(57)【要約】金属材料の切断又はマーキングに広く使用されているプラズマアークトーチシステムにおいて、二次ガスの流動を制御することが、二次ガスとプラズマアークを形成するプラズマガスとのエントレインメントを低減する。二次ガスとプラズマアークを形成するプラズマガスとのエントレインメントを低減することは、プラズマアークトーチを用いてなされる切断の品質を向上させる。二次ガスの密度を制御して、二次ガスとプラズマガスとの間の密度差を低減することにより、この目標が達成される。
2009524527.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマアークトーチ本体の端部において二次ガス流路出口開口を出る二次ガスを制御する方法であって、
該二次ガスの流動を制御して、プラズマアークを形成するプラズマガス内への該二次ガスのエントレインメントを低減する二次ガス密度を提供するステップ
を含む、方法。
【請求項２】
前記二次ガスは少なくとも約２０％のヘリウムを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
周囲条件における前記二次ガスの前記密度は、周囲条件における窒素ガス密度より低い、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
周囲条件における前記二次ガスの前記密度は、周囲条件における前記窒素密度の約７０％より低い、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記二次ガスを制御するステップは、前記二次ガスの温度を制御することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記二次ガスの前記流動を制御するステップは、前記プラズマガス内への前記二次ガスのエントレインメントを最小限にする二次ガス密度を提供することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
第１の端部及び第２の端部を有するトーチ本体と、
該トーチ本体の該第１の端部におけるプラズマ出口開口であって、プラズマアークが該プラズマ出口開口から噴出する、プラズマ出口開口と、
該トーチ本体の該第１の端部における二次ガス出口開口を含む二次ガス流路と、
該二次ガスを制御して、該プラズマ出口開口の外側の位置における該二次ガスと該プラズマアークとのエントレインメントを低減する制御手段と
を備えている、プラズマアークトーチシステム。
【請求項８】
前記制御手段は温度コントローラを備えている、請求項７に記載のプラズマアークトーチシステム。
【請求項９】
前記制御手段は、２つ以上のガスを混合して、前記プラズマ出口開口の外側の位置における前記二次ガスと前記プラズマアークとのエントレインメントを低減する二次ガス密度を提供する流動制御モジュールを備えている、請求項７に記載のプラズマアークトーチシステム。
【請求項１０】
前記二次ガスは、前記プラズマアークに対して実質的に円柱状である、請求項７に記載のプラズマアークトーチシステム。
【請求項１１】
前記二次ガス流路は、ノズル内の１つ以上の流体通路を備えている、請求項７に記載のプラズマアークトーチシステム。
【請求項１２】
前記制御手段は、少なくとも２０％のヘリウムを有する二次ガスを提供する流動制御モジュールを含む、請求項７に記載のプラズマアークトーチシステム。
【請求項１３】
前記プラズマ出口開口は、前記トーチ本体内でプラズマガスが通過する最小直径である、請求項７に記載のプラズマアークトーチシステム。
【請求項１４】
前記二次ガス流路は、ノズル内の１つ以上の流体通路を備えている、請求項７に記載のプラズマアークトーチシステム。
【請求項１５】
前記１つ以上の流体通路は、前記二次ガス出口開口を出る前記二次ガスの少なくとも一部の通路を画定し、該通路は前記プラズマアークに実質的に平行である、請求項１４に記載のプラズマアークトーチシステム。
【請求項１６】
プラズマ出口開口を含むノズルを有し、かつ二次ガス出口開口を含む二次ガス流路を有するプラズマアークトーチを動作させる方法であって、
プラズマガスを流動させて、該プラズマ出口開口を通って延びるプラズマアークを形成するステップと、
該二次ガス出口開口を通って流れる二次ガスの密度を制御して、該二次ガス出口開口における該二次ガスと該プラズマガスとの間の密度差を低減するステップと
を含む、方法。
【請求項１７】
前記二次ガスは２つ以上のガスの混合物を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記二次ガスは少なくとも約２０％のヘリウムを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
周囲条件における前記二次ガスの前記密度は、周囲条件における窒素ガス密度より低い、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
周囲条件における前記二次ガスの前記密度は、周囲条件における前記窒素ガス密度の７０％より低い、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記二次ガスの前記密度を制御するステップは、前記二次ガスの温度を制御することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
前記二次ガスは、前記プラズマガスに対して実質的に同軸である、請求項１６に記載の方法。
【請求項２３】
前記二次ガスの前記密度を制御するステップは、該二次ガスを前記二次ガス出口開口を通して流し、該二次ガス出口開口において該二次ガスと前記プラズマガスとの間の密度差を最小限にすることを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２４】
プラズマアークトーチを用いて材料を切断するシステムであって、
プラズマガス流からプラズマアークを生成するトーチであって、該プラズマアークはプラズマ出口開口を通って延び、該トーチは該プラズマアークと接触する二次ガス流を有する、トーチと、
該二次ガス流の密度を制御して、該二次ガス流が該プラズマアークに接触するときに、該プラズマアークと該二次ガス流との間の密度差を低減するコントローラと
を備えている、システム。
【請求項２５】
前記二次ガス流は、前記プラズマアークに実質的に平行である、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記コントローラは、前記トーチへの前記プラズマガス流を制御する、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２７】
前記コントローラは加熱器を備えている、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２８】
前記コントローラは前記二次ガス流の温度を維持管理する、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２９】
前記コントローラは、少なくとも約２０％のヘリウムを有する二次ガス流を提供する、請求項２４に記載のシステム。
【請求項３０】
前記材料はアルミニウム又はステンレス鋼を含み、前記二次ガスは窒素及び少なくとも約２０％のヘリウムを含む、請求項２４に記載のシステム。
【請求項３１】
プラズマアークを用いて材料を切断するシステムであって、
プラズマガス流からプラズマアークを生成するトーチであって、該トーチの端部あたりの位置で該プラズマアークと接触する二次ガス流を有するトーチと、
該二次ガス流が該プラズマアークの少なくとも一部に接触する前に、該二次ガス流の温度を制御して、該二次ガス流と該プラズマアークとの間のエントレインメントを低減する加熱器と
を備えている、システム。
【請求項３２】
前記二次ガス流は前記プラズマアークに対して実質的に同軸である、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３３】
前記加熱器は前記トーチの外部にある、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３４】
プラズマアークトーチを動作させる方法であって、
プラズマアークトーチにおいてプラズマガスを用いてプラズマ切断アークを生成するステップと、
該プラズマアークトーチの端部あたりの位置で、二次ガスを該プラズマガスに接触させるステップと、
該二次ガスを制御して、該プラズマガスの密度と該二次ガスの密度との間の差を低減するステップであって、周囲条件における該二次ガス密度は周囲条件における窒素ガス密度より低く、該二次ガスは少なくとも２０％の不活性ガスを含む、ステップと
を含む、方法。
【請求項３５】
前記不活性ガスはヘリウムである、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
周囲条件における前記二次ガス密度は、周囲条件における前記窒素密度の約７０％より低い、請求項３４に記載の方法。
【請求項３７】
前記二次ガスは、約３０％と約６０％の間のヘリウムを含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３８】
前記二次ガスを制御するステップは、該二次ガスの温度を制御することを含む、請求項３４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全般的に、プラズマアークトーチシステム及びプロセスの分野に関する。特に、本発明は、プラズマアークトーチシステム、動作方法、材料を切断するシステム、及びプラズマアークトーチにおいて二次ガスを制御する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマアークトーチは、金属材料の切断又はマーキングにおいて広く使用されている。全般的に、プラズマトーチには電極が取り付けられており、トーチ本体内部には中心出口開口を有するノズルが取り付けられており、トーチは、電気的接続、冷却通路、アーク制御流体、及び電源を含む。いくつかの実施形態では、トーチは、プラズマ・チャンバ内の流体流パターンを制御する渦巻リングを含む。プラズマ・チャンバは、電極とノズルとの間に形成されている。トーチはプラズマアークを生成し、プラズマアークは、高温及び高運動量を有するプラズマガスの圧縮されたイオン化ジェットである。トーチで使用されるガスは、非反応性（例えば、アルゴン）又は反応性（例えば、酸素又は空気）とすることができる。
【０００３】
動作において、例えば、プラズマアークが金属の被加工物を切断するプロセスでは、最初に、電極（陰極）とノズル（陽極）との間にパイロットアークが生成される。パイロットアークの生成は、ＤＣ電源及びトーチに接続されている高周波数で高電圧の信号又は種々の接触開始方法の任意のものを用いてもよい。パイロットアークは、ノズル出口開口を通過するガスをイオン化する。イオン化ガスが電極と被加工物との間の電気抵抗を低減した後、アークはノズルから被加工物へと移行する。トーチは、被加工物を切断するための、電極から被加工物までのイオン化ガスの伝導流を特徴とする移行式プラズマアークモードで動作する。
【０００４】
プラズマアークトーチの既知の一構成には、二次キャップ（シールドとも呼ばれる）に対する関係で取り付けられている電極及びノズルが含まれる。ノズルは、二次キャップに取り囲まれている。比較的大きな二次ガス流（シールドガス流とも呼ばれる）は、ノズルと二次キャップとの間の空間を通過する。プラズマアーク流が長手方向軸に沿ってノズル出口開口を通過する一方、二次ガス流は、ノズルと二次キャップとの間の空間を通過する。二次ガス流は、一定の方向（例えば、時計回り）に二次ガスを旋回させる二次ガス渦巻リングを通過することが多い。一般に、二次ガス流は界面においてプラズマガス流に接触し、この接触はプラズマアークを乱す可能性があり、それにより切断品質に不完全性を生じる可能性がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
いくつかの実施形態では、二次ガスは、プラズマアークの長手方向軸に対し角度をなして、ノズルと二次キャップとの間の空間を通過し、二次流はプラズマアーク流に衝突する。衝突後、二次ガス流及びプラズマアークは、共に二次キャップ出口開口を通過する。プラズマアークへの二次ガスの衝突はプラズマアークを乱す可能性があり、切断性能の劣化をもたらす可能性がある。本発明の目的は、プラズマアーク及び／又はプラズマガスとの二次ガス流の干渉を生じながら切断性能を向上させる、プラズマアークトーチ動作の改良された方法及び改良されたプラズマアークトーチを提供することである。
【０００６】
エントレインメントは、二次ガスの勢力がプラズマアーク内に進入した場合に生じる物質移動機構である。理論に基づくものではないが、エントレインメントは、プラズマアーク二次ガスの界面における流体不安定性に起因して生じると考えられる。プラズマアークにおける二次ガスエントレインメントの不均一性の増大が切断角度の変動の増大に繋がることが、最近の研究により示されている。プラズマガス及び／又はプラズマアーク内への二次ガスのエントレインメントは、二次ガスとプラズマガスとの間の密度差の関数である。また、流体エントレインメントの割合が、プラズマアークに対する二次ガスの向き、例えば角度、及び／又は速度の関数である可能性があると考えられる。このように、本発明の目的は、二次ガスの流動を制御して、プラズマガス内への二次ガスのエントレインメントを低減及び／又は最小限にして、切断角度の変動を低減する二次ガスを提供することである。更に、二次ガスが適切な熱伝導性を有することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一実施形態では、二次ガス流は、プラズマアークを形成するプラズマガス内への二次ガスのエントレインメントを低減する二次ガス密度を提供するように制御される。例えば、（例えば、二次ガスが２つ以上のガスの混合物である場合）二次ガス組成を制御することにより、及び／又は二次ガス密度を制御する二次ガス温度を制御することにより、プラズマガス内への二次ガスのエントレインメントを低減するように二次ガス密度を制御することができる。また、例えば、二次ガスとプラズマアークを形成するプラズマガスとの界面を改善するトーチ構造を選択することにより、二次ガスのエントレインメントを制御することもできる。
【０００８】
エントレインメントを低減する制御された二次ガス密度は、切断角度の変動を低減することができ、それにより、プラズマアークトーチの切断品質を向上させることができる。記載した方法に基づく、記載したプラズマアークトーチを利用する材料（例えば、被加工物）切断における期待される向上には、表面粗さの低減、トップドロスの低減、及び上縁部の丸まりの低減の１つ以上が含まれる。更に、プラズマガス内への二次ガスのエントレインメントを低減する向きで二次ガス出口開口を通して、二次ガスの流動を方向付けるようにトーチを設計することができる。
【０００９】
本発明は、プラズマ切断トーチ、プラズマ（移行式）切断アークを動作させる方法、二次ガスを制御する方法、及び材料を切断するシステムに関する。材料を切断するシステムは、プラズマアークを形成するプラズマガスとの二次ガス流のエントレインメントを低減し、それにより、切断性能を向上させるシステムである。一般に、二次ガスの流動は、例えばプラズマアークトーチの第１の端部に配置されているプラズマ出口開口の外側の位置において、プラズマガス内への二次ガスのエントレインメントを低減するように制御される。プラズマアークを形成するプラズマガス内への二次ガスのエントレインメントを低減する二次ガス密度を実現するように二次ガスを制御することができる。一般に、切断モードにおいて、プラズマ切断アークは、それがノズルを出た場合、極めて圧縮された左右対称の安定したプラズマアークである。
【００１０】
例えば、一実施形態では、二次ガスの密度を制御することは、二次ガス流の密度を制御して、二次ガス出口開口の領域においてプラズマガスと二次ガスとの間の密度差を低減することを含む。別の実施形態では、制御することは、二次ガス流がプラズマアークに接触するときに、二次ガス流の密度を制御してプラズマアークと二次ガス流との間の密度差を低減することを含む。別の実施形態では、材料を切断するシステムは、二次ガス流がプラズマアークに接触するときに二次ガス流の密度を制御してプラズマ出口開口を通って延びるプラズマアークと二次ガス流との間の密度差を低減するコントローラを含む。
【００１１】
更に別の実施形態では、二次ガスの密度は、プラズマガス内への二次ガスのエントレインメントを最小限にする二次ガス密度を実現するように制御される。例えば、二次ガス流の密度は、プラズマガス及び／又はプラズマアークと二次ガス流との間の密度差を最小限にするように制御される。
【００１２】
プラズマアークトーチを用いて材料を切断するシステムは、二次ガス流がプラズマアークに接触するときに二次ガス流の密度を制御してプラズマアークと二次ガス流との間の密度差を低減するコントローラを含むことができる。一実施形態では、適切なコントローラは、二次ガス流の温度を制御する加熱器を含むことができる。加熱器を用いて二次ガスの温度を制御することにより、二次ガス流とプラズマアークとの間のエントレインメントを低減することができる。二次ガスの温度制御を利用して、二次ガス流がプラズマアークの少なくとも一部に接触する前に、二次ガス流とプラズマアークとの間の密度差を低減することができる。
【００１３】
別の実施形態では、二次ガスは、プラズマガス密度と二次ガス密度との間の密度差を低減するように制御される。一実施形態では、周囲条件における二次ガス密度は、周囲条件における窒素ガス密度より低い。例えば、二次ガスは、周囲条件における窒素ガス密度の約７０％より低い周囲条件における密度を有する。一実施形態では、例えば、二次ガスが少なくとも２０％の不活性ガス、例えばヘリウムなどを含む場合、二次ガスは２つ以上のガスの混合物である。別の変形では、二次ガスは、例えばヘリウムなどの不活性ガスに関し約７０％未満である。
【００１４】
二次ガスの流動を制御することは、プラズマガス内への二次ガスのエントレインメントを低減する向きで二次ガス出口開口を通して、二次ガスの流動を方向付けることを含むことができる。一実施形態では、エントレインメントを低減する向きは、二次ガス流がプラズマアークトーチのプラズマアーク内に流入する角度であり、該角度は、プラズマアーク内への二次ガスのエントレインメントを最小限にするように選択される。プラズマアークトーチによっては、二次ガス流が、一定の方向（例えば、反時計回り）で二次ガスを旋回させる二次ガス渦巻リングを通過するものもある。二次ガスが渦巻リングを通過した場合、二次ガス流は、少なくとも３つの方向成分、即ち二次ガス旋回成分、二次ガス軸方向成分、及び二次ガス放射方向成分、を有する。そのような実施形態では、例えば、二次ガス流の角度は、二次ガス軸方向成分と二次ガス放射方向成分との組合せに関連する。適切な二次ガス混合物は、例えばヘリウムを含む。
【００１５】
一実施形態では、二次ガスは、約−９０°から約８９°まで、約０°から約８９°まで、約０°から約８５°まで、約０°から約８０°まで、約０°から約７５°まで、又は約０°から約５０°までに及ぶ値を有する、プラズマアークの長手方向軸に対する角度で二次ガス出口開口を出る。別の実施形態では、二次ガスは、プラズマアークに対して実質的に同軸である。したがって、二次ガスは、プラズマアークの長手方向軸に対し約０°の角度で二次ガス出口開口を出る。別の実施形態では、二次ガス流路は、ノズル内の１つ以上の流体通路を含む。例えば、１つ以上の流体通路は、二次ガス出口開口を出る二次ガスの少なくとも一部の流体路を画定することができる。１つ以上の流体通路は、プラズマアークに対して収束する角度の流れ、プラズマアークに対して発散する角度の流れを生成することができ、及び／又はプラズマアークに実質的に平行である。ノズルは、プラズマガスバイパスチャネルを画定することができる。一実施形態では、プラズマガスの一部は、プラズマガスバイパスチャネル経由でプラズマアークトーチシステムを出る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明自体と同様に、本発明の前述の且つ他の目的、特徴、及び利点は、添付図面と共に読むと、以下の例示的記載からより深く理解されるであろう。添付図面は必ずしも縮尺通りではない。
【００１７】
プラズマ切断は、一般的に、圧縮された電気アークを使用してガス流をプラズマ状態まで加熱することにより実行される。高温プラズマ流からのエネルギーが、被加工物を局所的に溶融する。適切な被加工物材料には、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、軟鋼、及び／又は非鉄材料が含まれる。そのようなプラズマ切断プロセスは、シールドガス流とも呼ばれる二次ガス流を含むことができる。二次ガス流は、トーチを保護し切断プロセスにおいて補助するように使用される。高温プラズマ流及び二次ガス流の運動量は共に、切断切り口（ｃｕｔ  ｋｅｒｆ）として知られるチャネルをその中に残して、被加工物から融解物質を除去する。プラズマトーチと被加工物との間の相対運動は、プロセスが被加工物を効果的に切断することを可能にする。
【００１８】
図１Ａは、プラズマアーク出口開口３４を有するノズル１４を含むプラズマアークトーチ１０を示す。プラズマアーク３０、例えば、イオン化ガスジェットは、トーチ先端１００にある開口３４を通ってトーチ１０を出て、処理されている被加工物７０に付着する。トーチ１０は、金属被加工物、特に軟鋼、又は他の材料を移行式アークモードで穿孔し切断するようになされている。被加工物を切断することにおいて、トーチ１０は、流体、例えばプラズマガス２０、を用いて動作する。該プラズマガスは、移行式プラズマアーク３０を形成する。一般に、切断モードでは、プラズマ切断アーク３０は、それがノズル１４の開口３４を出る時、極めて圧縮された左右対称の安定したプラズマアーク３０である。
【００１９】
プラズマアークトーチ１０は、接触開始プロセスを使用することができるが、本発明の範囲から逸脱することなく、他の開始プロセスを利用することができる。簡潔に、接触開始プロセスでは、電極１２がノズル１４に接触し、電極とノズルとの間に電気的短絡を作る。プラズマアークの応用では、アークは、電極１２（例えば、陰極）とノズル１４（例えば、陽極）との間に相対的な電位をもたらすことにより、電極１２とノズル１４との間の空間を渡って引き寄せられる。電極１２は、プラズマ・チャンバが電極１２とノズル１４との間に形成されるように、プラズマ・チャンバの少なくとも一部分を形成することができる。いくつかの実施形態では、トーチ１０は、流体の流動を制御する１つ以上の渦巻リングを特徴とする。該渦巻リングは、プラズマ・チャンバ内に入る流体の流動を制御する。渦巻リングを使用するプラズマアークトーチは、本明細書に参照により援用されている米国特許第６，２０７，９２３号明細書に開示されている。トーチはまた、二次ガス渦巻リングを含み、二次ガス流を旋回させることができる。二次ガス渦巻リングを使用するプラズマアークトーチは、本明細書に参照により援用されている米国特許第５，３９６，０４３号明細書に開示されている。
【００２０】
二次ガスは、プラズマアーク切断プロセスにおいて貴重な役割を果たす。二次ガスは、プラズマアーク３０及び被加工物７０の表面と相互作用する。更に詳細には、二次ガスは、プラズマアーク３０を形成するプラズマガス２０と密着しており且つそれと接触する。或いは、又は更に、二次ガスは、被加工物７０と接触している。ここで図１Ａ及び２Ａ並びにアイテム６０を参照すると、ノズル出口開口３４の下流で、プラズマアーク３０と二次ガス流４０及び５０とが接触し、熱移動及び物質移動を可能にする。
【００２１】
二次ガス流４０、５０の一部は、プラズマアーク３０による切断切り口に進入し、切断アークと被加工物７０表面との間に境界層を形成する。この境界層の組成（例えば、境界層の熱伝導性）は、プラズマアーク３０から被加工物７０表面までの熱伝達に影響を及ぼす。更に、境界層の組成は、境界層と被加工物７０表面との間に生じる任意の化学反応に影響を与える。
【００２２】
適切な二次ガス（類）４０、５０を選択することにより、プラズマガス２０内への二次ガス４０、５０のエントレインメントを低減及び／又は最小限にして、切断角度の変動を低減することができる。プラズマガス２０及び／又はプラズマアーク３０内への二次ガス４０、５０のエントレインメントは、二次ガス４０、５０（比較的高い密度を有する）とプラズマガス２０（比較的低い密度を有する）との間の密度差の働きである。つまり、二次ガス（類）４０、５０の密度を低下させることにより、プラズマガス２０と二次ガス（類）４０、５０との間の密度差を低減することができ、結果として、エントレインメントの低減、並びに切断角度の変動、表面粗さ、トップドロス、及び／又は上端部の丸まりの低減をもたらすことができる。このようにして、制御された二次ガス密度は、プラズマアークを形成するプラズマガスとの二次ガスのエントレインメントを低減することができる。エントレインメントを低減するために、適切な二次ガス４０、５０は、比較的低い密度を有する。ガス密度及び／又は熱伝導性に基づいて、二次ガス４０、５０を選択することができる。或いは、又は更に、例えば加熱により温度を制御することなどにより、ガス密度及び／又はガスの熱伝導性を最適にする条件に、二次ガス４０、５０を暴露することができる。
【００２３】
一般に、単独で又はガス混合物において使用される適切な二次ガス４０、５０は、周囲の窒素ガスと比較して、ガス密度及び／又は熱伝導性の向上をもたらす。適切な二次ガス混合物は、アルゴン、窒素、酸素、ヘリウム、水素、メタン、及び二酸化炭素のうちの１つ以上を含むことができる。一実施形態では、二次ガス混合物の選択は、該混合物が周囲条件における窒素ガス密度（例えば、周囲温度下且つ周囲圧力下で測定される窒素密度）より低い密度（周囲条件における）を有するようになされる。別の実施形態では、周囲条件における二次ガスは、周囲条件における窒素ガス密度の約９０％、約８０％、約７０％、約６０％、又は約５０％より低い密度を有するように選択される。一応用では、不活性ガスは、それがプラズマアーク切断プロセス中に暴露される温度条件に関わらずその原子状態を保つので、ヘリウムなどの１つ以上の不活性ガスの使用が好ましい可能性がある。不活性ガスは、特定の温度に暴露されても、例えば再結合エネルギーに起因する熱伝導性の突然の上昇を示さない。対照的に、不活性でない（二原子の）窒素ガス及び酸素ガスはその原子状態にはなく、特定の温度条件に暴露されると、これらのガスは、その再結合エネルギーに起因する熱伝導性の上昇を示す。熱伝導性におけるこのスパイクは、例えば軟鋼及びアルミニウムに上端部の丸まりを生じることなどにより、切断品質に影響を与えると考えられる。ヘリウムなどの不活性ガスを二次ガスとして又は二次ガス混合物の一部として使用することは、上端部の丸まりを低減及び又は最小限にすることにより、切断品質を向上させることが予測される。二次ガスにおける不活性ガス（類）の使用は、熱伝導性に影響を及ぼし、それにより切断品質を低下させる気相反応を回避する。
【００２４】
前述した通り、ヘリウムは、本応用の二次ガス４０、５０としての所望の特性を呈示する可能性がある。ヘリウムはまた、プラズマガス２０と二次ガス４０、５０との間の密度差を低減することにより、プラズマガス２０と二次ガス４０、５０との間のエントレインメントの低減において、利点を呈示する可能性もある。その比較的低い密度の故に、ヘリウムは、窒素、酸素、アルゴン、水素、メタン、及び二酸化炭素などの任意の数のガスと組み合わせられて、比較的低密度の二次ガス４０、５０を生成してもよい。そのような実施形態では、比較的低密度のヘリウムの存在が、二次ガス４０、５０混合物の総体的な全体の密度を低下させる。ヘリウムは、例えば、より高密度の窒素ガス（０℃で１．２５１ｇ／Ｌの窒素密度）又はより高密度の酸素ガス（０℃で１．４２９ｇ／Ｌの酸素密度）と比較して、低密度（０℃で０．１７８４７ｇ／Ｌ）の低分子量ガスである。したがって、ヘリウムを他のガスと組み合わせることにより、現在使用されているヘリウムを含まない混合物に対して二次ガス４０、５０の全体的な密度を低下させることができ、エントレインメントも同様に低減することができる。例えば、ヘリウム及び窒素を含有する二次ガスでは、周囲条件におけるその混合物の全体的な密度は、同様の条件における窒素密度より低いと考えられる。同様に、二次ガス混合物における窒素に対するヘリウムの比率は、窒素密度の約９０％、約８０％、約７０％、約６０％、又は約５０％より低い密度を有する二次ガス４０、５０を生成するように選択することができる（二次ガス密度及び窒素ガス密度は共に周囲条件で測定される）。
【００２５】
二次ガスの組合せのテストでは、以下により詳細に説明する通り、約２０％から約８０％までのヘリウムを含有する二次ガスが、切断品質に顕著な向上を示すことが分かった。約２０％未満のヘリウム及び約８０％を超えるヘリウムを含有する二次ガス混合物もまた、現在のシステムを凌ぐ切断品質の向上を示すことが分かった。異なるヘリウム百分率を有するガスの組合せは、約０．０１％から約９９．９％までのヘリウム、約０．１％から約５０％までのヘリウム、約５％から約８０％までのヘリウム、約３０％から約７０％までのヘリウム、約１５％から約５０％までのヘリウム、又は約４０％から約６０％までのヘリウムに及ぶ可能性がある。一当業者は、プラズマアーク３０と二次ガス４０、５０との間の密度差を低減する、二次ガス混合物として使用することができると考えられるガスの種々の組合せ及び混合物を理解するであろう。更に、所望の量のヘリウムと共に二次ガス４０、５０混合物における酸化ガスの使用は、例えば軟鋼を含む特定の切断用途において望ましい。
【００２６】
また、プラズマガス及び／又は二次ガスの選択を、被加工物７０に含有される金属により導くことができる。例えば、被加工物が軟鋼を含有する場合、プラズマガスは反応性ガス（例えば酸素又は空気）であり、シールドガスは、反応性ガス（例えば、酸素又は空気）、非反応性ガス（例えば、ヘリウム又は窒素）、又は反応性ガスと非反応性ガスとの組合せとすることができる。軟鋼に使用される適切なシールドガスには、例えば、Ｈｅ、Ｈｅ／Ｎ２混合物、Ｈ２／Ｎ２／Ｏ２混合物、及びＨ２／Ｏ２混合物が含まれる。別の実施形態では、４０％のＨｅ、５０％のＯ２、及び１０％のＮ２を含有するガス混合物が、軟鋼の切断において効果的であることが分かった。被加工物がステンレス鋼及び／又はアルミニウムを含有する場合、プラズマガスは、例えばＨ３５（３５％のＨ２及び６５％のＡｒを含有する）、Ｎ２で希釈されたＨ３５、Ｎ２／Ａｒ／Ｈ２混合物、９５％のＮ２及び５％のＨ２を含有するＮ２／Ｈ２混合物、又はＮ２などの非酸化プラズマガスである。被加工物がステンレス鋼及び／又はアルミニウムを含有する場合、シールドガスは、例えば、ヘリウム又はＨｅ／Ｎ２混合物などの非酸化ガスとすることができる。該Ｈｅ／Ｎ２混合物は、４０％のＨｅと６０％のＮ２の混合物などである。
【００２７】
本システムの別の応用では、プラズマガス２０と二次ガス４０、５０との間のエントレインメントを、二次ガス４０、５０を加熱することにより低減することができる。十分に理解されているように、ガスの密度は、その温度又は内部エネルギーの関数として低下する。一応用では、プラズマガス２０に接触する前に二次ガス４０、５０が加熱され、その結果、プラズマガス２０と二次ガス４０、５０との間の密度差が低減する。そのような二次ガス加熱実施形態は、どんな特定の二次ガス又はガスの組合せにも限定されない（例えば、二次ガスが加熱される実施形態はヘリウムを含むことができるか、又はヘリウムを含まないことができる）。しかし、いくつかの応用では、不活性ガス（例えば、ヘリウム）の使用が所望される。そのような加熱器の実施は、以下に更に詳細に説明されるであろう。
【００２８】
プラズマアークトーチ１０の別の実施形態では、図１Ａ〜１Ｃ及び２Ａを参照すると、プラズマアーク３０が、プラズマアークトーチ１０の第１の端部に配置されているプラズマ出口開口３４から噴出する。トーチ１０は、流体、例えば移行式プラズマアーク３０を形成するプラズマガス２０、を用いて動作する。随意に、プラズマ出口開口３４は最小直径であり、プラズマガス２０は、トーチ１０本体内での該最小直径を通過する。プラズマ出口開口３４の直径を、切断プロセスに使用されているトーチのアンペア数に基づいて選択することができる。約１５アンペアから約１２００アンペアまで、又は約３０アンペアから約４００アンペアまでに及ぶアンペア数を有するプラズマアークトーチが使用されてもよい。一実施形態では、８０アンペアのノズル有するプラズマアークトーチは、直径０．０４６インチのプラズマ出口開口を有する。ニューハンプシャー州ハノーバーに所在するハイパーサーム社（Ｈｙｐｅｒｔｈｅｒｍ，  Ｉｎｃ．）により製造されるノズル（部品番号２２０１８８）を含む８０アンペアのノズルを有するトーチは、プラズマアークを形成するプラズマガス内での二次ガスのエントレインメントを低減及び／又は最小限にすることにおいて、効果的なものであることが分かっている。当然、当業者は、用いることができる広範なプラズマ出口開口の大きさを提供する多数の他のノズル及びトーチ構成要素を理解するであろう。
【００２９】
更に、プラズマアーク３０並びに二次ガス流４０及び５０は、プラズマ出口開口３４の外側の位置で結合及び／又は混合することができる。例えば、一実施形態では、二次ガス流４０及び５０は、プラズマ出口開口３４の下流の位置で、プラズマアーク３０及び／又はプラズマアーク３０を形成するプラズマガス２０と接触し、熱移動及び物質移動を可能にする。プラズマアークトーチ１０は、二次ガス４０、５０が、プラズマ出口開口３４の外側の位置で二次ガス４０、５０とプラズマガス３０とのエントレインメントを低減する密度を有するように、二次ガス密度（例えば、二次ガス４０及び／又は５０の密度）を制御する制御手段を含むことができる。適切な制御手段は、二次ガス４０、５０を制御し、二次ガス４０、５０とプラズマガス２０により形成されるプラズマアーク３０とのエントレインメントを低減する二次ガス４０、５０を提供する。
【００３０】
一実施形態では、制御手段は、二次ガス流４０、５０がプラズマアーク３０と接触する時、二次ガス流４０、５０の密度を制御し、プラズマアーク３０と二次ガス流４０、５０との間の密度差を低減する。制御手段は、コンピュータコンソールなどのコントローラ１５（図１Ｃ参照）とすることができ、該コントローラは、プラズマガス２０及び二次ガス４０、５０のうちの１つ以上のガス流又は混合物を制御する。別の実施形態では、コントローラ１５は、プラズマガスコントローラ３５及び二次ガスコントローラ２５ａを制御する制御手段である。コントローラ１５は、例えば、プラズマガスコントローラ３５及びトーチ１０からデータ及び信号を受信し、それらへ信号及びデータを供給するシステムとすることができる。プラズマガスコントローラ３５は、プラズマガス流を調節することができ、プラズマガスの組成を制御することができる。例えば、被加工物がステンレス鋼及び／又はアルミニウムを含有する場合、プラズマガスコントローラ３５は、ガス流を調節して、Ｈ３５及びＮ２からプラズマガスを混合することができる。コントローラ１５は、トーチ１０へのプラズマガス２０流を制御することができる。例えば、一実施形態では、酸素及び／又は空気は、プラズマガスコントローラ３５を通り、バルブマニフォルド３７を通って移動する。該バルブマニフォルドは、例えば、ガスの流動がトーチ１０にプラズマガス２０を供給できるようにし、且つできないようにする。更に、コントローラ１５は、二次ガスコントローラ２５からデータ及び信号を受信することができ、且つそこへ信号及びデータを供給することができる。コントローラは、例えば、切断信号及びガス流信号を受信及び／又は供給する。
【００３１】
ここで図１Ｂを参照すると、一実施形態では、二次ガスコントローラ２５は二次ガス流４０、５０の密度を制御するためのものである。二次ガスコントローラ２５は、二次ガス４０、５０の流動を制御し、プラズマアーク３０を形成するプラズマガス２０内への二次ガス４０、５０のエントレインメントを低減する密度の二次ガスの混合物を提供する。一実施形態では、二次ガスコントローラ２５は、少なくとも約２０％のヘリウムガス流を有する二次ガス流４０、５０を提供する。一実施形態では、材料はアルミニウム及び／又はステンレス鋼を含有し、二次ガスコントローラ２５は、二次ガスの密度を制御して、窒素及び少なくとも約２０％のヘリウムを含む混合物を提供する。
【００３２】
一実施形態では、二次ガスコントローラ２５は、二次ガス流４０、５０の密度を制御し、例えば二次ガス出口開口において、プラズマガス２０と二次ガス４０、５０との間の密度差を低減する。二次ガスコントローラ２５は、二次ガス流４０、５０の密度を制御することができ、例えば二次ガス出口開口において、プラズマアーク３０と二次ガス４０、５０との間の密度差を低減することができる。コントローラ２５は、二次ガス流４０、５０の密度を制御することができ、二次ガス流４０、５０がプラズマアーク３０と接触する時、プラズマアーク３０と二次ガス流との間の密度差を低減することができる。一実施形態では、二次ガスの密度を制御することは、二次ガス４０、５０に二次ガス出口開口を通って流れさせて、二次ガス出口開口において、二次ガス４０、５０とプラズマガス２０との間の密度差を最小限にすることを含むことができる。二次ガス４０、５０の密度は、当業者に既知の適切な手段により測定されてもよい。一実施形態では、任意のガス混合物が組み合わされた後に、且つプラズマアークトーチ１０に進入する前に、二次ガス４０、５０の密度は位置２７で測定される。二次ガスは、略周囲圧力下且つ周囲温度下にある場合に測定される。別の実施形態では、二次ガス４０、５０は、プラズマガス２０の密度と二次ガス４０、５０の密度との間の密度差を低減するように制御される。一実施形態では、二次ガスは２つ以上のガスの混合物であり、周囲条件における二次ガス密度は周囲条件における窒素ガス密度より低く、二次ガスは、少なくとも２０％の、例えばヘリウムなどの不活性ガスを含む。
【００３３】
一実施形態では、制御手段は、２つ以上のガスを混合して二次ガス４０、５０を提供する流動制御モジュールである。例えば、図１Ａ〜１Ｃを参照すると、二次ガスコントローラ２５ａは、２つ以上のガスを混合する（例えば、ヘリウムガス、窒素ガス、及び酸素ガスの中の２つ以上を混合する）流動制御モジュールである。流動制御モジュールは、例えば、バルブ、質量流量コントローラ、例えばブカート質量流量コントローラ（Ｂｕｋｅｒｔ  Ｍａｓｓ  Ｆｌｏｗ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ）（カリフォルニア州アーバインに所在するブカート・コントロマティック社（Ｂｕｋｅｒｔ  Ｃｏｎｔｒｏｍａｔｉｃ  Ｃｏｒｐ．））を含むことができる。流動制御モジュールは、４０％のヘリウムガスと６０％の酸素ガスとのそのような混合物である任意の範囲の二次ガス４０、５０の組合せを提供することができる。当業者は、ガス量を計測し、所望のガスの組合せに到達する種々の方法及びシステムを理解するであろう。一実施形態では、（図１Ｃ参照）二次ガス４０、５０の密度は、２つ以上のガスが、二次ガス４０、５０を提供するために質量流量コントローラによって混合される位置２７の後の位置で測定される。一実施形態では、二次ガス４０、５０の密度は、位置２７で測定される二次ガス４０、５０が略周囲圧力下且つ周囲温度下にある時に、測定される。
【００３４】
例えば、Ｈｙｐｅｒｔｈｅｒｍ  ＨＴ２０００  ２００Ａ酸素プラズマプロセスで実施される最近の数値モデル化計算により、最高プラズマ温度がノズル穴の中心線に沿って生じること、及びこの温度が約３０，０００℃であることが示されている。プラズマガス温度が、ノズル壁で銅の融点である１０００℃より下に低下する急勾配の温度プロフィールがノズル穴に存在する。これらの数値モデル化の結果は、ノズル穴内のプラズマガスの最高質量流量速度が、このノズル壁から僅か約０．０１６インチである放射方向の位置に位置していること、プラズマガスが約５７７℃の温度を有することを示している。プラズマアークがノズルを出た直後に、酸素プラズマガスの圧力が大気圧まで低下する。大気圧下且つモデル化温度下で、プラズマガスのこの領域は、０．４６ｇ／Ｌの密度を有する。
【００３５】
二次ガスが、１５℃の温度下且つ大気圧下で通常の空気のシールドガスである場合、二次ガスは、より高い密度即ち１．２２５ｇ／Ｌの密度を有する。プラズマガス密度とシールドガス密度との間の差を低減するために使用することができる２つの基本的な方法がある。１つの方法は、例えば補助加熱器を用いて、空気シールドガスを約４８０℃の温度まで加熱して、シールドガス密度を約０．４６ｇ／Ｌの密度まで低下させるステップを含む。該密度は、前に提供されたプラズマ密度に近い。或いは、もう１つの方法は、１５℃で且つ大気圧下で２７％の空気と７３％のヘリウムとの混合物である二次ガスを提供し、約０．４６ｇ／Ｌの二次ガス密度を実現するステップを含む。標準的な空気のシールドガスに熱を供給して密度を低下させることと、ガスの混合物を提供して、プラズマガスの密度に実質的に類似する密度を有する二次ガスを達成することとの、両方法を単一のプラズマアークトーチに用いることができることが考えられる。例えば、一実施形態では、ある割合の不活性シールドガスを含む二次ガスを、例えば補助加熱器を用いて温度制御することができ、使用される不活性ガス（例えば、ヘリウム）量の減少を可能にすることができる。
【００３６】
様々な応用では、様々なプラズマガス及び様々なシールドガスが使用される。プラズマガスから形成されるプラズマアークとの二次ガスのエントレインメントを低減する二次ガス及び二次ガス密度は、所定のプロセスに基づいて選択される。同様に、二次ガス流とプラズマアークを形成するプラズマガスとの間の密度差は、該プロセス及び被加工物の適用に基づくであろう。当業者は、何らかのテストを使用して、プラズマアークを形成するプラズマガスとのエントレインメントを低減する二次ガス及び二次ガス密度を決定してもよい。
【００３７】
プラズマアークを形成するプラズマガスは、例えば、温度、圧力、及びプラズマアークを形成するプラズマガスが測定される点次第で変動する、比較的低い密度を有する。二次ガス流４０、５０とプラズマアーク３０を形成するプラズマガス２０との間の密度差を低減することは、比較的低い密度を有し、それにより二次ガス４０、５０とプラズマアーク３０を形成するプラズマガス２０との間の密度差を低減する二次ガス４０、５０を提供することを含む。二次ガス流４０、５０の密度は、約１．０ｇ／ｌから約０．０７ｇ／ｌまで、約０．８ｇ／ｌから約０．０９ｇ／ｌまで、約０．６ｇ／ｌから約０．１５ｇ／ｌまで、約０．４ｇ／ｌから約０．２ｇ／ｌまで、又は約０．３ｇ／ｌに及ぶ。二次ガス密度の範囲上限は、約１５℃１気圧においてＮ２密度の９０％、約１．０９ｇ／ｌであり、二次ガス４０、５０の密度の範囲下限は約０．０７１４ｇ／ｌであり、約１５℃１気圧におけるヘリウム密度である。現在使用されている二次ガスは、プラズマアークを形成するプラズマガスとのより大きな密度差を有し、約１５℃１気圧において測定される約１．２１５ｇ／ｌの密度を有するＮ２、約１５℃１気圧において測定される約１．２２６ｇ／ｌの密度を有する空気、及び約１５℃１気圧において測定される約１．３８８ｇ／ｌの密度を有するＯ２を含む。
【００３８】
一実施形態では、制御手段は、二次ガス流４０、５０の温度を制御する温度コントローラである（図１Ｃ参照）。二次ガスコントローラ２５は、温度コントローラ、例えば加熱器２９、を含むことができる。一実施形態では、二次ガス４０、５０は、二次ガス４０、５０がプラズマアーク３０に接触する前に、トーチ１０の外部にある加熱器２９により予熱される。別の実施形態では、加熱器（例えば、補助加熱器）は、トーチ１０上に配置されている。使用されてもよい適切な加熱器には、例えば、オメガラックス（Ｏｍｅｇａｌｕｘ）という名でオメガ社（Ｏｍｅｇａ，  Ｉｎｃ．）により製造されるもの（型番ＡＨＰ−３７４２、ＡＨＰ−５０５２、ＡＨＰ−７５６２）などのインライン空気加熱器が含まれる。二次ガスコントローラ２５は、例えば、二次ガス流の温度を維持することができる。例えば二次ガス４０、５０を加熱することにより、二次ガス４０、５０の温度を最適化することによって、二次ガス４０、５０の密度は低下し、その熱伝導性は増大する。一実施形態では、二次ガス４０、５０の密度は位置２７において測定され、これは、ガス混合物が組み合わせられ且つ温度が加熱器２９によって制御された後であり、プラズマアークトーチ１０に進入する前である。温度制御された二次ガス４０、５０が測定される場合、略周囲圧力下である。二次ガス４０、５０の温度は、トーチ１０本体内部で交換される熱により影響を及ぼされる可能性があるが、いくつかの実施形態では、二次ガス密度は、プラズマアークトーチの上流で決定される（例えば、二次ガス４０、５０流がプラズマアークトーチ１０に進入する前に）。二次ガス４０、５０へのプラズマアークトーチ１０内部の予想される熱伝達の影響が、所望の二次ガス４０、５０の密度範囲を決定することにおいて利用され、例えば、加熱器２９を出る二次ガス４０、５０の温度レベルは、プラズマアークトーチ１０内で生じるであろう追加の熱交換を見越し対処することができる。
【００３９】
いくつかの実施形態では、図１Ａ〜１Ｃを更に参照すると、二次ガス４０、５０は、プラズマアーク３０の温度とは異なる温度を有する。例えば、二次ガス４０、５０は、プラズマアーク３０より低い温度を有し得る（例えば、二次ガス４０、５０は、二次ガス４０、５０とプラズマアーク３０との界面においてプラズマアーク３０より低い温度を有する）。多数の切断トーチでは、ノズル１４において、二次ガス流４０、５０を使用して冷却するか又は冷却を補助する。二次ガス４０、５０をノズル冷却用流体として使用する場合、二次ガス流４０、５０は、プラズマアークトーチ１０及び／又はプラズマアーク３０により間接的に予熱される。一実施形態では、二次ガス流４０、５０は、追加エネルギー源により温度制御される。例えば、二次ガス４０、５０は、プラズマアーク３０に接触する前に、追加エネルギー源（例えば加熱器２９）により予熱され、上昇した二次ガス温度に到達する。二次ガスの１つの流動（例えば４０）は、プラズマアーク３０に接触する二次ガスの別の流動（例えば５０）とは異なる温度を有し得る。例えば、二次ガスの１つ流動４０は追加エネルギー源により予熱することができ、二次ガスの別の流動５０は、周囲温度下で提供される。二次ガス流を周囲温度で又は周囲温度を超える温度即ち周囲温度より高い温度で提供することができる。二次ガス温度は、例えば、略周囲温度から約３０，０００℃まで、又は略周囲温度から約３，０００℃まで、又は略約周囲温度から約１，０００℃まで、又は略周囲温度から約５００℃まで、又は約５００℃から約１０００℃までの範囲内の値を有し得る。二次ガス４０、５０の温度を、例えば位置２７で測定することができる。
【００４０】
二次ガスエントレインメントの不均一性の増大が被加工物の切断角度の変動を増大することが、研究により示されている。このように、プラズマアーク３０内の二次ガス４０、５０のエントレインメントを制御することは、切断角度の変動を低減し、それにより、プラズマアークトーチの切断品質を向上させることが期待される。期待される向上には、例えば、完成した被加工物における表面粗さの低減、トップドロスの低減、及び上端部の丸まりの低減が含まれる。
【００４１】
切断角度の変動は、プラズマアークを用いて切断された被加工物の切り口を調べることにより評価される。切り口は水平軸に沿って見られ、切断角度の変動が存在しない場合、切り口は垂直軸に沿って９０°の角度をなす。二次ガス４０、５０とプラズマアーク３０との界面を改善するトーチ構造を選択することにより、切断角度の変動の低減を達成することができることが期待される。一実施形態では、二次ガス４０、５０の流動を制御することは、プラズマガス２０内への二次ガス４０、５０のエントレインメントを低減する向きで二次ガス出口開口を通して、二次ガス４０、５０の流動を方向付けることを含む。
【００４２】
制御手段はまた、プラズマアーク３０内への二次ガス４０、５０のエントレインメントを低減する向き（例えば、角度）で二次ガス出口開口を通して、二次ガス４０、５０の流動を制御することができる。図１Ａ及び２Ａは、プラズマアークトーチシステムを動作させる方法を示す。方法は、電極１２の端部から延びるプラズマアーク３０を形成するプラズマガス２０を流動させるステップを含む。プラズマアーク３０は、ノズル１４のプラズマ出口開口３４を通って延びる。プラズマアーク３０は長手方向軸３１を有し、該プラズマアークは、プラズマアークの長手方向軸３１の周囲を流動する。トーチ１０は、二次ガス出口開口を含む二次ガス流路を有する。方法はまた、プラズマアーク３０内への二次ガス４０、５０のエントレインメントを低減する向き（例えば、角度）で、二次ガス４０、５０に二次ガス出口開口を通って流れさせるステップを含む。一実施形態では、二次ガス４０、５０はヘリウムを含む。ここで図２Ａを参照すると、二次ガス４０は、プラズマアーク３０の長手方向軸３１に対して角度αで二次ガス出口開口を出る。角度αは、約８９°から約−９０°まで、約０°から約８９°まで、約０°から約８０°まで、約０°から約７５°まで、又は約０°から約５０°までに及ぶ値を有する。同様に、二次ガス５０は、プラズマアーク３０の長手方向軸３１に対して角度βで二次ガス出口開口を出る。角度βは、約８９°から約−９０°まで、約０°から約８９°まで、約０°から約８０°まで、約０°から約７５°まで、又は約０°から約５０°までに及ぶ値を有する。プラズマアーク３０の長手方向軸３１に対して角度α、βの範囲内の１つ以上の値で１つの二次ガス流４０、５０を提供する多数のトーチ、トーチ先端、及び／又は出口開口の構成の任意のものが、本発明により検討される。
【００４３】
ここで図１Ａ及び２Ｂを参照すると、二次ガス４０ａ、５０ａが、プラズマアーク３０の長手方向軸３１に対して、約８９°から約７５°まで、更に詳細には約８７°から約８０°までに及ぶ値を有する角度で、更に詳細には約８５°の角度で二次ガス出口開口を通って流れ、そこを出る。二次ガスが渦巻リングを通過した場合、例えば、二次ガス流は少なくとも３つの方向成分、即ち二次ガス旋回成分、二次ガス軸方向成分、及び二次ガス放射方向成分、を有する。そのような実施形態では、例えば、二次ガス流４０ａ、５０ａとして示されている二次ガス流の角度は、二次ガス軸方向成分と二次ガス放射方向成分との組合せに関連する。二次ガス旋回成分は、図２Ｂに示す二次ガス流４０ａ、５０ａには反映されず、この対流は本明細書に例示され記述される二次ガス流に付随する。
【００４４】
図３は、プラズマアークトーチ１０の先端１００の実施形態を示す。そこでは、プラズマアーク３０の長手方向軸３１に対して、約８９°から約７５°まで、更に詳細には約８７°から約８０°までに及ぶ値を有する角度で、更に詳細には約８５°の角度で、二次ガス１４０ａ、１５０ａが二次ガス出口開口９６ａ、９７ａを出る。図３を更に参照すると、トーチ先端１００の構成要素には、ノズル本体１６、実質的に中空のノズル内側１７ａ、ノズル外側１９ａ、及びプラズマ出口開口３４を含むノズル１４が含まれる。ノズル１４は、プラズマガスバイパスチャネルを画定することができる。一実施形態では、プラズマガスの一部が、プラズマガスバイパスチャネル経由でプラズマアークトーチシステムを出る。電極１２はノズル１４に接触し、電極１２とノズル１４との間に電気的短絡を作る。プラズマアーク３０は、電極１２とノズル１４との間の空間を渡って引き寄せられる。プラズマアーク３０はプラズマ出口開口３４を出る。二次キャップ８４ａは、本体８６ａを有し、随意に、通気孔８２を有する。二次ガスの全て又は一部を、該通気孔を通してトーチ先端１００から排出することができる。二次キャップ８４ａは、ノズル外側１９ａと相互に間隔を空けた関係で取り付けられている。ノズル外側１９ａ及び二次キャップ８４ａは、二次ガス流路９２ａ、９３ａを形成する。二次ガス流路９２ａ、９３ａは、二次ガス出口開口９６ａ、９７ａを含む。二次ガス１４０ａは、プラズマアーク３０内への二次ガス１４０ａのエントレインメントを低減する角度で二次ガス出口開口９６ａを出る。同様に、二次ガス１５０ａは、プラズマアーク３０内への二次ガス１５０ａのエントレインメントを低減する角度で二次ガス出口開口９７ａを出る。一実施形態では、二次ガス１５０ａは、プラズマアーク３０の長手方向軸３１に対して約８５°の角度で二次ガス出口開口９７ａを出る。二次ガス出口開口９６ａ、９７ａは、ノズル１４と二次キャップ８４ａとの間の間隙（例えば、二次ガス流路９２ａ、９３ａ）が９６ａ、９７ａを終端させ且つもはや画定されない場所のあたりに配置されている。二次ガスがプラズマアーク３０に接触する前に、二次ガスが二次ガス出口開口９６ａ、９７ａから流動する方向（例えば、角度）が測定される。
【００４５】
図３では、二次ガス１４０ａ、１５０ａは、図２Ｂの二次ガスと同様の態様で、プラズマアーク３０の長手方向軸３１に対し角度をなして、二次ガス出口開口を通って流れる。図３のトーチ先端１０は非限定的な例であり、プラズマアーク３０に対する二次ガス流４０ａ、５０ａ（図２Ｂ参照）の角度を実現する多数のトーチ、トーチ先端、及び／又は出口開口の構成の任意のものが、本発明により考えられる。図３のトーチ先端１００の横断面が２つの二次ガス流路９２ａ、９３ａを示しているが、任意の適切な数の二次ガス流路が使用されてもよい。各二次ガス流路の数及び／又は大きさは、特定の用途に基づいて選択されてもよい（例えば、二次ガス流路の数及び／又は大きさを選択する場合、トーチ、プラズマアーク、二次ガス、二次ガス温度、並びに／又は被加工物の大きさ及び材料を考慮することができる）。
【００４６】
ここで図１Ａ及び２Ｃを参照すると、二次ガス４０ｂ、５０ｂが、プラズマアーク３０の長手方向軸３１に対して約０°の角度で二次ガス出口開口を通って流れる。つまり、二次ガス４０ｂ、５０ｂは、プラズマアーク３０に対して実質的に同軸である。二次ガス４０ｂ、５０ｂは、プラズマアーク３０に対して実質的に円柱状である。同軸の又は平行な二次ガス流４０ｂ、５０ｂは、プラズマアーク内への二次ガス４０ｂ、５０ｂのエントレインメントを低減及び／又は最小限にすることが期待される。
【００４７】
ここで図１Ａ及び２Ｄを参照すると、二次ガス流４０ｃが、プラズマアーク３０の長手方向軸３１に対して約０°の角度でその二次ガス出口開口を通って流れ、二次ガス５０ｃは、プラズマアーク３０の長手方向軸３１に対して約５°から約２５°までに及ぶ値を有する角度でその二次ガス出口開口を通って流れる。
【００４８】
図４は、プラズマアークトーチ１０の先端１００の実施形態を示す。そこでは、二次ガス流１４０ｃ、１５０ｃが二次ガス流路９２ｃ、９３ｃを通って流れ、それぞれ二次ガス出口開口９６ｃ、９７ｃを出る。二次ガス１４０ｃは、プラズマアーク３０の長手方向軸３１に対して約０°の角度で出口開口９６ｃを出て、二次ガス１５０ｃは、長手方向軸３１に対して約５°から約２５°までに及ぶ値を有する角度で出口開口９７ｃを出る。図４を更に参照すると、トーチ先端１００の構成要素には、ノズル１４が含まれる。該ノズルは、ノズル本体１６ｃ、実質的に中空のノズル内側１７ｃ、ノズル外側１９ｃ、及びプラズマ出口開口３４を含む。プラズマアーク３０は、電極１２とノズル１４との間の空間を渡って引き寄せられる。プラズマアーク３０はプラズマ出口開口３４を出る。二次キャップ８４ｃは本体８６ｃを有する。二次キャップ８４ｃは、相互に間隔を空けた関係でノズル外側１９ｃに取り付けられており、二次ガス流路９２ｃ、９３ｃを形成している。二次ガス流路９２ｃ、９３ｃは二次ガス出口開口９６ｃ、９７ｃを含む。二次ガス１４０ｃは、プラズマアーク３０内への二次ガス１４０ｃのエントレインメントを低減する角度で二次ガス出口開口９６ｃを出る。同様に、二次ガス１５０ｃは、プラズマアーク３０内への二次ガス１５０ｃのエントレインメントを低減する角度で二次ガス出口開口９７ｃを出る。一実施形態では、二次ガス１５０ｃは、プラズマアーク３０の長手方向軸３１に対して約５°から約２５°までの角度で二次ガス出口開口９７ｃを出て、二次ガス１４０ｃは、長手方向軸３１に対して約０°の角度で二次ガス出口開口９６ｃを出る。図４では、二次ガス１４０ｃ、１５０ｃは、図２Ｄの二次ガスと同様の態様で、プラズマアーク３０の長手方向軸３１に対し角度をなして二次ガス出口開口を通って流れる。図４に示すトーチ先端１０は非限定的な例であり、プラズマアーク３０に対する二次ガス流４０ｃ、５０ｃ（図２Ｄ参照）の角度を実現する多数のトーチ、トーチ先端、及び／又は出口開口の構成の任意のものが、本発明により考えられる。
【００４９】
ここで図１Ａ及び２Ｅを参照すると、二次ガス流４０ｄが、プラズマアーク３０の長手方向軸３１に対して約５０°から約８０°までの角度でその二次ガス出口開口を通って流れる。二次ガス５０ｄは、長手方向軸３１に対して約−５０°から約−８０°までの角度でその二次ガス出口開口を通って流れる。本実施形態に基づき、二次ガス流４０ｄは、プラズマアーク３０に対して収束する角度の流れを提供し、二次ガス流５０ｄは、プラズマアーク３０に対して発散する角度の流れを提供する。
【００５０】
ここで図１Ａ及び２Ｆを参照すると、二次ガス流４０ｅ、５０ｅの各々が、プラズマアークの長手方向軸３１に対して約４０°から約５０°までの角度でその各二次ガス出口開口を通って流れる。本実施形態に基づき、二次ガス流４０ｅ、５０ｅの各々は、プラズマアーク３０に対して収束する角度の流れを提供する。
【００５１】
図５は、プラズマアークトーチ１０の先端１００の実施形態を示す。そこでは、二次ガス流１４０ｅ、１５０ｅが二次ガス流路９２ｅ、９３ｅを通って流れ、それぞれ二次ガス出口開口９６ｅ、９７ｅを出る。二次ガス１４０ｅは、プラズマアーク３０の長手方向軸３１に対して約４０°から約５０°までの角度で出口開口９６ｅを出て、二次ガス１５０ｅは、長手方向軸３１に対して約４０°から約５０°までに及ぶ値を有する角度で出口開口９７ｅを出る。
【００５２】
図５を更に参照すると、トーチ先端１００の構成要素にはノズル１４が含まれる。該ノズルは、ノズル本体１６ｅ、実質的に中空のノズル内側１７ｅ、ノズル外側１９ｅ、及びプラズマ出口開口３４を含む。プラズマアーク３０は、電極１２とノズル１４との間の空間を渡って引き寄せられる。プラズマアーク３０はプラズマ出口開口３４を出る。二次キャップ８４ｅは本体８６ｅを有する。二次キャップ８４ｅは、相互に間隔を空けた関係でノズル外側１９ｅに取り付けられ、二次ガス流路９２ｅ、９３ｅを形成する。二次ガス流路９２ｅ、９３ｅは二次ガス出口開口９６ｅ、９７ｅを含む。二次ガス１４０ｅは、プラズマアーク３０内への二次ガス１４０ｅのエントレインメントを低減する角度で二次ガス出口開口９６ｅを出る。同様に、二次ガス１５０ｅは、プラズマアーク３０内への二次ガス１５０ｅのエントレインメントを低減する角度で二次ガス出口開口９７ｅを出る。一実施形態では、二次ガス１５０ｅは、プラズマアーク３０の長手方向軸３１に対して約４０°から約５０°までに及ぶ値を有する角度で二次ガス出口開口９７ｅを出て、二次ガス１４０ｅは、長手方向軸３１に対して約４０°から約５０°までに及ぶ値を有する角度で二次ガス出口開口９６ｅを出る。図５では、二次ガス１４０ｅ、１５０ｅは、図２Ｆの二次ガスと同様の態様で、プラズマアーク３０の長手方向軸３１に対し角度をなして二次ガス出口開口９６ｅ、９７ｅを通って流れる。図５に示すトーチ先端１０は非限定的な例であり、プラズマアーク３０に対する二次ガス流４０ｅ、５０ｅ（図２Ｆ参照）の角度を実現する多数のトーチ、トーチ先端、及び／又は出口開口の構成の任意のものが、本発明により考えられる。
【００５３】
別の実施形態では、ノズル１４は、実質的に中空のノズル内側及びノズル外側を含むことができる。随意に、ノズル外側は、１つ以上の溝を画定する。方法は、互いに間隔を空けた関係でノズル外側に取り付けられており、１つ以上の溝と二次キャップ（図示せず）との間に１つ以上の二次ガス流路を形成する二次キャップを含むことができる。例えば、一実施形態では、ノズル外側は１つ以上の溝を画定し、二次キャップがノズル外側にぴったり重なって取り付けられた場合、１つ以上の溝は１つ以上の二次ガス流路を形成する。
【００５４】
更に別の実施形態では、二次ガス流路は、プラズマアークトーチのノズル内の１つ以上の流体通路を含む。例えば、１つ以上の流体通路は、二次ガス出口開口を出る二次ガスの少なくとも一部の流体路を画定することができる。１つ以上の流体通路は、プラズマアークに対して収束する角度の流れを、プラズマアークに対して発散する角度の流れを生成することができ、及び／又はプラズマアークに実質的に平行である。ノズル内の１つ以上の流体通路を使用する実施形態は、例えば、図１Ａ、６Ａ〜６Ｆ、及び７〜９を含む図に関して記載されている。プラズマアークトーチ、及びその中に流体通路が配置されているノズルは、本明細書に参照により援用されている、米国特許出願第６０／６８０１８４号明細書及び同第１１／４３２２８２号明細書に記載されている。
【００５５】
ここで図１Ａ及び６Ａを参照すると、二次ガス流４０ｆ、５０ｆの各々が二次ガス出口開口を通って流れ、プラズマアーク３０の長手方向軸３１に対して約０°の角度で二次ガス出口開口を出る。従って、二次ガス４０ｆ、５０ｆは、プラズマアーク３０に対して実質的に同軸である。更に、二次ガス４０ｆ、５０ｆは、プラズマアーク３０に対して実質的に円柱状である。更に詳細には、二次ガス流４０ｆ、５０ｆの各々は二次ガス流路９２ｆ、９３ｆを通って流れ、二次ガス出口開口を出る。同軸の又は平行な二次ガス４０ｆ、５０ｆは、プラズマアーク３０内への二次ガス４０ｆ、５０ｆのエントレインメントを低減及び／又は最小限にすることが期待される。
【００５６】
同様に、ここで図１Ａ及び６Ｂを参照すると、二次ガス流４０ｇ、５０ｇの各々が二次ガス出口開口を通って流れ、プラズマアーク３０の長手方向軸３１に対して約０°の角度で二次ガス出口開口を出る。従って、二次ガス流４０ｇ、５０ｇの各々は、プラズマアーク３０に対して実質的に同軸である。二次ガス４０ｇ、５０ｇは、プラズマアーク３０に対して実質的に円柱状である。更に詳細には、二次ガス流４０ｇ、５０ｇの各々は二次ガス流路９２ｇ、９３ｇを通って流れ、二次ガス出口開口を出る。二次ガス流４０ｇ、５０ｇは、プラズマアーク３０内への二次ガス４０ｇ、５０ｇのエントレインメントを低減及び／又は最小限にすることが期待される。
【００５７】
図７は、プラズマアークトーチ１０の先端１００の実施形態を示す。そこでは、二次ガス流１４０ｇ、１５０ｇが二次ガス流路１９２ｇ、１９３ｇを通って流れ、それぞれ二次ガス出口開口１９６ｇ、１９７ｇを出る。二次ガス１４０ｇは、プラズマアーク３０の長手方向軸３１に対して約０°の角度で出口開口１９６ｇを出て、二次ガス流１５０ｇは、長手方向軸３１に対して約０°の角度で出口開口１９７ｇを出る。図７を更に参照すると、トーチ先端１００の構成要素にはノズル１４が含まれる。該ノズルは、ノズル本体１６ｇ、ノズル本体１６ｇ内に配置されている流体通路１９２ｇ、１９３ｇ、及びプラズマ出口開口３４を含む。該流体通路は、ノズル本体１６ｇ内部に配置されている二次ガス流路を提供する。プラズマアーク３０はプラズマ出口開口３４を出る。各二次ガス流路１９２ｇ、１９３ｇ（即ち、流体通路）は、二次ガス出口開口１９６ｇ、１９７ｇを含む。二次ガス１４０ｇは、プラズマアーク３０内への二次ガス１４０ｇのエントレインメントを低減する角度で二次ガス出口開口１９６ｇを出る。同様に、二次ガス１５０ｇは、プラズマアーク３０内への二次ガス１５０ｇのエントレインメントを低減する角度で二次ガス出口開口１９７ｇを出る。一実施形態では、二次ガス１５０ｇは、プラズマアーク３０の長手方向軸３１に対して約０°の角度で二次ガス出口開口１９７ｇを出て、二次ガス１４０ｇは、長手方向軸３１に対して約０°の角度で二次ガス出口開口１９６ｇを出る。流体通路１９２ｇは、流体通路１９３ｇの直径に対してより大きい直径を有する。図７のトーチ先端１００の横断面が２つの流体通路１９２ｇ、１９３ｇを示すが、任意の適切な数の流体通路又は二次ガス流路が使用されてもよい。各二次ガス流路即ち流体通路の数及び／又は大きさは、特定の用途に基づいて選択されてもよい。
【００５８】
図７では、二次ガス１４０ｇ、１５０ｇは、図２Ｃ及び６Ｂの二次ガスと同様の態様で、プラズマアーク３０の長手方向軸３１に対し角度をなして二次ガス出口開口１９６ｇ、１９７ｇを通って流れる。図７に示すトーチ先端１０は非限定的な例であり、プラズマアーク３０に対する二次ガス流４０ｂ、５０ｂ（図２Ｃ参照）及び４０ｇ、５０ｇ（図６Ｂ参照）の角度を実現する多数のトーチ、トーチ先端、及び／又は出口開口の構成の任意のものが、本発明に基づいて使用されてもよい。
【００５９】
ここで図１Ａ及び６Ｃを参照すると、二次ガス流４０ｈ、５０ｈの各々は、二次ガス流４０ｈ、５０ｈの各々が約４０°から約５０°までの角度でプラズマアーク３０の長手方向軸３１と交差するように、二次ガス出口開口を通って流れる。二次ガス流４０ｈ、５０ｈの各々は二次ガス流路９２ｈ、９３ｈを通って流れ、二次ガス出口開口を出る。
【００６０】
ここで図１Ａ及び６Ｃを参照すると、二次ガス流４０ｈ、５０ｈの各々は、プラズマアーク３０の長手方向軸３１に対して約４０°から約５０°までの角度で二次ガス出口開口を通って流れる。二次ガス流４０ｈ、５０ｈの各々は二次ガス流路９２ｈ、９３ｈを通って流れ、二次ガス出口開口を出る。本実施形態に基づき、二次ガス流４０ｈ、５０ｈは、プラズマアーク３０に対して収束する角度の流れを提供する。
【００６１】
ここで図１Ａ及び６Ｄを参照すると、二次ガス流４０ｉ、５０ｉの各々が、プラズマアーク３０の長手方向軸３１に対して約−４０°から約−５０°までの角度で二次ガス出口開口を通って流れる。二次ガス流４０ｈ、５０ｈの各々は二次ガス流路９２ｉ、９３ｉを通って流れ、二次ガス出口開口を出る。本実施形態に基づき、二次ガス流４０ｉ、５０ｉは、プラズマアーク３０に対して発散する角度の流れを提供する。
【００６２】
ここで図１Ａ及び６Ｅを参照すると、二次ガス流４０ｊ、５０ｊの各々が、プラズマアーク３０の長手方向軸３１に対して約８０°から約９０°までの角度で二次ガス出口開口を通って流れる。二次ガス流４０ｊ、５０ｊの各々は二次ガス流路９２ｊ、９３ｊを通って流れ、二次ガス出口開口を出る。
【００６３】
ここで図１Ａ及び６Ｆを参照すると、二次ガス流４０ｋ、５０ｋの各々が、プラズマアーク３０の長手方向軸３１に対し角度をなして二次ガス出口開口を通って流れる。二次ガス流４０ｋは、プラズマアーク３０の長手方向軸３１に対して約−４０°から約−５０°までの角度で二次ガス流路９２ｋを出る。二次ガス流５０ｋは、プラズマアーク３０の長手方向軸３１に対して約４０°から約５０°までの角度で二次ガス流路９３ｋを出る。本実施形態に基づき、二次ガス流４０ｋは、プラズマアーク３０に対して発散する角度の流れを提供し、二次ガス流５０ｋは、プラズマアーク３０に対して収束する角度の流れを提供する。
【００６４】
図８は、プラズマアークトーチ１０の先端１００の実施形態を示す。そこでは、二次ガス流１４０ｋ、１５０ｋが二次ガス流路１９２ｋ、１９３ｋを通って流れ、それぞれ二次ガス出口開口１９６ｋ、１９７ｋを出る。二次ガス１４０ｋは、プラズマアーク３０の長手方向軸３１に対して約−４０°から約−５０°までの角度で出口開口１９６ｋを出る。二次ガス１５０ｋは、長手方向軸３１に対して約４０°から約５０°までの角度で出口開口１９７ｋを出る。図８を更に参照すると、トーチ先端１００の構成要素には、ノズル１４が含まれる。該ノズルは、ノズル本体１６ｋ、ノズル本体１６Ｋ内に配置されている流体通路１９２ｋ、１９３ｋ、及びプラズマ出口開口３４を含む。該流体通路は、二次ガス流路１９２ｋ、１９３ｋである。プラズマアーク３０はプラズマ出口開口３４を出る。各二次ガス流路１９２ｋ、１９３ｋ（即ち、流体通路）は、それぞれ二次ガス出口開口１９６ｋ、１９７ｋ含む。二次ガス１４０ｋは、プラズマアーク３０内への二次ガス１４０ｋのエントレインメントを低減する角度で二次ガス出口開口１９６ｋを出る。同様に、二次ガス１５０ｋは、プラズマアーク３０内への二次ガス１５０ｋのエントレインメントを低減する角度で二次ガス出口開口１９７ｋを出る。一実施形態では、二次ガス１５０ｋは、プラズマアーク３０の長手方向軸３１に対して約４５°の角度で二次ガス出口開口１９７ｋを出て、二次ガス１４０ｋは、長手方向軸３１に対して約−４５°の角度で二次ガス出口開口１９６ｋを出る。
【００６５】
流体通路１９２ｋの出口開口１９６ｋは、流体通路１９３ｋの出口開口１９７ｋの直径に対して類似した直径を有する。図８のトーチ先端１００の横断面図は２つの流体通路１９２ｋ、１９３ｋを示すが、任意の適切な数の流体通路即ち二次ガス流路が使用されてもよい。各二次ガス流路即ち流体通路の数及び／又は大きさは、特定の応用（例えば、被加工物７０の材料など）に基づいて選択されてもよい。
【００６６】
図８では、二次ガス１４０ｋ、１５０ｋは、図６Ｆの二次ガスと同様の態様で、プラズマアーク３０の長手方向軸３１に対し角度をなして二次ガス出口開口１９６ｋ、１９７ｋを通って流れる。図８に示すトーチ先端１０は非限定的な例であり、プラズマアーク３０に対する二次ガス流４０ｋ、５０ｋ（図６Ｆ参照）の角度を実現する多数のトーチ、トーチ先端、及び／又は出口開口の構成の任意のものが、本発明に基づいて使用されてもよい。
【００６７】
図９は、プラズマアークトーチ１０の先端１００の実施形態を示す。そこでは、二次ガス流１４０Ｌ、１５０Ｌが、プラズマアーク３０の長手方向軸３１に対し角度をなして二次ガス出口開口１９６Ｌ、１９７Ｌを通って流れる。二次ガス１４０Ｌは、約２０°から約３０°までに及ぶ値を有する角度で出口開口１９６Ｌを出る。二次ガス１５０Ｌは、約０°から約−１０°までに及ぶ値を有する角度で出口開口１９７Ｌを出る。図９を更に参照すると、トーチ先端１００の構成要素にはノズル１４が含まれる。該ノズルは、ノズル本体１６Ｌ、ノズル外側１９Ｌ、及びプラズマ出口開口３４を含む。プラズマアーク３０は、電極１２とノズル１４との間の空間を渡って引き寄せられる。プラズマアーク３０はプラズマ出口開口３４を出る。二次キャップ８４Ｌは本体８６Ｌを有する。二次キャップ８４Ｌは、間隔を空けた関係ではなく外接する関係で、ノズル１４に取り付けられている。図示の通り、二次キャップ８４Ｌはノズル１４の外側１９Ｌと協働して、流体通路１９２Ｌ、１９３Ｌを形成する。流体通路は、それぞれ二次ガス出口開口１９６Ｌ、１９７Ｌを含む二次ガス流路１９２Ｌ、１９３Ｌを提供する。二次ガス１４０Ｌは、プラズマアーク３０内への二次ガス１４０Ｌのエントレインメントを低減する角度で二次ガス出口開口１９６Ｌを出る。同様に、二次ガス１５０Ｌは、プラズマアーク３０内への二次ガス１５０Ｌのエントレインメントを低減する角度で二次ガス出口開口１９７Ｌを出る。
【００６８】
一実施形態では、二次ガスは、約０．０１％から約９９．９％までのヘリウム、約０．１％から５０％までのヘリウム、約１％から約３０％までのヘリウム、約５％から約３０％までのヘリウム、約２０％から約８０％までのヘリウム、又は約３０％から約６５％までのヘリウムを有する。二次ガスは、例えば、酸化ガスを更に含むことができる。
【００６９】
方法はまた、二次ガスの温度を制御するステップを含むことができる。例えば、二次ガスの温度は、二次ガスがプラズマアークに接触する前に制御される。一実施形態では、二次ガスの温度は、トーチにより生成されるプラズマアークの密度に実質的に類似した二次ガスのガス密度を実現するために選択される。例えば、外部加熱源又は外部冷却源により、二次ガスの温度を制御することができる。ここで図９Ａを参照すると、プラズマアークトーチ１０の外部にある温度コントローラ１３０が、二次ガス４０がプラズマアークトーチ内に導入される前に、二次ガス４０の温度を制御する。随意に、適切な二次ガス温度コントローラをプラズマアークトーチ内に組み込むことができる。
【００７０】
別の態様では、ここで図１Ａ及び９Ａを参照すると、本発明は、プラズマアークトーチ１０に関する。プラズマアークトーチは、第１の端部１１、第２の端部１１、及びトーチ本体の第１の端部にプラズマ出口開口３４を有するトーチ本体を含むことができる。プラズマガスは、プラズマ出口開口３４を通って延びるプラズマアーク３０を形成する。二次ガス流路は、トーチ本体の第１の端部に二次ガス出口開口を含む。プラズマアークトーチは二次ガスを制御して、二次ガス出口開口を出る二次ガスのプラズマガス内へのエントレインメントを低減する二次ガスを提供する手段を含む。一実施形態では、制御する手段は二次ガス密度を制御して、プラズマ出口開口３４の外側の位置における二次ガスとプラズマアークとのエントレインメントを低減する二次ガスを提供する。別の実施形態では、制御する手段は、二次ガス出口開口を通って流れる二次ガスの密度を制御し、二次ガス出口開口における二次ガスとプラズマガスとの間の密度差を低減する。制御する手段は二次ガス流の密度を制御することができ、二次ガス流がプラズマアークに接触する時、プラズマアークと二次ガス流との間の密度差を低減することができる。一実施形態では、二次ガスを制御する手段は、二次ガスの温度を制御するための温度コントローラである。或いは、又は更に、二次ガスを制御する手段は、ヘリウム、窒素、酸素、水素、アルゴン、メタン、及び二酸化炭素の群から選択される２つ以上の二次ガスを混合するための２つ以上のバルブを含む。二次ガスを制御する手段は、２つ以上の二次ガスの比率を制御するコントローラとすることができる。別の実施形態では、二次ガスを制御する手段は、プラズマガス内への二次ガスのエントレインメントを低減する向きで二次ガス出口開口を通して、二次ガスの流動を方向付けることを含む。例えば、二次ガスは、プラズマアーク内への二次ガスのエントレインメントを最小限にする角度で二次ガス出口開口を通って流れる。
【００７１】
プラズマアークトーチ１０のトーチ本体は、電源１２０に接続することができ、プラズマアークトーチシステムを提供することができる。プラズマアーク３０は、切り口７１で被加工物７０を貫通して切断する。前述のプラズマアークトーチ及びトーチ先端の任意のものを、図９Ａのプラズマアークトーチシステムに使用することができる。開示したシステム、装置、及び方法の有効性を検査するために、一連の実験を実施した。それを以下に詳細に説明する。
【００７２】
（実施例１）
ヘリウムを含む二次ガス混合物の導入が、プラズマアークトーチの切断品質を向上させることが、実験結果により示されている。切断品質は、表面粗さ、トップドロス、及び上端部の丸まりにより測定され、二次ガスがヘリウムを含み、且つヘリウムを含む二次ガスがプラズマアーク内への二次ガスのエントレインメントを低減する角度で流動する場合、これらの評価指標は全て低減する。
【００７３】
酸素、窒素、アルゴン、及びヘリウムの種々の二次ガス混合物と共にプラズマアークトーチを使用して、３／８インチの軟鋼を切断する実験を実施した。プラズマは極めて低い密度及び高い熱伝導性を有する。アルゴン及びヘリウムの両者は化学的不活性ガスであり、被加工物の表面と化学反応することは予想されない。しかし、ヘリウム及びアルゴンは、異なる密度値、熱伝導率値、及び原子量を有する。ヘリウムは、アルゴンより大きな熱伝導性及びより低い密度を有する。詳細には、ヘリウムは、１気圧で２７３．２ケルビンの温度で１．４１１ｍＷ／（ｃｍ＊Ｋ）の熱伝導率を有し、ヘリウムは、０℃で０．１７８４７ｇ／Ｌの密度を有する。アルゴンは、１気圧で２７０ケルビンの温度で０．１６１９ｍＷ／（ｃｍ＊Ｋ）の熱伝導率を有し、アルゴンは、室温（約２５℃）で１．７８２４ｇ／Ｌの密度を有する。理論に基づくものではないが、ここで開示する実験により証明されると考えられる通り、ヘリウム及びプラズマの両者は比較的低い密度値を有するので、低密度のヘリウムガスを含む二次ガス混合物は、プラズマと二次ガスとの間の混合率を低減すると考えられる。更に、ヘリウムは高い熱伝導性を有するので、プラズマが被加工物表面を切断する場合、熱伝達を増大する。
【００７４】
実験には、同軸二次キャップ又は同軸シールド構造を備えるプラズマアークトーチを使用し、詳細には、実験は、通気孔付きノズル及び同軸シールドを用いて設計されているハイパフォーマンス・トーチ（ＨｙＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｔｏｒｃｈ）、並びに消耗部品を備えるＨｙｐｅｒｔｈｅｒｍ  ＨＤ４０７０システム（ニューハンプシャー州ハノーバー）を使用して実施された。図１０は、実験に使用されるプラズマアークトーチ２００の概略図示す。二次ガスは、二次ガス渦巻リング２５０により旋回させられる。二次ガスが渦巻リング２５０を通過した後、二次ガス流は、少なくとも３つの方向成分、即ち二次ガス旋回成分、二次ガス軸方向成分、及び二次ガス放射方向成分、を有する。同軸シールド構造２４０は、プラズマアーク内への二次ガスのエントレインメントを低減する角度で、二次ガス（例えば、二次ガス軸方向成分と二次ガス放射方向成分との組合せ）を提供する（例えば、同軸シールド構造は、プラズマアークの長手方向軸に対して約０°の角度で、二次ガスを提供する）。更に、同軸シールド構造２４０は、プラズマアーク内への二次ガスのエントレインメントを低減及び／又は最小限にする角度及び／又は相対速度で、プラズマアーク及び二次ガスを提供する。
【００７５】
実験では、３／８インチ厚さの軟鋼の３平方インチのサンプルを、通気孔付きノズル２３０及び同軸シールド２４０を用いて設計されているハイパフォーマンス・トーチ２００、並びに消耗部品を備えるＨｙｐｅｒｔｈｅｒｍ  ＨＤ４０７０システム（ニューハンプシャー州ハノーバー）を使用して切断した。全ての実験に、１分当たり１５０インチの切断速度、及び０．１３０インチのトーチ隔離器が用いられた。ＨＤ４０７０ガスコンソールのプラズマガス設定は、プラズマプリフロー（ｐｌａｓｍａ  ｐｒｅ−ｆｌｏｗ）に関しては１２％の酸素及び３５％の窒素、プラズマ切断流に関しては７２％の酸素であった。ＨＤ４０７０ソフトウェアを、二次ガスのプリフローバルブ及び切断流バルブの両方を作動するように修正して、プラズマアークトーチが動作している場合にプリフローバルブ及び切断流バルブの両方が動作しているようにした。したがって、プリフロー及び切断流は共に、切断中にプラズマアークトーチ２００が動作している場合、二次ガスの全体的な流速に影響を及ぼす。下の表１は、実施された７つのテストに関するガスコンソールの二次ガス設定を示す。
【００７６】
【表１】
2009524527.tif 000003
【００７７】
テスト１の切断サンプルは、鋭い上端を有しドロスを有さなかったが、過剰な湾曲と共に大きな切断角度を有していた。テスト２の切断サンプルは、小さい角度及び極めて少量のドロスと共に鋭い上縁を有していた。テスト３の切断サンプルは、鋭い上縁を有し、３つの側面全てにドロスを有していた。テスト１〜３の結果は、Ｏ２／Ｎ２シールドガス混合物に関しては、少量の窒素が切断角度及び端部の湾曲を低減することができ、窒素濃度を上昇させるとドロスの程度が増大することを示す。
【００７８】
テスト４では、二次ガス・プリフロー混合物にアルゴンを使用した。テスト４の切断サンプルは、切断角度が大きく、トップドロスはないものの、切り口の底部にボトムドロスがしっかりと付着して固体状のリップが生じており、非常に質の悪いものであった。切断面は、切り口の上部で酸化していたが、切り口の底部は酸化層を有さなかった。
【００７９】
テスト５、６及び７では、二次ガス混合物にヘリウムが使用された。３つのテストは全て、均一な酸化層を有する極めて滑らかな切断面、無トップドロス、極めて鋭い上縁部、及びある程度の縁部湾曲を示した。また３つのサンプルは全て、底面上に緩く付着したある程度のドロスビードを有した。
【００８０】
図１１は、テスト７、４、２及び１において作り出されたサンプルの切り口示す。テスト７の結果が望ましい。テスト結果は、シールドガス組成と作り出された切断サンプルの品質との間の強い相関関係を説明する。酸素中の少量の窒素が切断角度及び縁部の湾曲を低減する（表１及び図１１のテスト２参照）。
【００８１】
酸素及び不活性ガスであるヘリウムの二次／シールドガス混合物を用いて作り出された切り口は、極めて滑らかな切り口及び極めて鋭い上端部を有する切断サンプルを作り出す（表１及び図１１のテスト７参照）。しかし、窒素を別の不活性ガスであるアルゴンに置き換えると（表１及び図１１のテスト４参照）、切り口の利点をもたらさない。理論に基づくものではないが、ヘリウムを含む二次ガスに対するアルゴンを含む二次ガスをでの切断利点の欠如という違いは、ヘリウムに対するアルゴンのより高い密度及びより低い熱伝導性に起因すると考えられる。ヘリウムは特に効果的なシールドガス添加物であると考えられる。プラズマと同様の比較的低いヘリウム密度、ヘリウムの高い熱伝導性、及び不活性ガスであるヘリウムの化学安定性が、ヘリウムを特に効果的なシールドガス添加物とすることが分かる。プラズマアークトーチシステムにおいてプラズマガス内への二次ガスのエントレインメントを低減する角度でヘリウムを含む二次ガスを流動させることが、切断品質の向上をもたらす。該向上は、窒素及び／又はアルゴンを含む二次ガスが使用された場合には達成されないものである。
【００８２】
ヘリウムの添加により、任意の材料を切断するようになされた広範なプラズマ切断プロセスの切断性能が向上し得ると考えられる。更に、プラズマアーク内への二次ガスのエントレインメントを低減する角度で、ヘリウムを含有する二次ガスを添加することによっても、切断品質が向上し得る。
【００８３】
更に、二次ガス混合物はまた、酸素、窒素、及びヘリウムの混合物を含むことができる。窒素、ヘリウム、及び酸素の二次ガス混合物は、ドロスの形成を制限し、二次ガスがヘリウム及び酸素だけの混合物を含む場合に生成された切断サンプル上に観察された縁部湾曲を解消する可能性があることが予想される。
【００８４】
（実施例２）
第２の実験では、ヘリウムを含む二次ガス混合物を導入することによりプラズマアークトーチによる軟鋼内への穿孔品質が向上することを、結果が証明している。プラズマアークトーチにより金属材料内に開かれた貫通孔は、貫通孔の一方の端部で先細りになる可能性がある。貫通孔は、ボルトを材料に固定することを可能にするために金属材料に作られる。貫通孔における先細りは、シリンダ／切断クリアランスにおける困難を含む問題、及び材料の貫通孔を通したボルトの取り付けの困難を含む領域における問題を生じる。また、それを貫通して貫通孔が開けられる材料の厚さが、貫通孔の品質に影響を及ぼす。貫通孔における先細りは、実質的に直線の切り口が作られる用途における上縁部の丸まりに類似している。貫通孔の品質における不完全性は、貫通孔が小さい直径を有する場合に増大する。何故なら、例えば、先細りの影響は、貫通孔が小さい直径を有する場合、貫通孔の有用性（例えば、貫通孔を通してボルトを取り付ける能力）に影響を及ぼす可能性があるからである。例えば、貫通孔の直径対長さの比が１対１比に近ずくにつれて、貫通孔の不完全性は増大する。
【００８５】
二次ガスとしての空気を用いて、且つ酸素、窒素、及びヘリウムの二次ガス混合物を用いて、プラズマアークトーチを使用して、１／４インチの軟鋼プレートに貫通孔が開けられる。実験では、ＨＰＲトーチ及びＨＰＲ８０Ａ軟鋼消耗部品を備える、図１Ｃに示すシールドガス混合システムに類似したプロトタイプのシールドガス混合システムを備えるＨｙｐｅｒｔｈｅｒｍ  ＨＰＲ２６０システム（ニューハンプシャー州ハノーバー）を使用して、１／４インチ厚さの軟鋼のサンプルが切断される。本実験では、１分当たり５０インチの切断速度及び０．０８０インチのトーチ隔離絶縁器を使用した。
【００８６】
図１２Ａ〜１２Ｃは、１／４インチの軟鋼材料３１０、並びに材料３１０を貫通して開けられた貫通孔３２２及び３２４の概略図を示す。貫通孔３２２は、前述のプラズマアークトーチを用いて開けられている。トーチを通って流れるプラズマガスは酸素を含有し、二次ガスは空気である。ここで図１２Ｃを参照すると、貫通孔３２２の上部３２２ａは、０．３３６インチの平均直径を有し、貫通孔３２２の底部３２２ｂは、０．２５０インチの平均直径を有する。
【００８７】
ここで図１２Ａ〜１２Ｃを参照すると、貫通孔３２４もまた、前述のプラズマアークトーチを用いて開けられている。トーチを通って流れるプラズマガスは酸素を含有し、二次ガスは、５０％のヘリウムガス、４５％の酸素ガス、及び５％の窒素ガスの混合物である。ここで図１２Ｃを参照すると、貫通孔３２４の上部３３４ａは、０．２４８インチの平均直径を有し、貫通孔３２４の底部３３４ｂは、０．２５０インチの平均直径を有する。
【００８８】
ヘリウムを含む二次ガス混合物を使用する貫通孔３２４は、ヘリウムを使用しない貫通孔３２２と比較して先細りを低減している。貫通孔３２２と比較した貫通孔３２４の切断品質における向上は、貫通孔３２２を開けるために使用されている二次ガス混合物（即ち、空気）と比較しての、貫通孔３２４を開けるために使用されている二次ガス混合物（即ち、５０％のヘリウムガス、４５％の酸素ガス、及び５％の窒素ガス）に起因する、エントレインメントの悪影響の低減を示す。更に、貫通孔３２４を開けるために使用されている二次ガス混合物は、周囲条件における窒素ガス密度より低い周囲条件における密度を有する。更に詳細には、貫通孔３２４を開けるために使用されている二次ガスは、周囲条件における窒素密度の約７０％より低い周囲条件における密度を有する。更に、貫通孔３２４を開けるために使用されている、プラズマアークを形成するプラズマガス内への二次ガスのエントレインメントを低減する二次ガス密度を有する制御された二次ガス流は、貫通孔３２２を開けるために使用されている二次ガス流よりも更に一貫した穿孔を提供する。
【００８９】
実験データに基づき、孔の先細りを低減する上縁部の丸まりの低減は、不活性ガス即ちヘリウムの使用に因ることが分かる。エントレインメントの低減により達成される向上は、二次ガスのより低い密度に起因すると考えられる。二次ガスの低密度は、本実験では、比較的低い密度を有するガスであるヘリウムを含む混合物を使用することにより実現された。
【００９０】
本発明を、特に、特定の好適な実施形態に関して示し記載したが、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、形態及び詳細における種々の変更がその中でなされてもよいことが、当業者により理解されるべきである。当業者であれば、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、本明細書に記載されていることの変形、変更、及び他の実施を思いつくであろう。従って、本発明は、先行する例示的記載によってのみ定められるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１Ａ】図１Ａは、プラズマアークトーチの横断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、プラズマガスコントローラ及び二次ガスコントローラを有するプラズマアークトーチの横断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、コントローラの実施形態である。
【図２】図２Ａ〜２Ｆは、図１Ａに示すプラズマアークに対して一定の角度範囲で流動する１つ以上の二次ガス流の図である。
【図３】図３は、１つ以上の二次ガス流それぞれがプラズマアークに対し角度をなして流動している状態での、プラズマアークトーチ先端の横断面図である。
【図４】図４は、１つ以上の二次ガス流それぞれがプラズマアークに対し角度をなして流動している状態での、プラズマアークトーチ先端の横断面図である。
【図５】図５は、１つ以上の二次ガス流それぞれがプラズマアークに対し角度をなして流動している状態での、プラズマアークトーチ先端の横断面図である。
【図６】図６Ａ〜６Ｆは、それぞれが図１Ａに示すプラズマアークに対し角度をなして、１つ以上の流体通路を通って流れる１つ以上の二次ガス流の図である。
【図７】図７は、１つ以上の流体通路がノズル内部に配置されており、且つ１つ以上の二次ガス流それぞれがプラズマアークに対し角度をなして流体通路の出口開口を出ている、プラズマアークトーチ先端の横断面図である。
【図８】図８は、１つ以上の流体通路がノズル内部に配置されており、且つ１つ以上の二次ガス流それぞれがプラズマアークに対し角度をなして流体通路の出口開口を出ている、プラズマアークトーチ先端の横断面図である。
【図９】図９は、ノズル内部に配置されている１つ以上の流体通路の一部を形成する外接構成要素、及びそれぞれがプラズマアークに対し角度をなして流体通路の出口開口を出ている１つ以上の二次ガス流を含む、プラズマアークトーチ先端の横断面図である。
【図９Ａ】図９Ａは，プラズマアークトーチシステムの概略図である。
【図１０】図１０は、プラズマアークトーチの概略図を示す。
【図１１】図１１は、被加工物のプラズマアーク切断サンプルの切り口を示す。
【図１２】図１２Ａ〜１２Ｃは、被加工物材料を貫通して開けられた貫通孔を示す。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図９Ａ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【国際調査報告】
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