만 아니라 노즐 마모를 야기한다는 것을 알 수 있었다.
플라즈마 아크 토치용 노즐은 통상, 우수한 전기 및 열 도전성을 위하여 구리로 제조된다. 노즐은 짧은 지속의 저전류 파일럿 아크(pilot arc)를 행하도록 설계된다. 이러한 경우에, 노즐 마모의 공통된 원인은 보통 노즐 구멍에서 구리를 녹이는, 노즐에의 바람직하지 않은 아크 부착물이다.
더블 아킹(double arcing), 즉, 전극으로부터 노즐로 이동하고, 그 다음, 노즐로부터 모재로 이동하는 아크에 의해 원하지 않는 아크 부착물이 생긴다. 더블 아킹은 다수가 주지하는 원인이 있으며 이로써 노즐 마모 및/또는 노즐 고장 회수를 증가시킨다. 노즐 상에 고 방사율 인서트 재료가 퇴적되는 것에 의해서도 더블 아킹이 야기되며, 노즐 수명이 단축된다.
따라서, 본 발명의 주 목적은 절단 처리 도중에 노즐 상에 고 방사율 재료의 퇴적을 최소화함으로써 노즐 마모를 감소시키는 것이다.
본 발명의 또 다른 주 목적은 전극 인서트(electrode insert)로부터 용융된 방출율 재료의 배출을 최소화함으로써 전극 마모를 저감시키는 것이다.
본 발명의 또 다른 주 목적은 플라즈마 아크 칼럼의 축 모멘텀을 증가시키는 전극을 플라즈마 아크 토치에 제공하여 절단 성능을 보다 고속으로 보다 우수하게 증진시키는 것이다.
본 발명의 또 다른 주 목적은 절단 품질을 향상시키는 전극을 플라즈마 아크 토치에 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 주 목적은 전극 수명을 유지하며 노즐 마모를 감소시키는 것이다.
본 발명은 일 측면에서 노즐 상에 고 방사율 재료의 퇴적을 최소화하는 개량형 전극을 플라즈마 아크 절단 토치에 제공하는 것을 특징으로 한다. 또 다른 측면에서, 본 발명은 전극 인서트로부터의 용융된 방출율 재료의 배출을 최소화함으로써 전극 마모를 감소시킨다. 또 다른 측면에서, 전극은 플라즈마 아크 칼럼의 축 모멘텀을 증가시켜 절단 성능을 보다 빠르고 보다 우수하게 향상시킨다.
본 발명은 일 실시예에서 플라즈마 아크 토치용 전극에 특징이 있다. 전극은 제1 단부, 제1 단부에 대해 이격되어 있는 제2 단부 및 제1 단부로부터 제2 단부까지 연장되는 외부 표면을 갖는 몸체를 포함한다. 몸체는 몸체의 제2 단부에 배치되는 단부면(end face)를 가진다. 전극은 또한 몸체내 제1 단부로부터 단면내 제2 개구까지 연장되는 최소한 하나의 통로를 포함한다.
제2 개구는 전극의 몸체내 보어(bore)에 인접할 수 있다. 몸체의 제2 단부의 단부면은 몸체의 길이축에 대해 가로지를 수 있다. 전극의 몸체의 제2 단부는 타원형(ellipsoidal shape), 포물형(paraboloidal shape) 구형 및 원추형(frusto-conical shape)을 포함할 수 있다. 전극의 몸체는 길이가 긴 몸체일 수 있다. 전극의 몸체는 고 열 전도성 재료, 예컨대 구리일 수 있다.
전극의 최소한 하나의 통로는 몸체의 길이축에 대해서 어떤[예컨대 직각 이외의(oblique) 또는 예각] 각도로 위치할 수 있다. 전극의 최소한 하나의 통로는 전극의 몸체의 길이축에 대해 평행할 수 있다. 몸체내 제1 개구는 몸체의 외부 표면내 또는 몸체의 제1 단면의 단면 표면내일 수 있다. 최소한 하나의 통로는 제1 개구로부터 제2 단부내 제2 개구쪽으로 가스가 흐르게 할 수 있다. 최소한 하나의 통로는 제1 개구로부터 제2 개구쪽으로 방사상으로 그리고 축상으로 가스가 흐르게 할 수 있다. 최소한 하나의 통로는 제1 개구로부터 몸체의 길이축쪽으로는 방사상으로 그리고 제2 개구쪽으로는 축상으로 가스가 흐르게 할 수 있다. 일 실시예에서, 최소한 하나의 통로는 그 통로 밖의 가스 흐름에 탄젠트 속도 성분(tangential velocity component)을 더한다. 또 다른 실시예에서, 최소한 하나의 통로는 제1 개구로부터 제2 개구쪽으로 방사상으로, 축상으로 및/또는 접선방향으로 가스가 흐르게 한다. 제2 개구를 빠져나가는 가스 흐름은 소용돌이형 흐름일 수 있다.
전극은 몸체의 제2 단부에 배치되는 보어내에 위치하며 고 열 방출율 재료(예컨대 하프늄)로 형성되는 인서트를 포함할 수 있으며, 여기서 인서트의 단부면은 제2 개구에 인접하여 위치한다. 몸체의 제2 단부는 외부 에지와, 외부 에지와 인서트의 단부면 사이에 위치하는 리세스 영역(recessed region)을 포함할 수 있다. 제2 개구는 리세스 영역에 위치할 수 있다.
전극은 몸체의 제2 단부에 위치하는 캡을 포함할 수 있으며, 여기서 최소한 하나의 통로는 캡과 몸체에 의해 한정된다. 전극의 몸체는 몸체의 제2 단부에 위치하는 플랜지(flange)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 개구는 플랜지내에 있을 수 있다. 전극의 몸체는 조립되면 최소한 하나의 통로를 형성하는 최소한 2개의 구성요소를 포함할 수 있다. 최소한 2개의 구성요소는 조립 방법, 예컨대 납땜(brazing), 솔더링(soldering), 용접(welding) 및 본딩(bonding)에 의해 조립될 수 있다. 최소한 2개의 구성요소는 교접 스레드(mating threads)를 포함할 수 있다.
전극은 복수의 통로를 포함할 수 있다. 복수의 통로는 전극의 몸체내 각각의 제1 개구로부터 전극의 몸체의 제2 단부내 각각의 제2 단부까지 각각 연장될 수 있다. 복수의 통로는 전극의 몸체의 직경 주변에 상호 동일한 각도로 이격될 수 있다. 몸체의 제2 단부의 단부면은 리세스를 포함할 수 있다. 제2 개구는 리세스내에 위치할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 전극은 제1 단부, 및 제1 단부에 대해 이격되어 있는 제2 단부를 갖는 몸체를 특징으로 한다. 몸체는 몸체의 제2 단부에 배치되는 단부면을 가진다. 전극은 또한 몸체를 통해서 연장되는 최소한 하나의 통로를 포함한다. 최소한 하나의 통로는 몸체의 제2 단부에 인접한 제1 개구로 들어가고 몸체의 제2 단부의 단부면내 제2 개구로 빠져나오게 가스가 흐르도록 구성되고 치수가 정해진다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 전극은 몸체의 제1 단부로부터 몸체의 제2 단부까지 연장되는 길이축을 특징짓는 몸체를 포함하며, 몸체는 제2 단부에 배치되는 단부면을 가진다. 전극은 또한 몸체내에 형성되며 몸체내 제1 개구로부터 몸체내 제2 개구까지 연장되며 최소한 하나의 통로를 포함한다. 제2 개구는 최소한 하나의 통로 밖의 가스 흐름에 최소한 축 속도 성분을 더한다. 인서트의 단부면은 제2 개구에 인접하여 위치할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 전극은 제1 단부, 제1 단부에 대해서 이격되어 있는 제2 단부, 및 제1 단부로부터 제2 단부까지 연장되는 외부 표면을 포함한다. 몸체는 제2 단부에 배치되는 단부면을 가진다. 전극은 또한 몸체의 외부 표면내 제1 개구로부터 몸체의 제2 단부의 단부면내 제2 개구까지 연장되며 몸체내 형성되는 최소한 하나의 축상으로 방사상으로 지향되는 통로를 포함한다. 제2 개구는 전극의 몸체의 제2 단부내 보어에 인접할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 전극은 제1 단부, 제1 단부에 대해서 이격되어 있는 제2 단부, 및 제1 단부로부터 제2 단부까지 연장되는 외부 표면을 갖는 몸체를 포함한다. 몸체는 몸체의 제2 단부내 배치되는 보어를 한정한다. 전극은 또한 몸체내 제1 개구로부터 몸체내 제2 단부내 보어에 인접한 제2 개구까지 연장되는 최소한 하나의 통로를 포함한다.
일반적으로, 또 다른 실시예에서, 본 발명은 본 발명의 일 측면에 따라 플라즈마 아크 토치용 전극을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 제1 단부, 제1 단부에 대해서 이격되어 있는 제2 단부, 및 제1 단부로부터 제2 단부까지 연장되는 외부 표면을 갖는 몸체를 형성하는 것을 포함한다. 몸체는 제2 단부에 배치되는 단부면을 가진다. 본 방법은 또한 몸체내 제1 개구로부터 단부면내 제2 개구까지 연장되는 최소한 하나의 통로를 형성하는 것을 포함한다. 제2 개구는 전극의 몸체의 제2 단부내 보어에 인접할 수 있다.
전극의 제2 단부는 몸체의 제2 단부의 단부면에 위치할 수 있다. 전극의 몸체는 고 열 전도성 재료, 예컨대 구리일 수 있다. 최소한 하나의 통로는 몸체의 길이축에 대해서 어떤 각도(예컨대 직각이 아닌 각도 또는 예각)로 위치할 수 있다. 제1 개구는 몸체의 외부 표면에 위치할 수 있다. 최소한 하나의 통로는 최소한 2개의 구성요소를 땜납, 솔더링, 용접 및 본딩에 의해 조립함으로써 형성될 수 있다. 최소한 하나의 통로는 최소한 2개의 구성요소를 결합함으로써 형성될 수 있고, 여기서 2개의 구성요소는 교접 스레드를 가진다. 최소한 하나의 통로는 캡과 전극의 몸체를 조립함으로서 형성될 수 있다.
전극을 제조하는 방법은 고 열 방출율 재료(예컨대 하프늄)의 인서트를 형성하는 것 및 몸체의 제2 단부내에 배치되는 보어에 인서트를 삽입하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 전극은 제1 단부, 제1 단부에 대해서 이격되어 있는 제2 단부, 및 제1 단부로부터 제2 단부까지 연장되는 외부 표면을 갖는 몸체를 포함한다. 몸체는 제2 단부에 배치되는 단부면을 가진다. 전극은 또한 몸체의 제2 단부에서 단부면내 개구로부터 가스를 흐르게 하는 수단을 포함한다.
또 다른 측면에서 본 발명은 모재를 마킹하거나 절단하기 위한 플라즈마 아크 토치를 특징으로 한다. 토치는 그 안에 플라즈마 아크가 형성되는 플라즈마 챔버로 플라즈마 가스가 흐르게 하는 플라즈마 흐름 경로를 갖는 토치 몸체를 포함한다. 토치는 또한 토치 몸체내에 설치되는 전극을 포함한다. 전극은 제1 단부, 제1 단부에 대하여 이격되어 있는 제2 단부, 및 제1 단부로부터 제2 단부로 연장되는 외부 표면을 갖는 전극 몸체를 포함한다. 전극의 전극 몸체는 전극 몸체의 제2 단부에 배치되는 단부면을 갖는다. 전극은 또한, 전극 몸체내 제1 개구로부터 전극 몸체의 제2 단부에 있는 단부면내 제2 개구까지 연장되는 최소한 하나의 통로를 포함한다. 제2 개구는 전극의 몸체내 보어에 인접할 수 있다.
토치는 플라즈마 챔버를 한정하기 위해 토치 몸체내 전극에 대해서 설치되는 노즐을 포함할 수 있다. 최소한 하나의 통로는 전극의 몸체의 길이축에 대해서 어떤 각도(예컨대, 직각이 아닌 각 또는 예각)로 위치할 수 있다. 최소한 하나의 통로는 제1 개구로부터 제2 개구쪽으로 가스가 흐르게 할 수 있다. 토치는 전극 몸체의 제2 단부에 배치된 보어내에 위치하는 고 열 전도성 재료(예컨대, 하프늄)로 형성되는 인서트를 포함하며, 여기서 인서트의 단면은 제2 개구에 인접하여 위치할 수 있다.
토치는 전극의 전극 몸체의 제2 단부에 위치하는 캡을 포함할 수 있으며, 여기서 최소한 하나의 통로는 캡 및 전극 몸체에 의해 한정된다. 전극의 몸체는 조립되면 최소한 하나의 통로를 형성하는 최소한 2개의 구성요소를 포함할 수 있다.
토치의 전극은 복수의 통로를 포함할 수 있다. 복수의 통로는 전극의 몸체의 직경 주변에 상호 동일한 각도로 이격될 수 있다. 복수의 통로는 전극의 몸체내 각각의 제1 개구로부터 전극의 몸체의 제2 단부내 각각의 제2 개구까지 각각 연장될 수 있다. 토치는 가스(예컨대, 산소, 공기, 수소, 아르곤, 메탄, 이산화탄소 또는 질소 중 최소한 하나)를 복수의 통로로 흐르게 하는 가스 소스를 포함할 수 있다.
또 다른 측면에서 본 발명은 모재를 마킹하거나 절단하기 위한 플라즈마 아크 토치를 특징으로 한다. 토치는 그 안에 플라즈마 아크가 형성되는 플라즈마로 플라즈마 가스를 흐르게 하는 플라즈마 흐름 경로를 구비하는 토치 몸체를 포함한다. 토치는 또한 토치 몸체내 설치되는 전극을 포함한다. 전극은 제1 단부, 제1 단부에 대해서 이격되어 있는 제2 단부, 및 제1 단부로부터 제2 단부까지 연장되는 외부 표면을 갖는 전극 몸체를 포함한다. 전극 몸체는 전극 몸체의 제2 단부에 배치되는 단부면을 갖는다. 토치는 또한 최소한 하나의 통로를 한정하며 토치 몸체내 설치되는 구성요소를 포함한다. 통로는 제1 개구 및 제2 개구를 가진다. 제2 개구는 최소한 하나의 통로의 제2 개구 밖의 가스 흐름에 축 속도 성분을 더한다. 전극은 전극 몸체의 제2 단부에 배치된 보어내에 위치하는 고 열 전도성 재료로 형성되는 인서트를 포함할 수 있다. 인서트의 단부면은 최소한 하나의 통로의 제2 개구에 인접하여 위치할 수 있다.
또 다른 측면에서 본 발명은 모재를 마킹하거나 절단하기 위한 플라즈마 아크 토치를 특징으로 한다. 토치는 그 안에 플라즈마 아크가 형성되는 플라즈마 챔버로 플라즈마 가스가 흐르게 하는 플라즈마 흐름 경로를 갖는 토치 몸체를 포함한다. 토치는 또한 토치 몸체내에 설치되는 전극을 포함한다. 전극은 제1 단부, 제1 단부에 대해서 이격되어 있는 제2 단부, 제1 단부로부터 제2 단부까지 연장되는 외부 표면을 갖는 전극 몸체를 포함한다. 전극 몸체는 전극 몸체의 제2 단부에 배치되는 단부면을 갖는다. 토치는 또한 최소한 하나의 통로를 한정하며 토치 몸체내 배치되는 구성요소를 포함한다. 통로는 제1 개구 및 제2 개구를 가진다. 통로는 가스가 전극 몸체의 제2 단부에 인접하는 제2 개구를 빠져나가게 한다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 모재를 마킹하거나 절단하기 위한 플라즈마 아크 토치내에서 사용하기 위한 어셈블리를 특징으로 한다. 어셈블리는 토치 몸체내 전극에 대해 설치되는 노즐을 포함한다. 어셈블리는 또한 노즐에 대해서 설치되는 구성요소를 포함하며, 이 구성요소는 최소한 하나의 통로를 한정하고, 최소한 하나의 통로는 제1 및 제2 개구를 가지고 가스가 전극내 인서트에 인접한 제2 개구를 빠져나가게 한다. 최소한 하나의 통로는 점점 가늘어지는 구멍일 수 있다.
또 다른 측면에서 본 발명은 플라즈마 아크 토치용 토치 팁을 특징으로 한다. 플라즈마 아크 토치는 그 안에 플라즈마 아크가 형성되는 플라즈마 챔버를 포함하는 속이 빈 토치 몸체를 갖는다. 토치 팁은 제1 단부, 제1 단부에 대해서 이격되어 있는 제2 단부, 및 제1 단부로부터 제2 단부까지 연장되는 외부 표면을 갖는 전극 몸체를 갖는 전극을 포함한다. 전극 몸체는 전극 몸체의 제2 단부에 배치되는 단부면을 가진다. 전극은 또한 전극 몸체내 제1 개구로부터 전극 몸체의 제2 단부에 있는 단부면내 제2 개구까지 연장되는 최소한 하나의 통로를 포함한다. 제2 개구는 전극의 몸체내 보어에 인접할 수 있다. 토치 팁은 또한 플라즈마 챔버를 한정하기 위해서 토치 몸체내 전극에 대해서 설치되는 노즐을 포함한다. 토치 팁은 쉴드(shield)를 포함할 수 있다.
또 다른 측면에서 본 발명은 전극 ― 전극 몸체는 최소한 하나의 통로를 가짐 ― 및 전원에 연결되는 토치 몸체를 포함하는 플라즈마 아크 토치 시스템을 특징으로 한다. 통로들 중 최소한 하나의 제2 단부는 전극 몸체의 제2 단부에 배치된다. 전극 및 노즐은 상호 이격되어 설치되어 토치 몸체의 제1 단부에서 플라즈마 챔버를 형성한다. 플라즈마 가스는 플라즈마 챔버를 통해 흐른다. 제어기는 플라즈마 아크 토치 파라미터의 함수로서 통로들 중 최소한 하나를 통해서 흐르는 전극 가스를 제어한다.
본 발명은 또한 전원에 연결되는 토치 몸체를 포함하는 플라즈마 아크 토치를 특징으로 한다. 토치 몸체는 그 안에 플라즈마 아크가 형성되는 플라즈마 챔버로 플라즈마 가스가 흐르게 하는 플라즈마 흐름 경로를 포함한다. 최소한 하나의 통로를 갖는 전극 몸체를 갖는 전극이 토치 몸체 내에 설치된다. 제어기는 토치 몸체내에 배치된다. 제어기는 플라즈마 아크 토치 파라미터의 함수로서 통로들 중 최소한 하나를 통한 전극 가스 흐름을 제어하기 위한 것이다. 다른 방법으로, 제어기를 연결하기 위한 커넥터는 토치 몸체 내에 배치된다. 제어기는 제어기와 별도인 플라즈마 아크 토치에 연결되거나, 이와 다르게 플라즈마 아크 토치 상에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 제어기는 전극 가스 밸브 시스템을 제어하여 전극 가스가 통로들 중 최소한 하나를 통해 흐를 수 있게 한다. 이와 다르게 또는 부가하여, 제어기는 플라즈마 가스 밸브 시스템을 제어하여 플라즈마 가스가 플라즈마 챔버를 통해 흐를 수 있게 한다. 전극 가스는 예를 들어 질소, 아르곤, 수소, 헬륨, 탄화수소 연료, 또는 이들의 임의의 혼합물과 같은 비산화 가스일 수 있다. 일 실시예에서, 플라즈마 가스는 산소를 포함하고, 전극 가스는 질소를 포함한다. 일 실시예에서, 플라즈마 가스 및 전극 가스는 플라즈마 챔버내에서 서로 섞인다(contact). 플라즈마 가스 및 전극 가스는 이들이 플라즈마 챔버내에서 서로 섞이기 전에는 분리된 스트림일 수 있다. 일 실시예에서, 플라즈마 가스 및 전극 가스는 플라즈마 챔버의 혼합형 상류이다.
플라즈마 아크 토치 파라미터에는 예를 들어 플라즈마 아크 전류, 전압, 압력, 흐름, 시간 제한형 시퀀스(timed sequence) 또는 이들의 임의의 조합이 포함된다. 일 실시예에서, 플라즈마 아크 토치 파라미터는 사전결정된 전류, 사전결정된 전압, 사전결정된 압력, 사전결정된 유속, 또는 이들의 임의의 조합이다.
제어기는 플라즈마 아크 싸이클 중 임의의 지점에서 전극 가스 흐름을 제공할 수 있다. 예를 들어, 제어기는 플라즈마 아크를 개시하기 전에, 플라즈마 아크를 개시할 때, 플라즈마 아크 전달(plasma arc delivery) 중에, 플라즈마 아크를 소(extinguish)하기 전에, 플라즈마 아크를 소할 때 전극 가스 흐름을 제공한다. 제어기는 예를 들어 전원 외부에 또는 전원내에 위치할 수 있다.
일 실시예에서, 플라즈마 아치 토크 시스템은 토치 몸체 상에 설치되며 실질적으로 노즐의 외부 표면을 에워싸는 리테이닝 캡(retaining cap)을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 중앙의 원형 개구가 있는 쉴드는 노즐과 정렬된다. 또 다른 실시예에서, 보어는 전극 몸체의 제2 단부에 배치되고, 인서트는 보어내에 위치된다. 인서트의 단면은 최소한 하나의 통로의 제2 개구에 인접하여 위치할 수 있다. 제어기는 인서트 주위에 전극 가스를 제공할 수 있다. 선택적으로, 전극 가스는 인서트의 최소한 일부를 둘러싼다. 인서트는 예를 들어 텅스텐 또는 하프늄과 같은 고 열 방전률 재료로 형성될 수 있다.
또 다른 측면에서 본 발명은 플라즈마 아치 토크 시스템을 동작하는 방법을 특징으로 한다. 본 방법은 전극 및 노즐에 의해 한정되는 플라즈마 챔버를 제공하는 것을 포함한다. 전극은 노즐과 상호 이격되어 설치된다. 전극 몸체는 최소한 하나의 통로를 가진다. 본 방법은 그 안에 플라즈마 아크가 형성되는 플라즈마 챔버를 통해 플라즈마 가스가 흐르게 하는 것을 포함한다. 본 방법은 또한 통로들 중 최소한 하나를 통해 전극 가스가 흐르게 하는 것과 통로들 중 최소한 하나를 통해서 플라즈마 아크 토치 파라미터의 함수로서 전극 가스 흐름을 제어하는 것을 포함한다. 일 실시예에서, 이 제어되는 전극 가스는 전극의 제2 단부에 배치된 보어내에 위치하는 인서트 주위를 흐른다. 전극 가스 흐름은 예를 들어 인서트의 최소한 일부를 둘러싼다.
또 다른 실시예에서, 본 방법은 전극 가스가 통로들 중 최소한 하나를 통해 흐를 수 있도록 전극 가스 밸브 시스템을 제어하는 것을 포함한다. 이와 다르게 또는 부가하여, 본 방법은 플라즈가 가스가 플라즈마 챔버를 통해 흐를 수 있도록 플라즈마 가스 밸브 시스템을 제어하는 것을 포함한다.
본 발명의 전술 및 다른 목적, 측면, 특징 및 이점은 아래의 설명 및 청구의 범위로부터 보다 명확해질 것이다.
본 발명 자체뿐만 아니라 본 발명의 전술 및 기타 목적, 측면, 특징 및 이점은 반드시 축적대로는 아닌 첨부 도면과 함께 다음 설명예를 판독함으로써 보다 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 플라즈마 아크 절단 토치 예의 단면도.
도 2A는 도 1의 토치의 부분 단면도로서, 토치의 동작 중에 생성되는 전극 인서트의 방출 표면의 오목한 형태를 도시하는 도면.
도 2B는 도 1의 토치의 부분 단면도로서, 토치의 동작 중에 노즐 상에 전극 인서트 재료의 퇴적에 의해 야기되는 노즐 마모와 더블 아킹을 도시하는 도면.
도 3A는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 단면도.
도 3B는 도 3A의 전극의 단부 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 단면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 단면도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 단면도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 단면도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 단면도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 단면도.
도 10은 본 발명의 원리를 구체화하는 플라즈마 아크 토치에서 사용하기 위한 어셈블리의 부분 단면도.
도 11A는 본 발명에 따른 전극의 일 실시예의 확대된 투시도.
도 11B는 본 발명에 따른 전극의 일 실시예의 어셈블리 도면.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 토치 팁에 설치된 노즐 및 전극의 간략화된 단면도.
도 13A는 본 발명의 전극을 통합한 플라즈마 아크 토치의 부분적 단면도.
도 13B는 본 발명의 전극을 통합한 플라즈마 아크 토치의 부분적 단면도.
도 14A는 자동화된 플라즈마 아크 토치 시스템의 개략도.
도 14B는 자동화된 플라즈마 아크 토치 시스템의 개략도.
도 1은 뉴햄프셔주 하노버에 소재하는 하이퍼텀 주식회사(Hypertherm, Inc)제조의 임의의 각종 토치 모델을 나타내는 통상의 플라즈마 아치 절단 토치(10)의 간략화된 개략 형태를 나타낸다. 토치(10)는 통상 원통형이며 하단부(16)에 출구 구멍(14)이 있는 몸체(12)를 구비하고 있다. 플라즈마 아크(18), 즉, 이온형 가스 젯(ionized gas jet)은 출구 구멍(14)을 통과하여 절단 중인 모재(workpeice : 19)에 접착된다. 토치(10)는 이송식 아크 모드에서 금속, 특히 연강(mild steel) 등의 재료를 관통하여 절단하도록 설계된다. 연강을 절단하는데 있어서, 토치(10)는 이송식 플라즈마 아크(18)를 형성하기 위해 플라즈마 가스(28)로서 산소 또는 공기와 같은 반응성 가스로 동작한다.
토치 몸체(12)는 전체적으로 원통형 몸체(21)를 갖는 구리 전극(20)을 지지한다. 하프늄 인서트(22)는 평면 방출 표면(22a)이 노출되도록 전극(20)의 하단부(21a)에 눌려 맞춰진다. 토치 몸체(12)는 또한 전극(20)으로부터 이격되어 있는 노즐(24)을 지지한다. 노즐(24)은 출구 구멍(14)을 한정하는 중앙의 구멍을 가진다. 토치 몸체(12)에 설치되는 스월 링(swirl ring : 26)은, 플라즈마 가스류에 탄젠트 속도 성분을 더하여 플라즈마 가스류가 소용돌이치게 하는 방사상으로 오프셋되어 있는[경사져 있는(canted)] 한 세트의 가스 분산 홀(26a)을 가진다. 이러한 스월에 의해 아크(18)를 죄어 인서트(22) 상에 아크(18)의 위치를 고정하는 와동(vortex)이 생성된다. 토치는 또한 쉴드(60)를 가진다. 쉴드(60)는 그 하부 측벽(60a)에서 절연 링(64)에 결합된다(예를 들어, 스레드된다). 절연 링(64)은 그 상부 측벽(64a)에서, 토치 몸체(12) 상으로 스레드되는 캡(76)에 결합된다. 쉴드(60)는 가스류 통로(68)를 한정하기 위해 노즐(24)로부터 이격되도록 구성된다. 쉴드(60)의 전면(front face : 60b)에는 노즐 출구 구멍(14)과 정렬되어 있는 출구 구멍(72)이 있다.
동작시, 플라즈마 가스(28)는 가스 입구 튜브(29) 및 스월 링(26)의 가스 분산 홀(26a)을 통해서 흐른다. 거기서부터 플라즈마 가스(28)는 플라즈마 챔버(30) 내로 그리고 출구 구멍(14) 및 출구 구멍(72)을 통하여 토치(10) 외부로 흐른다. 파일럿 아크(pilot arc)는 먼저 전극(20)과 노즐(24) 사이에서 생성된다. 파일럿 아크는 노즐 출구 구멍(14) 및 쉴드 출구 구멍(72)을 통과하는 가스를 이온화한다(ionizing). 그 후 아크는 모재(19)를 절단하기 위해 노즐(24)로부터 모재(19)로 이송된다. 구성요소의 배열, 가스의 방향 지정과 유류(fluid flows)의 냉각, 및 전기 배선 제공 등의 토치(10)의 특정 구성 세부사항들은 폭넓게 다양한 형태를 가질 수 있다.
도 2A를 참조하면, 종래의 플라즈마 아크 토치, 예컨대 도 1의 토치(10)의 동작 중에, 플라즈마 아크(18) 및 플라즈마 챔버(30)내에서 소용돌이치는 가스류(31)에 의해 하프늄 인서트(22)의 방출 표면(22a)이 실제 안정된 상태에서 전체적으로 오목하게 된다는 것을 알 수 있었다. 종래의 토치에서 방출 표면(22a)은 전체적으로 평면형의 초기 형상을 가지므로, 토치의 동작 도중에 방출 표면이 전체적으로 오목한 형상을 가질 때까지 용융된 하프늄이 인서트(22)로부터 배출된다. 따라서, 인서트(22)이 방출 표면(22a)의 형상은, 안정된 상태에서 힘을 받아 오목 한 형상이 될 때까지 급격하게 변한다. 그 결과는 인서트(22)내에 형성되는 피트(pit : 34)이다.
오목한 형상의 표면(32)의 곡률은 토치의 전류 레벨, 인서트(22)의 직경(A) 및 토치(1)의 플라즈마 챔버(30)내에서 소용돌이치는 가스류(31)의 패턴의 함수인 것으로 결정되었다. 따라서, 일정한 인서트 직경에 대하여 전류 레벨을 증가시키면 방출 표면(22a)이 보다 깊은 오목한 형태의 피트가 생긴다. 이와 유사하게, 전류 레벨을 일정하게 유지하며 하프늄 인서트(22)의 직경 또는 가스류(31)의 소용돌이 세기를 증가시키면, 보다 깊은 오목한 형상이 생긴다.
하프늄 인서트(22)의 방출 표면(22a) 상에서 소용돌이치는 가스류(31)에 의해 일반적으로 인서트(22)로부터 배출되는 용융된 하프늄이 생긴다. 인서트(22)내에 생성되는 당해 피트는 절단 품질의 저하를 초래하고 결국 소모품의 서비스 수명의 한계를 초래한다. 소모 수명을 연장시키기 위하여 일반적으로 하프늄 인서트의 소모(즉, 용융된 하프늄의 배출)를 감소시키는 것이 바람직하다.
도 2B를 참조하면, 토치(10)의 동작 중에 인서트(22)로부터 배출되는 용융된 하프늄(36)이 노즐(24) 상으로 퇴적되어, 노즐 구멍(14)의 에지를 손상하여 노즐 마모 및 하프늄 인서트(22)의 방출 표면의 구멍을 증가시키는, 더블 아크(double arc : 38)가 생기게 한다는 것을 알 수 있다. 파일럿 아크가 전이된 후에, 노즐(24)은 보통은 한 층의 냉가스(a layer of cold gas)에 의해 플라즈마 아크로부터 절연된다. 그러나, 용융된 하프늄이 가스 층내로 배출되는 것에서 의해 노즐(24)이 이송 플라즈마 아크로의 보다 쉬운 경로가 되게 하여 이러한 절연이 파괴 된다. 그 결과는 도시한 바와 같이 더블 아킹(double arcing : 38)이다.
본 발명에 따라 플라즈마 아크 절단 토치용의 개량된 전극(100)에 의해 전극 마모가 감소되고 노즐상으로 전극 인서트 재료(예컨대, 하프늄)의 퇴적이 최소화된다. 도 3A 및 3B는 본 발명의 원리를 구현하는 전극(100)의 일 실시예를 도시한다. 전극(100)은 구리와 같은 고 열 전도성 재료로 형성되는 전체적으로 원통형의 길이가 긴 몸체(104)를 가진다. 전극 몸체(104)는, 전극(100)이 그 안에 설치되는 경우에 토치(미도시)에도 공통인 전극(100)의 길이축(106)을 따라서 연장되는데, 이 길이축은 전극(100)이 토치내에 설치되면 토치(미도시)에도 공통이다. 전극(100)은 전극(100)의 길이축(106)을 따라서 연장되는 속이 빈 내부(118)를 가진다. 전극 몸체(104)는 제1 단부(108), 제2 단부(112), 및 제1 단부(108)와 제2 단부(112) 사이에 가로놓인 외부 표면(116)을 가진다. 제1 단부(108)는 전극(100)의 길이축(106)을 가로지르는 평면 표면을 한정하는 단부면(end face : 120)을 갖는다. 제2 단부(112)는 전극(100)의 길이축(106)을 가로지르는 평면 표면(110)을 한정하는 단부면(124)을 갖는다. 이러한 실시예에서, 단부면(124)은 전체적으로 원추대 형상을 갖는다. 이와 다르게, 제2 단부(112) 및/또는 단부면(124)은 이와 다른 형상, 예컨대 타원형(ellipsoidal shape), 포물형(paraboloidal shape) 또는 구형을 가질 수도 있다.
보어(128)는 전극 몸체(104)의 제2 단부(112)에서 전극(100)의 길이축(106)을 따라서 형성된다. 고 열 방출 재료(예컨대, 하프늄)로 형성되는 전체적으로 원통형인 인서트(132)가 보어(128)에 프레스되어 맞춰진다. 전체적으로 방출 표 면(136)에 의해 한정되는 단부면이 전극 몸체(104)의 제2 단부(112)의 단부면(124)의 평면 표면(110)과 공동 평면이 되도록 인서트(132)의 방출 표면(136)이 보어(128) 내에 위치한다. 단부면(124)은 에지(126)를 가진다. 에지(126)는 예를 들어, 반경 또는 날카로운 에지를 가질 수도 있다. 이러한 실시예에서, 전극 몸체(104)는 또한 전극(100) 몸체(104)의 제2 단부(112)의 외부 직경 주변에서 연장되는 홈(groove : 134, 예를 들어, 환형 리세스)을 가진다.
도시하는 바와 같이, 전극(100)은 전극(100)의 몸체(104)를 통해 연장되는 복수 개의(예컨대 8개의) 통로(140a, 140b, 140c, 140d, 140e, 140f, 140g, 140h : 전체적으로 140)를 가진다. 각 통로(140)는 홈(134)내에 위치하는 각각의 제1 개구(전체적으로 144)를 가진다. 각 통로(140)는 또한 각각의 제2 개구(전체적으로 148)를 가진다. 예를 들어, 통로(140a)는 몸체(104)의 제2 단부(112)의 홈(134)에 위치하는 제1 개구(144a)와, 몸체(104)의 제2 단부(112)의 단부면(124)에 위치하는 제2 개구(148a)를 가진다. 제2 개구(148a)는 인서트(132)의 방출 표면(136)에 인접하여 위치한다. 통로(140)는 전극 가스를 각각의 제1 개구(144)로부터 제2 개구(148)로 흐르게 할 수 있다. 각각의 통로(140)를 통해서 흐르는 가스를 전극 가스라 한다. 제2 개구(148)는 통로(140)를 빠져나가는 전극 가스류에 적어도 축 속도 성분을 더한다. 어떤 실시예에서 통로(140)의 개구(144)는 부분적으로 홈(134)내에 위치한다. 어떤 실시예에서 제1 개구(144)는 홈(134)내에 위치하지 않는다. 어떤 실시예에서는 전극(100)에 홈(134)이 없다.
일반적으로, 통로(140)를 통해 흐르는 가스를 전극 가스라 하고 플라즈마 아 크를 형성하는 가스를 플라즈마 가스라 한다. 통로(140)를 통하게 되는 전극 가스류는 예를 들어 산소 또는 공기와 같은 플라즈마 아크를 생성하기 위한 가스일 수도 있다. 이와 다르게, 전극 가스류는 일종 이상의 가스류(예를 들어, 산소, 공기, 수소 및 질소, 아르곤, 메탄 및 이산화탄소)일 수 있다. 동작시 이송 플라즈마 아크를 생성하기 위한 플라즈마 아크를 제공하는 데 사용되는 것과 동일한 가스 소스에 의해 전극 가스가 공급된다. 일 실시예에서 교번 가스 소스가 예를 들어 하나 이상의 호스나 도관(conduits)을 통해 통로(140)로, 또는 제1 개구(144)로의 토치내 통로에 전극 가스류를 제공한다.
전극 근처[예컨대 인서트(132)의 방출 표면(136)]에서의 산화 가스(예를 들어 공기 또는 산소)가 특히 토치의 시작 중에 전극(100) 수명에 악영향을 끼친다고 판정되었다. 따라서, 일 실시예에서 예컨대 전극(100) 인서트(132)의 영역에서 산화 가스(예를 들어, 플라즈마 가스)의 비율을 감소시키는 것에 의해 수명을 증진시키기 위해 다른 비활성 가스(예를 들어, 질소) 또는 산화 및 비산화 가스를 함께 포함하는 가스가 대신하여 통로(140)를 통해 전극 가스로서 흐르게 된다. 일 실시예에서, 밸브(미도시)는 통로(140)를 통해서 비산화 전극 가스(예를 들어, 질소)의 흐름을 제어한다. 일 실시예에서, 전극 가스는 플라즈마 아크를 개시 및/또는 소(extinguish)하는 것과 일치하도록 통로를 통하게 된다. 통로(140)의 제2 개구(148)는 대체로 축[즉, 길이축(106)을 따라서] 속도 성분을 제2 개구(148)를 빠져나가는 전극 가스에 더한다. 일 실시예에서, 전극 가스류의 제어는 예를 들어 토치로 전달되는 전류, 플라즈마 가스압의 증감, 플라즈마 아크의 개시, 및 플라즈 마 아크의 소 중 일 이상과 일치하도록 시간 조정된다. 전극(100)내 하나 이상의 통로(140)를 통하는 전극 가스류를 제어하기 위해 제어기(미도시)가 사용될 수 있다. 예를 들어, 일 이상의 통로(140)가 있는 전극(100)을 사용하는 플라즈마 아크 토치 또는 플라즈마 아크 토치 시스템은 제어 전극 가스류를 제어하기 위해 제어기를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제어기는 최소한 하나의 통로(140)를 통하는 전극 가스류를 플라즈마 토치 파라미터의 함수로서 제어한다. 플라즈마 아치 토크 마라미터에는 예를 들어, 전류, 전압, 플로우, 사전결정된 시간 제한형 시퀀스, 또는 이들 파라미터의 조합이 포함된다.
통로(140)는 전극(100)의 길이축(106)에 대하여 어떤 각도(152)(예를 들어, 예각 또는 직각이 아닌 각도)로 위치한다. 각도(152), 통로(140)의 개수 및 통로(140)의 직경은 예를 들어 아크의 영역에서 인서트(132)의 방출 표면(136)으로부터 방출되는 플라즈마 가스의 소용돌이 세기를 감소시키도록 선택될 수 있다. 소용돌이 세기를 감소시키면, 통로(140) 밖의 가스류의 축 속도 성분이 인서트(132) 상에 작용하는 공기역학력을 감소시키기 때문에 인서트(132)로부터의 용융된 방사률 재료의 배출이 감소된다. 예로서, 각도(152), 통로(140)의 개수 및 통로(140)의 직경은 토치내에서 토치의 동작 전류 레벨, 인서트(132)의 직경 및 플라즈마 가스류 패턴 및/또는 세기의 함수로서 선택될 수도 있다. 일 실시예에서, 통로(140)는 전극(100)의 길이축(106)에 평행하게 위치한다.
예시로서, 전극의 인서트의 방출 표면에서 마모의 감소를 증명하기 위해 실험을 수행했다. 전극, 예를 들어 도 3A 및 3B의 전극(100)의 몸체에 8개의 통 로(140)가 형성되었다. 통로들 각각은 전극(100)의 길이축(106)에 대해서 약 22°의 각도(152)로 위치하며 약 1.04㎜의 직경을 가졌다. 토치내에서 동작시, 동일한 동작 조건에 대해서, 통로가 없는 전극에 비해 통로를 채용하는 전극이 방출 표면의 마모가 적게 나타났다.
이와 다른 개수 및 형상의 통로(140)도 본 발명의 범위내이다. 예로서, 통로(140a)는 도 3B의 단부 보기 방향에서 봤을 때 원형, 타원형, 이와 다르게 커브형 또는 수직 횡단형을 가질 수도 있다. 그러나, 일 실시예에서, 통로(140)는 통로(140) 밖의 가스류에 탄젠트 속도 성분도 더해서 소용돌이류를 야기하게 향한다. 이러한 방식에서 통로(140)는 축 속도 성분, 방사상 속도 성분 및 탄젠트 속도 성분을 갖는 전극 가스가 제2 개구(148)로부터 흐르게 할 수 있다. 통로(140)는 예를 들어 전극 가스류에 탄젠트 속도 성분을 더하기 위하여 예를 들어 스월 링내 통로로 향하게 될(예를 들어, 방사형으로 오프셋되거나 기울어 질) 수도 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 도 4에 도시하는 바와 같이, 전극(100)은 복수의 통로(140)(140a 및 140e는 도시, 140b, 140c, 140d, 140f, 140g 및 140h는 미도시)를 가진다. 전극(100)의 몸체(104)는 몸체(104)의 제2 단부(112)의 단부면(124)에 환형의 리세스 영역(180)을 가진다. 통로(140) 각각은 몸체(104)의 외부 표면(116)에 있는 각각의 제1 개구(144)로부터 몸체(104)의 제2 단부(112)의 단부면(124)의 리세스(180)내에 있는 각각의 제2 개구(148)까지 연장된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 도 5에 도시하는 바와 같이, 전극(100)은 복수의 통로(140)(140a 및 140e는 도시, 140b, 140c, 140d, 140f, 140g 및 140h는 미 도시)를 가진다. 통로(140)는 전극(100)의 몸체(104)의 제1 단부(108)의 단부면(120)내에 있는 각각의 제1 개구(144)로부터 몸체(104)의 제2 단부(112)의 단부면(124)내에 있는 각각의 제2 개구(148)까지 각각 연장된다. 제2 개구(148)는 인서트(132)의 방출 표면(136)에 인접하여 위치한다. 이러한 실시예에서, 통로(140)는 전극(100)의 길이축(106)에 전체적으로 평행하다. 이와 다르게, 통로(140)는 전극(100)의 길이축(106)에 대해서 어떤 각도로 향할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 도 6에 도시하는 바와 같이, 전극(100)은 복수의 통로(140)(140a 및 140e는 도시, 140b, 140c, 140d, 140f, 140g 및 140h는 미도시)를 가진다. 이러한 실시예에서 통로(140)는 각각 전극(100)의 몸체(104)의 제2 단부(112)에 있는 각각의 제1 개구(144)와, 몸체(104)의 제2 단부(112)에 있는 각각의 제2 개구(148)를 가진다. 통로(140)는 제1 개구(144)에 들어가는 전극 가스가 전극(100)의 길이축(106)쪽으로 방사상으로 흐르고 그 후 제2 개구(148)쪽으로 축상으로 흐르게 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 도 7에 도시하는 바와 같이, 전극(100)은 전극(100)의 몸체(104)의 제2 단부(112)에 위치하는 플랜지(184)를 가진다. 몸체는 플랜지(184)에 위치하는 복수의 통로(140)(140a 및 140e는 도시, 140b, 140c, 140d, 140f, 140g 및 140h는 미도시)를 가진다. 통로(140) 각각은 또한 플랜지(184)에 위치하는 각각의 제1 개구(144) 및 각각의 제2 개구(148)를 가진다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 도 8에 도시하는 바와 같이, 전극(100)은 복수의 통로(140)(140a 및 140e는 도시, 140b, 140c, 140d, 140f, 140g 및 140h는 미 도시)를 가진다. 전극(100)은 전극(100)의 몸체(104)의 제2 단부(112)의 내부 표면(146)에 위치하는 빈 내부(118)를 가진다. 통로(140)는 각각 몸체(104)의 제2 단부(112)의 내부 표면(146)에 있는 각각의 제1 개구(144)로부터 몸체(104)의 제2 단부(112)의 단부면(124)에 있는 각각의 제2 개구(148)까지 연장된다.
또 다른 실시예에서, 도 9에 도시하는 바와 같이, 전극(100)은 고열 도전성 재료로 형성되는 전체적으로 원통형의 길이가 긴 몸체(104)를 가진다. 전극 몸체(104)는 전극(100)의 길이축(106)을 따라서 연장된다. 전극(100)의 몸체(104)의 제2 단부(112)에는 몸체(104)의 제1 단부(108)에서의 외부 표면(116)에 비해서 직경이 감소된 위치[168: 예를 들어 쇼울더(shoulder)]가 있다. 전극(100)은 또한 2개의 통로(140 : 140a 및 140e)를 갖는 구성요소(160)를 가진다. 이와 다른 개수 및 형상의 통로(140)도 본 발명의 범주내이다. 구성요소(160)는 전극(100)의 길이축(106)을 따라서 연장되는 전체적으로 원통형 몸체(164)를 가진다. 구성요소(160)에는 공통의 길이축(106)을 따라서 연장되는 중앙의 홀(172)이 있다. 통로(140a, 140e)는 각각 제1 개구(144)(각각 144a, 144e)로부터 구성요소(160)의 몸체(164)를 통하여 제2 개구(148)(각각 148a, 148e)까지 연장된다. 본 명세서에서 상술한 것과 유사하게, 전극 가스는 통로(140)를 통하여, 전극(100)의 보어(128)에 위치하는 인서트(132)에 인접한 위치까지 흐른다.
이러한 실시예에서, 구성요소(160)에는 구성요소(160)의 홀(172)내에 있는 내부 표면(176) 상에 위치하는 환형 홈(170)이 있다. 오-링(o-ring : 186)은 부분적으로 홈(172)내에 위치한다. 조립되면, 오-링(186)은 전극(100)의 몸체(104) 의 위치(168)와 부분적으로 접촉한다. 이러한 방식으로, 구성요소(160)는 오-링(186)을 통해 전극(100)의 몸체(104)의 위치(168)까지 결합된다.
예로서, 구성요소(160)는 고 열 전도성 재료(예를 들어, 구리)로 형성될 수 있다. 어떤 실시예에서, 구성요소(160)는 세라믹, 복합체(composite), 플라스틱 또는 금속 재료로 제조될 수 있다. 어떤 실시예에서, 구성요소(160)는 하나 이상의 조각으로 형성될 수 있다. 어떤 실시예에서 구성요소(160)는 전극(100)의 몸체(104)에 프레스되어 맞춰지거나 본딩될 수 있다. 어떤 실시예에서 구성요소(160)는 전극(100)과 접촉하지 않고, 대신에 예를 들어 전극(100)의 제2 단부(112)에 인접한 위치에서 토치의 노즐(미도시)에 결합된다. 이러한 방식으로, 구성요소(160)는 또한 전극(100)의 인서트(132)에 인접한 위치까지 전극 가스가 흐르게 할 수 있다. 어떤 실시예에서 구성요소(160)는 토치의 토치 몸체(미도시)에 결합된다. 구성요소(160)내에 형성되는 통로는 전극 가스가 전극(100)의 인서트(132)에 인접한 위치까지 흐르게 한다. 제2 개구(148)는 통로(140) 외부의 전극 가스류에 적어도 축 속도 성분을 더한다.
어떤 실시예에서 통로(140)는 토치의 노즐(미도시)내에 형성되고, 제2 개구(148)는 전극의 제2 단부(112)에 인접하여 위치한다. 이러한 방식에서, 통로(140)는 전극(100)의 인서트(132)에 인접한 위치까지 전극 가스가 흐르게 한다. 다른 실시예에서 통로(140)는 토치 몸체내에 형성되고 전극(100)의 인서트(132)에 인접한 위치까지 전극 가스가 흐르게 한다.
도 10은 본 발명의 원리를 이용하는 플라즈마 아크 토치에서 사용하기 위한 어셈블리(200)의 예시이다. 어셈블리(200)는 토치의 토치 몸체(미도시)에 설치되는 노즐(260)을 포함한다. 노즐(260)은 출구 구멍(280)을 가진다. 어셈블리(200)는 또한 토치 몸체에 설치되는 전극(100)을 포함한다. 전극(100)은 전극(100)의 보어 내로 프레스되어 맞춰지는 인서트(132)를 포함한다. 어셈블리(200)는 또한 토치 몸체내에서 노즐(260)에 관련되어 설치되는 구성요소(160)를 포함한다. 구성요소(160)는 최소한 하나의 통로(272)를 한정한다. 통로(272)는 제1 개구(264) 및 제2 개구(268)를 가진다. 이러한 실시예에서 통로(272)는 제1 개구(264)로부터 제2 개구(268)쪽으로 테이퍼진 테이퍼 구멍이다. 통로(272)는 제1 개구(264)로부터 제2 개구(268)쪽으로 전극(100)의 인서트(132)에 인접한 위치까지 전극 가스가 흐르게 한다. 이러한 실시예에서, 노즐(260), 구성요소(160) 및 전극(100)은, 서로에 대해 전극의 노즐 출구 구멍(280), 통로(272) 및 인서트(132)가 중심이 같도록 길이축(106)에 대하여 동일 선상에 배치된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 도 11A 및 11B에 도시하는 바와 같이, 전극(100)은 캡(190)을 몸체(104)에 결합함으로써 형성된다. 캡(190)은 전체적으로 원통형 몸체(194)를 가진다. 몸체(194)는 제1 개구(미도시)를 한정하는 제1 단부(198)와 제2 개구(206)를 한정하는 제2 단부(202)를 가진다. 몸체(194)는 제1 개구(미도시)로부터 제2 개구(206)까지 연장되는 통로(210)가 있는 속이 빈 몸체이다. 예로서, 캡(190)은 고온 재료(예를 들어, 흑연) 또는 고열 도전성 재료(예를 들어, 구리)로 형성될 수도 있다. 이러한 실시예에서, 캡(190)은 또한 캡(190)의 통로(210)의 벽 일부 상에 위치하는 일련의 스레드(미도시)를 가진다.
도 11A를 참조하면, 전극(100)의 몸체(104)는 전극(100)의 몸체(104)의 제2 단부(112)의 외부 표면(218) 상에 4개의 채널(214a, 214b, 214c, 214d)(전체적으로 214)을 가진다. 이러한 실시예에서 채널(214)은 몸체(104)의 제2 단부(112)의 단부면(124)에서 봤을 때 원의 단면 형상을 가진다. 채널(214)은 이와 다르게 몸체(104)의 제2 단부(112)의 단부면(124)에서 봤을 때 이와 다른 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 채널(214)은 몸체(104)의 제2 단부(112)의 단부면(124)에서 봤을 때 삼각형, 사각형의 일부, 타원형의 일부 형상을 가질 수 있다. 채널(214a, 214b, 214c, 214d)은 각각 제1 개구(222a, 222b, 222c 및 222d : 전체적으로 222)를 각각 가진다. 도시를 명확히 하기 위하여, 개구(222b, 222c, 222c)는 도시하지 않았다. 제1 개구(222)는 몸체의 제2 단부(112)에 위치한다. 채널(214a, 214b, 214c, 214d)은 또한 각각 제2 개구(226a, 226b, 226c, 226d : 전체적으로 226)를 각각 가진다. 제2 개구(226)는 전극(100)의 몸체(104)의 제2 단부(112)의 단부면(124)에 위치한다. 몸체(104)는 몸체(104)의 외부 표면(116) 상에 일련의 스레드(230)를 가진다. 스레드(230)는 몸체(104)의 제2 단부(112)에 인접하여 위치한다. 스레드(230)는 캡(190)의 통로(210)의 벽 상에 있는 스레드와 교합할 수 있다.
도 11B를 참조하면, 캡(190)은 캡(190)의 통로(210)의 벽 상의 교합 스레드와 몸체(104) 상의 스레드(230)의 결합에 의해 몸체(104)에 캡(190)을 고정되도록 몸체(104)의 제2 단부(112)상으로 스크류된다(screwed). 캡(190) 및 몸체(104)는, 몸체(104)의 단부면(124)이 캡(190)의 개구(206)에 의해 한정되는 평면과 대체로 동일 평면상에 있도록 치수가 정해진다. 캡(190)을 몸체(104)에 결합함으로써 전극(100)내에 통로가 생성된다. 통로는 예를 들면 도 3A 및 3B의 통로(140)와 대체로 유사하다.
도 12는 플라즈마 아크 토치의 이송식 아크 모드에서 본 발명의 원리를 이용하는 플라즈마 아크 토치 팁(300)의 예시이다. 이 모드는, 도 3A 및 3B의 전극(100)과 같은 전극의 인서트(132)의 방출 표면(136)으로부터 이송식 플라즈마 아크(325)가 모재(320)로 방출되는 것에 의해 특징지어진다. 플라즈마 아크(324)는 모재(320)와 전기 접촉을 하기 위해 노즐(304)의 출구 구멍(312) 및 쉴드(308)의 쉴드 구멍(316)을 통과한다. 노즐(304), 쉴드(308) 및 전극(100)은, 노즐 전극(100)내에 위치하는 인서트(132)의 방출 표면(136), 쉴드 구멍(316) 및 노즐 출구 구멍(312)이 서로 동일한 중심을 갖도록 길이축(106)에 대해서 동일 선상으로 배치된다.
도 12를 참조하면, 전극(100)은 전극(100)의 몸체(104)내에 8개의 통로(140)(140a 및 140e는 도시, 140b, 140c, 140d, 140f, 140g 및 140h는 미도시)를 가진다. 각각의 통로(140)는 몸체(104)내에 각각의 제1 개구(144)를 그리고 전극(100)의 몸체(104)의 제2단부(112)에 각각의 제2 개구(148)를 가진다. 통로(140)는 전극(100)의 몸체(104)를 통하여 인서트(132)의 방출 표면(136)에 인접한 위치로의 전극 가스의 흐름을 용이하게 한다. 이러한 실시예에서, 전극 가스는 노즐(304)의 내부벽(328)쪽보다 대체로 플라즈마 아크(324)쪽으로 흐르게 된다. 전극 가스는 노즐(304)내에 있는 개구(336)내로 그리고 노즐 출구 구멍(312) 밖으 로 흐르게 된다.
통로(140) 밖으로 흐르는 전극 가스는 플라즈마 아크(324)의 축 모멘텀을 증가시키는 것으로 판정되었다. 플라즈마 아크(324)의 축 모멘텀을 증가시키면, 절단 속도를 빠르게 하고 절단 품질을 향상시키는 것을 알 수 있었다. 따라서, 어떤 실시예에서 본 발명과 관련되어 있는 각종 파라미터들(예를 들어, 통로 형상 및 개수, 및 가스 유속)은 통로(140) 밖에서 흐르는 전극 가스의 축 모멘텀을 증가시키도록 선택된다. 예를 들어, 어떤 실시예에서 통로의 개수 및 제2 개구(148)의 위치는 플라즈마 아크(324)의 축 모멘텀을 증가시키도록 선택된다. 이러한 방식으로 조작자는 예를 들면 절단 품질을 유지 및/또는 향상시키며 금속 조각을 절단하는데 플라즈마 토치가 사용되는 속도를 증가시킬 수 있다.
전극(100)의 단부면(124)과 노즐 구멍(340)의 입구(336) 사이의 노즐과 전극간의 격차(nozzle-electrode gap : 332)는 예를 들어 전극 수명을 연장시키고, 절단 품질을 향상시키고 및/또는 노즐의 보어의 마모를 감소시키도록 선택될 수 있다. 실례로써, 노즐과 전극간의 갭(332)의 길이를 변화시키는 효과를 증명하기 위해 실험을 행했다. 8개의 통로(140)가 전극, 예를 들어 도 3A 및 3B의 전극의 몸체내에 형성되었다. 통로(140) 각각은 전극(100)의 길이축(106)에 대해서 약 22°의 각도로 위치하며 약 1.04㎜의 직경을 가졌다. 토치에서 동작시, 동등한 동작 조건에 대해서, 약 3.0㎜의 노즐과 전극간의 갭(332)은 약 3.8㎜의 노즐과 전극간의 갭(332)에 비해 향상된 절단 품질을 보였다. 또 다른 실험에서, 동등한 동작 조건에 대해서, 약 3.0㎜의 노즐과 전극간의 갭은 약 2.3㎜의 노즐과 전극간의 갭(332)에 비해 노즐 보어 마모의 감소와 전극 수명의 연장을 보였다.
도 13A는 본 발명을 실시하기 위해 이용될 수 있는 HD(high-definition) 플라즈마 아크 토치(400)의 일부를 도시한다. 토치(400)는 전기 배선, 냉각 유체용 통로 및 제어 유체를 포함하는 대체로 원통형 몸체(404)를 가진다. 양극 블록(408)은 몸체(404)내에 보호되고 아크가 모재(미도시)로 이송될 수 있는 중앙 통로(416) 및 출구 통로(420)를 가진다. 도 3A 및 3B의 전극(100)과 같은 전극은 플라즈마 챔버(428)를 한정하기 위해 노즐(412)에 대해서 이격되어 있는 음극 블록(424)내에 보호된다. 스월 링(432)으로부터 입력되는 플라즈마 가스(422)는 플라즈마 챔버(428)내에서 이온화되어 아크를 형성한다. 수냉식 캡(water-cooled cap : 436)은 음극 블록(408)의 하단부상으로 스레드되고, 보조 캡(440)은 토치 몸체(404)상으로 스레드된다. 보조 캡(440)은 관통 또는 절단 동작 중에 튀는 금속에 대하여 기계적 차폐물로서 동작한다. 차폐 가스라고도 하는 보조 가스(442)는 보조 캡(440) 근방에 흐른다.
냉각제 관(coolant tube : 444)은 전극(100)의 속이 빈 내부(448)에 배치된다. 전극(100)이 토치(400)내에 설치될 때 관(444)은 전극(100) 및 토치(400)의 중심선 또는 길이축(106)을 따라 연장된다. 관(444)은, 관(444)이 대체로 토치(400)의 길이축(106)의 방향을 따라서 이동하기가 자유롭도록 음극 블록(424)내에 위치한다. 관(444)의 상단부(452)와 냉각제 공급원(coolant supply : 미도시) 사이에 유체가 통한다. 냉각제류는 통로(141)를 따라서 이동하고 관(444)의 제2 단부(456)에 위치하는 개구로 빠져나간다. 냉각제는 전극(100)의 제2 단부(112)의 내부 표면(460)에 부딪히고 전극 몸체(104)의 내부 표면을 따라서 순환한다.
동작시 전극 가스(142)는 전극(100)의 몸체(104)에 있는 제1 개구(144)내로, 통로(140)를 따라서 그리고 전극(100)이 몸체(104)의 제2 단부(112)에 있는 제2 개구(148) 바깥으로 흐르게 된다. 전극 가스(142)는 방출 인서트(132)의 방출 표면(136)에 인접한 제2 개구(148) 밖으로 흐른다. 전극 가스(142)는 플라즈마 아크(미도시)쪽으로 그리고 노즐(412)의 중앙 통로(416) 및 출구 통로(420)를 통해서 그리고 쉴드의 출구 구멍을 통해서 모재(미도시)쪽으로 흐르게 된다. 도 13A에 도시하는 바와 같이, 통로(140)를 통해 흐르는 전극 가스(142) 및 플라즈마 가스(422)는 동일한 소스로부터 나오는 단일 가스이다. 다른 실시예에서, 전극 가스 및 플라즈마 가스 각각은 서로 다른 소스, 및 선택적으로 서로 다른 가스를 가질 수 있고, 서로 다른 가스 농도를 가진다.
전극(100)의 근방에, 예를 들어 인서트(132)의 방출 표면(136) 주위의 산화 가스(예를 들어, 공기 또는 산소)는 전극 수명에 악영향을 미친다. 전극(100) 수명을 증진시키기 위하여, 다른 비반응성 가스, 산화 및 비산화 가스를 함께, 또는 산화 및 비산화 가스의 혼합물인 가스가 통로(140)를 통해서 전극 가스(142)로서 흐르게 된다. 전극 가스(142)로서 산화 및 비산화 가스가 함께 흐르게 되는 실시예에서, 예를 들어, 비산화 가스는 통로(140a)를 통해 흐르고 산화 가스는 통로(140e)를 통해 흐른다. 적절한 비산화 가스로는 예를 들어, 질소, 아르곤, 수소, 헬륨, 탄화수소 연료, 또는 이들의 임의의 혼합물과 같은 비산화 가스가 있다. 탄화수소 연료에는 예를 들어 메탄 및 프로판이 있다.
도 13B는 도 5 및 8의 전극(100)과 같은 전극이 음극 블록(424)내에 보호되는 HD 플라즈마 아크 토치(400)를 도시한다. 냉각제 관(444)은 전극(100)의 속이 빈 내부(448)에 배치된다. 관(444)은, 전극(100)이 토치(400)내에 설치될 때 전극(100) 및 토치(400)의 중심선 또는 길이축(106)을 따라서 연장된다. 관(444)은, 관(444)이 토치(400)의 길이축(106)의 방향을 따라서 움직이기가 대체로 자유롭게 음극 블록(424)내에 위치한다. 관(444)의 상단부(452)는 냉각제 공급원(미도시)과 유체로 통한다. 냉각제류는 통로(141)를 통해서 이동하고 관(444)의 제2단부(456)에 위치한 개구를 빠져나간다. 냉각제는 통로(140)(즉, 140a, 140e)의 벽(143)에 부딪히고 관(444)의 벽과 통로(140)의 벽(143) 사이를 순환한다.
동작시, 전극 가스(142)는 전극(100)의 몸체(104)내에 위치하는 제1 개구(144)내로, 통로(140)를 따라서, 그리고 전극(100)의 몸체(104)의 제2 단부(112)내에 위치하는 개구(148) 밖으로 흐르게 된다. 전극 가스(142)는 방출 인서트(132)의 방출 표면(136)에 인접한 제2 개구(148) 밖으로 흐른다. 전극 가스(142)는 플라즈마 아크(미도시)쪽으로 그리고 노즐(412)의 중앙 통로(416) 및 출구 통로(420)를 통해서 그리고 쉴드의 출구 구멍을 통해서 모재(미도시)쪽으로 흐르게 된다. 전극 가스(142) 및 플라즈마 가스(422)는 동일한 가스일 수 있고, 또는 서로 다를 수 있다. 전극 가스(142) 및 플라즈마 가스(422)는 동일한 소스[예를 들어, 관(vessel) 또는 라인 : 미도시]로부터 흐를 수 있다. 일 실시예에서, 통로(140)를 통해서 흐르는 전극 가스(142)가 일 소스를 가지고 플라즈마 가스(422)가 또 다른 소스(미도시)를 가진다. 전극 가스(142)는 통로(140)를 통해 흐르는 반면, 플라즈마 가스(422)는 통로(140)를 통해 흐르지 않는다.
통로(140)는 배출 가스(plenum gas : 426)를 배출(vent)하는 데 사용될 수 있다. 통로(140)는 배출 가스(426)를 배출하고, 배출된 배출 가스는 제2 개구(148)로부터 제1 개구(144)로 흐른다. 통로(140)는 가스의 소스(미도시)에 EH는 그 근처에서 배출 가스(426)를 배출할 수 있다. 이와 다르게, 통로(140)는 가스 소스와 플라즈마 챔버(428 : 미도시) 사이의 하나 이상의 위치에서 배출 가스(426)를 배출할 수 있다. 일 실시예에서, 전극(100)은 복수의 통로(140)를 특징으로 하고, 일부 통로들(140)은 제1 개구(144)로부터 제2 개구(148)로 전극 가스(142)를 흐르게 하며, 이와 동시에, 다른 통로(140)는 플라즈마 아크 토치내[예를 들어, 플라즈마 챔버(428)내] 배출 가스(426)를 배출한다.
또 다른 실시예에서, 하나 이상의 통로(140)는 제1 개구(144)로부터 제2 개구(148)로 전극 가스(142)를 흐르게 한다. 플라즈마 아크를 소할 때, 하나 이상의 통로(140)는, 제2 개구(148)로부터 흐르는 배출 가스(426)를 제1 개구(144) 방향에서 배출한다.
통로(140)가 배출하는 것을 가능하게 하기 위해서, 하나 이상의 배출 밸브 및/또는 배출 플러그는 예를 들어, 배출 가스(426)의 압력보다 낮은 압력을 갖는 대기에 통로(140)를 노출시킨다. 적절한 저 압력에는, 예를 들어 대기압 또는 진공압이 포함된다.
배출 가스 밸브 시스템은 배출 가스(426)가 배출되는 것을 방지하고 배출 가스(426)가 통로(140)를 통해서 배출될 수 있게 하는 기계적 밸브일 수 있다. 이 와 다르게, 배출 가스 밸브 시스템은 배출 가스(426)가 원하는 배출 속도가 달성될 수 있게 하는 비례제어 밸브(proportional valves)일 수 있다. 제어기는 하나 이상의 통로(140)를 통해서 플라즈마 아크 토치로부터의 배출 가스의 배출을 제어할 수 있다. 예를 들어 제어기는, 배출 밸브가 열리는 시점, 배출 밸브가 열려 있는 시간 및/또는 통로(140)를 통해 배출되는 배출 가스(426)류의 양을 제어한다. 제어기는 배출 가스(426)가 플라즈마 아크 토치로부터 통로(140)를 통해서 배출되는 속도를 제어할 수 있다.
비교적 높은 압력에 플라즈마 아크 토치를 노출하는 것은 전극 및 노즐 수명에 악영향을 미칠 수 있다. 통로(140)를 통해 전극으로부터 보다 낮은 압력계(예를 들어, 대기압)로 배출 가스(426)를 배출하는 것이 전극 및 노즐 수명을 개선시킬 수 있다.
플라즈마 아크 시스템은 금속 재료를 절단하기 위해 널리 사용되며 금속 모재를 자동으로 절단하도록 자동화될 수 있다. 일 실시예에서, 도 13A, 13B, 14A 및 14B를 참조하면, 플라즈마 아크 토치 시스템은 컴퓨터 수치 제어(computerized numeric controller : CNC : 552), 디스플레이 스크린(553), 전원 장치(510), 자동 프로세스 제어기(536), 토치 높이 제어기(538), 드라이브 시스템(540), 절단 테이블(542), 갠트리(gantry : 526), 가스 공급원(미도시), 제어기(500), 위치 조정 장치(positioning apparatus : 미도시) 및 플라즈마 아크 토치(400)를 포함한다. 플라즈마 아크 토치 시스템은 선택적으로 밸브 콘솔(520)을 포함한다. 플라즈마 아크 토치(400) 토치 몸체(404)는 노즐(410)과, 하나 이상의 통로(140)를 갖는 전 극(100)을 포함한다. 동작시, 플라즈마 아크 토치(400)의 팁은 위치 조정 장치에 의해서모재(530) 근방에 위치하게 된다.
제어기(500)는 전극(100)내 하나 이상의 통로(140)를 통해서 전극 가스의 흐름을 제어한다. 제어기는 전원 장치(510)에 배치될 수 있고, 예를 들어, 제어기는 전원 장치(510) 내부에 수용될 수 있다(도 14B 참조). 이와 다르게, 제어기(500)는 전원 장치(510) 하우징 외부, 예를 들어, 전원 장치 하우징의 외부 상에 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 도 14A를 참조하면, 제어기(500)는 구성요소, 예를 들어, 전원 장치(510)에 접속된다. 이와 유사하게, 밸브 콘솔(510)은 전원 장치(510) 상에 배치될 수 있고, 예를 들어, 밸브 콘솔(520)은 전원 장치(510) 내부에 수용될 수 있다(도 14B 참조). 밸브 콘솔(520)은 또한 전원 장치(510) 하우징 외부에, 예를 들어, 전원 장치 하우징의 외부 상에 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 도 14A를 참조하면, 밸브 콘솔(50)은 구성요소, 예를 들어, 전원 장치(510)에 접속된다. 밸브 콘솔(520)은 예를 들어, 플라즈마 가스, 전극 가스, 쉴드 가스 및 기타 가스를 안에서 흐르게 하고/흐르게 하거나 배출시키기 위한 밸브를 포함할 수 있다.
동작시, 사용자는 절단 테이블(542) 상에 모재(530)를 배치하고 플라즈마 아크 토치(400)의 팁과 모재(530)간에 상대적인 이동을 제공하여 플라즈마 아크가 프로세싱 경로를 따르게 하는 위치 지정 장치상에 플라즈마 아크 토치(400)를 설치한다. 토치 높이 제어기(538)는 토치(400)의 높이를 모재(530)에 대해서 설정한다. 사용자는 절단 프로세스를 개시하기 위하여 CNC(552)에 시작 명령을 제공한다. 드 라이브 시스템(540)은 절단 테이블(542) 상에서 x 또는 y 방향으로 플라즈마 아크 토치(400)를 이동시키기 위하여 CNC(552)로부터 명령 신호를 수신한다. 절단 테이블(542)은 모재(530)를 지지한다. 플라즈마 아크 토치(400)는 갠트리에 설치되는 토치 높이 제어기(538)에 설치된다. 드라이브 시스템(540)은 갠트리(526)를 테이블(542)에 대해서 이동시키고 갠트리(526)를 따라서 플라즈마 아크 토치(400)를 이동시킨다.
CNC(552)는 모재(530)가 원하는 패턴으로 절단될 수 있게 하는 절단 테이블(542) 및/또는 플라즈마 아크 토치(400)의 이동을 제어한다. CNC(552)는 위치 조정 장치와 통신한다. 위치 조정 장치는 CNC(552)로부터의 신호를 사용하여 토치(400)가 원하는 절단 경로를 따라가도록 제어한다. 정확한 절단 경로를 획득하기 위하여 위치 정보가 위치 지정 장치로부터 CNC(552)로 리턴되어 CNC(552)가 위치 조정 장치와 상호작용하며 동작할 수 있게 한다.
전원 장치(510)는 플라즈마 아크를 생성하기 위한 필요한 전류를 제공한다. 전원 시스템(510)의 주 온 및 오프 스위치는 CNC(552)에 의해 국부적으로 또는 원격으로 제어될 수 있다. 선택적으로, 전원 장치(510)는 또한 토치(400) 냉각용 냉각 시스템을 수용한다.
제어기(500)는 플라즈마 아크 토치(400) 파라미터의 함수로서 전극 가스 흐름을 제어한다. 플라즈마 아크 토치 파라미터는 플라즈마 아크 전류, 전압, 플라즈마 가스압, 쉴드 가스압, 전극 가스압, 배출 가스압, 플라즈마 가스류, 쉴드 가스류, 전극 가스류, 배출 가스류, 시간 제한형 시퀀스 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 플라즈마 아크 토치 파라미터는 상승하는(rising), 하강하는(falling), 또는 안정된 상태의 임계일 수 있다.
제어기는 핸드 토치, 기계화 토치(mechanized torch) 또는 다른 적절한 플라즈마 아크 토치와 결합하여 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 플라즈마 아크 토치 시스템은 핸드 토치 전원 장치상에, 예를 들어 리드에 의해 핸드 토치에 접속되는 전원 장치의 하우징 외부 또는 전원 장치의 하우징내에 배치되는 제어기를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 플라즈마 아크 토치 시스템은 예를 들어, 전원 장치와 핸드 토치 사이의 하나 이상의 리드에 의해 핸드 토치에 접속되는 제어기(500)를 포함한다.
플라즈마 아크 토치 파라미터는 플라즈마 아크 싸이클에서의 임의의 지점 동안의 전류 및/또는 사전결정된 전류일 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 아크 토치 파라미터는 플라즈마 아크를 개시하기 전의 전류, 플라즈마 아크를 개시할 때의 전류, 플라즈마 아크의 이송 동안의(예를 들어, 안정된 상태에서의) 전류, 플라즈마 아크를 소하기 전의 전류, 플라즈마 아크를 소할 때의 전류, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다.
플라즈마 아크 토치 파라미터는 플라즈마 아크 싸이클에서의 임의의 지점 동안의 전압 및/또는 사전 결정된 전압일 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 아크 토치 파라미터는 플라즈마 아크를 개시하기 전의 전압, 플라즈마 아크를 개시할 때의 전압, 플라즈마 아크의 이송 동안의 전압, 플라즈마 아크를 소하기 전의 전압, 플라즈마 아크를 소할 때의 전압, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다.
플라즈마 아크 토치 파라미터는 플라즈마 아크 싸이클에서의 임의의 지점 동안의 압력 및/또는 사전결정된 압력일 수 있다. 압력은 플라즈마 가스의 압력, 쉴드 가스의 압력, 전극 가스의 압력, 배기 가스의 압력, 또는 하나 이상의 이들의 조합의 합력일 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 아크 토치 파라미터는 플라즈마 아크를 개시하기 전의 압력, 플라즈마 아크를 개시할 때의 압력, 플라즈마 아크의 이송 동안의 압력, 플라즈마 아크를 소하기 전의 압력, 플라즈마 아크를 소할 때의 압력, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다.
플라즈마 아크 토치 파라미터는 플라즈마 아크 싸이클에서의 임의의 지점 동안의 유속(flow rate) 및/또는 사전결정된 유속일 수 있다. 유속은 플라즈마 가스 유속, 쉴드 가스 유속, 전극 가스 유속, 배기 가스가 플라즈마 아크 토치로부터 배출될 때의 배기 가스의 유속을 포함하는 배기 가스 유속, 또는 하나 이상의 이들의 조합의 유속일 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 아크 토치 파라미터는 플라즈마 아크를 개시하기 전의 유속, 플라즈마 아크를 개시할 때의 유속, 플라즈마 아크의 이송 동안의 유속, 플라즈마 아크를 소하기 전의 유속, 플라즈마 아크를 소할 때의 유속, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다.
플라즈마 아크 토치 파라미터는 예를 들어 제어기내로 프로그램되는 시간의 간격과 같은 사전결정된 시간 제한형 시퀀스일 수 있다. 이와 다르게, 시간 제한형 시퀀스는 룩업 테이블(look-up table) 또는 시간 제한형 시퀀스를 지시하는 다른 기준에 의해 결정될 수 있다. 시간 제한형 시퀀스는 예를 들어, 플라즈마 아크를 개시하기 전에, 플라즈마 아크를 개시할 때, 플라즈마 아크의 이송 동안에, 플라즈마 아크를 소하기 전에, 플라즈마 아크를 소할 때, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 플라즈마 아크 싸이클에서의 임의의 지점 이전 또는 이후의 몇 초일 수 있다. 일 실시예에서, 시간 제한형 시퀀스의 타이밍(timing)은 예를 들어 시작 신호에서 개시되는 사전결정된 시간 제한형 시퀀스에 의존한다. 플라즈마 아크 토치 파라미터는 특정 토치, 전원 장치, 모재, 모재 설계, 워크 피스 재료 특성(예컨대, 두께), 절단 속도 및/또는 가스 유형(예를 들어, 플라즈마, 전극, 쉴드 가스, 또는 일종 이상의 가스의 조합)에 따라 사용자에 의해 한정되는 시퀀스일 수 있다. 적절한 플라즈마 아크 토치 파라미터는 예를 들어, 선택된 토치, 절단 애플리케이션 및/또는 전원 장치에 의해 결정된다.
제어기(500)는 플라즈마 아크 싸이클에서의 임의의 지점에서 하나 이상의 통로(140)를 통해 전극 가스류를 제공할 수 있다. 예를 들어, 제어기(500)는 플라즈마 아크를 개시하기 전에, 플라즈마 아크를 개시할 때, 플라즈마 아크의 이송 동안에, 플라즈마 아크를 소하기 전에, 플라즈마 아크를 소할 때, 또는 이들의 임의의 조합에 전극 가스류를 제공할 수 있다. 일 실시예에서, 제어기(500)는 전극 가스 흐름을 방해하고 전극 가스가 하나 이상의 통로(140)를 통해서 흐를 수 있게 하는 전극 가스 밸브 시스템(미도시)을 제어한다. 전극 가스 밸브 시스템은 전극 가스 흐름을 방해하고 통로(140)를 통해서 전극 가스가 흐를 수 있게 하는 기계 밸브일 수 있다. 이와 다르게, 전극 가스 밸브 시스템은 원하는 유속이 달성될 수 있도록 흐름을 계량하는 비례제어 밸브일 수 있다.
제어기(500)는 전극(100)의 단부(112) 주위에서 전극 가스의 흐름을 가능하 게 하고/가능하게 하거나 제어한다. 예를 들어, 제어기(500)는 인서트(132) 주위에서 전극 가스의 흐름을 가능하게 하고/가능하게 하거나 제어한다. 선택적으로, 전극 가스는 인서트(132)의 최소한 일부를 둘러싼다. 어떤 실시예에서, 전극 가스는 전극의 단부(112) 주위에서 예를 들어 인서트(132)의 주위에서 전극 가스 인벨로프(electrode gas envelope)를 형성한다.
이제 도 12 및 13A를 참조하면, 전극(100)DSM 상호 이격되게 설치되어 토치 몸체(404)의 단부에 플라즈마 챔버(428)를 형성할 수 있다. 또 다른 실시예에서 예를 들어, 수냉 캡(water cooled cap : 436)과 같은 리테이닝 캡이 토치 몸체(404) 상에 설치된다. 유지 캡은 노즐(412)의 외부 표면의 최소한 일부를 에워싼다. 예를 들어, 리테이닝 캡은 노즐(412)의 외부 표면을 상당히 에워싼다. 또 다른 실시예에서, 보조 캡(440)은 쉴드로서 작용하고, 노즐(412)과 정렬되는 중앙의 원형 개구를 가진다. 일 실시예에서, 보어(128)는 전극 몸체(100)의 제2 단부(112)내에 배치되고, 인서트(132)는 보어(128)내에 위치하고, 인서트(132)의 단부면(124)은 통로들(140) 중 최소한 하나의 제2 개구(148)에 인접하여 위치한다.
일 실시예에서, 이제 도 13A 및 14B를 참조하면, 제어기(500)는 플라즈마 가스 흐름을 방해하고 플라즈마 가스가 플라즈마 챔버(428)를 통해 흐를 수 있게 하는 플라즈마 가스 밸브 시스템(미도시)를 제어한다. 플라즈마 가스 밸브 시스템은 플라즈마 가스 흐름을 방해하고 플라즈마 가스가 플라즈마 챔버(428)로 흐를 수 있게 하는 기계 밸브일 수 있다. 이와 다르게, 플라즈마 가스 밸브 시스템은 원하는 유속이 달성될 수 있도록 흐름을 계량하는 비례제어 밸브일 수 있다. 플라즈마 가스는 반응성 가스, 예를 들어, 산화 가스일 수 있고, 전극 가스는 비반응성 가스, 예를 들어, 비산화 가스일 수 있다. 일 실시예에서 플라즈마 가스는 산소이고, 전극 가스는 질소이다. 일 실시예에서, 플라즈마 가스 및 전극 가스는 플라즈마 챔버(428)내에서 서로 접한다. 플라즈마 가스 및 전극 가스는, 이들이 플라즈마 챔버(428)내에서 서로 접하기 이전에는 별도의 스트림이다. 일 실시예에서, 플라즈마 가스 및 전극 가스가 플라즈마 챔버(428)에 들어가기 이전에 서로 접한다.
일 실시예에서, 플라즈마 아크 토치는 전원 장치(510)에 접속되는 토치 몸체(404)를 포함한다. 토치 몸체(404)는 그 안에 플라즈마 아크가 형성되는 플라즈마 챔버(428)로 플라즈마 가스를 향하게 하는 플라즈마 흐름 경로를 포함한다. 토치 몸체내에 설치되는 전극(100)은 전극(100) 몸체(104)내에 위치하는 제1 개구(144)로부터 전극(100)의 제2 개구(112)에 위치하는 제2 개구(148)까지 연장되는 최소한 하나의 통로(140)를 포함한다. 제어기(500)는 플라즈마 아크 토치 파라미터의 함수로서 통로들(140) 중 최소한 하나를 통한 전극 가스 흐름을 제어한다. 전극 가스는 제1 개구(144)로부터 제2 개구(148)로 흐른다. 노즐(146)은 플라즈마 챔버(428)를 한정하기 위해 토치 몸체(404)내에서 전극(100)에 대해서 설치될 수 있다. 일 실시예에서, 보어(128)는 전극 몸체(100)의 제2 단부(112)내에 배치되고, 인서트(12)는 보어(128)내에 위치한다. 인서트(132)의 단부면(124)은 제2 개구(128)에 인접하여 위치한다.
일 실시예에서, 인서트(132)는 고 열 방출 재료, 예를 들어, 텅스텐 또는 하 프늄으로 형성된다. 제어기(500)는 인서트(132)의 주위에서 전극 가스의 흐름을 가능하게 하고/가능하게 하거나 제어한다. 선택적으로, 전극 가스는 인서트(132)의 최소한 일부를 둘러싸고, 어떤 실시예에서 인서트(132) 주위에서 전극 가스 인벨로프를 형성한다. 제어기(500)는 전극 가스가 최소한 하나의 통로를 통해서 흐를 수 있게 하는 전극 가스 밸브 시스템을 제어할 수 있다. 이와 다르게 또는 이에 더하여, 제어기(500)는 플라즈마 가스가 플라즈마 챔버(428)를 통해 흐를 수 있게 하는 플라즈마 가스 밸브 시스템을 제어할 수 있다.
플라즈마 아크 토치 시스템을 동작시키는 방법은 전극(100)과 노즐(412)이 플라즈마 챔버(428)를 한정하도록 노즐(412)과 상호 이격되어 설치되는 전극(100)을 제공하는 것을 포함한다. 전극(100)은 몸체(104)내 제1 개구(144)로부터 전극의 단부면내 제2 개구(148)까지 연장되는 최소한 하나의 통로(140)를 가진다. 본 방법은 또한, 그 안에 플라즈마 아크가 형성되는 플라즈마 챔버(428)를 통해서 플라즈마 가스가 흐르게 하는 것과, 통로들(140) 중 최소한 하나를 통하여 전그 가스를 흐르게 하는 것과, 플라즈마 아크 토치 파라미터의 함수로서 통로들(140) 중 최소한 하나를 통해 전극 가스 흐름을 제어하는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 전극 가스는 전극(100)의 제2 개구(112)내에 배치되는 보어(128)내에 위치하는 인서트(132) 주위에서 흐른다. 선택적으로, 전극 가스류는 전극의 제2 단부(112)의 적어도 일부를 둘러싼다. 예를 들어, 전극 가스류는 인서트(132)의 적어도 일부를 둘러싼다.
또 다른 실시예에서, 본 방법은 통로들(140) 중 최소한 하나를 통해 전극 가 스가 흐를 수 있게 하는 전극 가스 밸브 시스템(미도시)을 제어하는 것을 포함한다. 이와 다르게 또는 이에 더하여, 본 방법은 플라즈마 가스가 플라즈마 챔버를 통해 흐를 수 있게 하는 플라즈마 가스 밸브 시스템을 제어하는 것을 포함한다. 플라즈마 가스는 반응성 가스, 예를 들어 산소 또는 공기와 같은 산화 가스를 포함할 수 있다. 전극 가스는 비활성 가스, 예를 들어, 질소, 아르곤, 수소, 헬륨, 탄화수소 연료, 또는 이들의 혼합물과 같은 비산화 가스를 포함할 수 있다. 전극 가스는 비반응성 가스 및 반응성 가스의 혼합물을 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서, 비산화 가스는 통로(140a)를 통해서 흐르고 산화 가스 또는 산화 및 비산화 가스의 혼합물은 전극(100)내 또 다른 통로(140e)를 통해서 흐른다.
전극 가스는 예를 들어 가스 이온화 에너지에 의해 선택될 수 있다. 일 실시예에서, 전극 가스 이온화 에너지는 플라즈마 아크 토치의 싸이클을 통해 변화한다. 예를 들어, 비교적 낮은 이온화 에너지를 갖는 전극 가스가 선택되고 토치 시작시 하나 이상의 통로(140)를 통해 흐르게 된다. 선택적으로, 비교적 높은 이온화 에너지 전극 가스가 선택되고 플라즈마 아크 토치가 플라즈마 아크를 전ㄷ다el달(delivering)하고 있을 때 하나 이상의 통로(140)를 통해서 흐르게 된다. 통로(140)를 통해서 흐르게 되는 각 전극 가스의 이온화 에너지는 플라즈마 아크 토치 에너지 요구사항에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 필요한 에너지를 감소시키면 노치 노즐, 쉴드, 스월 링 및 기타 소모성 토치 부품의 수명을 연장시킬 수 있다. 통로(140)에 들어가기 이전에 복수의 전극 가스가 혼합될 수 있다. 이와 다르게 또는 부가하여, 일 이온화 에너지 레벨의 가스가 하나의 통로(예를 들어, 140a)를 통해 흐르고 다른 이온화 에너지 레벨의 가스는 또 다른 통로(예를 들어, 140e)를 통해 흐른다. 이들이 통로(140)를 통해 흐른 후에 선택된 이온화 에너지 레벨 가스를 화합함으로써, 모재에서 원하는 이온화 레벨이 달성된다. 적절한 이온화 레벨을 갖는 가스에는 예를 들어 산소, 공기, 및 비활성 가스, 예컨대 헬륨, 네온 또는 아르곤이 있다.
플라즈마 아크 토치, 통로(140)를 구비하는 전극(100), 제어기 및 본 명세서에서 기술하는 것의 기타 측면들은 절단 시스템, 용접 시스템, 스프레이 코팅 시스템 및 해당 기술 분야의 당업자가 주지하는 기타 적절한 시스템으로 구현될 수 있다. 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 당업자는 본 명세서에서 기술되는 것의 변형예, 수정예 및 기타 실시가 가능할 것이다. 따라서, 본 발명은 위의 실시예에 의해서만 한정되는 것이 아니다.

Claims (82)

  1. 제1 단부, 및 상기 제1 단부에 대해서 이격되어 있는 제2 단부를 가지고, 자신의 주위에 제1 가스가 흐를 수 있게 하도록 구성되고, 상기 제2 단부에 배치되며 에지를 한정하는 단부면을 갖는 몸체(body);
    상기 몸체의 상기 제2 단부에 배치되는 방출 표면을 가지며 주변(perimeter)을 한정하는 인서트; 및
    상기 몸체를 통해서 연장되며, 제2 가스류가 상기 몸체의 제2 단부에 인접한 제1 개구로 들어가고 상기 몸체의 제2 단부의 상기 단부면내 제2 개구 ― 상기 제2 개구는 상기 주변과 상기 에지 사이에 위치함 ― 를 빠져나오게 하도록 치수가 조정되어 구성되는 최소한 하나의 통로를 포함하는, 플라즈마 아크 토치용 전극.
  2. 제1 단부, 상기 제1 단부에 대해서 이격되어 있는 제2 단부, 및 상기 제1 단부로부터 상기 제2단부까지 연장되는 외부 표면을 가지고, 상기 제2 단부에 배치되는 단부면을 가지며, 자신의 주위에 소용돌이치는 제1 가스가 흐를 수 있게 하도록 구성되는 몸체; 및
    상기 몸체내에 형성되고 상기 몸체의 상기 외부 표면내 제1 개구로부터 상기 몸체의 상기 제2 단부의 상기 단부면내 제2 개구까지 연장되어 형성되며, 제2 가스류가 상기 제2 개구를 빠져나가게 하도록 치수가 조정되어 구성되는 최소한 하나의 축상으로 그리고 방사상으로 지향되는 통로를 포함하는,
    플라즈마 아크 토치용 전극.
  3. 제1 단부, 상기 제1 단부에 대해 이격되어 있는 제2 단부, 및 상기 제1 단부로부터 상기 제2 단부까지 연장되는 외부 표면을 가지고, 상기 제2 단부내에 배치되는 보어를 한정하는 몸체;
    상기 보어내에 배치되는 방출 표면을 갖는 인서트; 및
    상기 몸체내 제1 개구로부터 상기 몸체의 상기 제2 단부내 상기 보어에 인접하는 제2 개구 ― 상기 제2 개구는 상기 인서트의 상기 방출 표면과 실질적으로 동일한 평면상임 ― 까지 연장되는 최소한 하나의 통로를 포함하는,
    플라즈마 아크 토치용 전극.
  4. 모재(workpiece)를 마킹(marking)하거나 절단(cutting)하기 위한 플라즈마 아크 토치로서,
    플라즈마 가스를 그 안에서 플라즈마 아크가 형성되는 플라즈마 챔버로 지향시키기 위한 플라즈마 흐름 경로를 포함하는 토치 몸체; 및
    상기 토치 몸체내에 설치되는 전극을 포함하며,
    상기 전극은
    제1 단부, 상기 제1 단부에 대해서 이격되어 있는 제2 단부, 상기 제1 단부로부터 상기 제2 단부로 연장되는 외부 표면, 및 최소한 하나의 통로를 가지는 전극 몸체 ― 상기 전극 몸체는 상기 제2 단부에 배치되는 단부면을 가지며, 자신의 주위에 소용돌이치는 플라즈마 가스가 흐를 수 있게 하도록 구성됨 ―,
    상기 몸체의 상기 제2 단부에 배치되는 방출 표면을 갖는 인서트, 및
    상기 전극 몸체내 제1 개구로부터 상기 전극 몸체의 상기 제2 단부에 있는 상기 단부면내 제2 개구까지 연장되는 최소한 하나의 통로 ― 상기 최소한 하나의 통로는 가스류가 상기 제2 개구를 빠져나가게 하도록 치수가 조정되어 구성됨 ― 를 포함하는,
    플라즈마 아크 토치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 토치 몸체내에서 상기 전극에 대해서 설치되어 상기 플라즈마 챔버를 한정하는 노즐을 포함하는, 플라즈마 아크 토치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 최소한 하나의 통로는 상기 전극 몸체의 길이축에 대해서 예각에 위치하는, 플라즈마 아크 토치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 최소한 하나의 통로는 상기 제2 가스류가 상기 제1 개구로부터 상기 제2 개구쪽으로 흐르게 하는, 플라즈마 아크 토치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 전극 몸체의 상기 제2 단부에 위치하는 캡을 포함하며,
    상기 최소한 하나의 통로는 상기 캡 및 상기 전극 몸체에 의해서 한정되는, 플라즈마 아크 토치.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 전극 몸체는 조립되면 상기 최소한 하나의 통로를 형성하는 최소한 2개의 구성요소를 포함하는, 플라즈마 아크 토치.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 최소한 하나의 통로는 복수 개의 통로인, 플라즈마 아크 토치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 복수 개의 통로는 상기 전극 몸체의 직경 주위에 상호 동일한 각도로 이격되어 있는, 플라즈마 아크 토치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 복수 개의 통로 각각은 상기 전극 몸체내 각각의 제1 개구로부터 상기 전극 몸체의 상기 제2 단부내 각각의 제2 개구까지 연장되는, 플라즈마 아크 토치.
  13. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2 가스류를 상기 최소한 하나의 통로로 공급하기 위한 가스 소스를 포함하는, 플라즈마 아크 토치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 가스 소스는 산소, 공기, 수소, 질소, 아르곤, 메탄 및 이산화탄소로 구성되는 그룹에서 선택되는 최소한 일 종의 가스류를 공급하는, 플라즈마 아크 토 치.
  15. 모재를 마킹하거나 절단하기 위한 플라즈마 아크 토치내에서 사용하기 위한 구성요소로서,
    제1 및 제2 개구를 가지며, 가스류가 전극내 인서트에 인접하는 상기 제2 개구를 빠져나가게 하는 최소한 하나의 통로를 한정하는 몸체를 포함하는, 구성요소.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 최소한 하나의 통로는 점점 가늘어지는 구멍(tapered orifice)인, 구성요소.
  17. 제 15 항에 있어서,
    토치 몸체내에서 상기 몸체 및 상기 전극에 대해서 설치되는 노즐을 포함하는, 구성요소.
  18. 플라즈마 아크 토치용 토치 팁으로서,
    상기 플라즈마 아크 토치는 그 안에 플라즈마 아크가 형성되는 플라즈마 챔버를 포함하는 속이 빈 토치 몸체를 가지고,
    상기 토치 팁은,
    제1 단부, 상기 제1 단부에 대해서 이격되어 있는 제2 단부, 상기 제1 단부로부터 상기 제2 단부까지 연장되는 외부 표면, 및 최소한 하나의 통로를 가지는 전극 몸체 ― 상기 전극 몸체는 자신의 제2 단부에 있는 단부면, 상기 전극 몸체의 상기 제2 단부에 배치되는 방출 표면을 갖는 인서트, 및 상기 전극 몸체내 제1 개구로부터 상기 전극 몸체의 상기 제2 단부에 있는 상기 단부면내 제2 개구까지 연장되는 최소한 하나의 통로를 구비함 ― 를 포함하는 전극; 및
    상기 토치 몸체내에서 상기 전극에 대해서 설치되어 상기 플라즈마 챔버를 한정하는 노즐을 포함하며,
    상기 제2 개구는 상기 인서트의 상기 방출 표면과 실질적으로 동일한 평면상에 있는, 플라즈마 아크 토치용 토치 팁.
  19. 제 18 항에 있어서,
    쉴드(shield)를 포함하는, 플라즈마 아크 토치용 토치 팁.
  20. 전원;
    상기 전원에 연결되는 토치 몸체;
    상호 이격되어 설치되어 상기 토치 몸체의 제1 단부에서 플라즈마 가스가 흐르는 플라즈마 챔버를 형성하는 노즐 및 전극 ― 상기 전극은 제1 단부로부터 제2 단부까지 연장되는 몸체, 상기 제2 단부에 배치되는 단부면, 및 상기 몸체내 제1 개구로부터 상기 단부면내 제2 개구까지 연장되고 전극 가스가 자신을 통해 흐르게 하며 전극 가스가 상기 제2 개구를 빠져나가게 하도록 치수가 조정되어 구성됨 ―; 및
    상기 전극 가스류가 플라즈마 아크 토치 파라미터의 함수로서 상기 통로들 중 최소한 하나를 통해 흐르도록 제어하기 위한 제어기를 포함하며,
    상기 몸체는 상기 몸체 주위에 소용돌이치는 플라즈마 가스가 흐를 수 있게 하도록 구성되는,
    플라즈마 아크 토치 시스템.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 플라즈마 아크 토치 파라미터는 플라즈마 아크 전류, 전압, 압력, 흐름, 시간 제한형 시퀀스(timed sequence) 또는 이들의 임의 조합을 포함하는, 플라즈마 아크 토치 시스템.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    (a) 상기 플라즈마 아크를 개시하기 전에;
    (b) 상기 플라즈마 아크를 개시할 때;
    (c) 플라즈마 아크 전달 도중에;
    (d) 상기 플라즈마 아크를 소(extinguish)하기 전에; 또는
    (e) 상기 플라즈마 아크를 소할 때
    상기 전극 가스류를 제공하는, 플라즈마 아크 토치 시스템.
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 플라즈마 아크 토치 파라미터는 사전결정된
    (a) 전류;
    (b) 전압;
    (c) 압력; 또는
    (d) 유량(flow rate)
    을 포함하는, 플라즈마 아크 토치 시스템.
  24. 제 20 항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 토치 몸체 상에 설치되고 상기 노즐의 외부 표면을 실질적으로 에워싸는 리테이닝 캡(retaining cap)을 더 포함하는, 플라즈마 아크 토치 시스템.
  25. 제 20 항에 있어서,
    상기 시스템은 중앙의 원형 개구를 상기 노즐과 정렬시키는 쉴드를 더 포함하는, 플라즈마 아크 토치 시스템.
  26. 제 20 항에 있어서,
    상기 전극 가스는 질소, 아르곤, 수소, 헬륨, 탄화수소 연료, 또는 임의의 이들 혼합물 중에서 선택되는 비 산화 가스를 포함하는, 플라즈마 아크 토치 시스템.
  27. 제 20 항에 있어서,
    상기 전극 몸체의 상기 제2 단부에 배치되는 보어; 및
    상기 보어내에 위치하는 인서트를 더 포함하는,
    플라즈마 아크 토치 시스템.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 인서트 주위에 상기 전극 가스를 제공하는, 플라즈마 아크 토치 시스템.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 전극 가스는 상기 인서트의 적어도 일부를 둘러싸는, 플라즈마 아크 토치 시스템.
  30. 제 20 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 전원 상에 배치되는, 플라즈마 아크 토치 시스템.
  31. 제 20 항에 있어서,
    전극 가스 밸브 시스템을 더 포함하며,
    상기 제어기는, 상기 전극 가스가 상기 통로들 중 최소한 하나를 통해서 흐를 수 있게 상기 전극 가스 밸브 시스템을 제어하는, 플라즈마 아크 토치 시스템.
  32. 제 20 항에 있어서,
    플라즈마 가스 밸브 시스템을 더 포함하며,
    상기 제어기가 상기 플라즈마 가스 밸브 시스템을 제어하여 플라즈마 가스가 상기 플라즈마 챔버를 통해 흐를 수 있게 하는, 플라즈마 아크 토치 시스템.
  33. 전원에 연결되며, 그 안에서 플라즈마 아크가 형성되는 플라즈마 챔버로 플라즈마 가스를 지향시키는 플라즈마 흐름 경로를 포함하는 토치 몸체;
    상기 토치 몸체내에 설치되며, 제1 단부, 상기 제1 단부에 대해서 이격되어 있는 제2 단부, 자신의 주위에서 플라즈마 가스가 흐를 수 있게 하도록 구성되는 전극 몸체 ― 상기 전극 몸체는 자신의 제2 단부에 에지를 한정하는 단부면을 가짐 ―, 주변(perimeter)을 한정하는 인서트, 및 상기 전극 몸체내 제1 개구로부터 상기 전극 몸체의 제2 단부에 있는 상기 단부면내 제2 개구 ― 상기 제2 개구는 상기 주변과 상기 에지 사이에 위치함 ― 까지 연장되는 최소한 하나의 경로 ― 상기 통로들 중 최소한 하나는 전극 가스가 통과하여 흐름 ― ; 및
    상기 토치 몸체내에서 배치되며, 상기 전극 가스가 플라즈마 아크 토치 파라미터의 함수로서 상기 통로들 중 최소한 하나를 통해 흐르도록 제어하기 위한 제어기를 포함하는,
    플라즈마 아크 토치.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 플라즈마 챔버를 한정하기 위해서 상기 토치 몸체내에서 상기 전극에 대해서 설치되는 노즐을 더 포함하는, 플라즈마 아크 토치.
  35. 제 33 항에 있어서,
    상기 전극 가스는 질소, 아르곤, 수소, 헬륨, 탄화수소 연료, 또는 이들의 혼합물 중에서 선택되는 비산화 가스(non-oxidizing gas)를 포함하는, 플라즈마 아크 토치.
  36. 제 33 항에 있어서,
    상기 전극 몸체의 상기 제2 단부에 배치되는 보어; 및
    상기 보어내에 위치하는 인서트를 더 포함하는, 플라즈마 아크 토치.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 인서트는 고 열 방출 재료로 형성되는, 플라즈마 아크 토치.
  38. 제 37 항에 있어서,
    상기 고 열 방출 재료는 텅스텐을 포함하는, 플라즈마 아크 토치.
  39. 제 36 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 인서트 주위에 전극 가스를 제공하는, 플라즈마 아크 토치.
  40. 제 36 항에 있어서,
    상기 전극 가스는 상기 인서트의 적어도 일부를 둘러싸는, 플라즈마 아크 토치.
  41. 제 33 항에 있어서,
    상기 플라즈마 가스는 산소를 포함하고, 상기 전극 가스는 질소를 포함하는, 플라즈마 아크 토치.
  42. 제 33 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 전원 상에 배치되는, 플라즈마 아크 토치.
  43. 제 33 항에 있어서,
    전극 가스 밸브 시스템을 더 포함하며, 상기 제어기가 상기 전극 가스 밸브 시스템을 제어하여 전극 가스가 상기 통로들 중 최소한 하나를 통해 흐를 수 있게 하는, 플라즈마 아크 토치.
  44. 제 33 항에 있어서,
    플라즈마 가스 밸브 시스템을 더 포함하며, 상기 제어기가 상기 플라즈마 가스 밸브 시스템을 제어하여 플라즈마 가스가 상기 플라즈마 챔버를 통해 흐를 수 있게 하는, 플라즈마 아크 토치.
  45. 제 33 항에 있어서,
    상기 플라즈마 아크 토치 파라미터는 플라즈마 아크 전류, 전압, 압력, 흐 름, 시간 제한형 시퀀스 또는 이들의 조합을 포함하는, 플라즈마 아크 토치.
  46. 제 33 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    (a) 플라즈마 아크를 개시하기 전에;
    (b) 플라즈마 아크를 개시할 때;
    (c) 플라즈마 아크 전달 도중에;
    (d) 상기 플라즈마 아크를 소(extinguish)하기 전에; 또는
    (e) 상기 플라즈마 아크를 소할 때
    상기 전극 가스류를 제공하는, 플라즈마 아크 토치.
  47. 제 33 항에 있어서,
    상기 플라즈마 아크 토치 파라미터는 사전결정된
    (a) 전류;
    (b) 전압;
    (c) 압력; 또는
    (d) 유속
    을 포함하는, 플라즈마 아크 토치.
  48. 플라즈마 아크 토치 시스템을 동작시키는 방법으로서,
    전극 및 노즐에 의해 한정되는 플라즈마 챔버를 구비하는 플라즈마 아크 토치를 제공하는 단계 ― 상기 전극은 제1 단부로부터 제2 단부까지 연장되고 상기 제2 단부에 단부면을 배치시키고 그 몸체 주위에 소용돌이치는 플라즈마 가스가 흐를 수 있게 하도록 구성되는 몸체, 및 상기 몸체내 제1 개구로부터 상기 단부면내 제2 개구까지 연장되는 최소한 하나의 통로를 구비하며, 상기 최소한 하나의 통로는 전극 가스류가 상기 제2 개구를 빠져나가게 하도록 치수가 조정되어 구성되고, 상기 전극은 상기 노즐에 대해 상호 이격되어 설치됨 ― ;
    플라즈마 가스를, 그 안에서 플라즈마 아크가 형성되는 플라즈마 챔버를 통과하게 하는 단계;
    전극 가스를 상기 통로들 중 최소한 하나를 통하게 하는 단계; 및
    플라즈마 아크 토치 파라미터의 함수로서 상기 통로들 중 최소한 하나를 통해서 상기 전극 가스류를 제어하는 단계를 포함하는,
    플라즈마 아크 토치 시스템 동작 방법.
  49. 제 48 항에 있어서,
    상기 전극 가스는 질소, 아르곤, 수소, 헬륨, 탄화수소 연료, 또는 이들의 혼합물 중에서 선택되는 비산화 가스를 포함하는, 플라즈마 아크 토치 시스템 동작 방법.
  50. 제 48 항에 있어서,
    상기 전극 가스는 상기 전극의 상기 제2 단부에 배치되는 보어내에 위치하는 인서트 주위에 흐르는, 플라즈마 아크 토치 시스템 동작 방법.
  51. 제 48 항에 있어서,
    상기 전극 가스류는 상기 전극의 상기 제2 단부에 배치되는 보어내에 위치하는 인서트의 적어도 일부를 둘러싸는, 플라즈마 아크 토치 시스템 동작 방법.
  52. 제 48 항에 있어서,
    전극 가스 밸브 시스템을 제어하여 상기 전극 가스가 상기 통로들 중 최소한 하나를 통해 흐를 수 있게 하는 단계를 더 포함하는, 플라즈마 아크 토치 시스템 동작 방법.
  53. 제 48 항에 있어서,
    플라즈마 가스 밸브 시스템을 제어하여 상기 플라즈마 가스가 상기 플라즈마 챔버를 통해 흐를 수 있게 하는 단계를 더 포함하는, 플라즈마 아크 토치 시스템 동작 방법.
  54. 제 48 항에 있어서,
    상기 플라즈마 가스는 산소를 포함하고, 상기 전극 가스는 질소를 포함하는, 플라즈마 아크 토치 시스템 동작 방법.
  55. 전극이,
    제1 단부, 상기 제1 단부에 대해 이격되어 있는 제2 단부, 및 상기 제1 단부로부터 상기 제2 단부까지 연장되는 외부 표면을 가지며, 몸체 주위에 소용돌이치는 가스가 흐를 수 있게 하도록 구성되고, 에지를 한정하는 단부면이 상기 제2 단부에 배치되는 몸체;
    상기 몸체의 상기 제2 단부에 배치되는 방출 표면을 가지며 외주를 한정하는 인서트; 및
    상기 몸체내 제1 개구로부터 상기 단부면내 제2 개구 ― 상기 제2 개구는 상기 외주와 상기 에지 사이에 위치함 ― 까지 상기 몸체를 통하여 연장되는 최소한 하나의 통로를 포함하는,
    플라즈마 아크 토치용 전극.
  56. 제 55 항에 있어서,
    상기 최소한 하나의 통로는 제2 가스류가 상기 제1 개구로 들어가서 상기 제2 개구를 빠져나오도록 치수가 조정되어 구성되는, 플라즈마 아크 토치용 전극.
  57. 제 55 항에 있어서,
    축 속도 성분을 포함하는 제2 가스류가 상기 제2 개구를 빠져나오게 하도록 구성되는, 플라즈마 아크 토치용 전극.
  58. 제 57 항에 있어서,
    상기 제1 가스는 스월 강도를 포함하고 상기 몸체 주위에 흐르도록 구성되는, 플라즈마 아크 토치용 전극.
  59. 제 55 항에 있어서,
    상기 최소한 하나의 통로는 축 속도 성분, 반경 방향 속도 성분 및 접선 속도 성분 중 하나 이상을 포함하는 제2 가스류가 상기 제2 개구를 빠져나오게 하도록 구성되는, 플라즈마 아크 토치용 전극.
  60. 제 59 항에 있어서,
    상기 제1 가스는 스월 강도를 포함하고 상기 몸체 주위를 흐르도록 구성되는, 플라즈마 아크 토치용 전극.
  61. 제 60 항에 있어서,
    상기 제1 가스 및 상기 제2 가스는 동일한 가스 소스에 의해 공급되는, 플라즈마 아크 토치용 전극.
  62. 제 55 항에 있어서,
    상기 제1 가스는 스월 강도를 포함하고,
    상기 최소 하나의 통로는, 상기 제1 가스의 스월 강도에 영향을 주는 축 속도 성분을 가지며 상기 제2 가스류가 상기 제2 개구를 빠져나오게 하도록 치수가 조정되어 구성되는, 플라즈마 아크 토치용 전극.
  63. 제 55 항에 있어서,
    상기 제2 가스는 비산화 가스를 포함하는, 플라즈마 아크 토치용 전극.
  64. 전극이,
    제1 단부, 상기 제1 단부에 대해서 이격되어 있는 제2 단부, 및 상기 제1 단부로부터 상기 제2 단부까지 연장되는 외부 표면을 가지고, 상기 제2 단부에 배치되는 단부면을 가지며, 자신의 주위에서 소용돌이치는 제1 가스가 흐를 수 있게 하도록 구성되는 몸체; 및
    상기 몸체내 제1 개구로부터 상기 단부면내 제2 개구까지 상기 몸체를 통해서 연장되며, 제2 가스류가 상기 제2 개구를 빠져나가게 하도록 치수가 조정되어 구성되는 최소한 하나의 통로를 포함하는,
    플라즈마 아크 토치용 전극.
  65. 제 63 항에 있어서,
    상기 최소한 하나의 통로는 상기 제2 가스류가 축 속도 성분, 반경 방향 속도 성분 및 접선 속도 성분 중 하나 이상을 가지며 상기 제2 개구를 빠져나오게 하 도록 치수가 조정되어 구성되는, 플라즈마 아크 토치용 전극.
  66. 제 63 항에 있어서,
    상기 제1 가스 및 상기 제2 가스는 동일한 가스 소스에 의해 공급되는, 플라즈마 아크 토치용 전극.
  67. 제 63 항에 있어서,
    상기 제2 가스류는 축 속도 성분을 포함하는, 플라즈마 아크 토치용 전극.
  68. 제 63 항에 있어서,
    상기 최소한 하나의 통로는 상기 제2 가스류가 축 속도 성분을 갖는 상기 제2 개구를 빠져나가게 하도록 치수가 조정되어 구성되는, 플라즈마 아크 토치용 전극.
  69. 제 63 항에 있어서,
    상기 최소한 하나의 통로는 상기 제2 가스류가 상기 제1 가스의 스월 강도에 영향을 미치는 축 속도 성분을 갖는 상기 제2 개구를 빠져나가게 하도록 치수가 조정되어 구성되는, 플라즈마 아크 토치용 전극.
  70. 제 63 항에 있어서,
    상기 제2 가스는 비산화 가스를 포함하는, 플라즈마 아크 토치용 전극.
  71. 제1 단부, 상기 제1 단부에 대해서 이격되어 있는 제2 단부, 상기 제1 단부로부터 상기 제2 단부까지 연장되는 외부 표면을 가지고, 상기 제2 단부에 배치되는 단부면을 가지며, 자신의 주위에서 소용돌이치는 제1 가스가 흐를 수 있게 하도록 구성되는 몸체; 및
    상기 몸체를 통해 연장되며 최소한 하나의 통로 수단을 포함하며,
    상기 최소한 하나의 통로 수단은 제2 가스류가 상기 최소한 하나의 통로 수단의 제2 개구를 빠져나가게 하도록 치수가 조정되어 구성되는, 플라즈마 아크 토치용 전극.
  72. 전원;
    상기 전원에 연결되는 토치 몸체;
    상호 이격되어 설치되어 상기 토치 몸체에서 플라즈마 챔버 ― 플라즈마 가스가 상기 플라즈마 챔버를 통해서 흐름 ― 플라즈마 가스가 통과해서 흐르는 를 형성하는 노즐 및 전극 ― 상기 전극은 제1 단부로부터 제2 단부까지 연장되는 몸체, 상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이에서 연장되는 외부 표면, 상기 제2 단부에서 배치되는 단부면, 상기 몸체의 상기 제2 단부에 배치되는 방출 표면을 갖는 인서트, 및 상기 몸체내 제1 개구로부터 상기 단부면내에 상기 인서트의 상기 방출 표면과 실질적으로 동일한 평면상인 제2 개구까지 연장되고 자신을 통해 전극 가스가 흐르게 하는 최소한 하나의 통로를 구비함 ―; 및
    상기 전극 가스류가 플라즈마 아크 토치 플라즈마의 함수로서 상기 통로들 중 최소한 하나를 통과하도록 제어하기 위한 제어기를 포함하는,
    플라즈마 아크 토치 시스템.
  73. 전원에 연결되며, 그 안에서 플라즈마 아크가 형성되는 플라즈마 챔버로 플라즈마 가스를 지향시키기 위한 플라즈마 흐름 경로를 포함하는 토치 몸체;
    상기 토치 몸체내 설치되는 전극 ― 상기 전극은, 제1 단부 및 상기 제1 단부에 대해서 이격되어 있는 제2 단부를 갖는 전극 몸체와, 상기 전극 몸체의 제2 단부에 배치되는 단부면과, 상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이에서 연장되는 외부 표면과, 상기 전극 몸체의 제1 개구로부터 상기 전극 몸체의 제2 단부에 있는 상기 단부면내 제2 개구까지 연장되며 전극 가스가 상기 제2 개구를 빠져나가도록 통과해서 흐르게 치수가 조정되어 구성되는 최소한 하나의 통로를 포함하며, 상기 전극 몸체는, 상기 몸체 주위에 소용돌이치는 플라즈마 가스가 흐르게 할 수 있도록 구성됨 ―; 및
    상기 토치 몸체내 배치되며, 상기 전극 가스가 플라즈마 아크 토치 파리미터의 함수로서 상기 통로들 중 최소한 하나를 통해 흐를 수 있도록 제어하기 위한 제어기를 포함하는,
    플라즈마 아크 토치.
  74. 플라즈마 토치의 플라즈마 가스류 및 전극 가스류 ― 상기 플라즈마 가스류는 전극의 외부 표면 주위에서 흐르도록 설정되고, 상기 전극 가스류는 상기 전극의 단부면내 방출 인서트를 전체적으로 둘러싸도록 설정됨 ― 를 제어하기 위한 제어기로서,
    플라즈마 아크 전류를 제어하기 위한 제1 수단;
    상기 플라즈마 가스류를 제어하기 위한 제2 수단; 및
    상기 전극 가스류를 제어하기 위한 제3 수단을 포함하며,
    상기 제어기는 상기 플라즈마 가스류의 파라미터를 설정하되, 상기 파라미터는 압력, 흐름 및 시퀀스로부터 선택되고,
    상기 제어기는 상기 전극 가스류의 파라미터를 설정하되, 상기 파라미터는 압력, 흐름 및 시퀀스로부터 선택되는,
    제어기.
  75. 제 74 항에 있어서,
    상기 제3 수단은 질소, 아르곤, 수소, 헬륨, 탄화수소 연료, 또는 이들의 임의의 혼합물의 그룹 중에서 선택되는 비산화 가스를 포함하는 전극 가스류를 제어하는, 제어기.
  76. 제 74 항에 있어서,
    상기 제2 수단은 산화 가스를 포함하는 플라즈마 가스류를 제어하는, 제어기.
  77. 제 74 항에 있어서,
    상기 시퀀스의 파라미터는 상기 플라즈마 가스류 및 상기 전극 가스류 중 하나 이상을
    (a) 플라즈마 아크를 개시하기 전에;
    (b) 상기 플라즈마 아크를 개시할 때에;
    (c) 상기 플라즈마 아크를 전달(delivery)하는 중에;
    (d) 상기 플라즈마 아크를 소(extinguish)하기 전에; 또는
    (e) 상기 플라즈마 아크를 소할 때;
    선택적으로 제어함으로써 결정되는, 제어기.
  78. 플라즈마 토치의 복수의 가스류를 제어하기 위한 시스템으로서,
    플라즈마 가스류의 파라미터 및 전극 가스류의 파라미터 ― 이들 파라미터들은 압력, 흐름 및 시퀀스의 그룹 중에서 선택됨 ― 를 제어하기 위한 제어기;
    상기 제어기가 상기 전극의 외부 표면 주위에 상기 플라즈마 가스류를 제공하도록 상기 제어기를 전극에 연결시키는 제1 수단; 및
    상기 전극 가스류가 상기 전극의 단부면내 방출 표면에 상당히 인접한 위치에서 상기 전극을 빠져나가게 상기 전극을 통하여 상기 전극 가스류를 제공하도록, 상기 제어기를 상기 전극에 연결시키는 제 2 수단을 포함하는,
    플라즈마 토치의 복수의 가스류를 제어하기 위한 시스템.
  79. 제 78 항에 있어서,
    플라즈마 아크 전류를 제어하기 위한 전원을 더 포함하는, 플라즈마 토치의 복수의 가스류를 제어하기 위한 시스템.
  80. 제 78 항에 있어서,
    밸브 시스템이,
    (a) 플라즈마 아크를 개시하는 것;
    (b) 상기 플라즈마 아크를 전달하는 것; 및
    (c) 상기 플라즈마 아크를 소(extinguish)하는 것을 제어하도록 구성되는,
    플라즈마 토치의 복수의 가스류를 제어하기 위한 시스템.
  81. 제1 단부 및 상기 제1 단부에 대해서 이격되어 있는 제2 단부를 가지며, 자신의 주위에 제1 가스 소스로부터 산화 플라즈마 가스가 흐를 수 있게 하도록 구성되는 몸체;
    상기 제2 단부에 배치되는 방출 표면을 갖는 인서트; 및
    상기 몸체내 제1 개구로부터 상기 단부면내 제2 개구까지 상기 몸체를 통해서 연장되며, 제2 가스 소스로부터 비산화 가스류가 상기 제2 개구를 빠져나가게 하도록 치수가 조정되어 구성되는 최소한 하나의 통로를 포함하는,
    플라즈마 아크 토치용 전극.
  82. 산화 가스를 가지는 제1 가스 소스;
    상기 제1 가스 소스에 결합되며, 제1 단부, 상기 제1 단부에 대해서 이격되어 있는 제2 단부, 상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이에서 연장되며 상기 산화 가스가 자신의 주위에서 흐르게 할 수 있도록 구성되는 외부 표면, 상기 제2 단부에 배치되는 단부면, 및 상기 제2 단부에 배치되는 인서트를 가지는 전극; 및
    상기 전극내 제1 개구로부터 상기 단부면내 제2 개구까지 연장되는 최소한 하나의 통로 ― 상기 통로는 비산화 가스를 가지고 있는 제2 가스 소스에 결합되고, 상기 최소한 하나의 통로를 통해서 상기 비산화 가스가 통과할 수 있게 하도록 구성됨 ― 를 포함하는,
    플라즈마 절단 시스템.
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