CZ2016426A3 - Plazmové řezné trysky s integrovaným rozptylem proudu a související systémy a způsoby - Google Patents

Description

PLAZMOVÉ ŘEZNÉ TRYSKY S INTEGROVANÝM ROZPTYLEM

PROUDU A SOUVISEJÍCÍ SYSTÉMY A ZPŮSOBY

Křížový odkaz k související přihlášce [0001] Tato přihláška nárokuje přínos a prioritu US prozatímní patentové přihlášky č. 62/191 856, podané 13. července 2015, jejíž celý obsah je vlastněn nabyvatelem předložené přihlášky a zahrnut zde prostřednictvím odkazu ve své úplnosti.

Oblast techniky [0002] Předložený vynález se obecně týká trysky pro kapalinou chlazené plazmové obloukové hořáky, a zejména osově nesymetrických trysek s integrovaným rozptylem kapalinového proudu.

Stav techniky [0003] Hořáky tepleného zpracování, jako jsou plazmové obloukové hořáky, jsou široce používány pro vysokoteplotní zpracování (např. ohřívání, řezání, drážkování a značení) materiálů. Plazmový obloukový hořák obecně obsahuje těleso hořáku, elektrodu namontovanou v tělese hořáku, emitující vložku umístěnou uvnitř vývrtu elektrody, trysku s centrálním výstupním otvorem namontovanou uvnitř tělesa hořáku, kryt, elektrická připojení, průchody pro chlazení, průchody pro řídící kapaliny oblouku (např. plazmový plyn) a přívod energie. Vířivý kroužek může být použit k řízení

-2profilu proudění kapaliny v plazmové komoře vytvořené mezi elektrodou a tryskou. V některých hořácích je použito přídržné víčko k držení trysky a/nebo vířivý kroužek v plazmovém obloukovém hořáku. Při provozu hořák vytváří plazmový oblouk, což je zúžený proud z ionizovaného plynu s vysokou teplotou a dostatečnou setrvačností, aby podpořil odstranění roztaveného kovu. Plyny použité v hořáku mohou být nereaktivní (např. argon nebo dusík), nebo reaktivní (např. kyslík nebo vzduch).

[0004] Konstrukční úvahy pro plazmový obloukový hořák obsahují funkce pro chlazení, protože generovaný oblouk může produkovat teplotu více než 10 000 °C, která pokud není řízena, může zničit hořák, zejména trysku. To znamená, že míra eroze trysky je ovlivněna prostřednictvím účinnosti chlazení v trysce. Efektivní chlazení může pomoci udržet relativně nízkou teplotu, která vede k nižší míře eroze. Dále, protože se tryska časem zhoršuje v důsledku používání, je potřeba, aby byla snadno vyměnitelná v terénu. Při instalaci trysky do systému plazmového obloukového hořáku je jeho seřízení a odstup vzhledem k hořáku kritické k zajištění rozumné životosti tak, jako i přesnost a opakovatelnost umístění plazmového oblouku.

[0005] Většina existujících systémů plazmového obloukového hořáku vyžaduje klínové spojení trysky nebo pevné upevnění trysky ve specifické orientaci/zarovnání s tělesem hořáku tak, že chladivo z tělesa hořáku může být směrováno podél kanálu(ů) rozprostírajících se po celé délce trysky k chlazení trysky. Oddělený průtokový kanál(y) na trysce je poté použit ke směřování vratného proudu chladivá k hořáku. Takový návrh vyžaduje obráběné drážky na trysce a lícování výstupků v hořáku tak, že jsou hořák a tryska

-3sestaveny dohromady v přesné orientaci (tj., klínově spojeny k sobě navzájem). Proto, když kapalinové kanály trysky neodpovídají lícování přívodních kanálů na tělese hořáku, tryska nemůže být instalována do hořáku, což činí hořák neprovozuschopným. Viz například patent US č. 8 853 589, který popisuje jinou klínovou konfiguraci tryska/hořák. Výrobce často prodává různé (např. čtyři nebo více) konfigurace trysky spojené s různými zaklínovanými hořáky ve snaze snížit křížový prodej a mimotržní konkurenci a připoutat koncového uživatele k omezenému počtu dodavatelů spotřebního zboží. Kromě toho klínové spojení trysek k hořákům vyžaduje několikastupňové obrábění, kontrolu, inventář, čísla součástí atd., které zvyšují nejen složitost a náklady na výrobu spotřebních součástí, ale také složitost dodavatelského řetězce a náklady. Koncoví uživatelé obvykle nechtějí být vázáni k omezenému zdroji nebo platit příplatek za speciální klínové prvky, které nezvyšují výkon hořáku nebo provozů.

Podstata vynálezu [0006] Cílem předloženého vynálezu je proto poskytnout konstrukce trysek, které optimalizují proud chladivá skrz trysky, a tím zlepšují provozní dobu trysek a zvyšují kvalitu řezu. Dalším cílem předloženého vynálezu je poskytnout trysky s vylepšenými konfiguracemi pro zarovnání a montáž uvnitř plazmových obloukových hořáků. Ještě dalším cílem předloženého vynálezu je eliminovat klínové prvky, které vyžadují danou trysku nainstalovanou do konkrétního hořáku.

[0007] V jednom aspektu je opatřena osově nesymetrická tryska pro kapalinou chlazený plazmový obloukový hořák.

-4Tryska zahrnuje proximální část obsahující vnitřní povrch definující výstupní otvor trysky a vnější povrch definující oblast průtoku. Tryska také zahrnuje střední část obsahující vnější povrch definující alespoň část průtokové komory v kapalinovém spojení s průtokovou oblastí. Tryska dále zahrnuje distální část nakonfigurovanou pro spojení se špičkou plazmového obloukového hořáku. Distální část obsahuje prstencovou přírubu umístěnou okolo trysky a množství průtokových přepážek zkonstruovaných na prstencové přírubě a umístěných osově nesymetricky kolem distální části. Množství průtokových přepážek nakonfigurovaných k (i) segmentování proudu kapaliny do množství kapalinových proudů a (ii) škrcení kapalinových proudů skrze průtokovou komoru směrem k průtokové oblasti.

[0008]

V dalším aspektu je opatřena tryska pro plazmový obloukový hořák.

podélnou osu a

Tryska má podlouhlé těleso definující zahrnující proximální část definující průtokovou oblast na vnějším povrchu podlouhlého tělesa a výstupní otvor trysky. Tryska také zahrnuje střední část definující alespoň část průtokové komory na vnějším povrchu podlouhlého tělesa. Průtoková komora je v kapalinovém spojení s průtokovou oblastí. Tryska dále zahrnuje distální část nakonfigurovanou pro spojení se špičkou plazmového obloukového hořáku. Distální část obsahuje vstupní oblast na vnějším povrchu podlouhlého tělesa v kapalinovém spojení s průtokovou komorou a množství vstupních přepážek rozprostírajících se podél podélné osy na vnějším povrchu a umístěných osově nesymetricky kolem distální části. Vstupní přepážky jsou nakonfigurovány k segmentování proudu kapaliny od vstupní oblasti k průtokové oblasti přes průtokovou komoru.

-5[0009] V jiných příkladech některé z aspektů výše mohou obsahovat jeden nebo více z následujících znaků. V některých provedeních tryska dále obsahuje vstupní oblast v distální části nakonfigurovanou pro uvedení proudu kapaliny k průtokovým přepážkám. V některých provedeních zde vstupní proudové přepážky tvoří alespoň drážku, kanál nebo otvor, přes který směřuje proud kapaliny. V některých provedeních je kombinovaná plocha průřezu proudu průtokových přepážek asi 0,13 cm² až 0,26 cm² (0,02 až asi 0,04 čtverečních palců). V některých provedeních je délka každé vstupní průtokové přepážky asi 1/6 až asi 1/3 délky trysky podél podélné osy.

[0010] V některých provedeních jsou vstupní průtokové přepážky nakonfigurovány k segmentování proudu kapaliny od vstupní oblasti do množství kapalinových proudů a k dávkování kapalinových proudů do průtokové komory. Průtokové přepážky mohou segmentovat proud kapaliny do nejméně čtyř kapalinových proudů. Množství kapalinových proudů může například zahrnovat čtyři až šest kapalinových proudů. Průtokové přepážky mohou zvyšovat alespoň jedno z rychlosti průtoku nebo tlaku kapalinových proudů v porovnání k proudu kapalíny ve vstupní oblasti. V některých provedeních se průtoková komora rozprostírá podélně přes alespoň 20 % délky trysky.

[0011] V některých provedeních jsou průtoková komora a průtoková oblast umístěny po obvodu kolem trysky na vnějším povrchu. Alespoň jedna vstupní oblast, průtoková komora nebo průtoková oblast mohou být osově symetrické kolem trysky. V některých provedeních je průtoková oblast umístěna mezi průtokovou komorou a špičkou trysky.

-6[0012] V některých provedeních zabírají průtokové přepážky 30ti stupňový až 180ti stupňový radiální segment distální části. Radiální segment může být orientován asi 180 stupňů od výstupu špičky plazmového obloukového hořáku nakonfigurovaného k vedení proudu kapaliny pryč od trysky. Tryska může být nakonfigurována ke směřování proudu kapaliny ze vstupní oblasti přes množství průtokových přepážek jako množství kapalinových proudů směrem k průtokové oblasti přes průtokovou komoru a vypuštění z výstupu. Alespoň jedno laserové značení může být umístěno na vnějším povrchu pro orientaci trysky ve vztahu k výstupu při spojování trysky ke špičce plazmového obloukového hořáku. V některých provedeních prstencová příruba dále obsahuje výstupní průchod pro vedení proudu kapaliny z průtokové komory k výstupu.

[0013]

V dalším aspektu je opatřen způsob pro směrování proudu kapaliny přes osově nesymetrickou trysku pro chlazení plazmového obloukového hořáku. Tento způsob obsahuje přivádění proudu kapaliny z plazmového obloukového hořáku ke vstupní oblasti distální části trysky. Vstupní oblast je umístěna na vnějším povrchu trysky. Tento způsob také obsahuje segmentování průtoku kapaliny ze vstupní oblasti do množství vstupních kapalinových přepážek v proudů distální prostřednictvím části množství trysky.

Množství vstupních umístěno osově nesymetricky kolem distální části. Tento způsob dodatečně obsahuje proudění množství kapalinových proudů na j edné straně trysky od vstupních přepážek k průtokové oblasti přes průtokovou komoru.

Alespoň část průtokové komory je definována prostřednictvím vnějšího povrchu střední části trysky a průtoková oblast je definována prostřednictvím vnějšího povrchu proximální části trysky. Tento způsob dále obsahuje

-Ί cirkulaci kapalinových proudů, prostřednictvím průtokové oblasti, obvodově kolem trysky k chlazení špičky trysky.

[0014] V některých provedeních tento způsob dále obsahuje zvyšováni alespoň jednoho z rychlosti průtoku nebo tlaku kapalinových proudů prostřednictvím množství vstupních přepážek v porovnání k proudu kapaliny ve vstupní oblasti.

[0015] V některých provedeních tento způsob dále obsahuje vedení proudu kapaliny pryč od trysky prostřednictvím výstupu na špičce plazmového obloukového hořáku připojeného k trysce. Výstup může být umístěn naproti radiálnímu segmentu příruby obsazené prostřednictvím množství vstupních přepážek. Tento způsob může dále obsahovat orientování alespoň jednoho laserového značení trysky ve vztahu k výstupu při připojování Špičky plazmového obloukového hořáku. Toto laserové značení může indikovat orientaci trysky vzhledem k plazmovému obloukovému hořáku.

[0016] V některých provedeních se průtoková komora a oblast průtoku rozprostírají přibližně 360 stupňů kolem trysky.

[0017] Mělo by být také zřejmé, že různé aspekty a provedení tohoto vynálezu mohou být kombinovány různými způsoby. Na základě učení této specifikace může osoba běžně znalá dosavadního stavu techniky snadno určit, jak kombinovat tato různá provedení. Například v některých provedeních může každý z aspektů výše obsahovat jeden nebo více znaků uvedených výše. Jedno provedení tohoto vynálezu může poskytnout všechny výše uvedené funkce a výhody.

Stručný popis výkresů

-8[0018] Výhody tohoto vynálezu popsané výše spolu s dalšími výhodami mohou být lépe pochopeny prostřednictvím odkazování se na následující popis obdržený ve spojení s doprovázejícími výkresy. Výkresy nejsou nezbytně v měřítku, důraz je místo toho obecně kladen na ilustraci principů tohoto vynálezu.

[0019] Obr. 1 znázorňuje pohled v příčném řezu na příkladný plazmový obloukový hořák.

[0020]	Obr. 2a	a	2b	znázorňuj í	profil a izometrický
pohled	na trysku z	obr,	. 1.
[0021]	Obr. 3a	a	3b	znázorňuj i	izometrické a přední

pohledy na trysku, která je namontována do špíčky plazmového obloukového hořáku z obr. 1.

[0022]

Obr. 4a a 4b znázorňují příkladný profil proudění chladivá přes trysku z obr. 1 z různých perspektiv.

[0023] Obr. 5 znázorňuje příkladnou vodicí šablonu pro zarovnání trysky se špičkou plazmového obloukového hořáku z obr. 1 během montáže.

[0024] Obr. 6a a 6b znázorňují různé pohledy trysky, která je namontována do špičky plazmového obloukového hořáku z obr. 1 pomocí vodicí šablony z obr. 5.

[0025] Obr. 7 znázorňuje trysku z obr. 1 s příkladnými značeními, např. laserová značení k vizuální pomoci operátorovi v montování trysky na špíčku plazmového obloukového hořáku.

[0026] Obr. 8 znázorňuje příkladné výsledky kvality po životnost generované pomoci hořáku s tryskou z obr. 1.

Popis příkladů provedení [0027] Obr. 1 znázorňuje pohled v příčném řezu příkladného, kapalinou chlazeného plazmového obloukového hořáku 100 včetně tělesa 102 hořáku a špičkou 104 hořáku. Špička 104 hořáku obsahuje četný spotřební materiál, například elektrodu 105, trysku 110, přídržné víčko 115, vířivý kroužek 120 a kryt 125. Těleso 102 hořáku, které má obecně válcový tvar, nese elektrodu 105 a trysku 110. Tryska 110 je oddělena od elektrody 105 a má centrální výstupní otvor 106 namontovaný uvnitř tělesa 102 hořáku. Vířivý kroužek 120 je namontovaný k tělesu 102 hořáku má sadu radiálně přesazených nebo nakloněných plynových distribučních otvorů 127, které udělují tangenciální složku rychlosti k proudu plazmového plynu, což způsobuje víření proudu plazmového plynu. Kryt 125, který také obsahuje výstupní otvor 107, je připojen (např. závitem) k přídržnému víčku 115. Přídržné víčko 115, jak je znázorněno, je vnitřní přídržné víčko bezpečně připojené (např. závitem) k trysce 110 k přidrženi trysky 110 k plazmovému obloukovému hořáku 100 a radiálnímu a/nebo axiálnímu umístění trysky 110 vzhledem k podélné ose hořáku 100. V některých provedeních je vnější přídržné víčko 116 zajištěno vzhledem ke krytu 125. Hořák 100 může navíc obsahovat elektrické přípojky, průchody pro chlazení, průchody pro obloukové kontrolní kapalíny (např. plazmový plyn) a přívod energie. V některých provedeních spotřební materiál rovněž obsahuje svářecí špičku, což je tryska pro procházení zapáleného svařovacího olvnu.

-10[0028] Plazmový plyn v provozu proudí přes plynovou vstupní trubku (není zobrazeno) a plynové distribuční otvory 127 ve vířivém kroužku 120. Odtud plazmový plyn proudí do plazmové komory 128 a ven z hořáku 100 přes výstupní otvor 106 trysky 110 a výstupní otvor 107 krytu 125. Pilotní oblouk je nejprve generován mezi elektrodou 105 a tryskou

110. Pilotní oblouk ionizuje plyn procházející přes výstupní otvor 106 trysky a výstupní otvor 107 krytu. Oblouk se pak převádí z trysky 110 k obrobku (není znázorněno) pro tepelné zpracovávání (např. řezání nebo svařování) obrobku. Je třeba poznamenat, že ilustrované detaily hořáku 100, včetně uspořádání součástí, směrů proudu plynu a chladicí kapaliny a elektrické přípojky mohou mít různé formy.

[0029] Obr. 2a a 2b znázorňuje profil a izometrické pohledy trysky 110 z obr. L· Jak je znázorněno, má tryska 110 podlouhlé těleso definující podélnou osu A rozprostírající se skrze něj a obsahuje distální část 202, střední část 204 a proximální část 206 podél podélné osy A. Části 202, 204, 206 mohou být spojitě vytvořeny (např. ze stejného kusu materiálu). V některých provedeních jsou části 202, 204, 206 vytvořeny z alespoň dvou různých kusů materiálu a spojeny dohromady. V některých provedeních se části 202, 204 a 206 každá rozprostírají asi J_/3_ délky trysky 110 podél podélné osy A.

[0030] Proximální část 206 může obsahovat rozšířenou část 222 s vnitřním povrchem definujícím výstupní otvor 106 trysky, přes který proud plazmy opouští trysku 110. Proximální část 206 také definuje drážku 224 na svém vnějším povrchu, přičemž drážka 224 je nakonfigurována, aby přijala elastomerové těsnění, jako je o-kroužek (není znázorněno).

-11 Když je tryska 110 instalována do plazmového obloukového hořáku 100, kontakt povrch k povrchu mezi tryskou 110 a přilehlou součásti deformuje elastomerové těsněni v drážce 224 pro opatřeni vodotěsného těsněni mezi tryskou 110 a přilehlou součásti. Proximálnl část 206 dále obsahuje průtokovou oblast 210 kapaliny na jejím vnějším povrchu. Průtoková oblast 210 kapaliny opatřuje obvodový průtokový kanál kolem trysky 110 (tj . průtokový kanál rozprostírající se asi 360 stupňů okolo trysky 110), který umožňuje chladivu proudit přes vnější povrch trysky 110, čímž podporuje konvekční chlazení špičky 109 trysky během provozu hořáku a snižuje stagnaci proudící kapaliny. Průtoková oblast 210 kapalíny může být definována alespoň částečně prostřednictvím zakřiveného povrchu trysky 110. Průtoková oblast 210 kapaliny může definovat alespoň část prstencové komory 211 vystředěné podél podélné osy A. V některých provedeních chladicí kapalina vstupuje do průtokové oblasti 210 kapaliny z jedné strany trysky 110, proudí kolem proximálnl části 206 v průtokové oblasti 210 a vystupuje na opačné straně trysky 110. Příkladné trasy průtoku chladivá jsou popsány v přihlášce US patentu č. 8 772 667 a 8 829 385, jejichž obsahy jsou zde oba zahrnuty prostřednictvím odkazu jako celek. Proximálnl část 206 včetně průtokové oblasti 210 kapaliny mohou být radiálně symetrické kolem podélné osy A.

[0031] Střední část 204 trysky 110 alespoň částečně definuje průtokovou komoru 208 na svém vnějším povrchu pro vedení proudu kapaliny přes trysku 110. V některých provedeních vnější povrch střední části 204 a vnitřní povrch přilehlého krytu 125 kooperativně po montáži definují průtokovou komoru 208. V některých provedeních se průtoková komora 208 rozprostírá alespoň po 20 % délky trysky podél

-12podélné osy A, Průtoková komora 208 se může například rozprostírat alespoň po 30 % délky trysky podél podélné osy A. Jak je znázorněno na obr. 2a a b, průtoková komora 208 může být umístěna přibližně ve středu trysky 110 podél podélné osy A a/nebo v nejširším radiálním průřezu trysky.

[0032] Průtoková komora 208 může být umístěna v blízkosti k průtokové oblasti 210 proximální části 206 a je v kapalinovém spojení s průtokovou oblastí 210. V některých provedeních chladicí kapalina vstupuje do průtokové komory 208 jako vícenásobné vysokorychlostní a vysokotlaké kapalinové proudy na jedné straně trysky 110 a proudí podélně na stejné straně směrem k průtokové oblasti 210. Střední část 204 včetně průtokové komory 208 mohou být radiálně symetrické kolem podélné osy A. Například průtoková komora 208 může být umístěna obvodově kolem trysky 110 na vnějším povrchu (tj. rozprostírající se po 360 stupňů kolem trysky 110) . Jak je znázorněno na obr. 2a a b, střední část 204 je relativně hladká a bez zvlněných průtokových kanálů nebo jiných vyvýšených nebo zubovitých znaků.

[0033] Distální část 202 trysky 110 je nakonfigurována pro připojení ke špičce 104 plazmového obloukového hořáku přes připojovací část 232 trysky 110. Distální část 202 také obsahuje vstupní oblast 212 (např. ve formě kanálu) na vnějším povrchu trysky 110. Vstupní oblast £12 je nakonfigurována k přijímání proudu kapalného chladivá z plazmového obloukového hořáku, když je zde připojen, podobně jako průtoková oblast 210 v proximální části 206, a poskytuje obvodový průtokový kanál kolem trysky 110 (tj. průtokový kanál rozprostírající se po 360 stupňů kolem trysky 110), který umožňuje chladivu protékat přes vnější oovrch trysky 110, čímž se podporuje konvekčni chlazení této

-13části trysky 110 během provozu hořáku. Vstupní oblast 212 může být definována alespoň zčásti prostřednictvím (1) zakřiveného povrchu trysky 110, (2) dorazem 234 vystupujícím z vnějšího povrchu trysky 110 k oddělení vstupní oblasti 212 od připojovací části 232, a (3) prstencovou přírubou 214 vystupující z vnějšího povrchu trysky 110 k oddělení vstupní oblasti 212 od průtokové komory 208. Vstupní oblast 212 může být radiálně symetrická kolem podélné osy A.

[0034] Dodatečně mohou být zkonstruovány četné přepážky 216 na prstencové přírubě 214 a nakonfigurovány k segmentování obvodového proudu kapaliny ze vstupní oblasti 212 do četných kapalinových proudů před škrcením a směřováním proudu kapalinových proudů podélně do průtokové oblasti 210 přes průtokovou komoru 208. Jak je znázorněno na obr. 2a a b, přepážky 216 tvořící kapalinové proudy mohou být sérii krátce vroubkovaných nebo jinak spojitě vytvořených drážek/rýh 215 pro segmentováni proudu kapaliny ze vstupní oblasti 212 a dávkování výsledných kapalinových proudů do průtokové komory 208. Alternativně mohou být přepážky 216 v jiných formách k dosažení stejných funkcí, například otvory, kanály nebo výstupky na vnějším povrchu trysky 110 ke směřování kapalinových proudů.

[0035] Přepážky 216 mohou být uspořádány na jedné straně trysky 110 osově nesymetricky kolem distálni části 202. Přepážky 216 mohou například zabírat radiální segment 230 na jedné straně trysky 110 v rozmezí od asi 30 stupňů do asi 180 stupňů. Z tohoto důvodu může být tryska 110 charakterizována jako osově nesymetrická. Drážky 215 vytvořené prostřednictvím přepážek 2.16 se mohou orientovat v podstatě rovnoběžně k podélné ose A tak, že uvádějí kapalinové proudy do průtokové komory 208 v podstatě v

-14 podélném směru. Protože jsou přepážky 216 radiálně nesymetrické, jsou přizpůsobeny k uvedeni kapalinových proudů do průtokové komory 208 na jedné straně trysky 110. V některých provedeních jsou drážky 215 poměrně krátké (tj. nepokrývají většinu délky trysky 110) . Jako příklad se mohou rozprostírat asi od 1/6 do asi 1/3 délky trysky 110 podél podélné osy A. Přepážky 216 mohou být nakonfigurovány k uvedení dvou nebo více kapalinových proudů do průtokové komory 208. Přepážky 216 mohou například zahrnovat dvě nebo více drážek 215, kde každá drážka 215 vytváří kapalinový proud. V některých provedeních jsou přepážky 216 nakonfigurovány k dávkování čtyř až šesti kapalinových proudů do průtokové komory 208. Obecně segmentace proudu kapaliny od vstupní oblasti 212 do četných kapalinových proudů zvyšuje alespoň jedno z rychlosti průtoku nebo tlaku kapaliny cestující směrem k průtokové komoře 208. V některých provedeních je kombinovaná plocha průřezu proudu přepážek 216 od asi 0,13 cm² do asi 0,26 cm² (0,02 až asi 0,04 čtverečních palců), například asi 0,18 cnů (0,03 čtverečních palců). V jednom příkladu mohou přepážky 216 zahrnovat 4 drážky 215 s kombinovanou plochou příčného průřezu asi 0,18 cm² (0,029 čtverečních palců).

[0036] Obr. 3a a 3b znázorňují izometrické, respektive přední pohledy osově nesymetrické trysky 110 namontované do špičky 104 plazmového obloukového hořáku z obr. 1. Jak je znázorněno, špička 104 plazmového obloukového hořáku obsahuje odsazení 302 s vratným výstupem 304 kapaliny pro vedení chladicí kapaliny pryč od trysky 110 poté, co chladivo cirkuluje kolem trysky 110. Odsazení 302 také obsahuje vstup 303 kapaliny pro přivádění chladicí kapaliny z tělesa 102 hořáku k trysce 110. Vratný výstup 304 kapaliny a vstuo 303 kapaliny mohou být umístěny vzájemně radiálně

-15přesazené. Jak je například znázorněno na obr. 3a, zatímco vstup 303 kapaliny je radiálně orientován k uvedení chladivá k trysce 110 v radiálním směru vzhledem k podélné ose A, výstup 304 kapaliny je axiálně orientován k vedení chladivá pryč od trysky 110 v axiálním směru vzhledem k podélné ose A. Radiální segment 230, na kterém jsou umístěny přepážky 216, může být orientován po 180 stupňů od výstupu 304 poté, co je tryska 110 zajištěna ke špičce 104 hořáku. Jiné orientace jsou však možné, pokud není vratný výstup 304 blokován. Obecně je poloměr 306 prstencové příruby 214, která může být nej širší částí trysky 110 v radiální rovině, menší než vnější poloměr 308 odsazení 302, takže prstencová příruba 214 nepřekrývá výstup 304 v jakékoliv orientaci, když je namontována na špičku 104 plazmového obloukového hořáku. Tryska 110 může být připojena ke špičce 104 plazmového obloukového hořáku pomocí lisovaného uložení (nebo závitování, nebo jiným vhodným způsobem), takže připojovací část 232 trysky 110 je vložena do odsazení 302 špičky 104 hořáku, až se proximální povrch 310 odsazení 302 fyzicky dotkne dorazu 234 trysky 110, aby se zabránilo dalšímu podélnému posunu špičky 104 plazmového obloukového hořáku vzhledem k trysce 110. Protože ani připojovací část 232 trysky 110 ani odsazení 302 špičky 104 hořáku nemají opracované dosedací prvky (např. lícovací drážky a/nebo výstupky), které vyžadují, aby mela tryska 110 specifický návrh a/nebo specifickou orientaci vzhledem k výstupu 304, když je připojena ke špičce 104 hořáku, nemusí být tryska 110 klínově připojena k hořáku.

[0037]

V některých provedeních obsahuje prstencová příruba 214 trysky 110 výstupní průchod (není znázorněno), například drážku nebo otvor pro usnadnění zpětného proudění kapalného chladivá pryč od trysky 110 a do výstupu 304.

-16Výstupni průchod může být například relativně zarovnán s výstupem 304, když je tryska 110 připojena ke špičce 104 hořáku a/nebo může být umístěn po 180ti stupních od přepážek 216. Chladicí výkon není významně degradován, ani když není výstupní průchod umístěn s přesahem přesně 180 stupňů od přepážek 216. Tento vynález obsahuje techniky pro přiblížení se tomuto zarovnání (popsané níže).

[0038] Obr. 4a a 4b znázorňují příkladný profil proudění chladivá přes trysku z obr. 1 z různých perspektiv. Chladivo použitelné v předloženém vynálezu může být voda, jiná kapalina nebo plyn. Jak je znázorněno, chladivo vstupuje do vstupní oblasti 212 trysky 110 ze špičky 104 plazmového obloukového hořáku, jako relativně podélný proud 402. Vstupní oblast 212 poskytuje obvodový průtokový kanál kolem trysky 110, který umožňuje chladivu cirkulovat kolem trysky v kruhovém profilu 404 proudění. Protože je prstencová příruba 214 částí vstupní oblasti 212 a odděluje proud 404 chladivá ve vstupní oblasti 212 od průtokové komory 208, prstencová příruba 214 tedy slouží ke směřování proudu 404 chladivá kolem trysky 110. Kromě toho přepážky 216 umístěné na prstencové přírubě 214 mohou škrtit kruhový proud 404 chladivá ve vstupní oblasti 212 do průtokové komory 208 jako dva nebo více kapalinových proudů 406. Kapalinové proudy 406 mají obecně vyšší rychlost a/nebo vyšší tlak než proud 404 chladivá ve vstupní oblasti 212 z důvodu segmentace prostřednictvím přepážek 216. Tyto kapalinové proudy 4_06 mohou cestovat směrem k průtokové oblasti 210 v podélném směru podél jedné strany průtokové komory 208. Po dosažení průtokové oblasti 210 se kapalinové proudy 406 víří kolem trysky 110 jako kruhový profil 408 proudění k chlazení vysokoteplotní části trysky 110 (např. špičky 109 trysky), zabraňují tání o-kroužku v drážce 224 a také minimalizují

-17recirkulaci. Kruhové proudění 408 může udržovat vysokou rychlost a/nebo vysoký tlak vytvořený prostřednictvím segmentace od přepážek 216. Segmentace prostřednictvím přepážek 216 také poskytuje dostatečnou hybnost pro pohon kruhového proudění 408 z průtokové oblasti 210 k návratu na druhou stranu trysky 110 v podstatě naproti (např. asi 180 stupňů) vstupnímu proudu obdrženému prostřednictvím kapalinových proudů 406. Vratný proud 410 může vystupovat z trysky 110 k plazmovému obloukovému hořáku 100 pomocí výstupu 304 špičky 10_4 plazmového obloukového hořáku. V některých provedeních prstencová příruba 214 obsahuje výstupní průchod/ kanál (není znázorněno) k vedení vratného proudu 410 pryč od trysky 110 a směrem k výstupu 304.

[0039] Protože je vratný proud £10 asi 180 stupňů od kapalinových proudů 406, výstup 304 může být umístěn asi 180 stupňů od přepážek 216, ačkoli jsou jiná umístění možná, jak je vysvětleno výše. V některých provedeních je opatřen nástroj k pomoci operátorovi zarovnat trysku 110 vzhledem ke špičce £04 plazmového obloukového hořáku během montáže součásti tak, že jsou přepážky 215 umístěny vzhledem k výstupu 304 v požadovaném úhlu. Obr. 5 znázorňuje příkladnou vodicí šablonu pro zarovnání trysky 110 se špičkou 104 plazmového obloukového hořáku z obr. 1 během montáže. Vodicí šablona 500 má vyříznutou část 501, která má přibližně stejnou velikost jako radiální průřez trysky 110 (např. v prstencové přírubě 214), čímž umožní trysce 110 dosednout částečně přes vyříznutou část 501 (např. v přírubě 214) . Vyříznutá část 501 má několik zářezů 502, které jsou dimenzovány k doplnění a zapadnutí do drážek 215 vytvořených prostřednictvím přepážek 216. Počet zářezů 502 na šabloně 500 je proto roven počtu drážek 215 na trysce 110. Zářezy 502 se mohou rozprostírat přes radiální segment 506 kolem

-18vyříznuté části 501. Vodicí šablona 500 navíc obsahuje jedno nebo více značení 504, například dvě místa pro usnadnění zarovnání trysky 110 vzhledem k výstupu 304 na tělese 104 hořáku. Místa 504 mohou být například vložena do výstupu 304 k zapadnutí šablony 500 k výstupu 304. Místa 504 jsou umístěna v požadovaném úhlu vzhledem k radiálnímu segmentu 506, kde jsou umístěny zářezy 502. Místa 504 mohou být například asi 180 stupňů od radiálního segmentu 506, čímž se mu umožní zarovnat drážky 215 v podstatě naproti výstupu 304. Osobě s běžnými znalostmi dosavadního stavu techniky bude zřejmé, že jiné zarovnání úhlů jsou možná a snadno dosažitelná prostřednictvím modifikace vodící šablony 500.

[0040] Obr. 6a a 6b znázorňují různé pohledy na trysku 110 namontovanou do špičky 104 plazmového obloukového hořáku z obr. 1 pomocí vodicí šablony 500 z obr. 5. V průběhu montáže může operátor nejprve posunout šablonu 500 přes trysku 110 od špičky 109 trysky, zatímco zajišťuje, že jsou drážky 215 trysky 110 zarovnány se zářezy 502 šablony 500. Posouvání se zastaví, když šablona 500 těsně pasuje kolem trysky 110 v prstencové přírubě 214 a nelze pokračovat dále podélně podél trysky 110 nebo radiálně otáčet kolem trysky 110, vzhledem k zapadnutí drážek 215 se zářezy 502. Poté může operátor vložit připojovací část 232 trysky 110 do části 302 odsazení špičky 104 plazmového obloukového hořáku. Během vkládání může operátor umístit trysku 110 v takové orientaci vzhledem ke špičce 104 hořáku, že místa 504 na šabloně 500, která jsou připojena k trysce 110, jsou zarovnána s a přijata prostřednictvím výstupu 304 tělesa 104 hořáku. Toto zajišťuje, že jsou zářezy 502 šablony 5 0 0, která zapadá do drážek 215 trysky 110, orientovány vzhledem k výstupu 304 pod úhlem specifikovaným prostřednictvím šablony 500, například pod asi 180 stupni, jak je znázorněno

-19na obr. 6a a 6b.

[0041] Navíc k. nebo namísto vodící šablony 500 mohou být použity vizuální pomůcky pro podporu operátora při zarovnání trysky 110 vzhledem ke špičce 104 plazmového obloukového hořáku během montáže hořáku. Obr. Ί znázorňuje trysku 110 z obr. 1 s příkladnými laserovými značeními 700 k vizuální pomoci operátorovi při montáži trysky 110 na špičku 4^04 plazmového obloukového hořáku. Jak je znázorněno, tryska 1.10 má laserová značení 700 vyleptaná na vnějším povrchu jejího tělesa k indikování, kde musí být umístěn výstup .304 špičky 104 plazmového obloukového vzhledem k trysce 110. Značení 7 00 mohou být v požadovaném úhlu ve vztahu k přepážkám 216 (např. asi 180 stupňů naproti přepážkám 216) tak, že operátor může vizuálně zarovnat výstup 304 se značeními 700 během montáže k zajištěni, že výstup 304 je také orientován v požadovaném úhlu vzhledem k přepážkám 216. Značení 7_0_0 mohou být šipka, zastíněná plocha v podstatě podobná velikostí a/nebo tvarem k výstupu 304, nebo jakékoli jiné indikace k označení, kde musí být výstup 304 umístěn. V některých provedeních, číslo(a) části(i) spojené s tryskou 110 a/nebo korespondujícím tělesem hořáku je také vyznačeno laserem na trysce 110.

[0042] Tryska 1'10 předloženého vynálezu poskytuje silný chladicí výkon (např. limity táni a/nebo vysokoteplotní oxidace trysky 110 a zabraňuje selhání a/nebo roztavení okroužku trysky umístěného v drážce 224) , delší životnost trysky a optimalizovanou kvalitu řezu při dosažení jednoduššího a levnějšího návrhu. Úspory nákladů mohou být přičteny k menší potřebě obrábění pro výrobu trysky 110 v důsledku kratších přepážek 216 a v důsledku drážek 215 a obecně méně složitým prvkům ve srovnání s návrhy trysky

-20podle dosavadního stavu techniky. Úspory nákladů mohou být také přičteny k redukci dodavatelského řetězce, částí a nákladu na vývoj kvůli eliminaci požadavků na klínové spojení. Konkrétně tryska 110 nemá fyzikální prvky, které vyžadují dosedání s komplementárními fyzikálními prvky v tělese hořáku k připojení součástí dohromady. Nejvýše jedna vodicí šablona 500 je použita k orientaci vstupních přepážek 216 trysky 110 vzhledem k výstupu 304 na tělese 104 hořáku. Vodicí šablona 500 však není nutná, protože operátorem mohou být použity vizuální zarovnávací prvky (např. laserová značení 700) k dosažení stejného zarovnání.

[0043]

Obr. 8 znázorňuje příkladné výsledky kvality po životnost generované pomocí hořáku s tryskou z obr. 1. Výsledky 802 jsou konkrétně generovány z analýzy řezaných hran na obrobcích vyrobených prostřednictvím kapalinou chlazeného hořáku (např. hořák 100 z obr. 1) s tryskou 110 provozovanou při proudu 280 ampérů. Výsledky 802 jsou generovány jako průměr z 5ti testů, kde každý test zahrnuje určitý počet děrování a 20ti sekundových řezů (osa y) . Výsledky 802 jsou v kontrastu s výsledky 804 pořízených ostatními tryskami za v podstatě podobných provozních podmínek. Výsledky 804 jsou generovány jako průměr 3 testů, kde každý test zahrnuje určitý počet děrování a 20ti sekundových řezů (osa y) . Analýza zkoumala měření kvality řezu s ohledem k jednomu nebo více jakostních ukazatelů, včetně úhlu a/nebo zúžení řezů, jakož i jakýchkoliv významných vad nebo nepravidelností v řezech. Měření obdržená ve vztahu ke každému ukazateli jakosti je hodnocena na stupnici od 1 do 6, přičemž 1 je nejvyšší kvalita a 6 je nejnižší kvalita této stupnice. Měřený úhel řezu na obrobku může být například přeložen k lineární odchylce a mapován ke stupnici od 1 do 6, přičemž 1 značí nejnižší odchylku a 6

-21 značí nejvyšší odchylku. Jak je znázorněno, výsledky 802 generované prostřednictvím hořáku s tryskou 110 podle předloženého vynálezu mají větší procento řezů s dobrým kvalitativním hodnocením 3 nebo nižším, než výsledky 804 generované prostřednictvím ostatních trysek.

[0044] V dalším aspektu tohoto vynálezu poskytuje způsob pro chlazení plazmového obloukového hořáku 100 prostřednictvím směřování proudu kapaliny ze špičky 104 hořáku k osově nesymetrické trysce 110. Proud kapaliny může být přiváděn ze špičky 104 plazmového obloukového hořáku ke vstupní oblasti 212 na distální části 202 trysky 110. Proud kapaliny je přizpůsoben k cirkulaci kolem trysky 110 na distální části 202 podél obvodové trasy definované prostřednictvím vstupní oblasti 212. Alespoň část proudu kapaliny ve vstupní oblasti 212 může být dále segmentována do četných kapalinových proudů prostřednictvím vstupních přepážek 216 na distální části 202. Protože jsou vstupní přepážky 216 umístěny osově nesymetricky kolem distální části 202 (např. na radiálním segmentu 230, který zabírá jednu stranu trysky 110 od asi 30 stupňů do asi 180 stupňů), kapalinové proudy jsou přizpůsobeny k proudění na jedné straně trysky 110 od vstupních přepážek 216 k průtokové oblasti 210 umístěné na vnějším povrchu proximální části 206 prostřednictvím průtokové komory 208 umístěné na vnějším povrchu střední části 204. Průtoková komora 208 a průtoková oblast 210 se mohou rozprostírat přibližně 360 stupňů kolem trysky 110. Po dosažení průtokové oblasti 210 mohou kapalinové proudy cirkulovat po obvodu kolem trysky 110 pro chlazení špičky IQ9 trysky 110. Segmentace proudu kapaliny prostřednictvím přepážek 216 může zvýšit alespoň jedno z rychlosti průtoku nebo tlaku kapalinových proudů ve srovnání k proudu kapaliny vstupní oblasti 212. Proud kapaliny v

-22průtokové oblasti 210 může být veden pryč od trysky 110 na straně, která je v podstatě naproti straně, na které jsou uvedeny kapalinové proudy k průtokové oblasti 210. Výstupní proud kapaliny může například protékat z průtokové oblasti 210 přes průtokovou komoru 208 k dosažení výstupu 304 na špičce 104 plazmového obloukového hořáku připojené k trysce 110. Výstup 204 může být umístěn naproti radiálnímu segmentu 230 zabraného prostřednictvím vstupních přepážek 216. V některých provedeních, [0045] Mělo by být zřejmé, že různé aspekty a provedení tohoto vynálezu mohou být kombinovány různými způsoby. Na základě učení této specifikace, osoba běžně znalá dosavadního stavu techniky může snadno určit, jak kombinovat tato různá provedení. Modifikace mohou také nastat u těch, kteří jsou znalí dosavadního stavu techniky, po přečtení této specifikace.

Zastupuje:

Dr. Pavel Zelený v.r.

-23r » «JUDr. Pavel Zelený advokát

120 00 Praha 2, Hálkova2

Claims (28)

1. Osově nesymetrická tryska pro kapalinou chlazený plazmový obloukový hořák, zahrnující:

proximálnl část obsahující vnitřní povrch definující výstupní otvor trysky a vnější povrch definující průtokovou oblast;

střední část obsahující vnější povrch definující alespoň část průtokové komory v kapalinovém spojení s průtokovou oblastí; a distální část nakonfigurovanou pro spojeni se špičkou plazmového obloukového hořáku, přičemž distální část obsahuje:

prstencovou přírubu umístěnou kolem trysky; a množství průtokových přepážek zkonstruovaných na prstencové přírubě a umístěných osově nesymetricky kolem distální části, množství průtokových přepážek nakonfigurovaných k (i) segmentování proudu kapaliny do množství kapalinových proudů a (ii) škrcení kapalinové proudy přes průtokovou komoru směrem k průtokové oblasti.

2. Osově nesymetrická tryska podle nároku 1, dále zahrnující vstupní oblast v distální části nakonfigurovanou k uvedení proudu kapaliny k průtokovým přepážkám.

3. Osově nesymetrická tryska podle nároku 2, kde je množství průtokových přepážek nakonfigurováno ke zvýšeni alespoň jednoho z rychlosti průtoku nebo tlaku kapalinových proudů ve srovnáni s proudem kapaliny ve vstupní oblastí.

4. Osově nesymetrická tryska podle nároku 1, kde se průtoková komora rozprostírá podélně přes alespoň asi 20 % délky trysky.

5. Osově nesymetrická tryska podle nároku 1, kde jsou průtoková komora a průtoková oblast umístěny obvodově kolem trysky na vnějším povrchu.

6. Osově nesymetrická tryska podle nároku 1, kde je množství průtokových přepážek umístěno na jedné straně trysky.

7. Osově nesymetrická tryska podle nároku 1, kde množství průtokových přepážek zabírá 30ti stupňů až 180ti stupňový radiální segment distální části.

8. Osově nesymetrická tryska podle nároku 7, kde je radiální segment orientovaný asi 180 stupňů od výstupu špičky plazmového obloukového hořáku nakonfigurován k vedení proudu kapaliny pryč od trysky.

9. Osově nesymetrická tryska podle nároku 8, kde je tryska nakonfigurována ke směřování proudu kapaliny skrz množství průtokových přepážek směrem k průtokové oblasti přes průtokovou komoru a vypuštění z výstupu.

10. Osově nesymetrická tryska podle nároku 8, dále zahrnující alespoň jedno laserové značení na vnějším povrchu pro orientaci trysky vzhledem k výstupu při připojování trysky ke špičce plazmového obloukového hořáku.

11. Osově nesymetrická tryska podle nároku 8, kde prstencová příruba dále zahrnuje výstupní průchod pro vedení proudu kapaliny z průtokové komory k výstupu.

12. Osově nesymetrická tryska podle nároku 1, kde je kombinovaná plocha průřezu proudu průtokových přepážek asi 0,13 cm² až 0,26 cm² (0,02 až asi 0,04 čtverečních palců).

13. Osově nesymetrická tryska podle nároku 1, kde množství průtokových přepážek segmentuje proud kapaliny do alespoň čtyř kapalinových proudů.

14. Tryska pro plazmový obloukový hořák, přičemž tryska má podlouhlé těleso definující podélnou osu a zahrnující:

proximální část definující průtokovou oblast na vnějším povrchu podélného tělesa a výstupního otvoru trysky;

střední část definující alespoň část průtokové komory na vnějším povrchu podélného tělesa, přičemž průtoková komora je v kapalinovém spojení s průtokovou oblastí; a distální část nakonfigurovanou pro spojení se špičkou plazmového obloukového hořáku, přičemž distální část obsahuje:

vstupní oblast na vnějším povrchu podélného tělesa v kapalinovém spojení s průtokovou komorou; a

-26množství vstupních přepážek rozprostírajících se podél podélné osy na vnějším povrchu a umístěných osově nesymetricky kolem distální části, kde je množství vstupních přepážek nakonfigurováno k segmentování proudu kapaliny ze vstupní oblasti do průtokové oblasti přes průtokovou komoru.

15. Tryska podle nároku 14, kde je délka každé vstupní přepážky asi 1/6 až asi 1/3 délky trysky podél podélné osy.

16.

Tryska podle nároku 14, kde je alespoň jedna ze vstupní oblasti, průtokové komory nebo průtokové oblasti osově symetrická kolem trysky.

17.

Tryska podle nároku 14, kde množství vstupních přepážek tvoří alespoň jednu drážku, kanál nebo otvor ke směřování proudu kapaliny skrz ně.

18. Tryska podle nároku 14, kde je množství vstupních přepážek nakonfigurováno k segmentování proudu kapaliny ze vstupní oblasti do množství kapalinových proudů a k dávkování kapalinových proudů do průtokové komory.

19. Tryska podle nároku 18, kde množství kapalinových proudů zahrnuje čtyři až šest kapalinových proudů.

20. Tryska podle nároku 14, kde je průtoková oblast umístěna mezi průtokovou komorou a špičkou trysky.

21. Tryska podle nároku 14, kde je množství vstupních přepážek orientováno asi 180 stupňů od výstupu špičky plazmového obloukového hořáku, přičemž výstup je nakonfigurován k vedení proudu kapaliny pryč od trysky.

22. Tryska podle nároku 21, kde je tryska nakonfigurována ke směřování proudu kapaliny od vstupní oblasti přes množství vstupních přepážek, jako množství kapalinových proudů, směrem k průtokové oblasti přes průtokovou komoru, a vypuštění z výstupu.

23. Tryska podle nároku 14, dále obsahující alespoň jedno laserové značení pro orientaci trysky vzhledem ke špičce plazmového obloukového hořáku.

24. Způsob pro směřování proudu kapaliny přes osově nesymetrickou trysku pro chlazení plazmového obloukového hořáku, přičemž způsob zahrnuje:

přivádění proudu kapaliny z plazmového obloukového hořáku ke vstupní oblasti distální části trysky, přičemž vstupní oblast je umístěna na vnějším povrchu trysky;

segmentaci proudu kapaliny ze vstupní oblasti do množství kapalinových proudů prostřednictvím množství vstupních přepážek v distální části trysky, kde je množství vstupních přepážek umístěno osově nesymetricky kolem distální části;

proudění množství kapalinových proudů na jedné straně trysky od vstupních přepážek k průtokové oblasti přes průtokovou komoru, kde je (i) alespoň část průtokové komory definována

-28prostředníctvím vnějšího povrchu střední části trysky a (ii) průtoková oblast je definována prostřednictvím vnějšího povrchu proximální části trysky; a cirkulování kapalinových proudů prostřednictvím průtokové oblasti obvodově kolem trysky k chlazení špičky trysky.

25. Způsob podle nároku 24, dále zahrnující zvýšení alespoň jednoho z rychlosti průtoku nebo tlaku kapalinových proudů prostřednictvím množství vstupních přepážek v porovnání k proudu kapaliny ve vstupní oblasti.

26. Způsob podle nároku 24, dále zahrnující vedení proudu kapaliny pryč z trysky prostřednictvím výstupu na špičce plazmového obloukového hořáku připojené k trysce, přičemž výstup je umístěn naproti radiálnímu segmentu příruby zabraného množstvím vstupních přepážek.

27. Způsob podle nároku 26, dále zahrnující orientaci alespoň jednoho laserového značení trysky vzhledem k výstupu při připojování trysky ke špičce plazmového obloukového hořáku, přičemž laserové značení indikuje orientaci trysky vzhledem k plazmovému obloukovému hořáku.

28. Způsob podle nároku 24, kde se průtoková komora a průtoková oblast rozprostírají přibližně 360 stupňů kolem trysky.