-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Plasmaschneidvorrichtung, einen Plasmabrenner und eine Kühlvorrichtung für einen Plasmabrenner und insbesondere bezieht sie sich auf eine Verbesserung in der Technik zur Kühlung eines Plasmabrenners.
-
Die Elektrode und die Düse eines Plasmabrenners sind direkt einem Hochtemperatur-Plasmabogen ausgesetzt. Um die Abnutzung der Elektrode und der Düse aufgrund dieser hohen Temperatur zu verhindern, wird normalerweise Kühlwasser durch das Innere der Elektrode und um das Äußere der Düse herum strömen gelassen, so dass die Elektrode und die Düse gekühlt werden (Japanische Patentveröffentlichung
JP 2640707 B2 ). Im Allgemeinen wird dieses Kühlwasser unter Druck zu dem Brenner durch eine Pumpe von einem Wassertank einer Kühleinheit gefördert, die außerhalb von der Plasmaschneidvorrichtung installiert ist. In dem Brenner tritt das Kühlwasser zuerst durch den Basisendabschnitt des Brenners hindurch und tritt in einen Wasserkanal intern in der Elektrode ein und kühlt die Elektrode und danach tritt es in einen Wasserkanal ein, der die äußere Fläche der Düse umgibt, und kühlt die Düse. Danach tritt das Kühlwasser durch den Basisendabschnitt des Brenners hindurch und wird von dem Brenner nach außen ausgestoßen, tritt in einen Wärmetauscher (der ein Radiator oder ein Wärmetauscher vom Kälteaggregat-Typ sein kann) der oben erwähnten Kühleinheit ein, der die Wärme des Wassers aufnimmt, und es kehrt dann zu dem oben beschriebenen Wassertank zum zweiten Mal zurück. Auf diese Weise zirkuliert das Kühlwasser um einen Wasserkühlkreislauf mit einer einzigen Schleife, indem es in dieser Reihenfolge von der Kühleinheit an der Elektrode und der Düse in dem Brenner vorbei tritt und dann zu der Kühleinheit zurückkehrt.
-
Um die Lebensdauer der Elektrode zu verbessern, wird es als wirkungsvoll betrachtet, das Wasser mit einer hohen Geschwindigkeit und einem hohen Volumen in der Nachbarschaft eines wärmewiderstandsfähigen Einsatzes (der aus einem hoch-schmelzenden Metall, beispielsweise Hafnium oder Zirkonium, hergestellt ist) in dem Spitzenendabschnitt der Elektrode so nah an dem wärmewiderstandsfähigen Einsatz wie möglich fließen zu lassen. Im allgemeinen wird ein Kühlwasser-Zufuhrrohr, das sich von dem Basisendabschnitt des Brenners weg erstreckt, tief in einen Wasserkanal im Innern der Elektrode eingeführt (eine Blindbohrung, die sich von der Basisendoberfläche der Elektrode zu einer Tiefe in den Elektroden Spitzenendabschnitt erstreckt, der unmittelbar hinter dem hinteren Ende des wärmewiderstandsfähigen Einsatzes liegt), und zwar so weit dort hinein, dass es bis nahezu seinem Boden reicht. Durch Verringern des Spalts der Bodenoberfläche des Wasserkanals und der Spitzenendfläche des Rohres wird die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers, das über diese Bodenoberfläche des Wasserkanals hinweg tritt, erhöht, so dass der Wirkungsgrad der Kühlung des wärmewiderstandsfähigen Einsatzes weiter erhöht wird, und die Lebensdauer der Elektrode wird verlängert. Um dieses Ziel zu erreichen, ist an sich eine Technik bekannt, um die relative Position zwischen der Bodenoberfläche des Wasserkanals intern zu der Elektrode und der Spitzenendoberfläche des Rohres mit guter Genauigkeit zu bestimmen (
US 2005/92718 A1 ).
-
Auch in Zusammenhang mit der Düse wird geglaubt, dass die Haltbarkeit der Düse durch diese Verbesserung des Kühlwirkungsgrads ebenfalls verbessert wird. Um dieses Ziel zu erreichen, ist an sich eine Technik bekannt, die Wasserkühlungsoberfläche der Düse auszudehnen (Japanische Offenlegungspatentveröffentlichung
JP 2005-118816 A ).
-
Gemäß der früheren Technik ist in dem Brenner ein einziger Kanal durch einen Wasserkanal in der Elektrode gebildet, und ein Wasserkanal um die Düse ist vollständig damit in Reihe verbunden. Folglich fließt das gesamte Kühlwasser, das unter Druck von der Pumpe zu dem Brenner gefördert worden ist, in den Wasserkanal in der Elektrode, und fließt danach in den Wasserkanal um die Düse herum. Wie in dem Patentdokument Nummer 2 vorgeschlagen wurde, tritt in der Nachbarschaft des Bodens des Wasserkanals in der Elektrode das Kühlwasser durch einen außerordentlich engen Spalt hindurch. Daher ist der Druckverlust in der Elektrode groß. Andererseits ist der Druckabfall in dem Wasserkanal zur Kühlung der Düse klein im Vergleich zu dem in der Elektrode. Gemäß der Spezifikation von einigen üblichen Brennern ist beispielsweise ein Druck von etwa 0,7 MPa erforderlich, um Wasser mit einer Rate von 10 Liter/Minute zu dem Wasserkanal in der Elektrode zuzuführen; während im Gegensatz dazu ein Druck von etwa 0,1 MPa ausreichend ist, um Wasser mit derselben Rate von 10 Liter/Minute zu dem Wasserkanal für die Düsenkühlung zuzuführen. Um dies in anderer Weise auszudrücken, selbst wenn Kühlwasser mit einer Rate von 30 Liter/Minute nur zu dem Wasserkanal zum Kühlen der Düse strömen gelassen wird, übersteigt der Druckabfall in dem Wasserkanal etwa 0,1 × 3 × 3 = 0,9 MPa nicht, während im Gegensatz dazu, wenn die Wasserströmung in der Elektrode zu 30 Liter/Minute gemacht wird, der Druckabfall in der Elektrode zu einem extrem großen Wert von 6,3 MPa wird, was nicht erwünscht ist.
-
Um Kühlwasser unter Druck an einen Brenner mit einer Spezifikation wie der oben beschriebenen zuzuführen, wird normalerweise eine Pumpe verwendet, deren maximaler Abgabedruck etwa 1 MPa ist (das heißt ungefähr 10 kg/cm2). In diesem Fall, wie oben beschrieben ist, wenn Wasser mit einer Flussrate von etwa 10 Liter/Minute zugeführt wird, ist der Druckabfall in dem Brenner etwa 0,7 + 0,1 = 0,8 MPa, und dies ist nahe bei dem maximalen Abgabedruck der Pumpe. Folglich ist die Obergrenze für die Flussrate, die die Pumpe an die Elektrode und an die Düse liefern kann, etwa 10 Liter/Minute. Die Flussrate des Kühlwassers, die an die Elektrode und die Düse zugeführt wird, wird somit prinzipiell in dieser Weise durch den Druckabfall in der Elektrode vorgeschrieben, da dieser näherungsweise gleich dem gesamten Druckabfall ist. Da jedoch der Einfluss der Abnutzung der Düse aufgrund der Hitze direkt in einer Verschlechterung der Schneidqualität manifestiert wird, gibt es folglich, um diese Abnutzung zu unterdrücken, einen starken Bedarf für die Erhöhung der Kühlwasserflussrate, die an die Düse geliefert wird.
-
Wenn der Abgabedruck der Pumpe erhöht wird, wird sodann die Wasserflussrate erhöht, und die Lebensdauer der Elektrode und der Düse werden ausgedehnt. Wenn der Abgabedruck der Pumpe jedoch um einen Faktor von N erhöht wird, ist die proportionale Erhöhung der Wasserflussrate nicht das N-fache, sondern überschreitet nicht das N1/2-fache. Wenn beispielsweise der maximale Abgabedruck der Pumpe verdoppelt wird, erreicht die Erhöhung der Rate der Wasserflussrate nur das 1,4-fache. Da andererseits der Wasserdruck, der an dem Brenner angelegt wird, verdoppelt ist, ergibt sich das Erfordernis, die Druckfestigkeitswerte der Wasserdichtungsteile der Elektrode und der Düse wenigstens zu verdoppeln, um eine Wasserleckage zu verhindern. Wenn die Wasserdichtungsteile auf diese Weise verstärkt werden, ergibt sich das neue Problem, dass das Demontage schwieriger wird, wenn die Elektrode oder die Düse ausgewechselt wird.
-
Ferner wird eine Spannung zwischen der Elektrode und der Düse angelegt. Folglich fließt ein elektrischer Strom zwischen dem Wasserkanal intern von der Elektrode und zu dem Wasserkanal um den Brenner herum, die innerhalb des Brenners nahe beieinander sind und wechselweise miteinander verbunden sind. Wegen dieses Grundes findet eine elektrische Korrosion der Metallteile im Innern des Brenners statt, und dies begrenzt die Lebensdauer des Brenners insgesamt.
-
Die
DE 25 45 495 C2 beschreibt einen Lichtbogen-Plasmabrenner, der eine im Elektrodenhalter befestigte Elektrode, eine Düse mit einem koaxial zu der Elektrode angeordneten zylindrischen Kanal, einen im Zwischenraum zwischen dem Elektrodenhalter und der Düse angeordneten elektrischen Isolator, Mittel für die Zuführung eines Kühlmittels durch die Kanäle zu dem Elektrodenhalter und zu der Düse, Mittel für die Zuführung eines plasmabildenden Gases, sowie Mittel für die Zuführung des elektrischen Stromes zu der Elektrode und der Düse enthält. Der Plasmabrenner ist aus zwei lösbaren und dicht miteinander verbundenen Teilen ausgeführt ist, von denen im ersten Teil die Elektrode mit dem Elektrodenhalter, der Isolator und die Düse mit den Mitteln für die Zuführung des elektrischen Stromes zu der Düse angeordnet sind. Die Kanäle für das plasmabildende Gas und das Kühlmittel sind an die zu verbindende Oberfläche des ersten Teils hinausgeführt, während in dem zweiten Teil die Mittel für die Zuführung des elektrischen Stromes zu dem Elektrodenhalter und die Mittel für die Zuführung des Kühlmittels und des plasmabildenden Gases angeordnet sind, deren Kanäle ebenfalls an die zu verbindende Oberfläche des zweiten Teils derart hinausgeführt sind, das sie mit den entsprechenden Kanälen des ersten Teils an der zu verbindenden Oberfläche zusammenfallen.
-
Die
DE 10 2005 042 955 A1 einen Plasmaschweiß- und Schneidbrenner mit einem Kühlsystem, wobei insbesondere Wasser das Kühlmittel ist. Das der Plasmaschweiß- und Schneidbrenner ist mit mehreren voneinander unabhängigen Kühlkreisläufen ausgerüstet, wobei die Kühlkreisläufe in voneinander elektrisch getrennten Einheiten angeordnet sind. Die Anordnung kann einen dritten Kühlkreislauf in der Schutzgasdüse haben. Der Kühlwasserstrom in jedem Kühlkreislauf sollte 0,6 l/min. nicht unterschreiten.
-
Die
DE 27 01 254 C2 betrifft eine Anlage zum Plasma-Lichtbogen-Auftragsschweißen mit einem Plasma-Brenner, der an eine Plasmagasquelle, an eine Schutzgasquelle und an eine Auftragspulver-Träger-Gasquelle sowie an eine Wasserkühlvorrichtung angeschlossen ist und eine Steuer- und Speisevorrichtung zur Erzeugung eines übertragenen Lichtbogens zwischen der Brennerelektrode und dem Werkstück und eines nicht übertragenen Lichtbogens zwischen der Brennerelektrode und einer Brennerdüse, die eine einzige Gleichstromquelle aufweist, deren einer Pol an die Brennerelektrode und deren anderer Pol einerseits an das Werkstück und andererseits über einen Widerstand an die genannte Brennerdüse angeschlossen ist. Der Widerstand ist in der Zuführungsleitung des Kühlwassers zum Brenner angeordnet. Die Steuer- und Speisevorrichtung hat eine Sicherheitsvorkehrung für den Zündkreis des Brenners sowie eine Abstellvorrichtung für den Schweißvorgang.
-
Die
US 2005/0082263 A1 betrifft eine Düse für einen Plasmabrenner, wobei die Düse eine Wasserzufuhrleitung für Kühlwasser, eine Wasserableitung für das Kühlwasser, einen ringförmigen Wasserkanal, der um eine Einlassmündung herum angeordnet ist, und eine Vielzahl von Verbindungswasserkanälen aufweist, um die Wasserzufuhrleitung mit dem ringförmigen Wasserkanal und den Wasserableitungskanal mit dem ringförmigen Wasserkanal zu verbinden. Die beiden Kanalsysteme sind seriell miteinander verbunden.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Plasmabrenner und eine Plasmaschneidvorrichtung bereitzustellen, wobei die Lebensdauer des Plasmabrenners verlängert werden soll, indem die thermische Last gleichmäßig in den Plasmabrenner verteilt wird.
-
Dazu weisen der Plasmabrenner und die Plasmaschneidvorrichtung gemäß der Erfindung die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 4 auf. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
-
Bei dem Plasmabrenner der vorliegenden Erfindung erstreckt sich wenigstens ein Abschnitt des Elektroden-Kühlflüssigkeitskanals des Plasmabrenners und wenigstens ein Abschnitt seines Düsen-Kühlflüssigkeitskanals parallel zueinander, mit anderen Worten unabhängig voneinander. Um dies in einer anderen Weise auszudrücken, sind der Elektroden-Kühlflüssigkeitskanal des Plasmabrenners und sein Düsen-Kühlflüssigkeitskanal nicht in Reihe geschaltet, um einen einzigen Kanal vollständig zu bilden. Indem diese beiden Kühlmittelkanäle parallel in dieser Weise, mit anderen Worten unabhängig voneinander, ausgeführt werden, sind wenigstens ein Teil der Strömung der Kühlflüssigkeit, die zu der Elektrode geliefert wird, und wenigstens ein Teil der Strömung der Kühlflüssigkeit, die an die Düse geliefert wird, wechselweise unabhängig voneinander, so dass es möglich ist, Kühlflüssigkeit an die Elektrode und die Düse mit individuell charakteristischen Strömungsraten zu liefern. Aufgrund davon ist es möglich, die Flussrate der Kühlflüssigkeit zu der Düse in einer einfacheren und leichteren Weise als im Stand der Technik zu erhöhen.
-
In einem Ausführungsbeispiel erstrecken sich der gesamte Elektroden-Kühlflüssigkeitskanal und der gesamte Düsen-Kühlflüssigkeitskanal separat und unabhängig voneinander innerhalb des Plasmabrenners. In diesem Fall können der Elektroden-Kühlflüssigkeitskanal und der Düsen-Kühlflüssigkeitskanal innerhalb des Plasmabrenners elektrisch voneinander isoliert werden. Aufgrund davon wird das Problem der elektrischen Korrosion des Plasmabrenners abgeschwächt. Andererseits können in einem Ausführungsbeispiel ein Teil des Elektroden-Kühlflüssigkeitskanals und ein Teil des Düsen-Kühlflüssigkeitskanals miteinander verbunden sein. Selbst in diesem letzteren Fall, da wenigstens ein Abschnitt des Elektroden-Kühlflüssigkeitskanals des Plasmabrenners und wenigstens ein Abschnitt seines Düsen-Kühlflüssigkeitskanals sich parallel zueinander, in anderen Worten unabhängig voneinander, erstrecken, ist es folglich möglich, Kühlflüssigkeit an die Elektrode und die Düse in individuellen, charakteristischen Flussraten zuzuführen.
-
Es wäre akzeptabel, dass der Elektroden-Kühlflüssigkeitskanal und der Düsen-Kühlflüssigkeitskanal separate und unterschiedliche Einlässe haben; oder es wäre akzeptabel, dass sie einen einzigen, gemeinsamen Einlass haben. Ferner wäre es akzeptabel, dass der Elektroden-Kühlflüssigkeitskanal und der Düsen-Kühlflüssigkeitskanal separate und unterschiedliche Auslässe haben; oder es wäre akzeptabel, dass sie einen einzigen gemeinsamen Auslass haben. Wenn der Elektroden-Kühlflüssigkeitskanal und der Düsen-Kühlflüssigkeitskanal separate und unterschiedliche Einlässe haben, wäre es auch akzeptabel, dass diese separaten Einlässe extern zu dem Plasmabrenner miteinander verbunden sind, oder alternativ wäre es akzeptabel, dass sie nicht auf diese Weise miteinander verbunden sind. In einer ähnlichen Weise, wenn der Elektroden-Kühlflüssigkeitskanal und der Düsen-Kühlflüssigkeitskanal separate und unterschiedliche Auslässe haben, wäre es ebenfalls akzeptabel, dass diese separaten Auslässe extern zu dem Plasmabrenner miteinander verbunden sind, oder alternativ wäre auch akzeptabel, dass sie nicht auf diese Weise miteinander verbunden sind.
-
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel haben der Elektroden-Kühlflüssigkeitskanal und der Düsen-Kühlflüssigkeitskanal des Plasmabrenners separate und unterschiedliche Einlässe, und die Kühlflüssigkeits-Zufuhrvorrichtung umfasst einen ersten Kühlflüssigkeitsauslass und einen zweiten Kühlflüssigkeitsauslass, der separat von dem ersten Kühlflüssigkeitsauslass ist, und der erste Kühlflüssigkeitsauslass und der Einlass des Elektroden-Kühlflüssigkeitskanals sind miteinander durch eine verbunden, während der zweite Kühlflüssigkeitsauslass und der Einlass des Düsen-Kühlflüssigkeitskanals miteinander durch eine Düsen-Kühlflüssigkeits-Zufuhrleitung verbunden sind, die separat von der Elektroden-Kühlflüssigkeitsleitung ist. In dem die zum Zuführen von Kühlflüssigkeit an die Elektrode und die Düsen-Kühlflüssigkeits-Zufuhrleitung zum Zuführen von Kühlflüssigkeit an die Düse separat in dieser Weise nicht nur in dem Plasmabrenner sondern auch außerhalb von dem Plasmabrenner vorgesehen werden, ist es möglich, Kühlflüssigkeit an die Elektrode und die Düse in individuellen, charakteristischen Flussraten, die an ihre individuellen Kühlerfordernisse angepasst sind, in dennoch einfacher leichter Weise zuzuführen.
-
Ferner gibt in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel die Kühlflüssigkeitsabgabevorrichtung einen ersten Strom an Kühlflüssigkeit zum Kühlen der Elektrode von dem ersten Kühlflüssigkeitsauslass und eine zweite Strömung aus Kühlflüssigkeit zum Kühlen der Düse von dem zweiten Kühlflüssigkeitsauslass ab, und sie setzt oder steuert die Flussrate der ersten Strömung aus Kühlflüssigkeit und die Flussrate der zweiten Strömung aus Kühlflüssigkeit separat. Indem auf diese Weise die Flussrate der ersten Strömung der Kühlflüssigkeit, die an die Elektrode geliefert wird, und die Flussrate der zweiten Strömung der Kühlflüssigkeit, die an die Düse geliefert wird, separat gesetzt und gesteuert werden, ist es möglich, die Kühlflüssigkeit an die Elektrode und die Düse mit individuellen, charakteristischen Flussraten, die an ihre individuellen Kühlerfordernisse angepasst sind, dennoch in einer einfacheren und leichteren Weise zuzuführen.
-
Die Flussrate der zweiten Strömung der Kühlflüssigkeit, die an die Düse geliefert wird, kann auf einen größeren Wert gesetzt oder gesteuert werden als die Flussrate der ersten Strömung der Kühlflüssigkeit, die an die Elektrode geliefert wird. Indem man dies tut, ist es möglich, die Dauerhaftigkeit der Düse zu erhöhen und das Problem der Verschlechterung der Schneidqualität zu mildern.
-
Ferner können in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der Elektroden-Kühlflüssigkeitskanal und der Düsen-Kühlflüssigkeitskanal in dem Plasmabrenner separate und unterschiedliche Auslässe haben; und die Kühlflüssigkeitszufuhrvorrichtung kann einen ersten Kühlflüssigkeitseinlass und einen Kühlflüssigkeitseinlass haben, der separat von dem ersten Kühlflüssigkeitsauslass ist; und der Kühlflüssigkeitseinlass kann mit dem Auslass des Elektroden-Kühlflüssigkeitskanals durch eine Elektroden-Kühlflüssigkeits-Rückführungsleitung verbunden sein, während der zweite Kühlflüssigkeitseinlass mit dem Auslass des Düsen-Kühlflüssigkeitskanals durch eine Düsen-Kühlflüssigkeits-Rückführungsleitung verbunden ist, die separat von der Elektroden-Kühlflüssigkeits-Rückführungsleitung ist. Indem auf diese Weise außerhalb des Plasmabrenners nicht nur separate Kühlflüssigkeitszufuhrleitungen zum Zuführen von Kühlflüssigkeit an die Elektrode und die Düse von der Kühlflüssigkeitszufuhrvorrichtung verwendet wird, sondern indem auch separate Kühlflüssigkeits-Rückführungsleitungen zum Zurückführen der Kühlflüssigkeit von der Elektrode und von der Düse zu der Kühlflüssigkeitszufuhrvorrichtung verwendet wird, wird es einfach und leicht, den Elektroden-Kühlflüssigkeitskanal und den Düsen-Kühlflüssigkeitskanal voneinander innerhalb des Plasmabrenners durch noch ein weiteres Niveau elektrisch zu isolieren. Indem man dies tut, ist es möglich, das Problem der elektrischen Korrosion des Plasmabrenners zu milder.
-
Entsprechend einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Plasmabrenner vorgesehen, der die oben beschriebene Struktur hat. Darüber hinaus wird nach einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Kühlflüssigkeitszufuhrvorrichtung bereitgestellt, die die oben beschriebene Struktur hat.
-
Ausführungsbeispiele einer Plasmaschneidvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
-
1 ein Schaltungsdiagramm ist, das die Struktur einer Flüssigkeitskühlschaltung in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
-
2 eine vertikale Schnittdarstellung eines Plasmabrenners ist, der ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist und die die Struktur der Kühlflüssigkeitskanäle in dem Plasmabrenner zeigt;
-
3 eine Figur ist, die die Anordnung einer Vielzahl von Kühlflüssigkeits-Transportkanälen des Plasmabrenners von 2 in Blickrichtung von dem Basisende aus zeigt;
-
4 ein Querschnitt ist, der in einer Ebene genommen ist, die durch die Pfeile A-A in 2 gezeigt ist, und der in einer vereinfachten Weise die Querschnittsformen eines Düsen-Kühlflüssigkeits-Einlasskanals und eines Düsen-Kühlflüssigkeits-Auslasskanals zeigt;
-
5 eine vertikale Schnittdarstellung eines Plasmabrenners nach einem abgewandelten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist, der die Struktur ihrer Kühlflüssigkeitskanäle zeigt;
-
6 eine vertikale Schnittdarstellung eines Plasmabrenners gemäß einer anderen, abgewandelten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die die Struktur ihrer Kühlflüssigkeitskanäle zeigt; und
-
7 eine vertikale Schnittdarstellung des Plasmabrenners nach einer anderen abgewandelten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die die Struktur ihrer Kühlflüssigkeitskanäle zeigt.
-
Die Plasmaschneidvorrichtung ist eine Vorrichtung, die ein Werkstück unter Verwendung eines Plasmabrenners schneidet. Dieser Plasmabrenner umfasst eine abnehmbare Elektrode und eine Düse; die Elektrode dient zu dem Zweck, einen Plasmabogen zu erzeugen, während die Düse dem Zweck dient, den Plasmabogen nieder zu halten und ihn auf das Werkstück zu richten. In dem Folgenden konzentriert sich die Erläuterung dieser Plasmaschneidvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung insbesondere auf die Abschnitte davon, die mit der Kühlung des Plasmabrenners zusammenhängen, und diese Erläuterung wird auf die Zeichnungen Bezug nehmen.
-
1 zeigt eine Flüssigkeitskühlschaltung zum Zuführen einer Kühlflüssigkeit – beispielsweise Wasser in diesem Ausführungsbeispiel (im Folgenden als „Kühlwasser” bezeichnet) – an den Plasmabrenner der Plasmaschneidvorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Obwohl der Teil dieser Flüssigkeitskühlschaltung innerhalb des Brenners nicht in 1 gezeigt ist, wird dies hier später im Detail unter Bezugnahme auf die 2 bis 4 beschrieben.
-
Diese Flüssigkeitskühlschaltung umfasst eine Elektroden-Flüssigkeitskühlschaltung, durch die Kühlwasser zirkuliert, um die Elektrode in dem Plasmabrenner 10 zu kühlen, und eine Düsen-Flüssigkeitskühlschaltung, durch die Kühlwasser zirkuliert, um die Düse in dem Plasmabrenner 10 zu kühlen. Diese Elektroden-Flüssigkeitskühlschaltung und diese Düsen-Flüssigkeitskühlschaltung sind in solch einer Weise vorgesehen (beispielsweise parallel zueinander), dass die Flussrate des Kühlwassers in jeder einzelnen davon im Wesentlichen keinen Einfluss von der Flussrate in der anderen erfährt. Dies wird im Folgenden in konkreten Begriffen erläutert.
-
Wie in 1 gezeigt ist, ist extern zu dem Plasmabrenner 10 eine Kühleinheit 20 zum Ansammeln von Kühlwasser, zum Zuführen dieses Kühlwassers zu dem Plasmabrenner 10 und zum Kühlen des Kühlwassers, das von dem Plasmabrenner 10 zurückgeführt worden ist, und zum Zuführen desselben ein zweites Mal an den Plasmabrenner 10 installiert. Diese Kühleinheit 20 ist mit dem Plasmabrenner 10 über vier Kühlflüssigkeits-Transportkanäle verbunden: eine Elektroden-Kühlflüssigkeits-Zufuhrleitung 12, eine Elektroden-Kühlflüssigkeits-Rückführungsleitung 16, eine Düsen-Kühlflüssigkeits-Zufuhrleitung 14 und eine Düsen-Kühlflüssigkeits-Rückführungsleitung 18. Die Elektroden-Kühlflüssigkeits-Zufuhrleitung 12 ist eine Leitung, um an den Plasmabrenner 10 Wasser zum Kühlen der Elektrode in den Plasmabrenner 10 zuzuführen, während die Elektroden-Kühlflüssigkeits-Rückführungsleitung 16 eine Leitung ist, um dieses Kühlwasser, das die Kühlung der Elektrode beendet hat, zu der Kühleinheit 20 zurückzuführen. Die Düsen-Kühlflüssigkeits-Zufuhrleitung 14 ist eine Leitung, um an den Plasmabrenner 10 Wasser zum Kühlen der Düse in dem Plasmabrenner 10 zuzuführen, während die Düsen-Kühlflüssigkeits-Rückführungsleitung 18 eine Leitung ist, um dieses Kühlwasser, das die Kühlung der Düse angeschlossen hat, zu der Kühleinheit 20 zurückzuführen. Wie im Detail im Folgenden beschrieben wird, sind in dem Plasmabrenner 10 ein Elektroden-Kühlflüssigkeitskanal, der Kühlwasser an die Elektrode zuführt, und ein Düsen-Kühlflüssigkeitskanal, der Kühlwasser an die Düse zuführt, nicht in Reihe geschaltet, so dass sie einen vollständig integrierten Kanal bilden wie im Stand der Technik (so dass die Flussraten in beiden diesen Kanälen unvermeidbar auf gleich groß festgelegt sind), stattdessen ist der gesamte Elektroden-Kühlflüssigkeitskanal und der gesamte Düsen-Kühlflüssigkeitskanal als vollständig separate und unabhängige Kanäle vorgesehen. Nachdem das gesamte Kühlwasser, das von der Elektroden-Kühlflüssigkeits-Zufuhrleitung 10 an den Plasmabrenner 10 zugeführt worden ist, nur in dem Elektroden-Kühlflüssigkeitskanal in dem Plasmabrenner geflossen ist, wird es folglich zu der Elektroden-Kühlflüssigkeits-Rückführungsleitung 16 ausgestoßen. Nachdem das gesamte Kühlwasser, das von der Düsen-Kühlflüssigkeits-Zufuhrleitung 14 an den Plasmabrenner 10 geliefert worden ist, nur durch den Düsen-Kühlflüssigkeitskanal in den Plasmabrenner geflossen ist, wird es auf ähnliche Weise ungeklärt zu der Düsen-Kühlflüssigkeits-Rückführungsleitung 18 ausgestoßen. Aus diesem Grund ist es möglich, dass Kühlwasser an die Elektrode und an die Düse mit spezifischen Flussraten zuzuführen, die für ihre individuellen Kühlerfordernisse geeignet sind.
-
Die Kühleinheit 20 hat zwei separate Kühlflüssigkeitsauslässe 27 und 31, um Kühlwasser, das an dem Plasmabrenner 10 geliefert werden soll, von der Kühleinheit 20 nach außen abzugeben, und sie hat darüber hinaus zwei separate Kühlflüssigkeitseinlässe 35 und 33, um das Kühlwasser, das von dem Plasmabrenner 10 abgegeben worden ist, in der Kühleinheit 20 aufzunehmen. Ferner ist ein Kühlflüssigkeitstank 22, der Kühlwasser speichert, in der Kühleinheit 20 vorgesehen, und zwei Kühlflüssigkeitsausgangsleitungen 28 und 34 stehen von einem Abschnitt des Kühlflüssigkeitstanks 22 unterhalb des Oberflächenniveaus des darin befindlichen Wassers nach außen vor. Der Auslass der ersten Kühlflüssigkeitsausgangsleitung 24 ist mit einem Kühlflüssigkeitseinlass einer ersten Pumpe 26 verbunden, ein Kühlflüssigkeitsauslass dieser ersten Pumpe 26 ist mit dem ersten Kühlflüssigkeitsauslass 27 der Kühleinheit 20 verbunden, und der Einlass der Elektroden-Flüssigkeitszufuhrleitung 12 ist ebenfalls mit dem ersten Kühlflüssigkeitsauslass 27 verbunden. Darüber hinaus ist der Auslass der zweiten Kühlflüssigkeitsausgangsleitung 28 mit einem Kühlflüssigkeitseinlass einer zweiten Pumpe 30 verbunden, ein Kühlflüssigkeitsauslass dieser zweiten Pumpe 30 ist mit dem zweiten Kühlflüssigkeitsauslass 31 der Kühleinheit 20 verbunden, und der Einlass der Düsen-Flüssigkeitszufuhrleitung 14 ist auch mit dem zweiten Kühlflüssigkeitsauslass 31 verbunden. Darüber hinaus ist der Auslass der Elektroden-Kühlflüssigkeits-Rückführungsleitung 16 mit dem ersten Kühlflüssigkeitseinlass 33 der Kühleinheit 20 verbunden, während der Auslass der Düsen-Kühlflüssigkeits-Rückführungsleitung 18 mit dem zweiten Kühlflüssigkeitseinlass 35 der Kühleinheit 20 verbunden ist. Die ersten und zweiten Kühlflüssigkeitseinlässe 33 und 35 der Kühleinheit 20 sind in der Kühleinheit 20 mit dem Einlass einer einzigen, ersten, gemeinsamen Kühlflüssigkeits-Rückführungsleitung 32 verbunden, der Auslass der ersten, gemeinsamen Kühlflüssigkeits-Rückführungsleitung 32 ist mit dem Einlass eines Wärmetauschers 34 verbunden, der Auslass dieses Wärmetauschers 34 ist mit dem Einlass einer zweiten, gemeinsamen Kühlflüssigkeits-Rückführungsleitung 36 verbunden, und der Auslass dieser zweiten, gemeinsamen Kühlflüssigkeits-Rückführungsleitung 36 öffnet sich zu einer Öffnung in dem Wassertank 22 oberhalb des Niveaus der Oberfläche des daneben befindlichen Wassers.
-
Eine Elektroden-Flüssigkeitskühlschaltung besteht aus dem Kühlflüssigkeitstank 22, der ersten Kühlflüssigkeitsausgangsleitung 24, der ersten Pumpe 26, der Elektroden-Kühlflüssigkeits-Zufuhrleitung 12, dem Elektroden-Kühlflüssigkeitskanal in dem Innern des Brenners 10, der Elektroden-Kühlflüssigkeits-Rückführungsleitung 16, der ersten, gemeinsamen Kühlflüssigkeits-Rückführungsleitung 32, den Wärmetauscher 34 und der zweiten, gemeinsamen Kühlflüssigkeits-Rückführungsleitung 36; und Wasser zum Kühlen der Elektroden fließt und zirkuliert in dieser Reihenfolge durch diese strukturellen Elemente. Ferner wird ein Düssen-Flüssigkeitskühlkreis durch den Kühlflüssigkeitstank 22, die zweite Kühlflüssigkeitsausgangsleitung 28, die zweite Pumpe 30, die Düsen-Kühlflüssigkeits-Zufuhrleitung 14, den Düsen-Kühlflüssigkeitskanal in dem Innern des Brenners 10, die Düsen-Kühlflüssigkeits-Rückführungsleitung 18, die erste gemeinsame Kühlflüssigkeits-Rückführungsleitung 32, den Wärmetauscher 34 und die zweite, gemeinsame Kühlflüssigkeits-Rückführungsleitung 36 gebildet; und Wasser zum Kühlen der Düse fließt und zirkuliert in dieser Reihenfolge durch diese strukturellen Elemente.
-
Diese Elektroden-Flüssigkeitskühlschaltung arbeitet so, dass die Flussrate des Kühlwassers, das an die Elektrode geliefert wird, gleich einer Soll-Flussrate zum Kühlen der Elektrode wird, was vorweg bestimmt wird. Auf ähnliche Weise arbeitet die Düsen-Flüssigkeitskühlschaltung so, dass die Flussrate des Kühlwassers, das an die Düse geliefert wird, gleich einer Soll-Flussrate zum Kühlen der Düse wird, was im vorweg bestimmt wird. Wie aus der nachfolgenden Erläuterung verständlich wird, ist die Ziel-Flussrate für die Kühlung der Düse größer als die Soll-Flussrate zum Kühlen der Elektrode. An der Kühleinheit 20 sind ferner ein erster Flussratensensor 34, der die Flussrate des Kühlwassers misst, das in der Elektroden-Flüssigkeitskühlschaltung fließt (mit anderen Worten an die Elektrode geliefert wird), einen zweiten Flussratensensor 36, der die Flussrate des Kühlwassers bestimmt, das in der Düse-Flüssigkeitskühlschaltung fließt (mit anderen Worten an die Düse geliefert wird), und einen Flussraten-Monitoreinrichtung 38, die eine vorgegebene Anomalie-Verarbeitung, beispielsweise die Abgabe eines Alarms oder dergleichen, durchführt, wenn die Flussrate, die von dem ersten Flussratensensor 34 festgestellt wird, unter eine minimale Flussrate zum Kühlen der Elektrode abfällt, die vorweg eingestellt wird, oder, wenn die Flussrate, die von dem zweiten Flussratensensor 36 bestimmt wird, unter eine minimale Flussrate zum Kühlen der Düse abfällt, die vorweg eingestellt ist.
-
Wie durch die gestrichelte Linie in 1 gezeigt ist, wäre es akzeptabel, zwei Plasmabrenner 10 und 40 oder tatsächlich mehrere vorzusehen. In diesem Fall wäre es akzeptabel, alle beiden dieser zwei unterschiedlichen Plasmabrenner 10 und 40 parallel mit ein und derselben Kühleinheit 20 zu verbinden. Dieser Typ einer einzigen Kühleinheit 20 könnte einen einzigen Kühlflüssigkeitstank für beide der zwei unterschiedlichen Plasmabrenner 10 und 40 umfassen, und eine Vielzahl von Punkten, die individuell den Elektroden und Düsen der zwei unterschiedlichen Plasmabrenner 10 und 40 zugeordnet sind. Als andere Abwandlung könnte jede der zwei unterschiedlichen zwei Plasmabrenner 10 und 40 mit einer separaten und unterschiedlichen Kühleinheit 20 verbunden werden.
-
2 zeigt die Struktur der Kühlflüssigkeitskanäle in dem Plasmabrenner 10, und sie ist eine vertikale Schnittdarstellung, die entlang der Mittelachse des Plasmabrenners 10 genommen ist.
-
Wie in 2 gezeigt ist, ist eine zylindrische Außenhülse vorgesehen, die aus einem isolierenden Material, beispielsweise einem Kunstharz, hergestellt ist, und eine Innenhülse 52 ist vorgesehen, die aus Metall hergestellt und in das Innere der Außenhülse 50 eingepasst ist. Die Außenhülse 50 kann beispielsweise aus einem thermoplastischen Epoxydharz oder dergleichen hergestellt sein, und sie ist in einer Form ausgebildet, so dass sie die Innenhülse 52, die aus Metall hergestellt ist, umgibt und einschließt, beispielsweise durch Verwendung einer Kunststoff-Spritzgussform oder dergleichen. Vier Kühlflüssigkeits-Transportkanäle 54, 58, 62 und 66, die aus Metall hergestellt sind, sind in die Basisendabschnitte der Außenhülse 50 und der Innenhülse 52 von außen her eingefügt und dort befestigt. Diese Kühlflüssigkeitstransportkanäle 54, 58, 62 und 66 sind konkret eine Düsen-Kühlwassereinlassleitung 54, um Kühlwasser zum Kühlen der Düse in das Innere des Plasmabrenners 10 zuzuführen, eine Elektroden-Kühlwassereinlassleitung 58, um Kühlwasser zum Kühlen der Elektrode in das Innere des Plasmabrenners 10 zuzuführen, eine Elektroden-Kühlflüssigkeits-Auslassleitung 62, um Kühlwasser, das die Elektrode gekühlt hat, zur Außenseite des Plasmabrenners 10 abzugeben, und eine Düsen-Kühlflüssigkeits-Auslassleitung 66, um Kühlwasser, das die Düse gekühlt hat, der Außenseite des Plasmabrenners 10 abzugeben. Die Düsen-Kühlflüssigkeits-Einlassleitung 54 und die Elektroden-Kühlflüssigkeits-Einlassleitung 58 haben separate Einlässe. Eine Einlasskupplung 53 ist eine dem Einlass der Düsen-Kühlflüssigkeits-Einlassleitung 54 vorgesehen, und der Auslass der Düsen-Kühlflüssigkeits-Zufuhrleitung 14 (siehe 1), der von der Kühleinheit 20 kommt, ist mit dieser Einlasskupplung verbunden. Auf ähnliche Weise ist eine Einlasskupplung 57 an dem Einlass der Elektroden-Kühlflüssigkeits-Einlassleitung 58 vorgesehen, und der Auslass der Elektroden-Kühlflüssigkeits-Zufuhrleitung 12 (siehe 1), die von der Kühleinheit 20 kommt, ist mit der Einlasskupplung 57 verbunden. Darüber hinaus haben die Elektroden-Kühlflüssigkeits-Auslassleitung 62 und die Düsen-Kühlflüssigkeits-Auslassleitung 66 separate Auslässe. Eine Auslasskupplung ist an dem Auslass der Elektroden-Kühlflüssigkeits-Auslassleitung 62 vorgesehen, und der Einlass der Elektroden-Kühlflüssigkeits-Rückführungsleitung 60 (siehe 1), der zu der Kühleinheit 20 geht, ist mit der Auslasskupplung 61 verbunden. Auf ähnliche Weise ist eine Auslasskupplung 65 an dem Auslass der Düsen-Kühlflüssigkeits-Auslassleitung 66 vorgesehen, und der Einlass der Düsen-Kühlflüssigkeits-Rückführungsleitung 18 (siehe 1), der zu der Kühleinheit 20 geht, ist mit dieser Auslasskupplung 65 verbunden.
-
3 zeigt die Anordnung der verschiedenen, oben beschriebenen Kühlwasserleitungen, wenn der Plasmabrenner 10 von seinem Basisende her betrachtet wird. Wie in 3 gezeigt ist, sind die Düsen-Kühlflüssigkeits-Zufuhrleitung 14, die Elektroden-Kühlflüssigkeits-Zufuhrleitung 12, die Elektroden-Kühlflüssigkeits-Rückführungsleitung 16 und die Düsen-Kühlflüssigkeits-Rückführungsleitung 18, die von der Außenseite des Plasmabrenners herkommen, zusammen mit einer Plasmagaszufuhrleitung 100 und einer Hilfsgaszufuhrleitung 104, die ebenfalls von außen zu dem Brenner kommen, nahezu in einem Kreis angeordnet, der um die Mittelachse des Plasmabrenners 10 herum zentriert ist. Im Gegensatz dazu sind die Abschnitte der Düsen-Kühlflüssigkeits-Einlassleitung 54, der Elektroden-Kühlflüssigkeits-Einlassleitung 58 und der Elektroden-Kühlflüssigkeits-Auslassleitung 62 und die Düsen-Kühlflüssigkeits-Auslassleitung 66, die mit dem Basisendabschnitt der Innenhülse 52 gekoppelt sind, nahezu entlang einer Diagonallinie angeordnet, die durch die Mittelachse des Plasmabrenners 10 verläuft. Folglich sind Abschnitte dieser Leitungen, beispielsweise von der Elektroden-Kühlflüssigkeits-Einlassleitung 58 und der Elektroden-Kühlflüssigkeits-Auslassleitung 62 jeweils kurvenförmig in Abschnitte gebildet, die von der Innenhülse 52 getrennt sind, und sie sind mit der Elektroden-Kühlflüssigkeits-Zufuhrleitung 12 und der Elektroden-Kühlflüssigkeits-Rückführungsleitung 16 respektive verbunden (die Kurvenformen der Leitungen sind jedoch nicht in 2 gezeigt). Es ist zu verstehen, dass die Plasmagaszufuhrleitung 100 und die Hilfsgaszufuhrleitung 104 jeweils mit einer Plasmagaseinlassleitung 102 bzw. einer Hilfsgaseinlassleitung 106 verbunden sind (dies ist jedoch in 2 nicht gezeigt).
-
Bezug nehmend auf 2 zum zweiten Mal, sind zwei Kühlflüssigkeitskanäle 70 und 72 durch die Wand der Außenbuchse 50 von seiner Basisendoberfläche zu seiner Spitzenendoberfläche hindurch gestochen. Der Einlass von einem Kühlflüssigkeitskanal 70 (im folgenden als „proximaler Düsen-Kühlflüssigkeits-Einlasskanal” bezeichnet) ist mit dem Auslass eines Kühlflüssigkeitskanals 56 verbunden (im folgenden als „distaler Düsen-Kühlflüssigkeits-Einlasskanal” bezeichnet), der in der Düsen-Kühlflüssigkeits-Einlassleitung 54 ausgebildet ist, während der Auslass des anderen Kühlflüssigkeitskanals 72 (im folgenden als „proximaler Düsen-Kühlflüssigkeits-Auslasskanal” bezeichnet) mit dem Einlass eines Kühlflüssigkeitskanals 68 (im folgenden als „distaler Düsen-Kühlflüssigkeits-Auslasskanal” bezeichnet) verbunden, der in der Düsen-Kühlflüssigkeits-Auslassleitung 66 ausgebildet ist.
-
Eine Düse 88, die aus Metall hergestellt ist, ist annehmbar auf einem inneren Abschnitt der Spitzenendoberfläche der Außenbuchse 50 eingepasst. Eine Abschirmungskappe 90 ist über dem Spitzenendabschnitt der Außenbuchse 50 aufgesetzt und ist lösbar daran befestigt. Diese Abschirmungskappe 90 umgibt nahezu vollständig die Düse 88 von außen her. Der Raum, der zwischen der Außenoberfläche der Düse 88 und der Innenoberfläche der Abschirmungskappe 90 gebildet ist, bildet einen Düsen-Kühlflüssigkeits-Mantelkanal 92, der Kühlflüssigkeit, die in ihn hineinfließt, gegen die Außenoberfläche der Düse 88 richtet. Der Einlass dieses Düsen-Kühlflüssigkeits-Mantelkanals 92 ist mit dem Auslass des proximalen Düsen-Kühlflüssigkeits-Einlasskanals 70 verbunden, während der Auslass dieses Düsen-Kühlflüssigkeits-Mantelkanals 92 mit dem Einlass des proximalen Düsen-Kühlflüssigkeits-Auslasskanals 72 verbunden ist.
-
4 ist ein Querschnitt genommen in einer Ebene, die durch die Pfeile A-A in 2 gezeigt ist, und sie ist eine Figur, die die Querschnittsformen des proximalen Düsen-Kühlflüssigkeits-Einlasskanals 70 und des proximalen Düsen-Kühlflüssigkeits-Auslasskanals 72 in einer ähnlichen Weise zeigt. Wie in 4 gezeigt ist, sind die Querschnittsformen des proximalen Düsen-Kühlflüssigkeits-Einlasskanals 70 und des proximalen Düsen-Kühlflüssigkeits-Auslasskanals 72 gebogene, elliptische Formen, die sich um einen Kreis erstrecken, der um die Mittelachse des Plasmabrenners 10 zentriert ist, und dadurch ist es möglich, die Querschnittsflächen dieser Kühlflüssigkeitskanäle 70 und 72 so groß wie möglich zu machen, während der Außendurchmesser des Plasmabrenners 10 nur so wenig wie möglich vergrößert wird. Es ist zu verstehen, dass die Bezugszeichen 108 und 110 in 4 einen Plasmagaskanal bzw. einen Hilfsgaskanal bezeichnen.
-
Erneut Bezug nehmend auf 2 ist eine Elektrode 80, die aus Metall gefertigt ist, lösbar in dem Spitzenendabschnitt der Innenbuchse 52 eingepasst. Ein hitzebeständiger, beispielsweise aus Keramik hergestellter Isolationszylinder 76, der von außen in den Spitzenendabschnitt der Innenbuchse 52 eingepasst ist, stellt eine zuverlässige Isolierung zwischen der Elektrode 80 und der Düse 88 sicher. Das Innere der Elektrode 80 ist eine Kammer, und diese Kammer öffnet sich zu dem Basisendabschnitt der Elektrode 80 und steht mit dem Innenraum in der Innenbuchse 52 in Verbindung. Die Elektroden-Kühlflüssigkeits-Zufuhrleitung 78 ist in dem Innenraum der Innenbuchse 52 koaxial mit der Innenbuchse 52 angeordnet. Der Einlass der Elektroden-Kühlflüssigkeits-Zufuhrleitung 78 ist an dem Basisendabschnitt der Innenbuchse 52 befestigt, und folglich ist sie mit dem Auslass der Elektroden-Kühlflüssigkeits-Einlassleitung 58 verbunden. Der Frontabschnitt der Elektroden-Kühlflüssigkeits-Zufuhrleitung 78 ist tief in die Kammer in der Elektrode 80 eingeführt, und der Auslass dieser Elektroden-Kühlflüssigkeits-Zufuhrleitung 78 öffnet sich an einer Position, die unmittelbar hinter einem wärmewiderstandsfähigen Einsatz 82 liegt, der an dem Spitzenendabschnitt der Elektrode 80 vorgesehen ist. Der Innenraum in der Elektroden-Kühlflüssigkeits-Zufuhrleitung 78 bildet einen Kanal 84 (im Folgenden als „proximaler Elektroden-Kühlflüssigkeits-Einlasskanal” bezeichnet), um Kühlwasser in die Nähe des Spitzenendabschnitts der Elektrode 80 zu leiten. Der Einlass dieses proximalen Elektroden-Kühlflüssigkeits-Einlasskanals 84 ist mit dem Auslass eines Kühlflüssigkeitskanals 60 in der Elektroden-Kühlflüssigkeits-Einlassleitung 58 verbunden (im Folgenden als „distaler Elektroden-Kühlflüssigkeits-Einlasskanal” bezeichnet).
-
Der Raum zwischen der Außenfläche der Elektroden-Kühlflüssigkeits-Zufuhrleitung 78 und der Innenfläche der Elektrode 80 bildet einen Elektroden-Kühlflüssigkeitskernkanal 85, der das Kühlwasser, das durch ihn hindurchfließt, zu der Innenfläche der Elektrode 80 leitet. Und der Raum zwischen der Außenfläche der Elektroden-Kühlflüssigkeits-Zufuhrleitung 78 und der Innenfläche der Innenbuchse 52 bildet einen Kanal 86 (im folgenden als „proximaler Elektroden-Kühlflüssigkeits-Auslasskanal” bezeichnet), um Kühlflüssigkeit von dem Elektroden-Kühlflüssigkeitskernkanal 85 abzugeben. Der Einlass des Elektroden-Kühlflüssigkeitskernkanals 85 ist mit dem Auslass des proximalen Elektroden-Kühlflüssigkeits-Einlasskanals 84 an einer Position verbunden, die unmittelbar hinter dem wärmewiderstandsfähigen Einsatz 82 liegt, und der Ausgang des Elektroden-Kühlflüssigkeitskernkanals 85 ist mit dem Einlass des Elektroden-Kühlflüssigkeits-Auslasskanals 86 an einer Position an dem Basisendabschnitt der Elektrode 80 verbunden. Darüber hinaus ist an einer Position des Basisendabschnitts der Innenbuchse 52 der Auslass des Elektroden-Kühlflüssigkeits-Auslasskanals 86 mit dem Einlass einer Kühlflüssigkeit 64 (im Folgenden als „distaler Elektroden-Kühlflüssigkeits-Auslasskanal” bezeichnet) in der Elektroden-Kühlflüssigkeits-Auslassleitung 62 verbunden.
-
Bei dem Plasmabrenner 10, der die oben beschriebene Konstruktion hat, besteht der Elektroden-Kühlflüssigkeitskanal zum Kühlen der Elektrode aus dem distalen Elektroden-Kühlflüssigkeits-Einlasskanal 60, dem proximalen Elektroden-Kühlflüssigkeits-Einlasskanal 84, dem Elektroden-Kühlflüssigkeitskernkanal 85, dem proximalen Elektroden-Kühlflüssigkeits-Auslasskanal 86 und dem distalen Elektroden-Kühlflüssigkeits-Auslasskanal 64, und Kühlwasser fließt durch diese Kanäle in dieser Reihenfolge. Andererseits besteht der Düsen-Kühlflüssigkeitskanal zum Kühlen der Düse aus dem distalen Düsen-Kühlflüssigkeits-Einlasskanal 56, dem proximalen Düsen-Kühlflüssigkeits-Einlasskanal 70, dem Düsen-Kühlflüssigkeits-Mantelkanal 92, dem proximalen Düsen-Kühlflüssigkeits-Auslasskanal 72 und dem distalen Düsen-Kühlflüssigkeits-Auslasskanal 68, und Kühlwasser fließt durch diese Kanäle in dieser Reihenfolge. In diesem Plasmabrenner 10 sind der oben beschriebene Elektroden-Kühlflüssigkeitskanal und der oben beschriebene Düsen-Kühlwasserkanal überhaupt nicht wechselseitig miteinander verbunden, sondern sie sind separat als vollständig unabhängige und unterschiedliche Strömungsmittelkanäle ausgebildet, und sie sind auch wechselseitig elektrisch voneinander isoliert. Entsprechend werden die Flussrate des Kühlwassers zum Kühlen der Elektrode und die Flussrate des Kühlwassers zum Kühlen der Düse vollständig wechselseitig unabhängig voneinander auf der Grundlage der Druckverluste in jedem dieser Kühlwasserkanäle und auf der Grundlage der Wasserdruckwerte von jeder der Pumpen 26 und 30 (siehe 1) bestimmt, und sie können ihre eigenen geeigneten Werte ohne Einfluss voneinander frei annehmen. Entsprechend kann der Druckverlust in einer einzigen dieser Kühlflüssigkeitskanäle die Flussrate in dem anderen dieser Flüssigkeitskanäle nicht in unerwünschter Weise begrenzen, wie es bei dem Stand der Technik der Fall ist. Und vor allem, obwohl der Druckverlust in dem Elektroden-Kühlflüssigkeitskanal im Vergleich zu dem Druckverlust in dem Düsen-Kühlflüssigkeitskanal groß ist, da die Flussrate des Düsen-Kühlflüssigkeitskanals keinen Einfluss durch den Druckverlust von dem Elektroden-Kühlflüssigkeitskanal erfährt, ist es entsprechend möglich, das Kühlwasser für die Düse mit einem größeren Volumen fließen zu lassen, als dies bei dem Stand der Technik möglich war.
-
Wie bereits im Zusammenhang mit dem Stand der Technik erläutert wurde, ist beispielsweise in einem Plasmabrenner nach dem Stand der Technik mit einer typischerweise üblichen Ausführung, wenn der Abgabedruck der Pumpe 0,8 MPa ist, etwa 10 Liter/Minute die Obergrenze für die Kühlwasserflussrate sowohl für die Elektrode als auch für die Düse, und, wenn die Strömung des Kühlwassers bei ihrer Obergrenze der Flussrate ist, ist der Druckverlust in dem Elektroden-Kühlflüssigkeitskanal etwa 0,7 MPa, während der Druckverlust in dem Düsen-Kühlflüssigkeitskanal etwa 0,1 MPa ist. Andererseits wird im Gegensatz dazu bei einem Plasmabrenner nach diesem Ausführungsbeispiel, in dem die Widerstände der jeweiligen Kühlflüssigkeitskanäle etwa gleich den Widerstandswerten im Falle des oben beschriebenen Beispiels nach dem Stand der Technik ist, wenn die Abgabedruckwerte beider Pumpen 26 und 30 die gleichen sind wie in dem oben beschriebenen Beispiel, das heißt 0,8 MPa, dann ist es möglich, Kühlwasser zu der Elektrode mit einer Rate von 10,6 Liter/Minute fließen zu lassen, was etwa (8/7)1/2 mal soviel wie die Flussrate in dem Stand der Technik ist, und es ist möglich, das Kühlwasser zu der Düse mit einer Rate von 28 Liter/Minute fließen zu lassen, was etwa 81/2 mal soviel wie die Flussrate in dem Stand der Technik ist. Wie aus diesem Beispiel verständlich ist, da die spezielle Flussrate des Kühlwassers, das zu der Düse geleitet wird, klar erhöht ist, die Dauerhaftigkeit der Düse entsprechend klar verbessert ist. Im Allgemeinen ist bei einer Elektrode und einer Düse die Art und Weise, in der der Einfluss der Abnutzung aufgrund der Wärme auftritt, unterschiedlich bei diesen. Das heißt, dass bei der Elektrode, obwohl ein Prozess stattfindet, bei dem die Größe der Abnutzung mit einem zunehmenden Anstieg der Anzahl der Arbeitseinsätze des Brenners stetig steigt, es dennoch möglich ist, mit der Benutzung des Brenners wie gewöhnlich fortzufahren, ohne dass ein spezielles Problem auftritt und zwar unabhängig von dem Maß der Abnutzung, bis der Brenner schließlich einen Zustand erreicht, in dem eine Zündung unmöglich wird, so dass ein Austausch der Elektrode notwendig ist. Im Gegensatz dazu tritt bei einer Düse, vorausgesetzt, dass es eine Abnutzung gibt, in dem Verfahren, bei dem die Größe der Abnutzung stetig zusammen mit dem stetigen Anstieg der Anzahl der Arbeitseinsätze des Brenners steigt, die Verschlechterung der Qualität beim Schneiden in einem Maße auf, die dem Maß der Abnutzung entspricht. Da der Zeitpunkt für den Austausch der Düse dadurch bestimmt wird, welches Maß an Verschlechterung der Schneidqualität für den Benutzer akzeptabel ist, ist es daher notwendig, die Düse häufig zu wechseln, wenn eine extrem hohe Schneidqualität erforderlich ist. Da die Dauerhaftigkeit der Düse gegenüber dem Stand der Technik klar verbessert wird, indem das Kühlwasser mit einem höhern Volumen als in dem Stand der Technik zugeführt wird, ist es folglich möglich, die Verschlechterung der Schneidqualität zu unterdrücken und das oben beschriebene Problem zu lindern.
-
Obwohl diese Sache bereits unter Bezugnahme auf den Stand der Technik erläutert wurde, da im Innern des Plasmabrenners eine Spannung zwischen der Elektrode und der Düse angelegt wird, fließt darüber hinaus entsprechend ein elektrischer Strom zwischen dem Elektroden-Kühlflüssigkeitskanal und dem Düsen-Kühlflüssigkeitskanal, die wechselseitig miteinander im Innern des Plasmabrenners verbunden sind, und dies bewirkt eine elektrische Korrosion der internen Bauteile des Brenners. Im Gegensatz dazu, da bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung der Elektroden-Kühlflüssigkeitskanal und der Düsen-Kühlflüssigkeitskanal nicht wechselseitig miteinander im Innern des Plasmabrenners 10 verbunden sind, gibt es daher dieses Problem der elektrischen Korrosion folglich nicht, da diese Kanäle elektrisch voneinander isoliert sind, so dass die gesamte Dauerhaftigkeit des Plasmabrenners 10 ebenfalls verbessert wird. Es ist zu erkennen, dass, wie in 1 gezeigt ist, der Elektroden-Flüssigkeitskühlkreis und der Düsen-Flüssigkeitskühlkreis wechselseitig miteinander im Innern der Kühleinheit 20 verbunden sind. Der Abstand zwischen dem Plasmabrenner 10 und der Kühleinheit 20 ist jedoch um eine Größenordnung größer im Vergleich zu der Länge der Kühlflüssigkeitskanäle im Innern des Plasmabrenners 10. Aufgrund davon bildet die wechselseitige Verbindung der Kühlflüssigkeitskanäle im Innern der Kühleinheit keinen wesentlichen Grund für eine elektrische Korrosion in dem Plasmabrenner 10.
-
Obwohl ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung oben beschrieben worden ist, ist die vorliegende Erfindung nicht so zu betrachten, dass sie auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sie kann auch in verschiedenen anderen Art und Weisen mit verschiedenen Zusätzen und Abänderungen ausgeführt werden. Im Folgenden werden mehrere abgewandelte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erläutert.
-
Wie in 5 gezeigt ist, wäre es in diesem Plasma bei nahe 10 akzeptabel, einen einzigen gemeinsamen Einlass (beispielsweise eine Einlasskupplung 119) für sowohl die Düsen-Kühlflüssigkeits-Einlassleitung 54 als auch die Elektroden-Kühlflüssigkeits-Einlassleitung 58 vorzusehen. Beispielsweise kann eine Anordnung gewählt werden, bei der die Düsen-Kühlflüssigkeits-Einlassleitung 54 und die Elektroden-Kühlflüssigkeits-Einlassleitung 58 in der Nachbarschaft ihrer Einlässe miteinander integriert sind, um eine einzige gemeinsame Kühlflüssigkeits-Einlassleitung 120 integriert sein, und die Einlasskupplung 119 könnte an dem Einlass dieser gemeinsamen Kühlflüssigkeits-Einlassleitung vorgesehen sein. Eine gemeinsame Kühlflüssigkeitszufuhrleitung (in der Figur nicht gezeigt) käme dann von der Kühleinheit 20 zu dem Plasmabrenner 10, und diese gemeinsame Kühlflüssigkeitszufuhrleitung würde an der Einlasskupplung 119 angeschlossen. Ferner wäre es auch akzeptabel, die Anordnung so zu treffen, dass ein einziger, gemeinsamer Auslass (beispielsweise einer Auslasskupplung 121) sowohl für die Düsen-Kühlflüssigkeits-Einlassleitung 54 als auch die Elektroden-Kühlflüssigkeits-Einlassleitung 58 vorzusehen. Beispielsweise könnte ein Anordnung gewählt werden, bei der die Elektroden-Kühlflüssigkeits-Auslassleitung 62 und die Düsen-Kühlflüssigkeits-Auslassleitung 66 in der Nachbarschaft ihrer Auslässe miteinander integriert sind, um eine einzige, gemeinsame Kühlflüssigkeits-Auslassleitung 122 zu bilden, und die Auslassöffnung 121 kann an dem Auslass der gemeinsamen Kühlflüssigkeits-Auslassleitung 122 vorgesehen sein. Eine gemeinsame Kühlflüssigkeits-Rückführungsleitung (in der Figur nicht gezeigt) käme dann von der Kühleinheit 20 zu dem Plasmabrenner 10, und diese gemeinsame Kühlflüssigkeits-Rückführungsleitung wäre an die Auslasskupplung 121 angeschlossen.
-
Ferner wäre es, wie in 6 gezeigt ist, akzeptabel, dass ein Abschnitt des Elektroden-Kühlflüssigkeitskanals und ein Abschnitt des Düsen-Kühlflüssigkeitskanals wechselseitig in dem Plasmabrenner 10 durch eine Verbindungsleitung 130 miteinander verbunden werden. Es wäre auch akzeptabel, die abgewandelte Ausführung, die in 6 gezeigt ist, mit der abgewandelten Ausführung, die in 5 gezeigt ist, zu kombinieren. Darüber hinaus wäre, wie in 7 gezeigt ist, in dem Plasmabrenner 10 akzeptabel, einerseits die Düsen-Kühlflüssigkeits-Einlassleitung 54 und die Elektroden-Kühlflüssigkeits-Einlassleitung 58 so anzuordnen, dass sie separate Einlässe (beispielsweise die Einlasskupplungen 53 und 67) haben, während die Anordnung andererseits so getroffen ist, dass die Elektroden-Kühlflüssigkeits-Auslassleitung 62 und die Düsen-Kühlflüssigkeits-Auslassleitung 66 einem einzigen, gemeinsamen Auslass (beispielsweise die Auslasskupplung 121) haben.
-
Obwohl in jedem der abgewandelten Ausführungsbeispiele, die in den 5, 6 und 7 gezeigt sind, der Elektroden-Kühlflüssigkeitskanal und der Düsen-Kühlflüssigkeitskanal in dem Plasmabrenner 10 wechselseitig miteinander verbunden sind, stellt dies keineswegs eine Anordnung dar, bei der diese gesamten Kühlflüssigkeitskanäle vollständig in Reihe zueinander in einem einzigen Kühlflüssigkeitskanal geschaltet sind, wie es im Stand der Technik der Fall ist; wenigstens Abschnitte dieser zwei Kühlflüssigkeitskanäle erstreckt sich parallel zueinander, mit anderen Worten unabhängig voneinander. Aufgrund davon gibt der Druckverlust in einem dieser Kühlflüssigkeitskanäle keinen erheblichen Einfluss auf die Flussrate in dem anderen davon aus; mit anderen Worten ist es möglich, die Flussrate in jedem der Kühlkanäle auf einen jeweils geeigneten Wert einzustellen oder einzuregeln. Entsprechend ist es möglich, die Flussrate des Kühlwassers für die Düse auf einen höheren Wert als beim Stand der Technik zu erhöhen. Aus dem Gesichtspunkt, eine elektrische Korrosion zu verhindern, ist jedoch eine Anordnung, wie sie in 2 gezeigt ist, bei der zwei Kühlflüssigkeitskanäle vollständig getrennt voneinander im Innern des Plasmabrenners 10 angeordnet und wechselseitig voneinander isoliert sind, gegenüber den Anordnungen bevorzugt, die in 5 oder in 6 gezeigt sind.
-
Obwohl in dem Beispiel einer Kühlströmungsanordnung, wie sie in 1 gezeigt ist, der Elektroden-Flüssigkeitskühlkreis und der Düsen-Flüssigkeitskühlkreis darüber hinaus separate, individuelle Pumpen 26 und 30 haben, und sie darüber hinaus einen einzigen Kühlflüssigkeitstank 22 und einen einzigen Wärmetauscher 34 gemeinsam haben, ist dies nicht notwendigerweise der Fall. Als ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel wäre es ebenfalls akzeptabel, separate Wärmetauscher für den Elektroden-Flüssigkeitskühlkreis und den Düsen-Flüssigkeitskühlkreis vorzusehen. Beispielsweise wäre es akzeptabel, die Elektroden-Kühlflüssigkeits-Rückführungsleitung 16 und die Düsen-Kühlflüssigkeits-Rückführungsleitung 18, die in 1 gezeigt sind, ohne wechselseitige Verbindung miteinander vollständig separat voneinander vorzusehen, und ihre Auslässe mit den Einlässen separater, einzelner Wärmetauscher zu verbinden. Umgekehrt wäre es akzeptabel, die Anordnung so zu treffen, dass eine einzige gemeinsame Pumpe sowohl für den Elektroden-Flüssigkeitskühlkreis als auch für den Düsen-Flüssigkeitskühlkreis vorzusehen. Beispielsweise wäre es akzeptabel, die Elektroden-Kühlflüssigkeits-Zufuhrleitung 12 und die Düsen-Kühlflüssigkeits-Zufuhrleitung 14, die in 1 gezeigt sind, wechselseitig miteinander zu verbinden und ihren einzigen, gemeinsamen Einlass mit einem Auslass der gemeinsamen Pumpe (beispielsweise mit der Pumpe 26) zu verbinden. In jeder dieser abgewandelten Ausführungen wäre es immer noch möglich, die Flussrate des Kühlwassers in dem Elektroden-Flüssigkeitskühlkreis und die Flussrate in dem Kühlwasser in dem Düsen-Flüssigkeitskühlkreis auf individuelle, charakteristische Werte einzustellen oder einzuregeln (und typischerweise auf Werte, die wechselseitig unterschiedlich zueinander sind).
