技術 プラズマトーチおよびその構成要素

0001

優先権
本願は、２０１５年８月２８日に出願された米国仮特許出願第６２／２１１，２９３号明細書および２０１５年１０月１３日に出願された米国仮特許出願第６２／２４１，０７７号明細書の優先権を主張するものであり、その開示の全体を参照によって本明細書に援用する。

0002

本発明による装置、システム、および方法は切断、そして特にプラズマアーク切断トーチおよびその構成要素に関する装置、システム、および方法に関する。

0003

多くの切断、溶射、および溶接作業において、プラズマアークトーチが利用されている。これらのトーチでは、プラズマガスジェットが高温で周辺雰囲気中に噴出される。ジェットはノズルから放出され、ノズルを出る時のジェットは拡張範囲が極めて小さく、焦点が著しく絞られる。しかしながら、イオン化プラズマジェットには高温が伴うため、トーチの構成要素の多くが故障しやすい。この故障は、トーチの動作を大きく阻害し、切断作業の開始時に適正なアーク点火を妨げることがありうる。

0004

従来の、伝統的な、および提案中の方式の他の限界と欠点は、当業者にとって、このような方式を本明細書の以下の部分に図面に関して記載されている本発明の実施形態と比較することにより、明らかとなるであろう。

0005

Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ’ｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ；Ｏｂｅｒｇ，Ｊｏｎｅｓ，ａｎｄ Ｈｏｒｔｏｎ，Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｐｒｅｓｓ，Ｉｎｃ．；１９７９

0006

本発明の例示的実施形態はプラズマトーチとその構成要素であり、これらはトーチの性能と耐久性を最適化するように設計される。具体的には、本発明の例示的実施形態は、改良された電極と陰極構成を有することができる。

0007

本発明の上記および／またはその他の態様は、本発明の詳細な例示的説明を以下のような添付の図面を参照しながら説明することによって、より明らかになるであろう。

0008

図１は、本発明の実施形態に使用可能な例示的切断システムの概略図である。
図２は、既知の構成要素を利用するトーチのヘッドの一部の概略図である。
図３Ａおよび図３Ｂは、本発明の空冷トーチの例示的実施形態によるヘッドの一部の概略図である。
図４Ａおよび図４Ｂは、本発明の電極の例示的実施形態の概略図である。
図５Ａおよび図５Ｂは、本発明の陰極の例示的実施形態の概略図である。
図６は、本発明の水冷トーチの例示的実施形態の概略図である。
図７は、図６のトーチの構成要素の拡大概略図である。
図８は、図６に示されるトーチの実施形態に使用可能なねじ接続の概略図である。
図９は、図６に示される電極の概略図である。
図１０Ａ−図１０Ｃは、本発明の例示的な陰極と電極との間の代替的な例示的接続方法の概略図である。
図１１Ａおよび図１１Ｂは、電極と陰極との間のねじ接続の別の例示的実施形態の概略図である。

0009

ここで、各種の代替的な例示的実施形態と添付の図面を詳しく参照するが、同様の数字は実質的に同じ構造的要素を示す。各例は、限定としてではなく、例として提供されている。事実、当業者にとっては、本開示と特許請求項の範囲または主題から逸脱することなく、改良や変更を加えることができることは明らかであろう。例えば、図または明細書においてある１つの実施形態の一部として示されている特徴を、他の実施形態に使用することにより、また別の実施形態を作ることができる。それゆえ、本開示は付属の特許請求の範囲とそれらの等価物の範囲の中に入る改良と変更を含むことが意図されている。

0010

本開示は一般に、各種の切断、溶接、および溶射作業に有用なプラズマアークトーチに関する。具体的には、本発明の実施形態は、空冷プラズマアークトーチに関し、その他は水冷型の実施形態に関する。勿論、本明細書に記載されている特徴の一部は、例示的実施形態の新規性を損なうことなく、何れのトーチ構成においても使用できる。別の例示的実施形態は、リトラクトアークトーチである空冷プラズマアークトーチに関する。一般に理解されているように、リトラクトアークトーチは、電極がノズルと接触してアークを発生させ、その後、電極がノズルから引き戻され、するとアークがノズルのスロートを通って方向付けられる。他のタイプのリトラクトトーチにおいては、電極は静止したままで、ノズルが移動する。本発明の例示的実施形態は両方のタイプに適用可能である。これらのトーチのほか、水冷トーチの構成と動作は一般に知られており、それゆえ、その詳細な構成と動作は本明細書では説明しない。さらに、本発明の実施形態は、ハンドヘルド式または機械化されたプラズマ切断作業のどちらにおいても使用できる。留意すべき点として、簡素化と明瞭化のために、以下の説明は、主として切断用のハンドホルド型プラズマトーチに関する本発明の例示的実施形態についてのものである。しかしながら、本発明の実施形態は、この点において限定されず、本発明の実施形態は溶接および溶射トーチにも使用でき、これも本発明の主題または範囲から逸脱しない。各種のタイプとサイズのトーチが、希望に応じて様々な電力レベルで使用可能である。例えば、本発明の例示的実施形態は、４０〜１００アンペアの範囲の切断電流を利用する切断作業に使用でき、厚さ０．０７５インチまでの被加工物を切断でき、他の実施形態では、厚さ１．５インチまでの被加工物を切断できる。さらに、本明細書に記載のトーチと構成要素は、マーキング、切断、または金属の除去に使用できる。これに加えて、本発明の例示的実施形態は可変電流と可変出力レベルで使用できる。本発明の実施形態に使用可能な種類の空冷システムの構成と利用は知られており、本明細書で詳細に説明する必要はない。

0011

ここで、図１を参照すると、例示的な切断システム１００が示されている。システム１００は、筐体１２を含む電源１０を含み、そこにトーチアセンブリ１４が接続されている。筐体１２には、プラズマアークトーチを制御するための各種の従来の構成要素、例えば電源、プラズマスタート回路、エアレギュレータ、ヒューズ、トランジスタ、入力および出力電気およびガスコネクタ、コントローラおよび回路基板その他が格納される。トーチアセンブリ１４は、筐体の前面１６に取り付けられる。トーチアセンブリ１４は、その中に、トーチ端１８内の電極とノズルを筐体１２内の電気コネクタに接続するための電気コネクタを含む。パイロットアークと作動アークのために別々の電気経路が提供されてもよく、スイッチ要素が筐体１２内に提供される。ガス導管もまたトーチアセンブリ内にあり、プラズマアークとなるガスをトーチ先端へと送り、これについては後述する。各種のユーザ入力装置２０、例えばボタン、スイッチ、および／またはダイヤルが筐体１２に、各種の電気およびガスコネクタと共に提供されてもよい。

0012

理解すべき点として、図１に示されている筐体１２は、本明細書において開示されている発明的概念の態様を利用できるプラズマアークトーチデバイスの一例にすぎない。したがって、上述の一般的開示と説明は、開示されているトーチ要素を利用できるプラズマアーク装置の種類または大きさについて、一切限定しないと考えるべきである。

0013

図１に示されるように、トーチアセンブリ１４はコネクタ２２を含み、その一端が筐体１２の嵌合コネクタ２３に取り付けられる。そのように接続されると、トーチアセンブリ１４のホース部分２４を通る各種の電気およびガス経路は、トーチ２００の関係部分が筐体１２内の関係部分と接続されるように接続される。図１に示されるトーチ２００はコネクタ２０１を有し、ハンドヘルド型であるが、上述のように、トーチ２００は機械化されたタイプとすることもできる。トーチ２００の一般的な構成、例えばハンドル、トリガその他は、既知のトーチ構成のそれと同様とすることができ、本明細書中では説明する必要がない。しかしながら、トーチ端１８内には、トーチ２００の、切断用アークを生成し、保持しやすくするための構成要素があり、これらの構成要素のいくつかについては、以下により詳しく説明する。具体的には、以下で説明する構成要素の一部には、トーチ電極、ノズル、シールド、およびスワールリングが含まれる。

0014

図２は、既知の構成の例示的なトーチヘッド２００ａの断面を示す。留意すべき点として、トーチヘッド２００ａの構成要素の一部は、明瞭にするために示されていない。図のように、トーチ２００ａは陰極本体２０３を含み、そこに電極２０５が電気的に連結される。電極２０５はノズル２１３の内空洞の中に挿入され、市そこでノズル２１３はスワールリング２１１の中にシールされ、スワールリング２１１は、スワールリング、ノズル、その他を陰極本体２０３から絶縁するための絶縁構造２０９に連結される。ノズル２１３は、保持キャップアセンブリ２１７ａ〜ｃにより所定の位置に保持される。前述のように、この構成は一般に知られている。

0015

図のように、電極２０５はねじ山部分２０５ａを有し、これは電極２０５を陰極本位２０３の中にねじ接続する。電極２０５はまた、中央らせん部分２０５ｂも有する。らせん部分２０５ｂはらせん状の粗いねじ山様パターンを有し、これは区間２０５ｂの周囲に空気の流れを提供する。しかしながら、この区間により、電極２０５を陰極本体２０３から外すために、専用なツールが必要となる。中央部分２０５ｂの下流に円柱部分２０５ｃがあり、これは電極２０５の先端２０５ｄに延びる。図のように、円柱部分はノズル２１３に挿入され、先端２０５ｄがノズル２１３のスロート２１３ｂ付近に位置付けられる。円柱部分は、中央部分２０５ｂにおいて平坦面を含むことができ、それによって、専用のツールが電極２０５を把持し、これを陰極から外すことができる。典型的には、円柱部分２０５ｃから先端２０５ｄへの移行は、先端２０５ｄの平坦な端面に続く湾曲した縁を含む。リトラクトスタートトーチにおいては、この平坦な端面がノズル２１３の内面と接触してアークスタートを起動する。アークが点火されると、電極２０５が引き戻され、電極２０５とノズル２１３との間にギャップが作られ（図のとおり）、その時、プラズマジェットがノズル２１３のスロート２１３ｂを通じて被加工物へと方向付けられる。一般に理解されているように、このような構成により、アーク起動中、約３００回のアークスタートが行われると、既知の電極２０５は故障し始める可能性がある。典型的には、電極２０５にはクロムまたはニッケルメッキを施して、電極２０５の寿命の延長を支援する。この事象が発生し始めたら、電極２０５は交換が必要かもしれない。

0016

また、図のように、ハフニウムインサート２０７が電極２０５の先端２０５ｄに挿入される。一般に知られているように、先端２０５ｄの平坦面の中央にあるハフニウムインサート２０７からプラズマジェット／アークが起動する。

0017

上で簡単に説明したように、トーチ２００ａはまた、ノズル２１３も含み、これはスロート２１３ｂを有し、切断中、そこを通じてプラズマジェットが方向付けられる。また、図のようにノズル２１３は円柱突出部分２１３ａを含み、スロート２１３ｂがそこを通過して延びる。この突出部分２１３ａは、比較的長いスロート２１３ｂのために提供され、同じく円柱形の突出部分２１５ａを有するシールド２１５の中の円柱開口部の中へと延びる。図のように、突出部分２１３ａ／２１５ａの各々間に空気の流れるギャップが作られ、切断中、シールドガスがプラズマジェットをエンリッチするように方向付けられる。空冷トーチにおいては、これらのそれぞれの突出部分２１３ａ／２１５ａは、プラズマジェットとシールドガスを取得作業へと方向付ける。しかしながら、ノズル２１３およびシールドキャップ２１５の各々の形状により、これらの突出部分はかなり高温となる傾向がありうる。この熱により、ノズル２１３のヒートバンドがその長さに沿って大きく広がる可能性がある。このように増大したヒートバンドと高熱は、構成要素が劣化し、故障する原因となりえ、交換の必要性を生じさせる。さらに、時間がたつとその性能が劣化する可能性があり、これによって、切断結果が最適とはいえないものとなる。したがって、既知の空冷トーチの構成には改良が必要である。

0018

ここで、図３Ａおよび３Ｂを参照すると、ある例示的実施形態のトーチ３００が示されている。トーチ３００は、図１に示されるトーチの中で使用でき、図２と同様に、図を単純化するために、構成要素と構造のすべてが示されているわけではない（例えば、ハンドル、外側ケーシングその他）。さらに、多くの点において（後述のものを除く）、トーチ３００の構成と動作は既知のトーチと同様であるため、必ずしもその構成の詳細の全部を本明細書で説明する必要はない。しかしながら、以下に詳しく説明するように、トーチ３００の構成要素のいくつかは、既知のトーチおよびトーチ構成要素とは異なる構成であり、最適化された切断性能と耐久性を有する切断トーチを提供する。さらに、図２のトーチ２００ａと同様に、図３のトーチ３００は空冷式のリトラクト型トーチである。本発明の例示的な実施形態は、構成要素のいくつかについて述べる以下の説明の中でさらに理解される。

0019

図３Ａおよび３Ｂの各々に示されているように、トーチ３００は、トーチ本体３０１とトーチヘッド３００’を有する。これは、既知の構成方法であり、トーチヘッド３００’は接続機構を介してトーチ本体３０１に固定できる。図のように、トーチ本体は部品嵌合状態切替え機構３０９を有し、これはブラスリング３０８と接触する。この接続によって電気回路が成立し、すると、システム１００に対し、トーチヘッド３００’がトーチ本体３０１に適正に固定されたことが示される。他の例示的実施形態において、部品嵌合状態検出は、プランジャにより作動されるシール型スイッチによって、または構成要素が相互に適正に固定されたことを示すその他同様のスイッチ構成によって行うことができる。図２に示されるトーチと同様に、トーチヘッド３００’は電極３０５、スワールリング３１１、シールドキャップ３１５、陽極３０７、陰極３０３、ノズル３１４、および絶縁体３１２を含む。また、ばね等の付勢部材３１３も含む。図３Ａは、アーク点火／パイロットアークモードにあるトーチを示してリ、この場合、電極３０５の先端がノズル３１４と接触している。付勢部材３１３は、電極３０５と陰極３０３（ここに電極が連結されている）をこの位置に保持し、図のように、絶縁体３１２と陰極３０３との間にギャップＧが作られる。ノズル３１４と電極３０５との間のこのような接触により、電流が最初にトーチ３００に印加されると、アークが点火する。同時に、ガス圧力がトーチに提供され、これによって電極／陰極がノズル３１４から引き戻される。この位置は図３Ｂに示されており、ここには、付勢部材３１３が圧縮するとギャップＧが小さくなり、陰極３０３と絶縁体３１２とが接触可能となることが示されている。また、電極先端とノズル３１４との間にギャップができ、発生したアークが被加工物へと移行されて、切断を開始できる。電極／陰極のこのような移動は、ガス／空気圧の流入によりトリガされ、これが電極／陰極アセンブリを付勢部材３１３に押し付ける。電極／陰極に圧力をかけることに加えて、ガス／空気流はまた、構成要素の表面を通過する際にこれらの構成要素を冷却するのを助ける。冷却を助けるために、チャネル／溝が電極／陰極の外面に設けられる。しかしながら、冷却ガス／空気がこれらの構成要素の表面を通過する際、溝によって、構成要素に不要な力を加える可能性がある。例えば、流れが、電極／陰極に不要なねじり力をかけるように方向付けられることがある。さらに、流れが、構成要素に不均一な力をかけるように方向付けられることがある。このようなねじり／不均一な力は、トーチの動作効率を損ない、切断作業に不利な影響を与え、および／または構成要素の動作寿命を短くする可能性がある。後述のように、本発明の実施形態はこれらの問題に対応する。

0020

図４Ａおよび４Ｂは、ある例示的実施形態による、トーチ３００内で使用される電極３０５を示している。電極３０５は先端３０５’を有し、これがノズルに挿入され、その端面においてハフニウムインサート３０６が挿入され、そこからアークが発生する。勿論、ハフニウム以外の材料も使用できる。例示的実施形態において、電極３０５は銅もしくは銅合金またはその他の適当な材料から作製できる。先端３０５’の上流に、肩部分３２０があり、その最大外径は先端部分３０５’の最大外径より直径で５５から６５％大きい。いくつかの例示的実施形態において、肩部分３２０は、電極３０５全体の最大外径を有する。肩部分３２０の上流には移行部分３２１があり、これは傾斜面３２１’（これは上流に移行する間に電極３０５の中心線に向かって傾斜する）と電極３０５の中心線に平行な非傾斜面３２１’’を有する。移行部分３２１の上流に、中央溝部分３０５’’がある。例示的実施形態において、中央溝部分３０５’’は２種類のねじ山の特徴を有し、ねじ山は１３０〜１８０度の範囲で離間されている。ある例示的実施形態において、ねじ山は１５０度離間されている。図のように、ねじ山は溝３２２と山頂３２３および３２４を有する。この図の例示的実施形態において、第一の山頂３２３は第一の山頂幅を有し、第二の山頂３２４は第一の山頂幅より広い第二の山頂幅を有する。例示的実施形態において、第二の山頂幅は第一の山頂幅の１．５〜３倍の範囲内である。他の例示的実施形態において、第二の山頂幅は第一の山頂幅の２〜２．５倍の範囲内である。さらにその他の例示的実施形態において、溝部分３０５’’の最大外径は肩部分３２０の最大外径と同じである。図のように、例示的実施形態において、第一および第二の山頂は相互に交互に配置され、第一または第二の山頂のいずれの２つも互いに隣接しない。さらに、図４Ｂに示されるように、溝３２２は、溝面３２７が傾斜して、隣接する溝３２７間に角度Ａが成されるように構成される。例示的実施形態において、角度Ａは２０〜４０度の範囲内である。他の例示的実施形態において、角度Ａは２６〜３２度の範囲内である。例示的実施形態において、溝３２２は（山頂から谷底までの）深さＸを有し、これは溝部分３０５’’の最大外径の４〜１０％の範囲内である。さらに、例示的実施形態において、溝はこれらが４〜８ＴＰＩ（１インチあたり巻き数）の範囲内となるように構成される。他の実施形態において、電極溝のＴＰＩは５〜７であるが、また別の実施形態において、溝のＴＰＩは６である。溝は右ねじとしても左ねじとしても構成できる。

0021

溝部分３０５’’の上流には、傾斜した移行部３２５があり、それに続いて肩部分３２６と上流端部分３０５’’’がある。上流端部分の少なくとも一部は、図３Ａおよび３Ｂに示されているように、陰極３０３の電極用空洞に挿入される。傾斜部分３２５は中心線ＣＬに関して傾斜しており、表面角度は中心線に関して４０〜５０度の範囲内である。他の例示的実施形態において、傾斜面３２５の表面は中心線ＣＬに関して４５度である。例示的実施形態において、上流端部分３０５’’’の最大外径は、先端部分３０５’の最大外径より小さい。

0022

例示的実施形態において、この電極／溝構成は、冷却用の最適な空気／ガス流を提供し、トーチ３００が確実に適正に動作するための所望の上向きの圧力を提供するように構成される。しかしながら、図のような溝のらせん形状によって、上述のようにねじり力が電極３０５に加わり、電極３０５をその中心線ＣＬに関して回転させようとする。このねじり力には、後述の陰極の構成により対抗される。勿論、留意すべき点として、電極の全体的外観、幾何学形状その他は所望のトーチ構成に適合し、所望の概観を有するように変更でき、これも上述の本発明の実施形態の主題または範囲から逸脱せず、本明細書で説明する図面中の図は１つの例示的実施形態を示すものである。

0023

図５Ａおよび５Ｂは、図３Ａおよび３Ｂに示される陰極３０３の例示的実施形態を示す。陰極３０３は先端３３１を有し、そこに空洞が形成され（図３Ａ／３Ｂに示される）、電極３０５の上流端３０５’’’を挿入できる。空洞は、電極３０５および陰極用空洞との間に接触嵌合がなされるように構成される。先端面３３１に隣接して、肩部分３３２と分離部分３３３がある。分離部分は、肩部分３３２を溝部分３０３’から分離する。図のように、溝部分３０３’はその長さに沿って延びるらせん溝３３５を有する。例示的実施形態において、らせん溝３３５は電極上の溝とは異なる。例えば、例示的実施形態において、溝３３５は１本の溝であり、電極３０５の二重溝／ねじ山特徴とは異なる。さらに、図のように、例示的実施形態において、溝山頂３３４の最大外径は陰極３０３の最大外径である。しかしながら、いくつかの実施形態において、陰極の、山頂３３４における最大外径は、電極３０５の最大外径より小さい。これに加えて、例示的実施形態において、溝３３５は山頂３３４を形成し、その大きさは交互に変更されず、すなわち、山頂３３４の幅は溝部分３０３’全体を通じて同じである。これに加えて、溝３３５は左ねじまたは右ねじ溝のどちらとすることもできるが、らせんは電極溝のそれとの反対とするべきである。例えば、電極溝が右ねじの場合、陰極の溝３３５は左ねじとするべきである。これによって、電極に沿った空気／ガス流からのねじり力に、陰極３０３に沿ったその後の流れが確実に対抗する。ねじ山方向を変えることにより、空気／ガス流が、そうでなければ実現できないような構造的な安定性を提供する。さらに、陰極３０３の溝３３５は、電極上で使用される溝のそれとは異なるＴＰＩを有する。例えば、例示的実施形態において、陰極３０３の溝３３５のねじ山数は、電極のそれより多い。例示的実施形態において、溝３３４のねじ山数は７〜１２ ＴＰＩの範囲内であり、電極のそれより多い。別の例示的実施形態において、ねじ山数は８〜１０ ＴＰＩの範囲内である。さらに別の例示的実施形態において、陰極のねじ山数は電極３０５のねじ山数より少なくとも３ ＴＰＩ多い。例えば、勿論、他の実施形態において、電極溝のねじ山数は６ ＴＰＩであり、溝３３５のねじ山数は少なくとも９ ＴＰＩである。

0024

溝３３５の上流には、カラー部分３３６があり、これは溝部分を肩部分３３７に連結する。ある例示的実施形態において、カラー部分３３６の外側最大径は、分離部分３３３の外径より小さい。肩部分３３７は最大外径を有し、これはいくつかの実施形態において、肩部分３３２の外径と同じである。肩部分３３７の上流には、別のカラー部分３３８があり、これは肩部分３３７を別の型部分３３９に連結する。例示的実施形態において、カラー部分３３８の最大外径は部分３３６の外径より大きい。肩部分３３９の上流には円柱部分３４０があり、これは最大外径を有する。例示的実施形態において、円柱部分３４０の外径はカラー部分３３８、３３６と分離部分３３３の各々の外径より小さい。円柱部分の上流に、溝３４１と延長部分３４２がある。

0025

図５Ｂは、これは図４Ｂのそれと同様の、溝３３５の断面を示す。図のように、溝面３４３は傾斜しており、それらの間に角度Ｂが形成される。例示的実施形態において、角度Ｂは２０〜４０度の範囲内である。他の例示的実施形態において、角度Ｂは２６〜３２度の範囲内である。別の実施形態において、角度Ｂは電極上の角度Ａと同じである。例示的実施形態において、溝３３５の（山頂から谷底までの）深さＹは、溝部分３０３’の最大外径の６〜１２％の範囲内である。別の例示的実施形態において、溝３３５の深さＹは電極３０５の溝の深さＸより大きい。例えば、例示的実施形態において、溝の深さＹは深さＸより１５〜３０％の範囲内だけ大きい。別の例示的実施形態において、深さＹは深さＸより２０〜２５％の範囲内だけ大きい。

0026

電極３０５と陰極３０３の各々のらせん溝間の上述の関係により、電極３０５と陰極３０３に沿った空気の流れの利用が最適化され、それと同時に、構成要素に不必要な力が加わるのが回避される。具体的には、流路は、流れがスムーズな層流を維持しないように変えられるが、これらの構成要素間の流れの方向を変えなければならず、その流れは、寸法の違いによって各構成要素に沿って異なる。さらに、例示的実施形態において、それぞれの構成要素の各々の溝部分のそれぞれの長さが違うことから、異なる寸法の関係により、それぞれの構成要素の各々にかかるねじり力が釣り合うか、または釣り合った状態に近い状態となり、それと同時に、アークストライクからアーク移行／切断への遷移に必要なだけ電極／陰極アセンブリを移動させるための空気／ガス流の圧力パフォーマンスを最適化できる。たとえば、らせん溝３３５の（陰極の長さに沿った）全長Ｌは、陰極３０３の（端から端の）全長の２０〜３５％の範囲内である。別の例示的実施形態において、長さＬ’は全長の２５〜３０％の範囲内である。しかしながら、電極３０５では、らせん溝の（電極の軸に沿った）長さＬは電極３０５の全長の３０〜４０％の範囲内である。他の例示的実施形態において、長さＬは電極３０５の全長の３５〜４０％の範囲内である。いくつかの例示的実施形態において、長さＬおよびＬ’は同じであり、他の例示的実施形態では、長さＬはＬ’より長い。

0027

上述の電極３０５および陰極３０３の物理的関係と説明した属性により、本発明の例示的実施形態は、空冷式のリトラクト型トーチが最適な性能を有するようにすることができる。

0028

ここで、図６を参照すると、ある例示的実施形態による水冷式トーチ６００が示されている。一般に、トーチ６００は同様の既知の水冷トーチと同じように構成される。例えば、トーチはノズル６１３、シールドキャップ６１１、ノズル保持キャップ６０９、電極６０１、陰極６０３、外側キャップ６０５、および外側ケーシング６０７を含む。勿論、トーチ６００は、本明細書で説明する必要のないその他の構成要素を含む。しかしながら、図６に示され、以下にさらに説明されるように、構成要素間のねじ接続は、新規のねじ山構成を有し、以下にこれらをより詳しく説明する。

0029

本明細書の実施形態により利用されるねじ山構成は、変形スタブアクメ（ＡＣＭＥ）ねじ設計である。アクメねじ設計は、当業者により知られているため、本明細書で詳細に説明する必要はなく、その説明は、（非特許文献１）にあり、そのアクメスタブ設計の項の全体を参照によって本願に援用する。

0030

例示的なねじ山構成の拡大図が図７および８に示されている。図のように、変形アクメスタブねじ山構成は、電極６０１を陰極６０３に結合するために使用される。留意すべき点として、このねじ山構成は電極／陰極構成に関して説明されるが、図６に示されているように、他の箇所にも使用できる。例えば、ノズル保持キャップ６０９および／または外側キャップ６０５は、最適な接続を提供するのを助けるために、説明されているねじ山構成を使用できる。この変形アクメスタッドねじ山構成は、本発明の実施形態により、トーチ組立時のトーチ構成要素の同心性を向上させるために使用される。最適なトーチ性能と寿命を確保するために、高いレベルの同心性が必要であるため、この同心性を確実できるような高い精度で構成要素を製造することは極めて難しいことが多い。したがって、製造が容易で、組立時に高レベルの同心性を提供し、導電性および伝熱性のために大きな接触面積を提供するねじ接続が必要である。本発明の実施形態は、後述の構成によってこれを実現する。

0031

ここで、図７および８を参照すると、陰極６０３は女ねじ６０３’を有し、電極は男ねじ６０１’を有する。本発明の例示的実施形態において、男ねじと女ねじの各々で、ねじ山の山頂幅はねじ山の谷底幅より大きい。これは多くの既知のねじ山構成と異なる。さらに、他の例示的実施形態において、男ねじと女ねじの各々の山頂幅は、それぞれの男ねじおよび女ねじの各々における谷底幅より１〜５％大きい。別の例示的実施形態において、山頂幅は谷底幅より２〜３．５％大きく、また別の例示的実施形態において、山頂幅は谷底幅の２．５〜３．５％の範囲内だけ大きい。勿論、これらの比率は傾斜角度が比較的小さい、例えば挟角が１０％度のねじ山形成に関するものである。

0032

例示的実施形態において、ねじ山の側壁間挟角Φは１０〜６０度の範囲内である。しかしながら、他例示的実施形態において、挟角Φは１０度である。このような急峻な角度により、ねじ山は実際には角ねじであり、高いレベルの同心性と強度を提供できる。

0033

さらに、ねじ山は、ギャップＧ１（男ねじ６０１’の谷の径と女ねじ６０３’の谷の径の間の間隙）はギャップＧ２（男ねじ６０１’の外径と女ねじ６０３’の外径との間の間隙）より小さい。例示的実施形態において、上述の構成での間隙の関係により、比較的製造しやすく、相互に固定しやすく（相互に潰れるのを防止）、また、構成要素間の高いレベルの同心性と接触を提供するねじ山構成が提供される。

0034

例示的実施形態において、ねじ山はこれらが１０〜１４ＴＰＩの範囲となるようなピッチを有する。他の例示的実施形態において、ねじ山のピッチは１２ ＴＰＩである。留意すべき点として、幾何学的およびツーリングの制限により、使用されるピッチは山頂と谷底の大きさとの関係に影響を与える可能性がある。

0035

図１１Ａおよび１１Ｂは、本発明の他の例示的実施形態を示しており、上述のものと同様の変形角ねじパターンが使用されている。しかしながら、この例示的実施形態において、電極と陰極のねじ山の谷底と山頂の関係は、反対の関係である。具体的には、この例示的実施形態において、電極の男ねじの山頂幅Ｘｃは女ねじの谷底幅Ｙｒより大きい。例示的実施形態において、挟角Φは１０度であるが、他の実施形態において、挟角はそれ以外、例えば１０〜４０度の範囲内とすることができる。例示的実施形態において、山頂幅Ｘｃと谷底幅Ｙｒの間の比は１．２〜１．６の範囲内である。他の例示的実施形態において、比は１．３５〜１．４５の範囲内である。しかしながら、これらの例示的実施形態では、陰極６０３の女ねじの谷底幅Ｘｃ’は谷底幅Ｙｒ’より小さい。これは、電極の大きさ関係と反対である。例示的実施形態において、陰極のねじ山について、山頂幅Ｘｃ’と谷底幅Ｙｒ’の間の比率は０．５〜０．７５の範囲内である。他の例示的実施形態において、この比は０．６５〜０．７の範囲内である。男ねじと同様に、陰極の女ねじの挟角を１０〜４０度の範囲内とすることができ、いくつかの実施形態において、挟角Φは１０度である。例示的実施形態のねじ山数は１２〜１６ＴＰＩの範囲内とすることができ、他の例示的実施形態において、ねじ山数は１２ ＴＰＩである。上述の例示的実施形態と同様に、この例示的構成により、構成要素間の整列、物理的、および電気的接続、構成要素間の取り付け安さ、および構成要素の同心性が改善される。

0036

この同心性の改善は、図６および７に示される二重Ｏリング構成の使用を通じてさらに促進される。図のように、２つのＯリング６２１および６２２が電極６０１のねじ山部分の下流に位置付けられる。２つのＯリングを上述のねじ山構成で使用することによって、電極６０１の同心性が改善される。上述のねじ山構成により、Ｏリング６２１／６２２は、既知の構成に対する電極の位置決めにおいて、より大きな役割を果たす。すなわち、既知の構成では、ねじ山が電極６０１の位置決めの主な役割を担っていた。そのため、ねじ山がうまく製造されず、および／または取り付け中に潰れると、構成要素の同心性は不利な影響を受けた。しかしながら、この例示的実施形態においては、ねじ山によりＯリング６２１／６２２が電極の中央への位置決めを確実にする中でより大きな役割を果たす。これは、Ｏリングの圧縮性によるもので、これは電極６０１の周辺を均等に圧縮する傾向がある。それゆえ、電極の上述の構成およびその連結により、図６に示されるように、電極６０１をトーチおよび絶縁体の中で中央に位置付けることができる。

0037

図９は、例示的な電極６０１の例示的な断面を示す。電極６０１は、冷却空洞６３７のための開口部を有する上流端６３１と、ハフニウムインサートまたはその他とするとのできるインサートのための開口部６３５を有する先端６３３を有する。電極は、上述のように、ねじ山部分６０１’を有する。ねじ山部分６０１’の下流に肩部６３２があり、これがねじ山部分６０１’をＯリング部分６３９から分離する。Ｏリング部分６３９は、少なくとも２つのＯリング用溝６２１’および６２２’を有する。これに加えて、例示的実施形態において、Ｏリング部分６３９とＯリング用溝６２１’および６２２’は、上流端６３１から第一の溝６２２’の中心まで測定された電極６０１の長さに沿った距離Ｄが、電極の（上流端６３１から先端６３３までの）全長の２０〜２５％の範囲内となるように位置付けられる。これに加えて、それぞれの溝６２１’および６２２’の各々の中心間の距離Ｄ’は、電極６０１の全長の５〜１０％の範囲内である。この形状が、上述のねじ山構成と組み合わされて、電極６０１は、トーチ６００内での高いレベルの同心性を持つように容易に取り付けることができる。

0038

図１０Ａ〜１０Ｃは、本発明の他の例示的実施形態を示す。これらの図面に示されているように、また別のねじ接続が示されている。しかしながら、この実施形態において、ねじ接続は、第一のねじ山部分９０１と第二のねじ山部分を有し、これらの部分は異なるねじ山構成を使用する。この構成は、２種類のねじ接続を利用して、電極６０１と陰極本体６０３との間の確実な接続を提供する。上述の接続と同様に、このタイプの構成は、同心性を改善し、その一方で、構成要素間の確実な嵌合が可能となる。これに加えて、このような接続構成は、構成要素間の連結の耐久性と接続性を増大させる。さらに詳細点が図１０Ｂよび１０Ｃに示されている。これらの図面に示されている電極と陰極は、本明細書に記載されている他の実施形態と同様の全体的構成と機能を有することができる。例えば、電極６０１は、図９に示されるように、発光性インサート（例えば、ハフニウム）を有する先端を有することができる。

0039

図１０Ｂは、例示的な陰極本体６０３（先端部分だけが示されている）を示し、図１０Ｃは電極６０１の例示的な上流端を示している。第一および第二のねじ山区間９０１／９０３は、１つのらせんねじ山を有する。しかしながら、それぞれの区間の各々にけるねじ山は異なる。例えば、それぞれの区間にけるねじ山数／インチは、異なる。一例として、いくつかの実施形態において、第一の区間９０１のねじ山は２０〜２８ＴＰＩの範囲内であり、第二の区間９０３のねじ山は１６〜２４ ＴＰＩの範囲内であり、第二の区間９０３のねじ山のＴＰＩは、第一の区間９０１より小さい。ある例示的実施形態において、第一の区間９０１のＴＰＩは２４であり、第二の区間のＴＰＩは２０である。それぞれのねじ山のピッチとＴＰＩは、それぞれの区間の各々においてそれぞれのねじ山がスムーズに係合するように選択するべきである。これが実現すれば、その結果、電極６０１を陰極本体の中に取り付ける際に結合する。

0040

さらに、いくつかの例示的実施形態において、ねじ山の断面形状は同じとすることができるが、他の実施形態では、それぞれのねじ山がことなる断面形状を有していてもよい。例えば、例示的実施形態において、第一の区間９０１のねじ山の（山頂から谷底までの）深さは、第二の区間９０３のねじ山より大きくすることができる。さらに、また別の例示的実施形態において、それぞれのねじ山の谷底の幅は異なっていてもよい。図の実施形態において、各部分のねじ山は円錐台形の断面形状を有し、それによってそれぞれの山頂と谷底は、応力が集中する鋭利な先端を持たない。

0041

さらに、図のように、第一の区間９０１の直径は第二の区間より小さい。陰極本体６０３では、図１０Ｂおよび１０Ｃに示されているように、それぞれの構成要素の各々について、それぞれの区間の各々が外形と谷の径を有する。本発明の例示的実施形態において、陰極６０３では、第一の区間の外径ＤＭ１の径（陰極の断面で測定）は、第二の区間の谷の径Ｄｍ２より小さい。いくつかの実施形態において、第一の区間の外径（ＤＭ１）の径は第二の部分の谷の径Ｄｍ２と同じである。同様に、電極６０１に関して、例示的実施形態において、第一の区間の外径ＤＭ１’の径は第二の区間の谷の径Ｄｍ２’より小さい。いくつかの例示的実施形態において、第二の区間の谷の径は、電極と陰極の各々において、そのそれぞれの区間の各々における外径より２〜６％の範囲内で大きい。他の例示的実施形態において、第二の区間の谷の径は、電極と陰極の各々において、それぞれの第一の区間の各々における外径より３〜５％の範囲内で大きい。参照のために、Ｄｍ１は陰極の第一の区間の外径であり、ＤＭ２は陰極の第二の区間の外径であり、Ｄｍ１’は電極の第一の区間の谷の径であり、ＤＭ２’は電極の第二の区間の外径である。これらは、それぞれの区間の各々で使用されるねじ山の選択された深さによって決まる。

0042

他の例示的実施形態において、上述の変形角ねじと真性角ねじのプロファイルの組合せは、隣接する男ねじ／女ねじ構成要素において利用される。真性角ねじ構成において、ねじ山の挟角Φ（上述のとおりであり、例えば図８参照）は０〜１°の範囲内である。すなわち、ねじ山の、山頂から壁または谷底からねじの壁への移行部におけるねじ山の断面は、直角または略直角である。他の例示的実施形態において、挟角は０度であり、谷底から壁および／または山頂から壁の移行部は直角である。すなわち、例示的実施形態において、本明細書に記載されるねじ接続のいくつかは、前述の挟角と形状を有する女ねじを有することができ、これに対応する男ねじは四角形を有する。他の例示的実施形態において、反対も真なりであり、ねじが上述の幾何学的特徴を有する場合、対応する女ねじは四角形である。これらの実施形態の何れにおいても、上述の利益を実験するために、上述の山頂と谷底の関係を保持できる。略角ねじ構成を利用する他の例示的実施形態において、挟角は０〜４度の範囲内であり、さらに別の実施形態において、略角ねじの挟角は０〜１０度の範囲内である。また別の実施形態において、略角ねじの挟角は１〜８度の範囲内である。

0043

この代替的な関係は、本明細書に記載されている改良されたねじ接続を使って、上述の接続の多くについて利用できる。特定の例示的実施形態において、角ねじと変形角ねじの組合せの使用により、全体的な接触表面積が小さくなるため、接続容易さを改善できる。しかしながら、留意すべき点として、いくつかの実施形態において、このタイプの嵌合ねじの構成は、高電流の用途には望ましくないかもしれない。すなわち、ねじ部に高い電流が流れると（例えば、電極／電極ホルダ接続）このねじ山構成は、ねじ接触点における高い熱／電流集中の原因となりうる。それゆえ、いくつかの例示的実施形態において、これらの複合的なねじ山構成は、最大電流が１５０アンペア以下の用途に使用される。他の例示的実施形態において、この構成は、最大電流が６５アンペア以下の実施形態において使用される。他の例示的実施形態において、このねじ接続方法は、電流が流れない、純粋に機械的接続にのみ使用される。少なくとも図６を参照すると、上述の接続は、例えば、キャップ６０５、ノズル保持キャップ６０９、および電極６０１の接続に使用できる。

0044

本願の主題を特定の実施形態に関して説明したが、当業者であれば、主題の範囲から逸脱することなく、各種の変更を加えてもよく、また等価物を代替させてもよいことがかるであろう。これに加えて、特定の状況または材料を主題の教示にあてはめるように多くの改変を加えてもよく、これもその範囲から逸脱しない。したがって、主題は開示されている特定の実施形態に限定されず、主題は本明細書に記載されている範囲内に入るすべての実施形態を含むことが意図される。

0045

３００トーチ
３０１ トーチ本体
３０３陰極
３０５電極
３０５’ 先端
３０５’’ 溝部分
３０５’’’上流端部分
３０７陽極
３１４ノズル
３２０肩部分
３２２ 溝
３２３，３２４山頂
３２５ 傾斜面
３２７溝面
３３１ 陰極の先端
３３２ 肩部分
３３４溝山頂
３３５らせん溝
６００ トーチ
６０１ 電極
６０１’男ねじ
６０３ 陰極
６０３’女ねじ
６１３ ノズル
６３１上流端
６３３ 先端
６３５ 開口部
６３７冷却空洞
ＤＭ１ 第一の区間の外径
ＤＭ２ 第二の区間の外径