24]在一些实施例中，喷嘴的长度可以大于大约2英寸。喷嘴的长度可以大于大约3、
4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19 或 20 英寸。在一些实施例中，喷嘴的长度大于大约 2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、9.5、10.5、11.5、12.5、13.5、14.5、15.5、16.5、17.5、18.5、19.5或20.5英寸。虽然本文中为喷嘴的长度和/或宽度列出了具体的数值，但是本领域的普通技术人员将容易认识到，可以使用其他长度和宽度，而并不背离本实用新型的范围。例如，喷嘴可以具有大于大约21英寸的长度，而并不背离本实用新型的范围。
[0125]喷嘴的长度与宽度的比值可以大于大约4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、
17、18、19或20。在一些实施例中，喷嘴的长度与宽度的比值大于大约4.5,5.5,6.5,7.5、
8.5、9.5、10.5、11.5、12.5、13.5、14.5、15.5、16.5、17.5、18.5、19.5 或 20.5。虽然本文中列出了 L/W的具体比值，但是本领域的普通技术人员将容易认识到可以使用其他长度和宽度，而并不背离本实用新型的范围。例如，喷嘴可以具有大于大约21英寸的比值，而并不背离本实用新型的范围。
[0126]类似地，电极(例如，图1的电极105)可以设计成使得等离子弧焰炬能够伸到难以接入的区域。要实现具有高接入力和高能见度特征的焰炬堆叠，电极的正确设计是一项关键要求。可靠的高接入力和高能见度的焰炬要求电极有正确的比值和公差。图3示出了电极300，电极300设有长型本体305，长型本体305能够达到本文中提及的高接入力和高能见度要求。电极本体305具有第一末端307和第二末端308。电极本体305还在第一末端307中限定了一个钻孔310，用于接收插头(例如，铪)。该电极具有从第一末端307延伸的第一本体部分315，和延伸到第二末端308的第二本体部分320。第一本体部分315和第二本体部分320分别可以形成为一体式组件，例如，由单块金属(诸如铜)形成。
[0127]虽然使耗材长型(例如，使图2的喷嘴200和/或图3的电极300长型)能够扩展等离子弧焰炬的触及范围、能见度、和尖度，但是在使用现有技术的冷却技术时，由于过热的缘故，耗材的寿命严重缩短。现有技术的冷却技术通常在电极的与铪插头相反的末端上提供一个热交换器。冷却流体在热交换器的位置执行其大部分冷却功能。然而，当铪插头(例如，产生大量热量的位置)时，位置与插头有一段距离的热交换器不足以实现冷却用途。
[0128]例如，参照图1，使电极105长型，会使得铪插头130离热交换器120更远。热交换器120配置成在与冷却流体连通时从电极和其他耗材上去除热，这样的热交换器120不能够再从电极105的近端135上有效地去除充分的热，从而导致耗用性零件过热和熔化。当在大约15安培以上的电流或者更尤其是在大约60安培以上的电流操作等离子弧焰炬时，这个过热现象尤其明显。当等离子弧焰炬完全靠气体冷却(例如，靠空气冷却)时，过热现象也尤其明显。在一些实施例中，通过各种比值的氧气和/或氮气来冷却焰炬。
[0129]为了补偿对耗材的低效的冷却，可以将耗材和冷却路径设计成使得基本上所有冷却都发生在焰炬尖端的前端处，在电极的插头附近。例如，冷却气体可以在电极与喷嘴之间流动，穿过涡流环且流经等离子室，并且流出喷嘴的端面。这个气体的一小部分可以作为涡流切割气体被携带到喷嘴孔口。通过用这种方式执行冷却，可以大幅延长从喷嘴尖端到焰炬的距离。长的耗材与前向流冷却的这个组合，可以得到本文中说明的优点，且无损于耗材寿命ο
[0130]在一些实施例中，基本上所有冷却气体(例如，大部分冷却气体，大于75%的冷却气体、大于大约80%的冷却气体、大于大约95%的冷却气体或大约99%的冷却气体)穿过等离子弧焰炬的正面或尖端流出，而几乎不允许冷却气体流回到焰炬中(然而，充气室中的压力仍然能够将这个电极后喷到切割位置)。这个新的“前向流”冷却设计在产生等离子弧焰炬的大部分热的位置(例如，在电极的插头处)冷却耗材。因此，本实用新型的电极不要求如图1所示位于电极的近端处的热交换器。
[0131]该电极(例如，图3的电极300)可以设有实心底座，该实心底座设有内孔，用以减少电极内的温度传导。电极与冷却气体之间形成大的温差，从而在电极头处将热驱动到冷却气体中。这会剧烈地减少到电极本体中的热流，从而延长电极和其他耗材的寿命。另外，对于任何给定的气流，等离子弧焰炬都能够在较低温度下操作，并且不再需要非常高的气流就能充分地冷却耗材。而且，由于耗材的冷却程度剧烈增加，所以能够实现更高的操作电流(例如，大于150安培)。
[0132]前向流冷却设计还允许在切割工件时焰炬本体和手柄基本上不会变热。在冷却过程中，等离子弧焰炬在电极头附近在插头处产生的热向前移动，而不是向后朝焰炬本体和手柄移动。这样不但能使冷却效率更高，而且还能增加操作人员的安全，因为操作人员最有可能接触到等离子弧焰炬的位置(例如，手柄和焰炬本体)不像现有技术的等离子弧焰炬那样烫。另外，等离子弧焰炬的手柄可以更小，因为手柄必需吸收的热不像现有技术的等离子弧焰炬中那么多。而且，制造耗材所用的铜可以更少，因为冷却效率变高了。例如，制造电极的最靠近手柄的后端所用的铜可以比现有技术的电极少，因为在冷却过程中，等离子弧焰炬在电极头附近在插头上产生的热向前移动，而不是向后朝焰炬本体和手柄移动。因此，制造耗材所用的铜可以更少，而且耗材的成本比现有技术的耗材低。
[0133]另外，本实用新型的延长的耗材还有前向流设计，减少了对于非常高的气流的需要。使用这种新的前向流设计，使用的气体比现有技术的耗材设计先前必需的更少，却能从电极头去除相同的热量。这部分地是因为冷却气体是在单个方向上移动(向前，或朝电极插头)，而不是在向前和向后两个方向上流动以冷却耗材。
[0134]图4示出了在高电流下操作并且完全靠气体冷却的等离子弧焰炬中可以使用的焰炬尖端400，焰炬尖端400设有长型耗材，包含喷嘴405、电极410、和涡流环415。喷嘴405具有端面420，等离子出口孔口 425穿过端面420安置。端面420还可以设有至少一个补充孔口 427，补充孔口 427是相对于等离子出口孔口 425安置的。补充孔口 427的位置可以超出电极410的端面430。
[0135]补充孔口 427可以是斜切的，或者补充孔口 427可以是笔直的或线性的。斜切的补充孔口能够向从喷嘴流出的冷却气体提供涡流部件，以将冷却气体从切割区引导开来。图5示出了喷嘴500，喷嘴500设有斜切的或成角度的补充孔口 505。如图5所示，补充孔口 505是相对于等离子出口孔口 510安置的。当焰炬正在操作时，穿过等离子出口孔口 510从等离子弧焰炬中发出等离子弧。冷却气体能够穿过补充孔口 505流出，以便在耗材组的尖端处提供冷却。在一些实施例中，基本上所有冷却气体(例如，大于大约95%的冷却气体)穿过补充孔口 505流出。
[0136]往回参照图4，喷嘴405的本体可以设有至少一个孔口 435，穿过喷嘴405的本体安置。喷嘴405可以设有补充孔口 427或孔口 435。在一些实施例中，喷嘴405设有补充孔口 427和孔口 435两者。孔口 435可以是斜切的/成角度的或笔直的/线性的。
[0137]基本上所有冷却气体都可以用于冷却等离子弧切割焰炬的尖端处的耗材，并且基本上所有冷却气体都可以穿过补充孔口 427和/或孔口 435流出。以此方式，所有冷却气体都顺着电极外部和/或喷嘴外部流动，以便在产生等离子弧焰炬中的大部分热的位点(例如，在电极的插头上，或电极的插头附近)冷却耗材。这个前向流的方法使得等离子弧焰炬完全靠气体冷却，并且能够在大于15安培(或大于45安培或大于60安培或大于90安培或大于150安培)的电流下操作，而且耗材不会过早出故障。
[0138]补充孔口 427和孔口 435的尺寸可以经过设计，使得基本上所有冷却气体都流经补充孔口 427和/或孔口 435。
[0139]为了进一步冷却耗材，可以在喷嘴本体上安置热交换元件437。热交换元件437可以是凸块、沟槽、槽道、纹理、突起、凸起和/或鳍片。热交换元件437与冷却气体热连通，而且提供附加的表面积，以增加传热系数和传热速度。在一些实施例中，如图4所示，热交换元件437安置在喷嘴405的外表面438上。在一些实施例中，热交换元件437安置在喷嘴405的内表面439上。热交换元件437可以安置在喷嘴405的外表面438和内表面439两者上。
[0140]在一些实施例中，喷嘴可以包含一体成形的结构，从而形成图6的喷嘴组件600。喷嘴组件600可以包含基本上中空的长型本体605。长型本体605限定纵轴610。组件本体605沿着该轴线从本体605的第一末端612到第二末端613仅具有长度L。喷嘴组件600设有等离子出口孔口 615，安置在本体605的第一末端612处。
[0141]喷嘴组件包含结构620，结构620与喷嘴本体605 —体成形。在一些实施例中，结构620是可以从喷嘴本体605上移除的。结构620可以是(例如)一个涡流环，该涡流环能够控制冷却气流的取向。结构620配置成可平移地接收电极，从而可以使用后喷焰炬技术。例如，结构620的内表面可以是轴承表面，该轴承表面可以允许电极在结构620内滑动。结构620包含本体625，本体625设有斜切的气体端口 630，用以在等离子弧切割焰炬操作过程中提供涡流等离子气体。
[0142]结构620可以嵌入在喷嘴本体605中，使得结构620是不可移除的。喷嘴本体605的内径可以与结构620的外径基本上相同。结构620可以用于使电极的钻孔与等离子出口孔口 615对齐。结构620的尺寸可以设计成使得当电极安置在喷嘴的中空本体内时，电极的钻孔与等离子出口孔口轴向地对齐。例如，电极的外径与结构620的内径基本上相同，因而使电极钻孔与等离子出口孔口对齐。
[0143]当在等离子弧焰炬里面使用长的尖形耗材时，结构620的对齐特征尤其有用。因为耗材的长度的缘故，电极可能相对于纵轴610倾斜或者形成角度。当电极的对齐发生在焰炬尖端的后端或近端时，电极在喷嘴内的这个倾斜或形成角度的现象尤其明显。当电极钻孔和喷嘴的等离子出口孔口未对齐时，可能发生双弧现象或者焰炬性能不良的情况。
[0144]为了确保电极钻孔与等离子出口孔口正确地对齐，可以使用图6的结构620来对齐电极与喷嘴。如图6所示，在喷嘴/电极的尖端附近发生对齐，从而确保电极与喷嘴对齐。而且，电极与喷嘴在焰炬的尖端处对齐，会使得电极沿着喷嘴的纵轴610对齐，因而减少或消除电极的任何倾斜或形成角度的现象。
[0145]除了结构620的对齐特征之外，结构620还使电极与喷嘴隔离。例如，该结构使电极与喷嘴电隔离。结构620可以是(例如)非导电性的(例如，由非导电性材料制成)，以便使电极与喷嘴电隔离。
[0146]在一些实施例中，喷嘴组件的长度可以大于大约2英寸。喷嘴组件的长度可以大于大约 3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20英寸。在一些实施例中，喷嘴组件的长度大于大约 2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、9.5、10.5、11.5、12.5、13.5、14.5、15.5、16.5、17.5、18.5、19.5或20.5英寸。虽然本文中为喷嘴的长度和/或宽度列出了具体的数值，但是本领域的普通技术人员将容易认识到，可以使用其他长度和宽度，而并不背离本实用新型的范围。例如，喷嘴组件可以具有大于大约21英寸的长度，而并不背离本实用新型的范围。
[0147]喷嘴组件可以具有至少大约2的比值或L/W。喷嘴组件的长度与宽度的比值可以大于大约 4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19 或 20。在一些实施例中，喷嘴组件的长度与宽度的比值大于大约 4.5,5.5,6.5,7.5,8.5,9.5,10.5,11.5,12.5,13.5,14.5、
15.5、16.5、17.5、18.5、19.5或20.5。虽然本文中列出了具体的L/W比值，但是本领域的普通技术人员将容易认识到可以使用其他长度和宽度，而并不背离本实用新型的范围。例如，喷嘴组件可以具有大于大约21英寸的比值，而并不背离本实用新型的范围。
[0148]类似于图4的喷嘴405，喷嘴组件600可以设有至少一个补充孔口(未示出)，该补充孔口是穿过喷嘴组件600的端面635或侧壁640中的至少一个相对于等离子出口孔口615安置的。补充孔口可以是斜切的，并且基本上所有冷却气体都能穿过该至少一个补充孔口(位于喷嘴的端面和/或侧壁中)流出。
[0149]喷嘴组件600可以设有至少一个热交换元件(未示出)，该至少一个热交换元件安置在喷嘴本体605上，并且与冷却气体热连通。热交换元件可以安置在喷嘴本体605的外表面和/或内表面上。
[0150]参照图3，电极300可以包含传热区Z，传热区Z是在电极本体305的第一末端307处相对于第一本体部分315定位的。传热区Z可以是电极300的外表面的一个区域，热从该区域由电极传递到冷却气体。该区域或传热区Z可以包含任何可以安置在电极300的外表面上的热交换元件(例如，类似于相对于喷嘴说明的热交换元件)的一个区域。在等离子弧焰炬操作(例如，在大于大约15安培的电流下)过程中，传热区Z与冷却气体热连通，并且配置成从传热区Z去除在等离子焰炬操作过程中产生的大部分热。所去除的具体的热量可能取决于等离子弧焰炬的具体操作参数。例如，在大约15安培的电流下操作的焰炬必需从传热区去除的热将比在大约60安培的电流下操作的焰炬少。这是因为在较高电流下操作的焰炬所产生的热比在较低电流下操作的焰炬多。从传热区去除的热量应当足以防止耗材过早出故障(例如，熔化)。本领域的技术人员将容易明白必需从传热区去除以防耗材过早出故障的热量。
[0151]传热区Z可以大于大约1平方英寸。在一些实施例中，传热区Z可以在大约1平方英寸与大约3平方英寸之间。例如，传热区Z可以是1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、
1.9、2、2.1,2.2,2.3,2.4,2.5,2.6,2.7,2.8或2.9平方英寸。虽然本文中为电极的传热区列出了具体的数值，但是本领域的普通技术人员将容易认识到，可以使用其他面积，而并不背离本实用新型的范围。例如，电极可以具有大于大约3平方英寸或大于大约3.5英寸的传热区，而并不背离本实用新型的范围。在一些实施例中，传热区小于大约1平方英寸，例如，传热区可以是大约0.75或0.5平方英寸。
[0152]图7示出了等离子弧焰炬系统700，包含相对于耗材组707安置的壳体705，耗材组707包含等离子弧焰炬710的喷嘴(未示出)和电极(未示出)。壳体705和耗材组707形成组装后的焰炬尖端，组装后的焰炬尖端具有远端708和近端709。焰炬尖端的近端709配置成联接至焰炬尖端座715。例如，焰炬尖端的近端709能够经由螺纹联接至焰炬尖端座715。
[0153]焰炬尖端/耗材组707的喷嘴可以是本文中说明的喷嘴实施例中的任一个。焰炬尖端/耗材组707的电极可以是本文中说明的电极实施例中的任一个。
[0154]在一些实施例中，如图7所示，壳体705是转接器或延伸器，其可以与现有技术耗材707 一起使用，以便延伸焰炬尖端以伸到难以接入的区域。例如，壳体705可以在从组装后的焰炬尖端的远端708到近端709的距离上延伸。在其他实施例中，如图8所示，使用长型耗材并且使用壳体805来调节耗材。
[0155]图8示出了手持式等离子弧焰炬用的焰炬尖端800，其包含基本上中空的喷嘴810、相对于喷嘴安置的电极815、和相对于喷嘴810和电极815安置的壳体805。喷嘴810、电极815、和壳体805形成组装后的焰炬尖端，组装后的焰炬尖端具有远端820和近端825。近端825配置成联接至等离子弧焰炬(未示出)的焰炬尖端座(未示出)。
[0156]如图8所示，喷嘴810和/或电极815可以是长型的。喷嘴810可以是本文中说明的任何喷嘴实施例。电极815可以是本文中说明的任何电极实施例。电极815可以设计成使得电极815的近端825处没有热交换器。由于电极815的近端825处未设有热交换器，进一步增加了电极815的尖度。
[0157]图7或图8中的任一图的组装后的焰炬尖端的从远端到近端的距离D可以大于大约 5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19 或 20 英寸。在一些实施例中，图 7 或图8中的任一图的组装后的焰炬尖端的从远端到近端的距离D大于大约4.5,5.5,6.5,7.5、
8.5、9.5、10.5、11.5、12.5、13.5、14.5、15.5、16.5、17.5、18.5、19.5 或 20.5 英寸。虽然本文中为从组装后的焰炬尖端的远端到近端的距离列出了具体的数值，但是本领域的普通技术人员将容易认识到，可以使用其他长度，而并不背离本实用新型的范围。例如，焰炬尖端可以具有大于大约21英寸的长度，而并不背离本实用新型的范围。
[0158]在一些实施例中，图7或图8中的任一图的组装后的焰炬尖端的长度D与组装后的焰炬尖端的宽度W的比值可以大于大约3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20。图7或图8中的任一图的组装后的焰炬尖端的长度D与组装后的焰炬尖端的宽度 W 的比值可以大于大约 4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、9.5、10.5、11.5、12.5、13.5、14.5、15.5、
16.5、17.5、18.5、19.5或20.5。虽然本文中为该比值列出了具体的数值，但是本领域的普通技术人员将容易认识到，可以使用其他比值，而并不背离本实用新型的范围。例如，焰炬尖端可以具有大于大约21英寸的比值，而并不背离本实用新型的范围。
[0159]除了喷嘴810和电极815长型之外，固定帽830也可以延伸以适应延伸的喷嘴810和电极815。固定帽830的附加长度能够保护耗材和/或操作人员。与使用现有技术的耗材时相比，耗材较长，让操作人员的身体能离等离子弧更远，从而使得操作人员更加安全。固定帽830还可以允许为耗材屏蔽冷却流，因为固定帽830的内表面可以用作气体通道的一部分，使气体顺护罩流动。固定帽可以具有塑料护套，塑料护套在喷嘴的几乎整个长度上延伸。在固定帽的封端末端(例如，在电极头附近并且最靠近等离子弧焰炬操作时的发热位置的那个末端)处，可以添加一个阳极化的铝头，以便实现热保护。然后，可以使固定帽的整个外表面从电极和喷嘴电浮动。
[0160]图9示出了焰炬尖端900。焰炬尖端900包含延伸/长型的电极、喷嘴、和固定帽。这些延伸的耗材增加了焰炬尖端900的长度。例如，延伸的耗材能够使标准的现有技术耗材增加大约2.5英寸。因此，从焰炬尖端900的近端905到远端910的距离D可以是大约
4.75英寸。焰炬尖端900的宽度W可以是大约0.56英寸。外径W较小，可以允许焰炬尖端伸到紧小的空间中。焰炬尖端900的距离D与宽度W的比值(4.75/0.56)大约是8.48。
[0161]夕卜径或宽度W较薄，还使得等离子弧焰炬的触及角R与现有技术的焰炬相比增加。触及角R是耗材的最宽宽度与耗材的长度形成的角，这个角是从耗材的纵轴测量到的。触及角可以小于大约20°，小于大约15°，小于大约10°，或小于大约6°。
[0162]图10和图11是示出使用延伸的耗材用本文中说明的前向流方法如何降低了操作过程中等离子弧焰炬的温度的曲线图。例如，图1