KR102519617B1 - 비용적으로 효과적인 플라즈마 아크 토치용 카트리지 - Google Patents

Abstract

플라즈마 아크 토치용 소모품 카트리지(consumable cartridge)가 제공된다. 소모품 카트리지는, 실질적으로 중공 본체를 규정하는 외측 컴포넌트, 실질적으로 외측 컴포넌트의 중공 본체 내에 배치된 내측 컴포넌트, 및 내측 컴포넌트의 후방 부분과 외측 컴포넌트 사이에 중공 영역을 포함한다. 내측 컴포넌트는, 외측 컴포넌트를 내측 컴포넌트에 축 방향으로 고착하고 회전 가능하게 맞물림하도록 구성된 전방 부분, 및 외측 컴포넌트의 중공 본체 내에 실질적으로 매달린 후방 부분을 포함한다. 후방 부분은 전방 부분을 통해 외측 컴포넌트와 축 방향으로 고착되고 회전 가능하게 맞물림된다. 중공 영역은, 내측 컴포넌트의 후방 부분과 토치 헤드의 캐소드 사이의 정합을 가능하게 하기 위해 토치 헤드를 수용하도록 구성된다.

Description

비용적으로 효과적인 플라즈마 아크 토치용 카트리지

관련 출원들에 대한 교차 참조

[0001] 본 출원은, 2014년 8월 12일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/036,393호를 우선권 및 이익으로 주장하는, 2015년 8월 12일자로 출원된 미국 출원 일련번호 제14/824,946호의 일부 계속 출원이다. 이들 출원들의 그 전체 내용들은 현재의 출원의 양수인에 의해 소유되고 인용에 의해 그 전체가 본원에 통합된다.

기술분야

[0002] 본 발명은 일반적으로, 접촉 시작 플라즈마 아크 토치(contact start plasma arc torch)용 카트리지들(cartridges)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 다수의 일체형 컴포넌트들을 각각 갖는 하나 또는 그 초과의 교체 가능한 저비용 카트리지들에 관한 것이다.

[0003] 열적 프로세싱 토치들, 이를테면, 플라즈마 아크 토치들은, 재료들의 고온 프로세싱(예컨대, 가열, 절단, 가우징(gouging) 및 마킹(marking))을 위해 널리 사용된다. 플라즈마 아크 토치는 일반적으로, 토치 본체, 토치 본체 내에 장착된 전극, 전극의 보어 내에 배치된 방사성 인서트(emissive insert), 토치 본체 내에 장착된 중심 출구 오리피스(central exit orifice)를 갖는 노즐, 쉴드, 전기 연결부들, 냉각을 위한 통로들(passages), 아크 제어 유체들(arc control fluids)(예컨대, 플라즈마 가스)을 위한 통로들, 및 전력 공급 장치(power supply)를 포함한다. 스월 링(swirl ring)은 전극과 노즐 간에 형성된 플라즈마 챔버 내의 유체 유동 패턴들을 제어하는 데 사용될 수 있다. 일부 토치들에서, 리테이닝 캡(retaining cap)은 플라즈마 아크 토치에서 노즐 및/또는 스월 링을 유지하는 데 사용된다. 동작에서, 토치는, 용융된 금속의 제거를 보조하기 위해 고온 및 충분한 모멘텀으로 이온화된 가스의 압축된 제트(jet)인 플라즈마 아크를 발생시킨다. 토치에서 사용되는 가스들은 비반응성(예를들면, 아르곤 또는 질소) 또는 반응성(예를들면, 산소 또는 공기)일 수 있다.

[0004] 플라즈마 아크 토치에서 플라즈마 아크를 발생시키기 위한 방법은, 접촉 시작 방법이다. 접촉 시작 방법은 전극과 노즐 사이에 전류 경로를 생성하기 위해 전극과 노즐 사이의 물리적인 접촉 및 전기적 연통을 설정하는 단계를 포함한다. 전극과 노즐은 협동하여 토치 본체 내에 플라즈마 챔버를 생성할 수 있다. 전류가 전극 및 노즐에 제공되고, 가스는 플라즈마 챔버로 도입된다. 가스 압력은, 전극과 노즐을 분리하기에 충분한 압력이될 때까지 발생한다. 분리는 플라즈마 챔버 내의 전극과 노즐 사이에 아크가 형성되는 것을 유발한다. 아크는 도입된 가스를 이온화하여 재료 프로세싱을 위해 워크피스에 전달할 수 있는 플라즈마 제트를 발생시킨다. 일부 적용들에서, 전력 공급 장치는 아크의 발생 동안 파일럿 전류로서 공지된 제1 전류 및 플라즈마 제트가 워크피스에 전달되었을 때 전달된 아크 전류로서 공지된 제2 전류를 제공하도록 적응된다.

[0005] 아크를 생성하기 위한 다양한 구성들이 가능하다. 예를 들어, 전극은 토치 본체 내에서 고정 노즐로부터 멀리 이동할 수 있다. 이러한 구성은, 가스 압력으로 하여금 전극이 워크피스로부터 멀어지게하기 때문에 "블로우-백(blow-back)" 접촉 시작 방법으로 지칭된다. 이러한 시스템의 문제점은, 노즐과 전극 소모품들의 정교한 정렬에 관한 것이며, 이는 소모품들의 수명과 재료 프로세싱/절단 품질에 상당한 영향을 미친다. 다른 구성에서, 노즐은 상대적으로 정지 전극으로부터 멀리 이동될 수 있다. 이러한 구성은, 가스 압력으로 하여금 전극이 워크피스를 향해 이동하게 하기 때문에 "블로우-포워드(blow-forward)" 접촉 시작 방법으로 지칭된다.

[0006] 기존의 플라즈마 절단 시스템들은 상이한 전류들 및/또는 작동 모드들과 함께 이용하는 것이 가능한 개별 소모품들의 대형 배열을 포함한다. 많은 수의 소모품 옵션들은, 사용자들을 위해 많은수의 부품들 및 재고들을 필요로 하며 사용자들을 혼동시키고 잘못된 소모품들을 설치할 가능성을 증가시킨다. 또한, 많은 수의 소모품 옵션들은, 토치 설치 시간(들)을 길어지게 할 수 있으며, 토치에서 상이한 소모품들의 배열들을 필요로 하는 절단 프로세스 사이에서 전환하는 것을 어렵게 만들고, 그의 배열 및 설치는, 종종 현장에서 한번에 하나의 컴포넌트에서 수행된다. 예를들어, 절단 작업 이전에, 특정 절단 작업에 정확한 정확한 소모품들의 세트를 선택하여 설치하는 것은 번거롭고 시간이 오래 걸릴 수 있다. 또한, 현장에서 이러한 컴포넌트들의 선택, 조립, 및 설치는, 오래된 컴포넌트들이 새로운 컴포넌트들과 함께 사용될 때 정렬 문제들 또는 호환성 문제들을 유발시킬 수 있다. 토치 작동 동안, 기존 소모품들은 적절한 소모품 정렬 및 간격을 유지하지 못하는 것과 같은 성능 문제들을 겪을 수 있다. 더욱이, 현재 소모품들은 상당량의 고가 재료들(예를 들면, Vespel™)을 포함하고, 그리고 종종 상대적으로 복잡한 제조 프로세스를 필요로 하며, 이는, 상당한 제조 비용을 초래하고, 이들의 광범위한 상업화, 제조 및 적응을 방해한다. 필요한 것은, 새롭고 개선된 소모품 플랫폼이며, 이 플랫폼은 제조 비용들 및 시간을 감소시키고, 부품 수를 감소시키며, 시스템 성능(예를 들어, 컴포넌트 정렬, 절단 품질, 소모품 수명, 가변성/다용도 등)을 증가시키며, 최종 사용자들에 의한 소모품들의 설치 및 사용을 용이하게 한다.

[0007] 본 발명은, 수동 작동식, 공냉식 플라즈마 아크 토치와 같은 플라즈마 아크 토치용의 하나 또는 그 초과의 통합된, 비용 효율적인 카트리지 설계들을 제공한다. 일반적으로, 카트리지는 2 개 또는 그 초과의 소모품 컴포넌트들의 묶음을 포함하기 때문에, 카트리지는 각각의 소모품 컴포넌트를 개별적으로 설치하는 것과 비교하여 사용 용이함을 제공하고 플라즈마 아크 토치 내로의 설치 시간을 단축시킨다. 게다가, 토치에서 카트리지의 사용은, 컴포넌트 정렬 및 절단 일관성(cut consistency)을 개선한다. 그러나, 제조 및 재료 비용들은 카트리지들의 광범위한 상업화 및 생산을 방해할 수 있다. 본 발명은, 카트리지 상업화 및 생산을 용이하게 하고 이의 설치를 개선하는 하나 또는 그 초과의 비용 효율적인 카트리지 설계들을 제공함으로써 이 문제점을 해결한다.

[0008] 본 발명은 일 양태에서, 공냉식 플라즈마 아크 토치용 카트리지를 특징으로 한다. 카트리지는 스월 링 및 크라운을 포함한다. 스월 링은 실질적으로 중공 부분을 갖는 몰딩된 열가소성 세장형 본체를 포함하고, 몰딩된 열가소성 세장형 본체는 말단 단부 및 선단 단부를 가지며 중공 부분 내에서 전극을 수용하도록 구성된다. 스월 링은, 또한, 세장형 본체의 말단 단부에 의해 규정되고 플라즈마 아크 토치에 대한 플라즈마 가스 유동에 스월링 모션(swirling motion)을 부여하도록 구성된 복수 개의 가스 유동 개구들을 포함한다. 스월 링은, 노즐을 세장형 본체에 리테이닝하기 위해 말단 단부에서 세장형 본체의 표면 상에 노즐 보유 피처를 더 포함한다. 크라운은 스월 링의 세장형 본체의 선단 단부에 부착된다. 크라운은 세장형 본체의 선단 단부를 실질적으로 에워싼다.

[0009] 일부 실시예들에서, 크라운은 전기 전도성 재료로 형성된다. 크라운은, 전극을 카트리지 내에 리테이닝하고 전극에 전류를 통과시키도록 구성될 수 있다. 크라운은, 전극의 선단 단부에 대해 편향되는 탄성 요소와 물리적으로 접촉하기 위한 편향 표면을 포함할 수 있다. 게다가, 크라운은 편향 표면과 전극의 선단 단부 사이에 탄성 요소를 리테이닝하도록 구성된 실질적으로 중공 본체를 포함할 수 있다.

[0010] 일부 실시예들에서, 크라운의 본체는 실질적으로 균일한 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서, 크라운은 적어도 하나의 통기 홀(vent hole)을 포함한다.

[0011] 일부 실시예들에서, 크라운은, 플라즈마 아크 토치가 전달된 아크 모드로 작동될 때, 전극의 대응하는 접촉 표면과의 전기 접촉을 용이하게 하기 위한 접촉 표면을 포함한다. 크라운의 접촉 표면은, 파일롯 아크의 개시 동안 전극의 대응 접촉 표면과의 접촉이 없는 것을 특징으로 한다. 접촉 표면은, 토치가 전달된 아크 모드로 작동될 때, 전극의 대응 접촉 표면과 물리적으로 접촉하도록 구성될 수 있다.

[0012] 일부 실시예들에서, 스월 링의 복수 개의 가스 유동 개구들은 스월 링의 세장형 본체의 말단 단부를 중심으로 배치된 복수 개의 연장부들에 의해 규정된 슬롯들을 포함하고, 각각의 슬롯은 한 쌍의 연장부들 사이에 위치된다.

[0013] 일부 실시예들에서, 노즐 보유 피처는 연장부들의 외부 표면 상에 위치된 홈을 포함한다. 스월 링에 대한 노즐의 보유는, 스냅 피트(snap fit), 나사 결합(threading) , 또는 크림핑(crimping) 중 하나를 통해 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 크라운과 스월 링 사이의 맞물림은 크림핑, 스냅 피트, 또는 나사 결합 중 하나에 의한 것이다.

[0014] 일부 실시예들에서, 스월 링의 세장형 본체는 에테르 및 케톤 분자들로 형성된 중합체를 포함하는 열가소성 재료로 몰딩된다. 열가소성 재료는, (i) 약 320 ℉ 초과의 유리 전이 온도(glass transition temperature, Tg), (ii) Tg보다 낮은 약 22 마이크로 인치/인치 ℉(micro.in/in.F) 미만의 선형 열팽창 계수(coefficient of linear thermal expansion, CLTE), (iii) Tg보다 높은 약 55 마이크로 인치/인치 ℉ 미만의 CLTE, (iv) 약 720 ℉ 초과의 융점, 및 (v) 약 480 킬로 볼트/인치 초과의 유전 강도를 포함하는 하나 또는 그 초과의 특징들을 가질 수 있다.

[0015] 일부 실시예들에서, 전극의 반경과 스월 링의 내벽의 반경 사이의 평균 반경(R)에 대한 각 가스 유동 개구의 축 방향 길이(L)의 비는 약 0.5 미만이다. 일부 실시예들에서, 복수 개의 가스 유동 개구들은 세장형 본체의 말단 단부를 중심으로 단일 층으로 배치되고, 각각의 가스 유동 개구는 스월 링의 내벽의 개구와 스월 링의 외벽 상의 개구 사이에서 약 0.040 인치의 오프셋을 갖는다.

[0016] 다른 양태에서, 공냉식 플라즈마 아크 토치용 몰딩된 스월 링이 제공된다. 몰딩된 스월 링은 실질적으로 중공 부분을 포함하는 몰딩된 열가소성 세장형 본체를 포함한다. 몰딩된 열가소성 세장형 본체는, 말단 단부 및 선단 단부를 가지며, 중공 부분 내에 전극을 수용하도록 구성된다. 몰딩된 스월 링은, 또한, 내부 표면으로부터 세장형 본체의 외부 표면으로 각각 연장된 복수 개의 몰딩된 가스 유동 개구들을 포함한다. 몰딩된 가스 유동 개구들은 세장형 본체의 말단 단부를 중심으로 배치되고 플라즈마 아크 토치의 플라즈마 가스 유동에 스월을 부여하도록 구성된다. 몰딩된 스월 링은, 세장형 본체의 말단 단부에 노즐을 리테이닝하기 위해 본체 상에 노즐 보유 표면을 더 포함한다.

[0017] 일부 실시예들에서, 복수 개의 가스 유동 개구들은 세장형 본체의 말단 단부를 중심으로 배치된 복수 개의 연장부들에 의해 규정된 슬롯들을 포함하고, 각각의 슬롯은 한 쌍의 연장부들 사이에 위치된다. 스월 링의 세장형 본체의 말단 단부와 노즐은 협동하여 복수 개의 가스 유동 개구들을 규정할 수 있다.

[0018] 일부 실시예들에서, 노즐 보유 표면은 연장부들의 외부 표면 상에 위치된 노즐 보유 피처를 포함한다. 노즐 보유 피처는 크림핑을 통해 노즐의 일 부분을 수용하도록 구성된 홈을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 노즐 보유 표면은 크림핑을 통해 노즐의 일 부분을 수용하도록 구성된 경사면(sloped surface)을 포함한다.

[0019] 일부 실시예들에서, 스월 링은 스냅 피트 또는 나사 결합 중 하나를 통해 노즐과 맞물림하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 스월 링은 크림핑을 통해 노즐과 맞물림하도록 구성된다.

[0020] 일부 실시예들에서, 세장형 본체는 에테르 및 케톤 분자들로 형성된 중합체를 포함하는 열가소성 재료로 몰딩된다. 열가소성 재료는 하나 또는 그 초과의 첨가제들을 추가로 포함할 수 있다.

[0021] 다른 양태에서, 공냉식 플라즈마 아크 토치용 조립체가 제공된다. 조립체는, 전극, 열가소성 재료로 몰딩된 스월 링, 노즐, 및 크라운을 포함한다. 스월 링은, 말단 단부에 노즐 보유 표면 및 선단 단부에 크라운 보유 요소를 포함한다. 노즐은, 노즐의 말단 단부에 출구 오리피스를 포함하는 노즐 보유 표면을 통해 스월 링의 말단 단부에 고정식으로 고착된다. 크라운은 크라운 보유 요소를 통해 스월 링의 선단 단부에 고정식으로 고착된다. 크라운은 선단 단부에서 스월 링을 에워싸도록 구성된다. 스월 링, 노즐, 및 크라운의 고착은 전극이 노즐에 대해 영구적으로 배치되고 정렬되는 챔버를 생성한다.

[0022] 일부 실시예들에서, 노즐 보유 표면은 경사면을 포함하고, 노즐은 경사면에 대해 노즐의 적어도 일 부분을 크림핑함으로써 스월 링의 말단 단부에 고착된다. 노즐 보유에 대한 노즐의 크림핑은, (1) 0.005 인치 이내로 전극의 말단 단부에 대한 챔버 내의 노즐 출구 오리피스의 반경 방향 센터링(centering) 및 (2) 0.030 내지 0.060 인치 내로 조립체의 전달된 아크 작동 동안, 전극의 말단 단부와 노즐 출구 오리피스 사이의 챔버 내에 전극의 길이 방향 포지셔닝을 설정할 수 있다.

[0023] 일부 실시예들에서, 크라운 보유 요소는 크림핑, 나사 결합, 또는 스냅 피트 중 적어도 하나에 의해 스월 링을 고착하도록 구성된 홈을 포함한다. 크라운 보유 요소를 통해 크라운을 스월 링에 고착하는 것은, 0.030 내지 0.060 인치 이내로 조립체의 전달된 아크 작동 동안, 전극의 말단 단부와 노즐 출구 오리피스 사이의 챔버 내의 전극의 길이 방향 포지셔닝을 설정할 수 있다.

[0024] 일부 실시예들에서, 조립체는 크라운의 편향 표면과 전극 사이에 탄성 요소를 더 포함하며, 탄성 요소는 전극에 물리적으로 접촉하고 전극에 분리력을 부여한다. 탄성 요소는, 플라즈마 아크 토치가 파일럿 아크 모드로 작동될 때, 실질적으로 모든 파일럿 아크 전류를 전극에 통과시킬 수 있다. 크라운은 탄성 요소를 실질적으로 내부에 유지하기 위한 중공 본체를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 탄성 요소는 스프링 또는 와이어 중 적어도 하나를 포함한다.

[0025] 일부 실시예들에서, 조립체는 스월 링의 선단 단부를 실질적으로 둘러싸며 플라즈마 아크 토치의 본체에 대해 스월 링을 밀봉하도록 구성된 O-링을 더 포함한다.

[0026] 또 다른 양태에서, 크라운은 전극과의 전기적 연통을 위해 구성된 접촉 시작 플라즈마 아크 토치를 위해 제공된다. 크라운은, 탄성 요소를 수용하도록 구성된 전기 전도성 재료로 형성된 실질적으로 중공 본체를 포함한다. 중공 본체는 실질적으로 균일한 두께를 갖는다. 크라운은 또한, 탄성 요소와 물리적으로 접촉하기 위해 크라운의 선단 단부에 편향 표면을 포함한다. 크라운은, 플라즈마 아크 토치의 전달된 아크 모드 동안 전극의 선단 단부에서 대응 표면을 물리적으로 접촉시키기 위해 말단 단부에 내부 접촉 표면을 더 포함한다. 접촉 표면은, 플라즈마 아크 토치의 파일럿 아크 모드 동안 전극의 대응 표면과의 접촉이 없는 것을 특징으로 한다.

[0027] 일부 실시예들에서, 접촉 표면은 전달된 아크 모드 동안 전달된 아크 전류의 적어도 일 부분을 전력 공급 장치로부터 전극으로 통과시키도록 구성된다. 추가로, 탄성 요소는 파일럿 아크 모드 동안 전력 공급 장치로부터 전극으로 실질적으로 모든 파일럿 아크 전류를 통과시키도록 구성될 수 있다.

[0028] 일부 실시예들에서, 크라운은, 크림핑, 스냅 피트 또는 나사 결합 중 하나를 통해 스월 링에 연결하기 위한 보유 요소를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 크라운은 적어도 하나의 통기 홀을 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 크라운은 편향 표면을 포함하고 탄성 요소의 적어도 일 부분을 수납하도록 구성된 원형 터널 부분을 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 크라운은 접촉 표면을 포함하는, 선단 단부로부터 멀리 연장되는 함몰된 중심(depressed center)을 더 포함한다.

[0029] 일부 실시예들에서, 크라운은 스탬핑 프로세스를 통해 형성된다.

[0030] 다른 양태들에서, 카트리지에 복수 개의 컴포넌트들을 정렬하기 위한 방법이 제공된다. 이 방법은, 말단 단부, 선단 단부, 및 중공 본체를 포함하는 스월 링을 형성하도록 열가소성 재료를 몰딩하는 단계를 포함한다. 이 방법은, 또한, 스월 링의 중공 본체의 내측에 전극을 배치하는 단계 및 노즐을 스월 링의 말단 단부에 고정식으로 고착함으로써 카트리지에 전극을 리테이닝하는 단계를 포함한다. 이 방법은, 크라운을 스월 링의 선단 단부에 고정식으로 고착시킴으로써 노즐에 대해 전극을 길이 방향으로 정렬시키는 단계를 더 포함하며, 이에 의해 가스 유동이 크라운과 접촉하게 전극을 편향시키도록 사용될 때, 카트리지의 전달된 아크 작동 동안 길이 방향 정렬을 설정한다.

[0031] 일부 실시예들에서, 이 방법은 스탬핑 프로세스를 통해 크라운을 형성하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 이 방법은 스월 링의 중공 본체 내에서 전극의 반경 방향 모션을 구속함으로써 전극을 반경 방향으로 정렬시키는 단계를 더 포함한다.

[0032] 일부 실시예들에서, 길이 방향 정렬은, 전달된 아크 작동 동안 전극의 말단 단부 및 노즐의 출구 오리피스에 의해 규정된 블로우-백 간격(blow-back distance) 내에서 전극의 길이 방향 모션을 구속하는 것을 포함한다.

[0033] 일부 실시예들에서, 노즐을 스월 링의 말단 단부에 고정식으로 고착하는 것은, 노즐의 일 부분을 스월 링의 말단 단부 상의 보유 표면 내로 크림핑하는 것을 포함한다.

[0034] 다른 양태에서, 플라즈마 아크 토치용 소모품 카트리지(consumable cartridge for a plasma arc torch)가 제공된다. 소모품 카트리지는, 실질적으로 중공 본체를 규정하는 외측 컴포넌트, 실질적으로 외측 컴포넌트의 중공 본체 내에 배치된 내측 컴포넌트, 및 내측 컴포넌트의 후방 부분과 외측 컴포넌트 사이의 중공 영역을 포함한다. 내측 컴포넌트는, 외측 컴포넌트를 내측 컴포넌트에 축 방향으로 고착하고 회전 가능하게 맞물림하도록 구성된 전방 부분, 및 외측 컴포넌트의 중공 본체 내에 실질적으로 매달린 후방 부분을 포함한다. 후방 부분은 전방 부분을 통해 외측 컴포넌트와 축 방향으로 고착되고 회전 가능하게 맞물림된다. 중공 영역은, 내측 컴포넌트의 후방 부분과 토치 헤드의 캐소드 사이의 정합을 가능하게 하기 위해 토치 헤드를 수용하도록 구성된다.

[0035] 일부 실시예들에서, 내측 컴포넌트의 전방 부분은 외측 컴포넌트의 축 방향 고착 및 회전 가능한 맞물림을 가능하게 하는 수단을 포함한다. 이 수단은, 내측 및 외측 컴포넌트들이 서로에 대해 독립적으로 회전하는 것을 허용하도록 치수가 정해진다. 일부 실시예들에서, 내측 컴포넌트의 후방 부분은 외측 컴포넌트의 축 방향 고착 및 회전 가능한 맞물림을 가능하게 하는 수단을 갖지 않는다. 외측 컴포넌트의 내측 컴포넌트에 대한 축 방향 고착 및 회전 가능한 맞물림은 크림핑, 스냅 피팅, 마찰 피팅 또는 나사 결합 중 하나에 의한 것일 수 있다.

[0036] 일부 실시예들에서, 외측 컴포넌트은 쉴드, 절연 컴포넌트, 리테이닝 캡 또는 캡 슬리브(cap sleeve) 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 실시예들에서, 내측 컴포넌트는 크라운, 스월 링, 전극, 또는 노즐 중 적어도 하나를 포함한다.

[0037] 일부 실시예들에서, 내측 컴포넌트의 후방 부분은 캐소드의 적어도 일 부분을 실질적으로 둘러싸고 물리적으로 접촉하도록 구성된다. 내측 컴포넌트의 후방 부분은, 카트리지 내로 연장되는 캐소드의 적어도 일 부분을 수용하도록 구성된 공동을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 내측 컴포넌트의 후방 부분 또는 외측 컴포넌트 중 적어도 하나는, 토치 헤드와 맞물림하기 위한 적어도 하나의 나사산을 포함한다.

[0038] 일부 실시예들에서, 내측 컴포넌트는 내측 컴포넌트의 외부 표면 상에 배치된 하나 또는 그 초과의 핀들을 더 포함한다. 외측 컴포넌트는, 또한, 외측 컴포넌트의 내부 표면 상에 배치된 하나 또는 그 초과의 핀들을 포함할 수 있다.

[0039] 일부 실시예들에서, 외측 컴포넌트는 플라즈마 아크 토치의 파일럿 아크 전류에 대한 전기 경로를 제공한다.

[0040] 또 다른 양태에서, 플라즈마 아크 토치용 카트리지 소모품(cartridge consumable for a plasma arc torch)이 제공된다. 카트리지 소모품은, (i) 실질적으로 중공 본체를 규정하는 외측 컴포넌트, (ii) 외측 컴포넌트의 중공 본체 내에 배치된, 적어도 하나의 전극을 포함하는, 내측 컴포넌트, 및 (iii) 내측 컴포넌트 상에 배치된 맞물림 피처를 포함한다. 맞물림 피처는, 내측 컴포넌트와 외측 컴포넌트가 서로에 대해 독립적으로 회전하는 것을 허용하면서, 내측 컴포넌트에 대해 외측 컴포넌트를 축 방향으로 제한하도록 적응된다.

[0041] 일부 실시예들에서, 내측 컴포넌트는 플라즈마 아크 토치로의 조립시 포지션에 실질적으로 잠금되는 크라운을 더 포함한다. 스월 링은 내측 컴포넌트의 노즐을 통해 외측 컴포넌트에 연결될 수 있다. 전극은 스월 링 및 노즐에 의해 규정된 중공 봉입물(hollow enclosure) 내에 배치될 수 있다. 스월 링 또는 전극 중 적어도 하나는 내측 컴포넌트의 일부일 수 있다.

[0042] 일부 실시예들에서, 외측 컴포넌트는 금속성 리테이닝 캡 및 리테이닝 캡 위에 오버몰딩된(overmolded) 전기 절연 캡 슬리브를 포함한다. 쉴드는 외측 컴포넌트를 통해 내측 컴포넌트에 연결될 수 있다. 쉴드는 외측 컴포넌트의 일부일 수 있다.

[0043] 일부 실시예들에서, 카트리지 소모품은 외측 컴포넌트와 내측 컴포넌트 사이의 중공 영역을 더 포함한다. 중공 영역은, 플라즈마 아크 토치의 헤드와 짝을 이루어(matingly) 맞물림하도록 구성된다. 카트리지 소모품은, 외측 컴포넌트와 내측 컴포넌트의 노즐 사이에 위치된 와셔를 더 포함할 수 있다. 와셔는 이를 통과하는 가스 유동을 조절하도록 구성된 하나 또는 그 초과의 냉각 채널들을 포함한다.

[0044] 또 다른 양태에서, 멀티 피스 카트리지 소모품을 조립하는 방법이 제공되며, 여기서, 카트리지 소모품은 플라즈마 아크 토치에 설치하기 위한 외측 컴포넌트 및 내측 컴포넌트를 포함한다. 이 방법은 내측 컴포넌트를 외측 컴포넌트의 중공 본체 내에 배치하는 단계를 포함한다. 이 방법은, 또한, 내측 및 외측 컴포넌트들을 서로에 대해 독립적으로 회전시키는 것을 허용하면서 내측 컴포넌트의 전방 부분에 대해 외측 컴포넌트를 축 방향으로 구속하는 단계를 포함한다. 이 방법은, 축 방향 구속 단계에 의해, 외측 컴포넌트의 중공 본체 내에 내측 컴포넌트의 후방 부분을 실질적으로 매달고 그리고 반경 방향으로 배향시키는 단계를 더 포함한다.

[0045] 일부 실시예들에서, 이 방법은 내측 컴포넌트의 후방 부분과 외측 컴포넌트 사이의 중공 영역(hollow region)에 토치 헤드를 배치함으로써 토치 헤드에 멀티-피스 카트리지 소무품을 설치하는 단계를 더 포함한다. 설치하는 단계는, 토치 헤드의 캐소드와 내측 컴포넌트의 후방 부분의 오목부 사이의 물리적 정합을 가능하게 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이 방법은 토치 헤드를 멀티 피스 카트리지 소모품에 고착시키기 위해 내측 컴포넌트와 독립적으로 외측 컴포넌트를 회전시키는 단계를 더 포함한다.

[0046] 일부 실시예에서, 이 방법은 멀티 피스 카트리지의 내측 컴포넌트를 조립하는 단계를 더 포함하며, 이는 스월 링의 중공 본체의 내측에 전극을 배치하는 단계, 스월 링의 말단 단부에 노즐을 고정적으로 고착시킴으로써 중공 본체 내에 전극을 리테이닝시키는 단계, 및 스월 링의 선단 단부에 크라운을 고정식으로 고착시키는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 이 방법은 멀티 피스 카트리지의 외측 컴포넌트을 조립하는 단계를 더 포함하며, 이는 절연 캡 슬리브를 리테이닝 캡 상에 오버몰딩하고 쉴드를 캡 슬리브에 고정식으로 연결하는 것을 포함한다.

[0047] 일부 실시예들에서, 이 방법은 내측 또는 외측 컴포넌트 중 적어도 하나의 표면 상에 배치된 하나 또는 그 초과의 핀들에 의해 내측 컴포넌트를 외측 컴포넌트에 대해 반경 방향으로 정렬시키는 단계를 더 포함한다.

[0048] 또 다른 양태에서, 플라즈마 아크 토치용 크라운이 제공된다. 이 크라운은, 선단 및 말단 단부를 규정하는 본체 ― 본체는 전기 전도 재료를 포함함 ― 및 본체의 선단 단부에서 적어도 하나의 융기된 피처를 포함한다. 융기된 피처는 플라즈마 아크 토치의 내측에서 소모품 센서를 활성화시키도록 적응된다. 크라운은, 또한, 탄성 요소와 물리적으로 접촉하기 위해 본체의 선단 단부에 편향 표면을 포함할 수 있다.

[0049] 일부 실시예들에서, 크라운은 플라즈마 아크 토치의 전달된 아크 모드 동안, 전극의 대응 표면을 물리적으로 접촉시키기 위해 본체의 말단 단부에 접촉 표면을 더 포함한다. 적어도 하나의 융기된 피처는, 크라운을 플라즈마 아크 토치에 설치할 때 소모품 센서를 가압함으로써 소모품 센서를 활성화시키도록 구성되며, 이에 의해, (i) 플라즈마 아크 토치의 파일럿 아크 모드 동안, 탄성 요소에 대한 편향 표면, 또는 (ⅱ) 전달된 아크 모드 동안, 전극에 대한 접촉 표면 중 하나를 통한 전류의 흐름을 허용한다.

[0050] 일부 실시예들에서, 크라운의 본체는 실질적으로 중공이고, 편향 표면과 전극 사이에 탄성 요소를 리테이닝하도록 구성된다. 크라운의 본체는 실질적으로 균일한 두께를 가질 수 있다.

[0051] 일부 실시예들에서, 크라운의 본체는 플라즈마 아크 토치의 캐소드의 적어도 일 부분을 수용하도록 구성된 공동을 규정한다. 접촉 표면은 공동을 규정하는 크라운 본체의 내부 표면에 위치될 수 있다.

[0052] 또 다른 양태에서, 플라즈마 아크 토치용 멀티 피스 카트리지 소모품의 내측 카트리지 소모품이 제공된다. 내측 카트리지 소모품은, (i) 플라즈마 아크 토치의 캐소드의 적어도 일 부분을 수용하도록 형상이 정해지는 중심 축을 중심으로 오목부, 및 (ii) 스프링 컴포넌트를 수납하도록 형성된 중심 축을 중심으로 오목부를 둘러싸는 돌출 영역을 포함하는 크라운을 포함한다. 내측 카트리지 소모품은 또한, 말단 단부 및 선단 단부를 규정하는 스월 링(swirl ring)을 포함한다. 스월 링은 스월 링의 선단 단부에서 크라운에 고정식으로 연결된다. 내측 카트리지 소모품은, 스월 링의 말단 단부에서 스월 링에 고정식으로 연결된 노즐과, 크라운, 스월 링 및 노즐의 고정 연결부 내에 규정된 챔버에 배치되는 전극을 더 포함한다.

[0053] 일부 실시예들에서, 크라운은 캐소드와 물리적으로 접촉하고 그리고 캐소드와 전극 사이에 배치된다. 일부 실시예들에서, 크라운은 플라즈마 아크 토치를 작동시키는 전달된 아크 모드에서 전극과 물리적으로 접촉하게 캐소드의 적어도 일 부분이 통과하는 것을 허용하도록 개구를 규정한다. 크라운의 오목부는, 캐소드가 내측 카트리지 소모품 내에서 연장되는 것을 허용하도록 구성될 수 있다.

[0054] 일부 실시예들에서, 크라운의 돌출 영역은 플라즈마 아크 토치의 내측에서 소모품 센서를 활성화시키도록 적응된다. 일부 실시예들에서, 스월 링의 일 부분은 크라운의 개구를 통해 연장되어 플라즈마 아크 토치의 내측에서 소모품 센서를 활성화시키도록 적응된다.

[0055] 일부 실시예들에서, 내측 카트리지 소모품은 실질적으로 전도성이 있다. 일부 실시예들에서, 스프링 컴포넌트가 플라즈마 아크 토치에서 멀티 피스 카트리지 소모품을 설치할 때 캐소드에 대해 실질적으로 평행하게 길이 방향으로 연장되도록 적응된다.

[0056] 일부 실시예들에서, 내측 카트리지 소모품은, 멀티 피스 카트리지 소모품의 외측 카트리지 소모품을 회전식으로 맞물림하고 축 방향으로 고착시키기 위해서 내측 카트리지 소모품의 표면 상에 배치된 보유 피처를 더 포함한다. 보유 피처는 노즐 또는 스월 링 중 적어도 하나의 표면 상에 배치될 수 있다.

[0057] 또 다른 양태에서, 플라즈마 아크 토치에 카트리지를 설치하는 방법이 제공된다. 이 방법은, 말단 단부 및 선단 단부를 포함하는 스월 링의 중공 본체의 내측에 전극을 배치하는 단계, 스월 링의 말단 단부에 노즐을 고정식으로 고착시킴으로써 스월 링 내에 전극을 포획하는 단계, 및 크라운을 스월 링의 선단 단부에 고정식으로 고착하는 단계를 포함하는, 카트리지의 내측 컴포넌트를 조립하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한, 내측 컴포넌트 및 외측 컴포넌트를 포함하는 카트리지에 토치 헤드를 고착시키는 단계, 및 적어도 하나의 융기된 피처에 의해 플라즈마 아크 토치의 토치 헤드의 내측에서 소모품 센서를 누르는(depressing) 단계를 포함한다. 이 방법은 또한, 이러한 누름 단계에 기초하여 토치 헤드를 통해 그리고 카트리지에 전원으로부터 전류 흐름 경로를 설정하는 단계를 더 포함한다.

[0058] 일부 실시예들에서, 이 방법은 토치 헤드의 캐소드와 전극 사이에 크라운을 포지셔닝시키는 단계, 및 캐소드, 크라운, 및 전극을 반경 방향으로 그리고 길이 방향으로 정렬시키는 단계를 더 포함한다. 이 방법은 크라운의 오목부와 캐소드 사이의 물리적 정합을 가능하게 하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 방법은 플라즈마 아크 토치의 전달된 모드 작동 동안 크라운의 개구를 통해 캐소드와 전극 사이의 물리적 접촉을 가능하게 하는 단계를 더 포함할 수 있다.

[0059] 일부 실시예들에서, 이 방법은 크라운의 선단 단부에서 편향 표면에 의해, 탄성 요소와 물리적으로 접촉시키고 그리고 크라운의 말단 단부에서 접촉 표면에 의해, 플라즈마 아크 토치의 전달된 아크 모드 동안 전극의 대응 표면을 물리적으로 접촉시키는 단계를 더 포함한다. 이 방법은, (i) 플라즈마 아크 토치의 파일럿 아크 모드 동안 탄성 요소에 대한 편향 표면 또는 (ii) 전달된 아크 모드 동안 전극에 대한 접촉 표면 중 하나를 통해 전류 흐름 경로 내의 전류의 흐름을 허용하는 단계를 더 포함할 수 있다.

[0060] 일부 실시예들에서, 이 방법은 내측 컴포넌트를 외측 컴포넌트의 중공 본체 내에 배치하는 단계, 및 내측 및 외측 컴포넌트의 서로에 대한 독립적인 회전을 허용하면서, 내측 컴포넌트를 외측 컴포넌트에 대해 축 방향으로 구속하는 단계를 더 포함한다. 이 방법은, 축 방향 구속 단계에 의해, 외측 컴포넌트의 중공 본체 내에 내측 컴포넌트의 후방 부분을 실질적으로 매달고 그리고 반경 방향으로 배향시키는 단계를 더 포함한다. 이 방법은 내측 또는 외측 컴포넌트 중 적어도 하나의 표면 상에 배치된 하나 또는 그 초과의 핀들에 의해 내측 컴포넌트를 외측 컴포넌트에 대해 반경 방향으로 정렬시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

[0061] 일부 실시예들에서, 융기된 피처는 크라운 또는 스월 링 상에 배치된다.

[0062] 추가의 이점들과 함께, 상기 설명된 본 발명의 이점들은 첨부 도면들과 함께 취해진 하기 설명을 참조함으로써 보다 양호하게 이해될 수 있다. 도면들은 반드시 실척일 필요는 없으며, 대신에 일반적으로 강조가 본 발명의 원리들을 예시할 때 배치된다.
[0063] 도 1은, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 플라즈마 아크 토치용의 예시적인 카트리지의 횡단면도이다.
[0064] 도 2는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 도 1의 카트리지의 전극의 등각도이다.
[0065] 도 3은, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 도 1의 카트리지의 노즐의 등각도이다.
[0066] 도 4a 및 도 4b는, 각각, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 도 1의 카트리지의 스월 링의 등각도 및 외형도이다.
[0067] 도 5a 및 도 5b는, 각각, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 도 1의 카트리지와 호환 가능한 다른 스월 링 설계의 등각도 및 단면도이다.
[0068] 도 6은, 전극이 스월 링 내에 정렬되고 예시적인 가스 유동 개구를 예시하는 도 1의 카트리지의 스월 링의 단면도이다.
[0069] 도 7a 및 도 7b는, 각각, 본 발명의 예시적인 실시예에, 따른 도 1의 카트리지의 크라운의 등각도 및 단면도이다.
[0070] 도 8은, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 도 1의 카트리지와 호환 가능한 예시적인 쉴드 설계이다.
[0071] 도 9는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 도 1의 카트리지의 분해도이다.
[0072] 도 10은, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 플라즈마 아크 토치용의 다른 예시적인 카트리지의 단면도이다.
[0073] 도 11은, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 도 10의 카트리지의 리테이닝 캡의 예시적인 구성이다.
[0074] 도 12a 및 도 12b는, 각각, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 도 11의 리테이닝 캡 상에 오버몰딩된(overmolded) 예시적인 캡 슬리브의 단면도 및 외부 외형도이다.
[0075] 도 13은, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 도 10의 카트리지의 외측 컴포넌트의 일부일 수 있는 절연체 컴포넌트의 예시적인 구성이다.
[0076] 도 14a 내지 도 14c는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 캡 슬리브 및 리테이닝 캡에 고정식으로 고착된(fixedly secured) 도 13의 절연체 컴포넌트의 다양한 도면들이다
[0077] 도 15는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 도 10의 카트리지의 외측 컴포넌트의 일부일 수 있는 쉴드의 예시적인 구성이다.
[0078] 도 16은, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 도 10의 카트리지와 호환 가능한 다른 예시적인 쉴드이다.
[0079] 도 17은, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 도 10의 카트리지의 노즐의 예시적인 구성이다.
[0080] 도 18은, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 도 10의 카트리지의 노즐, 리테이닝 캡, 및 쉴드를 포함하는 조립체의 횡단면도이다.
[0081] 도 19a 내지 도 19c는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 도 10의 카트리지(1000)의 스월 링(1007)의 다른 예시적인 구성의 다양한 도면들이다.
[0082] 도 20a 및 도 20b는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 도 10의 카트리지의 크라운의 예시적인 구성들이다.
[0083] 도 21은, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 가스 유동을 제어하기 위해 도 10의 카트리지의 노즐과 외측 컴포넌트 사이의 예시적인 인서트를 도시한다.
[0084] 도 22는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 도 10의 카트리지 및 토치 헤드를 포함하는 예시적인 플라즈마 아크 토치를 도시한다.
[0085] 도 23은, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 도 22의 토치 헤드의 예시적인 구성이다.
[0086] 도 24a 및 도 24b는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 파일럿 아크 개시 동안 도 10의 카트리지를 통과하는 예시적인 파일럿 아크 전류 흐름 경로들을 도시한다.
[0087] 도 25는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 토치 작동의 전달된 아크 모드 동안 도 10의 카트리지를 통과하는 예시적인 전달된 아크 전류 흐름 경로를 도시한다.
[0088] 도 26은, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 도 10의 카트리지를 통과하는 예시적인 가스 유동 경로이다.
[0089] 도 27은, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 도 10의 카트리지의 분해도이다.

[0090] 도 1은, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 플라즈마 아크 토치용의 예시적인 카트리지(100)의 횡단면도이다. 도시된 바와 같이, 카트리지(100)는 길이 방향 축선(A)을 중심으로 실질적으로 대칭으로 배향된 단부 캡(106)(예컨대, 크라운), 스월 링(102), 전극(104), 및 노즐(108)을 포함한다. 카트리지(100)는, 추가로, 탄성 요소(122) 및/또는 밀봉 디바이스(150)를 포함할 수 있다. 카트리지(100)는, 토치 내로 조립될 때, 플라즈마 아크 토치를 접촉 시동(contact starting)시키기 위한 블로우-백(blow-back) 접촉 시동 기구를 사용할 수 있다. 자세하게는, 전극(104)은 스프링 포워드(spring-forward) 전극일 수 있으며, 이는 탄성 요소(122)(예를 들어, 스프링)가 전극(104)의 선단 단부(124)에 분리력을 가하여 전극(104)을 단부 캡(106)으로부터 멀리 그리고 노즐(108)을 향해 편향시키는 것을 의미한다.

[0091] 도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 전극(104)의 등각도이다. 도시된 바와 같이, 전극(104)은 가스 유동을 지향시키고 카트리지(100)의 냉각을 용이하게 하기 위한 일 세트의 나선형 형상 핀들(spiral-shaped fins)(114)을 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이 방사성(emissive) 인서트(142) (즉, 이미 터)는 방출 표면이 노출되도록 전극 (104)의 말단 단부 (125)에 배치될 수 있다. 인서트(142)는, 내식성(corrosion resistance) 및 높은 열 방출율(thermionic emissivity)을 포함하는, 적절한 물리적 특성들을 갖는 하프늄 또는 다른 재료들로 제조될 수 있다. 단조(forging), 충격 압출(impact extrusion), 또는 냉간 성형(cold forming)이, 컴포넌트를 마무리 기계 가공하기 전에 초기에 전극(104)을 형성하는데 사용될 수 있다.

[0092] 노즐(108)은 전극(104)의 말단 단부(125)로부터 이격되고, 전극(104)에 대하여 플라즈마 챔버(140)를 규정할 수 있다. 도 3은, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 노즐(108)의 등각도이다. 노즐(108)은 이온화 가스 제트(ionized gas jet)와 같은 플라즈마 아크를 절단될 워크피스(도시 생략)에 도입하기 위해 중심에 위치된 출구 오리피스(centrally-located exit orifice)(144)를 포함한다.

[0093] 일부 실시예들에서, 스월 링(102)은 플라즈마 아크 토치에 대한 가스 유동에 대해 접선 방향 속도 성분을 부여하여 가스 유동을 소용돌이치게(swirl) 하도록 구성되는 반경 방향으로 이격된 가스 유동 개구들(136)의 세트를 갖는다. 이러한 스월(swirl)은 아크를 압축하고 인서트(142) 상의 아크의 포지션을 안정화시키는 소용돌이(vortex)를 생성한다. 일부 실시예들에서, O-링과 같은 밀봉 디바이스(150)는, 카트리지(100)가 플라즈마 아크 토치 본체에 설치될 때, 플라즈마 아크 토치 본체(도시 생략)의 내부 표면과 맞물림하도록 그 선단 단부(112)에서 스월 링(102)의 외부 표면 상에 위치될 수 있다. 밀봉 디바이스(150)는 그 위치에서 카트리지(100)와 플라즈마 아크 토치 본체 사이에서 유체들(예를 들어, 가스들)의 누수 방지 시일(leak-proof seal)을 제공하도록 구성된다.

[0094] 도 4a 및 도 4b는, 각각, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 도 1의 카트리지(100)의 스월 링(102)의 등각도 및 외형도이다. 도시된 바와 같이, 스월 링(102)은 길이 방향 축선(A)을 따라 말단 단부(110) 및 선단 단부(112)를 갖는 실질적으로 중공의 세장형 본체(103)에 의해 규정될 수 있다. 스월 링(102)의 말단 단부(110)는 플라즈마 아크 토치 내에서 카트리지(100)를 작동시킬 때 워크피스에 가장 가까운 단부인 것을 특징으로 하며, 선단 단부(112)는 길이 방향 축선(A)을 따라 말단 단부(110)의 반대편에 있다. 일부 실시예들에서, 스월 링(102)의 중공 본체(103)는 전극(104)을 수용하고 길이 방향 축선(A)을 따라 실질적으로 전극(104)의 길이에 걸쳐 연장하도록 치수가 정해진다. 이에 따라, 스월 링(102)의 내벽은 전극(104)의 반경 방향 이동을 제한함으로써 전극(104)을 반경 방향으로 정렬시킬 수 있다. 카트리지(100)의 일부로서 2 개의 소모품 컴포넌트들을 함께 결합하기 위해서, 인터페이스(118)가 스월 링(102)의 말단 단부(110)와 노즐(108) 사이에 형성될 수 있다. 카트리지(100)의 일부로서 2 개의 소모품 컴포넌트들을 함께 결합하기 위해서, 또 다른 인터페이스(120)가 스월 링(102)의 선단 단부(112)와 단부 캡(106) 사이에 형성될 수 있다. 일반적으로, 인터페이스(118) 및/또는 인터페이스(120)는 전극(104)이 노즐(108) 및 단부 캡(106)에 대해 (길이 방향 및 반경 방향으로) 영구적으로 배치되고 정렬되는 챔버를 형성한다.

[0095] 일부 실시예들에서, 스월 링(102)의 하나 또는 그 초과의 가스 유동 개구들(136)은, 그 말단 단부(110)의 원주 둘레와 같이 그 세장형 본체(103)의 말단 단부(110)를 중심으로 배치된다. 일부 실시예들에서, 하나 또는 그 초과의 가스 유동 개구들(136)이 몰딩된다(molded). 각각의 가스 유동 개구(136)는 내부 표면으로부터 세장형 본체(103)의 외부 표면까지 연장될 수 있고, 이를 통해 유동하는 가스(예를 들어, 공기)에 축선(A)에 대한 스월링 모션(swirling motion)을 부여하도록 배향된다. 각각의 가스 유동 개구(136)는 기하학적으로 원형 또는 비-원형(예를 들어, 직사각형(rectangular), 정사각형식(squared) 및/또는 직각-코너형(square-cornered))일 수 있다. 일부 실시예들에서, 가스 유동 개구들(136)은 실질적으로 균일한 치수들을 갖는다. 일부 실시예들에서, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 가스 유동 개구들(136)은 스월 링(102)의 세장형 본체(103)의 말단 단부(110)에서 슬롯들(202)에 의해 적어도 부분적으로 규정된다. 이들 가스 유동 슬롯들(202)은 말단 단부(110)의 원주 둘레에 규칙적 또는 비 규칙적인 간격들로 이격된 복수 개의 연장 부들(204)에 의해 형성되며, 여기서, 각각의 슬롯(202)은 한 쌍의 연장부들(204) 사이에 위치된다. 스월 링(102)이 노즐(108)에 견고하게 부착(affixed)되면, 슬롯들(202)은 노즐(108)의 선단 단부에 의해 폐쇄되어 경계가 있는 홀들(bounded holes)을 생성한다. 따라서, 각각의 가스 유동 개구(136)는 노즐(108)과 스월 링(102)에 의해 협동 적으로 규정된 2-피스 복합 개구일 수 있다.

[0096] 일부 실시예들에서, 스월 링(102)과 노즐(108) 사이에 인터페이스(118)를 형성하기 위해, 스월 링(102)은 그 말단 단부(110)에 노즐(108)을 견고히 부착하기 위해 세장형 본체(103)의 노즐 보유 표면(nozzle retention surface)(216)(예를 들어, 내부 및/또는 외부 표면)을 포함할 수 있다 . 일 예에서, 도 4a 및 도 4b에 예시된 바와 같이, 노즐 보유 표면(216)은 연장 부들(204)과 같이 세장형 본체(103)의 외부 표면 상에 위치된 하나 또는 그 초과의 홈들(grooves)과 같은 피처일 수 있다. 노즐 보유 표면(216)은 인터페이스(118)를 형성하도록 스냅 피트, 크림핑, 또는 나사 결합 중 하나를 통해 노즐(108)을 포획할 수 있다. 크림핑 예에서, 노즐(108)의 일 부분은 노즐(108)을 스월 링(102)에 견고히 고정시키기 위해 홈(216)에 대해 그리고 홈 내로 크림핑될 수 있다. 대안으로, 스월 링(102)을 리테이닝하기 위해 유사한 보유 표면이 노즐(108) 상에 배치될 수 있다. 다른 제조 및 조립 옵션들이 2 개의 컴포넌트들을 연결하는 데 이용가능하고 실행가능하다. 예를 들어, 노즐(108)은 인터페이스(118)를 형성하기 위해서 스월 링(102) 위에 오버몰딩될 수 있다.

[0097] 도 5a 및 도 5b는, 각각, 도 1의 카트리지(100)와 호환 가능한 또 다른 스월 링(702)의 등각도 및 단면도이다. 도시된 바와 같이, 스월 링(702)은 스월 링(702)의 노즐 보유 표면(716)이 길이 방향 축선(A)에 대해 테이퍼진 각도로 경 사진 표면을 포함한다는 것을 제외하고는 실질적으로 스월 링(102)과 유사하다. 경 사진 표면(716)은 도 1의 인터페이스(118)를 형성하도록 스냅 피트, 크림핑, 또는 나사 결합 중 하나를 통해 노즐(108)을 포획하도록 적응될 수 있다.

[0098] 일부 실시예들에서, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 스월 링(102)과 단부 캡(106) 사이에 인터페이스(120)를 형성하기 위해, 스월 링은 그 선단 단부(112)에 단부 캡(106)을 견고히 리테이닝하기 위해 세장형 본체(103)의 표면(예를 들어, 내부 및/또는 외부 표면)에 위치되는 캡 보유 피처(230)를 포함할 수 있다 . 캡 보유 피처(230)는 인터페이스(120)를 형성하도록 스냅 피트, 크림핑, 또는 나사 결합 중 하나를 통해 단부 캡(106)을 포획하는 하나 또는 그 초과의 홈들일 수 있다. 예를 들어, 단부 캡(106)의 일 부분은 단부 캡(106)을 스월 링(102)에 견고히 고정시키기 위해 홈(들)(230) 내로 크림핑될 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 1 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 2 개의 컴포넌트들이 함께 결합된 후에 스월 링(102)의 선단 단부(112)의 립 부분(232)이 단부 캡(106)의 내측에 삽입된다. 대안으로, 스월 링(102)을 결합시키기 위해 유사한 보유 피처가 단부 캡(106)을 중심으로 배치될 수 있다. 다른 제조 및 조립 옵션들이 2 개의 컴포넌트들을 연결하는 데 이용가능하고 실행가능하다. 예를 들어, 단부 캡(106)은 인터페이스(120)를 형성하도록 스월 링(102) 상에 오버몰딩될 수 있다. 유사한 캡 보유 피처(730)가 도 5a 및 도 5b의 스월 링(702)의 표면 상에 위치되고 캡 보유 피처(230)와 실질적으로 동일한 기능을 제공할 수 있다.

[0099] 일반적으로, 도 4a 및 도 4b의 보유 표면/요소들(216, 230) 각각은, 임의 구조적 안내 없이 개별적인 컴포넌트들의 정렬을 수행해야 하는 오퍼레이터와 비교하여 카트리지(100) 내의 부품들의 정렬을 단순화한다. 일부 실시예들에서, 보유 요소(216)를 통해 인터페이스(118)에서 스월 링(102)을 노즐(108)에 잠그는 것은, 2 개의 컴포넌트들을 서로에 대해 정렬시키고 그리고 스월 링(102) 및 노즐(108)의 잠금에 의해 형성된 챔버 내에 전극(104)을 더 보유한다. 스월 링(102)의 내벽은, 스월 링(102)의 내벽과 전극(104)의 반경 방향 핀들(114) 사이에 상대적으로 작은 갭이 존재하도록 전극(104)을 반경 방향으로 정렬할 수 있으며, 이에 의해 전극(104)의 반경 방향 모션을 제한한다. 이에 따라, 이는 약 0.005 인치의 공차 내에서와 같이, 챔버 내의 전극(104)의 말단 단부(125)에 대한 노즐 출구 오리피스(nozzle exit orifice)(144)의 반경 방향 센터링(radial centering)을 설정한다. 일부 실시예들에서, 보유 요소(230)를 통해 인터페이스(120)에서 스월 링(102)을 단부 캡(106)에 잠그는 것은, 2 개의 컴포넌트들을 서로에 대해 정렬시키고 그리고 추가로 챔버 내에 전극(104)을 길이 방향으로 정렬시킨다. 예를 들어, 스월 링(102)과 단부 캡(106)이 결합된 후에, 단부 캡(106)의 함몰된 중심(depressed center)(304)의 깊이는, 전달된 아크 모드 동안(예컨대, 가스 유동이 단부 캡(106)과 접촉하게 전극(104)을 편향시키도록 사용될 때), 예컨대, 0.02 내지 0.12 인치의 블로우-백(blow-back) 거리 내에서와 같이, 노즐(108)에 대해 선단 단부(124)를 향해 전극(104)이 얼마나 멀리 길이 방향으로 이동할 수 있는지를 제어한다. 보유 요소(230)를 통한 인터페이스(120)에서의 스월 링(102)의 단부 캡(106)으로의 잠금은, 또한 탄성 요소(122)를 전극(104)의 선단 단부(124)에 대해 정확하게 위치시키면서 탄성 요소(122)를 카트리지(100) 내에 고착시킨다(secure). 게다가, 노즐(108)의 스월 링(102)으로의 결합은, 전달된 아크 작동 중에, 전극(104)의 말단 단부(125)와 노즐 출구 오리피스(144) 사이의 블로우-백 거리 내에서 전극(104)의 길이 방향 모션을 규정하는 것을 돕는다. 전극(104)의 길이 방향 모션에 대한 이러한 구속은, 토치 작동들에서 플라즈마 아크 개시의 정확성 및 반복성을 촉진시킨다. 유사하게, 도 5a 및 도 5b의 보유 표면들/요소들(716, 730) 각각은, 스월 링(702)을 카트리지(100)에 조립할 때 카트리지(100) 내의 부품들의 정렬을 단순화한다.

[00100] 일부 실시예들에서, 스월 링(102)의 가스 유동 개구들(136)은 이를 통한 가스 유동의 스월링을 향상시키기에 적합하게 형상 및 치수가 정해진다. 도 6은, 전극(104)이 스월 링(102) 내에 반경방향으로 정렬되고 예시적인 가스 유동 개구(136)를 예시하는 도 1의 카트리지(100)의 스월 링(102)의 단면도이다.

[00101] 도시된 바와 같이, 스월 링(102) 및 전극(104)은 공유 중심(shared center)(602)을 갖는다. 폭(W)은 각각의 가스 유동 개구(136)의 만곡된(curved) 축 방향 폭(단지 하나의 가스 유동 개구만이 도시됨)을 나타낸다. 길이(R)는 공유 중심(602)으로부터 측정되는, 전극 본체의 외부와 스월 링(102)의 내벽 사이의 환형 공간의 반경과 전극(104)의 중심 사이의 평균 거리(반경)를 나타낸다. 일부 실시예들에서, W/R 비율은 약 0.5 미만이다. 이 값은, 가스 유동 개구(136)에 진입하는 가스 유동이 전극(104)의 표면 상에 다소 수직으로 충돌하여 가스 난류를 증가시키고 전극 냉각을 향상시키는 것을 허용한다. 대조적으로, 종래의 가스 유동 개구 설계는 약 1.0의 W/R 비를 가지며, 이는 가스가 전극(104)의 표면에 대해 최대로 접선 방향으로 충돌하는 것을 유발한다. 실질적인 수직 충돌(접선 방향 충돌과는 대조적으로)은 더 많은 유동 분포, 더 균일한 가스 유동 스월링 및 전극(104)의 더 양호한 냉각을 생성한다. 일부 실시예들에서, 전극(104)의 수명은 W/R 비율이 약 0.5 미만일 때 25 %만큼 연장된다. 이러한 설계 비율은, 스월 링(102)의 말단 단부(110)에서 몰딩된 슬롯들(202)에 의해 또는 말단 단부(110) 내로 형성되고, 몰딩되며 또는 드릴링된 봉입된 홀들(도시 생략)에 의해 나타내는 가스 유동 개구들(136)에 적용 가능하다.

[00102] 일부 실시예들에서, 가스 유동 개구들(136)중 단지 하나의 열이 스월 링(102)의 말단 단부(110) 주위에 배치된다. 예를 들어, 12 개의 가스 유동 개구들(136) 중 하나의 열이 스월 링(102)을 중심으로 대칭으로 배치될 수 있다. 대조적으로, 전통적인 스월 링 설계들은 가스 유동 개구들 중 2 개 또는 그 초과의 열들(층들)을 가지며, 일부 전통적인 스월 링들은 열당 18 개의 개구들을 갖는다. 본 설계에서 감소된 수의 가스 유동 개구들(136)로 인해, 개별 가스 유동 개구들(136)의 폭(W)은, 동일한 가스 유동 스월 힘을 생성하고 전통적인 설계들과 비교하여 결합된 가스 유동 개구들(136)의 동일한 전체 단면적을 유지하기 위해서 증가된다. 게다가, 각각의 가스 유동 개구(136)에 대해, 스월 링(102)의 내벽의 개구(604)와 스월 링(102)의 외벽 상의 개구(606) 사이의 오프셋(O)은 감소(예를 들어, 약 0.040 인치 미만 또는 이하)되는 반면, 전통적인 스월 링 설계의 가스 유동 개구와 연관된 이러한 오프셋은 더 커진다(예를 들어, 약 0.12 인치). 일반적으로, 하나의 열 상에 개구들(136)을 위치시키는 것과 결합하여 가스 유동 개구들(136)의 수를 감소시키는 것은, 제조 사이클 시간을 단순화하고, 재료 비용을 감소시키며, 그리고 스월 링(102)을 제조하기 위한 사출 성형 접근법과 더욱 양립할 수 있다. 스월 링(102)에 대해 설명된 가스 유동 개구 설계는, 또한 도 5a 및 도 5b의 스월 링(702)에 적용될 수 있다.

[00103] 일부 실시예들에서, 스월 링(102 또는 702)은 에테르 및 케톤 분자들(예를 들어, 에테르 케톤계 화합물들), 이를 테면, 폴리 에테르 에테르 케톤(PEEK), 폴리 아릴 에테르 케톤(PAKE), 폴리 에테르 케톤 케톤(PEKK), 폴리 에테르 케톤 에테르 케톤-케톤(PEKEKK) 및 이들의 변형체들로 형성된 중합체를 포함하는 하나 또는 그 초과의 고온 열가소성 재료들의 사출 성형을 통해 제조된다. 예시적인 열가소성 재료들은 또한 폴리 아미드-이미드(PAI), 폴리 에테르 이 미드(PEI) 및/또는 폴리 테트라 플루오로 에틸렌(PTFE)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 본 발명에 적합한 열가소성 재료들과 연관된 특성들은 약 320 ℉ 초과의 유리 전이 온도(glass transition temperature, Tg), Tg보다 낮은 약 22 마이크로 인치/인치 ℉ 미만의 선형 열팽창 계수(coefficient of linear thermal expansion, CLTE), Tg보다 높은 약 55 마이크로 인치/인치 ℉ 미만의 CLTE, 약 720 ℉ 초과의 융점, 및/또는 약 480 킬로 볼트/인치 초과의 유전 강도를 갖는다. 스월 링들 제조에 열가소성 수지를 사용하면, 예를 들어, VespelTM, Torlon, Celazole 또는 페놀 화합물들 또는 다른 열경화성 수지(이들이 스월 링들 제조에 현재 사용되고 있지만 이들은 얻기에는 비교적 고비용을 요하고 사용하기 어려운 재료들임)와 비교하여 카트리지 비용을 절감한다. 그러나, 열가소성 수지는 스월 링들의 무결성 및 일반적인 전극 수명에 잠재적으로 영향을 줄 수 있는, 열경화성 Vespel ™보다 낮은 작동 온도들을 갖는 것으로 공지되어 있다. 고온 성능 문제들을 해결하기 위해, 스월 링(102 또는 702)은 소망하는 열 저항 및/또는 열 전도성을 제공하기 위해 하나 또는 그 초과의 강화 첨가제들(fortifying additives)을 갖는 열가소성 수지들로 제조될 수 있으며, 이에 따라 카트리지들 및/또는 스월 링들에서 열가소성 재료(들)를 효과적으로 사용할 수 있게 한다. 예시적인 강화 첨가제들은 유리 섬유들, 미네랄들, 질화 붕소(boron nitride, BN), 입방정계(Cubic) BN 및/또는 Vespel ™ 입자들을 포함한다. 일 예로서, 재료 폴리 이미드/폴리 에테르 에테르 케톤(PI/PEEK), 약 50 % 재활용 Vespel ™ 입자들을 포함할 수 있는 내열 재료가 스월 링(102 또는 702)을 제조하기 위해 사용될 수 있다. 게다가, 스월 링(102 또는 702)은, 토치 작동 중, 가장 높은 작동 온도들에 대한 노출을 회피하도록 카트리지(100) 내의 위치에 포지셔닝된다. 이에 따라, 실제로, 스월 링(102)을 제조하기 위해 열가소성 재료를 사용하는 것은, 스월 링(102 또는 702)의 무결성에 영향을 미치지 않을 것이다. 더욱이, 전극(104)이 카트리지(100)의 수명의 끝인 수명 종료 이벤트를 겪을 때, 플라스틱 재료가 녹으며, 이는 소모품 수명 동안 절단 작업에 영향을 미치지 않는다. 대조적으로, 다양한 세트들의 전극들 및 노즐들과 함께 반복적으로 재사용되는, 공지된 열경화성 기반의 스월 링들은 보편적으로 전극들 및 노즐들의 수명주기들보다 20 내지 30 배의 수명주기들을 갖는다. 이러한 수명주기들은 스월 링들에 대한 요구사항들 및 요건들 - 이는 스월 링들이 이들의 수명주기들에 걸쳐 열적으로 뒤틀릴(예를 들어, 팽창 및/또는 수축) 수 있기 때문에 과도한 설계(over design) 그리고 또한 일관성 없는 성능을 유발할 수 있음 - , 수명주기 포지션에 기초하여 다양한 맞춤들, 인터페이스들, 및 성능을 제공하는 것을 부과한다.

[00104] 일부 실시예들에서, 스월 링(102)의 세장형 본체(103)는 사출 성형 기술(예를 들어, 열가소성 사출 성형)을 사용하여 형성된다. 일부 실시예들에서, 가스 유동 개구들(136)이 스월 링(102)의 말단 단부(110)에 의해 규정된 슬롯들(202)을 포함한다면, 슬롯들(202)은 동일한 열가소성 사출 성형 프로세스를 통해 세장형 본체(103)와 동시에 형성될 수 있다. 일반적으로, 가스 유동 통로들을 생성하기위한 전통적인 설계들에 따른 드릴링된 홀들과 달리, 가스 유동 슬롯들(202)은 스월 링(102)을 형성하기 위한 사출 성형 기술과 보다 양립가능하다. 이에 따라, 가스 유동 슬롯들(202)을 스월 링 본체(103) 내로 몰딩함으로써 본체(103) 내로 홀들을 드릴링하는 추가적인 단계가 제거된다. 스월 링 설계에서 드릴링된 홀들 대신에 가스 유동 슬롯(202)을 사용함으로써, 또한 드릴링 작동들과 연관된 긴 사이클 시간의 비용 및 재료 비용을 절감한다. 노즐 보유 피처(216) 및/또는 캡 보유 피처(230)는, 또한, 동일한 열가소성 사출 성형 프로세스를 통해 세장형 본체(103)와 동시에 형성될 수 있다. 따라서, 스월 링(102)의 전부는 아닐지라도 대부분이 비용 효율적인 단일 사출 성형 프로세스를 사용하여 제조될 수 있다. 전체적으로, 스월 링(102)을 형성하기 위한 몰딩된 열가소성 프로세스는 전통적인 프로세스들과 비교하여 보다 빠르고 더 저렴한 제조 접근법을 제공한다. 도 4a 및 도 4b의 스월 링(102)을 제조하기 위한 프로세스 및 재료들은 또한 도 5a 및 도 5b의 스월 링(702)을 제조하는데 사용될 수 있다.

[00105] 도 7a 및 도 7b는, 각각, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 도 1의 카트리지(100)의 단부 캡(106)(예를 들어, 크라운)의 등각도 및 단면도이다. 단부 캡(106)은 다음 기능들 중 적어도 하나의 기능을 제공한다: (I) 인터페이스(120)를 형성하기 위해서 스월 링(102 또는 702)을 그 선단 단부(112)에 견고하게 맞물림시켜, 이에 의해 전극(104)을 정렬시키는 것; (ii) 탄성 요소(122)를 위한 홀더를 제공하는 단계; 및 (iii) 블로우-백 접촉-시작 구성에서 전극(104)에 전류를 통과시키는 것. 예시된 바와 같이, 단부 캡(106)은 선단 단부(320) 및 말단 단부(322)를 규정하는 실질적으로 중공 본체(300)를 갖는다. 중공 본체(300)는 원형의 터널 부분(302) 및 단부 캡(106)의 선단 단부(320)로부터 멀리 연장되는 함몰된 중심(304)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 단부 캡(306)의 본체(300)는 실질적으로 균일한 두께를 가지며, 이에 의해 효율적이고 균일한 전류 통과를 촉진하고 그리고 정밀한 소모품 정렬의 설정을 돕는다. 스탬프 제조 기술과 결합된, 단부 캡(106)의 균일한 두께는 또한 제조를 단순화하고 제조 사이클 시간, 소모품 중량, 및 재료 사용을 최소화한다.

[00106] 일부 실시예들에서, 선단 단부(320)에서 원형 터널 부분(302)의 내부 표면(308)은 탄성 요소(122)와 물리적으로 접촉하고 전기적으로 연통하는 편향 표면을 규정한다. 탄성 요소(122)는, 단부 캡(106)으로부터 전극(104)을 멀리 이동시키도록 전극(104)의 선단 단부(124)에 대해 편향될 수 있다. 즉, 탄성 요소(122)는, 탄성 요소(122)가 전극(104)과 편향 표면(308) 사이에 분리력을 부여하도록, 단부 캡(106)의 편향 표면(308)과 전극(104)의 선단 단부(124) 사이에 위치되며 물리적으로 접촉한다.

[00107] 일부 실시예들에서, 말단 단부(322)에서 단부 캡(106)의 함몰된 중심(304)의 내부 표면(310)은, 그 선단 단부(124)에서 전극(104)의 대응 접촉 표면(128)과의 물리적 접촉 및 전기적 연통을 위해 구성되는 접촉 표면을 규정한다. 전달된 아크 모드 동안, 단부 캡(106)의 접촉 표면(310)은 전극(104)의 대응 접촉 표면(128)과 맞닿는(abutting) 관계에 있다. 그러나, 파일럿 아크 모드에서 파일럿 아크의 개시 동안, 접촉 표면(310)은 2 개의 표면들 사이에서의 접촉의 부재(absence)에 의해 규정되는 대응 접촉 표면(128)과 이격된(spaced) 관계에 있다.

[00108] 탄성 요소(122)는, 일반적으로, 단부 캡(106)과 전극(104) 사이에서 카트리지(100)의 내측에서 유지된다. 일부 실시예들에서, 탄성 요소(122)는 단부 캡(106) 또는 전극(104)에 고착된다. 다른 실시예들에서, 탄성 요소(122)는 전극(104) 및 단부 캡(106) 양자 모두에 고착된다. 예를 들어, 탄성 요소(122)는 용접(welding), 솔더링(soldering), 접합(bonding), 체결(fastening), 직경 방향 억지 끼워맞춤(diametral interference fit) 또는 단부 캡(106) 및/또는 전극(104)에 대한 다른 유형의 마찰 피트(friction fit)에 의해 고착될 수 있다. 일부 실시예들에서, 단부 캡(106)의 실질적으로 중공 본체(300)는 그 편향 표면(308)과 전극(104)의 선단 단부(124) 사이에 탄성 요소(122)를 수납하도록 구성된다. 예를 들어, 단부 캡(106)의 원형의 터널 부분(302)은 탄성 요소(122)의 홀더로서 기능할 수 있다. 자세하게는, 탄성 요소(122)는 편향 표면(308), 터널 부분(302)의 내측 내부 표면(312) 및 외측 내부 표면(314)에 의해 제 위치에 유지될 수 있으며, 여기서, 길이 방향 축선(A)에 대한 내측 내부 표면(312)의 직경은 탄성 요소(122)의 내경보다 약간 작고, 길이 방향 축선(A)에 대한 외측 내부 표면(314)의 직경은 탄성 요소(122)의 외경보다 약간 크다.

[00109] 일부 실시예들에서, 탄성 요소(122)의 반경 방향 이동은, 스월 링(102 또는 702)이 단부 캡(106)에 부착된 후에 스월 링(102 또는 702)의 선단 단부(112)에 의해 더 구속된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 단부 캡(106)이 (예를 들어, 캡 맞물림 홈(230) 내로 크림핑됨으로써) 스월 링(102)에 결합된 후에, 스월 링(102)의 립 부분(232)은 단부 캡(106)의 원형의 터널 부분(302)의 내부로 연장할 수 있다. 따라서, 립 부분(232)은 단부 캡(106)의 내측에서 탄성 요소(122)의 포지셔닝을 더 구속하고 안내할 수 있다.

[00110] 일부 실시예들에서, 단부 캡(106)은, 카트리지(100)가 토치 내에 설치될 때, 전력 공급 장치(도시 생략)와 전기적 연통하도록 구성된다. 이는, 토치 작동 모드에 따라, 전력 공급 장치로부터 탄성 요소(122) 및/또는 접촉 표 (310)을 통해 전극(104)으로 전류의 흐름을 가능하게 한다. 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 통기 홀(316)(또는 가스 출구 오리피스)이 카트리지(100)를 냉각시키기 위해 본체(300)의 내부 표면으로부터 외부 표면으로 연장되는 단부 캡(106)에 배치된다. 예를 들어, 통기 홀(316)은 원형 부분(302) 상에 위치될 수 있다. 대안으로, 통기 홀(들)(316)은 단부 캡(106)에 없다.

[00111] 일 예시적인 동작에서, 파일럿 아크 개시 동안, 전력 공급 장치는 단부 캡(106)에 파일럿 아크 전류를 제공하고, 파일럿 아크 전류는 노즐(108)에 대해 전극(104)을 편향시키는 탄성 요소(122)를 통해 전극(104)으로 통과된다. 탄성 요소(122)가 전극(104)을 노즐(108)과 맞닿는 관계로 압박하기 때문에, 단부 캡(106)의 접촉 표면(310)과 전극(104)의 대응 접촉 표면(128) 사이의 물리적 접촉 및 전기적 연통이 존재하지 않는다. 탄성 요소(122)는 실질적으로 모든 파일럿 아크 전류를 단부 캡(106)으로부터 전극(104)으로 통과시키도록 구성될 수 있다.

[00112] 파일럿 아크 개시 동안, 가스가 전극(104)과 노즐(108) 사이에서 플라즈마 챔버(140) 내로 도입된다. 가스 압력은, 압력이 탄성 요소(122)에 의해 가해진 분리력을 극복하기에 충분할 때까지 플라즈마 챔버(140) 내에 형성될 수 있다. 그 지점에서, 전극(104)의 대응 접촉 표면(128)이 단부 캡(106)의 접촉 표면(310)과 물리적으로 접촉하게 될 때까지, 가스 압력은 (탄성 요소(122)를 압축시키면서) 전극(104)을 단부 캡(106)을 향해 그리고 길이 방향 축선(A)을 따라 노즐(108)로부터 멀리 이동시킨다. 전극(104)이 가스 압력에 의해 노즐(108)로부터 멀리 이동됨에 따라, 워크피스(도시 생략)에 전달될 수 있는 플라즈마 아크 또는 제트를 형성하기 위해서, 아크가 플라즈마 챔버(140)에서 생성되거나 개시된다.

[00113] 전달된 아크 모드 동안, 전극(104)의 대응 접촉 표면(128)은 단부 캡(106)의 접촉 표면(310)과 실질적으로 평탄한 물리적 접촉으로 맞물림되어 전기적 연통을 설정한다(예를 들어, 전류가 접촉 표면(310)과 대응 표면(128)의 인터페이스에서 단부 캡(106)과 전극(104) 사이를 통과함). 단부 캡(106)의 접촉 표면(310)이 전극(104)의 대응 표면(128)과 맞닿을 때, 전류의 적어도 일부가 2 개의 컴포넌트들 사이를 직접 통과하도록 전류 경로가 설정된다. 아크가 워크피스에 전달되면, (예를 들어, 전달된 아크 모드 동안) 절단 전류가 토치에 공급된다. 절단 전류는, (1) 탄성 요소(122) 및/또는 (2) 접촉 표면들(310, 128) 사이의 인터페이스를 통해 전달된 아크 작동 동안 단부 캡(106)으로부터 전극(104)으로 통과될 수 있다. 일부 실시예들에서, 단부 캡(106)과 전극(104) 사이의 직접적인 전류 경로는 단부 캡(106)으로부터 탄성 요소(122)를 통해 전극(104)까지의 전류 경로보다 더 낮은 저항 및/또는 더 높은 컨덕턴스를 갖는다. 따라서, (전달된 아크 모드에서) 플라즈마 아크를 유지하기 위한 실질적으로 모든 전류가 접촉 표면들(128, 310) 사이에서 직접 통과될 수 있다.

[00114] 일부 실시예들에서, 탄성 요소(122)는 전류를 운반하고 그리고 전류와 연관된 열을 발산하는 것 양자 모두를 용이하게 하여 탄성 요소(122)가 용융되는 것을 방지하는 재료로 형성된다. 예를 들어, 탄성 요소(122)의 재료는 재료의 정격 전류(current rating)에 기초하여 선택될 수 있다. 일부 실시예들에서, 탄성 요소(122)는 나선형 압축 스프링, 와이어, 또는 금속 스트립을 포함한다. 예를 들어, 상이한 유형들의 탄성 요소(122) 구성들이 미국 뉴햄프셔주 하노버의 Hypertherm, Inc.,에 양도된 미국 특허출원 일련번호 제13/344,860호에 설명되어 있으며,그 내용들은 이에 의해 그 전체 내용들을 인용에 의해 본원에 포함된다.

[00115] 일부 실시예들에서, 단부 캡(106)은 구리, 구리 합금, 황동, 또는 파일롯 아크 작동 및 전달된 아크 작동 양자 모두 동안 전류를 통과시키는데 적합한 다른 재료들과 같은 전기 전도성 재료로 제조된다. 단부 캡(106)은 재료 블랭크(material blank)로부터 스탬핑 접근방식을 사용하여 형성될 수 있다.

[00116] 다른 양태에서, 카트리지(100)는 쉴드를 추가로 포함할 수 있다. 도 8은, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 도 1의 카트리지(100)와 호환 가능한 예시적인 쉴드(600)를 도시한다. 쉴드(600)는 구리 또는 은과 같은 도전성 재료로 제조될 수 있다. 쉴드(600)는 크림핑, 나사 결합 및 스냅 피트 중 하나를 통해 노즐(108)에 부착될 수 있다. 일부 실시예들에서, 가스(예를 들어, 쉴드 가스)가 노즐(108)을 통해/노즐(108)에 의해 쉴드(600)로 유동하는 것을 허용하도록, 유동 통로(도시 생략)가 노즐(108)에 배치된다.

[00117] 도 9는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 도 1의 카트리지(100)의 분해도이다. 도 9는, 카트리지(100)를 형성하기 이전에 조립되지 않은 상태로, 노즐(108), 전극(104), 스월 링(102), 탄성 요소(122), 밀봉 디바이스(150), 및 단부 캡(106)을 도시한다. 일부 실시예들에서, 인서트(142)는 또한 카트리지(100)의 일부이다. 조립 중에, 전극(104)은 스월 링(102)의 말단 단부(110)에 노즐(108)을 결합시킴으로써 형성된 챔버에 수납된다. 노즐(108)은, 보유 요소(retention element)(216)(예를 들어, 노즐(108)이 크림핑되는 스월 링(102) 상에 배치된 홈 또는 노즐(108)이 나사 결합되는 나사산(thread))를 통해 스월 링(102)의 외벽에 견고하게 부착될 수 있다. 이러한 상호 연결이 전극(104)을 카트리지(100) 내에 고착하는 한편, 스월 링의 내벽은 전극(104)을 노즐(108)에 대해 길이 방향 축선(A)을 중심으로 축 방향으로 정렬시켜, 전극(104)이 그 축 방향 모션으로 제한된다. 탄성 요소(122)는, 탄성 요소가 스월 링(102) 내에서 전극(104)의 선단 단부(124)와 접촉할 때까지 그의 선단 단부(112)로부터 스월 링(102) 내로 삽입된다. 그 다음, 단부 캡(106)은, 단부 캡(106)의 원형 부분(304)에 탄성 요소(122)를 실질적으로 한정하고(confining) 단부 캡(106)에 대해 탄성 요소를 축 방향으로 정렬하면서, 스월 링(102)의 선단 단부(112)에 견고하게 부착된다. 단부 캡(106)은 보유 요소(230)(예를 들어, 단부 캡(106)이 크림핑되는 스월 링(102) 상에 배치된 홈 또는 단부 캡(106)이 나사 결합되는 나사산)를 통해 스월 링(102)에 연결될 수 있다. 이러한 상호 연결은, 단부 캡(106)의 편향 표면(308)이 탄성 요소(122)를 전극(104)의 선단 단부에 대하여 편항시키는 것을 가능하게 하며, 이에 의해 전극을 노즐(108)과의 맞닿음 포지션으로 가압한다. 이러한 상호 연결은, 또한 단부 캡(106)에 대해 전극(104)을 길이 방향으로 정렬하여, 전달된 아크 모드 동안, 전극이 단부 캡(106)의 함몰된 부분(304)의 접촉 표면(310)에 맞닿을 때까지, 전극(104)은, 단지, 노즐(108)로부터 충분히 멀리 후퇴할 수 있다. 더욱이, 밀봉 디바이스(150)는, 단부 캡(106)이 스월 링(102)에 부착되기 전에 또는 후에 스월 링(102)의 선단 단부(112)의 외부 표면 주위에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 5a 및 도 5b의 스월 링(702)이 스월 링(102) 대신 카트리지(100)에서 사용된다.

[00118] 일부 실시예들에서, 도 1의 카트리지(100)를 조립하는 방법이 제공된다. 먼저, 열가소성 재료가 스월 링(102 또는 702)을 형성하도록 몰딩된다. 스월 링(102 또는 702)의 다양한 피처들은, 스월 링(102)의 말단 단부(110)에서 몰딩된 가스 유동 개구들(136) 및/또는 노즐 보유 표면(216)과 같은 동일한 몰딩 프로세스 동안 생성될 수 있다. 유사한 피처들이 스월 링(702) 상에 몰딩될 수 있다. 조립 동안, 전극(104)이 스월 링(102 또는 702)의 중공 본체의 내측에 배치될 수 있다. 스월 링(102 또는 702)의 내벽은 전극(104)을 반경 방향으로 정렬시킬 수 있다. 전극은, 각각, 노즐 보유 표면(216 또는 716)을 통해 스월 링(102 또는 702)의 말단 단부(110)에 노즐(108)을 고정식으로 고착시킴으로써 스월 링(102 또는 702) 내에 보유될 수 있다. 예를 들어, 고정식 고착은 노즐 보유 표면(216 또는 716)에 대해 크림핑, 나사 결합 또는 스냅-피팅 중 하나를 통해 달성될 수 있다. 노즐(108)을 스월 링(102 또는 702)에 부착할 때, 전극(104)의 말단 단부(125)에 대한 노즐 출구 오리피스(144)의 반경 방향 센터링이 설정된다. 전극(104)은, 각각, 캡 보유 요소(230 또는 730)를 통해 스월 링(102 또는 702)의 선단 단부(112)에 단부 캡(106)을 고정식으로 고착함으로써 노즐(108)에 대해 길이 방향으로 정렬될 수 있으며, 이에 의해 가스 유동이 단부 캡(106)과 접촉하게 전극(104)을 편향시키는데 사용될 때 카트리지(100)의 전달된 아크 작동 동안 길이 방향 정렬을 설정한다. 자세하게는, 전달된 아크 모드 동안, 길이 방향 정렬은 전극(104)의 말단 단부(125) 및 노즐(108)의 출구 오리피스(144)에 의해 규정된 블로우-백 거리 내에서 전극(104)의 길이 방향 모션을 구속하는 것을 포함한다. 일부 실시예들에서, 탄성 요소(122)는 단부 캡을 스월 링(102 또는 702)에 부착하기 전에, 단부 캡(106)에 삽입되어 단부 캡(106)의 터널 부분(302)에 수납된다. 일부 실시예들에서, O-링 형태와 같은 밀봉 디바이스(150)는, 카트리지(100)가 플라즈마 아크 토치 본체에 설치될 때, 플라즈마 아크 토치 본체(도시 생략)의 내부 표면과 맞물림하도록 그 선단 단부(112)에서 스월 링(102 또는 702)의 외부 표면 상에 위치될 수 있다.

[00119] 시험 결과는, 105 amps의 전류로 작동하는 도 1의 카트리지 설계(100)는 PMX 105 amp 플라즈마 아크 토치(105 amps에서 작동됨) 내로 그리고 낮은 제조 비용으로 조립되는 개별 소모품들(예를 들어, 노즐, 전극, 및 스월 링)의 성능과 동일하거나 보다 나은 성능을 가질 수 있음을 나타내고 있다. 표 1은 PMX 105 Amp 플라즈마 아크 토치에 대한 카트리지(100)와 개별 소모품들 간의 성능 및 비용의 비교를 도시한다.

	카트리지 100	PMX 105 Amp 토치
105A에서 애노드 수명(시간)	2.5	2.2
1/2" 연강에서의 최대 절단 속도(분당)	95	95

스월 링, 전극, 및 노즐(즉, 단부 캡이 없음)의 결합된 비용을 나타내는 카트리지(100)의 비용은, 단지 노즐 및 전극의 비용을 포함하는 PMX 105 Amp 토치(즉, 스월 링이 심지어 고려되지 않은 경우)의 개별 소모품들의 총 비용보다 낮다. 성능면에서, 카트리지(100)가 내부에 설치된 토치는 개별 소모품 컴포넌트들을 포함하는 PMX 105 Amp 토치에 비하면 비교할 수 있는 최대 절단 속도를 갖는다. 카트리지(100)를 포함하는 토치의 성능은, 또한 애노드 수명의 면에서 보다 양호하다.

[00120] 전술된 이익들 이외에, 플라즈마 아크 토치에서 카트리지(100)를 사용하는 것과 연관된 많은 다른 이익들이 있다. 우선, 이러한 설계는 신속 교체 능력들, 짧은 셋업 시간, 및 최종 사용자를 위한 소모품 선택의 용이성을 통해 사용의 용이성을 촉진한다. 또한, 카트리지 교체시 소모품 다발들이 한번에 교체되기 때문에, 일관된 절단 성능을 제공하며, 여기서, 카트리지는 용이한 컴포넌트 정렬, 이에 따라 토지 작동의 정확성 및 반복성을 촉진시킨다. 대조적으로, 컴포넌트들이 상이한 시간에서 개별적으로 교체될 때 성능의 변동이 도입된다. 예를 들어, 오퍼레이터가 개별 토치 컴포넌트들을 서로에 대해 정렬하고 배향해야 할 때 오류를 발생시킬 여지가 더 많다. 다른 예에서, 동일한 컴포넌트(예를 들어, 스월 링)의 장기간의 재사용은 각각의 블로우-아웃 후에 치수 변경(dimensional alteration)을 야기할 수 있으며, 이에 의해 다른 모든 컴포넌트들이 규칙적으로 교체될지라도 성능 품질을 변경시킨다. 게다가, 카트리지의 제조 및/또는 설치 비용이 소모품들의 세트의 조합된 비용보다 낮기 때문에, 소모품들의 세트 교체 당 비용보다 카트리지 교체 당 연관된 비용이 더 낮다. 더욱이, 마킹, 절단, 수명 연장 등과 같은 상이한 적용들에 대해 토치 작동을 최적화하기 위해 상이한 카트리지들이 설계될 수 있다.

[00121] 일부 실시예들에서, 카트리지(100)는 일회용(single use)이며, 이는 카트리지의 수명이 끝날 때 개별 컴포넌트들의 분해 및 교체가 실용적이지 않거나 비용면에서 효율적이지 않다는 것을 의미한다. 카트리지(100) 전체는 개별적인 특정 부품들을 교체하지 않고 폐기 및/또는 폐기(예를 들어, 재활용)된다. 카트리지(100)가 재활용되면, 구리를 회수하는 것 이외에, 열가소성 재료들로 스월 링(102)을 구성하는 이익은, 재료를 반복적으로 재가열, 재성형 및 냉동시켜서 재료를 쉽게 재활용할 수 있다는 것이다. 대조적으로, Vespel ™ 및 다른 열경화성 재료들에는 재활용성을 촉진시키는 이러한 특성들은 결여된다.

[00122] 도 10은, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 접촉 시작 플라즈마 아크 토치용의 다른 예시적인 소모품 카트리지의 단면도이다. 도시된 바와 같이, 소모품 카트리지(1000)는 내측 컴포넌트(1004) 및 외측 컴포넌트(1002)를 갖는다. 외측 컴포넌트(1002)는 쉴드(1012), 리테이닝 캡(1014), 캡 슬리브(1016), 또는 절연체 컴포넌트(1028) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 외측 컴포넌트(1002)는 서로 고정식으로 고착된 2 개 또는 그 초과의 이들 컴포넌트들을 포함한다. 내측 컴포넌트(1004)는, 크라운(1006), 스월 링(1007), 전극(1008), 또는 노즐(1010) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 내측 컴포넌트(1004)는 도 10의 불규칙한 박스에 의해 예시된 바와 같이, 이들 모든 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 내측 컴포넌트(1004)는, 추가적으로, 도 1의 탄성 요소(122), 밀봉 디바이스(1030), 및/또는 신호 디바이스(2106)와 실질적으로 동일할 수 있는 탄성 요소(1026)를 포함할 수 있다. 카트리지(1000)의 전극(1008)은 도 1의 전극(104)과 실질적으로 동일할 수 있다. 예를 들어, 전극(1008)은 (예를 들어, 인서트(142)와 동일한) 방사성 인서트(emissive insert)(1042)를 포함할 수 있다.

[00123] 일반적으로, 카트리지(1000)는 일체형 단일 디바이스(integrated, unitary device)로서 함께 조립되는 다수의 소모품 피스들(multiple consumable pieces)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 카트리지(1000) 내의 요소들 중 어느 하나의 요소를 교체할 필요가 있으면, 전체 카트리지(1000)가 교체된다. 카트리지(1000)는, 토치 내로 조립될 때, 플라즈마 아크 토치를 접촉 시동(contact starting)시키기 위한 블로우-백(blow-back) 접촉 시동 기구를 사용할 수 있다. 예를 들어, 전극(1008)은 스프링 포워드(spring-forward) 전극일 수 있으며, 이는 탄성 요소(1026)(예를 들어, 스프링)가 전극(1008)의 선단 단부에 분리력을 가하여 전극(1008)을 크라운(1006)으로부터 멀리 그리고 노즐(1010)을 향해 편향시키는 것을 의미한다.

[00124] 외측 컴포넌트(1002)는, 길이 방향 축선(A), 말단 단부(1017)(즉, 카트리지(1000)를 포함하는 플라즈마 아크 토치의 작동 동안 워크피스에 가장 가까운 단부) 및 선단 단부(1018)(즉, 말단 단부(1017)의 반대편 단부)를 규정하는 실질적으로 중공 본체를 포함한다. 내측 컴포넌트(1004)는 내측 컴포넌트(1004)의 적어도 일부가 중공 본체에 의해 둘러싸여지는 상태에서 외측 컴포넌트(1002)의 중공 본체 내에 실질적으로 배치되도록 적응된다. 내측 컴포넌트(1004)는, 카트리지(1000)가 플라즈마 아크 토치에 조립되지 않을 때 컴포넌트들의 서로에 대해 독립적인 회전을 허용(즉, 회전 가능한 맞물림을 가능하게)하면서, 내측 컴포넌트(1004)에 대해 외측 컴포넌트(1002)를 길이 방향으로 제한(즉, 축 방향으로 고착)함으로써 외측 컴포넌트(1002)를 맞물림하도록 내측 또는 외측 표면 상에 배치된 맞물림 피처를 포함할 수 있다. 이러한 회전 가능한 맞물림 및 축 방향 고착은, 크림핑, 스냅 피팅, 마찰 피팅 또는 나사 결합 중 하나에 의해 달성될 수 있다.

[00125] 내측 컴포넌트(1004)는 노즐(1010), 스월 링(1007), 전극(1008), 및 크라운(1006)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 외측 컴포넌트와 내측 컴포넌트 사이의 회전 가능한 맞물림 및 축 방향 고착은, 마찰 피트, 크림핑, 스냅 피트 또는 나사 결합 연결(threading connection) 중 하나에 의해, 내측 컴포넌트(1004)의 노즐(1010)과 외측 컴포넌트(1002)의 리테이닝 캡(1014) 사이 인터페이스(1020)에서 발생한다. 예를 들어, 노즐(1010)은 리테이닝 캡(1014)의 말단 팁이 홈 내로 마찰 식으로 끼워맞춤되는 것을 허용하는 외부 표면 상에 원주 방향으로 배치된 홈과 같은 맞물림 피처를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 노즐(1010)은 인터페이스(1020)에서 리테이닝 캡(1014)에 고정식으로 고정(즉, 축 방향 및 반경 방향으로 구속)된다. 이 경우에, 외측 컴포넌트와 내측 컴포넌트 사이의 회전 가능한 맞물림 및 축 방향 고착은, 스월 링(1007)과 인터페이스(1021)에서 내측 컴포넌트(1004)의 노즐(1010) 사이의 회전 가능한 맞물림 및 축 방향 고착에 의해 간접적으로 달성될 수 있으며, 여기서, 노즐(1010)은 외측 컴포넌트(1002)에 고정식으로 고착된다. 일부 실시예들에서, 노즐(1010)은 인터페이스(1020)에서 리테이닝 캡(1014)에 고정식으로 고착되고, 스월 링(1007)은 인터페이스(1021)에서 노즐(1010)에 고정식으로 고착된다. 이 경우에, 외측 컴포넌트와 내측 컴포넌트 사이의 회전 가능한 맞물림 및 축 방향 고착은, 크라운(1006)과 인터페이스(1023)에서 내측 컴포넌트(1004)의 스월 링(1007) 사이의 회전 가능한 맞물림 및 축 방향 고착에 의해 간접적으로 달성될 수 있으며, 여기서, 스월 링(1007)은 노즐(1010)에 대한 그 연결을 통해 외측 컴포넌트(1002)에 고정식으로 고착된다.

[00126] 일반적으로, 내측 컴포넌트(1004)는 회전 가능한 맞물림 및 축 방향 고착 피처의 위치에 대해 전방 부분 및 후방 부분으로 분할될 수 있다. 예를 들어, 전방 부분은 회전 가능한 맞물림 및 축 방향 고착 피처를 포함하지만, 후방 부분은 포함하지 않는다. 즉, 후방 부분은 외측 컴포넌트(1004)와 축 방향 고착 및 회전 가능한 맞물림을 가능하게 하는 수단을 가질 수 없다. 일 예로써, 회전 가능한 맞물림 및 축 방향 고착 피처가 노즐(1010) 상에 배치된다면, 내측 컴포넌트(1004)의 전방 부분은 노즐(1010)을 포함하고, 후방 부분은 전극(1008), 스월 링(1007), 및/또는 크라운(1006)을 포함한다. 또 다른 예로서, 회전 가능한 맞물림 및 축 방향 고착 피처가 스월 링(1007)과 노즐(1010) 사이에 있다면, 내측 컴포넌트(1004)의 전방 부분은 스월 링(1007) 및 노즐(1010)을 포함하지만, 후방 부분은 전극(1008) 및 크라운(1006)을 포함한다. 내측 컴포넌트(1004)의 전방 부분에서 내측 및 외측 컴포넌트들의 회전 가능한 맞물림 및 축 방향 고착시에, 내측 컴포넌트(1004)의 후방 부분은 외측 컴포넌트(1002)의 중공체 본체 내에 실질적으로 매달려있도록(suspended) 적응된다. 따라서, 전방 부분에서 내측 및 외측 컴포넌트들의 회전 가능한 맞물림 및 축 방향 고착을 통해, 후방 부분은, 외측 컴포넌트(1002)의 중공 본체 내에 실질적으로 반경 방향으로 센터링된 채 유지하면서, 외측 컴포넌트(1002)의 중공 본체의 내측 표면과 물리적으로 거의 직접 접촉하지 않을 수 있다.

[00127] 일부 실시예들에서, 카트리지(1000)는 내측 컴포넌트(1004)의 후방 부분과 외측 컴포넌트(1004)의 선단 단부(1018) 사이의 중공 영역(hollow region)(1022)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 중공 영역(1022)은 (i) 크라운(1006)의 오목부 내의 중앙 공동 부분(1022a) 및 (ii) 크라운(1006) 및 스월 링(1007)의 외측 표면과 리테이닝 캡(1014) 및 캡 슬리브(1016)의 내측 표면 사이의 관형 부분(1022b)을 포함할 수 있다. 관형 부분(1022b)은, 실질적으로 중앙 공동 부분(1022a)을 둘러싸고, 그리고 중앙 공동 부분(1022a)보다 카트리지(1000) 내로 더 연장될 수 있다. 중공 영역(1022)은, 도 21 및 도 22를 참조하여 하기에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 내측 컴포넌트(1004)의 후방 부분(예를 들어, 크라운(1006))과 토치 헤드의 소정의 컴포넌트들(예를 들어, 캐소드) 사이의 정합을 가능하게 하기 위해 토치 헤드(도시 생략)를 수용하도록 구성된다.

[00128] 상기 설명된 바와 같이, 외측 컴포넌트(1002)는 길이 방향 축선(A)을 중심으로 실질적으로 대칭으로 배향되는 쉴드(1012), 리테이닝 캡(1014) 또는 캡 슬리브(1016) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 외측 컴포넌트(1002)는, 또한, 절연체 컴포넌트(1028)를 포함한다. 리테이닝 캡(1014) 및/또는 쉴드(1012)는 구리 또는 황동과 같은 전기적 및/또는 열 전도성 재료로 구성될 수 있다. 2 개의 컴포넌트들은 동일한 재료 또는 상이한 재료들로 제조될 수 있다(예를 들어, 쉴드(1012)는 구리로 제조될 수 있고 리테이닝 캡(1014)은 황동으로 제조될 수 있다). 캡 슬리브(1016) 및/또는 절연체 컴포넌트(1028)는, 플라스틱 재료(예를 들어, 나일론 수지) 또는 에테르 및 케톤 분자들로 형성된 중합체(예를 들어, 에테르 케톤계 화합물들)를 포함하는 고온 열가소성 재료, 이를테면, 폴리 에테르 에테르 케톤(PEEK)의 사출 성형을 통해 제조될 수 있다. 일부 실시예들에서, 캡 슬리브(1016), 또는 절연체 컴포넌트(1028) 중 적어도 하나는 스월 링(102 또는 702)과 동일하거나 유사한 재료로 제조된다. 일부 실시예들에서, 절연체 컴포넌트(1028)는 캡 슬리브(1016)의 온도보다 높은 온도를 견딜 수 있는 전기 절연 재료(예를 들어, 플라스틱)로 제조된다. 일반적으로, 외측 컴포넌트(1002)의 다양한 요소들 사이의 각각의 인터페이스들은 크림핑, 스냅 피트, 마찰 피트 또는 나사 결합 중 하나에 의해 형성될 수 있다.

[00129] 도 11은 도 10의 카트리지(1000)의 리테이닝 캡(1014)의 예시적인 구성이다. 리테이닝 캡(1014)은 실질적으로 균일한 두께를 갖는 실질적으로 중공 본체를 가질 수 있다. 컴포넌트를 제조하기 위한 스탬프 기술과 결합된, 리테이닝 캡(1014)의 균일한 두께는, 제조 절차를 단순화시키고 제조 사이클 시간, 소모품 중량, 및 재료 사용을 최소화한다. 일반적으로, 리테이닝 캡(1014)은 말단 부분(1106), 중간 부분(1107) 및 선단 부분(1108)의 3 개의 실질적으로 중공의 원통 부분들을 포함할 수 있다. 이 부분들은 길이 방향 축선(A)을 따라 함께 적층될 수 있고 단차식 구성(stepped configuration)을 형성할 수 있는데, 이 구성에서, 말단 단부(1106)는 중간 부분(1107)의 직경보다 반경방향으로(즉, 축선(A)에 수직) 더 작은 직경을 가질 수 있으며, 중간 부분은 선단 부분(1108)의 직경보다 더 작은 직경을 가질 수 있다.

[00130] 일부 실시예들에서, 리테이닝 캡(1014)의 말단 부분(1106)의 내부 표면은, 전방 부분이 리테이닝 캡(1014)의 중공 본체에 배치될 때, 스냅 피트, 마찰 피트, 크림핑, 또는 나사 결합 중 하나를 통해, 내측 컴포넌트(1004)의 전방 부분(예를 들어, 내측 컴포넌트(1004)의 노즐(1010))에 회전 가능하게 맞물림하고 축 방향으로 고착하도록 구성되는 보유 피처(1102)(예를 들어, 돌출부, 탭 또는 플랜지)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 보유 피처(1102)는 리테이닝 캡(1014)의 벽의 일부를 구부림으로써 생성될 수 있는 돌출부(1102a)를 포함한다. 돌출부(1102a)는 노즐(1010)의 홈 내로 스냅 피트(snap fit)하도록 적응된다. 게다가, 보유 피처(1102)는 마찰 피트를 통한 맞물림 시에 리테이닝 캡(1014)과 노즐(1010) 사이에 마찰을 생성하기 위해 돌출부(1102a)에 인접한 범퍼(1102b)를 포함한다. 돌출부(1102a) 및 범퍼(1102b)는, 이들이 맞물림 후에 컴포넌트들을 서로에 대해 독립적으로 회전할 수 있도록 치수가 정해진다. 대안적으로, 보유 피처(1102)는 내측 컴포넌트(1004)의 전방 부분을 고정식으로 맞물림(즉, 축 방향 및 반경 방향으로 고착)하도록 적절하게 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 리테이닝 캡(1014)의 말단 부분(1106)과 같은 리테이닝 캡(1014)의 일 섹션은, 가스가 통과할 수 있도록 리테이닝 캡(1014)의 내부 표면으로부터 외부 표면으로 연장되는 적어도 하나의 통기 홀(1112)을 포함한다.

[00131] 일부 실시예들에서, 리테이닝 캡(1014)의 선단 부분(1108)은, 카트리지(1000)가 토치 내로 설치될 때 플라즈마 아크 토치의 토치 헤드(도시 생략)와 맞물림하도록 하나 또는 그 초과의 나사산들(1104)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 2 개 또는 그 초과의 불연속적인 나사산들(1104)(예를 들어, 3 개의 나사산들)은, 토치 헤드의 적어도 일 부분이 선단 부분(1108)의 중공 본체에 배치될 때, 토치 헤드 상의 상보적 나사산들의 세트와 맞물림하도록 리테이닝 캡(1014)의 선단 부분(1108)의 내부 표면 주위에 원주 방향으로 배치될 수 있다. 토치 헤드와 리테이닝 캡(1014) 사이의 잠금(locking)은 리테이닝 캡(1014) 상에 배치된 불연속적인 나사산들(1104)의 수에 의존하는 정도에 의해 다른 컴포넌트에 대한 하나의 컴포넌트의 회전을 필요로 한다. 예를 들어, 3 개의 불연속적인 나사산들(1104)이 존재한다면, 컴포넌트들을 서로 잠금하기 위해서는 단지 약 120 도의 회전만이 필요하다. 이는 플라즈마 아크 토치 상에 카트리지(1000)를 신속하게 설치하는 것을 용이하게 한다. 일반적으로, 리테이닝 캡(1014)은 나사 결합식 맞물림을 통해 토치 헤드에 카트리지(1000)를 리테이닝하기에 충분한 재료 두께 및/또는 강도를 갖는다.

[00132] 도 12a 및 도 12b는, 각각, 외측 컴포넌트(1002)의 적어도 일 부분을 형성할 수 있는, 도 11의 금속성 리테이닝 캡(1014) 상에 오버몰딩된 예시적인 캡 슬리브(1016)의 단면도 및 외형도이다. 도 12a에 도시된 바와 같이, 캡 슬리브(1016)는 실질적으로 중공 본체를 가지며, 그 중 적어도 일 부분은 리테이닝 캡(1014)의 중간 및 선단 부분들(1107, 1108)의 외부 표면들 위에 오버몰딩된다. 일부 실시예들에서, 단지 리테이닝 캡(1014)의 말단 부분(1106)만이 완전히 노출된다. 캡 슬리브(1016)는 길이 방향 축선(A)을 따라 선단 단부(1206) 및 말단 단부(1208)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 캡 슬리브(1016)의 말단 단부(1208)는 절연체 컴포넌트(1028)와 맞물림하기 위한 하나 또는 그 초과의 보유 피처들을 포함한다. 예를 들어, 캡 슬리브(1016)의 말단 단부(1208)는 하나 또는 그 초과의 탭들(1209)로서 리테이닝 캡(1014)의 중간 부분(1107) 위에 몰딩될 수 있다. 융기된 피처(raised feature)(1210)가 각각의 탭들(1209) 상에 배치될 수 있다. 탭들(1209)과 융기된 피처(1210)의 조합은, 도 14a 내지 도 14c를 참조하여 이하에서 상세히 설명되는 바와 같이, 절연체 컴포넌트(1028)를 맞물림시키도록 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 캡 슬리브(1016)는 쉴드(1012)과 맞물림하기 위한 하나 또는 그 초과의 보유 피처들을 포함한다. 예를 들어, 캡 슬리브(1016)는 외부 표면 상에 배치된 적어도 하나의 홈(1212)을 포함할 수 있으며, 이 표면에 대해, 쉴드(1012)의 일 부분은 2 개의 컴포넌트들을 함께 고착하기 위해 크림핑될 수 있다.

[00133] 도 12b에 도시된 바와 같이, 캡 슬리브(1016)는 그 중앙 및 선단 부분들(1107, 1108)에서 리테이닝 캡(1014)을 실질적으로 둘러싸고, 리테이닝 캡(1014)을 넘어 길이 방향으로 선단 방향으로 연장될 수 있다. 일부 실시예들에서, 캡 슬리브(1016)가 리테이닝 캡(1014)의 선단 부분(1108)과 중첩되는 곳 근처의 캡 슬리브(1016)의 내경(1202)은, 캡 슬리브(1016)의 선단 단부(1206)에서 캡 슬리브(1016)의 내경(1204)보다, 예컨대, 0.5 도의 드래프트 만큼 더 작다. 캡 슬리브(1016)의 길이를 따른 이러한 가변 내경은 토치 헤드(도시 생략)를 리테이닝 캡(1014) 내로 삽입하는 것을 안내하는데 도움을 주며, 하나의 컴포넌트가 다른 부품에 대해 회전하기 전에 이들의 상대적 정렬을 용이하게하여 리테이닝 캡(1014)의 불연속적인 나사산들(1104)에서의 맞물림을 달성한다.

[00134] 도 13은 도 10의 카트리지(1000)의 외측 컴포넌트(1002)의 일부 또는 독립형(stand-alone) 요소일 수 있는 절연체 컴포넌트(1028)의 예시적인 구성이다. 절연체 컴포넌트(1028)는, 일반적으로, 형상이 원형이며 전기적으로 비전도성인 재료로 구성된다. 절연체 컴포넌트(1028)는, 외측 컴포넌트(1002)의 대부분(예를 들어, 리테이닝 캡(1014) 및 캡 슬리브(1016))을 쉴드(1012)로부터 이격시키고 쉴드(1012)로부터 리테이닝 캡(1014)을 전기 절연시키기 위해서 외측 컴포넌트(1002)의 리테이닝 캡(1014)/캡 슬리브(1016) 조합과 쉴드(1012) 사이에 위치될 수 있다. 절연체 컴포넌트(1028)는 절연체 컴포넌트(1028)의 말단 단부(1301)에 위치된 외형(contour), 단차(step) 또는 플랜지(flange)로서 또한 지칭되는 숄더(1304)를 포함한다. 숄더(1304)는 길이 방향 축선(A)에 실질적으로 수직하게 배향된다. 숄더(1304)는 개구(1316)를 규정하고, 이 개구는 리테이닝 캡(1014)의 말단 부분(1106)의 형상을 보완하고 말단 부분(1106)이 이 개구를 통과하는 것을 허용한다. 일부 실시예들에서, 개구(1316)는 리테이닝 캡(1014)의 말단 부분(1106)의 직경과 실질적으로 동일하거나 더 큰 직경을 가지지만, 리테이닝 캡(1014)의 중간 부분(1107)의 직경보다는 작아서, 중간 부분(1107)이 개구(1316)를 통과할 수 없다. 숄더(1304)의 외부 표면은, 가스 유동 경로를 제공하기 위해 개구(1316)를 중심으로 분산된 하나 또는 그 초과의 채널들(1318)을 포함할 수 있어서, 쉴드(1012)로 유동하는 가스의 일 부분이 채널들(1318)을 통해 이동하여 절연체 컴포넌트(1028) 및 쉴드(1012)를 냉각시킬 수 있다.

[00135] 절연체 컴포넌트(1028)는, 또한, 절연체 컴포넌트(1028)의 선단 단부(1303)에 위치되는 실질적으로 중공의 원통형 본체(1302)를 포함한다. 원통형 본체(1302)는 길이 방향 축선(A)을 중심으로 배치되고 길이 방향 축을 따라 연장된다. 일부 실시예들에서, 보유 피처들은 절연체 컴포넌트(1028)를 쉴드(1012) 및/또는 캡 슬리브(1016)와 맞물림하도록 원통형 본체(1302) 상에 제공된다. 예를 들어, 캡 슬리브 보유 피처(1305)는 원통형 본체(1302)의 내부 표면으로부터 외부 표면까지 연장되는 슬롯(1306)을 포함할 수 있다. 슬롯들(1306)은 원통형 본체(1302)를 중심으로 배치된 복수 개의 연장부들(1308)에 의해 규정되며, 여기서, 각각의 슬롯(1306)은 한 쌍의 연장 부들(1308) 사이에 위치된다. 캡 슬리브 보유 피처(1305)는, 또한, 대응 슬롯(1306) 둘레에 센터링된 원통형 본체(1302)의 내측 표면 상에 그리고 연장부들(1308) 상에 적어도 하나의 홈(1310)을 포함할 수 있다. 캡 슬리브 보유 피처들(1305)을 구성하는 홈들(1310) 및 슬롯들(1306)은 마찰 피트, 스냅 피트, 나사 결합 또는 크림핑 중 하나에 의해 캡 슬리브(1016)와 협동하여 맞물림하도록 구성된다. 쉴드 보유 피처(1311)는 슬롯(1306)에 인접한 것과 같이 원통형 본체(1302)의 외부 표면 상에 배치된 적어도 하나의 홈을 포함할 수 있다. 홈들(1311)은 예를 들어, 크림핑을 통해 쉴드(1012)와 맞물림하도록 구성된다.

[00136] 도 14a 내지 도 14c는, 캡 슬리브(1016) 및 리테이닝 캡(1014)에 고정식으로 고착된(fixedly secured) 도 13의 절연체 컴포넌트(1028)의 다양한 도면들이다. 3 개의 컴포넌트들(1028, 1016, 1014)은 외측 컴포넌트(1002)의 적어도 일 부분을 형성할 수 있다. 조립하는 동안, 리테이닝 캡(1014)의 말단 부분(1106)은, 숄더(1304)의 내부 표면(1320)이 리테이닝 캡(1014)의 중간 부분(1107)의 외부 표면(1110)에 대해 맞닿아, 추가의 전진이 가능하지 않을 때까지, 절연체 컴포넌트(1028)의 숄더(1304)에 의해 규정된 개구(1316)를 통해 미끄러질 수 있다. 이 지점에서, 리테이닝 캡(1014)과 캡 슬리브(1016)의 조합은, 절연체 컴포넌트(1028)가 리테이닝 캡(1014)의 중간 부분(1107)의 외부 표면(1110)을 실질적으로 둘러싸면서 절연체 컴포넌트(1028)에 대해 견고하게 착좌된다(seated). 절연체 컴포넌트(1028)의 캡 슬리브 보유 피처(1305)의 슬롯들(1306) 및 홈들(1310)은, 예를 들어, 절연체 컴포넌트(1028)를 캡 슬리브(1016)에 연결하기 위해 마찰 피트를 통해 캡 슬리브(1016)의 보유 피처(1210)와 맞물림할 수 있다. 마찰 피트를 위한 마찰은, 절연체 컴포넌트(1028)에 부착될 때 쉴드(1012)의 크림핑력에 의해 공급될 수 있다. 자세하게는, 절연체 컴포넌트(1028)의 홈들(1311)은, 표면을 제공할 수 있고, 이 표면에, 쉴드(1012)가 크림핑되어서 절연체 컴포넌트(1028)를 쉴드(1012)에 고정식으로 연결한다. 게다가, 절연체 컴포넌트(1028)와 캡 슬리브(1016) 사이의 연결은, 또한, 캡 슬리브(1016)에 대한 그 고정된 연결을 통해 절연체 컴포넌트(1028)를 리테이닝 캡(104)에 고정식으로 맞물림한다(즉, 캡 슬리브(1014)는 리테이닝 캡(1014)의 중간 부분(1107) 상에 오버몰딩됨).

[00137] 도 14c는, 절연체 컴포넌트(1028), 캡 슬리브(1016), 및 리테이닝 캡(1014)을 포함하는 조립체의 횡단면도를 예시하며, 여기서 횡단면도는 조립체의 말단 단부에서 관찰자의 반경 방향 평면 및 원근법으로부터의 것이다. 도시된 바와 같이, 절연체 컴포넌트(1028)가 리테이닝 캡(1014)에 맞닿을 때, 절연체 컴포넌트(1028)의 내부 표면의 하나 또는 그 초과의 홈들(1310)은 캡 슬리브(1014)의 탭들(1209)과 스냅 피트할 수 있지만, 캡 슬리브(1014)의 융기된 영역들(1210)은 절연체 컴포넌트(1028)의 슬롯들(1306) 내로 삽입될 수 있다. 이러한 스냅 피트 연결은, 절연체 컴포넌트(1028)를 캡 슬리브(1016)와 함께 (그리고 또한 오버몰딩된 캡 슬리브(1016)를 통해 캡(1014)을 리테이닝하기 위해) 고정식으로 결합할 수 있다. 각각의 융기된 영역(1210)의 단면 치수가 각각의 슬롯(1306)의 단면 치수보다 작기 때문에, 각각의 융기된 영역(1210)은 각각의 슬롯(1306)의 적어도 일 부분을 방해받지 않고 남겨 두어 가스 유동이 이를 통과하는 것을 허용하도록 적응된다. 도 14c에 도시된 바와 같이, 캡 슬리브(1016) 및 절연체 컴포넌트(1028)는 길이 방향 축선(A) 둘레에 반경 방향으로 배치된 4 개의 위치들에서 맞물림할 수 있다. 다른 실시예들에서, 더 적은 또는 더 많은 맞물림 위치들이 구성된다.

[00138] 도 15는 도 10의 카트리지(1000)의 외측 컴포넌트(1002)의 일부 또는 독립형(stand-alone) 피스일 수 있는 쉴드(1012)의 예시적인 구성이다. 도 15의 쉴드(1012)는 수작업 절단(hand-cutting) 플라즈마 아크 토치에 사용될 수 있다. 쉴드(1012)는 실질적으로 중공 본체를 포함한다. 중공 본체의 선단 부분(1502)의 일 섹션은, 쉴드(1012)를 캡 슬리브(1016)에 견고하게 연결하기 위해 캡 슬리브(1014)의 말단 단부(1208) 상의 하나 또는 그 초과의 홈들(1212)에 대해 크림핑될 수 있다. 선단 부분(1502)의 다른 섹션은, 쉴드(1012)를 절연체 컴포넌트(1028)에 견고하게 연결하기 위해 절연체 컴포넌트(1028)의 홈들(1311)에 대해 크림핑될 수 있다. 또한, 이들 연결들은 캡 슬리브(1016)에 (직접적으로 또는 간접적으로) 이들의 공통 연결을 통해 쉴드(1012)를 리테이닝 캡(1014)에 고정식으로 맞물림한다. 쉴드(1012)를 캡 슬리브(1016) 및/또는 절연체 컴포넌트(1028)에 연결하기 위한 다른 수단은, 또한, 나사 결합 또는 스냅 피트를 포함하여 본 발명의 범위 내에 있다. 쉴드(1012)는, 또한, 쉴드 출구 오리피스(1506) 및 쉴드(1012)의 내측 표면으로부터 외측 표면까지 연장되는 쉴드(1012)의 본체 상에 배치된 하나 또는 그 초과의 가스 통기 홀들(1504)을 포함할 수 있다.

[00139] 도 16은 도 10의 카트리지(1000)와 호환 가능한 다른 예시적인 쉴드(1600)이다. 쉴드(1600)는 기계화된 플라즈마 아크 토치에 사용될 수 있다. 쉴드(1600)는, 또한, 선단 부분(1602)을 포함할 수 있으며, 이 선단 부분은 크림핑, 마찰/스냅 피트 또는 나사 결합 중 하나에 의해 쉴드(1600)를 캡 슬리브(1016) 및 절연체 컴포넌트(1028)에 견고하게 연결하기 위해서, 도 15의 쉴드(1012)의 선단 부분(1502)과 실질적으로 동일하다. 쉴드(1600)는, 또한, 도 15의 쉴드(1012)와 유사한 쉴드 출구 오리피스(1606) 및 하나 또는 그 초과의 가스 통기 홀들(1604)을 포함할 수 있다.

[00140] 다른 실시예들에서, 쉴드(1012)는 도 8에 대해 전술된 쉴드(800)와 실질적으로 동일할 수 있다. 일부 실시예들에서, 절연체 컴포넌트(1028)는 리테이닝 캡(1014) 및 캡 슬리브(1016)에 대해 쉴드(1012)를 반경 방향으로 정렬 및 중심 맞춤하도록 치수가 정해진다. 도 10에 명확하게 예시된 바와 같이, 절연체 컴포넌트(1028)는 리테이닝 캡(1014)과 캡 슬리브(1016)의 조합으로부터 쉴드(1012)를 이격시킨다. 이에 따라, 쉴드(1012)가 캡 슬리브(1016) 및/또는 절연체 컴포넌트(1028)에 고정식으로 연결될 때, 컴포넌트들 사이의 엄격한 허용공차(tight tolerance)는 그의 반경 방향 오정렬을 초래할 수 있는 쉴드(1012)의 반경 방향 이동을 최소화한다.

[00141] 도 10을 참조하여 전술된 바와 같이, 내측 컴포넌트(1002)는 길이 방향 축선(A)을 중심으로 실질적으로 대칭으로 배향된, 크라운(1006), 전극(1008), 스월 링(1007), 또는 노즐(1010) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 내측 컴포넌트(1002)는 탄성 요소(1026), 밀봉 디바이스(1030), 및/또는 신호 디바이스(2106)를 부가적으로, 포함할 수 있다. 일반적으로, 내측 컴포넌트(1004)의 다양한 요소들 사이의 인터페이스들 각각은, 컴포넌트들을 고정식으로 연결하거나(즉, 축 방향 및 반경 방향으로 고착하거나) 축 방향으로 고착하고 회전 가능하게 맞물림하기 위해서, 크림핑, 스냅 피트, 마찰 피트, 또는 나사 결합 중 하나에 의해 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 내측 컴포넌트(1004)는 도 1을 참조하여 전술된 카트리지(100)와 실질적으로 동일하거나 유사하다. 예를 들어, 전극(1008)은 도 2의 전극(104)과 실질적으로 동일할 수 있다. 전극(1008)은, 전극(1008)이 탄성 요소(1026)와 접촉하기 위한 안정적인 표면을 제공하도록 선단 단부 근처에서 상대적으로 평탄할 수 있다.

[00142] 노즐(1010)은 도 10의 카트리지(1000)의 내측 컴포넌트(1004)의 일부일 수 있다. 노즐(1010)은 전극(1008)과 관련하여 플라즈마 챔버(1040)를 규정할 수 있다. 일부 실시예들에서, 노즐(1010)은 도 3의 노즐(108)과 실질적으로 동일하다. 도 17은 도 10의 카트리지(1000)의 노즐(1010)의 다른 예시적인 구성을 도시한다. 노즐(1010)은 길이 방향 축선(A)을 따라 말단 부분(1704), 중간 부분(1705), 및 선단 부분(1706)을 규정한다. 노즐(1010)은 인터페이스(1021)(도 10에 도시된 바와 같음)에서 노즐(1010)을 스월 링(1007)의 말단 단부에 연결하도록 구성된 외측 표면(1702b) 및 내측 표면(1702a)을 갖는 인덴트(indent)(1702)와 같이, 선단 부분(1706)에 보유 피처를 포함할 수 있다. 예를 들어, 스월 링(1007)의 말단 단부는 인덴트(1702) 내로 삽입될 수 있고, 그리고, 인덴트(1702)의 내측 표면(1702a) 또는 외측 표면(1702b) 중 적어도 하나는 2 개의 컴포넌트들을 함께 고착하기 위해 스월 링(1007)의 말단 단부 상의 홈에 대해 크림핑될 수 있다. 인터페이스(1021)에서의 노즐(1010)과 스월 링(1007) 사이의 연결은, (i) 회전 가능한 맞물림 및 축 방향 고착 또는 (ii) 고정된 맞물림(즉, 축 방향 및 반경 방향의 고착)이 스냅 피트, 크림핑, 마찰 피트, 또는 나사 결합 중 하나를 통해 이루어질 수 있다. 아래에서 설명되는 바와 같이, 노즐(1010)과 스월 링(1007) 사이의 맞물림은, 이 맞물림이 조립시 스월 링(1007)의 스월 홀들의 크기 및 형상을 규정함으로써 인터페이스(1021)에서 가스의 스월 강도를 제어하도록 적응된다.

[00143] 노즐(1010)은, 또한, 마찰 피트, 크림핑 또는 나사 결합 중 하나를 통해, 리테이닝 캡(1014)의 보유 피처(1102)를 회전 가능하게 맞물림하고 축 방향으로 고착하여 인터페이스(1020)(도 10에 도시된 바와 같이)를 형성하도록, 노즐(1010)의 외측 표면 상에 원주 방향으로 배치된 하나 또는 그 초과의 홈들(1708)과 같은 중간 부분(1705)에 보유 피처를 포함할 수 있다. 대안으로, 보유 피처(1708)는 리테이닝 캡(1014)을 고정식으로 고착하여(즉, 축 방향 및 반경 방향으로 고착하여) 인터페이스(1020)를 형성하도록 구성될 수 있다. 맞물림시, 리테이닝 캡(1014)은 노즐(1010)의 적어도 중간 부분(1705) 및 선단 부분(1706)의 외측 표면을 실질적으로 둘러싼다. 노즐(1010)은 중간 부분(1705)의 외측 표면 상에 원주 방향으로 배치된 일련의 융기된 요소들(1710b) 사이에 산재된 일련의 평탄한 요소들(1710a)을 더 포함할 수 있다. 융기된 요소들(1710b)은 리테이닝 캡(1014)에 대한 노즐(1010)의 반경 방향 정렬 및 센터링을 용이하게하고, 평탄한 요소들(1710a)은 가스가 이를 통과할 수 있도록 노즐(1010)과 리테이닝 캡(1014) 사이에 간격을 제공한다.

[00144] 도 18은, 노즐(1010), 리테이닝 캡(1014), 및 쉴드(1012)를 포함하는 조립체의 횡단면도이며, 여기서 횡단면도는 조립체의 선단 단부에서 관찰자의 반경 방향 평면 및 원근법으로부터의 것이다. 조립체는, 또한, 전극(1008)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 이들 컴포넌트들은 반경 방향으로 정렬되고 공통 중심(1802)과 동심으로 포지셔닝될 수 있다. 전극(1008)의 적어도 일 부분은, 전극(1008)의 반경 방향 이동을 제한함으로써 전극(1008)을 반경 방향으로 정렬시킬 수 있는 노즐(1010)의 내벽에 의해 규정되는 공동 내에 배치된다. 노즐(1010)의 적어도 일 부분은, 노즐(1010)의 반경 방향 이동을 제한함으로써 노즐(1010)을 반경 방향으로 정렬시키는 리테이닝 캡(1014)의 내벽에 의해 규정되는 공동 내에 배치될 수 있다. 자세하게는, 노즐(1010)의 외부 표면 상의 융기된 요소들(1710b)은 리테이닝 캡(1014)에 대해 노즐(1010)을 반경 방향으로 배향시키기 위해 리테이닝 캡(1014)의 대응 내측 표면에 맞닿음하도록 구성된다. 노즐(1010)의 외부 표면 상의 평탄한 요소들(1710a)은, 가스가 이를 통과할 수 있도록 노즐(1010)과 리테이닝 캡(1014) 사이의 간격을 허용한다. 리테이닝 캡(1014)의 적어도 일 부분은, 리테이닝 캡(1014)의 반경 방향 이동을 제한함으로써 리테이닝 캡(1014)을 반경 방향으로 정렬시킬 수 있는 쉴드(1012)의 내벽에 의해 규정되는 공동 내에 배치된다.

[00145] 전술된 바와 같이, 스월 링(1007)은 도 10의 카트리지(1000)의 내측 컴포넌트(1004)의 일부일 수 있다. 일부 실시예들에서, 스월 링(1007)은 도 4a 및 도 4b의 스월 링(102)과 실질적으로 동일하다. 일부 실시예들에서, 스월 링(1007)은 도 5a 및 도 4b의 스월 링(702)과 실질적으로 동일하다. 도 19a 내지 도 19c는 도 10의 카트리지(1000)의 스월 링(1007)의 다른 예시적인 구성의 다양한 도면들이다. 스월 링(1002)은 스월(102 또는 702)과 동일한 재료 및/또는 동일한 제조 프로세스로 만들어질 수 있다. 도시된 바와 같이, 스월 링(1002)은 길이 방향 축선(A)을 따라 말단 단부(1910) 및 선단 단부(1912)를 갖는 실질적으로 중공의 세장형 본체에 의해 규정될 수 있다. 스월 링(1007)의 중공 본체는 전극(1008)을 수용하고 길이 방향 축선(A)을 따라 전극(1008)의 길이에 걸쳐 실질적으로 연장하도록 치수가 정해진다. 이에 따라, 스월 링(1007)의 내벽은 전극(1008)의 반경 방향 이동을 제한함으로써 전극(1008)을 반경 방향으로 정렬시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 전극(1008)의 핀들(fins)은 선단 단부(1912)에서 스월 링(1007)의 개구보다 넓어서, 전극(1008)이 선단 단부(1912)로부터 스월 링(1007)을 벗어나는 것을 방해한다.

[00146] 2 개의 소모품 컴포넌트들을 함께 결합하기 위해서, 인터페이스(1021)가 스월 링(1007)의 말단 단부(1910)와 노즐(1008) 사이에 형성될 수 있다. 결합은, 스냅 피트, 크림핑, 마찰 피팅 또는 나사 결합 중 하나를 통해 노즐(1008)에 스월 링(1007)을 고정식으로 고착(즉, 축 방향 및 반경 방향으로 고착)할 수 있다. 대안으로, 결합은 컴포넌트들이 맞물림 후에 서로에 대해 독립적으로 회전하게 하는 노즐(1008)에 스월 링(1007)을 (예를 들어, 스냅 피트, 크림핑, 또는 마찰 피팅 중 하나를 통해) 회전 가능하게 맞물림하고 그리고 축 방향으로 고착시킬 수 있다. 예를 들어, 스월 링(1007)은 그 말단 단부(1910)에서 노즐(1010)을 고정식으로 고착하거나 회전 가능하게 맞물림하고 그리고 축 방향으로 고착시키기 위해 스월 링(1007)의 노즐 보유 표면(1930)(예를 들어, 내측 및/또는 외측 표면)을 포함할 수 있다. 노즐 보유 표면(1930)은 크림핑을 통해 노즐(1010)을 포획하기 위해 스월 링(1007)의 외측 표면 상에(예를 들어, 연장부들(1904) 상에) 위치된 피처(예를 들어, 하나 또는 그 초과의 홈들) 일 수 있다. 대안으로, 스월 링(1007)을 리테이닝하기 위해 유사한 보유 표면이 노즐(1010) 상에 배치될 수 있다.

[00147] 2 개의 소모품 컴포넌트들을 함께 결합하기 위해서, 다른 인터페이스(1023)가 스월 링(1007)의 선단 단부(1912)와 크라운(1006) 사이에 형성될 수 있다. 결합은 스냅 피트, 크림핑, 마찰 피팅 또는 나사 결합 중 하나를 통해 크라운(1006) 및 스월 링(1007)을 고정식으로 고착할 수 있다. 대안으로, 결합은 컴포넌트들이 맞물림 후에 서로에 대해 독립적으로 회전하게 하는 크라운(1006)에 스월 링(1007)을 (예를 들어, 스냅 피트, 크림핑, 또는 마찰 피팅 중 하나를 통해) 회전 가능하게 맞물림하고 그리고 축 방향으로 고착시킬 수 있다. 예를 들어, 스월 링(1007)은 그 선단 단부(1912)에서 크라운(1006)을 고정식으로 고착하거나 회전 가능하게 맞물림하고 그리고 축 방향으로 고착시키기 위해 스월 링(1007)의 표면(예를 들어, 내측 및/또는 외측 표면) 상에 위치되는 보유 피처(1932)를 포함할 수 있다. 보유 피처(1932)는, 예를 들어, 인터페이스(1023)를 형성하기 위해 크림핑(crimping)을 통해 크라운(1006)을 포착하기 위해 스월 링(1007)의 외면 둘레에 위치된 하나 또는 그 초과의 홈들일 수 있다. 대안으로, 스월 링(1007)을 결합시키기 위해 유사한 보유 피처가 크라운(1006)을 중심으로 배치될 수 있다. 일반적으로, 인터페이스(1021) 및/또는 인터페이스(1023)는 전극(1008)이 노즐(1010) 및 크라운(1006)에 대해 (길이 방향 및 반경 방향으로) 배치되고 정렬되는 챔버를 형성한다.

[00148] 일부 실시예들에서, 스월 링(1007)은 플라즈마 아크 토치에 대한 가스 유동에 대해 접선 방향 속도 성분을 부여하여 가스 유동을 소용돌이치게(swirl) 하도록 구성되는 반경 방향으로 이격된 가스 유동 개구들(1902)의 세트를 갖는다. 이러한 스월(swirl)은 아크를 압축하고 인서트(1042) 상의 아크의 포지션을 안정화시키는 소용돌이(vortex)를 생성한다. 하나 또는 그 초과의 가스 유동 개구들(1902)은, 그 말단 단부(1910)의 원주 둘레와 같이 그 세장형 본체의 말단 단부(1910)를 중심으로 배치된다. 일부 실시예들에서, 하나 또는 그 초과의 가스 유동 개구들(1902)이 몰딩된다(molded). 각각의 가스 유동 개구(1902)는 내부 표면으로부터 세장형 본체의 외부 표면까지 연장될 수 있고, 그를 통해 유동하는 가스(예를 들어, 공기)에 축선(A)에 대한 스월링 모션(swirling motion)을 부여하도록 배향된다. 각각의 가스 유동 개구(1902)는 기하학적으로 원형 또는 비-원형(예를 들어, 직사각형(rectangular), 정사각형식(squared) 및/또는 직각- 코너형(square-cornered))일 수 있다. 일부 실시예들에서, 가스 유동 개구들(1902)은 실질적으로 균일한 치수들을 갖는다. 일부 실시예들에서, 도 19에 도시된 바와 같이, 가스 유동 개구들(1902)은 스월 링(1007)의 말단 단부(1910)에서 슬롯들(1903)에 의해 적어도 부분적으로 규정된다. 이들 가스 유동 슬롯들(1903)은 말단 단부(1910)의 원주 둘레에 규칙적 또는 비 규칙적인 간격들로 이격된 복수 개의 연장 부들(1904)에 의해 형성되며, 여기서, 각각의 슬롯(1903)은 한 쌍의 연장부들(1904) 사이에 위치된다. 스월 링(1007)이 노즐(1010)에 맞물림되면, 슬롯들(1903)은 노즐(1010)의 선단 부분(1706)에 의해 폐쇄되어 경계지어지는 홀들(bounded holes)을 생성한다. 따라서, 각각의 가스 유동 개구(1902)는 노즐(1010)과 스월 링(1007)에 의해 협동적으로 규정된 2-피스 복합 개구일 수 있다. 노즐(1010)은, 조립시, 가스 유동 개구(1902)의 크기 및 형상을 치수 화함으로써 가스의 스월링 강도를 제어할 수 있다.

[00149] 일부 실시예들에서, 스월 링(1007)은 말단 단부(1910)와 선단 단부(1912) 사이의 외부 표면 둘레에 반경 방향으로 이격된 하나의 세트의 핀들(1914)을 갖는다. 도 19c에 예시된 바와 같이, 3 개의 핀들(1914)이 스월 링(1007)의 외부 표면 둘레에 배치된다. 더 적거나 더 많은 핀들이 가능하다. 핀들(1914)은 카트리지(1000)의 조립시 리테이닝 캡(1014)에 대해 스월 링(1007)을 반경 방향으로 정렬 및 중심맞춤하도록 구성된다. 전술된 바와 같이, 내측 컴포넌트(1004) 및 외측 컴포넌트(1002)가 결합되어 카트리지(1000)를 형성할 때, 스월 링(1007)을 포함할 수 있는 내측 컴포넌트(1004)의 후방 부분은, 외측 컴포넌트(1002)의 중공 본체 내에서 실질적으로 매달릴 수 있으며, 내측 컴포넌트와 외측 컴포넌트 사이의 맞물림 지점 이외의 외측 컴포넌트(1002)로부터 상대적으로 분리될 수 있다. 핀들(1914)은, 중공 본체 내에서 스월 링(1007)의 반경 방향 이동을 제한함으로써, 외측 컴포넌트(1002) 중공 본체 내에서(예를 들어, 리테이닝 캡(1014)의 내벽에 의해 규정된 공동 내에서), 스월 링(1007)을 반경 방향으로 정렬하도록 구성된다. 이에 따라, 각각의 핀(1914)은 반경 방향 길이(1916)를 가지며, 이 반경 방향 길이는, 스월 링(1007)이 리테이닝 캡(1014) 내에 센터링될 때, 스월 링(1007)의 외부 표면(즉, 핀들(1914) 없이)과 리테이닝 캡 링(1014)의 내측 표면 사이에서 반경 방향 거리 미만이거나 동일할 수 있다. 핀들(1914)은 실질적으로 균일한 치수들을 가질 수 있다. 핀들(1914)은 스월 링(1007)의 외주면 둘레에 일정 간격 또는 일정하지 않은 간격으로 이격된 복수 개의 돌기들일 수 있다. 핀들(1914) 사이의 반경 방향 간격은 가스가 이를 통해 유동하는 것을 허용한다. 게다가, 각각의 핀(1914)은, 스월 링(1007)이 리테이닝 캡(1014) 내에 중심 맞춤되어 가스가 이를 통과하는 것을 허용할 때 핀(1914)과 리테이닝 캡(1014)의 대응하는 내측 측벽 사이에 간극(clearance)이 있도록 구성될 수 있다. 대안으로, 핀들(1914)은 동일한 반경 방향 정렬 기능을 달성하기 위해 카트리지(1000)의 다른 컴포넌트들 상에 위치될 수 있다. 예를 들어, 핀들(1914)은 맞물림시, 내측 및 외측 컴포넌트들을 반경 방향으로 정렬하기 위해 리테이닝 캡(1014)의 내부 표면 상에서와 같이, 외측 컴포넌트(1002)의 내부 표면에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 핀들(1914)은, 예를 들어 스냅 피트를 통해 리테이닝 캡(1014)에 스월 링(1007)을 고착하기 위한 기구(도시 생략)를 포함한다. 이러한 연결은, 인터페이스(1021)에서 노즐(1010)과 스월 링(1007) 사이의 고착 기구를 대체할 수 있다.

[00150] 전술된 바와 같이, 크라운(1006)은 도 10의 카트리지(1000)의 내측 컴포넌트(1004)의 일부일 수 있다. 일부 실시예에서, 크라운(1006)은 도 7a 및 도 7b에 예시된 단부 캡(106)과 실질적으로 동일하다. 도 20a 및 도 20b는 도 10의 카트리지(1000)의 크라운(1006)의 예시적인 구성들이다. 크라운(1006)은 다음 기능들 중 적어도 하나를 제공한다 : (i) 인터페이스(1023)를 형성하도록 스월 링(1006)을 스월 링(1006)의 선단 단부(1912)에 회전 가능하게 맞물림하고 축 방향으로 고착시키거나 고정식으로 고착시킴으로써, 전극(1008)을 정렬시키는 것; (ii) 플라즈마 아크 토치(도시 생략) 내로의 카트리지(1000)의 조립시에 토치 헤드(도시 생략)의 캐소드(도시 생략)과 정합하는 것; (iii) 탄성 요소(1026)를 위한 홀더를 제공하는 것; (iv) 블로우-백 접촉 시작 구성에서 전극(1008)에 캐소드(예를 들어, 전력 공급 장치로부터 전류를 지향시키기 위한 전력 접촉(power contact))로부터 전류를 통과시키는 것.

[00151] 도 20a에 예시된 바와 같이, 크라운(1006)은 선단 단부(2020) 및 말단 단부(2022)를 규정하는 실질적으로 중공 본체(2000)를 갖는다. 중공 본체(2000)는 원형의 융기된 부분(2002) 및 함몰된 중심(2004)을 포함한다. 원형의 융기된 부분(2002)은 크라운(1006)의 선단 단부(2020)를 향해 연장되는 실질적으로 중공의 돌출부를 규정하고, 함몰된 중심(2004)은 선단 단부(2020)로부터 멀리 연장되는 공동을 규정한다. 함몰된 중심(2004)은 상대적으로 원통형 측벽(2004a) 및 상대적으로 평탄한 저부 벽(2004b)에 의해 규정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 크라운(1006)의 본체(2000)는 실질적으로 균일한 두께를 가지며, 이에 의해 효율적이고 균일한 전류 통과를 촉진하고 그리고 정밀한 소모품 정렬의 설정을 돕는다. 스탬프 제조 기술과 결합된, 크라운(1006)의 균일한 두께는 또한 제조를 단순화하고 제조 사이클 시간, 소모품 중량, 및 재료 사용을 최소화한다.

[00152] 일부 실시예들에서, 크라운(106)과 유사하게, 선단 단부(2020)에서 융기된 부분(2002)의 내부 표면(2008)은 탄성 요소(1026)와 물리적으로 접촉하고 전기적으로 연통하는 편향 표면을 규정한다. 탄성 요소(1026)는, 크라운(1006)으로부터 전극(1008)을 멀리 이동시키도록 전극(1008)의 선단 단부에 대해 편향될 수 있다. 즉, 탄성 요소(1026)는, 탄성 요소(1026)가 전극(1008)과 편향 표면(2008) 사이에 분리력을 부여하도록, 크라운(1006)의 편향 표면(2008)과 전극(1008)의 선단 단부 사이에 위치되며 물리적으로 접촉한다.

[00153] 일부 실시예들에서, 크라운(106)과 유사하게, 말단 단부(2022)에서 크라운(1006)의 함몰된 중심(2004)의 내부 표면은, 그 선단 단부에서 전극(1008)의 대응 접촉 표면(1044)과의 물리적 접촉 및 전기적 연통을 위해 구성되는 접촉 표면(2010)을 규정한다. 전달된 아크 모드 동안, 크라운(1006)의 접촉 표면(2010)은 전극(1008)의 대응 접촉 표면(1044)과 맞닿는(abutting) 관계에 있다. 그러나, 파일럿 아크 모드에서 파일럿 아크의 개시 동안, 접촉 표면(2010)은 2 개의 표면들 사이에서의 접촉의 부재(absence)에 의해 규정되는 대응 접촉 표면(1044)과 이격된(spaced) 관계에 있다.

[00154] 일부 실시예들에서, 크라운(106)과 유사하게, 탄성 요소(1026)는 일반적으로 크라운(1006)과 전극(1008) 사이에 유지된다. 탄성 요소(1026)는 내측 컴포넌트(1004)의 일부일 수 있고 크라운(1006) 또는 전극(1008)에 고착될 수 있다. 다른 실시예들에서, 탄성 요소(1026)는 전극(1008) 및 크라운(1006) 양자 모두에 고착된다. 예를 들어, 탄성 요소(1026)는 용접(welding), 솔더링(soldering), 접합(bonding), 체결(fastening), 직경 방향 억지 끼워맞춤(diametral interference fit) 또는 단부 캡(1006) 및/또는 전극(1008)에 대한 다른 유형의 마찰 피트(friction fit)에 의해 고착될 수 있다. 일부 실시예들에서, 크라운(1006)의 실질적으로 중공 본체(2000)는 그 편향 표면(2008)과 전극(1008)의 선단 단부 사이에 탄성 요소(1026)를 수납하도록 구성된다. 예를 들어, 크라운(1006)의 융기된 부분(2002)은 탄성 요소(1026)의 홀더로서 기능할 수 있다. 자세하게는, 탄성 요소(1026)는 편향 표면(2008), 터널 부분(2002)의 내측 내부 표면(2012) 및 외측 내부 표면(2014)에 의해 제 위치에 유지될 수 있으며, 여기서, 길이 방향 축선(A)에 대한 내측 내부 표면(2012)의 직경은 탄성 요소(1026)의 내경보다 약간 작고, 길이 방향 축선(A)에 대한 외측 내부 표면(2014)의 직경은 탄성 요소(1026)의 외경보다 약간 크다.

[00155] 일부 실시예들에서, 탄성 요소(1026)의 반경 방향 이동은, 스월 링(1007)이 크라운(1006)에 부착된 후에 스월 링(1007)의 선단 단부(1912)에 의해 더 구속된다. 도 10에 도시된 바와 같이, 크라운(1006)이 (예를 들어, 스월 링(1007)의 맞물림 홈(1932) 내로 크림핑됨으로써) 스월 링(1007)에 결합된 후에, 스월 링(1007)의 립 부분(1934)은 크라운(1006)의 융기된 부분(2002)의 내부로 연장할 수 있다. 따라서, 립 부분(1934)은 크라운(1006)의 내측에서 탄성 요소(1026)의 포지셔닝을 더 구속하고 안내할 수 있다.

[00156] 일부 실시예들에서, 크라운(1006)의 함몰된 중심(2004)은, 카트리지(1000)가 토치 헤드에 결합될 때, 토치 헤드(도시 생략)의 캐소드(도시 생략)를 실질적으로 둘러싸고 수납하도록 구성된다 캐소드는 함몰된 중심(2004)에 의해 형성된 공동의 측벽(2004a) 또는 저부 벽(2004b) 중 적어도 하나와 물리적으로 정합할 수 있다. 캐소드와의 정합시, 크라운(1006)은 동작의, 파일롯 모드 또는 전달된 아크 모드에서 캐소드로부터 전극(1008)으로 전류를 통과시키도록 적응된다. 예를 들어, 파일럿 작동 모드에서, 전류는 실질적으로 크라운(1006)의 측벽(2004a)을 통해 캐소드로부터 탄성 요소(1026) 및 전극(1008)으로 통과될 수 있다. 전달된 아크 작동 모드에서, 전류는 캐소드로부터, 실질적으로 크라운(1006)의 저부 벽(2004b)을 통해 그리고 접촉 표면들(2010, 1044)을 통해 전극(1008)에 직접적으로 통과될 수 있다.

[00157] 일부 실시예들에서, 융기된 부분(2002)은 토치 헤드 상에 카트리지(1000)를 설치할 때 플라즈마 아크 토치의 내측에서 소모품 센서와 접촉하여 이를 활성화하도록 구성된다. 융기된 부분(2002)의 이러한 기능은 도 22를 참조하여 이하에서 상세하게 설명될 것이다. 일부 실시예들에서, 크라운(1006)의 내부 표면으로부터 외부 표면으로 연장하는 개구(도시 생략)는 융기된 부분(2002)의 팁 상에 배치된다. 스월 링(1007)의 립 부분(1934)은 개구를 통해 크라운(1006) 내로 가깝게 연장하여 토치의 내측에서 소모품 센서와 접촉하여 이를 활성화될 수 있다. 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 선택적인 통기 홀(2016)(또는 가스 출구 오리피스)이 카트리지(1000)를 냉각시키기 위해(예를 들어, 탄성 요소(1026)를 냉각시키기 위해), 본체(2000)의 내부 표면으로부터 외부 표면으로 연장하는 크라운(1006)에 배치된다. 예를 들어, 통기 홀(2016)은 융기된 부분(2002)의 선단 팁에 위치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 스월 링(1006)의 립 부분(1934)은 소모품 센서를 활성화시키기 위해 통기 홀(2016)을 통해 연장할 수 있다. 일부 실시예들에서, 스월 링(1007)은 크라운(1006)의 일부이다.

[00158] 대안의 실시예들에서, 도 20b에 예시된 바와 같이, 개구(2030)는 크라운(1006)의 말단 단부(2022)에서 크라운(1006)의 내부 표면으로부터 외부 표면으로 연장한다. 이에 따라, 개구(2030)는 함몰된 중심(2004)에 의해 규정된 공동의 저부 벽(2004b)을 대체한다. 이 경우에, 캐소드는 개구(2030)를 통해 연장하고 전달된 아크 모드에서 전극(1008)과 물리적으로 접촉하도록 적응된다.

[00159] 다른 양태에서, 컴포넌트는 노즐(1010)과 외측 컴포넌트(1002) 사이에 삽입되어 이들 사이의 가스 유동을 제어할 수 있다. 도 21은, 일반적으로, 노즐(1010)의 중간 부분(1705)의 외측 표면과 리테이닝 캡(1014)의 중간 부분(1107)의 내측 표면 사이에 위치할 수 있는 예시적인 스페이서 컴포넌트(2150)를 도시한다. 와셔의 형태일 수 있는 스페이서(2150)는, 내측 컴포넌트(1004)의 일부(즉, 내측 컴포넌트(1004)에 고착됨), 외측 컴포넌트(1002)의 일부(즉, 내측 컴포넌트(1002)에 고착됨) 또는 독립형 피스(stand-alone piece)일 수 있다. 스페이서(2150)는 그 중간 부분(1705)에서 노즐(1010)의 외부 표면의 원주를 둘러싸도록 구성된 중심에 배치된 원형 개구(2152)를 갖는 얇은 실질적으로 원형인 디스크일 수 있다. 예를 들어, 스페이서(2150)는 (i) 그 외경(2156)이 리테이닝 캡(1014)의 중간 부분(1107)의 내경과 거의 같거나 그보다 작지만, 리테이닝 캡(1014)의 말단 단부(1106)의 내경보다 크고; 그리고 (ii) 원형 개구(2152)의 직경(2158)은 노즐(1010)의 중간 부분(1705)의 직경과 같거나 그보다 크지만, 노즐(1010)의 선단 부분(1706)의 직경보다 작도록 치수가 정해질 수 있다. 일부 실시예들에서, 원형의 개구(2152)는 이에 연결되는 (예를 들어, 직사각형 슬롯들, 반원들, 불규칙한 형상들, 문자들 등의 형태의) 복수 개의 가스 통로들(2154)을 갖는다. 가스 통로들(2154)은 규칙적이거나 불규칙적인 간격들로 원형의 개구(2152) 둘레에 반경 방향으로 분산될 수 있다. 일부 실시예들에서, 가스 통로들(2154)의 크기, 개수 및/또는 형상은, 상이한 양 및/또는 패턴의 가스 통과를 허용하도록 상이한 프로세스들에 대해 조정 가능하다. 스페이서(2150)는, 황동, 구리, 또는 알루미늄과 같은 전기 전도성 재료로 제조될 수 있다.

[00160] 도 22는 도 10의 카트리지(1000) 및 토치 헤드(2102)를 포함하는 예시적인 플라즈마 아크 토치(2100)를 도시한다. 일반적으로, (도 10에 도시된 바와 같이) 카트리지(1000)의 중공 영역(1022)은, 토치 헤드(2102)를 수용하고 이에 토치 헤드(2102)를 결합하도록 구성된다. 도 23은 도 22의 토치 헤드(2102)의 예시적인 구성이다. 토치 헤드(2102)는 길이 방향 축선(A)을 따라 말단 단부(2202) 및 선단 단부(2204)를 규정한다. 도시된 바와 같이, 토치 헤드(2102)의 말단 단부(2202)는, 일반적으로, 외측 원형 부분(2206), 외측 원형 부분(2206)에 의해 둘러싸인 내측 공동 부분(2208), 및 공동 부분(2208)에 배치된 캐소드(2210)를 가지며, 이들 전부는 길이 방향 축선(A)을 따라 동심으로 정렬된다. 소모품 센서(2104)는 또한, 캐소드(2210)에 실질적으로 평행하게 토치 헤드(2102)의 내측에서 공동(2208)에 배치될 수 있다. 외측 원형 부분(2206)은 캐소드(2210)보다 길이 방향 축선(A)을 따라 말단 방향으로(distally) 더 연장될 수 있다. 일부 실시예들에서, 외측 원형 부분(2006)의 외부 표면은 카트리지(1000)와 맞물림하도록 구성된 하나 또는 그 초과의 나사산들(2212)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 소모품 센서(2104)는 토치 헤드(2102) 내부에 위치된 스위치이다. 소모품 센서(2104)는 플런저의 형태일 수 있어서, 플런저가 활성화되지 않을 때, 플런저는 연장된 포지션에 있게 된다. 소모품 센서(2104)의 활성화시, 토치(2100)는 토치 작동들을 가능하게 하기 위해 토치 헤드(2102)로부터 카트리지(1000)로의 전류의 흐름을 제공할 수 있다.

[00161] 도 22를 참조하면, 카트리지(1000)의 중공 영역(1022)은, (i) 중공 영역(1022)의 중심 공동 부분(1022a)은 토치 헤드(2102)의 캐소드(2210)와 정합하도록 적응되고, 그리고 (ii) 중공 영역(1022)의 연장된 관형 부분(1022b)은 토치 헤드(2102)의 외측 원형 부분(2206)과 정합하도록 적응되게, 토치 헤드(2102)의 말단 단부(2202)를 보완하도록 형상이 정해지고 치수가 정해진다. 중심 공동 부분(1022a)(즉, 크라운(1006)의 함몰된 중심(2004)에 의해 규정된 공동)은 카트리지(1000) 내로 연장되는 캐소드(2210)를 물리적으로 수용함으로써 캐소드(2210)의 적어도 일 부분을 실질적으로 둘러싸고 그리고 물리적으로 접촉한다. 이에 따라, 크라운(1006)은 캐소드(2210)와 전극(1008) 사이에 배치되고, 크라운(1006)은 캐소드(2210) 및/또는 전극(1008)과 전기적으로 연통하도록 적응된다. 자세하게는, 크라운(1006)의 함몰된 부분은, 캐소드(2210)가 적어도 전달된 아크 모드 동작에서 전극(1008)과 직접적인 전기적 연통을 유지하는 것을 허용하는 인터페이스를 제공한다. 일부 실시예들에서, (도 20b에 도시된 바와 같이) 크라운(1006)의 함몰된 부분의 저부에 개구(2030)가 있다면, 캐소드(2210)는 개구(2030)를 통해 배치되어 적어도 전달된 아크 모드 동작에서 전극(1008)과 직접적인 전기적 연통 및 물리적 접촉을 유지할 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드(2210)는 탄성 요소(1026)에 인접하고 실질적으로 평행하게 연장될 수 있다.

[00162] 일부 실시예들에서, 중공 본체(1022)의 중심 공동 부분(1022a)과 캐소드(2210) 사이의 정합은, 내측 컴포넌트(1004)(또는 내측 컴포넌트(1004)의 적어도 크라운(1006))가 반경 방향 평면에서 회전하는 것을 방지하여, 이에 의해 크라운(1006)을 반경 방향으로 제 위치에 잠금한다. 이러한 정합은, 또한, 크라운(1006)의 융기된 부분(2002)이 소모품 센서(2104)에 대해 가압하는 것(예를 들어, 플런저를 수축된 포지션으로 밀어 넣는 것)을 허용하며, 이에 의해 센서(2104)를 활성화시키고 토치가 작동하는 것을 허용한다. 대안의 실시예들에서, 카트리지(1000)의 다른 요소들에서(예를 들어, 스월 링(1007) 상에서) 하나 또는 그 초과의 융기된 피처들(도시 생략)은 소모품 센서(2104)를 가압하여 센서(2014)를 활성화시키기 위해 크라운(1006)을 가깝게 통과하여 연장될 수 있다. 예를 들어, 스월 링(1007)의 립 부분(1934)은 소모품 센서(2104)와 접촉하고 활성화하기 위해 크라운(1006)의 통기 홀(2016) 또는 다른 홀(도시 생략)을 통과하여 연장될 수 있다.

[00163] 카트리지(1000)의 내측 컴포넌트(1004) 및 외측 컴포넌트(1002)가 축 방향 평면에서 독립적으로 회전 가능하기 때문에, 내측 컴포넌트(1004)의 반경 방향 잠금은 여전히 외측 컴포넌트(1002)가 축 방향으로 회전하는 것을 허용한다. 따라서, 캐소드(2210)와 내측 컴포넌트(1004) 사이의 고정된 맞물림시, 오퍼레이터는 축 방향으로 외측 컴포넌트(1002)를 회전시킬 수 있어서, 리테이닝 캡(1014)의 내면 상에 배치된 나사산들(1104)이 토치 헤드(2102)의 외측 표면 상에 상보적 나사산들(2212)을 고정식으로 맞물림하여 토치 헤드(2102)를 카트리지(1000)에 더 고착시킨다. 대안으로, 나사산들은 토치 헤드(2102)를 맞물림시키기 위해, 내측 컴포넌트(1004) 상에, 예컨대 스월 링(1007)의 외측 표면 상에, 배치될 수 있다.

[00164] 일부 실시예들에서, O-링과 같은 밀봉 디바이스(1030)는, 카트리지(1000)가 토치 헤드(2102)에 결합될 때, 토치 헤드(2102)의 내부 표면과 맞물림하도록 그 선단 단부(1912)에서 스월 링(1007)의 외부 표면에 결합된다. 밀봉 디바이스(1030)는 그 위치에서 카트리지(1000)와 토치 헤드(2102) 사이에서 유체들(예를 들어, 가스들)의 누수 방지 시일(leak-proof seal)을 제공하도록 구성된다.

[00165] 일부 실시예에서, 전기적으로 기록 및/또는 판독 가능한 디바이스와 같은 신호 디바이스(2106)는, 하나 또는 그 초과의 신호들의 형태로 스월 링(1007) 및/또는 다른 카트리지 컴포넌트들에 대한 정보를 전송하기 위해 카트리지(1000)의 스월 링(1007)에 부착된다. 신호 디바이스(2106) 상에 인코딩된 예시적인 정보는, 소모품의 이름, 상표, 제조자, 일련 번호, 및/또는 유형과 같은 일반적인 또는 고정된 정보를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 인코딩된 정보는 소모품의 금속 조성, 소모품의 중량, 소모품이 제조되었던 날짜, 시간 및/또는 위치 등과 같이 소모품에 대해 고유하다. 신호 디바이스(2106)에 인코딩된 정보는, 또한, 소모품의 검출 가능한 물리적 특성과 무관한 소모품에 대한 작동 파라미터들 및/또는 데이터를 지정할 수 있다. 신호 디바이스(2106)는 무선 주파수 식별(radio-frequency identification, RFID) 태그 또는 카드, 바코드 라벨 또는 태그, 집적 회로(integrated circuit, IC) 플레이트 등일 수 있다. 일부 실시예들에서, 신호 디바이스(2106)는 그 선단 단부(1912) 근처에서(예를 들어, 스냅 피트를 통해) 스월 링(1007)의 외부 표면 둘레에 결합된 원형 RFID 태그이다. 일반적으로, 신호 디바이스(2106)는 카트리지(1000)의 일부일 수 있고, 신호 전송 및 수신을 간섭할 수 있는 금속성 컴포넌트들로부터 멀어지는 카트리지(1000) 내의 위치에 포지셔닝될 수 있다. 일부 실시예들에서, 수신기(2107)는 신호 디바이스(2106)에 의해 무선으로 전송된 정보를 수신하기 위해 토치 헤드(2102) 또는 카트리지(1000)에 배치될 수 있다. 수신기(2107)는 이러한 신호들을 처리하여 관련 데이터를 추출하고 데이터를 분석을 위해 프로세서(도시 생략)에 전송하도록 적응된다.

[00166] 도 24a 및 도 24b는, 파일럿 아크 개시 동안 도 10의 카트리지(1000)를 통과하는 예시적인 파일럿 아크 전류 흐름 경로들을 도시한다. 자세하게는, 도 24a는, 전극(1008)이 전극 본체의 원주 둘레에 배치된 적어도 하나의 플랜지(2402)를 갖는다면, 카트리지(1000)를 통과하는 예시적인 파일럿 아크 전류 흐름 경로(2400)를 도시한다. 토치 작동의 파일럿 아크 모드에서, 플랜지(2402)는 전극(1008)의 말단 단부(2404) 대신에 노즐(1010)과 접촉하도록 적응된다. 게다가, 플랜지(2402)가 노즐(1010)과 접촉할 때 전극(1008)의 말단 단부(2404)와 노즐(1010) 사이에 간극(clearance)이 있을 수 있다. 전술된 바와 같이, 파일럿 아크 전류(2400)는 소모품 센서(2104)의 활성화시 토치 헤드(2102)로부터 카트리지(1000)로의 전력 공급 장치(도시 생략)에 의해 제공될 수 있다. 도시된 바와 같이, 파일럿 아크 전류(2400)는, 토치 헤드(2102)의 캐소드(2210)로부터, 캐소드(2210)와 접촉하는 크라운(1006)의 본체(2000)를 통해, 크라운(1006)의 내측에 수납된 탄성 요소(1026)로 이동하도록 적응된다. 파일럿 아크 전류(2400)는, 노즐(1010)에 대해 전극(1008)을 편향시키는 탄성 요소(1026)를 통해 전극(1008)으로 통과될 수 있다. 탄성 요소(1026)가, 플랜지(2402)에서, 전극(1008)을 노즐(1010)과 맞닿는 관계로 압박하기 때문에, 플랜지(2402)에서 크라운(1006)의 접촉 표면(2010)과 전극(1008)의 대응 접촉 표면(1044) 사이의 물리적 접촉 및 전기적 연통이 존재하지 않는다. 탄성 요소(1026)는 실질적으로 모든 파일럿 아크 전류(2400)를 크라운(1006)으로부터 전극(1008)으로 통과시키도록 구성될 수 있다. 전류(2400)는 전극(1008)의 플랜지(2402)로부터 노즐(1010)로 계속 흐르고 리테이닝 캡(1014) 및 토치 헤드(도시 생략)를 통해 전력 공급 장치로 복귀한다.

[00167] 도 24b는, 전극(1008)이 말단 단부(2404)(여기에서, 하프늄(1042)이 위치됨) 이외의 임의 노즐 접촉 피처(예를 들어, 플랜지들(2402))를 갖지 않는다면, 카트리지(1000)를 통과하는 예시적인 파일럿 아크 전류 흐름 경로(2450)를 도시한다. 이 구성에서, 파일롯 아크 전류 경로(2450)는, 탄성 요소(1026)가 전극(1008)을 노즐(1010)과 맞닿음 관계로 가압할 때 전극(1008)의 말단 단부(2404)가 노즐(1010)과 접촉하도록 적응되는 것을 제외하고는 파일럿 아크 전류 경로(2400)와 유사하다.

[00168] 파일럿 아크 개시 후에, 가스가 전극(1008)과 노즐(1010) 사이에서 플라즈마 챔버(1040) 내로 도입된다. 가스 압력은, 압력이 탄성 요소(1026)에 의해 가해진 분리력을 극복하기에 충분할 때까지 플라즈마 챔버(1040) 내에 형성될 수 있다. 그 지점에서, 전극(1008)의 대응 접촉 표면(1044)이 크라운(1006)의 접촉 표면(2010)과 물리적으로 접촉하게 될 때까지, 가스 압력은 (탄성 요소(1026)를 압축시키면서) 전극(1008)을 크라운(1006)을 향해 그리고 길이 방향 축선(A)을 따라 노즐(1010)로부터 멀리 이동시킨다. 전극(1008)이 가스 압력에 의해 노즐(1010)로부터 멀리 이동됨에 따라, 워크피스(도시 생략)에 전달될 수 있는 플라즈마 아크 또는 제트를 형성하기 위해서, 아크가 플라즈마 챔버(1040)에서 생성되거나 개시된다.

[00169] 도 25는, 토치 작동의 전달된 아크 모드 동안 도 10의 카트리지(1000)를 통과하는 예시적인 전달된 아크 전류 흐름 경로를 도시한다. 이 모드에서, 전극(1008)의 대응 접촉 표면(1044)은 크라운(1006)의 접촉 표면(2010)과 실질적으로 평탄한 물리적 접촉으로 맞물림되어 전기적 연통을 설정한다(예를 들어, 전류가 접촉 표면(2010)과 대응 표면(1044)의 인터페이스에서 크라운(1006)과 전극(1008) 사이를 통과함). 크라운(1006)의 접촉 표면(2010)이 전극(1008)의 대응 표면(1044)과 맞닿을 때, 전류의 적어도 일부가 2 개의 컴포넌트들 사이를 직접 통과하도록 전류 경로가 설정된다. 아크가 워크피스에 전달되면, (예를 들어, 전달된 아크 모드 동안) 절단 전류가 토치에 공급된다. 절단 전류는, (1) 탄성 요소(1026) 및/또는 (2) 접촉 표면들(2010, 1044) 사이의 인터페이스를 통해 전달된 아크 작동 동안 크라운(1006)을 통해, 캐소드(2210)로부터 전극(1008)으로 통과될 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 25에 예시된 바와 같이, 크라운(1006)을 통해 캐소드(2210)로부터 전극(1008)까지 직접적인 전류 경로(2500)는, 캐소드(2210)로부터, 크라운(1006)으로, 그리고 탄성 요소(1026)를 통해 전극(1008)으로의 전류 경로보다 낮은 저항 및/또는 높은 컨덕턴스를 갖는다. 전류 경로(2500)에서의 더 낮은 저항은, 전달된 아크 모드 동안 크라운(1006)이 캐소드(2210) 및 전극(1008) 양자 모두와 물리적으로 접촉한다는 사실에 의해 더욱 향상된다. 따라서, (전달된 아크 모드에서) 플라즈마 아크를 유지하기 위한 실질적으로 모든 전류(2500)가 접촉 표면들(2010, 1044) 사이에서 직접 통과될 수 있다.

[00170] 일반적으로, 내측 컴포넌트(1002)는 동작들의 파일럿 아크 모드와 전달된 아크 모드 양자 모두를 지지하기 위해 실질적으로 전도성이다. 게다가, 크라운(1006)은 파일럿 아크 모드 및 전달된 아크 모드 양자 모두에서 캐소드(2210)와 직접적인 물리적 및 전기적 접촉을 유지할 수 있다. 크라운(1006)은, 또한, 전달된 아크 모드에서 전극(1008)과 직접적인 물리적 및 전기적 접촉을 유지할 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드(2210)가 전달된 아크 모드에서 전극(1008)과 물리적으로 접촉하고 전기적 연통하는 것을 허용하는 크라운(2006)의 함몰된 중심(2004)의 저부 벽(2004b)에 개구가 있다. 파일럿 아크 모드에서, 캐소드(2210)는 전극(1008) 상의 탄성 요소(1026)에 의해 가해진 분리력으로 인해 전극(1008)으로부터 물리적으로 분리될 수 있다.

[00171] 도 26은 도 10의 카트리지(1000)를 통과하는 예시적인 가스 유동 경로이다. 가스 유동(2602)은 카트리지(1000) 내로 도입될 수 있고, 리테이닝 캡(1014)의 내부 표면과 스월 링(1007)의 외부 표면 사이의 채널에서 외측 컴포넌트(1002)의 말단 단부(1017)를 향해 이동할 수 있다. 가스 유동(2602)은, 핀들(1914)이 스월 링(1007)의 외부 표면 상에 그리고/또는 리테이닝 캡(1014)의 내부 표면 상에 있을 수 있는 채널에 배치된 핀들(1914) 위로 이동하도록 적응된다. 가스 유동(2602)은, 스월 링(1007)의 말단 단부(1910)에서, (i) 스월 링(1007)의 말단 단부(1910) 상의 가스 유동 슬롯들(1903)의 세트를 통해 지향된 전극 냉각 유동(2604) 및 (ii) 노즐(1010)과 리테이닝 캡(1014) 사이에 일반적으로 지향된 리테이닝 캡 유동(2608)으로 분기된다. 묘사된 바와 같이, 전극 냉각 유동(2604)은 플라즈마 챔버 유동(2606)과 통기 유동(2607)의 두 부분들로 추가로 분기될 수 있다. 플라즈마 챔버 유동(2606)은 플라즈마 챔버(1040)에 도달하기 전에 전극(1008) 및 노즐(1010) 양자 모두를 냉각시켜 내부의 플라즈마 아크를 압축시키도록 전극(1008)의 외부 표면과 노즐(1010)의 내부 표면 사이에서 말단 방향으로 이동한다. 플라즈마 챔버 유동(2606)은 노즐(1010)의 노즐 출구 오리피스와 쉴드(1012)의 쉴드 출구 오리피스(1506)를 통해 플라즈마 챔버(1040)를 나갈 수 있다. 통기 유동(2607)은 외측 컴포넌트(1002)의 선단 단부(1018)에 대해 반대 방향으로 이동하고 크라운(1006)의 통기 홀(2016)을 통해 카트리지(1000)를 나가도록 적응된다.

[00172] 리테이닝 캡 유동(2608)은 리테이닝 캡(1014)의 내부 표면과 노즐(1010)의 외부 표면 사이의 채널 내에서 이동하도록 적응된다. 일부 실시예들에서, 리테이닝 캡 유동(2608)은 리테이닝 캡(1014)의 중간 부분(1107)과 노즐(1010)의 중간 부분(1705) 사이에 위치된 스페이서 컴포넌트(2150) 상의 하나 또는 그 초과의 가스 통로들(2154)을 통해 이동할 수 있다. 이들 가스 통로들(2154)은 이를 통과하는 가스 유동을 조절하도록 크기 및 치수가 정해질 수 있다. 리테이닝 캡 유동(2608)은 리테이닝 캡(1014)의 말단 부분(1106)과 노즐(1010)의 중간 부분(1705) 사이의 채널의 섹션으로 계속될 수 있다. 일부 실시예들에서, 노즐(1010)의 외부 표면 상의 평탄한 요소들(1710a)은, 가스가 이를 통과할 수 있도록 노즐(1010)과 리테이닝 캡(1014) 사이에 공간을 제공한다. 리테이닝 캡(1014)의 말단 단부(1106)에서, 리테이닝 캡(1014) 상에 배치된 하나 또는 그 초과의 통기 홀들(1102)은 리테이닝 캡 유동(2608)이 리테이닝 캡(1014)과 노즐(1010) 사이의 채널 밖으로 흘러 나오고 그리고 2 개의 부분들(말단 쉴드 유동(2610) 및 선단 쉴드 유동(2612))로 분기하는 것을 허용한다. 말단 쉴드 유동(2610)은 노즐(1010)과 쉴드(1012) 사이의 외측 컴포넌트(1002)의 말단 단부(1017)를 향해 이동할 수 있고, 쉴드(1012)의 쉴드 출구 오리피스(1506) 또는 쉴드(1012) 상의 하나 또는 그 초과의 통기 홀들(1504)을 통해 카트리지(1000)를 나갈 수 있다. 말단 쉴드 유동(2610)은 노즐(1010) 및 쉴드(1012)를 냉각시킬 수 있다. 선단 쉴드 유동(2612)은 쉴드(1012)와 리테이닝 캡(1014)/캡 슬리브(1016) 조립체 사이에 배치된 절연체 컴포넌트(1028)의 슬롯들(1306) 및 가스 채널들(1318)을 통해 통과하도록 선단 방향으로 유동할 수 있다. 선단 쉴드 유동(2612)은 캡 슬리브(1016)와 쉴드(1012) 사이에 위치된 적어도 하나의 통기 홀(2620)을 통해 카트리지(1000)를 나갈 수 있다. 선단 쉴드 유동(2612)은 절연체 컴포넌트(1028) 및 쉴드(1012)를 냉각 시키도록 적응된다.

[00173] 일부 실시예들에서, 가스 유동들의 스월링 및/또는 혼합(즉, 가스 유동들에서 축 방향, 반경 방향, 및 원주 방향 성분들의 존재에 의해 특성화됨)은 카트리지(1000) 전체의 수개의 위치들, 이를테면 유동 채널들이 상대적으로 일직선인 위치들에서 발생할 수 있다. 예를 들어, 통기 유동(2607)의 스월링 및/또는 혼합은 통기 유동이 크라운(1006)을 통해 이동할 때 발생할 수 있다. 또 다른 예로서, 리테이닝 캡 유동(2608)의 스월링 및/또는 혼합은 리테이닝 캡(1014)의 말단 부분(1106)의 내부 표면과 노즐(1010)의 중간 부분(1705)의 외부 표면 사이의 채널에서 이동할 때 발생할 수 있다. 또 다른 예로서, 선단 쉴드 유동(2612)의 스월링 및/또는 혼합은 선단 쉴드 유동이 절연체 컴포넌트(1028)를 통해 선단 방향으로 유동할 때 발생할 수 있다.

[00174] 도 27은 도 10의 카트리지(1000)의 분해도이다. 도 27은, 쉴드(1012), 절연체 컴포넌트(1028), 캡 슬리브(1016), 리테이닝 캡(1014), 스페이서 컴포넌트(2150), 노즐(1010), 인서트(1042), 전극(1008), 탄성 요소(1026), 스월 링(1007), 크라운(1006), 밀봉 디바이스(1030) 및 신호 디바이스(2106)를 도시한다. 외측 컴포넌트(1002)의 조립 중에, 캡 슬리브(1016)는, 리테이닝 캡(1014)의 적어도 중간 부분(1107) 및 선단 부분(1108)을 실질적으로 둘러싸도록, 리테이닝 캡(1014) 상에 오버몰딩될 수 있다. 리테이닝 캡(1014)의 말단 부분(1106)은 실질적으로 노출될 수 있다. 리테이닝 캡(1014)의 말단 부분(1106)이 또한 절연체 컴포넌트(1028)의 개구(1316)를 통해 통과하고 실질적으로 노출되도록, 절연체 컴포넌트(1028)가 캡 슬리브(1016)의 말단 단부(1208)에 (예를 들어, 스냅 피트를 통해) 고정식으로 고착될 수 있다. 도 14a 내지 도 14c는 리테이닝 캡(1014), 캡 슬리브(1016), 및 절연체 컴포넌트(1028)의 예시적인 조립을 도시한다. 쉴드(1012)는 캡 슬리브(1016) 및 절연체 컴포넌트(1028)에 (예를 들어, 크림핑을 통해) 고정식으로 고착될 수 있다. 일부 실시예에서, 쉴드(1012), 절연체 컴포넌트(1028), 캡 슬리브(1016), 및 리테이닝 캡(1014) 중 적어도 하나(예를 들어, 이들 컴포넌트 모두)는 외측 컴포넌트(1002)를 형성한다. 조립시, 외측 컴포넌트(1002)의 요소들은 길이 방향 축선(A)에 대해 반경 방향으로 그리고 동심으로 정렬된다.

[00175] 내측 컴포넌트(1002)의 조립 동안, 전극(1008)은 스월 링(1007)의 말단 단부(1910)에 노즐(1010)을 결합시킴으로써 형성된 챔버에 수납된다. 노즐(1010)은 (예를 들어, 크림핑을 통해) 스월 링(1007)에 견고하게 부착될 수 있다. 이러한 상호 연결이 전극(1008)을 내측 컴포넌트(1002) 내에 고착하는 한편, 스월 링의 내벽은 전극(1008)을 노즐(1010)에 대해 길이 방향 축선(A)을 중심으로 축 방향으로 정렬시켜, 전극(1008)이 그 축 방향 모션으로 제한된다. 탄성 요소(1026)는, 탄성 요소가 스월 링(1007) 내에서 전극(1008)의 상대적으로 평탄한 선단 단부와 접촉할 때까지 그의 선단 단부(1912)로부터 스월 링(1007) 내로 삽입된다. 그 다음, 크라운(1006)은, 크라운(1006)의 융기된 부분(2002)에 탄성 요소(1026)를 실질적으로 한정하고(confining) 크라운(1006)에 대해 탄성 요소(1026)를 축 방향으로 정렬하면서, 스월 링(1007)의 선단 단부(1912)에 견고하게 부착된다. 크라운(1006)은, 예를 들어, 크림핑을 통해 스월 링(1007)에 연결될 수 있다. 이러한 상호 연결은, 크라운(1006)의 편향 표면(2008)이 탄성 요소(1026)를 전극(1008)의 선단 단부에 대하여 편항시키는 것을 가능하게 하며, 이에 의해 전극을 노즐(1010)과의 맞닿음 포지션으로 위치로 가압한다. 이러한 상호 연결은, 또한 크라운(1006)에 대해 전극(1008)을 길이 방향으로 정렬하여, 전달된 아크 모드 동안, 전극이 크라운(1006)의 함몰된 중심(2004)의 접촉 표면(2010)에 맞닿을 때까지, 전극(1008)은, 단지, 노즐(1010)로부터 충분히 멀리 후퇴할 수 있다.

[00176] 일부 실시예들에서, 밀봉 디바이스(1030)는 크라운(1006)이 스월 링(1007)에 부착되기 이전 또는 이후에 스월 링(1007)의 외부 표면 둘레에 배치된다. 일부 실시예들에서, 신호 디바이스(2106)는 카트리지(1000)의 하나 또는 그 초과의 컴포넌트들에 관한 정보를 저장하고 전송하기 위해 스월 링(1007)의 외부 표면 둘레에 배치된다.

[00177] 카트리지(1000)를 조립하기 위해, 선택적인 스페이서(2150)는, 먼저, 캡 슬리브(1016)의 선단 단부(1206)로부터 외측 컴포넌트(1002)의 실질적으로 중공 본체 내로 배치될 수 있다. 스페이서(2150)는, 스페이서가 리테이닝 캡(1014)의 중간 부분(1107)의 말단 단부에 도달할 때까지, 외측 컴포넌트(1002)의 중공 본체 내로 말단 방향으로 전진할 수 있고, 리테이닝 캡(1014)의 말단 부분(1106) 내로 이동하도록 더 전진할 수 없다. 이 지점에서, 스페이서(2150)는 리테이닝 캡(1014)의 중간 부분(1107)의 내주 둘레에 끼워맞춤되고 이와 함께 반경 방향으로 정렬하도록 적응된다. 내측 컴포넌트(1004)는, 또한, 캡 슬리브(1016)의 선단 단부(1206)로부터 외측 컴포넌트(1002)의 중공 본체 내로 배치될 수 있다. 노즐(1010)의 말단 단부(1704)는, 스페이서(2150)의 개구(2152) 및 리테이닝 캡(1014)의 말단 부분(1106)의 개구를 통해 이동하도록 적응된다. 노즐(1010)의 선단 부분(1706)이 스페이서(2150)와 접촉하고 노즐(1010)이 스페이서(2150)의 개구(2152)를 통해 더 이상 움직일 수 없을 때, 내측 컴포넌트(1004)의 이러한 말단 방향 전진은 정지된다. 이 지점에서, 2 개의 컴포넌트들이 맞물림시에 서로에 대해 독립적으로 회전하는 것이 허용되도록, 오퍼레이터는 리테이닝 캡(1014)의 보유 피처(1102)를 노즐(1010) 상의 보유 피처(1708)와 회전 가능하게 맞물림하고 그리고 축 방향으로 고착함으로써(예컨대, 스냅 피트를 통해) 인터페이스(1020)를 형성하도록 외측 요소(1002)를 내측 컴포넌트(1004)에 결합할 수 있다.

[00178] 일부 실시예들에서, 인터페이스(1020)에서 노즐(1010)과 리테이닝 캡(1014) 사이의 맞물림은 축 방향 그리고 반경 방향 양자 모두로 고정된다. 그 대신에, 회전 맞물림 및 축 방향 고착은 인터페이스들(1021 또는 1023) 중 하나에서 발생할 수 있다. 예를 들어, 노즐(1010)은 인터페이스(1020)에서 리테이닝 캡(1014)에 고정식으로 고착될 수 있다. 그 대신에, 스월 링(1007)과 노즐(1010) 사이의 인터페이스(1021)에서 내측 및 외측 컴포넌트들 사이의 회전 맞물림 및 축 방향 고착이 발생한다. 다른 예로서, 노즐(1010) 및 스월 링(1007) 양자 모두는 인터페이스들(1020 및 1021)에서 고정식으로 고착될 수 있다. 그 대신에, 크라운(1006)과 스월 링(1007) 사이의 인터페이스(1023)에서 내측 및 외측 컴포넌트들 사이의 회전 맞물림 및 축 방향 고착이 발생한다.

[00179] 일부 실시예들에서, 도 10의 카트리지(1000)를 조립하는 방법이 제공된다. 이 방법은, 외측 컴포넌트(1002)의 중공 본체 내에 내측 컴포넌트(1004)를 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 스페이서(2150)는, 먼저, 중공 본체 내에 내측 컴포넌트(1004)를 배치하는 단계 이전에 외측 컴포넌트(1002)의 중공 본체 내에 배치될 수 있다. 이 방법은, 내측 및 외측 컴포넌트들의 서로에 대한 독립적인 회전을 허용하면서, 내측 컴포넌트(1004)의 전방 부분에 대해(예를 들어, 내측 컴포넌트(1004)의 노즐(1010)에서) 외측 컴포넌트(1002)를 축 방향으로 구속함으로써 내측 컴포넌트와 외측 컴포넌트를 함께 회전 가능하게 맞물림하고 그리고 축 방향으로 결합하는 단계를 포함한다. 이러한 맞물림 이후에, 내측 컴포넌트(1004)의 후방 부분(예를 들어, 스월 링(1007), 전극(1008), 크라운(1006), 및 탄성 요소(1026))은 외측 컴포넌트(1002)의 중공 본체 내에서 실질적으로 매달리거나 반경 방향으로 배향될 수 있다. 이러한 내측 및 외측 컴포넌트들 간의 이러한 반경 방향 정렬은, 스월 링(1007) 또는 다른 카트리지 컴포넌트(예를 들어, 리테이닝 캡(1014)의 내측 표면)의 표면 상에 배치될 수 있는 핀들(1914)에 의해 보조될 수 있다.

[00180] 내측 컴포넌트(1004)는, 스월 링(1007)의 중공 본체의 내측에 전극(1008)을 배치하고, 스월 링(1007)의 말단 단부(1910)에 노즐(1010)을 고정식으로 고착함으로써 중공 본체 내에 전극(1008)을 리테이닝하고, 그리고 크라운(1006)을 스월 링(1007)의 선단 단부(1912)에 고정식으로 고착함으로써 조립될 수 있다. 외측 컴포넌트(1002)는, 캡 슬리브(1016)를 리테이닝 캡(1014) 상에 오버몰딩함으로써 조립될 수 있다. 일부 실시예들에서, 외측 컴포넌트(1002)는 캡 슬리브(1016) 및/또는 절연체 컴포넌트(1028)에 고정식으로 연결된 절연체 컴포넌트(1028) 및/또는 쉴드(1012)를 더 포함할 수 있다.

[00181] 카트리지(1000)는 토치 작동들을 가능하게 하기 위해 플라즈마 아크 토치(2100)의 토치 헤드(2102)에 결합될 수 있다. 조립 동안, (i) 토치 헤드(2102)의 캐소드(2210)가 크라운(1066)의 오목부에 의해 규정되는 중공 본체(1022)의 중심 공동 부분(1022a)과 물리적으로 정합하고 그리고/또는 (ii) 토치 헤드(2102)의 연장된 외측 원형 부분(2206)은 중공 본체(1022)의 관형 부분(1022b)과 물리적으로 정합하도록, 토치 헤드(2102)가 카트리지(1000)의 중공 본체(1022) 내로 삽입될 수 있다. 이 구성에서, 크라운(1006)은 캐소드(2210)와 전극(1008) 사이에 포지셔닝되고, 3 개의 컴포넌트들이 반경 방향 및 길이 방향으로 정렬된다. 크라운(1006)은 소모품 센서(2104)와 정렬되도록 적응되며, 제 위치에서, 내측 컴포넌트(1004)는 반경 방향으로 고정되는 반면, 카트리지(1000)의 외측 컴포넌트(1002)는 여전히 독립적으로 회전가능하다. 이에 따라, 오퍼레이터는, 토치 헤드(2102)의 외측 원형 부분(2206)의 외부 표면 상의 상보적 나사산들(2212)과 함께 카트리지(1000)의 리테이닝 캡(1014)의 내부 표면 상의 나사산들(1104)과 맞물림하도록 외측 컴포넌트(1002)를 회전시킬 수 있으며, 이에 따라 토치 헤드(2102)를 카트리지(1000)에 고착한다. 자세하게는, 리테이닝 캡(1014)의 나사산들(1104)이 토치 헤드(2102)의 상보적 나사산들(2212)에 대해 회전될 때, 외측 컴포넌트(1002)는 반경 방향(나사산들(1104)과 함께 회전)과 축 방향(토치 헤드(2102)를 향한 전진) 양자 모두로 이동하며, 내측 컴포넌트(1004)는 반경 방향이 아닌 토치 헤드(2102)를 향해 축 방향으로 전진 이동할 수 있다. 나사산들(1104, 2212)이 맞물림될 때, 토치 헤드(2102)는 완전히 착좌된다(seated).

[00182] 일부 실시예들에서, 토치 헤드(2102)와 카트리지(1000)의 맞물림 이후에, 크라운(1006)의 융기된 부분(2002) 또는 스월 링(1007)의 연장된 립(1934)은, 토치 헤드(2102)의 내부에 위치된 소모품 센서(2104)에 대해 가압하여 토치 헤드(2102)의 캐소드(2210)로부터 카트리지(1000)로의 전류의 흐름을 활성화시킨다. 전류의 흐름은 파일럿 아크 모드 또는 토치 작동의 전달된 아크 모드 중 하나를 가능하게 한다. 파일롯 아크 작동 모드에서, 전류는 캐소드(2210)로부터 크라운(1006)의 선단 단부(2020)에서 편향 표면(2008)으로, 탄성 요소(1026)로 그리고 전류 경로의 일부로서 전극(1008)으로 흐른다. 전달된 아크 작동 모드에서, 전류는 캐소드(2210)로부터 크라운(1006)의 말단 단부(2022)에서 접촉 표면(2010)으로, 전류 경로의 일부로서 전극(1008)의 대응 접촉 표면(1044)으로 흐른다. 대안으로, 전달된 아크 모드에서, 전류는 2 개의 컴포넌트들이 물리적으로 서로 접촉함에 따라 캐소드(2210)로부터 전극(1008)으로 직접 흐를 수 있다.

[00183] 또한, 본 발명의 다양한 양태들 및 실시예들이 다양한 방식들로 조합될 수 있음이 이해되어야 한다. 본 명세서의 교시들에 기초하여, 당업자는 이러한 다양한 실시예들을 어떻게 조합할지를 용이하게 판정할 수 있다. 또한, 명세서를 판독할 때 당업자에게 수정들이 발생할 수 있다.

Claims (55)

1. 플라즈마 아크 토치(plasma arc torch)용 소모품 카트리지(consumable cartridge)로서,
   상기 소모품 카트리지는,
   실질적으로 중공 본체(hollow body)를 규정하는 외측 컴포넌트;
   상기 외측 컴포넌트의 실질적으로 중공 본체 내에 배치된 내측 컴포넌트 ― 상기 내측 컴포넌트는 상기 외측 컴포넌트를 상기 내측 컴포넌트에 축 방향으로 고착하고 회전 가능하게 맞물림하도록 구성되는 전방 부분, 및 상기 외측 컴포넌트의 중공 본체 내에 실질적으로 매달리는(suspended) 후방 부분을 포함하며, 상기 후방 부분은 상기 전방 부분을 통해 상기 외측 컴포넌트와 축 방향으로 고착되고 회전 가능하게 맞물림됨 ―; 및
   상기 내측 컴포넌트의 후방 부분과 상기 외측 컴포넌트 사이에 중공 영역(hollow region)을 포함하며, 상기 중공 영역은, 상기 내측 컴포넌트의 후방 부분과 토치 헤드의 캐소드(cathode) 사이의 정합(mating)을 가능하게 하기 위해 상기 토치 헤드를 수용하도록 구성되는,
   플라즈마 아크 토치용 소모품 카트리지.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 내측 컴포넌트의 전방 부분은 상기 내측 컴포넌트로의 상기 외측 컴포넌트의 축 방향 고착 및 회전 가능한 맞물림을 가능하게 하는 수단을 포함하며, 상기 수단은, 상기 내측 및 상기 외측 컴포넌트들이 서로에 대해 독립적으로 회전하는 것을 허용하도록 치수가 정해지는,
   플라즈마 아크 토치용 소모품 카트리지.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 외측 컴포넌트는 쉴드(shield), 절연 컴포넌트(insulating component), 리테이닝 캡(retaining cap) 또는 캡 슬리브(cap sleeve) 중 적어도 하나를 포함하는,
   플라즈마 아크 토치용 소모품 카트리지.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 내측 컴포넌트는, 크라운(crown), 스월 링(swirl ring), 전극(electrode) 또는 노즐(nozzle) 중 적어도 하나를 포함하는,
   플라즈마 아크 토치용 소모품 카트리지.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 내측 컴포넌트의 후방 부분은, 상기 캐소드의 적어도 일 부분을 실질적으로 둘러싸고 물리적으로 접촉하도록 구성되는,
   플라즈마 아크 토치용 소모품 카트리지.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 내측 컴포넌트의 후방 부분은, 상기 카트리지 내로 연장되는 상기 캐소드의 적어도 일 부분을 수용하도록 구성된 공동(cavity)을 포함하는,
   플라즈마 아크 토치용 소모품 카트리지.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 외측 컴포넌트의 상기 내측 컴포넌트에 대한 축 방향 고착 및 회전 가능한 맞물림은, 크림핑(crimping), 스냅 피팅(snap fitting), 마찰 피팅(frictional fitting) 또는 나사 결합(threading) 중 하나에 의한 것인,
   플라즈마 아크 토치용 소모품 카트리지.
8. 제1 항에 있어서,
   상기 내측 컴포넌트는 상기 내측 컴포넌트의 외부 표면 상에 배치된 하나 또는 그 초과의 핀들(fins)을 더 포함하는,
   플라즈마 아크 토치용 소모품 카트리지.
9. 제1 항에 있어서,
   상기 내측 컴포넌트의 후방 부분 또는 상기 외측 컴포넌트 중 적어도 하나는, 상기 토치 헤드와 맞물림하기 위한 적어도 하나의 나사산(thread)을 포함하는,
   플라즈마 아크 토치용 소모품 카트리지.
10. 제1 항에 있어서,
    상기 내측 컴포넌트의 후방 부분은 상기 외측 컴포넌트의 축 방향 고착 및 회전 가능한 맞물림을 가능하게 하는 수단을 갖지 않는,
    플라즈마 아크 토치용 소모품 카트리지.
11. 제1 항에 있어서,
    상기 외측 컴포넌트는 상기 플라즈마 아크 토치의 파일럿 아크 전류(pilot arc current)에 대한 전기 경로를 제공하는,
    플라즈마 아크 토치용 소모품 카트리지.
12. 제1 항에 있어서,
    상기 외측 컴포넌트는, 상기 외측 컴포넌트의 내부 표면 상에 배치되는 하나 또는 그 초과의 핀들을 포함하는,
    플라즈마 아크 토치용 소모품 카트리지.
13. 플라즈마 아크 토치용 카트리지 소모품(cartridge consumable)으로서,
    상기 카트리지 소모품은,
    실질적으로 중공 본체(hollow body)를 규정하는 외측 컴포넌트,
    상기 외측 컴포넌트의 중공 본체 내에 배치된, 적어도 하나의 전극을 포함하는, 내측 컴포넌트; 및
    상기 내측 컴포넌트 상에 배치된 맞물림 피처(engagement feature)를 포함하며, 상기 맞물림 피처는, 상기 내측 컴포넌트와 상기 외측 컴포넌트가 서로에 대해 독립적으로 회전하는 것을 허용하면서, 상기 내측 컴포넌트에 대해 상기 외측 컴포넌트를 축 방향으로 제한하도록 구성되는,
    플라즈마 아크 토치용 카트리지 소모품.
14. 제13 항에 있어서,
    상기 내측 컴포넌트는 상기 플라즈마 아크 토치로의 조립시 포지션에 실질적으로 잠금되는 크라운을 더 포함하는,
    플라즈마 아크 토치용 카트리지 소모품.
15. 제13 항에 있어서,
    상기 외측 컴포넌트는 금속성 리테이닝 캡 및 상기 리테이닝 캡 위에 오버몰딩된 전기 절연 캡 슬리브를 포함하는,
    플라즈마 아크 토치용 카트리지 소모품.
16. 제13 항에 있어서,
    상기 외측 컴포넌트를 통해 상기 내측 컴포넌트에 연결되는 쉴드를 더 포함하는,
    플라즈마 아크 토치용 카트리지 소모품.
17. 제16 항에 있어서,
    상기 쉴드는 상기 외측 컴포넌트의 일부인,
    플라즈마 아크 토치용 카트리지 소모품.
18. 제13 항에 있어서,
    상기 내측 컴포넌트의 노즐을 통해 상기 외측 컴포넌트에 연결되는 스월 링을 더 포함하는,
    플라즈마 아크 토치용 카트리지 소모품.
19. 제18 항에 있어서,
    상기 스월 링 및 상기 노즐에 의해 규정된 중공 봉입물(hollow enclosure) 내에 배치되는 전극을 더 포함하는,
    플라즈마 아크 토치용 카트리지 소모품.
20. 제19 항에 있어서,
    상기 스월 링 또는 상기 전극 중 적어도 하나는 상기 내측 컴포넌트의 일부인,
    플라즈마 아크 토치용 카트리지 소모품.
21. 제13 항에 있어서,
    상기 외측 컴포넌트와 상기 내측 컴포넌트 사이에 중공 영역을 더 포함하며, 상기 중공 영역은, 상기 플라즈마 아크 토치의 헤드와 짝을 이루어(matingly) 맞물림하도록 구성되는,
    플라즈마 아크 토치용 카트리지 소모품.
22. 제13 항에 있어서,
    상기 외측 컴포넌트와 상기 내측 컴포넌트의 노즐 사이에 위치된 와셔(washer)를 더 포함하며, 상기 와셔는 이를 통과하는 가스 유동을 조절하도록 구성되는 하나 또는 그 초과의 냉각 채널들을 포함하는,
    플라즈마 아크 토치용 카트리지 소모품.
23. 멀티 피스(multi-piece) 카트리지 소모품을 조립하는 방법으로서,
    상기 카트리지 소모품은, 플라즈마 아크 토치에 설치하기 위한 외측 컴포넌트 및 내측 컴포넌트를 포함하며,
    상기 방법은,
    상기 내측 컴포넌트를 상기 외측 컴포넌트의 중공 본체 내에 배치하는 단계;
    상기 내측 및 외측 컴포넌트들을 서로에 대해 독립적으로 회전시키는 것을 허용하면서 상기 내측 컴포넌트의 전방 부분에 대해 상기 외측 컴포넌트를 축 방향으로 구속하는(axial restraining) 단계; 및
    축 방향 구속단계에 의해 상기 외측 컴포넌트의 중공 본체 내에 상기 내측 컴포넌트의 후방 부분을 실질적으로 매달고 그리고 반경 방향으로 배향시키는 단계를 포함하는,
    멀티 피스 카트리지 소모품을 조립하는 방법.
24. 제23 항에 있어서,
    상기 내측 컴포넌트의 후방 부분과 상기 외측 컴포넌트 사이의 중공 영역에 토치 헤드를 배치함으로써 상기 토치 헤드에 멀티 피스 카트리지 소모품을 설치하는 단계를 더 포함하는,
    멀티 피스 카트리지 소모품을 조립하는 방법.
25. 제24 항에 있어서,
    상기 설치 단계는, 상기 토치 헤드의 캐소드와 상기 내측 컴포넌트의 후방 부분의 오목부 사이의 물리적 정합을 가능하게 하는,
    멀티 피스 카트리지 소모품을 조립하는 방법.
26. 제24 항에 있어서,
    상기 토치 헤드에 멀티 피스 카트리지 소모품을 고착시키기 위해 상기 내측 컴포넌트와 독립적으로 상기 외측 컴포넌트를 회전시키는 단계를 더 포함하는,
    멀티 피스 카트리지 소모품을 조립하는 방법.
27. 제23 항에 있어서,
    상기 멀티 피스 카트리지의 상기 내측 컴포넌트를 조립하는 단계를 더 포함하며, 상기 단계는,
    스월 링의 중공 본체의 내측에 전극을 배치하는 단계;
    상기 스월 링의 말단 단부에 노즐을 고정적으로 고착시킴으로써 상기 중공 본체 내에 상기 전극을 리테이닝시키는 단계; 및
    상기 스월 링의 선단 단부에 크라운을 고정식으로 고착시키는 단계를 포함하는,
    멀티 피스 카트리지 소모품을 조립하는 방법.
28. 제23 항에 있어서,
    상기 내측 또는 외측 컴포넌트 중 적어도 하나의 표면 상에 배치된 하나 또는 그 초과의 핀들에 의해 상기 내측 컴포넌트를 상기 외측 컴포넌트에 대해 반경 방향으로 정렬시키는 단계를 더 포함하는,
    멀티 피스 카트리지 소모품을 조립하는 방법.
29. 제23 항에 있어서,
    상기 멀티 피스 카트리지의 외측 컴포넌트를 조립하는 단계를 더 포함하며,
    상기 단계는,
    절연 캡 슬리브를 리테이닝 캡 상에 오버몰딩하는 단계; 및
    쉴드를 상기 캡 슬리브에 고정식으로 연결하는 단계를 포함하는,
    멀티 피스 카트리지 소모품을 조립하는 방법.
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