DE10008255A1 - Plasmabrenner - Google Patents

Abstract

Ein Wasserdampfplasmabrenner wird mit einer Dampfaustrittsöffnung versehen. Durch die so entstehende Dampfdruckreduktion und der Reduktion von Plasmamedium wird es nun gestattet, diverse thermische Bearbeitungsverfahren durchzuführen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Plasmabrenner mit einem Verdampfer zur Er­ zeugung von Wasserdampf und einer Ionisationskammer.

Bei bekannten Plasmabrennern wird ein eingeschnürter Lichtbogen als Energieträger genutzt. Über eine Stromquelle wird ein Lichtbogen zwischen einer negativ gepolten Elektrode und einer positiv gepolten Anode an der Brennerspitze gezündet. Das in einem Tank vorhandene Wasser wird zu Dampf erhitzt und über Kanäle in die Ionisationskammer geleitet, wo es als plasmabildendes Medium ein Plasma erzeugt. Dieser Plasma- Strahl tritt stromlos aus der Düse aus und erzeugt keine Lichtbogenübertragung von der Düse zu dem zu bearbeitenden Werkstück. Aufgrund dieser Tatsache sind auch thermische Bearbeitungen von nicht leitenden Werkstoffen möglich. Der im Wasserdampf enthaltene Wasserstoff stellt mit seiner hohen Wärmeleitfähigkeit ein besonders leistungsfähiges Plasmagas dar. Beim Auftreffen eines Plasmastrahls, wie er zum Beispiel zum Schneiden von Blechen Anwendung finden kann, wird das Werkstück in sehr begrenzten Zonen aufgeschmolzen und das im Arbeitsbereich des Strahls liegende Werkstückmaterial verflüssigt. Durch die hohe Energiedichte und die durch die Einschnürung des Strahls innerhalb der Austrittsdüse erzeugte Geschwindigkeitsänderung wird der verflüssigte Werkstoff ausgeblasen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige Plasmabrenner weiter­ zuentwickeln.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zwischen dem Verdampfer und der Ionisationskammer des Wasserdampfplasmabrenners mindestens eine Dampfaustrittsöffnung angeordnet ist. Durch diese Austrittsöffnung kann ein Teil des energiereichen Dampfdrucks entweichen, und das an der Austrittsdüse vorhandene Energieniveau ist reduziert. So kann beispielsweise vom Startzeitpunkt der Bearbeitung bis zur Erreichung der Betriebstemperatur des Brenners das erhitzte Wasser als Wasserdampf aus der erfindungsgemäßen Austrittsöffnung entweichen, wodurch beispielsweise unerwünschte Druckspitzen reduziert werden können.

Vorteilhaft ist es, wenn die Dampfaustrittsöffnung ins Freie führt, wodurch für eine schnelle Entspannung des Wasserdampfdrucks gesorgt ist. Hier­ durch kann ein gleichmäßiges Energieniveau mit entsprechend reduziertem Blasdruck an der Plasmabrennerspitze erzeugt werden. Es können nun auch beispielsweise thermische Bearbeitungsverfahren Anwendung finden, die nicht nur zum Trennen von Material mit hohem Schmelzpunkt genutzt werden, sondern auch Verfahren, wie zum Beispiel das Hart- oder Weich­ löten, die in ihrem Energiehaushalt an der Bearbeitungsstelle auf einem wesentlich niedrigeren Niveau betrieben werden als beispielsweise das "Trenn-Schneide"-Verfahren.

Weiterhin besteht durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung nun die Möglichkeit, auch Werkstücke miteinander zu verbinden, ohne die Werkstückmaterialien miteinander zu verschmelzen.

Eine Ausführungsform sieht vor, daß die Dampfaustrittsöffnung eine oder mehrere Bohrungen aufweist. Durch diese Ausführung ist eine preislich attraktive Bearbeitungsmethode gegeben, die ohne großen Zusatzaufwand durchgeführt werden kann.

Vorteilhaft ist es, wenn die Bohrungen einen Durchmesser von 0,3 mm bis 1,3 mm aufweisen und vorzugsweise in einem Durchmesserbereich von 0,6 bis 1,0 mm liegen.

Um zu erreichen, daß der Wasserdampfplasmabrenner auch als herkömm­ licher Plasmabrenner einsetzbar ist, und beispielsweise Stahl im "Trenn- Schneide"-Verfahren bearbeitet werden kann, kann die Dampfaustrittsöffnung verschließbar ausgebildet sein.

Es wird vorgeschlagen, daß die Durchgangsfläche der Dampfaustritts­ öffnung des Wasserdampfplasmabrenners variabel ist. Hiermit ergibt sich eine Anpassungsmöglichkeit an diverse, notwendige Energiezustände des Plasmastrahls und damit ist der Einsatz in weiten Bereichen der thermischen Bearbeitung ermöglicht. Die genannte Variabilität kann beispielsweise durch einzelne Bohrungen, die jeweils einen gewünschten Durchmesser aufweisen, erzeugt werden, oder auch über eine einzige Öffnung, in welche ein Adapterstück mit einer gewünschten, frei durchströmbaren Querschnittsfläche eingesetzt werden kann.

Vorteilhaft ist es, wenn die Dampfaustrittsöffnung in der Betriebsstellung des Plasmabrenners nach unten weist, wodurch eine Sichtbeeinträchtigung auf die zu bearbeitende Stelle durch den austretenden Dampf vermieden wird und der Dampfstrahl weg von Hard und Auge verläuft.

Es wird vorgeschlagen, daß die Dampfaustrittsöffnung unmittelbar vor Ein­ tritt des Dampfes in die Ionisationskammer angeordnet ist. Es kann hier­ durch ein genau zu bestimmender Energiezustand des Wasserdampfes er­ reicht werden, der entsprechend des gewählten Bearbeitungsverfahrens notwendig ist.

Eine spezielle vorteilhafte Lösung des Wasserdampfplasmabrenners sieht vor, daß der Verdampfer eine Struktur mit mindestens eine sich radial erstreckende Rippe aufweist und die radiale Erstreckung der Rippe etwa mit der Dampfaustrittsöffnung fluchtet.

Um zu erreichen, daß der austretende Dampfstrahl keinerlei Sichtbehin­ derung oder auch Unfallgefährdung durch Kontakt des Bedieners mit dem heißen Wasserdampf ergibt, kann die Dampfaustrittsöffnung ein Leitrohr aufweisen, welches den austretenden Wasserdampf in einen Bereich leitet, der außerhalb des Sichtfeldes liegt, bzw. so daß der Dampfstrahl über das Leitrohr von dem Bediener des Plasmastrahlers weggerichtet wird.

Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften werden anhand folgender Be­ schreibung anliegender Zeichnung dargestellt.

Es zeigt die Figur eine schematische Teilschnittansicht eines erfindungsgemäßen Plasmabrenners.

Der in der Figur schematisch dargestellte Plasmabrenner 1 besteht im wesentlichen aus einem Verdampfer 2, einer Ionisationskammer 3, einem Gehäuse 4, einer Dampfaustrittsöffnung 5, einer Elektrode 7 mit Elektro­ denhalter 8, einer Anode 10 als Brennerspitze und einem Tank 11.

Über eine hier nicht dargestellte Stromquelle wird ein Lichtbogen zwischen einer im Elektrodenhalter 8 gehaltenen Elektrode 7 und einer als Brenner­ spitze ausgebildeten Anode 10 gezündet.

Das in einem Tank 11 befindliche Wasser wird durch einen Verdampfer 2 erhitzt und in den dampfförmigen Zustand überführt. Ein Teil des Wasser­ dampfes wird durch eine zwischen dem Verdampfer 2 und einer Ionisa­ tionskammer 3 angeordneten Dampfaustrittsöffnung 5 an die Umgebung ab­ gegeben. Ein weiterer Teil des Wasserdampfes gelangt nun in die Ionisa­ tionskammer 3 und stellt mit dem im Wasserdampf enthaltenen Wasserstoff ein plasmabildendes Medium dar und erzeugt an der Anode 11, die als Brennerspitze ausgebildet ist, den Plasmastrahl.

Da, wie bereits erwähnt, ein Teil des energiereichen Dampfdrucks durch die erfindungsgemäße Dampfaustrittsöffnung 5 an die Umgebung abgegeben worden ist, ist das in der Ionisationskammer 3 vorhandene Energieniveau reduziert. So können beispielsweise die während des Startvorgangs und dem Erreichen der Brennerbetriebstemperatur auftretenden Druckspitzen reduziert werden oder der bei bestimmten thermischen Bearbeitungsverfahren nachteilige Drucküberschuß abgebaut werden.

Wie in der Figur zu erkennen ist, ist die Dampfaustrittsöffnung 5 so angeordnet, daß sie direkt in die freie Umgebung führt. Hierdurch wird für einen schnelles Entspannen des Wasserdampfes gesorgt und es können ein gleichmäßiges Energieniveau in der Ionisationskammer 3 und ein entsprechend reduzierter Blasdruck an der Brennerspitze 10 erzeugt werden. Durch die zuvor beschriebene Blasdruckreduzierung können nun auch thermische Bearbeitungsverfahren, wie das Hart- oder Weichlöten, Anwendung finden.

Die in der Figur dargestellte Dampfaustrittsöffnung 5 ist als radiale Bohrung durch das Gehäuse 4 mit einem Durchmesser von 0,8 mm ausgeführt. Mit dieser preislich attraktiven Bearbeitungsmethode kann die Herstellung der erfindungsgemäßen Dampfaustrittsöffnung 5 ohne großen zusätzlichen Aufwand realisiert werden.

Die dargestellte Dampfaustrittsöffnung 5 kann verschließbar ausgeführt sein und über hier nicht dargestellte Mittel zur Reduzierung der Querschnittsfläche 6 verfügen, wodurch mit einem Gerät ein breites Spektrum von thermischen Bearbeitungsverfahren durchgeführt werden kann, wie beispielsweise "Trenn-Schneiden" von Stahl, Hart- oder Weichlötarbeiten ohne weitere zusätzliche Regelungsmaßnahmen.

Claims (10)

1. Plasmabrenner (1) mit einem Verdampfer (2) zur Erzeugung von Wasserdampf und einer Ionisationskammer (3), dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen dem Verdampfer (2) und der Ionisations­ kammer (3) mindestens eine Dampfaustrittsöffnung (5) angeordnet ist.

2. Plasmabrenner (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfaustrittsöffnung (5) ins Freie führt.

3. Plasmabrenner (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfaustrittsöffnung (5) eine Bohrung aufweist.

4. Plasmabrenner (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (5) einen Durchmesser von 0,3 mm bis 1,3 mm, vor­ zugsweise von 0,6 mm bis 1,0 mm, aufweist.

5. Plasmabrenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Dampfaustrittsöffnung (5) verschließ­ bar ist.

6. Plasmabrenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Durchgangsfläche (6) der Dampfaus­ trittsöffnung (5) variabel ist.

7. Plasmabrenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Dampfaustrittsöffnung (5) in der Betriebsstellung des Plasmabrenners (1) nach unten weist.

8. Plasmabrenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Dampfaustrittsöffnung (5) unmittel­ bar vor Eintritt des Dampfs in die Ionisationskammer (3) ange­ ordnet ist.

9. Plasmabrenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (2) eine Struktur mit mindestens einer sich radial erstreckenden Rippe (9) aufweist und die radiale Erstreckung der Rippe (9) etwa mit der Dampfaustritts­ öffnung (5) fluchtet.

10. Plasmabrenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, das die Dampfaustrittsöffnung (5) ein Leit­ rohr aufweist.