AT502448B1

AT502448B1 - Wasserdampfplasmabrenner

Info

Publication number: AT502448B1
Application number: AT0147705A
Authority: AT
Original assignee: Fronius Int Gmbh
Priority date: 2005-09-09
Filing date: 2005-09-09
Publication date: 2007-06-15
Also published as: US20090230096A1; CN101258785A; EP1922909B1; WO2007028183A2; US8212172B2; CN101258785B; WO2007028183A3; JP2009507347A; AT502448A1; EP1922909A2

Description

2 AT 502 448 B1

Die Erfindung betrifft einen Wasserdampfplasmabrenner mit einem Gehäuse, einem Brennergriff und einem Brennerkörper, wobei im Brennerkörper eine Flüssigkeitszuleitung, eine Heizeinrichtung, eine Brennkammer, eine mit dem Kathodenhalter verbundene Kathode und eine als Düse ausgebildete Anode mit einer Austrittsöffnung angeordnet ist. 5

Weiters betrifft die Erfindung eine Kathode und eine Düse für einen derartigen Wasserdampfplasmabrenner.

Bei Wasserdampfplasmabrennern der gegenständlichen Art wird über eine Stromquelle ein io Lichtbogen zwischen einer negativ gepolten Kathode und einer positiv gepolten Anode, welche als Düse an der Spitze des Brenners ausgebildet ist, gezündet. Flüssigkeit bzw. Wasser wird von einem Tank über eine entsprechende Leitung zum Brenner geführt und dort mittels einer Heizeinrichtung zu Dampf erhitzt und über entsprechende Kanäle in die Brennkammer geleitet, wo es als Plasma-bildendes Medium ein Plasma erzeugt. Der Plasmastrahl tritt stromlos aus 15 der Düse aus, wo er aufgrund der hohen Energiedichte zum Aufschmelzen von Werkstücken verwendet werden kann. Da der Plasmastrahl stromlos aus der Düse des Brenners austritt und kein Lichtbogen zwischen der Düse zu dem zu bearbeitenden Werkstück erzeugt wird, können auch nicht leitende Werkstoffe thermisch bearbeitet werden. Neben dem Schneiden von Werkstücken kann mittels eines Wasserdampfplasmabrenners auch ein Verbinden von 20 Werkstücken durchgeführt werden.

Die US 3 242 305 A zeigt einen Plasmabrenner, bei dem der Kathodenhalter mit der Kathode als axial verschiebbarer Kolben ausgebildet ist. Im Ruhezustand presst eine Schraubenfeder diese Anordnung gegen die Anode bzw. Düse. Die Zündung des Lichtbogens erfolgt, indem 25 über eine Flüssigkeitszuleitung Kühlwasser an den Kathodenhalter herangeführt wird und so die Kathode von der Anode abhebt. Bei diesem Plasmabrenner wird jedoch nicht Wasser als Plasma-bildendes Medium verwendet.

Auch die US 4 902 871 A, die EP 0 490 882 A1 und die DE 41 38 897 A1 zeigen Plasma-30 Schneidbrenner, bei welchen durch eine Verschiebung der Kathode eine Kompaktzündung bewirkt wird. Auch in diesen Fällen handelt es sich jedoch um Plasma-Schneidbrenner, die nicht Wasser als Plasma-bildendes Medium verwenden.

Schließlich zeigt die US 3 217 133 A und die DE 198 25 555 A1 Plasma-Schneidbrenner, bei 35 welchen durch eine Verschiebung der Kathode eine Justierung des Lichtbogens bewirkt wird.

Beispielsweise beschreibt die DE 100 08 255 A1 einen Wasserdampfplasmabrenner, der speziell ausgebildet ist, um niedrigere Energieniveaus an der Plasmabrennerspitze für andere Anwendungen zu erzielen. 40

Ein Lichtbogenplasmabrenner der gegenständlichen Art, bei dem der Behälter für das Arbeitsfluid im Brenner integriert ist, wird in der EP 0 640 426 A1 beschrieben.

Die EP 1 050 200 B1 beschreibt einen Wasserdampfplasmabrenner, der für eine möglichst 45 lange Laufzeit für einen Schneidvorgang speziell ausgebildet ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines oben genannten Wasserdampfplasmabrenners, der eine möglichst exakte Zündung des Lichtbogens zulässt und für einen optimalen Betrieb möglichst gut gekühlt werden kann. 50

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Kathode und Düse für einen oben genannten Wasserdampfplasmabrenner, welche eine optimale Zündung desselben zulassen und für optimale Betriebsbedingungen und möglichst hohe Betriebsdauer gut kühlbar sind. 55 3 AT 502 448 B1

Gelöst wird die erste erfindungsgemäße Aufgabe durch einen oben genannten Wasserdampfplasmabrenner, bei dem der Kathodenhalter mit der Kathode als axial verschiebbarer Kolben ausgebildet und mit einem Federelement verbunden ist, so dass die Kathode in der Ruhestellung an die Düse gepresst wird und bei dem der Kathodenhalter mit der Flüssigkeitszu-5 leitung derart in Verbindung steht, dass während des Betriebszustands bei Zufuhr von Flüssigkeit bzw. Wasser die Kathode von der Düse abgehoben wird, so dass ein Lichtbogen zwischen der Kathode und der Anode gezündet werden kann und dass der Kathodenhalter eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweist. Der gegenständliche Wasserdampfplasmabrenner zeichnet sich durch eine axial verschiebbare Kathode aus, wodurch eine Kontaktzündung ermöglicht io wird. Dabei befindet sich im Ruhezustand die Kathode an der Anode und bildet dadurch einen elektrischen Kurzschluss. Im Betriebszustand des Wasserdampfplasmabrenners wird die Kathode vom Wasser automatisch abgehoben, wodurch aufgrund einer entsprechenden Spannung zwischen der Kathode und der Anode ein Lichtbogen zwischen der Kathode und der Anode erzeugt werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch das fast vollständige 15 Abdichten der Düse im Ruhezustand kaum Wasser aus dem Brenner austreten kann. Dadurch dass die Kathode durch das Arbeitsmedium des Plasmabrenners von der Anode abgehoben wird, kann es zu einem Zünden des Lichtbogens nur bei vorhandenem Medium kommen. Durch die elektrisch isolierende Beschichtung des Kathodenhalters wird eine Verbindung der Strom-führenden Kathode mit anderen Bauelementen des Wasserdampfplasmabrenners verhindert. 20 Dabei soll die Beschichtung eine gute elektrische Isolierung aber auch eine gute Wärmeleitung zum Abführen der entstehenden Wärme aufweisen.

Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe auch durch einen oben genannten Wasserdampfplasmabrenner, bei dem die im Brennerkörper angeordnete Flüssigkeitszuleitung zur 25 Brennkammer derart ausgebildet ist, dass die zugeführte Flüssigkeit zuerst entlang des Kathodenhalters über einen Kühlkanal geführt ist, und anschließend entlang der Heizeinrichtung zur Brennkammer verläuft und dass der Kathodenhalter eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweist. Durch diese Maßnahme wird ein Wasserdampfplasmabrenner geschaffen, dessen Kathode durch die Flüssigkeit bzw. das Wasser besser gekühlt wird. Durch die Wärmeaufnah-30 me der Flüssigkeit wird in der Folge weniger Energie für die Verdampfung benötigt. Durch die elektrisch isolierende Beschichtung des Kathodenhalters wird eine Verbindung der Stromführenden Kathode mit anderen Bauelementen des Wasserdampfplasmabrenners verhindert. Dabei soll die Beschichtung eine gute elektrische Isolierung aber auch eine gute Wärmeleitung zum Abführen der entstehenden Wärme aufweisen. 35

Vorteilhafterweise ist um den Kathodenhalter ein von einem Kolbenelement begrenzter Raum angeordnet, der mit der Flüssigkeitszuleitung verbunden ist, so dass durch Zufuhr von Flüssigkeit der Raum gefüllt wird und der Kathodenhalter mit der Kathode von der Düse abhebt. 40 Um eine annähernde Abdichtung der Düse im Ruhezustand des Plasmabrenners zu erzielen und Beschädigungen der Kathode oder Düse durch eine Verteilung der Kräfte zu vermeiden, stimmt die Form der Spitze der Kathode vorzugsweise mit der Form der Innenseite der Düse überein. Bei der Formgestaltung werden scharfe Kanten oder Ecken vorzugsweise vermieden. 45 Das Federelement, welches im Ruhezustand des Plasmabrenners die Kathode an die Düse drückt, ist vorzugsweise durch eine Schraubenfeder gebildet. Dies stellt eine einfache kostengünstige und robuste Realisierungsmöglichkeit dar.

Da die Kathode und der Kathodenhalter axial verschiebbar ausgebildet sind, werden am Katho-50 denhalter bevorzugterweise Dichtungsringe angeordnet. Diese Dichtungsringe sind aus elastischem Material gebildet, welches die bei Wasserdampfplasmabrennern üblichen Temperaturen aushalten, beispielsweise aus Silikonverbundwerkstoffen oder Teflonverbundwerkstoffen. Über den oder die Dichtungsringe kann auch eine Zentrierung des Kathodenhalters im umgebenden Zylinder des Wasserdampfplasmabrenners erfolgen. 55 4 AT 502 448 B1

Zusätzlich erfolgt bevorzugt eine Versiegelung der isolierenden Beschichtung des Kathodenhalters.

Die Kathode des Wasserdampfplasmabrenners besteht gemäß einem weiteren Merkmal der 5 Erfindung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung.

Um die Kathode vor den auftretenden hohen Temperaturen zu schützen, kann diese zumindest teilweise mit einer elektrischen Isolation, insbesondere einer Keramikbeschichtung, versehen sein. 10

Um einen raschen Tausch der Kathode zu ermöglichen, ist diese vorzugsweise mit dem Kathodenhalter über ein Gewinde verbunden. Um einen möglichst guten Wärmeübergang von der Kathode zum Kathodenhalter zu erzielen ist das Gewinde relativ lang ausgebildet. 15 Vorzugsweise weist die Kathode einen Anschlagflansch auf, der verhindert, dass die Kathode zu weit in den Kathodenhalter gedreht wird, was zu einer Zerstörung des Gewindes führen könnte. Darüber hinaus wird die Verbindungsstelle zwischen Kathode und Kathodenhalter über den Anschlagflansch abgedichtet und verhindert ein Eindringen des Arbeitsmediums. 20 Um zu verhindern, dass sich der Kathodenhalter beim Montieren bzw. Demontieren der Kathode verdreht, ist am Kathodenhalter vorzugsweise eine Einrichtung zum Schutz vor Verdrehung angeordnet, welche beispielsweise durch eine Achse gebildet ist, welche in einem Querloch des Kathodenhalters angeordnet ist. 25 Um eine ausreichende Kühlung des Wasserdampfplasmabrenners zu erzielen, ist der Kathodenhalter von zumindest einem Kühlkanal umgeben, welcher mit der Flüssigkeitszuleitung in Verbindung steht, so dass eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser bzw. ein entsprechendes Wassergemisch, als Kühlmedium verwendbar ist. Dabei wird die Flüssigkeit von der Flüssigkeitszuleitung in eine Kammer um den Kathodenhalter gefördert und entlang des zumindest 30 einen Kühlkanals um den Kathodenhalter befördert, so dass der Kathodenhalter durch die Flüssigkeit gekühlt wird. Da als Kühlmedium die Flüssigkeit des Wasserdampfplasmabrenners verwendet wird, braucht kein eigener Kühlkreislauf mit einem eigenen Kühlmedium angeordnet werden. 35 Der zumindest eine Kühlkanal verläuft um den Kathodenhalter entlang, vorzugsweise spiralförmig. Durch diese Führung des Kühlkanals wird eine gleichmäßige Verteilung des Wassers um den Kathodenhalter gewährleistet. Zusätzlich zum Kühlkanal ist es von Vorteil, wenn ein schmaler Ringspalt um den gesamten Kathodenhalter frei bleibt, in den das Kühlmedium eindringen kann. Dadurch wird eine sichere Benetzung der gesamten Oberfläche des Kathodenhalters 40 erzielt und lokale Überhitzungen des Kathodenhalters vermieden.

Um den Wasserdampfplasmabrenner in seiner Baugröße kompakt zu halten, wird die Flüssigkeit, welche zur Kühlung des Kathodenhalters diesen umströmt hat, über einen Rückführungskanal wieder zur Heizeinrichtung zurückgeführt. 45

Die Heizeinrichtung weist vorzugsweise einen spiralförmigen Kanal zur Durchführung der Flüssigkeit auf, in welchem diese verdampft wird. Der spiralförmige Kanal hat den Vorteil, dass die in der meist durch eine elektrische Heizung ausgebildeten Heizeinrichtung verdampfte Flüssigkeit verwirbelt wird und in diesem verwirbelten Zustand in die Brennkammer gelangt. 50

Um eine Inbetriebnahme des Wasserdampfplasmabrenners bei nicht ordnungsgemäß angeordnetem Gehäuse zu verhindern, kann ein Schutzschalter vorgesehen sein, der nur bei ordnungsgemäß angeordnetem Gehäuse betätigbar ist. Dieser Schutzschalter kann durch einen Mikrotaster gebildet sein, der durch das ordnungsgemäß aufgeschraubte oder aufgesteckte 55 Gehäuse betätigt wird. Erst bei geschlossenem Schutzschalter wird eine Zufuhr der Flüssigkeit 5 AT 502 448 B1 und ein Einschalten der elektrischen Versorgung ermöglicht.

Um eine Kühlung auch der Düse des Wasserdampfplasmabrenners zu ermöglichen, kann die Düse auch Kühlkanäle zur Führung eines Kühlfluids aufweisen. Eine gewisse Kühlung der Düse 5 kann auch dadurch erfolgen, dass die Düse über ein Gewinde mit dem Gehäuse verbunden ist. Somit kann die an der Düse entstehende Wärme über das Gewinde an das Gehäuse abgeführt werden.

Um die Düse vor mechanischer Beschädigung zu schützen und einen gewissen Mindestab-io stand zum Werkstück einzuhalten, kann an der Düse ein Abstandhalter angeordnet sein.

Dabei ist der Abstandhalter vorzugsweise ringförmig um die Austrittsöffnung angeordnet.

Der Abstandhalter kann auch einstückig mit der Düse hergestellt sein. 15

Ebenso kann der Abstandhalter durch einen aufsteckbaren Drahtbügel gebildet sein. Dies bietet eine besonders einfache und kostengünstige Realisierungsmöglichkeit. Ebenso kann der Abstandhalter durch eine aufsteckbare Schutzhülse gebildet sein. 20 Der Abstandhalter ist aus elektrisch isolierendem Material gebildet oder mit einem solchen beschichtet. Dadurch ist die stromführende Anode bei einem nicht übertragenen Lichtbogen von der Umgebung isoliert.

Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe auch durch eine oben genannte Kathode für einen 25 oben genannten Wasserdampfplasmabrenner, bei dem die Form der Spitze der Kathode im Wesentlichen mit der Form der Innenseite der Düse übereinstimmt.

Weitere Merkmale gehen aus der obigen Beschreibung zum Wasserdampfplasmabrenner hervor. 30

Schließlich wird die erfindungsgemäße Aufgabe auch durch eine Düse für einen oben genannten Wasserdampfplasmabrenner mit einer Öffnung für den Austritt des Plasmastrahls gelöst, bei der ein Abstandhalter angeordnet ist. 35 Weitere Merkmale gehen aus der obigen Beschreibung des Wasserdampf Plasmabrenners hervor.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Wasserdampf-Schneidgeräts; Fig. 2a und 40 2b schematische Darstellungen eines Wasserdampfplasmabrenners mit einer erfindungsgemäß axial verschiebbaren Kathode im Ruhezustand und in Betriebsstellung; Fig. 3a und 3b Schnittbilder einer Ausführungsform eines Wasserdampfplasmabrenners im Ruhezustand und im Betriebszustand; und Fig. 4 eine schematische Darstellung des Wasserdampfplasmabrenners mit dem Brennergriff und dem Brennerkörper. 45

In Fig. 1 ist ein Wasserdampf-Schneidgerät 1 mit einem Grundgerät 1a für ein Wasserdampf-Schneidverfahren gezeigt. Das Grundgerät 1a umfasst eine Stromquelle 2, eine Steuervorrichtung 3 und ein der Steuervorrichtung 3 zugeordnetes Sperrelement 4. Das Sperrelement 4 ist mit einem Behälter 5 und einem Wasserdampfplasmabrenner 6, der einen Brennergriff 6a und so einen Brennerkörper 6b umfasst, über eine Versorgungsleitung 7 verbunden, so dass der Wasserdampfplasmabrenner 6 mit einer im Behälter 5 angeordneten Flüssigkeit 8 versorgt werden kann. Die Versorgung des Wasserdampfplasmabrenners 6 mit elektrischer Energie erfolgt über Leitungen 9,10 von der Stromquelle 2. 55 Zum Kühlen des Wasserdampfplasmabrenners 6 ist dieser über einen Kühlkreislauf 11 allen- 6 AT 502 448 B1 falls unter Zwischenschaltung eines Strömungswächters 12 mit einem Flüssigkeitsbehälter 13 verbunden. Bei der Inbetriebnahme des Brenners 6 bzw. des Grundgerätes 1a kann der Kühlkreislauf 11 von der Steuervorrichtung 3 gestartet und somit eine Kühlung des Brenners 6 über den Kühlkreislauf 11 erreicht werden. Zur Bildung des Kühlkreislaufs 11 wird der Brenner 6 über 5 Kühlleitungen 14,15 mit dem Flüssigkeitsbehälter 13 verbunden.

Weiters kann das Grundgerät 1a eine Eingabe- und/oder Anzeigevorrichtung 16 aufweisen, über welche die unterschiedlichsten Parameter bzw. Betriebsarten des Wasserdampf-Schneid-gerätes 1 eingestellt und angezeigt werden können. Die über die Eingabe- und/oder Anzeige-io Vorrichtung 16 eingestellten Parameter werden an die Steuervorrichtung 3 weitergeleitet, welche die einzelnen Komponenten des Wasserdampf-Schneidgerätes 1 entsprechend ansteuert.

Weiters kann der Wasserdampfplasmabrenner 6 zumindest ein Bedienungselement 17, insbesondere einen Taster 18, aufweisen. 15 Über das Bedienungselement 17, insbesondere den Taster 18, kann der Benutzer durch Aktivieren und/oder Deaktivieren des Tasters 18 der Steuervorrichtung 3 vom Brenner 6 aus mittei-len, dass ein Wasserdampf-Schneidverfahren gestartet bzw. durchgeführt werden soll. Des Weiteren können an der Eingabe- und/oder Anzeigevorrichtung 16 beispielsweise Voreinstel-20 lungen getroffen werden, insbesondere, dass das zu schneidende Material, die verwendete Flüssigkeit und beispielsweise Kennlinien des Stromes und der Spannung vordefiniert werden. Selbstverständlich können weitere Bedienelemente am Brenner 6 angeordnet sein, über die ein oder mehrere Betriebsparameter des Wasserdampf-Schneidgerätes 1 vom Brenner 6 aus eingestellt werden. Hierzu können diese Bedienelemente direkt über Leitungen oder über ein 25 Bussystem mit dem Grundgerät 1a, insbesondere der Steuervorrichtung 3, verbunden sein.

Die Steuervorrichtung 3 aktiviert nach dem Betätigen des Tasters 18 die einzelnen für das Wasserdampf-Schneidverfahren benötigten Komponenten. Beispielsweise werden zuerst eine Pumpe (nicht dargestellt), das Sperrelement 4 sowie die Stromquelle 2 angesteuert, wodurch 30 eine Versorgung des Brenners 6 mit der Flüssigkeit 8 sowie mit elektrischer Energie eingeleitet wird. Anschließend aktiviert die Steuervorrichtung 3 den Kühlkreislauf 11, so dass eine Kühlung des Brenners 6 ermöglicht wird. Durch die Versorgung des Brenners 6 mit der Flüssigkeit 8 und mit Energie, insbesondere mit Strom und Spannung, wird nunmehr im Brenner 6 die Flüssigkeit 8 in ein Gas 19, insbesondere in Plasma, mit hoher Temperatur umgewandelt, so dass durch 35 das aus dem Brenner 6 ausströmende Gas 19 ein Schneidprozess an einem Werkstück 20 durchgeführt werden kann.

Die Fig. 2a und 2b zeigen schematische Darstellungen eines erfindungsgemäßen Wasserdampfplasmabrenners 6, insbesondere der Brennerdüse 6b, im Ruhezustand und im Betriebs-40 zustand. Der Wasserdampfplasmabrenner 6 weist ein Gehäuse 21 auf, in dem eine Kathode 22 angeordnet ist, die mit der Stromquelle 2 verbunden ist. Die als Düse 23 ausgebildete Anode 24 ist mit dem positiven Pol der Stromquelle 2 verbunden. Im Ruhezustand gemäß Fig. 2a wird die erfindungsgemäß axial verschiebbare Kathode 22 an die Düse 23 gepresst. In diesem Modus kann zwischen der Kathode 22 und der Anode 24 kein Lichtbogen gezündet werden, da ein 45 Kurzschluss besteht. Die im Wasserdampfplasmabrenner 6 enthaltene Heizeinrichtung 25 zum Verdampfen des Wassers kann bereits eingeschaltet werden, so dass das Arbeitsmedium bereits vorgeheizt wird.

Zum Zünden eines Lichtbogens zwischen der Kathode 22 und der Anode 24, also einen nicht so übertragenen Lichtbogen wird gemäß Fig. 2b die Zufuhr des Arbeitsfluids im gegenständlichen Fall der Flüssigkeit 8 eingeschaltet, wodurch sich die axial verschiebbare Kathode 22 von der Düse 23 abhebt und bei Vorhandensein eines entsprechenden Stromes ein Lichtbogen zwischen der Kathode 22 und der Anode 24 gezündet. Das in der Heizeinrichtung verdampfte Wasser wird in die Brennkammer 27 geleitet, wo es als Medium für einen Plasmastrahl dient. 55 Der Plasmastrahl wird durch die Öffnung 25 in der Düse 23 herausgepresst und kann aufgrund 7 AT 502 448 B1 seiner hohen Energiedichte zum Schneiden aber auch Verbinden von Werkstücken 20 eingesetzt werden.

Fig. 3a und 3b zeigen eine Ausführungsform eines Wasserdampf-Plasmabrenners 6, insbeson-5 dere Brennereinsatz, in geschnittener Darstellung. Gemäß Fig. 3a befindet sich der Wasserdampfplasmabrenner 6 im Ruhezustand, wo die Kathode 22 an die als Düse 23 ausgebildete Anode 24 gepresst wird. Der Wasserdampfplasmabrenner umfasst ein Gehäuse 21, eine Heizeinrichtung 26, eine Brennkammer 27, in der die verdampfte Flüssigkeit 8 als Medium für den Plasmastrahl gebildet wird, der durch die Austrittsöffnung 25 der Düse 23 austritt. Die Kathode io 22 ist mit einem Kathodenhalter 28, vorzugsweise über ein Schraubgewinde 29, verbunden. Der Kathodenhalter 28 wird über eine Feder 30 (strichliert gezeigt) gegen die Düse 23 gepresst. Über eine Flüssigkeitszuleitung 32 wird der Wasserdampfplasmabrenner 6 mit der Flüssigkeit 8 versorgt. Die Kathode 22 ist mit dem Kathodenhalter 28 axial verschiebbar ausgebildet. Die Flüssigkeitszuleitung 32 steht mit dem Kathodenhalter 28 derart in Verbindung, dass bei Flüs-15 sigkeitszufuhr die Kathode 22 von der Düse 23 abgehoben wird, so dass ein Lichtbogen zwischen der Kathode 22 und der Anode 24 gezündet werden kann. Dies geschieht dadurch, dass die Flüssigkeit 8 von der Flüssigkeitszuleitung 32 in einen Raum um den Kathodenhalter 28 geleitet wird, der von einem Kolbenelement 31 begrenzt wird. Durch den Wasserdruck wird das Kolbenelement 31 zusammen mit dem Kathodenhalter 28 und der Kathode 22 gegen die Kraft 20 der Feder 30 nach hinten verschoben, wie in Fig. 3b dargestellt.

Die Flüssigkeit 8 gelangt anschließend über einen Kühlkanal 33, der vorzugsweise spiralförmig um den Kathodenhalter 28 entlang angeordnet ist, zu einem Umlenkelement 34, welches als Dichtring 35 ausgebildet ist. Der Dichtring 35 ermöglicht auch eine zentrierte Lagerung des axial 25 verschiebbaren Kathodenhalters 28. Über einen Rückführungskanal 36 wird die Flüssigkeit 8 zur Heizeinrichtung 26 zurückgeführt, wo diese in einem spiralförmigen Kanal 37 verdampft wird. Durch die spiralförmige Anordnung des Kanals 37 wird die verdampfte Flüssigkeit 8 in einem Ringraum 38, der in die Brennkammer 27 übergeht, verwirbelt. Das plasmafähige Medium wird durch den Lichtbogen zwischen der Kathode 22 und der Anode 24 zu einem Plas-30 mastrahl, der über die Austrittsöffnung 25 der Düse austritt. Um eine optimale Wärmeabfuhr von der Kathode 22 zum Kathodenhalter 28 zu garantieren, ist das Gewinde 29 zur Verbindung der Kathode 22 mit dem Kathodenhalter 28 möglichst lang ausgebildet. Damit die Kathode 22 nicht zu weit in den Kathodenhalter 28 eingeschraubt wird, befindet sich ein Anschlagflansch 39 an der Kathode 22. Die Kathode 22 kann aus Kupfer oder einer Kupferlegierung allenfalls mit einer 35 Keramikbeschichtung hergestellt sein. Um den Kathodenhalter 28 beim Auf- oder Abschrauben der Kathode 22 vor Verdrehen zu sichern, kann ein Verdrehschutz angeordnet sein, welcher beispielsweise durch eine Achse 40 in einem Querloch 41 gebildet sein kann.

Die Düse 23 bildet einen weiteren Verschleißteil, der zum Wechseln beispielsweise über ein 40 Gewinde 42 mit dem Gehäuse 21 oder einem anderen Teil des Wasserdampfplasmabrenners 6 verbunden sein kann. Über einen Dichtring 43 erfolgt eine Abdichtung der Düse 23 gegenüber der Brennkammer 27. An der Düse 23 kann ein Abstandhalter 44 angeordnet sein, der um die Austrittsöffnung 25 angeordnet ist und die Düse 23 vor Beschädigung durch Berührung des Werkstücks 20 (nicht dargestellt) schützt. Der Abstandhalter 44, der durch einen aufsteckbaren 45 Drahtbügel oder eine aufsteckbare Schutzhülse gebildet sein kann, ist vorzugsweise aus elektrisch isolierendem Material gebildet oder mit einem solchen beschichtet.

Schließlich kann im Wasserdampfplasmabrenner 6 ein Schutzschalter 45 angeordnet sein, der bei ordnungsgemäß angeordnetem Gehäuse 21 betätigbar ist. Dadurch wird gewährleistet, so dass nur bei ordnungsgemäß befestigtem Gehäuse 21 ein Betrieb des Wasserdampfplasmabrenners 6 möglich wird. Dadurch werden Verletzungen beispielsweise durch Berühren der Heizeinrichtung 26 wirkungsvoll verhindert.

In Fig. 4 ist nunmehr der gesamte Wasserdampfbrenner 6, also der Brennergriff 6a und der 55 Brennerkörper 6b, schematisch und teilweise geschnitten dargestellt, wobei schematisch der 8 AT 502 448 B1

Anschluss eines Schlauchpaketes 46, in dem sämtliche Leitungen zusammengefasst sind, angedeutet.

Erfindungsgemäß ist nunmehr ersichtlich, dass im Brennergriff 6a ein geschlossener Kühlkreis-5 lauf 11 durch verbinden der Kühlkreiszuleitung 47 mit der Kühlkreisrückleitung 48 beispielsweise über ein Verbindungselement 49 geschaffen wurde. Zusätzlich weißt das Verbindungselement 49 eine Bypass-Leitung 50 auf, die mit der Flüssigkeitszuleitung 32 im Brennerkörper 6b verbunden ist, wie schematisch angedeutet. Die Bypass-Leitung 50 weißt dabei bevorzugt einen geringeren Querschnitt auf, als die Kühlreiszuleitung 47 und Kühlkreisrückleitung 48, so io dass nur ein geringer Anteil von Flüssigkeit 8 vom geschlossenen Kühlkreislauf 11 im Brennergriff 6a entnommen wird. Selbstverständlich ist es möglich, dass hierzu ein entsprechendes Element bzw. Ventil im Verbindungselement 49 angeordnet wird, über das die zu entnehmende Flüssigkeitsmenge elektronisch oder mechanisch eingestellt werden kann, so dass nur eine bestimmte Menge bzw. ein bestimmtes Volumen in den Brennerkörper 6b geleitet wird. 15

Durch diese Ausbildung des Wasserdampfbrenners 6 wird nun erreicht, dass der Benutzer eine optimale Kühlung des Brennergriffes 6a vorfindet und es somit nicht passieren kann, dass die vom Brennerkörper 6b zurückübertragene Wärme den Brennergriff 6a soweit erhitzt, dass sich der Benutzer Verbrennungen zuführen kann bzw. die Griffschale des Brennergriffes 6a so heiß 20 wird, dass der Benutzer sie nicht mehr in die Hand nehmen kann. Gleichzeitig wird dadurch auch erreicht, dass eine wesentlich höhere Durchflussgeschwindigkeit im Kühlkreislauf ermöglicht wird, da ein größerer Querschnitt der Kühlkreiszuleitung 47 und der Kühlkreisrückleitung 48 verwendet werden kann, als wenn der Kühlkreislauf 11 über den Brennerkörper 6b geführt werden würde, da im Brennerkörper 6a weniger Platz vorhanden ist. Damit kann auch mehr 25 zurückgeführte Wärme abtransportiert werden.

Weiters wird dadurch auch erreicht, dass beim Beenden eines Schneidprozesses die Flüssigkeit 8 aus dem Brennerkörper 6b besser rückgeführt werden kann, da ein Durckabfall entsteht und somit die Flüssigkeit 8 automatisch in den Kühlkreislauf zurückgezogen wird, d.h., dass 30 beim Beenden des Prozesses der Druck in der Kühlkreiszuleitung 47 und Kühlkreisrückleitung 48 verringert wird, wobei jedoch im Brennerkörper 6b, insbesondere in der Flüssigkeitszuleitung 32 aufgrund des geringeren Querschnittes noch aufrecht ist, sodass die Flüssigkeit 8 vom Brennerkörper 6b, insbesondere der Flüssigkeitszuleitung 32, nun in den Kühlkreislauf 11, also in die Kühlkreiszuleitung 47 bzw. Kühlkreisrückleitung 48, zurück fließt und die heiße Flüssigkeit 35 8 sofort über den Kühlkreislauf 11 im Brennergriff 6a abtransportiert wird. Somit wird eine Über hitzung des Brennerkörpers 6b nach Beendigung des Schneidprozesses verhindert.

Es ist auch möglich, dass die Bypass-Leitung 50 den gleichen Querschnitt bzw. Durchmesser wie die Kühlkreiszuleitung 47 und die Kühlkreisrückleitung 48 aufweisen kann, da im Brenner-40 körper 6b, insbesondere in der Flüssigkeitszuleitung 32, eine Querschnittsverringerung bzw. Durchmesserverringerung, durchgeführt wird, sodass nur soviel Flüssigkeit 8 zur Brennkammer 27, was für einen Schneid- bzw. Schweißprozess notwendig ist, wobei eine Regelung der Menge der Flüssigkeit 8 jedoch über den Druck erfolgen kann. 45 Der Vollständigkeit halber wird noch erwähnt, dass zusätzliche Leitungen, wie die Stromleitungen für die Anode 24 und die Kathode 22 sowie eventuelle Steuerleitungen, der Übersicht halber nicht dargestellt wurden.

Weiters ist in Fig. 4 noch ersichtlich, dass der Taster 18 als Sicherheitsschalter 51 ausgebildet so ist, wodurch sichergestellt ist, dass beim Ablegen des Wasserdampfbrenners 6 dieser Sicherheitsschalter 51 nicht aktiviert werden kann. Hierzu weist der Sicherheitsschalter 51 einen Sicherheitsbügel 52 auf, der über ein Schaltelement 53 angeordnet ist. Der Benutzer muss zur Betätigung des Schaltelementes 53 zuerst den Sicherheitsbügel 52 nach unten bzw. nach vor drücken, so dass er anschließend mit dem Finger zum Schaltelement 53 gelangen kann. Durch 55 die Bewegung des Sicherheitsbügels 52 wird eine Freigabevorrichtung, die beispielsweise

Claims

9 AT 502 448 B1 durch einen Mikroschalter ausgeführt sein kann (nicht dargestellt), aktiviert, wodurch durch Betätigen des Schaltelementes 53 ein Signal an die Steuervorrichtung 3 übersendet wird. Durch diese Freigabevorrichtung wird sichergestellt, dass nur bei Betätigen des Sicherheitsbügels 52 das Schaltelement 53 aktiviert werden kann, so dass bei einem abgebrochenen Sicherheitsbü-5 gel 52 das Schaltelement 53 nicht aktiviert werden kann. Grundsätzlich ist zu dem Aufbau des Wasserdampfplasmabrenners 6 noch zu erwähnen, dass die Wärmerückführung der Teile im Bereich des Austritts des Plasmastrahls 25 von besonderer Bedeutung ist, damit eine Überhitzung des Brennerkörpers 6b während des Betriebes verhin-io dert wird. Hierzu ist beispielsweise die Kathode 22 entsprechend ausgebildet, damit die Wärme vom Bereich der Brennkammer 27 in den dahinterliegenden Bereich des Kathodenhalters 28 geleitet werden kann. Die Kathode 22 weist hierzu im Bereich des Kathodenhalters 28 eine plane bzw. ebene Stirnfläche auf, die beim Einschrauben in den Kathodenhalter 28 mit dem Material des Kathodenhalters 28 bevorzugt vollflächig in Verbindung steht. Damit wird erreicht, 15 dass auch der hintere Anschlag der Kathode 22 mit dem Kathodenhalter 28 zur optimalen Wärmeabfuhr dient und somit mehr Wärmeenergie über das Schraubgewinde 29 und dem hinteren Anschlag der Kathode 22 abgegeben werden kann. Weiters weist die Kathodenhalter 28 eine Beschichtung, insbesondere eine Keramikbeschich-20 tung mit zusätzlicher Versiegelungsschicht, auf, wodurch eine noch bessere Wärmeabfuhr vom Kathodenhalter 28 an die Flüssigkeit 8 des parallellaufenden Kühlkanales gegeben ist. Hierzu dient die Keramikbeschichtung zur Isolation des Kathodenhalters 28 gegenüber der Flüssigkeit 8 bzw. anderen anliegenden Teilen, wogegen die Versiegelungsschicht zum Abdichten der Keramikschicht gegenüber der Flüssigkeit 8 dient, sodass keine Flüssigkeit 8 durch die Kera-25 mikschicht an den Kathodenhalter durchdringen kann. Beispielsweise wird die Versiegelungsschicht aus Harzbasis gebildet ist, wodurch eine hohe Temperaturbeständigkeit gegeben ist. Bevorzugt weist die Keramikschicht eine Dicke zwischen 100 pm und 400 pm, insbesondere 200 pm, auf. 30 Um eine noch bessere Wärmeabfuhr zu erreichen, kann die Oberfläche der Keramikbeschichtung eine bestimmte Struktur, insbesondere eine möglichst große Oberflächenrauhigkeit (Rauhtiefe), aufweisen, sodass die Oberfläche vergrößert wird und somit mehr Wärme abgegeben werden kann. Hierbei wird im Bereich der Abdichtung des Kathodenhalters 28 eine Rauhtiefe von 0,2 pm bis 1 pm, bevorzugt 0,5 pm, auf, damit eine dauerhafte Abdichtung gegeben ist. 35 Vorteilhaft ist aber auch, dass für den Tausch der Kathode 22 diese am Gewindeansatz einen zylindrischen Bereich aufweist, der zwischen 2 mm bis 5 mm Länge beträgt, und dessen Außendurchmesser dem Innendurchmesser des Schraubgewindes 29 im Kathodenhalter 28 entspricht. Somit wird erreicht, dass beim Ansetzen der Kathode 22 am Kathodenhalter 28 eine 40 Zentrierung und Ausrichtung erreicht wird, sodass durch eine einfache Drehbewegung und Druck die Kathode leicht in den Kathodenhalter 28 eingeschraubt werden kann. Darüber hinaus weist die Kathode 22 im Bereich des Gewindes eine Zentrierfläche auf, die im Endbereich des Gewindes in Richtung der Brennkammer 27 angeordnet ist, d.h., dass das Gewinde zwischen dem zylindrischen Bereich und der Zentrierfläche ausgebildet ist. Die Zentrierfläche weist eine 45 bestimmte Länge zwischen 2 mm und 8 mm, bevorzugt, 4,5 mm, auf. Schließlich ist es auch möglich, dass das Querloch 40 nicht nur als Verdrehschutz dient, sonder auch als definierter Anschlag beim Abheben der Kathode 22, insbesondere des Kathodenhalter 22, zuständig ist. 50 Patentansprüche: 1. Wasserdampfplasmabrenner (6) mit einem Gehäuse (21), einem Brennergriff (6a) und 55 einem Brennerkörper (6b), wobei im Brennerkörper (6b) eine Flüssigkeitszuleitung (32), 1 Ο ΑΤ 502 448 Β1 eine Heizeinrichtung (26), eine Brennkammer (27), eine mit einem Kathodenhalter (28) verbundene Kathode (22) und eine als Düse (23) ausgebildete Anode (24) mit einer Austrittsöffnung (25) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenhalter (28) mit der Kathode (22) als axial verschiebbarer Kolben ausgebildet und mit einem Federelement (30) 5 verbunden ist, so dass die Kathode (22) im Ruhezustand an die Düse (23) gepresst wird, und dass der Kathodenhalter (28) mit der Flüssigkeitszuleitung (32) derart in Verbindung steht, dass während des Betriebszustands bei Zufuhr von Wasser die Kathode (22) von der Düse (23) abgehoben wird, so dass ein Lichtbogen zwischen der Kathode (22) und der Anode (24) gezündet werden kann, und dass der Kathodenhalter (28) eine elektrisch isolie-io rende Beschichtung aufweist.
2. Wasserdampfplasmabrenner (6) mit einem Gehäuse (21), einem Brennergriff (6a) und einem Brennerkörper (6b), wobei im Brennerkörper (6b) eine Flüssigkeitszuleitung (32), eine Heizeinrichtung (26), eine Brennkammer (27), eine mit einem Kathodenhalter (28) ver- 15 bundene Kathode (22) und eine als Düse (23) ausgebildete Anode (24) mit einer Austritts öffnung (25) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die im Brennerkörper (6b) angeordnete Flüssigkeitszuleitung (32) zur Brennkammer (27) derart ausgebildet ist, dass die zugeführte Flüssigkeit (8) zuerst entlang des Kathodenhalters (28) über einen Kühlkanal (33) geführt ist, und anschließend entlang der Heizeinrichtung (26) zur Brennkammer (27) 20 verläuft, und dass der Kathodenhalter (28) eine elektrisch isolierende Beschichtung auf weist.
3. Wasserdampfplasmabrenner (6) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass um den Kathodenhalter (28) ein von einem Kolbenelement (31) begrenzter Raum ange- 25 ordnet ist, der mit der Flüssigkeitszuleitung (32) verbunden ist, so dass durch Zufuhr von Flüssigkeit (8) der Raum gefüllt wird und der Kathodenhalter (28) mit der Kathode (22) von der Düse (23) abhebt.
4. Wasserdampfplasmabrenner (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet net, dass die Form der Spitze der Kathode (22) mit der Form der Innenseite der Düse (23) übereinstimmt.
5. Wasserdampfplasmabrenner (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (30) durch eine Schraubenfeder gebildet ist. 35
6. Wasserdampfplasmabrenner (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass am Kathodenhalter (28) Dichtungsringe (35) angeordnet sind.
7. Wasserdampfplasmabrenner (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich-40 net, dass die elektrisch isolierende Beschichtung des Kathodenhalters (28) eine Versiegelung aufweist.
8. Wasserdampfplasmabrenner (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (22) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht. 45
9. Wasserdampfplasmabrenner (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (22) zumindest teilweise mit einer elektrischen Isolierung, insbesondere einer Keramikbeschichtung versehen ist. so 10. Wasserdampfplasmabrenner (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (22) mit dem Kathodenhalter (28) über ein Gewinde (29) verbunden ist.
11. Wasserdampfplasmabrenner (6) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die 55 Kathode (22) einen Anschlagflansch (39) aufweist. 1 1 AT 502 448 B1
12. Wasserdampfplasmabrenner (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass am Kathodenhalter (28) eine Einrichtung zum Schutz vor Verdrehung angeordnet ist, welche beispielsweise durch eine Achse (40) gebildet ist, welche in einem Querloch (41) des Kathodenhalters (28) angeordnet ist.
13. Wasserdampfplasmabrenner (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenhalter (28) von zumindest einem Kühlkanal (33) umgeben ist, welcher mit der Flüssigkeitszuleitung (32) in Verbindung steht, so dass das Wasser als Kühlmedium verwendbar ist.
14. Wasserdampfplasmabrenner (6) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kühlkanal (33) um den Kathodenhalter (28) entlang, vorzugsweise spiralförmig verläuft.
15. Wasserdampfplasmabrenner (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rückführungskanal (36) zur Rückführung der Flüssigkeit zur Heizeinrichtung (26) angeordnet ist.
16. Wasserdampfplasmabrenner (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (26) einen spiralförmigen Kanal (37) zur Durchführung der Flüssigkeit aufweist.
17. Wasserdampfplasmabrenner (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schutzschalter vorgesehen ist, der bei ordnungsgemäß angeordnetem Gehäuse (21) betätigbar ist.
18. Wasserdampfplasmabrenner (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (23) Kühlkanäle zur Führung eines Kühlfluids aufweist.
19. Wasserdampfplasmabrenner (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (23) überein Gewinde (42) mit dem Gehäuse (21) verbunden ist.
20. Wasserdampfplasmabrenner (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass an der Düse (23) ein Abstandhalter (44) angeordnet ist.
21. Wasserdampfplasmabrenner (6) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandhalter (44) vorzugsweise ringförmig um die Austrittsöffnung (25) angeordnet ist.
22. Wasserdampfplasmabrenner (6) nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandhalter (44) einstückig mit der Düse (23) hergestellt ist.
23. Wasserdampfplasmabrenner (6) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandhalter (44) durch einen aufsteckbaren Drahtbügel gebildet ist.
24. Wasserdampfplasmabrenner (6) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandhalter (44) durch eine aufsteckbare Schutzhülse gebildet ist.
25. Wasserdampfplasmabrenner (6) nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandhalter (44) aus elektrisch isolierendem Material gebildet oder mit einem elektrisch isolierendem Material beschichtet ist.
26. Kathode (22) für einen Wasserdampfplasmabrenner (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Spitze der Kathode (22) im Wesentlichen mit der Form der Innenseite der Düse (23) übereinstimmt. 1 2 AT 502 448 B1
27. Kathode (22) nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (22) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht.
28. Kathode (22) nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest teilweise eine Keramikbeschichtung vorgesehen ist.
29. Kathode (22) nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gewinde (29) zur Verbindung mit dem Kathodenhalter (28) vorgesehen ist.
30. Kathode (22) nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschlagflansch (39) vorgesehen ist. 31. Düse (23) für einen Wasserdampfplasmabrenner (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 25, mit einer Öffnung (25) für den Austritt des Plasmastrahls, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstandhalter (44) angeordnet ist. 32. Düse (23) nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandhalter (44) vorzugsweise ringförmig um die Austrittsöffnung (25) angeordnet ist. 33. Düse (23) nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandhalter (44) einstückig mit der Düse (23) hergestellt ist. 34. Düse (23) nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandhalter (44) durch einen aufsteckbaren Drahtbügel gebildet ist. 35. Düse (23) nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandhalter (44) durch eine aufsteckbare Schutzhülse gebildet ist. 36. Düse (23) nach einem der Ansprüche 31 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandhalter (44) aus elektrisch isolierendem Material gebildet oder mit einem elektrisch isolierendem Material beschichtet ist. Hiezu 5 Blatt Zeichnungen