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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-05-13
(45)【発行日】2022-05-23
(54)【発明の名称】液冷プラズマアークトーチ用カートリッジフレーム
(51)【国際特許分類】
H05H 1/28 20060101AFI20220516BHJP
B23K 10/00 20060101ALI20220516BHJP
H05H 1/34 20060101ALI20220516BHJP
【ＦＩ】
H05H1/28
B23K10/00 501A
B23K10/00 504
H05H1/34
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2018505620
(86)(22)【出願日】2016-08-04
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2018-10-04
(86)【国際出願番号】 US2016045589
(87)【国際公開番号】W WO2017024155
(87)【国際公開日】2017-02-09
【審査請求日】2019-07-19
(31)【優先権主張番号】62/200,913
(32)【優先日】2015-08-04
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】500036037
【氏名又は名称】ハイパーサーム インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100105957
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 誠
(74)【代理人】
【識別番号】100068755
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 博宣
(74)【代理人】
【識別番号】100142907
【弁理士】
【氏名又は名称】本田 淳
(72)【発明者】
【氏名】サンダース、ニコラス エイ．
(72)【発明者】
【氏名】シプルスキー、イー．マイケル
(72)【発明者】
【氏名】ホッファ、マイケル
【審査官】鳥居 祐樹
(56)【参考文献】
【文献】特表２０１１－５１３０７２（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１２／０１０３９４６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第０３／０８９１８３（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０５Ｈ １／２８
Ｈ０５Ｈ １／３４
Ｈ０１Ｊ ３７／３２
Ｂ２３Ｋ ９／２８５
Ｂ２３Ｋ ９／００
Ｂ２３Ｋ １０／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
液冷プラズマアークトーチ用の消耗カートリッジフレームであって、トーチヘッドとカートリッジ先端との間に配置されるように構成される絶縁体本体と、
前記絶縁体本体の近位部分に位置する実質的に平面の端面であって、前記トーチヘッドに嵌め合い係合するように構成された端面と、
前記絶縁体本体に配置され、前記トーチヘッドから受け取る第１の流体流を導いて前記消耗カートリッジフレームに接続されたカートリッジ先端のコンポーネントに接触させる第１の冷却路と、
前記絶縁体本体に配置され、前記第１の流体流の少なくとも一部を前記コンポーネントから前記トーチヘッドまで導くように構成される第１の帰還路と、を備え、
前記第１の冷却路と前記第１の帰還路とが、前記絶縁体本体の中心長手軸線に対して非同心であり、
前記第１の冷却路の開口部及び前記第１の帰還路の開口部は前記端面に位置している、消耗カートリッジフレーム。
【請求項2】
所定の配向で前記カートリッジ先端を前記トーチヘッドに径方向に固定するように構成されるトーチ係合機構をさらに備える、請求項１に記載の消耗カートリッジフレーム。
【請求項3】
前記カートリッジ先端が前記トーチ係合機構を介して前記トーチヘッドに径方向に固定されるとき、前記第１の冷却路が前記トーチヘッドの対応する第１の冷却路と実質的に位置合わせされるように構成され、前記第１の冷却路が、前記トーチヘッドから前記カートリッジ先端内へ冷却液を導くように構成される、請求項２に記載の消耗カートリッジフレーム。
【請求項4】
前記カートリッジ先端が前記トーチ係合機構を介して前記トーチヘッドに径方向に固定されるとき、前記第１の帰還路が前記トーチヘッドの対応する第１の帰還路と実質的に位置合わせされるように構成され、前記第１の帰還路が、前記カートリッジ先端から前記トーチヘッド内へ冷却液を導くように構成される、請求項３に記載の消耗カートリッジフレーム。
【請求項5】
以下のａ）からｆ）のうち少なくとも１つを備える請求項１に記載の消耗カートリッジフレームであって、ａ）前記第１の冷却路と前記第１の帰還路が、前記絶縁体本体の近位領域から遠位領域まで長手方向に延在しており重複していない、
ｂ）前記絶縁体本体に配置され、前記絶縁体本体の前記中心長手軸線に対して同心である中心路をさらに備え、前記中心路が、（ｉ）前記トーチヘッドから電極まで前記第１の流体流を導く、および（ｉｉ）前記トーチヘッドから前記電極まで電流を流す、の少なくとも一方を実行するように構成される、
ｃ）前記コンポーネントが第１のコンポーネントであり、
前記消耗カートリッジフレームが、
前記絶縁体本体に配置され、前記トーチヘッドから受け取る前記第１の流体流の少なくとも一部を導いて、前記第１のコンポーネントと異なる前記カートリッジ先端の第２のコンポーネントに接触させる第２の冷却路と、
前記絶縁体本体に配置され、前記第１の流体流の少なくとも一部を前記第２のコンポーネントから前記トーチヘッドまで導くように構成される第２の帰還路と、をさらに備え、
前記第２の冷却路と前記第２の帰還路が前記絶縁体本体の前記中心長手軸線に対して非同心である、
ｄ）前記第１の流体流が冷却液流を備える、
ｅ）前記カートリッジ先端の前記コンポーネントがノズルおよびシールドの一方を備える、
ｆ）前記絶縁体本体に配置され、第２の流体流を前記カートリッジ先端の第２のコンポーネントまで導くように構成される少なくとも１つのガス路をさらに備え、前記少なくとも１つのガス路が前記絶縁体本体の前記中心長手軸線に対して非同心であり、前記第２の流体流がプラズマガス流またはシールドガス流を備えるか或いは前記第２のコンポーネントがノズルおよびシールドの一方を備える、
消耗カートリッジフレーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は概して液冷プラズマアークトーチ用のカートリッジフレームに関し、特に、一体型コンポーネントを有する１つ以上の交換可能な低コストカートリッジフレームに関する。
【背景技術】
【0002】
プラズマアークトーチなどの熱処理トーチは、材料の高温処理（たとえば、加熱、切断、溝切り、刻印）に幅広く使用される。プラズマアークトーチは一般的に、トーチヘッド、トーチヘッド内に搭載される電極、電極の穴に配置される放射インサート、トーチヘッド内に搭載される中央出口孔付きのノズル、シールド、電気接続部、冷却用通路、アーク制御流体（たとえば、プラズマガス）用の通路、電源を含む。旋回リングは、電極とノズルとの間に形成されるプラズマチャンバ内の流体流パターンを制御するために使用することができる。トーチによっては、保持キャップが、プラズマアークトーチ内にノズルおよび／または旋回リングを保持するために使用される。動作時、トーチは高温および十分な運動量でイオン化ガスの狭いジェット流であるプラズマアークを生成し、溶融金属の除去を助ける。トーチで使用されるガスは非反応性ガス（たとえば、アルゴンまたは窒素）または反応性ガス（たとえば、酸素または空気）とすることができる。
【0003】
既存のプラズマ切断システムは、様々な流および／または動作モードで利用可能であり、熱処理動作を実行するユーザによって現場で反復的に組立および分解される広範な独立した消耗品を含む。多数の消耗オプションは、ユーザにとって大量の部品数と在庫を必要とするため、ユーザを混乱させ、誤った消耗品を設置する可能性を高めることがある。また、多数の消耗オプションは、長いトーチセットアップ時間を要し、切断工程間の移行を困難にする可能性がある。こうした切断工程はトーチ内の消耗品の様々な配置を必要とし、現場では１度に１つのコンポーネントずつ配置されることが多い。たとえば、切断動作前、特定の切断タスクに対して正確なセットの消耗品を選択し設置することは面倒で時間がかかる可能性がある。さらに、現場でのこれらのコンポーネントの選択、組立、設置は、旧コンポーネントが新コンポーネントと共に使用されるとき、位置合わせまたは互換性の問題を引き起こす可能性がある。トーチ動作中、既存の消耗品は、適切な消耗品の位置合わせと間隔設定を維持できないなどの性能上の問題を有することがある。さらに、現存の消耗品は、相当量の高価な材料（たとえば、Ｖｅｓｐｅｌ（登録商標））を含み、比較的複雑な製造工程を必要とすることが多く、高額な製造コストを要し、広範囲に及ぶ商品化、製造、採用を阻む。必要とされるのは、製造コスト、時間、部品数を低減し、システム性能（たとえば、コンポーネントの位置合わせ、切断品質、消耗品寿命、多様性／汎用性など）を高め、エンドユーザによる消耗品の設置と使用を簡易化する、新規かつ改良された液冷プラズマアークトーチ用の消耗プラットフォームである。
【発明の概要】
【0004】
本発明は、１つ以上の一体型のコスト効果の高い液冷プラズマアークトーチ用のカートリッジ設計を提供する。概して、本カートリッジは一揃いの２つ以上の消耗コンポーネントを含むため、各消耗コンポーネントを個別に設置／交換することに比べて、使い易く、プラズマアークトーチへの設置時間を短縮する。また、消耗カートリッジの使用は、オペレータが誤った消耗部品を配置して、設置中の部品を汚染する、および／または脆弱または不良部品を偶然にトーチに戻す可能性を低減する。これらの利点のため、経験豊かなオペレータが液冷プラズマアークトーチを動作させる必要性がなくなる。また、液冷トーチにおいてカートリッジを使用することによって、コンポーネントの位置合わせ、切断の一貫性、切断品質が向上する。さらに、消耗カートリッジの使用により、在庫として保管する必要がある消耗部品の数が少なくなるため、供給業者が恩恵を得る。場合によっては、供給業者は、他の用途のために、使用済みカートリッジを買い戻し、再利用することができる。しかしながら、製造コストと材料コストはカートリッジの幅広い商品化と生産を阻む可能性がある。本発明は、カートリッジの商品化と生産を簡易化し、設置を改善する１つ以上のコスト効果の高いカートリッジ設計を提供することによって、この問題を解決する。
【0005】
１側面によると、本発明は液冷プラズマアークトーチ用の消耗カートリッジフレームを特徴とし、該消耗カートリッジフレームは、トーチヘッドとカートリッジ先端との間に配置されるように構成される絶縁体本体と、本体に配置され、トーチヘッドから受け取る第１の流体流を導いてカートリッジフレームに接続されたカートリッジ先端のコンポーネントに接触させる第１の冷却路と、本体に配置され、第１の流体流の少なくとも一部をコンポーネントからトーチヘッドまで導くように構成される第１の帰還路とを含む。第１の冷却路と第１の帰還路は本体の中心長手軸線に対して非同心である。
【0006】
いくつかの実施形態では、消耗カートリッジフレームは、所定の配向でカートリッジ先端をトーチヘッドに径方向に固定するように構成されるトーチ係合機構をさらに含む。カートリッジ先端がトーチ係合機構を介してトーチヘッドに径方向に固定されるとき、第１の冷却路は、トーチヘッドの対応する第１の冷却路と実質的に位置合わせされるように構成することができる。第１の液体冷却路は、トーチヘッドからカートリッジ先端内へ冷却液を導くように構成することができる。カートリッジ先端がトーチ係合機構を介してトーチヘッドに径方向に固定されるとき、第１の帰還路は、トーチヘッドの対応する第１の帰還路と実質的に位置合わせされるように構成することができる。第１の帰還路は、カートリッジ先端からトーチヘッド内へ冷却液を帰還させるように構成することができる。
【0007】
いくつかの実施形態では、消耗カートリッジフレームは、絶縁体本体に配置され、絶縁体本体の中心長手軸線に対して同心である中心路をさらに備え、中心路は、（ｉ）トーチヘッドから電極まで第１の流体流を導く、および（ｉｉ）トーチヘッドから電極まで電流を流す、の少なくとも一方を実行するように構成される。消耗カートリッジフレームは、絶縁体本体に配置され、トーチヘッドから受け取る第１の流体流の少なくとも一部を導いて第１のコンポーネントと異なるカートリッジ先端の第２のコンポーネントと接触させる第２の冷却路と、絶縁体本体に配置され、第２のコンポーネントからトーチヘッドまで第１の流体流の少なくとも一部を導くように構成される第２の帰還路とをさらに含むことができる。第２の冷却路と第２の帰還路は、絶縁体本体の中心長手軸線に対して非同心にすることができる。
【0008】
いくつかの実施形態では、消耗カートリッジフレームは、絶縁体本体に配置され、第２の流体流をカートリッジ先端の第２のコンポーネントに導くように構成される少なくとも１つのガス路をさらに含む。少なくとも１つのガス路は絶縁体本体の中心長手軸線に対して非同心である。第２の流体流はプラズマガス流またはシールドガス流を備えることができる。第２のコンポーネントはノズルおよびシールドの少なくとも一方を備えることができる。
【0009】
いくつかの実施形態では、第１の流体流は冷却液流を備える。いくつかの実施形態では、カートリッジ先端のコンポーネントはノズルおよびシールドの一方を備える。いくつかの実施形態では、第１の冷却路と第１の帰還路は絶縁体本体の近位領域から遠位領域まで長手方向に延在し重複しない。
【0010】
別の側面によると、液冷プラズマアークトーチカートリッジ消耗品用のカートリッジフレームが提供される。カートリッジフレームは中心領域と、内面と、外面と、近位部分と、遠位部分とを有するカートリッジフレーム本体を含み、カートリッジフレーム本体は少なくとも実質的に非導電性の材料で作製される。カートリッジフレームは、カートリッジフレーム本体の近位部分に位置するトーチ係合インタフェース面をさらに含み、トーチ係合インタフェース面はトーチヘッドと係合する。カートリッジフレームは中心領域に形成される複数のコンポーネント位置合わせ機構と、近位部分と遠位部分との間の複数の路とをさらに含む。複数の通路は中心領域の中心軸から外れて位置する。複数の通路は液体とガスをカートリッジフレームに通過させるように構成される。
【0011】
いくつかの実施形態では、１つ以上のコンポーネント位置合わせ機構は、ノズルをカートリッジフレームの内面と位置合わせし、ノズルを内面に嵌め合い係合させるように構成される。１つ以上のコンポーネント位置合わせ機構は、ノズルをカートリッジフレームと軸方向に位置合わせし、嵌め合い係合させるように構成される１つ以上の段部を備えることができる。１つ以上のコンポーネント位置合わせ機構は、カートリッジフレームの内面の一部に沿って変動する径を備え、ノズルをカートリッジフレームに径方向に位置合わせして、嵌め合い係合させることができる。いくつかの実施形態では、コンポーネント位置合わせ機構の１つ以上は、シールドをカートリッジフレームの外面と位置合わせし、シールドを外面に嵌め合い係合させるように構成される。
【0012】
いくつかの実施形態では、複数の通路は、計量されたシールドガス流を供給するように構成されるシールドガス路を備える。カートリッジフレームは、カートリッジフレーム本体の遠位部分に配置されるバッフルとシールド旋回リングとをさらに含むことができる。バッフルとシールド旋回リングは、シールドガス路と流体連通して、該シールドガス路を通るシールドガス流の少なくとも１つのパラメータを調節することができる。
【0013】
いくつかの実施形態では、カートリッジフレームは、カートリッジフレームの内面に開口部をさらに含む。複数の通路は冷却液をノズルに供給するように構成される冷却液路を含み、開口部は冷却液路と流体連通し、冷却液をノズルから離れるように導く。いくつかの実施形態では、カートリッジフレームは、カートリッジフレームの外面に開口部をさらに含む。複数の通路は冷却液をシールドに供給するように構成される冷却液路を含み、開口部は冷却液路と流体連通し、冷却液をシールドから離れるように導く。
【0014】
いくつかの実施形態では、カートリッジフレームは、カートリッジフレームの内面から外面に延在する通気路をさらに含む。
別の側面によると、液冷プラズマアークトーチ用の消耗カートリッジが提供される。消耗カートリッジは遠位領域と近位領域を有する本体部、遠位領域にありプラズマエミッタとプラズマアークコンストリクタとを含む先端部、体の遠位領域において近位領域から先端部まで延在する２つ以上の非同心路を含む。
別の側面によると、液冷プラズマアークトーチ用の消耗カートリッジが提供される。消耗カートリッジは遠位領域と近位領域を有する本体部、遠位領域にありプラズマエミッタとプラズマアークコンストリクタとを含む先端部、体の遠位領域において近位領域から先端部まで延在する２つ以上の非同心路を含む。
【0015】
いくつかの実施形態では、２つ以上の非同心路は、絶縁体材料からなるカートリッジフレームに配置される。いくつかの実施形態では、カートリッジフレームは先端部とトーチヘッドとの間のインタフェースを形成する。
【0016】
いくつかの実施形態では、先端部はノズル、シールド、および電極のうちの少なくとも１つを備える。いくつかの実施形態では、２つ以上の非同心路は、（ｉ）ノズルと流体連通する冷却液路と帰還路とを含み、ノズルとの間で冷却液をやり取りする第１のセットの通路、（ｉｉ）シールドと流体連通する冷却液路と帰還路とを含み、シールドとの間で冷却液の少なくとも一部をやり取りする第２のセットの通路を含む。いくつかの実施形態では、２つ以上の非同心路は、プラズマガスを旋回リングとノズルとの間の通路に供給するプラズマガス路を含む。いくつかの実施形態では、２つ以上の非同心路は、シールドガスをシールドとノズルとの間の通路に供給するシールドガス路を含む。いくつかの実施形態では、消耗カートリッジは電極と流体連通する中心路をさらに含み、中心路は冷却液および電流の少なくとも一方を電極に流すように構成される。
【0017】
別の側面によると、液冷プラズマアークトーチ用の消耗カートリッジフレームが提供される。消耗カートリッジフレームはプラズマアークトーチのトーチヘッドに接続するように構成される第１のインタフェースと、消耗品の長手軸線に沿って第１の面に対して軸方向に間隔をおいて配置される第２のインタフェースとを含み、第２のインタフェースが、少なくともノズル、シールド、電極、旋回リングを含む複数のコンポーネントに接続するように構成される。消耗カートリッジフレームは、長手軸線に沿って延在して第１のインタフェースと第２のインタフェースとを接続する本体部をさらに含む。本体部は、第１のインタフェースと第２のインタフェースを通って液体とガスをトーチヘッドと複数のコンポーネントとの間に導くように構成される複数の通路を含む。
【0018】
いくつかの実施形態では、第１のインタフェースは、所定の配向でトーチヘッドに径方向に固定するように構成される位置合わせ機構を含む。複数の通路は、所定の配向でトーチヘッドの対応する通路と位置合わせして、トーチヘッドと複数のコンポーネントとの間に液体とガスを導くように構成することができる。いくつかの実施形態では、複数の通路の２つ以上は非同心である。
【0019】
いくつかの実施形態では、第２のインタフェースは、（ｉ）消耗カートリッジフレームの内面にノズルをカートリッジフレームに嵌め合い係合させて軸方向に位置合わせする少なくとも１つの段部、（ｉｉ）径が変動し、ノズルをカートリッジフレームに嵌め合い係合させて径方向に位置合わせする消耗カートリッジフレームの内面の少なくとも一部、を備える。第２のインタフェースは、シールドをカートリッジフレームと軸方向および径方向に位置合わせし、シールドをカートリッジフレームに嵌め合い係合させる位置合わせ機構をさらに含むことができる。位置合わせ機構は、消耗カートリッジの外面に段部および嵌合部の少なくとも一方を備えることができる。
【0020】
いくつかの実施形態では、消耗カートリッジフレームは、第１のインタフェースに隣接して本体部に配置される空隙をさらに含むことができる。空隙は、トーチヘッドのリーダ装置との通信のためにＲＦＩＤタグを収容するように構成される。
【0021】
さらに別の側面によると、液冷プラズマアークトーチカートリッジ消耗品用のカートリッジフレームが提供される。カートリッジフレームは、近位部分と、遠位部分と、外面と、カートリッジフレーム本体の中心路への内側開口部とを有するカートリッジフレーム本体を含む。カートリッジフレームは、カートリッジフレーム本体の近位部分からカートリッジフレーム本体の遠位部分まで延在するシールドガス路、カートリッジフレーム本体の近位部分から内側開口部まで延在するノズル冷却液供給路、カートリッジフレーム本体の内側開口部から近位部分まで延在するノズル冷却液帰還路をさらに含む。カートリッジフレームは、カートリッジフレーム本体の外面の周冷却液流路、近位部分から周冷却液流路まで延在するシールド冷却液供給路、周冷却液流路から近位部分まで延在するシールド冷却液帰還路をさらに含む。
【0022】
さらに別の側面によると、プラズマアークトーチ用の液冷消耗カートリッジが提供される。カートリッジは（ｉ）電極、（ｉｉ）外面に第１の外側保持機構と第２の外側保持機構を有し、電極が固定される旋回リング、（ｉｉｉ）内面に内側保持機構を有するノズルを含み、ノズルの内側保持機構が旋回リングの第１の外側保持機構と嵌合する。カートリッジは、内面に内側保持機構と外面に外側保持機構とを有するカートリッジフレームをさらに含む。カートリッジフレームの内側保持機構は旋回リングの第２の外側保持機構と嵌合する。カートリッジは、内面にカートリッジフレームの外側保持機構と嵌合する内側保持機構を有するシールドをさらに含む。少なくともノズル、旋回リング、カートリッジフレーム、シールドは嵌合後に軸方向に所定位置に固定されて、カートリッジフレームからシールドまたはノズルまでの少なくとも１つの液体流路を提供する。
【0023】
いくつかの実施形態では、電極とノズルは、電極とノズルとの間の物理的接触なしに軸方向および径方向に相互に位置合わせされる。いくつかの実施形態では、ノズルとシールドは、ノズルとシールドとの間の物理的接触なしに軸方向および径方向に相互に位置合わせされる。
【0024】
いくつかの実施形態では、シールド、ノズル、旋回リングのうち少なくとも１つがカートリッジフレームと直接嵌合する。電極は旋回リングおよび電極絶縁体の少なくとも一方を介して、カートリッジフレームと間接的に嵌合する。
【0025】
いくつかの実施形態では、ノズルの内側保持機構と旋回リングの第１の外側保持機構との嵌合により、ノズルと旋回リングが位置合わせされる。いくつかの実施形態では、カートリッジフレームの内側保持機構と旋回リングの第２の外側保持機構との嵌合により、カートリッジフレームと旋回リングとの間で軸方向位置合わせと径方向位置合わせの少なくとも一方が実行される。いくつかの実施形態では、シールドの内側保持機構とカートリッジフレームの外側保持機構との嵌合により、カートリッジフレームとシールドとの間で軸方向位置合わせと径方向位置合わせの少なくとも一方が実行される。いくつかの実施形態では、カートリッジフレームは、ノズルの外面の外側保持機構と嵌合される第２の内側保持機構を内面にさらに備える。カートリッジフレームとノズルとの嵌合により、カートリッジフレームとノズルとの間で軸方向位置合わせと径方向位置合わせの少なくとも一方が実行される。
【0026】
いくつかの実施形態では、ノズルはノズルジャケットに連結される非通気ノズルである。いくつかの実施形態では、ノズルはノズルライナーに連結される通気ノズルである。
さらに別の側面によると、プラズマアークトーチ用の液冷消耗カートリッジが提供される。カートリッジは、（ｉ）電極、（ｉｉ）外面に外側保持機構と内面に内側保持機構とを有する旋回リングであって、電極が旋回リングの内側保持面に固定される旋回リング、（ｉｉｉ）外面に外側保持機構を有するノズルを含む。カートリッジは、内面に第１の内側保持機構と第２の内側保持機構と外面に外側保持機構とを有するカートリッジフレームをさらに含む。カートリッジフレームの第１の内側保持機構は旋回リングの外側保持機構に嵌合し、カートリッジフレームの第２の内側保持機構はノズルの外側保持機構に嵌合する。カートリッジは、カートリッジフレームの外側保持機構に嵌合する内側保持機構を内面に有するシールドをさらに含む。少なくともノズル、旋回リング、カートリッジフレーム、シールドは、嵌合時に所定位置で軸方向に固定される。
さらに別の側面によると、プラズマアークトーチ用の液冷消耗カートリッジが提供される。カートリッジは、（ｉ）電極、（ｉｉ）外面に外側保持機構と内面に内側保持機構とを有する旋回リングであって、電極が旋回リングの内側保持面に固定される旋回リング、（ｉｉｉ）外面に外側保持機構を有するノズルを含む。カートリッジは、内面に第１の内側保持機構と第２の内側保持機構と外面に外側保持機構とを有するカートリッジフレームをさらに含む。カートリッジフレームの第１の内側保持機構は旋回リングの外側保持機構に嵌合し、カートリッジフレームの第２の内側保持機構はノズルの外側保持機構に嵌合する。カートリッジは、カートリッジフレームの外側保持機構に嵌合する内側保持機構を内面に有するシールドをさらに含む。少なくともノズル、旋回リング、カートリッジフレーム、シールドは、嵌合時に所定位置で軸方向に固定される。
【0027】
さらに別の側面によると、液冷プラズマアークトーチ用の消耗カートリッジが提供される。消耗カートリッジは、非導電性のカートリッジフレームと、プラズマプレナムを部分的に画定するセットの導電消耗コンポーネントとを含む。セットの導電コンポーネントはカートリッジフレームに装着される。消耗カートリッジは体積で少なくとも５０％非導電性材料からなる。いくつかの実施形態では、消耗カートリッジは体積で約６０％～約８０％非導電性材料からなる。
【0028】
いくつかの実施形態では、消耗カートリッジは使い捨てカートリッジである。セットの導電消耗コンポーネントは、カートリッジフレームへの装着後、個別に処理または保守することができない。
【0029】
いくつかの実施形態では、カートリッジフレームは、セットの導電コンポーネントと流体連通する液体路とガス路を備える。液体路とガス路はカートリッジフレームの中心長手軸線に対して非同心である。
【0030】
いくつかの実施形態では、セットの導電消耗コンポーネントはシールド、ノズル、電極を備える。
別の側面によると、複数のコンポーネントから一体型消耗カートリッジを製造する方法が提供される。該方法は、電極を旋回リングに軸方向および径方向に固定することと、旋回リングの外面の保持機構をカートリッジフレームまたはノズルの内面の嵌合保持機構の少なくとも１つに軸方向および径方向に固定することと、カートリッジフレームの外面の保持機構をシールドの内面の嵌合保持機構に軸方向および径方向に固定することとを含む。消耗コンポーネント間の軸方向および径方向の固定により、カートリッジフレームの少なくとも１つの内側流体路と（ｉ）ノズルの流体通路または（ｉｉ）シールドの流体通路とが位置合わせされる。
別の側面によると、複数のコンポーネントから一体型消耗カートリッジを製造する方法が提供される。該方法は、電極を旋回リングに軸方向および径方向に固定することと、旋回リングの外面の保持機構をカートリッジフレームまたはノズルの内面の嵌合保持機構の少なくとも１つに軸方向および径方向に固定することと、カートリッジフレームの外面の保持機構をシールドの内面の嵌合保持機構に軸方向および径方向に固定することとを含む。消耗コンポーネント間の軸方向および径方向の固定により、カートリッジフレームの少なくとも１つの内側流体路と（ｉ）ノズルの流体通路または（ｉｉ）シールドの流体通路とが位置合わせされる。
【0031】
いくつかの実施形態では、電極を旋回リングに軸方向および径方向に固定することは、電極を電極絶縁体に軸方向および径方向に固定することと、電極絶縁体を旋回リングに軸方向および径方向に固定することとを備える。
【0032】
いくつかの実施形態では、該方法は、カートリッジフレーム内のプラズマガス路を、旋回リングとノズルとの間のガス通路と径方向に位置合わせすることをさらに備える。いくつかの実施形態では、該方法は、カートリッジフレーム内のシールドガス路を、ノズルとシールドとの間のガス通路と径方向に位置合わせすることをさらに備える。いくつかの実施形態では、該方法は、カートリッジフレーム内の中心路を電極と径方向に位置合わせすることをさらに備える。いくつかの実施形態では、該方法は、カートリッジフレーム内の第１の冷却液路および第２の冷却液路をノズルと径方向に位置合わせすることと、カートリッジフレーム内の第３の冷却液路および第４の冷却液路をシールドと径方向に位置合わせすることとをさらに備える。
【0033】
いくつかの実施形態では、該方法は、亜鉛を用いてダイカストによって旋回リングを形成することをさらに備える。いくつかの実施形態では、該方法は、非導性電材料を用いて鋳造によってカートリッジフレームを形成することをさらに備える。いくつかの実施形態では、該方法は、導電性材料を用いて打抜き加工によってシールドを形成することをさらに備える。いくつかの実施形態では、複数のコンポーネントの軸方向および径方向の固定は、スナップ嵌め、プレス嵌めまたは干渉、クリンピング、糊付け、セメント付け、および溶接のうちの１つ以上によって実行される。
【0034】
別の側面によると、プラズマアーク切断トーチ用の液冷消耗カートリッジを組み立てる方法が提供される。該方法は、中心領域と、外面と、遠位端と、近位端とを有する絶縁体カートリッジフレームを設けることを含む。該方法は、中心領域において旋回コンポーネントをカートリッジフレームに連結することと、中心領域において電極をカートリッジフレームに連結することと、中心領域においてノズルをカートリッジフレームに連結することと、外面においてシールドをカートリッジフレームに連結することとをさらに含む。
【0035】
いくつかの実施形態では、旋回コンポーネントをカートリッジフレームに連結することは、旋回コンポーネントの外面とカートリッジフレームの内面とを嵌合させて、旋回コンポーネントのカートリッジフレームへの軸方向位置合わせと径方向位置合わせの少なくとも一方を提供することを備える。いくつかの実施形態では、ノズルをカートリッジフレームに連結することは、ノズルの外面をカートリッジフレームの内面に連結して、ノズルのカートリッジフレームへの軸方向位置合わせと径方向位置合わせの少なくとも一方を提供することを備える。いくつかの実施形態では、外面でシールドをカートリッジフレームに連結することにより、シールドのカートリッジフレームへの軸方向位置合わせと径方向位置合わせの少なくとも一方が提供される。いくつかの実施形態では、該方法は、旋回コンポーネントおよび電極絶縁体の少なくとも一方を介して電極をカートリッジフレームに連結することをさらに備える。いくつかの実施形態では、該連結により、カートリッジフレームの少なくとも１つの内側流体路と（ｉ）ノズルの流体通路または（ｉｉ）シールドの流体通路とが位置合わせされる。
【0036】
いくつかの実施形態では、該方法は、中心領域のカートリッジフレームの遠位端にバッフルと第２の旋回コンポーネントとを配置することをさらに備える。
液冷プラズマアークトーチ用の消耗カートリッジが提供される。消耗カートリッジは、端面を有する近位端と、遠位端と、中心長手軸線が延在する本体とを備える。カートリッジは、トーチヘッドとのＲＦＩＤインタフェースを形成するように構成される。消耗カートリッジは、遠位端でカートリッジフレームに装着されるアークエミッタおよびアークコンストリクタと、端面に隣接してカートリッジフレーム上または内に形成されるＲＦＩＤ搭載機構とをさらに備える。ＲＦＩＤ搭載機構は本体の中心長手軸線に対して非同心である。消耗カートリッジは、カートリッジがトーチヘッドに接続されたとき、カートリッジに関する情報をトーチヘッドのリーダ装置に送信するためにＲＦＩＤ搭載機構上または内に配置されるＲＦＩＤタグと、カートリッジのトーチヘッドへの接続時、ＲＦＩＤタグをトーチヘッドのリーダ装置に回転方向に位置合わせするように構成されるクロッキング機構とをさらに備える。
液冷プラズマアークトーチ用の消耗カートリッジが提供される。消耗カートリッジは、端面を有する近位端と、遠位端と、中心長手軸線が延在する本体とを備える。カートリッジは、トーチヘッドとのＲＦＩＤインタフェースを形成するように構成される。消耗カートリッジは、遠位端でカートリッジフレームに装着されるアークエミッタおよびアークコンストリクタと、端面に隣接してカートリッジフレーム上または内に形成されるＲＦＩＤ搭載機構とをさらに備える。ＲＦＩＤ搭載機構は本体の中心長手軸線に対して非同心である。消耗カートリッジは、カートリッジがトーチヘッドに接続されたとき、カートリッジに関する情報をトーチヘッドのリーダ装置に送信するためにＲＦＩＤ搭載機構上または内に配置されるＲＦＩＤタグと、カートリッジのトーチヘッドへの接続時、ＲＦＩＤタグをトーチヘッドのリーダ装置に回転方向に位置合わせするように構成されるクロッキング機構とをさらに備える。
【0037】
いくつかの実施形態では、ＲＦＩＤ搭載機構は、カートリッジフレームの本体に配置される空隙を備える。ＲＦＩＤタグはカートリッジフレームの本体の空隙に埋め込み、本体の絶縁体材料で覆うことができる。いくつかの実施形態では、端面は実質的に平面状であり、ＲＦＩＤリーダがプラズマアークトーチの外部からＲＦＩＤタグを問い合わせることができる。いくつかの実施形態では、ＲＦＩＤタグはプラズマアークトーチの内部または外部から読み取り可能である。
【0038】
いくつかの実施形態では、カートリッジフレームの本体は絶縁体材料からなる。いくつかの実施形態では、カートリッジフレームの本体は、冷却液を導く少なくとも１つの通路を備える。少なくとも１つの通路は、クロッキング機構による回転方向位置合わせ時、トーチヘッドの対応する通路と実質的に位置合わせされて、トーチヘッドとカートリッジとの間に冷却液を導くように構成することができる。
【0039】
いくつかの実施形態では、回転方向位置合わせ時、カートリッジフレームのＲＦＩＤタグとトーチヘッドのリーダ装置は、中心軸がＲＦＩＤタグの中心線とリーダ装置の中心線を延在するように配向される。いくつかの実施形態では、回転方向位置合わせ時、ＲＦＩＤタグとリーダ装置との間の第１の距離は、ＲＦＩＤタグとトーチヘッドまたはカートリッジに配置される隣接金属材料との間の第２の距離より短い。
【0040】
いくつかの実施形態では、クロッキング機構は、トーチヘッドから延在するクロッキングピンを収容するように構成される空隙を備える。
さらに別の側面によると、液冷プラズマアーク切断トーチ用の消耗カートリッジが提供される。消耗カートリッジは、カートリッジの第１の部分に位置するカートリッジ先端を含む。カートリッジ先端は電極、ノズル、シールドを有する。消耗カートリッジは、消耗カートリッジの第２の部分のプラズマガス入口開口部、第２の部分のシールドガス入口開口部、第２の部分の電極冷却液入口開口部、第２の部分のノズル冷却液入口開口部およびノズル冷却液出口開口部、第２の部分のシールド冷却液入口開口部およびシールド冷却液出口開口部を含む。
さらに別の側面によると、液冷プラズマアーク切断トーチ用の消耗カートリッジが提供される。消耗カートリッジは、カートリッジの第１の部分に位置するカートリッジ先端を含む。カートリッジ先端は電極、ノズル、シールドを有する。消耗カートリッジは、消耗カートリッジの第２の部分のプラズマガス入口開口部、第２の部分のシールドガス入口開口部、第２の部分の電極冷却液入口開口部、第２の部分のノズル冷却液入口開口部およびノズル冷却液出口開口部、第２の部分のシールド冷却液入口開口部およびシールド冷却液出口開口部を含む。
【0041】
いくつかの実施形態では、第２の部分はカートリッジの近位部分の端面を備える。端面は実質的に平面状とすることができる。
いくつかの実施形態では、プラズマガス入口開口部、シールドガス入口開口部、ノズル冷却液入口開口部、ノズル冷却液出口開口部、シールド冷却液入口開口部、シールド冷却液出口開口部は、カートリッジの中心長手軸線に対して非同心である。
いくつかの実施形態では、プラズマガス入口開口部、シールドガス入口開口部、ノズル冷却液入口開口部、ノズル冷却液出口開口部、シールド冷却液入口開口部、シールド冷却液出口開口部は、カートリッジの中心長手軸線に対して非同心である。
【0042】
いくつかの実施形態では、プラズマガス入口開口部は、トーチヘッドの対応する開口部と位置合わせされて、トーチヘッドからノズルまでプラズマガス流を方向付けるように構成される。いくつかの実施形態では、シールドガス入口開口部はシールドと流体連通する。シールドガス入口開口部は、トーチヘッドの対応する開口部と位置合わせされて、シールドガス流をシールドまで方向付けるように構成される。いくつかの実施形態では、電極冷却液入口開口部は、電極との電気的接続および流体連通の少なくとも一方を維持する。電極冷却液入口開口部は、トーチヘッドの対応する開口部と位置合わせされて、冷却液および電流の少なくとも一方を電極まで方向付けるように構成される。いくつかの実施形態では、ノズル冷却液入口開口部とノズル冷却液出口開口部はノズルと流体連通する。ノズル冷却液入口開口部とノズル冷却液出口開口部は、トーチヘッドの対応する開口部とそれぞれ位置合わせされて、冷却液をトーチヘッドとノズルとの間に導くように構成される。いくつかの実施形態では、シールド冷却液入口開口部とシールド冷却液出口開口部はシールドと流体連通する。シールド冷却液入口開口部とシールド冷却液出口開口部は、トーチヘッドの対応する開口部とそれぞれ位置合わせされて、冷却液をトーチヘッドとシールドとの間に導くように構成される。いくつかの実施形態では、ノズル冷却液出口開口部はシールド冷却液入口開口部に流体接続される。
【0043】
いくつかの実施形態では、消耗カートリッジは第２の部分にクロッキングピン受けをさらに備える。クロッキングピン受けは、所定の配向でカートリッジをトーチヘッドに径方向に固定するトーチヘッドのクロッキングピンを収容するように構成される。
【0044】
いくつかの実施形態では、消耗カートリッジは絶縁体本体を有するカートリッジフレームをさらに備える。カートリッジフレームはカートリッジ先端に連結される。プラズマガス入口開口部、シールドガス入口開口部、電極冷却液入口開口部、ノズル冷却液入口開口部、ノズル冷却液出口開口部、シールド冷却液入口開口部、シールド冷却液出口開口部は絶縁体本体の近位端に位置する。いくつかの実施形態では、消耗カートリッジは、カートリッジフレームの絶縁体本体に配置される非同心空隙と、空隙に配置されるＲＦＩＤタグとをさらに備える。
【0045】
さらに別の側面によると、液冷プラズマアーク切断トーチ用の消耗カートリッジが提供される。消耗カートリッジはカートリッジの第１の部分に位置するカートリッジ先端を含む。カートリッジ先端は電極、ノズル、シールドを有する。消耗カートリッジはカートリッジの第２の部分にカートリッジフレームをさらに含む。カートリッジフレームはカートリッジ先端に接続される遠位端と近位端とを備える。カートリッジフレームは、近位端においてノズルとの流体連通を維持してプラズマガス流をノズルに導入するように構成されるプラズマガス入口開口部、近位端にシールドとの流体連通を維持してシールドガス流をシールドに導入するように構成されるシールドガス入口開口部、近位端において電極との電気的接続および流体連通の少なくとも一方を維持して、冷却液流および電流の少なくとも一方を電極に導入するように構成される電極インタフェースを含む。カートリッジフレームは、近位端においてカートリッジフレームとノズルとの間で冷却液流を循環させるように構成されるノズル冷却液入口開口部およびノズル冷却液出口開口部と、近位端においてカートリッジフレームとシールドとの間で冷却液流を循環させるように構成されるシールド冷却液入口開口部およびシールド冷却液出口開口部とをさらに含む。
【0046】
別の側面によると、液冷プラズマアークトーチ用のトーチヘッドが提供される。トーチヘッドはトーチ本体と、実質的に非導電性の絶縁体本体を有するトーチ絶縁体とを含む。トーチ絶縁体はトーチ本体に連結される。トーチ絶縁体は以下を含む。（ｉ）絶縁体本体に配置され、第１の既存の流路に沿ってトーチヘッドから消耗カートリッジ内へ流体流を導くように構成される第１の冷却液路、（ｉｉ）絶縁体本体に配置され、第１の既存の流路に沿ってカートリッジからトーチヘッドまで流体流の少なくとも一部を帰還させる第１の液体帰還路、（ｉｉｉ）絶縁体本体に配置され、第２の既存の流路に沿ってトーチヘッドからカートリッジまで第１のガス流を導くように構成されるガス路。第１および第２の既存の流路は相互に流体隔離される。
【0047】
いくつかの実施形態では、トーチヘッドは、所定の配向でトーチヘッドをカートリッジに径方向に固定して、トーチ絶縁体とカートリッジを延在する第１および第２の既存の流路を維持するように構成される位置合わせ機構をさらに備える。トーチヘッドが位置合わせ機構を介してカートリッジに径方向に固定されるとき、第１の冷却液路は、カートリッジの対応する第１の冷却液路と実質的に位置合わせされるように構成することができる。トーチヘッドが位置合わせ機構を介してカートリッジに径方向に固定されるとき、第１の液体帰還路は、カートリッジの対応する第１の液体帰還路と実質的に位置合わせされるように構成することができる。第１の既存の流路は、トーチヘッドの第１の冷却液路、カートリッジの対応する第１の冷却液路、カートリッジの対応する第１の液体帰還路、トーチヘッドの第１の液体帰還路を備えることができる。
【0048】
いくつかの実施形態では、トーチ絶縁体は、絶縁体本体に埋め込まれ、ガス路と流体連通し、ガス路への供給のために複数のガスのうちの１つを選択するように構成されるガスバルブをさらに備える。いくつかの実施形態では、トーチ絶縁体は、絶縁体本体に配置され、第３の既存の流路に沿ってトーチヘッドからカートリッジまで第２のガス流を導くように構成される第２のガス路をさらに備える。第２の既存の流路と第３の既存の流路は相互に流体隔離される。いくつかの実施形態では、トーチ絶縁体は絶縁体本体に配置される中心路をさらに備え、中心路は、トーチヘッドからカートリッジまで（ｉ）電流および（ｉｉ）流体流の少なくとも一部の少なくとも一方を供給するように構成される。いくつかの実施形態では、トーチ絶縁体は絶縁体本体に配置される電気路をさらに備え、電気路はトーチヘッドとカートリッジとの間のオーム接触を確立するオーム接触接続部を収容するように構成される。
【0049】
いくつかの実施形態では、トーチ絶縁体は、（ｉ）絶縁体本体の遠位端において、カートリッジからパイロットアーク電流を受け取るように構成される電流リング、（ｉｉ）電流リングと電気的に接続して、パイロットアーク電流をカートリッジからトーチヘッドに流すパイロットアーク接続部を収容するように構成されるパイロットアーク路、をさらに備える。
【0050】
いくつかの実施形態では、トーチ絶縁体は、（ｉ）絶縁体本体に配置され、第１の既存の流路に沿ってトーチヘッドからカートリッジ内へ流体流の少なくとも一部を導くように構成される第２の冷却液路、（ｉｉ）絶縁体本体に配置され、第１の既存の流路に沿ってカートリッジからトーチヘッドまで流体流の少なくとも一部を帰還させる第２の液体帰還路、（ｉｉｉ）絶縁体本体に配置され、第１の液体帰還路と第２の冷却液路を接続する分配路、をさらに備える。第１の既存の流路は、第１の冷却液路と、第１の液体帰還路と、分配路第２の冷却液路と、第２の液体帰還路とを絶縁体本体に備える一連の路全体を流れることができる。
【0051】
いくつかの実施形態では、第１の冷却液路、第１の液体帰還路、ガス路は、絶縁体本体を延在する長手軸線に対して非同心である。
別の側面によると、液冷プラズマアークトーチ用のトーチヘッドが提供される。トーチヘッドは、（ｉ）絶縁体本体を有するトーチ絶縁体、（ｉｉ）絶縁体本体に配置され、トーチヘッドからカートリッジ内へ第１の流体流を導くように構成される第１の冷却路および第３の冷却路、（ｉｉｉ）絶縁体本体に配置され、カートリッジからトーチヘッドまで第１の流体流の少なくとも一部を帰還させるように構成される第２の冷却路および第４の冷却路、（ｉｖ）、絶縁体本体に配置され、第２の冷却路と第３の冷却路を接続する第１の分配路、を含む。第１の分配路は、第２の通路から第３の通路まで第１の流体流を方向付けるように構成される。
別の側面によると、液冷プラズマアークトーチ用のトーチヘッドが提供される。トーチヘッドは、（ｉ）絶縁体本体を有するトーチ絶縁体、（ｉｉ）絶縁体本体に配置され、トーチヘッドからカートリッジ内へ第１の流体流を導くように構成される第１の冷却路および第３の冷却路、（ｉｉｉ）絶縁体本体に配置され、カートリッジからトーチヘッドまで第１の流体流の少なくとも一部を帰還させるように構成される第２の冷却路および第４の冷却路、（ｉｖ）、絶縁体本体に配置され、第２の冷却路と第３の冷却路を接続する第１の分配路、を含む。第１の分配路は、第２の通路から第３の通路まで第１の流体流を方向付けるように構成される。
【0052】
いくつかの実施形態では、第１の分配路は、第２の冷却路と第３の冷却路を接続するように周方向に配向される。いくつかの実施形態では、第１の冷却路、第２の冷却路、第３の冷却路、第４の冷却路は、絶縁体本体を延在する長手軸線に対して非同心である。いくつかの実施形態では、第１の冷却路、第２の冷却路、第３の冷却路、第４の冷却路はそれぞれ、絶縁体本体を延在する中心長手軸線に対して非対称である。
【0053】
さらに別の側面によると、液冷プラズマアークトーチ用のトーチヘッドが提供される。トーチヘッドは、（ｉ）近位端と遠位端とを含む絶縁体本体を有するトーチ絶縁体、（ｉｉ）絶縁体本体の近位端から遠位端まで実質的に延在する複数のガスおよび液体路、（ｉｉｉ）絶縁体本体の空隙、（ｉｖ）回路盤とＲＦＩＤアンテナコイルとを備える通信装置、を含む。ＲＦＩＤアンテナコイルは、回路盤に電気的に接続され、通信装置の遠位端に隣接して配置される。通信装置は、ＲＦＩＤアンテナコイルが絶縁体本体の遠位端に位置するように空隙に配置される。
【0054】
いくつかの実施形態では、通信装置は、液体が侵入するのを防ぐ封止ハウジングをさらに備える。いくつかの実施形態では、通信装置の回路盤はアンテナコイルに電力を供給し、アンテナコイルが受信するＲＦＩＤ信号を読み取るように構成される。アンテナコイルは通信装置の遠位端の端面に位置付けることができる。いくつかの実施形態では、通信装置は通信装置の近位端にコネクタをさらに備える。
【0055】
いくつかの実施形態では、複数のガス路および液体路と空隙とは、絶縁体本体の中心長手軸線に対して非同心である。
上述の本発明の利点はその他の利点と共に、添付図面と併せて以下の説明を参照することによってさらに適切に理解することができる。図面は必ずしも等縮尺ではなく、その代わりに、本発明の原理を示すことに重点を置く。
上述の本発明の利点はその他の利点と共に、添付図面と併せて以下の説明を参照することによってさらに適切に理解することができる。図面は必ずしも等縮尺ではなく、その代わりに、本発明の原理を示すことに重点を置く。
【図面の簡単な説明】
【0056】
【図1a】本発明の例示的な実施形態に係る、概してトーチヘッドとカートリッジとを備える液冷プラズマアークトーチ１０を示す展開図である。
【図1b】本発明の例示的な実施形態に係る、概してトーチヘッドとカートリッジとを備える液冷プラズマアークトーチ１０を示す組立図である。
【図10】本発明の例示的な実施形態に係る、トーチヘッド１０２の通信装置の例示的設計を示す図である。
【図14a】本発明の例示的な実施形態に係る、トーチヘッドのカソードブロックを示す例示的側面図である。
【図14b】本発明の例示的な実施形態に係る、トーチヘッドのカソードブロックを示す例示的近位図である。
【図29】本発明の例示的な実施形態に係る、非平面状近位端を含む例示的通気カートリッジを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0057】
本発明は、トーチヘッドと消耗カートリッジとを含む液冷プラズマアークトーチを提供する。いくつかの実施形態では、消耗カートリッジは、カートリッジのコンポーネントを個別に保守も処理もできない一体型コンポーネントである。よって、消耗カートリッジの１つのコンポーネントを交換する必要がある場合、カートリッジ全体が交換される。いくつかの実施形態では、消耗カートリッジは、従来のトーチ設計のように個々の消耗品を修理および交換するのではなく、任意のコンポーネントの耐用年数の終了後、オペレータによって交換される「使い捨て」カートリッジである。いくつかの実施形態では、カートリッジは、複数のアークを含むことができる１回の使用後に交換される。いくつかの実施形態では、カートリッジは単独のアーク事象後に交換される。
【0058】
図１ａおよび１ｂは、本発明の例示的な実施形態に係る、概してトーチヘッド１０２とカートリッジ１０４とを備える液冷プラズマアークトーチ１０を示す展開図と組立図である。複数の消耗トーチコンポーネントを備えるカートリッジ１０４は、プラズマアークトーチ１０の中心長手軸線Ａに沿って近位端（領域）１４と遠位端（領域）１６とを有する。トーチヘッド１０２は長手軸線Ａに沿ってトーチ本体１８、近位端（領域）２０、遠位端（領域）２２を含む。トーチ本体１８は真鍮などの導電性材料で作製することができる。いくつかの実施形態では、カートリッジ１０４の近位端１４は保持キャップ１２０によってトーチヘッド１０２の遠位端２２と位置合わせされ、固定される。いくつかの実施形態では、カートリッジ１０４の近位端１４はトーチ１０２の遠位端２２に嵌め合い係合／接続される。たとえば、近位端１４と遠位端２２は７つ以上の個々の嵌合点／接合点／接続点を介して接続することができる。ネジ込み、締まり嵌め、スナップ嵌め、クイックロックなど、トーチヘッド１０２とカートリッジ１０４との間のその他の係合手段も可能である。以後、コンポーネントの近位端は、トーチ１０が被加工物の処理に使用されるとき、長手軸線Ａに沿って被加工物から離れたコンポーネントの領域を画定し、コンポーネントの遠位端は、トーチ１０が被加工物の処理に使用されるとき、近位端の反対側で被加工物に近いコンポーネントの領域を画定する。
【0059】
図２は、本発明の例示的な実施形態に係る、図１ｂの組立後のプラズマアークトーチ１０を示す断面図である。図示するように、図１のインタフェース１０６は、カートリッジ１０４とトーチヘッド１０２との係合後に両者間の境界を画定する。実質的に一体型要素であるカートリッジ１０４は、中心長手軸線Ａを中心に同心に配置される電極１０８（すなわち、アークエミッタ）と、ノズル１１０（すなわち、アークコンストリクタ）と、シールド１１４とを備えるカートリッジ先端を含む。カートリッジ先端のコンポーネントは、カートリッジ１０４のカートリッジフレーム１１２に接続することができる。いくつかの実施形態では、カートリッジ１０４は、長手軸線Ａの周囲に配置される旋回リング１５０をさらに含む。カートリッジ１０４に関する詳細は図１５および図１７～２５を参照して以下で説明する。トーチヘッド１０２は、トーチ本体１８内で長手軸線Ａの周囲に配置されるトーチ絶縁体１１８を含む。トーチヘッド１０２に関する詳細は図２～図１４ｂを参照して以下で説明する。
【0060】
トーチヘッド
図２に示すように、トーチヘッド１０２のトーチ絶縁体１１８は中心長手軸線Ａを中心にしてトーチ本体１８に実質的に配置され、覆われる。トーチ本体１８は真鍮などの導電性材料で作製することができる。近位端２１と遠位端２３とを含むトーチ絶縁体１１８はプラスチックなどの電気絶縁材料で作製することができる。カソード１３０、通信装置１２２、パイロットアーク接続部１２４、オーム接続部１３１を互いに、およびトーチ絶縁体１１８から電気的に絶縁しつつ、トーチ絶縁体１１８は近位端２１で、これらのコンポーネントのうちの１つ以上に連結することができる。いくつかの実施形態では、カソード１３０、通信装置１２２、パイロットアーク接続部１２４、オーム接続部１３１のうちの少なくとも１つがトーチ絶縁体１１８に固定される（たとえば、トーチ絶縁体１１８にねじ込まれる、あるいは埋め込まれる）ため、トーチ絶縁体１１８から容易にまたは迅速に脱離される可能性がない。また、トーチ絶縁体１１８は、ガス源（図示せず）に連結しガスをトーチ１０に導入するための少なくとも１つのガス開口部１２６ａを含むことができる。トーチ絶縁体１１８は、冷却液源（図示せず）に連結し冷却液をトーチ１０に導入するための少なくとも１つの冷却液開口部１２８ａをさらに含むことができる。図３は、本発明の例示的な実施形態に係るトーチヘッド１０２の近位端２０を示す図であり、トーチ絶縁体１１８の近位端２１における各種電流開口部、ガス開口部、液体開口部を示す。図４は、本発明の例示的な実施形態に係るトーチヘッド１０２の遠位端２２を示す図であり、トーチ絶縁体１１８の遠位端２３における各種電流開口部、ガス開口部、液体開口部を示す。
図２に示すように、トーチヘッド１０２のトーチ絶縁体１１８は中心長手軸線Ａを中心にしてトーチ本体１８に実質的に配置され、覆われる。トーチ本体１８は真鍮などの導電性材料で作製することができる。近位端２１と遠位端２３とを含むトーチ絶縁体１１８はプラスチックなどの電気絶縁材料で作製することができる。カソード１３０、通信装置１２２、パイロットアーク接続部１２４、オーム接続部１３１を互いに、およびトーチ絶縁体１１８から電気的に絶縁しつつ、トーチ絶縁体１１８は近位端２１で、これらのコンポーネントのうちの１つ以上に連結することができる。いくつかの実施形態では、カソード１３０、通信装置１２２、パイロットアーク接続部１２４、オーム接続部１３１のうちの少なくとも１つがトーチ絶縁体１１８に固定される（たとえば、トーチ絶縁体１１８にねじ込まれる、あるいは埋め込まれる）ため、トーチ絶縁体１１８から容易にまたは迅速に脱離される可能性がない。また、トーチ絶縁体１１８は、ガス源（図示せず）に連結しガスをトーチ１０に導入するための少なくとも１つのガス開口部１２６ａを含むことができる。トーチ絶縁体１１８は、冷却液源（図示せず）に連結し冷却液をトーチ１０に導入するための少なくとも１つの冷却液開口部１２８ａをさらに含むことができる。図３は、本発明の例示的な実施形態に係るトーチヘッド１０２の近位端２０を示す図であり、トーチ絶縁体１１８の近位端２１における各種電流開口部、ガス開口部、液体開口部を示す。図４は、本発明の例示的な実施形態に係るトーチヘッド１０２の遠位端２２を示す図であり、トーチ絶縁体１１８の遠位端２３における各種電流開口部、ガス開口部、液体開口部を示す。
【0061】
ａ．パイロットアークと移行式アークの接続
１側面によると、トーチ絶縁体１１８は、トーチヘッド１０２とカートリッジ１０４との間のパイロットアーク電流および／または移行式アーク電流を維持するために使用される複数のコンポーネントを相互接続することができる。たとえば、トーチ絶縁体１１８は、トーチヘッド１０２とカートリッジ１０４との間のパイロットアーク電流と移行式アーク電流の両方の伝達をサポートする構成において、カソード１３０、冷却液管１１６、パイロットアーク接続部１２４、電流リング８００を接続するように構成される。
１側面によると、トーチ絶縁体１１８は、トーチヘッド１０２とカートリッジ１０４との間のパイロットアーク電流および／または移行式アーク電流を維持するために使用される複数のコンポーネントを相互接続することができる。たとえば、トーチ絶縁体１１８は、トーチヘッド１０２とカートリッジ１０４との間のパイロットアーク電流と移行式アーク電流の両方の伝達をサポートする構成において、カソード１３０、冷却液管１１６、パイロットアーク接続部１２４、電流リング８００を接続するように構成される。
【0062】
いくつかの実施形態では、トーチ絶縁体１１８は、トーチ絶縁体１１８の近位端２１（図３に示す）の開口部１３２ａからトーチ絶縁体１１８の遠位端２３（図４に示す）の開口部１３２ｂまで延在する主路１３２（図２に示す）を含む。主路１３２は、中心長手軸線Ａに対して同心となるようにトーチ絶縁体１１８内の中心に位置させることができる。主路１３２は絶縁体１１８内で実質的に直線状に延在して開口部１３２ａおよび１３２ｂを接続することができる。主路１３２はカソード１３０の少なくとも一部を収容するように構成することができる。図２に示すように、カソード１３０はトーチ絶縁体１１８の長に沿って主路１３２内を延在することができる。いくつかの実施形態では、カソードブロック係止コンポーネント２５０が、トーチ絶縁体１１８の内側でカソード１３０を主路１３２に固定するために使用される。
【0063】
図５は、本発明の例示的な実施形態に係る、トーチヘッド１０２のカソード１３０の例示的設計を示す図である。カソード１３０はカソード管６０４に連結される遠位端を有するカソード取付具６０２を含み、カソード管６０４の遠位端がカソードブロック６０６に連結される。カソード取付具６０２、カソード管６０４、カソードブロック６０６はそれぞれ真鍮や銅などの導電性材料で作製することができる。１例示的設計では、カソード取付具６０２とカソードブロック６０６は真鍮で作製され、カソード管６０４は銅で作製される。
【0064】
図２に示すように、カソードブロック６０６の遠位端は、トーチ絶縁体１１８の主路１３２内の冷却液管１１６に電気的および／または物理的に連結することができる。いくつかの実施形態では、冷却液管１１６は、Ｏリング１３３を収容し、冷却液管１１６の外面とカソードブロック６０６の内面との間のインタフェースを形成するＯリング溝を画定する。冷却液管１１６の少なくとも近位部分は、カソードブロック６０６の遠位端に挿入される。一般的に、動作中、いったんトーチヘッド１０２がカートリッジ１０４に連結されると、冷却液管１１６は冷却液をカートリッジ１０４に分配する。いくつかの実施形態では、さらに、冷却液管１１６はカソード１３０からカートリッジ１０４、たとえばカートリッジ１０４の電極１０８まで電流を流すように構成される。いくつかの実施形態では、カソードブロック電極管２５２（図２に示す）は非導電性材料で作製することができ、近位端でカソードブロック６０６と遠位端で電極１０８と接続する（たとえば、ねじ込む、または締まり嵌めによって封止する）ように構成することができる。結果として得られるハウジングはカソード１３０、カソードブロック電極管２５２、電極１０８を備え、冷却液管１１６を実質的に覆い、冷却液流を収容する。
【0065】
図６は、本発明の例示的な実施形態に係る、トーチヘッド１０２の冷却液管１１６の例示的設計を示す図である。冷却液管１１６は真鍮などの導電性材料で作製することができる。いくつかの実施形態では、冷却液管１１６はカソードブロック６０６の遠位端に（たとえばねじ込むことによって）装着されるため、容易または迅速に脱離される可能性がない。いくつかのその他の実施形態では、冷却液管１１６はカソードブロック６０６の遠位端に（締まり嵌めによって）装着されるため、容易または迅速に脱離させることができない。冷却液管１１６は近位端７４０で外面の周囲にＬｏｕｖｅｒｔａｃ（登録商標）バンド７０２などの電気コネクタを有することができ、近位端７４０はカソードブロック６０６と嵌合するように構成される端部である。いったん冷却液管１１６の近位端７４０がカソードブロック６０６の遠位端に挿入および装着されると、Ｌｏｕｖｅｒｔａｃバンド７０２は、カソードブロック６０６の内面から冷却液管１１６の外面まで搬送される切断電流を導くように構成される。もしくは、冷却液管１１６は、Ｌｏｕｖｅｒｔａｃバンド７０２を設けずにネジまたはその他の流搬送方法を介してカソード１３０に固定することができる。いくつかの実施形態では、冷却液管１１６は冷却液管１１６の遠位端７４２で外面の周囲にＬｏｕｖｅｒｔａｃ（登録商標）バンド７０４などの電気コネクタを有し、遠位端７４２は、いったんトーチヘッド１０２がカートリッジ１０４に固定されると、電極１０８の内面と嵌合するように構成される端部である。いくつかの実施形態では、冷却液管１１６は、遠位端７４２でＬｏｕｖｅｒｔａｃバンド７０４の下方の外面に１つ以上の長手路７４４を含み、冷却液管１１６と電極１０８との間の冷却液流の圧力低下を制限する。電流の伝達に加えて、冷却液管１１６は冷却液流を電極１０８に導くように構成することができる。たとえば、冷却液管１１６は、冷却液管１１６に冷却液流を出入りさせるために近位端７４０に開口部７４５と遠位端７４２に開口部７４６とを有する。いくつかの実施形態では、遠位端７４２および近位端７４０の一端または両端でＬｏｕｖｅｒｔａｃ（登録商標）バンド７０２または７０４を使用することにより、冷却液管１１６がトーチヘッド１０２に摺動可能に連結されると共に、カートリッジ１０４が冷却液管１１６に摺動可能に連結される。この特徴を以下で詳細に説明する。
【0066】
いくつかの実施形態では、トーチ絶縁体１１８は、トーチ絶縁体１１８の近位端２１（図３に示す）に開口部１４８ａを有する空隙１４８（図２に示す）を含む。図２に示すように、空隙１４８は、パイロットアーク接続部１２４を収容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、空隙１４８は長手軸線Ａに沿ってトーチ絶縁体１１８に部分的に延在する。
【0067】
いくつかの実施形態では、導電性材料（たとえば、真鍮）で作製される電流リング８００はトーチ絶縁体１１８の遠位端２３に位置する。図９は、本発明の例示的な実施形態に係る、トーチヘッド１０２におけるトーチ絶縁体１１８の電流リング８００の例示的設計を示す図である。図示するように、電流リング８００はリング部８００ａと凸部８００ｂを有する。リング部８００ａは薄遠位縁部８０２を有し、凸部８００ｂは遠位面８０５を有する。電流リング８００のリング部８００ａはトーチ絶縁体１１８の冷却液管１１６とカソード１３０に対して同心に配置され、電流リング８００の凸部８００ｂは、空隙１４８に収容されるパイロットアーク接続部１２４の近位端と電気的および／または物理的に接触するように配向させることができる。いくつかの実施形態では、電流リング８００はカソード絶縁体８０４（図２に示す）によって冷却液管１１６とカソード１３０から電気的に絶縁されるため、電流は電流リング８００とカソード１３０との間にも電流リング８００と冷却液管１１６との間にも実質的に流れない。いくつかの実施形態では、図４に示すように、少なくとも電流リング８００の表面が主電気路開口部１３２ｂを介してトーチ絶縁体１１８の遠位端２３から露出するため、いったんカートリッジ１０４がトーチヘッド１０２に装着されると、カートリッジ１０４のコンポーネントが電流リング８００に物理的に接触することができる。たとえば、電流リング８００のリング部８００ａの薄遠位縁部８０２と凸部８００ｂの遠位面８０５の両方を開口部１３２ｂから露出させることができる。
【0068】
図７は、本発明の例示的な実施形態に係る、プラズマアークトーチ１０のトーチヘッド１０２とカートリッジ１０４との間の例示的パイロットアーク電流流路７５２を示すように配向された図２のプラズマアークトーチ１０を示す断面図である。パイロットアークを開始させるため、高周波高電圧（ＨＦＨＶ）信号に対応付けられるパイロットアーク電流７５２は電源（図示せず）からプラズマアークトーチ１０までの電力線に連結される。パイロットアーク電流７５２は、カソード取付具６０２を介して電源からカソード１３０まで流れることができる。その後、カソード取付具６０２に接続されるカソード管６０４はパイロットアーク電流７５２をカソードブロック６０６に流し、その電流を冷却液管１１６の近位端７４０でＬｏｕｖｅｒｔａｃバンド７０２を介して冷却液管１１６に伝送する。パイロットアーク電流７５２は冷却液管１１６を通じて遠位方向に流れ、冷却液管１１６の遠位端７４２でＬｏｕｖｅｒｔａｃバンド７０４を介して電極１０８の内面に送られることによって、電極１０８の内面に通電する。別の実施形態では、パイロットアーク電流は、冷却液管１１６を使用せずに、たとえばカソード１３０と電極１０８との間の物理的接続によってカソード１３０から電極１０８に流される。いったん電極１０８に到達すると、パイロットアーク電流流路７５２は電極１０８とノズル１１０との間のギャップを流れるプラズマガス内で火花放電を引き起こすことによって、ギャップ内で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させるため、パイロットアーク電流流路７５２は、ノズル１１０から旋回リング１５０（導電性材料で作製することができる）に、そしてトーチヘッド１０２の電流リング８００まで近位方向に流れることによってトーチヘッド１０２に帰還することができる。図示するように、旋回リング１５０の遠位端はインタフェース７５８でノズル１１０と物理的に接触する。旋回リング１５０の近位端は、Ｌｏｕｖｅｒｔａｃ電気コネクタ７５６を介して少なくとも電流リング８００のリング部８００ａの遠位縁部８０２と物理的に接触する。よって、旋回リング１５０は、カートリッジ１０４のノズル１１０からトーチヘッド１０２へパイロットアーク電流７５２を帰還させるように構成される。電流リング８００のリング部８００ａは、パイロットアーク電流７５２を電流リング８００の凸部８００ｂに伝送し、パイロットアーク電流７５２を空隙１４８内のパイロットアーク電流接続部１２４に流し、パイロットアーク電流を電源に帰還させることができる。
【0069】
電極１０８とノズル１１０との間のギャップ内のガス流はパイロットアークによってイオン化されるため、電極１０８と被加工物（図示せず）との間の電気抵抗は小さくなる。パイロットアークを始動させるために使用される電圧よりも高い電圧を電極１０８と被加工物全体にわたって印加して、アークを生成してギャップのイオン化後の被加工物に伝達することができる。この電極１０８と被加工物との間のアークが移行式アークである。移行式アークを維持するため、電源からのより高い電圧を供給する移行式アーク電流は、冷却液管１１６とＬｏｕｖｅｒｔａｃバンド７０２、７０４とを介して、遠位パイロットアーク電流７５２と実質的に同様にカソード１３０から電極１０８に流れる。移行式アーク回路を完成させるため、移行式アーク電流は別々の配線（図示せず）を通じて被加工物から電源に帰還する。
【0070】
ｂ．通信装置（ＲＦＩＤリーダ）
別の側面によると、トーチ絶縁体１１８は、トーチヘッド１０２とカートリッジ１０４との間の無線通信をサポート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、トーチ絶縁体１１８は、トーチ絶縁体１１８の近位端２１（図３に示す）に開口部１４４ａを有する空隙１４４（図２に示す）を含む。空隙１４４は、通信装置１２２をトーチ絶縁体１１８内に保持するように構成することができる。通信装置１２２は開口部１４４ａを介して空隙１４４から取外し可能である。いくつかの実施形態では、トーチ絶縁体１１８の遠位端２３に対応する開口部が存在しないように、空隙１４４は中心長手軸線Ａに沿ってトーチ絶縁体１１８に部分的に延在する。
別の側面によると、トーチ絶縁体１１８は、トーチヘッド１０２とカートリッジ１０４との間の無線通信をサポート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、トーチ絶縁体１１８は、トーチ絶縁体１１８の近位端２１（図３に示す）に開口部１４４ａを有する空隙１４４（図２に示す）を含む。空隙１４４は、通信装置１２２をトーチ絶縁体１１８内に保持するように構成することができる。通信装置１２２は開口部１４４ａを介して空隙１４４から取外し可能である。いくつかの実施形態では、トーチ絶縁体１１８の遠位端２３に対応する開口部が存在しないように、空隙１４４は中心長手軸線Ａに沿ってトーチ絶縁体１１８に部分的に延在する。
【0071】
図１０は、本発明の例示的な実施形態に係る、トーチヘッド１０２の通信装置１２２の例示的設計を示す図である。通信装置１２２は、カートリッジ１０４に位置する近傍の信号装置１６０（たとえば、ＲＦＩＤタグ）から無線送信されるＲＦＩＤ信号を受信するように構成されたＲＦＩＤリーダを備えることができる（図２に示す）。通信装置１２２は、これらの信号を処理して、信号装置１６０によって送信されるカートリッジ１０４に関する関連データ（および／またはその他のトーチ情報）を抽出し、分析のためにデータをプロセッサ（図示せず）に送信するように構成される。概して、通信装置１２２は、トーチ絶縁体１１８などのプラズマアークトーチ１０内に配置されて、プラズマアークとアーク点火が信号装置１６０と通信装置１２２との間の無線通信を邪魔する可能性を最小限に抑えることができる。通信装置１２２は、近位端にコネクタ８０６、遠位端にアンテナアセンブリ８０８、コネクタ８０６とアンテナアセンブリ８０８との間に処理アセンブリ８１０を含むことができる。
【0072】
アンテナアセンブリ８０８は、ＲＦ信号を信号装置１６０に無線送信して、信号装置１６０に問い合わせる、および／または問い合わせに応答して信号装置１６０からＲＦ信号を受信するように構成されるアンテナコイル８１４を含むことができる。このアンテナコイル８１４はアンテナアセンブリ８０８の遠位端（すなわち、通信装置１２２の遠位端）に配置させることができるため、通信装置１２２が空隙１４４に挿入されるとき、アンテナコイル８１４はトーチ絶縁体１１８の遠位端２３に埋め込まれる。このような配置は、アンテナコイル８１４とカートリッジ１０４の信号装置１６０との間の無線通信距離を最小化し、両者の間の通信干渉を低減させる。いくつかの実施形態では、アンテナコイル８１４は通信装置の遠位端の端面に位置付けられる。たとえば、アンテナコイル８１４は、アンテナアセンブリ８０８の遠位端でポスト８１２に巻き付けることができる。アセンブリ８０８は、アンテナコイル８１４に接続された１つ以上の配線を処理アセンブリ８１０に送るように構成されるプラスチック製円柱状ハウジングをさらに含むことができる。処理アセンブリ８１０は、１つ以上のハードウェアコンポーネント（たとえば、プリント配線盤（ＰＣＢ））を内部に配置したプラスチック製円柱状ハウジングを含むことができる。アンテナアセンブリ８０８のアンテナコイル８１４から配線に接続されるＰＣＢは、（ｉ）アンテナアセンブリ８０８を含む通信装置１２２に電力を供給する、（ｉｉ）信号装置１６０に電力を供給する、および／または（ｉｉｉ）通信プロトコル（たとえば、ＩＳＯ／ＩＥＣ１５６９３などのＲＦＩＤプロトコル）を用いてアンテナコイル８１４を介して信号装置１６０と無線通信し、信号装置１６０からのデータを処理するように構成される。いくつかの実施形態では、ＰＣＢは、通信装置１２２と、信号装置１６０と、関連コンポーネントとを含むトーチ１０に搭載されたトーチ通信回路全体に電力を供給することができる。処理アセンブリ８１０のＰＣＢと電気通信するコネクタ８０６は、処理アセンブリ８１０によって処理されたデータをトーチ１０の外部の計算装置（たとえば、中央処理装置など）に送信するように構成される。たとえば、コネクタ８０６は、処理アセンブリ８１０のＰＣＢと協働して、無線または有線接続を使用して信号装置１６０から取得した情報を外部計算装置に伝送することができる。
【0073】
いくつかの実施形態では、通信装置１２２と信号装置１６０との間の無線通信を可能にする回路がアナログである一方、通信装置１２２と外部計算装置との間の（有線または無線）通信を可能にする回路はデジタルである。この構成では、ＰＣＢを含む通信装置１２２をトーチ１０内に置くことによって、通信装置１２２と信号装置１６０との間の通信距離を減少させることで、対応するアナログ回路でのノイズ傍受を低減する。しかしながら、通信装置１２２をトーチ１０に配置することで、通信装置１２２と遠隔計算装置との間の通信距離を増加させ、対応するデジタル回路のノイズ傍受を増加させる可能性もあるが、デジタル回路はアナログ回路よりもノイズ傍受に強い（すなわち、影響を受けにくい）。
【0074】
いくつかの実施形態では、通信装置１２２は、たとえば、電気的絶縁、冷却液漏れからの保護（および冷却液流によって運ばれるゴミからの保護）、その他の環境要因に対する保護を提供する１つ以上の保護材層に包囲される。いくつかの実施形態では、処理アセンブリ８１０のハウジングおよび／またはアンテナアセンブリ８０８のハウジングは、液体とゴミからコンポーネントを保護するために耐久性のあるプラスチックで作製される。ハウジングはＰＣＢのＬＥＤ信号がハウジングの外部から可視となるように半透明とすることができる。いくつかの実施形態では、液体による損傷から通信装置１２２を保護し、電気絶縁バリアを生成するために１つ以上のＯリング封止を使用することができる。
【0075】
いくつかの実施形態では、トーチ絶縁体１１８内の通信装置１２２は、たとえば約３００００Ｖの電気的絶縁によって、プラズマ出力点火回路から電気的に絶縁することができる。いくつかの実施形態では、通信装置１２２は、上述したトーチ絶縁体１１８のその他すべてのコンポーネントだけでなく通信装置１２２の周囲の保護層も収容し、嵩を追加しながら、トーチ絶縁体１１８の内部に嵌合するように構成される。たとえば、通信装置１２２は、トーチ絶縁体１１８内に適合するように長く、細く、および／または柔軟に設計することができる。
【0076】
動作中、プラズマアークトーチ１００は大気温度で最高１００℃まで上昇し、動作温度の上昇の余裕をほとんど残さない可能性がある。したがって、いくつかの実施形態では、通信装置１２２は、最低動作温度を生成するように設計される。たとえば、通信装置１２２は、低回路電力電圧、低多地点制御装置（ＭＣＵ）クロック周波数、低動作デューティサイクル、および／または実行されない間に発熱を最小限に抑えるスリープモードを有することができる。
【0077】
いくつかの実施形態では、通信装置１２２と信号装置１６０とを含むトーチ通信回路は、プラズマアークトーチ１０の中心長手軸線Ａから軸がずれている。この偏位により、通信回路を、プラズマ処理性能を定義するトーチ領域から離すことができる。概して、通信回路が置かれる領域は、プラズマ処理設計の変動に強く、プラズマ処理の設計自由度と通信回路性能の安定性とを実現する。いくつかの実施形態では、トーチ通信回路と近傍の金属コンポーネントとの間の不所望の連結を低減するため、アンテナコイル８１４のサイズが最小化される（たとえば、コイル径が低減される）、および／またはＲＦＩＤ出力が最小化されて結果として生じるＲＦＩＤ領域のサイズが低減される。概して、ＲＦＩＤ領域と潜在的に連結させることができる隣接金属コンポーネントを考慮に入れ、サイズとトーチ通信回路との近接度を実質的に一定に保つことができる。
【0078】
他の実施形態では、プラズマアークトーチ１０は、たとえば、トーチヘッド１０２の通信装置１２２またはカートリッジ１０４の信号装置１０６を含む通信システムを含んでいない。たとえば、通信システムは、カートリッジ１０４がトーチヘッド１０２または急速着脱トーチヘッドに接続され、次にトーチ受けに接続されるトーチには設けなくてもよい。
【0079】
いくつかの実施形態では、図２および図１０に示すように、プラズマアークトーチ１０の通信システムは、トーチ絶縁体１１８の通信装置１２２内または上に、たとえばアンテナコイル８１４近傍の通信装置１２２のアンテナアセンブリ８０８に配置される第２の信号装置１６２（たとえば、ＲＦＩＤタグ）をさらに含む。もしくは、第２の信号装置１６２は、通信装置１２２および／またはトーチ絶縁体１１８の外部のトーチヘッド１０２に配置することができる。任意のベース１６４を使用して、第２の信号装置１６２を適所に保持することができる。第２の信号装置１６２はプラズマアークトーチ１０に関する情報（たとえば、発射されるアークの数）の読出しおよび／または書込みを実行し、その情報をプラズマ切断システムに伝達するように構成され、該システムは情報をカートリッジ１０４の第１の信号装置１６０に中継することができる。一般的に、第１および第２の信号装置１６０、１６２は両装置間で情報をやり取りすることができる。
【0080】
ｃ．オーム接触
別の側面によると、トーチ絶縁体１１８は、トーチ１０と被加工物との間の相対的高さを制御してトーチ動作を簡易化する目的でオーム接触をサポート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、トーチ絶縁体１１８は、トーチ絶縁体１０８の近位端２１に開口部１４６ａ（図３に示す）を有するオーム接触空隙１４６（図８に示す）を含む。図８は、本発明の例示的な実施形態に係る、例示的オーム接触路７８０を示すように配向された図２のプラズマアークトーチ１０を示す断面図である。図示するように、トーチヘッド１０２のトーチ絶縁体１１８のオーム接触空隙１４６は、開口部１４６ａ（図３に示す）を介して空隙１４６から取外し可能であるオーム接触接続部１３１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、トーチ絶縁体１１８の遠位端２３に対応する開口部が存在しないように、オーム接触空隙１４６は長手軸線Ａに沿ってトーチ絶縁体１１８に部分的に延在する。
別の側面によると、トーチ絶縁体１１８は、トーチ１０と被加工物との間の相対的高さを制御してトーチ動作を簡易化する目的でオーム接触をサポート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、トーチ絶縁体１１８は、トーチ絶縁体１０８の近位端２１に開口部１４６ａ（図３に示す）を有するオーム接触空隙１４６（図８に示す）を含む。図８は、本発明の例示的な実施形態に係る、例示的オーム接触路７８０を示すように配向された図２のプラズマアークトーチ１０を示す断面図である。図示するように、トーチヘッド１０２のトーチ絶縁体１１８のオーム接触空隙１４６は、開口部１４６ａ（図３に示す）を介して空隙１４６から取外し可能であるオーム接触接続部１３１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、トーチ絶縁体１１８の遠位端２３に対応する開口部が存在しないように、オーム接触空隙１４６は長手軸線Ａに沿ってトーチ絶縁体１１８に部分的に延在する。
【0081】
図８のオーム接触路７８０により、トーチ１０のコントローラ（図示せず）は、トーチ動作前またはトーチ動作中にトーチ１０と被加工物／プレート７８２との間の相対的高さを制御するため、被加工物／プレート７８２を検出および感知することができる。オーム接触路７８０に関しては、トーチヘッド１０２がトーチ動作中に搭載されるとき、引込みピン（図示せず）がオーム接触接続部１３１と電気的に接触して電気接触路７８０を形成する。その後、路７８０はオーム接触接続部１３１の長全体を延在して、止めネジ７８４を介してトーチ本体１８と電気的に接触する。路７８０はトーチ本体１８と保持キャップ１２０にわたって遠位方向に延び、カートリッジ１０４のシールド１１４に至る。この路７８０により、コントローラは被加工物／プレート７８２の位置を感知して、それにしたがって相対的高さを調節することができる。いくつかの実施形態では、カートリッジ１０４のシールド１１４はカートリッジ１０４のノズル１１０から電気的に隔離されて、オーム接触路７８０がトーチヘッド１０２からトーチ１０の外面のシールド１１４まで延びることができる。
【0082】
いくつかの実施形態では、図８のオーム接触路７８０は、トーチ絶縁体１１８の使用によって、パイロットアーク電流流路７５２および／または移行式アーク電流流路から電気的に隔離される。たとえば、パイロットアーク電流流路７５２と移行式アーク電流流路がトーチ絶縁体１１８全体を延在できる一方、オーム接触路７８０はトーチ本体１８の大部分を延在する。
【0083】
ｄ．シールドガス
別の側面によると、トーチ絶縁体１１８は、トーチヘッド１０２からカートリッジ１０４まで１つ以上のガス流を方向付け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、トーチ絶縁体１１８は、トーチヘッド１０２からカートリッジ１０４まで少なくとも１つのシールドガスを方向付けるように構成される。例示的シールドガスは空気、酸素（すなわち、Ｏ２）、アルゴンを含む。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるシールドガス流路と通路は、トーチヘッド１０２とカートリッジ１０４との間に水などのシールド流体を導くことと両立させることもできる。トーチ絶縁体１１８は、トーチ絶縁体１１８の近位端２１の開口部１２６ａ（図３に示す）からトーチ絶縁体１１８の遠位端２３のシールドガス開口部１２６ｂ（図４に示す）まで延在するシールドガス路８５０を含むことができる。
別の側面によると、トーチ絶縁体１１８は、トーチヘッド１０２からカートリッジ１０４まで１つ以上のガス流を方向付け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、トーチ絶縁体１１８は、トーチヘッド１０２からカートリッジ１０４まで少なくとも１つのシールドガスを方向付けるように構成される。例示的シールドガスは空気、酸素（すなわち、Ｏ２）、アルゴンを含む。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるシールドガス流路と通路は、トーチヘッド１０２とカートリッジ１０４との間に水などのシールド流体を導くことと両立させることもできる。トーチ絶縁体１１８は、トーチ絶縁体１１８の近位端２１の開口部１２６ａ（図３に示す）からトーチ絶縁体１１８の遠位端２３のシールドガス開口部１２６ｂ（図４に示す）まで延在するシールドガス路８５０を含むことができる。
【0084】
図１１ａおよび１１ｂは、本発明の例示的な実施形態に係る、シールドガス路８５０（シールドガス路区分８５０ａおよび８５０ｃを含む）にわたるトーチヘッド１０２からカートリッジ１０４までの例示的シールドガス流路８６８を示すように配向された図２のプラズマアークトーチ１０の断面図である。図示するように、シールドガス路８５０はいくつかの区分を備えることができる。第１の路区分８５０ａは、トーチ絶縁体１１８の近位端２１の開口部１２６ａと絶縁体１１８内または絶縁体１１８上の内側開口部８６０とを接続する。第１の路区分８５０ａは長手軸線Ａと実質的に平行に延在することができる。第２の路区分（図示せず）は、開口部８６０と絶縁体１１８内または絶縁体１１８上の別の内側開口部８６２とを接続することができ、第２の内側開口部８６２は第１の内側開口部８６０から径方向に偏位する。たとえば、内側開口部８６０、８６２は、約３０度～約９０度径方向に偏位させることができる。第２の路区分はトーチ絶縁体１１８の周囲を周方向（または異なる配向）に延在して内側開口部８６０、８６２を接続することができる。第３の路区分８５０ｃは内側開口部８６２をトーチ絶縁体１１８の遠位端２３の開口部１２６ｂに接続する。第３の路区分８５０ｃは長手軸線Ａと実質的に平行に延在することができる。
【0085】
いくつかの実施形態では、カートリッジ１０４のトーチヘッド１０２への装着時、カートリッジ１０４のカートリッジフレーム１１２内の対応するシールドガス路８６４はシールドガス路区分８５０ｃと流体的に位置合わせされる。シールドガス流８６８は、カートリッジフレーム１１２においてシールドガス路８６４の近位開口部８６４ａを介してカートリッジ１０４に入ることができる。シールドガス路８６４は、シールド１１４とノズル１１０との間のガス通路８７２と流体接続されるカートリッジフレーム１１２の遠位端に開口部８６４ｂをさらに有する。よって、シールドガス路８６４は、トーチヘッド１０２からガス通路８７２へシールドガスを導入することができる。いくつかの実施形態では、カートリッジフレーム１１２はシールドガス路８６４の経路に、シールドガス流８６８の１つ以上のパラメータ（たとえば、流パターンおよび流量）を調節する１つ以上のコンポーネントを含む。シールドガス路８６４、カートリッジフレーム１１２の旋回コンポーネント、カートリッジ１０４を通るシールドガス流８６８に関する詳細は後述する。
【0086】
図１１ａおよび１１ｂに示すシールドガス流路８６８に関しては、シールドガスは、トーチ絶縁体１１８の近位端２１でシールドガス開口部１２６ａを介してトーチヘッド１０２に導入される。ガス８６８はシールドガス路区分８５０ａを通って遠位方向に流れて内側開口部８６０に至る。その後、ガス８６８は、シールドガス路８５０の第２の区分を介してトーチ絶縁体１１８の周囲を周方向（または別の配向）に流れて、内側開口部８６０と間隔をおいて配置された内側開口部８６２に到達する。ガス８６８はシールドガス路区分８５０ｃを介して開口部８６２からトーチ絶縁体１１８の遠位端２３の開口部１２６ｂまで長手方向に流れて、カートリッジ１０４に到達する。開口部１２６ｂを介してトーチヘッド１０２を脱出すると、シールドガス流８６８はカートリッジ１０４のカートリッジフレーム１１２のシールドガス路８６４に入る。ガス８６８はカートリッジフレーム１１２のシールドガス路８６４を通じて遠位方向に流れ、シールドガス路８６４の開口部８６４ｂからシールド１１４とノズル１１０との間のガス通路８７２へと脱出して２つのコンポーネントを冷却する。シールドガス８６８はシールド出口孔８７０を介してカートリッジ１０４を脱出するように構成される。
【0087】
ｅ．プラズマガス
いくつかの実施形態では、トーチヘッド１０２のトーチ絶縁体１１８は、トーチヘッド１０２からカートリッジ１０４まで１つ以上のプラズマガスを方向付けることができる。たとえば、トーチ絶縁体１１８は、複数のガス源を収容し、ガスの一つを選択するかガスを混合し、選択されたガスまたはガス混合物をカートリッジ１０４に導入するように構成することができる。図１２ａ～１２ｃは、本発明の例示的な実施形態に係る、トーチヘッド１０２からカートリッジ１０４までの例示的プラズマガス流路９００を示すように配向される図２のプラズマアークトーチ１０の断面図である。
いくつかの実施形態では、トーチヘッド１０２のトーチ絶縁体１１８は、トーチヘッド１０２からカートリッジ１０４まで１つ以上のプラズマガスを方向付けることができる。たとえば、トーチ絶縁体１１８は、複数のガス源を収容し、ガスの一つを選択するかガスを混合し、選択されたガスまたはガス混合物をカートリッジ１０４に導入するように構成することができる。図１２ａ～１２ｃは、本発明の例示的な実施形態に係る、トーチヘッド１０２からカートリッジ１０４までの例示的プラズマガス流路９００を示すように配向される図２のプラズマアークトーチ１０の断面図である。
【0088】
トーチ絶縁体１１８はトーチ絶縁体１１８の近位端２１に２つのプラズマガス開口部２００ａおよび２００ｂを含み、各開口部は酸素（Ｏ２）、空気、窒素（Ｎ２）、水素系ガス（たとえば、Ｈ３５）、Ｆ５燃料ガス、またはこれらの化学物質の１つ以上の混合物などのプラズマガスを受け取るように構成される。また、トーチ絶縁体１１８は、プラズマガスバルブ２０４を収容するように構成される空隙２０２（図１２ａ～１２ｃに示す）を含むことができる。空隙２０２はトーチ絶縁体１１８の近位端２１（図３に示す）の開口部２０２ａに接続され、該開口部２０２ａを通じてプラズマガスバルブ２０４を空隙２０２に脱着可能に配置することができる。プラズマガスバルブ２０４は、プラズマガス開口部２００ａおよび２００ｂから受け取ったガスまたは混合ガスの一方を選択し、トーチ絶縁体１１８の遠位端２３（図４に示す）の開口部２００ｃを介してプラズマガス路２０６（図１２ａ～１２ｃに示す）全体にわたって、結果として生じるガスまたはガス混合物をカートリッジ１０４に導入するように構成される。
【0089】
図１２ａに示すように、例示的プラズマガス流路９００は、接続路９０２を介してプラズマガス開口部２００ａから空隙２０２に位置するプラズマガスバルブ２０４へ導入される第１のプラズマガス流９００ａを備える。接続路９０２は第１のプラズマガス流９０２をバルブ２０４に導入するために開口部２００ａとプラズマガスバルブ２０４の入口９０４を流体接続する。図１２ｂに示すように、プラズマガス流路９００は、接続路９０６を介してプラズマガス開口部２００ｂからプラズマガスバルブ２０４に導入される第２のプラズマガス流９００ｂを備える。接続路９０６は、第２のプラズマガス流９００ｂをプラズマガスバルブ２０４に導入するために開口部２００ｂと第２の入口９０８を流体接続する。図１２ｃに示すように、プラズマガスバルブ２０４はガスおよび混合ガスの一方を選択し、プラズマガス路２０６全体にわたって結果として生じるプラズマガス流９００ｃを伝送して、トーチ絶縁体１１８の遠位端２３で開口部２００ｃから脱出する。プラズマガス路２０６は、トーチ１０の長に沿って長手方向に延在し、プラズマガスバルブ２０４の出口９１０をトーチ絶縁体１１８の遠位端２３の開口部２００ｃに流体接続するように構成される。
【0090】
図１２ｃに示すプラズマガス流路９００ｃに関して、開口部２００ｃを介してトーチヘッド１０２を出ると、プラズマガス流９００ｃは、カートリッジフレーム１１２の近位端１５の開口部９１２ａを介してカートリッジ１０４内のカートリッジフレーム１１２の対応するプラズマガス路９１２に入る。ガス９００ｃはカートリッジフレーム１１２のプラズマガス路９１２を通って長手方向に流れ、カートリッジフレーム１１２の遠位端１７で開口部９１２ｂから脱出し、カートリッジ１０４の電極１０８とノズル１１０との間のプラズマガス通路９１８にガスを導入する。プラズマガス９００ｃは、通路９１８を遠位方向に流れて、中心ノズル出口孔９１６と中心シールド出口孔８７０を介してカートリッジ１０４を出るように構成される。いくつかの実施形態では、プラズマガス流９００ｃの路の旋回リング１５０は旋回運動をプラズマガス流９００ｃに導入することができる。プラズマガス路９１２、旋回リング１５０、カートリッジ１０４を流れるプラズマガス流９００ｃに関する詳細は後述する。
【0091】
いくつかの実施形態では、シールドガス流８６８とプラズマガス流９００は、トーチヘッド１０２とカートリッジ１０４の両方において相互に流体隔離されるため、通路を横断することも同じ通路を共有することもない。たとえば、プラズマガス路２０６とシールドガス路８５０は相互に流体隔離される。いくつかの実施形態では、トーチヘッド１０２のトーチ絶縁体１１８は、カートリッジ１０４内の適切なガス通路（たとえば、ノズル１１０とシールド１１４との間のシールドガス流８６８用の通路８７２と、電極１０８とノズル１１０との間のプラズマガス流９００ｃ用の通路９１８）への分配のため、シールドガス流８６８とプラズマガス流９００をカートリッジフレーム１１２内の適切な通路に方向付けることによって、トーチ１０を通るガス流を制御するように構成される。
【0092】
ｆ．冷却液流
別の側面によると、トーチ絶縁体１１８は、トーチヘッド１０２とカートリッジ１０４との間で循環させるために一連の冷却液流を方向付けるように構成することができる。例示的冷却液は、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特別に設計された任意の数の市販の冷却液を含む。図３に示すように、トーチ絶縁体１１８は、冷却液をトーチヘッド１０２に導入するための冷却液開口部１２８ａをトーチ絶縁体１１８の近位端２１に含むことができる。
別の側面によると、トーチ絶縁体１１８は、トーチヘッド１０２とカートリッジ１０４との間で循環させるために一連の冷却液流を方向付けるように構成することができる。例示的冷却液は、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特別に設計された任意の数の市販の冷却液を含む。図３に示すように、トーチ絶縁体１１８は、冷却液をトーチヘッド１０２に導入するための冷却液開口部１２８ａをトーチ絶縁体１１８の近位端２１に含むことができる。
【0093】
図１３ａおよび１３ｂは、本発明の例示的な実施形態に係る、一連の流区分においてトーチヘッド１０２とカートリッジ１０４との間を循環する例示的冷却液流路９５０を示すように配向された図２のプラズマアークトーチ１０の断面図である。図１３ａの冷却液流路９５０に沿って、冷却液はまず、トーチ絶縁体１１８の近位端２１の開口部１２８ａを介してトーチヘッド１０２に導入される。冷却液９５０は接続路９５２全体にわたって開口部１２８ａからトーチ絶縁体１１８内のカソードブロック６０６まで流れ、カソードブロック６０６の少なくとも１つの入口を介してカソードブロック６０６に入る。図１４ａおよび１４ｂはそれぞれ、本発明の例示的な実施形態に係る、トーチヘッド１０２のカソードブロック６０６を示す例示的側面図と近位図である。図１４ｂに示すように、カソードブロック６０６は、カソードブロック６０６の内周に分散される第１のセットの３つの液体入口６２０ａ～６２０ｃを含むことができる。他の実施形態では、より多いまたはより少ない入口が画定される。接続路９５２はトーチ絶縁体開口部１２８ａを第１のセットの液体入口６２０ａ～６２０ｃに流体接続して、冷却液をカソードブロック６０６に導く。さらに、カソードブロック６０６の液体入口６２０ａ～６２０ｃは冷却液を冷却液管１１６の近位端７４０の開口部７４５に導くことができ、該近位端７４０は上述したようにカソードブロック６０６に物理的に装着することができる。いくつかの実施形態では、入口６２０ａ～６２０ｃと冷却液管１１６の近位端の開口部７４５との間の接続は（たとえば、スペースを節減するため）交差して、カソードブロック６０６から冷却液管１１６まで冷却液を送る。
【0094】
いったん冷却液管１１６に入ると、冷却液流路９５０は冷却液管１１６の遠位端７４２に向かって長手方向に流れ続ける。冷却液流９５０は冷却液管１１６の遠位開口部７４６を介して冷却液管１１６を出て、カートリッジ１０４の電極１０８の内面に画定される空隙９５４に入ることによって、電極１０８を実質上冷却する。したがって、最初の冷却液流路９５０は、（カソード１３０と冷却液管１１６の少なくとも一部を収容する）トーチ絶縁体１１８の主路１３２と（電極１０８の空隙９５４に接続される）カートリッジフレーム１１２の対応する主路１０２０内に実質的に限定される。空隙９５４の壁によって誘導されながら、冷却液流９５０は方向を逆転させて、冷却液管１１６の外面に沿って主路１０２０、１３２を近位方向に流れ続ける。また、この逆転流は、冷却液管１１６の遠位端７４２の外側部を囲むＬｏｕｖｅｒｔａｃバンド７０４を実質上冷却する。
【0095】
冷却液流９５０はトーチヘッド１０２のカソードブロック６０６に向かって流れ続ける。冷却液流９５０はカソードブロック６０６の遠位開口部６２２（図１４ａに示す）を介してカソードブロック６０６に入ることができる。いったんカソードブロック６０６に入ると、冷却液９５０はカソード１３０の出口路６２４にわたって径方向外方に流れる。出口路６２４はカソード６０６とトーチヘッド１０２の長に沿って長手方向に延在するトーチ絶縁体１１８の第１の冷却液路９５８とを流体接続して、トーチヘッド１０２からカートリッジ１０４へ冷却液流９５０を再度導く。具体的には、第１の冷却液路９５８は、出口路６２４とトーチ絶縁体１１８の遠位端２３（図４にも示す）の第１の冷却液開口部９６０ａとを流体接続する。第１の冷却液路９５８はトーチ絶縁体１１８の開口部９６０ａを介してカソード１３０からカートリッジ１０４まで冷却液流９５０を導き、冷却液流９５０をカートリッジフレーム１１２の近位端１５の開口部９６２ａに導入する。近位開口部９６２ａは、カートリッジ１０４のカートリッジフレーム１１２の対応する第１の冷却液路９６２に接続される。
【0096】
冷却液９５０は第１の冷却液路９６２にわたってカートリッジフレーム１１２を遠位方向に流れて、カートリッジフレーム１１２の遠位端１７で開口部９６２ｂに到達し、該遠位端はカートリッジフレーム１１２の第１の冷却液路９６２と、ノズル１１０に対応付けられるノズル開口部９６６とを流体接続する。具体的には、ノズル１１０は外側ノズルコンポーネント１１１（たとえば、非通気ノズル用のノズルジャケットまたは通気ノズル用のノズルライナー）に連結することができ、開口部９６６は、ノズル１１０の外面と外側ノズルコンポーネント１１１の内面との間で遠位冷却液路開口部９６２ｂからノズル冷却液流チャンバ９６５まで冷却液流を導入するように、外側ノズルコンポーネント１１１に配置することができる。ノズル開口部９６６を介してノズル冷却液流チャンバ９６５を通じて遠位方向に導かれる間、冷却液流９５０は実質上ノズル１１０と外側ノズルコンポーネント１１１を冷却する。ノズル１１０の遠位先端に到着後、冷却液流９５０はノズル１１０の外面に配置される周路（図示せず）を介して、ノズル１１０の周の少なくとも一部の周囲で旋回することができる。冷却液流９５０は、流チャンバ９６５内のノズル１１０の反対側で近位方向に外側ノズルコンポーネント１１１の別の開口部９６７に向かって帰還させることができる。次に、第２のノズル開口部９６７は、カートリッジフレーム１１２内の第２の冷却液路９６８に流体接続される。具体的には、第２の冷却液路９６８は、カートリッジフレーム１１２の遠位端１７の開口部９６８ｂで外側ノズルコンポーネント１１１の第２の開口部９６７とインタフェースをとる。カートリッジフレーム１１２の第２の冷却液路９６８は、カートリッジフレーム１１２の近位端１５の第２の冷却液路開口部９６８ａとトーチ絶縁体１１８の遠位端２３の第２の冷却液路開口部９６０ｂ（図４にも示す）とを介して、ノズル冷却液流チャンバ９６５から離れてトーチヘッド１０２内のトーチ絶縁体１１８の対応する第２の冷却液路９７０まで冷却液流９５０を導くように構成される。トーチヘッド１０２の第２の冷却液路９７０内のトーチ絶縁体１１８を近位方向に移動する間、冷却液流はトーチ絶縁体１１８の第２の冷却液路９７０の内側開口部９７２に衝突する。すなわち、第２の冷却液路９７０は、内側開口部９７２をトーチ絶縁体１１８の遠位端２３の開口部９６０ｂと接続する。
【0097】
図１３ｂに示すように、第２の冷却液路９７０の内側開口部９７２はトーチ絶縁体１１８の周囲を周方向に延在する分配路（図示せず）を介して、トーチ絶縁体１１８の第３の冷却液路９７６の内側開口部９７４に流体接続することができる。第２の冷却液路９７０と第３の冷却液路９７６は、約３０度～約９０度（たとえば、７０度）相互に径方向に偏位させることができる。よって、分配路は内側開口部９７２、９７４を接続して、第２の冷却液路９７０から第３の冷却液路９７６まで冷却液流９５０を送る。第３の冷却液路９７６内で、冷却液９５０はトーチ絶縁体１１８の遠位端２３（図４にも示す）の第３の冷却液路開口部９６０ｃに向かって遠位方向に流れて、再びカートリッジ１０４に入る。具体的には、冷却液流９５０は開口部９６０ｃを介してトーチヘッド１０２のトーチ絶縁体１１８の第３の冷却液路９７６を出ると、カートリッジフレーム１１２の第３の冷却液路９７８に接続されるカートリッジフレーム１１２の近位端１５において、対応する第３の冷却液路開口部９７８ａを介してカートリッジ１０４に入り、カートリッジ１０４のシールド１１４に向かって遠位方向に流れ続ける。冷却液流９５０はカートリッジフレーム１１２の遠位端１７で開口部９７８ｂを介して第３の冷却液路９７８を出て、カートリッジフレーム１１２の外面とシールド１１４の対応する内面との間に画定される周シールド冷却液流領域１２２２に入る。冷却液流９５０はシールド冷却液流領域１２２２の周囲を周方向に移動することによって、シールド１１４を冷却することができる。冷却液流９５０は周シールド冷却液流領域１２２２をたどってカートリッジフレーム１１２の遠位端１７の開口部９８２ｂに入ることによって、流領域１２２２の別の側でカートリッジフレーム１１２に帰還させることができる。開口部９８２ｂはシールド冷却液流領域１２２２と流体連通し、カートリッジフレーム１１２の第４の冷却液路９８２に接続される。その後、冷却液流９５０は第４の冷却液路９８２で近位方向に移動し、カートリッジフレーム１１２の近位端１５で開口部９８２ａを介して第４の冷却液路９８２を出て、トーチヘッド１０２に流れ込む。冷却液流９５０はトーチ絶縁体１１８の遠位端２３で第４の冷却液路開口部９６０ｄを介してトーチヘッド１０２に入る（図４にも示す）。トーチ絶縁体１１８の遠位端２３の開口部９６０ｄは、カートリッジ１０４から、カソードブロック６０６に流体接続されるトーチ絶縁体１１８の内側開口部９８６まで冷却液流９５０を送るように構成されたトーチ絶縁体１１８の第４の冷却液路９８４に流体接続される。
【0098】
図１４ａおよび１４ｂに示すように、カソードブロック６０６は、カソードブロック６０６の外面から内面まで延在する第２のセットの１つ以上の液体入口６２６を備える。いくつかの実施形態では、カソードブロック６０６は、カソードブロック６０６の外周の周囲に分散される第２のセットの３つの液体入口６２６ａ～６２６ｃを含む。他の実施形態では、より多いまたは少ない入口が画定される。図１３ｂに示すように、接続路９８８はトーチ絶縁体１１８の第４の冷却液路９８４の内側開口部９８６と第２のセットの液体入口６２６ａ～６２６ｃとを流体接続して、第４の冷却液路９８４からカソードブロック６０６へ冷却液９５０を導く。いくつかの実施形態では、第２のセットの入口６２６ａ～６２６ｃと内側開口部９８６との間の接続は（たとえば、スペースの節減のため）交差されて、第４の冷却液路９８４からカソードブロック６０６まで旋回しながら冷却液を送る。いったんカソードブロック６０６の内部に入ると、冷却液流９５０は近位方向に流れ続けて、カソード管６０４とカソード取付具６０２とをその順序で通ってトーチ絶縁体１１８を出る。
【0099】
トーチ絶縁体１１８のいくつかの実施形態では、第１の冷却液路９５８と第２の冷却液路９７０は、約３０度～９０度（たとえば、約９０度）相互に径方向に偏位させることができる。第３の冷却液路９７６と第４の冷却液路９８４は約３０度～９０度（たとえば、約９０度）相互に径方向に偏位させることができる。カートリッジフレーム１１２のいくつかの実施形態では、第１の冷却液路９６２と第２の冷却液路９６８は、トーチ絶縁体１１８の第１の冷却液路９５８と第２の冷却液路９７０との間の偏位と同じ角度（たとえば、約９０度）、相互に径方向に偏位させることができる。第３の冷却液路９７８と第４の冷却液路９８２は、トーチ絶縁体１１８の第３の冷却液路９７６と第４の冷却液路９８４との間の偏位と同じ角度（たとえば、約９０度）、相互に径方向に偏位させることができる。プラズマアークトーチ１０のいくつかの実施形態では、第２の冷却液路９７０、９６８は、約３０度～約９０度（たとえば、７０度）第３の冷却液路９７６、９７８から相互に径方向に偏位させる。
【0100】
概して、トーチヘッド１０２のトーチ絶縁体１１８はカートリッジ１０４のカートリッジフレーム１１２と協働して、図１３ａおよび１３ｂを参照して上述したように、トーチヘッド１０２とカートリッジ１０４からカートリッジ先端の各種コンポーネントとの間での冷却液流９５０の分布を制御するように構成される。たとえば、トーチ絶縁体１１８とカートリッジフレーム１１２は以下の順序で冷却液流９５０を方向付けることができる。（ｉ）カソード６００から冷却液管１１６へ流れ、トーチ絶縁体１１８の主路１３２とカートリッジフレーム１１２の主路１０２０において反転し、電極１０８を冷却する。主路１３２、１０２０はそれぞれ供給路と帰還路の両方として機能する。（ｉｉ）トーチ絶縁体１１８の第１の冷却液路９５８（すなわち、供給路）から、カートリッジ１０４の第１の冷却液路９６２（すなわち、供給路）、カートリッジ１０４の第２の冷却液路９６８（すなわち、帰還路）、トーチ絶縁体１１８の第２の冷却液路９７０（すなわち、帰還路）へ流れてノズル１１０を冷却する。（ｉｉｉ）トーチ絶縁体１１８の第３の冷却液路９７６（すなわち、供給路）から、カートリッジ１０４の第３の冷却液路９７８（すなわち、供給路）、カートリッジ１０４の４つの冷却液路９８２（すなわち、帰還路）、トーチ絶縁体１１８の第４の冷却液路９８４（すなわち、帰還路）へ流れてシールド１１４を冷却する。別の実施形態では、冷却液流９５０は、カートリッジ先端コンポーネントを冷却する３セットの供給路と帰還路のうちの１つのみを備える。別の実施形態では、冷却液流９５０は、２つのカートリッジ先端コンポーネントを冷却するために３セットの供給路と帰還路のうち２つを備える。
【0101】
図１３ａおよび１３ｂの冷却液流路９５０は電極１０８、ノズル１１０、カートリッジ先端のシールド１１４を冷却する順序で示されているが、他の冷却順序も同等に適用可能である。たとえば、異なる冷却順序には、シールド１１４、ノズル１１０、電極１０８の順序での冷却を含むことができる。さらに他の冷却順序には、ノズル１１０、シールド１１４、電極１０８の順序での冷却を含むことができる。いくつかの実施形態では、本発明によりカートリッジ先端のこれらの３つのコンポーネントの任意の順序での冷却が企図される。
【0102】
いくつかの実施形態では、シールドガス流路８６８、プラズマガス流路９００、冷却液流路９５０はトーチヘッド１０２とカートリッジ１０４の両方において相互に流体隔離されるため、これらの流体は路を横断することも同じ路を供給することもない。いくつかの実施形態では、シールドガス流路８６８、プラズマガス流路９００、冷却液流路９５０は、所定の配向でのトーチヘッド１０２とカートリッジ１０４との係止に基づき予め画定される。この係止機構については後で詳述する。トーチ絶縁体１１８のいくつかの実施形態では、冷却液路９６８、９７０、９７６、９８４、プラズマガス路２０６、シールドガス路８５０のうちの１つ以上が中心長手軸線Ａに対して非同心である。パイロットアーク接続空隙１４８、通信装置空隙１４４、プラズマガスバルブ空隙２０２のうちの１つ以上が中心長手軸線Ａに対して非同心である。トーチ絶縁体１１８のいくつかの実施形態では（図３に示す）、プラズマガスバルブ２０４を収容する開口部２０２ａ、プラズマガス開口部２００ａ、２００ｂ、パイロットアーク接続部１２３を収容する空隙開口部１４８ａ、冷却液開口部１２８ａ、オーム接続部１３１を収容する空隙開口部１４６ａ、シールドガス開口部１２６ａ、通信装置１２２を収容する空隙開口部１４４ａ、主路開口部１３２ａのうちの１つ以上がトーチ絶縁体１１８の近位端２１の端面に配置され、端面は実質的に平面状とすることができる。これらの開口部は、主路開口部１３２ａを例外として、近位端面に中心長手軸線Ａに対して非同心に配置することができる。トーチ絶縁体１１８のいくつかの実施形態では（図４に示す）、プラズマガス開口部２００ｃ、冷却液開口部９６０ａ～９６０ｄ、シールドガス開口部１２６ｂ、主路開口部１３２ｂのうちの１つ以上がトーチ絶縁体１１８の遠位端２３の端面に配置され、端面は実質的に平面状とすることができる。これらの開口部は、主路開口部１３２ａを例外として、遠位端面に中心長手軸線Ａに対して非同心に配置することができる。本発明の文脈では、「非同心」とは、利用可能な路、空隙、または開口部が長手軸線Ａから偏位していることを意味する。いくつかの実施形態では、非同心路、空隙、または開口部はそれぞれ、長手軸線Ａに対して非対称に配向される。
【0103】
いくつかの実施形態では、トーチ絶縁体１１８の近位端２１の主路開口部１３２ａ、主路１３２、トーチ絶縁体１１８の遠位端２３の主路開口部１３２ｂは中心に配置され、中心長手軸線Ａに対して同心に配置される。上述したように、主路１３２はトーチヘッドからカートリッジまで（ｉ）パイロットアークまたは移行式アーク電流、および（ｉｉ）冷却液流９５０の少なくとも一部の、少なくとも一方を供給するように構成される。
【0104】
トーチヘッドとカートリッジとのインタフェース
図４を参照すると、トーチ絶縁体１１８の遠位端２３は、トーチヘッド１０２とカートリッジ１０４との係合時、所定の径配向でトーチ絶縁体１１８とカートリッジフレーム１１２を固定するように構成されるクロッキング機構２２０（たとえば、ピン）をさらに含むことができる。図１５は、本発明の例示的な実施形態に係る、カートリッジフレーム１１２の近位端１５を示す図である。カートリッジフレーム１１２の近位端１５は、トーチ絶縁体１１８の遠位端２３の対応するクロッキング機構２２０と相互作用して、トーチヘッド１０２とカートリッジ１０４との間のインタフェース１０６の少なくとも１部（図２に示す）を形成するクロッキング機構（たとえば、ピン空隙）１００２を含むことができる。このようなインタフェース１０６により、トーチヘッド１０２とカートリッジ１０４との間の各種電流路、冷却液路、ガス路を位置合わせして、図７、８、１１ａ～１３ｂを参照して上述した所定の電流路、冷却液路、ガス流路を維持することができる。いくつかの実施形態では、トーチ絶縁体１１８の遠位端２３の端面は実質的に平面状である。カートリッジフレーム１１２の近位端１５の端面も実質的に平面状とすることができ、両端面間のインタフェース１０６は実質的に平面状である。
図４を参照すると、トーチ絶縁体１１８の遠位端２３は、トーチヘッド１０２とカートリッジ１０４との係合時、所定の径配向でトーチ絶縁体１１８とカートリッジフレーム１１２を固定するように構成されるクロッキング機構２２０（たとえば、ピン）をさらに含むことができる。図１５は、本発明の例示的な実施形態に係る、カートリッジフレーム１１２の近位端１５を示す図である。カートリッジフレーム１１２の近位端１５は、トーチ絶縁体１１８の遠位端２３の対応するクロッキング機構２２０と相互作用して、トーチヘッド１０２とカートリッジ１０４との間のインタフェース１０６の少なくとも１部（図２に示す）を形成するクロッキング機構（たとえば、ピン空隙）１００２を含むことができる。このようなインタフェース１０６により、トーチヘッド１０２とカートリッジ１０４との間の各種電流路、冷却液路、ガス路を位置合わせして、図７、８、１１ａ～１３ｂを参照して上述した所定の電流路、冷却液路、ガス流路を維持することができる。いくつかの実施形態では、トーチ絶縁体１１８の遠位端２３の端面は実質的に平面状である。カートリッジフレーム１１２の近位端１５の端面も実質的に平面状とすることができ、両端面間のインタフェース１０６は実質的に平面状である。
【0105】
トーチヘッド１０２とカートリッジ１０４との間の冷却液流の連続性に関して、所定の径配向でのトーチ絶縁体１１８とカートリッジフレーム１１２とのクロッキング時、トーチ絶縁体１１８の遠位端２３の第１の冷却液路開口部９６０ａ（図４および図１３ａに示す）は、カートリッジフレーム１１２の近位端１５の第１の冷却液路開口部９６２ａ（図１３ａおよび図１５に示す）と位置合わせされて、トーチ絶縁体１１８の第１の冷却液路９５８をカートリッジフレーム１１２の第１の冷却液路９６２（図１３ａに示す）に流体接続する。同一の所定の径配向で、トーチ絶縁体１１８の第２の冷却液路開口部９６０ｂ（図４および図１３ａに示す）はカートリッジフレーム１１２の近位端１５で第２の冷却液路開口部９６８ａと位置合わせされて（図１３ａおよび図１５に示す）、トーチ絶縁体１１８の第２の冷却液路９７０をカートリッジフレーム１１２の第２の冷却液路９６８（図１３ａに示す）と流体接続する。同一の所定の径配向で、トーチ絶縁体１１８の第３の冷却液路開口部９６０ｃ（図４および図１３ｂに示す）はカートリッジフレーム１１２の近位端１５で第３の冷却液路開口部９７８ａと位置合わせされて（図１３ｂおよび図１５に示す）、冷却液絶縁体１１８の第３の冷却液路９７６をカートリッジフレーム１１２の第３の冷却液路９７８（図１３ｂに示す）と流体接続する。同一の所定の径配向で、トーチ絶縁体１１８の第４の冷却液路開口部９６０ｄ（図４および図１３ｂに示す）はカートリッジフレーム１１２の第４の冷却液路開口部９８２ａ（図１３ｂおよび図１５に示す）と位置合わせされて、冷却液絶縁体１１８の第４の冷却液路９８４をカートリッジフレーム１１２の第４の冷却液路９８２（図１３ｂに示す）と流体接続する。
【0106】
トーチヘッド１０２とカートリッジ１０４との間のガス流の連続性に関して、所定の径配向で、トーチ絶縁体１１８の遠位端２３のシールドガス開口部１２６ｂ（図４および図１１ｂに示す）はカートリッジフレーム１１２の近位端１５でシールドガス開口部８６４ａと位置合わせされて（図１１ｂおよび図１５に示す）、トーチ絶縁体１１８の第３のシールドガス路区分８５０ｃをカートリッジフレーム１１２のシールドガス路８６４（図１１ｂに示す）と流体接続する。同一の所定の径配向で、トーチ絶縁体１１８の遠位端２３のプラズマガス開口部２００ｃ（図４および図１２ｃに示す）はカートリッジフレーム１１２の近位端１５でプラズマガス近位開口部９１２ａと位置合わせされて（図１２ｃおよび図１５に示す）、トーチ絶縁体１１８のプラズマガス路２０６をカートリッジフレーム１１８のプラズマガス路９１２（図１２ｃに示す）と流体接続する。
【0107】
トーチヘッド１０２とカートリッジ１０４との間のデータ通信に関しては、クロッキング機構２２０、１００２によって可能とされる所定の径配向で、リーダ装置１２２が信号装置１６０と回転方向に位置合わせされる。たとえば、トーチ絶縁体１１８に埋め込まれたアンテナコイル８１４は、トーチ絶縁体１１８の遠位端２３の領域２３０（図４に示す）にマッピングされ、中心２３２がカートリッジフレーム１１２の近位端１５の領域１０１６の中心１０１８（図１５に示す）と実質的に位置合わせされ、カートリッジ１０４に埋め込まれた信号装置１６０にマッピングされる。中心２３２と１０１８とのこのような回転方向位置合わせにより、リーダ装置１２２と信号装置１６０との間の通信干渉が低減される。
【0108】
図３１は、本発明の例示的な実施形態に係る、トーチヘッド１０２とカートリッジ１０４が相互に所定の径方向に配向されたときの通信装置１２２と信号装置１６０の例示的位置を示す図２のプラズマアークトーチ１０の一部を示す図である。いくつかの実施形態では、位置合わせされた位置において、アンテナコイル８１４の長手方向径中心と信号装置１６０の長手方向径中心との間の距離８１６は、信号装置１６０の長手方向径中心とトーチヘッド１０２またはカートリッジ１０４に配置される任意の隣接金属材料との間の距離よりも短い。いくつかの実施形態では、アンテナコイル８１４によって生成されるＲＦＩＤ領域は、ディスク状のＲＦＩＤタグ１６０の周を中心としたドーナツ形である。どの地点でもドーナツ形領域の断面は円形である。干渉を防止するため、（該領域の円形断面の中心点で測定される）ｘ軸に沿ったＲＦＩＤタグ１６０とリーダ装置１２２との間の距離は、ＲＦＩＤタグ１６０と任意の隣接金属との間のＹ軸に沿った距離よりも短いまたは近い。よって、ＲＦＩＤ領域がドーナツ形の周囲の円形路を移動するとき、該領域はＲＦＩＤタグ１６０に相対する前にいかなる金属とも衝突しないように構成される。いくつかの実施形態では、位置合わせされる位置において、信号装置１６０とリーダ装置１２２は、直線軸が信号装置１６０の中心線とリーダ装置１２２の中心線を延在するように配向される。いくつかの実施形態では、リーダ装置１２２のアンテナコイル８１４は信号装置１６０と実質的に平行に配向される。いくつかの実施形態では、アンテナコイル８１４とＲＦＩＤタグ１６０は約１３．５ＭＨｚの周波数で通信する。
【0109】
図２に示すようなトーチヘッド１０２とカートリッジ１０４との間の電気的接続の連続性に関しては、トーチ絶縁体１１８とカートリッジフレーム１１２との連結時、トーチ絶縁体１１８の主路１３２の遠位開口部１３２ｂはカートリッジフレーム１１２の近位端１５の開口部１０２０ａと位置合わせされて、カートリッジフレーム１１２の主路１０２０と接続するように構成される。よって、冷却液管１１６の遠位端７４２は、開口部１０２０ａを介してカートリッジフレーム１１２の主路１０２０に挿入されるように構成される。カートリッジフレーム１１２の遠位端１７における主路１０２０の開口部１０２０ｂは電極１０８の空隙９５４に接続されて、冷却液管１１６が開口部１０２０ｂを通って空隙９５４へと延在する。上述したように、電源からのパイロットアーク電流および／または移行式アーク電流はトーチヘッド１０２のカソード１３０から冷却液管１１６まで送ることができ、カソード１３０と冷却液管１１６はいずれも電極空隙９５４の内面を介して、トーチ絶縁体１１８とカートリッジ１０４の電極１０８に装着される。よって、電流を搬送する冷却液管１１６は電極１０８の内面を励磁する。いくつかの実施形態では、電源から電極１０８の内面への通電を簡易化するため、冷却液管１１６の端部７４０、７４２の一方または両方の１つ以上のＬｏｕｖｅｒｔａｃバンド７０２、７０４が使用される。冷却液管１１６の遠位端７４２における少なくともＬｏｕｖｅｒｔａｃバンド７０４の使用により、電極１０８は冷却液管１１６に対して径方向に位置合わせされる／中心合わせされるが、どの特定の径配向にも電極１０８は固定されない。たとえば、組み立て中、冷却液管１１６の遠位端７４２でＬｏｕｖｅｒｔａｃバンド７０４が電極１０８の空隙９５４内に完全に据えられ、空隙９５４の大部分によって覆われるまで、オペレータは軸方向の力を加えて、近位方向に電極１０８を冷却液管１１６に押し当てることができる。よって、冷却液管１１６のＬｏｕｖｅｒｔａｃバンド７０４により、係合または脱離時、ねじ込み（またはその他のクロッキング移動）を行わずに電極１０８を軸方向に前進または後退させて、ツール不要および／またはネジ不要の電極１０８を実現することができる。
【0110】
また、この簡易な前進／後退特徴は、トーチ絶縁体１１８のクロッキング機構２２０とカートリッジフレーム１１２のクロッキング機構１００２とを係合させてインタフェース１０６を形成することと両立可能である。すなわち、トーチヘッド１０２とカートリッジ１０４との連結は、電極１０８と冷却液管１１６との間のねじ込みやその他のクロッキング要件を考慮する必要なく、係止機構２２０、１００２によって制御することができる。概して、冷却液管１１６とＬｏｕｖｅｒｔａｃバンド７０４にパイロットアーク／移行式アーク電流をカートリッジ１０４まで搬送させることで、（ｉ）トーチ絶縁体１１８とカートリッジフレーム１１２との間の物理的インタフェースと、（ｉｉ）カソード１３０／冷却液管１１６と電極１０８との間の電気的接続とが分離される。この分離は、設計空間を最大化し、トーチの組立を簡易化するように構成される。また、冷却液管１１６（よって、トーチヘッド１０２）と電極１０８（よって、カートリッジ１０４）との間の比較的直線状の軸方向脱着のため、消耗品がより迅速に交換および設置される。さらに、Ｌｏｕｖｅｒｔａｃバンド７０４は冷却液管１１６に対して（たとえば、冷却液管１１６の外面に）配置されるため、容易に検査し保守することができる。別の実施形態では、Ｌｏｕｖｅｒｔａｃバンド７０４を使用する代わりに、ねじ接着や締まり嵌めなどその他の電流担持および／または保持機構を使用することができる。
【0111】
いくつかの実施形態では、切断電流が冷却液管１１６によって電源から電極１０８まで搬送されるため、電極１０８は電流移送のためにトーチヘッド１０２と直接電気的または物理的に接触する必要はない。いくつかの実施形態では、電極１０８は、電極１０８をカソード１３０および冷却液管１１６に接続するカソードブロック電極管２５２によってトーチヘッド１０２から電気的に隔離される。カソードブロック電極管２５２はプラスチックなどの非導電性材料で作製することができる。別の側面によると、電極１０８は、カソードから電流を直接受け取るために使用される電極よりも短い。この場合、電極１０８はもはやカソード１３０と物理的にも電気的にも接触していないため、直接接触電極よりもたとえば２５％超短くすることができる。
【0112】
冷却液管１１６の電極１０８の空隙９５４への軸挿入、および（たとえば、トーチ絶縁体１１８のクロッキングピン２２０のカートリッジフレーム１１２のクロッキングピン空隙／受け１００２への挿入による）トーチ絶縁体１１８とカートリッジフレーム１１２との径方向クロッキング後、カートリッジ１０４は保持キャップ１２０（図１に示す）を用いてトーチヘッド１０２に対して保持することができる。ねじ込み、スナップ嵌め、締まり嵌めなど、トーチヘッド１０２とカートリッジ１０４との間のその他の係合方法も可能である。図１６は、本発明の例示的な実施形態に係る、カートリッジ１０４とトーチヘッド１０２を相互に固定するために使用される図１の保持キャップ１２０の例示的設計を示す断面図である。保持キャップ１２０は、長手軸線Ａに沿って延在する本体７６４と、近位端７６０と、遠位端７６２とを含む。保持キャップ本体７６４の近位端７６０は、内面に周方向に配置されて、トーチヘッド１０２を保持キャップ本体７６４に捕捉する係合機構７６６（たとえば、溝、ねじ山、または段部）を含む。同様に、保持キャップ本体７６４の遠位端７６２は、内面に配置され、カートリッジ１０４を保持キャップ本体７６４に捕捉する係合機構７６８（たとえば、溝、ねじ山、または段部）を含む。よって、カートリッジ１０４とトーチヘッド１０２とのクロッキング時、保持キャップ１２０は、トーチヘッド１０２の遠位端２２でトーチヘッド１０２の外面と、カートリッジ１０４の近位端１４でカートリッジ１０４の外面とを確実に周方向に囲むことができる。いくつかの実施形態では、トーチヘッド１０２および／またはカートリッジは保持キャップ１２０に対して回転しない。この場合、オペレータはカートリッジ１０４および／またはトーチヘッド１０２上で保持キャップ１２０を摺動させて、回転移動を使用せずにそれらの部品を係止することができる。いくつかの実施形態では、保持キャップ１２０はトーチヘッド１０２の一部として設けられる。いくつかの実施形態では、保持キャップ１２０はカートリッジ１０４の一部として設けられる。いくつかの実施形態では、保持キャップ１２０は、カートリッジ１０４またはトーチヘッド１０２とは別個のコンポーネントとして設けられる。
【0113】
カートリッジ
図１７は、本発明の例示的な実施形態に係る、非通気カートリッジである図１のカートリッジ１０４を示す断面図である。上述したように、カートリッジ１０４は一般的にカートリッジ先端に連結されるカートリッジフレーム１１２を含み、カートリッジ先端は、電極１０８と、ノズルジャケット１１１に装着される非通気ノズルであるノズル１１０と、シールド１１４とを含む。カートリッジフレーム１１２はカートリッジ先端とトーチヘッド１０２との間のインタフェースを形成することによって、カートリッジ先端をトーチヘッド１０２に接続するように構成される。カートリッジ１０４の各種コンポーネントはカートリッジフレーム１１２、電極１０８、ノズル１１０、ノズルジャケット１１１、シールド１１４を含み、プラズマアークトーチ１０の長手軸線Ａを中心に同心に配置することができる。いくつかの実施形態では、カートリッジ１０４がカートリッジ先端のコンポーネントをカートリッジフレーム１１２の１つ以上の通路と位置合わせして係合させる複数の保持機構を含むため、これらの通路はトーチヘッド１０２からカートリッジフレーム１１２を通ってカートリッジ先端の所望のコンポーネントに液体とガスを導くことができる。いくつかの実施形態では、カートリッジフレーム１１２の近位端１５を含むカートリッジ１０４の近位端１４は実質的に平面状である。
図１７は、本発明の例示的な実施形態に係る、非通気カートリッジである図１のカートリッジ１０４を示す断面図である。上述したように、カートリッジ１０４は一般的にカートリッジ先端に連結されるカートリッジフレーム１１２を含み、カートリッジ先端は、電極１０８と、ノズルジャケット１１１に装着される非通気ノズルであるノズル１１０と、シールド１１４とを含む。カートリッジフレーム１１２はカートリッジ先端とトーチヘッド１０２との間のインタフェースを形成することによって、カートリッジ先端をトーチヘッド１０２に接続するように構成される。カートリッジ１０４の各種コンポーネントはカートリッジフレーム１１２、電極１０８、ノズル１１０、ノズルジャケット１１１、シールド１１４を含み、プラズマアークトーチ１０の長手軸線Ａを中心に同心に配置することができる。いくつかの実施形態では、カートリッジ１０４がカートリッジ先端のコンポーネントをカートリッジフレーム１１２の１つ以上の通路と位置合わせして係合させる複数の保持機構を含むため、これらの通路はトーチヘッド１０２からカートリッジフレーム１１２を通ってカートリッジ先端の所望のコンポーネントに液体とガスを導くことができる。いくつかの実施形態では、カートリッジフレーム１１２の近位端１５を含むカートリッジ１０４の近位端１４は実質的に平面状である。
【0114】
概して、カートリッジ先端の各種コンポーネントは、カートリッジフレーム１１２に対する軸方向位置合わせと径方向位置合わせ（すなわち、中心合わせ）を実現しながら、直接的または間接的にカートリッジフレーム１１２に固定することができる。電極１０８はカートリッジフレーム１１２に固定することができ、電極１０８の少なくとも一部がカートリッジフレーム１１２の中心路１０２０に配置される。いくつかの実施形態では、電極１０８は、主路１０２０の少なくとも一部を囲む旋回リング１５０を介してカートリッジフレーム１１２に固定される。具体的には、電極１０８の少なくとも近位部分が旋回リング１５０の遠位部分に挿入されるように、電極１０８の外径を旋回リング１５０の内径に固定することができる。旋回リング１５０が導電性を有する場合、旋回リング１５０は電極絶縁体７５４を介して電極１０８に固定することができる。図示するように、電極１０８は外側保持機構１０６６（たとえば、電極１０８の径が変動する１つ以上の段部）を外面に含み、外側保持機構１０６６は電極絶縁体７５４の内面の内側保持機構１０６８（たとえば、１つ以上の補完的な段部または凸部）と嵌め合い係合して、電極１０８と電極絶縁体７５４の相対的軸方向移動を防止するように構成される。保持機構１０６６、１０６８間の嵌合はスナップ嵌め、プレス嵌め、締まり嵌めのうちの１つによって実行することができる。また、結果として得られる電極１０８と電極絶縁体７５４との間のインタフェース１０６７は２つのコンポーネントを径方向に位置合わせする／中心合わせする。次に、電極絶縁体７５４は外側保持機構１０５６（たとえば、電極絶縁体７５４の径が変動する段部）を外面に含み、外側保持機構１０５６は旋回リング１５０の内面の内側保持機構１０５４（たとえば、補完的な段部または凸部）と嵌め合い係合して、電極絶縁体７５４と旋回リング１５０の相対的軸方向移動を防止する。保持機構１０５４、１０５６間の嵌合は、スナップ嵌め、プレス嵌め、締まり嵌めのうちの１つによって実行することができる。結果として生じる電極絶縁体７５４と旋回リング１５０との間のインタフェース１０５５は２つのコンポーネントを径方向に位置合わせする／中心合わせする。旋回リング１５０が実質的に非導電性である場合、旋回リング１５０は電極絶縁体７５４を使用せずに電極１０８に直接固定することができる。いくつかの実施形態では、旋回リング１５０の外径がカートリッジフレーム１１２の内径と嵌め合い係合されて、電極１０８をカートリッジフレーム１１２に連結する。たとえば、旋回リング１５０は、外面の外側保持機構１０５２（たとえば、旋回リング１５０の径が変動する段部）とカートリッジフレーム１１２の内面の内側保持機構１０５８（たとえば、補完的な段部または凸部）とを嵌め合い係合させて、旋回リング１５０とカートリッジフレーム１１２の相対的軸方向移動を防止することによって、カートリッジフレーム１１２に固定することができる。保持機構１０５２、１０５８間の嵌合は、スナップ嵌め、プレス嵌め、締まり嵌めのうちの１つによって実行することができる。また、結果として生じる旋回リング１５０とカートリッジフレーム１１２との間のインタフェース１０５３が２つのコンポーネントを径方向に位置合わせする／中心合わせする。
【0115】
ノズル１１０およびノズルジャケット１１１は、旋回リング１５０とカートリッジフレーム１１２との間で係合させることができる。いくつかの実施形態では、旋回リング１５０の外径がノズル１１０の内径と係合される。旋回リング１５０は、外面の外側保持機構１０５０（たとえば、旋回リング１５０の径が変動する１つ以上の段部）とノズル１１０の内面の内側保持機構１０６０（たとえば、補完的な段部または凸部）とを嵌め合い係合させて、旋回リング１５０とノズル１１０の相対的軸方向移動を防止することによって、ノズル１１０に固定することができる。保持機構１０５０、１０６０間の嵌合は、スナップ嵌め、プレス嵌め、締まり嵌めのうちの１つによって実行することができる。また、結果として得られる旋回リング１５０とノズル１１０との間のインタフェース１０５１が、２つのコンポーネントを径方向に位置合わせする／中心合わせする。いくつかの実施形態では、ノズル１１０の外径がカートリッジフレーム１１２の内径に固定される。ノズル１１０は、外面の少なくとも１つの外側保持機構１０７０（たとえば、ノズル１１０の径が変動する１つ以上の段部）をカートリッジフレーム１１２の内面の少なくとも１つの内側保持機構１０７２（１つ以上の補完的な段部または凸部）に嵌め合い係合させて、ノズル１１０とカートリッジフレーム１１２の相対的軸方向移動を防止することによって、カートリッジフレーム１１２に固定することができる。保持機構１０７０、１０７２間の嵌合は、スナップ嵌め、プレス嵌め、締まり嵌めのうちの１つによって実行することができる。また、結果として生じるノズル１１０とカートリッジフレーム１１２との間のインタフェース１０７１が、２つのコンポーネントを径方向に位置合わせする／中心合わせする。
【0116】
シールド１１４はカートリッジフレーム１１２の外面に連結することができる。たとえば、カートリッジフレーム１１２の外径は、カートリッジフレーム１１２の外面の外側保持機構１０６２（たとえば、カートリッジフレーム１１２の径が変動する段部）とシールド１１４の内面の内側保持機構１０６４（たとえば、補完的な段部または凸部）とを嵌め合い係合させて、カートリッジフレーム１１２とシールド１１４の相対的軸方向移動を防止することによってシールド１１４の内径に固定される。保持機構１０６２、１０６４間の嵌合は、スナップ嵌め、プレス嵌め、締まり嵌めのうちの１つによって実行することができる。また、結果として生じるカートリッジフレーム１１２とシールド１１４との間のインタフェース１０６３が、２つのコンポーネントを径方向に位置合わせする／中心合わせする。また、カートリッジフレーム１１２は、クリンピングを介してシールド１１４の遠位部分を収容し、さらにシールド１１４をカートリッジフレーム１１２に固定し位置合わせするように構成される窪み１０６５を外面に含むことができる。
【0117】
いくつかの実施形態では、上述の保持機構１０５０～１０７２は、スナップ嵌め、プレス嵌め、締まり嵌め、クリンピング、摩擦係合、糊付け、セメント付け、溶接のうちの１つによって、対応する保持機構と嵌合させることができる。いくつかの実施形態では、保持機構１０５０～１０７２は、たとえば硬化エポキシまたはゴムなどで作製される１つ以上の封止Ｏリングまたはガスケットを含む。いくつかの実施形態では、保持機構１０５０～１０７２により、カートリッジ先端のノズル１１０、ジャケット１１１、シールド１１４、および／または電極１０８をカートリッジフレーム１１２の１つ以上の通路と位置合わせし係合させることができるため、これらの通路はトーチヘッド１０２から、カートリッジフレーム１１２を通じて、カートリッジ先端の所望のコンポーネントまで液体および／またはガスを導くことができる。カートリッジフレーム１１２とカートリッジ先端との間の液体とガスの接続は後述する。
【0118】
図１８は、本発明の例示的な実施形態に係る、図１７のカートリッジ１０４のカートリッジフレーム１１２の例示的設計を示す図である。カートリッジフレーム１１２は、トーチヘッド１０２とカートリッジ先端との間に配置される実質的に円柱状絶縁体本体１１００を含む。より具体的には、絶縁体本体１１００は、内側領域１１０６と、外側面１１０８と、主路１０２０を囲み形成する内側面１１１０と、端面１１０２を有する近位端１５と、端面１１０４を有する遠位端１７とを含む。図１５を参照して上述したカートリッジフレーム１１２の近位端１５は、トーチヘッド１０２の冷却液管１１６から電流および／または冷却液流９５０を収容する中心開口部１０２０ａ、トーチ絶縁体１１８からプラズマガス流９００ｃを収容するプラズマガス開口部９１２ａ、トーチ絶縁体１１８からシールドガス流８６８を収容するシールドガス開口部８６４ａ、カートリッジ１０４との間で冷却液流９５０を導く４つの冷却液開口部９６８ａ、９７８ａ、９６２ａ、９８２ａを備える。いくつかの実施形態では、これらの開口部は絶縁体本体１１００の近位端１５の端面１１０２に配置される。いくつかの実施形態では、端面１１０２は、カートリッジ１０４の近位端１４と実質的に共面である。概して、いったんトーチヘッド１０２がカートリッジフレーム１１２の係止機構１００２とトーチ絶縁体１１８の対応する係止機構２２０とを介して、所定の配向でカートリッジ１０４と位置合わせされ接続されると、これらの開口部は、トーチ絶縁体１１８の遠位端２３の対応する開口部と電気的に接続する、および／または流体連通するように構成される。
【0119】
カートリッジ内の電気的接続
いくつかの実施形態では、電極１０８は、カートリッジフレーム１１２の絶縁体本体１１００に配置される主路１０２０と位置合わせされ接続される。通路１０２０は絶縁体本体１１０の中心に配置することができ、中心長手軸線Ａは該本体を延在してカートリッジフレーム１１２の近位端１５の端面１１０２の開口部１０２０ａを、カートリッジフレーム１１２の遠位端１７の端面１１０４の開口部１０２０ｂと接続する。次に、遠位開口部１０２０ｂは、電極１０８の空隙９５４（図２に示す）と接続され位置合わせされる。このような電極インタフェースにより、冷却液管１１６を主路１０２０に挿入して、上述したようにトーチヘッド１０２のカソード１３０から電極１０８の内面まで電流（すなわち、パイロットアークまたは移行式アーク電流）を流すことができる。このような場合、電極１０８は、上述したようにカソード１３０から電気的に絶縁することができる。別の実施形態では、電極１０８はカソード１３０に電気的に接続されて、カソード１３０から直接電流を受け取る。いくつかの実施形態では、同じ電極インタフェース（すなわち、カートリッジフレーム１１２の主路１０２０を介する電極１０８とトーチヘッド１０２との間のインタフェース）によって、トーチヘッド１０２は冷却液管１１６の内側から電極１１８へ冷却液を導入することができる。このカートリッジフレーム１１２の主路１０２０の冷却液の伝達特徴は以下で詳述する。
いくつかの実施形態では、電極１０８は、カートリッジフレーム１１２の絶縁体本体１１００に配置される主路１０２０と位置合わせされ接続される。通路１０２０は絶縁体本体１１０の中心に配置することができ、中心長手軸線Ａは該本体を延在してカートリッジフレーム１１２の近位端１５の端面１１０２の開口部１０２０ａを、カートリッジフレーム１１２の遠位端１７の端面１１０４の開口部１０２０ｂと接続する。次に、遠位開口部１０２０ｂは、電極１０８の空隙９５４（図２に示す）と接続され位置合わせされる。このような電極インタフェースにより、冷却液管１１６を主路１０２０に挿入して、上述したようにトーチヘッド１０２のカソード１３０から電極１０８の内面まで電流（すなわち、パイロットアークまたは移行式アーク電流）を流すことができる。このような場合、電極１０８は、上述したようにカソード１３０から電気的に絶縁することができる。別の実施形態では、電極１０８はカソード１３０に電気的に接続されて、カソード１３０から直接電流を受け取る。いくつかの実施形態では、同じ電極インタフェース（すなわち、カートリッジフレーム１１２の主路１０２０を介する電極１０８とトーチヘッド１０２との間のインタフェース）によって、トーチヘッド１０２は冷却液管１１６の内側から電極１１８へ冷却液を導入することができる。このカートリッジフレーム１１２の主路１０２０の冷却液の伝達特徴は以下で詳述する。
【0120】
図１９は、本発明の例示的な実施形態に係る、図１７のカートリッジ１０４の電極１０８の例示的設計を示す図である。放射インサート１２００は、放射面が露出するように、電極１０８の遠位端１２０２に配置することができる。インサート１２００は、耐食性や熱電子放射率などの適切な物理的特性を有するハフニウムまたはその他の材料で作製することができる。鍛造、衝撃押出し、または冷間成形を利用して、コンポーネントの機械加工の終了前に最初に電極１０８を形成することができる。電極１０８の近位端１２０４はカートリッジフレーム１１２の主路１０２０に配置し、カートリッジフレーム１１２の遠位開口部１０２０ｂを介して主路１０２０と位置合わせすることができる。電極１０８は、少なくとも旋回リング１５０と電極絶縁体７５４を用いてカートリッジフレーム１１２に接続することができる。いくつかの実施形態では、電極１０８は、電極絶縁体７５４または旋回リング１５０に接続するためのネジを含んでいない。上述したように、このような接続は、プレス嵌め、締まり嵌め、クリンピング、スナップ嵌めのうちの１つによって行うことができる。いくつかの実施形態では、電極１０８は、カソード１３０から直接電流を受け取るために使用される（すなわち、冷却液管１１６を使用しない）電極よりも短い。これらの場合、電極１０８はカソード１３０と物理的にも電気的にも接触しないため、電極１０８は直接接触電極よりもたとえば２５％超短くすることができる。いくつかの実施形態では、電極１０８は近位端１２０４にＯリング溝１２０５を含み、Ｏリング溝１２０５は、電極１０８とノズル１１０とによって協働して画定されるプラズマチャンバ／プレナム１０９を封止するために使用可能なＯリングを収容するように構成される。このような封止は、プラズマガス流９００ｃが電極１０８と電極絶縁体７５４（図１７に示す）の間を流れることを防止する。
【0121】
カートリッジ内のシールドガス接続
いくつかの実施形態では、シールド１１４とノズルジャケット１１１との間で形成されるシールドガス通路８７２は、カートリッジフレーム１１２の絶縁体本体１１００（図１１ａおよび１１ｂに示す）に配置されるシールドガス路８６４と位置合わせされる。シールドガス路８６４（図１１ａおよび１１ｂに示す）は絶縁体本体１１００の内側領域１１０６で長手軸線Ａに実質的に平行に延在することができるが、中心長手軸線Ａから偏位させることもできる（すなわち、長手軸線Ａに対して非同心である）。シールドガス路８６４は、カートリッジフレーム１１２の近位端１５の端面１１０２の開口部８６４ａをカートリッジフレーム１１２の遠位端１７の開口部８６４ｂに接続する。いくつかの実施形態では、開口部８６４ｂはカートリッジフレーム１１２の遠位端１７の端面１１０４に配置される。別の実施形態では、シールドガス路８６４の開口部８６４ｂは、長手軸線Ａに沿って開口部８６４ａの遠位に位置し、カートリッジフレーム本体１１００の外側面１１０８または内側面１１１０に配置される（すなわち、通路８６４は長手方向に本体１１００の全長を延在しない）。次いで、開口部８６４ｂはシールドガス通路８７２と流体接続されて、シールドガス流８６８をカートリッジ１０４のカートリッジフレーム１１２を通じてトーチヘッド１０２からシールドガス通路８７２（図１１ａおよび１１ｂに示す）へ送り込むことができる。いくつかの実施形態では、シールドガス路８６４は、シールドガス流８６８に計量機能を提供するように構成することができる。たとえば、シールドガス路８６４の径は、通路の長にわたって変動して、計量機能を提供することができる。カートリッジフレーム１１２の遠位端１７におけるシールドガス路８６４の径は、カートリッジフレーム１１２の近位端１５におけるシールドガス路８６４の径の約半分にし、シールドガス流８６８の流量を低減することができる。
いくつかの実施形態では、シールド１１４とノズルジャケット１１１との間で形成されるシールドガス通路８７２は、カートリッジフレーム１１２の絶縁体本体１１００（図１１ａおよび１１ｂに示す）に配置されるシールドガス路８６４と位置合わせされる。シールドガス路８６４（図１１ａおよび１１ｂに示す）は絶縁体本体１１００の内側領域１１０６で長手軸線Ａに実質的に平行に延在することができるが、中心長手軸線Ａから偏位させることもできる（すなわち、長手軸線Ａに対して非同心である）。シールドガス路８６４は、カートリッジフレーム１１２の近位端１５の端面１１０２の開口部８６４ａをカートリッジフレーム１１２の遠位端１７の開口部８６４ｂに接続する。いくつかの実施形態では、開口部８６４ｂはカートリッジフレーム１１２の遠位端１７の端面１１０４に配置される。別の実施形態では、シールドガス路８６４の開口部８６４ｂは、長手軸線Ａに沿って開口部８６４ａの遠位に位置し、カートリッジフレーム本体１１００の外側面１１０８または内側面１１１０に配置される（すなわち、通路８６４は長手方向に本体１１００の全長を延在しない）。次いで、開口部８６４ｂはシールドガス通路８７２と流体接続されて、シールドガス流８６８をカートリッジ１０４のカートリッジフレーム１１２を通じてトーチヘッド１０２からシールドガス通路８７２（図１１ａおよび１１ｂに示す）へ送り込むことができる。いくつかの実施形態では、シールドガス路８６４は、シールドガス流８６８に計量機能を提供するように構成することができる。たとえば、シールドガス路８６４の径は、通路の長にわたって変動して、計量機能を提供することができる。カートリッジフレーム１１２の遠位端１７におけるシールドガス路８６４の径は、カートリッジフレーム１１２の近位端１５におけるシールドガス路８６４の径の約半分にし、シールドガス流８６８の流量を低減することができる。
【0122】
いくつかの実施形態では、カートリッジフレーム１１２はシールドガス路８６４の経路に、シールドガス流８６８の１つ以上の特性を調節する１つ以上のコンポーネントを含む。たとえば、カートリッジフレーム１１２は、バッフル１１１２とシールド旋回リング１１１４とを備える２ピースのコンポーネントなどの調節コンポーネントを含むことができる。図１７に示すように、バッフル１１１２とシールド旋回リング１１１４は、遠位端１７でカートリッジフレーム１１２の絶縁体本体１１００内に周方向に配置され、この２つのコンポーネントはシールドガス路開口部８６４ｂの経路に位置するため、シールドガス流８６８がカートリッジフレーム１１２を出てシールドガス通路８７２に入るとき、特定の流パラメータを調節して、旋回運動をシールドガス流８６８に導入することができる。これらの２つの別々のコンポーネント１１１２、１１１４を使用することで、オペレータはバッフルとシールド旋回リングの異なる組み合わせを使用して異なる種類のシールドガス流を生成することができるため、製造および組み立て上の利点が得られる。
【0123】
図２０は、本発明の例示的な実施形態に係る、図１７のカートリッジ１０４のカートリッジフレーム１１２に装着されるバッフル１１１２とシールド旋回リング１１１４とを示す断面図である。いくつかの実施形態では、バッフル１１１２およびシールド旋回リング１１１４の少なくとも一方がＴｏｒｌｏｎ（登録商標）などの非導電性材料で作製される。いくつかの実施形態では、バッフル１１１２およびシールド旋回リング１１１４の少なくとも一方が導電性材料で作製される。バッフル１１１２とシールド旋回リング１１１４は、鋳造、打抜き加工、またはダイカストによって個別に製造することができる。
【0124】
図示するように、バッフル１１１２はシールド旋回リング１１１４の近位に位置するため、シールドガス流８６８が遠位方向に移動するとき、シールドガス流８６８はまずバッフル１１１２によって、次にシールド旋回リング１１１４によって調節される。他の実施形態では、バッフル１１１２とシールド旋回リング１１１４の位置が反転される。バッフル１１１２は、カートリッジフレーム１１２の絶縁体本体１１００内、たとえば絶縁体本体１１００の遠位端１７の空隙１１１６内に周方向に配置することができる。バッフル１１１２は、締まり嵌めおよびプレス嵌めの一方によって空隙１１１６に固定することができる。バッフル１１１２は長手部１１１８と、長手部１１１８に斜めに接続される径方向部１１２０とを含むため、径方向部１１２０は空隙１１１６の幅１１２２の一部を覆うが、径方向部１１２０の外径と空隙１１１６の内面との間に径方向間隙１１２４を残す。シールドガス路８６４内のシールドガス流８６８は、バッフル１１１２によって分散されて、径方向間隙１１２４を通って外径の周囲を旋回リング１１１４へ均等に流れ込むように構成される。径方向間隙１１２４は、シールドガス流８６８の少なくとも１つのパラメータを調節するような形状と大きさに設定される。たとえば、径方向間隙１１２４はシールドガス流８６８の流量および／または流体圧力を調節することができる。いくつかの実施形態では、径方向間隙１１２４のサイズを拡張することでシールドガス流８６８の流量を増やす。その場合、プラズマアークトーチシステムはそれに応じて一定の圧力を維持するように調節することができる。いくつかの実施形態では、径方向間隙１１２４のサイズを拡張することでガス圧力を低減する。その場合、プラズマアークトーチシステムはそれに応じて一定の流量を維持するように調節することができる。
【0125】
シールド旋回リング１１１４はバッフル１１１２に対して遠位に位置するように、締まり嵌めおよびプレス嵌めの少なくとも一方によって空隙１１１６の少なくとも一部に挿入することができる。図２１は、本発明の例示的な実施形態に係る、シールド旋回リング１１１４を示す断面図である。シールド旋回リング１１１４は旋回リング１１１４の第１の周に第１のセットのポート１１２６と、旋回リング１１１４の第２の周に第２のセットのポート１１２８を画定することができ、各ポートはカートリッジフレーム１１２の内面とカートリッジフレーム１１２の外面とを接続する。第１のセットのポート１１２６は、対応する第２のセットのポート１１２８から偏位される。このような偏位は、シールドガス流８６８に旋回運動を与える。したがって、バッフル１１１２とシールド旋回リング１１１４との組み合わせは、シールドガス路８６４を通ってシールドガス通路８７２まで遠位方向に移動するときにシールドガス流８６８のパラメータを調節することができる。一般的に、プラズマアークトーチ１０内のシールドガス流８６８は、バッフルの間隙１１２４のサイズおよび／またはシールド旋回リング１１１４の第１および第２のセットのポート１１２６、１１２８のサイズを変動させることによって構成可能である。
【0126】
カートリッジ内のプラズマガスの接続
いくつかの実施形態では、電極１０８とノズル１１０との間に形成されるプラズマガス通路９１８は、カートリッジフレーム１１２の絶縁体本体１１００（図１２ａ～１２ｃに示す）に配置されるプラズマガス路９１２と位置合わせされる。プラズマガス路９１２（図１２ａ～１２ｃに示す）は絶縁体本体１１００の内側領域１１０６において長手軸線Ａに実質的に平行に延在することができるが、長手軸線Ａに対して偏位される（すなわち、長手軸線Ａに対して非同心である）。プラズマガス路９１２は、カートリッジフレーム１１２の近位端１５の近位面１１０２の開口部９１２ａを開口部９１２ｂに接続する。いくつかの実施形態では、プラズマガス路９１２の開口部９１２ｂは長手軸線Ａに沿って開口部９１２ａの遠位に位置し、カートリッジフレーム本体１１００の内側面１１１０に配置され、中心路１０２０と流体連通する。よって、この構成では、プラズマガス路９１２は、長手方向にカートリッジフレーム本体１１００の全長にわたって延在していない。
いくつかの実施形態では、電極１０８とノズル１１０との間に形成されるプラズマガス通路９１８は、カートリッジフレーム１１２の絶縁体本体１１００（図１２ａ～１２ｃに示す）に配置されるプラズマガス路９１２と位置合わせされる。プラズマガス路９１２（図１２ａ～１２ｃに示す）は絶縁体本体１１００の内側領域１１０６において長手軸線Ａに実質的に平行に延在することができるが、長手軸線Ａに対して偏位される（すなわち、長手軸線Ａに対して非同心である）。プラズマガス路９１２は、カートリッジフレーム１１２の近位端１５の近位面１１０２の開口部９１２ａを開口部９１２ｂに接続する。いくつかの実施形態では、プラズマガス路９１２の開口部９１２ｂは長手軸線Ａに沿って開口部９１２ａの遠位に位置し、カートリッジフレーム本体１１００の内側面１１１０に配置され、中心路１０２０と流体連通する。よって、この構成では、プラズマガス路９１２は、長手方向にカートリッジフレーム本体１１００の全長にわたって延在していない。
【0127】
図２２は、本発明の例示的な実施形態に係る、プラズマガス路９１２の開口部９１２ｂを含む各種路開口部を示すカートリッジフレーム１１２の透視図である。図示するように、開口部９１２ｂはカートリッジフレーム１１２の中心領域の内側面１１１０に設けられ、開口部９１２ｂは中心路１０２０に流体接続される。別の実施形態では、プラズマガス路９１２はカートリッジフレーム１１２の全長にわたって延在し、開口部９１２ｂはカートリッジフレーム絶縁体本体１１００の遠位端面１１０４に位置する。開口部９１２ｂはプラズマガス通路９１８に流体接続される。このような接続により、プラズマガス流９００ｃはトーチヘッド１０２からカートリッジフレーム１１２を通ってプラズマガス通路９１８へ流れ込み、中心ノズル出口孔９１６と中心シールド出口孔８７０（図１２ａ～１２ｃに示す）を介してトーチ１０を出る前に中心主路１０２０に融合する。
【0128】
いくつかの実施形態では、カートリッジフレーム１１２は、プラズマガス路９１２の経路に、プラズマガス流９００ｃの１つ以上の特性を調節するように構成されるもう１つのコンポーネントを含む。たとえば、カートリッジフレーム１１２は、電極絶縁体７５４とノズル１１０との間で主路１０２０の周囲に配置される旋回リング１５０を含むことができる。旋回リング１５０は遠位プラズマガス路開口部９１２ｂと位置合わせされるため、プラズマガス流９００ｃがカートリッジフレーム１１２の内側面１１１０の開口部９１２ｂを介してプラズマガス路９１２を出てプラズマガス通路９１８に入るとき、旋回リング１５０がプラズマガス流９００ｃに旋回運動を与えることができる。
【0129】
図２３は、本発明の例示的な実施形態に係る、図１７のカートリッジ１０４の旋回リング１５０の例示的設計を示す図である。図示するように、旋回リング１５０は、プラズマアークトーチ１０の中心長手軸線Ａに沿って近位端１１７４と遠位端１１７２を有する実質的に中空の細長本体１１７０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、旋回リング１０２の中空本体１１７０は遠位端１１７２に、直接的にまたは電極絶縁体７５４を介して間接的に電極１０４の少なくとも一部を収容する大きさを有する。いくつかの実施形態では、旋回リング１５０は、細長本体１１７０の遠位端１１７２の周囲、たとえば遠位端１１７２の周に径方向に間隔をおいて配置されたガス流開口部１１７６のセットを含む。各ガス流開口部１１７６は細長本体１１７０の内面から外面まで延在することができ、電極１０８とノズル１１０との間のガス通路９１８を移動するプラズマガス流９００ｃに接線速度成分を与えるように配向されることによって、ガス流９００ｃを旋回させる。この旋回はプラズマアークを制限する渦流を生成し、電極１０８のインサート１２００上のアークの位置を安定化させる。
【0130】
カートリッジ内の冷却液の接続
いくつかの実施形態では、上述したように、カートリッジ先端のコンポーネント（たとえば、電極１０８、ノズル１１０、またはシールド１１４）は、カートリッジフレーム１１２の絶縁体本体１１００の少なくとも１つの冷却路（たとえば、路１００２、９６２、または９７８）および少なくとも１つの冷却液帰還路（通路１００２、９６８または９８２）と位置合わせされて、トーチヘッド１０２から冷却液流を受け取り、流体流の少なくとも一部をトーチヘッド１０２に帰還させることができる。冷却路と帰還路はそれぞれ、主路１００２を例外として、中心長手軸線Ａに対して非同心かつ非対称とすることができる。いくつかの実施形態では、主路１００２を例外として、冷却路と帰還路はいずれも重複していない。すなわち、主路１００２を例外として、冷却路と帰還路はそれぞれ液体入口路または液体出口路である。
いくつかの実施形態では、上述したように、カートリッジ先端のコンポーネント（たとえば、電極１０８、ノズル１１０、またはシールド１１４）は、カートリッジフレーム１１２の絶縁体本体１１００の少なくとも１つの冷却路（たとえば、路１００２、９６２、または９７８）および少なくとも１つの冷却液帰還路（通路１００２、９６８または９８２）と位置合わせされて、トーチヘッド１０２から冷却液流を受け取り、流体流の少なくとも一部をトーチヘッド１０２に帰還させることができる。冷却路と帰還路はそれぞれ、主路１００２を例外として、中心長手軸線Ａに対して非同心かつ非対称とすることができる。いくつかの実施形態では、主路１００２を例外として、冷却路と帰還路はいずれも重複していない。すなわち、主路１００２を例外として、冷却路と帰還路はそれぞれ液体入口路または液体出口路である。
【0131】
いくつかの実施形態では、中心路１０２０はカートリッジフレーム１１２の絶縁体本体１１００を延在して、カートリッジフレーム１１２の近位端１５の端面１１０２の開口部１０２０ａをカートリッジフレーム１１２の遠位端１７の開口部１０２０ｂに接続する。近位開口部１０２０ａは、トーチ絶縁体１１８の主路開口部１３２ｂと位置合わせされ接続される。遠位開口部１０２０ｂは電極１０８の空隙９５４と位置合わせされ接続されるため、トーチヘッド１０２から冷却液管１１６内部のカートリッジフレーム１１２を通じて電極１０８の空隙９５４（図１３ａおよび１３ｂに示す）まで冷却液流９５０を流すことができる。また、この接続により、冷却液流９５０が空隙９５４の遠位端の内面に作用して、冷却液流９５０の方向を反転させ、冷却液管１１６の外面に沿ってトーチヘッド１０２に向かって主路１０２０を近位方向に移動させることができる（図１３ａおよび１３ｂに示す）。冷却液管１１６の外面をわたるこの反転冷却液流はまた、冷却液管１１６の遠位端７４２に装着されるＬｏｕｖｅｒｔａｃバンド７０４を実質上冷却する。いくつかの実施形態では、反転冷却液流は、Ｌｏｕｖｅｒｔａｃバンド７０４の下方の冷却液管１１６の外面の長手路７４４を移動することによって、冷却液管１１６と電極１０８との間の圧力低下を制限することができる。
【0132】
いくつかの実施形態では、ノズルジャケット１１１に形成することができるノズル開口部９６６は、カートリッジフレーム１１２の絶縁体本体１１００に配置される第１の冷却液路９６２（図１３ａおよび１３ｂに示す）と位置合わせされる。ノズル開口部９６６により、冷却液流９５０が第１の冷却液路９６２からノズル１１０の外面とノズルジャケット１１１の内面との間のノズル冷却液流チャンバ９６５内に入ることができる。第１の冷却液路９６２（図１３ａおよび１３ｂに示す）は絶縁体本体１１００の内側領域１１０６の長手軸線Ａに実質的に平行に延在することができるが、長手軸線Ａから偏位する（すなわち、長手軸線Ａに対して非同心である）。第１の冷却液路９６２は、カートリッジフレーム１１２の近位端１５の端面１１０２の開口部９６２ａを、長手軸線Ａに沿って開口部９６２ａの遠位に位置するカートリッジフレーム１１２の開口部９６２ｂに接続することができる。次に、開口部９６２ｂはノズル開口部９６６と流体接続されることで、冷却液流９５０がトーチヘッド１０２からカートリッジ１０４のカートリッジフレーム１１２を通じてノズル冷却液流チャンバ９６５（図１３ａおよび１３ｂに示す）内へ遠位方向に移動することができる。
【0133】
いくつかの実施形態では、第１の冷却液路９６２の開口部９６２ｂがカートリッジフレーム本体１１００の内側面１１１０に配置され、中心路１０２０と流体連通する。よって、この構成では、第１の冷却液路９６２は、長手方向にカートリッジフレーム本体１１００の全長にわたって延在しない。第１の冷却液路９６２の開口部９６２ｂを図２２に示す。図示するように、開口部９６２ｂはカートリッジフレーム１１２の遠位端１７に向いて内側面１１１０に位置し、開口部９６２ｂは中心路１０２０に流体接続される。別の実施形態では、第１の冷却液路９６２はカートリッジフレーム１１２の全長にわたって延在し、開口部９６２ｂはカートリッジフレーム絶縁体本体１１００の遠位端面１１０４に位置する。開口部９６２ｂは、ノズルジャケット１１１のノズル開口部９６６に流体接続される。このような接続により、冷却液流９５０はトーチヘッド１０２からカートリッジフレーム１１２を通ってノズル１１０とノズルジャケット１１１との間のノズル冷却液流チャンバ９６５まで流れ込み、２つのノズルコンポーネントを冷却することができる。
【0134】
上述したように、ノズル開口部９６６は、カートリッジフレーム１１２の第１の冷却液路９６２と位置合わせされて、第１の冷却液路９６２からノズル開口部９６６を介してノズル冷却液流チャンバ９６５に冷却液流９５０を導入できるように構成される。ノズル開口部９６６はノズルジャケット１１１の第２のノズル開口部９６７と流体連通させることができ、２つの冷却液開口部９６６、９６７は相互に径方向に（すなわち、ノズル１１０の異なる側で）偏位する。冷却液流９５０はノズル開口部９６６を介してノズル冷却液流チャンバ９６５に入り、流チャンバ９６５を近位方向に流れ、遠位方向へチャンバ９６５の反対側に帰還し、第２の開口部９６７を介してチャンバ９６５を出ることができる。いくつかの実施形態では、第２の開口部９６７は、カートリッジフレーム１１２に配置される第２の冷却液路９６８（図１３ａおよび１３ｂに示す）と位置合わせされ接続される。第２の冷却液路９６８は、絶縁体本体１１００の内側領域１１０６内の長手軸線Ａと実質的に平行に延在することができるが、長手軸線Ａから偏位する（すなわち、長手軸線Ａに対して非同心である）。第２の冷却液路９６８は、カートリッジフレーム１１２の近位端１５の端面１１０２の開口部９６８ａを、カートリッジフレーム１１２の遠位端１７の開口部９６８ｂに接続し、さらに第２のノズル開口部９６７に接続させる。このような接続により、冷却液流９５０はノズル冷却液チャンバ９６５からカートリッジ１０４のカートリッジフレーム１１２を通ってトーチヘッド１０２まで近位方向に移動することができる（図１３ａおよび１３ｂに示す）。いくつかの実施形態では、第２の冷却液路９６８の開口部９６８ｂは、長手軸線Ａに沿って開口部９６８ａの遠位に位置し、カートリッジフレーム本体１１００の内側面１１１０に配置される。よって、第１および第２の冷却液路９６２、９６８がノズル開口部９６６、９６７と協働することで、冷却液流９５０がノズル冷却液流チャンバ９６５を介してノズル１１０およびノズルジャケット１１１を冷却することができる。
【0135】
図２４ａおよび２４ｂはそれぞれ、本発明の例示的な実施形態に係る図１７の非通気ノズル１１０とノズルジャケット１１１の外面図である。非通気ノズル１１０は、トーチ１０の長手軸線Ａに沿って近位端／部分１２０６、中間部１２０８、遠位端／部分１２１０を含む。ノズル１０８の遠位端１２１０は、イオン化ガスジェット流などのプラズマアークを切断対象の被加工物（図示せず）に導入するための中央に配置されたノズル出口孔９１６を含む。ノズルジャケット１１１は、長手軸線Ａに沿って近位端１２１４と遠位端１２１６とを画定する実質的に中空本体１２１２を含む。ノズル１０８の遠位端１２１０がノズルジャケット１１１の遠位端１２１６の開口部を通じて延在するように、ノズル１１０はノズルジャケット１１１の中空本体１２１２に挿入するように構成される。
【0136】
いくつかの実施形態では、ノズルジャケット１１１は、近位端１２１４にノズル開口部９６６、９６７を含み、各開口部がノズルジャケット本体１２１２の内面と外面を接続する。開口部９６６、９６７は、ノズルジャケット１１１の実質的に反対側（たとえば、相互に約１８０度）に配向させることができる。いくつかの実施形態では、ノズル１１１の中間部１２０８の外面とノズルジャケット１１１の対応する内面は併せてノズル冷却液流チャンバ９６５を画定する。流チャンバ９６５は、長手軸線Ａに沿っておよび／または最大径区分においてノズル１１０とノズルジャケット１１１との実質的に中間に配置することができる。いくつかの実施形態では、ノズル１１０の遠位部分１２１０は、ノズルジャケット１１１の遠位端１２１６の開口部を通じて配置されるノズル１１０の周囲の周流路１２１８（すなわち、ノズル１１０の周囲に約３６０度延在する流路）を含む。周路１２１８により、冷却液はノズル１１０の先端の外面を流れて、トーチ動作中のノズル先端の対流冷却を促進し、流れる液体の停滞を低減することができる。周流路１２１８は、ノズル１１０の曲面によって少なくとも部分的に画定することができる。
【0137】
動作時、冷却液流９５０は、ノズルジャケット１１１の一方の側の開口部９６６を介して流チャンバ９６５に進入することができる。冷却液流９５０は、流チャンバ９６５の一方の側に長手方向に周流路１２１８に向かって遠位方向に移動することができる。周流路１２１８に到達後、冷却液流９５０はノズル先端の周囲で旋回し、近位方向へ流れて遠位流の実質的に反対の（たとえば、約１８０度）ノズル１１０の反対側に帰還することができる。帰還流９５０は、開口部９６７を介してノズル冷却液流チャンバ９６５を出て、カートリッジフレーム１１２に至ることができる。
【0138】
いくつかの実施形態では、シールド１１４の内面は、カートリッジフレーム１１２の絶縁体本体１１００に配置される第３の冷却液路９７８（図１３ａおよび１３ｂに示す）と流体連通する。第３の冷却液路９７８は絶縁体本体１１００の内側領域１１０６において長手軸線Ａと実質的に平行に延在することができるが、長手軸線Ａから偏位する（すなわち、長手軸線Ａに対して非同心である）。第３の冷却液路９７８は、カートリッジフレーム１１２の近位端１５の端面１１０２の開口部９７８ａを、長手軸線Ａに沿って開口部９７８ａの遠位に位置するカートリッジフレーム１１２の開口部９７８ｂに接続することができる。いくつかの実施形態では、第３の冷却液路９７８の開口部９７８ｂはカートリッジフレーム本体１１００の外側面１１０８に配置される。よって、この構成では、第３の冷却液路９７８は、長手方向にカートリッジフレーム本体１１００の全長にわたって延在しない。第３の冷却液路９７８の開口部９７８ｂを図２２に示す。図示するように、開口部９７８ｂはカートリッジフレーム１１２の中間部の外側面１１０８に位置する。別の実施形態では、第３の冷却液路９７８はカートリッジフレーム１１２の全長にわたって延在し、開口部９７８ｂはカートリッジフレーム絶縁体本体１１００の遠位端面１１０４に位置する。開口部９７８ｂはシールド１１４の内面に流体露出させることができるため、冷却液流９５０はトーチヘッド１０２からカートリッジ１０４のカートリッジフレーム１１２を通ってシールド１１４内へ遠位方向に移動することができる（図１３ａおよび１３ｂに示す）。
【0139】
いくつかの実施形態では、図２２に示すように、カートリッジフレーム１１２の中間部の外側面１１０８はカートリッジフレーム１１２の周囲の周流路１２２０（すなわち、カートリッジフレーム１１２の周囲を約３６０度延在する流路）を画定する。周路１２２０は第３の冷却液路９７８の開口部９７８ｂに流体接続される。周路１２２０はシールド１１４の内周と併せてシールド冷却液流領域１２２２（図１３ｂに示す）を形成し、冷却液流９５０がこの領域を流れてシールド１１４の内周を冷却する。いくつかの実施形態では、周路１２２０はカートリッジフレーム１１２の第４の冷却液路９８２の開口部９８２ｂと流体連通し、該開口部９８２ｂはまたカートリッジフレーム１１２の外側面１１０８に配置することができる。開口部９８２ｂは、長手軸線Ａに沿って開口部９８２ａに遠位方向に位置する。開口部９７８ｂ、９８２ｂは、径方向にたとえば１８０度相互に偏位させることができるため、カートリッジフレーム１１２の対向側に位置する。第４の冷却液路９８２は長手軸線Ａに実質的に平行に延在させることができるが、長手軸線Ａから偏位する（すなわち、長手軸線Ａに対して非同心である）。第４の冷却液路９８２は、カートリッジフレーム１１２の近位端１５の端面１１０２の開口部９８２ａを開口部９８２ｂに接続するように構成される。
【0140】
動作時、冷却液流９５０は、第３の冷却液路９７８の開口部９７８ｂを介してシールド１１４に遠位方向に移動することができる。シールド冷却液流領域１２２２（すなわち、カートリッジフレーム１１２の外側面１１０８とシールド１１４の対応する内周の周流路１２２０によって画定される）を出た後、冷却液流９５０はシールド冷却液流領域１２２２の周囲で旋回し、遠位流の実質的に反対側（たとえば、約１８０度）のシールド冷却液流領域１２２２の他方の側へ近位方向に帰還することができる。帰還流９５０は、第４の冷却液路９８２の開口部９８２ｂを介してシールド冷却液流領域１２２２を出て、カートリッジフレーム１１２に至ることができる。
【0141】
図２５は、本発明の例示的な実施形態に係る、図１７のカートリッジ１０４のシールド１１４の断面図である。シールド１１４は、中心にシールド出口孔８７０を含む実質的に中空本体と、任意でシールド１１４の内面から外面まで延在する１つ以上のガス通気孔（図示せず）とを備える。シールド１１４は銅を用いて冷間成形し、打抜き加工することができる。
【0142】
概して、カートリッジフレーム１１２の近位端１５に関し、第１の冷却液路開口部９６２ａはノズル１１０への冷却液入口として機能することができ、第２の冷却液路開口部９６８ａはノズル１１０からの冷却液出口として機能することができ、第３の冷却液路開口部９７８ａはシールド１１４への冷却液入口として機能することができ、第４の冷却液路開口部９８２ａはシールド１１４からの冷却液出口として機能することができる。いくつかの実施形態では、トーチヘッド１０２がカートリッジ１０４に連結されるとき、ノズル１１０からの冷却液出口として機能する第２の冷却液路開口部９６８ａは、シールド１１４への冷却液入口として機能する第３の冷却液路開口部９７８ａに流体接続される。具体的には、図１３ａおよび１３ｂを参照して上述したように、トーチ絶縁体１１８の内側開口部９７２、９７４を接続するトーチ絶縁体１１８の分配路は、第２の冷却液路９６８から第３の冷却液路９７８まで冷却液流９５０を方向付けて、ノズルとシールドの両方を冷却することができる。
【0143】
いくつかの実施形態では、冷却液路開口部９６２ａ、９６８ａ、９７８ａ、９８２ａ、プラズマガス路開口部９１２ａ、シールドガス路開口部８６４ａ、主路開口部１０２０ａのうちの１つ以上がトーチ絶縁体１１８の近位端２１の端面１１０２に配置され、端面は実質的に平面状とすることができる。これらの開口部は、主路開口部１０２０ａを例外として、近位端面１１０２上に中心長手軸線Ａに対して非同心に配置することができる。いくつかの実施形態では、カートリッジフレーム１１２の冷却液路９６２、９６８、９７８、９８２、プラズマガス路９１２、シールドガス路８６４の１つ以上が中心長手軸線Ａに対して非同心である。
【0144】
カートリッジ内のＲＦＩＤ通信
いくつかの実施形態では、カートリッジフレーム１１２は、トーチヘッド１０２とカートリッジ先端との間の通信インタフェース（たとえば、ＲＦＩＤ通信インタフェース）を形成する。図１７を参照すると、カートリッジフレームの絶縁体本体１１００は、カートリッジフレーム１１２の近位端１５の端面１１０２に隣接するカートリッジフレーム１１２上または内に形成されるＲＦＩＤ搭載機構１２３０を含む。たとえば、搭載機構１２３０は、端面１１０２からカートリッジフレーム本体１１１０に配置される空隙とすることができる。ＲＦＩＤ搭載機構１２３０（たとえば、空隙）はカートリッジフレーム１１２の内側領域１１０６に配置することができ、中心長手軸線Ａに対して非同心に配置／配向させることができる。
いくつかの実施形態では、カートリッジフレーム１１２は、トーチヘッド１０２とカートリッジ先端との間の通信インタフェース（たとえば、ＲＦＩＤ通信インタフェース）を形成する。図１７を参照すると、カートリッジフレームの絶縁体本体１１００は、カートリッジフレーム１１２の近位端１５の端面１１０２に隣接するカートリッジフレーム１１２上または内に形成されるＲＦＩＤ搭載機構１２３０を含む。たとえば、搭載機構１２３０は、端面１１０２からカートリッジフレーム本体１１１０に配置される空隙とすることができる。ＲＦＩＤ搭載機構１２３０（たとえば、空隙）はカートリッジフレーム１１２の内側領域１１０６に配置することができ、中心長手軸線Ａに対して非同心に配置／配向させることができる。
【0145】
信号装置１６０は、トーチヘッド１０２がカートリッジ１０４に連結されるとき、カートリッジ１０４に関する（たとえば、電極１０８、ノズル１１０、シールド１１４および／またはカートリッジフレーム１１２自体に関する）情報を、近接リーダ装置、たとえばトーチ絶縁体１１８の通信装置１２２に送信する搭載機構１２３０内または上に配置することができる。たとえば、信号装置１６０は空隙１２３０に埋め込み、カートリッジフレーム本体１１００の絶縁体材料で覆うことができる。信号装置１６０は電気的に書込み可能なおよび／または読取り可能なＲＦＩＤタグとすることができる。信号装置１６０で符号化される例示的情報は、コンポーネントの名称、登録商標、製造業者、製造番号、および／または種類などの一般的または固定的情報を含むことができる。いくつかの実施形態では、コンポーネントの金属組成、コンポーネントの重量、コンポーネントが製造されたときの日付、時間および／または位置など、符号化された情報はコンポーネントにとって一意である。また、信号装置１６０に符号化される情報は、コンポーネントの検出可能な物理的特徴とは無関係であるコンポーネントに関する動作パラメータおよび／またはデータを明示することができる。信号装置１６０はＲＦＩＤタグまたはカード、バーコードラベルまたはタグ、集積回路（ＩＣ）板などとすることができる。
【0146】
いくつかの実施形態では、カートリッジフレーム１１２の近位端１５の端面１１０２は実質的に平面状である。この構成では、カートリッジ１０４がトーチヘッド１０２に連結されない場合、オペレータは携帯装置に搭載されるＲＦＩＤリーダなどのリーダを実質的に平面状端面１１０２に対して水平に置き、信号装置１６０に問い合わせて、信号装置１６０に記憶される情報を抽出することができる。したがって、カートリッジフレーム１１２は、カートリッジフレーム１１２内または上に搭載される信号装置１６０が（たとえば、トーチヘッド１０２の通信装置１２２によって）プラズマアークトーチ１０の内側から、または（たとえば、外部リーダによって）プラズマアークトーチ１０の外側から読み取ることができるように構成することができる。
【0147】
本発明の別の側面によると、トーチヘッド１０２は、通気ノズルを含むカートリッジに連結することができ、その場合、トーチヘッド１０２は非通気カートリッジ１０４の場合と実質的に同一の機能を提供する。図２６は、本発明の例示的な実施形態に係る、図１のプラズマアークトーチ１０のトーチヘッド１０２と両立可能な例示的通気カートリッジ１３００を示す図である。通気カートリッジ１３００のカートリッジフレーム１３０２は非通気カートリッジ１０４のカートリッジフレーム１１２と実質的に同一の構成および／または材料組成であるため、カートリッジフレーム１３０２はトーチヘッド１０２とカートリッジ先端のコンポーネントとの間の同じインタフェースを維持し、電極１３０８、ノズルライナー１３１１に連結される通気ノズル１３１０、シールド１３１４を含む。たとえば、電極１３０８は非通気カートリッジ１０４の電極１０８と実質的に同一とすることができ、電極１０８のカートリッジフレーム１１２への装着と同じように電極１３０８もカートリッジフレーム１３０２に装着することができる。シールド１３１４は非通気カートリッジ１０４のシールド１１４と実質的に同一とすることができ、シールド１１４カートリッジフレーム１１２への装着と同じようにシールド１３１４もカートリッジフレーム１３０２に装着することができる。
【0148】
ノズルライナー１３１１は通気ノズル１３１０の内面に配置され固定されることができる。ノズルライナー１３１１とノズル１３１０はそれぞれ、軸方向および径方向にカートリッジフレーム１３０２に位置合わせされるように、カートリッジフレーム１３０２に直接装着することができる。いくつかの実施形態では、図２６に示すように、通気カートリッジ１３００の旋回リング１３１６の内面と電極１３０８の外面との間の径方向距離１３６０は約２．０３ミリメートル（約０．０８インチ）である。いくつかの実施形態では、電極１０８の外面とノズルライナー１３１１の内面との間の最短の絶縁破壊距離１３５２は約１．２７ミリメートル（約０．０５インチ）である。
【0149】
図２７ａおよび２７ｂはそれぞれ、本発明の例示的な実施形態に係る、図２６のカートリッジ１３００のノズルライナー１３１１と通気ノズル１３１０の外面図である。図２７ｂに示すように、通気ノズル１３１０は、トーチ１０の長手軸線Ａに沿って近位端／部分１３２６と遠位端／部分１３２８とを有する実質的に中空本体を含む。ノズル１３１０の遠位端１３２８は、イオン化ガスジェットなどのプラズマアークを切断対象の被加工物（図示せず）に導入するためのノズル出口孔１３３２を中心に配置する。いくつかの実施形態では、ノズル１３１０は、近位端１３２６に位置するノズル１３１０の外面の周囲の周冷却液路１３３９（すなわち、ノズル１１０の周囲を約３６０度延在する流路）を含む。周路１３３９により、冷却液はノズル１３１０の外面を旋回パターンで流れることによって、対流冷却を促進し、流れる液体の停滞を低減することができる。
【0150】
図２７ａに示すように、ノズルライナー１３１１は、長手軸線Ａに沿って近位端１３３４と遠位端１３３６とを画定する実質的に中空本体を含む。ノズルライナー１３１１は、遠位端１３３６の中心開口部１３３８と、中心開口部１３３８の周囲にライナー１３１１の外面に長手方向に配向される１つ以上のプラズマガス路１３３７とを含む。いくつかの実施形態では、ノズルライナー１３１１は、通気プラズマガス流をノズルライナー１３１１の内面から外面に移動させるために、近位端１３３４に１つ以上の通気孔１３４６を含む。通気孔１３４６は、１つ以上の流パラメータを制御するように適切に計量することができる。ノズルライナー１３１１は、ノズル１３１０の遠位部分１３２６の開口部からノズル１３１０の中空本体に配置されるように構成される。ノズルライナー１３１１は、ノズル１３１０に対して径方向に位置合わせ／中心合わせすることができる。いったんノズルライナー１３１１がノズル１３１０に配置されると、中心開口部１３３８はノズル出口孔１３３２と流体連通することができる。ノズルライナー１３１１の遠位端１３３４は、通気孔１３４６がノズル１３１０によって遮られないように露出させることができる。
【0151】
いくつかの実施形態では、通気カートリッジ１３００を通るシールドガス流は、非通気カートリッジ１０４を通るシールドガス流８６８と実質的に同一である。いくつかの実施形態では、カートリッジフレーム１３０２を通るプラズマガス流はカートリッジフレーム１１２を通るプラズマガス流９００ｃと同一である。カートリッジフレーム１１２から出た後のプラズマガス流路を図２６に示す。カートリッジフレーム１１２のプラズマガス流路９００ｂと実質的に同様に、旋回リング１３１６は、プラズマガス流１３４０が遠位方向に流れて、カートリッジフレーム１３０２を出るとき、プラズマガス流１３４０に旋回運動を導入するように構成することができる。その後、プラズマガス流１３４０は電極１３０８とノズルライナー１３１１との間を遠位方向に移動して、電極１３０８と、ノズルライナー１３１１と、ノズル１３１０とによって協働で画定されるプレナム１３４２に到達する。プラズマガス流１３４０は、プレナム１３４２、ノズルライナー１３１１の中心開口部１３３８、中心ノズル出口孔１３３２、中心シールド出口孔１３４４を通じて移動することによってプラズマアークトーチ１０を出ることができる。プレナム１３４２のプラズマガス流１３４０の小さな部分１３４１は、ライナー１３１１の外面とノズル１３１０の内面との間の１つ以上のプラズマガス路１３３７を介して遠位方向に排出させることができる。
【0152】
プラズマガス流１３４１がライナー１３１１とノズル１３１０との間を遠位方向に移動すると、ノズルライナー１３１の近位端１３２４に到達して、近位端１３２４のノズルライナー本体１３１１の内面と外面とを接続する通気孔１３４６を介して、ノズルライナー１３１１を出ることができる。通気孔１３４６は通気路１３４８と流体連通するように構成され、通気路１３４８は、カートリッジフレーム１３０２の内側面と外側面とを接続するようにカートリッジフレーム１３０２の本体において径方向に配向され、次に大気に対して露出される。いくつかの実施形態では、同様の通気路が非通気カートリッジ１１２用のカートリッジフレーム１１２の絶縁体本体１１００に構成されるため、同じカートリッジフレームを通気および非通気カートリッジ設計の両方で使用可能である。よって、遠位プラズマガス流１３４１は、通気孔１３４６を介してノズル１３１０を出て、カートリッジフレーム１３０２の本体に配置される通気路１３４８に入ることができる。遠位プラズマガス流１３４１は、カートリッジフレーム１３０２の内側面から外側面まで通気路１３４８をたどることによって大気に排出させることができる。いくつかの実施形態では、保持キャップ１２０がカートリッジフレーム１３０２をトーチヘッド１０２に接続するために使用される場合、保持キャップ１２０の本体に配置される通気孔がカートリッジフレームの通気路１３４８と位置合わせされて、遠位プラズマガス流１３４１をトーチ１０から脱出させることができる。概して、トーチヘッド１０２は反復的に使用することができる耐久性の高いコンポーネントである一方、カートリッジ１３００は定期的に（たとえば、８動作時間毎などの２～２０動作時間毎に）交換することができる、あるいは使用毎に交換することができる消耗コンポーネントであるため、プラズマガス流１３４１をトーチヘッド１０２の代わりにカートリッジ１３００から排出させることによって、プラズマガス流１３４１内のオゾンがトーチ１０を破損しない。
【0153】
いくつかの実施形態では、カートリッジフレーム１３０２を流れる冷却液流は、カートリッジフレーム１１２を流れる冷却液流９５０と実質的に同じである。通気カートリッジ１３００では、冷却液流は、同一の冷却液路および通路／流領域を用いて、非通気カートリッジ１０４用の冷却液流９５０と実質的に同様に電極１３０８およびシールド１３１４を冷却することができる。たとえば、電極１０８の空隙９５４に接続される主冷却液路１００２を使用することによって、通気カートリッジ１３００の電極１３０８の冷却は、非通気カートリッジ１０４の電極１０８の冷却と同一にすることができる。別の例として、シールド１１４のシールド冷却液流領域１２２２に接続される第３の冷却液路９７８と第４の冷却液路９８２を使用することによって、通気カートリッジ１３００のシールド１３１４の冷却は、非通気カートリッジ１０４のシールド１１４の冷却と同一にすることができる。
【0154】
通気カートリッジ１３００内の通気ノズル１３１０を冷却するため、カートリッジフレーム１３０２を通る冷却液流は、第１および第２の冷却液路９６２、９６８にわたってカートリッジフレーム１１２を通る冷却液流９５０と実質的に同一である。カートリッジフレーム１１２から出た後に通気ノズル１３１０に向かう冷却液流路を図２６に示す。図示するように、第１の冷却液路９６２の開口部９６２ｂはカートリッジフレーム１３０２の内側面に位置し、カートリッジフレーム１３０２の内側領域から中心主路１３５１（たとえば、カートリッジフレーム１１２の主路１０２０と同じ主路）まで冷却液流１３５０を導く。冷却液流１３５０は、カートリッジ１３０２から主路１３５１をわたってノズル１３１０の外面の周路１３３９とシールド１３１４の内面との間に画定されるノズル冷却液流領域１３５２まで遠位方向に移動することができる。たとえば、第１の冷却液路９６２の開口部９６２ｂは周路１３３９（およびノズル冷却液流領域１３５２）と流体連通して、カートリッジフレーム１３０２から冷却液流１３５０をノズル冷却液流領域１３５２までノズル１３１０の一方の側から中心に導くことができる。冷却液流１３５０は、周流路１３３９に向かって長手方向にノズル冷却液流領域１３５２の一方の側全体に遠位方向に移動することができる。周流路１３３９に到達すると、冷却液流１３５０はノズル１３１０の周囲で旋回し、遠位流の実質的に反対側（たとえば、約１８０度）のノズル１３１０の他方の側に近位方向に帰還することができる。また、周流路１３３９も第２の冷却液路９６８の開口部９６８ｂと流体連通して、帰還流１３５０がノズル冷却液流領域１３５２から出て、第２の冷却液路９６８の開口部９６８ｂを介してカートリッジフレーム１３０２に入ることができる。
【0155】
いくつかの実施形態では、非通気ノズル１１０に対する冷却液流９５０とは異なり、通気カートリッジ１３００用の冷却液流１３５０は、ライナー１３１１と通気ノズル１３１０との間の領域に進入しない。その代わりに、冷却液流１３５０は、ライナー１３１１に対して遠位方向に離れたノズル１３１０の外周を流れる。
【0156】
一般的に、非通気カートリッジ１０４用のカートリッジフレーム１１２と通気カートリッジ１３００用のカートリッジフレーム１３０２は同一とすることができる。いくつかの実施形態では、同じカートリッジフレームは、様々な種類のコンポーネントをカートリッジフレームと位置合わせし装着することによって様々な種類のカートリッジで使用することができる。たとえば、上述したように、本発明のカートリッジフレームは、プラズマガス通気能力をカスタマイズするために通気または非通気ノズルに連結させることができる。別の例として、様々な旋回リング（たとえば、旋回リング１５０または旋回リング１３１６）を、カートリッジを通るプラズマガス流の旋回パターンをカスタマイズするためにカートリッジフレームに装着することができる。さらに別の例として、様々なバッフル（たとえば、バッフル１１１２）またはシールド旋回リング（たとえば、シールド旋回リング１１１４）を、カートリッジを通るシールドガス流の流特性をカスタマイズするためにカートリッジフレームに装着することができる。よって、本発明のカートリッジフレームにより、消耗カートリッジは様々な切断目的を実現するように構成及びカスタマイズ可能である。
【0157】
図２８は、本発明の例示的な実施形態に係る、図１のトーチヘッド１０２と両立可能なカートリッジを形成するように適切に構成することができる別の例示的カートリッジフレーム１４００を示す図である。カートリッジフレーム１４００はカートリッジフレーム１１２またはカートリッジフレーム１３０２と実質的に同一である。主な差異は、カートリッジフレーム１４００の近位端１４０２の形状であり「花弁」構成を有する。入口および出口開口部と路を含むカートリッジフレーム１４００のその他のすべての機構は、カートリッジフレーム１１２の機構と同じである。カートリッジフレーム１１２と同様、カートリッジフレーム１４００はＴｏｒｌｏｎ（登録商標）またはポリフェニレンサルファイドなどの絶縁体材料で作製することができる。カートリッジフレーム１４００の近位端１４０２の「花弁」構成により、カートリッジフレーム１４００は射出成形技術によって製造することができ、射出成形は従来の工程よりも高速で安価な製造アプローチであり、少ない質量で、侵食なくより適切かつ均一に冷却することができる。別の実施形態では、カートリッジフレーム１１２または１４００は機械加工することができる。
【0158】
いくつかの実施形態では、ノズルジャケット１１１および電極絶縁体７５４の少なくとも一方は、Ｔｏｒｌｏｎ（登録商標）またはポリフェニレンサルファイドなどの非導性電材料で作製される。電極１０８、１３０８、インサート１２００、非通気ノズル１１０、通気ノズル１３１０、ノズルライナー１３１１、シールド１１４、１３１４のうち少なくとも１つは銅や真鍮などの導電性材料で作製することができる。旋回リング１５０、１３１６は亜鉛（たとえば、Ｚａｍａｃ３）などの導電性材料で作製することができる。バッフル１１１２またはシールド旋回リング１１１４はそれぞれ絶縁体材料または導電性材料で作製することができる。いくつかの実施形態では、非通気カートリッジ１０４または通気カートリッジ１３００はそれぞれ、体積で少なくとも約５０％プラスチックからなる。いくつかの実施形態では、長手軸線Ａに沿ったカートリッジ１０４または１３００の全長は約５．１センチメートル（約２インチ）であり、長手軸線Ａと垂直な平面に沿ったカートリッジ１０４または１３００の最大径は約４．３センチメートル（約１．７インチ）である。
【0159】
電極１０８、１３０８、シールド１１４、１３１４は、冷間成形、打抜き加工、または機械加工技術によって製造することができる。非通気ノズル１１０、または通気ノズル１３１０は、冷間成形、打抜き加工、または機械加工によって、穿孔機構（たとえば、穴）を有するように製造することができる。旋回リング１５０、１３１６は、ダイカスト、射出成形、または機械加工によって旋回穴を有するように製造することができる。バッフル１１１２は打抜き加工、ダイカスト、機械加工、または鋳造によって製造することができる。シールド旋回リング１１１４はダイカスト、鋳造、または機械加工によって形成することができる。概して、製造コストと複雑度を低減するため、カートリッジ１０４または１３００はＶｅｓｐｅｌ（登録商標）、溶岩、アルミニウムをほとんどか全く含まず、銅を最小限しか使用せず、および／またはＯリング溝をほとんど有していない。さらに、カートリッジ１０４、１３００のコンポーネントは穿孔穴を最小限にするように製造される。
【0160】
いくつかの実施形態では、カートリッジ１０４またはカートリッジ１３００は、近位端で非平面状に設計されるため、カートリッジとトーチヘッド１０２との間のインタフェースも非平面である。図２９は、本発明の例示的な実施形態に係る、非平面状の近位端１４５２を含む例示的通気カートリッジ１４５０を示す図である。通気カートリッジ１４５０は、カートリッジフレーム１４５４に配置される端面１４５８と突出遠位部分１４６０とを備えることができる。具体的には、突出遠位部分１４６０は、主中心路１４５６を形成するカートリッジフレーム１４５４の一部である。突出遠位部分１４６０は、カートリッジフレーム１４５４の内側領域１４６２の端面１４５８を超えて長手軸線Ａに沿って遠位方向に延在することができる。カートリッジ１４５０のその他すべての機構／機能は、上述した通気カートリッジ１３００と実質的に同じにすることができる。
【0161】
図３０は、本発明の例示的な実施形態に係る、図１８のカートリッジ１０４の展開図である。カートリッジ１０４を組み立てるため、放射インサート１２００はまず、電極１０８の遠位端１２０２で電極１０８に挿入することができる。次に、電極１０８は電極絶縁体７５４の遠位端から電極絶縁体７５４に連結することができる。たとえば、電極１０８の外側保持機構１０６６は電極７５４の内側保持機構１０６８と嵌め合い係合させて、コンポーネントと軸方向に位置合わせし、インタフェース１０６７に沿って両者を径方向に位置合わせ／中心合わせすることができる。結果として得られるコンポーネントは旋回リング１５０に連結して、第１のサブアセンブリ１５０２を形成することができる。たとえば、電極絶縁体７５４の外側保持機構１０５６は旋回リング１５０の内側保持機構１０５４と嵌め合い係合して、コンポーネントと軸方向に位置合わせし、インタフェース１０５５に沿って両者を径方向に位置合わせ／中心合わせすることができる。いくつかの実施形態では、第１のサブアセンブリ１５０２においてコンポーネント（たとえば、旋回リング１５０、電気絶縁体７５、電極１０８）を相互にさらに固定するために、１つ以上のＯリングが使用される。第２のサブアセンブリ１５０４はノズル１１０をノズルジャケット１１１に装着することによって形成することができ、ノズル１１０はノズルジャケット１１１の中空本体に配置することができる。いくつかの実施形態では、第２のサブアセンブリ１５０４においてノズル１１０とノズルジャケット１１１を相互にさらに固定するために、１つ以上のＯリングが使用される。
【0162】
第１のサブアセンブリ１５０２、第２のサブアセンブリ１５０４、シールド１１４は、カートリッジフレーム１１２に直接装着してカートリッジ１０４を形成することができる。たとえば、旋回リング１５０の外側保持機構１０５２はカートリッジフレーム１１２の内側保持機構１０５８と嵌め合い係合して、コンポーネントと軸方向に位置合わせし、インタフェース１０５３に沿って両者を径方向に位置合わせ／中心合わせすることができる。ノズル１１０の外側保持機構１０７０はカートリッジフレーム１１２の別の内側保持機構１０７２と嵌め合い係合し、コンポーネントと軸方向に位置合わせし、インタフェース１０７１に沿って両者を径方向に位置合わせ／中心合わせすることができる。カートリッジフレーム１１２の外側保持機構１０６２はシールド１１４の内側保持機構１０６４と嵌め合い係合し、コンポーネントと軸方向に位置合わせし、インタフェース１０６３に沿って両者を径方向に位置合わせ／中心合わせすることができる。また、シールド１１４の遠位端をカートリッジフレーム１１２の外面の窪み１０６５に圧着し、２つのコンポーネントを共にさらに固定することができる。いくつかの実施形態では、第１のサブアセンブリ１５０２、第２のサブアセンブリ１５０４、および／またはシールド１１４とカートリッジフレーム１１２との係合を助けるため、１つ以上のＯリングが使用される。
【0163】
［付記１］
プラズマアークトーチ用の液冷消耗カートリッジであって、
電極と、
外面に第１の外側保持機構と第２の外側保持機構とを有し、前記電極が固定される旋回リングと、
内面に内側保持機構を有し、前記内側保持機構が前記旋回リングの前記第１の外側保持機構と嵌合するノズルと、
内面に内側保持機構と外面に外側保持機構を有するカートリッジフレームであって、前記内側保持機構が前記旋回リングの前記第２の外側保持機構と嵌合するカートリッジフレームと、
前記カートリッジフレームの前記外側保持機構と嵌合する内側保持機構を内面に有するシールドと、
を備え、
少なくとも前記ノズル、前記旋回リング、前記カートリッジフレーム、前記シールドが、嵌合時、所定位置に軸方向に固定されて、前記カートリッジフレームから前記シールドまたは前記ノズルまでの少なくとも１つの液体流路を提供する、液冷消耗カートリッジ。
［付記２］
前記電極と前記ノズルが、前記電極と前記ノズルとの間の物理的接触なしに軸方向および径方向に相互に位置合わせされる、付記１に記載の液冷消耗カートリッジ。
［付記３］
前記ノズルと前記シールドが、前記ノズルと前記シールドとの間の物理的接触なしに軸方向および径方向に相互に位置合わせされる、付記１に記載の液冷消耗カートリッジ。
［付記４］
前記シールド、前記ノズル、前記旋回リングのうちの少なくとも１つが前記カートリッジフレームと直接嵌合する、付記１に記載の液冷消耗カートリッジ。
［付記５］
前記電極が、前記旋回リングおよび電極絶縁体の少なくとも一方を介して前記カートリッジフレームと間接的に嵌合する、付記１に記載の液冷消耗カートリッジ。
［付記６］
前記ノズルの前記内側保持機構と前記旋回リングの前記第１の外側保持機構との嵌合により、前記ノズルと前記旋回リングとが径方向に位置合わせされる、付記１に記載の液冷消耗カートリッジ。
［付記７］
前記カートリッジフレームの前記内側保持機構と前記旋回リングの前記第２の外側保持機構との嵌合により、前記カートリッジフレームと前記旋回リングとの間で軸方向位置合わせと径方向位置合わせの少なくとも一方が実行される、付記１に記載の液冷消耗カートリッジ。
［付記８］
前記シールドの内側保持機構と前記カートリッジフレームの前記外側保持機構との嵌合により、前記カートリッジフレームと前記シールドとの間で軸方向位置合わせと径方向位置合わせの少なくとも一方が実行される、付記１に記載の液冷消耗カートリッジ。
［付記９］
内面に前記ノズルの外面の外側保持機構と嵌合するように構成される第２の内側保持機構をさらに備え、前記カートリッジフレームと前記ノズルとの嵌合により、前記カートリッジフレームと前記ノズルとの間で軸方向位置合わせと径方向位置合わせの少なくとも一方が実行される、付記１に記載の液冷消耗カートリッジ。
［付記１０］
前記ノズルがノズルジャケットに連結される非通気ノズルである、付記１に記載の液冷消耗カートリッジ。
［付記１１］
前記ノズルがノズルライナーに連結される通気ノズルである、付記１に記載の液冷消耗カートリッジ。
［付記１２］
液冷プラズマアークトーチ用の消耗カートリッジであって、
非導電性のカートリッジフレームと、
プラズマプレナムを部分的に画定し、前記カートリッジフレームに固定されるセットの導電消耗コンポーネントと、
を備え、
前記消耗カートリッジが体積で少なくとも５０％が非導電性材料からなる、消耗カートリッジ。
［付記１３］
前記消耗カートリッジが体積で約６０％～約８０％が非導電性材料からなる、付記１２に記載の消耗カートリッジ。
［付記１４］
使い捨てカートリッジである、付記１２に記載の消耗カートリッジ。
［付記１５］
前記セットの導電消耗コンポーネントが前記カートリッジフレームに固定された後に個別に処分不能である、付記１２に記載の消耗カートリッジ。
［付記１６］
前記カートリッジフレームが前記セットの導電コンポーネントと流体連通する液体路とガス路を備え、前記液体路とガス路が前記カートリッジフレームの中心長手軸線に対して非同心である、付記１２に記載の消耗カートリッジ。
［付記１７］
前記セットの導電性の消耗コンポーネントがシールド、ノズル、電極を備える、付記１２に記載の消耗カートリッジ。
［付記１８］
複数のコンポーネントから一体型の消耗カートリッジを製造する方法であって、
電極を旋回リングに軸方向および径方向に固定することと、
前記旋回リングの外面の保持機構をカートリッジフレームまたはノズルの内面の被嵌合保持機構のうちの少なくとも１つに軸方向および径方向に固定することと、
前記カートリッジフレームの外面の保持機構をシールドの内面の被嵌合保持機構に軸方向および径方向に固定することと、
を備え、
前記消耗コンポーネント間の前記軸方向および径方向の固定により、前記カートリッジフレームの少なくとも１つの内側流体路が（ｉ）前記ノズルの流体通路または（ｉｉ）前記シールドの流体通路と位置決めされる、方法。
［付記１９］
電極を旋回リングに軸方向および径方向に固定することが、
前記電極を電極絶縁体に軸方向および径方向に固定することと、
前記電極絶縁体を前記旋回リングに軸方向および径方向に固定することと、
を備える、付記１８に記載の方法。
［付記２０］
前記カートリッジフレーム内のプラズマガス路を前記旋回リングと前記ノズルとの間のガス通路と径方向に位置合わせすることをさらに備える、付記１８に記載の方法。
［付記２１］
前記カートリッジフレーム内のシールドガス路を前記ノズルと前記シールドとの間のガス通路と径方向に位置合わせすることをさらに備える、付記１８に記載の方法。
［付記２２］
前記カートリッジフレーム内の中心路を前記電極と径方向に位置合わせすることをさらに備える、付記１８に記載の方法。
［付記２３］
前記カートリッジフレーム内の第１の冷却液路および第２の冷却液路を前記ノズルと径方向に位置合わせすることと、
前記カートリッジフレーム内の第３の冷却液路および第４の冷却液路を前記シールドと径方向に位置合わせすることと、
をさらに備える、付記１８に記載の方法。
［付記２４］
亜鉛を用いてダイカストによって前記旋回リングを形成することをさらに備える、付記１８に記載の方法。
［付記２５］
非導電性材料を用いて鋳造によって前記カートリッジフレームを形成することをさらに備える、付記１８に記載の方法。
［付記２６］
導電性材料を用いて打抜き加工によって前記シールドを形成することをさらに備える、付記１８に記載の方法。
［付記２７］
前記複数のコンポーネントの軸方向および径方向の固定がスナップ嵌め、プレス嵌め、締まり嵌めのうちの１つ以上によって実行される、付記１８に記載の方法。
［付記２８］
プラズマアーク切断トーチ用の液冷消耗カートリッジを組み立てる方法であって、
中心領域と、外面と、遠位端と、近位端とを有する絶縁体カートリッジフレームを設けることと、
前記中心領域において旋回コンポーネントを前記カートリッジフレームに連結することと、
前記中心領域において電極を前記カートリッジフレームに連結することと、
前記中心領域においてノズルを前記カートリッジフレームに連結することと、
前記外面においてシールドを前記カートリッジフレームに連結することと、
を備える方法。
［付記２９］
旋回コンポーネントを前記カートリッジフレームに連結することが、前記旋回コンポーネントの外面を前記カートリッジフレームの内面に嵌合して、前記旋回コンポーネントと前記カートリッジフレームとの間で軸方向位置合わせと径方向位置合わせの少なくとも一方を提供することを備える、付記２８に記載の方法。
［付記３０］
前記旋回コンポーネントおよび電極絶縁体の少なくとも一方を介して前記電極を前記カートリッジフレームに連結することをさらに備える、付記２８に記載の方法。
［付記３１］
ノズルを前記カートリッジフレームに連結することが、前記ノズルの外面を前記カートリッジフレームの内面に連結して、前記ノズルと前記カートリッジフレームとの間で軸方向位置合わせと径方向位置合わせの少なくとも一方を提供することを備える、付記２８に記載の方法。
［付記３２］
前記外面においてシールドを前記カートリッジフレームに連結することにより、前記シールドと前記カートリッジフレームとの間で軸方向位置合わせと径方向位置合わせの少なくとも一方が提供される、付記２８に記載の方法。
［付記３３］
前記中心領域において前記カートリッジフレームの遠位端でバッフルと第２の旋回コンポーネントを配置することをさらに備える、付記２８に記載の方法。
［付記３４］
前記連結により、前記カートリッジフレームの少なくとも１つの内側流体路と（ｉ）前記ノズルの流体通路または（ｉｉ）前記シールドの流体通路とが位置合わせされる、付記２８に記載の方法。
［付記３５］
プラズマアークトーチ用の液冷消耗カートリッジであって、
電極と、
外面に外側保持機構と内面に内側保持機構とを有し、前記電極が前記内側保持機構に固定される旋回リングと、
外面に外側保持機構を有するノズルと、
内面に第１の内側保持機構と第２の内側保持機構と外面に外側保持機構を有するカートリッジフレームであって、前記カートリッジフレームの前記第１の内側保持機構が前記旋回リングの前記外側保持機構に嵌合し、前記カートリッジフレームの前記第２の内側保持機構が前記ノズルの前記外側保持機構に嵌合する、カートリッジフレームと、
前記カートリッジフレームの前記外側保持機構と嵌合する内側保持機構を内面に有するシールドと、
を備え、
少なくとも前記ノズル、前記旋回リング、前記カートリッジフレーム、前記シールドが嵌合時に所定位置に軸方向に固定される、液冷消耗カートリッジ。
本発明の各種側面および実施形態は様々な形で組み合わせることができると理解すべきである。本明細書の教示に基づき、当業者はこれらの各種実施形態を組み合わせる方法を容易に判定することができる。明細書に目を通すことで当業者は変更も思いつくことができる。
プラズマアークトーチ用の液冷消耗カートリッジであって、
電極と、
外面に第１の外側保持機構と第２の外側保持機構とを有し、前記電極が固定される旋回リングと、
内面に内側保持機構を有し、前記内側保持機構が前記旋回リングの前記第１の外側保持機構と嵌合するノズルと、
内面に内側保持機構と外面に外側保持機構を有するカートリッジフレームであって、前記内側保持機構が前記旋回リングの前記第２の外側保持機構と嵌合するカートリッジフレームと、
前記カートリッジフレームの前記外側保持機構と嵌合する内側保持機構を内面に有するシールドと、
を備え、
少なくとも前記ノズル、前記旋回リング、前記カートリッジフレーム、前記シールドが、嵌合時、所定位置に軸方向に固定されて、前記カートリッジフレームから前記シールドまたは前記ノズルまでの少なくとも１つの液体流路を提供する、液冷消耗カートリッジ。
［付記２］
前記電極と前記ノズルが、前記電極と前記ノズルとの間の物理的接触なしに軸方向および径方向に相互に位置合わせされる、付記１に記載の液冷消耗カートリッジ。
［付記３］
前記ノズルと前記シールドが、前記ノズルと前記シールドとの間の物理的接触なしに軸方向および径方向に相互に位置合わせされる、付記１に記載の液冷消耗カートリッジ。
［付記４］
前記シールド、前記ノズル、前記旋回リングのうちの少なくとも１つが前記カートリッジフレームと直接嵌合する、付記１に記載の液冷消耗カートリッジ。
［付記５］
前記電極が、前記旋回リングおよび電極絶縁体の少なくとも一方を介して前記カートリッジフレームと間接的に嵌合する、付記１に記載の液冷消耗カートリッジ。
［付記６］
前記ノズルの前記内側保持機構と前記旋回リングの前記第１の外側保持機構との嵌合により、前記ノズルと前記旋回リングとが径方向に位置合わせされる、付記１に記載の液冷消耗カートリッジ。
［付記７］
前記カートリッジフレームの前記内側保持機構と前記旋回リングの前記第２の外側保持機構との嵌合により、前記カートリッジフレームと前記旋回リングとの間で軸方向位置合わせと径方向位置合わせの少なくとも一方が実行される、付記１に記載の液冷消耗カートリッジ。
［付記８］
前記シールドの内側保持機構と前記カートリッジフレームの前記外側保持機構との嵌合により、前記カートリッジフレームと前記シールドとの間で軸方向位置合わせと径方向位置合わせの少なくとも一方が実行される、付記１に記載の液冷消耗カートリッジ。
［付記９］
内面に前記ノズルの外面の外側保持機構と嵌合するように構成される第２の内側保持機構をさらに備え、前記カートリッジフレームと前記ノズルとの嵌合により、前記カートリッジフレームと前記ノズルとの間で軸方向位置合わせと径方向位置合わせの少なくとも一方が実行される、付記１に記載の液冷消耗カートリッジ。
［付記１０］
前記ノズルがノズルジャケットに連結される非通気ノズルである、付記１に記載の液冷消耗カートリッジ。
［付記１１］
前記ノズルがノズルライナーに連結される通気ノズルである、付記１に記載の液冷消耗カートリッジ。
［付記１２］
液冷プラズマアークトーチ用の消耗カートリッジであって、
非導電性のカートリッジフレームと、
プラズマプレナムを部分的に画定し、前記カートリッジフレームに固定されるセットの導電消耗コンポーネントと、
を備え、
前記消耗カートリッジが体積で少なくとも５０％が非導電性材料からなる、消耗カートリッジ。
［付記１３］
前記消耗カートリッジが体積で約６０％～約８０％が非導電性材料からなる、付記１２に記載の消耗カートリッジ。
［付記１４］
使い捨てカートリッジである、付記１２に記載の消耗カートリッジ。
［付記１５］
前記セットの導電消耗コンポーネントが前記カートリッジフレームに固定された後に個別に処分不能である、付記１２に記載の消耗カートリッジ。
［付記１６］
前記カートリッジフレームが前記セットの導電コンポーネントと流体連通する液体路とガス路を備え、前記液体路とガス路が前記カートリッジフレームの中心長手軸線に対して非同心である、付記１２に記載の消耗カートリッジ。
［付記１７］
前記セットの導電性の消耗コンポーネントがシールド、ノズル、電極を備える、付記１２に記載の消耗カートリッジ。
［付記１８］
複数のコンポーネントから一体型の消耗カートリッジを製造する方法であって、
電極を旋回リングに軸方向および径方向に固定することと、
前記旋回リングの外面の保持機構をカートリッジフレームまたはノズルの内面の被嵌合保持機構のうちの少なくとも１つに軸方向および径方向に固定することと、
前記カートリッジフレームの外面の保持機構をシールドの内面の被嵌合保持機構に軸方向および径方向に固定することと、
を備え、
前記消耗コンポーネント間の前記軸方向および径方向の固定により、前記カートリッジフレームの少なくとも１つの内側流体路が（ｉ）前記ノズルの流体通路または（ｉｉ）前記シールドの流体通路と位置決めされる、方法。
［付記１９］
電極を旋回リングに軸方向および径方向に固定することが、
前記電極を電極絶縁体に軸方向および径方向に固定することと、
前記電極絶縁体を前記旋回リングに軸方向および径方向に固定することと、
を備える、付記１８に記載の方法。
［付記２０］
前記カートリッジフレーム内のプラズマガス路を前記旋回リングと前記ノズルとの間のガス通路と径方向に位置合わせすることをさらに備える、付記１８に記載の方法。
［付記２１］
前記カートリッジフレーム内のシールドガス路を前記ノズルと前記シールドとの間のガス通路と径方向に位置合わせすることをさらに備える、付記１８に記載の方法。
［付記２２］
前記カートリッジフレーム内の中心路を前記電極と径方向に位置合わせすることをさらに備える、付記１８に記載の方法。
［付記２３］
前記カートリッジフレーム内の第１の冷却液路および第２の冷却液路を前記ノズルと径方向に位置合わせすることと、
前記カートリッジフレーム内の第３の冷却液路および第４の冷却液路を前記シールドと径方向に位置合わせすることと、
をさらに備える、付記１８に記載の方法。
［付記２４］
亜鉛を用いてダイカストによって前記旋回リングを形成することをさらに備える、付記１８に記載の方法。
［付記２５］
非導電性材料を用いて鋳造によって前記カートリッジフレームを形成することをさらに備える、付記１８に記載の方法。
［付記２６］
導電性材料を用いて打抜き加工によって前記シールドを形成することをさらに備える、付記１８に記載の方法。
［付記２７］
前記複数のコンポーネントの軸方向および径方向の固定がスナップ嵌め、プレス嵌め、締まり嵌めのうちの１つ以上によって実行される、付記１８に記載の方法。
［付記２８］
プラズマアーク切断トーチ用の液冷消耗カートリッジを組み立てる方法であって、
中心領域と、外面と、遠位端と、近位端とを有する絶縁体カートリッジフレームを設けることと、
前記中心領域において旋回コンポーネントを前記カートリッジフレームに連結することと、
前記中心領域において電極を前記カートリッジフレームに連結することと、
前記中心領域においてノズルを前記カートリッジフレームに連結することと、
前記外面においてシールドを前記カートリッジフレームに連結することと、
を備える方法。
［付記２９］
旋回コンポーネントを前記カートリッジフレームに連結することが、前記旋回コンポーネントの外面を前記カートリッジフレームの内面に嵌合して、前記旋回コンポーネントと前記カートリッジフレームとの間で軸方向位置合わせと径方向位置合わせの少なくとも一方を提供することを備える、付記２８に記載の方法。
［付記３０］
前記旋回コンポーネントおよび電極絶縁体の少なくとも一方を介して前記電極を前記カートリッジフレームに連結することをさらに備える、付記２８に記載の方法。
［付記３１］
ノズルを前記カートリッジフレームに連結することが、前記ノズルの外面を前記カートリッジフレームの内面に連結して、前記ノズルと前記カートリッジフレームとの間で軸方向位置合わせと径方向位置合わせの少なくとも一方を提供することを備える、付記２８に記載の方法。
［付記３２］
前記外面においてシールドを前記カートリッジフレームに連結することにより、前記シールドと前記カートリッジフレームとの間で軸方向位置合わせと径方向位置合わせの少なくとも一方が提供される、付記２８に記載の方法。
［付記３３］
前記中心領域において前記カートリッジフレームの遠位端でバッフルと第２の旋回コンポーネントを配置することをさらに備える、付記２８に記載の方法。
［付記３４］
前記連結により、前記カートリッジフレームの少なくとも１つの内側流体路と（ｉ）前記ノズルの流体通路または（ｉｉ）前記シールドの流体通路とが位置合わせされる、付記２８に記載の方法。
［付記３５］
プラズマアークトーチ用の液冷消耗カートリッジであって、
電極と、
外面に外側保持機構と内面に内側保持機構とを有し、前記電極が前記内側保持機構に固定される旋回リングと、
外面に外側保持機構を有するノズルと、
内面に第１の内側保持機構と第２の内側保持機構と外面に外側保持機構を有するカートリッジフレームであって、前記カートリッジフレームの前記第１の内側保持機構が前記旋回リングの前記外側保持機構に嵌合し、前記カートリッジフレームの前記第２の内側保持機構が前記ノズルの前記外側保持機構に嵌合する、カートリッジフレームと、
前記カートリッジフレームの前記外側保持機構と嵌合する内側保持機構を内面に有するシールドと、
を備え、
少なくとも前記ノズル、前記旋回リング、前記カートリッジフレーム、前記シールドが嵌合時に所定位置に軸方向に固定される、液冷消耗カートリッジ。
本発明の各種側面および実施形態は様々な形で組み合わせることができると理解すべきである。本明細書の教示に基づき、当業者はこれらの各種実施形態を組み合わせる方法を容易に判定することができる。明細書に目を通すことで当業者は変更も思いつくことができる。
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図12A】
【図12B】
【図12C】
【図13A】
【図13B】
【図14A】
【図14B】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24A】
【図24B】
【図25】
【図26】
【図27A】
【図27B】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】