ITMI971714A1 - Apparecchiatura per l'applicazione di rivestimenti protettivi con tecnica a plasma - Google Patents

Description

DESCRIZIONE del testo dell’invenzione industriale

La presente invenzione riguarda un’apparecchiatura per l’applicazione di rivestimenti protettivi atta ad essere alimentata elettricamente con corrente alternata, la quale comprende una torcia a plasma per la deposizione di materiale da rivestimento e mezzi per convertire la corrente elettrica alternata in corrente continua da applicare alla torcia.

Le apparecchiature appena menzionate sono già note ed utilizzate in maniera sempre più diffusa per l’applicazione di rivestimenti o riporti in genere, destinati a proteggere superfici che operano in ambienti fortemente corrosivi o che per le loro particolari funzioni meccaniche possono essere soggette ad usura; un esempio delle possibili applicazioni dei rivestimenti in questione, è rappresentato dal riporto di leghe speciali sulle pale delle turbine a gas, oppure sulle diverse parti di motori a reazione utilizzati in campo aereonautico.

Questa tecnica di deposizione dei rivestimenti protettivi è comunemente nota con la denominazione anglosassone “plasma spray” ed i materiali da rivestimento che vengano utilizzati possono variare da caso a caso in funzione delle diverse necessità; si passerà pertanto dalle leghe prima riferite in relazione alle pale delle turbine, ai materiali ceramici e quant’altro.

In breve, con questa tecnologia l’applicazione di un rivestimento su una superficie da trattare viene ottenuto proiettando, mediante la torcia, le particelle del materiale corrispondente, che per questo scopo si presenta generalmente sotto forma di polvere; ciò avviene con altissime velocità e conferendo contemporaneamente un elevato apporto di energia termica per mezzo di un arco elettrico all’ interno della torcia.

Le apparecchiature qui considerate vengono solitamente alimentate con la normale corrente alternata di rete e sono dotate di mezzi per convertirla in una corrente continua adeguata a far scoccare, e poi mantenere, l’arco richiesto.

A tal fine il raddrizzamento dell’energia elettrica fornita dalla rete, nonché la sua successiva elaborazione per conseguire i valori di tensione e corrente appropriati per alimentare la torcia, vengono eseguiti tramite componenti circuitali tradizionali; in particolare, tra questi componenti sono da segnalare i tiristori.

Dal punto di vista tecnico bisogna tuttavia tenere conto che per un corretto andamento del ciclo applicativo dei rivestimenti qui considerati, è essenziale che l’arco elettrico allinterno della torcia abbia caratteristiche di stabilità. Di conseguenza, data la natura intrinseca di funzionamento dei tiristori i quali non sono in grado di assicurare, a valle di essi, dei livelli di tensione e corrente particolarmente regolari e costanti nel tempo, le apparecchiature attualmente disponibili in commercio sono generalmente sovradimensionate: vale a dire che ai capi della torcia vengono di solito applicati livelli di tensione e corrente superiori a quelli teoricamente necessari per far scoccare e poi mantenere Parco elettrico, così che le fluttuazioni nel tempo di queste grandezze non comportano fenomeni di instabilità dell’arco.

In questa circostanza si segnala come i valori di corrente normalmente utilizzati sono dell’ordine di 300-400 A invece di circa 180 A, che costituisce un valore di corrente indicativamente sufficiente per la stabilità dell 'arco.

Da tutto ciò ne deriva che le potenze in gioco durante i trattamenti di rivestimento effettuati con le apparecchiature della tecnica nota, sono abbastanza elevate: ciò comporta anche un notevole sviluppo di energia termica sotto forma di calore trasmesso alle superimi da rivestire.

Alla luce di questa premessa è possibile comprendere perché l’applicazione di rivestimenti con la tecnica al plasma qui esaminata, non può venire adottata nel caso di corpi con diametro ridotto, vale a dire minore di 40 mm oppure nel caso in cui siano coinvolti spessori inferiori ai 3 mm; è infatti evidente che in simili circostanze i flussi termici e le temperature presenti durante il processo di rivestimento, potrebbero danneggiare seriamente i pezzi da lavorare.

E’ pertanto lo scopo della presente invenzione quello di porre rimedio alla situazione qui prospettata, mettendo a disposizione una apparecchiatura per l’applicazione di rivestimenti protettivi con la tecnica al plasma, la quale abbia caratteristiche di struttura e di funzionamento tali da superare gli inconvenienti sopra riferiti in relazione allo stato dell’arte.

Tale scopo è raggiunto da una apparecchiatura del tipo considerato all’inizio di questa descrizione, le cui caratteristiche sono esposte nelle rivendicazioni che seguiranno.

L’invenzione verrà meglio compresa alla luce della descrizione di una sua forma preferita e non esclusiva di attuazione, la quale è illustrata nei disegni allegati dove:

la Figura 1 è una rappresentazione schematica dell’apparecchiatura di questa invenzione;

la Figura 2 mostra un particolare dell’apparecchiatura dell’invenzione. Con riferimento allo schema di Figura 1, l’apparecchiatura per l’applicazione di rivestimenti protettivi secondo il trovato viene collegata ad una alimentazione trifase di rete a 380V, quale quella comunemente disponibile in ambito industriale; essa comprende un convertitore della corrente elettrica alternata di alimentazione destinato a fornire in uscita una corrente continua insieme con una relativa tensione, da applicare ad una torcia al plasma di tipo ad arco non trasferito di per sé noto, la quale non viene pertanto qui maggiormente considerato.

Il convertitore succitato comprende alcuni componenti disposti tra loro in serie, i quali vengono ora brevemente descritti; si osservi che in Figura 1, per facilitare la comprensione dell’apparecchiatura, oltre ad alcuni numeri di riferimento ed indicazioni scritte, in vari blocchi sono stati anche riportati i simboli convenzionalmente usati nella tecnica per indicare i componenti elettronici che li contraddistinguono.

In ingresso al convertitore è presente un gruppo a diodi 10 mediante il quale la corrente alternata di alimentazione viene raddrizzata per diventare continua; a valle di esso si trova poi un gruppo a condensatori 12 per stabilizzare la corrente in uscita dal gruppo 10.

Dopo il gruppo a condensatori 12 è applicato un inverter con dispositivi a stato solido, che in una forma preferita dell’invenzione sono del tipo IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor); l’inverter 14 serve a convertire la corrente continua in uscita dal blocco a condensatori 12 in una corrente alternata con onda quadra di frequenza elevata (10-15 KHz), idonea ad essere successivamente portata alla tensione desiderata (30-80V) per gli scopi richiesti dall’ apparecchi atura, tramite un trasformatore 16 collocato a valle del’inverter 14 stesso.

All’uscita del trasformatore 16 la corrente alternata ad onda quadra viene definitivamente raddrizzata da un secondo blocco a diodi 18.

In accordo con l’invenzione, l’inverter 14 è raffreddato secondo quanto schematicamente indicato in Figura 1 dal corrispondente blocco di raffreddamento ad esso accoppiato, e mostrato invece più nel dettaglio in Figura 2.

In quest’ultima è riportato in prospetto frontale l’inverter 14 che è essenzialmente costituito da un corpo scatolare 30 dove sono alloggiati i dispositivi a stato solido IGBT di cui si è detto, su una faccia del quale si trovano i contatti elettrici 31 e 32, mentre sul lato opposto sono applicate delle alette 33 di raffreddamento. Nello spazio compreso tra le alette affiancate sono inoltre alloggiati dei condotti 35 per la circolazione di un fluido di raffreddamento, normalmente acqua. In questo caso i condotti 35 non sono altro che i diversi tratti di un’unica serpentina e per favorire lo scambio termico tra il fluido di raffreddamento e le alette 33, i condotti sono annegati in una lega brasante 36 metallica a base di rame e argento. A completamento della descrizione fatta sinora, nell’ apparecchiatura dell’invenzione sono inoltre previsti una consolle di comando (si veda Fig. 1) mediante la quale un operatore può impostare e/o regolare il funzionamento dell’apparecchiatura, un blocco di controllo ed interfaccia destinato a permettere la comunicazione tra la consolle di comando e i vari componenti presenti nell’ apparecchiatura; tra questi ultimi, oltre ovviamente al convertitore più sopra considerato, sono da annoverare un generatore di alta frequenza, di per sè noto, collegato in ingresso alla torcia a plasma e che ha la funzione di consentire l’innesco dell’arco elettrico quando la apparecchiatura viene avviata o ogni qual volta ciò sia richiesto. Un altro componente collegato al blocco di controllo e interfaccia è costituito da un blocco di alimentazione, nel quale sono predisposti una serie di trasformatori le cui uscite si immettono direttamente sugli ingressi del convertitore di corrente alternata.

Infine, nell’ apparecchiatura dell’invenzione possono anche essere previsti dei mezzi per stabilizzare la corrente in uscita dal convertitore, costituiti essenzialmente da un filtro LC, a condensatori ed induttanze.

Per ovvie ragioni di sicurezza, l’apparecchiatura dell’invenzione è inoltre dotata di mezzi opportuni quali interruttori d’emergenza atti ad interrompere l’alimentazione di corrente in caso di corto circuiti o quant’altro, per soddisfare i requisiti delle normative in materia di sicurezza; tali mezzi sono schematicamente rappresentati in Figura 1 da un blocco di emergenze attivo a monte della alimentazione dell’inverter.

Dalla descrizione fatta sinora dei vari componenti dell’apparecchiatura, è possibile comprendere come essa raggiunga lo scopo prefissato inizialmente.

L’impiego dell’inverter con dispositivi a stato solido ed in particolare del tipo IGBT permette infatti, date le prestazioni di questi componenti elettronici, di condurre i processi di rivestimento con tecnica al plasma utilizzando potenze sensibilmente minori rispetto a quelle richieste dalle apparecchiature tradizionali a tiristori.

In pratica si è potuto riscontrare che la corrente necessaria, a parità di tensione, per l alimentazione della torcia risulta la metà dei 300-400 A solitamente usati nella tecnica nota; questi risultati sono stati ottenuti facendo funzionare l inverter ed i relativi IGBT a temperature inferiori ai 70°C.

In questo contesto è da sottolineare come il sistema di raffreddamento ad acqua dei componenti IGBT, contribuisce favorevolmente al mantenimento stabile delle condizioni ottimali di temperatura (< 70°) per il loro funzionamento e quindi, di riflesso, alla affidabilità dell’intera apparecchiatura. Ovviamente al posto dell’acqua potrebbe comunque venire adottato un qualsiasi altro liquido idoneo ad ottenere i medesimi risultati. Ai valori più bassi della corrente impiegata, corrispondono livelli minori di potenza coinvolta nel processo di rivestimento e pertanto anche i flussi termici che ne derivano risultano ridotti notevolmente rispetto a quanto avviene nelle apparecchiature conosciute.

In virtù di questi effetti, il calore trasmesso alle superfici da rivestire è sufficientemente contenuto da consentire di utilizzare l’apparecchiatura dell’invenzione anche in relazione ai diametri e agli spessori limitati, cui si è fatto cenno più sopra.

In altre parole si può dire che grazie alle prestazioni degli inverter a stato solido ed in particolare quelli con IGBT, si ottiene un maggior controllo della corrente continua da trasmettere alla torcia a plasma; da ciò ne consegue che non è più necessario sovradimensionare l apparecchi atura per essere sicuri che la corrente fornita alla torcia non subisca fluttuazioni tali da rendere instabile larco elettrico, perché l inverter è ora in grado di produrre una corrente continua con tensione contraddistinta da una minima ondulazione (minore del 5%) pressoché trascurabile.

L’apparecchiatura dell’invenzione risulta inoltre particolarmente ridotta come dimensioni rispetto a quelle note, dato che la minore energia necessaria alla sua alimentazione ne consente anche un raffreddamento più agevole. In questo contesto è da segnalare l’efficacia del raffreddamento a liquido dell’inverter che permette di asportare flussi significativi di calore da prodotti dall’inverter, contribuendo a mantenere compatta la struttura dell’ apparecchi atura.

Da ultimo, sebbene l’esempio di apparecchiatura qui riferito preveda l’uso di una torcia a plasma del tipo con arco non trasferito, non è da escludere che possa venire utilizzata anche una torcia ad arco trasferito.

Claims (8)

1. RIVENDICAZION 1. Apparecchiatura per l’applicazione di rivestimenti protettivi, del tipo atto ad essere alimentato elettricamente con corrente alternata, la quale comprende una torcia cosiddetta a plasma, mezzi (10, 12, 14, 16) per convertire la corrente elettrica alternata di alimentazione in una corrente continua da applicare alla torcia suddetta, caratterizzata dal fatto che tali mezzi di conversione della corrente comprendono un inverter dotato di dispositivi a stato solido.
2. 2. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1, in cui i dispositivi a stato solido sono di tipo IGBT.
3. 3. Apparecchiatura secondo le rivendicazioni 1 o 2, in cui la temperatura di funzionamento dei dispositivi a stato solido deH’inverter è minore di 70°.
4. 4. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui i dispositivi a stato solido sono alloggiati in un corpo (30) scatolare raffreddato con un liquido refrigerante.
5. 5. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 4, in cui il corpo scatolare (30) è dotato esternamente di alette (33) di raffreddamento ed in cui il liquido refrigerante fluisce in condotti (35) alloggiati tra tali alette.
6. 6. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni che precedono, in cui a monte dell’ inverter sono predisposti un gruppo a diodi (10) ed un gruppo a condensatori (12) in serie tra loro.
7. 7. Apparecchiature secondo una qualsiasi delle rivendicazioni che precedono, in cui a valle dell’ inverter è presente un trasformatore (16) ed un secondo gruppo a diodi (18) collegati in serie tra loro.
8. 8. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni che precedono, in cui la torcia a plasma è di tipo ad arco non trasferito.