(57)【要約】プラズマアークトーチ用の冷却液管が提供される。冷却液管は、電極に係合するように構成された先端部分と、プラズマアークトーチの本体に係合するように構成された基端部分とを含む長尺状冷却液管本体を含む。冷却液管はまた、長尺状冷却液管本体の先端部分に結合された第１の導電性要素を含む。第１の導電性要素は、電極に物理的に接触するように構成される。冷却液管は、長尺状冷却液管本体の基端部分に結合された第２の導電性要素をさらに含む。第２の導電性要素は、プラズマアークトーチの本体に物理的に接触するように構成される。長尺状冷却液管本体は、プラズマアークトーチの本体と電極との間に電流経路および流体経路を画定する。
2018537818.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマアークトーチ用の冷却液管であって、
電極に係合するように構成された先端部分と、前記プラズマアークトーチの本体に係合するように構成された基端部分とを含む長尺状冷却液管本体；
前記長尺状冷却液管本体の前記先端部分に結合された第１の導電性要素であって、電極に物理的に接触するように構成された第１の導電性要素；および
前記長尺状冷却液管本体の前記基端部分に結合された第２の導電性要素であって、前記プラズマアークトーチの前記本体に物理的に接触するように構成された第２の導電性要素を含み、
前記第１または第２の導電性要素の少なくとも一方がＬｏｕｖｅｒｔａｃ（商標）型バンドであり、
前記長尺状冷却液管本体は、前記プラズマアークトーチの前記本体と前記電極との間に電流経路および流体経路を画定しており、前記少なくとも１つのＬｏｕｖｅｒｔａｃ（商標）型バンドを含む前記第１および第２の導電性要素のそれぞれは、前記プラズマアークトーチの前記本体からの電流の実質的に全てを前記電極に流すように構成されている、
冷却液管。
【請求項２】
前記長尺状冷却液管本体の前記先端部分において前記冷却液管の外面の周りに周方向に配置された複数の液体流チャネルをさらに含む、請求項１に記載の冷却液管。
【請求項３】
前記第１の導電性要素が、前記冷却液管の前記外面上の前記複数の液体流チャネルを実質的に覆う、請求項２に記載の冷却液管。
【請求項４】
前記第２の導電性要素が、前記プラズマアークトーチの前記本体に係合するように構成されたねじ山付きセクションである、請求項１に記載の冷却液管。
【請求項５】
前記第１の導電性要素が、前記電極の内面で前記電極に物理的に接触するように適合されている、請求項１に記載の冷却液管。
【請求項６】
前記第２の導電性要素が、前記プラズマアークトーチの前記本体の内面で前記プラズマアークトーチの前記本体に物理的に接触するように適合されている、請求項１に記載の冷却液管。
【請求項７】
前記長尺状冷却液管本体によって画定される前記電流経路が、少なくとも約３０アンペア（Ａ）の電流を通すように構成されている、請求項１に記載の冷却液管。
【請求項８】
前記長尺状冷却液管本体の前記基端部分が、前記冷却液管の外面の周りに周方向に配置されたシール面を含む、請求項１に記載の冷却液管。
【請求項９】
前記冷却液管の前記先端部分の外面に１つまたは複数の位置決め特徴部をさらに含み、前記１つまたは複数の位置決め特徴部は、前記電極に対して前記冷却液管を半径方向の中心に置くように構成されている、請求項１に記載の冷却液管。
【請求項１０】
冷却液管の基端部に嵌合式に係合されるトーチ本体を含むプラズマアークトーチ内の電極に通電させる方法であって、前記冷却液管の先端部は、前記電極の内面によって画定されるキャビティに嵌合式に係合され、前記方法が、
前記キャビティ内において前記電極の前記内面の少なくとも一部にアーク伝導面を形成するステップと、
前記電極の前記アーク伝導面によって、通電性のトレランスバンド（ｔｏｌｅｒａｎｃｅ  ｂａｎｄ）を含む前記冷却液管の導電性コンポーネントを物理的に接触させるステップと、
前記トーチ本体からの電流の実質的に全てを前記冷却液管および前記アーク伝導面を介して前記電極によって受け取ることで、前記電極に内側で通電させるステップと、
前記電極と前記トーチ本体との間の直接的な電気接触を防止するステップと
を含む方法。
【請求項１１】
前記アーク伝導面が前記キャビティの側壁の少なくとも一部を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記電極にはねじ山がない、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記冷却液管に対して前記電極を半径方向の中心に置くステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記電極の長さ対幅の比が約４である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
電極に通電させる方法であって、
冷却液管の基端部をプラズマアークトーチ本体と嵌合式に係合させるステップと、
前記冷却液管の先端部を前記電極の内面によって画定されたキャビティと嵌合式に係合させるステップと、
前記キャビティ内の前記電極の前記内面の少なくとも一部と、Ｌｏｕｖｅｒｔａｃ（商標）型バンドを含む前記冷却液管の導電性コンポーネントとの間に物理的界面を形成するステップと、
前記プラズマアークトーチ本体からの電流の実質的に全てを、前記冷却液管および前記物理的界面を介して前記電極に流して前記電極に内側で通電させるステップと、
前記トーチ本体と前記電極との間の直接的な電気接触を防止するステップと、
液体冷却液流を前記トーチ本体から前記冷却液管の内部領域を介して前記電極の前記キャビティに導くステップと
を含む方法。
【請求項１６】
冷却液管の基端部をプラズマアークトーチ本体に嵌合式に係合させるステップが、前記冷却液管の前記基端部のＬｏｕｖｅｒｔａｃ（商標）型バンドを、前記トーチ本体によって画定されたキャビティに締まり嵌めで嵌合させるステップを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記冷却液管の基端部をプラズマアークトーチ本体に嵌合式に係合させるステップが、前記冷却液管の前記基端部を前記トーチ本体にねじ留めするステップを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記冷却液管の先端部を前記電極のキャビティと嵌合式に係合させるステップが、前記導電性コンポーネントを前記電極の前記キャビティに締まり嵌めで嵌合させるステップを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記冷却液管の先端部を前記電極のキャビティと嵌合式に係合させるステップが、実質的に回転係合なしに前記電極の前記キャビティを前記冷却液管の前記先端部に対して軸方向に固定するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記冷却液流を前記キャビティの先端底部に衝突させるステップと、
前記冷却液流を前記冷却液管の外面上で前記トーチ本体に向けて反転させるステップと、
前記先端部で前記冷却液管の前記外面に配置された複数の長手方向チャネルを通して前記冷却液流を流すことにより前記冷却液流の圧力を減少させるステップと
をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
前記電極に対して前記冷却液管を半径方向の中心に置くステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２２】
液体冷却式プラズマアークトーチ用の電極アセンブリであって、
冷却液管の先端部分を受け入れるように構成されたキャビティを画定する長尺状本体と、
前記電極の内面に形成され、前記キャビティの少なくとも一部を画定するアーク伝導面であって、前記キャビティ内で前記冷却液管の通電性のトレランスバンド（ｔｏｌｅｒａｎｃｅ  ｂａｎｄ）に電気的に接触するように構成されたアーク伝導面と、
前記トーチ本体と前記電極との間の直接的な電気接触を防止するように構成された、前記電極の外面上に配置された絶縁体と、
前記長尺状本体の先端部に配置された放射インサートと
を含む電極アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、トーチの冷却液管を使用して液体冷却式プラズマアークトーチ内で電極に内側で通電させるためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマアークトーチなどの熱加工用トーチは、材料の高温処理（例えば、加熱、切断、ガウジングおよびマーキング）に広く使用されている。プラズマアークトーチは一般に、トーチヘッドと、トーチヘッド内に取り付けられた電極と、電極のボア内に配置された放射インサートと、トーチヘッド内に取り付けられた中央出口オリフィスを有するノズルと、シールドと、電気接続部と、冷却用通路と、アーク制御流体（例えば、プラズマガス）用の通路と、電源とを含む。スワールリング（ｓｗｉｒｌ  ｒｉｎｇ）を使用して、電極とノズルとの間に形成されたプラズマチャンバ内の流体流れパターンを制御することができる。いくつかのトーチでは、ノズルおよび／またはスワールリングをプラズマアークトーチ内に保持するために保持キャップが使用される。動作中、トーチは、高温と溶融金属の除去を助けるのに十分な運動量とを有するイオン化ガスの狭窄されたジェットであるプラズマアークを生成する。トーチ内で使用されるガスは、非反応性（例えば、アルゴンまたは窒素）、または反応性（例えば、酸素または空気）であり得る。
【０００３】
既存のプラズマアークトーチは、適切なトーチ操作を可能にするために、各トーチに特定の順序／向きで個々に組み立てられる必要がある複数の別個の消耗部品の使用を必要とする。図７はそのような従来のプラズマアークトーチの例示的な構成を示す。場合によっては、トーチの２つ以上の消耗部品を組み合わせてカートリッジにすることによって、部品数を削減し、部品のメンテナンスを改善し、トーチの操作を容易にすることができる。しかしながら、トーチ部品をさらに簡素化し、トーチに対する消耗部品の取り付けおよび取り外しを向上させるためには、改善がなお必要である。例えば、複数の消耗部品の単一のカートリッジを考慮すると、カートリッジの複数の部品、つまりは複数の係合表面が、係合を達成するためにトーチ本体に対して正確に方向付けられかつ位置合わせされる必要があるため、カートリッジをトーチ本体に取り付けることは困難である。さらに、トーチ内の構成要素が容易にアクセス可能で保守可能であるようにするための改善が必要である。
【発明の概要】
【０００４】
本発明は、トーチ本体から液体冷却液管を介してトーチのカートリッジ内の電極の内面に電流をルーティングすることができる液体冷却式プラズマアークトーチを提供する。本発明の通電性および液体搬送性の冷却液管は、電極の内面を通電し、トーチ本体に対するカートリッジの位置決めを容易にすることができる。例えば、本発明の冷却液管は、ノズル界面を介したトーチ本体に対するカートリッジの位置決めを可能にする一方で、電極はトーチ本体に対して固定されないままである。
【０００５】
一態様において、プラズマアークトーチ用の冷却液管が提供される。冷却液管は、電極に係合するように構成された先端部分と、プラズマアークトーチの本体に係合するように構成された基端部分とを含む長尺状冷却液管本体を含む。冷却液管はまた、長尺状冷却液管本体の先端部分に結合された第１の導電性要素を含む。第１の導電性要素は、電極に物理的に接触するように構成される。冷却液管は、長尺状冷却液管本体の基端部分に結合された第２の導電性要素をさらに含む。第２の導電性要素は、プラズマアークトーチの本体に物理的に接触するように構成される。長尺状冷却液管本体は、プラズマアークトーチの本体と電極との間に電流経路と流体経路とを定める。第１および第２の導電性要素のそれぞれは、プラズマアークトーチの本体からの電流の実質的に全てを電極に流すように構成される。
【０００６】
いくつかの実施形態では、冷却液管は、長尺状冷却液管本体の先端部分において冷却液管の外面の周りに周方向に配置された複数の液体流チャネルをさらに含む。第１の導電性要素は、冷却液管の外面上の複数の液体流チャネルを実質的に覆うことができる。
【０００７】
いくつかの実施形態では、第１または第２の導電性要素の少なくとも１つは、Ｌｏｕｖｅｒｔａｃ（商標）バンドである。いくつかの実施形態では、第２の導電性要素は、プラズマアークトーチの本体に係合するように構成されたねじ山付きセクションである。いくつかの実施形態では、第１の導電性要素は、電極の内面で電極に物理的に接触するように適合される。いくつかの実施形態では、第２の導電性要素は、プラズマアークトーチの本体の内面でプラズマアークトーチの本体に物理的に接触するように適合される。
【０００８】
いくつかの実施形態では、長尺状冷却液管本体によって定められる電流経路は、少なくとも約３０アンペア（Ａ）の電流を通すように構成される。
いくつかの実施形態では、長尺状冷却液管本体の基端部分は、冷却液管の外面の周りに周方向に配置されたシール面を含む。いくつかの実施形態では、冷却液管は、冷却液管の先端部分の外面に１つまたは複数の位置決め特徴部を含み、１つまたは複数の位置決め特徴部は、電極に対して冷却液管を半径方向の中心に置くように構成される。
【０００９】
別の態様では、プラズマアークトーチ内の電極に通電させる方法が提供される。トーチは、冷却液管の基端部に嵌合式に係合されるトーチ本体を含む。冷却液管の先端部は、電極の内面によって画定されるキャビティに嵌合式に係合される。この方法は、キャビティ内において電極の内面の少なくとも一部にアーク伝導面を形成するステップと、電極のアーク伝導面によって冷却液管の導電性コンポーネントを物理的に接触させるステップとを含む。この方法はまた、トーチ本体からの電流の実質的に全てを冷却液管およびアーク伝導面を介して電極によって受け取ることで、電極に内側で通電させるステップを含む。この方法は、電極とトーチ本体との間の直接的な電気接触を防止するステップをさらに含む。
【００１０】
いくつかの実施形態では、導電性コンポーネントは、通電性のトレランスバンド（ｔｏｌｅｒａｎｃｅ  ｂａｎｄ）を含む。いくつかの実施形態では、アーク伝導面は、キャビティの側壁の少なくとも一部を構成する。
【００１１】
いくつかの実施形態では、電極にはねじ山がない。いくつかの実施形態では、電極は長さ対幅の比が約４である。
いくつかの実施形態では、本方法は、冷却液管に対して電極を半径方向の中心に置くステップをさらに含む。
【００１２】
電極に通電させる方法が提供される。この方法は、冷却液管の基端部をプラズマアークトーチ本体と嵌合式に係合させるステップと、冷却液管の先端部を電極の内面によって画定されたキャビティと嵌合式に係合させるステップと、キャビティ内の電極の内面の少なくとも一部と冷却液管の導電性コンポーネントとの間に物理的界面を形成するステップとを含む。この方法はまた、プラズマアークトーチ本体からの電流の実質的に全てを、冷却液管および物理的界面を介して電極に流して電極に内側で通電させるステップと、トーチ本体と電極との間の直接的な電気接触を防止するステップと、液体冷却液流をトーチ本体から冷却液管の内部領域を介して電極のキャビティに導くステップとを含む。
【００１３】
いくつかの実施形態では、冷却液管の基端部をプラズマアークトーチ本体に嵌合式に係合させるステップは、冷却液管の基端部のＬｏｕｖｅｒｔａｃ（商標）バンドをトーチ本体によって画定されたキャビティに締まり嵌めで嵌合させるステップを含む。いくつかの実施形態では、冷却液管の基端部をプラズマアークトーチ本体に嵌合式に係合させるステップは、冷却液管の基端部をトーチ本体にねじ留めするステップを含む。
【００１４】
いくつかの実施形態では、冷却液管の先端部を電極のキャビティと嵌合式に係合させるステップは、導電性コンポーネントを電極のキャビティに締まり嵌めで嵌合させるステップを含む。いくつかの実施形態では、冷却液管の先端部を電極のキャビティと嵌合式に係合させるステップは、実質的に回転係合なしに電極のキャビティを冷却液管の先端部に対して軸方向に固定するステップを含む。
【００１５】
いくつかの実施形態では、導電性コンポーネントは、Ｌｏｕｖｅｒｔａｃ（商標）バンドを含む。
いくつかの実施形態では、この方法はさらに、冷却液流をキャビティの先端底部に衝突させるステップと、冷却液流を冷却液管の外面上でトーチ本体に向けて反転させるステップと、先端部で冷却液管の外面に配置された複数の長手方向チャネルを通して冷却液流を流すことにより冷却液流の圧力を減少させるステップとを含む。
【００１６】
いくつかの実施形態では、この方法はさらに、電極に対して冷却液管を半径方向の中心に置くステップをさらに含む。
別の態様では、液体冷却式プラズマアークトーチ用の電極アセンブリが提供される。電極アセンブリは、冷却液管の先端部分を受け入れるように構成されたキャビティを画定する長尺状本体と、電極の内面に形成され、キャビティの少なくとも一部を画定するアーク伝導面とを含む。アーク伝導面は、キャビティ内の冷却液管に電気的に接触するように構成される。電極アセンブリはまた、トーチ本体と電極との間の直接的な電気接触を防止するように構成された電極の外面上に配置された絶縁体と、長尺状本体の先端部に配置された放射インサートとを含む。
【００１７】
上述した本発明の利点は、さらなる利点とともに、添付の図面と併せて以下の記載を参照することによってより深く理解されるであろう。図面は必ずしも縮尺通りではなく、全体的に本発明の原理を例示することが強調されている。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の例示的な実施形態による、液体冷却液管と、内側で通電される電極とを概して含む例示的な液体冷却プラズマアークトーチの断面図である。
【図２】本発明の例示的な実施形態による、図１の冷却液管の例示的な設計である。
【図３】本発明の例示的な実施形態による、図１の電極を含むカートリッジの断面図である。
【図４】本発明の例示的な実施形態による、例示的なパイロットアーク電流経路を示す方向を記した図１のプラズマアークトーチの断面図である。
【図５】本発明の例示的な実施形態による、例示的な液体冷却液流れ経路を示す方向を記した図１のプラズマアークトーチの断面図である。
【図６】本発明の例示的な実施形態による、図１のトーチ設計内にある電極に内側で通電させる冷却液管を用いて得られた例示的な試験結果のプロットである。
【図７】伝統的な冷却液管が中に取り付けられた従来型プラズマアークトーチの断面図である。
【図８】本発明の例示的な実施形態による、図１のプラズマアークトーチ内の電極に通電させるための例示的なプロセスである。
【図９ａ】本発明の別の例示的な冷却液管の斜視図である。
【図９ｂ】本発明の別の例示的な冷却液管の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、本発明の例示的な実施形態による、液体冷却液管１１６と内部通電電極１０８とを概して含む例示的な液体冷却プラズマアークトーチ１０の断面図である。冷却液管１１６は、トーチ本体１０２内に配置し、トーチ本体１０２に接続することができる。電極１０８は、ノズル１１０および／またはスワールリング１５２などの１つまたは複数の追加の消耗部品を含むカートリッジ１０４の一部とすることができる。カートリッジ１０４の例示的な設計は、図３を参照して以下に記載される。本発明の液体冷却液管１１６は、カートリッジ１０４内に収容された電極１０８に内側で通電させるように示されているが、他の実施形態では、冷却液管１１６は、個々に配置されて組み立てられた消耗品を備えたプラズマアークトーチなど、非カートリッジ構成内で電極に内側で通電させるために使用することができる。
【００２０】
トーチ本体１０２は、真ちゅうなどの導電性材料から作製することができる。トーチ本体１０２は、カートリッジ１０４がトーチ本体１０２に嵌合式に係合された後、パイロットアーク電流および／または移行アーク電流を導電性カソードブロック１８０から冷却液管１１６に、次いで電極１０８に導くことを支援するような方法で、冷却液管１１６に係合することができる。示されているように、トーチ本体１０２は、実質的に中空の内部チャネル１３２を有する導電性カソードブロック１８０を含む。導電性カソードブロック１８０は、電源（図示せず）と電気接続することができる。カソードブロック１８０の内部チャネル１３２の先端部は、冷却液管１１６に電気的および／または物理的に結合することができる。例えば、冷却液管１１６の外面は、内部チャネル１３２内でカソードブロック１８０の内面との界面（例えば、シール）を形成するように構成された少なくとも１つのＯリング１３３を含むＯリング溝１３４を画定することができる。このように、冷却液管１１６の少なくとも基端部分は、トーチ本体１０２のカソードブロック１８０の先端部内に挿入しそれと嵌合させることができる。一般に、作動中、トーチ本体１０２がカートリッジ１０４に結合され、プラズマアークトーチシステムが起動されると、冷却液管１１６は冷却流体をカートリッジ１０４に分配する。さらに、冷却液管１１６は、カソードブロック１８０から、カートリッジ１０４へ、例えばカートリッジ１０４の電極１０８の内面などへ、電流（パイロットアーク電流および／または移行アーク電流）を流すことができる。
【００２１】
カートリッジ１０４内で、スワールリング１５２の先端部は電極１０８の基端部に接続することができる。スワールリング１５２は、プラスチックなどの非導電性の絶縁材料から作製することができる。スワールリング１５２の基端部は、カートリッジ１０４をトーチ本体１０２に取り付けたときに、トーチ本体１０２のカソードブロック１８０に、例えば螺合され、または（例えばＯリング１５４を介して）締まり嵌めによってシールされるなどで接続するように構成される。カソードブロック１８０、スワールリング１５２および電極１０８を含む、結果として得られるハウジングは、冷却流体を含有する冷却液管１１６を実質的に包み込む一方、冷却液管１１６が電流および／または液体流を電極１０８に流すことを許容する。いくつかの実施形態では、トーチ本体１０２とカートリッジ１０４との間の唯一の電気的接続は、冷却液管１１６と電極１０８との間にある。この場合、スワールリング１５２（および／または他のいずれかのトーチ本体１０２に物理的に接触するカートリッジ構成要素）は、実質的に非導電性であり得る。いくつかの実施形態では、電気的接続の追加の場所が、スワールリング１５２（それが導電性である場合）とトーチ本体１０２のカソードブロック１８０との間などに確立される。図１に示すように、スワールリング１５２およびカートリッジ１０４のノズル１１０の両方は、トーチ本体１０２とカートリッジ１０４との係合時、トーチ本体１０２に接触する。いくつかの実施形態では、ノズル１１０とトーチ本体１０２との間の接触は、トーチ本体１０２に対するカートリッジ１０４の位置合わせ（例えば軸方向および／または半径方向の位置合わせ）を推進する。スワールリング１５２は、（例えば、Ｏリング１５４を介して）トーチ本体１０２に接続しかつ接触してシールを形成することができるが、トーチ本体１０２に対するカートリッジ１０４の位置合わせに寄与してもしなくてもよい。いくつかの実施形態では、トーチ本体１０２とカートリッジ１０４との係合時、スワールリング１５２はトーチ本体１０２と物理的に接触しない。
【００２２】
図２は、本発明の例示的な実施形態による、図１の冷却液管１１６の例示的な設計である。冷却液管１１６は、真ちゅうなどの導電性材料から作製することができる。図示されているように、冷却液管１１６は、トーチ本体１０２のカソードブロック１８０と係合するように構成された端部である基端部分（一般に基端部と呼ばれる）２４０と、トーチ本体１０２がカートリッジ１０４に固定されたときにカートリッジ１０４の電極１０８と係合するように構成された端部である先端部分（一般に先端部と呼ばれる）２４２とを有する長尺状本体を有する。冷却液管１１６は、先端部分２４２に配置された先端チップ２５０を有することができる。いくつかの実施形態では、先端チップ２５０はベル／フレア形状を有し、先端チップ２５０の直径は、先端チップ２５０が先端方向に延びるにつれて、大きくなり、かつ／または広がる。
【００２３】
冷却液管１１６の長尺状本体の基端部２４０は、冷却液管１１６をトーチ本体１０２に結合するために、冷却液管１１６の外面の周りに周方向に配置された（例えば、Ｏリング１３３を収容するように構成された）シール面１３４を含むことができる。いくつかの実施形態では、冷却液管１１６の基端部２４０は、容易にまたは迅速に分離することができるような方法で、カソードブロック１８０の先端部に（例えば、締まり嵌めによって）結合される。他の実施形態では、冷却液管１１６の基端部２４０は、容易にまたは迅速に分離できないような方法で、カソードブロック１８０の先端部に（例えば、ねじによって）結合される。冷却液管１１６は、基端部２４０の外面の周りに、Ｌｏｕｖｅｒｔａｃ（商標）バンド２０２などの電気コネクタを有することができる。Ｌｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０２は、チャネル１３２内のトーチ本体１０２のカソードブロック１８０の内面でなど、トーチ本体１０２と物理的に接触するように構成され、それにより、冷却液管１１６の基端部２４０がカソードブロック１８０の先端部に一旦挿入され嵌合すると、カソードブロック１８０から冷却液管１１６の側壁に電流を導く。さらに、冷却液管１１６の基端部２４０でのＬｏｕｖｅｒｔａｃ（商標）バンド２０２の使用は、冷却液管１１６が、（例えば、少なくともシール面１３４またはＬｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０２の１つを介して）締まり嵌めによって、カソードブロック１８０に摺動可能に結合され、嵌合式に係合されることを可能にする。あるいは、冷却液管１１６は、Ｌｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０２なしにねじ山または他の通電方法を介して、カソードブロック１８０にしっかり固定することができる。
【００２４】
いくつかの実施形態では、冷却液管１１６は、冷却液管１１６の先端部２４２の外面の周りに、Ｌｏｕｖｅｒｔａｃ（商標）バンド２０４などの電気コネクタを有する。Ｌｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０４は、図１に示すように、電極１０８の内部キャビティ３５４上の表面など、電極１０８の表面と物理的に接触するように構成される。いくつかの実施形態では、冷却液管１１６は、先端部２４２でＬｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０４の下の外面の周りに周方向に配置された１つまたは複数の長手方向液体流チャネル２４４を含む。これらの長手方向液体流チャネル２４４は、Ｌｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０４で実質的に被覆することができ、Ｌｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０４の存在によって妨げられることなく冷却液管１１６の外面上に冷却液を流すことができるように構成されている。したがって、流れチャネル２４４は、Ｌｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０４の使用によってもたらされる冷却液管１１６を横切る圧力降下を防止することができる。長手方向チャネル２４４のそれぞれはベル形状であり得、また冷却液管１１６の先端部分２４２の長さに沿って延在することができ、各チャネル２４４の両端の幅はチャネル２４４の中央セクションの幅よりも狭い。いくつかの実施形態では、冷却液管１１６の先端部２４２でのＬｏｕｖｅｒｔａｃ（商標）バンド２０４の使用は、冷却液管１１６が締まり嵌めによってカートリッジ１０４に摺動可能に結合されかつ嵌合式に係合することを可能にする。この特徴の詳細については後述する。
【００２５】
冷却液管１１６の長尺状本体は、その内部容積においてトーチ本体１０２と電極１０８との間に冷却液流路を提供することができるように、実質的に中空であることができる。例えば、冷却液管１１６は、基端部２４０に開口部２４５を有し、先端部２４２に開口部２４６を有し、それぞれ冷却液流が冷却液管１１６に入ることおよび出ることを可能にする。さらに、冷却液管１１６の長尺状本体の側壁は、トーチ本体１０２と電極１０８との間に電流経路を提供することができる。いくつかの実施形態では、冷却液管１１６の長尺状本体の側壁は、トーチ本体１０２と電極１０８との間の主要な電流経路である。いくつかの実施形態では、Ｌｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０２および／またはＬｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０４は、それら２つの構成要素の間で実質的に全ての電流を流すように構成される。
【００２６】
図３は、本発明の例示的な実施形態による、図１の電極１０８を含むカートリッジ１０４の断面図である。電極１０８に加えて、カートリッジ１０４は、スワールリング１５２およびノズル１１０を含むことができる。スワールリング１５２、電極１０８、およびノズル１１０を含むカートリッジ１０４の様々な構成要素は、同心円状に配置することができる。
【００２７】
いくつかの実施形態では、カートリッジ１０４の様々な構成要素は、スワールリング１５２に対する軸方向の位置合わせおよび半径方向の位置合わせ（すなわち中心合わせ）を達成しながら、スワールリング１５２に直接的または間接的に固定される。例えば、電極１０８の外径は、電極１０８の少なくとも基端部分がスワールリング１５２の先端部分に挿入されるように、スワールリング１５２の内径に固定することができる。図示のように、電極１０８は、相対的な構成要素の軸方向移動を防止するために、スワールリング１５２の内面上の内側保持特徴部３６８（例えば、１つまたは複数の相補的な段差部または突起）と嵌合式に係合するように構成された外側保持特徴部３６６（例えば、電極１０８の変化する直径の１つまたは複数の段差部）を外面上に含む。保持特徴部３６６、３６８の間の嵌合は、スナップ嵌め、圧入嵌めまたは締まり嵌めのうちの１つとすることができる。結果として得られる電極１０８とスワールリング１５２との間の境界面３６７はまた、それら２つの構成要素を半径方向において位置合わせ／中心合わせする。いくつかの実施形態では、スワールリング１５２の外径は、ノズル１１０の内径に嵌合式に係合される。例えば、スワールリング１５２は、相対的な構成要素の軸方向移動を防止するために、外面上の外側保持特徴部３５２（例えばスワールリング１５２の変化する直径の段差部）を、ノズル１１０の内面上の内側保持特徴部３５８（例えば相補的な段差部または突起）と嵌合式に係合させることによって、ノズル１１０に固定することができる。保持特徴部３５２、３５８の間の嵌合は、スナップ嵌め、圧入嵌めまたは締まり嵌めのうちの１つとすることができる。結果として得られるスワールリング１５２とノズル１１０との間の境界面３５３もまた、それら２つの構成要素を半径方向に位置合わせ／中心合わせする。
【００２８】
いくつかの実施形態では、カートリッジ１０４は、シールド（図示せず）をさらに含むことができる。カートリッジ１０４のノズル１１０は非通気ノズルとして示されているが、他の実施形態では、通気ノズル（図示せず）を含むようにカートリッジ１０４を適切に構成することができる。さらに、図３は、冷却液管１１６からカートリッジ１０４の電極１０８への電流経路を確立するためにトーチ本体１０２に接続することができる１つのタイプのカートリッジの単なる例示である。参照により全体的に本明細書に組み込まれる米国特許出願第１５／２２８，７０８号明細書に記載されたカートリッジなど、他のカートリッジ設計が、同様の通電機能を提供するように適切に構成することができる。いくつかの実施形態では、冷却液管１１６および類似の実施形態は、（例えば、個々に配置されてトーチに組み立てられる分離した別個の電極、ノズル、スワールリングなどを備えた）消耗性スタックアップ／セットを有する従来のプラズマアークトーチで使用することができる。
【００２９】
図３の電極１０８を参照すると、電極１０８は、放射表面が露出されるように電極１０８の先端部に配置された放射インサート３６０を有する長尺状本体を有する。インサート３６０は、ハフニウムまたは耐腐食性および高い熱放射率を含む適切な物理的特性を有する他の材料から作製することができる。電極１０８の長尺状本体はまた、電極１０８の内面にキャビティ３５４を画定する。キャビティ３５４は、冷却液管１１６を方向付けて整列させるための先端部に配置された段差部または突起部３７０を含むことができる。キャビティ３５４は、図４を参照して以下で詳細に記載するように、Ｌｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０４を介してトーチ本体１０２のカソードブロック１８０からキャビティ３５４に電流（すなわち、パイロットアークまたは移行アーク電流）を流すことができる冷却液管１１６の少なくとも先端部分を受け入れるように構成されている。したがって、アーク伝導面３６４を、電極１０８の内面においてキャビティ３５４の側壁の少なくとも一部に形成することができる。アーク伝導面３６４は、冷却液管１１６のＬｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０４がキャビティ３５４内に配置されるとそれと電気的かつ物理的に接触することができ、それによって冷却液管１１６との電気的接触を維持する。いくつかの実施形態では、電極１０８の内部キャビティ３５４は、図３に示すように、キャビティ内に可変直径を有するセグメントを形成する段差部３７４を含む。あるいは、電極１０８の内部キャビティ３５４は、平滑である（例えば、一定の直径を有する）。いくつかの実施形態では、電極１０８の基端部に外面を含む電極１０８の外側保持特徴部３６６は、係合界面３６７においてスワールリング１５２に半径方向および／または軸方向に係合する（例えば、スワールリング１５２が電極１０８に対してあまり先端に挿入されない）ように、わずかに波形／斜めにすることができる。
【００３０】
いくつかの実施形態では、図３に示すように、スワールリング１５２の内面には、後部段差部３７２が配置される。後部段差部３７２は、電極１０８に対する冷却液管１１６の深さおよび位置を設定する（例えば、冷却液管１１６の軸方向の位置合わせを提供する）ために構成することができる。後部段差部３７２の内面は、好ましくは滑らかであるが、冷却液管１１６の先端部分２４２に固定されたＬｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０４と接触することができる。代替実施形態では、この後部段差部は、冷却液管１１６に同様の深さ設定／整列機能を提供するために電極１０８上にあってもよい。
【００３１】
一般に、冷却液管１１６は、カートリッジ１０４の様々な構成要素との１つまたは複数の接触領域を維持することができる。１つの接触領域は、上に記載したように、冷却液管１１６の周りのＬｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０４と電極１０８のアーク伝導面３６４との間にある。別の接触領域は、冷却液管１１６の外面の周りの（図１に示すような）段差部、フランジまたは突起部１４０と、スワールリング１５２の内面上の相補形状の後部段差部３７２との間にあり得る。冷却液管１１６の段差部、フランジまたは突起部１４０は、冷却液管１１６が電極１０８のキャビティ３５４内であまり先まで挿入されないように、スワールリング１５２の後部段差部３７２と係合することができる。さらに別の可能な接触領域は、冷却液管１１６の先端チップ２５０と、電極１０８のキャビティ３５４内の突起部３７０との間にあり得、そこで突起部３７０は、電極１０８に対して冷却液管１１６を中心に置く／半径方向に整列させるために使用され得る。この接触は、この接点を介して冷却液管１１６の先端チップ２５０と電極１０８の突起部３７０との間に無視できる量の電流しか流されないように、断続的または最低限のものであってもよい。
【００３２】
いくつかの実施形態では、パイロットアーク電流および／または移行アーク電流の実質的に全てが、図４を参照して以下に記載されるように、冷却液管１１６およびＬｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０２、２０４を介してトーチ本体１０２から電極１０８まで間接的に流されることができる。これらの場合、電極１０８の外面にスワールリング１５２または別の絶縁コンポーネントなどの絶縁体を配置して、トーチ本体１０２のカソードブロック１８０と電極１０８との間など、トーチ本体１０２と電極１０８との間の直接的な電気接触を防止することができる。絶縁コンポーネントに関する詳細は、図４を参照して以下で説明される。
【００３３】
図１〜３を参照すると、いくつかの実施形態では、トーチ本体１０２とカートリッジ１０４との間の係合（例えば、トーチ本体１０２とカートリッジ１０４との間の半径方向および／または軸方向の整列）は、冷却液管／電極界面の外側で生じることができる。例えば、係合界面１６０、１６２などの１つまたは複数の係合界面を形成するためにカートリッジ１０４のノズル１１０およびトーチ本体１０２に１つまたは複数の係合機構を配置して、トーチ本体１０２およびカートリッジ１０４を互いに固定して整列させることができる。図１に示すように、係合界面１６０は、トーチ本体１０２の先端部とノズル１１０の中間部分の外面との間にある。具体的には、ノズル１１０の中間部分の外面は、トーチ本体１０２の先端部に対する軸方向ストッパとしての機能を果たす段差部を形成することができる。係合界面１６２は、トーチ本体１０２の内面とノズル１１０の基端部分の外面との間にある。いくつかの実施形態では、トーチ本体１０２に係合するために追加の係合特徴部がスワールリング１５２に配置される。いくつかの実施形態では、スワールリング１５２およびノズル１１０の両方がトーチ本体１０２に接触するが、（例えば、係合界面１６０、１６２を介した）ノズル接触のみが、トーチ本体１０２とカートリッジ１０４との間の整列を推進する。スワールリング１５２は、（例えば、シール面１３４を介して）トーチ本体１０２に単に接続および／または封着し、位置合わせ機能を提供しない。
【００３４】
トーチ本体１０２をカートリッジ１０４に接続すると、冷却液管１１６の先端部２４２は、電極１０８のキャビティ３５４に挿入され、冷却液管１１６がキャビティ３５４内に延びるように適合される。さらに、冷却液管１１６が電極１０８のキャビティ３５４内に挿入されると、冷却液管１１６の先端部２４２のＬｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０４は、冷却液管１１６に対して電極１０８を半径方向に位置合わせする／中心に置くが、電極１０８を冷却液管１１６に対して特定の半径方向の向きに固定しない。いくつかの実施形態では、電極のキャビティ３５４上の突起部３７０は、冷却液管１１６のベル形の先端チップ２５０と協働して、電極１０８に対して冷却液管１１６を同じく半径方向の中心に置く。組み立て中に、オペレータは、冷却液管１１６の先端部２４２にあるＬｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０４が電極１０８のキャビティ３５４内に配置されキャビティ３５４の大部分によって被覆されるまで、電極１０８を冷却液管１１６に対して基端部方向に押すために軸方向の力を加えることができる。このように、冷却液管１１６のＬｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０４は、電極１０８が、ねじ込み（または他の時計回り運動）なしに、係合または分離の間、それぞれ軸方向に押し込まれることまたは引き抜かれることを可能にし、それによって工具の要らないおよび／またはねじ山のない電極１０８の使用を可能にする。工具の要らない電極とは、追加工具を一切使用することなく、電極１０８を冷却液管１１６に接続できるかまたは冷却液管１１６から分離できることを意味する。一般に、Ｌｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０４の公差は、それが冷却液管１１６と電極１０８との間の電気的接触および伝導を促進するのに十分に密着性であるが、取り付けおよび調整が容易な程度に十分に緩いように調整することができる。
【００３５】
この簡単な押し込み／引抜き特徴部は、界面１６０、１６２におけるトーチ本体１０２とカートリッジ１０４との間の係合とも両立する。すなわち、トーチ本体１０２とカートリッジ１０４との間の結合は、電極１０８と冷却液管１１６との間のねじ込み要件も他の時計回り要件も考慮する必要なしに、（トーチ本体１０２とノズル１１０との間の）係合界面１６０、１６２によって制御することができる。一般に、冷却液管１１６およびＬｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０４がカートリッジ１０４に電流を通すことを可能にすることは、（ｉ）トーチ本体１０２とカートリッジ１０４との間の物理的接触を、（ｉｉ）冷却液管１１６と電極１０８との間の電気的接続から分離することである。この分離は、設計スペースを最大化し、トーチアセンブリを簡素化するように適合される。さらに、電極１０８（つまりはカートリッジ１０４）からの冷却液管１１６（つまりはトーチ本体１０２）の比較的真っ直ぐな軸方向の取り付けおよび取り外しは、より迅速な消耗品の交換および取り付けを促進する。さらに、冷却液管１１６に対して（例えば、冷却液管１１６の外面上に）Ｌｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０２、２０４を配置することにより、Ｌｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０２、２０４を容易に検査し、容易に整備することができる。代替の実施形態では、Ｌｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０４を使用する代わりに、ねじアタッチメント、締まり嵌めなどの他の通電および／または保持特徴部を使用することができる。
【００３６】
図４は、本発明の例示的な実施形態による、例示的なパイロットアーク電流経路４５２を示す方向を記した図１のプラズマアークトーチ１０の断面図である。パイロットアークを始動させるために、高周波、高電圧（ＨＦＨＶ）信号に関連するパイロットアーク電流４５２が電源（図示せず）からプラズマアークトーチ１０までの電力線に結合される。パイロットアーク電流の流れ４５２は電源からカソードブロック１８０に流すことができ、カソードブロック１８０は、冷却液管１１６の基端部２４０においてＬｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０２を介して冷却液管１１６の本体に電流を移行する。Ｌｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０２は、実質的に全てのパイロットアーク電流４５２をカソードブロック１８０から冷却液管１１６に流すことができる。パイロットアーク電流４５２は、冷却液管１１６の本体を通って先端に向かって流れ、冷却液管１１６の先端部２４２においてＬｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０４を介して電極１０８の内面に移行され、それによって電極１０８の内面を通電させる。Ｌｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０４は、電流４５２の実質的に全てを冷却液管１１６から電極１０８に流すことができる。一旦電極１０８に来ると、パイロットアーク電流経路４５２は、電極１０８とノズル１１０との間の間隙を流れるプラズマガス中に火花放電を誘発し、それによって間隙内にパイロットアークを生成する。パイロットアーク回路を完成するために、パイロットアーク電流経路４５２は、ノズル１１０からトーチ本体１０２へ基端の方に流れることによってトーチ本体１０２に戻ることができる。
【００３７】
電極１０８とノズル１１０との間の間隙内のガス流は、パイロットアークによってイオン化され、それにより電極１０８とワーク（図示せず）との間の電気抵抗が小さくなる。間隙がイオン化された後に、パイロットアークを開始するために使用された電圧よりも高い電圧を、電極１０８とワークとの間に印加して、アークをワークに移行するように誘導することができる。電極１０８とワークとの間のこのアークは、移行アークである。移行アークを維持するために、電源からより高い電圧を印加する移行アーク電流は、上述の先端パイロットアーク電流の流れ４５２と実質的に同様のやり方で、カソードブロック１８０から冷却液管１１６およびＬｏｕｖｅｒｔａｃバンド７０２、７０４を介して電極１０８に流される。移行アーク回路を完成するために、移行アーク電流は、別個の配線（図示せず）を介してワークから電源に戻される。一般に、冷却液管１１６の長尺状本体は、少なくとも３０アンペアの電流の伝導をサポートすることができる。
【００３８】
このように、電源からのパイロットアーク電流および／または移行アーク電流は、トーチ本体１０２のカソードブロック１８０から冷却液管１１６まで、および電極キャビティ３５４の内面を介してカートリッジ１０４の電極１０８までルーティングすることができる。このようにして電流を通す冷却液管１１６は電極１０８の内面を通電させる。冷却液管１１６の一方または両方の端部２４０、２４２の１つまたは複数のＬｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０２、２０４は、電源から電極１０８の内面への（例えば、パイロットアーク電流および／または移行アーク電流の実質的に全てを流す）電気の伝導を容易にするために使用される。
【００３９】
いくつかの実施形態では、パイロットアークおよび移行アーク電流の実質的に全てが、冷却液管１１６によって電源から電極１０８に通されるので、電極１０８は、電流移行のために、トーチ本体１０２と直接的に電気的にも物理的にも接触する必要がない。したがって、電極１０８は、直接電流が電極１０８とトーチ本体１０２との間を流れることができないように、カソードブロック１８０（またはトーチ本体１０２の他の導電性コンポーネント）から電気的に絶縁することができる。これは、非導電性スワールリング１５２を電極１０８とカソードブロック１８０との間に挿入することによって達成可能である。スワールリング１５２が導電性である他の実施形態では、同じ絶縁機能を提供するために非導電性の電気絶縁体（図示せず）を電極１０８とカソードブロック１８０（またはトーチ本体１０２の他の導電性コンポーネント）との間に挿入することができる。これらの場合、電極１０８はもはやトーチ本体１０２と直接的な物理的接触も電気的接触も維持しないので、電極１０８は、直接接触電極よりも２５％超短い（例えば２７％短い）など、カソードブロック１８０から直接（すなわち、冷却液管１１６を使用することなく）電流を受け取るために使用される電極よりも短くすることができる。いくつかの実施形態では、電極１０８の長さ対幅の比は約４である。
【００４０】
さらに、冷却液管１１６は、液体冷却液流をトーチ本体１０２とカートリッジ１０４との間で循環させるように方向付けるために構成することができる。例示的な液体冷却液には、水、プロピレングリコール、エチレングリコール、またはプラズマ切断システム用に設計された様々な商業的に入手できる冷却液が含まれる。図５は、本発明の例示的な実施形態による、例示的な液体冷却液流路５５０を示す方向を記した図１のプラズマアークトーチ１０の断面図である。図５の液体冷却液流路５５０に沿って、液体冷却液は、冷却液管１１６の基端部２４０の基端開口部２４５と流体接続しているトーチ本体１０２のカソードブロック１８０に導入される。冷却液管１１６の内部容積に入ると、冷却液流路５５０は、冷却液管１１６の先端部２４２に向かって長手方向に続く。冷却液流５５０は、冷却液管１１６の先端開口部２４６を介して冷却液管１１６から出て、カートリッジ１０４の電極１０８の内面によって画定されるキャビティ３５４に入り、それによって、電極１０８を実質的に冷却する。キャビティ３５４の側壁によって案内されるとき、冷却液流５５０は、方向を反転させて、冷却液管１１６の外面に沿って基端方向に連続することができる。この反転流は、冷却液管１１６の先端部２４２の外側部分を取り囲むＬｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０４も実質的に冷却する。いくつかの実施形態では、反転した冷却液流は、Ｌｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０４の下にある冷却液管１１５の外面上の長手方向チャネル２４４を介して移動することができ、それによって、Ｌｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０４の使用によって引き起こされるその領域における冷却液管１１６と電極１０８との間の圧力降下を制限する。冷却液管１１６と電極１０８との間の圧力降下の最小化に寄与する別の要因は、冷却液管１１６の先端チップ２５０のベル／フレア形状であり、これはＬｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０４の包含によって誘発される圧力降下を低減または実質的に排除することができる。冷却液流５５０は、冷却液管１１６の外面に沿ってトーチ本体１０２のカソードブロック１８０に向かって基端方向に連続することができる。この冷却液流は、様々なトーチ構成要素を冷却するために、トーチ本体１０２および／またはカートリッジ１０４の他の部分に分配することができる。
【００４１】
図６は、図１のトーチ設計１０内にある電極１０８に内側で通電させる冷却液管１１６を使用して得られた例示的な試験結果のプロットである。具体的には、図６は、冷却液管１１６の基端部２４０から冷却液管１１６の先端部２４２までの冷却液管１１６の長さ（ｘ軸上に示される）に沿った圧力降下プロット６０４を示す。示されているように、冷却液管１１６は、長手方向チャネル２４４が配置されている冷却液管の位置６０２で約２３ｐｓｉ（約１５９ｋＰａ）の圧力降下を生じる。この圧力降下６０４は、同様の冷却液管位置における従来の冷却液管構成を有するトーチから生じる約４１ｐｓｉ（約２８３ｋＰａ）の圧力降下６０８よりもはるかに低い。いくつかの実施形態では、Ｌｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０２、２０４の使用は、冷却液管１１８を横切る圧力降下を依然としてもたらし得るが、この降下は、（ｉ）Ｌｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０４の下の長手方向チャネル２４４の形状、設計、および断面積、（ｉｉ）冷却液管１１６の先端チップ２５０のフレア／ベル形状、および（ｉｉｉ）電極１０８のキャビティ３５４内の突起部３７０によってバランスを取られる。例えば、先端チップのフレア／ベル形状は、先端チップ２５０周囲のデッドゾーンおよび冷却液流の循環を最小化するように適合される。これとは対照的に、比較的真っ直ぐなパイプ状の端部は硬く鋭い隅部および縁部を有し、これにより、流れの中に多量の循環およびデッドゾーンを生成／誘導し得る。したがって、本冷却液管１１６のベル状の形状および丸みを帯びた隅部は流れを改善する。
【００４２】
図７は、本発明の例示的な実施形態による、伝統的な冷却液管が内部に設置された従来型プラズマアークトーチ７００の断面図である。このトーチ７００を使用して、図６の圧力降下プロット６０８を生成することができる。図７のプラズマアークトーチ７００では、冷却液管７０２は、管７０２のいずれの端部にもＬｏｕｖｅｒｔａｃバンドを有しておらず、したがって、Ｌｏｕｖｅｒｔａｃバンドの存在下に冷却液を流すことができる外面上の長手方向チャネルを含まない。さらに、冷却液管７０２は、冷却液管７０２に沿って移動する際の冷却液流の圧力降下を最小限に抑えるための、ベル形先端チップ２５０などの特徴を有していない。対照的に、上述のように、本発明の冷却液管１１６の長手方向チャネル２４４は、Ｌｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０４が冷却液管１１６に結合された後に、冷却液管１１６の外面と電極１０８のキャビティ３５４の内面との間の流体の流れを許容し、その結果、Ｌｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０４の使用により導入された冷却液管１１６を横切る圧力降下の減少がもたらされる。さらに、冷却液管１１６の先端チップ２５０におけるフレア設計は一般に圧力降下を制限するが、これは冷却液管７０２の直径が冷却液管の全長に沿って実質的に一定である従来型プラズマアークトーチ７００の実質的に円筒形の冷却液管７０２では達成できない。
【００４３】
従来型プラズマアークトーチ７００の冷却液管７０２はまた、トーチ本体７０４と電極７０６との間に電流経路を提供しない。例えば、図７のプラズマアークトーチ７００内の冷却液管７０２と電極７０６との間の物理的接触は最小限のものであり、本発明の特定の実施形態に記載されているように電流を導くのに必要なレベルには達していないことは明らかである。したがって、図７のトーチ７００の電極７０６は、電流経路を確立するべくトーチ本体７０４に電気的および物理的に接触することができるように、十分に長い必要がある。いくつかの実施形態では、図７の電極７０６は、図１の電極１０８よりも約３倍長い。トーチ７００の冷却液管７０２は、トーチ本体７０４から電極７０６へ冷却液流を搬送するだけである。さらに、本発明の電極１０８は冷却液管１１６に対して回転自在に独立しているが、従来型トーチ７００の電極７０６は、トーチ本体７０４に固定した状態で係合され、冷却液管７０２に対して独立して回転することができない。
【００４４】
図８は、本発明の例示的な実施形態による図１のプラズマアークトーチ１０内の電極１０８に通電させる例示的なプロセスを提示する。プロセス８００は、内部キャビティ３５４内において電極１０８の内面の少なくとも一部にアーク伝導面３６４を形成すること（ステップ８０２）を含む。このようにして、トーチ本体１０２とカートリッジ１０４とが係合され、冷却液管１１６の先端部２４２が電極１０８に挿入されると、冷却液管１１６のＬｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０４は、アーク伝導面３６４に電気的および物理的に接触するように適合される（ステップ８０４）。この接触により、電極１０８は、電流の実質的に全て（すなわち、パイロットおよび／または移行アーク電流）を、トーチ本体１０２のカソードブロック１８０からなどトーチ本体１０２から冷却液管１１６を介して受け取ることで、キャビティ３５４内で電極１０８を内部通電させることが可能になる（ステップ８０８）。さらに、電流の実質的に全てをトーチ本体１０２から冷却液管１１６を介して電極１０８に間接的に流すことができるので、電極１０８とトーチ本体１０２との間の直接的な電気接触が不要となり、直接的な電気接触は例えば電極１０８とトーチ本体１０２との間に絶縁体（例えば、非導電性スワールリング１５２）を挿入することによって防止することができる（ステップ８０８）。Ｌｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０４は、実質的に全ての電流の伝導をサポートすることに加えて、冷却液管１１６がキャビティ３５４内に完全に配置されると、冷却液管１１６に対して電極１０８を半径方向の中心に置くこともできる。
【００４５】
いくつかの実施形態では、プロセス８００は、冷却液管１１６の基端部２４０をトーチ本体１０２に嵌合式に係合することをさらに含む。この係合は、基端部２４０を取り囲むＬｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０２が締まり嵌めによって内部チャネル１３２内に完全に配置されるまで、トーチ本体１０２のカソードブロック１８０の内部チャネル１３２に冷却液管１１６の基端部２４０を挿入することによって達成可能である。あるいは、この係合は、Ｌｏｕｖｅｒｔａｃバンドを用いることなく冷却液管１１６の基端部２４０を内部チャネル１３２にねじ留めすることによって達成可能である。同様に、プロセス８００は、冷却液管１１６の先端部２４２を電極１０８と嵌合式に係合することを含むことができる。この係合は、先端部２４２を取り囲むＬｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０４が締まり嵌めによってキャビティ３５４内に完全に配置されるまで、冷却液管１１６の先端部２４２を電極１０８のキャビティ３５４に挿入することによって達成可能である。そのような場合、冷却液管１１６の先端部２４２は、回転力を用いることなく軸方向の押し込み運動を用いてキャビティ３５４に固定することができる。
【００４６】
いくつかの実施形態では、プロセス８００は、冷却液管１１６の内部領域を介してトーチ本体１０２から電極１０８のキャビティ３５４に液体冷却液流を導くことをさらに含む。その後、冷却液流は、冷却液管１１６を出てキャビティ３５４に入るとき、キャビティ３５４の先端底部に衝突する。その後、冷却液流は、キャビティ３５４の内部側壁によって案内されるとき、冷却液管１１６の外面上でトーチ本体１０２に向かって反転する。この反転により冷却液流が冷却液管１１６の外面上に配置された長手方向チャネル２４４を通って流れることが可能になり、それによって冷却液管１１６を横切る冷却液流の圧力を低減する。
【００４７】
図９ａおよび図９ｂは本発明の別の例示的な冷却液管９１６のそれぞれ斜視図および断面図である。この冷却液管９１６は、上に示し記載したトーチ本体１０２およびカートリッジ１０４と適合し、冷却液管１１６と実質的に同じ機能を提供しながら冷却液管１１６と容易に置き換わることができる。
【００４８】
示されているように、冷却液管９１６は、トーチ本体１０２のカソードブロック１８０と係合するように構成された端部である基端部分（一般に基端部と呼ばれる）９４０と、トーチ本体１０２がカートリッジ１０４に固定されたときにカートリッジ１０４の電極１０８と係合するように構成された端部である先端部分（一般に先端部と呼ばれる）９４２とを有する長尺状本体を有する。冷却液管９１６は、先端部分９４２に配置された先端チップ９２５を有することができる。いくつかの実施形態では、先端チップ９２５はベル／フレア形状を有する。冷却液管９１６の長尺状本体の基端部９４０は、冷却液管９１６をトーチ本体１０２に結合するために、冷却液管９１６の外面の周りに周方向に配置されたＯリング９３３を含むことができる。冷却液管９１６は、基端部９４０の外面の周りに、Ｌｏｕｖｅｒｔａｃ（商標）バンド９０２などの電気コネクタと、先端部９４２の外面の周りにＬｏｕｖｅｒｔａｃ（商標）バンド９０４などの電気コネクタとを有することができる。冷却液管９１６はさらに、先端部９４２でＬｏｕｖｅｒｔａｃバンド９０４の下に外面の周りに周方向に配置された１つまたは複数の長手方向液体流チャネル９４４を含むことができる。Ｌｏｕｖｅｒｔａｃバンド９０２、９０４および長手方向チャネル９４４の設計および機能は、冷却液管１１６のそれぞれＬｏｕｖｅｒｔａｃバンド２０２、２０４および長手方向チャネル２４４と実質的に同じであることができる。
【００４９】
いくつかの実施形態では、冷却液管９１６の先端チップ９２５は、冷却液管９１６の残りの部分から軸方向におよび／または回転自在に独立している。組み立て中、先端チップ９２５の基端部は、長手方向チャネル９４４によって部分的に画定された冷却液管９１６の内部キャビティ９７０に滑り込むことができる。先端チップ９２５は、キャビティ９７０内で自由に回転することができる。先端チップ９２５はまた、内部キャビティ９７０内で軸方向に移動できるが、キャビティ９７０内の段差部の組と、先端チップ９２５の外面上の相補的な段差部の組との間に形成された締まり嵌めを介して、キャビティ９７０から引き抜かれることが防止される（すなわち、キャビティ９７０内で軸方向に保持される）。例えば、キャビティ９７０の先端縁部は、キャビティ９７０内に先端チップ９２５を保持するために、先端チップ９２５上の相補的な周囲リップと嵌合するように構成されたリップを形成することができる。したがって、先端チップ９２５は、電極１０８および冷却液管１１６の両方に対して移動することができる。このような係合によって達成される軸方向および／または半径方向の自由度は、電極／カートリッジの取り付けを助け、冷却液流内の圧力降下を制限することができる。いくつかの実施形態では、先端チップ９２５のベル形の先端部は、異なる長さの電極に適合するように構成され、冷却液管９１６が電極１０８内に浮遊することを可能にする。例えば、冷却液管９１６は、先端チップ９２５の先端部に１つまたは複数の小さなスタンド９７２を含むことができ、スタンド９７２は、（ｉ）トーチ動作中に電極１０８に当接して物理的に接触するか、または（ｉｉ）直接的な接触が生じないように電極１０８から離され電極１０８と物理的な隙間を維持する（例えば、その中に浮遊する）ことができる。いくつかの実施形態では、冷却液管９１６は、均一な冷却のために、電極１０８のキャビティ３５４に対して半径方向の中心に置かれる。いくつかの実施形態では、冷却液管１１６の先端チップ９２５は、冷却液管９１６を通る冷却液の流れによってキャビティ９７０内で基端方向に後方に付勢されつつも、冷却液管９１６の残りの部分は比較的静止した状態に維持されるように適合される。したがって、先端チップ９２５は、冷却液管９１６の内部キャビティ９７０内で軸方向に摺動することができる。
【００５０】
上に説明したように、本発明は、より少ない特徴部による従来の電極よりも短い（例えば２７％短い）簡素化された電極を特徴とする（例えばねじ山不要および工具不要）。本発明はまた、（例えば、プッシュ／プル様式での）トーチ本体上へのカートリッジの比較的真っ直ぐな軸方向の取り付けおよび取り外しを可能にするなど、トーチ本体へのトーチ構成要素の取り付けを容易にするトーチ設計を特徴とする。この取り付けの容易さは、カートリッジをトーチ本体に位置決めして係合させるのに必要な精度を低下させることによっても高められ、これはトーチの公差を緩和することができる。さらに、Ｌｏｕｖｅｒｔａｃバンドを冷却液管に配置することにより、これらのバンドに容易にアクセスして検査を実行することが可能になり、したがってそれらを簡単に整備し易くすることができる。さらに、本発明は、冷却液管の外面の１つまたは複数のチャネルを通る追加の流体流れを可能にすることによって、冷却液管を横切る流体の圧力降下を減少させる。
【００５１】
本発明の様々な態様および実施形態は様々な方法で組み合わせることができることを理解されたい。本明細書の教示内容に基づいて、当業者は、これらの様々な実施形態をどのように組み合わせるかを容易に決定することができる。本明細書を読むことにより当業者は変更案にも想到し得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【国際調査報告】
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