KR20150031188A - 플라즈마 절단 토치용 전극 구조부 - Google Patents

플라즈마 절단 토치용 전극 구조부 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마 절단 토치용 전극 구조부에 관한 것이며, 가공되는 가공품의 방향으로 한 측면에 개방된 오목부(recess) 또는 보어홀(borehole)은 전극 홀더 또는 방출 삽입부(emission insert)를 수용하는 고정 부재(holding element)에 형성되며, 상기 오목부 또는 상기 보어홀에서, 삽입된 상기 방출 삽입부는 동력 전달식, 형상 일치식 및/또는 물질 연속성으로 고정될 수 있다. 적어도 하나의 압력 균등화 통로(pressure equalization passage) 및/또는 적어도 일시적인 능동형 압력 균등화 통로(active pressure equalization passage)는 오목부 또는 보어홀 및 방출 삽입부에 형성된 빈 공간 및 상기 방출 삽입부을 통한 환경부(environment) 사이 및/또는 상기 방출 삽입부의 외부 자켓 표면 및 고정 부재 또는 전극 홀더(7.1)에 형성된 상기 오목부 또는 보어홀의 내벽 사이에 형성된다. 대안적으로 또는 추가적으로 적어도 하나의 압력 균등화 통로 및/또는 상기 일시적인 능동형 압력 균등화 통로는 오목부 또는 보어홀(7.2.1) 및 상기 고정 부재(7.2)에 형성된 빈 공간 및 상기 고정 부재(7.2)를 통한 환경부 사이 및/또는 상기 고정 부재(7.2)의 외부 자켓 표면 및 전극 부재(7.1) 또는 상기 고정 부재(7.2)에 형성된 오목부 또는 보어홀(7.4)의 내벽 사이에 형성될 수 있다.

Description

플라즈마 절단 토치용 전극 구조부{ELECTRODE STRUCTURE FOR PLASMA CUTTING TORCHES}
본 발명은 플라즈마 절단 토치용 전극 구조부에 관한 것이다.
플라즈마는 양이온 및 음이온, 전자 및 여기된 및 중성 원자 및 분자로 이루어진 열적으로 높은 열 전기 전도성의 가스이다.
다양한 가스, 예를 들어 1원자 아르곤 및/또는 2원자 수소 가스, 질소, 산소 또는 공기는 플라즈마 가스로서 이용된다. 이러한 가스는 이온화되며 플라즈마 아크(plasma arc)의 에너지에 의해 해리된다.
플라즈마 제트(plasma jet)의 매개 변수는 노즐 및 전극의 설계에 의해 매우 영향을 받을 수 있다. 이러한 플라즈마 제트의 매개 변수는 예를 들어 제트 직경, 온도, 에너지 밀도 및 가스의 유속이다.
플라즈마 절단에 있어서, 플라즈마는 대게 가스 냉각식 또는 수냉각식일 수 있는 노즐에 의해 압축된다. 따라서 최대 2 x 106 W/㎠의 에너지 밀도가 이루어질 수 있다. 온도는 가스의 높은 유속과 결합하여 모든 전기 전도성 물질로 매우 높은 절단 속도를 허용하는 플라즈마 제트에서 최대 30,000℃로 발생한다.
대체로, 플라즈마 토치는 플라즈마 토치 헤드(1), 전극(7) 및 노즐(4)을 포함하며; 추가 구성요소는 전극(7)을 고정하는 전극 마운트(6) 및 노즐(4)을 고정하는 노즐 캡(2) 및 노즐 홀더(5)일 수 있다. 플라즈마 가스 PG는 플라즈마 가스 도관(plasma gas conduit, 3)을 통하여 전극(7) 및 노즐(4) 사이의 공간에 공급되며, 결국 노즐(4)을 통하여 노즐 보어홀(nozzle borehole, 4.1)을 통과한다.
최신 플라즈마 토치는 추가적으로 보호 노즐 캡(9) 및 2차 가스 유도부(secondary gas guide, 9.1)를 가지며, 2차 가스 유도부를 통해 2차 가스 SG가 플라즈마 제트에 공급된다. 그 후, 노즐(4) 및 전극(7)은 액체 냉매(liquid coolant), 예를 들어 물로 냉각된다.
현재 플라즈마 절단은 다른 가스 및 가스 혼합물로 전기 전도성 물질을 절단하는 설정 과정이며, 가스 혼합물은 절단 가공(cutting work)에 의존하여 이용된다.
다른 전극(7) 및 노즐(4)은 이러한 목적을 위해 이용된다. 다른 전극(7) 및 노즐(4)은 플라즈마 토치의 작동 동안 마모되어 이후에 대체되어야 한다. 다른 가스 또는 가스 혼합물용 플라즈마 토치를 이용하기 위하여, 플라즈마 토치가 전극(7) 및 노즐(4)의 대체에 의해 다른 가스를 이용할 수 있도록 플라즈마 토치, 전극(7) 및 노즐(4)이 설계된다.
대체로 전극(7)은 전극 홀더(7.1) 및 방출 삽입부(emission insert, 7.3)를 포함한다. 일반적으로 전극은 두 개의 설계 형상 사이에서 구별될 수 있다. 산소를 포함하는 플라즈마 가스로 절단될 때, 소위 평판 전극(flat electrode)이 대체로 이용되며, 즉 방출 삽입부(7.3)는 전면 방출 표면을 제외하고 전극 홀더(7.1)에 배치된다. 방출 삽입부(7.3)는 하프늄(hafnium) 또는 지르코늄(zirconium)을 포함한다. 예를 들어 구리 또는 은과 같이 우수한 전류 전도성 및 열 전도성을 가지는 물질이 전극 홀더(7.1)에 이용된다. 산소를 포함하지 않는 가스 또는 가스 혼합물로 절단을 위한 전극(7)에서, 예를 들어, 아르곤, 수소, 질소, 텅스텐이 방출 삽입부(7.3)용 물질로서 대체로 도핑량(doping amounts)(예를 들어 란타늄의)으로 이용된다. 전극 홀더(7.1)에서 고정되나, 평판 전극과 대조적으로 전극 홀더(7.1)의 밖으로 돌출하며, 종종 포인트 전극이라 불린다.
또한, 실시예에서 방출 삽입부(7.3)는 추가 고정 부재(holding element, 7.2)에 결합되며, 고정 부재(7.2)는 차례로 전극 홀더(7.1)에 결합된다.
따라서, 전극 홀더(7.1)는 구리로 제조될 수 있고, 고정 부재(7.2)는 은으로 제조될 수 있으며, 방출 삽입부(7.3)는 하프늄, 지르코늄 도는 텅스텐으로 제조될 수 있다. 구리 및 은의 다른 합금은 전극 홀더(7.1) 및 고정 부재(7.2)를 위해 자연적으로 이용될 수 있다. 즉, 전극 홀더(7.1) 및 고정 부재(7.2)는 동일한 물질을 포함할 수 있다.
전극 홀더(7.1) 및 방출 삽입부(7.3)의 결합 또는 전극 홀더(7.1) 및 고정 부재(7.2) 및/또는 방출 삽입부(7.1) 사이의 결합은 동력 전달 방식(force-transmitting manner)으로, 형상 일치 방식(shape-matched manner)으로 및/또는 물질 연속성(material continuity)으로 이루어진다.
즉, 가능한 균일하게 유지되거나 남아있는 우수한 열 및 전기 전도성 결합으로 작동 동안 영구적으로 유지될 수 있는 결합이 중요하다.
대체적으로, 방출 삽입부(7.3)는 보어홀(borehole) 또는 전극 홀더(7.1) 또는 고정 부재(7.2)에 형성된 다른 형상의 오목부에 삽입되며, 이 후 물질 연속성, 프레스 피트(press fit)에 의한 동력 전달 또는 형상 일치 방식으로 납땜(brazing) 또는 용접(welding)에 의해, 예를 들어 나사산(thread)에 의해 고정된다.
유사하게, 전극 홀더(7.1) 및 고정 부재(7.2) 사이에 결합이 이루어진다.
중요한 이유로, 보어홀 또는 다른 오목부 형상은 한 측면에서만 개방되어서, 방출 삽입부(7.3) 또는 고정 부재(7.2)는 개구부에 삽입될 수 있다. 예를 들어, 보어홀은 블라인드 보어홀(blind borehole)으로 형성될 수 있다. 그러나, 적어도 부분적으로 원뿔형으로 형성된 오목부는 방출 삽입부(7.3) 또는 고정 부재(7.2)의 수용부(reception)로 이용될 수 있다. 또한 회전 대칭 단면 형상은 필수적으로 이용되지 않아도 된다.
외부 자켓 표면 및 방출 삽입구(7.3) 또는 고정 부재(7.2)의 치수화는 기추공 또는 다른 오목부의 형상 및 치수화로 보충 형상으로 적용된다.
함께 결합 후 부품 또는 서로의 반대측에 배치된 이러한 부품의 면(faces)은 결합된 부품 사이의 열 전도성이 매우 우수하기 때문에 서로에 대하여 매우 엄격한 공차(tight tolerance)를 가진다. 반대측에 배치된 면 사이의 간격은 "0"까지의 음수이다(즉 내부 직경은 외부 직경보다 작다, 예를 들어 -0.1mm).
그러나, 공기로 가득찬 빈 공간이 기추공 또는 다른 형상의 오목부에 형성되는 방식으로 함께 결합됨 부품에 문제점이 있다. 그러나, 빈 공간은 매우 정확한 타입의 결합에 의해 환경에 대하여 기밀 방식으로 폐쇄된다. 결합 후, 과압(excess pressure)은 플라즈마 절단 토치의 작동 동안 온도 증가의 결과로 포함된 공기 때문에 빈 공간의 내부에서 발생할 수 있으며, 전극 구조는 대체로 플라즈마 절단 토치의 작동으로 가열되고, 공기는 팽창하며, 따라서 압력이 증가된다. 이로 인하여, 조립 결합(join connection)은 원치 않는 형상으로 국부적으로 형성되지 않으며, 최악의 경우가 완전히 배체될 수 있다. 높은 가속화에서 결합 화합물의 밖으로 이동할 수 있는 상대적으로 해제된 부품 때문에 위험 가능성이 있다. 이러한 문제점은 방출 삽입부, 또한 물질을 제거한 결과로 제 2 고정 부재의 번백(burn back) 때문에 작을 수 있다.
추가 문제점은 빈 공간에 포함된 습기 때문에 발생할 수 있다. 이로 인하여, 부식 또는 공동 현상(cavitation)이 발생할 수 있다. 조립 결합, 열 전도성 및/똔느 전기 전도성은 마찬가지로 이로인하여 대응적으로 야기된 물질을 제거하여 부정적인 영향을 받을 수 있다.
본 발명의 목적은 안전성 및 작동 안정성이 우수한 열 및 전기 전도성을 가지는 서로 결합된 전극 홀더 및 방출 삽입부 및 선택적으로 추가 고정 부재로적어도 긴 작동 시간 간격을 통해 발견될 수 있는 플라즈마 토치용 전극 구조를 제공하는 것이다.
본 발명에 따라, 본 발명의 목적은 청구항 제 1항의 특징을 가지는 전극 구조에 의해 이루어진다. 다양한 실시예 및 추가 개선은 종속항에 나타낸 특징을 이용하여 수행될 수 있다.
플라즈마 절단 토치용 본 발명에 따른 전극 구조에 있어서, 처리되는 가공품의 방향의 한 측에서 개방되는 오목부 또는 보어홀은 전극 홀더 또는 방출 삽입부를 수용하는 고정 부재에 형성된다. 삽입된 방출 삽입부는 동력 전달 방식, 형상 일치 방식 및/또는 물질 연속성으로 보어홀 또는 오목부에 고정될 수 있다.
적어도 하나의 압력 균등화 통로(pressure equalization passage)는 오목부 또는 보어홀에 형성된 빈공간 및 방출 삽입구 및 방출 삽입구를 통한 환경(environment)부 사이 및/또는 방출 삽입구의 외부 자켓 표면 영역 및 고정 부재 또는 전극 홀더에 형성된 오목부 또는 보어홀의 내벽 사이에 존재한다.
유사한 방식으로, 적어도 하나의 압력 균등화 통로는 오목부 또는 보어홀에 형성된 빈 공간 및 고정 부재 및 고정 부재를 통한 환경부 사이 및/또는 고정 부재의 외부 자켓 표면 영역 및 전극 부재 또는 고정 부재에 형성된 오목부 또는 보어홀의 내벽 사이에 존재할 수 있다.
압력 균등화 통로는 외부 자켓 표면에서 보어부(bore portion), 그루브부(groove portion) 또는 평면부(flattened portion)로 형성될 수 있다. 보어홀은 고정 부재 또는 방출 삽입구를 통해 유도될 수 있다. 그루브는 전극 홀더 및/또는 고정 부재의 내벽, 오목부 또는 보어홀 영역의 내벽 또는 고정 부재 및/또는 방출 삽입부의 외부 자켓 표면에 형성될 수 있다.
그루브부 또는 평면부가 빈 공간부터 시작하여 가공품에 직면하는 고정 부재 및/또는 방출 삽입부의 단면에 가까운 영역까지 및 영역으로 유도되어서, 반지름 방향 주면, 전체 영역 접촉은 적어도 실온에서 및 보어홀 또는 오목부로 고정 부재 및/또는 방출 삽입부의 삽입 후 전극 홀더 및 고정 부재의 외부 자켓 표면의 내벽 및/또는 고정 부재 및 방출 삽입부의 외부 자켓 표면의 내벽 사이의 단부 영역에서 유지되는 가능성이 있다. 이로 인하여, 이러한 방식으로 형성된 압력 균등화 통로는 적어도 실온(약 20℃)에서 폐쇄된다. 그러나, 압력 균등화 통로는 빈 공간에서 삽입 및 내압이 적어도 무시해도 좋을 양으로만 증가하는 동안의 충분이 많은 시간 간격을 통해 이러한 방식으로 형성된 압력 균등화 통로를 통해 환경부에 연속적으로 삽입이 방지되는 동안 크기가 감소하는 빈 공간에 포함된 공기 때문에 압력 균등을 위하여 일시적으로 고정 부재 및/또는 방출 삽입부 동안 적어도 일시적으로 압력 균등을 위해 이용된다.
대응적으로 일시적으로 효과적인 압력 균등화 통로는 보어홀 또는 오목부에 삽입된 각각의 고정 부재 및/또는 방출 삽입부의 단부 위치에 도달하기 전 일시적으로만 폐쇄된다. 이 경우, 적어도 일시적으로 압력 균등화 통로과 효과적일 수 있다.
적합한 치수화 및 조립 결합의 선택된 타입으로, 압력 균등화는 대체로 내압이 가열의 연속으로 증가할 때 이루어질 수 있다. 고정 부재 및/또는 방출 삽입부의 외부 자켓 표면 및 보어홀 또는 오목부의 내벽 사이의 접촉 영역은 그루브부 또는 평면부가 가공품에 직면하는 단면에서 대응적으로 작은 영역을 이루며, 여기에서 각각의 결합 파트너(전극 홀더, 고정 부재 및/또는 방출 삽입부)는 직접적으로 서로에 접촉하며, 빈 공간의 증가된 내압에서 압력 보상을 위한 개구부를 형성할 수 있는 조립 결합이 선택되어야 한다.
압력 균일화 통로가 전극 홀더의 빈 공간 및 고정 부재 및 방출 삽입부 사이의 빈 공각 사이에 형성되는 경우, 압력 균일화 통로는 서로와 연결되도록 배치되거나 형성되어야 한다.
그루브 또는 평면부로 형성된 압력 균등화 통로로, 접촉면은 방출 삽입부 EH는 고정 부재의 방출 삽입부의 외부 자켓 표면 및 고정 부재 또는 전극 홀더의 내벽 사이에서 고정 부재를 가지는 방출 삽입부 또는 전극 홀더의 결합 영역에서 가능한 좋은 열 전도성 및 전기 전도성을 위한 조건을 유지하기 위하여 접촉 영역의 전체 표면의 적어도 90%, 바람직하게 적어도 93% 및 특히 바람직하게 적어도 96%로 관찰될 수 있다.
압력 균등화 통로는 세로 방향의 중앙축 M에 대하여 최대 45°, 최대 15°로 관찰되는 경사각으로 경사질 수 있다.
압력 균등화 통로가 세로 방향 축 M과 병렬로 연장되는 경우 다루기 쉽다.
압력 균등화 통로를 형성하는 그루브 또는 평면부는 빈 공간에서 시작하여 가공품에 직면하는 고정 부재 또는 방출 삽입부의 단면 까지 나선형일 수 있다.
보어홀 또는 오목부는 적어도 끝이 점점 가늘어지는 원뿔형의 개구부에서 시작하는 영역에 및/또는 계단식의 내부 직경 또는 자유 단면으로 형성될 수 있다. 보어홀 또는 오목부에 삽입되며 여기에서 결합되어야 하는, 고정 부재 및/또는 방출 삽입구의 외부 자켓 표면은 상호 보충적으로 형성되어야 한다.
고정 부재 및/또는 방출 삽입부의 외부 자켓 표면은 세로 방향 중앙축에 대하여 1~5°, 바람직하게 1~3°의 각도 γ, δ로 경사지게 형성될 수 있고 및/또는 챔퍼는 반지름 방향의 외부 단면 에지에서 10~40°, 바람직하게 10~20°의 각도 α로 형성될 수 있다. 이로써, 결합의 조립을 용이하게 한다.
상승부(elevated portion)는 고정 부재 및/또는 방출 삽입부의 외부 자켓 표면에 형성되는 그루브의 적어도 하나의 외부 여유부(outer margin)에서 그루브로 형성된 압력 균등화 통로에 존재할 수 있다. 또한, 그루브 및 상승부는 전극 홀더 또는 고정 부재의 내벽 사이의 전이부를 통해 형성될 수 있다. 추가된 형상 일치 결합 및 회전의 보호는 이러한 상승부에 의해 이루어질 수 있다.
전극 홀더 및/또는 고정 부재에서 보어홀의 직경 또는 오목부의 자유 단면 뿐 아니라 결합을 위해 보어홀 또는 오목부로 삽입될 수 있는, 고정 부재 및/또는 방출 삽입부의 외부 자켓 표면의 외부 직경이 선택되어서 프레스 피트(press fit)가 이루어질 수 있는 경우 바람직하다. 프레스 피트는 적합한 치수화 및 내부 프레싱(pressing in)으로 대응적으로 선택된 동력을 가지는 물질 선택에 의해서만 형성될 수 있다. 그러나 또한, 결합 파트너의 다른 온도가 이용될 수 있다. 예를 들어, 차가운 고정 부재는 가열된 전극 홀더의 보어홀 또는 오목부에 삽입될 수 있다. 또한 유사하게 전극 홀더 또는 고정 부재를 가지는 방출 삽입구에 결합할 수 있다.
압력 균등화 통로의 자유 말단은 가능한 작아야 하지만 압력 균등화를 위해 상당히 클 수 있다.
전극 홀더 및 고정 부재는 구리 또는 구리 합금으로부터 제조될 수 있다. 특히, 은 합금이 제조에 바람직하다. 은 비율은 적어도 50%로 선택될 수 있다. 전극 홀더 및 고정 부재는 동일한 물질로 제조될 수 있다.
본 발병은 다음의 예시에 의해 더 자세히 설명될 것이다.
도 1은 부분도로 플라즈마 절단 토치의 예시를 나타낸다;
도 2a는 플라즈마 절단 토치에 연결된 전극 홀더 및 방출 삽입부를 나타낸다;
도 2b는 전극 홀더, 고정 부재 및 방출 삽입부를 가지는 전극 구조부를 나타낸다;
도 2c는 전극 홀더, 고정 부재 및 방출 삽입부를 가지는 전극 구조부를 나타낸다;
도 2d는 전극 홀더, 고정 부재 및 방출 삽입부를 가지는 전극 구조부를 나타낸다;
도 3a는 본 발명에 이용될 수 있는 전극 홀더의 예시이다;
도 3b는 본 발명에 이용될 수 있는 전극 홀더의 추가 예시이다;
도 3c는 본 발명에 이용될 수 있는 전극 홀더의 추가 예시이다;
도 4a는 평면도로 압력 균등화 통로로서 연속 그루브를 가지는 고정 부재이다;
도 4b는 측면도로 도 4a의 고정 부재를 나타낸다;
도 4c는 평면도로 비연속 그루브를 가지는 고정 부재의 추가 예시를 나타낸다;
도 4d는 측면도로 비연속 그루브를 가지는 고정 부재의 추가 예시를 나타낸다;
도 5a는 평면도로 연속 평면부를 가지는 고정 부재를 나타낸다;
도 5b는 측면도로 연속 평면부를 가지는 고정 부재를 나타낸다;
도 5c는 평면도로 비연속 평면부를 가지는 고정 부재를 나타낸다;
도 5d는 측면도로 비연속 평면부를 가지는 고정 부재를 나타낸다;
도 6a는 측면도로 단차부로 형성된 및 연속 그루브를 가지는 고정 부재를 나타낸다;
도 6b는 평면도로 ㅍ 및 연속 그루브를 가지는 고정 부재를 나타낸다;
도 6c는 측면도로 단차부로 형성된 및 비연속 그루브 및 챔퍼를 가지는 고정 부재를 나타낸다;
도 6d는 평면도로 단차부로 형성된 및 비연속 그루브 및 챔퍼를 가지는 고정 부재를 나타낸다;
도 7a는 측면도로 단차부로 형성된 및 연속 평면부를 가지는 고정 부재를 나타낸다;
도 7b는 평면도로 단차부로 형성된 및 연속 평면부를 가지는 고정 부재를 나타낸다;
도 7c는 측면도로 단차부로 형성된 및 원뿔형으로 비연속 평면부를 가지는 고정 부재를 나타낸다;
도 7d는 평면도로 단차부로 형성된 및 원뿔형으로 비연속 평면부를 가지는 고정 부재를 나타낸다;
도 8a는 측면도로 단차부로 형성된 및 연속 평면부 및 연속 그루브를 가지는 고정 부재를 나타낸다;
도 8b는 평면도로 단차부로 형성된 및 연속 평면부 및 연속 그루브를 가지는 고정 부재를 나타낸다;
도 8c는 측면도로 단차부로 형성된 및 배면에서 원뿔형으로 및 전면에서 원통형으로 형성되며 비연속 평면부 및 비연속 그루브를 가지는 고정 부재를 나타낸다;
도 8d는 평면도로 단차부로 형성된 및 배면에서 원뿔형으로 및 전면에서 원통형으로 형성되며 비연속 평면부 및 비연속 그루브를 가지는 고정 부재를 나타낸다;
도 9.1는 측면도로 중앙축 쪽으로 경사진 연속 그루브를 가지는 고정 부재를 나타낸다;
도 9.2는 측면도로 중앙축 M 쪽으로 경사진 비연속 그루브를 가지는 고정 부재를 나타낸다;
도 10.1는 평면도로 내부 보어홀면에서 그루브를 가지는 전극 홀더를 나타낸다;
도 10.2는 부분 측면도로 내부 보어홀면에서 그루브를 가지는 전극 홀더를 나타낸다;
도 10.3는 부분 측면도로 팁을 가지는 내부 보어홀면에서 그루브를 가지는 전극 홀더를 나타낸다;
도 11.1는 평면도로 내부 보어홀면에서 중앙축 M 쪽으로 경사진 그루브를 가지는 전극 홀더를 나타낸다;
도 11.2는 부분 측면도로 내부 보어홀면에서 중앙축 M 쪽으로 경사진 그루브를 가지는 전극 홀더를 나타낸다;
도 11.3는 부분 측면도로 팁을 가지는 내부 보어홀면에서 중앙축 M 쪽으로 경사진 그루브를 가지는 전극 홀더를 나타낸다;
도 12.1는 측면도로 비연속 그루브 및 챔퍼를 가지는 방출 삽입부를 나타낸다;
도 12.2는 평면도로 비연속 그루브 및 챔퍼를 가지는 방출 삽입부를 나타낸다;
도 12.3는 측면도로 비연속 그루브 및 챔퍼를 가지는 원뿔 형상의 방출 삽입부를 나타낸다;
도 13.1~13.5는 고정 부재 또는 방출 삽입부에서 다른 그루브 형상에 대한 예시를 나타낸다.
도 1은 플라즈마 절단 토치(1)의 부분도를 나타낸다. 전극 구조부(6) 및 전극 구조부(7)는 노즐 캡(nozzle cap, 2), 플라즈마 가스 공급기(plasma gas supply, 3), 노즐 보어홀(nozzle borehole, 4.1)을 가지는 노즐(4), 노즐 홀더(nozzle holder, 5), 수용체(receiver)를 가진다. 전극 구조부(7)는 고정 부재(7.2) 및 고정 부재(7.2)에 결합된 방출 삽입부(7.3)를 가지는 전극 홀더(7.1)로 형성된다. 참고 번호(8)는 노즐 보호 캡(nozzle protection cap, 9)이 고정되는 노즐 보호 캡 홀더를 나타낸다. 2차 가스 SG는 가스 도관(9.1)을 통하여 공급된다. 또한, 플라즈마 가스 PG용 공급기, 냉각수 회수관 WR1 및 WR2 및 냉각수 공급관 WV1 및 WV2은 플라즈마 절단 토치(1)에 존재한다.
도 2a는 전극 구조부의 예시를 나타내며, 전극 구조부에 배치된 개구부를 가지는 보어홀은 가공품에 직면하는 단면(7.1.1)에서 전극 홀더(7.1)에 형성된다. 방출 삽입부(7.3)는 보어홀에 삽입되며, 조립 결합은 프레스 피트로 이루어진다. 도면에서 볼 수 있듯이, 방출 삽입부(7.3)는 보어홀에 완전히 삽입되지 않아서, 공기가 빈 공간에 포함될 수 있거나 포함되므로 빈 공간은 가공품에 떨어져 직면하는 방출 삽입부(7.3)의 단면 영역에 남아있으며, 보어홀 내에 남아 있다. 이에 대하여, 그루브(7.3.3)는 방출 삽입부(7.3)의 외부 자켓 표면에 형성되며, 가공품에서 멀리 떨어진 방출 삽입부(7.3)의 단면에서 시작하여 가공품에 직면하는 단면의 방향에서 세로 방향 중앙 축과 병렬로 형성된다. 그러나, 그루브(7.3.3)는 가공품에 직면하는 방출 삽입부(7.3)의 단면까지 전도되지 않아서, 방출 삽입부(7.3)가 전극 홀더(7.1)의 보어홀(7.4)에 완전히 삽입될 때 반지름 방향 주위 접촉 영역이 존재한다. 따라서, 그루브(7.3.3)로 형성된 압력 균등화 통로는 보어홀(7.4)으로 방출 삽입부(7.3)의 삽입과 같이 일시적으로만 이용될 수 있다.
도 2b는 방출 삽입부(7.3)가 고정 부재(7.2)에 형성되며 고정 부재(7.2)에 결합되는 보어홀(7.2.1)에 삽입되는 전극 구조부의 예시를 나타낸다. 방출 삽입부(7.3)에 의해 기밀 방식으로 폐쇄되는 빈 공간은 고정 부재(7.2)의 보어홀(7.2.1) 내에 존재한다.
고정 부재(7.2)가 전극 홀더(7.1)에 형성되는 보어홀(7.4) 내에서 유사한 방식으로 고정되기 때문에, 기밀 방식으로 고정 부재(7.2)에 의해 폐쇄되는 빈 공간은 전극 홀더(7.1)에 형성된 보어홀(7.4)에 존재할 수 있다.
이러한 예에서, 그루브(7.2.3)는 고정 부재(7.2)의 단면에서 반대측에 배치된 단면까지 형성된다. 고정 부재(7.2)는 전극 홀더(7.1)의 보어홀(7.4)에 차례로 삽입되며, 결합된다.
각각의 그루브(7.2.3)는 고정 부재(7.2)의 반지름 방향의 외부 자켓 표면에 형성되며, 각각의 그루브(7.3.3)는 도 2b에 따른 예시로서 고정 부재(7.2)의 반지름 방향의 외부 자켓 표면의 단면에서 반대측에 배치된 단면까지 형성된다. 이로 인하여, 고정 부재(7.2)의 보어홀(7.2.1)으로 방출 삽입부(7.3)의 삽입 및 선택적으로 결합 후 및 전극 홀더(7.1)의 보어홀(7.4)에서 고정 부재(7.2)의 삽입 및 선택적으로 결합 후에 형성된 압력 균등화 통로에 의해 압력 균등화가 이루어질 가능성이 있다.
도 2d에 나타낸 예시는 도 2c에 따른 예시와 다르므로, 하나의 그루브(7.2.3)는 그루브(7.3.3)에 대하여 도 2a에 따른 예시로서 고정 부재(7.2) 및 그루브(7.2.3)의 반지름 방향의 외부 자켓 표면에서 형성되며, 단면에서 반대측에 배치된 단면까지 전도되지 않아서, 접촉 영역은 가공품에 직면하는 영역에 존재하며, 가압 균등화 통로가 전극 홀더(7.1)의 보어홀(7.4)로 고정 부재(7.2)를 삽입하여 일시적으로 구동되는 그루브(7.2.3)에 의해 고정 부재(7.2)에 형성되도록 상기 접촉 영역은 실링 효과(sealing effect)를 가질 수 있다.
도 3a~3c는 전극 홀더(7.1)에 형성되는 보어홀(7.4)에 대한 예시를 나타낸다. 이 점에서, 보어홀(7.4)은 일반적으로 소위 가공품에서 멀리 떨어진 단면(7.1.6)의 각각 다른 형상을 가지는 블라인드 보어홀이다. 도 3c에 나타낸 예시에서, 보어홀(7.4)은 다른 내부 직경 D1 및 D2의 두 단계를 가진다. 삽입되는 방출 삽입부(7.3)는 상호 보완적으로 설계되어야 하며, 두 직경 단계로 형성되며 직경 D1 및 D2에 대응해야 하며 선택적으로 이들과 동일해야 하는 외부 자켓 표면이 형성되어야 한다.
도 4a 및 도 4b는 두 개의 도면으로 본 발명에서 이용될 수 있는 고정 부재(7.2)의 예시를 나타낸다. 이점에서, 고정 부재(7.2)는 방출 삽입부(7.3)가 고정될 수 있는 보어홀(7.2.1)을 가진다. 그루브(7.2.3)는 고정 부재(7.2)의 외부 자켓 표면(7.2.2)에 형성되며, 차례로 환경부 및 위에 설명된대로 형성되는 보어홀(7.4)의 내부 빈 공간 사이에서 결합을 수행하여, 압력 균등화 통로가 그루브(7.2.3)에 의해 형성된다. 예를 들어, 도 5a에 나타낸 것과 같이 평면부는 그루브(7.2.3) 대신에 이용될 수 있다.
도 4b 및 도 4d에 나타낸 예시는 도 4a 및 도 4b에 따른 예시와 다르므로, 그루브(7.2.3)는 빈공간에서 환경부까지 완전하지 않은 고정 부재(7.2)의 전체 길이를 통해 전도되지 않으며, 여기에서 영역은 자유롭게 이용될 수 없으며, 전체 접촉 영역은 전극 홀더(7.1)의 내벽 및 고정 부재(7.2)의 외부 자켓 표면 사이에 존재한다. 그러나 이러한 영역은 전극 홀더(7.1)로 고정 부재(7.2)의 프레싱으로 빈 공간에서 증가하는 내부 압력으로 압력 균등화가 이루어지도록 짧거나 작다(도 2d에 도시).
도 5a~4d에 나타낸 예시는 도 4a~4d에 따른 예시와 다르므로, 그루브(7.2.3) 대신에 평면부는 고정 부재(7.2)의 외부 자켓 표면에서 단순하게, 국부적으로, 평평하게 물질이 제거되어 형성된다.
도 6a~6d에 나타낸 예시는 두 단계로 외부 직경이 직경 D4 및 D3로 형성되는 고정 부재(7.2)를 나타낸다. 직경 D3은 D4보다 크며, 가공품에 직면하는 측면에 배치된다. 도 6c 및 도 6d에서, 각도 α 및 β를 가지는 챔퍼는 단면(7.2.4, 7.2.6)에서 반지름 방향으로 외부 에지에 형성된다.
또한, 방출 삽입부(7.3)가 삽입될 수 있고 고정될 수 있는 블라인드 보어홀(7.2.1)은 고정 부재(7.2)에 다시 형성된다. 두 개의 그루브(7.2.3, 7.2.5)는 가공품 및 환경부에서 멀리 떨어진 보어홀(7.2.1)의 단면 영역에서 고정 부재(7.2)에 형성된 빈 공간 사이에 압력 균등화 통로의 형성을 위해 고정 부재의 외부 직경 D3 및 D4를 가지는 반지름 방향으로 외부 자켓 표면에 형성된다. 나타내지 않은 형상에서, 그루브는 고정 부재(7.2)를 수용하는 전극 홀더(7.2)에 형성되는 보어홀의 내벽에만 또는 추가적으로 형성될 수 있다.
본 발명에 이용될 수 있으며 도 7a~7d에 나타낸 고정 부재(7.2)에서, 그루브 대신에 평면부(7.2.3, 7.2.5)가 압력 균등화 통로의 형성을 위해 외부 자켓 표면(7.2.2, 7.2.4)에 존재한다. 다른 외부 직경 D3 및 D4로의 단계식 형성이 다시 선택된다. 도 7c 및 도 7d에 따른 예시에서, 두 단차부는 가공품에 직면하는 측면에서 시작하여 끝이 가늘어지는 원뿔형 형상이다. 여기에서 콘 각도 δ 및 γ가 선택된다. 이러한 형상으로, 두 개의 직경 및 원뿔형 설계에 상호 보완적이어야 하는 보어홀/오목부로 고정 부재(7.2)의 삽입은 용이하게 이루어지며, 전극 홀더(7.1) 및 고정 부재(7.2) 사이의 결합은 더 안전하게 이루어질 수 있다.
도 8a~8d에 나타낸 고정 부재(7.2)의 예시에서, 그루브 대신, 평면부(7.2.3, 7.2.5)는 고정 부재(7.2)의 외부 자켓 표면에 형성된다. 직경 D5를 가지는 방출 삽입부(7.3)를 수용하는 보어홀(7.2.1)은 내부에 형성된다.
도 8c 및 도 8d에 나타낸 예시에서, 가공품에 직면하는 영역은 일정한 외부 직경 D3를 가지며 원통형이다. 대조적으로, 가공품에서 멀리 떨어진 영역은 단면(7.2.4)에서 작아지는 외부 직경 D4로 끝이 가늘어지는 원뿔형으로 다시 형성된다. 콘 각도 γ는 마찬가지로 작아진다. 각도 β를 가지는 챔퍼로 제공되는 단면 에지는 가공품에서 멀리 떨어진 직경 D3을 가지는 원통형 영역의 측면에 형성된다.
도 9a 및 도 9b는 압력 균등화 통로의 그루브(7.2.3)이 세로 방향 중앙축 M에 대한 각도 ε로 형성되며, 단면(7.2.7)에서 반대측에 배치된 단부 측면(7.2.8)까지의 고정 부재(7.2)의 전체 길이를 통해 형성괴는 고정 부재(7.2)의 예시를 나타낸다. 그루브(7.2.3)는 고정 부재(7.2)의 외부 자켓 표면에서 형성된다. 도 9a는 연속 그루브를 나타내며, 도 9b는 비연속 그루브(7.2.3)를 나타낸다.
단면(7.2.7)의 반지름방향으로 외부 단면 에지에서, 챔퍼는 각도 α로 형성되며, 삽입을 용이하게 하며, 단부 측면(7.2.2) 위에 배치된 빈 공간 및 환경부 사이의 압력 균등화 조건을 향상시킨다.
도 10a 및 도 10b는 한 예시를 나타내며, 도 10c는 다른 뷰 및 섹션에서 전극 홀더(7.1)의 추가 예시를 나타낸다. 여기에서, 한 측면에서 개방된 보어홀(7.4)은 방출 삽입부(7.3)의 삽입 및 고정을 위한 전극 홀더(7.1)에 존재한다. 보어홀(7.4)의 내벽에서, 가공품으로부터 멀리 떨어진 보어홀에 삽입된 방출 삽입부(7.3)의 단면 및 보어홀(7.4)의 단면 (7.1.6) 위에 형성되는 빈 공간 사이에서 압력을 균등하게 하는 그루브(7.1.5)가 형성된다. 보어홀(7.4)은 내부 직경 D1 및 도 10b에서 평평한 및 도 10c에서 뾰족한 단부를 가진다. 미도시된 방출 삽입부(7.3)는 직경 D1에 매우 가까우며 직경 D1과 동일하거나 직경 D1보다 큰 외부 직경을 가져야해서, 가능한 추가 물질 없이 프레스 핏으로 결합이 이루어 질 수 있다.
도 11a~11c에서, 필수 사항으로 도 10a~10c에 대응하는 전극 홀더(7.1)의 예시를 나타낸다. 그루브(7.1.5)는 세로 방향의 중앙축 M에 대한 각도 ε로만 경사진다. 그루브(7.1.5)는 예시에 의해 가공품에서 멀리 떨어져있는 측면에서 가공품에 직면하는 측면의 길이를 통해 일정한 단면으로 형성되지 않는다.
도 12a~12b에서, 외부 직경 D6을 가지는 방출 삽입부(7.3)의 예시를 나타낸다. 도 12.1에 나타낸 예시에서, 방출 삽입부(7.3)는 일정한 외부 직경 D6을 가지는 원통형이다. 각도 α를 가지는 챔퍼는 가공품에서 멀리 떨어진측면에서만 단부 에지 영역에 형성된다.
예에서, 단면(7.3.7)에서 반대측에 배치된 단면(7.3.8)까지 완전히 연장되지 않는 그루브(7.3.3)는 외부 자켓 표면에서 형성된다. 방출 삽입부(7.3)의 외부 자켓 표면의 작은 영역이 유지되며, 상기 작은 영역에서 반지름방향으로의 주변 접촉부는 방출 삽입부(7.3)의 외부 자켓 표면 및 전극 홀더(7.1) 또는 고정 부재(7.2)에 형성된 보어홀(7.4)의 내벽 사이에 존재하며, 상기 작은 영역으로 방출 삽입부(7.3)가 삽입될 수 있다. 이 영역은 직접 가공품에 직면하는 방출 삽입부(7.3)의 단면(7.3.8)에 인접한다. 이러한 접촉 영역이 매우 작기 때문에, 환경부의 압력 균등화는 가공품에서 멀리 떨어진 단면(7.3.3)에 배치되는 빈 공간에서 전극 홀더(7.1) 또는 고정 부재(7.2)로 방출 삽입부(7.3)의 프레싱으로 증가하는 대응 압력으로 이루어질 수 있다.
도 12c에 나타낸 예시에서, 방출 삽입부(7.3)는 각도 γ로 가공품에서 멀리 떨어져 있는 측면의 방향의 바깥쪽으로 끝이 가늘어지는 원뿔형으로 형성되며, 각도 α를 가지는 챔퍼는 단부 측면(7.3.7)의 단부측 에지에 형성된다. 유사한 방식으로, 이러한 형상은 보어홀(7.4) 또는 보어홀(7.2.1)의 내벽에 형성되는 그루브로 이용될 수 있다.
도 13e에 나타낸 예시에서, 상승부(7.3.9)는 그루브(7.3.3)의 외부 가장자리에 형성되며, 상승부(7.3.9)에 의해 회전의 보호 및 향상된 더 보호된 결합의 고정은 대응하는 보어홀(7.2.1) 또는 보어홀(7.4)에서 고정 부재(7.2) 또는 전극 홀더(7.1)와 방출 삽입부(7.3) 또는 고정 부재(7.2)의 형상 일치에 의해 수행될 수 있다.
1 플라즈마 토치
2 노즐 캡
3 플라즈마 가스 도관
4 노즐
4.1 노즐 보어홀
5 노즐 홀더
6 전극 수용체e
7 전극 또는 전극 구조부
7.1 전극 홀더
7.1.1 전면
7.1.2 외면
7.1.3 내면
7.1.4 내면
7.1.5 그루브부 또는 평면부
7.1.6 내면
7.2 고정 부재
7.2.1 보어홀
7.2.2 외면
7.2.3 그루브부 또는 평면부
7.2.4 외면
7.2.5 그루브부 또는 평면부
7.2.6 표면
7.2.7 가공품으로부터 멀리 떨어진 단면
7.2.8 가공품에 직면하는 단면
7.2.9 내벽
7.2.10 상승부
7.2.11 보어홀 7.2.1의 단부에서의 내면
7.3 방출 삽입부
7.3.2 외부 자켓 표면
7.3.3 그루브부 또는 평면부
7.3.7 가공품으로부터 멀리 떨어진 단면
7.3.8 가공품에 직면하는 단면
7.3.9 그루브부 및 외면 사이의 상승부
7.4 보어홀
8 노즐 보호 캡 홀더
9 노즐 보호 캡
9.1 2차 가스 유도체
D1 내부 직경
D2 내부 직경
D3 외부 직경
D4 외부 직경
D5 내부 직경
M 세로 방향 중앙축
PG 플라즈마 가스
SG 2차 가스
WR1 냉각수 회수관
WR2 냉각수 회수관
WV1 냉각수 회수관
WV2 냉각수 회수관

Claims (10)

  1. 플라즈마 절단 토치용 전극 구조부로서,
    가공되는 가공품의 방향으로 한 측면에 개방된 오목부(recess) 또는 보어홀(borehole)은 전극 홀더 또는 방출 삽입부(emission insert)를 수용하는 고정 부재(holding element)에 형성되며,
    상기 오목부 또는 상기 보어홀에서, 삽입된 상기 방출 삽입부는 동력 전달식, 형상 일치식 및/또는 물질 연속성으로 고정될 수 있고,
    적어도 하나의 압력 균등화 통로(pressure equalization passage) 및/또는 적어도 일시적인 능동형 압력 균등화 통로(active pressure equalization passage)는 오목부 또는 보어홀(7.2.1, 7.4) 및 방출 삽입부(7.3)에 형성된 빈 공간 및 상기 방출 삽입부(7.3)을 통한 환경부(environment) 사이 및/또는 상기 방출 삽입부(7.3)의 외부 자켓 표면 및 고정 부재(7.2) 또는 전극 홀더(7.1)에 형성된 상기 오목부 또는 보어홀(7.2.1, 7.4)의 내벽 사이에 형성되며; 및/또는
    상기 적어도 하나의 압력 균등화 통로 및/또는 상기 일시적인 능동형 압력 균등화 통로는 오목부 또는 보어홀(7.2.1) 및 상기 고정 부재(7.2)에 형성된 빈 공간 및 상기 고정 부재(7.2)를 통한 환경부 사이 및/또는 상기 고정 부재(7.2)의 외부 자켓 표면 및 전극 부재(7.1) 또는 상기 고정 부재(7.2)에 형성된 오목부 또는 보어홀(7.4)의 내벽 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 절단 토치용 전극 구조부.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 압력 균등화 통로는 상기 외부 자켓 표면(outer jacket surface, 7.2.2, 7.2.4, 7.3.2)에서 보어홀, 그루브 또는 평면부(7.2.3, 7.2.5, 7.3.3)로서 형성되는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 절단 토치용 전극 구조부.
  3. 제 1항 또는 2항에 있어서,
    그루브 또는 평면부(7.2.3, 7.2.5, 7.3.3)는 상기 빈 공간에서 시작하여 상기 가공품에 직면하는 상기 고정 부재(7.2) 및/또는 상기 방출 삽입부(7.3)의 단면(7.2.8)에 인접한 영역까지 및 상기 영역에 형성되어서, 상기 단면(7.2.8)의 영역에서, 적어도 표준 실온으로 반지름 방향 주변의 전체 영역 접촉은 상기 전극 홀더(7.1)의 내벽 및 상기 고정 부재(7.2)의 상기 외부 자켓 표면(7.2.2) 사이 및/또는 상기 고정 부재(7.2)의 내벽 및 상기 방출 삽입부(7.3)의 상기 외부 자켓 표면(7.3.2) 사이에서 관찰되는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 절단 토치용 전극 구조부.
  4. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 그루브 또는 상기 평면부(7.2.5)에 의해 형성된 상기 압력 균등화 통로로, 상기 방출 삽입부(7.3) 및 상기 고정 부재(7.2)의 상기 외부 자켓 표면 및 상기 고정 부재(7.2) 또는 상기 전극 홀더(7.1)의 내벽 사이의 접촉면은 상기 고정 부재(7.2) 또는 상기 전극 홀더(7.1)와 상기 방출 삽입부(7.3)의 결합 영역에서, 상기 결합 영역의 전체 표면의 적어도 90%, 바람직하게 적어도 93%, 및 특히 바람직하게 적어도 96%로 관찰되는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 절단 토치용 전극 구조부.
  5. 제 1항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 균등화 통로는 세로 방향 중앙축 M과 평행이거나 상기 세로 방향 중앙축 M에 대한 각도 ε로 경사지며, 경사각 ε는 최대 45°, 바람직하게 최대 30° 및 특히 바람직하게 최대 15°인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 절단 토치용 전극 구조부.
  6. 제 1항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보어홀 또는 오목부(7.2.1, 7.4)는 개부부에서 시작하여 끝이 점점 가늘어지는 원뿔 형상 및/또는 계단형 내부 직경 또는 자유 단면을 가지는 적어도 하나의 영역에 형성되며,
    상기 고정 부재(7.2) 및/또는 상기 방출 삽입부(7.3)의 상기 외부 자켓 표면(7.2.2, 7.2.4, 7.3.2)은 상기 적어도 하나의 영역에 상호 보완적으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 절단 토치용 전극 구조부.
  7. 제 1항 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고정 부재(7.2) 및/또는 상기 방출 삽입부(7.3)의 상기 외부 자켓 표면(7.2.2, 7.2.4, 7.3.2)은 세로 방향 중앙축 M에 대하여 1~5°, 바람직하게 1~3°의 각도 γ로 경사지고 및/또는 챔퍼는 10~40°, 바람직하게 10~20°의 각도를 가지는 반지름 방향의 외부 단면 에지(radially outer end face edge)에 형성되는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 절단 토치용 전극 구조부.
  8. 제 1항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상승부(7.2.10, 7.3.9)는 상기 고정 부재(7.2) 및/또는 상기 방출 삽입부(7.3)의 상기 외부 자켓 표면에 형성된 그루브(7.2.3, 7.2.5, 7.3.3)의 적어도 하나의 외부 여유부(outer margin)에서 상기 그루브(7.2.3, 7.2.5, 7.3.3)에 의해 형성된 상기 압력 균등화 통로에 형성되는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 절단 토치용 전극 구조부.
  9. 제 1항 내지 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상승부(7.3.9)는 그루브(7.2.3, 7.2.5, 7.3.3) 및 상기 전극 홀더(7.1) 또는 상기 고정 부재(7.2)의 상기 보어홀 또는 오목부(7.2.1, 7.4)의 내벽(7.1.4) 사이의 전이부(transition)를 따라 형성되는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 절단 토치용 전극 구조부.
  10. 제 1항 내지 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    프레스 피트(press fit)가 수행되도록 상기 보어홀(7.2.1, 7.4)의 직경, 상기 전극 홀더(7.1) 및/또는 상기 고정 부재(7.2)에서 상기 오목부의 자유 단면 및 결합을 위해 상기 보어홀 또는 오목부(7.2.1, 7.4)에 삽입될 수 있는, 상기 고정 부재(7.2) 및/또는 상기 방출 삽입부(7.3)의 상기 외부 자켓 표면(7.2.2, 7.2.4, 7.3.2)의 외부 직경이 선택되는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 절단 토치용 전극 구조부.













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