(57)【要約】      （修正有）【課題】プラズマアークトーチのノズル内に少なくとも部分的に配置され得る磨耗及び損傷され難いネジ接続部を備えた電極及び電極ホルダーを提供すること。【解決手段】電極ホルダーアセンブリ１８における電極ホルダー５６と電極用のネジ部１５が設けられている。ネジ部１５は、比較的ネジ高さが低く、電極の雄ネジ部１９と電極ホルダーの雌ネジ部１７との係合部が、少なくとも部分的にノズル室内に配置されている。一態様において、電極２０の公称ピッチ径は、電極２０の内径よりも小さい。他の態様において、電極の雄ネジ部１９の谷領域の幅は、電極ホルダーの雌ネジ部１７の谷領域の幅よりも少なくとも３５％広い。電極の雄ネジ部１９の谷領域の幅は、電極の雄ネジ部１９の山部の幅よりも少なくとも１５％広い。具体的な一実施形態において、電極の雄ネジ部１９の山輪郭は、低山アクメネジの輪郭であり、谷輪郭は低山アクメネジよりも大きい。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマアークトーチのアークを放出し、前記プラズマアークトーチ内に取り外し可能に保持される電極において、
前記電極を前記プラズマアークトーチ内に取り外し可能に保持し、螺旋状に少なくとも部分的にネジ軸を包囲して延在する少なくとも一条のネジ形状を画成する雄ネジ部を備え、
前記ネジ部は、
前記ネジ部のより大きい直径をなす外径と、
前記ネジ部のより小さい直径をなす内径と、
断面で見たときに、１つ以上の山輪郭を画成し、前記外径と前記内径との間に延在する対の歯面であって、ある山輪郭の前記歯面の各々は、少なくとも１つの線を画成し、該線は、山頂点において、その山輪郭の前記歯面の他方によって画成される線と交差し、さらに、これらの線の少なくとも１つは、谷頂点において、前記谷頂点に対して反対側の歯面によって画成される線と交差するような歯面と、
前記山頂点の直径と前記谷頂点の直径との中間に画成される公称ピッチ径と
を画成し、
前記公称ピッチ径は、前記内径以下である、
ことを特徴とする電極。
【請求項２】
前記公称ピッチ径は、前記内径よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の電極。
【請求項３】
電極がネジ接続部において電極ホルダーに取り外し可能に保持されるプラズマアークトーチ用の電極／電極ホルダー組合せにおいて、
螺旋状に少なくとも部分的にネジ軸を包囲して延在する少なくとも一条のネジ形状を画成する雌ネジ部を有する電極ホルダーを備え、
前記雌ネジ部は、
前記雌ネジ部のより大きい直径をなす外径と、
前記雌ネジ部のより小さい直径をなす内径と
を画成し、
前記電極ホルダーの前記雌ネジ部とネジ係合するための少なくとも一条のネジ形状を画成する雄ネジ部を有する電極をさらに備え、
前記雄ネジ部は、
前記雄ネジ部のより大きい直径をなす外径と、
前記雄ネジ部のより小さい直径をなす内径と、
断面で見たときに、１つ以上の山輪郭を画成し、前記外径と前記内径との間に延在する対の歯面であって、ある山輪郭の前記歯面の各々は、少なくとも１つの線を画成し、該線は、山頂点において、その山輪郭の前記歯面の他方によって画成される線と交差し、さらに、前記線の少なくとも１つは、谷頂点において、前記谷頂点に対して反対側の歯面によって画成される線と交差するような歯面と、
前記山頂点の直径と前記谷頂点の直径との中間に画成される公称ピッチ径と
を画成し、
前記電極の前記公称ピッチ径は、前記電極ホルダーの前記内径以下である、
ことを特徴とする電極／電極ホルダー組合せ。
【請求項４】
前記電極の前記公称ピッチ径は、前記電極ホルダーの前記内径よりも小さいことを特徴とする請求項３に記載の電極／電極ホルダー組合せ。
【請求項５】
電極をプラズマアークトーチ内に取り外し可能に保持するための電極ホルダーにおいて、
前記電極ホルダーを前記プラズマアークトーチ内に取り外し可能に保持し、螺旋状に少なくとも部分的にネジ軸を包囲して延在する少なくとも一条のネジ形状を画成する雄ネジ部を備え、
前記ネジ部は、
前記ネジ部のより大きい直径をなす外径と、
前記ネジ部のより小さい直径をなす内径と、
断面で見たときに、１つ以上の山輪郭を画成し、前記外径と前記内径との間に延在する対の歯面であって、ある山輪郭の前記歯面の各々は、少なくとも１つの線を画成し、該線は、山頂点において、その山輪郭の前記歯面の他方によって画成される線と交差し、さらに、それらの線の少なくとも１つは、谷頂点において、前記谷頂点に対して反対側の歯面によって画成される線と交差するような歯面と、
前記山頂点の直径と前記谷頂点の直径との中間に画成される公称ピッチ径と
を画成し、
前記公称ピッチ径は、前記内径以下である、
ことを特徴とする電極ホルダー。
【請求項６】
前記雄ネジ部から離れた雌ネジ部であって、前記電極を前記電極ホルダーに取り外し可能に保持し、螺旋状に少なくとも部分的に雌ネジ軸を包囲して延在する少なくとも一条のネジ形状を画成する雌ネジ部をさらに備え、
前記雌ネジ部は、
前記雌ネジ部のより大きい直径をなす外径と、
前記雌ネジ部のより小さい直径をなす内径と、
断面で見たときに、１つ以上の山輪郭を画成し、前記外径と前記内径との間に延在する対の歯面であって、ある山輪郭の前記歯面の各々は、少なくとも１つの線を画成し、該線は、山頂点において、その山輪郭の前記歯面の他方によって画成される線と交差し、さらに、これらの線の少なくとも１つは、谷頂点において、前記谷頂点に対して反対側の歯面によって画成される線と交差するような歯面と、
前記山頂点の直径と前記谷頂点の直径との中間に画成される公称ピッチ径と
を画成し、
前記雌ネジ部の前記公称ピッチ径は、前記雌ネジ部の前記外径よりも小さい
ことを特徴とする請求項５に記載の電極ホルダー。
【請求項７】
前記雌ネジ部の前記公称ピッチ径は、前記雌ネジ部の前記内径よりも大きいことを特徴とする請求項６に記載の電極ホルダー。
【請求項８】
電極がネジ接続部において電極ホルダーによって取り外し可能に保持されるプラズマアークトーチ用の電極／電極ホルダー組合せにおいて、
螺旋状に少なくとも部分的にネジ軸を包囲して延在する少なくとも一条のネジ形状を画成するネジ部を有する電極ホルダーを備え、
前記ネジ部は、
前記ネジ部のより大きい直径をなす外径と、
前記ネジ部のより小さい直径をなす内径と、
前記外径と前記内径との間の平均径と、
前記平均径から１つの方向に延在する山部と、
前記平均径から前記山部と逆の方向に延在し、前記平均径に沿った幅を画成する谷領域と
を画成し、
前記電極ホルダーの前記ネジ部にネジ係合するための少なくとも一条のネジ形状を画成するネジ部を有する電極をさらに備え、
前記ネジ部は、
前記ネジ部のより大きい直径をなす外径と、
前記ネジ部のより小さい直径をなす内径と、
前記外径と前記内径との間の平均径と、
前記平均径から１つの方向に延在する山部と、
前記平均径から前記山部と逆方向に延在し、前記平均径に沿った幅を画成する谷領域と
を画成し、
前記電極の前記谷領域の前記幅は、前記電極ホルダーの前記谷領域の前記幅よりも少なくとも約３５％広い、
ことを特徴とする電極／電極ホルダー組合せ。
【請求項９】
前記電極の前記谷領域は、前記電極ホルダーの前記谷領域よりも少なくとも約４５％広いことを特徴とする請求項８に記載の電極／電極ホルダー組合せ。
【請求項１０】
前記電極の前記谷領域は、前記電極ホルダーの前記谷領域よりも少なくとも約５５％広いことを特徴とする請求項９に記載の電極／電極ホルダー組合せ。
【請求項１１】
プラズマアークトーチのアークを放出し、前記プラズマアークトーチに取り外し可能に保持される電極において、
前記電極を前記プラズマアークトーチ内に取り外し可能に保持し、螺旋状に少なくとも部分的にネジ軸を包囲するように延在する少なくとも一条のネジ形状を画成するネジ部を備え、
前記ネジ部は、
前記ネジ部のより大きい直径をなす外径と、
前記ネジ部のより小さい直径をなす内径と、
前記外径と前記内径との間の平均径と、
前記平均径から１つの方向に延在し、前記平均径に沿った幅を画成する山部と、
前記平均径から前記山部と逆方向に延在し、前記平均径に沿った幅を画成する谷領域と
を画成し、
前記谷領域の前記幅は、前記山部の前記幅よりも少なくとも１５％大きい
ことを特徴とする電極。
【請求項１２】
前記電極の前記谷領域は、前記山部よりも少なくとも約５５％広いことを特徴とする請求項１１に記載の電極。
【請求項１３】
前記電極の前記谷領域は、前記山部よりも少なくとも約９５％広いことを特徴とする請求項１２に記載の電極。
【請求項１４】
プラズマアークトーチの電極を保持し、前記プラズマアークトーチに取り外し可能に保持される電極ホルダーにおいて、
前記電極ホルダーを前記プラズマアークトーチ内に取り外し可能に保持し、螺旋状に少なくとも部分的にネジ軸を包囲して延在する少なくとも一条のネジ形状を画成するネジ部を備え、
前記ネジ部は、
前記ネジ部のより大きい直径をなす外径と、
前記ネジ部のより小さい直径をなす内径と、
前記外径と前記内径との間の平均径と、
前記平均径から１つの方向に延在し、前記平均径に沿った幅を画成する山部と、
前記平均径から前記山部の逆方向に延在し、前記平均径に沿った幅を画成する谷領域と
を画成し、
前記谷領域の前記幅は、前記山部の前記幅よりも少なくとも約１５％大きいことを特徴とする電極ホルダー。
【請求項１５】
前記電極ホルダーの前記谷領域は、前記山部よりも少なくとも約５５％広いことを特徴とする請求項１４に記載の電極ホルダー。
【請求項１６】
前記電極ホルダーの前記谷領域は、前記山部よりも少なくとも約９５％広いことを特徴とする請求項１５に記載の電極ホルダー。
【請求項１７】
プラズマアークトーチの対応するネジ構造内にネジ係合されるプラズマアークトーチ電極用のネジ構造において、
前記電極を前記プラズマアークトーチ内においてネジ係合によって保持し、螺旋状に少なくとも部分的にネジ軸を包囲して延在するネジ部を備え、
前記ネジ部は、
前記ネジ部のより大きい直径をなす外径と、
前記ネジ部のより小さい直径をなす内径と、
前記外径と前記内径との間の平均径と、
前記平均径から１つの方向に延在し、前記平均径に沿った幅を画成する山部と、
前記平均径から前記山部と逆方向に延在し、前記平均径に沿った幅を画成する谷領域と
を画成し、
前記電極の前記谷領域の前記幅は、前記プラズマアアークトーチの前記対応するネジ構造の谷領域の幅よりも少なくとも約３５％大きい、
ことを特徴とするネジ構造。
【請求項１８】
前記電極の前記谷領域は、前記プラズマアークトーチ内の前記対応するネジ構造の前記谷領域よりも少なくとも約４５％広いことを特徴とする請求項１７に記載のネジ構造。
【請求項１９】
前記電極の前記谷領域は、前記プラズマアークトーチ内の前記対応するネジ構造の前記谷領域よりも少なくとも約５５％広いことを特徴とする請求項１８に記載のネジ構造。
【請求項２０】
電極がネジ接続部内で電極ホルダーによって取り外し可能に保持されるプラズマアークトーチ用の電極／電極ホルダー組合せにおいて、
螺旋状に少なくとも部分的にネジ軸を包囲して延在する少なくとも一条のネジ形状を画成する雌ネジ部を有する電極ホルダーを備え、
前記雌ネジ部は、
断面で見て、複数の交互に並ぶ山と谷を画成し、２つの隣接する山又は谷における対応する点間の軸方向距離がピッチを画成し、
隣接する谷間の前記山の少なくとも１つは、山平面を画成し、前記山平面は、軸方向において、前記ピッチよりも０．４２２４倍大きい幅を有し、
前記電極ホルダーの前記雌ネジ部とネジ係合するための少なくとも一条のネジ形状を画成する雄ネジ部を有する電極をさらに備え、
前記ネジ部は、
断面で見て、複数の交互に並ぶ山と谷を画成し、
隣接する谷間の前記山の少なくとも１つは、山平面を画成し、前記山平面は、軸方向において、前記電極ホルダーの前記山平面の幅よりも小さい、
ことを特徴とする電極／電極ホルダー組合せ。
【請求項２１】
前記電極の前記山平面は、前記ピッチよりも０．４２２４倍以下であることを特徴とする請求項２０に記載の電極／電極ホルダー組合せ。
【請求項２２】
プラズマアークトーチのアークを放出し、前記プラズマアークトーチ内に取り外し可能に保持される電極において、
前記電極を前記プラズマアークトーチ内に取り外し可能に保持し、螺旋状に少なくとも部分的にネジ軸を包囲して延在する雄ネジ部を備え、
前記雄ネジ部は、
断面で見て、複数の交互に並ぶ山と谷を画成し、２つの隣接する山又は谷における対応する点間の軸方向距離がピッチを画成し、
隣接する山間の前記谷の少なくとも１つは、谷平面を画成し、前記谷平面は、軸方向において、前記ピッチの０．４２２４倍以下である幅を画成している、
ことを特徴とする電極。
【請求項２３】
電極をプラズマアークトーチ内に保持する電極ホルダーにおいて、
前記電極ホルダーを前記プラズマアークトーチ内に取り外し可能に保持し、螺旋状に少なくとも部分的にネジ軸を包囲して延在する少なくとも一条のネジ形状を画成する雄ネジ部を備え、
前記雄ネジ部は、
断面で見て、複数の交互に並ぶ山と谷を画成し、２つの隣接する山又は谷の対応する点間の軸方向距離がピッチを画成し、
隣接する山間の前記谷の少なくとも１つは、谷平面を画成し、前記谷平面は、軸方向において、前記ピッチの０．４２２４倍以下の幅を画成している、
ことを特徴とする電極ホルダー。
【請求項２４】
プラズマアークトーチのアークを放出し、前記プラズマアーク内に取り外し可能に保持される電極において、
前記電極を前記プラズマアークトーチ内に取り外し可能に保持し、螺旋状に少なくとも部分的にネジ軸を包囲して延在する少なくとも一条のネジ形状を画成する雄ネジ部を備え、
前記ネジ部は、
前記ネジ部のより大きい直径をなす外径と、
前記ネジ部のより小さい直径をなす内径と、
断面で見たときに、１つ以上の山輪郭を画成し、前記外径と前記内径との間に延在する対の歯面であって、ある山輪郭の前記歯面の各々は、少なくとも１つの線を画成し、該線は、山頂点において、その山輪郭の前記歯面の他方によって画成される線と交差し、さらに、これらの線の少なくとも１つは、谷頂点において、前記谷頂点に対して反対側の歯面によって画成される線と交差するような歯面と、
前記山頂点の直径と前記谷頂点の直径との中間に画成される公称ピッチ径と
を画成し、
前記公称ピッチ径は、前記内径の約１０５％以下である、
ことを特徴とする電極。
【請求項２５】
トーチ本体と、
前記トーチ本体に取り付けられ、より大きい近位側開口からより小さい遠位側出口オリフィスに延在するノズル室を画成するノズルであって、前記トーチが作動時にあるとき、プラズマアークが前記出口オリフィスを通って放出されるようなノズルと、
電極であって、アークが放出される遠位部と、前記電極を前記プラズマアオークトーチに取り付けるための雄ネジ部を画成する近位部とを画成する電極と、
細長の電極ホルダーであって、その一端において、前記トーチ本体に接続され、その他端において、前記電極を保持するための雌ネジ部を画成し、前記電極ホルダーの前記雌ネジ部と前記電極の前記雄ネジ部は、それらの長さの少なくとも一部に沿って互いに係合され、前記係合部分は、前記トーチが組み込まれたときに、前記ノズル室内に少なくとも部分的に配置されるような電極ホルダーと、
を備えていることを特徴とするプラズマアークトーチ。
【請求項２６】
前記ノズルと前記電極ホルダーは、それらの間に印加された電圧ポテンシャルによって作動され、前記ノズルと前記電極ホルダーは、前記ノズル室内において、ガスによって電気的に分離されていることを特徴とする請求項２５に記載のプラズマアークトーチ。
【請求項２７】
前記電極ホルダーの前記雌ネジ部と前記電極の前記雄ネジ部の前記係合部分は、前記トーチが組み込まれたとき、前記ノズル室内に全体的に配置されていることを特徴とする請求項２５に記載のプラズマアークトーチ。
【請求項２８】
前記電極の前記雄ネジ部は、低山アクメネジと一致する山輪郭を画成していることを特徴とする請求項２５に記載のプラズマアークトーチ。
【請求項２９】
前記電極ホルダーの前記雌ネジ部は、低山アクメネジと一致する谷輪郭を画成していることを特徴とする請求項２５に記載のプラズマアークトーチ。
【請求項３０】
前記電極ホルダーは、前記トーチ本体にネジ接続部によって固着され、前記ネジ接続部は、低山アクメネジに対応する山輪郭を画成する雄ネジを備えていることを特徴とする請求項２５に記載のプラズマアークトーチ。
【請求項３１】
消耗性電極をプラズマアークトーチのノズル室内に取り外し可能に保持するための電極ホルダーにおいて、
前記トーチに接続される近位端と、
前記電極とネジ係合する雌ネジ部を画成する反対側の遠位端と
を有する細長の本体を備え、
前記電極ホルダーの前記雌ネジ部は、前記トーチが組み立てられるとき、前記ノズル室内に少なくとも部分的に配置されている、
ことを特徴とする電極ホルダー。
【請求項３２】
前記電極ホルダーの前記雌ネジ部は、前記トーチが組み立てられるとき、前記ノズル室内に全体的に配置されていることを特徴とする請求項３１に記載の電極ホルダー。
【請求項３３】
前記電極ホルダーの前記雌ネジ部は、低山アクメネジと一致する谷輪郭を画成していることを特徴とする請求項３１に記載の電極ホルダー。
【請求項３４】
前記雌ネジ部は、螺旋状に少なくとも部分的に雌ネジ軸を包囲して延在する少なくとも一条のネジ形状を画成し、さらに、
前記雌ネジ部のより大きい直径をなす外径と、
前記雌ネジ部のより小さい直径をなす内径と、
断面で見て、１つ以上の山輪郭を画成し、前記外径と前記内径との間に延在する対の歯面であって、ある山輪郭の前記歯面の各々は、少なくとも１つの線を画成し、該線は、山頂点において、その山輪郭の前記歯面の他方によって画成される線と交差し、さらに、これらの線の少なくとも１つは、谷頂点において、前記谷頂点に対して反対側の歯面によって画成される線と交差されるような歯面と、
前記山頂点の直径と前記谷頂点の直径との中間に画成される公称ピッチ径と
を画成し、
前記雌ネジ部の前記公称ピッチ径は、前記雌ネジ部の前記外径よりも小さい
ことを特徴とする請求項３１に記載の電極ホルダー。
【請求項３５】
前記雌ネジ部の前記公称ピッチ径は、前記雌ネジ部の内径よりも大きいことを特徴とする請求項３４に記載の電極ホルダー。
【請求項３６】
プラズマアークトーチ用の電極の本体を製造する方法において、
電極素材を基材から形成し、少なくとも１つの外側円筒面を画成するステップと、
少なくとも１つの螺旋状ネジ形状を前記電極素材内に画成するように、前記円筒面から材料を除去するステップであって、前記ネジ形状を画成する歯面を形成するように材料を除去し、前記歯面は、断面で見たときに、少なくとも１つの線を画成し、該線は、山頂点において、前記歯面の他方によって画成される線と交差し、また谷頂点において、さらに他の歯面によって画成される線と交差するような段階を含むステップと、
前記円筒面から前記谷頂点と前記山頂点との中間の深さの上方の深さにおいて、材料の除去を停止するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３７】
前記材料を除去するステップは、低山アクメネジの山輪郭と一致するネジ形状用の山輪郭を画成することを特徴とする請求項３６に記載の製造方法。
【請求項３８】
前記除去ステップは、低山アクメネジの谷輪郭と一致しないネジ形状用の谷輪郭を画成することを特徴とする請求項３６に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマアークトーチに関し、特に、電極と電極ホルダーがネジ接続部によって互いに保持されるか又はトーチに保持されるプラズマアークトーチに関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマアークトーチは、一般的に、切断、溶接、表面処理、融解、及び焼鈍を含む金属加工に、用いられている。このようなトーチは電極を備え、この電極は、作動の移行アークモードにおいて、電極から加工品に達するアークを支持している。また、アークをガスの渦流によって包囲することも従来からなされ、一部のトーチ設計においては、そのガスとアークを水の噴流で包むことも従来からなされている。
【０００３】
前述の形式の従来トーチに用いられる電極は、典型的には、銅又は銅合金のような高熱伝導率の材料から成る細長の管状部材を備えている。この管状電極の前側端又は放出端は、アークを支える電子放出要素が埋設された底端壁を備えている。電極の反対側の端は、電極ホルダーに対するネジ接続部によって、電極をトーチ内に保持している。電極ホルダーは、典型的には、電極が保持される端とは反対側の端において、ネジ接続部により、トーチ本体に保持される細長の構造体である。電極ホルダーと電極は、電極を電極ホルダーに保持するためのネジ接続部を画成している。
【０００４】
電極の電子放出要素は、当該技術分野においてポテンシャルステップとして定義される電子ボルト（ｅＶ）の単位で測定される仕事関数が比較的低い材料から構成され、これによって、所定温度において、金属の表面からの熱電子放出を促進している。すなわち、この低仕事関数によって、この要素は、電気的ポテンシャルが印加されたとき、電子を容易に放出することができる。一般的に用いられる電子放出材料として、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挙げられる。
【０００５】
ノズルは、電極の放出端を包囲し、アークを加工品に向かって導くための通路をもたらしている。標準的な移行アーク作動中、アークがノズルを通して放出されるが、そのアークがノズル表面からは放出されないことを確実にするために、電極及びノズルは、互いに異なる電気的ポテンシャルに保持されている。従って、ノズルと電極とは、電気的に分離されることが重要であり、これは、典型的には、これらの部品間に所定の物理的間隙を保持することによって達成される。間隙を画成する空間は、最も典型的には、流動する空気又はトーチ作動において用いられる他のガスによって充填されている。
【０００６】
プラズマアークによって生成される熱は、大きい。最も強い熱を受けるトーチ部品は、電極である。プラズマアークトーチの寿命を改良するには、この熱生成にもかかわらず、トーチの種々の部品を可能な限り低い温度に保持することが、一般的に望ましい。通路又は穴は、電極ホルダーと電極内に形成されており、水のような冷媒がこの通路内に循環され、電極を冷却している。
【０００７】
水冷されても、電極はその寿命が制限され、消耗部品と考えられている。従って、通常の作動過程において、トーチのオペレータは、消耗された電極を、まずノズルを取り外し、次いで、この電極の電極ホルダーに対するネジ接続を外すことによって、周期的に取り替えねばならない。次いで、新しい電極が電極ホルダーにねじ込まれ、ノズルが再設置され、これによって、プラズマアークトーチは、運転を再開することが可能となる。
【０００８】
電極ホルダー及び電極間のネジ接続部の設計は、種々の制約条件を考慮しなければならない。まず、このネジ接続部は、電極を電極ホルダーに固定して保持するに足るほど構造的に強靭でなければならない。第２に、水冷トーチの場合、このネジ接続部は、冷却水が漏れないように、電極ホルダーと電極との間の密封を考慮しなければならない。この密封は、典型的には、Ｏリングによって達成され、従って、ネジ接続部は、このようなＯリング用の十分な空間を見込まねばならない。第３に、かなりの電流、場合によっては、１，０００アンペアの切断電流が、電極ホルダーを通って電極に流される。従って、このネジ接続部は、電極及び電極ホルダー間の十分な接触面をもたらし、この電流をその接触面を通過させ得るようにしなければならない。最終的に、電極の製造コストは、特に電極が消耗部品であるという理由から、可能な限り小さくしなければならない。同様の考慮が、電極ホルダーをトーチ本体に保持するネジ接続部に関しても、なされるべきである。
【０００９】
このコストを低減させ得る１つの方法として、電極を短くし、これによって、材料コストと製造コストを低減させる方法が挙げられる。これは、電極ホルダーを長くし、電極の短縮された長さを相殺し、電極ホルダーと電極の全長を同一に保持することによって達成されている。しかし、電極ホルダーの長さは、ノズルの幾何学的構造によって制限されている。何故なら、多くの従来のトーチにおける電極ホルダーと電極との間のネジ接続部は、ノズル室内に延在させるには余りにも長く、前述の設計上の制約を受けているからである。
【００１０】
特に、現在の設計におけるネジ接続部では、電極ホルダーの端の雌ネジ部は、隣接する電極の雄ネジ端よりも、半径方向において大きいことがある。従って、もしこのような従来のネジ接続部がノズル内に延在するように設計された場合、電極ホルダーと電極との間の間隙は減少することになる。前述されたように、電極と電極ホルダーは、１つの電気的ポテンシャルにあり、ノズルは、異なる電気ポテンシャルにある。従って、間隙が減少すると、トーチ内において、ノズルから電極ホルダーに向かって望ましくないアークが生成する可能性がある。
【００１１】
この具体的な問題は、いくつかの従来トーチにおいて、電極ホルダーに対して雄ネジを用い、電極に対して雌ネジを用いるネジ接続部を形成することによって、部分的に解消されている。この手法の１つの利点は、電極の雌ネジ部の外面が半径方向においてトーチの残部に最近接しているので、トーチの内側において生じるどのようなアークも、電極の外側からノズルに達するが、電極ホルダーからノズルには達せず、これによって、電極ホルダーが損傷から保護される点にある。電極は、電子放出端がともかく消耗したとき、周期的に置き換えられねばならないので、電極のネジ端の損傷は、この電極の周期的な交換という観点からは、電極ホルダーの損傷よりも少ない。
【００１２】
しかし、この手法の１つの欠点は、雌ネジが一般的により加工し難く、従って、雄ネジよりもより高価である点にある。電極ホルダーも消耗部品であり得るが、その消耗率は、典型的には、電極の消耗率よりも少なく、従って、この構成は、望ましくないコスト構造を有することになる。より頻繁に取り替えられる部品は、ネジ接続部を作製するのに必要な２つの機械加工の経費において、より安価でなければならない。
【００１３】
これらの設計上の制約条件の少なくともいくつかを解消する他の方法として、細目ネジを用いる方法が挙げられる。細目ネジは、従来のトーチで用いられている対応する粗目ネジよりも短いネジ高さ（すなわち、半径方向におけるネジの寸法）を可能にするものである。この低いネジ高さは、ネジ接続部とノズルとの間の間隙を大きくすることができる。しかし、細目ネジは、機械加工がより困難であり、従って、より高価であり得る。加えて、細目ネジは、より繊細であり、電極が繰り返して取り替えられるとき、早期に、電極ホルダーを異常に磨耗させ、オペレータが新しい電極を設置するとき、不適切に斜め螺入が生じ易い傾向にある。
【００１４】
従って、業界において、ネジ接続部がプラズマアークトーチに必要とされる電気的、構造的、及び密封の制約条件を全て満足することができ、ネジ接続部とノズルとの間に有害なアークが生じることなく、プラズマアークトーチのノズル内に少なくとも部分的に配置され得る電極と電極ホルダーが、必要とされている。このようなネジ接続部は、好ましくは、製造が比較的容易で、電極が電極ホルダーに取り付けられたときの斜め螺入のおそれが少ないとよい。
【００１５】
加えて、ネジ接続部によって電極ホルダーに固定され得る電極であって、その電極に対する機械加工、材料コスト、及び早期の磨耗と損傷の可能性が低減される電極を提供することが望ましい。このような構成では、コストと損傷の可能性は、消耗の少ない電極ホルダーよりも消耗し易い電極により割り当てられるので、プラズマアークトーチを作動する長期的なコストが低減されることになる。同様の利点は、電極ホルダーとトーチ本体との間のネジ接続部に対しても、得られることになる。
【発明の開示】
【００１６】
これら及び他の目的と利点は、電極ホルダーとその電極ホルダーに新規のネジ接続部によって取り外し可能に保持される電極とを備える本発明によって、もたらされる。新規のネジ接続部は、比較的低い高さを有し、本発明の他の態様において、電極の雄ネジと電極ホルダーの雌ネジの係合部は、プラズマアークトーチのノズル室内に少なくとも部分的に配置されている。新規のネジ接続部の一実施形態において、電極ネジの谷部の幅は、電極ホルダーネジの谷部の幅よりも、少なくとも３５％広い。このようにして、２つの部品の消耗の少ない部品、すなわち、電極ホルダーは、消耗し易い電極のネジの山と比較して磨耗及び損傷し難い頑強なネジの山を備えている。具体的な実施形態において、電極ネジの山輪郭と電極ホルダーの谷輪郭は、低山アクメネジのそれぞれの輪郭と一致している。
【００１７】
さらに具体的に、電極は、その電極をプラズマアークトーチ内に取り外し可能に保持され、螺旋状に少なくとも部分的にネジ軸を包囲して延在する少なくとも一条のネジ形状を画成する雄ネジ部を有している。このネジ部は、ネジ部のより大きい直径をなす外径とネジ部のより小さい直径をなす内径を画成している。少なくとも２つの歯面が、ネジ形状の少なくとも１つの山輪郭を画成し、各歯面は、外径と内径との間に延在している。山輪郭の歯面の各々は、断面から見て、少なくとも１つの線を画成し、この線は、山頂点において、山輪郭の歯面の他方によって画成される線と交差している。加えて、隣接する山輪郭の隣接する歯面の線は、谷頂点において、交差している。従って、公称ピッチ径は、山頂点の直径と谷頂点の直径との中間に位置する直径として画成されることになる。
【００１８】
本発明のネジ接続部の一態様によれば、雄ネジ部の山は、雄ネジ部の谷よりも狭い。これは、電極の公称ピッチ直径が電極の内径以下であることを規定することによって、幾何学的に画成され得るものである。他の態様によれば、電極の公称ピッチ径は、電極ホルダーの雌ネジの内径よりも小さい。従来のネジにおいて、ここに定義される公称ピッチ径は、各部品の内径と外径との間の中間点に近いか又はその中間点にある。本発明の他の利点は、電極ホルダーが、電極とは反対側の端において、雄ネジによって、プラズマアークトーチに保持され得ることである。この電極ホルダーの雄ネジは、少なくとも形状において、電極の雄ネジに対応し、少なくともプラズマアークトーチ本体に対して同様の利点をもたらす。ただし、この場合、電極ホルダーは消耗性である。
【００１９】
本発明の利得を具体化する電極及び電極ホルダーの新規のネジ接続部を画成する他の方法として、電極と電極ホルダーの各々において、外径と内径との間に画成される平均径を用いる方法が挙げられる。この場合、山部は、平均径から１つの方向に延在し、谷領域は、平均径から逆方向に延在し、各々、平均径に沿った幅を画成している。有利には、電極のネジの谷領域の幅は、電極ホルダーのネジの谷領域の幅よりも広く、特に、少なくとも約３５％広い。電極の谷領域は、電極ホルダーの谷領域よりも少なくとも４５％広いとよく、さらに電極ホルダーの谷領域よりも少なくとも５５％広くすることもできる。加えて、電極のネジ部に関して、谷領域の幅は、山部の幅よりも少なくとも１５％大きく、山部の幅よりも少なくとも約５５％広くすることができ、９５％以上広くしてもよい。
【００２０】
従って、本発明は、新規のネジ接続部が、電極ホルダーに対して相対的に少ない材料で形成される消耗し易い電極をもたらすことによって、前述した問題を解消するものである。いくつかの電極は、同一のトーチに対して、従来の電極よりもかなり短く作製されている。加えて、電極及び電極ホルダー間のネジ損傷又は磨耗は、２つの部品の消耗の少ない部品、すなわち、電極ホルダーには生じ難い傾向にある。また、有利には、本発明は、トーチのノズル室内に少なくとも部分的に配置される雄ネジを有する電極と電極ホルダーのネジ係合部をもたらしている。
【００２１】
本発明を一般的な用語で記載したが、以下、添付の図面について説明する。図面は、必ずしも尺度通りではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、添付の図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。これらの図面には、本発明の一部の実施形態が示されているが、全ての実施形態は示されていない。実際、これらの発明は、多くの異なる形態で実施されてもよく、ここに記載される実施形態に制限されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、この開示内容が適用可能な法律上の要件を満足するように、提供されている。同様の番号は、全体を通して、同様の要素を示している。
【００２３】
図１〜図３を参照すると、本発明の利益を得る従来のプラズマアークトーチが、参照番号１０によって、総称的に示されている。本発明による電極と電極ホルダーを用いるプラズマアークトーチ１０は、図４に示されている。トーチ１０は、トーチの運転における作業モード中に、電気アークを包囲するシールドガスの渦巻きカーテン又は渦巻き噴流を与えるシールドガストーチである。トーチ１０は、埋め込み用樹脂などから形成され得る略円筒状の上側又は後側絶縁体１２と、後側絶縁体１２に接続される金属のような導体材料から一般的に作製される略円筒状の主トーチ本体１４と、主トーチ本体１４に接続される略円筒状の下側又は前側絶縁体１６と、主トーチ本体１４及び前側絶縁体１６内に延在してその自由端において電極２０を支持する電極ホルダーアセンブリ１８と、絶縁体１６に電極２０に隣接して接続されるノズルアセンブリ２２とを備えている。
【００２４】
プラズマガスコネクタ管２４は、後側絶縁体１２内を延在し、ネジ山（図示せず）によって、主トーチ本体１４のプラズマガス通路２６内に接続されている。プラズマガス通路２６は、酸素、空気、窒素、又はアルゴンのような（切断ガスと呼ばれることもある）プラズマガスを絶縁体１６内の対応する通路に供給するために、主トーチ本体１４内を通ってその下端面２８まで延在している。
【００２５】
シールドガスコネクタ管３０は、後側絶縁体１２内を延在し、ネジ山によって、主トーチ本体１４のシールドガス通路３２内に接続されている。シールドガス通路３２は、アルゴン又は空気のようなシールドガスを絶縁体１６内の対応する通路に供給するために、主トーチ本体１４内を通って下端面２８まで延在している。
【００２６】
絶縁体１６は、主トーチ本体の下端面２８と当接する上端面３４を有している。プラズマガス通路３６は、上端面３４から絶縁体１６を通って、その絶縁体１６の下端の円筒状の座ぐり穴３８内に延在している。以下にさらに述べるように、座ぐり穴３８は、ノズルアセンブリ２２の上端と一緒になって、プラズマガス室４０を形成し、ここから、プラズマガスがトーチの主ノズル又はプラズマガスノズルに供給されるようになっている。このように、適切な源からのプラズマガスは、プラズマガスコネクタ管２４内と主トーチ本体１４のプラズマガス通路２６内を通って、通路２６と一直線に並ぶ絶縁体１６のプラズマガス通路３６を経て、プラズマガス室４０内に流れることにより、プラズマガス室４０内に入ることになる。
【００２７】
２部品ノズルアセンブリ２２として示されるノズルは、上側ノズル部材４２を備え、この上側ノズル部材４２は、絶縁体１６の座ぐり穴３８内に挿入された金属インサートスリーブ４４内に滑動自在に嵌入される略円筒状の上部を有している。Ｏリング４６が、上側ノズル部材４２と金属インサートスリーブ４４との間のすべり連結部を密封している。略切頭形状の下側ノズル先端４８も、ノズルアセンブリ２２の一部を形成し、上側ノズル部材４２内にねじ込まれている。下側ノズル先端４８は、その先端において、ノズル出口オリフィス５０を備えている。代替的に、下側ノズル先端４８と上側ノズル部材４２は、１つの一体ノズルとして形成されていてもよい。いずれかの構成においても、ノズルは、プラズマガスをより大きな近位開口４９から出口オリフィス５０に導いている。このように、プラズマガス流路は、プラズマガスの噴流をノズル出口オリフィス５０から外に導いて加工品への作業過程を行なうのを促進するために、プラズマガス室４０からノズル室４１を通って延在している。
【００２８】
プラズマガスの噴流は、好ましくは、周知の手法によって、絶縁体１６の座ぐり穴凹部５４内に部分的に配置される中空の円筒セラミックガス邪魔板５２で生成される渦巻成分を有している。邪魔板５２の下端は、上側ノズル部材４２の環状フランジ面に当接している。邪魔板５２は、プラズマガス室４０から渦巻き速度成分を与えて、プラズマガスをノズル室４１の下部に導くための非半径方向穴（図示せず）を有している。
【００２９】
電極ホルダーアセンブリ１８は、主トーチ本体１４内の軸方向止まり穴５８内にネジ部１１によって接続された上端を有する管状電極ホルダー５６を備えている。電極ホルダー５６は、電極の消耗よりは一般的に少ないが、いくらか消耗するので、この電極ホルダーと軸方向穴５８も、以下に述べるように、本発明によるネジ接続部を備えていてもよい。電極ホルダー５６の上端は、絶縁体１６内を通って形成された軸方向穴６０内を延在し、電極ホルダー５６の下端は、拡大雌ネジ付き連結部６２を備えている。この連結部６２は、この連結部６２の外側に被さるセラミックガス邪魔板５２の内径よりもわずかに小さい外径を有している。また、電極ホルダー５６は、以下にさらに述べる電極２０に冷媒を供給する冷媒管６４を螺入させるために、連結部６２から上方に離間した雌ネジを備えている。この冷媒管６４は、絶縁体１６の軸方向穴から電極２０の中心通路内に延在している。冷媒管６４と電極ホルダー５６の不適切な分解又は再組立を防ぐために、それらの部品間のネジ接続部は、製造中に、接着されるか又は他の方法によって固着され、分離できない電極ホルダーアセンブリ１８を形成するとよい。電極２０は、米国特許第５，０９７，１１１号に記載の形式であるとよい。なお、この特許は、本出願の譲渡人に譲渡され、参照することによって、ここに含まれるものとする。
【００３０】
従来の電極２０は、カップ形状の本体を備え、この電極２０の上側開端が、ネジ山６３によって、電極ホルダー５６の下端の連結部６２内にねじ込まれ、この電極２０の閉鎖された下端は、冷媒管６４の下端に最隣接している。冷媒循環空間は、電極２０の壁の内面と冷媒管６４の壁の外面との間、及び冷媒管６４の壁の外面と電極ホルダー５６の壁の内面との間に存在している。電極ホルダー５６は、冷媒を電極ホルダー内の空間から電極ホルダーと絶縁体１６の軸方向穴６０の内壁との間の空間６８に供給するための複数の穴６６を備えている。穴６６と連結部６２との間に位置するシール６９は、穴６０の内壁を密封し、空間６８内の冷媒がシール６９を超えて連結部６２に向かって流れるのを防いでいる。以下に明らかにする理由によって、電極ホルダー５６の外面の隆起した環状リブ又は堰７１は、穴６６においてシール６９と反対側に配置されている。冷媒供給通路７０（図２）は、以下でさらに説明するように、冷媒をノズルアセンブリ２２に供給するために、空間６８から絶縁体１６を貫通し、絶縁体１６の円筒状外面を通って延在している。
【００３１】
トーチ１０の始動中、電圧ポテンシャルの差が、電極２０とノズル先端４８との間に与えられ、これによって、電気アークが、それらの間の間隙を横切って形成される。次いで、プラズマガスがノズルアセンブリ２２内に流され、電気アークが加工品に触れるまで、ノズル出口オリフィス５０から外に吹出される。この時点で、ノズルアセンブリ２２は、電源から分断され、これによって、アークは電極２０と加工品との間に存在することになる。このとき、トーチは運転の作業モードにある。
【００３２】
行なわれる作業運転を制御するために、アークをガスの渦巻きカーテンによって包囲するために、シールドガスのような制御流体を用いることが知られている。このために、絶縁体１６は、シールドガス通路７２を備え、この通路７２は、上端面３４から軸方向に絶縁体内に延在し、次いで、外側に傾斜し、絶縁体の円筒状外面に延在している。ノズル保持カップアセンブリ７４が、略環状シールドガス室７６を絶縁体１６とノズル保持カップアセンブリ７４との間に形成するように、絶縁体１６を包囲している。シールドガスは、絶縁体１６のシールドガス通路７２を通って、シールドガス通路７６内に供給されるようになっている。
【００３３】
ノズル保持カップアセンブリ７４は、ノズル保持カップホルダー７８と、そのホルダー７８内にスナップリング８１などによって固着されるノズル保持カップ８０とを備えている。ノズル保持カップホルダー７８は、好ましくは金属から形成される略円筒スリーブであり、主トーチ本体１４を包囲するトーチ外側ハウジング８２の下端の外側にねじ込まれている。絶縁物８４は、外側ハウジング８２と主トーチ本体１４との間に介在している。ノズル保持カップ８０は、好ましくは、プラスチックによって形成され、スナップリング８１によってカップホルダー７８内に固着される略円筒状の上部と、トーチの端に向かって延在して内向きフランジ８６を有する略切頭円錐状下部とを備えている。フランジ８６は、上側ノズル部材４２の外向きフランジ８８と面し、それらの間に配置されたＯリング９０と接触している。従って、ノズル保持カップアセンブリ７４を外側ハウジング８２にねじ込むと、ノズル保持カップ８０が、ノズルアセンブリ２２を絶縁体１６の金属インサートスリーブ４４内に引き上げることになる。これによって、ノズルアセンブリ２２は、絶縁体１６の座ぐり穴３８内に固着された電気接触リングと接触するように作製されることになる。トーチ内の電気接続部の更なる詳細は、本出願人に譲渡された米国特許第６，２１５，０９０号に見出され得る。なお、この特許は、参照することによって、その全体がここに含まれるものとする。
【００３４】
ノズル保持カップ８０は、カップホルダー７８内に遊嵌合され、その保持カップ８０の外面に、シールドガス室７６からトーチの端に向かうシールドガスの通路用の長手方向溝９２を備えている。代替的又は追加的に、溝（図示せず）は、カップホルダー７８の内面に形成されてもよい。略切頭円錐状のシールドガスノズル９４が、下側ノズル先端４８から外側に離間してそのノズル先端４８を同心状に包囲し、カップホルダー７８の下端の外側にねじ込まれるシールドリテーナ９６によって保持されている。従って、シールドガス流路９８は、保持カップ８０の長手方向溝９２から、シールドリテーナ９６、保持カップ８０、及び上側ノズル部材４２との間、及びシールドガスノズル９４と下側ノズル先端４８との間に延在することになる。
【００３５】
シールドガスノズル９４は、周知の方法によって、シールドガスノズル９４と下側ノズル先端４８との間の流路内を流れるシールドガスに渦巻きをもたらす拡散板１００を備えている。その結果、ノズル出口オリフィス５０から放出されるプラズマガスの噴流とアークを包囲するシールドガスの渦巻カーテンが生成されることになる。
【００３６】
以下、図２を主に参照して、電極２０とノズルアセンブリ２２を冷却するための冷媒回路について、説明する。トーチ１０は、後側絶縁体１２内を通って主トーチ本体１４の冷媒入口通路１１４内に固着される冷媒入口コネクタ管１１２を備えている。冷媒入口通路１１４は、主トーチ本体内の軸方向中心穴５８に接続されている。その結果、冷媒は、穴５８内、従って、電極ホルダー５６を通る内部通路に供給され、次いで、冷媒管６４の内部通路を通って、冷媒管６４と電極２０との間の空間内に供給されることになる。熱は、（アークが放出する）電極の下端から液体冷媒（典型的には、水又は不凍液）に伝達され、次に、その液体が、冷媒管６４の下端と電極２０との間の通路内から、冷媒管６４と電極２０との間の環状空間内を上方に向かい、冷媒管６４と電極ホルダー５６との間の環状空間内に流れることになる。
【００３７】
従って、冷媒は、穴６６を通って空間６８に流れ、絶縁体１６を通る通路７０内に流れることになる。シール６９は、空間６８内の冷媒が、電極ホルダー５６の下端における連結部６２に向かって流れるのを防ぎ、堰７１は、冷媒が堰７１を越えて他の方向に流れるのを実質的に防いでいる。ただし、堰７１と穴６０の内壁との間のシールは、確実なシールではない。その結果、空間６８内の冷媒は、通路７０内に流れるように、概して規制されることになる。絶縁体１６は、溝部又は平坦部１１６を備え、この溝部１１６は、冷媒が通路７０から絶縁体１６とノズル保持カップ８０との間に流れ、上側ノズル部材４２を包囲する冷媒室１１８内に流れるのを許容するものである。冷媒は、上側ノズル部材４２の周囲を流れ、ノズルアセンブルを冷却している。
【００３８】
冷媒は、溝部１１６と異なる角度で配置される第２溝部又は平坦部１２０を介して、ノズルアセンブリから、絶縁体１６の冷媒戻り通路１２２内に戻されるようになっている。冷媒戻り通路１２２は、冷媒供給通路７０から堰７１によって分離された軸方向穴６０の一部内に延在している。また、冷媒は、電極ホルダー５６、穴６０の内壁、及び主トーチ本体１４の穴５８の間を流れ、主トーチ本体１４に形成された冷媒戻り通路１２８に接続される環状空間１２６内に流れ、冷媒戻り通路１２８から、そこに固着された冷媒戻りコネクタ管１３０を介して流出するようになっている。典型的には、戻された冷媒は、冷却された後、トーチに戻る閉ループに再循環されることになる。
【００３９】
使用時において、図１を参照するに、電気ポテンシャル源２１０の片側、典型的には、陰極側が主トーチ本体１２に接続され、従って、電極２０と電気的に接続されており、他の側、典型的には、電気ポテンシャル源２１０の陽極側が、スイッチ２１２とレジスタ２１４を介して、ノズルアセンブリ２２に接続されている。また、陽極側は、加工品２１６に、それらの間にレジスタを介在させずに、並列に接続されている。高電圧と高周波数が、電極とノズルアセンブリとの間に印加され、これによって、電気アークが、プラズマガスノズル放出口に隣接する位置で、それらの間の間隙に生成されることになる。プラズマガスは、ノズルアセンブリ内を流れ、アークが加工品に触れるまで、パイロットアークがノズル放出口を通って外側に吹き出すことになる。そして、電気ポテンシャル源をノズルアセンブリに接続しているスイッチ２１２が開動作され、トーチが加工品の作業動作を行なうための移行アークモードにしている。トーチに供給された電力は、移行アークモードにおいて増大され、パイロットアークよりも高電流の切断アークを生成している。ここでは、アークを始動させる高周波パイロット信号を用いるトーチと共に用いられる例が示されているが、本発明による電極と電極ホルダーは、吹戻し式トーチと共にも用いられてもよい。
【００４０】
電極ホルダーアセンブリ１８と本発明による新規のネジ接合部が、図４〜図１０に示されている。電極ホルダーアセンブリ１８は、管状電極ホルダー５６を備え、この電極ホルダー５６は、前述したように、ネジ１１部によって、主トーチ本体の軸方向止まり穴内に接続される上端を有している。冷媒管６４が冷媒をカップ状電極２０に供給し、この電極２０は、本発明による有利なネジ部１５によって、電極ホルダー５６に固着される近位開端を有している。
【００４１】
電極２０を電極ホルダー５６に固着するネジ部１５が、図５に示されている。電極ホルダー５６は、そこに形成された雌ネジ部１７を有し、電極２０は、そこに形成された雄ネジ部１９を有している。Ｏリング３１は、十分な密封を確実にし、冷媒が電極と電極ホルダーから漏れるのを防ぐために設けられている。電極２０と電極ホルダー５６は、種々の異なる導電材料から形成され得るが、一実施形態では、電極ホルダー５６は真鍮又は真鍮合金から作製され、電極２０は、銅又は銅合金から作製される本体を備えている。冷媒管６４も、図５に示されている。この図において、冷媒管６４の遠位端は、軸方向において、一定の直径を有している。しかし、図１〜図３に示される冷媒管６４のような冷媒管のより中央部における外径よりも大きい外径を持つ遠位端を有する冷媒管６４も、用いられてもよい。有利には、冷媒管６４の遠位端の外径は、その冷媒管が内部を延在する電極ホルダーの通路の内径よりも小さく、電極ホルダーのネジ部は、図４に示されるように、少なくとも部分的にノズル室４１内に存在している。
【００４２】
図６は、電極ホルダーの雌ネジ部１７と、そこにネジ係合される電極の雄ネジ部１９の拡大図である。ネジ部間の製造上の隙間が示されている。電極２０は、ここでは、電極ホルダー５６を介してプラズマアークトーチ内に取り外し可能に保持されるとして示されているが、電極２０が、トーチ本体１４又は他の部品に直接ねじ込まれることによって、トーチ内に保持され得ることも、本発明の範囲内にある。
【００４３】
図７の拡大図に示される電極２０は、その近位端に雄ネジ部１９を有する略カップ形状を備えている。電子放出要素２３と比較的電子を放出しないセパレータ２５は、本体２１の雄ネジ部１９と反対側の端に保持されている。電子放出要素２３は、電極の部品であって、この電子放出要素２３から、アークが加工品に達するようになっている。この電子放出要素２３は、ハフニウムのような電子放出材料から形成されている。比較的電子を放出しないセパレータ２５は、銀のような比較的電子を放出しない材料から形成され、アークが電子放出要素２３からではなく電極２０の本体２１から放射するのを防ぐように機能している。
【００４４】
雄ネジ部１９のさらに拡大された図が、図８Ａと図８Ｂに示されている。雄ネジ部１９は、螺旋状に少なくとも部分的に電極２０の軸を包囲して延在する少なくとも一条のネジ形状を画成している。一条のネジ形状が示されているが、本発明の範囲内にある一部の状況下において、二条のネジ形状が用いられてもよい。ネジ形状は、山部２７と谷領域２９を有し、これらは一緒になって、ネジ形状の各螺旋の山輪郭を画成している。
【００４５】
図８Ａに示されるように、雄ネジ部１９は、内径Ｋと外径Ｄを画成している。山部２７は、山平面３３を画成し、谷領域２９は、谷平面３５を画成している。平面３３，３５を有するように示されているが、ネジ部は、本発明の原理に従って、丸められ又は部分的に丸められた谷と山を有するように形成され得ることが、理解されるべきである。
【００４６】
また、雄ネジ部は、山平面３３と谷平面３５との間に延在する歯面３７をも画成している。歯面３７は、真直ぐに延在するように図示され、これらの歯面の各々は、図面において破線で示されるような延長線を画成している。これらの延長線は、互いに向かって延在し、それらの交差点において、山頂点ｃaと谷頂点ｒaを画成している。これらの頂点の少なくとも１つは、いくつかの構成において、ネジ輪郭の実際の頂点を構成するが、例示された実施形態において、これらの頂点は、仮想の頂点であることが理解されるべきである。公称ピッチ径Ｄpが示されているが、この公称ピッチ径Ｄpは、山頂点ｃaと谷頂点ｒaとの間の中間に位置する直径として、定義されている。これに関して、「機械ハンドブック；エーベルグ、ジョーンズ、及びホートン；インダストリアル出版社；１９７９年」を参照されたい。
【００４７】
多くの従来のネジ構成では、公称ピッチ径Ｄpは内径Ｋと外径Ｄとの間の略中間に位置している。しかし、（雄ネジの形状において）ネジ谷がネジ山よりもかなり広い本発明の実施形態の特殊なネジ構成では、公称ピッチ径Ｄpはネジ軸に大きく接近している。実際、従来のネジの公称ピッチ径Ｄpは、ネジの歯面の半径方向中央を通過し得るが、本発明において、電極の雄ネジ部の公称ピッチ径Ｄpはかなり小さく、（図１０Ａと図１０Ｂに示される）電極ホルダーの雌ネジ部の内径Ｋ以下であり、いくつかの実施形態において、電極の内径Ｋ以下であってもよい。他の実施形態において、公称ピッチ径Ｄpは、電極の内径Ｋの約１０５％以下であってもよい。
【００４８】
本発明によるネジ接続部の利得と効果を確定する他の方法は、ネジ部の平均径を考慮することである。平均径は、公称ピッチ径、仮想頂点、及び延長線に頼ることなく、本発明を確定することができ、例えば、一条以上のネジ形状が湾曲輪郭を有しながらも、ここに述べた利点を得る場合に、有用である。すなわち、平面輪郭を有する歯面が示されているが、歯面は、湾曲又は弧面であってもよく、又は他の形状を有することもでき、それでも、本発明の利点を達成することが可能である。電極の平均径が、図８Ｂに示されている。この図において、平均径ｄmは、内径Ｋと外径Ｄとの間の半分である。平均径ｄmは、ネジの歯面を通過し、平均径ｄmに沿って延在する谷領域幅ｒwと山部幅ｃwの両方を画成している。理解され得るように、雄ネジ部の谷領域幅ｒwは、山部幅ｃwよりも大きい。
【００４９】
エサブ・カッテング＆ウエルディング・プロダクツ（Esab Cutting $＆Welding Products) 社（フローレンス、サウスカロライナ州、米国）から市販されているＰＴ−１９ＸＬＳトーチに用いられるように設計された本発明の特定の一実施形態において、電極２０は、以下の寸法を有し得るものである。電極２０の軸に対するネジ部の歯面は、２９°の挟角２αをもたらすように、製造されている。ネジ部のピッチｐは、０．０８３３”であり、１２のインチ当りのネジ数（tpi: threads per inch）をもたらしている。ネジ部の長さは、軸方向において０．１９３”であり、電極２０を着座させるのに、わずかな量の旋盤加工しか必要とせず、これによって、迅速な組立を促すことが可能となる。内径Ｋは、０．３８９”であり、外径Ｄは、０．４４１”である。従って、山頂点ｃaは、０．５２６”の直径にあり、谷頂点ｒaは、０．２０３”にあり、これら２つの直径の中間に位置する公称ピッチ径Ｄpは、０．３６４”である。従って、公称ピッチ径Ｄpは、電極のネジ部の内径Ｋよりも小さい。
【００５０】
谷領域ｒwの幅は、０．０５５”であり、山部の幅ｃwの幅は、０．０２８”である。従って、谷領域の幅ｒwは、山部の幅ｃwよりも少なくとも１５％大きく、５５％広くてもよく、又は９５％以上広くてもよい。
【００５１】
ネジ谷の輪郭は、（ＡＳＭＥ／ＡＮＳＩの低山アクメネジ規格、Ｎｏ．Ｂ１．８（この規格は、参照することによって、ここに含まれるものとする）に規定されているような）標準的な低山アクメネジよりも広いが、ネジ山の輪郭は、標準的な低山アクメネジと一致しているとよい。特に、山平面３３は、０．０２２”の幅を有しているが、谷平面３５は、０．０４８”の幅を有し、これは、ネジ部のピッチよりも０．４２２４倍大きく、ＡＳＭＥ／ＡＮＳＩ規格と一致していない。ネジ形状は、そのネジ形状の山輪郭に対して谷輪郭が拡大されているので、最終的なネジ部のネジ数は１２ｔｐｉであるが、８ｔｐｉの低山アクメネジ用に設計された工具を用いて機械加工されてもよい。このようにして、本発明による有利なネジ接続部が、従来の工具を用いて、作製され得ることになる。
【００５２】
このような方法は、銅のような基材から電極素材を形成し、その素材の外側に少なくとも１つの円筒面を画成する第１ステップを含んでいる。その後、少なくとも一条の螺旋状ネジ形状を電極素材に画成するように、材料は円筒表面から除去される。特に、ネジ形状を画成する歯面を形成するように、材料は除去される。ここで、歯面は、断面で見たとき、少なくとも１つの線を画成し、この線は、山頂点において、歯面の他方によって画成される線と交差し、また、谷頂点において、さらに他の歯面によって画成される線と交差する。材料の除去は、谷頂点と山頂点との間の半分の深さよりも上方の深さで停止される。素材から電極を形成する具体的な方法として、特に前述したような従来の工具を用いる機械加工が挙げられるが、電極は、鋳込みのような他の製造方法を用いても、形成され得るものである。
【００５３】
対応する電極ホルダー５６が、図９、図１０Ａ、及び図１０Ｂに示されている。特に、図８Ａ及び図８Ｂにおけるのと同一の用語を用いると、外径Ｄは、０．４４９”の値を有し、内径Ｋは、０．３９５”の値を有している。ここで、電極の公称ピッチ径（０．３６４”）は、電極ホルダーの内径以下であることに留意すべきである。電極ホルダーの山頂点ｃaは、０．２３５”の直径にあり、谷頂点ｒaは、０．５５７”の直径にあり、従って、これら２つの直径の中間の電極ホルダーの公称ピッチ径Ｄpは、０．３９６”であり、これは、電極ホルダーの内径よりも大きい。ネジ山の輪郭は、標準的な低山アクメネジよりも広いが、ネジ谷の輪郭は、標準的な低山アクメネジと一致している。山平面３３は、０．０４１”の幅を有し、これは、ネジ部のピッチよりも０．４２２４倍大きく、ＡＳＭＥ／ＡＮＳＩの低山アクメネジに関する規格であるＮｏ．Ｂ１．８と一致していない。谷平面３５は、０．０２８”の幅を有している。山部の幅ｃwは、０．０４８”であり、０．０３５”の谷領域の幅ｒwよりも大きい。しかし、ネジ部の谷領域に対して山部が拡大されていることによって、最終的なネジ部のネジ数は１２ｔｐｉであるが、このネジ部は、１４ｔｐｉの低山アクメネジ用に設計された工具を用いて、機械加工されている。電極ホルダーは、電極に対して前述したのと同様の方法を用いて形成されている。
【００５４】
電極と電極ホルダーとの相関関係において、前述したように、電極の谷領域の幅ｒwは０．０５５”であり、電極ホルダーの谷領域の幅ｒwは０．０３５”である。このように、電極の谷領域の幅は、電極ホルダーの谷領域の幅よりも、少なくとも３５％大きく、４５％広くてもよく、又は５５％以上広くてもよい。
【００５５】
電極ホルダー５６は、図５に示されるように、反対側の雄ネジ部１１も有している。この雌ネジ部１１の寸法は、電極の雄ネジ部の寸法と同様である。谷領域の幅ｒwは０．０５５”で、山部の幅ｃwは０．０２８”である。従って、谷領域の幅ｒwは、山部の幅ｃwよりも、少なくとも１５％大きく、５５％広くても、又は９５％以上広くてもよい。
【００５６】
本発明による新規のネジ接続部の一部の寸法は、以下の表に示す通りである。これらの寸法を、適用可能なＡＮＳＩ規格からの寸法と計算を用いて、従来の３／８”−２４ｔｐｉＵＮ（ユニファイ）と１／２”−２０ｔｐｉＵＮネジ接続部とを比較して示されている。
【００５７】
【表１】
2006173088.tif 000003
【００５８】
寸法は、注記された箇所以外は、全て、インチである。
【００５９】
利用可能な空間が制約されている場合、本発明は、従来の設計よりも山／谷高さが比較的低い電極ホルダー５６と電極２０との間に形成されるネジ接続部を有利に提供している。電極の雄ネジ部に設けられる狭いネジ山輪郭と電極ホルダーの雌ネジ部に設けられる狭い谷領域を有するネジ接続部が示されているが、同様の小形化が、電極ホルダーの対応する雄ネジ部に狭い山輪郭を形成し、及び／又はトーチ本体の雌ネジ部に狭い谷輪郭を形成することによって、達成されている。同様に、電極と電極ホルダーとの間及び／又は電極ホルダーとトーチ本体との間の雄ネジ及び雌ネジの位置は、例示された位置と逆であっても、前述したような利点が得られる。このような小形のネジ接続部は、トーチ内に有利な寸法関係をもたらしている。
【００６０】
また、本発明では、図４に示されるように、電極ホルダーをトーチ内のより遠位側の位置に配置させることによって、電極のネジ部と係合される電極ホルダーのネジ部が、有利に、ノズル部材４１内に部分的又は全体的に配置されている。その結果、電極２０は、この種の従来の電極よりもかなり短く、これによって、製造コストが低減されることになる。これは、電極が、消耗部品であり、プラズマアークトーチの最も頻繁に交換される部品であることを考慮した場合、特に重要である。また、電極ホルダー５６も、周期的に交換される必要がある。しかし、この交換率は、多くの場合、電極２０の交換率よりは極めて少ない。
【００６１】
また、電極２０と電極ホルダー５６の「等しくない」ネジ輪郭によって、ネジ部の有害な磨耗を、電極ホルダー５６よりも消耗性の電極５６に対して、より多く割り当てることができる。換言すれば、電極ホルダーが電極の山部よりも広いネジ部の山を有することが重要である。何故なら、電極ホルダーは、消耗かつ交換される多くの電極を固定して保持することが予期されるからである。これによって、磨耗と他の損傷を、繰り返して取り替えられる電極のネジ部に生じさせることができ、（本発明による電極のネジ部によってもたらされる）電極ホルダーの広い山は、さらに耐久性を延ばすことができる。
【００６２】
ここに述べた本発明の多くの修正形態及び他の実施形態は、前述の説明と関連する図面に提示される利得と示唆を受けるこれらの発明が属する技術分野における当業者に、思い浮かぶだろう。従って、本発明は、開示された具体的な実施形態に制限されるべきではなく、修正形態と他の実施形態は、添付の請求項の範囲内に包含されることが意図されていることが、理解されるべきである。特定の用語がここでは用いられているが、それらは、包括的かつ叙述的な意味でのみ用いられ、制限する目的ではない。相対的な寸法を含むここに述べた種々の部品の寸法と角度についての記述は、製造プロセスにおける目標値を表す名目上の寸法であることが意図されている。従って、公差を設けることによってこれらの名目上の寸法から逸脱する絶対値は、寸法及び角度について記述した範囲内に包含されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】従来技術に用いられる電極アセンブリを説明するための従来シールドガスプラズマアークトーチの側断面図である。
【図２】トーチ内の冷媒の流れを示すために、図１から異なる断面に沿ったトーチの側断面図である。
【図３】従来の電極アセンブリを示す、図１に見られるトーチの下部の拡大図である。
【図４】本発明による有利な電極と電極ホルダーを示す、図１に示されるトーチの下部の拡大図である。
【図５】本発明による電極と電極ホルダーの断面図である。
【図６】本発明による電極ホルダーと電極とのネジ接続部のさらに大きく拡大された図である。
【図７】電極の断面図である。
【図８Ａ】電極の雄ネジのさらに大きく拡大された図である。
【図８Ｂ】他の寸法の参照番号を示す、図８Ａと同じ図である。
【図９】電極ホルダーの断面図である。
【図１０Ａ】電極ホルダーの雌ネジのさらに大きく拡大された図である。
【図１０Ｂ】図８Ｂにおけるのと対応する他の寸法番号を示す、図１０Ａと同じ図である。
【符号の説明】
【００６４】
１０  プラズマアークトーチ
１１  （電極ホルダーの）雄ネジ部
１２  後側絶縁体
１４  主トーチ本体
１５  ネジ部
１６  前側絶縁体
１７  （電極ホルダーの）雌ネジ部
１８  電極ホルダーアセンブリ
１９  （電極の）雄ネジ部
２０  電極
２１  電極本体
２２  ノズルアセンブリ
２３  電子放出要素
２４  プラズマガスコネクタ管
２５  セパレータ
２６  プラズマガス通路
２７  山部
２８  下端面
２９  谷領域
３０  シールドガスコネクタ管
３１  Ｏリング
３２  シールドガス通路
３３  山平面
３４  上端面
３５  谷平面
３６  プラズマガス通路
３７  歯面
３８  座ぐり穴
４０  プラズマガス室
４１  ノズル室
４２  上側ノズル部材
４４  金属インサートスリーブ
４６  Ｏリング
４８  下側ノズル先端
４９  近位開口
５０  ノズル出口オリフィス
５２  邪魔板
５４  座ぐり穴凹部
５６  電極ホルダー
５８  軸方向止まり穴
６０  軸方向穴
６２  連結部
６３  ネジ山
６４  冷媒管
６６  穴
６８  空間
６９  シール
７０  冷媒供給通路
７１  堰
７２  シールドガス通路
７４  ノズル保持カップアセンブリ
７６  シールドガス室
７８  ノズル保持カップホルダー
８０  ノズル保持カップ
８１  スナップリング
８２  トーチ外側ハウジング
８４  絶縁物
８６  フランジ
８８  外向きフランジ
９０  Ｏリング
９２  長手方向溝
９４  シールドガスノズル
９６  シールドリテーナ
９８  シールドガス流路
１００  拡散板
１１２  冷媒入口コネクタ管
１１４  冷媒入口通路
１１６  溝部
１１８  冷媒室
１２０  第２溝部
１２２  冷媒戻り通路
１２６  環状空間
１２８  冷媒戻り通路
１３０  冷媒戻りコネクタ管
２１０  電気ポテンシャル源
２１２  スイッチ
２１４  レジスタ
２１６  加工品
Ｋ  内径
Ｄ  外径
ｃa  山頂点
ｒa  谷頂点
Ｄp  公称ピッチ径
ｄm  平均径
ｒw  谷領域幅
ｃw  山部幅
２α  侠角
ｐ  ピッチ
【図１】
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【図２】
2006173088.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成17年12月19日(2005.12.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2006173088.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2006173088.tif 000010
【図６】
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【図７】
2006173088.tif 000012
【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
2006173088.tif 000014
【図９】
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【図１０Ａ】
2006173088.tif 000016
【図１０Ｂ】
2006173088.tif 000017
【外国語明細書】
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