(57)【要約】      （修正有）【課題】電極の冷却が良好であるベント型プラズマ切断電極およびこれを用いるトーチを提供する。【解決手段】本発明の実施形態は改良された性能の空冷切断トーチに関する。トーチは改良された電極を含み、電極は、空気の流れが電極を通過して冷却と性能を改善できるようにするための少なくとも１つのガス流ポートを有する。【選択図】図３
2019022908.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上流部分と、
前記上流部分の上流端で開放する空洞と、
前記上流部分の下流の本体部分であって、前記本体部分の外面へと開放する少なくとも１つの流出ポートを含む本体部分と、
前記本体部分の下流の先端であって、前記先端の先端面において放出インサートを含む先端と、
を含むプラズマ切断電極において、
前記少なくとも１つの流出ポートは前記空洞に連結されて、前記本体部分の外から前記空洞内への流れを可能にするプラズマ切断電極。
【請求項２】
前記本体部分は複数の前記流出ポートを含み、前記複数の前記流出ポートの各々は前記空洞に連結される、請求項１に記載の電極。
【請求項３】
前記本体部分は少なくとも２つの隆条部分を含み、前記少なくとも１つの流出ポートは前記少なくとも２つの隆条部分間に位置付けられる、請求項１に記載の電極。
【請求項４】
前記複数の前記流出ポートの各々は寸法的に同じである、請求項２に記載の電極。
【請求項５】
前記流出ポートの中心線は、前記本体部分の中心線を中心とするｘ−ｙ座標グリッドに平行に向けられる、請求項１に記載の電極。
【請求項６】
前記少なくとも１つの流出ポートの中心線は、前記本体部分の中心線を中心とするｘ−ｙ座標グリッドに関して０〜９０度の角度が付けられる、請求項１に記載の電極。
【請求項７】
前記流出ポートの少なくとも１つの中心線は、前記本体部分の中心線を中心とするｘ−ｙ座標グリッドに関して第一の角度に向けられ、前記流出ポートの少なくとも１つの他のポートの中心線は、前記グリッドに関して第二の角度に向けられる、請求項２に記載の電極。
【請求項８】
前記空洞は、その中に位置付けられたインサートをさらに含む、請求項１に記載の電極。
【請求項９】
前記インサートは、前記空洞内の前記流れの少なくとも一部を前記空洞の前記開口へと案内する少なくとも１つの流路を含む、請求項８に記載の電極。
【請求項１０】
上流部分と、
前記上流部分の上流端で開放する空洞と、
前記上流部分の下流の本体部分であって、前記本体部分の外面へと開放する少なくとも４つの流出ポートを含む本体部分と、
前記本体部分の下流の先端であって、前記先端の先端面において放出インサートを含む先端と、
を含むプラズマ切断電極において、
前記少なくとも４つの流出ポートは前記空洞に連結されて、前記本体部分の外から前記空洞内への流れを可能にするプラズマ切断電極。
【請求項１１】
前記本体部分は少なくとも２つの隆条部分を含み、前記少なくとも４つのポートは前記少なくとも２つの隆条部分間に位置付けられる、請求項１０に記載の電極。
【請求項１２】
前記複数の前記流出ポートの各々は寸法的に同じである、請求項１０に記載の電極。
【請求項１３】
前記それぞれの流出ポートの中心線は、前記本体部分の中心線を中心とするｘ−ｙ座標グリッドに平行に向けられる、請求項１０に記載の電極。
【請求項１４】
少なくとも１つの前記流出ポートの中心線は、前記本体部分の中心線を中心とするｘ−ｙ座標グリッドに関して０〜９０度の角度が付けられる、請求項１０に記載の電極。
【請求項１５】
前記流出ポートの少なくとも１つの中心線は、前記本体部分の中心線を中心とするｘ−ｙ座標グリッドに関して第一の角度に向けられ、前記流出ポートの少なくとも１つの他のポートの中心線は、前記グリッドに関して第二の角度に向けられる、請求項１０に記載の電極。
【請求項１６】
前記空洞は、その中に位置付けられたインサートをさらに含む、請求項１０に記載の電極。
【請求項１７】
前記インサートは、前記空洞内の前記流れの少なくとも一部を前記空洞の前記開口へと案内する少なくとも１つの流路を含む、請求項１６に記載の電極。
【請求項１８】
上流部分と、
前記上流部分の上流端で開放する空洞と、
前記上流部分の下流の本体部分であって、その外面に溝を含み、前記本体部分の前記外面に開放する複数の流出ポートを含み、前記外面の前記流出ポートの各々の開口は、前記溝内に位置付けられる本体部分と、
前記本体部分の下流の先端であって、前記先端の先端面において放出インサートを含む先端と、
を含むプラズマ切断電極において、
前記複数の前記流出ポートの前記各々は、前記空洞に連結されて、前記本体部分の外から前記空洞への流れを可能にし、
前記流出ポートの少なくとも１つの中心線は、前記本体部分の中心線を中心とするｘ−ｙ座標グリッドに平行に向けられるプラズマ切断電極。
【請求項１９】
前記複数の前記流出ポートの各々は寸法的に同じである、請求項１８に記載の電極。
【請求項２０】
前記インサートは、前記空洞内の前記流れの少なくとも一部を前記空洞の前記開口へと案内する少なくとも１つの流路を有するインサートを含む、請求項１８に記載の電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明による装置、システム、および方法は切断、そして特にプラズマアーク切断トーチおよびその構成要素に関する装置、システム、および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの切断、溶射、および溶接作業において、プラズマアークトーチが利用されている。これらのトーチでは、プラズマガスジェットが高温で周辺雰囲気中に噴出される。ジェットはノズルから放出され、ノズルを出る時のジェットは拡張範囲が極めて小さく、焦点が著しく絞られる。しかしながら、イオン化プラズマジェットには高温が伴うため、トーチの構成要素の多くが故障しやすい。この故障は、トーチの動作を大きく阻害し、切断作業の開始時に適正なアーク点火を妨げることがありうる。それゆえ、トーチ構成要素の冷却は非常に重要となり得る。
【０００３】
従来の、伝統的な、および提案中の方式の他の限界と欠点は、当業者にとって、このような方式を本明細書の以下の部分に図面に関して記載されている本発明の実施形態と比較することにより、明らかとなるであろう。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の例示的実施形態は、トーチの性能と耐久性を最適化するように設計された空冷プラズマトーチおよびその構成要素である。具体的には、本発明の例示的実施形態は、ベント型電極とベント型電極を含むトーチを含む。
【０００５】
本発明の上記および／またはその他の態様は、本発明の詳細な例示的説明を以下のような添付の図面を参照しながら説明することによって、より明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の実施形態に使用可能な例示的切断システムの概略図である。
【図２】既知の構成要素を利用するトーチのヘッドの一部の概略図である。
【図３】本発明の空冷トーチの例示的実施形態によるヘッドの一部の概略図である。
【図４Ａ−４Ｃ】本発明の電極の例示的実施形態の概略図である。
【図５】本発明の電極の他の例示的実施形態の概略図である。
【図６Ａ−６Ｄ】本発明の電極の別の例示的実施形態の概略図である。
【図７】本発明のある実施形態における例示的な流路の概略図である。
【図８Ａ−Ｂ】本発明の例示的カソードの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
ここで、各種の代替的な例示的実施形態と添付の図面を詳しく参照するが、同様の数字は実質的に同じ構造的要素を示す。各例は、限定としてではなく、例として提供されている。事実、当業者にとっては、本開示と特許請求項の範囲または主題から逸脱することなく、改良や変更を加えることができることは明らかであろう。例えば、図または明細書においてある１つの実施形態の一部として示されている特徴を、他の実施形態に使用することにより、また別の実施形態を作ることができる。それゆえ、本開示は付属の特許請求の範囲とそれらの等価物の範囲の中に入る改良と変更を含むことが意図されている。
【０００８】
本開示は一般に、各種の切断、溶接、および溶射作業に有用な空冷プラズマアークトーチに関する。具体的には、本発明の実施形態は、空冷プラズマアークトーチに関する。別の例示的実施形態は、リトラクトアークトーチである空冷プラズマアークトーチに関する。一般に理解されているように、リトラクトアークトーチは、電極がノズルと接触してアークを発生させ、その後、電極がノズルから引き戻され、するとアークがノズルのスロートを通って方向付けられる。他のタイプのリトラクトトーチにおいては、電極は静止したままで、ノズルが移動する。本発明の実施形態は両方のタイプに適用される。それに加えて、本発明の実施形態はまた、高周波数スタートトーチ等にも使用できる。これらのトーチの構成と動作は一般に知られており、それゆえ、その詳細な構成と動作は本明細書では説明しない。さらに、本発明の実施形態は、ハンドヘルド式または機械化されたプラズマ切断作業のどちらにおいても使用できる。留意すべき点として、簡素化と明瞭化のために、以下の説明は、主として切断用のハンドホルド型プラズマトーチに関する本発明の例示的実施形態についてのものである。しかしながら、本発明の実施形態は、この点において限定されず、本発明の実施形態は溶接および溶射トーチにも使用でき、これも本発明の主題または範囲から逸脱しない。各種のタイプとサイズのトーチが、希望に応じて様々な電力レベルで使用可能である。例えば、本発明の例示的実施形態は、４０〜１００アンペアの範囲の切断電流を利用する切断作業に使用でき、厚さ０．０７５インチまでの被加工物を切断でき、他の実施形態では、厚さ１．５インチまでの被加工物を切断できる。さらに、本明細書に記載のトーチと構成要素は、マーキング、切断、または金属の除去に使用できる。これに加えて、本発明の例示的実施形態は可変電流と可変出力レベルで使用できる。本発明の実施形態に使用可能な種類の空気流と冷却システムの構成と利用は知られており、本明細書で詳細に説明する必要はない。
【０００９】
ここで、図１を参照すると、例示的な切断システム１００が示されている。システム１００は、筐体１２を含む電源１０を含み、そこにトーチアセンブリ１４が接続されている。筐体１２には、プラズマアークトーチを制御するための各種の従来の構成要素、例えば電源、プラズマスタート回路、エアレギュレータ、ヒューズ、トランジスタ、入力および出力電気およびガスコネクタ、コントローラおよび回路基板その他が格納される。トーチアセンブリ１４は、筐体の前面１６に取り付けられる。トーチアセンブリ１４は、その中に、トーチ端１８内の電極とノズルを筐体１２内の電気コネクタに接続するための電気コネクタを含む。パイロットアークと作動アークのために別々の電気経路が提供されてもよく、スイッチ要素が筐体１２内に提供される。ガス導管もまたトーチアセンブリ内にあり、プラズマアークとなるガスをトーチ先端へと送り、これについては後述する。各種のユーザ入力装置２０、例えばボタン、スイッチ、および／またはダイヤルが筐体１２に、各種の電気およびガスコネクタと共に提供されてもよい。
【００１０】
理解すべき点として、図１に示されている筐体１２は、本明細書において開示されている発明的概念の態様を利用できるプラズマアークトーチデバイスの一例にすぎない。したがって、上述の一般的開示と説明は、開示されているトーチ要素を利用できるプラズマアーク装置の種類または大きさについて、一切限定しないと考えるべきである。
【００１１】
図１に示されるように、トーチアセンブリ１４はコネクタ２２を含み、その一端が筐体１２の嵌合コネクタ２３に取り付けられる。そのように接続されると、トーチアセンブリ１４のホース部分２４を通る各種の電気およびガス経路は、トーチ２００の関係部分が筐体１２内の関係部分と接続されるように接続される。図１に示されるトーチ２００はコネクタ２０１を有し、ハンドヘルド型であるが、上述のように、トーチ２００は機械化されたタイプとすることもできる。トーチ２００の一般的な構成、例えばハンドル、トリガその他は、既知のトーチ構成のそれと同様とすることができ、本明細書中では説明する必要がない。しかしながら、トーチ端１８内には、トーチ２００の、切断用アークを生成し、保持しやすくするための構成要素があり、これらの構成要素のいくつかについては、以下により詳しく説明する。具体的には、以下で説明する構成要素の一部には、トーチ電極、ノズル、シールド、およびスワールリングが含まれる。
【００１２】
図２は、既知の構成の例示的なトーチヘッド２００ａの断面を示す。留意すべき点として、トーチヘッド２００ａの構成要素の一部は、明瞭にするために示されていない。図のように、トーチ２００ａは陰極本体２０３を含み、そこに電極２０５が電気的に連結される。電極２０５はノズル２１３の内空洞の中に挿入され、市そこでノズル２１３はスワールリング２１１の中にシールされ、スワールリング２１１は、スワールリング、ノズル、その他を陰極本体２０３から絶縁するための絶縁構造２０９に連結される。ノズル２１３は、保持キャップアセンブリ２１７ａ〜ｃにより所定の位置に保持される。前述のように、この構成は一般に知られている。
【００１３】
図のように、電極２０５はねじ山部分２０５ａを有し、これは電極２０５を陰極本体２０３の中にねじ接続する。電極２０５はまた、中央らせん部分２０５ｂも有する。らせん部分２０５ｂはらせん状の粗いねじ山様パターンを有し、これは区間２０５ｂの周囲に空気の流れを提供する。しかしながら、この区間により、電極２０５を陰極本体２０３から外すために、専用なツールが必要となる。中央部分２０５ｂの下流に円柱部分２０５ｃがあり、これは電極２０５の先端２０５ｄに延びる。図のように、円柱部分はノズル２１３に挿入され、先端２０５ｄがノズル２１３のスロート２１３ｂ付近に位置付けられる。円柱部分は、中央部分２０５ｂにおいて平坦面を含むことができ、それによって、専用のツールが電極２０５を把持し、これを陰極本体から外すことができる。典型的には、円柱部分２０５ｃから先端２０５ｄへの移行は、先端２０５ｄの平坦な端面に続く湾曲した縁を含む。リトラクトスタートトーチにおいては、この平坦な端面がノズル２１３の内面と接触してアークスタートを起動する。アークが点火されると、電極２０５が引き戻され、電極２０５とノズル２１３との間にギャップが作られ（図のとおり）、その時、プラズマジェットがノズル２１３のスロート２１３ｂを通じて被加工物へと方向付けられる。一般に理解されているように、このような構成により、アーク起動中、約３００回のアークスタートが行われると、既知の電極２０５は故障し始める可能性がある。典型的には、電極２０５にはクロムまたはニッケルメッキを施して、電極２０５の寿命の延長を支援する。この事象が発生し始めたら、電極２０５は交換が必要かもしれない。
【００１４】
また、図のように、ハフニウムインサート２０７が電極２０５の先端２０５ｄに挿入される。一般に知られているように、先端２０５ｄの平坦面の中央にあるハフニウムインサート２０７からプラズマジェット／アークが起動する。
【００１５】
上で簡単に説明したように、トーチ２００ａはまた、ノズル２１３も含み、これはスロート２１３ｂを有し、切断中、そこを通じてプラズマジェットが方向付けられる。また、図のようにノズル２１３は円柱突出部分２１３ａを含み、スロート２１３ｂがそこを通過して延びる。この突出部分２１３ａは、比較的長いスロート２１３ｂのために提供され、同じく円柱形の突出部分２１５ａを有するシールド２１５の中の円柱開口部の中へと延びる。図のように、突出部分２１３ａ／２１５ａの各々間に空気の流れるギャップが作られ、切断中、シールドガスがプラズマジェットをエンリッチするように方向付けられる。空冷トーチにおいては、これらのそれぞれの突出部分２１３ａ／２１５ａは、プラズマジェットとシールドガスを切断作業へと方向付ける。しかしながら、ノズル２１３およびシールドキャップ２１５の各々の形状により、これらの突出部分はかなり高温となる傾向がありうる。この熱により、ノズル２１３のヒートバンドがその長さに沿って大きく広がる可能性がある。このように増大したヒートバンドと高熱は、構成要素が劣化し、故障する原因となりえ、交換の必要性を生じさせる。さらに、時間がたつとその性能が劣化する可能性があり、これによって、切断結果が最適とはいえないものとなる。したがって、既知の空冷トーチの構成には改良が必要である。
【００１６】
ここで、図３（および図７）を参照すると、ある例示的実施形態のトーチヘッド３００が示されている。トーチヘッド３００は、図１に示されるトーチの中で使用でき、図２と同様に、図を単純化するために、構成要素と構造のすべてが示されているわけではない（例えば、ハンドル、外側ケーシングその他）。さらに、多くの点において（後述のものを除く）、トーチヘッド３００の構成と動作は既知のトーチヘッドと同様であるため、必ずしもその構成の詳細の全部を本明細書で説明する必要はない。しかしながら、以下により詳しく説明するように、電極３０５は既知の電極構成とは異なる構成である。図のように、トーチは既知のトーチと同様にノズル３１３と、シールドキャップ３１５と、スワールリング３１１と、を含む。さらに、図２のトーチ２００ａと同様に、図３のトーチ３００は空冷リトラクト型トーチである。本発明の例示的実施形態は以下の説明からよりよく理解され、その中では電極の別の実施形態が説明されている。図のように、既知のトーチと同様に、電極３０５は陰極本体（またはピストン）３０３に連結され、これは動作中、電極３０５と共に移動する。電極３０５は陰極本体３０３に、マルチラム係合構造を有することのできる陰極本体３０３上の空洞部分３０４を介して、または電極と陰極本体を固定するための他の同様の、もしくは既知の方法で連結される。
【００１７】
また、図のように、また既知のトーチで使用されているように、絶縁体３０７は陰極／電極を他のトーチ構成要素から電気的に絶縁するために使用される。絶縁体３０７は複数の通気孔３０８を有し、これによってガス／空気が絶縁体３０７と陰極本体３０３との間の空洞３０９から出ることができる。本発明の実施形態のガス流をさらに理解するために、図７も参照できる。図のように、ガス／空気は導管３１０を介してトーチ３００内に入ることができ、図７に示されるような（既知のトーチおよびトーチ構成と同様の）シールドガス経路７０１へと、および空気通路３１７を通り、その後プレナム３１６へと案内される。すると、ガス流のうちの一部は、ノズルを所定の位置に保持するために使用される保持キャップの外へと案内され、そのガスはシールドガスとしてトーチの外に案内される。保持キャップはガス流ポートを有することができ、それによってガスは図のように流れる。ガスの残りの量は、図のようにスワールリング３１１に入る。ガスがスワールリング３１１を通過した後、ガスの一部は電極３０５とノズル３１３との間を通るために使用され、ガスの一部はポートを介して電極３０５に入る。電極の部分４０５および４０７（図４Ａおよび４Ｃ参照）は、電極のポートの中へと案内された流れを支援する。図のように、ポート３２０に入ったガスは、電極３０５の上流端を通過し、陰極本体３０３の空洞３１２に入り、そこでそれはポート３０６から出て、空洞３０９に入る。その後、ガスは絶縁体３０７のポート３０８に案内され、そこでトーチ３００から排出される。図３および７に示されているように、例示的実施形態において、絶縁体のポート３０８および陰極本体のポート３０６は同一直線上にない。すなわち、これらはトーチ３００の長さに沿った同じ平面内にない。このような実施形態において、このことによってガス／空気の流れは確実に陰極本体３０３の表面を流れ、陰極本体３０３の熱交換／冷却を促進する。ポート３２０を通じた電極３０５内の流れにより、電極はさらに冷却され、電極とトーチの動作全体が改善される。また、図のように、いくつかの実施形態において、トーチはノズル保持カップ３０１を含むことができ、これはノズル３１３を所定の位置に保持するために使用される。例示的実施形態において、保持カップ３０１はまた、シールドガス穴／ポートを有し、それによってシールドガスは保持カップ３０１を通る。例示的実施形態において、これらの穴／ポートは、ノズルと電極との間のガス流路と同一平面内にないように位置付けられる。すなわち、保持カップのポートは、図のように、トーチの中心から、電極とノズルとの間の経路より半径方向に遠くにある。図示されていない他の例示的実施形態においては、保持カップにガス流ポートを有するのではなく（またはそれに加えて）、流れ／通気ポートはノズル内に位置付けることができ、それによってシールドガスはプラズマガス経路と同一直線上にあるか、または同一直線上にはないように向けられ／流される。
【００１８】
上述の構成では、本発明の実施形態は、空冷プラズマ切断トーチの冷却と動作を改善する。上で簡単に述べたように、既存のトーチは不十分な電極冷却が問題となり得る。例えば、いくつかの種類のシングルガス、空冷、ブローバックスタート、プラズマアーク切断トーチにおいて、電極は陰極／ピストンに接続される。ガス／空気の供給がないと、ばねがピストン／陰極をノズルに向かって付勢し、それによってノズルと電極が接触する。空気／ガスが供給されると、空気の圧力がピストンと電極をノズルから遠ざけ、パイロットアークを開始させる。いくつかの実施形態において、供給されるガス流全体により、ピストンが作動され、電極が冷却されてもよい。しかしながら、いくつかの既知のトーチ構成では、ガス／空気流の一部のみが電極の冷却に使用される。これらの構成では、このガス流はトーチから排出される。また別の既知の構成では、電極の冷却はしばしば、電極の外側にねじ山の形状のフィンを機械加工することによって得られ、排出されたガスはここを必ず通って流れる。しかしながら、電極のＯＤ上にねじ山を機械加工することにより、必然的に電極に必要な直径が増大する。
【００１９】
あるいは、他の設計では、ピストン／陰極は排出されたガスによって直接冷却され、電極はピストン／陰極との接触により間接的に冷却されてもよい。この接触は、接触表面積を増大させるために、電極をピストン／陰極にねじ接続させることによって得られる。この接触はまた、電気を電極へと伝導するためにも使用される。しかしながら、より高い電流およびデューティサイクルでは、電極／ピストン接続は緩み、接続部分でのＩ２Ｒ加熱は大幅に増大する。その結果、電極がピストンに密着し、トーチ本体が損なわれる可能性がある。
【００２０】
これらの問題は、前述のように、排出ガスが電極を通って案内される本発明の実施形態において対処される。さらに後述するように、冷却と電極動作を最大にしながら、機械加工のコストを最小限にするために、各種の形態の通路を考案できる。本発明の実施形態は、ピストン／陰極と電極との間のねじ接続を保持しながら、または押し嵌めによる接続もしくはその他のあらゆる接続方法を使用しながら使用できる。
【００２１】
それに加えて、本発明の実施形態は、トーチからの排出ガスの流れを制御するための追加の手段を提供できる。以下に説明するように、いくつかの実施形態において、流れ制御オリフィスが電極内に構築され、これは排出ガスの流れをその切断動作にとって、例えば低電流または高電流切断プロセスにとって適当な速度に制御するために使用できる。
【００２２】
本発明の実施形態はまた、ノズルオリフィスの完全な、または部分的な閉塞の結果としてのノズルチャンバ内のアーキングから生じる可能性のある問題も軽減させることもできる。このアーキングは、電極の故障または、トーチが加工物と接触することによる貫通等の切断エラーによって生じるかもしれない。このように生じた場合、ノズルオリフィスを通るプラズマガスの流れは大幅に減少させられ、または完全に遮断される可能性がある。これらの出来事の間にアークが電極とノズルとの間に存在すると、アークに作用してそれをノズルチャンバ内に留める力がなくなる。浮力が、縄梯子のように、アークを電極とスワールバッフルとの間の環の中へと上昇させる可能性がある。そこにある間に、アークがピストン／陰極とトーチ本体の絶縁体との間に流れる排出ガスを加熱する可能性があり、これらの部品に損傷を与える。本明細書中で実施形態に関連して説明したように、この損傷は、電極上に隆条部を設置して、スワールバッフル上のガス吸込み穴の位置と共に作用して、プラズマガスと排出ガスの流れが相互にほとんど隔絶された状態となるようにすることによって回避または最小化できる。この効果はまた、電極上の隆条部の代わりに、またはそれに追加して、隆条部をガススワールバッフル上に設置することによっても得られる。
【００２３】
次に、図４Ａ〜４Ｃを参照すると、例示的な電極４００が示されている。明瞭を期すために、電極４００は図３に示される電極３０５と置換できる点に留意されたい。図４Ａに示されるように、電極４００は３つの部分、すなわち上流部分４０１、本体部分４０２、および先端部分４０３からなる。電極４００は切断電極用のいずれの既知の材料でも製作でき、これには銅、銀等、またはそれらの組合せが含まれる。また、既知の電極と同様に、電極４００は先端部分４０３にハフニウムインサート４０４（または同様の材料）を有し、動作中はそこからアークが放出される。本体部分４０２は、第一の隆条部分４０５、チャネル部分４０６、および第二の隆条部分４０７からなり、第二の隆条部分４０７は電極４００の先端に最も近い。チャネル部分は少なくとも１つ、通常は複数のポート４１０を有し、本明細書に記載されているように、冷却流はそこを通過できる。ポート４１０は、図４Ｂにおいてより明瞭に見ることができる。図の実施形態において、ポート４１０は、それぞれの中心線が電極４００の中心線を中心とするｘ−ｙ座標系に平行であるように整列される（図４Ｂ参照）。この構成は、動作中にスワールリングから出る渦巻流を捕捉するのを支援する。この構成はまた、空洞４１５に入る流れに渦巻を起こして、冷却を促進する。他の例示的な実施形態では、それぞれのポートの中心線は、図４Ｂに示されるグリッドのｘ−ｙ座標と整列させることができ、それによってガスはポート４１０の中心線が電極４１０の外面と交差する接線に対して９０度の角度で出る。もちろん、他の例示的実施形態においては、ポート４１０の中心線は、図４Ｂに示されるように、ｘ−ｙグリッドに関して０〜９０度のいずれの角度でも斜めにすることもでき、それによって流れは電極から、そのトーチおよび動作にとって適当な角度で出る。図４Ａ〜４Ｃに示される実施形態においては、４つのポートが使用されている。しかしながら、他の実施形態では、ポートの数はそれより少なくてもよく、１つまで少なくすることもでき、他の実施形態では、ポートの数は４〜６の範囲とすることができ、また別の実施形態では、ポートの数を６より多くすることもできる。
【００２４】
図４Ｂに示されるように、いくつかの実施形態において、ポート４１０は図のように、すべてｘ−ｙグリッドに関して同じ相対角度を有することができる。しかしながら、他の例示的実施形態では、第一のポートは１つの角度を有することができ、他のポートは第二の角度を有することができる。例えば、４つのポートを持つ実施形態では、相互に反対側にある２つのポートが第一の角度を有することができ、残りの２つのポートは別の角度を有することができる。角度は、そのトーチ構成および性能にとって必要に応じて構成できる。同様に、例示的実施形態において、ポート４１０は全て同じ断面形状および寸法を有することができ、他の実施形態では、いくつかのポートが第一の断面形状（例えば、円形）を有することができ、他のポートが第二の形状（例えば、楕円形）を有することができる。同様に、いくつかの実施形態において、ポートのいくつかは第一の直径／断面積を有することができ、残りのポートは第二の直径／断面積を有することができる。
【００２５】
さらに、図４Ｂに示されるように、いくつかの例示的実施形態は、ポートの長さに沿って一定の断面のポートを有することができる。しかしながら、他の例示的実施形態において、ポートはその長さに沿って変化する断面を有することができる。例えば、いくつかの実施形態において、ポートは円錐台形またはその他の形状を有することができる。例えば他の実施形態において、ポートはベンチュリ形状を有することができる。それに加えて、上述の実施形態と同様に、複数のポートが使用される場合、第一の数のポートは第一の構成（例えば、一定の断面）を有することができ、残りのポートは第二の構成（例えば、円錐台形）を有することができる。
【００２６】
本発明の実施形態は、上記の特徴のいずれの組合せを有するポートも使用でき、それも本発明の主旨または範囲から逸脱しない点に留意されたい。すなわち、上述のポートの属性のいずれも、そのトーチ／動作の要求事項のためにも使用できる。
【００２７】
図４Ｃは、電極４００の断面を示す。図のように、電極４００の上流部分４０１には空洞４１５があり、これは電極４００の上流端で開放し、ポート４１０の内側開口に連結される。空気／ガスが前述のようにポート４１０から空洞４１５に入ると、それは空洞４１５の上流端から流れ出る。空洞４１５は、ポート４１０から適当な流れが確実に生じるような直径Ｄと長さＬ１を有する。また、図のように、上流部分４０１の外径Ｄ２は、先端部分４０３の外径Ｄ３より大きい。さらに、いくつかの実施形態において、溝４０６の外径は上流部分と同じ直径Ｄ２を有し、他の実施形態では、溝部分４０６の外径は直径Ｄ２およびＤ３の間とすることができ、いくつかの実施形態では、溝４０６の外径はＤ２より小さくすることができる。上流部分４０１の外径Ｄ２は、電極４００が陰極本体に連結され、および／またはその中に挿入されるような直径である。いくつかの実施形態において、外面は押し嵌め挿入のために平滑であり、他の実施形態では、ねじ山等を使用できる。さらに、いくつかの実施形態において、溝部分４０６は、図４Ｃに示されるように、隆条部４０５および４０７間にまっすぐの表面を有し、他の実施形態では、溝部分４０６の表面は凹型または凸型の曲面を有することができる。
【００２８】
さらに、図のように、隆条部４０７の下流端は、電極の先端面から長さＬ３に位置付けられ、長さＬ３は空洞４１５の深さＬ１および先端面から空洞４１５の先端面４１７までの距離Ｌ２の各々より小さい。さらに、図のように隆条部４０５の上流端面は、上流端面から距離Ｌ４に、およびポート４１０の中心線から距離Ｌ５に位置付けられる。いくつかの実施形態において、距離Ｌ４は少なくとも距離Ｌ５の２倍である。
【００２９】
図４Ｃに示される実施形態において、ポート４１０の各々は、電極４００の上流端面から同じ全長に位置付けられる。しかしながら、他の例示的実施形態では、第一の数のポートは上流端面から第一の距離に位置付けることができ、残りのポートは第二の距離に配置できる。これによって、異なる流れのパターンを可能でき、特定のトーチ／動作のための必要に応じて構成できる。
【００３０】
上述のタイプの電極は、既知の電極と比較した利点を提供し、これは、これらが電極をさらに冷却し、ガス／空気の流れを見ることができるほか、隆条部の少なくとも１つを介して、逆流の防止を支援するからである。
【００３１】
図５は、他の例示的な電極５００の断面を示しており、これは電極４００と同様に、上流部分５０１、本体部分５０２、および先端部分５０３を有する。それに加えて、電極５００は空洞５１５、ポート５１０、および先端５１７を有する。電極５００の他の態様は、図４Ａ〜４Ｃにおいて説明されたものと同様である。しかしながら、電極５００において、インサート５２０は空洞５１５の中に位置付けられる。いくつかの実施形態において、インサート５２０は、空洞がインサートの外面と空洞５１５の内面との間に存在するように構成できる。これは、流れを空洞の壁に沿って空洞の先端に向かって案内し、冷却を支援することができる。いくつかの例示的な実施形態において、この流れはすると、表面５１７によって空洞５１５に入り、空洞の出口へと通過する。他の実施形態において、インサートは流れの少なくとも一部が表面５１７の上流で空洞に入ることができるようにするポートを有することができる。図のように、いくつかの実施形態において、インサート５２０の上流端は、それが空洞５１５の壁の内面と接触して、流れをブロックし、それを図のようにインサートと空洞の壁との間の表面５１７に向かって案内するように構成できる。
【００３２】
図６Ａ〜６Ｄは、別の例示的実施形態の電極６００を示している。図６Ａは、図４に示されているものと同様の電極６００を示すが、空洞６１５の先端６１７がポート６１０の位置の上流に位置付けられている点が異なる。この実施形態では、チャネル６１８は空気／ガスをポート６１０から空洞６１５へと案内する。この実施形態において、チャネル６１８は電極を通るガス／空気の流れを制御するための流量測定オリフィスとしての機能を果たす。すなわち、チャネル６１８は、その電流／動作にとって望ましい流れを提供する大きさ／直径のものとすることができる。このような実施形態において、空洞６１５は標準的な陰極本体の出口と勘合するように設計することができ、チャネル６１８は特定の動作のタイプ（例えば、高電流、低電流）のために製作され、それゆえ、ユーザはチャネルの大きさに基づいて、その動作にとって適当な電極を選択できる。
【００３３】
図６Ｂはさらに別の例示的実施形態を示しており、空洞６１５は流量計測インサート６２０を有し、インサートを通る少なくとも１つのチャネル６２１がある。流量計測インサート６２０のチャネル６２１はチャネル６１８と同様に動作し、電極を通る空気／ガスの流れを制御するために使用される。いくつかの実施形態において、インサート６２０は空洞６１５の中に所望の深さまで押し嵌めされ、摩擦により所定の位置に保持され、挿入の深さとチャネルの大きさは、流量を測定するために使用できる。インサートは、いくつかの実施形態において、電極とは別に製作され、異なる材料とすることができる。さらに、いくつかの例示的実施形態において、空洞６１５は肩部６２３を有し、そこにインサート６２０が当接して、適当な挿入が確実に行われる。別の例示的実施形態において、空洞６１５の内壁とインサート６２０の外面にはねじ山を設けることができ、それによってインサートはねじ山を介して固定され、その相対位置を変化させることにより、そのトーチ／動作のために望ましい流れを実現できる。
【００３４】
図６Ｃは、また別の例示的実施形態を示し、測定インサート６２５は、少なくとも１つのチャネル６２６はインサート６２５の外面と空洞６１５の内壁との間に位置付けられるように構成される。図の実施形態では、４つのチャネル６２６が作られている。他の実施形態では、１つとも少なく、または４つより多く作ることができる。さらに、図の実施形態において、インサート６２５は、インサート６２５の下流に空洞６２８が存在し得るような長さであり、他の実施形態では、この空洞６２８は存在しない。いくつかの実施形態において、チャネル６２６の各々はポートの１つと直接連通できる。もちろん、インサート６２５の形状は、その動作における所望の性能のために選択される。再び、インサートは、空洞６１５に押し嵌め、またはねじ接続させることができる。さらに、図のように、インサートの上流端面は、電極６００の上流端面と平らにすることができ、他の実施形態では、インサート６２５の上流端面は空洞の中へと窪ませることができる。さらに、インサートの上流端面は空気の流れを、それがチャネル６２６から出るときに制御するような形状とすることができ、例えば、曲がった、または円錐形の先端を有する。実際、いくつかの実施形態において、インサートの上流端面は、電極の上流端面の上流に延び、陰極と電極を組み立てる際に、陰極内に挿入される。このような実施形態は、空洞６１５の壁における空気／ガス流の所望の流れの構成を提供でき、それゆえ、電極からの熱伝達を増大させる。
【００３５】
図６Ｄは、他の例示的実施形態を示し、チャネル６３０は、長さＬＣの上流端面からポート６１０まで延びる。チャネル６３０は、その動作にとって所望の空気／ガスの流量を測定するのに十分な直径ＤＣを有する。いくつかの実施形態において、直径ＤＣはポート６１０の直径より小さい。
【００３６】
図８Ａおよび８Ｂは、本発明の実施形態で使用可能な例示的実施形態の陰極本体８００を示している。図８に示される陰極本体８００は、本明細書で前述したものと同じ陰極本体３０３とすることができる。陰極８００は、上流部分８１０、本体部分８２０、および下流部分８３０を有する。上流部分はねじ接続可能な接続部分８１１を有し、それによって陰極８００をトーチ３００に固定でき、また電気接続を提供できる。接続部分の下流には穴８１３があり、これは上流部分８１０を通過しても、しなくてもよく、そこに固定ねじ、ロールピン等を収容して陰極本体の回転を防止する。いくつかの実施形態において、直径段差部８０１は、上流部分８１０を本体部分８２０から分離し、本体部分８２０は上流部分８１０より大きい外径８２１を有する。本体部分８２０はカラー部分８２３を含み、これは陰極をトーチ３００内に配置し、位置付けるために使用される。いくつかの例示的実施形態において、カラーの上流の外径８２１は、カラー部分８２３の下流の外径８２５より小さい。図のように、本体部分８２０の下流に下流端部分８３０がある。下流端部分８３０は第一の部分８３１を有し、これは、空気が陰極から流れ出ることができるようにする出口ポート８３３を含む。第一の部分８３１の下流には第二の部分８３５があり、その外径は第一の部分８３１より大きい外径を有し、これは空洞８３７を含み、動作中、その中に電極からの流れが入る。図のように、ポート８３３は空洞８３７と連通し、それによって空洞からの流れはポート８３３を介して陰極８００の外へと案内される。図の実施形態では４つのポート８３３が使用されている。しかしながら、他の実施形態では、異なる数のポートを使用できる。また、ポート８３３の大きさと位置は、所望の動作性能に基づいて最適化し、適正な流れと冷却を確保することができる。図８に示されるように、いくつかの実施形態において、空洞８３７は溝８３９を持つ壁を有することかでき、それによって電極の固定にマルチラム型の接続の使用が可能となる。もちろん、電極を固定するためには他の構成も使用でき、それも本発明の主旨または範囲から逸脱しない。
【００３７】
したがって、本発明の各種の実施形態は、より長い期間およびより多くのスタートサイクルにわたり、より高い精度を提供できる、改良された空冷リトラクト型切断トーチを提供する。
【００３８】
本願の請求する主題を特定の実施形態に関して説明したが、当業者であれば、請求する主題の範囲から逸脱することなく、各種の変更を加えてもよく、また等価物を代替させてもよいことがかるであろう。これに加えて、特定の状況または材料を請求する主題の教示にあてはめるように多くの改変を加えてもよく、これもその範囲から逸脱しない。したがって、請求する主題は開示されている特定の実施形態に限定されず、請求する主題は付随する請求項に記載されている範囲内に入るすべての実施形態を含むことが意図される。
【符号の説明】
【００３９】
３０４  空洞部分
３０５  電極
３０６  ポート
３０８  ポート
３０９  空洞
３１２  空洞
３２０  ポート
４００  電極
４０１  上流部分
４０２  本体部分
４０４  ハフニウムインサート
４０５  隆条部分
４０６  溝部分
４０７  隆条部分
４１０  ポート
４１５  空洞
５００  電極
５０１  上流部分
５０２  本体部分
５１０  ポート
５１５  空洞
５２０  インサート
６００  電極
６１０  ポート
６１５  空洞
６２０  流量計測インサート
６２５  インサート
８１０  上流部分
８２０  本体部分
８３３  ポート
８３７  空洞
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ−４Ｃ】
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【図５】
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【図６Ａ−６Ｄ】
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【図７】
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【図８Ａ−Ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年9月11日(2018.9.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
【図１】本発明の実施形態に使用可能な例示的切断システムの概略図である。
【図２】既知の構成要素を利用するトーチのヘッドの一部の概略図である。
【図３】本発明の空冷トーチの例示的実施形態によるヘッドの一部の概略図である。
【図４Ａ−４Ｃ】本発明の電極の例示的実施形態の概略図である。
【図５】本発明の電極の他の例示的実施形態の概略図である。
【図６Ａ−６Ｄ】本発明の電極の別の例示的実施形態の概略図である。
【図７】本発明のある実施形態における例示的な流路の概略図である。
【図８Ａ−８Ｃ】本発明の例示的カソードの概略図である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
図８Ａ〜８Ｃは、本発明の実施形態で使用可能な例示的実施形態の陰極本体８００を示している。図８に示される陰極本体８００は、本明細書で前述したものと同じ陰極本体３０３とすることができる。陰極８００は、上流部分８１０、本体部分８２０、および下流部分８３０を有する。上流部分はねじ接続可能な接続部分８１１を有し、それによって陰極８００をトーチ３００に固定でき、また電気接続を提供できる。接続部分の下流には穴８１３があり、これは上流部分８１０を通過しても、しなくてもよく、そこに固定ねじ、ロールピン等を収容して陰極本体の回転を防止する。いくつかの実施形態において、直径段差部８０１は、上流部分８１０を本体部分８２０から分離し、本体部分８２０は上流部分８１０より大きい外径８２１を有する。本体部分８２０はカラー部分８２３を含み、これは陰極をトーチ３００内に配置し、位置付けるために使用される。いくつかの例示的実施形態において、カラーの上流の外径８２１は、カラー部分８２３の下流の外径８２５より小さい。図のように、本体部分８２０の下流に下流端部分８３０がある。下流端部分８３０は第一の部分８３１を有し、これは、空気が陰極から流れ出ることができるようにする出口ポート８３３を含む。第一の部分８３１の下流には第二の部分８３５があり、その外径は第一の部分８３１より大きい外径を有し、これは空洞８３７を含み、動作中、その中に電極からの流れが入る。図のように、ポート８３３は空洞８３７と連通し、それによって空洞からの流れはポート８３３を介して陰極８００の外へと案内される。図の実施形態では４つのポート８３３が使用されている。しかしながら、他の実施形態では、異なる数のポートを使用できる。また、ポート８３３の大きさと位置は、所望の動作性能に基づいて最適化し、適正な流れと冷却を確保することができる。図８に示されるように、いくつかの実施形態において、空洞８３７は溝８３９を持つ壁を有することかでき、それによって電極の固定にマルチラム型の接続の使用が可能となる。もちろん、電極を固定するためには他の構成も使用でき、それも本発明の主旨または範囲から逸脱しない。
【手続補正３】
【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】
2019022908.tif 000011
【図２】
2019022908.tif 000012
【図３】
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【図４Ａ−４Ｃ】
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【図５】
2019022908.tif 000015
【図６Ａ−６Ｄ】
2019022908.tif 000016
【図７】
2019022908.tif 000017
【図８Ａ−８Ｃ】
2019022908.tif 000018
【外国語明細書】
2019022908000001.pdf