CN110870388B - 等离子枪的优化中性极叠堆冷却 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于级联等离子枪的热优化中性极叠堆的设计和实施方式，其减少了到水的热损失，同时最小化了峰值叠堆温度。优化冷却将允许使用更长的叠堆，而不会带来高热损失。

Description

等离子枪的优化中性极叠堆冷却
相关申请的交叉引用
本国际申请要求2017年3月16日提交的美国临时申请No. 62/472,202的权益，该申请的公开内容通过引用全部明确并入本文。
技术领域
实施例涉及级联型等离子枪，并且更具体地，涉及在这种级联型等离子枪中使用的优化中性极(neutrode)。
背景技术
级联型等离子枪的优点是允许更高的电压和更稳定的等离子弧，从而产生更稳定的枪功率。这种枪的缺点是由等离子弧沿相对较长的中性极叠堆行进导致的散热，这导致较高的热损失，并限制了中性极叠堆的实际长度。更长的叠堆导致更高的热损失，抵消了更高电压和更稳定电弧的优势。所需要的是一种优化冷却的结构，以便限制热损失，而不会导致中性极叠堆的热损坏。
目前的中性极叠堆利用尽可能靠近等离子镗孔同心放置的钻孔，以移除会导致损坏中性极、绝缘体或密封O形环的热量。等离子镗孔内的等离子温度通常超过20,000K，因此冷却叠堆是防止部件损坏的基本要求。
常规等离子枪喷嘴、水冷却通道和/或孔的现有冷却设计通常放置在尽可能靠近等离子枪镗孔的位置，以保持镗孔材料的温度尽可能低，从而防止损坏。这种设计作为一种有效的冷却方式被引入到中性极的设计中。
最近的发明发现涵盖热优化等离子枪喷嘴，例如国际申请号PCT/US2013/076603，据发现，喷嘴冷却可以通过移动水通道远离等离子枪镗孔来改变，并且允许铜材料移动热降低峰值温度同时增加平均温度。可以减小水冷横截面以增加水的速度，从而提供足以维持等离子枪喷嘴的合理温度的有效冷却，同时允许增加沿等离子喷嘴的镗孔的平均温度。
发明内容
本发明的实施例涉及一种结构和方法，其用于优化中性极叠堆的冷却，以便降低最大或峰值叠堆温度，同时降低到冷却水的热损失。
提供了一种用于级联等离子枪的热优化中性极叠堆的设计和实施方式，其减少了到水的热损失，同时最小化了峰值叠堆温度。优化冷却将允许使用更长的中性极叠堆，而不会带来高热损失。
在这点上，发明人发现，将水通道从等离子枪镗孔移开的技术在提高平均温度的同时允许中性极的铜材料移动热降低峰值温度，该技术可以用于级联等离子枪中性极叠堆，以改善冷却特性，而不会对枪的性能产生不利影响。
本发明的实施例涉及等离子枪的中性极，该中性极包括：盘形主体，其具有外周表面和内镗孔；以及多个冷却通道，其形成在外周表面内或外周表面上中的至少一者上。
根据实施例，冷却通道可以是正方形的。在替代实施例中，冷却通道可以具有宽度比深度大八倍以上的扁平轮廓。此外，在实施例中，冷却通道由外周表面下方的深度尺寸和垂直于深度尺寸的底部尺寸限定。冷却通道的底部与深度的比率在1:1至8:1之间的比率范围内。
根据实施例，冷却通道可以被构造成提供通过通道的小于8.0m/sec以及下列中的至少一者的平均水速度：大于1.0m/sec、大于2.0m/sec和大于3.0m/sec。
实施例涉及一种等离子枪，其包括具有多个上述中性极的中性极叠堆。
根据实施例，中性极叠堆中的相邻中性极可以彼此电隔离。等离子枪还可以包括布置在相邻中性极之间的绝缘层。在实施例中，等离子枪还可以包括密封元件层，该密封元件层被布置成在相邻中性极之间形成水屏障。在其他实施例中，等离子枪还可以包括在相邻中性极之间形成的气体间隙。在其他实施例中，多个中性极中的每一个可以具有相同数量的冷却通道，并且多个中性极可以被布置成使得冷却通道轴向对齐。此外，周向冷却通道可以形成在相邻的中性极之间。
根据本发明的实施例，多个中性极在物理上彼此分离的同时可以在力的作用下夹紧在一起。
实施例涉及一种形成等离子枪的中性极的方法，该方法包括在具有内镗孔的盘形主体的外周表面内或外周表面上中的至少一者上形成多个水冷却通道。
根据实施例，多个水冷却通道可以被构造成提供通过通道的小于8.0m/sec以及下列中的至少一者的平均水速度：大于1.0m/sec、大于2.0m/sec和大于3.0m/sec。在另外的实施例中，该方法可以包括：在具有内镗孔的至少一个附加盘形主体的外周表面内或外周表面上中的至少一者上形成多个水冷却通道；以及沿着内镗孔同轴对齐盘形主体和所述至少一个附加盘形主体。在实施例中，该方法还可以包括将盘形主体与所述至少一个附加盘形主体中的相邻一个电隔离。在其他实施例中，盘形主体可以通过下列中的至少一者与所述至少一个附加盘形主体中的所述相邻一个分离：绝缘层；气体间隙；和密封元件。在实施例中，盘形主体和所述至少一个附加盘形主体中的每一个可以具有相同数量的水冷却通道，并且该方法还可以包括轴向对齐所述同轴对齐的盘形主体和至少一个附加盘形主体的水冷却通道。在另外的实施例中，该方法可以包括将同轴对齐的盘形主体和至少一个附加盘形主体夹紧在一起，作为等离子枪的堆叠中性极。
根据本发明的又一些实施例，一种形成如上所述具有多个中性极的级联型等离子枪的方法包括：将多个中性极对齐成中性极叠堆，其中中性极叠堆中的相邻中性极彼此电隔离；以及在沿中性极叠堆的轴向方向的夹紧力下将中性极叠堆放置在级联型等离子枪中。
通过阅读本公开和附图，可以确定本发明的其他示例性实施例和优点。
附图说明
通过本发明的示例性实施例的非限制性示例，参考所述多个附图，在以下的详细描述中进一步描述本发明，其中贯穿附图的几个视图，相同的附图标记表示相似的部件，并且其中：
图1示出了已知级联等离子枪的常规中性极；
图2A–2E示出了根据本发明的实施例的示例性优化中性极的各种视图；
图3示出了中性极叠堆的实施例的剖视图，其包括图2中描绘的多个优化中性极；
图4示出了图3中描绘的实施例，其中示出了堆叠的优化中性极的外周边；和
图5示出了根据本发明的实施例的优化中性极的另一个实施例。
具体实施方式
这里示出的细节仅作为示例，并且仅用于说明性地讨论本发明的实施例，并且是为了提供被认为是对本发明的原理和概念方面最有用和最容易理解的描述而呈现的。在这点上，没有试图比基本理解本发明所必需的更详细地示出本发明的结构细节，结合附图进行的描述使得本发明的几种形式可以如何在实践中实施对于本领域技术人员来说是显而易见的。
为了进一步增强冷却优化，中性极叠堆壳体还可以包含用于回水路径的冷却通道，该回水路径以与冷却通道相同的方式布置在中性极中。
图1示出了现有级联等离子枪的常规中性极10的剖视图。很明显，常规中性极中的冷却是由二十四(24)个孔12提供的，这些孔12围绕中心等离子镗孔14布置在镗孔附近。
与常规的中性极10相比，图2A-2E示出了具有十二(12)个轴向冷却通道22的中性极20的示例性实施例的各种视图，这些轴向冷却通道22凹入中性极20的主体中，并且向围绕中心等离子镗孔24的中性极20的外周表面26敞开。在这点上，轴向延伸的贯穿凹部向外延伸以限定突起21，突起21包括外周表面26的部分，使得外周表面26在周向上不连续。在中性极20的第一侧，例如在图2A中透视示出的右侧并在图2C的平面图中示出，脊23从位于突起21右侧下方的凹陷表面25轴向延伸。在中性极20的第二侧，例如在图2B中透视示出的左侧并在图2D的平面图中示出，脊27从表面29轴向延伸，该表面29可以与突起21的左侧共面。图2E描绘了中性极20的侧视图，其中脊23和27的轴向延伸部延伸超过突起21的左侧和右侧的平面。此外，在图2A-2E的非限制性图示实施例中，除了冷却通道22的侧壁优选地彼此平行之外，中性极通常可以具有齿轮形状。此外，在图2C和2D的平面图中，冷却通道22呈现大致正方形的形状，其中凹部的宽度基本上等于凹部的深度，凹部的宽度优选地在其深度上恒定。
作为非限制性示例，当在图2C和图2D所描绘的平面图中观察时，限定在突起21之间和/或凹陷在中性极主体中并向外周表面26敞开的通道22具有限定通道22的面积的深度和宽度尺寸。在非限制性示例中，通道22可以具有0.125"(3.175mm)宽×0.097"(2.464mm)深的底部尺寸，这提供了0.1476平方英寸(95.22mm2)的总面积。当以例如每分钟二十二(22)升的水流量操作时，通过通道的平均水速度可以是例如3.8m/sec。此外，应当理解，形成的冷却通道的尺寸和/或几何形状可以根据实施例改变，以获得期望的冷却效果，应当理解，通过通道的平均水速度小于8.0m/sec。然而，如上所述，通道的这些值仅仅是示例性的，并且形成在突起21之间和/或凹陷到中性极20的外周表面26下方并向外周表面26敞开的冷却通道22的数量和大小取决于防止温度达到可能损坏枪的水平所需的水流量。作为另外的示例，应当理解，通道22可以被形成为基本上正方形的，因为深度的尺寸与通道22的宽度的尺寸基本上相同，宽度优选地为恒定宽度。此外，虽然基本上正方形的通道具有形成通道底部的宽度尺寸与外周表面下方的深度尺寸的大致1:1的比率，但是还应当理解，冷却通道的宽度与深度的比率可以在1:1至8:1的比率范围内变化。
图3示出了中性极壳体38中的示例性中性极叠堆30的剖视图，该中性极壳体38包括同轴叠堆在一起的图2所描绘的多个优化中性极20，图4示出了图3的替代视图，其中示出了中性极叠堆壳体38的剖视图中的部件的外周边26，包括堆叠的优化中性极20的外周边。在图示实施例中，当从中性极叠堆30的左侧观察时，图2所描绘的中性极20可以位于例如第二、第三和第四位置。然而，各个中性极20彼此隔离，例如电隔离且物理间隔开，使得相邻中性极20在中性极叠堆30中彼此不接触。此外，中性极壳体38可以由例如塑料制成，以同样保持中性极叠堆30中相邻中性极20之间的隔离。
如图3所示，中性极20沿着中心等离子镗孔24同心对齐，以形成中性极叠堆30。在有利且非限制性的实施例中，如图4所描绘，中性极叠堆30的每个中性极20可以具有相同数量的冷却通道，并且被定向成使得冷却通道22轴向对齐。由于中性极20在中性极叠堆30中彼此隔离，绝缘体36可以作为分隔器被布置在相邻中性极20之间。绝缘体36可以是例如亚硝酸硼，并且可以径向位于脊23内部，并且径向向内延伸到中性极叠堆30的中心等离子镗孔34。在实施例中，各个中性极20的中心等离子镗孔24和中性极30的中心等离子镗孔34内的绝缘体36之间的过渡可以是平滑的。如插图300中更具体地示出的，绝缘体36厚度适当，以在第一中性极20的脊23和相邻中性极20的脊27的面对表面之间保持例如约0.030”(0.76mm)的空气或气体间隙322。此外，在脊23的径向外侧，密封件320(例如，O形环)可以由例如硅、合成橡胶(例如，VITON®)、丁腈橡胶(例如BUNA-N)或其他适合承受中性极叠堆30的区域内产生的温度的水密封材料制成，其可以被布置在相邻中性极20的面对表面之间，以覆盖空气或气体间隙322，从而防止冷却水从冷却通道径向向内进入空气或气体间隙322。
在图示实施例中，中性极叠堆30可以夹在具有冷却水孔35的较大直径盘31和具有冷却通道37的端件33之间，冷却通道37可以是终止的或封闭的冷却通道。在有利的和非限制性的实施例中，盘31包括多个冷却水孔35，其对应于每个中性极20中的冷却通道22的数量和端件33中的冷却通道37的数量。此外，冷却水孔35、冷却通道22和冷却通道37可以定向成轴向对齐，如图4所描绘。此外，由于包括外周表面26的中性极20的径向延伸部分在轴向方向上彼此分离，所以在中性极叠堆30中形成周向冷却通道32。此外，盘31的较大直径不仅可以用于例如通过螺钉、螺栓、夹具等将盘31联接到壳体38，而且偏置盘31，将优化的中性极20和端件33堆叠在一起。有利地，该偏置足以使得密封件320适当地接合相邻中性极的面对表面，以实现期望的水密封构造。在实施例中，很容易理解，中性极叠堆30可以包括更多或甚至更少的图2中描绘的优化中性极。此外，还应当理解，中性极叠堆壳体38可以包括形成在壳体的外周边中或外周边上的类似冷却通道。
图5示出了中性极50的另一个示例性实施例。在该实施例中，中性极50可以包括八(8)个扁平冷却通道52，这些冷却通道形成在中性极50的外周边56中和其周围。作为非限制性示例，形成在中性极50的外周边56中的扁平通道52可以是0.200"(5.08mm)宽×0.0225"(0.572mm)深，这提供了0.032平方英寸(20.65mm2)的总面积。当以每分钟9升的水流量操作时，通过通道的平均水速度为6.4m/sec。此外，应当理解，形成的冷却通道的尺寸和/或几何形状可以根据实施例改变，以获得期望的冷却效果，应当理解，通过通道的平均水速度小于8.0m/sec。然而，如上所述，通道的这些值仅仅是示例性的，并且冷却通道的数量和大小取决于防止温度达到可能损坏枪的水平所需的水流量。
根据实施例，如例如图2A、图5所示，中性极叠堆可以设置有布置在每个优化中性极的外周边的水冷却通道。通道的横截面积可以设计成产生高的水速度，例如大于1.0m/sec，优选地大于2.0m/sec，并且最优选地大于3.0m/sec，但是小于8.0m/sec。每个通道可以被构造成具有从大致正方形(参见例如图2A-2E)到细长且扁平的形状(参见例如图5)变化的形状，以便最大化在中性极20的最外周处的水冷却流量。此外，通道也可以被构造或形成为具有三角形横截面，并且被布置成最大化在每个中性极的外周边处的水冷却流量。冷却通道的数量、大小和几何形状取决于防止温度达到可能损坏枪的水平的所需水流量。中性极叠堆中的中性极的总数或中性极叠堆中每个中性极的厚度在本设计中不受限制。事实上，利用根据实施例的优化中性极，更长的中性极叠堆现在可能具有有限的热冷却损失。
应注意，实施例不限于冷却通道的底部与深度比率的上述具体示例。应当理解，冷却通道的底部与深度的比率可以高达1:1，以实现在从较高的径向轮廓到大致正方形的横截面变化的冷却通道，可以大于8:1以实现较平坦轮廓的横截面，并且可以是在1:1至8:1之间的范围内的任何比率。因此，该比率可以是，但也不限于，2:1、3:1、4:1、5:1、6:1、7:1的底部与深度的具体比率，以及它们之间的任何比率。
在包括由多个中性极50形成的中性极叠堆的等离子枪中，通过已知的计算流体动力学(CFD)软件计算的等离子枪中的水流量揭示，在每分钟8.1升的水流量下，中性极叠堆中的平均水速度高于3.2m/sec。
如图3所描绘，用中性极叠堆30构建的单弧级联等离子枪被测试并与具有相同总体设计的常规等离子枪进行比较，常规等离子枪包括使用水冷却翅片或通道来冷却等离子喷嘴的长喷嘴。测试结果显示，使用根据本发明的实施例的中性极叠堆30的枪的热效率比常规冷却的喷嘴提高了10%。其他测试表明，在等离子枪中添加常规中性极叠堆降低6%到10%之间的热效率。更进一步的测试表明，将等离子枪的常规中性极叠堆的长度加倍，热效率降低了20%，而通过添加优化中性极20增加中性极叠堆30的长度，热效率的降低要低得多，其结果约小于常规中性极叠堆的一半。此外，中性极叠堆30的持续时间测试显示，即使在用相同叠堆进行超过200小时的测试之后，也没有不利的热效应。
应注意，上述示例仅仅是为了解释的目的而提供的，决不应被解释为对本发明的限制。虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本文使用的词语是描述和说明性的词语，而不是限制性的词语。可以在当前陈述和修改的所附权利要求的范围内进行改变，而不背离本发明在其方面的范围和精神。尽管本文已经参考特定的装置、材料和实施例描述了本发明，但是本发明并不旨在局限于本文公开的细节；相反，本发明延伸到例如在所附权利要求的范围内的所有功能等同的结构、方法和用途。

Claims (25)

1.一种等离子枪的中性极，包括：
盘形主体，其具有外周表面和内镗孔；和
多个冷却通道，其沿着所述盘形主体的轴向方向延伸并在所述盘形主体的径向边缘处形成为向所述外周表面敞开的凹部，其中所述凹部向外延伸以限定突起，所述突起包括所述外周表面的部分，使得所述外周表面在周向上不连续，在所述中性极的第一侧，一脊从位于所述突起右侧下方的凹陷表面轴向延伸，且在所述中性极的第二侧，一脊从能与所述突起的左侧共面的表面轴向延伸，且所述脊的轴向延伸部延伸超过所述突起的左侧和右侧的平面。
2.根据权利要求1所述的中性极，其中，所述冷却通道是正方形的。
3.根据权利要求1所述的中性极，其中，所述冷却通道具有宽度比深度大八倍以上的扁平轮廓。
4.根据权利要求1所述的中性极，其中，所述冷却通道由所述外周表面下方的深度尺寸和垂直于所述深度尺寸的底部尺寸限定，其中，所述冷却通道的底部与深度的比率在1∶1至8∶1之间的比率范围内。
5.根据权利要求1所述的中性极，其中，所述冷却通道被构造成提供通过所述通道的小于8.0m/sec以及大于1.0m/sec的平均水速度。
6.根据权利要求1所述的中性极，其中，所述冷却通道被构造成提供通过所述通道的小于8.0m/sec以及大于2.0m/sec的平均水速度。
7.根据权利要求1所述的中性极，其中，所述冷却通道被构造成提供通过所述通道的小于8.0m/sec以及大于3.0m/sec的平均水速度。
8.一种等离子枪，包括：
中性极叠堆，其包括多个根据权利要求1所述的中性极。
9.根据权利要求8所述的等离子枪，其中，所述中性极叠堆中的相邻中性极彼此电隔离。
10.根据权利要求9所述的等离子枪，还包括布置在每个相邻中性极之间的绝缘层。
11.根据权利要求9所述的等离子枪，还包括密封元件层，所述密封元件层被布置成在每个相邻中性极之间形成水屏障。
12.根据权利要求9所述的等离子枪，还包括在每个相邻中性极之间形成的气体间隙。
13.根据权利要求9所述的等离子枪，其中，所述多个中性极中的每一个都具有相同数量的冷却通道，并且所述多个中性极被布置成使得所述冷却通道轴向对齐。
14.根据权利要求13所述的等离子枪，还包括形成在每个相邻中性极之间的周向冷却通道。
15.根据权利要求8所述的等离子枪，其中，所述多个中性极在物理上彼此分离的同时在力的作用下被夹紧在一起。
16.一种形成等离子枪的中性极的方法，包括：
沿着具有内镗孔的盘形主体的轴向方向并在所述盘形主体的径向边缘处形成向所述盘形主体的外周表面敞开的多个水冷却通道，其中所述水冷却通道向外延伸以限定突起，所述突起包括所述外周表面的部分，使得所述外周表面在周向上不连续，在所述中性极的第一侧，形成从位于所述突起右侧下方的凹陷表面轴向延伸的脊，以及在所述中性极的第二侧，形成从能与所述突起的左侧共面的表面轴向延伸的脊，且所述脊的轴向延伸部延伸超过所述突起的左侧和右侧的平面。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述多个水冷却通道被构造成提供通过所述通道的小于8.0m/sec以及大于1.0m/sec的平均水速度。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述多个水冷却通道被构造成提供通过所述通道的小于8.0m/sec以及大于2.0m/sec的平均水速度。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述多个水冷却通道被构造成提供通过所述通道的小于8.0m/sec以及大于3.0m/sec的平均水速度。
20.根据权利要求16所述的方法，还包括：
在具有内镗孔的至少一个附加盘形主体的外周表面内或所述外周表面上中的至少一者上形成多个水冷却通道；和
沿着所述内镗孔同轴对齐所述盘形主体和所述至少一个附加盘形主体。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括将所述盘形主体与所述至少一个附加盘形主体中的相邻一个电隔离。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述盘形主体通过下列中的至少一者与所述至少一个附加盘形主体中的所述相邻一个分离：绝缘层；气体间隙；和密封元件。
23.根据权利要求20所述的方法，其中，所述盘形主体和所述至少一个附加盘形主体中的每一个都具有相同数量的水冷却通道，并且所述方法还包括轴向对齐所述同轴对齐的盘形主体和至少一个附加盘形主体的所述水冷却通道。
24.根据权利要求20所述的方法，还包括将所述同轴对齐的盘形主体和至少一个附加盘形主体夹紧在一起，作为所述等离子枪的叠堆的中性极。
25.一种形成具有多个根据权利要求1所述的中性极的级联型等离子枪的方法，包括：
将所述多个中性极对齐布置成中性极叠堆，其中，所述中性极叠堆中的相邻中性极彼此电隔离；和
在沿所述中性极叠堆的轴向方向上的夹紧力作用下，将所述中性极叠堆放置在所述级联型等离子枪中。
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