特許 7411646 交換可能な単一の消耗カートリッジ用のフレーム、その製造方法、及びプラズマアークトーチの冷却方法

(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】2023-12-27

(45)【発行日】2024-01-11

(54)【発明の名称】交換可能な単一の消耗カートリッジ用のフレーム、その製造方法、及びプラズマアークトーチの冷却方法

(51)【国際特許分類】

   H05H 1/34 20060101AFI20231228BHJP

   B23K 10/00 20060101ALI20231228BHJP

【ＦＩ】

H05H1/34

B23K10/00 504

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2021518000

(86)(22)【出願日】2019-11-07

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-01-13

(86)【国際出願番号】 US2019060318

(87)【国際公開番号】W WO2020097365

(87)【国際公開日】2020-05-14

【審査請求日】2022-10-31

(31)【優先権主張番号】62/756,996

(32)【優先日】2018-11-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(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】トゥワログ、ピーター ジェイ．

(72)【発明者】

【氏名】シプルスキー、イー．マイケル

(72)【発明者】

【氏名】チャン、ユー

【審査官】大門 清

(56)【参考文献】

【文献】特開平１０－２６３８３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－０６３７９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６１－１９５７８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０３－１７４９８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－１９２８９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０３１９８３５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／００５０７４０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開昭６３－０１００８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１６５７１２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０５Ｈ １／２４

Ｂ２３Ｋ １０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

プラズマアークトーチに設置するように構成された交換可能な単一の消耗カートリッジ用のフレームであって、
平行移動可能な接触開始電極を受容するように適合された中空の本体を備え、該本体は内面及び外面を有し、該本体は、
実質的に円筒形の金属コアと、
前記実質的に円筒形の金属コアの先端の周囲を少なくとも実質的に取り囲む、電気的に絶縁性のオーバーモールドされたプラスチックケーシングと、
前記中空の本体の前記外面と前記中空の本体の前記内面とを流体接続する一組の流路とを有し、該流路は、通過するプラズマガスに旋回流体フローパターンを付与するようにオフセットされている、フレーム。

【請求項2】

前記実質的に円筒形の金属コアは真ちゅうで形成されている、請求項１に記載のフレーム。

【請求項3】

前記実質的に円筒形の金属コアは、陽極酸化された部分を含む、請求項１に記載のフレーム。

【請求項4】

前記一組の流路における各流路は、他の流路から半径方向にオフセットされている、請求項１に記載のフレーム。

【請求項5】

前記流路は、約６．５平方センチメートルの総断面積を有する、請求項１に記載のフレーム。

【請求項6】

前記フレームの第１の端部がノズルに接続するように構成されている、請求項１に記載のフレーム。

【請求項7】

前記流路の組は、前記ノズルの前部に取り外し不能に取り付けられた追加の部品の中へ延びる、請求項６に記載のフレーム。

【請求項8】

プラズマアークトーチを冷却する方法であって、
複数の穴を規定するフレームを有する複合消耗品を提供することであって、前記複合消耗品は、電極、ノズルおよびシールドを含む統合された部品を有し、前記穴は前記フレームの外面と前記フレームの内面とを流体接続し、前記穴は通過するプラズマガスに旋回流体フローパターンを付与するためにオフセットされる、提供することと、
前記プラズマアークトーチに前記複合消耗品を設置することと、
前記電極、前記ノズルまたは前記シールドのうちの少なくとも１つを冷却する流体フローパターンを形成する冷却流体を、前記複数の穴を通して流すことと、
前記フレームは、平行移動可能な接触開始電極を受容するように適合されるとともに、（ｉ）実質的に円筒形の金属コアと、（ｉｉ）前記実質的に円筒形の金属コアの先端の周囲を少なくとも実質的に取り囲む、電気的に絶縁性のオーバーモールドされたプラスチックケーシングとを含む、方法。

【請求項9】

前記実質的に円筒形の金属コアは真ちゅうで形成されている、請求項８に記載の方法。

【請求項10】

前記実質的に円筒形の金属コアは、陽極酸化された部分を含む、請求項８に記載の方法。

【請求項11】

前記複数の穴の各穴は、他の穴から半径方向にオフセットされている、請求項８に記載の方法。

【請求項12】

前記穴は、約６．５平方センチメートルの総断面積を有する、請求項８に記載の方法。

【請求項13】

前記フレームの第１の端部は、シールド絶縁体を介して前記シールドに接続するように構成され、前記シールドは、前記フレームに熱的に結合されている、請求項８に記載の方法。

【請求項14】

プラズマアークトーチに設置するように構成された交換可能な単一の消耗カートリッジの製造方法であって、
平行移動可能な接触開始電極を受容するように適合された中空の本体を提供することであって、該本体は内面及び外面を有し、該本体は実質的に円筒形の金属コアを含む、提供することと、
電気的に絶縁性のプラスチックケーシングをオーバーモールドすることであって、前記電気的に絶縁性のプラスチックケーシングは、前記実質的に円筒形の金属コアの先端の周囲を少なくとも実質的に取り囲む、オーバーモールドすることと、
前記中空の本体の前記外面と前記中空の本体の前記内面とを流体接続する一組の流路を提供することであって、該流路は、通過するプラズマガスに旋回流体フローパターンを付与するようにオフセットされている、提供することと、を備える方法。

【請求項15】

前記実質的に円筒形の金属コアは、スタンピングによって形成される、請求項１４に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、概してプラズマアーク切断システム及びプロセスの分野に関する。より具体的には、本発明は、改良された消耗カートリッジの使用を通じて切断の時間およびコストを単純化、最適化、および低減するための方法および装置に関する。

【背景技術】

【0002】

プラズマアークトーチは、材料の切断及びマーキングに広く使用されている。プラズマトーチは、一般に、アークエミッタ（例えば、電極）と、トーチ本体内に取り付けられた中央出口オリフィスを有するアーク収縮器または収縮部材（例えば、ノズル）と、電気的接続と、冷却用の通路と、アーク制御流体（例えば、プラズマガス）用の通路とを含む。トーチは、高温で高運動量のガスの収縮したイオン化ジェットを生成する。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。動作中、パイロットアークは最初にアークエミッタ（カソード）とアーク収縮器（アノード）の間に生成される。パイロットアークの生成は、ＤＣ電源及びトーチに接続された高周波、高電圧信号、またはさまざまな接点始動方法のいずれかを使用して行うことができる。

【0003】

既知の消耗品は、切断操作の前と操作中の両方で多くの欠点に悩まされている。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。動作中、現在の消耗品は、トーチから熱を効果的に放散および伝導できない、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に直面する。さらに、現存の消耗品は、相当量の高価な材料、たとえば銅及び／又はＶｅｓｐｅｌ（登録商標）を含み、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、製造コストを低減し、システム性能（たとえば、部品の位置合わせ、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消耗プラットフォームである。

【発明の概要】

【0004】

本発明は、製造コストを低減し、カートリッジの商品化及び生産を簡易化し、エンドユーザーによる設置および使いやすさを改善し、システム性能を向上させる１つ以上の費用効果の高いカートリッジ設計を提供する。いくつかの実施形態では、多数の従来の消耗部品（例えば、スワールリング、ノズル、シールド、保持キャップ、および電極部品）が再設計されている。いくつかの実施形態では、新しい部品（例えば、電極スリーブ、ロックリング、および／またはインターフェース絶縁体）が作成される。いくつかの実施形態では、従来のスワールリングは、トーチ本体内のガス流に渦を与えるトーチ本体内の異なる特徴（例えば、ノズル本体に直接組み込まれた流れ穴を有するスワール機構）と置き換えられる。いくつかの実施形態では、ノズルシールドは、（例えば、陽極酸化アルミニウムおよび／またはプラスチックを使用することによって）ノズルから電気的に絶縁されている。

【0005】

いくつかの実施形態では、各カートリッジは、以下の消耗部品のうちの１つまたは複数を備える。１つまたは複数のセクションを有するフレームまたは本体、アークエミッター（例えば、電極）、アーク収縮器またはアーク収縮部材（例えば、ノズル）、プラズマトーチ内の気体にスワールを与える機構（例えば、ノズルに組み込まれたスワール機構、スワールリング、または別のスワール機構）、シールド（例えば、アルミニウム、陽極酸化アルミニウム、および／またはプラスチック材料の使用によって電気的に絶縁されたノズルシールド）、放射要素（例えば、ハフニウム放射器）、および／またはエンドキャップ。いくつかの実施形態では、カートリッジは、実質的に銅の部分（例えば、銅の内部コア）および実質的に非銅の部分（例えば、内部コアの外部の非銅の部分）を含む。いくつかの実施形態では、カートリッジは、手持ち式のプラズマ切断システムおよび／または機械化されたプラズマ切断システムで使用することができる。

【0006】

いくつかの実施形態では、カートリッジは、スプリング電極または電極に固定されたスプリングスタート機構などの弾性要素を有し、弾性要素は、カートリッジに直接統合されるとともに、カートリッジから分離または分解できないように設計されている。弾性要素は、フレームと物理的に通信することができ、および／またはフレームからアークエミッタにパイロット電流を流すように構成することができる。弾性要素は、例えば、分離力を与えることによって、弾性要素の軸に沿った方向にアークエミッタを付勢することができる。いくつかの実施形態では、分離力は、カートリッジを一緒に保持する結合力の大きさよりも小さい大きさを有する。

【0007】

いくつかの実施形態では、カートリッジは、強化された冷却機能および絶縁機能、製造コストおよび材料コストの削減、および／または改善されたリサイクル性、耐久性ならびに性能を有する。いくつかの実施形態では、カートリッジは、１つの統合された部品で消耗部品を提供する。いくつかの実施形態では、カートリッジは、トーチの設置時間を大幅に短縮することを可能にし（例えば、５分の１～１０分の１）、与えられた切断作業に対して嵌合部品が常に正しく選択されるようにし、放熱性能および／または熱伝導性能を向上させ、特定の切断作業に適した消耗部品を簡単に認識できるようにし、消耗品の位置合わせおよび／または消耗品の間隔を空けることを可能とし、および／または作業者のミスを減らす。いくつかの実施形態では、熱はトーチから実質的に離れて移動するが、プラスチック部品を加熱または溶融するほどではない。いくつかの実施形態では、銅以外の金属を使用すること（例えば、銅部品の内部コアの外側の領域で）は、トーチから熱を遠ざけるのに役立つ。いくつかの実施形態では、カートリッジは、特定の切断作業のために消耗品の特定の組み合わせを事前に選択することを可能にする。

【0008】

いくつかの実施形態では、カートリッジフレームは、高熱伝導性材料、例えば、アルミニウム、銅、または別の高伝導性金属を含む。いくつかの実施形態では、カートリッジフレームは成形によって形成される。いくつかの実施形態では、カートリッジフレームの第１の端部またはフレームの第２の端部の少なくとも１つは、相補的な部品と係合するように形成されたねじ領域を含む。いくつかの実施形態では、シールド、アーク収縮器、およびフレームは熱的に結合されている。いくつかの実施形態では、フレームの外面は、保持キャップに接続するように形成されている。いくつかの実施形態では、カートリッジは、フレームに接続されたシールド絶縁体を含む。いくつかの実施形態では、シールド絶縁体は、フレームに圧入されている。

【0009】

いくつかの実施形態では、カートリッジキャップは、アークエミッタの開口を規定し、アークエミッタ開口の円周の周りに配置された流体シール面を含む。いくつかの実施形態では、電極はばねを含む。いくつかの実施形態では、カートリッジキャップは、アーク収縮部材のベース領域内で、スワール穴のセットの近くの位置まで延びる。いくつかの実施形態では、アーク収縮部材のベースは、成形によって形成される。いくつかの実施形態では、保持キャップがカートリッジ本体に接続されている。いくつかの実施形態では、保持キャップはプラスチックを含む。いくつかの実施形態では、アーク収縮部材および電極は、アーク収縮部材のベースを介して保持キャップに接続されている。

【0010】

いくつかの実施形態では、カートリッジは、カートリッジ本体に接続されたシールドを含む。いくつかの実施形態では、シールドは、シールド絶縁体を介してカートリッジ本体に接続されている。いくつかの実施形態では、シールド絶縁体は、シールドの少なくとも１つまたはアーク収縮部材のベースに圧入されている。いくつかの実施形態では、シールド絶縁体は電気的に絶縁性である。いくつかの実施形態では、シールド絶縁体は熱伝導性である。いくつかの実施形態では、シールド絶縁体は陽極酸化アルミニウムを含む。いくつかの実施形態では、スリーブは、電極の一部の周りに配置される。いくつかの実施形態では、スリーブは、アーク収縮部材のベースから電極を電気的に絶縁するように形成された陽極酸化層を含む。いくつかの実施形態では、スリーブは、プラズマトーチ内の流体の流れを促進するように、例えば、冷却を改善するように構成された一組の流れ面を含む。

【0011】

いくつかの実施形態では、カートリッジ（または消耗品アセンブリ）は、キャップインサート内に配置されたシールを含む。いくつかの実施形態では、カートリッジは、ガス流ダイバータに直接接続された保持キャップを含む。いくつかの実施形態では、保持キャップはプラスチックで形成されている。いくつかの実施形態では、アーク収縮器および放射部材は、スワールリングを介して保持キャップに接続されている。いくつかの実施形態では、シールド絶縁体は、シールドおよびガス流ダイバータの少なくとも１つに圧入されている。いくつかの実施形態では、シールド絶縁体は電気的に絶縁性である。いくつかの実施形態では、シールド絶縁体は熱伝導性である。いくつかの実施形態では、シールド絶縁体は陽極酸化アルミニウムを含む。いくつかの実施形態では、シールドは、約２から約４Ｗ／（ｍ・Ｋ・Ａ）の熱容量対電流比を有する。いくつかの実施形態では、カートリッジまたは消耗品アセンブリは、放射部材の一部の周りに配置されたスリーブを含む。いくつかの実施形態では、スリーブは、放射部材をアーク収縮器のベースから電気的に絶縁するように形成された陽極酸化層を含む。いくつかの実施形態では、スリーブは一組の流れ面を含む。

【0012】

いくつかの実施形態では、カートリッジはユニットとして交換される。いくつかの実施形態では、放射要素の長さは、複数のカートリッジ部品がほぼ同時にそれらの耐用年数の終わりに達するように、ノズルの寿命に一致するように調整することができる。いくつかの実施形態では、切断品質は、現在の消耗品を使用して達成されるものと同様であり得る。いくつかの実施形態では、カートリッジタイプの消耗品アセンブリは、ノズル本体内に配置されたばね電極と、ロックリング内に配置されたシール装置とを含む。シール装置は、プラズマアークトーチに接続するように構成することができる。ばね電極は、電極本体内に延び、接触要素と電極本体との間に配置されたばねに接続された押しピンまたは接触要素を含むことができる。いくつかの実施形態では、電極スリーブは、カートリッジ内のガス流を方向付けるように成形された（例えば、すくい上げられた）前端を有することができる。

【0013】

一態様では、本発明は、プラズマアークトーチ用の交換可能なカートリッジを特徴とする。交換可能なカートリッジは、第１のセクションおよび第２のセクションを有するカートリッジ本体を含む。第１および第２のセクションは、実質的に中空のチャンバーを形成するために境界で接続される。境界は、第１のセクションと第２のセクションとを一緒に固定する結合力を提供する。カートリッジは、第２のセクション内に位置するアーク収縮部材も含む。カートリッジは、実質的に中空のチャンバー内に含まれる電極も含む。カートリッジは、電極に取り付けられた接触開始スプリング要素も含む。ばね要素は、本体の第１のセクションまたは第２のセクションの少なくとも１つに向けて電極を付勢する分離力を与える。分離力は、結合力の大きさよりも小さい大きさを有する。

【0014】

いくつかの実施形態では、ガス入力が電極を動かし、分離力に打ち勝つ。いくつかの実施形態では、電極および接触開始ばね要素の少なくとも一部は、実質的に中空のチャンバー内に取り外し不能に配置されている。いくつかの実施形態では、アーク収縮部材の基部は陽極酸化されている。いくつかの実施形態では、カートリッジは、ケルビン度あたり１メートルあたり約２００～４００ワットの熱伝導率を有する領域を有する。いくつかの実施形態では、シールドは、２～４Ｗ／（ｍ・Ｋ・Ａ）の熱容量対電流比を有する。いくつかの実施形態では、カートリッジは、カートリッジ本体の第２のセクションに接続されたキャップインサートを含み、キャップインサートは、電極を実質的に配向し、カートリッジ本体内に電極を保持する。

【0015】

別の態様では、本発明は、プラズマアークトーチ用の密閉カートリッジユニットを特徴とする。カートリッジユニットは、第１の端部を規定する第１の実質的に中空の部分と、第２の端部を規定する第２の実質的に中空の部分とを含む実質的に中空のフレームを含む。カートリッジユニットは、フレーム内に配置されたアークエミッターを含む。アークエミッタは、フレームに対して平行移動可能である。カートリッジは、フレームの第２の端部に取り付けられたアーク収縮器を含む。カートリッジは、フレームと物理的に伝達する弾力性を有する弾性要素を含む。弾性要素は、アークエミッタまたはその近傍での点火を容易にすべく、アークエミッタを第１の端部または第２の端部のいずれかに向けて付勢する。

【0016】

いくつかの実施形態では、ガス入力が電極を動かし、分離力に打ち勝つ。いくつかの実施形態では、フレームは電気絶縁体を含む。いくつかの実施形態では、フレームは、金属または強い熱伝導性材料のうちの少なくとも１つを含む。いくつかの実施形態では、フレームは陽極酸化されている。いくつかの実施形態では、カートリッジは、少なくとも１セットの流れ穴を含み、流れ穴の組のうち各流れ穴は、他の流れ穴から半径方向にオフセットされている。いくつかの実施形態では、流れ穴は、約６．５平方センチメートル（約１平方インチ）の総断面積を有する。いくつかの実施形態では、第１の端部は、シールド絶縁体を介してシールドに接続するように構成され、シールド、アーク収縮器、およびフレームは、熱的に結合されている。いくつかの実施形態では、カートリッジユニットは、ケルビン度あたり１メートルあたり約２００から４００ワットの熱伝導率を有する領域を有する。いくつかの実施形態では、カートリッジは、フレームの第２の端部に配置されたカートリッジキャップを含み、カートリッジキャップは、アークエミッターに接触し、フレーム内にアークエミッターを保持するように形成されている。

【0017】

別の態様では、本発明は、プラズマアークトーチ用の交換可能な単一の消耗品アセンブリを特徴とする。消耗品アセンブリは、ガスフローダイバータと、ガスフローダイバータと物理的につながっているアーク収縮器と、ガスフローダイバータおよびアーク収縮器内に実質的に配置された放射部材と、放射部材とガスフローダイバータまたはアーク収縮器の少なくとも１つとの間に配置された弾性アーク開始器とを含む。ガスフローダイバータ、アーク収縮器、放射部材、およびアーク開始器のそれぞれの少なくとも一部は、消耗品アセンブリ内に取り外し不能に統合されている。

【0018】

いくつかの実施形態では、放射部材は電極を含み、アークスターターはばねを含む。いくつかの実施形態では、ガスフローダイバータは陽極酸化される。いくつかの実施形態では、ガスフローダイバータは、アーク収縮器の実質的に反対側に配置されたキャップインサートを含み、キャップインサートは、放射部材を実質的に配向し、ガスフローダイバータ内に放射部材を保持する。いくつかの実施形態では、シールは、キャップインサート内に配置される。いくつかの実施形態では、消耗品アセンブリは、ガスフローダイバータに接続されたシールドを含む。いくつかの実施形態では、シールドは、シールド絶縁体を介してガスフローダイバータに接続されている。

【0019】

別の態様では、本発明は、プラズマアークトーチに設置するように構成された交換可能な単一の消耗カートリッジ用のフレームを特徴とする。フレームは、平行移動可能な接触開始電極を受容するように適合された中空の本体を含む。本体は内面および外面を有する。本体は、実質的に円筒形の金属コアを含む。また、本体は、実質的に円筒形の金属コアの先端の周囲を少なくとも実質的に取り囲む、電気的に絶縁性のオーバーモールドされたプラスチックケーシングを含む。また、本体は、中空の本体の外面と中空の本体の内面とを流体接続する一組の流路を含む。流路は、通過するプラズマガスに旋回流体フローパターンを付与するようにオフセットされている。いくつかの実施形態では、実質的に円筒形の金属コアは、スタンピングによって形成される。

【0020】

いくつかの実施形態では、実質的に円筒形の金属コアは、スタンピングによって形成される。いくつかの実施形態では、実質的に円筒形の金属コアは真ちゅうで形成されている。いくつかの実施形態では、実質的に円筒形の金属コアは、陽極酸化された部分を含む。いくつかの実施形態では、一組の流路における各流路は、他の流路から半径方向にオフセットされている。いくつかの実施形態では、流路は、約６．５平方センチメートル（約１平方インチ）の総断面積を有する。いくつかの実施形態では、フレームの第１の端部は、ノズル、フレーム、および電極が単一のユニットとして配置されるように、ノズルに分離不能に接続されるように構成される。いくつかの実施形態では、フレームの第１の端部は、シールド絶縁体を介してシールドに接続するように構成され、シールドは、フレームに熱的に結合されている。

【0021】

別の態様では、本発明は、プラズマアークトーチを冷却する方法を特徴とする。この方法は、複数の穴を規定するフレームを有する複合消耗品を提供することを含む。複合消耗品には、電極、ノズル、シールドなどの部品が組み込まれている。穴は、フレームの外面とフレームの内面とを流体接続する。穴は、通過するプラズマガスに旋回流体フローパターンを付与するようにオフセットされている。また、この方法は、プラズマアークトーチに複合消耗品を設置することを含む。また、この方法は、複数の穴を通して冷却流体を流すことを含む。冷却流体は、電極、ノズル、またはシールドの少なくとも１つを冷却する流体フローパターンを形成し、それによって、動作中にプラズマアークトーチから少なくとも１ワットの電力を除去する。フレームは、平行移動可能な接触開始電極を受容するように適合されている。フレームは、（ｉ）実質的に円筒形の金属コア、および／または（ｉｉ）実質的に円筒形の金属コアの先端の周囲を少なくとも実質的に取り囲む、電気的に絶縁性のオーバーモールドされたプラスチックケーシングを含む。

【0022】

いくつかの実施形態では、実質的に円筒形の金属コアは、スタンピングによって形成される。いくつかの実施形態では、実質的に円筒形の金属コアは真ちゅうで形成されている。いくつかの実施形態では、実質的に円筒形の金属コアは、陽極酸化された部分を含む。いくつかの実施形態では、複数の穴の各穴は、他の穴から半径方向にオフセットされている。いくつかの実施形態では、穴は、約６．５平方センチメートル（約１平方インチ）の総断面積を有する。いくつかの実施形態では、フレームの第１の端部は、ノズル、フレーム、および電極が単一のユニットとして配置されるように、ノズルに取り外し不能に接続されるように構成される。いくつかの実施形態では、フレームの第１の端部は、シールド絶縁体を介してノズルおよび／またはシールドに接続するように構成され、シールドは、フレームに熱的に結合されている。いくつかの実施形態では、流路の組は、ノズルの前部に取り外し不能に取り付けられた追加の部品の中へ延びる。いくつかの実施形態では、実質的に円筒形の金属コアは幾何学的安定性を提供し、電極が停止してスライドしないようにさせたり、および／またはノズルが脱落させたりする、フレームの変形を防ぐ。

【0023】

別の態様では、本発明は、プラズマアークトーチに設置するように構成された交換可能な単一の消耗カートリッジを製造する方法を特徴とする。この方法は、平行移動可能な接触開始電極を受容するように適合された中空の本体を提供することを含む。本体は内面および外面を有する。本体は、実質的に円筒形の金属コアを含む。この方法は、中空の本体上に電気的に絶縁性のプラスチックケーシングをオーバーモールドすることを含む。電気的に絶縁性のプラスチックケーシングは、実質的に円筒形の金属コアの先端の周囲を少なくとも実質的に取り囲む。また、方法は、中空の本体の外面と中空の本体の内面とを流体接続する一組の流路を提供することを含む。流路は、通過するプラズマガスに旋回流体フローパターンを付与するようにオフセットされている。

【0024】

前述の議論は、添付の図面と併せて解釈される場合、本発明の以下の詳細な説明からより容易に理解されるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】図１は、本発明の例示的な実施形態による、プラズマアーク切断システム用のカートリッジの概略断面図である。

【図2A】図２Ａは、本発明の例示的な実施形態による、プラズマアーク切断システム用の単一カートリッジの等角図である。

【図2B】図２Ｂは、本発明の例示的な実施形態による、プラズマアーク切断システム用の単一カートリッジの断面図である。

【図2C】図２Ｃは、本発明の例示的な実施形態による、プラズマアーク切断システム用の単一カートリッジの断面図である。

【図2D】図２Ｄは、本発明の例示的な実施形態による、オーバーモールドされたプラスチックケーシングを有するプラズマアークトーチカートリッジフレームの断面図である。

【図3A】図３Ａは、本発明の例示的な実施形態による、プラズマアークトーチ用の内部カートリッジアセンブリの等角図である。

【図3B】図３Ｂは、本発明の例示的な実施形態による、プラズマアークトーチ用の内部カートリッジアセンブリの断面図である。

【図4A】図４Ａは、本発明の例示的な実施形態による、プラズマアーク切断システム用の消耗カートリッジの断面図であり、各カートリッジは、ノズル、電極、スワールリング、弾性要素、およびエンドキャップを有する。

【図4B】図４Ｂは、本発明の例示的な実施形態による、プラズマアーク切断システム用の消耗カートリッジの断面図であり、各カートリッジは、ノズル、電極、スワールリング、弾性要素、およびエンドキャップを有する。

【図5】図５は、本発明の例示的な実施形態による、ノズル、電極、スワールリング、弾性要素、およびエンドキャップを有するプラズマアーク切断システム用の消耗カートリッジの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

図１は、本発明の例示的な実施形態による、プラズマアーク切断システム用のカートリッジ１００の概略断面図である。カートリッジ１００は、第１の端部１０４、第２の端部１０８、および第１の端部１０４に向かう第１のセクション１１２Ａおよび第２の端部１０８に向かう第２のセクション１１２Ｂを有する実質的に中空のフレーム１１２を有する。また、カートリッジ１００は、アークエミッタ１２０、アーク収縮器１２４、および弾性要素１２８を含む。アークエミッタ１２０は、フレーム１１２内に配置され、フレーム１１２に対して平行移動可能である。図示されるように、アーク収縮器１２４は、フレーム１１２の一部を形成する（例えば、第２の端部１０８において、いくつかの実施形態では、フレーム１１２に取り付けることができる）。弾性要素１２８は、フレーム１１２と物理的につながっており、例えば、第１のセクション１１２Ａと直接物理的につながっている。いくつかの実施形態では、弾性部材１２８は、アークエミッタ１２０に取り付けられた接触開始ばね要素である。弾性要素１２８は、パイロット電流をフレーム１１２からアークエミッタ１２０に流すように構成することができる。弾性要素１２８は、アークエミッタ１２０またはその近傍での点火を容易にすべく、アークエミッタ１２０を第１の端部１０４または第２の端部１０８のいずれかに向けて付勢し得る。アークエミッタ１２０は電極であってもよく、ハフニウムインサートなどの高放射性要素１２２を含むことができる。

【0027】

第１のセクション１１２Ａおよび第２のセクション１１２Ｂは、実質的に中空のチャンバーを形成するために境界１３２で接続される。境界１３２は、第１のセクション１１２Ａと第２のセクション１１２Ｂとを一緒に固定する結合力（Ｆ_{ｃｏｕｐｌｉｎｇ}）を提供する。弾性部材１２８は、アークエミッタ１２０を第１のセクション１１２Ａまたは第２のセクション１１２Ｂの少なくとも１つに向けて付勢する分離力（Ｆ_{ｓｅｐａｒａｔｉｎｇ}）を与えることができる。分離力は、結合力の大きさよりも小さい大きさを有し得る。いくつかの実施形態では、結合力は、境界１３２のノッチ１３６で提供される静的摩擦力、接着力、または垂直力（例えば、下向きの重力に対抗する力）のうちの少なくとも１つによって境界１３２で提供される。いくつかの実施形態では、結合力は、意図的または不注意のいずれかで、人が手で打ち勝つことが可能な力よりも強い。

【0028】

いくつかの実施形態では、フレーム１１２は、金属（例えば、アルミニウム）または他の熱伝導性材料のうちの少なくとも１つを含む。いくつかの実施形態では、フレーム１１２は成形によって形成される。いくつかの実施形態では、フレーム１１２は陽極酸化されている（例えば、以下により完全に記載されるように、陽極酸化アルミニウムを含む）。いくつかの実施形態では、フレーム１１２は、電気絶縁体、例えば、陽極酸化アルミニウムおよび／または熱可塑性プラスチック（例えば、ＰＥＥＫ、Ｔｏｒｌｏｎ（登録商標）、Ｖｅｓｐｅｌ（登録商標）など）を含む。いくつかの実施形態では、フレーム１１２の第１の端部１０４または第２の端部１０８の少なくとも１つは、相補的な部品と係合するように形成されたねじ領域を含む。いくつかの実施形態では、電極１２０は、ばねなどの弾性要素１２８を含む。

【0029】

いくつかの実施形態では、カートリッジ１００の外面は、保持キャップまたはカートリッジキャップ（図示せず）に接続するか、またはそれらと嵌合するように形成されている。いくつかの実施形態では、保持キャップは、交換可能であり、ねじ切りされ、および／またはスナップオンである。カートリッジキャップは、フレーム１１２の第２の端部１０８の周りに配置することができる（例えば、取り囲むことができる）。カートリッジキャップは、アークエミッタ１２０に接触し、フレーム１１２内にアークエミッタ１２０を保持するように形成することができる。カートリッジキャップは、アークエミッタ１２０の開口を規定することができる。カートリッジキャップは、アークエミッタ１２０の開口の周囲に配置された流体シール面を含むことができる。いくつかの実施形態では、カートリッジキャップは、電極１２０を実質的に配向し、カートリッジ１００内に電極１２０を保持する。いくつかの実施形態では、カートリッジキャップはシールを含む。

【0030】

カートリッジ１００は、「消耗品」カートリッジまたは消耗部品の集合体であり得、例えば、カートリッジ１００は、その耐用年数の終わりに達した後、ユニットとして交換することができる。カートリッジ１００は、個々の構成部品を交換することを意図していない密封されたユニットであり得る。いくつかの実施形態では、個々の部品は、カートリッジ１００内に取り外し不能に配置されるか、またはカートリッジ１００に統合される。例えば、電極１２０および接触開始ばね要素１２８の少なくとも一部は、フレーム１１２内に取り外し不能に配置することができ、例えば、フレーム１１２内に密封することができ、および／または作業者によって取り外しまたは交換されることを意図しない。いくつかの実施形態では、カートリッジ１００は消耗部品である。いくつかの実施形態では、部品（例えば、フレーム１１２およびアーク収縮器１２４）は、厳しい公差を有する圧入または他の同様の手段を介して接続され得、分離されると劣化、破壊、または故障する。

【0031】

図２Ａは、本発明の例示的な実施形態による、プラズマアーク切断システム用の単一カートリッジ２００の等角図である。外部から見えるのは、プラスチックの外部セクション２０４、金属の外部セクション２０８、および銅の外部セクション２１２（例えば、ノズルシールド）である。プラスチック外部セクション２０４および金属外部セクション２０８は、接合部２０６で接合されている。いくつかの実施形態では、接合部２０６は、テーパー領域内またはその近傍に含まれる。いくつかの実施形態では、プラスチックの外部セクション２０４は、保持キャップである。いくつかの実施形態では、金属外部セクション２０８はシールド絶縁体である。いくつかの実施形態では、金属外部セクション２０８は、実質的に銅以外の材料で形成されている。いくつかの実施形態では、銅外部セクション２１２は、純粋なまたは実質的に純粋な銅または銅合金で形成されている。カートリッジ２００の部品は、以下に説明する図２Ｂにさらに詳細に示されている。

【0032】

図２Ｂは、本発明の例示的な実施形態による、プラズマアーク切断システム用の単一カートリッジ２００の断面図である。この図では、ノズル本体２１６と、ノズルオリフィス２１８と、放射要素２２２を有する電極２２０と、細長い部分２２４Ａを有する絶縁体スリーブ２２４と、弾性要素２２６と、電極接触ボタン２３６（例えば、真ちゅう製）とを含む、カートリッジ２００の追加の要素が示されている。本発明では、これらの要素の１つまたは複数を再設計して、上記の目的の１つまたは複数を達成することができる。

【0033】

例えば、ノズル本体２１６は、導電性材料（例えば、アルミニウムなどの高導電性材料）から形成することができ、カートリッジ２００の他の部分に取り付けることができる（例えば、直接物理的に接触することができる）。いくつかの実施形態では、ノズル本体２１６は、カートリッジ２００の特定の部分と熱的に連通しているが（例えば、熱伝導を介して）、他の部分から電気的に絶縁されている。例えば、ノズル本体２１６は、ノズルシールド２１２から電気的に絶縁されたままでありながら、ノズルオリフィス２１８のヒートシンクとして機能することができる。このような構成は、以前に使用された材料（たとえば、Ｖｅｓｐｅｌ（登録商標））と比較して、冷却性能（たとえば、ノズルと電極）を強化し、製造コストを削減することができる。いくつかの実施形態では、カートリッジは、ケルビン度あたり１メートルあたり約２００～４００ワットの熱伝導率を有する領域を有する（例えば、アルミニウムは、２００～２５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有し得るのに対して、銅は、３５０～４００Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有し得る）。いくつかの実施形態では、消耗カートリッジは、２～４Ｗ／（ｍ・Ｋ・Ａ）の熱容量対電流比を有する。

【0034】

さらに、ノズル本体２１６は、一組の入口スワール穴２２８（例えば、スワール穴２２８Ａおよび２２８Ｂ）を含む。いくつかの実施形態では、入口スワール穴２２８の組は、５つのスワール穴、または任意選択で３から１０の間のスワール穴を含む。スワール穴２２８は、該スワール穴２２８を通って流れるガス（例えば、シールドガス、プラズマガス、および／またはプレナムガス）にスワール流（例えば、半径方向および接線速度成分）を与えるために半径方向にオフセットすることができる。この構成では、ノズル本体２１６は、スワールリングによって以前に提供されていたスワール機能を提供するために、従来のスワールリングの必要性を排除する。さらに、いくつかの実施形態では、ノズル本体２１６は、成形プロセスを介して形成されるため、スワール穴を形成するための高価で時間のかかる穴あけ手順の必要性を排除する。いくつかの実施形態では、ノズルシールド２１２は、動作中に流体の流れをプラズマアークから遠ざけるのを促す角度２３２を含む。

【0035】

図２Ｃは、本発明の例示的な実施形態による、プラズマアーク切断システム用の単一カートリッジ２４０の断面図である。単一カートリッジ２４０は、図２Ｂに示されるカートリッジ２００と多くの点で類似し得るが、特定の他の点で異なることができる。例えば、カートリッジ２４０は、断面「Ｔ」形状を有する打ち抜き加工されたトーチインターフェース２５０（例えば、打ち抜き加工された銅片）を利用する。インターフェース２５０は、ばねとの係合面を形成するニップル機能を備えた電極を使用する図２Ｂ構成よりも電極をより自由にスライドさせることができる。図２Ｃにおいて、製造を容易とすべく、かつカートリッジの組み立て中に電極がノズル本体の中へ自由にスライドできるように、キャップ及びノズル本体が開いている。次に、ばねは電極上に配置することができ、打ち抜き加工されたトーチインターフェース２５０は、小さなタブ特徴２５２を使用して、ノズル本体に容易にスナップし、電極をその中に固定することができる。そのような構成は、複数の部品を一緒に圧入する必要性を回避し（そして、次に、部品間の厳しい公差を達成する必要性を回避し）、および／またはトーチの異なる部品を異なる方向から組み立てる必要性を回避する。カートリッジ２４０を使用して、製造業者は、電極をワンステップで所定の位置に単にスライドさせることができる。

【0036】

さらに、カートリッジ２４０は、ノズル本体に開けられた穴を使用する代わりに、成形されたスロット付きスワール特徴２６６を使用して、スワール機能を達成する。この構成では、動作中、ガスはスロット２６６からプラズマチャンバに流れ込み、プラズマアークの周りにスワールガスを形成する。また、動作中、ガスは、成形されたガスシールドチャネル２５４を通って流れ、ノズル本体をさらに冷却することができる。スロット２６６は、ノズル本体、ノズルオリフィス、および／またはノズルライナーが接続されると、一組のスワール穴を形成する。スロットに供給されるガスは、トーチから、ノズル本体の内面及びノズルライナーの外面（組み合わせてスワール穴を形成する）によって形成されるチャンバーを通って運ばれる。このような構成により、後処理の機械加工ステップとそれに関連する費用が不要になる。さらに、カートリッジ２４０は、ノズルオリフィスとノズル本体との間にラジアルスエージ接続２５８を含む。ラジアルスエージ接続２５８は、ノズルオリフィスとノズル本体との間の接触を維持することを可能にする堅牢な接続インターフェースを提供するが、ノズルオリフィスからノズル本体に伝わる熱のためのかなりの表面積も露出する。最後に、この実施形態では、電極スリーブが取り外され、より伝統的な熱交換器と交換される。

【0037】

図２Ｄは、本発明の例示的な実施形態による、オーバーモールドされたプラスチックケーシング２８２を有するプラズマアークトーチカートリッジフレーム２８０の断面図である。フレーム２８０は、平行移動可能な接触開始電極を受容するように適合された中空の本体２８４を含む。本体２８４は内面２８６および外面２８８を有する。本体２８４は、スタンピングによって形成され得る実質的に円筒形の金属コア２９０を含む。また、本体２８４は、実質的に円筒形の金属コア２９０の先端の周囲を少なくとも実質的に取り囲む、電気的に絶縁性のオーバーモールドされたプラスチック（熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂などの）ケーシング２８２を含む。いくつかの実施形態では、本体２８４は、（例えば、図示されるように、カートリッジフレーム２８０の先端において）外面２８８と内面２８６とを流体接続する一組の流路２９２を含む。流路２９２は、通過するプラズマガスに旋回流体フローパターンを付与するようにオフセットされてもよい。一実施形態では、穴は、プラズマチャンバに入ってカートリッジに入るプラズマガスに旋回流を付与し、プラズマの一部は先端側に移動してプラズマアークを生成し、ガスの一部は基端側に移動して電極を冷却する。流路２９２は、例えば成形によって完全にプラスチック内に形成することができ、別のカートリッジまたはトーチの部品、例えばノズルまたはシールド（図示せず）の基端との圧着することができる。圧着された部品は、旋回流路２９２の一部を形成し得る。

【0038】

いくつかの実施形態では、円筒形の金属コア２９０は、スワールリングに成形プラスチックを使用することによる特定の熱サイクルおよび過熱の問題を克服するのに役立つ。たとえば、この文脈で使用されるプラスチックは、たとえば電極がその寿命の終わりに近いときに、内径の局所的な溶融を示す可能性がある。この時点で、電極の温度は使用されているプラスチックの融点よりも高くなる可能性があり、プラスチックが溶けて変形する。これらの状況下では、電極がスワールリング内で自由に動くのを防ぐことができる。極端な場合、この誤動作によりトーチが損傷する可能性がある（アークを開始できるが電極が移動できない場合）。他の故障モードでは、ノズルがフレームから分離する場合がある。解決策として、熱可塑性プラスチックがプレス加工された真ちゅう片にオーバーモールドして、前述の溶融や反りが発生しないような幾何学的安定性を提供することができる。スリーブの材料は金属合金にすることができ、第２の金属コーティングの有無にかかわらず使用することができる。いくつかの実施形態では、真ちゅうが使用される。使用できる他の金属には、ニッケルメッキ真鍮、銅、アルミニウム、鋼、または他の金属が含まれる。真ちゅう製のスリーブにオーバーモールドされたプラスチックのもう１つの利点は、コストを削減できることである（たとえば、Ｖｅｓｐｅｌ（登録商標）の約５ドルと比較して１．３０ドル）。そのような実施形態は、内径の局所的な溶融を低減または排除することができ、信頼できる始動性能および頑丈なトーチを提供することができる。

【0039】

図３Ａは、本発明の例示的な実施形態による、プラズマアークトーチ用の内部カートリッジアセンブリ３００の等角図である。外部から見えるのは、ベント穴３０６（例えば、図３Ａに示されるような穴３０６Ａ乃至３０６Ｄ）を有するシールド３０４、流れ穴または入口旋回穴３１２（例えば、図３Ａに示されるような穴３１２Ａ、３１２Ｂ）を有するノズル本体３０８、フロント絶縁体（またはシールド絶縁体）３１４、およびリア絶縁体（またはロックリング）３１６である。これらの要素および追加の要素は、以下の図３Ｂに示す断面図と併せてより完全に説明されている。

【0040】

図３Ｂは、本発明の例示的な実施形態による、図３Ａの内部カートリッジアセンブリ３００の断面図である。この図では、内部カートリッジアセンブリ３００のいくつかの追加の部品が示されており、それら部品は、放射要素３２２を有する電極３２０、アーク収縮器、即ちノズルオリフィス３２４、ノズルオリフィス３２４に向けられたシールド流れ穴３２８（例えば、流れ穴３２８Ａ乃至３２８Ｂ）、絶縁体スリーブ３３２、および冷却ガス流路３３６を含む。この実施形態では、ノズル本体３０８は、他の部品が取り付けられるカートリッジフレームとして機能する。

【0041】

内部カートリッジアセンブリ３００の多くの特徴は、その冷却能力を高めることができる。第１に、ノズル本体３０８は、アルミニウムで形成することができ、これは、上記のような従来の材料および構成よりも熱伝導を高めることができる。第２に、ノズルオリフィス３２４は銅で形成することができ、ノズル本体３０８に押し付けられ得る。そのような実施形態では、ノズル本体３０８は、銅ノズルオリフィス３２４のヒートシンクとして機能することができる。第三に、改善されたガス流動面は、例えばプレス領域のすぐ外側の穴３２８Ａ、３２８Ｂを通って前方に流れるシールドガスを用いて、冷却を補助することができる。また、圧入配置は、部品の表面間の厳しい公差の結果として、トーチ部品間の改善された熱伝導経路を提供することができる。いくつかの実施形態では、圧入配置は、１つまたは複数の階段状の特徴を有する締まりばめおよび／またはタブ付きまたはインターロッキングはめ込みを含む。さらに、圧入設計のサイズが小さいことにより、製造コストおよび／または材料コストを削減し、（たとえば、部品が少なくなることによって）部品の製造および組み立てを簡素化するという追加の利点がある。

【0042】

また、ノズルシールド３０４は、銅で形成することができ、表面３０５Ａで陽極酸化アルミニウム絶縁体３１４に押し付けられ得る。次に、このアセンブリは、圧入面３０５Ｂでノズル本体３０８に押し付けられ得る。そのような実施形態では、シールド絶縁体３１４は、ノズル本体３０８をシールド３０４に接続する。いくつかの実施形態では、シールド絶縁体３１４は、ノズル本体３０８に圧入されている。いくつかの実施形態では、シールド絶縁体３１４は、電気絶縁リングであり、および／またはシールド３０４とノズル本体３０８とを接続する一組の圧入面３０５Ａ、３０５Ｂを含む。ノズル本体３０８およびシールド３０４が、熱エネルギーを互いに伝達しながら、互いに電気的に絶縁されるように、シールド絶縁体３１４は、ノズル本体３０８をシールド３０４に接続することができる。いくつかの実施形態では、ツーピースシールド絶縁体を使用すると、接触面の増加の結果として、電気絶縁能力を増加させることができる（例えば、二重にする）。

【0043】

ノズルシールド３０４は、従来のシールドよりもかなり小さくすることができ、部品の効率的な製造および組み立て、改善された耐久性、およびカートリッジ部品の互いに対する適切な配向のより大きな保証を可能にする。例として、４５アンペアシステムの場合、従来技術のストックシールドは、約２．５４センチメートル（約１インチ）の直径および約１８．１グラム（約０．０４ポンド）の質量を有し得るが、本発明によるカートリッジシールドは、約１．２７センチメートル（約０．５インチ）の直径および４．５グラム未満（０．０１ポンド未満）（たとえば、約３．２グラム（約０．００７ポンド））の質量を有し得る。１０５アンペアシステムの場合、従来技術のストックシールドは、約２．５４センチメートル（約１インチ）の直径および約２２．３グラム（約０．０５ポンド）の質量を有し得るが、本発明によるカートリッジシールドは、約１．２７センチメートル（約０．５インチ）の直径および約４．５グラム（約０．０１ポンド）（たとえば、約５．９グラム（約０．０１３ポンド））の質量を有し得る。

【0044】

サイズが小さい構成には、大きな利点がある。第１に、質量が減少した部品は、熱容量が減少するため、該部品は、ポストフロー中に急速に冷却され、および／または動作中に、より多くの熱が冷却ガスに伝達される。第２に、シールドが小さいほど、動作中に比較的高い温度に達する可能性があり、冷却ガスにより多くの熱を伝達し得る。いくつかの実施形態では、ノズルシールド３０４は、例えば、シールド流れ穴３２８を介してシールド領域に進入する低温ガスにさらされ、これにより、温度をさらに低下させることができる。流れ穴３２８はそれぞれ、少なくとも約６．５平方センチメートル（約１平方インチ）の総断面積を有し得る。

【0045】

いくつかの実施形態では、電極３２０は、銅製のベースを含む。いくつかの実施形態では、電極３２０のベースは、電気的絶縁に使用される陽極酸化アルミニウムおよび／またはプラスチックで形成された、押し付けられた絶縁体スリーブ３３２を備えた小さな直径を有する。いくつかの実施形態では、冷却ガス流路またはギャップ３３６が、絶縁体スリーブ３３２とノズル本体３０８との間に存在する。いくつかの実施形態では、冷却ガスがギャップ３３６内を流れる。いくつかの実施形態では、２つの端部接点３４０Ａ、３４０Ｂによって定義される「ダンベル」構成３４０が使用され、これにより、ノズル本体３０８と絶縁体スリーブ３３２との間の接触面積を低減または最小化することができる。このような構成により、部品間の摩擦を低減することができる。

【0046】

いくつかの実施形態では、スリーブ３３２は、ノズル本体３０８からの別個の電流経路の一部および／またはノズル本体３０８からの電流経路の異なる部分であり得る電極３２０に接触する。いくつかの実施形態では、電極３２０およびノズル本体３０８は、アークを生成するために、および／またはトーチ内の部品の適切な配向を確実にするために、ギャップによって電気的に分離され得る。そのような実施形態では、ノズル３０８および電極３２０は、スリーブ３３２とノズル本体３０８との間で物理的に接触し得る。そのような実施形態では、電流が放射要素３２２を通過することができるように、この領域に絶縁層が必要である。

【0047】

いくつかの実施形態では、電極３２０がその近くを移動するノズル本体３４２の壁は、ガス流がノズル本体３０８の内側とノズル３２４の外面３４４との両方を直接通過するときに、動作中に比較的低温にとどまることができる。ノズル本体３４２の設計のための材料の選択（例えば、アルミニウムまたは他の金属）は、Ｖｅｓｐｅｌ（登録商標）などの従来の材料と比較して、より良好な伝導経路および放熱性能を提供する。このような要因により、電極絶縁部品の冷却を支援し、電極の使用によって放射要素に深いピットが形成された後でも電極が機能することが可能となる。

【0048】

いくつかの実施形態では、ロックリング３１６（または分離リング）は、カートリッジ３００とトーチとの間にインターフェース３４６を形成する。いくつかの実施形態では、ロックリング３１６は、陽極酸化アルミニウムで形成され得る。ロックリング３１６は、可動電極３２０を「トラップ」するためにノズル本体に押し込むことができる。ロックリング３１６は、カートリッジ３００内の部品を収容し、トーチを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、ロックリング３１６は、熱収縮または接着によって置き換えられる。いくつかの実施形態では、ロックリング３１６は、カートリッジ３００を（例えば、軸方向に）配向し、ガス流を最適化し、カソードへの電気的接続を可能にし、および／または電気的絶縁を提供するように形成される。

【0049】

本明細書に記載の様々な実施形態では、カートリッジまたは消耗品アセンブリは、長さが約８．９センチメートル（約３．５インチ）、直径が２．８センチメートル（１．１インチ）である。いくつかの実施形態では、保持キャップは、例えば、消耗部品ではなく、トーチの一部と見なされる。このような構成では、（カートリッジの機能的な軸性を実現するために最終的な機械加工ステップを必要とする一部のトーチアセンブリと比較して）組み立て後に機械加工を行う必要がなく、機械加工ステップを最小化することができる。いくつかの実施形態では、スワール穴の減少は、従来技術のスワールリングと比較して、穴あけ作業を最小かすることができる。いくつかの実施形態では、Ｖｅｓｐｅｌ（登録商標）をアルミニウムで置き換えることにより、カートリッジの製造コストを大幅に削減することができる。いくつかの実施形態では、銅は、電極、ノズル、および／またはオリフィス内の特定の場所でのみ使用され、この高価な材料の使用を減らすことによって製造コストを減らすことができる。たとえば、銅は主に内部のコアまたは領域に集中させることができる。銅はその熱的および電気的特性のために望ましい場合があるが、他の材料よりも高価であるため、その使用を最小限に抑える設計が求められている。

【0050】

図４Ａ、図４Ｂおよび図５は、本発明の例示的な実施形態による、プラズマアーク切断システム用の消耗カートリッジの断面図であり、各カートリッジは、ノズル、電極、スワールリング、弾性要素、およびエンドキャップを有する。図４Ａは、例示的なカートリッジ設計４００を示している。図示されるように、カートリッジ４００は、スワールリング４０２、エンドキャップ４０６、ノズル４０８、および電極４０４を含む。電極４０４は、接触開始プラズマアークトーチ用のばね前方電極であり得る。ここで、弾性要素４１２（例えば、ばね）は、電極４０４の先端に分離力を加えて、電極４０４を端から離れるようにキャップ４０６およびノズル４０８に向かって付勢する。弾性要素４１２はまた、カートリッジ４００の一部であり得る。カートリッジ４００は、トーチへの組み立て時にプラズマアークトーチを始動する接触のための始動機構を含むことができる。

【0051】

スワールリング４０２は、電極４０４の長手方向軸４１０に沿って、電極４０４の長さにわたって実質的に延びることができる。いくつかの実施形態では、スワールリング４０２は、高温熱可塑性プラスチック（例えば、ＰＡＩ、ＰＥＩ、ＰＴＦＥ、ＰＥＥＫ、ＰＥＫＰＥＫＫなど）の射出成形によって製造される。熱可塑性プラスチックを使用してスワールリングを製造すると、スワールリングの製造に使用されてきたが比較的高価な材料であるＶｅｓｐｅｌ（登録商標）と比較して、カートリッジのコストを削減できる。熱可塑性プラスチックの動作温度はＶｅｓｐｅｌ（登録商標）（熱硬化性樹脂）よりも低いことが知られており、スワールリングの完全性と電極の寿命とに影響を与える可能性がある。しかしながら、本技術のカートリッジ設計は、所望の熱抵抗および／または熱伝導率（例えば、ガラス繊維、鉱物、窒化ホウ素（ＢＮ）、および／または立方晶窒化ホウ素）を提供する様々な強化添加剤を有する熱可塑性樹脂から作られたスワールリングを組み込むことができる。本技術のカートリッジ設計は、高温性能の問題を解決し、これらのカートリッジで熱可塑性プラスチックを効果的に使用できるようにした。これは、（１）熱可塑性プラスチックが十分な耐熱性を備えており、（２）熱可塑性プラスチックを適切に組み込んだカートリッジ設計により、動作中に熱可塑性プラスチックが過度の温度にさらされるのを防ぐことができるためである。さらに、電極が寿命末期の事象（カートリッジの寿命でもある）を経験した場合、プラスチック材料の同時溶融は問題にならない。

【0052】

エンドキャップ４０６は、銅などの導電性材料で作成することができる。エンドキャップ４０６は、材料ブランクからのスタンピングを介して安価に形成することができ、カートリッジ４００上に取り外し不能に挿入、圧入、またはオーバーモールドすることができる。エンドキャップ４０６は、カートリッジ４００内に弾性要素４１２を含み、電極４０４をノズル４０８に向けて付勢すべく、弾性要素４１２が電極４０４の先端に分離力を加えて付勢するように、エンドキャップ４０６は、弾性要素４１２を電極４０４の先端に対して圧縮するように構成される。いくつかの実施形態では、エンドキャップ４０６は、パターン化されたトーチヘッドと嵌合して係合するように形成され得、および／またはそれを通して形成された一組の流体流れ穴を含み得る。

【0053】

いくつかの実施形態では、解放不能なスナップフィットインターフェース４１４が、スワールリング４０２とノズル４０８との間に形成されて、カートリッジ４００の一部として２つの消耗部品を一緒に連結する。さらに、第２のスナップフィットインターフェース４１６を、スワールリング４０２とエンドキャップ４０６との間に形成して、２つの消耗部品をカートリッジ４００の一部として一緒に連結することができる。他の製造および組み立てオプションが利用可能であり、実行可能である。例えば、スワールリング４０２は、エンドキャップ４０６上にオーバーモールドすることができる。また、エンドキャップ４０６は、スワールリング４０２および弾性要素４１２（例えば、ばね）によってカプセル化することができ、エンドキャップ４０６は、カートリッジ４００内で移動することができる。

【0054】

図４Ｂは、別の例示的なカートリッジ設計４５０を示す。図示されるように、カートリッジ４５０は、スワールリング４５２、エンドキャップ４５６、ノズル４５８、および電極４５４を含む。いくつかの実施形態では、カートリッジ４５０は、図４Ａの弾性要素４１２と同様に機能する弾性要素４６２を含む。図４Ａおよび４Ｂのカートリッジは、異なる電極（例えば、異なるサイズの熱交換器フランジ、均一な流れのための円周フランジ）、異なるノズル（例えば、異なるスワールリングアタッチメント）、および異なるスワールリング（例えば、異なるスワール穴およびアタッチメント）を有する。図４Ｂのカートリッジ設計４５０では、スワールリング４５２がノズル４５８に対して所定の位置に挿入されるときに、インターフェース４６４が形成される。別のインターフェース４６６は、スワールリング４５２とエンドキャップ４５６との間に形成され得る。

【0055】

図５は、別の例示的なカートリッジ設計５００を示す。図示されるように、カートリッジ５００は、スワールリング５０２、スリーブ５１４，エンドキャップ５０６、ノズル５０８、および電極５０４を含む。いくつかの実施形態では、カートリッジ５００は、図４Ａの弾性要素５１２と同様に機能する弾性要素５１２を含む。スリーブ５１４および／またはエンドキャップ５０６は、スタンピング法を使用して、導電性材料（例えば、銅）から作製することができる。スリーブ５１４は、カートリッジ５００に圧入またはオーバーモールドされ得る。エンドキャップ５０６は、スリーブ５１４の一部であり得る。したがって、スリーブ５１４およびエンドキャップ５０６は、単一の構成部品として構成することができる。

【0056】

示されるように、スワールリング５０２は、スワールリング４０２と比較して比較的短くすることができ、その結果、スワールリング５０２は、長手軸線５１０において電極５０４の長さの一部に沿ってのみ延びる。スワールリング４０２と同様に、スワールリング５０２は、高温熱可塑性プラスチック（例えば、Ｔｏｒｌｏｎ（登録商標））の射出成形によって製造することができる。スナップフィットインターフェース５２０を、スワールリング５０２とノズル５０８との間に形成して、２つの消耗部品をカートリッジ５００の一部として一緒に連結することができる。別のスナップフィットインターフェース５１８を、スワールリング５０２とスリーブ５１４との間に形成して、２つの消耗部品をカートリッジ５００の一部として一緒に連結することができる。あるいは、スワールリング５０２は、スリーブ５１４上にオーバーモールドすることができる。

【0057】

プラズマアークトーチにおいてカートリッジを使用することに関連する多くの利点がある。まず、このような設計は、迅速な変更機能、短いセットアップ時間、およびエンドユーザーの消耗品の選択の容易さを通じて使いやすさを向上する。また、カートリッジの交換時に一連の消耗品が一度に交換されるため、一貫した切断性能が得られる。対照的に、複数の部品が異なる時間に個別に変更されると、パフォーマンスの変動が生じる。たとえば、同じスワールリングを長期間再利用すると、ブローアウトのたびに寸法が変化する可能性があるため、他のすべての部品を定期的に交換しても、パフォーマンスの品質が変化する。さらに、カートリッジの製造および／または設置コストは、消耗品セットの合計コストよりも低いため、カートリッジを変更する度にかかるコストは、消耗品セットを変更する度にかかるコストよりも低い。さらに、マーキング、切断、長寿命の維持など、各種の適用に関してトーチ操作を最適化するために、各種のカートリッジを設計することができる。

【0058】

本発明は、特定の好ましい実施形態を参照して特に示され、説明されてきたが、当業者は、以下の特許請求の範囲によって定義される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、その中で形態および詳細の様々な変更を行うことができることを理解されるべきである。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5】