KR20180129930A - 노즐들 및 다른 소모품들을 포함하는 플라즈마 아크 절단 시스템 및 관련된 작동 방법들 - Google Patents

노즐들 및 다른 소모품들을 포함하는 플라즈마 아크 절단 시스템 및 관련된 작동 방법들 Download PDF

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Abstract

액냉식 플라즈마 아크 토치를 위한 노즐이 제공된다. 노즐은 말단 단부, 선단 단부, 및 길이 방향 축을 가지는 열 전도성 본체를 포함한다. 노즐은 또한, 열 전도성 본체─길이 방향 축은 열 전도성 본체를 통해 연장함─의 말단 단부에 플라즈마 아크 출구 오리피스를 포함한다. 노즐은 또한, 열 전도성 본체의 외부 표면 주위에 원주 방향으로 위치되는 냉각 웨이스트를 포함한다. 냉각 웨이스트는 액체 유입구 경사부, 액체 유출구 경사부 및 액체 유입구 경사부와 액체 유출구 경사부 사이에 열 교환 구역을 포함한다. 열 교환 구역은 길이 방향 축에 실질적으로 평행하게 연장하며, 그리고 액체 유입구 경사부 및 액체 유출구 경사부는 길이 방향 축에 대체로 수직으로 배향된다.

Description

노즐들 및 다른 소모품들을 포함하는 플라즈마 아크 절단 시스템 및 관련된 작동 방법들
[0001] 본 출원은 2016년 4월 11일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호62/320,935호에 대한 이익 및 우선권을 주장하며, 이는 본 출원의 양수인에 의해 소유되고 그리고 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다.
[0002] 본 발명은 일반적으로, 플라즈마 아크 절단 시스템들 및 공정들의 분야에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명은 개선된 소모가능한 컴포넌트들(예컨대, 노즐들) 및 플라즈마 아크 토치를 냉각하기 위한 작동 방법들에 관한 것이다.
[0003] 플라즈마 아크 토치들은 재료들의 고온 처리(예컨대, 가열, 절단, 가우징(gouging) 및 마킹(marking))을 위해 널리 사용된다. 플라즈마 아크 토치는 일반적으로, 토치 헤드(torch head), 토치 헤드 내에 장착되는 전극, 전극의 보어 내에 배치되는 방사형 인서트(emissive insert), 토치 헤드 내에 장착되는 중앙 출구 오리피스를 갖는 노즐, 차폐부, 전기 연결부들, 냉각을 위한 통로들, 아크 제어 유체들(예컨대, 플라즈마 가스)을 위한 통로들 및 전원 공급 장치를 포함한다. 선회 링(swirl ring)은 전극과 노즐 사이에 형성되는 플라즈마 챔버 내의 유체 유동 패턴들을 제어하는 데 사용될 수 있다. 일부 토치들에서, 유지 캡(retaining cap)은 플라즈마 아크 토치에 노즐 및/또는 선회 링을 유지하는 데 사용된다. 작동 시에, 토치는 플라즈마 아크를 발생시키며, 이 플라즈마 아크는 용융된 금속의 제거를 돕기 위한 고온 및 충분한 모멘텀(momentum)을 갖는 이온화된 가스의 제한된(constricted) 제트이다. 토치에서 사용된 가스들은 비반응성(예컨대, 아르곤 또는 질소)이거나, 반응성(예컨대, 산소 또는 공기)일 수 있다.
[0004] 플라즈마 아크 토치를 위한 설계 고려 사항들은 냉각에 대한 특징들을 포함하는데, 왜냐하면 생성된 플라즈마 아크가 10,000℃ 초과의 온도를 발생시킬 수 있으며, 이는, 제어되지 않는다면, 토치, 특히 노즐을 파괴할 수 있기 때문이다. 즉, 노즐의 침식 속도는 노즐에서의 냉각 효율성에 의해 영향을 받는다. 효율적인 냉각은 상대적으로 낮은 온도를 유지하는 것을 도울 수 있으며, 이는 보다 낮은 침식 속도로 이어진다. 종래 기술의 노즐들, 예컨대 미국 특허 제 8,772,667호에서 설명된 노즐들은, 챔버를 통해 그리고 챔버를 따른 유체 유동들이 노즐의 대류(convective) 냉각을 촉진하는 것을 허용하도록 구성되는 도넛형 챔버(toroidal chamber)를 포함한다. 구체적으로, 유체는 노즐의 일 측으로부터 챔버에 진입하고, 노즐의 다른 측으로 챔버 내에서 노즐 주위를 유동하고, 그리고 노즐의 반대 측으로부터 노즐을 빠져나온다. 이러한 대류 냉각은 유체 유동에서 난류를 촉진시키는 경향이 있고 그리고, 냉각 유체가 노즐의 일 측에 진입하고 더 가온적인 온도로 반대 측으로부터 빠져나오기 때문에, 냉각 시에 비균일을 초래한다. 실질적으로 노즐의 전체 원주 주위에 균일한 냉각을 가능하게 하면서, 매끄러운 유체 층류들을 제공할 수 있는 노즐 냉각 특징들에 대한 요구가 존재한다.
[0005] 따라서, 본 발명의 목적은 노즐들을 통한 냉매 유동을 최적화하는 노즐 설계들을 제공하며, 이에 의해 노즐들의 서비스 수명을 개선시키고 그리고 절단 품질을 증가시키는 것이다. 일부 실시예들에서, 냉각 웨이스트(cooling waist)는 노즐의 주변부 주위에 냉매 층류 및 균일한 노즐 냉각을 가능하게 하기 위해 노즐의 외부 표면 주위에 제공된다.
[0006] 일 양태에서, 액냉식 플라즈마 아크 토치를 위한 노즐이 제공된다. 노즐은 열 전도성 본체를 포함하며, 열 전도성 본체는 말단 단부, 선단 단부, 및 열 전도성 본체를 통해 연장하는 길이 방향 축을 갖는다. 노즐은 또한, 열 전도성 본체의 말단 단부에 플라즈마 아크 출구 오리피스를 포함한다. 노즐은 또한, 열 전도성 본체의 외부 표면 주위에 원주 방향으로 위치되는 냉각 웨이스트를 포함한다. 냉각 웨이스트는 액체 유입구 경사부, 액체 유출구 경사부 및 액체 유입구 경사부와 액체 유출구 경사부 사이의 열 교환 구역을 포함한다. 열 교환 구역은 길이 방향 축에 실질적으로 평행하게 연장하며, 그리고 액체 유입구 경사부 및 액체 유출구 경사부는 길이 방향 축에 대체로 수직으로 배향된다. 노즐은 액체 유출구 경사부와 열 전도성 본체의 말단 단부 사이에 위치되는 제1 밀봉 부재, 및 열 전도성 본체의 선단 단부와 액체 유입구 경사부 사이에 위치되는 제2 밀봉 부재를 더 포함한다.
[0007] 일부 실시예들에서, 액체 유입구 경사부 및 액체 유출구 경사부는 길이 방향 축에 대해 상이한 축 방향 위치들에 있다. 일부 실시예들에서, 액체 유입구 경사부는, 플라즈마 아크 토치의 다른 컴포넌트와 노즐을 축 방향으로 정렬시키도록 구성되는 축 방향 정렬 플랜지를 포함한다.
[0008] 일부 실시예들에서, 냉각 웨이스트는 일반적으로 본체의 중심 부분에 위치된다. 일부 실시예들에서, 냉각 웨이스트는 냉각 웨이스트를 통한 액체 냉매의 층류(laminar flow)를 가능하게 하도록 구성되어, 액체 유입구 경사부에 진입하는 액체 냉매는 액체 유출구 경사부로부터 빠져나오는 액체 냉매와 실질적으로 섞이지 않는다.
[0009] 일부 실시예들에서, 노즐은 제2 밀봉 부재와 본체의 선단 단부 사이에 위치되는 제3 밀봉 부재를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 통기 홀은 제3 밀봉 부재와 제2 밀봉 부재 사이에 위치된다. 통기 홀은 본체의 외부 표면에 본체의 내부 표면을 연결시키도록 구성된다. 공급 홀은 제3 밀봉 부재와 본체의 선단 단부 사이에 위치된다. 공급 홀은 본체의 내부 표면에 본체의 외부 표면을 연결시키도록 구성된다. 통기 홀은 제1 밀봉 부재와 본체의 말단 단부 사이에 위치된다. 통기 홀은 차폐 가스 공급 채널에 본체의 내부 표면을 연결시키도록 구성된다.
[0010] 일부 실시예들에서, 유지 캡은 냉각 웨이스트와 함께 챔버를 규정하기 위해 노즐 본체의 외부 표면에 커플링된다. 일부 실시예들에서, 챔버는 약 0.03 세제곱 인치의 체적을 갖는다.
[0011] 다른 양태에서, 액냉 플라즈마 토치를 위한 노즐이 제공된다. 노즐은 본체를 포함하고, 본체는 말단 단부, 선단 단부, 및 본체를 통해 연장하는 길이 방향 축을 갖는다. 노즐은 또한, 본체의 말단 단부에 배치되는 플라즈마 아크 출구 오리피스(plasma arc exit orifice)를 포함한다. 노즐은 또한, 말단 단부와 선단 단부 사이에 본체의 외부 표면 상에 중심에 위치되는 냉각 수단을 포함한다. 냉각 수단은 본체 주위에 원주 방향으로 배향된다. 냉각 수단은 액체 냉매를 수용하기 위한 유입구 수단 및 층류 패턴으로 액체 냉매를 반경 방향 바깥쪽으로 재지향시키기 위한 유출구 수단을 갖는다. 유입구 수단 및 유출구 수단은 서로 축 방향으로 이격된다. 노즐은 유출구 수단와 본체의 말단 단부 사이에 위치되는 제1 밀봉 수단, 및 유입구 수단과 본체의 선단 단부 사이에 위치되는 제2 밀봉 수단을 더 포함한다.
[0012] 일부 실시예들에서, 노즐은 본체에 배치되는 적어도 하나의 통기 수단을 포함한다. 일부 실시예들에서, 냉각 수단은, 유입구 수단에서의 액체 냉매가 유출구 수단에서의 액체 냉매와 섞이는 것을 방지하도록 구성된다.
[0013] 또 다른 양태에서, 플라즈마 아크 토치에서 플라즈마-절단 노즐을 액냉시키기 위한 방법이 제공된다. 노즐은 본체를 가지며, 본체는 말단 단부, 선단 단부, 및 본체를 통해 연장하는 길이 방향 축을 갖는다. 냉각 웨이스트는 말단 단부와 선단 단부 사이에 본체의 중심 부분에 본체의 외부 표면 주위에 원주 방향으로 위치된다. 본 방법은 길이 방향 축에 대체로 수직인 각도로 냉각 웨이스트의 유입구 경사부를 따라 액체 냉매 유동을 지향시키는 단계를 포함한다. 본 방법은 또한, 길이 방향 축에 실질적으로 평행한 냉각 웨이스트의 열 교환 구역을 따라 액체 냉매 유동을 전하는 단계를 포함한다. 열 교환 구역은 냉각 웨이스트의 유입구 경사부와 유출구 경사부 사이에 위치된다. 본 방법은 길이 방향 축에 대체로 수직인 각도로 노즐로부터 반경 방향으로 멀어지게 유출구 경사부 위로 액체 냉매 유동을 지향시키는 단계를 더 포함하며, 유출구 경사부는 유입구 경사부에 멀리 있다. 냉각 웨이스트를 통한 액체 냉매 유동은 실질적으로 층류를 포함하여, 유입구 경사부를 통한 액체 냉매 유동은 유출구 경사부 위에서의 액체 냉매 유동과 실질적으로 섞이지 않는다.
[0014] 일부 실시예들에서, 본 방법은 유출구 경사부와 본체의 말단 단부 사이의 제1 밀봉 위치, 본체의 선단 단부와 유입구 경사부 사이의 제2 밀봉 위치, 및 제2 밀봉 부재와 본체의 선단 단부 사이의 제3 밀봉 위치 중 하나 또는 그 초과에서 노즐을 밀봉시키는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 본 방법은 제3 밀봉 위치와 제2 밀봉 위치 사이에 위치되는 제1 통기 홀 및 제1 밀봉 위치와 본체의 말단 단부 사이의 제2 통기 홀 중 적어도 하나를 통해 가스 유동의 적어도 일부분을 통기시키는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 본 방법은 제3 밀봉 위치와 본체의 선단 단부 사이에 위치되는 공급 홀을 통해 노즐의 내부 구역 내로 가스 유동을 공급하는 단계를 더 포함한다.
[0015] 일부 실시예들에서, 본 방법은 냉각 웨이스트와 함께 챔버를 생성하기 위해 본체의 외부 표면에 유지 캡을 커플링시키는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 챔버는 약 0.03 세제곱 인치의 체적을 갖는다.
[0016] 일부 실시예들에서, 본 방법은 유입구 경사부에서 축 방향 정렬 플랜지를 사용하여 플라즈마 아크 토치 내의 다른 컴포넌트에 대해 노즐을 축 방향으로 정렬시키는 단계를 포함한다.
[0017] 일부 실시예들에서, 본 방법은 약 170 암페어 또는 그 미만으로 상기 플라즈마 아크 토치를 작동시키는 단계를 포함한다.
[0018] 추가의 이점들과 함께, 전술된 본 발명의 이점들은 첨부되는 도면들과 연계하여 취해진 다음의 설명을 참조함으로써 더 양호하게 이해될 수 있다. 도면들은 반드시 실척일 필요는 없으며, 대신에 일반적으로 본 발명의 원리들을 예시할 때 강조된다.
[0019] 도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 냉각 웨이스트(waist)를 가지는 노즐을 갖는 액냉식(liquid-cooled) 플라즈마 아크 토치의 횡단면도이다.
[0020] 도 2a 및 도 2b는 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 도 1의 노즐의 등축도 및 단면도이다.
[0021] 도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 냉각 웨이스트를 가지는 노즐을 갖는 다른 플라즈마 아크 토치의 횡단면도이다.
[0022] 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 예시적 실시예에 따라, 도 3의 노즐의 등축도 및 단면도이다.
[0023] 도 5는 본 발명의 예시적 실시예에 따라, 플라즈마 아크 토치에서 플라즈마-절단 노즐을 액냉시키기(liquid cooling) 위한 공정을 예시하는 다이어그램이다.
[0024] 도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 냉각 웨이스트(111)를 가지는 노즐(110)을 갖는 액냉식 플라즈마 아크 토치(100)의 횡단면도이다. 플라즈마 아크 토치(100)는 전류 링(current ring)(122)를 가지는 토치 본체(102) 및 다수의 소모품들, 예컨대, 전극(105), 노즐(110), 내부 유지 캡(115), 외부 유지 캡(116), 선회 링(120), 및 차폐부(125)를 가지는 토치 팁(104)을 포함한다. 토치 팁(104)에서, 노즐(110)은 전극(105)으로부터 이격되고 그리고 중심 노즐 출구 오리피스(central nozzle exit orifice)(106)를 갖는다. 선회 링(120)은 전극(105) 주위에 장착되고 그리고 플라즈마 가스 유동에 접선 속도 성분을 부여하도록 구성되며, 이에 의해 플라즈마 가스 유동이 선회하는 것을 유발시킨다. 내부 유지 캡(115)은 노즐(110)을 토치 본체(102)에 유지하고 그리고 토치(100)의 길이 방향 축에 대해 노즐(110)을 반경 방향으로 그리고/또는 축 방향으로 포지셔닝하기 위해 토치 본체(102)에 단단히 연결된다(예컨대, 나사결합된다(threaded)). 차폐 출구 오리피스(107)를 포함하는 차폐부(125)는, 토치 본체(102)에 차폐부(125)를 고정시키는 외부 유지 캡(116)에 연결된다. 일부 실시예들에서, 노즐 출구 오리피스(106) 및 선택적으로, 차폐 출구 오리피스(107)는 플라즈마 아크 출구 오리피스를 규정하며, 이 플라즈마 아크 출구 오리피스를 통해, 플라즈마 아크는 아크 작동 동안 가공물로 전달된다. 토치(100)는 또한, 전기 연결부들, 냉각을 위한 통로들, 아크 제어 유체들(예컨대, 플라즈마 가스)을 위한 통로들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 1의 액냉식 플라즈마 아크 토치(100)는 약 80 암페어의 전류로 작동된다.
[0025] 도 2a 및 도 2b는 각각, 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 도 1의 노즐(110)의 등축도 및 단면도이다. 도시되는 바와 같이, 노즐(110)은 세장형, 열 전도성 본체를 통해 연장하는 길이 방향 축(A)을 규정하는 세장형, 열 전도성 본체를 가지고, 그리고 길이 방향 축(A)을 따라 말단 단부/부분(202), 중심 부분(204), 및 선단 단부/부분(206)을 포함한다. 노즐 본체의 말단 단부(202)는 플라즈마 제트가 노즐(110)을 빠져나오게 하는 노즐 출구 오리피스(106)를 규정하도록 구성된다.
[0026] 일부 실시예들에서, 중심 부분(204)은 노즐(110)의 적어도 일부분 위에서 액체 유동을 전하기 위한 노즐(110)의 외부 표면 주위에 원주 방향으로 위치되는 냉각 웨이스트(111)를 규정한다. 일부 실시예들에서, 냉각 웨이스트(111)는 길이 방향 축(A)을 따라 노즐(110)의 길이의 적어도 약 20%로 연장한다. 도 2a 및 도 2b에서 도시되는 바와 같이, 냉각 웨이스트(111)는 일반적으로 길이 방향 축(A)을 따라 노즐(110)의 중간에 위치된다.
[0027] 냉각 웨이스트(111)는 액체 유입구 경사부(210), 액체 유출구 경사부(212) 및 액체 유입구 경사부(210)와 액체 유출구 경사부(212) 사이의 열 교환 구역(214)을 포함한다. 예시되는 바와 같이, 액체 유입구 경사부(210)는 액체 유출구 경사부(212)에 가까운 열 교환 구역(214)에 가까워서, 액체 유입구 경사부(210) 및 액체 유출구 경사부(212)는 (길이 방향 축(A)에 대해) 상이한 축 방향 위치들에서 열 교환 구역(214)에 의해 분리된다. 일부 실시예들에서, 열 교환 구역(214)은 길이 방향 축(A)에 대해 실질적으로 평행하게 연장하는 반면, 액체 유입구 경사부(210) 및 액체 유출구 경사부(212)의 각각은 열 교환 구역(214)에 대해(즉, 길이 방향 축(A)에 대해) 0이 아닌 각도로 배향된다. 일부 실시예들에서, 길이 방향 축(A)을 따른(즉, 액체 유입구 경사부(210)의 외부 에지로부터 액체 유출구 경사부(212)의 외부 에지로 연장하는) 냉각 웨이스트(111)의 길이는 약 0.25인치이다. 길이 방향 축(A)에 따른 상대적으로 평탄한 열 교환 구역(214)의 길이는 약 0.188인치이다. 일부 실시예들에서, 액체 유입구 경사부(210) 및 액체 유출구 경사부(212)는 길이 방향 축(A)에 대체로 수직으로 배향된다. 일부 실시예들에서, 부분적으로 유입구 경사부(210)와 유출구 경사부(212) 사이의 축 방향 분리로 인해, 냉각 웨이스트(111)는 냉각 웨이스트를 통한 액체 냉매의 바깥쪽 반경 방향의 층류를 가능하게 하도록 구성되어, 액체 유입구 경사부(210)에 진입하는 액체 냉매는 액체 유출구 경사부(212)로부터 빠져나오는 액체 냉매와 실질적으로 섞이지 않는다. 액체 냉매의 층류가 바람직한데, 왜냐하면 이 층류는 토치(100)를 통해 액체 냉매의 더 매끄러운 유동을 제공하기 때문이다. 액체 냉매가 하나의 토치 컴포넌트로부터 다른 것으로 이동하도록 적응되기 때문에, 층의 냉매 유동은 일반적으로 냉각 회로에 걸쳐 더 적은 압력 강하를 초래한다.
[0028] 일부 실시예들에서, 액체 유출구 경사부(212)와 말단 단부(202) 사이의 노즐 본체의 부분은 그 외부 표면 상에 홈(216)을 규정하며, 여기서 홈(216)은 탄성중합체일 수 있는 제1 밀봉 부재(218), 예컨대 오-링(o-ring)을 하우징하도록 구성된다. 노즐(110)이 플라즈마 아크 토치(100) 내로 설치될 때, 노즐(110)과 인접한 내부 유지 캡(115) 사이의 표면-대-표면(surface-to-surface) 접촉은 그 구역에서 노즐(110)과 내부 유지 캡(115) 사이에 액밀식 밀봉부를 제공하기 위해 홈(216)에서 제1 밀봉 부재(218)을 변형시킨다.
[0029] 일부 실시예들에서, 액체 유입구 경사부(210)와 선단 단부(206) 사이의 노즐 본체의 부분은 그 외부 표면 상에 적어도 하나의 홈(220)을 규정하며, 여기서 홈(220)은 탄성중합체일 수 있는 제2 밀봉 부재(222), 예컨대 오-링을 하우징하도록 구성된다. 노즐(110)이 플라즈마 아크 토치(100) 내로 설치될 때, 노즐(110)과 인접한 내부 토치 컴포넌트, 예컨대 도 1의 전류 링(122) 사이의 표면-대-표면 접촉은 이러한 구역에서 노즐(110)과 전류 링(122) 사이에 액밀식 밀봉을 제공하기 위해 홈(220)에서 제2 밀봉 부재(222)를 변형시킨다. 일반적으로, 밀봉 부재들(218 및 222)은 냉각 웨이스트(111) 내로 냉매 유동을 제한하도록 구성된다. 일부 경우들에서, 노즐(110)에는 제2 밀봉 부재(222)와 노즐(110)의 선단 단부(206) 사이의 노즐 본체의 외부 표면 상에 위치되는 홈(224)에서 하우징되는 제3 밀봉 부재(226)가 제공된다. 따라서, 제3 밀봉 부재(226)는 제2 밀봉 부재(222)에 축 방향으로 가깝게 있다. 제3 밀봉 부재(226)는 노즐(110)과 전류 링(122) 사이에 다른 액밀식 밀봉을 제공하도록 구성된다.
[0030] 일부 실시예들에서, 액체 유입구 경사부(210)는 노즐 본체의 외부 표면으로부터 반경 방향으로 연장하는 정렬 플랜지(228)를 포함한다. 정렬 플랜지(228)는 플라즈마 아크 토치(100)의 조립 동안 토치(100)의 다른 컴포넌트, 예컨대 전류 링(122)과 노즐(110)을 축 방향으로 정렬하도록 구성된다. 따라서, 액체 유입구 경사부(210)는 액체 유출구 경사부(212)보다 길이 방향 축(A)에 수직인 방향으로 더 높게 연장되도록 적응된다.
[0031] 일부 실시예들에서, 공급 홀(232)은 제3 밀봉 부재(226)와 노즐 본체의 선단 단부(206) 사이에 포지셔닝된다. 공급 홀(232)은 플라즈마 가스의 공급을 노즐(110)의 내부 구역 내로 반경 방향으로 전하기 위해 노즐 본체의 외부 표면을 노즐 본체의 내부 표면에 연결시키도록 구성된다. 제3 밀봉 부재(226)는 공급 홀(232)을 통해 그리고 노즐(110)과 선회 링(120) 사이의 영역 내로 유동하도록 플라즈마 가스를 지향시키는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 통기(vent) 홀(230)은 제1 밀봉 부재(218)와 노즐 본체의 말단 단부(202) 사이에 포지셔닝된다. 통기 홀(230)은 플라즈마 가스 유동을 노즐(110)로부터 반경 방향으로 멀어지게 전하기 위해 노즐 본체의 내부 표면을 노즐 본체의 외부 표면에 연결시키도록 구성된다. 예를 들어, 통기 홀(230)은 도 1에서 도시되는 바와 같이 노즐(110)의 외부 표면과 차폐부(125)의 내부 표면 사이에서 차폐 가스 공급 채널(234)과 유체 연통한다. 작동 시에, 노즐(110)로부터의 플라즈마 가스 유동은 차폐 가스 공급 채널(234)에서 차폐 가스를 보충하기 위해 통기 홀(230)을 통해 채널(234)로 통기될 수 있다. 차폐 가스 채널(234) 내로 통기되는 플라즈마 가스는 차폐 가스를 예열하도록 적응되며, 이는 토치(100)에 의한 절단부로 더 많은 열 에너지를 추가하고 그리고 더 많은 보조 가스가 절단 동안 생성되는 용융된 금속을 이동시키는 것을 허용한다.
[0032] 일부 실시예들에서, 통기 홀(도 1에서 도시되지 않지만, 도 3에서 통기 홀(336)로서 도시됨)은 제2 밀봉 부재(222)와 제3 밀봉 부재(226) 사이에 포지셔닝된다. 통기 홀은 플라즈마 가스 유동을 노즐(110)로부터 반경 방향으로 멀어지게 전하기 위해 노즐 본체의 내부 표면을 노즐 본체의 외부 표면에 연결시키도록 구성된다. 통기 홀은 통기 통로에 연결되도록 적응되며, 이는 토치(100)로부터의 이온화된 플라즈마 가스가 대기로 통기하는 것을 허용한다.
[0033] 일부 실시예들에서, 냉각 웨이스트(111)의 노즐(110)의 외부 표면 및 인접한 유지 캡(115)의 내부 표면은 도 1에서 예시되는 바와 같이, 냉매 챔버(208)를 함께 규정한다. 냉매 챔버(208)는 약 0.03 세제곱(cubic) 인치의 체적을 가질 수 있다. 냉매 챔버(208)는 노즐(110)의 다른 섹션들에 대한 전도성 냉각(conductive cooling)을 가능하게 하도록 구성된다. 예를 들어, 냉매 챔버(208)의 상대적으로 넓은 폭은 냉각 유체가 이 냉매 챔버를 통해 신속하게 이동하는 것을 허용하며, 그리고 결과적인 높은 속도의 유동은 냉각을 촉진한다.
[0034] 도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 냉각 웨이스트(311)를 가지는 노즐(310)을 갖는 다른 플라즈마 아크 토치(300)의 횡단면도이다. 플라즈마 아크 토치(300)는 약 130 암페어의 전류로 작동될 수 있다. 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 도 3의 노즐(310)의 등축도 및 단면도이다. 노즐 웨이스트(311)를 포함하는 노즐(310)은 도 1, 도 2a 및 도 2b의 노즐(110) 및 노즐 웨이스트(111) 각각과 실질적으로 유사하다. 예를 들어, 노즐(110)처럼, 노즐(310)은 제1 밀봉 부재(318)(밀봉 부재(218)에 대응함), 제2 밀봉 부재(322)(밀봉 부재(222)에 대응함), 및 제3 밀봉 부재(326)(밀봉 부재(226)에 대응함)를 포함한다. 통기 홀(336)은 플라즈마 가스 유동을 노즐(310)로부터 반경 방향으로 멀어지게 그리고 토치 본체 내로 전하기 위해 제2 밀봉 부재(322)와 제3 밀봉 부재(326) 사이에 포지셔닝된다. 도시되는 바와 같이, 노즐(310)은 또한, 플라즈마 가스의 공급을 노즐(310)의 내부 구역 내로 반경 방향으로 전하기 위해 제3 밀봉 부재(326)와 노즐(310)의 선단 단부 사이에 포지셔닝되는, 노즐(110)의 공급 홀(232)처럼, 공급 홀(332)을 포함한다. 일반적으로, 제2 밀봉 부재(322)는 웨이스트(111)의 냉각 유체와 통기된 플라즈마 가스를 유체식으로 절연하도록 구성되며, 그리고 제3 밀봉 부재(326)는 공급 홀(332)을 통해 선회 링(120) 내로 유동하는 플라즈마 가스 공급부와 통기된 플라즈마 가스를 유체식으로 절연하도록 구성된다.
[0035] 일반적으로, 냉각 웨이스트를 갖는 노즐, 예컨대 도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조로 하여 전술된 노즐(110) 및 도 3, 도 4a 및 도 4b를 참조로 하여 전술된 노즐(310)은 액체 냉각을 요구하는 다양한 플라즈마 아크 토치들 내로 포함될 수 있다. 예를 들어, 본 출원에서 설명되는 노즐 및 냉각 웨이스트는 약 170암페어 또는 그 미만으로, 예컨대 약 170암페어, 약 130암페어, 및/또는 약 80암페어로 작동되는 액냉식 토치들에 설치될 수 있다.
[0036] 도 5는 본 발명의 예시적 실시예에 따라, 플라즈마 아크 토치에서 플라즈마-절단 노즐을 액냉시키기 위한 공정(600)을 예시하는 다이어그램이다. 플라즈마-절단 노즐은 냉각 웨이스트, 예컨대 도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조로 하여 전술된 노즐(110) 또는 도 3, 도 4a 및 도 4b를 참조로 하여 전술된 노즐(310)을 포함한다. 예시의 목적을 위해, 공정(600)은 노즐(110)을 참조로 하여 설명된다. 냉각 동안, 액체 냉매 유동은 0이 아닌 각도로, 예컨대 길이 방향 축(A)에 대체로 수직인 각도로 노즐(110)의 냉각 웨이스트(111)의 유입구 경사부(210)를 따라 지향된다(단계 602). 액체 냉매 유동은 도 1에서 도시되는 바와 같이, 내부 유지 캡(115)의 내부 표면에 의해 부분적으로 형성되는 냉매 노즐 공급 채널(242)을 통해 토치 본체(102)로부터 유입구 경사부(210)로 도입되도록 적응된다. 냉각 웨이스트(111)의 열 교환 구역(214)은 그 후, 노즐(110)의 유출구 경사부(212)를 향하는 말단 방향으로 축 방향으로 액체 냉매 유동을 전하며(단계 604), 여기서 열 교환 구역(214)은 길이 방향 축(A)에 실질적으로 평행하다. 냉각 웨이스트(111)의 유출구 경사부(212)는 영이 아닌 각도로, 예컨대 길이 방향 축(A)에 대체로 수직인 각도로 노즐(110)로부터 멀어지게 바깥쪽으로 반경 방향으로 액체 냉매 유동을 추가적으로 지향시킨다(단계 606).
[0037] 일부 실시예들에서, 액체 냉매의 반경 방향 바깥쪽의 유동은 액체 냉매 유동이, 도 1에서 예시되는 바와 같이, 내부 유지 캡(115)의 외부 표면과 차폐부(125)의 내부 표면 사이에 규정되는 냉매 차폐 채널(244)을 따라 이동하는 것을 허용한다. 노즐 냉각 웨이스트(111)의 유출구 경사부(212)와 유체 연통하는 냉매 차폐 채널(244)은 차폐부(125) 및 외부 유지 캡(116)을 추가적으로 냉각하기 위해 토치 본체(104)를 향하여 가깝게 냉매 유동을 전한다. 이러한 냉매 유동 패턴은 노즐(110)로부터 차폐부(125)로 냉매 유동을 재지향시키는 데 사용되는 토치(100)에서의 공간을 감소시키는 이점을 갖는다. 특별히, 이는 냉매가 토치(100) 내로 다시 루팅되지(routed) 않고, 노즐(110)로부터 차폐부(125)로 직접적으로 유동하는 것을 허용한다.
[0038] 일부 실시예들에서, 냉각 웨이스트(111)를 통한 액체 냉매 유동은 실질적으로 층류를 형성하여, 유입구 경사부(210)에 진입하는 액체 냉매는 유출구 경사부(212)로부터 빠져나오는 액체 냉매와 실질적으로 섞이지 않는다. 추가적으로, 유입구 경사부(210)로부터 유출구 경사부(212)로의 축 방향 액체 유동은 노즐(110)의 원주 주위에서 실질적으로 균일하다. 예를 들어, 냉매 유동은 노즐(110)의 실질적으로 전체 원주 주위에서 유입구 경사부(210)에 진입한다. 냉매 유동은 그 후, 노즐(110)의 원주 주위에서 균일하게 열 교환 구역(214)을 냉각시킨다. 냉매 유동은 노즐(110)의 원주 주위에서 유출구 경사부(112)를 통해 멀리 지향된다. 냉매 유동은 냉각 웨이스트(111) 내에서 측 방향으로 또는 원주 방향으로 이동하지 않고, 길이 방향 축(A)에 평행한 방향으로 이동한다. 액체 냉매 유동은 또한, 노즐(110)의 하나의 측 방향 측면으로부터 진입하지 않고 그리고 다른 측면으로부터 빠져나오지 않는다. 오히려, 액체 냉매 유동은 노즐(110)의 길이 방향 축에 일반적으로 평행한 직선 경로에서 노즐(110)의 동일한 측면에 진입하고 이 동일한 측면으로부터 빠져나오도록 적응된다.
[0039] 일부 실시예들에서, 공정(600)은 노즐 본체에 배치되는 공급 홀, 예컨대, 도 1의 노즐(110)의 제3 밀봉 부재(226)와 선단 단부(206) 사이에 위치되는 공급 홀(232) 또는 도 3의 노즐(310)의 제3 밀봉 부재(326)와 선단 단부 사이에 위치되는 공급 홀(332)을 통해 노즐(110)의 내부 구역 내로 플라즈마 가스 유동을 공급하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 공정(600)은 하나 또는 그 초과의 통기 홀들, 예컨대 노즐(310)의 제3 밀봉 부재(326)와 제2 밀봉 부재(322) 사이에 위치되는 노즐(310)의 통기 홀(336) 및/또는 노즐(110)의 제1 밀봉 부재(218)와 말단 단부(202) 사이에 위치되는 노즐(110)의 통기 홀(230)을 통해 가스 유동의 적어도 일부분을 통기하는 단계를 포함한다.
[0040] 본 발명의 다양한 양태들 및 실시예들이 다양한 방식들로 조합될 수 있는 것이 이해되어야 한다. 본 출원의 교시들에 기초하여, 당업자는 이러한 다양한 실시예들을 어떻게 조합할지를 용이하게 결정할 수 있다. 수정들이 본 출원을 읽을 때 당업자에게 또한 발생할 수 있다.

Claims (22)

  1. 액냉식 플라즈마 아크 토치(liquid-cooled plasma arc torch)를 위한 노즐(nozzle)로서, 상기 노즐은:
    말단 단부, 선단 단부, 및 길이 방향 축을 가지는 열 전도성 본체─상기 길이 방향 축은 상기 본체를 통해 연장함─;
    상기 열 전도성 본체의 말단 단부에 있는 플라즈마 아크 출구 오리피스;
    상기 열 전도성 본체의 외부 표면 주위에 원주 방향으로 위치되는 냉각 웨이스트(cooling waist)─상기 냉각 웨이스트는 액체 유입구 경사부, 액체 유출구 경사부 및 상기 액체 유입구 경사부와 상기 유출구 경사부 사이에 열 교환 구역을 포함하며, 상기 열 교환 구역은 상기 길이 방향 축에 실질적으로 평행하게 연장하며, 그리고 상기 액체 유입구 경사부 및 상기 액체 유출구 경사부는 상기 길이 방향 축에 일반적으로 수직으로 배향됨─;
    상기 액체 유출구 경사부와 상기 열 전도성 본체의 말단 단부 사이에 위치되는 제1 밀봉 부재; 및
    상기 열 전도성 본체의 선단 단부와 상기 액체 유입구 경사부 사이에 위치되는 제2 밀봉 부재를 포함하는,
    액냉식 플라즈마 아크 토치를 위한 노즐.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 액체 유입구 경사부 및 상기 액체 유출구 경사부는 상기 길이 방향 축에 대해 상이한 축 방향 위치들에 있는,
    액냉식 플라즈마 아크 토치를 위한 노즐.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 냉각 웨이스트는 상기 냉각 웨이스트를 통한 액체 냉매의 층류(laminar flow)를 가능하게 하도록 구성되어, 상기 액체 유입구 경사부에 진입하는 액체 냉매는 상기 액체 유출구 경사부로부터 빠져나오는 액체 냉매와 실질적으로 섞이지 않는,
    액냉식 플라즈마 아크 토치를 위한 노즐.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 액체 유입구 경사부는 상기 플라즈마 아크 토치의 다른 컴포넌트와 상기 노즐을 축 방향으로 정렬시키도록 구성되는 축 방향 정렬 플랜지를 포함하는,
    액냉식 플라즈마 아크 토치를 위한 노즐.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 냉각 웨이스트는 대체로 상기 본체의 중심 부분에 위치되는,
    액냉식 플라즈마 아크 토치를 위한 노즐.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 밀봉 부재와 상기 본체의 선단 단부 사이에 위치되는 제3 밀봉 부재를 더 포함하는,
    액냉식 플라즈마 아크 토치를 위한 노즐.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제3 밀봉 부재와 상기 제2 밀봉 부재 사이에 위치되는 통기 홀(vent hole)을 더 포함하며, 상기 통기 홀은 상기 본체의 내부 표면을 상기 본체의 외부 표면에 연결시키도록 구성되는,
    액냉식 플라즈마 아크 토치를 위한 노즐.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 제3 밀봉 부재와 상기 본체의 선단 단부 사이에 위치되는 공급 홀(supply hole)을 더 포함하며, 상기 공급 홀은 상기 본체의 외부 표면을 상기 본체의 내부 표면에 연결시키도록 구성되는,
    액냉식 플라즈마 아크 토치를 위한 노즐.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 밀봉 부재와 상기 본체의 말단 단부 사이에 통기 홀을 더 포함하며, 상기 통기 홀은 상기 본체의 내부 표면을 차폐 가스 공급 채널에 연결시키도록 구성되는,
    액냉식 플라즈마 아크 토치를 위한 노즐.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 냉각 웨이스트와 함께 챔버를 규정하기 위해 상기 본체의 외부 표면에 커플링되는 유지 캡(retaining cap)을 더 포함하는,
    액냉식 플라즈마 아크 토치를 위한 노즐.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 챔버는 약 0.03 세제곱(cubic) 인치의 체적을 가지는,
    액냉식 플라즈마 아크 토치를 위한 노즐.
  12. 액냉 플라즈마 토치를 위한 노즐로서,
    상기 노즐은:
    말단 단부, 선단 단부, 및 길이 방향 축을 가지는 본체─상기 길이 방향 축은 상기 본체를 통해 연장함─;
    상기 본체의 말단 단부에 배치되는 플라즈마 아크 출구 오리피스(plasma arc exit orifice);
    상기 말단 단부와 상기 선단 단부 사이의 상기 본체의 외부 표면 상에 중심에 위치되는 냉각 수단─상기 냉각 수단은 상기 본체 주위에 원주 방향으로 배향되며, 상기 냉각 수단은 액체 냉매를 수용하기 위한 유입구 수단 및 층류 패턴으로 반경 방향 외측으로 상기 액체 냉매를 재지향시키기 위한 유출구 수단을 가지며, 상기 유입구 수단 및 상기 유출구 수단은 서로 축 방향으로 이격됨─;
    상기 유출구 수단과 상기 본체의 말단 단부 사이에 위치되는 제1 밀봉 수단; 및
    상기 유입구 수단과 상기 본체의 선단 단부 사이에 위치되는 제2 밀봉 수단을 포함하는,
    액냉 플라즈마 토치를 위한 노즐.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 본체에 배치되는 적어도 하나의 통기 수단을 더 포함하는,
    액냉 플라즈마 토치를 위한 노즐.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 냉각 수단은, 상기 유입구 수단의 액체 냉매가 상기 유출구 수단의 상기 액체 냉매와 섞이는 것을 방지하도록 구성되는,
    액냉 플라즈마 토치를 위한 노즐.
  15. 플라즈마 아크 토치의 플라즈마-절단 노즐을 액냉시키기(liquid cooling) 위한 방법으로서,
    상기 노즐은 말단 단부, 선단 단부, 및 길이 방향 축을 가지는 본체─상기 길이 방향 축은 상기 본체를 통해 연장함─를 가지며, 냉각 웨이스트는 상기 말단 단부와 상기 선단 단부 사이에 상기 본체의 중심 부분에 상기 본체의 외부 표면 주위에 원주 방향으로 위치되며, 상기 방법은:
    상기 길이 방향 축에 일반적으로 수직인 각도로 상기 냉각 웨이스트의 유입구 경사부를 따라 액체 냉매 유동을 지향시키는 단계;
    상기 길이 방향 축에 실질적으로 평행한 상기 냉각 웨이스트의 열 교환 구역을 따라 상기 액체 냉매 유동을 전하는 단계─상기 열 교환 구역은 상기 냉각 웨이스트의 유입구 경사부와 유출구 경사부 사이에 위치됨─; 및
    상기 길이 방향 축에 일반적으로 수직인 각도로 상기 노즐로부터 반경 방향으로 멀어지게 상기 유출구 경사부에 위에서 상기 액체 냉매 유동을 지향시키는 단계를 포함하며, 상기 유출구 경사부는 상기 유입구 경사부에 멀리 있으며,
    상기 냉각 웨이스트를 통한 상기 액체 냉매 유동은 실질적으로 층류를 포함하여, 상기 유입구 경사부를 통한 상기 액체 냉매 유동은 상기 유출구 경사부 위에서 상기 액체 냉매 유동과 실질적으로 섞이지 않는,
    플라즈마 아크 토치의 플라즈마-절단 노즐을 액냉시키기 위한 방법.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 유출구 경사부와 상기 본체의 말단 단부 사이의 제1 밀봉 위치, 상기 본체의 선단 단부와 상기 유입구 경사부 사이의 제2 밀봉 위치, 및 상기 제2 밀봉 부재와 상기 본체의 선단 단부 사이의 제3 밀봉 위치 중 하나 또는 그 초과의 위치에서 상기 노즐을 밀봉시키는 단계를 더 포함하는,
    플라즈마 아크 토치의 플라즈마-절단 노즐을 액냉시키기 위한 방법.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 제3 밀봉 위치와 상기 제2 밀봉 위치 사이에 위치되는 제1 통기 홀 및 상기 제1 밀봉 위치와 상기 본체의 말단 단부 사이의 제2 통기 홀 중 적어도 하나를 통해 가스 유동의 적어도 일부분을 통기시키는 단계를 더 포함하는,
    플라즈마 아크 토치의 플라즈마-절단 노즐을 액냉시키기 위한 방법.
  18. 제16 항에 있어서,
    상기 제3 밀봉 위치와 상기 본체의 선단 단부 사이에 위치되는 공급 홀을 통해 상기 노즐의 내부 구역 내로 가스 유동을 공급하는 단계를 더 포함하는,
    플라즈마 아크 토치의 플라즈마-절단 노즐을 액냉시키기 위한 방법.
  19. 제15 항에 있어서,
    상기 냉각 웨이스트와 함께 챔버를 생성하기 위해 상기 본체의 외부 표면에 유지 캡을 커플링시키는 단계를 더 포함하는,
    플라즈마 아크 토치의 플라즈마-절단 노즐을 액냉시키기 위한 방법.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 챔버는 약 0.03 세제곱 인치의 체적을 가지는,
    플라즈마 아크 토치의 플라즈마-절단 노즐을 액냉시키기 위한 방법.
  21. 제15 항에 있어서,
    상기 유입구 경사부의 축 방향 정렬 플랜지를 사용하여 상기 플라즈마 아크 토치의 다른 컴포넌트에 대해 상기 노즐을 축 방향으로 정렬시키는 단계를 더 포함하는,
    플라즈마 아크 토치의 플라즈마-절단 노즐을 액냉시키기 위한 방법.
  22. 제15 항에 있어서,
    약 170 암페어 또는 그 미만으로 상기 플라즈마 아크 토치를 작동시키는 단계를 더 포함하는,
    플라즈마 아크 토치의 플라즈마-절단 노즐을 액냉시키기 위한 방법.
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