DE112006001797B4

DE112006001797B4 - Plasmagasverteiler mit integrierten Dosier- und Strömungsdurchgängen

Info

Publication number: DE112006001797B4
Application number: DE112006001797T
Authority: DE
Inventors: Thierry R. Renault; Nakhleh A. Hussary; Darrin H. MacKenzie; Christopher J. Conway; Kevin D. Horner-Richardson
Original assignee: Thermal Dynamics Corp
Current assignee: Victor Equipment Co
Priority date: 2005-07-07
Filing date: 2006-07-07
Publication date: 2013-01-31
Anticipated expiration: 2026-07-08
Also published as: WO2007008616A2; US7126080B1; WO2007008616A3; DE112006001797T5

Abstract

Ein Gasverteiler für den Einsatz in einem Plasmalichtbogenbrenner ist vorgesehen, der mindestens einen gemeinsam mit einem Dosierdurchgang gebildeten Plasmagasdurchgang und mindestens einen entlang einem inneren Abschnitt des Gasverteilers gebildeten, wendelförmigen Gasdurchgang besitzt, bei dem der wendelförmige Gasdurchgang in strömungstechnischer Verbindung mit dem Plasmagasdurchgang und dem Dosierdurchgang steht. Die Kombination aus dem Dosierdurchgang und dem wendelförmigen Gasdurchgang sorgt für eine dosierte Strömungsmenge bzw. einen geregelten, wirbelartigen Strom des Plasmagases innerhalb der Plasmalichtbogenkammer, was die Aufgabe hat, die Menge des geschmolzenen Emissionseinsatzes, die beim Abschalten des Lichtbogens aus dem Inneren der Elektrode abgestoßen wird, zu reduzieren, woraus sich eine verlängerte Lebensdauer der Abschmelzelektrode ergibt.

Description

FACHGEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich insgesamt auf Plasmalichtbogenbrenner und genauer auf Vorrichtungen und Verfahren, um die Lebensdauer von Verbrauchskomponenten, die innerhalb des Plasmalichtbogenbrenners arbeiten, zu verlängern.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Plasmalichtbogenbrenner, auch als Lichtbogenbrenner bekannt, werden allgemein für das Schneiden, Markieren, Aushobeln und Schweißen von metallischen Werkstücken verwendet, indem ein Plasmastrom von hoher Energie, der aus ionisierten Gasteilchen besteht, auf das Werkstück geleitet wird. In einem typischen Plasmalichtbogenbrenner wird das zu ionisierende Gas einem distalen Ende des Brenners zugeführt und strömt an einer Elektrode vorbei, bevor es durch eine Öffnung in der Spitze oder Düse des Plasmalichtbogenbrenners austritt. Die Elektrode hat ein relativ negatives Potenzial und dient als Kathode. Umgekehrt bildet die Brennerspitze ein relativ positives Potenzial und dient als Anode. Weiterhin weist die Elektrode einen Abstand von der Spitze auf, wodurch am distalen Ende des Brenners ein Spalt entsteht. Im Betrieb wird im Spalt zwischen der Elektrode und der Spitze, oft Plasmalichtbogenkammer genannt, ein Dauerbogen gebildet, der das Gas erhitzt und anschließend ionisiert. Das ionisierte Gas wird aus dem Brenner geblasen und erscheint als ein Plasmastrom, der distal von der Spitze verläuft. Während das distale Ende des Brenners an eine Stelle nahe dem Werkstück bewegt wird, springt oder wechselt der Lichtbogen mit Hilfe eines Schaltungskreises, der durch die Energieversorgung aktiviert wird, von der Brennerspitze zum Werkstück. Dementsprechend dient das Werkstück als Anode, und der Plasmalichtbogenbrenner arbeitet in einer Betriebsart der „Lichtbogenübertragung”.
Während des Betriebs des Plasmalichtbogenbrenners sind neben weiteren Komponenten sowohl die Elektrode als auch die Spitze, zusätzlich zu chemischen Reaktionen mit unterschiedlichen Arten von Gasen bei hohen Temperaturen, extrem hohen Temperaturen und harten Bedingungen infolge der hohen Stromstärke, des Gasstroms und des Plasmastroms ausgesetzt. Diese Bedingungen sind innerhalb der Plasmalichtbogenkammer besonders heftig und führen infolgedessen im Lauf der Zeit zum Verschleiß der Elektrode und der Spitze. Mit wachsendem Verschleiß lässt die Leistung dieser Komponenten nach, was dazu führt, dass die Regelung des Plasmastroms gemindert wird und dieser eingeschränkt wird, sodass letztlich die Schnittqualität des Plasmalichtbogenbrenners beeinträchtigt wird. Um eine akzeptable Schnittqualität aufrecht zu erhalten, müssen die Komponenten wie etwa die Elektrode und die Spitze regelmäßig ausgetauscht werden, weshalb diese Komponenten als „Verbrauchskomponenten” bezeichnet werden.
Bei den meisten Elektroden für Plasmalichtbogenbrenner befindet sich innerhalb eines distalen Endes der Elektrodenfläche ein Emissionseinsatz. Der Emissionseinsatz besteht meist aus einem Werkstoff wie Hafnium und bildet somit wegen seiner ihm innewohnenden Fähigkeit, Elektronen effizienter als andere Werkstoffe zu übertragen, während des Betriebes einen Ort für das Ansetzen und die Übertragung des Lichtbogens. Während des Betriebes jedoch verschleißt das Hafnium aufgrund mehrerer Mechanismen abhängig von der Phase des Schneidvorgangs. Beim Zünden des Plasmalichtbogens besteht der primäre Verschleißmechanismus in hohen Ionenstromdrücken und elektromagnetischen Drücken sowie einer möglichen Rissbildung und im Verlust einer Oxidschicht auf der Oberfläche, während der primäre Verschleißmechanismus beim Schneiden die Verdampfung ist. Beim Abschalten des Plasmalichtbogens ist ein Gasschwall innerhalb der Plasmalichtbogenkammer bestrebt, das Hafnium zu verdrängen, welches bei den extrem hohen Temperaturen schmilzt. Dementsprechend erhöht die Verdrängung des geschmolzenen Hafniums den Verschleiß der Elektrode und senkt die Standzeit der Elektrode. Außerdem ist Hafnium relativ teuer, weshalb es wünschenswert ist, den Verschleiß und den Austausch der Elektroden so weit wie möglich zu reduzieren.
Deshalb besteht in der Technik ein Bedarf, verbesserte Verfahren zum Verlängern der Lebensdauer von Verbrauchskomponenten zum Einsatz in Plasmalichtbogenbrennern bereitzustellen.
Aus der US 5,893,985 A und der US 5,856,647 A sind Plasma-Brenner mit einem Diffusor bekannt, so dass sich der Druck des Gases erhöht und die Geschwindigkeit des Gases sich verringert.
Auch aus der US 5,726,415 A ist ein Plasma-Brenner bekannt, bei dem eine Elektrode entlang ihrer Längsachse von einem Isolator und einer Düse umschlossen wird.
Aus der WO 99/38365 A ist ein Brenner bekannt, bei dem sich eine Anode am einen Ende und ein Isolierelement sich am anderen Ende entlang der Längsachse des Brenners befindet.
Aus der DE 32 19 268 A1 ist eine Anordnung zur Beeinflussung eines Lichtbogens bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In einer bevorzugten Form sieht die vorliegende Erfindung einen Gasverteiler zum Einsatz in einem Plasmalichtbogenbrenner vor, der einen Körper aufweist, der einen proximalen Endabschnitt und einen distalen Endabschnitt definiert, mindestens einen im proximalen Endabschnitt gebildeten Plasmagasdurchgang, einen gemeinsam mit dem Plasmagasdurchgang gebildeten Dosierdurchgang und mindestens einen entlang eines inneren Abschnitts des Körpers gebildeten, wendelförmigen Gasdurchgang. Der wendelförmige Gasdurchgang steht in strömungstechnischer Verbindung mit dem Plasmagasdurchgang und dem Dosierdurchgang, und die Kombination aus dem Dosierdurchgang und dem wendelförmigen Gasdurchgang hat die Aufgabe, die Menge des geschmolzenen Hafniums, das von einer Elektrode abgestoßen wird, wenn der Lichtbogen abschaltet, zu reduzieren, wodurch die Lebensdauer der Elektrode verlängert wird.
In einer weiteren Form der vorliegenden Erfindung ist ein Plasmalichtbogenbrenner vorgesehen, der eine Elektrode, eine Spitze und einen Gasverteiler zwischen der Elektrode und der Spitze aufweist. Der Gasverteiler weist einen Körper auf, der einen proximalen Endabschnitt und einen distalen Endabschnitt definiert, mindestens einen im proximalen Endabschnitt gebildeten Plasmagasdurchgang, mindestens einen gemeinsam mit dem Plasmagasdurchgang gebildeten Dosierdurchgang und mindestens einen entlang eines inneren Abschnitts des Körpers gebildeten, wendelförmigen Gasdurchgang. Der wendelförmige Gasdurchgang steht in strömungstechnischer Verbindung mit dem Plasmagasdurchgang und dem Dosierdurchgang, und die Kombination aus dem Dosierdurchgang und dem wendelförmigen Gasdurchgang hat die Aufgabe, die Menge des geschmolzenen Hafniums, das von einer Elektrode abgestoßen wird, wenn der Lichtbogen abschaltet, zu reduzieren, wodurch die Lebensdauer der Elektrode verlängert wird.
In noch einer weiteren Form der vorliegenden Erfindung ist ein Plasmalichtbogenbrenner vorgesehen, der eine Elektrode, eine Spitze und einen Gasverteiler zwischen der Elektrode und der Spitze aufweist, um dazwischen eine Plasmalichtbogenkammer zu definieren. Der Gasverteiler weist einen wendelförmigen Gasdurchgang auf, der entlang eines inneren Abschnitts des Körpers gebildet wird. Der Plasmalichtbogenbrenner weist weiterhin einen Plasmagasdurchgang auf, der proximal von der Plasmalichtbogenkammer angeordnet ist, um der Plasmalichtbogenkammer Plasmagas zuzuführen, und eine Stromdosiervorrichtung, die innerhalb des Plasmagasdurchgangs angeordnet ist und in strömungstechnischer Verbindung mit dem wendelförmigen Gasdurchgang steht. In einer Form ist die Stromdosiervorrichtung ein innerhalb des Plasmagasdurchgangs angeordneter Stopfen, der einen Dosierdurchgang mit einer geringeren Weite als der Plasmagasdurchgang definiert.
Eine wiederum andere Form der vorliegenden Erfindung weist einen Gasverteiler auf, der mindestens einen entlang eines inneren Abschnitts des Körpers gebildeten, wendelförmigen Gasdurchgang aufweist, wobei der wendelförmige Gasdurchgang mindestens eine Rille definiert. Weitere Formen des Gasverteilers weisen einen im Gasverteiler gebildeten, wendelförmigen Durchgang mit mehreren Steigungen auf, der steilere und flachere Steigungen in Längsrichtung des Gasverteilers besitzt.
Ein Verfahren zum Betreiben eines Plasmalichtbogenbrenners ist gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen und weist die Schritte auf, bei denen ein Strom von Plasmagas durch mindestens einen Plasmagasdurchgang geleitet wird, anschließend der Strom des Plasmagases durch mindestens einen Dosierdurchgang dergestalt geleitet wird, dass ein Strom des das Plasma bildenden Gases dosiert wird, und anschließend die dosierte Strömungsmenge des das Plasma bildenden Gases durch einen wendelförmigen Gasdurchgang innerhalb eines Gasverteilers geleitet wird.
Weitere Einsatzgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der anschließenden detaillierten Beschreibung ersichtlich. Es sollte klar sein, dass die detaillierte Beschreibung und die spezifischen Beispiele zwar die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wiedergeben, sie aber nur zur Illustration gedacht sind und den Umfang der Erfindung nicht beschränken sollen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird durch die detaillierte Beschreibung und die begleitenden Zeichnungen besser verständlich; es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Plasmalichtbogenbrenners gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung;
2 eine Schnittansicht des Plasmalichtbogenbrenners in 1 gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung;
3 eine perspektivische Ansicht einer Baueinheit aus Elektrode, Gasverteiler und Spitze, ausgeführt gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung;
4 eine Seitenansicht der Baueinheit aus Elektrode, Gasverteiler und Spitze in 3 gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung;
5 eine Schnittansicht durch die Ebene von 4 der Baueinheit aus Elektrode, Gasverteiler und Spitze gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung;
6 eine perspektivische Ansicht des Gasverteilers, ausgeführt gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung;
7 eine seitliche Schnittansicht des Gasverteilers in 6 gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung;
8 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines Gasverteilers mit einem einzelnen wendelförmigen Gasdurchgang und ausgeführt gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung;
9 eine seitliche Schnittansicht des Gasverteilers in 8 gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung;
10 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Gasverteilers mit inneren wendelförmigen Gasdurchgängen und ausgeführt gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung;
11 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Gasverteilers mit wendelförmigen Gasdurchgängen mit mehreren Steigungen und ausgeführt gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung;
12 eine Schnittansicht einer noch weiteren Ausführungsform eines Gasverteilers mit wendelförmigen Doppelzweckgasdurchgängen und ausgeführt gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung;
13 eine perspektivische, teilweise aufgeschnittene Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines Plasmalichtbogenbrenners mit einer Stromdosiervorrichtung und ausgeführt gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung;
14 eine perspektivische, teilweise aufgeschnittene Explosionsansicht der Stromdosiervorrichtung in 13 gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung;
15 eine Seitenansicht eines Stopfens, der in Verbindung mit dem Plasmalichtbogenbrenner in 13 eingesetzt wird und gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist; und
16 eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A in 15 des Stopfens gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung.
Überall in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen bezeichnen entsprechende Bezugszeichen gleiche Teile.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen hat nur Beispielcharakter und soll in keiner Weise die Erfindung, ihre Anwendung oder ihre Einsatzmöglichkeiten einschränken.
In den 1 und 2 ist ein Plasmalichtbogenbrenner gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung dargestellt und wird insgesamt mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet. Obwohl der Plasmalichtbogenbrenner 20 als automatischer Brenner dargestellt ist, können die Lehren der vorliegenden Erfindung auch auf einen handbetriebenen Plasmalichtbogenbrenner entweder mit einer Kontaktstartvorrichtung wie derjenigen anwendbar sein, die in US-Patent Nr. 6 903 301 unter dem Titel „Contact Start Plasma Arc Torch and Method of Initiating a Pilot Arc” gezeigt und beschrieben wird, oder auf einen Hochfrequenzstartbrenner wie denjenigen, der in US-Patent Nr. 6 163 008 unter dem Titel „Plasma Arc Torch” gezeigt und beschrieben wird.
Im Sinne dieser Beschreibung sollte ein Plasmalichtbogenbrenner, ob manuell betrieben oder automatisch, von Fachleuten als eine Vorrichtung verstanden werden, die ein Plasma unter anderem für Schneid-, Schweiß-, Spritz-, Aushobel- oder Markiervorgänge erzeugt oder nutzt. Dementsprechend sollte die spezifische Nennung von Plasmalichtbogenschneidbrennern, Plasmalichtbogenbrennern oder manuell betriebenen Plasmalichtbogenbrennern hier nicht als Einschränkung des Umfangs der vorliegenden Erfindung verstanden werden. Weiterhin sollte die spezifische Nennung der Zuführung von Gas zu einem Plasmalichtbogenbrenner nicht als Einschränkung des Umfangs der vorliegenden Erfindung verstanden werden, sondern so, dass auch andere Medien, z. B. Flüssigkeiten, dem Plasmalichtbogenbrenner gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung zugeführt werden können. Zusätzlich bedeuten im Sinne dieser Beschreibung die Wörter „proximale Richtung” oder „proximal” die Richtung die mit dem Pfeil A' bezeichnet ist, und die Wörter „distale Richtung” oder „distal” bedeuten die Richtung, die mit dem Pfeil B' bezeichnet ist.
In 2 weist der Plasmalichtbogenbrenner 20 an einem distalen Ende 22 des Brenners eine Gruppe von Verbrauchskomponenten auf. Zu den Verbrauchskomponenten gehören eine Elektrode 24, eine Spitze 26 und ein Gasverteiler 28 zwischen der Elektrode 24 und der Spitze 26. Die Elektrode 24 ist mit einer Kathode 30 elektrisch verbunden und bildet die negative oder kathodische Seite der Energieversorgung. Die Elektrode 26 ist mit einer Anode 32 elektrisch verbunden und bildet die positive oder anodische Seite der Energieversorgung. Wie weiter gezeigt, wird zwischen der Elektrode 24 und der Spitze 26 eine Plasmalichtbogenkammer 34 gebildet. Wenn an den Plasmalichtbogenbrenner 20 elektrischer Strom angelegt wird, wird in der Plasmalichtbogenkammer 34 ein Dauerbogen gebildet. Während das das Plasma bildende Gas in die Plasmalichtbogenkammer 34 eintritt, wird es vom Dauerbogen ionisiert, wodurch innerhalb der Plasmalichtbogenkammer 34 ein Plasmastrom gebildet wird und distal durch eine zentrale Austrittsöffnung 36 der Spitze 26 strömt.
In den 3 und 5 ist die Baueinheit aus der Elektrode 24, der Spitze 26 und dem Gasverteiler 28 detaillierter dargestellt. Wie gezeigt, ist der Gasverteiler 28 zwischen der Elektrode 24 und der Spitze 26 als elektrische Trennung zwischen der kathodischen Seite (Elektrode 24) und der anodischen Seite (Spitze 26) der Energieversorgung angeordnet. Der Gasverteiler 28 verteilt außerdem das das Plasma bildende Gas in die Plasmalichtbogenkammer 34 zur Bildung des Plasmastroms, wie zuvor beschrieben. Wie weiter gezeigt, ist ein Emissionseinsatz 38 innerhalb eines distalen Endes der Elektrode 24 angeordnet, der in einer Form der vorliegenden Erfindung vorzugsweise aus Hafnium besteht.
In den 5 bis 7 weist der Gasverteiler 28 gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung einen Körper 39 mit einem proximalen Endabschnitt 40 und einem distalen Endabschnitt 42 auf. Der proximale Endabschnitt 40 definiert eine ringförmige Wand 43, durch die eine Vielzahl von Plasmagasdurchgängen 44 und Dosierdurchgängen 46 gebildet werden. Besonders in den 5 und 7 werden die Plasmagasdurchgänge 44 gemeinsam mit den Dosierdurchgängen 46 gebildet, worin die Plasmagasdurchgänge 44 und die Dosierdurchgänge 46 einen gemeinsamen Durchgang für die Verteilung des das Plasma bildenden Gases in die Plasmalichtbogenkammer 34 bilden. Die Plasmagasdurchgänge 44 und die Dosierdurchgänge 46 werden vorzugsweise senkrecht zur ringförmigen Wand 43 gebildet, wie gezeigt, jedoch können diese Durchgänge in einem Winkel gebildet werden, ohne dass der Umfang der vorliegenden Erfindung verlassen wird. Obwohl hier drei (3) Gruppen (eine Gruppe definiert als ein Plasmagasdurchgang 44 und ein Dosierdurchgang 46) von Plasmagasdurchgängen 44 und Dosierdurchgängen 46 illustriert sind, sollte außerdem klar sein, dass eine einzelne Gruppe oder eine beliebige Anzahl von Gruppen eingesetzt werden kann, ohne vom Gedanken und vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Weiterhin sollte klar sein, dass nicht jeweils ein einzelner Dosierdurchgang 46 für jeden Plasmagasdurchgang 44 und umgekehrt vorhanden zu sein braucht, d. h. die Dosierdurchgänge 46 und Plasmagasdurchgänge 44 müssen nicht unbedingt gemeinsam gebildet werden.
Wie weiter gezeigt, definiert der Gasverteiler 28 einen inneren Abschnitt 50, in dem eine Vielzahl von wendelförmigen Gasdurchgängen 52 zwischen der Elektrode 24 und dem Gasverteiler 28 gebildet wird. Die wendelförmigen Gasdurchgänge 52 werden teilweise durch wendelförmige Rillen 54 definiert, die durch wendelförmige Erhöhungen 56 des Gasverteilers 28 getrennt werden, wie gezeigt, bei denen die wendelförmigen Rillen 54 vorzugsweise in einem Stück mit und im inneren Abschnitt 50 des Gasverteilers 28 gebildet werden. Wenn die Elektrode 24 innerhalb des Gasverteilers 28 angeordnet ist, stehen die wendelförmigen Gasdurchgänge 52 in strömungstechnischer Verbindung mit den Plasmagasdurchgängen 44 und den Dosierdurchgängen 46. Genauer gesagt, das das Plasma bildende Gas strömt in die Plasmagasdurchgänge 44, durch die Dosierdurchgänge 46, in eine ringförmige Kammer 58, die zwischen der Elektrode 24 und dem Gasverteiler 28 gebildet wird, durch die wendelförmigen Gasdurchgänge 52 und in die Plasmalichtbogenkammer 34.
Dadurch, dass die Dosierdurchgänge 46 mit den wendelförmigen Gasdurchgängen 52 kombiniert werden, ergibt sich eine Dosierung des das Plasma bildenden Gasstroms, bzw. es stellt sich ein voll entwickelter wirbelartiger Strom innerhalb der Plasmalichtbogenkammer 34 ein, was die Lebensdauer der Elektrode 24 verlängert, indem die geschmolzene Oberfläche des Emissionseinsatzes 38 innerhalb der Elektrode 24 an ihrem Platz festgehalten wird, während der Plasmalichtbogen abschaltet. Allgemein begrenzen die Dosierdurchgänge 46 die Strömungsmenge des das Plasma bildenden Gases in die Plasmalichtbogenkammer 34, wenn der Druck in der Plasmalichtbogenkammer 34 sinkt. Mit der Begrenzung der Strömungsmenge durch die Dosierdurchgänge 46 wird das das Plasma bildende Gas nicht in eine durchgebildete Wirbelbewegung versetzt, und somit leiten die wendelförmigen Gasdurchgänge 52 den Strom des das Plasma bildenden Gases in der Form eines Wirbels zwischen dem Gasverteiler 28 und der Elektrode 24, um einen voll entwickelten wirbelartigen Strom herbeizuführen. Durch das Vorhandensein der wendelförmigen Gasdurchgänge 52 und des resultierenden, wirbelartigen Plasmagasstroms kann das Plasmagas ohne einen wesentlichen Druckabfall von den Dosierdurchgängen 46 zur zentralen Austrittsöffnung 36 der Spitze 26, d. h. durch die Plasmakammer, dosiert werden, während der Plasmalichtbogen besteht. Zusätzlich hilft die Wirbelbewegung des Stroms, den Plasmalichtbogen zu verengen, um die Schneidqualität zu erhöhen.
Dementsprechend stellen die Lehren der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereit, mit dem die Lebensdauer von Verbrauchskomponenten bei einem Plasmalichtbogenbrenner verlängert wird, indem die Strömungsmenge des das Plasma bildenden Gases in die Plasmalichtbogenkammer 34 in Verbindung mit einer Wirbelbewegung des das Plasma bildenden Gases dergestalt begrenzt wird, dass es beim Schneiden zu keinem wesentlichen Druckabfall kommt, und dergestalt, dass die Menge des geschmolzenen Emissionseinsatzes 38, die aus dem Inneren der Elektrode 24 abgestoßen wird, reduziert wird, wenn der Plasmalichtbogen abschaltet.
In einer weiteren Form der vorliegenden Erfindung werden die Weite und Anzahl der Plasmagasdurchgänge 44, die entsprechende Weite und Anzahl der Dosierdurchgänge 46 und/oder die Weite und Anzahl der wendelförmigen Gasdurchgänge 52 abhängig vom Betriebsstrom des Plasmalichtbogenbrenners 20 variiert. Zum Beispiel werden die drei (3) Gruppen von Durchgängen, wie hier illustriert, für 100 A eingesetzt, während weniger Gruppen für niedrigere Stromstärken und mehr Gruppen für höhere Stromstärken verwendet werden können.
In den 8 und 9 wird eine zweite Ausführungsform eines Gasverteilers gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung illustriert und insgesamt mit dem Bezugszeichen 60 bezeichnet. Der Gasverteiler 60 weist ähnliche Merkmale und Funktionen auf wie die erste Ausführungsform des Gasverteilers 28, wie zuvor illustriert und beschrieben, mit der Ausnahme, dass der Gasverteiler 60 eine einzige wendelförmige Rille 62 anstelle der mehrfachen wendelförmigen Rillen 54 aufweist. Dementsprechend können die Weite und Anzahl der wendelförmigen Gasdurchgänge entsprechend den Anforderungen der jeweiligen Anwendung variiert werden, ohne dass der Umfang der vorliegenden Erfindung verlassen wird.
Zusätzlich sorgen die Gasverteiler 28 und 60 für eine verbesserte Ausrichtung zwischen der Elektrode 24 und der Spitze 26. Wie in 5 gezeigt, weist der Gasverteiler 28 eine distale äußere Wand 70 und eine distale Fläche 72 auf, die an die Spitze 26 stoßen und für eine horizontale und vertikale Positionierung des Gasverteilers 28 relativ zur Spitze 26 sorgen. Wie weiter gezeigt, weist der Gasverteiler 28 eine ringförmige innere Schulter 74 auf, auf der, wie gezeigt, eine äußere Schulter 80 der Elektrode 24 angeordnet ist, um für die vertikale Positionierung der Elektrode 24 relativ zur Spitze 26 zu sorgen. Zusätzlich stoßen die wendelförmigen Erhöhungen 56 an eine äußere Wand 82 der Elektrode 24. Vorteilhaft ist, dass die wendelförmigen Erhöhungen 56 eine relativ große Gegenfläche mit der Elektrode 24 bieten, wodurch die Ausrichtung zwischen der Elektrode 24 und der Spitze 26 verbessert wird, was letztlich die Schneidleistung und die Lebensdauer der Spitze erhöht.
Das Material des Gasverteilers 28 ist elektrisch isolierend, vorzugsweise ein Material wie Vespel^®, jedoch können auch Thermoplaste und sonstige Materialien, welche die erforderliche Isolierung und den erforderlichen dielektrischen Abstand sicherstellen, verwendet werden, ohne dass der Umfang der vorliegenden Erfindung verlassen wird. Zusätzlich können auch Kombinationen aus unterschiedlichen Materialien wie verschiedenen Keramikarten verwendet werden einschließlich, aber nicht beschränkt auf Bornitrid und Aluminiumoxid, unter anderem zusammen mit Thermoplasten, Lava und diversen Fluorpolymeren. Zum Beispiel weist der Gasverteiler 28 in einer Form der vorliegenden Erfindung, wie in 7 gezeigt, einen Körper 29 aus Vespel^® und einen Einsatz 31 aus Bornitrid auf, bei dem der Übergang zwischen dem Körper 29 aus Vespel^® und dem Einsatz 31 aus Bornitrid durch die nicht ausgezogene Linie dargestellt ist. Der Einsatz 31 aus Bornitrid wird vorzugsweise spanabhebend bearbeitet und im Presssitz in den Körper 29 aus Vespel^® gedrückt.
In 10 ist noch eine weitere Form eines Gasverteilers gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung dargestellt und wird insgesamt mit dem Bezugszeichen 90 bezeichnet. In dieser Ausführungsform wird ein wendelförmiger Gasdurchgang 92 zwischen einer äußeren Wand 94 und einer inneren Wand 96 des Gasverteilers 90 und nicht, wie zuvor beschrieben, in der inneren Wand gebildet. Zusätzlich kann auch ein Gasverteiler vorgesehen werden, der mehr als ein Stück (nicht gezeigt) darstellt und der einen wendelförmigen Durchgang zum Herbeiführen eines voll entwickelten Wirbels in dem das Plasma bildenden Gasstrom aufweist, ohne dass der Umfang der vorliegenden Erfindung verlassen wird.
Noch eine weitere Form eines Gasverteilers gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist in 11 dargestellt und wird insgesamt mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnet. Wie gezeigt, weist der Gasverteiler 100 einen wendelförmigen Gasdurchgang 102 mit mehreren Steigungen auf, bei dem die Steigung in Richtung eines proximalen Endabschnitts 104 relativ steiler und in Richtung eines distalen Endabschnitts 106 relativ flacher ist. Mit dem wendelförmigen Gasdurchgang 102 mit mehreren Steigungen kann der das Plasma bildende Gasstrom beispielsweise auf der Basis der Art des Gases und der Stromstärke im Sinne einer optimalen Wirbelbewegung weiter angepasst werden. Es sollte klar sein, dass die Illustration in 11 nur ein Beispiel ist und daher eine beliebige Anzahl von Steigungen und Konfigurationen, z. B. steiler, flacher, und eine beliebige Reihenfolge und Kombination über die Länge des Gasverteilers 100 verwendet werden kann, ohne dass der Umfang der vorliegenden Erfindung verlassen wird.
In 12 ist noch eine weitere Form eines Gasverteilers gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung dargestellt und wird insgesamt mit dem Bezugszeichen 110 bezeichnet. Der Gasverteiler 110 weist einen Körper 112 mit einem proximalen Endabschnitt 114 und einem distalen Endabschnitt 116 auf. Ein Plasmagasdurchgang 118 wird durch den proximalen Endabschnitt 114 gebildet und steht in strömungstechnischer Verbindung mit einem wendelförmigen Gasdurchgang 120, der entlang einem inneren Abschnitt des Gasverteilers 110 gebildet wird. Wie weiter gezeigt, definiert der wendelförmige Gasdurchgang 120 Rillen 124, die so bemessen sind, dass sie in Richtung des proximalen Endabschnitts 114 enger und in Richtung des distalen Endabschnitts 116 breiter sind. Dementsprechend haben die engeren Rillen 124 in Richtung des proximalen Endabschnitts 114 ähnlich den zuvor beschriebenen Dosierdurchgängen 46 die Aufgabe, das das Plasma bildende Gas zu dosieren, weshalb solche Dosierdurchgänge 46 in dieser Ausführungsform nicht erforderlich sind. Zusätzlich haben die breiteren Rillen 124 in Richtung des distalen Endabschnitts 116 ähnlich den zuvor beschriebenen wendelförmigen Gasdurchgängen die Aufgabe, in dem das Plasma bildenden Gas einen wirbelartigen Strom voll zu entwickeln.
Es sollte klar sein, dass Kombinationen aus den oben beschriebenen Gasverteilern verwendet werden können, ohne dass der Umfang der vorliegenden Erfindung verlassen wird. Zum Beispiel kann der wendelförmige Gasdurchgang 102 mit mehreren Steigungen in 11 mit unterschiedlichen Weiten der Rillen 124 in 12 kombiniert werden, ohne vom Gedanken und vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Solche Variationen und Kombinationen sind als in den Lehren der vorliegenden Erfindung enthalten zu verstehen.
In den 13 bis 16 wird eine weitere Form der vorliegenden Erfindung illustriert, bei der eine alternative Form der Dosierung des das Plasma bildenden Gases vorgesehen ist. Wie gezeigt, ist eine Stromdosiervorrichtung 121 innerhalb eines Plasmagasdurchgangs 122 angeordnet und hat wie die zuvor beschriebenen Dosierdurchgänge 46 die Aufgabe, die Strömungsmenge des das Plasma bildenden Gases zu begrenzen. In Kombination mit den wendelförmigen Gasdurchgängen 52 des Gasverteilers 28 oder sonstigen Ausführungsformen mit wendelförmigen Durchgängen, wie hier beschrieben, geschieht die Dosierung des das Plasma bildenden Gasstroms in Kombination mit der Herbeiführung eines voll entwickelten Wirbels in dem das Plasma bildenden Gasstrom, was die Lebensdauer der Elektrode 24 verlängert, indem die geschmolzene Menge des Emissionseinsatzes 38, die beim Abschalten des Lichtbogens von der Elektrode 24 abgestoßen wird, reduziert wird. Dementsprechend kann die Dosierung des das Plasma bildenden Gasstroms durch alternative Vorrichtungen erreicht werden, und wenn sie mit der Wirbelbewegung des das Plasma bildenden Gases durch den Gasverteiler 28 kombiniert wird, stellt sie ein verbessertes Verfahren dar, mit dem die Lebensdauer von Verbrauchskomponenten verlängert wird.
In einer bevorzugten Form ist die Stromdosiervorrichtung 121 ein Stopfen 124, der einen Plasmagasdurchgang 126 und einen Dosierdurchgang 128 definiert, wie in 16 gezeigt. Der Stopfen 124 ist in eine Komponente des Plasmalichtbogenbrenners 20 eingesetzt und ist vorzugsweise ein Formteil aus Kunststoff wie etwa Vespel^®. Da die benachbarte Komponente in dieser Illustrationszwecken dienenden Ausführungsform aus elektrisch isolierendem Material besteht, ist auch der Stopfen 124 elektrisch isolierend. Jedoch können andere Materialien verwendet werden abhängig von der Komponente, in die der Stopfen 124 eingesetzt wird, ohne dass der Umfang der vorliegenden Erfindung verlassen wird.
Obwohl in 13 nicht gezeigt, ist ein Vielzahl von Stopfen 124 vorzugsweise in allen einer entsprechenden Vielzahl von Plasmagasdurchgängen 122 angeordnet. Jedoch kann eine beliebige Anzahl von Stopfen 124 einschließlich eines (1) Stopfens 124 entsprechend den jeweiligen Strömungsbedingungen verwendet werden, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Beschreibung der Erfindung hat lediglich Beispielcharakter, somit sollen Variationen, die nicht von der Substanz der Erfindung abweichen, im Umfang der Erfindung enthalten sein. Zum Beispiel kann, obwohl der Gasverteiler 28 in der hier gezeigten und beschriebenen Form ein Stück bildet, auch ein Gasverteiler aus mehreren Stücken vorgesehen werden, der sowohl Dosier- als auch Wirbelaufgaben erfüllt, ohne dass der Umfang der vorliegenden Erfindung verlassen wird. Solche Variationen sind nicht als Abweichung vom Gedanken und vom Umfang der Erfindung zu betrachten.

Claims

Ein Gasverteiler (28; 60; 90; 100; 110) zum Einsatz in einem Plasmalichtbogenbrenner (20), der Plasmalichtbogenbrenner (20) aufweisend eine Elektrode (24) als Kathode und eine Spitze (26) als Anode, der Gasverteiler (28; 60; 90; 100; 110) aufweisend: einen elektrisch isolierenden Körper (29; 112), der zwischen der Elektrode (24) als Kathode und der Spitze (26) als Anode angeordnet ist und der einen proximalen Endabschnitt (40; 104; 114) und einen distalen Endabschnitt (42; 106; 116) definiert; mindestens einen Plasmagasdurchgang (44; 118; 122) und mindestens einen Dosierdurchgang (46; 128), der gemeinsam mit dem Plasmagasdurchgang (44; 118; 122) im proximalen Endabschnitt (40; 104; 114) gebildet wird; und mindestens einen wendelförmigen Gasdurchgang (52; 92; 102; 120), der entlang einem inneren Abschnitt (50) des Körpers (29; 112) gebildet wird, wobei der wendelförmige Gasdurchgang (52; 92; 102; 120) in strömungstechnischer Verbindung mit dem Plasmagasdurchgang (44; 118; 122) und dem Dosierdurchgang (46; 128) steht.
Gasverteiler (28; 60; 90; 100; 110) gemäß Anspruch 1, bei dem der Körper (29; 112) weiterhin eine ringförmige Wand (43) aufweist, die um den proximalen Endabschnitt (40; 104; 114) angeordnet ist, und der Plasmagasdurchgang (44; 118; 122) und der Dosierdurchgang (46; 128) durch die ringförmige Wand (43) hindurch gebildet werden.
Gasverteiler (28; 60; 90; 100; 110) gemäß Anspruch 2, bei dem der Plasmagasdurchgang (44; 118; 122) und der Dosierdurchgang (46; 128) rechtwinklig zur ringförmigen Wand (43) positioniert sind.
Gasverteiler (28; 60; 90; 100; 110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend eine Vielzahl von Plasmagasdurchgängen (44; 118; 122) und eine Vielzahl von Dosierdurchgängen (46; 128).
Gasverteiler (28; 60; 100; 110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der wendelförmige Gasdurchgang (52; 102; 120) mindestens eine wendelförmige Rille (62; 54; 124) definiert, die durch eine wendelförmige Erhöhung (56) getrennt wird, bei dem die wendelförmige Erhöhung (56) eine vergrößerte Oberfläche als Gegenfläche zu einer Elektrode (24) bietet, um die Ausrichtung zwischen der Elektrode (24) und einer Spitze (26) des Plasmalichtbogenbrenners (20) zu verbessern.
Gasverteiler (28; 60; 90; 100; 110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Körper (29; 112) ein elektrisch isolierendes Material aufweist, das aus einer Gruppe ausgewählt wird, die enthält: Thermoplaste, Keramiken, Lava und Fluorpolymere.
Gasverteiler (28) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Gasverteiler (28) weiterhin einen Einsatz (38) aufweist, der innerhalb des distalen Endabschnitts (42) des Körpers (29) angeordnet ist.
Gasverteiler (28) gemäß Anspruch 7, bei dem der Körper (29) ein Vespel^®-Material und der Einsatz (38) ein Bornitrid-Material aufweisen.
Gasverteiler (28) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend eine Vielzahl von wendelförmigen Gasdurchgängen (52).
Gasverteiler (28) gemäß Anspruch 9, aufweisend drei wendelförmige Gasdurchgänge (52).
Gasverteiler (28) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Anzahl und Weite mindestens des Plasmagasdurchgangs (44), des Dosierdurchgangs (46) oder des wendelförmigen Gasdurchgangs (52) abhängig von der Stromstärke des Betriebsstroms des Plasmalichtbogenbrenners (20) variiert werden.
Gasverteiler (90) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der wendelförmige Gasdurchgang (92) sich im Inneren des Gasverteilers (90) befindet und zwischen einer äußeren Wand (94) und einer inneren Wand (96) des Gasverteilers (90) gebildet wird.
Gasverteiler (100; 110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der wendelförmige Gasdurchgang (102; 120) mehrere Steigungen definiert.
Ein Plasmalichtbogenbrenner (20), aufweisend: eine Elektrode (24); eine Spitze (26); und einen Gasverteiler (28; 60; 90; 100; 110), der ein elektrisch isolierender Körper (29; 112) ist und der zwischen der Elektrode (24) und der Spitze (26) angeordnet ist, wobei der Gasverteiler (28; 60; 90; 100; 110) aufweist: einen Körper (29; 112), der einen proximalen Endabschnitt (40; 104; 114) und einen distalen Endabschnitt (42; 106; 116) definiert; mindestens einen Plasmagasdurchgang (44; 118; 122) und mindestens einen Dosierdurchgang (46; 128), der gemeinsam mit dem Plasmagasdurchgang (44; 118; 122) im proximalen Endabschnitt (40; 104; 114) gebildet wird; und mindestens einen wendelförmigen Gasdurchgang (52; 92; 102; 120), der entlang eines inneren Abschnitts (50) des Körpers (29; 112) gebildet wird, wobei der wendelförmige Gasdurchgang (52; 92; 102; 120) in strömungstechnischer Verbindung mit dem Plasmagasdurchgang (44; 118; 122) und dem Dosierdurchgang (46; 128) steht.
Ein Plasmalichtbogenbrenner (20), aufweisend: eine Elektrode (24); eine Spitze (26); einen Gasverteiler (28; 60; 90; 100; 110), der ein elektrisch isolierender Körper (29; 112) ist und der zwischen der Elektrode (24) und der Spitze (26) angeordnet ist, um dazwischen eine Plasmalichtbogenkammer (34) zu definieren, wobei der Gasverteiler (28; 60; 90; 100; 110) einen wendelförmigen Gasdurchgang (52; 92; 102; 120) aufweist, der entlang einem inneren Abschnitt (50) des Körpers (29; 112) gebildet wird; einen Plasmagasdurchgang (44; 118; 122), der proximal von der Plasmalichtbogenkammer (34) angeordnet ist, um der Plasmalichtbogenkammer (34) Plasmagas zuzuführen; und eine Stromdosiervorrichtung (121), die innerhalb des Plasmagasdurchgangs (44; 118; 122) angeordnet ist und in strömungstechnischer Verbindung mit dem wendelförmigen Gasdurchgang (52; 92; 102; 120) steht.
Plasmalichtbogenbrenner (20) gemäß Anspruch 14 oder 15, bei dem der wendelförmige Gasdurchgang (52; 102; 120) zwischen mindestens einer im Gasverteiler (28; 60; 100; 110) gebildeten, wendelförmigen Rille (54; 62; 124) und einer äußeren Wand (82) der Elektrode (24) gebildet wird.
Plasmalichtbogenbrenner (20) gemäß Anspruch 15 oder 16, bei dem die Stromdosiervorrichtung (121) ein Stopfen (124) ist, der innerhalb des Plasmagasdurchgangs (122) angeordnet ist, wobei der Stopfen (124) einen Dosierdurchgang (128) definiert, der enger als der Plasmagasdurchgang (126) ist.
Plasmalichtbogenbrenner (20) gemäß Anspruch 15, 16 oder 17, weiterhin aufweisend eine Vielzahl von Stromdosiervorrichtungen (121), die innerhalb einer entsprechenden Vielzahl von Plasmagasdurchgängen (44; 118; 122) angeordnet sind.
Ein Gasverteiler (28; 60; 100; 110) zum Einsatz in einem Plasmalichtbogenbrenner (20), der Plasmalichtbogenbrenner (20) aufweisend eine Elektrode (24) als Kathode und eine Spitze (26) als Anode, der Gasverteiler (28; 60; 100; 110) aufweisend: einen elektrisch isolierenden Körper (29; 112), der zwischen der Elektrode (24) als Kathode und der Spitze (26) als Anode angeordnet ist und der einen proximalen Endabschnitt (40; 104; 114) und einen distalen Endabschnitt (42; 106; 116) definiert; mindestens einen Plasmagasdurchgang (44; 118; 122), der im proximalen Endabschnitt (40; 104; 114) gebildet wird; und mindestens einen wendelförmigen Gasdurchgang (52; 102; 120), der entlang eines inneren Abschnitts (50) des Körpers (29; 112) gebildet wird und in strömungstechnischer Verbindung mit dem Plasmagasdurchgang (44; 118; 122) steht, wobei der wendelförmige Gasdurchgang (52; 102; 120) mindestens eine Rille (54; 62; 124) definiert, die in Richtung des proximalen Endabschnitts (40; 104; 114) enger und in Richtung des distalen Endabschnitts (42; 106; 116) weiter ist.
Ein Gasverteiler (28; 60; 100; 110) zum Einsatz in einem Plasmalichtbogenbrenner (20), der Plasmalichtbogenbrenner (20) aufweisend eine Elektrode (24) als Kathode und eine Spitze (26) als Anode, der Gasverteiler (28; 60; 90; 100; 110) aufweisend: einen nicht-leitenden Körper (29; 112), der so ausgebildet ist, dass er zwischen einer Elektrode (24) als Kathode und einer Spitze (26) des Plasmalichtbogenbrenners (20) als Anode angeordnet ist; und mindestens einen wendelförmigen Gasdurchgang (52; 102; 120), der entlang einem inneren Abschnitt (50) des nicht-leitenden Körpers (29; 112) gebildet wird, wobei der wendelförmige Gasdurchgang (52; 102; 120) mindestens eine Rille (62; 54; 124) definiert.
Ein Verfahren zum Betreiben eines Plasmalichtbogenbrenners (20), wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Leiten eines Stroms von Plasmagas durch mindestens einen Plasmagasdurchgang (44; 118; 122; 126); anschließendes Leiten des Stroms von Plasmagas durch mindestens einen Dosierdurchgang (46; 128) dergestalt, dass eine Strömungsmenge des Plasmagases reduziert wird; und anschließendes Leiten des in Bezug auf die Strömungsmenge reduzierten Plasmagases durch einen wendelförmigen Gasdurchgang (52; 92; 102; 120) innerhalb eines Gasverteilers (28; 60; 90; 100; 110).
Verfahren gemäß Anspruch 21, weiterhin aufweisend den Schritt, bei dem die Weite und die Anzahl der Plasmagasdurchgänge (44), Dosierdurchgänge (46) und der wendelförmigen Gasdurchgänge (52) abhängig von der Stromstärke variiert werden.