CN101537527B - 用于焊枪的热管冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于焊枪的热管冷却系统，示例性地其适用于气体保护电弧焊焊枪。该系统包括装有毛细管结构和工作流体的容器。该系统的作用是通过流体的蒸发和冷凝以及毛细管结构的毛细管作用加速加热区域中焊枪所产生的热能的消散。

Description

用于焊枪的热管冷却系统

技术领域

本发明涉及焊枪冷却系统，更具体地，涉及热管冷却系统，该冷却系统包括容器、装在容器中的工作流体和可操作地将容器中的流体向上汲取的毛细管。该系统配置成通过流体在重复热力循环中的蒸发、移动以及再冷凝移走加热区域的热能。

背景技术

气体保护电弧焊(GMAW)作为工业应用中连结工件的有效方法已经有了很长的历史，其包括金属惰性气体保护焊(MIG)和金属活性气体保护焊(MAG)的种类。如现有技术图1所示，GMAW系统典型地包括焊枪1、电源2、送丝装置3、以及保护气体供应源4和气体管线5。在典型的使用中，操纵焊枪在被定位工件附近生成电弧，并且优选地定向焊枪以与工件保持固定的焊枪顶端工作距离。电弧所生成的热能穿透工件生成焊池，可消耗的阳极电极通常则熔化以便以球状、短路、或喷射构造形式向焊池提供填充材料。

然而，生成的热能会对位于受影响区域内的焊枪组件的运行以及使用寿命产生负面影响。例如，很久以前就已经认识到，焊枪喷嘴组件由于在焊接过程中暴露在高温和大量的热能下导致其遭受过早的损坏。

结果是传统的GMAW系统通常还包括基于空气或水的冷却子系统6(图1和1a)。然而，这两个系统均存在各自的问题。例如，在空气和水冷却这两种系统之中，空气冷却系统比较简单且便宜，部分是因为它们不需要独立的散热器以及额外的软管来运送被加热的流体。然而，由于较低的热冷却效率的原因，空气冷却焊枪上的电力线缆比水冷却焊枪包含更多的铜，以帮助防止线缆熔化或燃烧。这使得基于空气的系统与基于水的系统相比灵活性和易操作性都低，因此降低了操作员的舒适度。进一步关于热效率方面，已认识到，基于空气的系统具有更大消费成本的额外缺点。也就是说，基于水的系统能使焊枪组件的运行温度更低，从而导致比采用空气冷却更长的寿命以及更少的故障时间。

发明内容

本发明提供一种新颖的热管焊枪冷却系统，该冷却系统结合了基于空气和水冷却的优点，并且限制了它们各自的缺陷。在其他方面，本发明可用于提供易实现的冷却系统，该系统与现有技术系统相比，降低了制造和运行成本。

本发明的效用进一步包括，与现有技术系统相比，充分提高了热效率，进而导致焊枪使用寿命的增加。更具体地，系统提供一种依靠焊接过程产生的热能副产品的被动运行，其不需要额外的能量消耗。与现有技术的对流和传导冷却方法相比，潜在蒸发热能的利用充分提供了更大的吸热能力。

本发明的系统还提供一种自容式紧凑的冷却系统，其没有辅助件，例如独立的散热器、泵、马达、流体供给箱或流体运输网络，如此使得该系统与现有技术系统相比提供了改进的可操作性和操作员的舒适度。最后，因为没有活动部分，所以与冷却相关的维修和替换成本也降低了。

热管冷却系统一般适用于GMAW焊枪。如本领域所公知的，当在具有平均温度的周围环境中操作焊枪时，焊枪产生具有最低操作温度的加热区域。系统包括具有小于操作温度但大于平均温度的沸腾温度范围的工作流体。系统进一步包括长导热容器，该容器限定第一平均剖面面积和用于储存流体的内部空间。最后，插在容器内的毛细管结构限定小于第一面积的第二平均剖面面积。该毛细管结构配置成从容器的远端部延伸到容器的第一端部并且将流体从远端部汲取到第一端部。容器可以固定连接到主体上，以便使第一端部固定位于所述区域中和使远端部固定位于所述环境中。

下文对优选实施方式以及附图进行详细描述，以使本发明的其他方面和优点更为清晰。

附图说明

下面参考附图具体描述本发明的优选实施方式，其中：图1是现有技术GMAW系统的正视图，其特别图示了焊枪、电源、送丝装置/卷轴、保护气体供应罐和气体管线，以及基于空气的冷却系统；图1a是图1所示系统的示意正视图，其中，包括单独的散热器和回流管线的基于水的冷却系统代替了基于空气的系统；图2是正被焊接的两个工件的示意图，焊接使用了具有依照本发明的优选实施例的热管冷却系统的GMAW焊枪，图中特别图示了加热区域；图3是图2所示的工件、焊枪和冷却系统的纵向正视图，其中焊枪处于喷嘴在上方的定向中；图4是依照本发明的优选实施例的冷却系统的放大纵向剖面图，其特别图示了限定蒸发器和冷凝器部分的容器，装在容器中的管芯，以及由管芯汲取的蒸发再冷凝的工作流体；图5是图3所示的工件、焊枪和冷却系统的纵向正视图，其处于喷嘴在下方的定向中，该图包括蒸发器和冷凝器部分的放大剖面插入图，并特别图示了工作流体；图6是图3到5所示的冷却系统的横向剖面；图6a是依照本发明的优选实施例的冷却系统的横向剖面，其中毛细管结构呈现环形构造；图7是依照本发明的优选实施例的曲线型GMAW焊枪和热管冷却系统的正视图，特别图示了靠近管道的蒸发器部分的热交换夹具，以及相对端部的固定件；图7a是图7所示的夹具、管道和焊枪沿着线A-A的剖面图；图8是依照本发明的优选实施例的曲线型GMAW焊枪和热管冷却系统的正视图，特别图示了具有靠近管道冷凝器部分的保护气体输入的热交换块；图9是依照本发明的优选实施例的焊枪和冷却系统的局部俯视图，特别图示了具有靠近管道冷凝器部分的保护气体输入以及珀耳帖(Peltier)装置的热交换块；以及图9a是图9所示焊枪和系统沿着线B-B的局部剖面图。

具体实施方式

整体参考图2-9a，本发明涉及适用于焊枪12的热管冷却系统10，焊枪12包括喷嘴12a和主体12b。本发明的系统10适用于多种焊枪构造，包括手动和自动枪构造，并且提供了本文进一步描述的完整且改进的实施例。更具体地，系统10可以与焊枪12一体化或对系统10进行改进以牢固地并可拆卸地连接到焊枪12上。

如图所示，焊枪12的作用是产生足以熔化基底材料的电弧形式的热能和作为副产品的由最低操作温度所限定的加热区域14。焊接工件16、18的规格取决于工件尺寸和成分，以及堆叠构造。例如，本领域技术人员知道，两层的16#低碳钢(two-stack 16-gauge mild steel)的气体保护电弧焊，需要至少160安培(amps)且需要100％的二氧化碳保护气体。为了本发明的目的，焊枪12应被认为是在呈现平均温度的周围环境中操作，该平均温度基本等于室温(即，21℃)。此处所描述并图示的系统10为气体保护电弧焊(GMAW)系统。然而，将系统10与其他产生加热区域的焊接设备一起使用，其中耗材位于该加热区域中，也肯定属于本发明的范围。

系统10可操作地使加热区域14(图2)的热能消散加速，以延长焊枪喷嘴耗材的寿命并减少与焊枪喷嘴耗材的修理和替换相关的成本。与传统的基于空气和水的冷却系统有所不同，本发明的系统10具有自容式且孤立的热管，该热管不需要分离的流体供应、马达、风扇、泵或额外的软管/线缆。只要加热区域14对其提供能量，系统10就会在多个重复热力循环中不断运行。

系统10通常包括多个基部，包括封闭的容器20，管芯(即，毛细管结构)22，和工作冷却剂流体24(所述基部在此处整体称为″热管″)。热管的组件在化学上和功能上兼容，因此例如腐蚀这样的有害条件不会发生。容器和管芯的纵向长度通常是相同的，以实现本发明的预期功能。已知热管的长度与轴向额定功率(Axial Power Rating(APR))成反比，然而直径与其APR成正比。如图示的实施例所示，热管的长度，构造和直径由焊枪主体12b的构造限制。

系统10的作用是将流体引入到区域14内，从而使该流体蒸发(图3)。容器20的构造和气体压力导致被蒸发的流体(即，蒸汽)24a在容器20中从区域14向远端位置移动，并在该远端位置再冷凝为液体。当蒸汽24a冷凝时，它释放出在蒸发过程中获得的热量。因此，如图3和4所示，容器20，管芯22和流体24配合提供蒸发器和冷凝器部分26，28(即，蒸发器和冷凝器)。蒸发的流体24a由被管芯22汲取到区域14中的流体代替。优选地，流体量完全包含在管芯22的毛细管内，并且因此与管芯22的毛细管体积相关。

流体24具有的蒸发温度范围处在区域14的大致工作温度带内。也就是说流体沸腾温度范围优选地是小于区域14的最低操作温度并且大于周围环境的平均温度。更优选地，流体24的沸腾温度范围小于区域14最低温度的55％，并且大于环境平均温度的125％，以便促进响应性蒸发和冷凝。最优选地，沸腾温度范围小于最低区域温度的25％，并且大于平均环境温度的150％。

更具体地，容器20呈现为密封封闭的中空管，其限定了被包围的内部空间20c(图4)，内部空间20c具有平均的剖面面积，容器20将工作流体24和管芯22与外界环境相隔离，并且具有相对于区域14的近端和远端部20a、b。一旦流体24和管芯22已放置到容器内，容器20的子部分优选的是铜焊和/或焊接在一起，以封装其他组件并形成无腐蚀且蓄热的连接。为了促进进出流体24的热传递，应认识到容器20是由导热材料制成的并且优选地至少在蒸发器和冷凝器部分26，28(图4)处具有最小的壁厚。

除了能够进行进出流体24的热传递，容器20还配置成保持横穿其壁的压力差。更优选地，容器20配置和制成的材料能够提供足够的断裂强度；因为可认识到，容器20所需的结构容量随着运行过程中蒸发流体24的量而增加，原因在于液体和气相之间的体积差。制造容器的合适材料包括铝，铜和柔性材料。可选地，容器20可以由不同材料制成的部分的集合件构成，其中蒸发器和冷凝器部分由导热性大于剩余部分导热性的材料来制成。最后，如图4中极佳地示出，位于蒸发器和冷凝器部分26，28中间的容器20的剩余部30，可以具有较大的壁厚以提供更大的结构容量。

系统10可在喷嘴向上和重力辅助向下的定向中履行功能。其中在操作过程中，近端部20a位于区域14中(图2和3)。在喷嘴向上方向(图3和4)中，管芯22作用是将流体向上吸至蒸发器部分26和区域14。流体24直接从管芯22的最近部分蒸发，并随后由于气体压力和重力的作用而向相对端返回移动。在喷嘴向下的位置(图5)中，重力以及管芯22的毛细管网络起作用将流体24汲取至近端部20a和区域14。在冷凝器28处发生降水，其中蒸汽24a凝结为小滴，在被管芯22再吸收之前小滴朝向近端立即落回。如图5所示，当靠近容器20的壁的水分子聚集并朝向近端向下流动进入管芯22时，在该位置还发生附着。一旦返回蒸发器26，就会重复这个过程。

管芯22插在内部空间20c(图4)内，如此使得它的剖面面积小于空间20c(图6)的剖面面积。更优选地，管芯22的剖面面积小于内部空间20c剖面面积的50％，以方便流体蒸汽24a的移动。管芯22具有多孔结构，该多孔结构利用毛细管作用将流体24从容器的远端经过其具有空隙的毛细管汲取到蒸发器26。同样地，管芯22通常从远端20b延伸到第一端部20a。

形成管芯22优选使用纤维材料，例如在其表面上具有纵向槽的碳纤维，因为已知碳纤维管芯通常表现出更大的热输送能力。合适的管芯材料还可包括钢，铝，镍和铜，并且传统使用金属泡沫(metal foams)或者毛毡(felts)制造它以形成不同范围的孔。还知管芯所形成的毛细管头部减小了，同时管芯渗透性随着孔尺寸的增大而增大。在毛毡的组装中结合金属心轴以在管芯22内形成进一步方便蒸汽移动的通道结构(即，至少一个通道)属于本发明的范围。

优选的管芯22可呈现出圆形剖面(图6)，因为已知该构造产生最大暴露表面积。然而，利用其它构造(例如，多边形)也属于本发明的范围。更优选地，容器20的内壁与环形管芯22排成一行(图6a)。在该构造中，管芯22的外径略小于(例如，容器20内径的95％到99％)容器20的内径，以在其上形成上覆层。管芯的壁提供与空间20c协作配置的最佳厚度以使管道的热输送能力最大化。蒸发的流体24a充满管芯22的空的中心，并且遍布内部空间20c，直到其到达冷凝器28。最后，还知管芯22可以是被增强以提高稳定性的网状物。

优选的流体24具有高导热性，低的液体和蒸汽粘性，并且在管芯22内促进反重力移动，高表面张力。已知在流体24和管芯材料之间的表面张力产生必要的毛细管驱动力。同样地，流体24和管芯22也是协作配置，从而使得流体24润湿管芯22和容器20的壁，并且更优选的与管芯22和容器20的壁形成零度的接触角。流体24的选择要使得蒸发的流体24a的蒸汽压力产生低的蒸汽速度。已知这会促进热传入蒸发的流体24a中。另外，优选的流体24的导热性是相对较高的，从而最小化腔室内的径向温差(radial temperature deviation)，并且防止在径向末端的过度加热和/或泡核沸腾。因此，在典型的GMAW焊接处理产生大约300℃的最小区域温度情况下，合适的液体(在室温下具有基本小于300℃的与大气压对应的沸点)包括丙酮，甲醇，Flutec PP2，乙醇，水和甲苯。水银具有大约360℃的沸点，其可用于更高温焊接应用。

在操作过程中，流体24根据其潜在的热容量吸收热能。一旦流体24达到其沸点，其吸收更多的热量以进行气相变化；该后面的量代表蒸发热。同样地，在选择工作流体24时，潜在的热容量和蒸发热是重要的参数。在优选实施方式中，流体24是水，因为已知除了氨以外，1克水的温度升高1摄氏度所吸收的热量高于任何其他液体。还知由于氢键结合，水的蒸发热大于任何其他液体的蒸发热。最后，在操作过程中，蒸汽微粒24a进一步吸收热能并被该热能提供能量，这加速了远离区域14的移动。如前所提及的，与现有技术的仅仅依赖于流动流体热容量的基于空气和水的系统相比，该过程带来了热效率的实质增大。

因此，用于本发明的合适容器20在蒸发器和冷凝器部分26，28处可以由铝材料形成，其限定了20mm的内部空间剖面面积，大约5mm的平均直径，30cm的纵向长度，并且具有在1到2mm范围内的壁厚。合适的工作流体24是水。合适的管芯22实质上由纤维碳材料组成并且呈现出具有大约4.9mm的外径以及1mm的壁厚的环形构造。

在一个优选实施方式中，热管系统10被进一步改进，以可互换地连接到大多数传统的GMAW焊枪构造和尺寸上。例如，如图7和7a所示，优选的系统10可以通过将夹具32附接到容器20上来改进。夹具32包括与容器20可滑动接合以形成环套的夹块34和向夹块施加夹紧力的紧固件36。另外，类似地可以提供热管固定件38以便将远端部20b固定到多个传统焊枪(图7)的其中之一上。

系统10可进一步包括增强热管的前述性能的各种热交换器。在图8所示的优选实施方式中，增加了作为热沉的热交换块40，以便产生温差并加速热消散。容器20优选地在冷凝器28处附接到热交换块40上。用于本发明的合适热交换块40由高导热性材料制成，例如铜，并且在每个单元长度上比管道具有实质上更大的表面积。

更优选地，如图8-9a所示，热交换块40还限定了保护气体端口42。在该构造中，块40限定了至少一个端口(即，通路)42，其允许保护气体44流经其路线到达焊枪喷嘴12a。气体导管46优选在块40处终止，并且牢固地固定到块40上，使得气流直接与块40相接合。块-导管界面优选地具有密封连接(图9a)。已知提供保护气体通路提高了热沉的效率，并且因此提高了蒸汽24的热消散率，原因有多种。第一，已知传统的GMAW保护气体典型地具有小于室温的腔室温度，第二当气体从高压转变为低压时产生了温差，以及第三，使热量从管道返回的引导的提供和由块40提供的暴露给流体流的表面的增加增大了热传递。

在图9所示的另一替代选择中，可利用珀耳帖装置(即，热电模组)48来进一步提高热消散率。如本领域公知的，珀耳帖装置48包括多个热电偶(未图示)，热电偶包括夹在两个平面基底50之间的多掺杂质的半导体(例如，具有结合在一起的N-型和P-型片)，以及包括对其提供电压的导线52。这产生了提供贯穿平面基底50的温差(即，理想的为70摄氏度)的主动热泵，该温差比周围环境单独暴露给块的更大，并因此使焊枪组件温度降低到低于室温。和热管类似，珀耳帖装置48是可靠的且仅需要最小限度的维护，因为没有活动部分。如图9和9a所示，热交换块40和珀耳帖装置48联合在一起。更优选地，定位块40和装置48以便在邻近冷凝器28处直接与容器20相接合。珀耳帖装置48优选地由焊接电路供能并且仅仅只在焊接周期中工作。

上述所描述的本发明的优选形式仅仅只用作示例，不应该被用作解释本发明范围的限制。本领域技术人员可以容易地对此处阐明的示例实施方式以及运行模式进行明显修改，而不脱离本发明的精神。因此发明人声明，关于文字上不属于下文的权利要求所阐明的本发明范围的任何装置，组合或方法，而其实质上不脱离本发明的范围时，发明人的意图在于依据等同原则来确定并评定本发明的适度公平的范围。

Claims (19)

1.一种适用于焊枪的热管冷却系统，其中，所述焊枪包括主体和喷嘴，当在呈现平均温度的周围环境内操作该焊枪时，该焊枪产生具有最低操作温度的加热区域，所述系统包括：

长容器，该长容器限定第一和第二端部、第一平均剖面面积和内部空间；以及

工作流体，该工作流体装在所述空间内，并且该工作流体具有小于所述最低操作温度和大于所述平均温度的沸腾温度范围，

所述容器由导热材料制成，并且能够固定连接到所述主体上，以便使所述第一端部固定位于所述区域内和使所述第二端部固定位于所述环境中，

其中所述的热管冷却系统进一步包括：插在所述容器内的毛细管结构，该毛细管结构限定小于所述第一平均剖面面积的第二平均剖面面积，该毛细管结构配置成从第二端部延伸到第一端部并可操作地将流体从所述第二端部汲取到所述第一端部。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述流体呈现的沸腾温度范围小于所述操作温度的55％并且大于所述平均温度的125％。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述流体呈现的沸腾温度范围小于所述操作温度的25％并且大于所述平均温度的150％。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述第二平均剖面面积小于所述第一平均剖面面积的50％。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述容器和毛细管结构呈现环形剖面构造，所述环形剖面构造具有相应的内径和外径，并且所述毛细管结构的外径略小于所述容器的内径。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述容器由选自由铝、铜和柔性材料组成的组的材料制成。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述工作流体选自由丙酮、甲醇、Flutec PP2、乙醇、水和甲苯组成的组。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述毛细管结构由纤维碳材料形成。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述毛细管结构由选自由钢、铝、镍和铜组成的组的材料形成，并且该毛细管结构通过使用金属泡沫或毛毡制造。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于：所述毛细管结构限定至少一个通道，该毛细管结构通过使用心轴制造。

11.如权利要求1所述的系统，其特征在于：进一步包括：

热交换夹具，该热交换夹具配置成与所述容器和焊枪相互连接，所述夹具包括夹块和螺纹紧固件。

12.如权利要求1所述的系统，其特征在于：当在所述环境中操作所述焊枪时，所述容器和流体协作呈现循环连通蒸发器和冷凝器部分。

13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，进一步包括：

热交换块，该热交换块接触所述冷凝器部分并配置成加速冷凝器部分的热能消散，以形成热沉。

14.如权利要求13所述的系统，其特征在于：所述焊枪包括输送保护气流的导管，所述热交换块限定至少一个端口，所述导管和热交换块互相连接且协作配置使得所述气流接触所述热交换块，以进一步加速所述冷凝器部分的热能消散。

15.如权利要求12所述的系统，其特征在于，进一步包括：

珀耳帖装置，该装置接触所述冷凝器部分并且配置成从所述冷凝器部分汲取热能。

16.如权利要求12所述的系统，其特征在于：所述容器在所述蒸发器和冷凝器部分处呈现减小的壁厚。

17.如权利要求12所述的系统，其特征在于；所述容器包括部分的集合体，所述集合体包括所述蒸发器和冷凝器部分，所述蒸发器和冷凝器部分由具有第一导热率的材料制成，剩余部分由导热率小于所述第一导热率的材料制成。

18.一种适用于气体保护电弧焊焊枪的热管冷却系统，其中，所述焊枪包括主体和喷嘴，当在呈现平均温度的周围环境中操作该焊枪时，该焊枪产生具有操作温度的加热区域，所述系统包括：

长容器，该容器限定第一和第二端部、第一平均剖面面积和内部空间；

工作流体，该工作流体装在所述空间内，并且该工作流体的沸腾温度范围小于所述操作温度的25％和大于所述平均温度的150％；以及

毛细管结构，该毛细管结构插在所述容器内，限定小于所述第一平均剖面面积的第二平均剖面面积，并且配置成从所述第二端部延伸到所述第一端部并可操作地将流体从所述第二端部汲取到所述第一端部，

所述容器固定地连接到所述主体上，以便当在所述环境中操作所述焊枪时，使所述第一端部固定位于所述区域内和使第二端部固定位于所述环境中，

所述容器和毛细管结构呈现环形剖面构造，所述环形剖面构造具有相应的内径和外径，并且所述毛细管结构的外径略小于所述容器的内径。

19.一种气体保护电弧焊系统，其适于焊接多种工件以产生热区域，并且适于主动移走所述区域的热能，所述系统包括：

气体保护电弧焊焊枪，该焊枪包括喷嘴和主体，其中，所述焊枪和工件协作配置以在它们之间产生电弧，并且在靠近所述喷嘴处和所述区域内产生热能；以及

权利要求18的热管冷却系统，该冷却系统可移动地连接到所述主体上，并且该冷却系统基本由封闭容器组成，该封闭容器中存有流体，

所述容器和流体协作地配置成使得所述流体吸收一部分所述热能，并且在与所述喷嘴和区域间隔开的位置处释放该部分热能。

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