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JP2022504056A - Consumable cartridge for plasma arc cutting system - Google Patents

Consumable cartridge for plasma arc cutting system Download PDF

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JP2022504056A
JP2022504056A JP2021518000A JP2021518000A JP2022504056A JP 2022504056 A JP2022504056 A JP 2022504056A JP 2021518000 A JP2021518000 A JP 2021518000A JP 2021518000 A JP2021518000 A JP 2021518000A JP 2022504056 A JP2022504056 A JP 2022504056A
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Abstract

Figure 2022504056000001

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。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、内面と外面を有する。本体は、実質的に円筒形の金属コアと、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、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とを有する。流路は、通過するプラズマガスに旋回流体流パターンを付与するようにオフセットされている。

Figure 2022504056000001

A frame for a single replaceable consumable cartridge configured to be installed on a plasma arc torch. The frame includes a hollow body adapted to receive a translationally movable contact initiation electrode. The body has an inner surface and an outer surface. The body consists of a substantially cylindrical metal core, an electrically insulating overmolded plastic casing that at least substantially surrounds the tip of the substantially cylindrical metal core, and a hollow body. It has a set of flow paths that fluidly connect the outer surface and the inner surface of the hollow body. The flow path is offset to impart a swirling fluid flow pattern to the passing plasma gas.

Description

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。 The present invention generally relates to the fields of plasma arc cutting systems and processes. More specifically, the invention relates to methods and devices for simplifying, optimizing, and reducing cutting time and costs through the use of improved consumable cartridges.

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。 Plasma arc torches are widely used for cutting and marking materials. Plasma torches typically include an arc emitter (eg, an electrode), an arc contractor or contractor (eg, a nozzle) with a central outlet orifice mounted within the torch body, electrical connections, and cooling passages. , Includes passages for arc control fluids (eg, plasma gas). The torch produces a contracted ionized jet of gas at high temperature and high momentum. The gas used in the torch can be a non-reactive gas (eg, argon or nitrogen) or a reactive gas (eg, oxygen or air). During operation, the pilot arc is first generated between the arc emitter (cathode) and the arc contractor (anode). Pilot arc generation can be done using either high frequency, high voltage signals connected to DC power supplies and torches, or various contact starting methods.

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。 Known consumables suffer from many shortcomings both before and during the cutting operation. Before the cutting operation, selecting and installing the correct set of consumables for a particular cutting task can be tedious and time consuming. During operation, current consumables face performance issues such as the inability to effectively dissipate and conduct heat from the torch and the inability to maintain proper consumable alignment and spacing. In addition, existing consumables contain significant amounts of expensive materials such as copper and / or Vespel®, which are costly to manufacture and prevent widespread commercialization, manufacture and adoption. What is needed is to reduce manufacturing costs, increase system performance (eg, component alignment, cutting quality, consumable life, versatility / versatility, etc.) and end-user installation and use of consumables. A new and improved consumable platform that simplifies.

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。 The present invention provides one or more cost-effective cartridge designs that reduce manufacturing costs, simplify commercialization and production of cartridges, improve end-user installation and usability, and improve system performance. .. In some embodiments, a number of conventional consumable parts (eg, swirl rings, nozzles, shields, holding caps, and electrode parts) have been redesigned. In some embodiments, new parts (eg, electrode sleeves, lock rings, and / or interface insulators) are created. In some embodiments, the conventional swirl ring is replaced with a different feature within the torch body that vortexes the gas flow within the torch body (eg, a swirl mechanism with a flow hole built directly into the nozzle body). In some embodiments, the nozzle shield is electrically isolated from the nozzle (eg, by using anodized aluminum and / or plastic).

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。 In some embodiments, each cartridge comprises one or more of the following consumable parts: A frame or body with one or more sections, an arc emitter (eg, an electrode), an arc shrinker or arc shrink member (eg, a nozzle), a mechanism that swirls the gas in a plasma torch (eg, incorporated into a nozzle). A swirl mechanism, a swirl ring, or another swirl mechanism), a shield (eg, a nozzle shield electrically insulated by the use of aluminum, anodized aluminum, and / or plastic material), a radiating element (eg, a hafnium radiator). ), And / or end cap. In some embodiments, the cartridge comprises a substantially copper portion (eg, an inner core of copper) and a substantially non-copper portion (eg, a non-copper portion outside the inner core). In some embodiments, the cartridge can be used in a handheld plasma cutting system and / or a mechanized plasma cutting system.

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。 In some embodiments, the cartridge has an elastic element, such as a spring electrode or a spring start mechanism secured to the electrode, which is designed to be integrated directly into the cartridge and not separate or disassembled from the cartridge. Has been done. The elastic element can be physically communicated with the frame and / or configured to carry a pilot current from the frame to the arc emitter. The elastic element can urge the arc emitter in a direction along the axis of the elastic element, for example, by applying a separating force. In some embodiments, the separating force has a magnitude less than the magnitude of the binding force that holds the cartridge together.

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。 In some embodiments, the cartridge has enhanced cooling and insulation capabilities, reduced manufacturing and material costs, and / or improved recyclability, durability and performance. In some embodiments, the cartridge provides consumable parts in one integrated part. In some embodiments, the cartridge makes it possible to significantly reduce the installation time of the torch (eg, one-fifth to one-tenth), and the fitting part is always available for a given cutting operation. Proper selection, improved heat dissipation and / or heat transfer performance, easy recognition of consumable parts suitable for a particular cutting operation, consumable alignment and / or consumable spacing Allows and / or reduces operator error. In some embodiments, heat is transferred substantially away from the torch, but not enough to heat or melt the plastic part. In some embodiments, the use of metals other than copper (eg, in the outer region of the inner core of the copper component) helps keep heat away from the torch. In some embodiments, the cartridge allows preselection of a particular combination of consumables for a particular cutting operation.

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。 In some embodiments, the cartridge frame comprises a highly thermally conductive material, such as aluminum, copper, or another highly conductive metal. In some embodiments, the cartridge frame is formed by molding. In some embodiments, at least one of the first end of the cartridge frame or the second end of the frame comprises a threaded region formed to engage complementary parts. In some embodiments, the shield, arc contractor, and frame are thermally coupled. In some embodiments, the outer surface of the frame is formed to connect to the retaining cap. In some embodiments, the cartridge comprises a shielded insulator connected to a frame. In some embodiments, the shield insulator is press-fitted into the frame.

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。 In some embodiments, the cartridge cap defines an opening of the arc emitter and includes a fluid seal surface arranged around the circumference of the arc emitter opening. In some embodiments, the electrodes include springs. In some embodiments, the cartridge cap extends within the base region of the arc shrink member to a position near the set of swirl holes. In some embodiments, the base of the arc shrink member is formed by molding. In some embodiments, a retaining cap is connected to the cartridge body. In some embodiments, the retaining cap comprises plastic. In some embodiments, the arc shrink member and the electrode are connected to the holding cap via the base of the arc shrink member.

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。 In some embodiments, the cartridge comprises a shield connected to the cartridge body. In some embodiments, the shield is connected to the cartridge body via a shield insulator. In some embodiments, the shield insulator is press-fitted into at least one of the shields or the base of an arc shrink member. In some embodiments, the shield insulator is electrically insulating. In some embodiments, the shielded insulator is thermally conductive. In some embodiments, the shielded insulator comprises anodized aluminum. In some embodiments, the sleeve is placed around a portion of the electrode. In some embodiments, the sleeve comprises an anodized layer formed to electrically insulate the electrodes from the base of the arc shrink member. In some embodiments, the sleeve comprises a set of flow surfaces configured to facilitate the flow of fluid within the plasma torch, eg, to improve cooling.

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。 In some embodiments, the cartridge (or consumable assembly) comprises a seal placed within the cap insert. In some embodiments, the cartridge comprises a holding cap directly connected to the gas flow diverter. In some embodiments, the retaining cap is made of plastic. In some embodiments, the arc contractor and radiating member are connected to the holding cap via a swirl ring. In some embodiments, the shield insulator is press-fitted into at least one of the shield and the gas flow divertor. In some embodiments, the shield insulator is electrically insulating. In some embodiments, the shielded insulator is thermally conductive. In some embodiments, the shielded insulator comprises anodized aluminum. In some embodiments, the shield has a heat capacity to current ratio of about 2 to about 4 W / (mKA). In some embodiments, the cartridge or consumable assembly comprises a sleeve placed around a portion of the radiating member. In some embodiments, the sleeve comprises an anodized layer formed to electrically insulate the radiating member from the base of the arc shrinker. In some embodiments, the sleeve comprises a set of flow planes.

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。 In some embodiments, the cartridge is replaced as a unit. In some embodiments, the length of the radiating element can be adjusted to match the life of the nozzle so that multiple cartridge parts reach the end of their useful life at about the same time. In some embodiments, the cutting quality may be similar to that achieved using current consumables. In some embodiments, the cartridge-type consumable assembly comprises a spring electrode located within the nozzle body and a sealing device located within the lock ring. The sealing device can be configured to connect to a plasma arc torch. The spring electrode can include a pushpin or contact element that extends into the electrode body and is connected to a spring located between the contact element and the electrode body. In some embodiments, the electrode sleeve can have a front end shaped (eg, scooped up) to direct the gas flow in the cartridge.

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。 In one aspect, the invention features a replaceable cartridge for a plasma arc torch. The replaceable cartridge includes a cartridge body having a first section and a second section. The first and second sections are connected at boundaries to form a substantially hollow chamber. Boundaries provide a cohesive force that anchors the first and second sections together. The cartridge also includes an arc shrink member located within the second section. The cartridge also includes electrodes contained within a substantially hollow chamber. The cartridge also includes a contact initiation spring element attached to the electrode. The spring element provides a separating force that urges the electrode towards at least one of the first or second sections of the body. The separating force has a magnitude smaller than the magnitude of the binding force.

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。 In some embodiments, the gas input moves the electrodes and overcomes the separation force. In some embodiments, the electrodes and at least a portion of the contact initiation spring element are located in a substantially hollow chamber non-removably. In some embodiments, the base of the arc shrink member is anodized. In some embodiments, the cartridge has a region having a thermal conductivity of about 200-400 watts per meter per Kelvin degree. In some embodiments, the shield has a heat capacity to current ratio of 2-4 W / (mKA). In some embodiments, the cartridge comprises a cap insert connected to a second section of the cartridge body, the cap insert substantially orients the electrode and holds the electrode within the cartridge body.

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。 In another aspect, the invention features a sealed cartridge unit for a plasma arc torch. The cartridge unit comprises a substantially hollow frame comprising a first substantially hollow portion defining a first end and a second substantially hollow portion defining a second end. include. The cartridge unit includes an arc emitter located within the frame. The arc emitter can translate with respect to the frame. The cartridge includes an arc contractor attached to the second end of the frame. The cartridge contains an elastic element that has elasticity to physically communicate with the frame. The elastic element urges the arc emitter toward either the first end or the second end to facilitate ignition at or near the arc emitter.

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。 In some embodiments, the gas input moves the electrodes and overcomes the separation force. In some embodiments, the frame comprises an electrical insulator. In some embodiments, the frame comprises at least one of a metal or a strong thermally conductive material. In some embodiments, the frame is anodized. In some embodiments, the cartridge comprises at least one set of flow holes, with each flow hole in the set of flow holes being offset radially from the other flow holes. In some embodiments, the flow hole has a total cross-sectional area of about 6.5 square centimeters (about 1 square inch). In some embodiments, the first end is configured to connect to the shield via a shield insulator, the shield, arc shrinker, and frame being thermally coupled. In some embodiments, the cartridge unit has a region having a thermal conductivity of about 200 to 400 watts per meter per Kelvin degree. In some embodiments, the cartridge comprises a cartridge cap located at the second end of the frame, the cartridge cap being formed to contact the arc emitter and hold the arc emitter within the frame. ..

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。 In another aspect, the invention features a single replaceable consumable assembly for a plasma arc torch. The consumable assembly consists of a gas flow diverter, an arc contractor physically connected to the gas flow diverter, a gas flow diverter and a radiating member substantially located within the arc diverter, and a radiating member and a gas flow divertor. Alternatively, it includes an elastic arc initiator disposed between the arc contractor and at least one. At least a portion of each of the gas flow diverter, arc contractor, radiating member, and arc initiator is non-removably integrated within the consumable assembly.

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。 In some embodiments, the radiating member comprises an electrode and the arc starter comprises a spring. In some embodiments, the gas flow diverter is anodized. In some embodiments, the gas flow diverter comprises a cap insert located substantially opposite to the arc contractor, the cap insert substantially orients the radiating member and the radiating member within the gas flow diverter. To hold. In some embodiments, the seal is placed within the cap insert. In some embodiments, the consumable assembly comprises a shield connected to a gas flow diverter. In some embodiments, the shield is connected to the gas flow diverter via a shield insulator.

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。 In another aspect, the invention features a frame for a single replaceable consumable cartridge configured to be installed in a plasma arc torch. The frame includes a hollow body adapted to receive a translationally movable contact initiation electrode. The body has an inner surface and an outer surface. The body contains a substantially cylindrical metal core. The body also includes an electrically insulating overmolded plastic casing that at least substantially surrounds the tip of a substantially cylindrical metal core. The body also includes a set of flow paths that fluidly connect the outer surface of the hollow body and the inner surface of the hollow body. The flow path is offset to impart a swirling fluid flow pattern to the passing plasma gas. In some embodiments, the substantially cylindrical metal core is formed by stamping.

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。 In some embodiments, the substantially cylindrical metal core is formed by stamping. In some embodiments, the substantially cylindrical metal core is made of brass. In some embodiments, the substantially cylindrical metal core comprises anodized moieties. In some embodiments, each channel in a set of channels is radially offset from the other channels. In some embodiments, the flow path has a total cross-sectional area of about 6.5 square centimeters (about 1 square inch). In some embodiments, the first end of the frame is configured to be inseparably connected to the nozzle so that the nozzle, frame, and electrodes are arranged as a single unit. In some embodiments, the first end of the frame is configured to connect to the shield via a shield insulator, the shield being thermally coupled to the frame.

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。 In another aspect, the invention features a method of cooling a plasma arc torch. The method comprises providing a composite consumable with a frame defining a plurality of holes. Parts such as electrodes, nozzles, and shields are incorporated in the composite consumables. The holes fluidly connect the outer surface of the frame to the inner surface of the frame. The holes are offset to impart a swirling fluid flow pattern to the passing plasma gas. The method also involves installing a composite consumable on the plasma arc torch. The method also involves flowing the cooling fluid through a plurality of holes. The cooling fluid forms a fluid flow pattern that cools at least one of the electrodes, nozzles, or shields, thereby removing at least 1 watt of power from the plasma arc torch during operation. The frame is adapted to receive a translationally movable contact initiation electrode. The frame is an electrically insulating overmolded that at least substantially surrounds the tip of (i) a substantially cylindrical metal core and / or (ii) a substantially cylindrical metal core. Includes plastic casing.

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。 In some embodiments, the substantially cylindrical metal core is formed by stamping. In some embodiments, the substantially cylindrical metal core is made of brass. In some embodiments, the substantially cylindrical metal core comprises anodized moieties. In some embodiments, each hole in the plurality of holes is radially offset from the other holes. In some embodiments, the hole has a total cross-sectional area of about 6.5 square centimeters (about 1 square inch). In some embodiments, the first end of the frame is configured to be non-removably connected to the nozzle so that the nozzle, frame, and electrodes are arranged as a single unit. In some embodiments, the first end of the frame is configured to connect to the nozzle and / or shield via a shield insulator, the shield being thermally coupled to the frame. In some embodiments, the set of channels extends into additional components that are non-removably attached to the front of the nozzle. In some embodiments, a substantially cylindrical metal core provides geometric stability, causing the electrodes to stop and not slide, and / or the nozzle to drop off, a deformation of the frame. prevent.

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。 In another aspect, the invention features a method of making a single replaceable consumable cartridge configured to be installed in a plasma arc torch. The method comprises providing a hollow body adapted to receive a translationally movable contact initiation electrode. The body has an inner surface and an outer surface. The body contains a substantially cylindrical metal core. This method involves overmolding an electrically insulating plastic casing onto a hollow body. The electrically insulating plastic casing at least substantially surrounds the tip of the substantially cylindrical metal core. The method also comprises providing a set of flow paths that fluidly connect the outer surface of the hollow body and the inner surface of the hollow body. The flow path is offset to impart a swirling fluid flow pattern to the passing plasma gas.

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。 The above discussion, when construed in conjunction with the accompanying drawings, will be more easily understood from the following detailed description of the invention.

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。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a cartridge for a plasma arc cutting system according to an exemplary embodiment of the present invention. 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。FIG. 2A is an isometric view of a single cartridge for a plasma arc cutting system according to an exemplary embodiment of the invention. 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。FIG. 2B is a cross-sectional view of a single cartridge for a plasma arc cutting system according to an exemplary embodiment of the invention. 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。FIG. 2C is a cross-sectional view of a single cartridge for a plasma arc cutting system according to an exemplary embodiment of the invention. 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。FIG. 2D is a cross-sectional view of a plasma arc torch cartridge frame with an overmolded plastic casing according to an exemplary embodiment of the invention. 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。FIG. 3A is an isometric view of an internal cartridge assembly for a plasma arc torch according to an exemplary embodiment of the invention. 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。FIG. 3B is a cross-sectional view of an internal cartridge assembly for a plasma arc torch according to an exemplary embodiment of the invention. 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。FIG. 4A is a cross-sectional view of a consumable cartridge for a plasma arc cutting system according to an exemplary embodiment of the invention, each cartridge having a nozzle, an electrode, a swirl ring, an elastic element, and an end cap. 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。FIG. 4B is a cross-sectional view of a consumable cartridge for a plasma arc cutting system according to an exemplary embodiment of the invention, where each cartridge has a nozzle, electrodes, swirl rings, elastic elements, and an end cap. 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。FIG. 5 is a cross-sectional view of a consumable cartridge for a plasma arc cutting system with nozzles, electrodes, swirl rings, elastic elements, and end caps according to an exemplary embodiment of the invention.

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。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a cartridge 100 for a plasma arc cutting system according to an exemplary embodiment of the present invention. Cartridge 100 has substantially a first section 112A towards a first end 104, a second end 108, and a first end 104 and a second section 112B towards a second end 108. Has a hollow frame 112. The cartridge 100 also includes an arc emitter 120, an arc contractor 124, and an elastic element 128. The arc emitter 120 is arranged in the frame 112 and can be translated with respect to the frame 112. As shown, the arc contractor 124 forms part of the frame 112 (eg, at the second end 108, in some embodiments it can be attached to the frame 112). The elastic element 128 is physically connected to the frame 112, for example, directly to the first section 112A. In some embodiments, the elastic member 128 is a contact initiation spring element attached to the arc emitter 120. The elastic element 128 can be configured to carry a pilot current from the frame 112 to the arc emitter 120. The elastic element 128 may urge the arc emitter 120 towards either the first end 104 or the second end 108 to facilitate ignition in or near the arc emitter 120. The arc emitter 120 may be an electrode and may include a highly radioactive element 122 such as a hafnium insert.

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(Fcoupling)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(Fseparating)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。 The first section 112A and the second section 112B are connected at a boundary 132 to form a substantially hollow chamber. The boundary 132 provides a coupling force that anchors the first section 112A and the second section 112B together. The elastic member 128 can provide a separating force (F separation ) that urges the arc emitter 120 toward at least one of the first section 112A or the second section 112B. The separating force may have a magnitude smaller than the magnitude of the binding force. In some embodiments, the coupling force is bounded by at least one of the static frictional forces, adhesive forces, or normal forces (eg, forces against downward gravity) provided by the notch 136 at the boundary 132. Provided at 132. In some embodiments, the cohesive force is stronger than the force that a person can overcome by hand, either intentionally or carelessly.

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。 In some embodiments, the frame 112 comprises at least one of a metal (eg, aluminum) or other thermally conductive material. In some embodiments, the frame 112 is formed by molding. In some embodiments, the frame 112 is anodized (eg, including aluminum anodized, as fully described below). In some embodiments, the frame 112 comprises an electrical insulator, such as aluminum anodic oxide and / or a thermoplastic (eg, PEEK, Torlon®, Vespel®, etc.). In some embodiments, at least one of the first end 104 or the second end 108 of the frame 112 comprises a threaded region formed to engage complementary parts. In some embodiments, the electrode 120 comprises an elastic element 128 such as a spring.

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。 In some embodiments, the outer surface of the cartridge 100 is formed to connect to or fit into a holding cap or cartridge cap (not shown). In some embodiments, the retaining cap is replaceable, threaded, and / or snap-on. The cartridge cap can be placed (eg, can be surrounded) around the second end 108 of the frame 112. The cartridge cap can be formed so as to contact the arc emitter 120 and hold the arc emitter 120 within the frame 112. The cartridge cap can define the opening of the arc emitter 120. The cartridge cap can include a fluid sealing surface located around the opening of the arc emitter 120. In some embodiments, the cartridge cap substantially orients the electrode 120 and holds the electrode 120 within the cartridge 100. In some embodiments, the cartridge cap comprises a seal.

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。 The cartridge 100 can be a "consumable" cartridge or a collection of consumable parts, for example, the cartridge 100 can be replaced as a unit after reaching the end of its useful life. The cartridge 100 can be a sealed unit that is not intended to replace individual components. In some embodiments, the individual components are non-removably located within the cartridge 100 or integrated into the cartridge 100. For example, at least a portion of the electrode 120 and the contact initiation spring element 128 can be non-removably placed within the frame 112 and, for example, can be sealed within the frame 112 and / or removed or replaced by an operator. Not intended to be. In some embodiments, the cartridge 100 is a consumable part. In some embodiments, the components (eg, frame 112 and arc contractor 124) may be connected via press fit or other similar means with tight tolerances and will deteriorate, break or fail when separated. ..

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。 FIG. 2A is an isometric view of a single cartridge 200 for a plasma arc cutting system according to an exemplary embodiment of the invention. Visible from the outside are a plastic outer section 204, a metal outer section 208, and a copper outer section 212 (eg, a nozzle shield). The plastic outer section 204 and the metal outer section 208 are joined at a joint 206. In some embodiments, the junction 206 is included in or near the tapered region. In some embodiments, the outer section 204 of the plastic is a retaining cap. In some embodiments, the metal outer section 208 is a shielded insulator. In some embodiments, the metal outer section 208 is made of a material other than copper substantially. In some embodiments, the copper outer section 212 is made of pure or substantially pure copper or a copper alloy. The parts of the cartridge 200 are shown in more detail in FIG. 2B described below.

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。 FIG. 2B is a cross-sectional view of a single cartridge 200 for a plasma arc cutting system according to an exemplary embodiment of the invention. In this figure, a nozzle body 216, a nozzle orifice 218, an electrode 220 having a radiating element 222, an insulator sleeve 224 having an elongated portion 224A, an elastic element 226, and an electrode contact button 236 (eg, made of brass). Additional elements of the cartridge 200 are shown, including. In the present invention, one or more of these elements can be redesigned to achieve one or more of the above objects.

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。 For example, the nozzle body 216 can be formed from a conductive material (eg, a highly conductive material such as aluminum) and can be attached to other parts of the cartridge 200 (eg, in direct physical contact). can). In some embodiments, the nozzle body 216 is in thermal communication with a particular part of the cartridge 200 (eg, via heat conduction), but is electrically isolated from the other parts. For example, the nozzle body 216 can function as a heat sink for the nozzle orifice 218 while remaining electrically isolated from the nozzle shield 212. Such configurations can enhance cooling performance (eg, nozzles and electrodes) and reduce manufacturing costs compared to previously used materials (eg, Vespel®). In some embodiments, the cartridge has a region having a thermal conductivity of about 200-400 watts per meter per Kelvin degree (eg, aluminum has a thermal conductivity of 200-250 W / (mK)). Whereas copper can have a thermal conductivity of 350-400 W / (m · K)). In some embodiments, the consumable cartridge has a heat capacity to current ratio of 2-4 W / (mKA).

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。 Further, the nozzle body 216 includes a set of inlet swirl holes 228 (eg, swirl holes 228A and 228B). In some embodiments, the set of inlet swirl holes 228 comprises 5 swirl holes, or optionally between 3 and 10. The swirl hole 228 is offset radially to provide a swirl flow (eg, radial and tangential velocity components) to the gas flowing through the swirl hole 228 (eg, shield gas, plasma gas, and / or plenum gas). be able to. In this configuration, the nozzle body 216 eliminates the need for a conventional swirl ring in order to provide the swirl functionality previously provided by the swirl ring. Further, in some embodiments, the nozzle body 216 is formed via a forming process, eliminating the need for expensive and time-consuming drilling procedures for forming swirl holes. In some embodiments, the nozzle shield 212 includes an angle 232 that encourages the flow of fluid away from the plasma arc during operation.

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。 FIG. 2C is a cross-sectional view of a single cartridge 240 for a plasma arc cutting system according to an exemplary embodiment of the invention. The single cartridge 240 may be similar in many respects to the cartridge 200 shown in FIG. 2B, but may differ in certain other respects. For example, the cartridge 240 utilizes a punched torch interface 250 (eg, punched copper pieces) having a "T" cross section. The interface 250 allows the electrodes to slide more freely than in the FIG. 2B configuration, which uses electrodes with a nipple function to form an engagement surface with the spring. In FIG. 2C, the cap and nozzle body are open for ease of manufacture and for the electrodes to freely slide into the nozzle body during assembly of the cartridge. The spring can then be placed on the electrode and the punched torch interface 250 can easily snap to the nozzle body and secure the electrode in it using the small tab feature 252. .. Such a configuration avoids the need to press in multiple parts together (and then avoids the need to achieve tight tolerances between the parts) and / or different parts of the torch in different directions. Avoid the need to assemble from. Using the cartridge 240, the manufacturer can simply slide the electrode into place in one step.

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。 Further, the cartridge 240 achieves a swirl function by using a molded slotted swirl feature 266 instead of using a hole drilled in the nozzle body. In this configuration, during operation, the gas flows from slot 266 into the plasma chamber, forming a swirl gas around the plasma arc. Also, during operation, the gas can flow through the molded gas shield channel 254 to further cool the nozzle body. The slot 266 forms a set of swirl holes when the nozzle body, nozzle orifice, and / or nozzle liner are connected. The gas supplied to the slot is carried from the torch through a chamber formed by the inner surface of the nozzle body and the outer surface of the nozzle liner (combined to form a swirl hole). Such a configuration eliminates the need for post-processing machining steps and associated costs. Further, the cartridge 240 includes a radial swage connection 258 between the nozzle orifice and the nozzle body. The radial swage connection 258 provides a robust connection interface that allows maintenance of contact between the nozzle orifice and the nozzle body, but also exposes a significant surface area for the heat transferred from the nozzle orifice to the nozzle body. .. Finally, in this embodiment, the electrode sleeve is removed and replaced with a more traditional heat exchanger.

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。 FIG. 2D is a cross-sectional view of a plasma arc torch cartridge frame 280 with an overmolded plastic casing 282 according to an exemplary embodiment of the invention. The frame 280 includes a hollow body 284 adapted to receive a translationally movable contact initiation electrode. The body 284 has an inner surface 286 and an outer surface 288. The body 284 contains a substantially cylindrical metal core 290 that can be formed by stamping. Also, the body 284 is an electrically insulating overmolded plastic (thermosetting or thermoplastic) casing that at least substantially surrounds the tip of the substantially cylindrical metal core 290. Includes 282. In some embodiments, the body 284 comprises a set of flow paths 292 that fluidly connect the outer surface 288 and the inner surface 286 (eg, at the tip of the cartridge frame 280 as shown). The flow path 292 may be offset to impart a swirling fluid flow pattern to the passing plasma gas. In one embodiment, the hole imparts a swirling flow to the plasma gas that enters the plasma chamber and enters the cartridge, some of the plasma moves towards the tip to generate a plasma arc, and some of the gas is on the proximal side. To cool the electrodes. The flow path 292 can be formed entirely within the plastic, for example by molding, and can be crimped to another cartridge or torch component, such as the base end of a nozzle or shield (not shown). The crimped component may form part of the swirl flow path 292.

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。 In some embodiments, the cylindrical metal core 290 helps to overcome certain thermal cycle and overheating problems due to the use of molded plastic in the swirl ring. For example, the plastics used in this context can exhibit local melting of the inner diameter, for example when the electrode is near the end of its life. At this point, the temperature of the electrodes can be higher than the melting point of the plastic used, causing the plastic to melt and deform. Under these circumstances, the electrodes can be prevented from moving freely within the swirl ring. In extreme cases, this malfunction can damage the torch (if the arc can be started but the electrodes cannot move). In other failure modes, the nozzle may separate from the frame. As a solution, the thermoplastic can be overmolded into stamped brass to provide geometric stability without the aforementioned melting and warping. The material of the sleeve can be a metal alloy and can be used with or without a second metal coating. In some embodiments, brass is used. Other metals that can be used include nickel-plated brass, copper, aluminum, steel, or other metals. Another advantage of plastic overmolded into a brass sleeve is that it can reduce costs (for example, $ 1.30 compared to about $ 5 for Vespel®). Such embodiments can reduce or eliminate local melting of the inner diameter, providing reliable starting performance and a sturdy torch.

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。 FIG. 3A is an isometric view of the internal cartridge assembly 300 for a plasma arc torch according to an exemplary embodiment of the invention. What is visible from the outside is a shield 304 with vent holes 306 (eg, holes 306A-306D as shown in FIG. 3A), flow holes or inlet swivel holes 312 (eg, holes 312A, 312B as shown in FIG. 3A). ) The nozzle body 308, the front insulator (or shield insulator) 314, and the rear insulator (or lock ring) 316. These elements and additional elements are described more fully in conjunction with the cross-sectional views shown in FIG. 3B below.

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。 FIG. 3B is a cross-sectional view of the internal cartridge assembly 300 of FIG. 3A according to an exemplary embodiment of the invention. In this figure, some additional parts of the internal cartridge assembly 300 are shown, which are the electrodes 320 with the radiating element 322, the arc contractor, ie the nozzle orifice 324, the shield directed to the nozzle orifice 324. It includes a flow hole 328 (eg, flow holes 328A to 328B), an insulator sleeve 332, and a cooling gas flow path 336. In this embodiment, the nozzle body 308 functions as a cartridge frame to which other components are attached.

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。 Many features of the internal cartridge assembly 300 can enhance its cooling capacity. First, the nozzle body 308 can be made of aluminum, which can enhance heat conduction over conventional materials and configurations as described above. Second, the nozzle orifice 324 can be made of copper and can be pressed against the nozzle body 308. In such an embodiment, the nozzle body 308 can function as a heat sink for the copper nozzle orifice 324. Third, the improved gas flow surface can be assisted in cooling, for example with a shielded gas flowing forward through holes 328A, 328B just outside the press area. Also, the press-fitting arrangement can provide an improved heat transfer path between the torch components as a result of tight tolerances between the surfaces of the components. In some embodiments, the press-fitting arrangement comprises a tight fit and / or a tabbed or interlocking fit with one or more stepped features. In addition, the small size of the press-fit design has the added benefit of reducing manufacturing and / or material costs and simplifying the manufacture and assembly of parts (eg, by reducing the number of parts).

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)。 Also, the nozzle shield 304 can be made of copper and can be pressed against the anodized aluminum insulator 314 at the surface 305A. The assembly can then be pressed against the nozzle body 308 at the press fit surface 305B. In such an embodiment, the shield insulator 314 connects the nozzle body 308 to the shield 304. In some embodiments, the shield insulator 314 is press-fitted into the nozzle body 308. In some embodiments, the shield insulator 314 is an electrically insulating ring and / or includes a set of press-fit surfaces 305A, 305B connecting the shield 304 and the nozzle body 308. The shield insulator 314 can connect the nozzle body 308 to the shield 304 so that the nozzle body 308 and the shield 304 are electrically isolated from each other while transmitting thermal energy to each other. In some embodiments, the use of two-piece shielded insulators can increase the electrical insulation capacity (eg, double) as a result of the increased contact surface.

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。 The nozzle shield 304 can be significantly smaller than a conventional shield, allowing for efficient manufacturing and assembly of parts, improved durability, and greater assurance of proper orientation of cartridge parts with respect to each other. As an example, for a 45 amp system, a prior art stock shield can have a diameter of about 2.54 centimeters (about 1 inch) and a mass of about 18.1 grams (about 0.04 pounds). Cartridge shields according to the invention have a diameter of about 1.27 centimeters (about 0.5 inches) and less than 4.5 grams (less than 0.01 pounds) (eg, about 3.2 grams (about 0.007 pounds)). ) May have a mass. For a 105 amp system, prior art stock shields can have a diameter of about 2.54 centimeters (about 1 inch) and a mass of about 22.3 grams (about 0.05 pounds), according to the invention. The cartridge shield has a diameter of about 1.27 centimeters and a mass of about 4.5 grams (eg, about 5.9 grams). May have.

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。 The small size configuration has great advantages. First, because the mass-reduced component has a reduced heat capacity, the component is rapidly cooled during postflow and / or more heat is transferred to the cooling gas during operation. Second, the smaller the shield, the higher the temperature can reach during operation and the more heat can be transferred to the cooling gas. In some embodiments, the nozzle shield 304 is exposed to cold gas entering the shield region, for example, through the shield flow hole 328, which can further reduce the temperature. Each flow hole 328 may have a total cross-sectional area of at least about 6.5 square centimeters (about 1 square inch).

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。 In some embodiments, the electrode 320 comprises a copper base. In some embodiments, the base of the electrode 320 has a small diameter with an pressed insulator sleeve 332 made of anodized aluminum and / or plastic used for electrical insulation. In some embodiments, a cooling gas flow path or gap 336 is present between the insulator sleeve 332 and the nozzle body 308. In some embodiments, the cooling gas flows through the gap 336. In some embodiments, a "dumbbell" configuration 340 defined by two end contacts 340A, 340B is used, which reduces or minimizes the contact area between the nozzle body 308 and the insulator sleeve 332. can do. With such a configuration, friction between parts can be reduced.

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。 In some embodiments, the sleeve 332 contacts the electrode 320, which may be part of a separate current path from the nozzle body 308 and / or a different part of the current path from the nozzle body 308. In some embodiments, the electrode 320 and the nozzle body 308 may be electrically separated by a gap to generate an arc and / or to ensure proper orientation of the components within the torch. In such an embodiment, the nozzle 308 and the electrode 320 may be in physical contact between the sleeve 332 and the nozzle body 308. In such an embodiment, an insulating layer is required in this region so that the current can pass through the radiating element 322.

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。 In some embodiments, the wall of the nozzle body 342 in which the electrode 320 moves close to it is compared during operation when the gas flow passes directly both inside the nozzle body 308 and on the outer surface 344 of the nozzle 324. It can stay at a low temperature. The choice of material for the design of the nozzle body 342 (eg, aluminum or other metal) provides better conduction paths and heat dissipation performance compared to conventional materials such as Vespel®. Such factors assist in cooling the electrode insulating component and allow the electrode to function even after deep pits have been formed in the radiating element by the use of the electrode.

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。 In some embodiments, the lock ring 316 (or separation ring) forms an interface 346 between the cartridge 300 and the torch. In some embodiments, the lock ring 316 may be made of anodized aluminum. The lock ring 316 can be pushed into the nozzle body to "trap" the movable electrode 320. The lock ring 316 can accommodate the components in the cartridge 300 and electrically insulate the torch. In some embodiments, the lock ring 316 is replaced by heat shrinkage or adhesion. In some embodiments, the lock ring 316 orients the cartridge 300 (eg, axially), optimizes gas flow, allows electrical connection to the cathode, and / or provides electrical insulation. Is formed like this.

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。 In the various embodiments described herein, the cartridge or consumable assembly is approximately 8.9 centimeters (approximately 3.5 inches) long and 2.8 centimeters (1.1 inches) in diameter. be. In some embodiments, the retaining cap is considered, for example, as part of the torch rather than a consumable part. Such a configuration eliminates the need for post-assembly machining (compared to some torch assemblies that require the final machining step to achieve the functional axiality of the cartridge) and the machine. The machining step can be minimized. In some embodiments, the reduction of swirl holes can minimize drilling operations as compared to prior art swirl rings. In some embodiments, replacing Vespel® with aluminum can significantly reduce the cost of manufacturing the cartridge. In some embodiments, copper is used only in specific locations within electrodes, nozzles, and / or orifices, and manufacturing costs can be reduced by reducing the use of this expensive material. For example, copper can be concentrated primarily in the inner core or region. Copper may be desirable due to its thermal and electrical properties, but it is more expensive than other materials, so a design that minimizes its use is sought.

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。 4A, 4B and 5 are cross-sectional views of consumable cartridges for a plasma arc cutting system according to an exemplary embodiment of the invention, where each cartridge has a nozzle, electrodes, swirl rings, elastic elements, and ends. Has a cap. FIG. 4A shows an exemplary cartridge design 400. As shown, the cartridge 400 includes a swirl ring 402, an end cap 406, a nozzle 408, and an electrode 404. The electrode 404 can be a spring anterior electrode for the contact initiation plasma arc torch. Here, the elastic element 412 (for example, a spring) applies a separating force to the tip of the electrode 404 to urge the electrode 404 toward the cap 406 and the nozzle 408 so as to move away from the end. The elastic element 412 can also be part of the cartridge 400. The cartridge 400 may include a starting mechanism for contact to start the plasma arc torch during assembly into the torch.

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。 The swirl ring 402 can substantially extend along the longitudinal axis 410 of the electrode 404 over the length of the electrode 404. In some embodiments, the swirl ring 402 is manufactured by injection molding of a high temperature thermoplastic (eg, PAI, PEI, PTFE, PEEK, PEKPEKK, etc.). Manufacturing swirl rings using thermoplastics can reduce the cost of cartridges compared to Vespel®, a relatively expensive material that has been used to manufacture swirl rings. Thermoplastics are known to have a lower operating temperature than Vespel® (thermosetting resin) and can affect swirl ring completeness and electrode life. However, the cartridge design of the present technology provides various reinforced additives that provide the desired thermal resistance and / or thermal conductivity (eg, glass fiber, minerals, boron nitride (BN), and / or cubic boron nitride). A swirl ring made from a thermoplastic resin having can be incorporated. The cartridge design of this technology solves the problem of high temperature performance and allows the effective use of thermoplastics in these cartridges. This is because (1) the thermoplastic has sufficient heat resistance and (2) the cartridge design with proper incorporation of the thermoplastic prevents the thermoplastic from being exposed to excessive temperature during operation. Because it can be done. Moreover, if the electrodes experience end-of-life events (which are also the life of the cartridge), simultaneous melting of the plastic material is not an issue.

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。 The end cap 406 can be made of a conductive material such as copper. The end cap 406 can be inexpensively formed via stamping from a material blank and can be non-removably inserted, press fit or overmolded onto the cartridge 400. The end cap 406 includes an elastic element 412 in the cartridge 400 so that the elastic element 412 applies a separating force to the tip of the electrode 404 to urge the electrode 404 toward the nozzle 408. The 406 is configured to compress the elastic element 412 against the tip of the electrode 404. In some embodiments, the end cap 406 may be formed to fit and engage with a patterned torch head and / or may include a set of fluid flow holes formed through it.

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。 In some embodiments, a non-releaseable snap-fit interface 414 is formed between the swirl ring 402 and the nozzle 408 to connect the two consumable parts together as part of the cartridge 400. In addition, a second snap-fit interface 416 can be formed between the swirl ring 402 and the end cap 406 to connect the two consumable parts together as part of the cartridge 400. Other manufacturing and assembly options are available and feasible. For example, the swirl ring 402 can be overmolded onto the end cap 406. Also, the end cap 406 can be encapsulated by a swirl ring 402 and an elastic element 412 (eg, a spring), and the end cap 406 can be moved within the cartridge 400.

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。 FIG. 4B shows another exemplary cartridge design 450. As shown, the cartridge 450 includes a swirl ring 452, an end cap 456, a nozzle 458, and an electrode 454. In some embodiments, the cartridge 450 comprises an elastic element 462 that functions similarly to the elastic element 412 of FIG. 4A. The cartridges of FIGS. 4A and 4B have different electrodes (eg, heat exchanger flanges of different sizes, circumferential flanges for uniform flow), different nozzles (eg, different swirl ring attachments), and different swirl rings (eg, different swirl rings). Has different swirl holes and attachments). In the cartridge design 450 of FIG. 4B, the interface 464 is formed when the swirl ring 452 is inserted in place with respect to the nozzle 458. Another interface 466 may be formed between the swirl ring 452 and the end cap 456.

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。 FIG. 5 shows another exemplary cartridge design 500. As shown, the cartridge 500 includes a swirl ring 502, a sleeve 514, an end cap 506, a nozzle 508, and an electrode 504. In some embodiments, the cartridge 500 comprises an elastic element 512 that functions similarly to the elastic element 512 of FIG. 4A. The sleeve 514 and / or the end cap 506 can be made from a conductive material (eg, copper) using a stamping method. The sleeve 514 can be press fit or overmolded into the cartridge 500. The end cap 506 can be part of the sleeve 514. Therefore, the sleeve 514 and the end cap 506 can be configured as a single component.

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。 As shown, the swirl ring 502 can be relatively short compared to the swirl ring 402 so that the swirl ring 502 extends only along a portion of the length of the electrode 504 at the longitudinal axis 510. .. Like the swirl ring 402, the swirl ring 502 can be manufactured by injection molding of a high temperature thermoplastic (eg, Torlon®). A snap-fit interface 520 can be formed between the swirl ring 502 and the nozzle 508 to connect the two consumable parts together as part of the cartridge 500. Another snap-fit interface 518 can be formed between the swirl ring 502 and the sleeve 514 to connect the two consumable parts together as part of the cartridge 500. Alternatively, the swirl ring 502 can be overmolded onto the sleeve 514.

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。 There are many advantages associated with using cartridges in plasma arc torches. First, such a design improves usability through rapid change capabilities, short setup times, and end-user consumable selection. In addition, since a series of consumables are replaced at once when the cartridge is replaced, consistent cutting performance can be obtained. In contrast, performance fluctuations occur when multiple parts are individually modified at different times. For example, long-term reuse of the same swirl ring can change dimensions with each blowout, so regular replacement of all other parts will change the quality of performance. In addition, the cost of manufacturing and / or installing the cartridge is lower than the total cost of the consumable set, so the cost of changing the cartridge is lower than the cost of changing the consumable set. In addition, various cartridges can be designed to optimize torch operation for various applications such as marking, cutting and maintaining long life.

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。 Although the invention has been specifically shown and described with reference to certain preferred embodiments, those skilled in the art will not deviate from the spirit and scope of the invention as defined by the following claims. It should be understood that various changes in form and detail can be made within.

Claims (16)

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。
A frame for a single replaceable consumable cartridge configured to be installed on a plasma arc torch.
It comprises a hollow body adapted to receive a translationally movable contact initiation electrode, the body having an inner surface and an outer surface, which body is:
With a substantially cylindrical metal core,
An electrically insulating overmolded plastic casing that at least substantially surrounds the tip of the substantially cylindrical metal core.
It has a set of flow paths that fluidly connect the outer surface of the hollow body and the inner surface of the hollow body, and the flow paths are offset to impart a swirling fluid flow pattern to the passing plasma gas. The frame that has been.
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1に記載のフレーム。 The frame of claim 1, wherein the substantially cylindrical metal core is formed by stamping. 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。 The frame of claim 1, wherein the substantially cylindrical metal core is made of brass. 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。 The frame of claim 1, wherein the substantially cylindrical metal core comprises an anodized portion. 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。 The frame according to claim 1, wherein each flow path in the set of flow paths is offset in the radial direction from the other flow paths. 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。 The frame of claim 1, wherein the flow path has a total cross-sectional area of about 6.5 square centimeters. 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。 The frame according to claim 1, wherein the first end of the frame is configured to connect to a nozzle. 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7に記載のフレーム。 7. The frame of claim 7, wherein the set of channels extends into an additional component that is non-removably attached to the front of the nozzle. 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。
A method of cooling a plasma arc torch,
To provide a composite consumable with a frame defining a plurality of holes, the composite consumable has an integrated component including electrodes, nozzles and shields, wherein the holes are the outer surface of the frame and said. Fluidly connected to the inner surface of the frame, the holes are offset to impart a swirling fluid flow pattern to the passing plasma gas, providing.
Installing the compound consumables on the plasma arc torch and
A cooling fluid forming a fluid flow pattern that cools at least one of the electrode, the nozzle, or the shield is flowed through the plurality of holes.
The frame is adapted to receive a collimable contact initiation electrode and is (i) around a substantially cylindrical metal core and (ii) around the tip of the substantially cylindrical metal core. A method that includes an electrically insulating overmolded plastic casing that surrounds at least substantially.
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9に記載の方法。 9. The method of claim 9, wherein the substantially cylindrical metal core is formed by stamping. 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9に記載の方法。 9. The method of claim 9, wherein the substantially cylindrical metal core is made of brass. 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9に記載の方法。 9. The method of claim 9, wherein the substantially cylindrical metal core comprises an anodized portion. 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9に記載の方法。 The method of claim 9, wherein each of the plurality of holes is offset radially from the other holes. 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9に記載の方法。 The method of claim 9, wherein the hole has a total cross-sectional area of about 6.5 square centimeters. 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9に記載の方法。 9. The method of claim 9, wherein the first end of the frame is configured to connect to the shield via a shield insulator, the shield being thermally coupled to the frame. 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。
A method of manufacturing a single replaceable consumable cartridge configured to be installed in a plasma arc torch.
To provide a hollow body adapted to receive a translationally movable contact initiation electrode, the body having an inner surface and an outer surface, the body comprising a substantially cylindrical metal core. To provide and
By overmolding an electrically insulating plastic casing, the electrically insulating plastic casing at least substantially surrounds the tip of the substantially cylindrical metal core. To do and
To provide a set of flow paths that fluidly connect the outer surface of the hollow body to the inner surface of the hollow body, the flow path imparting a swirling fluid flow pattern to the passing plasma gas. How to provide and provide, which is offset so that.
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