(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トーチに向かって溶融金属をはねかけつつ、金属ワークピースを穿孔し、かつ、切断するプラズマ・アーク・トーチのための交換可能な遮蔽であって、溶融金属のはねかかりから前記プラズマ・アーク・トーチの消耗品コンポーネントを保護し、前記遮蔽が溶融又は劣化した後、又は該遮蔽の表面にはねかかる溶融金属が蓄積した後に交換されるように構成されている遮蔽であって、
ボディと、
ガス流によって接触冷却されるように構成された前記ボディの内側の第１の表面と、
前記ボディの基端部に対して配置され、液体流によって接触冷却されるように構成された前記ボディの外側の第２の表面と、
前記第２の表面に隣接して前記ボディの先端部に配置された、はねかかる溶融金属に露出される第３の表面であって、前記第２の表面が前記第３の表面に隣接して配置され、前記第３の表面が前記ガス流及び前記液体流で伝導冷却される前記第３の表面と、
前記ボディに固着され、かつ、前記第２の表面と前記第３の表面の間に配置されるように構成されたシールアセンブリであって、前記第２の表面を接触冷却する前記液体流を、前記プラズマ・アーク・トーチのリテーナキャップに対して保持するように構成されたシールアセンブリと、
前記ボディの先端部に形成されたプラズマガス排出オリフィスであって、シールドガスを前記ボディから排出して前記プラズマ・アーク・トーチから放出するプラズマガス排出オリフィスと、
を備えた遮蔽。
【請求項２】
請求項１に記載の遮蔽であって、前記ガス流が前記第１の表面を対流冷却する遮蔽。
【請求項３】
請求項１に記載の遮蔽であって、前記液体流が前記第２の表面を対流冷却する遮蔽。
【請求項４】
請求項１に記載の遮蔽であって、前記シールアセンブリがリテーナキャップと機械的に連絡している遮蔽。
【請求項５】
請求項１に記載の遮蔽であって、伝導冷却される前記領域が、前記領域の両端間にわたる温度勾配を備えた遮蔽。
【請求項６】
請求項１に記載の遮蔽であって、前記遮蔽が、溶融金属に露出される前記遮蔽の表面に隣接して配置されたフランジをさらに備え、前記第２の表面の少なくとも一部が前記フランジの上に配置された遮蔽。
【請求項７】
請求項１に記載の遮蔽であって、前記第３の表面が前記液体流によって伝導冷却される遮蔽。
【請求項８】
請求項７に記載の遮蔽であって、前記第３の表面が前記ガス流によって伝導冷却される遮蔽。
【請求項９】
請求項１に記載の遮蔽であって、前記遮蔽が前記プラズマ・アーク・トーチと連絡し、前記遮蔽が概ね前記プラズマ・アーク・トーチのノズルを取り囲んでいる遮蔽。
【請求項１０】
トーチに向かって溶融金属をはねかけつつ、金属ワークピースを穿孔し、かつ、切断するプラズマ・アーク・トーチに固着された交換可能な遮蔽上へのスラグの形成を抑制するための方法であって、前記遮蔽が溶融又は劣化した後、又は該遮蔽の表面にはねかかる溶融金属が蓄積した後に前記遮蔽が交換されるように構成されている方法であって、
ガス流によって前記遮蔽の内側の第１の表面を接触冷却するステップと、
液体流によって前記遮蔽の基端部に配置された前記遮蔽の外側の第２の表面を接触冷却するステップと、
前記液体流を保持するためのシールアセンブリを提供するステップであって、前記シールアセンブリが、前記第２の表面と、前記遮蔽の先端部に対して配置された第３の表面との間に配置され、前記プラズマ・アーク・トーチのリテーナキャップに対して、前記第２の表面と接触している液体を保持するように構成されたステップと、
前記第１の表面および前記第２の表面と熱連絡している熱伝導材料によって少なくとも部分的に形成された熱伝導経路を提供することによって、はねかかる溶融金属に露出される前記遮蔽の外側の第３の表面を前記ガス流及び前記液体流で伝導冷却するステップとを含み、
前記遮蔽の先端部にプラズマガス排出オリフィスが配置されており、プラズマガス排出オリフィスは、シールドガスを前記ボディから排出して前記プラズマ・アーク・トーチから放出するよう構成されており、前記第２の表面が前記第３の表面に隣接して配置されている、方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方法であって、前記第２の表面が前記遮蔽の第１の末端に対して配置され、はねかかる溶融金属に露出される前記遮蔽の前記第３の表面が前記遮蔽の第２の末端に対して配置された方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法であって、前記遮蔽が、前記遮蔽の前記第１の末端に対して配置されたフランジをさらに備え、前記第１の表面および第２の表面の少なくとも一部が前記フランジの上に配置された方法。
【請求項１３】
請求項１０に記載の方法であって、前記液体流によって前記第２の表面を接触冷却するステップが、前記遮蔽の外部表面の周りに一定の液体流を提供するステップを含む方法。
【請求項１４】
トーチに向かって溶融金属をはねかけつつ、金属ワークピースを穿孔し、かつ、切断するプラズマ・アーク・トーチに固着された交換可能な遮蔽上へのスラグの形成を抑制するための方法であって、前記遮蔽が溶融又は劣化した後、又は該遮蔽の表面にはねかかる溶融金属が蓄積した後に前記遮蔽が交換されるように構成されている方法であって、
前記遮蔽の基端部に配置された前記遮蔽の外側の表面を冷却媒体流によって接触冷却することにより、前記プラズマ・アーク・トーチに固着された前記遮蔽を冷却媒体流を使用して速やかに冷却するステップと、
前記冷却媒体流を前記プラズマ・アーク・トーチ中に保持するステップであり、前記プラズマ・アーク・トーチのリテーナキャップによって前記冷却媒体流を保持するステップと、
はねかかる溶融金属に露出される前記遮蔽の外側の表面へのスラグの形成を防止するために、前記遮蔽を繰り返し冷却するステップであって、はねかかる溶融金属に露出される前記遮蔽の外側の表面は、前記冷却媒体流によって接触冷却される外側の表面に隣接して前記遮蔽の先端部に配置され、且つ、冷却媒体流によって冷却される前記遮蔽の前記隣接する外側の表面に熱連絡しており、冷却媒体流により伝導冷却される前記ステップと、
はねかかる溶融金属に露出される前記遮蔽の外側の表面に対して反対側の内側の表面をガス流で冷却することにより、はねかかる溶融金属に露出される前記遮蔽の外側の表面を伝導冷却するステップであり、前記遮蔽の先端部にプラズマガス排出オリフィスが配置されており、プラズマガス排出オリフィスは、ガス流を前記ボディから排出して前記プラズマ・アーク・トーチから放出するステップと、を含む方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法であって、速やかに冷却するステップが、溶融金属が冷却され、それにより前記溶融金属と前記遮蔽の間の結合の強化が防止されるように前記遮蔽を冷却するステップを含む方法。
【請求項１６】
請求項１４に記載の方法であって、速やかに冷却するステップが、前記遮蔽の前記表面と接触している溶融金属から熱を抽出することによって、穿孔中、前記遮蔽が穿孔前と実質的に同じ温度を維持するように前記遮蔽を冷却するステップを含む方法。
【請求項１７】
請求項１４に記載の方法であって、はねかかる溶融金属に露出される前記遮蔽の前記表面が伝導冷却される方法。
【請求項１８】
請求項１４に記載の方法であって、前記遮蔽が周囲温度未満に冷却される方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法であって、前記遮蔽が約１５．６℃（華氏約６０度）未満に冷却される方法。
【請求項２０】
トーチに向かって溶融金属をはねかけつつ、金属ワークピースを穿孔し、かつ、切断するプラズマ・アーク・トーチのための交換可能な遮蔽であって、前記遮蔽が溶融又は劣化した後、又は該遮蔽の表面にはねかかる溶融金属が蓄積した後に交換されるように構成されている遮蔽であって、
流れる液体によって直接冷却されるように構成され、前記遮蔽の基端部に配置された外側の表面を含む第２の部分と、
流れる液体によって直接冷却される前記第２の部分に対して配置された第１の密閉機構および第２の密閉機構であって、前記プラズマ・アーク・トーチのリテーナキャップに対して、前記遮蔽の前記部分を直接冷却する前記流れる液体を保持するように構成された第１および第２の密閉機構と、
前記遮蔽の先端部に配置されたプラズマガス排出オリフィスであって、シールドガスを前記ボディから排出して前記プラズマ・アーク・トーチから放出するプラズマガス排出オリフィスと、
はねかかる溶融金属に露出されるように構成された外側の表面を含む第１の部分であって、前記第１の部分は前記先端部に対して配置されており、前記第２の部分に隣接して熱連絡して配置され、前記第２の部分が流れる液体により冷却されることで前記第１の部分が伝導冷却される前記第１の部分と、
前記第１の部分と熱連絡されている第３の部分であって、第３の部分が内側の表面を含み、該内側の表面がガス流により接触冷却されることで、前記第１の部分が伝導冷却される第３の部分と、を備える遮蔽。
【請求項２１】
請求項２０に記載の遮蔽であって、ガスによって直接冷却されるように構成された第３の部分をさらに備えた遮蔽。
【請求項２２】
請求項２０に記載の遮蔽であって、リップをさらに備え、前記液体によって直接冷却されるように構成された前記第２の部分が前記リップの上に配置された遮蔽。
【請求項２３】
請求項２１に記載の遮蔽であって、前記液体によって直接冷却されるように構成された前記第２の部分が前記遮蔽の外部表面に配置され、前記ガスによって直接冷却されるように構成された前記第３の部分が前記遮蔽の内部表面に配置された遮蔽。
【請求項２４】
請求項２０に記載の遮蔽であって、前記密閉機構が、ｏ−リング、エポキシシールまたは超硬合金コンタクトシールのうちの少なくとも１つである遮蔽。
【請求項２５】
プラズマ・アーク・トーチ・システムであって、
プラズマ・アーク・トーチと、
冷却媒体を提供するように構成された冷却デバイスと、
前記プラズマ・アーク・トーチに対して配置された交換可能な遮蔽であって、前記遮蔽の第１の部分がはねかかる溶融金属に露出される外側の表面を含み、前記遮蔽が溶融又は劣化した後、又は該遮蔽の表面にはねかかる溶融金属が蓄積した後に、交換されるように構成されており、
前記遮蔽の先端部に配置され、シールドガスを前記ボディから排出して前記プラズマ・アーク・トーチから放出するプラズマガス排出オリフィスであって、前記第１の部分が前記先端部に対して配置されている前記プラズマガス排出オリフィスと、
前記冷却デバイスから流れる前記冷却媒体によって直接冷却される外側の表面を有する第２の部分であって、前記遮蔽の基端部に配置されており、はねかかる溶融金属に露出される前記第１の部分に隣接して前記第１の部分と熱連絡しており、第２の部分が冷却媒体により接触冷却されることで前記第１の部分が伝導冷却されるように構成されている第２の部分と、
前記冷却デバイスから流れる前記冷却媒体を保持するように構成された密閉デバイスであって、前記プラズマ・アーク・トーチ内の前記遮蔽の前記第２の部分と接触している前記冷却媒体を、前記プラズマ・アーク・トーチのリテーナキャップに対して保持するように構成された密閉デバイスと、
前記第１の部分と熱連絡されている内側の表面を含む第３の部分であって、前記内側の表面がガス流により接触冷却されることで、前記第１の部分が伝導冷却される第３の部分と、
を備えた遮蔽と
を備えたプラズマ・アーク・トーチ・システム。
【請求項２６】
請求項２５に記載のシステムであって、前記冷却デバイスがチラーであるシステム。
【請求項２７】
請求項２５に記載のシステムであって、前記冷却媒体が前記第２の部分を繰り返し冷却するシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本発明は一般にプラズマ・アーク・トーチに関する。より具体的には、本発明は、プラズマ・アーク・トーチの消耗品を保護するための遮蔽に関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]近代のプラズマ・アーク・トーチの基本コンポーネントには、トーチボディ、ボディ内に取り付けられた電極（例えばカソード）、適切なガス（例えば窒素または酸素）の流れの中でプラズマ・アークを開始するために電極にパイロットアークを生成する中央オリフィスならびに関連する電気接続および冷却のための通路を備えたノズル（例えばアノード）、およびアーク制御流体が含まれている。
【０００３】
[0003]プラズマ・アーク・トーチを使用して金属を穿孔する場合、重要な設計考察事項は、ノズルを破壊することになる、切断切口からトーチ上への溶融金属の逆放出である。この破壊には２つの主要なモードが存在している。第１のモードは、切断切口から放出される溶融金属がプラズマジェットを妨害し、そのためにプラズマジェットによってノズルがえぐり取られることになることである。第２のモードは、溶融金属が固体化してノズルの前面に粘着し、最終的にはノズルとワークピースの間が電気的に架橋されることになることである。これは、ノズルの寿命を著しく短くすることになる「二重アーク」の原因になっている。
【０００４】
[0004]溶融金属の放出によってもたらされるこのえぐり取りおよび二重アークの問題を解決するためのいくつかの手法が存在している。大電流プラズマ切断トーチ（例えば２００アンペア以上）の場合、解決法は、水噴射冷却を備えた多片ノズルを使用することである。Ｈｙｐｅｒｔｈｅｒｍ社が製造している、Ｈｙｐｅｒｔｈｅｒｍ  Ｍｏｄｅｌ  ＨＴ４００およびＰＡＣ５００に対応しているタイプの典型的なこのようなノズルの場合、ノズルの前面はセラミックでできている。この構造は、（１）セラミックノズル面が非導電性であり、したがって二重アークの原因にならないため、また、（２）ノズルがセラミック障壁によって保護されているため、えぐり取りおよび二重アークを制御している。さらに、セラミックノズル片を冷却し、かつ、穿孔中に放出される溶融金属を水蒸気冷却することによって動作する水の優れた冷却特性は、溶融金属がセラミックエレメントに結合あるいは融合するのを抑制しており、極端な場合、セラミックを腐食させるのを抑制している。ＨｙｐｅｒｔｈｅｒｍがそのＭｏｄｅｌ  ＰＡＣ５００として販売しているノズルに類似した大電流多重コンポーネントノズルに対する変形形態は、放射状水噴射を組み込んだセラミックノズル片であるが、セラミックノズル片は銅フロント片に置換されている。ノズルの前面が電気的にフローティングになるよう、絶縁エレメントがノズルコンポーネントを分離している。銅は、セラミックよりも容易に冷却され、また、はるかに良好に酷使に耐えるため、より長い寿命を有している。
【０００５】
[0005]いくつかのケースでは、ノズルの保護を試行して、ノズルの外側にセラミック絶縁スリーブが取り付けられている。これは、いわゆる「遮蔽カップ」である。遮蔽カップの主な目的は、ノズル−ワークピースの接触を止めることである。オペレータは、二重アークを伴うことなくワークピース上のトーチに触れることができ、あるいはトーチを引きずり出すことができる。しかしながら、このセラミックスリーブは、穿孔中、溶融金属のはねかかりに対する保護を提供しておらず、えぐり取りおよび二重アークの問題を抱えている。また、もろく、かつ、容易に破壊し、また、（２）水冷の保護を有していないセラミック遮蔽（１）は、切断によって放出される溶融金属によって腐食する。
【０００６】
[0006]冷却液（例えば水）を備えたプラズマ・アーク・トーチの冷却消耗品（例えば遮蔽）は、安全上の利点を有することができる。冷却液がない場合、消耗品の温度が極端に高くなり、そのために使用中に安全上の問題が生じることになる。無損失冷却システムにより、ドライプラズマおよびドライ切断テーブルを使用することができる。ドライテーブルは、よごれた汚らしい状態が緩和され、また、危険な廃棄物と見なされることがある使用済み／汚染水を廃棄する必要が除去されるため、場合によっては望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
[0007]本発明は、低い温度で動作し、かつ、穿孔中、遮蔽の露出表面へのスラグの形成を抑制し、それにより遮蔽の有効寿命を長くし、かつ、プラズマ・アーク・トーチの切断品質を改善するガスおよび／または液体冷却遮蔽を使用して、これらの問題を解決することができる。例えば、遮蔽上へのスラグの形成／蓄積は、トーチの初期の高さの画定に影響を及ぼすことがあり、そのためにプラズマ・アーク・トーチの切断品質に影響が及ぶことがある。また、遮蔽上へのスラグの形成は、遮蔽の通風孔および／またはオリフィスを塞ぐことになり、そのために切断品質および遮蔽の寿命の両方がその影響を受けることになる（例えば遮蔽を冷却する能力が影響を受ける）。いくつかのケースでは、遮蔽上へのスラグの形成は、遮蔽を溶融させることがある。一例として、いくつかの実施形態では、プラズマ・アーク・トーチを使用して鋼を切断し、遮蔽が銅でできている場合、鋼の融点は銅の融点より高いため、スラグは遮蔽を溶融させることがある。また、スラグが形成されると、そのために遮蔽の酸化温度点まで熱が遮蔽に蓄積することがあり（例えば遮蔽が銅でできている場合、スラグからの熱の蓄積によって銅の温度が高くなり、そのために銅が酸化することになる）、そのために遮蔽が劣化することになる（例えばオリフィスの縁が劣化する）。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
[0008]一態様では、本発明は、トーチに向かって溶融金属をはねかけつつ、金属ワークピースを穿孔し、かつ、切断するプラズマ・アーク・トーチのための遮蔽であって、溶融金属のはねかかりからプラズマ・アーク・トーチの消耗品コンポーネントを保護する遮蔽を特徴としている。遮蔽は、ボディと、ガス流によって接触冷却されるように構成されたボディの第１の表面と、液体流によって接触冷却されるように構成されたボディの第２の表面とを含むことができる。また、遮蔽は、ボディに固着され、かつ、第２の表面を接触冷却する液体流を保持するように構成された第２の表面に対して配置されるように構成されたシールアセンブリを含むことも可能である。
【０００９】
[0009]他の態様では、本発明は、トーチに向かって溶融金属をはねかけつつ、金属ワークピースを穿孔し、かつ、切断するプラズマ・アーク・トーチに固着された遮蔽上へのスラグの形成を抑制するための方法を特徴としている。この方法には、ガス流によって遮蔽の第１の表面を接触冷却するステップと、液体流によって遮蔽の第２の表面を接触冷却するステップと、液体流を保持するためのシールアセンブリを提供するステップであって、シールアセンブリが、プラズマ・アーク・トーチのリテーナキャップに対して、第２の表面と接触している液体を保持するように構成されたステップとを含むことができる。また、この方法には、第１の表面および第２の表面と熱連絡している熱伝導材料によって少なくとも部分的に形成された熱伝導経路を提供することによって、はねかかる溶融金属に露出される遮蔽の第３の表面を伝導冷却するステップを含むことも可能である。
【００１０】
[0010]さらに他の態様では、本発明は、トーチに向かって溶融金属をはねかけつつ、金属ワークピースを穿孔し、かつ、切断するプラズマ・アーク・トーチに固着された遮蔽上へのスラグの形成を抑制するための方法を特徴としている。この方法には、プラズマ・アーク・トーチに固着された遮蔽を冷却媒体流を使用して速やかに冷却するステップと、冷却媒体流をプラズマ・アーク・トーチ中に保持するステップと、はねかかる溶融金属に露出される遮蔽の表面へのスラグの形成を防止するために、遮蔽を繰り返し冷却するステップ（例えば複数回、複数のサイクル、等々にわたって遮蔽を冷却するステップ）とを含むことができる。
【００１１】
[0011]一態様では、本発明は、トーチに向かって溶融金属をはねかけつつ、金属ワークピースを穿孔し、かつ、切断するプラズマ・アーク・トーチのための遮蔽を特徴としている。遮蔽は、流れる液体によって直接冷却されるように構成された部分を含むことができる。また、遮蔽は、流れる液体によって直接冷却される部分に対して配置された第１の密閉機構および第２の密閉機構を含むことも可能であり、第１および第２の密閉機構は、プラズマ・アーク・トーチのリテーナキャップに対して、遮蔽の一部を直接冷却する液体の流れを保持するように構成されている。
【００１２】
[0012]他の態様では、本発明は、プラズマ・アーク・トーチ・システムを特徴としている。プラズマ・アーク・トーチ・システムは、プラズマ・アーク・トーチと、冷却媒体を提供するように構成された冷却デバイスと、プラズマ・アーク・トーチに対して配置された遮蔽とを含むことができ、遮蔽の第１の部分は、はねかかる溶融金属に露出される。遮蔽は、冷却デバイスから流れる冷却媒体によって直接冷却される第２の部分を含むことができ、この第２の部分は、はねかかる溶融金属に露出される第１の部分と熱連絡している。また、遮蔽は、冷却デバイスから流れる冷却媒体を保持するように構成された密閉デバイスを含むことも可能であり、この密閉デバイスは、プラズマ・アーク・トーチ内の遮蔽の第２の部分と接触している冷却媒体を保持するように構成されている。
【００１３】
[0013]さらに他の態様では、本発明は、少なくとも部分的に第１の液体冷媒通路を画定している内部表面および外部表面を有する外部コンポーネントを含んだプラズマ・アーク・トーチのための保持キャップを特徴としている。保持キャップは、外部コンポーネント内の周辺に配置された内部コンポーネントを含むことができ、この内部コンポーネントは、少なくとも部分的に第２の液体冷媒通路を画定している外部表面および内部表面を有している。また、保持キャップは、少なくとも部分的に外部コンポーネントの内部表面および内部コンポーネントの外部表面によって画定されたガス流通路を含むことも可能である。外部コンポーネントの内部表面と内部コンポーネントの外部表面の間のガス流通路の末端にポートを配置することができる。
【００１４】
[0014]他の態様では、本発明は、遮蔽をプラズマ・アーク・トーチに保持するための遮蔽保持キャップを特徴としている。遮蔽保持キャップは、内部表面および外部表面を有する外部コンポーネントと、外部コンポーネント内の周辺に配置された、内部表面および外部表面を有する内部コンポーネントとを含むことができる。また、遮蔽保持キャップは液体冷媒通路を含むことも可能であり、液体冷媒通路の第１の部分は、少なくとも部分的に内部コンポーネントの内部表面の一部によって画定することができる。液体冷媒通路の第２の部分は、少なくとも部分的に内部コンポーネントの外部表面および外部コンポーネントの内部表面によって画定することができる。遮蔽保持キャップは、内部コンポーネントの外部表面と外部コンポーネントの内部表面の間にポートを含むことができる。このポートは、遮蔽保持キャップの外部コンポーネントまたは内部コンポーネントの少なくとも一方の末端に配置することができる。
【００１５】
[0015]他の態様では、本発明は、少なくとも部分的に第１の液体冷媒通路を画定している外部表面を有する殻を含んだプラズマ・アーク・トーチのための保持キャップを特徴としている。この殻の中の周辺には、少なくとも部分的に第２の液体冷媒通路を画定している内部表面を有するライナを配置することができる。また、保持キャップは、少なくとも部分的に殻およびライナによって画定され、かつ、殻とライナの間に配置されたガス流通路を含むことも可能である。
【００１６】
[0016]他の態様では、本発明は、殻と、殻の内部表面の周辺に配置されたライナと、液体冷媒通路とを含んだプラズマ・アーク・トーチのための遮蔽保持キャップを特徴としている。液体冷媒通路の第１の部分は、少なくとも部分的にライナの内部表面によって画定することができる。液体冷媒通路の第２の部分は、少なくとも部分的に殻の内部表面の一部によって画定することができる。また、液体冷媒通路の第２の部分は、少なくとも部分的にライナの外部表面の一部によって画定することも可能である。
【００１７】
[0017]他の態様では、本発明は、プラズマ・アーク・トーチを冷却するための方法を特徴としている。この方法には、液体冷媒を電極に導くステップと、少なくとも部分的に第１の保持キャップによって画定された第１の液体冷媒通路を介して液体冷媒をノズルに導くステップと、少なくとも部分的に第２の保持キャップによって画定された第２の液体冷媒通路を介して液体冷媒をノズルから遮蔽へ導くステップとを含むことができる。別法としては、冷媒が電極、ノズルおよび遮蔽に導かれるシーケンスを逆にし、あるいは並べ替えることも可能である。
【００１８】
[0018]さらに他の態様では、本発明は、プラズマ・アークが形成されるプラズマチャンバへプラズマガスを導くためのプラズマガス流経路と、電極と、プラズマチャンバを画定するために電極に対して配置されたノズルとを含んだトーチボディを含んだプラズマ・アーク・トーチ・システムを特徴としている。また、プラズマ・アーク・トーチ・システムは、上で説明した、ノズルに対して固着された保持キャップを含むことも可能である。また、プラズマ・アーク・トーチ・システムは、ノズルに対して配置された遮蔽と、上で説明した、遮蔽に対して固着された遮蔽保持キャップとを含むことができる。
【００１９】
[0019]他の態様では、本発明は、プラズマ・アーク・トーチの遮蔽を受け入れるように寸法化された実質的に円筒状のボディと、実質的に円筒状のボディによって画定された液体冷媒通路とを含んだプラズマ・アーク・トーチのための遮蔽保持キャップを特徴としている。液体冷媒通路は、戻り経路を含むことができ、また、冷媒を導いて遮蔽の周辺に延在している部分に衝突させる供給経路を含むことができる。
【００２０】
[0020]他の例では、任意の上記態様または本明細書において説明されている任意の装置あるいは方法は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を含むことができる。
[0021]遮蔽上のシールアセンブリは、保持キャップと機械的に連絡することができる。いくつかの実施形態では、遮蔽はプラズマ・アーク・トーチと連絡しており、遮蔽は、概ねプラズマ・アーク・トーチのノズルを取り囲んでいる。
【００２１】
[0022]いくつかの実施形態では、遮蔽は、ガス流によって接触冷却されるように構成されたボディの第１の表面を含むことができ、ガス流は、対流によって第１の表面を冷却する。遮蔽は、液体流によって接触冷却されるように構成されたボディの第２の表面を含むことができ、液体流は、対流によって第２の表面を冷却する。遮蔽は、ガス流または液体流のうちの少なくとも１つによって伝導冷却される領域を含むことができる。いくつかの実施形態では、伝導冷却される領域には、その領域の両端間にわたる温度勾配が含まれている。
【００２２】
[0023]いくつかの実施形態では、遮蔽は、溶融金属に露出される遮蔽の表面に対して近傍に配置されたフランジを含むことも可能であり、液体流によって接触冷却されるように構成されたボディの第２の表面の少なくとも一部は、そのフランジの上に配置されている。
【００２３】
[0024]また、遮蔽は、遮蔽のボディの先端部（遠位端）に配置されたオリフィスを含むことも可能である。いくつかの実施形態では、遮蔽には、遮蔽のボディの先端部に対して配置された、はねかかる溶融金属に露出される第３の表面が含まれている。液体流によって接触冷却されるように構成された第２の表面は、この第３の表面に対して近傍に配置することができる。いくつかの実施形態では、はねかかる溶融金属に露出される第３の表面は、液体流によって伝導冷却される。はねかかる溶融金属に露出される第３の表面は、ガス流によって伝導冷却され得る。
【００２４】
[0025]いくつかの実施形態では、遮蔽の第１の末端に対して配置された第２の表面は、液体流によって接触冷却することができる。遮蔽は、はねかかる溶融金属に露出される第３の表面を含むことができ、また、遮蔽の第２の末端に対して配置することができる。また、遮蔽は、遮蔽の第１の末端に対して配置されたフランジを含むことも可能であり、第１の表面（例えばガス流によって接触冷却される表面）および第２の表面の少なくとも一部は、そのフランジの上に配置されている。いくつかの実施形態では、液体流による遮蔽の第２の表面の接触冷却には、遮蔽の外部表面の周りに一定の液体流を提供するステップが含まれている。
【００２５】
[0026]遮蔽を速やかに冷却するステップには、溶融金属が冷却され、それにより溶融金属と遮蔽の間の結合の強化が防止されるように遮蔽を冷却するステップを含むことができる。いくつかの実施形態では、遮蔽を速やかに冷却するステップには、遮蔽の表面と接触している溶融金属から熱を抽出することによって、穿孔中、遮蔽が穿孔前と実質的に同じ温度を維持するように遮蔽を冷却するステップが含まれている。いくつかの実施形態では、遮蔽を速やかに冷却するステップには、はねかかる溶融金属に露出される遮蔽の表面と熱連絡している遮蔽の表面を接触冷却するステップが含まれている。
【００２６】
[0027]はねかかる溶融金属に露出される遮蔽の表面は、伝導冷却することができる。遮蔽は、周囲温度未満に冷却することができる。いくつかの実施形態では、遮蔽は、約１５．６℃（華氏約６０度）未満に冷却される。
【００２７】
[0028]また、遮蔽は、ガスによって直接冷却されるように構成された部分を含むことも可能である。遮蔽はリップを含むことができ、液体によって直接冷却されるように構成された遮蔽の一部は、そのリップの上に配置される。いくつかの実施形態では、液体によって直接冷却されるように構成された遮蔽の一部は、遮蔽の外部表面に配置される。ガス冷却部分は、遮蔽の内部表面に配置することができる。
【００２８】
[0029]遮蔽は、ｏ−リング、エポキシシールまたは超硬合金コンタクトシールのうちの少なくとも１つを含むことができる密閉機構を含むことができる。
[0030]いくつかの実施形態では、冷却デバイスは冷却媒体を提供しており、また、冷却デバイスはチラーである。冷却媒体は、遮蔽の一部を繰り返し冷却することができる。いくつかの実施形態では、遮蔽には、はねかかる溶融金属に露出される第１の部分、および冷却媒体（例えばガスまたは液体）によって繰り返し冷却される第２の部分が含まれており、第２の部分は、はねかかる溶融金属に露出される第１の部分と熱連絡している。
【００２９】
[0031]保持キャップは、第１の液体冷媒通路および第２の液体冷媒を画定することができる。第１の液体冷媒通路は、第２の液体冷媒通路と流体連絡することができる。第１の液体冷媒通路は、液体冷媒の戻り流であってもよい。第２の液体冷媒通路は、液体冷媒の供給流であってもよい。いくつかの実施形態では、保持キャップは、遮蔽ガスをワークピースに供給するガス流通路を含むことができる。
【００３０】
[0032]いくつかの実施形態では、保持キャップの内部コンポーネントの内部表面は、プラズマ・アーク・トーチのノズルに対して固着されている。保持キャップの内部コンポーネントの内部表面は、プラズマ・アーク・トーチ ボディに対して液体冷媒を密閉するシーリングアセンブリを含むことができる。内部コンポーネントの内部表面およびプラズマ・アーク・トーチ ボディは、少なくとも部分的に第２の液体冷媒通路を画定している。いくつかの実施形態では、保持キャップには外部コンポーネントが含まれており、外部コンポーネントの外部表面およびプラズマ・アーク・トーチの外部保持キャップは、少なくとも部分的に第１の液体冷媒通路を画定している。
【００３１】
[0033]遮蔽保持キャップは、内部コンポーネントおよび外部コンポーネントを有することができ、内部コンポーネントまたは外部コンポーネントのうちの少なくとも１つは遮蔽に対して固着されている。いくつかの実施形態では、遮蔽保持キャップには、遮蔽によって画定され、あるいは遮蔽によって形成された液体冷媒通路の末端に配置されたポートが含まれている。液体冷媒通路は、遮蔽の上に冷媒を導くことができる。いくつかの実施形態では、液体冷媒通路の第１の部分は冷媒供給流であり、液体冷媒通路の第２の部分は冷媒戻り流である。いくつかの実施形態では、遮蔽保持キャップおよび内部保持キャップの内部コンポーネントの内部表面は、少なくとも部分的に液体冷媒通路の第１の部分を画定している。
【００３２】
[0034]いくつかの実施形態では、遮蔽に衝突する冷媒の温度は、周辺に延在している遮蔽部分に沿った個々のポイントで無矛盾である（一貫している）。遮蔽保持キャップは、少なくとも部分的に、遮蔽の一部に冷媒を導く液体冷媒通路を画定することができる。いくつかの実施形態では、遮蔽保持キャップは、実質的に円筒状の外部コンポーネントおよび外部コンポーネント内に配置された実質的に円筒状の内部コンポーネントを含んだ実質的に円筒状のボディを有している。液体冷媒通路のための供給経路は、少なくとも部分的に、実質的に円筒状の内部コンポーネントの内部表面によって形成することができる。液体冷媒通路の戻り経路は、少なくとも部分的に、実質的に円筒状の内部コンポーネントの外部表面および実質的に円筒状の外部コンポーネントの内部表面によって形成することができる。
【００３３】
[0035]本発明の他の態様および利点は、すべて、単に一例によって本発明の原理を示したものにすぎない以下の図面および説明から明らかになるであろう。
[0036]上で説明した本発明の利点は、他の利点と共に、添付の図面に関連して行う以下の説明を参照することによってより深く理解されよう。これらの図面は、必ずしもスケール通りではなく、一般に、本発明の原理を説明するために強調されている。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】一実例実施形態による遮蔽を示す図である。
【図２】一実例実施形態による遮蔽の断面図である。
【図３】一実例実施形態による遮蔽およびプラズマ・アーク・トーチの部分断面図である。
【図４】一代替実例実施形態による遮蔽およびプラズマ・アーク・トーチの他の横断面図である。
【図５】一実例実施形態による、液体によって冷却される遮蔽を示す図である。
【図６】一実例実施形態による遮蔽を利用した穿孔プロトコル試験におけるスラグ蓄積を示すグラフである。
【図７】一実例実施形態による遮蔽を利用した穿孔プロトコル試験における、急冷遮蔽上のスラグ対冷却遮蔽上のスラグを示すグラフである。
【図８】一実例実施形態によるプラズマ・アーク・トーチのための消耗品のスタックアップを示す部分断面図である。
【図９】一実例実施形態によるプラズマ・アーク・トーチのための消耗品の切欠図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
[0046]図１は、一実例実施形態による遮蔽５の図面である。遮蔽５は、トーチに向かって溶融金属をはねかけながら、金属ワークピースを穿孔し、かつ、切断するプラズマ・アーク・トーチに対して配置することができる。遮蔽５は、プラズマ・アーク・トーチの消耗品コンポーネントを溶融金属のはねかかりから保護することができる。遮蔽にはボディが含まれている。この実施形態では、遮蔽のボディには、ガス流（図示せず）によって接触冷却されるように構成された第１の表面が含まれている。接触冷却には、冷媒（例えば冷却媒体、冷却液、冷却ガス、等々）を接触させることによって遮蔽の一部（例えば表面）を冷却するステップを含むことができる。いくつかの実施形態では、ガス流によって冷却される表面は、遮蔽に対して配置された内部表面（例えば孔、出口ポート）である。また、遮蔽のボディには、液体流によって接触冷却されるように構成された第２の表面１０が含まれている。いくつかの実施形態では、遮蔽のボディには２つの片が含まれている。いくつかの実施形態では、遮蔽５の冷却には、遮蔽５の外部表面の周りに一定の液体流を提供するステップが含まれている。この実施形態では、遮蔽５には、さらに、ボディ（例えば、遮蔽５に対して配置された通路内の遮蔽５の上に配置されたｏ−リング、遮蔽に対して配置された通路がない遮蔽５の上に配置されたｏ−リング、リテーナキャップに対して液体流を密閉するボディのフィーチャまたはそれらの任意の組合せ）に固着されるように構成されたシールアセンブリ１５Ａおよび１５Ｂ（例えばｏ−リング、エポキシシール、高トレランス表面の超硬合金コンタクトまたはそれらの任意の組合せ）が含まれており、シールアセンブリ１５Ａおよび１５Ｂは、第２の表面１０に対して配置されている（例えば第２の表面１０に隣接して配置されている）。シールアセンブリ１５Ａまたは１５Ｂは、第２の表面１０を接触冷却する液体流を保持するように構成することができる。
【００３６】
[0047]いくつかの実施形態では、遮蔽５は、はねかかる溶融金属に露出される遮蔽の表面２０が、液体流が第２の表面１０を接触冷却し、あるいはガス流が第１の表面（図示せず）を接触冷却する少なくとも１つの結果として伝導冷却されるよう、無矛盾熱媒体（一貫した熱媒体）を提供する材料（例えば金属）からなっている。いくつかの実施形態では、遮蔽の一部（例えば表面、領域）を伝導冷却するステップには、温度勾配を有している遮蔽の一部分内で、その部分の両端間にわたって冷却を行うステップが含まれている。また、遮蔽５は、遮蔽ガスを流出させ、遮蔽５を保護するための出口ポート２５を含むことも可能である。また、遮蔽５には、プラズマ・アークおよびガスの流れを通過させる出口オリフィス３０が含まれている。
【００３７】
[0048]遮蔽５を冷たい状態に維持することにより、穿孔厚さ能力を改善することができ、また、溶融スラグと遮蔽５の間の良好な結合の形成を防止することができる。いくつかの実施形態では、遮蔽５を冷却するステップには、遮蔽５を急冷するステップが含まれている。いくつかの実施形態では、液体流は、液体流が第２の表面１０を接触冷却することによって遮蔽５を急冷し、かつ、遮蔽５の残りの部分を伝導急冷する十分に低い温度を有している（例えば約１５．６℃（華氏約６０度）未満または４．４℃（華氏４０度）未満）。遮蔽５に蓄積するスラグが減少するため、遮蔽５の寿命が長くなる。遮蔽５に蓄積するスラグを少なくすることにより、溶融金属がプラズマジェットを妨害してノズルをえぐり取る機会、および／またはノズルとワークピースの間に二重アークが生じる機会が減少する。遮蔽温度が低いため、厚さ能力が改善される。アークが金属を融解するために必要な穿孔時間が比較的長く、また、結果として生じる溶融スラグがトーチ（例えば主として遮蔽５）に向かって逆に吹き出すため、分厚い金属の穿孔は制限されている。例えば、ＨＴ４４００  ４００Ａプロセスは、３．１７５ｃｍ（１−１／４”）の軟鋼（ＭＳ）の穿孔に制限されている。いくつかの実施形態では、より分厚い鋼の穿孔を試行する場合、遮蔽ガスによってしか遮蔽５が冷却されないため、遮蔽５は最終的には溶解することになる。２．５４ｃｍ（１”）以上の鋼を穿孔する場合、しばしばスラグが遮蔽５上に蓄積し始め、これが除去されない場合、スラグの蓄積の継続に伴って遮蔽性能が低下し始める。最終的には切断品質が許容不可能になるか、あるいは熱い鋼の大きい質量のため、さらには遮蔽５が融解することになる。いくつかの試験によれば、２５個の穿孔の間に大量のスラグが遮蔽５に蓄積したことが分かっている。スラグが蓄積すると、遮蔽５が融解し、そのためにトーチによるそれ以上の穿孔が不可能になる可能性がある。いくつかの実施形態では、穿孔プロトコルの要求によれば、プロセスは、オペレータによる介入（例えば穿孔と穿孔の間における遮蔽５からのスラグの除去）を必要とすることなく、所与の厚さの板を３００回穿孔することができなければならない。
【００３８】
[0049]図２は、一実例実施形態による遮蔽５の断面図である。この実施形態では、遮蔽５は、ノズル（図示せず）に対して配置されている。いくつかの実施形態では、遮蔽５には、孔フィーチャ３２（例えば出口ポート）が含まれており、この孔フィーチャを通り、かつ、遮蔽の出口ポート２５を通ってガスが流れる。いくつかの実施形態では、遮蔽５には、第１の表面３５、第２の表面１０および第３の表面２０が含まれている。第３の表面２０は、液体流またはガス流のうちの少なくとも１つによって伝導冷却することができる。いくつかの実施形態では、第２の表面１０は、液体を使用して接触冷却され（例えば冷却媒体を接触させることによって表面が冷却され）、それにより伝導冷却が生成され、延いては第３の表面２０に低温が達成され、トーチが動作している間、この第３の表面２０を溶融金属に露出させることができる。いくつかの実施形態では、第３の表面２０は、ガス流を使用して第１の表面３５を接触冷却し、および／または液体流を使用して第２の表面１０を接触冷却する結果として伝導冷却される。
【００３９】
[0050]いくつかの実施形態では、第２の表面１０は、遮蔽５の第１の末端３６（例えば基端部（近位端））に対して配置されている。いくつかの実施形態では、遮蔽５には、遮蔽のボディの第２の末端（例えば先端部）に配置されたオリフィスを含んだボディが含まれている。遮蔽５は、はねかかる溶融金属に露出され、液体流またはガス流によって接触冷却されない第３の表面２０を含むことができる。第３の表面２０は、第１の表面３５を接触冷却するガス流または第２の表面１０を接触冷却する液体流によって伝導冷却することができる。いくつかの実施形態では、第３の表面２０は遮蔽の外部表面に配置されており、第２の表面１０は、第３の表面２０に対して近傍に配置されている。いくつかの実施形態では、溶融金属に露出される第３の表面２０は、遮蔽のボディの第２の末端３７（例えば先端部）に対して配置されている。いくつかの実施形態では、液体流によって接触冷却される第２の表面１０は、溶融金属に露出される第３の表面２０に対して近傍に配置されている。また、遮蔽５は、遮蔽５の第１の末端３６に対して配置されたフランジ４０を含むことも可能であり、第１の表面３５および／または第２の表面１０の少なくとも一部は、フランジ４０の上に配置されている。いくつかの実施形態では、第３の表面２０は、フランジ４０に対して遠位（先端側）に配置することができる。フランジ４０は、第３の表面２０（例えば溶融金属に露出される遮蔽の表面）に対して近傍に配置することができる。いくつかの実施形態では、ガス流によって接触冷却される第１の表面３５の少なくとも一部は、フランジ４０または遮蔽５の内部表面に配置されている。いくつかの実施形態では、液体流によって接触冷却される第２の表面１０の少なくとも一部は、フランジ４０または遮蔽５の外部表面に配置されている。
【００４０】
[0051]この実施形態では、ガス流によって接触冷却される第１の表面３５は、はねかかる溶融金属に露出されない遮蔽の内部表面に配置されている。いくつかの実施形態では、ガス流が第１の表面３５を対流冷却している。この実施形態では、液体流によって接触冷却される第２の表面１０は、遮蔽の外部表面に配置されている。いくつかの実施形態では、遮蔽５を冷却するステップには、遮蔽５の外部表面の周りに一定の液体流を提供するステップが含まれている。いくつかの実施形態では、液体流が第２の表面１０を対流冷却している。いくつかの実施形態では、遮蔽５にはフランジ４０（例えばリップ）が含まれており、第１の表面３５の少なくとも一部および第２の表面１０の少なくとも一部は、フランジ４０に対して配置されている。
【００４１】
[0052]遮蔽５は、ガス流または液体流のうちの少なくとも１つによって伝導冷却される領域４５を含むことができる（例えば温度勾配を有する領域の両端間が冷却される）。領域４５は、冷媒（例えば液体または気体などの冷却媒体）と接触していない遮蔽の任意の部分であってもよい。いくつかの実施形態では、この領域は、はねかかる溶融金属に露出される遮蔽の表面であり、さらには冷媒と接触している表面の下方の遮蔽の一部である。いくつかの実施形態では、液体流は、液体流が第２の表面１０を接触冷却することによって遮蔽５を急冷し、かつ、遮蔽５の残りの部分を伝導急冷する十分に低い温度を有している（例えば約１５．６℃（華氏約６０度）未満または４．４℃（華氏４０度）未満）。遮蔽５は、少なくとも第１の表面３５または第２の表面１０と伝導冷却領域４５の間に熱伝導経路を提供するように構成されている。いくつかの実施形態では、遮蔽５は、金属または熱伝導媒体でできた単一構造である。いくつかの実施形態では、遮蔽５は、無矛盾熱伝導経路（一貫した熱電経路）を形成している無矛盾熱媒体からなる複数の構造からなっている。いくつかの実施形態では、遮蔽５は、類似した熱特性を有する複数の構造からなっている。
【００４２】
[0053]遮蔽５は、トーチに向かって溶融金属をはねかけつつ、金属ワークピースを穿孔し、かつ、切断するプラズマ・アーク・トーチ（図示せず）のための遮蔽であってもよい。遮蔽５は、流れる液体によって直接冷却されるように構成された部分（例えば第２の表面１０）を含むことができ、また、液体によって冷却される部分に対して配置された第１の密閉機構１５Ａおよび第２の密閉機構１５Ｂを含むことができる。液体によって直接冷却されるように構成された部分（例えば第２の表面１０）は、遮蔽５の外部表面に配置することができ、また、ガスによって直接冷却されるように構成された部分は、遮蔽５の内部表面に配置することができる。第１および第２の密閉機構１５Ａおよび１５Ｂは、プラズマ・アーク・トーチのリテーナキャップ（図示せず）に対して、遮蔽の液体冷却部分（例えば第２の表面１０）を直接冷却する液体の流れを保持するように構成することができる。密閉機構１５Ａまたは１５Ｂは、ｏ−リング、エポキシシールまたは超硬合金コンタクトシールのうちの少なくとも１つであってもよい。また、遮蔽は、ガスによって直接冷却されるように構成された部分（例えば第１の表面３５）を含むことも可能である。また、遮蔽は、リップ（例えばフランジ４０）を含むことも可能であり、液体によって直接冷却されるように構成された部分（例えば第２の表面１０）は、リップ（例えばフランジ４０）の上に配置されている。
【００４３】
[0054]いくつかの実施形態では、トーチに向かって溶融金属をはねかけつつ、金属ワークピースを穿孔し、かつ、切断するプラズマ・アーク・トーチ（図示せず）に固着された遮蔽５上へのスラグの形成を抑制するための方法には、ガス流によって遮蔽５の第１の表面３５を接触冷却するステップを含むことができる。また、この方法には、液体流によって遮蔽５の第２の表面１０を接触冷却するステップ、および液体流を保持するためのシールアセンブリ１５Ａおよび１５Ｂを提供するステップであって、シールアセンブリ１５Ａおよび１５Ｂが、プラズマ・アーク・トーチのリテーナキャップ（図示せず）に対して、第２の表面１０と接触している液体を保持するように構成されたステップを含むことも可能である。また、この方法には、第１の表面３５および第２の表面１０と熱連絡している熱伝導材料によって少なくとも部分的に形成された熱伝導経路を提供することによって、はねかかる溶融金属に露出される遮蔽５の第３の表面２０を伝導冷却するステップを含むことも可能である。液体流によって第２の表面１０を接触冷却するステップには、遮蔽５の外部表面の周りに一定の液体流を提供するステップを含むことができる。
【００４４】
[0055]図３は、一実例実施形態による、プラズマ・アーク・トーチ５５に対して配置された遮蔽５０の部分断面図である。遮蔽５０は、プラズマ・アーク・トーチ５５と連絡することができる。いくつかの実施形態では、遮蔽５０には、プラズマ・アーク・トーチ５５のリテーナキャップ６５と機械的に連絡しているシールアセンブリ６０Ａおよび６０Ｂが含まれている。いくつかの実施形態では、遮蔽５０のシールアセンブリ６０Ａおよび６０Ｂは複数のｏ−リングである。これらのｏ−リングは、遮蔽の第２の表面７０を接触冷却する（例えば冷媒を表面に接触させることによってこの表面を冷却する）液体流を保持するように構成することができる。いくつかの実施形態では、遮蔽５０を冷却するステップには、遮蔽５０の外部表面の周りに一定の液体流を提供するステップが含まれている。いくつかの実施形態では、液体流は、液体流が第２の表面７０を接触冷却することによって遮蔽５０を急冷し、かつ、遮蔽５０の残りの部分を伝導急冷する（例えば温度勾配を有する遮蔽５０の残りの部分の両端間が急冷される）十分に低い温度を有している（例えば約１５．６℃（華氏約６０度）未満または４．４℃（華氏４０度）未満）。この実施形態では、遮蔽５０は、遮蔽５０が保持キャップ６５と機械的に連絡し、それにより、液体源（図示せず）からプラズマ・アーク・トーチ５５を介して液体を流し、遮蔽５０の第２の表面７０へ流してその表面を接触冷却した後、再びプラズマ・アーク・トーチ５５を介して戻すことができる経路７５を形成するようにプラズマ・アーク・トーチ５５に固着されている。
【００４５】
[0056]トーチ５５に向かって溶融金属をはねかけつつ、金属ワークピースを穿孔し、かつ、切断するプラズマ・アーク・トーチ５５に固着された遮蔽５０上へのスラグの形成を抑制するための方法には、プラズマ・アーク・トーチ５０に固着された遮蔽５０を冷却媒体流を使用して速やかに冷却するステップを含むことができる。この方法には、冷却媒体流をプラズマ・アーク・トーチ５５中に保持するステップ、およびはねかかる溶融金属に露出される遮蔽の表面へのスラグの形成を防止するために、遮蔽５０を繰り返し冷却するステップ（例えば複数回、複数のサイクル、等々にわたって遮蔽を冷却するステップ）を含むことができる。速やかに冷却するステップには、溶融金属が冷却され、それにより溶融金属と遮蔽５０の間の結合の強化が防止されるように遮蔽５０を冷却するステップを含むことができる。また、遮蔽５０を速やかに冷却するステップには、遮蔽５０の表面と接触している溶融金属から熱を抽出することによって、穿孔中、遮蔽５０が穿孔前と実質的に同じ温度を維持するように遮蔽５０を冷却するステップを含むことも可能である。遮蔽５０を速やかに冷却するステップには、はねかかる溶融金属に露出される遮蔽５０の表面と熱連絡している遮蔽５０の表面を接触冷却するステップを含むことができる。はねかかる溶融金属に露出される遮蔽５０の表面は伝導冷却することができる。いくつかの実施形態では、遮蔽５０は、周囲温度未満に冷却される。遮蔽は、約１５．６℃（華氏約６０度）未満に冷却することができる。
【００４６】
[0057]図４は、一実例実施形態による遮蔽５０およびプラズマ・アーク・トーチの他の横断面図である。プラズマ・アーク・トーチ５５には、トーチボディ８０、ボディ内に取り付けられた電極８５（例えばカソード）、プラズマ・アークを開始するために電極８５にパイロットアークを生成する中央オリフィス９５を備えたノズル９０（例えばアノード）が含まれている。また、図には、プラズマガス１００Ａのための関連する電気接続ならびに通路、冷却液１００Ｂのための通路、および遮蔽ガス１００Ｃのための通路が示されている。この実施形態では、遮蔽５０は、プラズマ・アーク・トーチ５５に対して配置されている。遮蔽５０は、概ねノズル９０を取り囲んでいる。いくつかの実施形態では、遮蔽５０にはフランジ１０５が含まれている。また、遮蔽５０には、遮蔽５０をプラズマ・アーク・トーチ５５に固着するための固着デバイス１１０が含まれている。固着デバイス１１０は、トーチボディ８０またはリテーナキャップ６５にねじ留めすることができるねじ部分であってもよい。この実施形態では、経路７５は、液体源（図示せず）からプラズマ・アーク・トーチ５５を介して液体を流し、電極８５を冷却し、ノズル９０の外部表面を冷却し、遮蔽５０の第２の表面７０へ流してその表面を接触冷却した後、再びプラズマ・アーク・トーチ５５を介して戻すことができる。いくつかの実施形態では、プラズマ・アーク・トーチ５５のコンポーネント（例えば電極８５、ノズル９０、遮蔽５０）は、異なる／代替シーケンスで冷却することができる。いくつかの実施形態では、遮蔽５０を冷却するステップには、遮蔽５０の外部表面の周りに一定の液体流を提供するステップが含まれている。
【００４７】
[0058]いくつかの実施形態では、ガス流によって接触冷却される（例えば冷媒を表面に接触させることによって冷却される）第１の表面１１５は、遮蔽５０の内部表面に配置されている。遮蔽５０は、ガスを流出させ、ガス流による第１の表面１１５の接触冷却を可能にするだけでなく、遮蔽から射出する際に、はねかかる溶融金属から遮蔽５０を保護する遮蔽ガスとして作用させることができる通路を含むことができる。いくつかの実施形態では、遮蔽５０にはフランジ１０５が含まれており、第１の表面１１５の少なくとも一部は、フランジ１０５の内部表面に配置されている。
【００４８】
[0059]いくつかの実施形態では、遮蔽５０にはフランジ１０５が含まれており、液体流によって接触冷却される第２の表面７０の少なくとも一部は、フランジ１０５の外部表面に配置されている。いくつかの実施形態では、遮蔽５０の外部表面の周りに一定の液体流を提供することによって液体流が遮蔽５０の第２の表面７０を接触冷却している。いくつかの実施形態では、フランジ１０５の外部表面の周りに一定の液体流が提供される。
【００４９】
[0060]いくつかの実施形態では、液体流は、液体流が第２の表面７０を接触冷却することによって遮蔽５０を急冷し、かつ、遮蔽５０の残りの部分を伝導急冷する（例えば温度勾配を有する遮蔽５０の残りの部分の両端間が急冷される）十分に低い温度を有している（例えば約１５．６℃（華氏約６０度）未満または４．４℃（華氏４０度）未満）。図４から分かるように、遮蔽は、遮蔽の外部表面に配置された第３の表面１２５を含むことができ、この第３の表面１２５は、プラズマ・アーク・トーチが金属ワークピースを穿孔し、かつ、切断すると、はねかかる溶融金属に露出される。遮蔽５０は無矛盾熱媒体からなっており、ガス流または液体流のうちの少なくとも１つによって第３の表面１２５を伝導冷却することができる。
【００５０】
[0061]いくつかの実施形態では、プラズマ・アーク・トーチ・システムは、プラズマ・アーク・トーチ５５、冷却媒体を提供するように構成された冷却デバイス（図示せず）、およびプラズマ・アーク・トーチ５５に対して配置された遮蔽５０であって、遮蔽の第１の部分（例えば第３の表面１２５）がはねかかる溶融金属に露出される遮蔽５０を含むことができる。遮蔽５０は、冷却デバイスから流れる冷却媒体によって直接冷却される第２の部分（例えば第１の表面１１５、第２の表面７０またはそれらの任意の組合せ）を含むことができ、この第２の部分（例えば第１の表面１１５、第２の表面７０またはそれらの任意の組合せ）は、はねかかる溶融金属に露出される第１の部分と熱連絡している。また、密閉デバイス（例えばシールアセンブリ６０Ａまたは６０Ｂ）は、冷却デバイスから流れる冷却媒体を保持するように構成することも可能であり、この密閉デバイスは、プラズマ・アーク・トーチ内の遮蔽の第２の部分と接触している冷却媒体を保持するように構成されている。冷却デバイスはチラーであってもよい。いくつかの実施形態では、冷却媒体は、第２の部分を繰り返し冷却する（例えば複数回、複数のサイクル、等々にわたって遮蔽を冷却する）。
【００５１】
[0062]図５は、一実例実施形態による、液体によって冷却される遮蔽１３０を示す図面である。この実施形態では、液体は、サプライ１３５から、供給通路１４０を通り、環状冷却プレナム１４５を通って流れ、遮蔽上の外部表面１５５の一部を液体流接触冷却する（例えば冷媒または冷却媒体を接触させることによって一部または表面を冷却する）。いくつかの実施形態では、遮蔽１３０はフランジ１５０を備えており、液体流がフランジ１５０上の遮蔽の外部表面１５５の一部を接触冷却する。この実施形態では、液体は、遮蔽の外部表面１５５の一部を接触冷却した後、遮蔽１３０から戻り通路１６０を通って流れる。この実施形態は、遮蔽１３０の外部表面の周りの一定の液体流を可能にすることができる。
【００５２】
[0063]いくつかの実施形態では、液体流によって接触冷却される遮蔽の外部表面１５５は、遮蔽１３０の第１の末端１６１に対して配置されている。いくつかの実施形態では、遮蔽には、遮蔽１３０の第２の末端１６２（例えば先端部）に対して配置された、はねかかる溶融金属１６５に露出される表面が含まれている。いくつかの実施形態では、液体流によって接触冷却される外部表面１５５は、はねかかる溶融金属１６５に露出される表面に対して近傍に配置されている。
【００５３】
[0064]液体流を保持することにより、液体流による遮蔽１３０の無損失接触冷却を可能にすることができる。遮蔽１３０は、無矛盾熱媒体を提供する材料（例えば金属）からなっている。遮蔽の外部表面の一部を伝導によって接触冷却し（例えば温度勾配を有する遮蔽の外部表面の一部が、その両端間にわたって冷却される）、かつ、繰り返し接触冷却する（例えば複数回、複数のサイクル、等々にわたって遮蔽が冷却される）一定の液体流を提供することにより、はねかかる溶融金属１６５に露出される表面が冷却される。一定の液体流を提供することにより、遮蔽１３０の速やかな反復冷却が可能になり（例えば伝導冷却によって）、はねかかる溶融金属１６５に露出される遮蔽の表面へのスラグの形成が防止される。いくつかの実施形態では、液体流は、液体流が遮蔽の外部表面１５５の一部を接触冷却することによって遮蔽１３０を急冷し、かつ、遮蔽１３０の残りの部分を伝導急冷する十分に低い温度を有している（例えば約１５．６℃（華氏約６０度）未満または４．４℃（華氏４０度）未満）。
【００５４】
[0065]遮蔽を速やかに冷却することにより、溶融金属と遮蔽の間の結合が防止され、および／または溶融金属と遮蔽の間の結合の強化が防止される。例えば、遮蔽を速やかに冷却するステップには、ｉ）遮蔽への溶融金属の結合を防止し、あるいはｉｉ）溶融金属が固体化する前に溶融金属が遮蔽と強力に接触するのを防止するために、溶融噴霧を繰り返し冷却する（例えば複数回、複数のサイクル、等々にわたって遮蔽を冷却する）ために遮蔽を十分に速い速度で冷却するステップを含むことができる。遮蔽を速やかに冷却するステップには、遮蔽の表面の少なくとも一部を接触冷却するステップ、あるいは遮蔽の領域を伝導冷却するステップを含むことができる。遮蔽を速やかに冷却するステップには、遮蔽と接触している溶融金属から熱を抽出することによって、溶融金属が飛散している間、遮蔽が実質的に同じ温度を維持するように遮蔽を冷却するステップを含むことができる。遮蔽の速やかな冷却は、図１〜５に示されている実施形態によって達成することができる。
【００５５】
[0066]図６は、一実例実施形態による遮蔽を利用した穿孔プロトコル試験におけるスラグ蓄積を示すグラフ１７０である。穿孔プロトコル試験は、遮蔽／外部キャップアセンブリを使用して、スラグ蓄積レベルのインジケータとして２５個の穿孔毎に重量を測定することによって実施された。試験は、３．８１ｃｍ（１−１／２”）軟鋼（ＭＳ）を使用して実施された。グラフのｘ軸１７５は穿孔数を表しており、また、グラフのｙ軸１８０は、蓄積したスラグ質量を表している。５７．２℃（華氏１３５度）、２９．４℃（華氏８５度）および３．３℃（華氏３８度）の３つの異なるレベルの体積冷媒温度が使用された。冷却流体は水であり、水の使用可能温度の下限として３．３℃（華氏３８度）が選択された。添加剤、さらには他の液体（例えばグリコール）を使用することによって性能を改善することができる。プロトコル試験の結果によれば、遮蔽は、遮蔽を冷却することにより、続けて３００個の穿孔を許容する。グラフ１７０は、遮蔽が冷却されない場合、５０個の穿孔を達成する前に遮蔽が融解することを示している。３．３℃（華氏３８度）の水温によって、遮蔽に蓄積するスラグの量が減少した。
【００５６】
[0067]図７は、図６からのデータを示す一代替グラフ１８５であり、一実例実施形態による遮蔽を利用した穿孔プロトコル試験における、急冷遮蔽上のスラグ対冷却遮蔽上のスラグを示している。図７では、ｘ軸１９０は、穿孔プロトコル試験に使用される、５７．２℃（華氏１３５度）、２９．４℃（華氏８５度）および３．３℃（華氏３８度）の３つの異なるレベルの体積冷媒温度を表している。ｙ軸１９５は、一実例実施形態による遮蔽を利用した３００個の穿孔で測定されたスラグの合計を表している。グラフ１８５は、冷却遮蔽の温度が低いほど、３００個の穿孔で測定されるスラグの合計が小さいことを示している。例えば、５７．２℃（華氏１３５度）で冷却された遮蔽は、穿孔プロトコル試験における３００個の穿孔で遮蔽に蓄積したスラグの合計は１９８グラムである。２９．４℃（華氏８５度）で冷却された遮蔽は、穿孔プロトコル試験における３００個の穿孔で遮蔽に蓄積したスラグの合計は１７５グラムである。それに対して、３．３℃（華氏３８度）で冷却された遮蔽は、穿孔プロトコル試験における３００個の穿孔で遮蔽に蓄積したスラグの合計は３１グラムである。
【００５７】
[0068]図８は、一実例実施形態によるプラズマ・アーク・トーチ２００のための消耗品のスタックアップの部分断面図である。プラズマ・アーク・トーチ２００は、電極（例えば図４の電極８５）遮蔽２０５、ノズル２１０、ノズル２１０に対して固着することができる保持キャップ２１５、および遮蔽２０５に対して固着することができる遮蔽保持キャップ２２０を含むことができる。プラズマ・アーク・トーチは、液体冷媒通路２２５Ａ、２２５Ｂおよび２３０を含むことができる。また、プラズマ・アーク・トーチは、ガス流通路２３５を有することも可能である。
【００５８】
[0069]プラズマ・アーク・トーチ２００は、プラズマ・アークが形成されるプラズマチャンバにプラズマガスを導くためのプラズマガス流経路を含んだトーチボディ（例えば図４のトーチボディ８０）を含むことができる。プラズマチャンバは、少なくとも部分的に、電極、およびプラズマチャンバを画定するために電極に対して配置されたノズル２１０によって画定することができる。内部保持キャップ（例えば保持キャップ２１５）は、ノズル２１０に対して固着することができる。いくつかの実施形態では、遮蔽２０５はノズル２１０に対して配置されており、外部保持キャップ（例えば遮蔽保持キャップ２２０）は遮蔽２０５に対して固着されている。
【００５９】
[0070]保持キャップ２１５（例えばノズル保持キャップ）は、外部コンポーネント２４０および内部コンポーネント２４５を含むことができる。外部コンポーネント２４０は、内部表面２５０および外部表面２５５を有することができる。外部コンポーネントの外部表面２５５は、少なくとも部分的に液体冷媒通路２２５Ａを画定することができる。また、保持キャップ２１５は、外部コンポーネント２４０内の周辺に配置された内部コンポーネント２４５を含むことも可能である。内部コンポーネント２４５は、外部表面２６０および内部表面２６５を有することができる。内部コンポーネント２４５の内部表面２６５は、プラズマ・アーク・トーチ２００のノズル２１０に対して固着することができる。
【００６０】
[0071]プラズマ・アーク・トーチ２００のガス流通路２３５は、少なくとも部分的に、外部コンポーネント２４０の内部表面２５０および保持キャップ２１５の内部コンポーネント２４５の外部表面２６０によって画定することができる。ポート２７０（例えば出口ポート）は、ガス流通路２３５の末端に配置することができる。ポート２７０は、外部コンポーネント２４０の内部表面２５０と保持キャップ２１５の内部コンポーネント２４５の外部表面２６０の間に配置することができる。
【００６１】
[0072]内部コンポーネント２４５の内部表面２６５は、少なくとも部分的に他の液体冷媒通路２３０を画定することができる。いくつかの実施形態では、内部コンポーネント２４５の内部表面２６５は、プラズマ・アーク・トーチ・ボディに対して液体冷媒を密閉するシーリングアセンブリ２７５を含むことができる。内部コンポーネント２４５の内部表面２６５およびプラズマ・アーク・トーチ・ボディは、少なくとも部分的に液体冷媒通路２３０を画定することができる。プラズマ・アーク・トーチ２００の外部コンポーネント２４０の外部表面２５５および遮蔽保持キャップ２２０（例えば外部保持キャップ）は、少なくとも部分的に液体冷媒通路２２５Ａを画定することができる。いくつかの実施形態では、液体冷媒通路２２５Ａは、液体冷媒通路２３０と流体連絡することができる（例えば流体コンジット、通路、管、等々を介して接続されている）。液体冷媒通路２２５Ａは、液体冷媒の供給流であってもよい。いくつかの実施形態では、液体冷媒通路２２５Ｂは、液体冷媒の戻り流であってもよい。ガス流通路２３５は、ワークピースに遮蔽ガスを供給することができる。
【００６２】
[0073]いくつかの実施形態では、保持キャップ２１５には、少なくとも部分的に液体冷媒通路２２５Ａを画定している外部表面（例えば外部表面２５５）を有する殻（例えば外部コンポーネント２４０）が含まれている。保持キャップ２１５は、殻の中の周辺に配置されたライナ（例えば内部コンポーネント２４５）を含むことができる。ライナは、少なくとも部分的に液体冷媒通路２３０を画定している内部表面（例えば内部コンポーネントの内部表面２６５）を含むことができる。保持キャップ２１５は、少なくとも部分的に殻およびライナによって画定され、かつ、殻とライナの間に配置されたガス流通路２３５を含むことができる。
【００６３】
[0074]遮蔽保持キャップ２２０は、外部コンポーネント２８０および内部コンポーネント２８５を含むことができる。遮蔽保持キャップ２２０の外部コンポーネント２８０は、内部表面２９０および外部表面２９５を含むことができる。内部コンポーネント２８５は、外部コンポーネント２８０内の周辺に配置することができる。内部コンポーネント２８５は、内部表面３００および外部表面３０５を有することができる。内部コンポーネント２８５または外部コンポーネント２８０のうちの少なくとも１つは、遮蔽２０５に対して固着することができる。
【００６４】
[0075]液体冷媒通路２２５Ａは、少なくとも部分的に、遮蔽保持キャップ２２０の内部コンポーネント２８５の内部表面３００の一部によって画定することができる。いくつかの実施形態では、内部コンポーネント２８５の内部表面３００および保持キャップ２１５（例えば内部／ノズル保持キャップ）は、少なくとも部分的に液体冷媒通路２２５Ａを画定している。液体冷媒通路２２５Ｂは、少なくとも部分的に、遮蔽保持キャップ２２０の内部コンポーネント２８５の外部表面３０５および外部コンポーネント２８０の内部表面２９０によって画定することができる。いくつかの実施形態では、液体冷媒通路２２５Ａおよび２２５Ｂは、それぞれ、液体冷媒通路の第１の部分および同じ通路の第２の部分を構築している。いくつかの実施形態では、液体冷媒通路２２５Ａおよび２２５Ｂは、冷媒を遮蔽２０５の上に導いている。液体冷媒通路２２５Ａは、冷媒供給流のための経路として機能することができ、また、液体冷媒通路２２５Ｂは、冷媒戻り流を導くための経路として機能することができる。また、遮蔽保持キャップ２２０は、液体冷媒通路２２５Ａおよび／または２２５Ｂの末端にポート３１０を含むことも可能である。ポート３１０は、遮蔽保持キャップ２２０の内部コンポーネント２８５の外部表面３０５と外部コンポーネント２８０の内部表面２９０の間に配置することができる。ポート３１０は、遮蔽保持キャップ２２０の外部コンポーネント２８０または内部コンポーネント２８５のうちの少なくとも１つの末端に配置することができる。
【００６５】
[0076]いくつかの実施形態では、遮蔽保持キャップ２２０は、殻（例えば遮蔽保持キャップ２２０の外部コンポーネント２８０）およびライナ（例えば遮蔽保持キャップ２２０の内部コンポーネント２８５）を含むことができる。遮蔽保持キャップ２２０のライナは、殻の内部表面（例えば遮蔽保持キャップ２２０の内部コンポーネント２８５の内部表面３００）内の周辺に配置することができる。液体冷媒通路２２５Ａは、少なくとも部分的にライナの内部表面によって画定することができる。液体冷媒通路２２５Ｂは、少なくとも部分的に、殻の内部表面の一部およびライナの外部表面（例えば遮蔽保持キャップ２２０の内部コンポーネント２８５の外部表面３０５）の一部によって画定することができる。
【００６６】
[0077]プラズマ・アーク・トーチを冷却するための方法は、電極（例えば図４の電極８５）に液体冷媒を導くステップ、少なくとも部分的に第１の保持キャップ（例えば保持キャップ２１５）によって画定された第１の液体冷媒通路（例えば液体冷媒通路２３０）を介してノズル２１０に液体冷媒を導くステップ、および少なくとも部分的に第２の保持キャップ（例えば遮蔽保持キャップ２２０）によって画定された第２の液体冷媒通路（例えば液体冷媒通路２２５Ａおよび／または２２５Ｂ）を介して、ノズル２１０から遮蔽２０５に液体冷媒を導くステップを含むことができる。別法としては、いくつかの実施形態では、電極、ノズルおよび遮蔽に冷媒を導くシーケンスを逆にし、あるいは並べ替えることも可能である。
【００６７】
[0078]図９は、一実例実施形態によるプラズマ・アーク・トーチ３１５の消耗品の切欠図である。プラズマ・アーク・トーチは、冷媒通路２２５Ａ、２２５Ｂおよびガス流通路２３５を画定することができる保持キャップ２１５および遮蔽保持キャップ２２０を含むことができる。
【００６８】
[0079]保持キャップ２１５は、外部コンポーネント２４０および内部コンポーネント２４５を含むことができる。保持キャップ２１５の内部コンポーネント２４５は、内部表面２６５および外部表面２６０を含むことができる。保持キャップ２１５の外部コンポーネント２４０は、内部表面２５０および外部表面２５５を含むことができる。内部コンポーネント２４５の内部表面２６５は、液体冷媒通路（例えば上記図８の液体冷媒通路２３０）の一部を画定することができる。ガス流通路２３５は、保持キャップ２１５の外部コンポーネント２４０と内部コンポーネント２４５の間に配置することができ、あるいはこれらによって画定することができる。
【００６９】
[0080]また、遮蔽保持キャップ２２０は、外部コンポーネント２８０および内部コンポーネント２８５を含むことも可能である。遮蔽保持キャップ２２０の外部コンポーネント２８０は、外部表面２９５および内部表面２９０を含むことができる。遮蔽保持キャップ２２０の内部コンポーネント２８５は、外部表面３０５および内部表面３００を含むことができる。液体冷媒通路２２５Ａおよび２２５Ｂからなる液体冷媒通路は、遮蔽保持キャップ２２０の外部コンポーネント２８０および内部コンポーネント２８５によって形成することができる。液体冷媒通路２２５Ａは、少なくとも部分的に、遮蔽保持キャップ２２０の内部コンポーネント２８５およびノズル保持キャップ（例えば保持キャップ２１５）の外部コンポーネント２４０によって形成することができる。液体冷媒通路２２５Ｂは、遮蔽保持キャップ２２０の外部コンポーネント２８０と内部コンポーネント２８５の間に配置することができ、また、これらによって画定することができる。
【００７０】
[0081]遮蔽保持キャップ２２０は、プラズマ・アーク・トーチの遮蔽２０５を受け入れるように寸法化された実質的に円筒状のボディ（例えば外部コンポーネント２８０および内部コンポーネント２８５からなるボディ）を含むことができる。遮蔽保持キャップ２２０は、実質的に円筒状のボディによって画定された液体冷媒通路（例えば液体冷媒通路２２５Ａおよび２２５Ｂを備えている）を含むことができる。いくつかの実施形態では、液体冷媒通路２２５Ａを介して液体冷媒が供給され、遮蔽２０５の一部（例えば遮蔽のフランジ）に衝突し、液体冷媒通路２２５Ｂを介して戻る。液体冷媒通路は、戻り経路（例えば液体冷媒通路２２５Ｂ）を含むことができ、また、遮蔽の周辺を延在している部分３２０に衝突するように冷媒を導く供給経路（例えば液体冷媒通路２２５Ａ）を含むことができる。遮蔽２０５に衝突する冷媒の温度は、遮蔽の周辺を延在している部分３２０に沿った個々のポイントで無矛盾にすることができる。
【００７１】
[0082]いくつかの実施形態では、実質的に円筒状のボディには、実質的に円筒状の外部コンポーネント（例えば外部コンポーネント２８０）、および外部コンポーネント内に配置された実質的に円筒状の内部コンポーネント（例えば内部コンポーネント２８５）が含まれている。液体冷媒通路（例えば液体冷媒通路２２５Ａ）の供給経路は、少なくとも部分的に、実質的に円筒状の内部コンポーネントの内部表面（例えば内部表面３００）によって形成することができる。いくつかの実施形態では、液体冷媒通路の戻り経路（例えば液体冷媒通路２２５Ｂ）は、少なくとも部分的に、実質的に円筒状の内部コンポーネントの外部表面（例えば内部コンポーネントの外部表面３０５）および実質的に円筒状の外部コンポーネントの内部表面（例えば外部コンポーネントの内部表面２９０）によって形成されている。
【００７２】
[0083]以上、本発明について、特定の実例実施形態を参照して具体的に示し、かつ、説明したが、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、形態および細部に様々な変更を加えることができることを理解されたい。
第１発明は、トーチに向かって溶融金属をはねかけつつ、金属ワークピースを穿孔し、かつ、切断するプラズマ・アーク・トーチのための遮蔽であって、溶融金属のはねかかりから前記プラズマ・アーク・トーチの消耗品コンポーネントを保護し、ボディと、ガス流によって接触冷却されるように構成された前記ボディの第１の表面と、液体流によって接触冷却されるように構成された前記ボディの第２の表面と、前記ボディに固着され、かつ、前記第２の表面に対して配置されるように構成されたシールアセンブリであって、前記第２の表面を接触冷却する前記液体流を保持するように構成されたシールアセンブリとを備えた遮蔽に関する。第２発明は、第１発明において、前記ガス流が前記第１の表面を対流冷却する遮蔽に関する。第３発明は、第１発明において、前記液体流が前記第２の表面を対流冷却する遮蔽に関する。第４発明は、第１発明において、前記シールアセンブリが保持キャップと機械的に連絡している遮蔽に関する。第５発明は、第１発明において、前記ガス流または前記液体流のうちの少なくとも１つによって伝導冷却される領域をさらに備えた遮蔽に関する。第６発明は、第５発明において、伝導冷却される前記領域が、前記領域の両端間にわたる温度勾配を備えた遮蔽に関する。第７発明は、第１発明において、前記遮蔽が、溶融金属に露出される前記遮蔽の表面に対して近傍に配置されたフランジをさらに備え、前記第２の表面の少なくとも一部が前記フランジの上に配置された遮蔽に関する。第８発明は、第１発明において、前記ボディの先端部に配置されたオリフィスと、前記ボディの先端部に対して配置された、はねかかる溶融金属に露出される第３の表面とをさらに備え、前記第２の表面が前記第３の表面に対して近傍に配置された遮蔽に関する。第９発明は、第８発明において、前記第３の表面が前記液体流によって伝導冷却される遮蔽に関する。第１０発明は、第９発明において、前記第３の表面が前記ガス流によって伝導冷却される遮蔽に関する。第１１発明は、第１発明において、前記遮蔽が前記プラズマ・アーク・トーチと連絡し、前記遮蔽が概ね前記プラズマ・アーク・トーチのノズルを取り囲んでいる遮蔽に関する。
第１２発明は、トーチに向かって溶融金属をはねかけつつ、金属ワークピースを穿孔し、かつ、切断するプラズマ・アーク・トーチに固着された遮蔽上へのスラグの形成を抑制するための方法であって、ガス流によって前記遮蔽の第１の表面を接触冷却するステップと、液体流によって前記遮蔽の第２の表面を接触冷却するステップと、前記液体流を保持するためのシールアセンブリを提供するステップであって、前記シールアセンブリが、前記プラズマ・アーク・トーチのリテーナキャップに対して、前記第２の表面と接触している液体を保持するように構成されたステップと、前記第１の表面および前記第２の表面と熱連絡している熱伝導材料によって少なくとも部分的に形成された熱伝導経路を提供することによって、はねかかる溶融金属に露出される前記遮蔽の第３の表面を伝導冷却するステップとを含む方法に関する。第１３発明は、第１２発明において、前記第２の表面が前記遮蔽の第１の末端に対して配置され、はねかかる溶融金属に露出される前記遮蔽の前記第３の表面が前記遮蔽の第２の末端に対して配置された方法に関する。第１４発明は、第１３発明において、前記遮蔽が、前記遮蔽の前記第１の末端に対して配置されたフランジをさらに備え、前記第１の表面および第２の表面の少なくとも一部が前記フランジの上に配置された方法に関する。第１５発明は、第１２発明において、前記液体流によって前記第２の表面を接触冷却するステップが、前記遮蔽の外部表面の周りに一定の液体流を提供するステップを含む方法に関する。
第１６発明は、トーチに向かって溶融金属をはねかけつつ、金属ワークピースを穿孔し、かつ、切断するプラズマ・アーク・トーチに固着された遮蔽上へのスラグの形成を抑制するための方法であって、前記プラズマ・アーク・トーチに固着された前記遮蔽を冷却媒体流を使用して速やかに冷却するステップと、前記冷却媒体流を前記プラズマ・アーク・トーチ中に保持するステップと、はねかかる溶融金属に露出される前記遮蔽の表面へのスラグの形成を防止するために、前記遮蔽を繰り返し冷却するステップとを含む方法。第１７発明は、第１６発明において、速やかに冷却するステップが、溶融金属が冷却され、それにより前記溶融金属と前記遮蔽の間の結合の強化が防止されるように前記遮蔽を冷却するステップを含む方法に関する。第１８発明は、第１６発明において、速やかに冷却するステップが、前記遮蔽の前記表面と接触している溶融金属から熱を抽出することによって、穿孔中、前記遮蔽が穿孔前と実質的に同じ温度を維持するように前記遮蔽を冷却するステップを含む方法に関する。第１９発明は、第１６発明において、速やかに冷却するステップが、はねかかる溶融金属に露出される前記遮蔽の前記表面と熱連絡している前記遮蔽の表面を接触冷却するステップを含む方法に関する。第２０発明は、第１６発明において、はねかかる溶融金属に露出される前記遮蔽の前記表面が伝導冷却される方法に関する。第２１発明は、第１６発明において、前記遮蔽が周囲温度未満に冷却される方法に関する。第２２発明は、第２１発明において、前記遮蔽が約１５．６℃（華氏約６０度）未満に冷却される方法に関する。
第２３発明は、トーチに向かって溶融金属をはねかけつつ、金属ワークピースを穿孔し、かつ、切断するプラズマ・アーク・トーチのための遮蔽であって、流れる液体によって直接冷却されるように構成された部分と、流れる液体によって直接冷却される前記部分に対して配置された第１の密閉機構および第２の密閉機構であって、前記プラズマ・アーク・トーチのリテーナキャップに対して、前記遮蔽の前記部分を直接冷却する前記流れる液体を保持するように構成された第１および第２の密閉機構と、を備えた遮蔽に関する。第２４発明は、第２３発明において、ガスによって直接冷却されるように構成された部分をさらに備えた遮蔽に関する。第２５発明は、第２３発明において、リップをさらに備え、前記液体によって直接冷却されるように構成された前記部分が前記リップの上に配置された遮蔽に関する。第２６発明は、第２４発明において、前記液体によって直接冷却されるように構成された前記部分が前記遮蔽の外部表面に配置され、前記ガスによって直接冷却されるように構成された前記部分が前記遮蔽の内部表面に配置された遮蔽に関する。第２７発明は、第２３発明において、前記密閉機構が、ｏ−リング、エポキシシールまたは超硬合金コンタクトシールのうちの少なくとも１つである遮蔽に関する。
第２８発明は、プラズマ・アーク・トーチ・システムであって、プラズマ・アーク・トーチと、冷却媒体を提供するように構成された冷却デバイスと、前記プラズマ・アーク・トーチに対して配置された遮蔽であって、前記遮蔽の第１の部分がはねかかる溶融金属に露出され、前記冷却デバイスから流れる前記冷却媒体によって直接冷却される第２の部分であって、はねかかる溶融金属に露出される前記第１の部分と熱連絡している第２の部分と、前記冷却デバイスから流れる前記冷却媒体を保持するように構成された密閉デバイスであって、前記プラズマ・アーク・トーチ内の前記遮蔽の前記第２の部分と接触している前記冷却媒体を保持するように構成された密閉デバイスとを備えた遮蔽と、を備えたプラズマ・アーク・トーチ・システムに関する。第２９発明は、第２８発明において、前記冷却デバイスがチラーであるシステムに関する。第３０発明は、第２８発明において、前記冷却媒体が前記第２の部分を繰り返し冷却するシステムに関する。
第３１発明は、プラズマ・アーク・トーチのための保持キャップであって、少なくとも部分的に第１の液体冷媒通路を画定している内部表面および外部表面を有する外部コンポーネントと、前記外部コンポーネント内に周状に配置された内部コンポーネントであって、少なくとも部分的に第２の液体冷媒通路を画定している外部表面および内部表面を有する内部コンポーネントと、少なくとも部分的に前記外部コンポーネントの前記内部表面および前記内部コンポーネントの前記外部表面によって画定されたガス流通路と、前記外部コンポーネントの前記内部表面と前記内部コンポーネントの前記外部表面の間の前記ガス流通路の末端に配置されたポートと、を備えた保持キャップに関する。第３２発明は、第３１発明において、前記第１の液体冷媒通路が前記第２の液体冷媒通路と流体連絡している保持キャップに関する。第３３発明は、第３１発明において、前記第１の液体冷媒通路が液体冷媒の戻り流である保持キャップに関する。第３４発明は、第３１発明において、前記第２の液体冷媒通路が液体冷媒の供給流である保持キャップに関する。第３５発明は、第３１発明において、前記ガス流通路がワークピースに遮蔽ガスを供給する保持キャップに関する。第３６発明は、第３１発明において、前記内部コンポーネントの前記内部表面が、プラズマ・アーク・トーチ・ボディに対して液体冷媒を密閉するシーリングアセンブリを備えた保持キャップに関する。第３７発明は、第３１発明において、前記内部コンポーネントの前記内部表面が、前記プラズマ・アーク・トーチのノズルに対して固着された保持キャップに関する。第３８発明は、第３１発明において、前記内部コンポーネントの前記内部表面およびプラズマ・アーク・トーチ・ボディが、少なくとも部分的に前記第２の液体冷媒通路を画定している保持キャップに関する。第３９発明は、第３１発明において、前記外部コンポーネントの前記外部表面および前記プラズマ・アーク・トーチの外部保持キャップが、少なくとも部分的に前記第１の液体冷媒通路を画定している保持キャップに関する。
第４０発明は、遮蔽をプラズマ・アーク・トーチに保持するための遮蔽保持キャップであって、内部表面および外部表面を有する外部コンポーネントと、前記外部コンポーネント内に周状に配置された、内部表面および外部表面を有する内部コンポーネントと、液体冷媒通路であって、少なくとも部分的に前記内部コンポーネントの前記内部表面の一部によって画定された前記液体冷媒通路の第１の部分と、少なくとも部分的に前記内部コンポーネントの前記外部表面および前記外部コンポーネントの前記内部表面によって画定された前記液体冷媒通路の第２の部分と、前記内部コンポーネントの前記外部表面と前記外部コンポーネントの前記内部表面の間のポートであって、前記外部コンポーネントまたは前記内部コンポーネントの少なくとも一方の末端に配置されたポートとを備えた液体冷媒通路と、を備えた遮蔽保持キャップに関する。第４１発明は、第４０発明において、前記ポートが前記液体冷媒通路の末端に配置された遮蔽保持キャップに関する。第４２発明は、第４０発明において、前記液体冷媒通路が冷媒を遮蔽の上に導く遮蔽保持キャップに関する。第４３発明は、第４０発明において、前記液体冷媒通路の前記第１の部分が冷媒供給流である遮蔽保持キャップに関する。第４４発明は、第４０発明において、前記液体冷媒通路の前記第２の部分が冷媒戻り流である遮蔽保持キャップに関する。第４５発明は、第４０発明において、前記内部コンポーネントまたは前記外部コンポーネントのうちの少なくとも１つが遮蔽に対して固着された遮蔽保持キャップに関する。第４６発明は、第４０発明において、前記内部コンポーネントの前記内部表面および内部保持キャップが、少なくとも部分的に前記液体冷媒通路の前記第１の部分を画定している遮蔽保持キャップに関する。
第４７発明は、プラズマ・アーク・トーチのための保持キャップであって、少なくとも部分的に第１の液体冷媒通路を画定している外部表面を有する殻と、前記殻の中の周辺に配置された、少なくとも部分的に第２の液体冷媒通路を画定している内部表面を有するライナと、少なくとも部分的に前記殻および前記ライナによって画定され、かつ、前記殻と前記ライナの間に配置されたガス流通路と、を備えた保持キャップに関する。第４８発明は、プラズマ・アーク・トーチのための遮蔽保持キャップであって、殻と、前記殻の内部表面内に周状に配置されたライナと、液体冷媒通路であって、少なくとも部分的に前記ライナの内部表面によって画定された前記液体冷媒通路の第１の部分と、少なくとも部分的に前記殻の前記内部表面の一部によって画定され、かつ、少なくとも部分的に前記ライナの外部表面の一部によって画定された前記液体冷媒通路の第２の部分とを備えた液体冷媒通路と、を備えた遮蔽保持キャップに関する。第４９発明は、プラズマ・アーク・トーチを冷却するための方法であって、液体冷媒を電極に導くステップと、少なくとも部分的に第１の保持キャップによって画定された第１の液体冷媒通路を介して前記液体冷媒をノズルに導くステップと、少なくとも部分的に第２の保持キャップによって画定された第２の液体冷媒通路を介して前記液体冷媒を前記ノズルから遮蔽へ導くステップと、を含む方法に関する。第５０発明は、プラズマ・アーク・トーチ・システムであって、プラズマ・アークが形成されるプラズマチャンバへプラズマガスを導くためのプラズマガス流経路を含んだトーチボディと、電極と、前記プラズマチャンバを画定するために前記電極に対して配置されたノズルと、前記ノズルに対して固着された、第３１発明の保持キャップと、を備えたプラズマ・アーク・トーチ・システムに関する。第５１発明は、第５０発明において、前記ノズルに対して配置された遮蔽と、前記遮蔽に対して固着された、第４０発明の遮蔽保持キャップとをさらに備えたプラズマ・アーク・トーチ・システムに関する。第５２発明は、プラズマ・アーク・トーチのための遮蔽保持キャップであって、前記プラズマ・アーク・トーチの遮蔽を受け入れるように寸法化された実質的に円筒状のボディと、前記実質的に円筒状のボディによって画定された液体冷媒通路であって、戻り経路と、冷媒を導いて前記遮蔽の周辺に延在している部分に衝突させる供給経路とを備えた液体冷媒通路と、を備えた遮蔽保持キャップに関する。第５３発明は、第５２発明において、前記遮蔽に衝突する前記冷媒の温度が、前記遮蔽の周辺に延在している部分に沿った個々のポイントで一貫している遮蔽保持キャップに関する。第５４発明は、第５２発明において、前記実質的に円筒状のボディが、実質的に円筒状の外部コンポーネントおよび前記外部コンポーネント内に配置された実質的に円筒状の内部コンポーネントを備え、前記液体冷媒通路の前記供給経路が、少なくとも部分的に前記実質的に円筒状の内部コンポーネントの内部表面によって形成され、前記液体冷媒通路の前記戻り経路が、少なくとも部分的に、前記実質的に円筒状の内部コンポーネントの外部表面および前記実質的に円筒状の外部コンポーネントの内部表面によって形成された遮蔽保持キャップに関する。
【図１】
0005819066.tif 000002
【図２】
0005819066.tif 000003
【図３】
0005819066.tif 000004
【図４】
0005819066.tif 000005
【図５】
0005819066.tif 000006
【図６】
0005819066.tif 000007
【図７】
0005819066.tif 000008
【図８】
0005819066.tif 000009
【図９】
0005819066.tif 000010