气体冷却的等离子体电弧割炬的制作方法

专利名称：气体冷却的等离子体电弧割炬的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及材料切割和等离子体电弧割炬。更具体地，本发明涉及用 于提高等离子体电弧割炬的性能和平均寿命以及割炬耐用性的设计和冷却技 术。
背景技术：
接触起动式等离子体电弧割炬一般不需要割炬在等离子体起弧时接触由 割炬切割或焊接的金属工件。接触起动式等离子体割炬可包括"回暴"割炬技
术，该技术记载在美国专利No. 4,791,268和美国专利No. 4,902,871中，其
内容全部援引包含于此作为参考。接触起动式等离子体割炬可包括能够在 弹簧和与弹簧相反方向的气动力的作用下在割炬本体内轴线移动的电极 (例如阴极)。气动力可作用于靠近例如割炬喷嘴的阳极的电极的下表面。 在割炬起动期间，电极和阳极之间的区域内的气压可积累至足以克服弹簧 作用举起电极的程度，这种分离点燃等离子体电弧。当停止切割且气流终 止时，弹簧将电极偏压至与喷嘴接触的位置并密封住喷嘴中的等离子体出 □。
使用"前暴"技术的的等离子体电弧割炬也记载在美国专利No. 5,994,663， 5,897,795和No. 5,841,095中，其内容也全部援引包含于此以供参考。所有 这些专利都转让给本发明的所有人Hypertherm, Inc. Hanover， NH。
在割炬操作中，割炬消耗品(例如电极、喷嘴和保护罩)暴露于高温。 可利用各种技术冷却割炬消耗品，例如利用注水冷却来冷却喷嘴和/或保护 罩、在电极中和/或喷嘴周围利用液体冷却或利用通风孔来冷却保护罩，这 记载于美国专利No. 5,132,512中，其内容也被全部援引包含于此并且该专 利被转让给本发明的所有人Hypertherm, Inc. Hanover， NH。用于改进等离子体电弧割炬的其它领域涉及等离子体电弧割炬的冷却 消耗品(例如电极、喷嘴和保护罩)。冷却能力己成为与等离子体电弧割 炬相关的先前设计的限制因素。例如，先前设计已要求对工作在高电流水
平(例如100或200安培或更多)的割炬使用并非或另行包括气体的冷却 介质(例如冷水或液体)。
不幸的是，这些冷却方法中的大多数需要位于割炬外部的冷却系统(例 如可包括供水系统、蓄水池、热交换设备、供给泵等)。外部冷却系统会 增加相关的设备费用、会需要更多维护、容易受外泄的影响，并且在一些 情形下需要丢弃冷却介质。对于较高的电流系统来说，冷却等离子体电弧 割炬的问题加剧，这是因为较高电流系统会产生更多热量并具有更大的冷 却需要。实际上，可从市场上购得的工作在约100安培以上的等离子体电 弧割炬切割系统利用使用液体制冷剂(例如水或乙二醇)的冷却系统。然 而，如上所述，这些系统都有与该系统相关的成本和维护的问题。
因此，本发明的一个目的是为等离子体电弧割炬提供一种能够避免这 些缺陷的冷却系统、工艺和相关构件。
发明概述
本发明在有效工作而不需要液体冷却的等离子体电弧割炬中使用新的气 体冷却割炬消耗品来克服来自先前设计的这些问题。在一些实施例中，气体冷 却的等离子体电弧割炬是高电流等离子体电弧割炬。在一个方面，本发明的特 征表现为一种等离子体电弧割炬，该割炬具有能够容纳电极的基本中空本体。 喷嘴包括本体和设置在本体一端的孔。喷嘴也可包括由设置在本体外表面周围 的至少一个翼片界定的冷却气流通道，该本体提供在割炬工作期间在本体和冷
却气流通道之间传热的导热路径。
在另一方面，本发明的特征表现为能够保护喷嘴的等离子体电弧割炬的保 护罩。该保护罩包括本体和在本体一端的孔。保护罩还可包括由设置在本体外
表面周围的至少一个翼片界定的冷却气流通道，该本体提供在割炬工作期间在 本体和冷却气流通道之间传热的导热路径。在又一方面，本发明的特征表现为等离子体电弧割炬的电极。该电极包括 狭长的电极本体和设置在电极本体的远端的高热电子发射率材料。该电极还包 括在电极本体近端的内部电接触器，该内部电接触器表面被尺寸化为接纳外接 径向弹性元件。该电极可包括受外部气体冷却的表面，受外部气体冷却的表面 包括由翼片界定的冷却气流通道，该受外部气体冷却的表面设置在内部电接触 器表面的相对侧。电极可包括在内部电接触器表面和受气体冷却表面之间的壁 厚，该壁厚的尺寸被设计成能在割炬操作期间将足够的热量传给冷却气流通 道。
在另一方面，本发明的特征表现为包含割炬本体的等离子体电弧割炬，该 割炬本体包括用于将等离子体气体引至其中形成等离子体电弧的等离子体腔 室的等离子体气流路径。等离子体电弧割炬也可包括相对于割炬本体的第一段 设置的电极，该电极包括电接触器装置和在割炬工作期间传导来自电极的热量 的冷却装置。
在又一方面，本发明的特征表现为一种等离子体电弧割炬系统，该系统包 括割炬本体，所述割炬本体包括用于将等离子体气体引至其中形成等离子体 电弧的等离子体腔室的等离子体气流路径；以及电极，所述电极相对于割炬本 体的近端设置。等离子体电弧割炬系统也可包括在割炬本体远端相对于电极设 置以界定等离子体腔室的喷嘴。该喷嘴可包括基本中空的导热本体以及通过设 置在本体的外表面周围的至少一个翼片界定的冷却气流通道，该本体提供在割
炬工作期间在喷嘴和冷却气流通道之间传热的导热路径。等离子体电弧割炬系
统还可包括在割炬本体远端相对于喷嘴设置的保护罩。该保护罩可包括基本中 空的导热本体以及通过设置在本体的外表面周围的至少一个翼片界定的冷却
气流通道，该本体提供在割炬工作期间在保护罩和冷却气流通道之间传热的导 热路径。
在另一方面，本发明的特征表现为延长等离子体电弧割炬的寿命的方法。 该方法可包括提供割炬本体，该割炬本体包括用于将等离子体气体通过涡流环 引至其中形成等离子体电弧的等离子体腔室的等离子气流路径。该方法可包括 提供如上所述在割炬本体远端相对于电极安装以界定等离子体腔室的喷嘴。该方法可包括使等离子体电弧电弧割炬工作在至少约100安培的安培数水平。
在又一方面，本发明的特征表现为延长等离子体电弧割炬的寿命的方法。 该方法可包括提供一割炬本体，该割炬本体包括用于将等离子体气体引至其中
形成等离子体电弧的等离子体腔室的等离子体气流路径。该方法可包括提供 相对于电极安装在割炬本体远端以界定等离子体腔室的喷嘴，并如上所述在割 炬本体的远端与喷嘴呈间隔关系地提供保护罩。该方法还可包括使等离子体电
弧割炬工作在至少约100安培的安培数水平下。
在其它示例中，上述任何方面或本文所述的任何装置或方法可包括在下面 实施例中记载的一个或多个下列特征。
在一些实施例中，喷嘴的本体包括含至少一个端口的凸缘。该端口可配置 成在割炬工作期间使凸缘和冷却气流通道之间的至少一部分冷却气流通过。在 一些实施例中，冷却气流通道可包括设置在喷嘴本体的外表面上的螺旋槽。在 一些实施例中，冷却气流通道可由一个以上的气源供气。冷却气流通道可包括 尺寸设计成在割炬工作期间建立从喷嘴至冷却气流通道的充分热传递的宽、高 和长。在一些实施例中，喷嘴的本体可基本上是圆柱形的。
在一些实施例中，保护罩的高度至少为本体直径的一半。在一些实施例中， 冷却气流通道包括设置在保护罩本体的外表面上的螺旋槽。在一些实施例中， 保护罩还包括含至少一个端口的凸缘，所述端口配置成在割炬工作期间使凸缘 和冷却气流通道之间的一部分冷却气流通过。在一些实施例中，冷却气流通道 由一个以上的气源提供。在一些实施例中，冷却气流通道包括尺寸设计成在割 炬工作期间建立从喷嘴至冷却气流通道的充分热传递的宽、高和长。
在一些实施例中，保护罩可包括中央纵轴线。保护罩的内表面可部分界定 保护气流通道。在一些实施例中，保护罩包括偏心于保护罩的中央纵轴线的泄 放端口，该端口形成与保护罩气流的涡流运动相反的排出流，由此衰减排出保 护罩的排出孔的保护气流的涡流运动。
内部电接触器表面可包括将外接径向弹簧元件保持在至少部分地由内部 电接触器表面界定的孔中。在一些实施例中，电极包括尺寸设计成使外接径向 弹簧元件居中的内部电接触器表面。内部电接触器表面的直径与内部电接触器表面的长度之比可小于约2/3。在一些实施例中，内部电接触器表面具有不超 过内部接触表面的直径的大约三倍的长度。在一个实施例中，该长度将近为0. 6 _0. 8英寸且该直径将近0. 3英寸。
在一些实施例中，冷却气流通道包括设置在电极的外表面上的螺旋槽。在 一些实施例中，冷却气流通道可由一个以上的气源供气。在一些实施例中，冷 却气流通道包括尺寸设计成建立在割炬工作期间可建立从电极至冷却气流通 道的充分热传递的压力降的宽、高和长。
在一些实施例中，电极包括内部电接触器表面，该表面通过冷却气流导热 地冷却。当安装在割炬时，电极的内部电接触器表面可反作用于外接径向弹簧 元件。在一些实施例中，外接径向弹簧元件通过直径压配附连于割炬。在一些 实施例中，冷却气流通道被尺寸化为提供足够量的压力降以克服内部电接触器 表面和外接径向弹簧元件之间的纵向摩擦阻力。
在一些实施例中，内部电接触器表面包括外接径向弹簧元件，当安装在割 炬时，该外接径向弹簧元件反作用于割炬的电接触器表面。在一些实施例中， 冷却气流通道被尺寸化为提供足够量的压力降以克服割炬的电接触器表面和 外接径向弹簧元件之间的纵向摩擦阻力。该外接径向弹簧元件可通过直径压配 附连于内部电接触器表面。
在一些实施例中， 一种用于延长等离子体电弧割炬寿命的方法包括提供 割炬本体，该割炬本体包括用于将等离子体气体通过涡流环引至其中形成等离
子体电弧的等离子体腔室的等离子气流路径。该方法可包括提供相对于电极
安装在割炬本体远端以界定等离子体腔室的喷嘴，该喷嘴可包括上述任何方面
和/或实施例。该方法还可包括使等离子体电弧割炬工作在至少约100安培的 安培数水平。
在一些实施例中， 一种用于延长等离子体电弧割炬寿命的方法包括提供
割炬本体，该割炬本体包括用于将等离子体气体引至其中形成等离子体电弧的
等离子体腔室的等离子气流路径。该方法可包括提供相对于电极安装在割炬 本体远端以界定等离子体腔室的喷嘴并提供保护罩，该保护罩可包括在割炬本 体的远端与喷嘴呈间隔关系提供的上述任何方面和/或实施例。该方法还可包括使等离子体电弧割炬工作在至少约100安培的安培数水平。
在一些实施例中，等离子体电弧割炬包括相对于电极在割炬本体的第二端 设置以界定等离子体腔室的喷嘴，该喷嘴包括在割炬工作期间传导来自喷嘴的 热量的冷却装置。在一些实施例中，等离子体电弧割炬包括相对于喷嘴设置在 割炬本体的第二端的保护罩，该保护罩包括在割炬工作期间传导来自喷嘴的热
量的冷却装置。
本发明的其它方面和优点可从下面的附图和说明中看出，所有附图仅以示 例方式示出本发明的原理。
附图简述
本发明上述优点以及其它优点可通过结合附图参照下面的说明而变得更 为易懂。附图不一定以比例绘出，而是通常以突出方式表示以示出本发明的原 理。
下面的附图示出气体冷却的等离子体电弧割炬的不同实施例的不同部件。 等离子体电弧割炬的不同部件(例如电极、喷嘴、保护罩、割炬本体、涡流环 等)可基于割炬中的气流(例如冷却气流、等离子体气流)而设计。例如，喷 嘴、保护罩、电极、割炬本体或其任意组合可由冷却气流冷却。等离子体电弧 割炬的涡流环可设计成产生涡流状等离子体气流以帮助稳定等离子体电弧或 在等离子体腔室或冷却气流通道中产生最佳等离子体气压。下面的附图还示出 在等离子体电弧割炬的不同实施例中的冷却气体、驱动气体和/或等离子体气 流。附图还示出能够用于受气体冷却的割炬的不同密封组件。


图1是根据示例性实施例的等离子体电弧割炬的剖视图。
图2是根据示例性实施例的冷却气流通道的示意图。 图3是根据另一示例性实施例的等离子体电弧割炬的消耗品的组装的截 面图。
图4A是根据一示例性实施例的等离子体电弧割炬的电极的三维示图。 图4B是图4A的电极的横截面图。
图4C是根据一示例性实施例的与外接径向弹簧元件连通的图4A的电极的横截面图。
图5A是根据一示例性实施例的等离子体电弧割炬的三维示图。 图5B是图5A的喷嘴的横截面图。
图6A是根据一示例性实施例的等离子体电弧割炬的保护罩的三维示图。 图6B是图6A的保护罩的横截面图。
图7是根据一示例性实施例的等离子体电弧割炬的喷嘴和保护罩组件的 三维示图。
图8A是根据一示例性实施例的等离子体电弧割炬的涡流环的三维示图。 图8B是图8A的涡流环的横截面图。
图9是根据一示例性实施例的等离子体电弧割炬的涡流环的等离子体气 流扼流器的截面图。
图10A是根据一示例性实施例的等离子体电弧割炬的涡流环和电极组件 的截面图。
图IOB是图IOA的涡流环和电极组件的另一示图。
图10C是根据一示例性实施例的与等离子体电弧割炬的喷嘴、保护罩和电 极连通的图10A的涡流环的示图。
图IOD是根据一示例性实施例的图IOA的涡流环相对于等离子体电弧割炬 的另一示图。
图11A是根据另一示例性实施例的等离子体电弧割炬的涡流环的剖视图。
图IIB是图IIA的涡流环的横截面图。
图IIC是图IIA的涡流环显示端口和密封组件的横截面图。
图11D是图11A的涡流环的等轴立体图。
图11E是示出来自图11A-11D的涡流环的气流的示图。
图12A是根据一示例性实施例的等离子体电弧割炬的保持帽的三维示图。
图12B是图12A的保持帽的横截面图。
图13A是根据一示例性实施例的流过等离子体电弧割炬的冷却气体和驱 动气体的示意图。
图13B是根据一示例性实施例的图13A的等离子体电弧割炬的等轴立体图。
图13C是根据一示例性实施例的流过等离子体电弧割炬的等离子体气体
的示意图。
图14是根据一示例性实施例的涡流环的密封组件的示意图。 图15是根据另一示例性实施例的涡流环的密封组件的示意图。
发明详述
图1是等离子体电弧割炬的剖视图。等离子体电弧割炬100可包括例如割 炬本体105、电极110、喷嘴115、保护罩120、涡流环125和保持帽130之类 的部件。割炬本体105可包括用于将等离子体气体引至其中形成等离子体电弧 的等离子体腔室的等离子体气流路径。电极110可相对于割炬本体105的近端 设置。喷嘴115可相对于电极110设置在割炬本体105的远端，而界定等离子 体腔室。保护罩120可相对于喷嘴115设置在割炬本体105的远端。等离子体 电弧割炬可包括环形端子135和帽式传感器开关140。
在一些实施例中，割炬头145的最大直径小于约1.2英寸。在一些实施例 中，割炬包括半透明的割炬套。帽式传感器开关140可以是指示保持帽130是 否已固接于割炬105的本体的安全特征。在一些实施例中，帽式传感器开关140 是RoHS (危险物质指示限制)兼容的。在一些实施例中，等离子体电弧割炬 IOO包括连接于割炬本体105的电力环形端子135。当保持帽130已固接于割 炬105的本体时，电力环形端子135允许电流流过。
在一些实施例中，主电力连接是螺栓连接于割炬头的环形端子135并且与 电极110的电连接是用外接径向弹簧元件150来制成的。外接径向弹簧元件150 可以是市场上购得的LOUVERTAC高电流电接触器。在一些实施例中，如 之前的接触起动割炬设计那样，主电力连接不轴向移动。等离子体电弧割 炬100可以是包括固定的内部割炬本体105的接触起弧等离子体割炬。在 一些实施例中，等离子体电弧割炬包括可更换的、固定在位的外接径向弹 簧元件150 (例如LOUVERTAC电接触器)以及具有弹性回程的气压驱动 电极。电极110可相对于固定的外接径向元件150 (例如LOUVERTAC接 触器)移动，导致每次驱动割炬时外接径向元件150在电极110上的擦拭动作。电极驱动可藉由气体压力来实现，而所述电极回程可藉由固定于割
炬本体105的推杆155和弹簧160来实现。当撤去气压时，弹簧160可使 电极110返回到喷嘴115上的初始位置。
在一些实施例中，等离子体电弧割炬100是高电流、基本气体冷却的(例 如无需液体制冷剂的冷却)的等离子体电弧割炬。等离子体电弧割炬100可以 是空气冷却的割炬。气体也可包括多种其它比例的氧气或氮气。在一些实施例 中，喷嘴115、保护罩120、电极110、割炬本体105或其任意组合包括由至少 一个翼片界定的冷却气流通道165A-165D。在一些实施例中，冷却气流通道 165A—165D是由螺旋槽翼片界定的螺旋槽热交换器。保护罩120可包括基本 中空的导热本体以及由设置在本体外表面周围的至少一个翼片界定的冷却气 流通道165A，该本体提供一导热路径，该导热路径在割炬100工作过程中在 保护罩120至冷却气流通道165A之间传热。保护罩120可包括涡流减速通风 口 (未示出)。喷嘴U5可包括基本中空的导热本体和由设置在本体外表面周 围的至少一个翼片界定的冷却气流通道165B，该本体提供一导热路径，该导 热路径在割炬工作过程中在喷嘴至冷却气流通道之间传热。等离子体电弧割炬 100可包括在电极110上的外部冷却气流通道165C附近的内部电接触器表面 170 (例如电极LOUVERTAC连接器)。割炬本体105可包括至少一个螺旋 槽冷却翼片165D和电极回程柱塞155以及弹簧160。
涡流环125也允许割炬中的等离子体气流与冷却/驱动气流的隔离，包括 不同的气密技术。还可包括这些气流的外部隔离。涡流环125可绝缘并受保护 而不受物理变形的影响。
在一些实施例中，等离子体电弧割炬的"消耗品"部分(例如喷嘴115、 保护罩12-、电极110等)通过保持帽130保持在位。保持帽130可具有电绝 缘并接触保护罩120的远端部分。在一些实施例中，保持帽130包括接触喷嘴 和螺纹部分的电绝缘部分。喷嘴接触部分和螺纹部分可通过电绝缘的衬套部来 保持和对齐。保持帽130可包括相对于远端部设置的凸缘175，在该远端部， 凸缘175可牢固地将消耗品(例如喷嘴115、保护罩120等)夹紧在割炬本体 105上。凸缘175的内表面可设置在喷嘴115和保护罩120组件上的冷却气流 通道165A—B (例如螺旋槽流体通道)附近。在一些实施例中，凸缘175的内表面与流过喷嘴115和保护罩120组件中的冷却气流通道165A-B的冷却气体 接触。在一些实施例中，在通道165A-B中流动的冷却气体在喷嘴115和/或保 护罩120两边产生压力降，使喷嘴115和/或保护罩120冷却。在该实施例中， 流过割炬的气体(例如冷却气体)的压力降相对于割炬115和/或保护罩120 的冷却气流通道165A-B设置，而之前的设计包括相对于等离子体电弧割炬的 保持帽的压力降(例如参见No. 6,084,199美国专利，其内容全部援引包含于 此并转让给本发明所有人的Hypertherm, Inc. Hanover, NH)。
图2是根据一示例性实施例的冷却气流通道165的示意图。冷却气流通道 165可由至少一个翼片180来界定。在一些实施例中，消耗品(例如喷嘴115、 保护罩120、电极110或其组合)可包括冷却气流通道165。在一些实施例中， 割炬本体也可包括冷却气流通道165。冷却气流通道165可包括尺寸化为在割 炬工作期间建立从消耗品至冷却气流通道165的充分传热以防止消耗品出故障 的宽度185、高度190和长度195。在该实施例中，冷却气流通道165由翼片 180界定并且是螺旋槽热交换器，其中冷却气流通道165的长度195就是螺旋 槽的长度。
界定冷却气流通道的翼片180可具有大于宽度185的高度190。在一些实 施例中，高度190基本大于一半的宽度185。翼片能引导和/或迫使较多量的气 体流入通道并允许较少量的气体流过翼片180。长而且薄的翼片形状可提供有 利的传热特性，例如高传热能力。实施例包括相邻翼片之间的距离明显大于翼 片的厚度的配置，例如翼片之间的间隔是翼片的厚度的两倍、五倍或更多倍。
在一些实施例中，割炬本体的消耗品包括导热本体200，其中冷却气流通 道设置在导热本体200的外表面201周围。导热本体200的外表面201可由翼 片180的底部界定。导热本体200可具有足以提供在割炬工作期间将足够的热 量从导热本体200传至冷却气流通道165的导热路径的壁厚205，以防止在割 炬工作期间消耗品或割炬本体的故障。
冷却气流通道165可配置成在割炬工作期间防止消耗品出故障并延长消 耗品的寿命。随着冷却气体流过通道165，气体的速率降低(即通道165入口 处的气流速率大于通道165出口处的气流速率)。 一般来说，较低的气流速率 意味着冷却能力提高，同样，较高的气流速率意味着冷却性能降低。一种适于减小气流速率的方法是增加气流的压力(即增加消耗品两边的压 力降)。在一些实施例中，由于等离子体电弧割炬的不同构件需要不同的最佳 压力工作条件，因此可对割炬的不同部分采用一个以上的气源。
在一些实施例中，可对等离子体电弧割炬使用一个气源，限制等离子体电
弧割炬的消耗品两边的压力降。例如，喷嘴115和/或保护罩120能够适用于比 等离子体腔室内的压力(例如60psig)更高压力的气源(例如120—150psig)。 对于仅使用一个气源的实施例，在喷嘴115和/或保护罩120两边获得的压力降 会因此受到限制。申请人知道，较低的供气压力导致冷却气体和导热表面之间 较低的传热系数(例如相比在例如150psig的较高压力下的气源的1/3的传热 系数)。然而，申请人已确定，冷却气流通道165可配置成提供来自消耗品和 /或割炬本体的导热壁200的充分传热以防止在割炬工作期间出故障。之前，存 在压力降和表面积配置能仅通过气体冷却(例如空气冷却)来防止消耗品在割 炬工作期间出故障是不为人知的。
在供气压力被预先确定或不需要被控制或增加的实施例中，冷却气流通道 165也可被设计/配置成补偿气流速率的减小，同时对预先确定的气流压力作出 补偿。冷却气流通道165可设计成增加与冷却气流接触的表面积，由此补偿较 低的传热系数同时仍旧提供消耗品和/或割炬本体的充分冷却以防止在割炬工 作期间出故障。在一些实施例中，冷却气流通道165由翼片180界定，所述翼 片180是螺旋形的、环绕在导热本体200周围超过360。，它也可延伸以形成 螺旋槽。在一些实施例中，例如螺旋槽引导冷却气体在导热本体200周围流动 或旋转一次或多次(例如产生非轴向的、与气流相切的分量和/或迫使气体同心 地在导热本体200周围流动)。在一些实施例中，气流在导热本体200周围周 向地流动。
图3是根据另一示例性实施例的等离子体电弧割炬的消耗品(例如电极 110、喷嘴115和保护罩120)的组装的截面图。界定冷却气流通道165A-C的 至少一个翼片180A-C可相对于喷嘴115、保护罩120、电极IIO或其任意组合 设置。在一些实施例中，界定冷却气流通道165A-C的至少一个翼片180A-C 可以是具有很大传热面积的、可提高冷却喷嘴115、保护罩120、电极IIO、割 炬本体105或其组合的能力的冷却翼片。在一些实施例中，喷嘴115和保护罩120通过绝缘部分210彼此电绝缘，所述绝缘部分210由电绝缘材料构成。
电极110可包括本体215和由设置在本体215外表面上的至少一个翼片 180c界定的冷却气流通道165C。电极110可包括适于与外接径向弹簧元件(例 如LOUVERTAC电接触器)相互作用的内部电接触表面170。在一些实施例 中，冷却气流通道165C由至少一个翼片180C界定，该翼片180C可以是螺旋 槽冷却翼片。在一些实施例中，冷却气流通道165C设置在电极本体215的外 表面且电接触表面170设置在内表面上，由此实现电接触表面170的直接冷却。 在一些实施例中，电极本体215包括圆柱形电极本体，该圆柱形电极本体包括 相对于外圆柱表面设置的螺旋槽冷却翼片以及在内圆柱面上的冷却翼片附近 的电极电流接触区。
等离子体电弧割炬的喷嘴115可包括由至少一个翼片180B界定的冷却气 流通道165B。喷嘴115可以是在其外表面(例如圆柱面)上包括至少一个螺 旋槽冷却翼片的螺旋槽喷嘴。在一些实施例中，喷嘴115包括与割炬本体形成
电接触并与之对齐的多孔凸缘区216。
保护罩120可相对于等离子体电弧割炬的喷嘴115设置。在一些实施例中， 保护罩120是在外表面(例如圆柱面)上包括至少一个螺旋槽冷却翼片的螺旋 槽保护罩。在一些实施例中，喷嘴115是螺旋槽喷嘴115而保护罩120是由具 有流量计测端口的电绝缘部分210分隔的螺旋槽保护罩。在一些实施例中，在 喷嘴115和保护罩120之间不设有绝缘部分210，且调整/设计喷嘴115和保护 罩210之间的间隙以使流过冷却气流通道165B的气体流过通道165B并聚集 在翼片180B的末梢。流过翼片180B上的气体可在气流中产生涡流，并增强 喷嘴115和保护罩120的冷却。在一些实施例中，设置在喷嘴115外表面上并 界定冷却气流通道165B的翼片180B面向保护罩120的内表面。在一些实施 例中，保护罩120的内表面具有翼片(未示出)或与喷嘴115上的翼片180B 交错或面向翼片180B的特征(未示出)。
在一些实施例中，保护罩120包括形成与保护气流的涡流运动相反的排出 流的端口 217，由此衰减从保护罩120的孔220排出的保护气流的涡流运动。 保护罩120上的端口可抵消来自喷嘴115的涡流。端口217 (例如通风口)可 流过冷却气体(例如保护气体)，该冷却气体使喷嘴115冷却并在喷嘴115和保护罩120之间流动。冷却气体可通过沿设置在喷嘴115外表面上的冷却气流 通道165B (例如螺旋槽)而流动。这种来自冷却气体的涡流可从喷嘴115和 保护罩120带走热量。涡流可通过相对于保护罩120设置的端口 217部分地通 风。在一些实施例中，保护罩120上的端口217是沿周向偏心的。通过使端口 217周向偏心，可减缓冷却气流的涡流分量，使不排出端口的剩余气流(例如 非排出流)沿更为轴向的流动路径流动。不排出保护罩120的端口的剩余气流 可从形成"同轴"流(例如具有基本轴向流的流、具有最小或不具有涡流的流) 的等离子体孔225附近的喷嘴115排出。"同轴流"有益于产生高质量的金属 切割。
在一些实施例中，等离子体电弧割炬可包括产生一定量的涡流的涡流环 125，该量的涡流产生由排出保护罩120的"同轴"流扩散开的等离子体喷射。 涡流环125可包括偏心的端口 230和密封件235，它们以要求的涡流速率引导 流体。涡流环125能轴向"浮动"，消除了因夹紧力造成的变形的可能性。
流过等离子体电弧割炬的气体可通过一个或多个气源供给。在一些实施例 中，等离子体电弧割炬中的消耗品具有可比拟的压力降。等离子体电弧割炬中 的消耗品可具有共同的供气压力。例如，在一些实施例中，具有一个气源的等 离子体电弧割炬可具有将近60psi的压力降。在其它实施例中，割炬的不同构 件可能工作在不同的压力条件下。例如，等离子体电弧割炬具有针对电极的一 个气源压力以及针对供给喷嘴115和/或保护罩120的冷却气体的不同气源压 力。喷嘴115和/或保护罩120可适用于来自气源的压力降，例如120— 150psig， 而割炬中的其它消耗品(例如电极110、涡流环125)可适用于来自较低压力 的不同气源的压力降(例如60psig)。
等离子体电弧割炬中的消耗品(例如喷嘴115、保护罩120、电极110、 涡流环125等)可设计成适用和/或控制在割炬中流动的气体同时也适用于各消 耗品两边的压力降。例如，任何一个消耗品可包括冷却气流通道165A-D以使 用气流冷却消耗品并防止在割炬工作期间消耗品出故障。保护罩120可包括影 响排出等离子体电弧割炬的气体流动的端口。绝缘端口 210可设置在保护罩
120和喷嘴115之间以通过端口计测气流，从而影响气流的压力。涡流环125 可包括用于引导等离子体气流并影响割炬中流动的气体的压力降的端口或计测孔。涡流环125也可包括扼流部分(未示出)，这取决于等离子体气体的压 力。例如，如果来自气源的等离子体气体压力高于等离子体腔室中所要求的压 力水平，则涡流环可包括扼流部分(未示出)以影响涡流环125两边的压力降， 从而影响割炬的等离子体腔室中的压力。
图4A-4B是根据一示例性实施例的等离子体电弧割炬的电极110的三维 示图。电极110可包括狭长的电极本体215以及设置在电极本体245远端处的 高热电子发生率材料(例如电子发射元件)。电极110还包括在电极本体250 近端处的内部电接触表面170，该内部电接触表面170的尺寸被设计成接纳外 接径向弹簧元件150。电极110也可包括具有由翼片180C界定的冷却气流通 道165C的受外部气体冷却的表面，所述受外部气体冷却的表面与内部电接触 表面170相对地设置。内部电接触表面170和受气体冷却表面之间的壁厚255 可尺寸化以在割炬工作期间将充分的热量传至冷却气流通道165。在一些实施 例中，传递充分的热量以防止电极UO在割炬工作期间出故障。在一些实施例 中，电极110包括由导电材料(例如铜)制成的电极基底。
在一些实施例中，电极110包括电接触表面(例如电极电流接触表面)。 电接触表面可以是内部电接触表面170。电接触表面170可设置在电极的内表 面上并靠近界定冷却气流通道165C的翼片180C。冷却气流通道165C可设置 在电极215的本体的外表面，可通过设置在本体215的外表面上的至少一个翼 片180C界定(例如设置在外表面上的螺旋槽冷却翼片)。在一些实施例中， 冷却气流通道165C包括设置在电极110的外表面上的螺旋槽。流过冷却气流 通道165C的气体可沿朝向电极本体250的近端的方向流动。在一些实施例中， 电极110具有圆柱本体且螺旋槽冷却翼片紧挨着内圆柱面上的至少一个冷却翼 片设置在外圆柱面上。在一些实施例中，冷却气流通道165可由一个以上的气 源供气。
冷却气流通道165C可包括尺寸化以建立足以在割炬工作期间从电极110 至冷却气流通道165C充分传热的压力降的宽度、高度和长度。在一些实施例 中，内部电接触表面170通过冷却气流导热地冷却。
图4C是接纳外接径向弹簧元件150的图4A-B的电极110的横截面图。 电接触表面170可以是用于电接触的界面。可形成电接触表面170以实现轴向滑动电接触。在一些实施例中，电接触可在电极电流接触表面170内自由地轴 向移动，同时与电接触表面170形成密切的电接触。电接触可以是外接径向弹 簧元件150 (例如可从TYCO公司商用购得的LOUVERTAC接触器)。在一 些实施例中，内部电接触表面170被尺寸化以使外接径向弹簧元件150居中。 内部电接触表面170可包括将外接径向弹簧元件150保持在至少部分地由内部 电接触表面170界定的孔中的特征(未示出)。内部电接触表面170的直径与 内部电接触表面170的长度之比可小于大约2/3。内部电接触表面170的长度 可不超过内部电接触表面170的直径的三倍。在一较佳实施例中，该长度为将 近0.6-0.8英寸且该直径为将近0.3英寸。在一些实施例中，电接触表面170可 设计和配置成插座(例如形成电接触表面的内圆柱表面至电极)或孔。
在一些实施例中，外接径向弹簧元件150可能需要将近3-6磅的力来使外 接径向弹簧元件150在电接触表面170上滑动。在一些实施例中，电极110具 有一外径，该外径被尺寸化以在施加气压时产生能够将电极IIO移动至工作位 置的力。在一些实施例中，该力足以克服电接触器150的阻力和回程弹性力。 阻力可产生自外接径向弹簧元件150 (例如牌号为LOUVERTAC)和割炬本体 或内部电接触表面170之间的摩擦力。克服阻力所需的压力可近似为40 — 80psi。由至少一个翼片180C界定的冷却气流通道165C可设置在内部电接触 表面170附近。冷却气流通道165C可设计成冷却内部电接触表面170同时例 如在引导起弧过程中克服外接径向弹簧元件150的摩擦阻力并相对于弹簧回程 (例如图1的弹簧160回程)平衡阻力。在一些实施例中，外接径向弹簧元件 150可附连于割炬本体上的引脚。在一些实施例中，割炬上的引脚可被冷却并 经由外接径向弹簧元件150将电流传递给电极110。
在该实施例中，当安装在割炬中时，内部电接触表面170反作用于外接径 向弹簧元件150。外接径向弹簧元件150可通过直径压配附连于割炬。在一些 实施例中，冷却气流通道165C被尺寸化以提供足以克服内部电接触表面170 和外接径向弹簧元件150之间的纵向摩擦阻力的一定量的压力降。
在一些实施例中，内部电接触表面170包括当安装在割炬时反作用于割炬 的电接触表面的外接径向弹簧元件。冷却气流通道165C可尺寸化以提供足以 克服内部割炬的电接触表面和相对于电极10的外接径向弹簧元件之间纵向摩擦阻力的一定量的压力降。外接径向弹簧元件可通过直径压配附连于内部电接 触表面。
图5A是根据一示例性实施例的等离子体电弧割炬的喷嘴115的三维示 图。图5B是图5A的喷嘴的横截面图。喷嘴115可由导电材料(例如铜)制 成。喷嘴115可具有能够接纳电极(例如图4A-C的电极)的基本中空本体260。 喷嘴115可包括本体260、设置在本体一端的孔265以及由设置在本体260外 表面周围的至少一个翼片180B界定的冷却气流通道165B。本体260可提供在 割炬工作期间在本体260和冷却气流通道165B之间传热的导热路径。在一些 实施例中，传递足够的热以防止喷嘴115在割炬工作期间出故障。
在一些实施例中，冷却气流通道165B包括设置在喷嘴115的本体260的 外表面上的螺旋槽。在一些实施例中，冷却气流通道165B可由一个以上的气 源供气。冷却气流通道165B可包括尺寸化以在割炬工作期间建立从喷嘴115 至冷却气流通道165B的充分传热的宽度、高度和长度。
在一些实施例中，喷嘴115可包括远端部分270 (例如前部)和近端部分 275 (例如后部)。孔265可设置在喷嘴的远端部分270的远端(例如前部的 前端)。在一些实施例中，喷嘴115包括至少一个翼片180B，翼片180B可以 是设置在喷嘴115的远端部分270的外表面上的一个螺旋冷却翼片。
喷嘴115也可包括相对于喷嘴115的近端部分275设置的凸缘280。凸缘 280可在表面285，上与割炬本体形成电接触并且还能在表面285'和285"上将喷 嘴115对齐于割炬本体。在一些实施例中，凸缘280包括多孔的凸缘区域。喷 嘴115的本体260可包括凸缘280，该凸缘280包括在割炬工作期间使凸缘280 和冷却气流通道165B之间的至少一部分冷却气流通过的至少一个端口 290。 在一些实施例中，端口 290 (例如穿孔)将冷却气体(例如空气)从割炬本体 引至喷嘴115的远端部分270。
在一些实施例中，喷嘴115的本体260基本为圆柱形(例如圆柱本体)且 螺旋槽冷却翼片被设置在外圆柱面上。在一些实施例中，螺旋槽冷却翼片被配 置成延伸过冷却表面同时保持槽的通道中的高速流动，提高喷嘴的冷却。冷却 气体的高速流动能产生相对高的传热系数，这增进了冷却。
延长等离子体电弧割炬的寿命的方法可包括提供一割炬本体105，该割炬本体105包括将等离子体气体通过涡流环125引至其中形成等离子体电弧的 等离子体腔室的等离子体气流路径；提供相对于电极(例如图4A-4C所示的电 极)安装在割炬本体105的远端以界定等离子体腔室的喷嘴115 (例如图1、 3 和5A-B所示的喷嘴)并使等离子体电弧割炬工作在至少约100安培的安培数 水平下。
图6A是根据一示例性实施例的等离子体电弧割炬的保护罩120的三维示 图。图6B是图6A的保护罩120的横截面图。保护罩120能够保护喷嘴并包 括本体290和设置在本体290端部处的孔295。保护罩120可包括由设置在本 体290的外表面周围的至少一个翼片180A界定的冷却气流通道165A，本体 290提供在割炬工作期间在本体290和冷却气流通道165A之间传热的导热路 径。在一些实施例中，传递足够的热量以防止保护罩120在割炬工作期间出故 障。
保护罩120可由导电材料(例如铜)制成。在一些实施例中，保护罩120 的高度295为本体290的直径300的至少一半。
冷却气流通道165A可包括尺寸化以在割炬工作期间建立从保护罩120至 冷却气流通道165A充分传热的宽度、高度和长度。在一些实施例中，冷却气 流通道165A可由一个以上的气源提供。在一些实施例中，冷却气流通道165A 包括设置在本体290外表面上的螺旋槽。在一些实施例中，保护罩120包括设 置在本体290外表面上的至少一个螺旋槽冷却翼片。在一些实施例中，保护罩 120基本呈圆柱形并在其外圆柱面上包括至少一个螺旋槽冷却翼片。
保护罩120也可包括含至少一个端口 310的凸缘305，所述端口 310配置 成在割炬工作期间使在凸缘305和冷却气流通道165A之间流动的冷却气流的 至少一部分通过。端口310可将冷却气体(例如空气)提供给保护罩120。在 一些实施例中，端口 310连接于割炬本体中的冷却气体增压区域。
保护罩120还包括使从喷嘴流出的冷却气体偏流的端口 315，所述喷嘴可 位于和/或配置成使从喷嘴流出的冷却气体相对于从喷嘴的小孔排出的等离子 体气流呈更为同轴的流。端口315 (例如泄放端口)可相对于保护罩120的远 端320设置。保护罩120可包括中央纵轴线325 (例如中心线)且保护罩120 的内表面可至少部分地界定保护罩气流通道和/或保护罩增压区330。保护罩120可包括偏心于保护罩120的中央纵轴线325的泄放端口 315，该泄放端口 315形成与保护罩气流的涡流运动相反的排出流，由此衰减从保护罩120的排 出孔295排出的保护罩气流的涡流运动。偏心的端口315可形成漩涡气流，该 漩涡气流与从喷嘴115的冷却气流通道165B (例如至少一个螺旋槽冷却翼片) 排出并流入保护罩增压区330的冷却气体的涡流分量相反。衰减来自喷嘴115 的冷却气流的涡流分量将导致使来自喷嘴115的冷却流相对于从喷嘴265的小 孔排出的等离子体气体更具同轴性。通过显著地衰减来自喷嘴115的冷却气流 的涡流分量，保护罩中的端口 315可提高等离子体电弧割炬的切割质量。
一种延长等离子体电弧割炬的寿命的方法可包括提供一割炬本体，该割 炬本体包括将等离子体气体引导至其中形成有等离子体电弧的等离子体腔室 的等离子体气流路径；以及提供一喷嘴(例如上面图5A-B所示的喷嘴)，该 喷嘴相对于电极(例如上面图4A-C所示的电极)安装在割炬本体的远端以界 定等离子体腔室。该方法还可包括在割炬本体的远端与喷嘴呈间隔关系地提供 保护罩120 (例如图6A-B所示)并使等离子体电弧割炬工作在至少约100安 培的安培数水平下。
图7是根据一示例性实施例的等离子体电弧割炬的喷嘴和保护罩组件的 三维示图。喷嘴可以是图5A和5B所示的喷嘴115且保护罩可以是图6A和 6B所示的保护罩120。在一些实施例中，保护罩120组装在绝缘衬套210上， 绝缘衬套210组装在喷嘴U5上。绝缘衬套210与来自喷嘴115的冷却气体的 气体端口电绝缘。绝缘衬套210可具有连接于割炬本体中的冷却气体增压区的 端口 335。在一些实施例中，保护罩120具有连接于割炬本体中相同或不同的 冷却气体增压区的端口 310。冷却气体可流过端口进入喷嘴115和保护罩120， 冷却气流通道165A-B。在一些实施例中，喷嘴115或保护罩120上的冷却气 流通道是螺旋冷却槽。
在一些实施例中，喷嘴115和保护罩120组件产生从喷嘴孔265排出的基 本同轴的同轴流体。在一些实施例中， 一部分来自喷嘴115的冷却气流340通 过保护罩120中的端口315 (例如偏心的迂回孔或端口)排出保护罩增压区。 来自喷嘴115的剩余冷却气流345和来自喷嘴265的小孔的等离子体气流350 可以基本同轴的方式从割炬排出。图8A是根据一示例性实施例的等离子体电弧割炬的涡流环125的三维示 图。图8B是图8A的涡流环的横截面图。涡流环125可包括密封组件355 (例 如密封O形环区域)并且还可包括端口 360 (例如偏心的涡流孔)。在一些实 施例中，端口 360产生有助于稳定等离子体电弧的涡流式等离子体气流。端口 360可相对于涡流环365的纵轴线和/或其它消耗品(例如电极、保护罩、喷嘴 等)的纵轴线偏心且其尺寸化为产生一定量和/或方向的涡流，该量和/或方向 的涡流产生由喷嘴冷却流的"同轴"流扩散开的等离子体喷射。
涡流环125也可包括密封组件355 (例如气封)，该密封组件355允许涡 流环轴向"浮动"，这能显著地消除因夹紧力引起变形的可能性。在一些实施 例中，涡流环125密封以使进入端口 360的流体或者经过相对于电极110设置 的冷却气流通道165B-C或经过喷嘴孔265。密封组件355可设置在涡流环125 的远端部分。在一些实施例中，密封组件355包括将涡流环125密封于喷嘴115 的0形环。在一些实施例中，密封组件355可通过将涡流环125密封于割炬本 体105的0形环设置在近端。涡流环125可沿轴向自由移动，由此避免因夹紧 力造成的变形。
图9是根据一示例性实施例的等离子体电弧割炬的涡流环125'的等离子 体气流扼流器的截面图。涡流环125'可包括本体370和等离子体气流扼流器 375。在一些实施例中，扼流器275具有凹口 (未示出)和至少一个端口 (未 示出)以计量等离子体气体的流量。在一些实施例中，等离子体气流扼流器375 包括密封组件355 (例如0形环)和扼流管部380。密封组件355可形成相对 于涡流环本体370内壁的气体密封。
涡流环本体370还可包括密封组件355和端口 360 (例如偏心的涡流孔)。 端口 360可形成帮助等离子体电弧的涡流等离子体气流。端口 360的直径可尺 寸化并相对于涡流环125'的纵轴线365和/或其它消耗品(例如电极、保护罩、 喷嘴等)的纵轴线偏心，从而产生具有一定量的涡流式等离子体气流，该量的 涡流式等离子体气流产生由来自喷嘴的冷却气流的"同轴"流扩散开的等离子 体喷射。
图10A是根据一示例性实施例的等离子体电弧割炬的涡流环和电极组件 的截面图。图10B是图10A的涡流环和电极组件的另一示图。电极可以是图6A和6B所示的电极110。在图10C和10D中示出涡流环125，与其它割炬消耗部 件和割炬本体的关系。涡流环本体370可以是气密的以使进入端口 (例如涡流 孔)的等离子体气流能分成两条流动路径。
在一些实施例中，来自电极385的冷却气流流过相对于电极IIO设置的冷 却气流通道165C。冷却气流通道165C可由至少一个翼片180C界定并且可以 是螺旋槽。涡流式等离子体气流390可流过电极IIO和涡流环125，的等离子体 气流扼流器375的扼流管部分380之间的扼流环形间隙395。在一些实施例中， 等离子体气流扼流器375可包括想要的特征(未示出)。如图IOD所示，在一 些实施例中，涡流环125不包括扼流部分。
在一些实施例中，涡流环125'通过涡流环125'远端部分395处的密封组件 355 (例如密封环)与密封组件355 (例如O形环)气密密封。涡流环125'也 可通过密封组件355 (例如O形环)在涡流环125'的近端400与割炬本体105 密封。涡流环125，可沿轴向自由移动，从本质上避免因夹紧力造成的变形。在 一些实施例中，涡流环125'包括扼流器375，其导致由等离子体气流3卯经历 的压力差。
在一些实施例中，由至少一个翼片界定的冷却气流通道165A-D (例如螺 旋槽热交换器)可设置在保护罩120、喷嘴115、电极110、割炬本体105或其 任何组合上。在一些实施例中，在冷却气流通道165A-D (例如热交换器)中 流动的冷却气体可与周围压力通风。为得到经过冷却气流通道165A-D的合需 流体，必需将上游压力设定在适当较高的水平以驱动流体。在一些实施例中， 上游压力已被限制在确定使等离子体电弧处于最佳工作状态的值。例如，典型 等离子体腔室压力可在40 — 70psig的范围内。40 — 70psig的上游压力将导致电 极110的次优冷却流体通道设计，这将导致冷却气流通道165C两边相对高的 体积流量和低压力降。为了提高冷却气流通道165C的性能，可使用大表面积， 这可能需要较低的流量和较高的压力降。本技术通过改变等离子体气体工作压 力和热交换器的上游压力之间的关系而解决了这个问题。
可迫使等离子体气流390流过限流扼流区域或间隙395。该间隙或区域395 可形成在电极110和涡流环125'的管部分380 (例如由管部分直径405界定) 的内表面之间。涡流环125'的管部分380可包括相对于涡流环的近端部分设置的入口 410以及相对于涡流环的远端部分设置的出口 415，在一些实施例中， 扼流区域或间隙395造成从入口 410至等离子体气流扼流器375的管部分380 的出口415的压力降。出口415可直接耦合于等离子体腔室420。通过适当地 调整涡流环125'的管部分380的直径和长度，可在等离子体腔室420中获得最 佳等离子体气体压力，并同时允许冷却气流通道165C上游压力获得高压。
通过示例，对于工作在200安培的等离子体切割喷嘴的实施例，典型等离 子体气流速率可大约为60标准立方英尺/小时，而等离子体腔室420中的典型 工作压力大约为60psig。在一些实施例中，对于0.268"直径和0.002"间隙的电 极IIO，工作压力降大约为40psig，允许上游压力工作在100psig下。
图11A-D是根据一示例性实施例的等离子体电弧割炬的涡流环的不同示 图。图IIE是示出来自图11A-D的涡流环的气流的图。在本实施例中，等离 子体气流425通过涡流环125'的高压侧中的多个径向端口 430 (例如径向孔) 进入涡流环125，。在一些实施例中，端口 430的数目和端口 430的直径很大以 使端口 430两侧的压力降很小。在一些实施例中，端口 430不是偏心的并且不 导致涡流。
在一些实施例中，移动电极(例如回暴式)等离子体割炬的涡流环125' 包括压力降限制区域。该限制区域可产生一定流量和压力的气流以适当地优化 等离子体工作，同时产生有效地实现热传递功能所需的合适(或更高)流量和 压力降的气流。流体限制部分也可在等离子体气流中产生涡流分量。涡流环 125，可包括允许涡流环125，轴向"浮动"的气密，由此显著减小因夹紧力造成 的变形。
在一些实施例中，涡流环125'包括扼流端口 435 (例如扼流孔)。可迫使 等离子体气流440流过端口 435的限流扼流横截面积。扼流端口 435使气压从 入口 435A下降至出口 435B。在一些实施例中，孔出口 435B直接暴露于并排 放至等离子体腔室420。通过适当地调整限流扼流孔435的直径和长度，可在 等离子体腔室420中获得优化等离子体气压，同时为冷却气流通道165C (例 如螺旋槽热交换器)的上游压力获得高压。可确定端口 435'的尺寸并使其具有 某一直径和偏心位置，从而产生一定量的涡流，该涡流产生由喷嘴冷却流的"同 轴"流扩散开的等离子体喷射。可通过使端口 430相对消耗品部件445的共同中轴向倾斜某一角度而将涡流给予等离子体气体。可通过调整倾斜端口的角度 而获得合适量的涡流。
为了将等离子体气流440约束于端口 435并减缓流过电极110和涡流环 125'的管部分的内表面之间的环形间隙的流体，可在涡流环125的等离子体气 流扼流器375'的管部分380'的内部形成一连串小凹槽450。尽管在电极110和 管部分380'的内表面之间存在间隙，这些凹槽450造成如此大的压力降以至于 流过间隙的流体小至可以忽略。这种类型的流体密封件有时被称为"迷宫式" 密封件。涡流环本体和等离子体气流扼流元件375'可以是独立的单件或是一个 整体部分，例如整件。
在一些实施例中，同一气源提供等离子体气体和用于冷却和电极驱动的气 体。涡流环125'可将电极110'驱动的高压和割炬冷却功能的高压所需的功能与 "等离子体腔室"420中的较低等离子体气压分开。等离子体腔室420是直接 处于电极110端部的电子发射元件和喷嘴孔225之间的区域，并由电极110和 喷嘴115界定。该区域中的压力大约为40—70psig以在切割工艺中正确发挥等 离子体电弧的作用。通过在该等离子体腔室420和涡流环125中的高压区之间 添加降压密封，等离子体腔室420'中的压力可大约为40 — 70psig，同时涡流环 125，的高压区中的压力可远高于此，通常为70—120psig。涡流环125，流体入 口区中的高压允许电极110快速可靠的驱动或移动或允许冷却气流通道 165A-D (例如螺旋槽热交换器)较高压运作，这能设置成穿过通过割炬(由此 增进冷却性能)。驱动和等离子体气流可由上述压力降功能而分开。
图12A是根据一示例性实施例的等离子体电弧割炬的保持帽130的三维 示图。图12B是图12A的保持帽130的横截面图。保持帽130可包括远端部分 455 (例如前端电绝缘部分)、衬套部分460和螺纹部分465。
衬套部分460可由能够承受相对高温的电绝缘材料制成。在一些实施例 中，衬套部分460由缠绕纤维的复合材料构成，例如可从Coastal Composites 公司商业购得的那些材料。
远端部分455可电绝缘并用作电绝缘的喷嘴接触部分。在一些实施例中， 电绝缘部分和螺纹部分465由间隙470分开。喷嘴接触部分和螺纹部分465可 由电绝缘衬套部分460保持在位并对齐。在一些实施例中，电绝缘部分455和螺纹部分465可压入衬套部分460。电绝缘部分455夹紧在喷嘴115和保护罩 120上，并将整组消耗品保持在割炬本体105。
图13A是根据一示例性实施例的流过等离子体电弧割炬的冷却气体和驱 动气体的示意图。在一些实施例中，割炬本体105通过附加由位于割炬内本体 上的至少一个翼片180D界定的冷却气流通道165D而从内部冷却。割炬100中 的附加的冷却气体路径可将冷却气体提供给位于割炬100其它区域内的其它冷 却气流通道165A-C (例如螺旋槽热交换器)。冷却气流通道165A-D可相对于 喷嘴115、保护罩120、电极IIO或其任何组合设置。在该实施例中，冷却路 径的一个支路将冷却气体传至割炬本体105的割炬本体冷却气流通道165D(例 如螺旋槽热交换器)。另一冷却气体路径将冷却气体传至喷嘴115的保护罩冷 却气流通道165A (例如螺旋槽热交换器)。另一冷却气体路径将冷却气体传 至喷嘴115的喷嘴冷却气流通道165B (侧的螺旋槽热交换器)。等离子体电 弧割炬100也可包括主体105，相对于割炬本体设置的绝缘体490，喷嘴， 保护罩绝缘体，包括夹紧部件、螺纹部件、绝缘部件、功率引线和控制引线的 保持帽。
冷却气流可经由冷却气体管道进入割炬100并在进入割炬100后分成两 路。一部分冷却气体流至割炬本体105而第二部分流至喷嘴115和其它消耗品。 一旦到达喷嘴115，流体即分流，且第一部分可通过涡流环125流至等离子体 腔室420和电极IIO而第二部分流入喷嘴115和保护罩120组件。通过将流体 分入多个平行的冷却路径，输入的冷却气体进入冷却气流通道165A-D，这些 通3以较低温度设置在任何一个消耗品上(准备吸取热量)。可能要求使等离 子体割炬100工作以使流过遍及割炬100设置的冷却气流通道165A-D的冷却 气体足以传递最大量的热并将割炬100工作温度限制在安全范围内。
在一些实施例中，等离子体气体通过将冷却气体和驱动气体475经由两分 离的气体路径连接于割炬而与冷却气体和驱动气体475分离。在一些实施例中，
等离子体电弧割炬包括等离子体气体提供源以及分离的冷却和驱动气体提供 源。在一些实施例中， 一条气体路径以切割工艺所需的流量和压力将等离子体 气体提供给等离子体腔室。等离子体气体腔室内的压力可工作在40—70psig之 间。在一些实施例中，另一气体路径可将冷却气体提供给冷却气流通道165A-D(例如热交换器)并提供用于使接触起动(例如回暴)电极移动的驱动气体。
例如，冷却和驱动气体路径480将冷却和驱动气体475提供给割炬100的若干 区域。在一个流体路径中，冷却和驱动气体475可流入涡流环125的高压区485。 这种气体的压力和流量可足以冷却电极110并移动或驱动电极110至其工作位 置(电极图示为在其工作位置)。
电极110的冷却可通过使冷却气体流过螺旋冷却槽165C并流出割炬通孔 480B而完成。驱动电极110并使其移至其工作位置的压力是由复位弹簧160 的减速力确定的，该减速力通过柱塞155反作用于电极并克服由外接径向弹簧 元件150 (例如LOUVERTAC电接触器)引起的阻力(纵向摩擦力)。用于 正确驱动和冷却的典型压力可在70—120psig的范围内。
等离子体气体可通过气体分离部件与冷却和/或驱动气体分开。等离子体 腔室可通过涡流环125的密封组件355与冷却和驱动气体密封隔开。在一些实 施例中，密封组件355是"迷宫式密封件"、O形环密封件或其任意组合。在 一些实施例中，密封组件355包括迷宫式密封部分，该部分包括形成在密封部 件内表面上的数个凹槽。在电极IIO和凹槽之间可存在间隙，这能够产生足够 大的压力降同时将允许经过间隙的气流减少至小到可以忽略的量。这种类型的 流体密封件有时被称为"迷宫式"密封件。
在图13A所示实施例中，冷却和驱动气流475在入口 (未示出)进入流 体路径480。图13B是图13A的等离子体电弧割炬的等轴立体图，其示出气流 的进入孔和流出孔。电极110的冷却可通过使冷却气流流过冷却气流通道160C (例如螺旋式冷却槽)并通过孔480B流出割炬来完成。割炬本体105的冷却 可通过使冷却气流流过冷却气流通道165D(例如螺旋式冷却槽)并通过孔480A 流出割炬来完成。保护罩120的冷却可通过允许冷却气流经过冷却气流通道 165A (例如螺旋式冷却槽)并通过保护罩120和保持帽130的夹紧部分之间的 冷却气流通道165A的端部处的间隙480C流出割炬来完成。喷嘴115的冷却 可通过允许冷却气流经过冷却气流通道165B (例如螺旋式冷却槽)并通过喷 嘴115和保护罩120之间的环形间隙480D流出割炬来完成。
图13C是根据一示例性实施例的流过等离子体电弧割炬的等离子体气体 的示意图。等离子体气体495可通过入口 (未示出)进入流体路径500并流至主体105中的增压区500A，增压区500A可连接于喷嘴115中的增压区500B， 并随后流过涡流环125中的涡流端口 500C并流到等离子体气体腔室420上。 在割炬工作期间，等离子体气体腔室420中的压力可保持在将近40 — 70psig。 在一些实施例中，涡流端口 500C偏心于割炬的中心线以将涡流分量给予等离 子体气体。涡流量可基于具体切割工艺的要求来确定。等离子体气体通过喷嘴 孔265排出等离子体气体腔室。
此外，在本文中描述和示意地示出于图13A-C中的割炬设计方案可使用 上述其它特征和概念，包括使用外接径向弹簧元件150 (例如移动 LOUVERTAC电接触器)、相对于喷嘴115设置的冷却气流通道165A-D、割 炬本体105、电极110和/或保护罩120。该割炬设计方案也可包括使用相对于 保护罩设置的电绝缘前端保持帽130和涡流减速通风端口 315。
图14是根据一示例性实施例的涡流环125的密封组件355'的示意图。在 一些实施例中，涡流环包括充当涡流环125的气密封件的密封组件355'。密封 组件355'可以是"迷宫式密封件"。在该实施例中，电极110不接触涡流环 125的密封组件355'(例如密封部件)。可通过每个凹槽450'中的气体膨胀来 形成密封。增加凹槽450'的数目会导致较大的压力降和气流减少。
图15是根据另一示例性实施例的涡流环125的密封组件355"的示意图。 在一些实施例中，涡流环125包括可充当涡流环125的气密部件的密封组件 355"。该密封组件355"可以是0形环。在本实施例中，O形环从低压侧密封住 高压侧。由于0形环与电极110接触，因此当O形环移动时有额外的阻力施加 于电极IIO。为了正确工作，必需在设计割炬时将该阻力的补偿考虑在内。
尽管已结合特定实施例具体示出和描述了本发明，然而要理解可在形式和 细节上作出各种变化而不脱离本发明如所附权利要求书所定义的精神和范围。
权利要求
1.一种具有能够容纳电极的基本中空本体的等离子体电弧割炬的喷嘴，所述喷嘴包括本体；设置在所述本体一端的孔；以及由设置在本体的外表面周围的至少一个翼片界定的冷却气流通道，所述本体提供在割炬工作期间在本体和冷却气流通道之间传热的导热路径。
2. 如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述喷嘴的本体包括含至少 一个端口的凸缘，所述端口被配置成在割炬工作期间使所述凸缘和冷却气流通 道之间的冷却气流的至少一部分通过。
3. 如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述冷却气流通道包括设置 在所述喷嘴的本体的外表面上的螺旋槽。
4. 如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述冷却气流通道由一个以 上气源供气。
5. 如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述冷却气流通道包括尺寸 设计成在割炬工作期间建立从喷嘴至冷却气流通道的充分热传递的宽度、高度 和长度。
6. 如权利要求l所述的喷嘴，其特征在于，所述本体基本呈圆柱形。
7. —种能够保护喷嘴的等离子体电弧割炬的保护罩，所述保护罩包括 本体；设置在所述本体一端的孔；以及由设置在本体的外表面周围的至少一个翼片界定的冷却气流通道，所述本 体提供在割炬工作期间在本体和冷却气流通道之间传热的导热路径。
8. 如权利要求7所述的保护罩，其特征在于，所述保护罩的高度为本体 直径的至少一半。
9. 如权利要求7所述的保护罩，其特征在于，所述冷却气流通道包括设 置在所述本体外表面上的螺旋槽。
10. 如权利要求7所述的保护罩，其特征在于，还包括含至少一个端口的凸缘，所述端口被配置成在割炬工作期间使所述凸缘和冷却气流通道之间流过 的冷却气流的至少一部分通过。
11. 如权利要求7所述的保护罩，其特征在于，所述冷却气流通道由一个 以上气源供气。
12. 如权利要求7所述的保护罩，其特征在于，所述冷却气流通道包括尺 寸设计成在割炬工作期间建立从保护罩至冷却气流通道的充分热传递的宽、高 和长。
13. 如权利要求7所述的保护罩，其特征在于，还包括 中央纵轴线；部分界定保护罩气流通道的保护罩内表面；以及偏心于所述保护罩的中央纵轴线的泄放端口，所述泄放端口形成与所述保 护罩气流的涡流运动相反的排出流，从而衰减从保护罩的排出孔排出的保护罩 气流的涡流运动。
14. 一种用于等离子体电弧割炬的电极，包括 狭长的电极本体；设置在所述电极本体的远端的高热电子发射材料；位于所述电极本体的近端处的内部电接触表面，所述内部电接触表面的尺 寸设计成能接纳外接径向弹簧元件；包括由翼片界定的冷却气流通道的外部气体冷却表面，所述外部气体冷却 表面与所述内部电接触表面相对地设置；以及所述内部电接触表面和气体冷却表面之间的壁厚尺寸设计成能在所述割 炬的工作期间传递足够的热量至所述冷却气流通道。
15. 如权利要求14所述的电极，其特征在于，所述内部电接触表面尺寸 设定成使外接径向弹簧元件居中。
16. 如权利要求14所述的电极，其特征在于，所述内部电接触表面包括 将所述外接径向弹簧元件保持在至少部分地由所述内部电接触表面界定的孔 中的特征。
17. 如权利要求14所述的电极，其特征在于，所述内部电接触表面的直 径与所述内部电接触表面的长度之比小于约2/3。
18. 如权利要求14所述的电极，其特征在于，所述内部电接触表面具有 不超过所述内部电接触表面大约三倍直径的长度。
19. 如权利要求14所述的电极，其特征在于，所述冷却气流通道包括设 置在电极外表面上的螺旋槽。
20. 如权利要求14所述的电极，其特征在于，所述冷却气流通道可由一 个以上的气源提供。
21. 如权利要求14所述的电极，其特征在于，所述冷却气流通道包括尺 寸设计成在割炬工作期间建立导致从电极至冷却气流通道的充分热传递的压 力降的宽度、高度和长度。
22. 如权利要求14所述的电极，其特征在于，所述内部电接触表面由冷 却气流导热地冷却。
23. 如权利要求14所述的电极，其特征在于，所述内部电接触表面当安 装于割炬时反作用于外接径向弹簧元件。
24. 如权利要求23所述的电极，其特征在于，所述外接径向弹簧元件通 过直径压配附连于割炬。
25. 如权利要求23所述的电极，其特征在于，所述冷却气流通道被尺寸 化为提供足以克服内部电接触表面和外接径向弹簧元件之间的纵向摩擦阻力 的一定量的压力降。
26. 如权利要求14所述的电极，其特征在于，所述内部电接触表面包括 外接径向弹簧元件，当所述弹簧元件安装于割炬时，其反作用于割炬的电接触 表面。
27. 如权利要求26所述的电极，其特征在于，所述冷却气流通道被尺寸 化为提供足以克服割炬的电接触表面和外接径向弹簧元件之间的纵向摩擦阻 力的一定量的压力降。
28. 如权利要求26所述的电极，其特征在于，所述外接径向弹簧元件通 过直径压配附连于所述内部电接触表面。
29. —种延长等离子体电弧割炬的寿命的方法，包括 提供一割炬本体，所述割炬本体包括用于将等离子体气体通过涡流环引至其中形成等离子体电弧的等离子体腔室的等离子体气流路径；提供在割炬本体的远端相对于电极安装的权利要求1所述的喷嘴，以界定 等离子体腔室；以及使所述等离子体电弧割炬工作在至少约100安培的安培数水平下。
30. —种延长等离子体电弧割炬的寿命的方法，包括 提供一割炬本体，所述割炬本体包括用于将等离子体气体引至其中形成等离子体电弧的等离子体腔室的等离子体气流路径；提供相对于电极安装在割炬本体的远端以界定等离子体腔室的喷嘴； 在所述割炬本体的远端以与喷嘴呈间隔关系地提供权利要求7的保护罩；以及使所述等离子体电弧割炬工作在至少约100安培的安培数水平下。
31. —种等离子体电弧割炬，包括割炬本体，所述割炬本体包括用于将等离子体气体引至其中形成等离子体 电弧的等离子体腔室的等离子体气流路径；以及相对于所述割炬本体的第一端设置的电极，所述电极包括电接触装置和在 所述割炬工作期间从所述电极传递热量的冷却装置。
32. 如权利要求31所述的等离子体电弧割炬，其特征在于，还包括相对 于电极设置在所述割炬本体的第二端以界定等离子体腔室的喷嘴，所述喷嘴包 括在割炬工作期间从所述喷嘴传热的冷却装置。
33. 如权利要求32所述的等离子体电弧割炬，其特征在于，还包括相对 于喷嘴设置在所述割炬本体的第二端的保护罩，所述保护罩包括在割炬工作期 间从所述喷嘴传热的冷却装置。
34. —种等离子体割炬系统，包括割炬本体，所述割炬本体包括用于将等离子体气体引至其中形成等离子体 电弧的等离子体腔室的等离子体气流路径； 相对于所述割炬本体的近端设置的电极；相对于所述电极设置在所述割炬本体的远端以界定所述等离子体腔室的喷嘴，所述喷嘴包括基本中空的导热本体；以及由设置在所述本体的外表面周围的至少一个翼片界定的冷却气流通道，所述本体提供在割炬工作期间在喷嘴和冷却气流通道之间传热的导热路径；以及相对于喷嘴设置在所述割炬本体的远端的保护罩，所述保护罩包括 基本中空的导热本体；以及由设置在所述本体的外表面周围的至少一个翼片界定的冷却气流通道，所 述本体提供在割炬工作期间在保护罩和冷却气流通道之间传热的导热路径。
全文摘要
一种用于气体冷却的等离子体电弧割炬的方法和装置。割炬部件可包括电极、喷嘴和保护罩，其每一个均可被气体冷却。喷嘴可相对于电极设置并包括基本中空的导热本体以及由设置在本体外表面周围的至少一个翼片界定的冷却气流通道，该本体提供在割炬工作期间在喷嘴和冷却气流通道之间传热的导热路径。保护罩可相对于喷嘴设置并包括基本中空的导热本体以及由设置在本体的外表面周围的至少一个翼片界定的冷却气流通道，该本体提供在割炬工作期间在保护罩和冷却气流通道之间传热的导热路径。
文档编号H05H1/28GK101632328SQ200880005156
公开日2010年1月20日 申请日期2008年2月15日 优先权日2007年2月16日
发明者N·A·桑德斯 申请人:海别得公司