(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマアークトーチであって、
内孔が貫通して画成された上側管状部材を含み、長手方向軸線に沿って前端部及び後端部を有する金属製ホルダを更に含む電極であって、前記ホルダの前端部は、少なくとも放出要素が内部に配置された前キャビティを画成する前面を有し、前記ホルダの後端部は、前記上側管状部材に取り付けられ、かつ、前記ホルダの前記後端部から前記前端部にガスを導くために前記内孔に流体連通する中央通路を画成しており、前記ホルダの前記前端部近くに配置されて前記中央通路に流体連通する複数の側方開口を画成している前記電極と、
前記ホルダの前記端部近くに配置されたノズルであって、前記ホルダと前記ノズルとの間にノズルチャンバを画成すると共に、該ノズル近くに置かれた母材に向かい前記ノズルチャンバから一次流のガスを放出するために中心孔を画成している前記ノズルと、
前記電極の前記放出要素から前記中心孔を経て前記母材へと広がるアークを発生するための電源と、
前記プラズマアークトーチで使用される全てのガスを供給するガス供給ラインであって、該ガスの全てを前記電極の前記中央通路に導くと共に、前記ガスの全てを前記中央通路から前記ホルダにより画成された前記側方開口を介して前記ノズルチャンバに導く、前記ガス供給ラインと、
前記ノズルは前記ノズルチャンバを取り囲む管状壁を含み、前記管状壁は二次開口が貫通して画成され、前記二次開口は、二次ガス流として使用する前記ノズルチャンバ内のガス流の一部を通過させ、これによって前記ノズルは、一次ガス流及び二次ガス流にガス流を分割するのを制御する、
プラズマアークトーチ。
【請求項２】
前記ノズルを取り囲む外側熱シールドを更に備え、これによって環状スペースが前記外側熱シールドと前記ノズルとの間に画成されて、前記二次ガス流が前記ノズル内で前記二次開口を通過した後に前記二次ガス流を受け取るようにする、請求項１に記載のプラズマアークトーチ。
【請求項３】
前記上側管状部材の前記内孔中に配置されたボール弁アセンブリを更に備え、該ボール弁アセンブリは前記プラズマアークトーチを通るガスを調節することができる、請求項１に記載のプラズマアークトーチ。
【請求項４】
前記ノズルチャンバと流体連通する圧力検出装置を更に備え、該圧力検出装置は、前記ノズルチャンバにおけるガス圧力が所定値以下であれば、前記プラズマアークトーチを不作動にする、請求項１に記載のプラズマアークトーチ。
【請求項５】
前記ホルダにある前記側方開口は、前記ノズルチャンバに流入するガスに旋回運動を与えるように配列されている、請求項１に記載のプラズマアークトーチ。
【請求項６】
前記ホルダにより画成された前記側方開口は、前記ホルダの前記前面から前記長手方向軸線に沿って前記ホルダの長さの１／２未満の位置に配置されている、請求項１に記載のプラズマアークトーチ。
【請求項７】
プラズマアークトーチにおいてアークを持続させるのに適応した電極であって、
内孔が貫通して画成されると共に、一端部にねじ部が画成された上側管状部材と、
長手方向軸線を画成すると共に、前端部と、後端部と、前記前端部を閉じる横断端壁とを有する金属製の管状ホルダであって、該横断端壁は、前面を有すると共に、前記前面に形成され前記長手方向軸線に沿って後方に延びるキャビティを画成しており、前記後端部は、ガスを前記ホルダの前記前端部に導くために前記内孔と流体連通する中央通路を画成しており、前記ホルダは更に、前記ホルダの前記前端部近くに配置された複数の側方開口を画成しており、該側方開口が前記中央通路と流体連通していて、ガスが前記ホルダの前記前端部近くに配置された前記側方開口のみを経由して前記中央通路から出ることができる、前記ホルダと、
前記上部管状部材の前記内孔内に配置され、前記電極を通るガスを調節できるボール弁アセンブリと、
を備える電極。
【請求項８】
前記ホルダにある前記側方開口は、前記側方開口を出るガスに旋回運動を与えるように配列されている、請求項７に記載の電極。
【請求項９】
前記ホルダにより画成された前記複数の側方開口は、前記ホルダの前記前面から前記長手方向軸線に沿って前記ホルダの長さの１／２未満の位置に配置されている、請求項７に記載の電極。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマアークトーチに関し、特に、プラズマアークトーチにおいて電気アークを持続するためのガス流を供給する方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマアークトーチは、切断，溶接，表面処理，溶融及び焼鈍しを含む金属の諸加工のために普通に使用されている。このようなトーチは、電気アークを持続させる電極を含んでおり、該電気アークは、移行式アーク動作モードで電極から母材に広がる。この電気アークをガスの旋回渦流で囲むことも通常のことであり、また、あるトーチ構造においては、上述したガス及び電気アークを渦巻き状の水ジェットで囲むことも通例となっている。
【０００３】
上述した形式の従来のトーチで使用される電極は、銅又は銅合金のような高熱伝導率の材料から構成される細長い管状部材を含むのが一般的である。この管状部材の前端もしくは放電端は、電気アークを持続させる電子放出要素（emissiveelement)が植設された底端壁部を含んでいる。該放出要素は、当該技術において電位ステップ(potential step)と定義される電子ボルト(ev)で測定される比較的に低い仕事関数を有する材料で構成されており、この電位ステップが所定温度で金属の表面からの熱電子放出を可能にする。従って、放出要素は、その低い仕事関数のために、電位が印加されたときに容易に電子を放出することができる。通常使用される電子放出材料には、ハフニウム，ジルコニウム，タングステン及びそれらの合金が含まれる。ノズルが、電極の放出端を囲むと共に、電気アークを母材に向けるための経路を提供している。
【０００４】
上述した形式のプラズマアークトーチに関連した問題は、特に該トーチが酸素又は空気のような酸化ガスと共に使用されるときに、電極の使用寿命が短いことである。特に、これらのプラズマアークトーチの放出要素は、放出端のところで銅製ホルダの表面下方が腐蝕される。また、このガスは放出要素を囲む電極の銅を急速に酸化させる傾向があり、銅が酸化すると、その仕事関数が低下する。その結果、放出要素というよりも、放出要素を囲む酸化した銅がアークを持続させ始める時点に至る。このような状態が起こると、酸化銅とアークを持続させている銅とが溶融し、電極が早期に分解及び損傷する結果となる。
【０００５】
特に空冷式プラズマアークトーチについては、放出要素回りの酸化銅の形成を防止もしくは軽減するために、空気を電極の回りに迅速に循環させて、電極から離れる電気アークからの熱伝達を向上させている。空気を空冷式プラズマアークトーチの中で配送する通常の方法は、電極を冷却するためにある仕方で空気を先ず使用し、次いで別々の一次流及び二次流に分割することである。一般的に、これは、流れを一次即ち切断ガス流と二次即ちシールドガス流とに分割するためノズル及び電極間に配置されるガスバッフルにより行われ、これはアークの位置を維持するのに役立つ。具体的には、ガスの一次流は、ガスバッフルにある穴を通過して一次ノズル及び電極により画成されたチャンバに入ると共に、この一次ノズルにより噴射され、一方、ガスの残りは一次ガス流を囲むように二次ノズル外に向けられる。バッフルはノズルチャンバ前でガスを一次流及び二次流に分割するが、これは、後述するするように、電極から熱を伝達するトーチの能力を制限し、トーチの速度を減じ得る点で不利である。
【０００６】
また、バッフルはトーチを製造し組み立てるコスト及び複雑度を増大させる。具体的には、バッフルは損傷を受け易く、また、トーチの組立中にオペレータにより不注意でしばしば省略されることがある。更に、バッフルは時間が経つと脆くなる傾向があり、結局、クラックが成長して、バッフルをたびたび交換しない限り、破局的な損傷にしばしば至る。トーチのコストを更に増やす定期的な予防保守サイクルで交換した場合であっても、人為ミスのためトーチの組立中にバッフルが割愛されることがありうるが、これはトーチを損傷させるか或いはトーチを正しく作動させられなくする。その上、バッフルは、アークが同バッフルを「ジャンプ(jump)」するか或いは横断して進むのを可能とし、これもトーチを損傷させうる。特に、バッフルの使用は、空気が通過できる渦巻き状の通路群を電極の中及び回りに生じさせることになり、これは該通路を通ってアークが移動するこのになりうる。トーチを通る入り組んだ通路を隔離するために種々の試みがなされてきたが、従来のトーチでは、通路における湿潤していることが多い空気を通るアーク放電(arcing)が問題であった。
【０００７】
従来のトーチの別の問題は、電極の実質的に全長に沿ってガスが循環される前にガスを別個の流れに分割することにより、ガスによって達成される冷却が不足することである。特に、大抵のトーチは、電極の両端部の中間位置でガスを一次流及び二次流に分割している。これは、冷却のために十分な流れを供給しながらノズルチャンバにおいて達成される圧力を制限するために必要であると考えられる。過大のノズル圧力によるトーチの破損を回避しながらトーチを冷却するために、従来のトーチに供給されたガス全量のしばしば７０〜９０％ほどが、ノズルチャンバから離れて、二次流を案内する別の出口に分配される。その結果、トーチに供給されたガス全量の一部のみが電極の実質的に全長に沿って同電極を冷却するのに利用され、一次ガス流としてノズルの出口端で利用されうるのは、最適であるよりも低いガス圧力である。従って、従来のトーチは切断速度が限られており、トーチの運転時間及び費用が増してくる。より大きな切断速度が実現できるようにより高いノズルチャンバ圧力を可能にすることが望ましい。しかし、これは、上述したような従来のトーチに対する種々の制限のため、また、大抵の製造場所及び溶接工場は、ノズルチャンバにおけるガス圧力を上昇させるために増大させることのできない標準「工場(shop)」圧力を使用しているという事実のため、困難な問題である。
【０００８】
幾つかの特許は種々の流れパターンを有するプラズマアークトーチについて論じている。例えば、ルオ（Luo)等に付与された米国特許第５,７２６,４１５号明細書には、放出端のところに放出要素を配置させた金属製ホルダを有する電極を備えたプラズマアークトーチが開示されている。このトーチはまた、冷却ガスを電極の回りに向けるためホルダと組み合わさって間に環状のガスチャンバを画成するノズルを含んでいる。このノズルはまた、一次ガス流を母材に向けて流すための円筒形吐出ポートと、シールドもしくは二次ガス流として使用するため孔を通るガスの大部分を排出するためノズルの後部に配置されたブリードポートとを画成している。作動中、ブリードポートはガスの約９０％をブリードするので、ガスの１０％が残って電極全長を冷却し、母材に向かう一次ガス流として円筒形吐出ポートを出る。このように、トーチに入るガスの一部のみが電極の実質的に全長を移動するので、ガスの冷却能力が低下する。
【０００９】
ハッチ（Hatch)に付与された米国特許第４,５５８,２０１号明細書は、可逆電極を有するプラズマアークトーチを開示しており、この可逆電極は、その両端に配置された前側インサート及び後側インサートを有している。該電極は、ガスを母材に向けるための複数の通路を画成している。特に、ガスは、電極の長手方向軸線に沿って延びる中央通路を通ることはもちろん、電極の外側を囲むチャンネルを通るように指向される。しかし、ガスが電極の中間に達するときに、ガスは一次流及び二次流に分割され、二次流は、絶縁体を囲む電極から離れて、ノズル及び絶縁体により画成されたチャンバの前部へと向けられる。一次流は、前放出インサートから母材へと広がる電気アークと一緒にノズルにある中心オリフィスの外に向けられる。上述したルオの米国特許第５,７２６,４１５号のように、ガス流は、ガスが電極の実質的に全長を移動する前に一次流及び二次流に分割され、これはガスの熱伝達能力を減少させると共に、ノズルチャンバにおけるガス圧力をより低くし、トーチの効率低下になる。
【００１０】
従って、ノズルチャンバにおいて達成される圧力及び切断速度を犠牲にすることなく、アーク及びトーチから熱を運び去るために、トーチに十分なガス流量を供給する必要がある。また、トーチが簡単に組み立てられると共に、トーチがバッフルを使用することなくガス流を電極からノズルチャンバに向けられることが望ましい。
【００１１】
【発明の概要】
本発明の上述した目的及び利点並びにその他の目的及び利点は、従来のトーチと比較してより多くのガスがトーチの冷却に使用されるように電極の実質的に全長に沿ってガス流を向けるプラズマアークトーチにより達成される。本発明のトーチに含まれる電極は、該電極の前端部近くに配置された複数の開口を画成していて、トーチに供給されたガスの全てが該開口を経て電極及びノズルにより画成されたチャンバに流入するように向けられている。この点に関し、ノズルチャンバにおけるガス圧力は従来のトーチと比較して増大されており、本発明のトーチがより速い切断速度をもつことを可能にする。本発明のトーチは、従来のトーチにあるようなバッフルではなく、電極自体にある開口を利用してガスの流れを指向させる利点がある。
【００１２】
特に、本発明の一実施例によるプラズマアークトーチは、内孔を画成する上側管状部材と、該上側管状部材の内孔と流体連通する中央通路を画成する下側コップ状部材もしくはホルダとを有する電極を含んでいる。ホルダの前端部は、放出要素を受け入れるためのキャビティを画成している。また、ホルダは、中央通路に流体連通する複数の側方開口を画成している。一実施例において、該側方開口は、そこを通流するガスに旋回運動を伝えるように配列されている。
【００１３】
プラズマアークトーチはまた、ノズルチャンバが間に画成されるようにホルダの前端部近くに配置されたノズルを含んでいる。このノズルは、ガスの一次流を母材に向けて放出するための中央孔を画成しており、また、一実施例において、複数の二次開口を画成しており、該二次開口を通る二次ガス流を生成する。ノズル及びホルダに画成された開口は、ガス流を一次流及び二次流に分離する別個のバッフルの必要性を排除する利点がある。
【００１４】
安全事項も本発明のトーチの一部である。特に、一実施例において、電極を通るガス流を調節するために、ボール弁アセンブリが電極の上側管状部材の内孔中に配置されている。この点に関し、ボール弁アセンブリは、トーチを通るガス流を遮断することにより、使用者が電極のホルダのようなトーチの一部を無くしてトーチを作動しても、トーチを損傷から守るように作用する。本発明のプラズマアークトーチはまた、ノズルチャンバと流体連通する圧力スイッチを備えることができる。この圧力スイッチは、トーチが正しく組み立てられていなかったり、或いはトーチが損傷を受けていたりすると起こりうる、ノズルチャンバのガス圧力のようなトーチ中のガス圧力が所定値以下になる場合に、トーチを不作動化する。
【００１５】
方法もまた本発明の一部である。本発明の方法によると、複数の側方開口とそれに流体連通する中央通路とを画成する金属製のホルダを有する電極が用意される。ノズルをこのホルダの近くに配置して両者間にノズルチャンバを画成する。ガスの流れは、中央通路を通りノズルチャンバに流入するように向けられているので、中央通路に供給されたガスの全てが側方開口を通りノズルチャンバに入るように指向される。ガスの流れがノズルチャンバに入った後にガスが少なくとも一次流及び二次流に分割されるのが有利であり、これは、ノズルチャンバにおけるより大きな圧力を可能にすると共に、より大きな切断速度に備えている。アークからの熱を伝達するトーチの能力を向上するために、ガスの流れは、側方開口を通り流れる前にホルダの長さの１／２以上の距離、中央通路を通るように誘導されている。このように流れるので、より多くのガスがアーク及び電極からの熱をトーチから逃がし伝達するのに利用しうる。
【００１６】
上述したように、ガスの流れはまた、流量調整のボール弁アセンブリのような安全装置へ、或いはノズルチャンバと流体連通する圧力スイッチへ指向させることができる。トーチ内のガス圧力が所定値以下になるようなある状態が起きれとトーチが不作動化されることが有利である。
【００１７】
従って、本発明は、トーチの切断速度或いはノズルチャンバ内に得られる圧力を犠牲にすることなく従来のトーチの欠点を解消するプラズマアークトーチを提供する。本発明のトーチ及び方法は、ガスの流れを電極から一次流及び二次流へと向けるためにバッフルの使用を回避しており、これによりトーチの組立，信頼性及びコストが改善される利点がある。
【００１８】
一般的な用語で本発明を説明してきたが、次に、必ずしも一律の縮尺で描かれていない添付図面を参照して本発明を説明する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施例が示されている添付図面を参照して、本発明を以下に更に十分に説明する。しかし、本発明は、もっと別の形態で実施可能であり、ここに記載された実施例に限定されると解釈すべきではなく、むしろ、これらの実施例は、この開示を徹底し且つ完全にするように提案されていて、本発明の範囲を当業者に十分に知らせるものである。同様の数字は全体を通して同一要素を指している。
【００２０】
添付図面を参照するに、図１は、総括的に符号１０で示された本発明によるプラズマアークトーチの好適な実施例を示している。このプラズマアークトーチ１０は、トーチ本体２０と、該トーチ本体２０内に装着された電極４０と、複数のブッシュ１４を越えて圧入のような手段によりトーチ本体２０に固定されるハンドル１３とを備えている。該プラズマアークトーチ１０は更に、加圧ガス流をトーチ本体２０に通すように指向させると共に、電極４０へ電力を誘導するための供給ライン７０を備えている。一実施例において、プラズマアークトーチ１０は、トーチ本体２０におけるガス圧力を検知すると共に、本発明に従って電極４０への電流の流れを可能にするための検出装置８０も含んでいる。
【００２１】
図１に示すように、トーチ本体２０は、放出軸線を規定するほぼ円筒形のヘッド部２１を備えている。このヘッド部２１は、放出軸線に沿って電極４０の一部を囲むハウジング２２を含んでいる。該ハウジング２２は、プラズマアーク切断中に発生する高熱からプラズマアークトーチ１０の諸構成要素を保護する熱硬化プラスチック又はエポキシ化合物のような硬質耐熱材料から形成されるのが一般的である。電極４０は、上側管状部材２３と下側コップ状部材２６もしくはホルダ４１とを含んでいる。上側管状部材２３は、放出軸線と同軸状に整列した内孔２４を画成する。一実施例において、この内孔２４は、後から詳しく説明する弁座３４を含んでいる。上側管状部材２３は、好ましくは銅又は銅合金である導電材料から形成されているので、該上側管状部材２３は電極４０の他の部分に電流を導く。また上側管状部材２３は、内孔２４を供給ライン７０と流体連通させるような通路２５を画成している。加えて、ガスを放出軸線に沿って向けるためにコップ状部材２６が上側管状部材２３の頂部に固定されている。一実施例において、上側管状部材２３は内部に雌ねじ部２７を含んでいる。
【００２２】
供給ライン７０は、ガス通路を画成する中空導管７２を備えると共に、トーチ本体２０内に配置されている。この中空導管７２は、加圧ガス源で始まり、電極４０の上側管状部材２３の通路２５で終っていて、加圧ガス源が内孔２４と流体連通するようになっている。供給ライン７０は更に、導管７２に電気的に接続された電力供給ケーブル７１と電源とを含んでいるので、この電源は電極４０に電気的に接続されている。
【００２３】
図２は、電極４０のホルダ４１の一実施例を示している。特に、ホルダ４１は好ましくは銅又は銅合金である導電材料から形成されている。ホルダ４１は、上側管状部材２３の内孔２４と流体連通する中央通路４３を画成する後端部４２を有している。一実施例において、後端部４２は、上側管状部材２３の雌ねじ部２７に螺合するのに適する複数の雄ねじ山４４を含んでいる。ホルダ４１は、また、前面４６を有すると共に、内部に前キャビティもしくは開口４７を画成する前端部４５を含んでいる。ホルダ４１は、中央通路４３を画成する側壁４８と横断端壁４９とを含んでいる。
【００２４】
ホルダ４１は、また、横断端壁４９近くで側壁４８に配置された複数の開口５０を画成する。これらの開口５０は、前面４６からホルダ４１の長さの１／２以下の位置に配置されているのが有利である。好適な実施例において、開口５０は、中央通路４３の前端のところでホルダ４１の端壁４９近くに配置されており、また、一実施例において、該開口５０を通るガスがホルダ４１の回りで旋回するように（真正の放射状ではない）非半径方向に向けられている。図３に示す一実施例において、端壁４９は、中央通路４３からのガスを開口５０に流すように向けるため、該開口５０に対応する複数の溝５６を画成している。後述するように、ガスは供給ライン７０を流れるように向けられて上側管状部材２３の内孔２４に流入する。次いでガスは、トーチ１０の使用中に電極４０を冷却するように、ホルダ４１の中央通路４３に流入して開口５０に向かう。ガスの更なる冷却作用のため、溝付きのバルブピン５１を内孔２４及び中央通路４３内に配置して、その内部のガスを旋回させるようなことにより該ガスの速度を増すことができる。このようにして、ガスは電極４０とより多く接触し、これにより電極４０及びガス間の熱伝達が向上する。後から詳しく述べるように、ピン５１は安全装置としても使用することができる。
【００２５】
一実施例において、ホルダ４１の前端部４５は開口４７内に配置された放出要素５２を含んでいる。この放出要素５２は、後から詳しく述べるように、電極４０の前端から母材ＷＰの方向に広がる電気アークのための陰極端子として作用する。例えば、放出要素５２を備えた電極４０は、セヴランス・ジュニア(Severance, Jr.)に付与され本発明の譲受人に譲渡された米国特許第５,０２３,４２５号明細書に開示されている。放出要素５２は、当該技術で電位ステップ(potential step)と定義される電子ボルトで測定される比較的に低い仕事関数を有する材料で構成されており、この低い仕事関数が所定温度での金属の表面からの熱電子放出を可能にする。従って、放出要素５２は、その低い仕事関数のために、電位の存在で容易に電子を放出する。通常使用される挿入材料(insert materials)には、ハフニウム，ジルコニウム，タングステン及びそれらの合金が含まれる。
【００２６】
また、相対的に非放出のセパレータ（図示せず）もホルダ４１の前端部４５のところで放出要素５２の回りに配置しうる。特にこのセパレータは、電極の開口４７内にある放出要素５２の回りに配置される。セパレータは、ホルダ４１の材料よりも大きく、しかも放出要素５２の材料よりも大きい仕事関数を有する金属材料から構成されている。この点に関し、セパレータは相対的に高い仕事関数を有する金属材料から形成するのが好ましい。本発明の非放出のセパレータについては、銀，金，プラチナ，ロジウム，イリジウム，パラジウム，ニッケルのような数種の金属及び合金を使用可能である。放出要素５２、セパレータ及びホルダ４１は、ホルダ４１の前面４６のところで互いに同一高さとなっている。
【００２７】
図２に示すように、プラズマアークトーチ１０は、また、電極４０のホルダ４１に近接配置されたノズル６０を含んでいる。このノズル６０は、上側部分６１と中間部分６２と裁頭円錐形の下側部分６３とを含んでいる。該ノズル６０はホルダ４１の回りに配置されていて、両者の間にチャンバ９０を画成するようになっている。ノズル６０の上側部分６１は複数のスロット６５を画成しており、ノズルチャンバ９０からの空気圧力は該スロット６５を介して検出装置８０に伝えられる。ノズルの中間部分６２は、上側部分６１と一緒に肩部６４を形成すると共に、ノズルチャンバ９０がシールドもしくは二次ガス流ポート９１と流体連通するように中間部分６２を貫通する複数の開口６６を画成している。この二次ガス流ポート９１は、ノズル６０と外側熱シールド７４との間に画成されると共に、周囲大気に流体連通している（図１参照）。ノズル６０の下側部分６３は、ノズルチャンバ９０からのガスをノズル６０近くに置かれた母材ＷＰに向かい放出するために孔部（中心孔）６７を画成している。
【００２８】
ノズル６０は、外側熱シールド７４によりホルダ４１回りの所定位置に保持される。一実施例において、電気絶縁材料から形成されるのが好ましい外側熱シールド７４は、一端に横行部９３を有し他端にねじ部７６を有する金属スリーブ９２を含んでいる。ねじ部７６は、ハウジング２２のねじ面７９に螺合し、そして横行部９３は、外側熱シールド７４がトーチ本体２０に関し固定されるときにノズル６０をホルダ４１回りに所定位置に保持するため、ノズル６０に設けられた肩部６４に係合する。一旦装着されると、外側熱シールド７４は、また、放出軸線と同軸的に整列してノズル６０近くで外側熱シールド７４を貫通する中央開口７８を画成するので、外側熱シールド７４とノズル６０の間には二次ガス流ポート９１が画成される。弾性Ｏ−リング７７はハウジング２２と外側熱シールド７４との間に配置されていて、外側熱シールド７４がそこに適切に取り付けられたときにトーチ本体２０を封止すると共に、電極４０及びノズル６０を外部汚染物から保護する。
【００２９】
圧力検出装置８０は、トーチ本体２０内にガス通路を画成する中空導管８２を備えている。具体的には、この中空導管８２は、トーチ本体２０のヘッド部２１において始まり、圧力スイッチ（図示せず）で終るようになっているので、圧力スイッチは、側壁の開口５０及びスロット６５を経由してホルダ４１の中央通路４３及び上側管状部材２３の内孔２４と流体連通する。この形式の圧力スイッチ及び中空導管８２は、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第５,６８１,４８９号明細書に記載されており、この米国特許は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００３０】
運転に際し、オペレータが制御スイッチ（図示せず）を押すと、電源である低電圧電気回路が閉じる。この電気回路は、供給ライン７０が単一の加圧ガス流を導管７２経由で上側管状部材２３のヘッド部２１及び内孔２４に向けるように、電源内に配置されたソレノイドを開成する。加圧ガスはプラズマ流を形成可能な任意のガスでよいが、好ましいのは空気，酸素又は窒素である。その後、ガスはホルダ４１内に画成された中央通路４３に向けられる。有利なのは、中央通路４３に供給されたガスの全てが、ホルダ４１の端壁４９近くに配置された開口５０から出て、ノズルチャンバ９０に流入することである。こうして、ガスは、前面４６から長手方向軸線に沿って測定して電極４０の長さの１／２以下の位置、好ましくはホルダ４１の長さの１／２のような位置まで、電極４０の実質的に長さに沿って移動する。このように移動するので、本発明のプラズマアークトーチは通常のトーチと比較して電極に対する冷却を改善することができる。上述したように、開口５０は、図３に示すように接線方向に形成されているのが好ましい。この配列により、ガスがノズルチャンバ９０に入るときに前端部４５の回りに旋回パターンが生ずる。
【００３１】
ガスが開口５０を経てノズルチャンバ９０内に達した後、ガスの一次流部分は、ノズル６０の孔部６７に向けられる。加えて、ノズル６０の中間部分６２に画成された開口６６は、ガスの二次流部分がそこを通り二次ガス流ポート９１に漏出するのを可能にする。従って、ノズルチャンバ９０内に存在するガスの全てはホルダ４１にある開口５０を介してノズルチャンバ９０に入る。このようにして、プラズマアークトーチ１０の高切断速度に備えたより高いノズル圧力が達成できる。更に、ガスは通常のトーチと比較してより長期間にわたり電極４０と接触し、これはプラズマアークトーチ１０の冷却を改善する。
【００３２】
上述したように、ガスの流れはオペレータが制御スイッチを押すことにより開始される。電極に電気４０を供給するために、十分なガス圧力がプラズマアークトーチ１０中に存在しなければならない。具体的には、外側熱シールド７４がトーチ本体２０に設けられたノズル６０回りに適正に固定されたときに、圧力検出装置８０がノズル本体中のガス圧力、例えばノズルチャンバ９０内のガス圧力を検知する。本発明の一実施例によると、ノズルチャンバ９０における圧力は、約５．４８Kg/cm2(７５ psi）である通常の「工場(shop)」空気を使用するのに対して、少なくとも約２.１１Kg/cm2(３０ psi)であるべきである。検出装置８０が代表的には約３秒である所定時間の間にノズルチャンバ９０内の十分なガス圧力を検出すれば、検出装置８０は電気回路を閉じるか、或いは電気回路閉成の原因を生じさせて、電源によりプラズマアークトーチ１０に電流を供給することを可能にする。換言すれば、適切に組み立てられたプラズマアークトーチに所定のガス流量を維持することにより達成できる十分なガス圧力がノズルチャンバ９０内にある限り、電源は電極４０に電流を供給する。
【００３３】
しかし、ノズル６０が取り外されたり或いは取付け不良であるときのように、トーチ本体２０におけるガス圧力が不十分であれば、或いは外側熱シールド７４が取り外されていれば、加圧ガスが開口５０を通り、主にプラズマアークトーチの前部から大気に出るので、圧力検出装置８０の導管８２に入るガスは実質的にない。その結果、十分なガス圧力が導管８２を介して圧力スイッチのところで検出されず、電極４０への電流は停止する。一実施例において、プラズマアークトーチ１０は、該トーチを通るガスを調節することができるボール弁アセンブリも含んでいる。特に、このアセンブリは、上側管状部材２３の内孔２４内に配置されると共に、スプリングのような偏倚部材３５により弁座３４に当接するよう偏倚される球形状の非導電性ボール３３を含んでいる。
【００３４】
バルブピン５１は、ホルダ４１が適正に装着され上側管状部材２３に係合したときに、ボール３３を弁座３４から離すように移動し保持することができる。特に、ボール３３は、万一ホルダ４１又はバルブピン５１が除外された場合でもトーチ本体２０を損傷から保護する「パーツ適所保持(parts in place)」の特徴を果している。どちらかが省かれても、ボール３３は弁座３４に当接したままとなり、これによりガスが内孔２４を通り中央通路４３へと流れるのを防止する。その結果、ガス流の欠如は、電源が電流をプラズマアークトーチ１０に伝えるのに満たされねばならない、導管８２を経由する圧力スイッチへの圧力信号の伝達を防止する。このような特徴は、カークッフ(Carkhuff)に付与され本発明の譲受人に譲渡された米国特許第４,５８０,０３２号明細書に記載されており、この米国特許は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００３５】
従って、本発明は、従来のトーチと比較して、電極のより大きな冷却を達成すると共に、より高い切断速度を実現することができるようにトーチにおいてガスの流れを向けるプラズマアークトーチ及び方法を提供している。特に、本発明の電極は、前端部の近くに複数の開口を画成するホルダを設けており、ガスを一次流及び二次流に分割する前にガスの全てをノズルチャンバに向けている。このように構成してあるので、ガスは、分割される前に、電極の実質的に全長に沿って接触し、これは電極の冷却を改善する。更に、ガスを一次流及び二次流に分割するためにプラズマアークトーチの組立の際にガスバッフルが使用されていない。この点に関しては、ノズルチャンバの圧力及びトーチの切断速度を大きくしながらも、トーチの組立時間及びコストが減少されることが分かる。
【００３６】
前述した記載及び関連の図面により提供された教示により恩恵を受ける当業者は、本発明の種々の改変及びその他の実施例に想到するであろう。例えば、本発明の検出装置及びその他の諸安全機能は、本明細書に提示した開示内容から効果を得るために必須ではなく、オペレータの安全及びトーチ寿命のために推奨されている。従って、言うまでもなく、本発明は、開示した特定の実施例に限定されるものではなく、その他の改変及び実施例も冒頭の特許請求の範囲内に包含されることが企図されている。本明細書において特定の用語が用いられているが、これらの用語は、一般的かつ説明的な意味で使用されており、限定のために用いられているのではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるプラズマアークトーチの前部の断面図である。
【図２】本発明の一実施例による電極及びノズルの一部の詳細断面図である。
【図３】本発明の一実施例による図２の３−３線に沿った詳細断面図である。
【符号の説明】
１    プラズマアークトーチ
２３    上側管状部材
２４    内孔
２７    雌ねじ部（ねじ部）
３３    ボール（ボール弁アセンブリ）
３４    弁座（ボール弁アセンブリ）
４０    電極
４１    ホルダ
４２    後端部
４３    中央通路
４５    前端部
４６    前面
４７    キャビティ
４９    ホルダの横断端壁
５０    開口（側方開口）
５２    放出要素
６０    ノズル
６６    開口（二次開口）
６７    孔部（ノズルの中心孔）
７０    供給ライン（ガス供給ライン）
８０    検出装置（圧力検出装置）
９０    ノズルチャンバ
ＷＰ    母材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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