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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Düse für einen
flüssigkeitsgekühlten Plasmabrenner, eine Düsenkappe
für einen flüssigkeitsgekühlten Plasmabrenner
sowie einen Plasmabrennerkopf mit derselben/denselben.
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Als
Plasma wird ein thermisch hoch aufgeheiztes elektrisch leitfähiges
Gas bezeichnet, das aus positiven und negativen Ionen, Elektronen
sowie angeregten und neutralen Atomen und Molekülen besteht.
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Als
Plasmagas werden unterschiedliche Gase, zum Beispiel das einatomige
Argon und/oder die zweiatomigen Gase Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff
oder Luft eingesetzt. Diese Gase ionisieren und dissoziieren durch
die Energie eines Lichtbogens. Der durch eine Düse eingeschnürte
Lichtbogen wird dann als Plasmastrahl bezeichnet.
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Der
Plasmastrahl kann in seinen Parametern durch die Gestaltung der
Düse und Elektrode stark beeinflusst werden. Diese Parameter
des Plasmastrahls sind zum Beispiel der Strahldurchmesser, die Temperatur,
Energiedichte und die Strömungsgeschwindigkeit des Gases.
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Beim
Plasmaschneiden beispielsweise wird das Plasma durch eine Düse,
die gas- oder wassergekühlt sein kann, eingeschnürt.
Dadurch können Energiedichten bis 2 × 106 W/cm2 erreicht
werden. Im Plasmastrahl entstehen Temperaturen bis 30.000°C, die
in Verbindung mit der hohen Strömungsgeschwindigkeit des
Gases sehr hohe Schneidgeschwindigkeiten an Werkstoffen realisieren.
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Plasmabrenner
können direkt oder indirekt betrieben werden. Bei der direkten
Betriebsweise fließt der Strom von der Stromquelle über
die Elektrode des Plasmabrenners, den mittels Lichtbogen erzeugten
und durch die Düse eingeschnürten Plasmastrahl
direkt über das Werkstück zur Stromquelle zurück.
Mit der direkten Betriebsweise können elektrisch leitfähige
Materialien geschnitten werden.
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Bei
der indirekten Betriebsweise fließt der Strom von der Stromquelle über
die Elektrode des Plasmabrenners, den mittels Lichtbogen erzeugten und
durch die Düse eingeschnürten Plasmastrahl und
die Düse zurück zur Stromquelle. Dabei wird die Düse
noch stärker belastet als bei direktem Plasmaschneiden,
da sie nicht nur den Plasmastrahl einschnürt, sondern auch
den Ansatzpunkt des Lichtbogens realisiert. Mit der indirekten Betriebsweise
können sowohl elektrisch leitende als auch nicht leitende Materialien
geschnitten werden.
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Wegen
der hohen thermischen Belastung der Düse wird diese in
der Regel aus einem metallischen Werkstoff, vorzugsweise wegen seiner
hohen elektrischen Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit
aus Kupfer, hergestellt. Gleiches gilt für den Elektrodenhalter,
der aber auch aus Silber hergestellt sein kann. Die Düse
wird dann in einem Plasmabrenner, dessen Hauptbestandteile ein Plasmabrennerkopf,
eine Düsenkappe, ein Plasmagasführungsteil, eine
Düse, eine Düsenhalterung, eine Elektrodenaufnahme,
ein Elektrodenhalter mit Elektrodeneinsatz und bei modernen Plasmabrennern
eine Düsenschutzkappenhalterung und eine Düsenschutzkappe
sind, eingesetzt. Der Elektrodenhalter fixiert einen spitzen Elektrodeneinsatz
aus Wolfram, der für den Einsatz nicht oxidierender Gase
als Plasmagas, zum Beispiel ein Argon-Wasserstoff-Gemisch geeignet
ist. Eine sogenannte Flachelektrode, deren Elektrodeneinsatz beispielsweise
aus Hafnium besteht, ist auch für den Einsatz oxidierender
Gase als Plasmagas, zum Beispiel Luft oder Sauerstoff, geeignet.
Um eine hohe Lebensdauer für die Düse zu erreichen,
wird diese hier mit einer Flüssigkeit, zum Beispiel Wasser,
gekühlt. Das Kühlmittel wird über einen
Wasservorlauf zur Düse hin- und einen Wasserrücklauf
von der Düse weggeführt und durchströmt
dabei einen Kühlmittelraum, der durch die Düse
und die Düsenkappe begrenzt wird.
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In
DD 36014 B1 ist
eine Düse beschrieben. Diese besteht aus einem gut leitenden
Werkstoff, zum Beispiel Kupfer, und hat eine dem jeweiligen Plasmabrennertyp
zugeordnete geometrische Form, zum Beispiel einen konisch ausgebildeten
Entladungsraum mit einem zylindrischen Düsenausgang. Die äußere
Form der Düse ist als Konus ausgebildet, wobei eine annähernd
gleiche Wanddicke erzielt wird, die so bemessen ist, dass eine gute
Stabilität der Düse und eine gute Wärmeleitung
zum Kühlmittel gewährleistet ist. Die Düse
sitzt in einem Düsenhalter. Der Düsenhalter besteht
aus korrosionsfestem Material, zum Beispiel Messing, und hat innen
eine Zentrieraufnahme für die Düse sowie eine
Nut für einen Dichtungsgummi, der den Entladungsraum gegen
das Kühlmittel abdichtet. Weiterhin befinden sich im Düsenhalter
um 180° versetzte Bohrungen für den Kühlmittelzu-
und -rücklauf. Auf dem äußeren Durchmesser
des Düsenhalters befinden sich eine Nut für einen
Rundgummi zur Abdichtung des Kühlmittelraums gegenüber
der Atmosphäre sowie ein Gewinde und eine Zentrieraufnahme
für eine Düsenkappe. Die Düsenkappe,
ebenfalls aus korrosionsfestem Material, zum Beispiel Messing, ist
spitzwinklig ausgebildet und hat eine zur Ableitung von Strahlungswärme
an das Kühlmittel zweckmäßig bemessene Wandstärke.
Der kleinste innere Durchmesser ist mit einem Rundring versehen.
Als Kühlmittel wird am einfachsten Wasser verwendet. Diese
Anordnung soll eine einfache Herstellung der Düsen bei
sparsamem Materialeinsatz und ein schnelles Auswechseln dieser sowie
durch die spitzwinklige Bauform ein Schwenken des Plasmabrenners
gegenüber dem Werkstück und damit Schrägschnitte
ermöglichen.
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In
DE-OS 1 565 638 wird
ein Plasmabrenner, vorzugsweise zum Plasmaschmelzschneiden von Werkstoffen
und zur Schweißkantenvorbereitung, beschrieben. Die schlanke
Form des Brennerkopfes wird durch die Verwendung einer besonders
spitzwinkligen Schneiddüse erreicht, deren innerer und äußerer
Winkel untereinander gleich und auch gleich dem inneren und äußeren
Winkel der Düsenkappe sind. Zwischen der Düsenkappe
und der Schneiddüse wird ein Kühlmittelraum gebildet,
in dem die Düsenkappe mit einem Bund versehen ist, welcher
mit der Schneiddüse metallisch dichtet, so dass dadurch ein
gleichmäßiger Ringspalt als Kühlmittelraum
entsteht. Die Zu- und Abführung des Kühlmittels,
im allgemeinen Wasser, erfolgt durch zwei um 180° gegeneinander
versetzt angeordnete Schlitze im Düsenhalter.
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In
DE 25 25 939 wird ein Plasmalichtbogenbrenner,
insbesondere zum Schneiden oder Schweißen, beschrieben,
bei dem der Elektrodenhalter und der Düsenkörper
eine austauschbare Baueinheit bilden. Die äußere
Kühlmittelzuführung wird im wesentlichen durch
eine den Düsenkörper umfassende Überwurfkappe
gebildet. Das Kühlmittel strömt über Kanäle
in einen Ringraum, welcher durch den Düsenkörper
und die Überwurfkappe gebildet wird.
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DE 692 33 071 T2 betrifft
eine Lichtbogen-Plasmaschneidvorrichtung. Es wird darin eine Ausführungsform
einer Düse für einen Plasmalichtbogen-Schneidbrenner
beschrieben, die aus einem leitenden Material gebildet ist und eine
Austrittsöffnung für einen Plasmagasstrahl und
einen hohlen Körperabschnitt, der so ausgebildet ist, dass
er eine im allgemeinen konische dünnwandige Konfiguration hat,
die in Richtung auf die Austrittsöffnung geneigt ist und
einen vergrößerten Kopfabschnitt aufweist, der
einstückig mit dem Körperabschnitt ausgebildet ist,
wobei der Kopfabschnitt massiv mit Ausnahme eines zentralen Kanals
ist, der mit der Austrittsöffnung fluchtet und eine im
allgemeinen konische Außenfläche aufweist, die
auch in Richtung auf die Austrittsöffnung geneigt ist und
einen Durchmesser angrenzend an den des benachbarten Körperabschnitts
besitzt, der den Durchmesser des Körperabschnitts übersteigt,
um eine zurückgeschnittene Aussparung zu bilden. Die Lichtbogen-Plasmaschneidvorrichtung besitzt
eine Sekundärgaskappe. Weiterhin ist zwischen der Düse
und der Sekundärgaskappe eine wassergekühlte Kappe
angeordnet, um eine wassergekühlte Kammer für
die äußere Fläche der Düse für ein
hochwirksames Kühlen zu bilden. Die Düse ist durch
einen großen Kopf, der eine Austrittsöffnung für
den Plasmastrahl umgibt, und einen scharfen Hinterschnitt oder eine
Aussparung zu einem konischen Körper gekennzeichnet. Diese
Düsenkonstruktion begünstigt das Kühlen
der Düse.
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Bei
den vorangehend beschriebenen Plasmabrennern wird das Kühlmittel über
einen Wasservorlaufkanal zur Düse hin- und über
einen Wasserrücklaufkanal von der Düse weggeführt.
Diese Kanäle sind meist um 180° zueinander versetzt
und das Kühlmittel soll auf dem Weg vom Vor- zum Rücklauf die
Düse möglichst gleichmäßig umspülen.
Dennoch werden immer wieder Überhitzungen in der Nähe
des Düsenkanals festgestellt.
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Eine
andere Kühlmittelführung für einen Brenner,
vorzugsweise Plasmabrenner, insbesondere für Plasmaschweiß-,
Plasmaschneid-, Plasmaschmelz- und Plasmaspritzzwecke, die hohen
thermischen Beanspruchungen der Düse und der Katode standhält,
ist in
DD 83890 B1 beschrieben.
Hier ist für die Kühlung der Düse ein
in das Düsenhalteteil leicht einsetzbarer und herausnehmbarer
Kühlmedienleitring angeordnet, der zur Begrenzung der Kühlmedienführung
auf eine dünne Schicht von maximal 3 mm Dicke entlang der äußeren
Düsenwand eine umlaufende Formnut aufweist, in die mehr
als eine, vorzugsweise zwei bis vier, und sternförmig zu
dieser radial und symmetrisch zur Düsenachse und sternförmig
zu dieser mit einem Winkel zwischen 0 und 90° angebrachte
Kühlleitungen so einmünden, dass sie von je zwei
Kühlmedienabflüssen und jeder Kühlmedienabfluss
von zwei Kühlmedienzuflüssen benachbart ist.
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Diese
Anordnung hat wiederum den Nachteil, dass ein höherer Aufwand
für die Kühlung durch die Verwendung eines zusätzlichen
Bauteils, den Kühlmedienleitring, notwendig ist. Außerdem
vergrößert sich dadurch die gesamte Anordnung.
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Der
Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, auf einfache Weise eine Überhitzung
in der Nähe des Düsenkanals bzw. der Düsenbohrung
zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe gelöst durch einen Plasmabrennerkopf, umfassend:
- – eine Düse nach einem der
Ansprüche 1 bis 19,
- – eine Düsenhalterung zur Halterung der Düse, und
eine
Düsenkappe, vorzugsweise nach einem der Ansprüche
20 bis 22, wobei die Düsenkappe und die Düse einen
Kühlflüssigkeitsraum bilden, der über zwei
jeweils um 60° bis 180° versetzte Bohrungen mit einer
Kühlflüssigkeitszulaufleitung bzw. Kühlflüssigkeitsrücklaufleitung
verbindbar ist, wobei die Düsenhalterung so gestaltet ist,
dass die Kühlflüssigkeit nahezu senkrecht zur
Längsachse des Plasmabrennerkopfes auf die Düse
treffend in den Kühlflüssigkeitsraum und/oder
nahezu senkrecht zur Längsachse aus dem Kühlflüssigkeitsraum
in die Düsenhalterung gelangt.
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Weiterhin
liefert die vorliegende Erfindung eine Düse für
einen flüssigkeitsgekühlten Plasmabrenner, umfassend
eine Düsenbohrung für den Austritt eines Plasmagasstrahls
an einer Düsenspitze, einen ersten Abschnitt, dessen Außenfläche
im wesentlichen zylindrisch ist, und einen sich daran zur Düsenspitze
anschließenden zweiten Abschnitt, dessen Außenfläche
sich zur Düsenspitze hin im wesentlichen kegelförmig
verjüngt, wobei a) mindestens eine Flüssigkeitszulaufnut
vorgesehen ist und sich über einen Teil des ersten Abschnitts
und über den zweiten Abschnitt in der Außenfläche
der Düse zur Düsenspitze hin erstreckt und genau
eine von der bzw. den Flüssigkeitszulaufnut(en) separate
Flüssigkeitsrücklaufnut vorgesehen ist und sich über
den zweiten Abschnitt erstreckt, oder b) genau eine Flüssigkeitszulaufnut
vor gesehen ist und sich über einen Teil des ersten Abschnitts
und über den zweiten Abschnitt in der Außenfläche
der Düse zur Düsenspitze hin erstreckt und mindestens
eine von der Flüssigkeitszulaufnut separate Flüssigkeitsrücklaufnut
vorgesehen ist und sich über den zweiten Abschnitt erstreckt.
Mit im wesentlich zylindrisch soll gemeint sein, dass die Außenfläche
zumindest bei Wegdenken der Nuten, wie Flüssigkeitszulauf-
und -rücklaufnuten, im Großen und Ganzen zylindrisch
ist. In analoger Weise soll „im wesentlichen kegelig verjüngt” bedeuten,
dass die Außenfläche zumindest bei Wegdenken der
Nuten, wie Flüssigkeitszulauf- und -rücklaufnuten,
im Großen und Ganzen kegelig vejüngt ist.
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Darüber
hinaus stellt die vorliegende Erfindung eine Düsenkappe
für einen flüssigkeitsgekühlten Plasmabrenner
bereit, wobei die Düsenkappe eine sich im wesentlichen
kegelförmig verjüngende Innenfläche aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche der Düsenkappe
in einer radialen Ebene mindestens zwei Ausnehmungen aufweist.
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsform des Plasmabrennerkopfes weist
die Düse ein oder zwei Kühlflüssigkeitszulaufnut(en)
auf, und weist die Düsenkappe auf ihrer Innenfläche
mindestens zwei, insbesondere genau drei, Ausnehmungen, deren zur Düse
gewandten Öffnungen sich jeweils über eine Bogenlänge
(b2) erstrecken, auf, wobei die Bogenlänge
der in Umfangsrichtung an die Kühlflüssigkeitszulaufnut(en)
angrenzenden, gegenüber der bzw. den Kühlflüssigkeitszulaufnut(en)
nach außen hervorstehenden Bereiche der Düse jeweils
größer als die Bogenlänge (d4, e4) ist.
Auf diese Weise wird ein Nebenschluss vom Kühlmittelzulauf
zum Kühlmittelrücklauf besonders elegant vermieden.
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Weiterhin
kann bei dem Plasmabrennerkopf vorgesehen sein, dass sich die beiden
Bohrungen jeweils im wesentlichen parallel zur Langsachse des Plasmabrennerkopfes
erstrecken. Dadurch wird erreicht, dass Kühlflüssigkeitsleitungen
platzsparend an den Plasmabrennerkopf angeschlossen werden können.
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Insbesondere
können die Bohrungen für die Kühlflüssigkeitszulauf
an den Kühflüssigkeitsrücklauf um 180° versetzt
angeordnet sein.
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Vorteilhafterweise
ist das Bogenmaß des Abschnitts zwischen den Ausnehmungen
der Düsenkappe maximal halb so groß wie das minimale
Bogenmaß der Kühlflüssigkeitsrücklaufnut
oder das minimale Bogenmaß der Kühlflüssigkeitszulaufnut(en) der
Düse.
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Günstigerweise
kann sich bei der Düse die Flüssigkeitsrücklaufnut(en)
auch über einen Teil des ersten Abschnitts in der Außenfläche
der Düse erstrecken.
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In
einer besonderen Ausführungsform der Düse sind
im Fall a) mindestens zwei Flüssigkeitszulaufnuten und
im Fall b) mindestens zwei Flüssigkeitsrücklaufnuten
vorgesehen.
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Vorteilhafterweise
sind der Mittelpunkt der Flüssigkeitszulaufnut und der
Mittelpunkt der Flüssigkeitsrücklaufnut um 180° versetzt
zueinander über den Umfang der Düse angeordnet.
Mit anderen Worten liegen die Flüssigkeitszulaufnut und
die Flüssigkeitsrücklaufnut einander gegenüber.
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Vorteilhafterweise
liegt im Fall a) die Breite der Flüssigkeitsrücklaufnut
und im Fall b) die Breite der Flüssigkeitszulaufnut in
Umgangsrichtung im Bereich von 90° bis 270°. Durch
eine derartige besonders breite Flüssigkeitsrück-
bzw. -zulaufnut lässt sich eine besonders gute Kühlung
der Düse erreichen.
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Zweckmäßigerweise
befindet sich im Fall a) im ersten Abschnitt der Düse eine
Nut, die mit der Flüssigkeitszulaufnut in Verbindung und
im Fall b) im ersten Abschnitt der Düse eine Nut, die mit
der Flüssigkeitsrücklaufnut in Verbindung steht.
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Es
kann vorgesehen sein, dass sich im Fall a) die Nut in Umfangsrichtung
des ersten Abschnitts der Düse über den gesamten
Umfang erstreckt.
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Insbesondere
kann dabei vorgesehen sein, dass sich im Fall a) die Nut in Umfangsrichtung
des ersten Abschnitts der Düse über einen Winkel
von 60° bis 300° und im Fall b) die Nut in Umfangsrichtung
des ersten Abschnitts der Düse über einen Winkel
im Bereich von 60° bis 300° erstreckt.
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Insbesondere
kann dabei vorgesehen sein, dass sich im Fall a) diese Nut in Umfangsrichtung
des ersten Abschnitts der Düse über einen Winkel
im Bereich von 90° bis 270° und im Fall b) die
Nut in Umfangrichtung des ersten Abschnitts der Düse über
einen Winkel im Bereich von 90° bis 270° erstreckt.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform der Düse sind im
Fall a) genau zwei Flüssigkeitszulaufnuten und im Fall
b) genau zwei Flüssigkeitsrücklaufnuten vorgesehen.
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Insbesondere
können im Fall a) die beiden Flüssigkeitszulaufnuten über
den Umfang der Düse symmetrisch zu einer Geraden angeordnet
sein, die sich vom Mittelpunkt der Flüssigkeitsrücklaufnut
im rechten Winkel durch die Langsachse der Düse erstreckt
und im Fall b) die beiden Flüssigkeitsrücklaufnuten über
den Umfang der Düse symmetrisch zu einer Geraden angeordnet
sind, die sich vom Mittelpunkt der Flüssigkeitszulaufnut
im rechten Winkel durch die Längsachse der Düse
erstreckt.
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Vorteilhafterweise
sind im Fall a) die Mittelpunkte der beiden Flüssigkeitszulaufnuten
und im Fall b) die Mittelpunkte der beiden Flüssigkeitsrücklaufnuten
um einen Winkel versetzt zueinander über den Umfang der
Düse angeordnet, der im Bereich von 30° bis 180° liegt.
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Vorteilhafterweise
liegt im Fall a) die Breite der Flüssigkeitsrücklaufnut
und im Fall b) die Breite der Flüssigkeitszulaufnut in
Umfangsrichtung im Bereich von 120° bis 270°.
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Außerdem
kann vorgesehen sein, dass im Fall a) die beiden Flüssigkeitszulaufnuten
im ersten Abschnitt der Düse miteinander in Verbindung
und im Fall b) die beiden Flüssigkeitsrücklaufnuten
im ersten Abschnitt der Düse miteinander in Verbindung
stehen.
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Ferner
kann vorgesehen sein, dass im Fall a) die beiden Flüssigkeitszulaufnuten
im ersten Abschnitt der Düse durch eine Nut miteinander
in Verbindung und im Fall b) die beiden Flüssigkeitsrücklaufnuten
im ersten Abschnitt der Düse durch eine Nut in Verbindung
stehen.
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Zweckmäßigerweise
geht die Nut im Fall a) über eine der oder beide Flüssigkeitszulaufnuten
und im Fall b) die Nut über eine der oder beide Flüssigkeitsrücklaufnuten
hinaus.
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Es
kann vorgesehen sein, dass sich im Fall a) die Nut in Umfangsrichtung
des ersten Abschnitts der Düse über den gesamten
Umfang erstreckt.
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Insbesondere
kann dabei vorgesehen sein, dass sich die Nut in Umfangsrichtung
des ersten Abschnitts der Düse über einen Winkel
im Bereich von 60° bis 300° erstreckt.
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Insbesondere
kann dabei vorgesehen sein, dass sich die Nut in Umfangsrichtung
des ersten Abschnitts der Düse über einen Winkel
im Bereich von 90° bis 270° erstreckt.
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Der
Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde,
dass durch Zuführen und/oder Abführen der Kühlflüssigkeit
im rechten Winkel zur Längsachse des Plasmabrennerkopfes
statt – wie im Stand der Technik – parallel zur
Längsachse des Plasmabrennerkopfes, eine bessere Kühlung
der Düse durch deutlich längeren Kontakt der Kühlflüssigkeit
mit der Düse erzielt wird.
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Wenn
mehr als eine Kühlflüssigkeitszulaufnut vorgesehen
sind, so lässt sich damit im Bereich der Düsenspitze
eine besonders gute Verwirbelung der Kühlflüssigkeit
durch das Aufeinandertreffen der Kühlflüssigkeitsströme
erzielen, die üblicherweise auch mit einer besseren Kühlung
der Düse einhergeht.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten
Ansprüchen und der nachstehenden Beschreibung, in der mehrere Ausführungsbeispiele
anhand der schematischen Zeichnungen im einzelnen erläutert
sind. Dabei zeigt:
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1 eine
Längsschnittansicht durch einen Plasmabrennerkopf mit Plasma-
und Sekundärgaszuführung mit einer Düse
und einer Düsenkappe gemäß einer besonderen
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
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1a eine
Schnittdarstellung entlang der Linie A-A von 1;
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1b eine
Schnittdarstellung entlang der Linie B-B von 1;
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2 Einzeldarstellungen
(links oben: Draufsicht von vorne; rechts oben: Längsschnittansicht;
rechts unten: Seitenansicht) der Düse von 1;
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3 eine
Längsschnittansicht durch einen Plasmabrennerkopf mit Plasma-
und Sekundärgaszuführung mit einer Düse
und einer Düsenkappe gemäß einer weiteren
besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3a eine Schnittdarstellung entlang der Linie
A-A von 3;
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3b eine
Schnittdarstellung entlang der Linie B-B von 3
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4 Einzeldarstellungen
(links oben: Draufsicht von vorne; rechts oben: Längsschnittansicht;
rechts unten: Seitenansicht) der Düse von 3;
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5 eine
Längsschnittansicht durch einen Plasmabrennerkopf mit Plasma-
und Sekundärgaszuführung mit einer Düse
und einer Düsenkappe gemäß einer weiteren
besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
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5a eine
Schnittdarstellung entlang der Linie A-A von 5;
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5b eine
Schnittdarstellung entlang der Linie B-B von 5;
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6 Einzeldarstellungen
(links oben: Draufsicht von vorne; rechts oben: Längsschnittansicht;
rechts unten: Seitenansicht) der Düse von 5;
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7 eine
Längsschnittansicht durch einen Plasmabrennerkopf mit Plasma-
und Sekundärgaszuführung mit einer Düse
gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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7a eine
Schnittdarstellung entlang der Linie A-A von 7;
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7b eine
Schnittdarstellung entlang der Linie B-B von 7;
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8 Einzeldarstellungen
(links oben: Draufsicht von vorne; rechts oben: Längsschnittansicht;
rechts unten: Seitenansicht) der Düse von 7;
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9 eine
Längsschnittansicht durch einen Plasmabrennerkopf mit Plasma-
und Sekundärgaszuführung mit einer Düse
gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung
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9a eine
Schnittdarstellung entlang der Linie A-A von 9;
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9b eine
Schnittdarstellung entlang der Linie B-B von 9;
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10 Einzeldarstellungen
(links oben: Draufsicht von vorne; rechts oben: Längsschnittansicht;
rechts unten: Seitenansicht) der Düse von 9;
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11 eine
Längsschnittansicht durch einen Plasmabrennerkopf mit Plasma-
und Sekundärgaszuführung mit einer Düse
gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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11a eine Schnittdarstellung entlang der Linie
A-A von 11;
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11b eine Schnittdarstellung entlang der Linie
B-B von 11;
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12 Einzeldarstellungen
(links oben: Draufsicht von vorne; rechts oben: Längsschnittansicht;
rechts unten: Seitenansicht) der Düse von 11;
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13 Einzeldarstellungen
(links oben: Draufsicht von vorne; rechts oben: Längsschnittansicht;
rechts unten: Seitenansicht) Düse gemäß einer weiteren
besonderen Ausführungsform der Erfindung;
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14 Einzeldarstellungen
(links: Längsschnittansicht; rechts: Draufsicht von vorne)
der Düsenkappe von 1, 3 und 5 sowie 11;
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15 Einzeldarstellungen
(links: Längsschnittansicht; rechts: Draufsicht von vorne)
einer Düsenkappe gemäß einer besonderen
Ausführungsform der Erfindung;
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16 Einzeldarstellungen
(links: Längsschnittansicht; rechts: Draufsicht von vorne)
einer Düsenkappe gemäß einer weiteren
speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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In
der nachfolgenden Beschreibung werden Ausführungsformen
gezeigt, die mindestens eine Flüssigkeitslaufnut, hier
als Kühlflüssigkeitszulaufnut bezeichnet und genau
eine Flüssigkeitsrücklaufnut, hier als Kühlflüssigkeitsrücklaufnut
bezeichnet, aufweisen. Die Erfindung ist darauf jedoch nicht beschränkt.
Genauso gut können die Anzahl an Flüssigkeitszulaufnuten
und Flüssigkeitsrückaufnuten vertauscht werden
bzw. umgekehrt sein.
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Der
in den 1 gezeigte Plasmabrennerkopf 1 nimmt
mit einer Elektrodenaufnahme 6 eine Elektrode 7 im
vorliegenden Fall über ein Gewinde (nicht dargestellt)
auf. Die Elektrode ist als Flachelektrode ausgebildet. Für
den Plasmabrenner kann zum Beispiel Luft oder Sauerstoff als Plasmagas
(PG) verwendet werden. Eine Düse 4 wird von einer
im Wesentlichen zylindrischen Düsenhalterung 5 aufgenommen.
Eine Düsenkappe 2, die über ein Gewinde (nicht
dargestellt) am Plasmabrennerkopf 1 befestigt ist, fixiert
die Düse 4 und bildet mit dieser einen Kühlflüssigkeitsraum 10.
Der Kühlflüssigkeitsraum 10 wird durch
eine mit einem Rundring 4.16 realisierte Dichtung, der
sich in einer Nut 4.15 der Düse 4 befindet,
zwischen der Düse 4 und der Düsenkappe 2 abgedichtet.
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Ein
Kühlflüssigkeit, z. B. Wasser oder mit Gefrierschutzmittel
versetztes Wasser durchströmt den Kühlflüssigkeitsraum 10 von
einer Bohrung des Kühlflüssigkeitsvorlaufs WV
zu einer Bohrung des Kühlflüssigkeitsrücklaufs
WR, wobei die Bohrungen um 180° zueinander versetzt angeordnet
sind.
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Bei
Plasmabrennern im Stand der Technik kommt es immer wieder zur Überhitzung
der Düse 4 im Bereich der Düsenbohrung 4.10.
Es kann aber auch zu Überhitzungen zwischen dem zylindrischen Abschnitt
der Düse 4 und der Düsenhalterung 5 kommen.
Dies trifft insbesondere auf Plasmabrenner, die mit hohem Pilotstrom
oder indirekt betrieben werden, zu. Dies zeigt sich durch Verfärbung
des Kupfers nach kurzer Betriebszeit. Hier treten schon bei Strömen
von 40 A Verfärbungen nach kurzer Zeit (z. B. 5 Minuten)
auf. Ebenso wird die Dichtstelle zwischen Düse 4 und
Düsenkappe 2 überlastet, was zur Beschädigung
des Rundrings 4.16 und damit zur Undichtigkeit und Kühlflüssigkeitsaustritt
führt. Untersuchungen haben ergeben, dass dieser Effekt
besonders auf der dem Kühlflüssigkeitsrücklauf
zugewandten Seite der Düse 4 auftritt. Es wird
angenommen, das der thermisch am höchsten beanspruchte
Bereich, die Düsenbohrung 4.10 der Düse 4 unzureichend
gekühlt wird, weil die Kühlflüssigkeit
den der Düsenbohrung am nächsten liegenden Teil 10.20 des Kühlflüssigkeitsraumes 10 unzureichend
durchströmt und/oder diesen insbesondere auf der dem Kühlflüssigkeitsrücklauf
zugewandten Seite gar nicht erreicht.
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Im
vorliegenden Plasmabrenner nach 1 wird die
Kühlflüssigkeit nahezu senkrecht zur Längsachse
des Plasmabrennerkopfes 1 von der Düsenhalterung 5 auf
die Düse 4 treffend in den Kühlflüssigkeitsraum 10 geleitet.
Dazu wird in einem Umlenkraum 10.10 des Kühlflüssigkeitsraums 10 die
Kühlflüssigkeit von der zur Längsachse
parallelen Richtung in der Bohrung des Kühlflüssigkeitsvorlaufs
WV des Plasmabrenners in Richtung erster Düsenabschnitt 4.1 (s. 2)
nahezu senkrecht zur Längsachse der Plasmabrennerkopfes 1 umgelenkt.
Danach strömt die Kühlflüssigkeit durch
den von einer Kühlflüssigkeitsvorlaufnut 4.20 (s. 11a, 11b und 2)
der Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildeten
Raum 10.11 in den die Düsenbohrung 4.10 umgebenden
Bereich 10.20 des Kühlflüssigkeitsraums 10 und
umströmt die Düse 4 dort. Dann strömt die
Kühlflüssigkeit durch einen von einer Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 der
Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildeten
Raum 10.15 zurück zum Kühlflüssigkeitsrücklauf
WR, wobei der Übergang hier im Wesentlichen parallel zur
Längsachse des Plasmabrennerkopfes erfolgt.
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Weiterhin
ist der Plasmabrennerkopf 1 mit einer Düsenschutzkappenhalterung 8 und
einer Düsenschutzkappe 9 ausgestattet. Durch diesen
Bereich strömt das Sekundärgas SG, in den Plasmastrahl
umgibt. Das Sekundärgas SG durchströmt eine Sekundärgasführung 9.1 und
kann durch diese in Rotation versetzt werden.
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1a zeigt
eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A des Plasmabrenners
aus 1. Diese zeigt, wie der durch die Kühlflüssigkeitszulaufnut 4.20 der
Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildeter Raum 10.11 durch
Abschnitte 4.41 und 4.42 von hervorstehenden Bereichen 4.31 und 4.32 der
Düse 4 in Kombination mit den Innenfläche 2.5 der
Düsenkappe 2 einen Nebenschluss zwischen dem Kühlflüssigkeitsvorlauf
und Kühlflüssigkeitsrücklauf verhindern. Damit
in jeder Stellung der Düse 4 zur Düsenkappe 2 zueinander
der Nebenschluss der Kühlflüssigkeit verhindert
wird, müssen die Bogenmaße d4 und e4 der Abschnitte 4.41 und 4.42 der
hervorstehenden Bereiche 4.31 und 4.32 der Düse 4 mindestens
genauso groß sein wie das Bogenmaß b2 zur Düse
gewandter Ausnehmungen 2.6 der Düsenkappe 2 (s. 14 bis 16).
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So
wird eine wirksame Kühlung der Düse 4 im
Bereich der Düsenspitze erreicht und eine thermische Überlastung
verhindert. Es wird sichergestellt, dass möglichst viel
Kühlflüssigkeit den Raum 10.20 des Kühlmittelraums 10 erreicht.
Es kam bei Versuchen zu keiner Verfärbung der Düse
im Bereich der Düsenbohrung 4.10 mehr. Auch traten
Undichtigkeiten zwischen der Düse 4 und der Düsenkappe 2 nicht mehr
auf und der Rundring 4.16 wurde nicht überhitzt.
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1b beinhaltet
eine Schnittdarstellung entlang der Linie B des Plasmabrennerkopfes
aus 1, die die Ebene des Umlenkraums 10.10 zeigt.
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2 zeigt
die Düse 4 des Plasmabrennerkopfes aus 1.
Sie verfügt über eine Düsenbohrung 4.10 für
den Austritt eines Plasmagasstrahls an einer Düsenspitze 4.11,
einen ersten Abschnitt 4.1, dessen Außenfläche 4.4 im
wesentlichen zylindrisch ist, und einen sich daran zur Düsenspitze 4.11 anschließenden
zweiten Abschnitt 4.2, dessen Außenfläche 4.5 sich
zur Düsenspitze 4.11 hin im wesentlichen kegelförmig
verjüngt. Die Kühlflüssigkeitszulaufnut 4.20 erstreckt
sich über einen Teil des ersten Abschnitts 4.1 und über
den zweiten Abschnitt 4.2 in der Außenfläche 4.5 der
Düse 4 zur Düsenspitze 4.11 hin
und endet vor der zylindrischen Außenfläche 4.3. Die
Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 erstreckt
sich über den zweiten Abschnitt 4.2 der Düse 4.
Der Mittelpunkt der Kühlflüssigkeitszulaufnut 4.20 und
der Mittelpunkt der Kühlflüssigkeitsrücklaufnut
(4.22) sind um 180° versetzt zueinander über
den Umfang der Düse (4) angeordnet. Die Breite
alpha 4 der Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 in
Umfangsrichtung beträgt ca. 250°. Zwischen der
Kühlflüssigkeitsvorlaufnut 4.20 und der
Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 befinden
sich die nach außen hervorstehenden Bereichen 4.31 und 4.32 mit
den dazu gehörigen Abschnitten 4.41 und 4.42.
-
3 zeigt
einen Plasmabrenner ähnlich 1, aber
gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform.
Die Düse 4 verfügt über zwei
Kühlflüssigkeitszulaufnuten 4.20 und 4.21.
Auch hier wird die Kühlflüssigkeit nahezu senkrecht
zur Längsachse des Plasmabrennerkopfes 1 von der
Düsenhalterung 5 auf die Düse 4 treffend
in den Kühlflüssigkeitsraum 10 geleitet.
Dazu wird im Umlenkraum 10.10 des Kühlflüssigkeitsraums 10 die
Kühlflüssigkeit von der zur Längsachse
parallelen Richtung in der Bohrung des Kühlflüssigkeitsvorlaufs
WV des Plasmabrenners in Richtung erster Düsenabschnitt 4.1 nahezu senkrecht
zur Längsachse der Plasmabrennerkopfes 1 umgelenkt.
Dann strömt die Kühlflüssigkeit durch eine
Nut 5.1 der Düsenhalterung 5 in die beiden durch
die von den Kühlflüssigkeitszulaufnuten 4.20 und 4.21 der
Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildeten
Räume 10.11 und 10.12 zum die Düsenbohrung 4.10 umgebenden
Bereich 10.20 des Kühlflüssigkeitsraums 10 und
umströmt die Düse 4 dort. Danach strömt
die Kühlflüssigkeit durch den von der Kühlflüssigkeitsrücklauf nut 4.22 der
Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildeten
Raum 10.15 zum Kühlflüssigkeitsrücklauf
WR zurück, wobei der Übergang hier im Wesentlichen
parallel zur Längsachse des Plasmabrennerkopfes erfolgt.
-
3a beinhaltet eine Schnittdarstellung entlang
der Linie A-A des Plasmabrenners aus 3 und zeigt,
wie die durch die Kühlflüssigkeitszulaufnuten 4.20 und 4.21 der
Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildeten
Räume 10.11 und 10.12 durch die Abschnitte 4.41 und 4.42 der
hervorstehenden Bereiche 4.31 und 4.32 der Düse 4 in
Kombination mit den Innenfläche 2.5 der Düsenkappe 2 einen
Nebenschluss zwischen dem Kühlflüssigkeitsvorlauf
und Kühlflüssigkeitsrücklauf verhindern.
Gleichzeitig wird ein Nebenschluss zwischen den Räumen 10.11 und 10.12 durch
den Abschnitt 4.43 des hervorstehenden Bereichs 4.33 verhindert.
Damit in jeder Stellung der Düse 4 zur Düsenkappe 2 zueinander
der Nebenschluss der Kühlflüssigkeit verhindert
wird, müssen die Bogenmaße d4 und e4 der Abschnitte 4.41 und 4.42 der
Düse 4 mindestens genauso groß sein wie das
Bogenmaß b2 zur Düse gewandter Ausnehmungen 2.6 der
Düsenkappe 2 (s. 14 bis 16).
-
3b ist
eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B des Plasmabrenners
aus 3, die die Ebene des Umlenkraums 10.10 und
die Verbindung mit beiden Kühlflüssigkeitszuläufen 4.20 und 4.21 durch
die Nut 5.1 in der Düsenhalterung 5 zeigt.
-
4 zeigt
die Düse 4 des Plasmabrennerkopfes aus 3.
Sie verfügt über eine Düsenbohrung 4.10 für
den Austritt eines Plasmagasstrahls an einer Düsenspitze 4.11,
einen ersten Abschnitt 4.1, dessen Außenfläche 4.4 im
wesentlichen zylindrisch ist, und einen sich daran zur Düsenspitze 4.11 anschließenden
zweiten Abschnitt 4.2, dessen Außenfläche 4.5 sich
zur Düsenspitze 4.11 hin im wesentlichen kegelförmig
verjüngt. Die Kühlflüssigkeitszulaufnuten 4.20 und 4.21 erstrecken
sich über einen Teil des ersten Abschnitts 4.1 und über
den zweiten Abschnitt 4.2 in der Außenfläche 4.5 der
Düse 4 zur Düsenspitze 4.11 hin
und enden vor der zylindrischen Außenfläche 4.3.
Die Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 erstreckt
sich über den zweiten Abschnitt 4.2 der Düse 4.
Die Breite alpha 4 der Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 in
Umfangsrichtung beträgt ca. 190°. Zwischen den
Kühlflüssigkeitszulaufnuten 4.20; 4.21 und der
Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 befinden sich
die nach außen hervorstehenden Bereichen 4.31; 4.32 und 4.33 mit
den dazu gehörigen Abschnitten 4.41; 4.42 und 4.43.
-
5 zeigt
einen Plasmabrenner ähnlich 3, aber
gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform.
Die Düse 4 verfügt über zwei
Kühlflüssigkeitszulaufnuten 4.20 und 4.21 (s. 5a).
Auch hier wird die Kühlflüssigkeit nahezu senkrecht
zur Längsachse des Plasmabrennerkopfes 1 von der
Düsenhalterung 5 auf die Düse 4 treffend
in den Kühlflüssigkeitsraum 10 geleitet.
Dazu wird im Umlenkraum 10.10 des Kühlflüssigkeitsraums 10 die
Kühlflüssigkeit von der zur Längsachse
parallelen Richtung in der Bohrung des Kühlflüssigkeitsvorlaufs
WV des Plasmabrenners in Richtung erster Düsenabschnitt 4.1 nahezu
senkrecht zur Längsachse der Plasmabrennerkopfes 1 umgelenkt.
Dann strömt die Kühlflüssigkeit durch
eine Nut 4.6 der Düse 4 in die beiden
durch die von den Kühlflüssigkeitsvorlaufnuten 4.20 und 4.21 der
Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildeten
Räume 10.11 und 10.12 zum die Düsenbohrung 4.10 umgebenden
Bereich 10.20 des Kühlfüssigkeitsraums 10 und
umströmt die Düse 4 dort. Danach strömt
die Kühlflüssigkeit durch den von der Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 der
Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildeten
Raum 10.15 zum Kühlflüssigkeitsrücklauf
WR zurück, wobei der Übergang hier im Wesentlichen
parallel zur Längsachse des Plasmabrennerkopfes erfolgt.
-
5a ist
die Schnittdarstellung entlang der Linie A-A des Plasmabrenners
aus 5, die zeigt, wie die durch die Kühlflüssigkeitsvorlaufnuten 4.20 und 4.21 der
Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildeten
Räume 10.11 und 10.12 durch die Abschnitte 4.41 und 4.42 der
hervorstehenden Bereiche 4.31 und 4.32 der Düse 4 in
Kombination mit der Innenfläche 2.5 der Düsenkappe 2 einen
Nebenschluss zwischen dem Kühlflüssigkeitsvorlauf
und Kühlflüssigkeitsrücklauf verhindern.
Gleichzeitig wird ein Nebenschluss zwischen den Räumen 10.11 und 10.12 durch
den Abschnitt 4.43 des hervorstehenden Bereichs 4.33 verhindert.
Damit in jeder Stellung der Düse 4 zur Düsenkappe 2 zueinander
der Nebenschluss der Kühlflüssigkeit verhindert
wird, müssen die Bogenmaße d4 und e4 der Abschnitte 4.41 und 4.42 der
Düse 4 mindestens genauso groß sein wie das
Bogenmaß b2 zur Düse gewandter Ausnehmungen 2.6 der
Düsenkappe 2.
-
5b ist
eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B des Plasmabrenners
aus 5, die die Ebene des Umlenkraums 10.10 und
die Verbindung mit beiden Kühlflüssigkeitszuläufen
durch die Nut 4.6 in der Düse 4 zeigt.
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6 zeigt
die Düse 4 des Plasmabrennerkopfes aus 5.
Sie verfügt über eine Düsenbohrung 4.10 für
den Austritt eines Plasmagasstrahls an einer Düsenspitze 4.11,
einen ersten Abschnitt 4.1, dessen Außenfläche 4.4 im
wesentlichen zylindrisch ist, und einen sich daran zur Düsenspitze 4.11 anschließenden
zweiten Abschnitt 4.2, dessen Außenfläche 4.5 sich
zur Düsenspitze 4.11 hin im wesentlichen kegelförmig
verjüngt. Die Kühlflüssigkeitszulaufnuten 4.20 und 4.21 erstrecken
sich über einen Teil des ersten Abschnitts 4.1 und über
den zweiten Abschnitt 4.2 in der Außenfläche 4.5 der
Düse 4 zur Düsenspitze 4.11 hin
und enden vor der zylindrischen Außenfläche 4.3.
Die Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 erstreckt
sich über den zweiten Abschnitt 4.2 der Düse 4.
Die Breite alpha 4 der Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 in
Umfangsrichtung beträgt ca. 190°. Zwischen den
Kühlflüssigkeitsnuten 4.20; 4.21 und
der Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 befinden
sich die nach außen hervorstehenden Bereichen 4.31; 4.32 und 4.33 mit
den dazu gehörigen Abschnitten 4.41; 4.42 und 4.43.
Die Kühlflüssigkeitszulaufnuten 4.20 und 4.21 sind
durch die Nut 4.6 der Düse miteinander verbunden.
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7 stellt
einen Plasmabrennerkopf gemäß einer weiteren speziellen
Ausführungsform der Erfindung dar. Auch hier wird die Kühlflüssigkeit
nahezu senkrecht zur Langsachse des Plasmabrennerkopfes 1 von
einer Düsenhalterung 5 auf die Düse 4 treffend
in einen Kühlflüssigkeitsraum 10 geleitet. Dazu
wird im Umlenkraum 10.10 des Kühlflüssigkeitsraums 10 die
Kühlflüssigkeit von der zur Langsachse parallelen
Richtung in der Bohrung des Kühlflüssigkeitsvorlaufs
WV des Plasmabrenners in Richtung erster Düsenabschnitt 4.1 nahezu
senkrecht zur Langsachse der Plasmabrennerkopfes 1 umgelenkt. Danach
strömt die Kühlflüssigkeit durch einen
von einer Kühlflüssigkeitszulaufnut 4.20 der
Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildeten
Raum 10.11 (s. 7a) in den
die Düsenbohrung 4.10 umgebenden Bereich 10.20 des
Kühlflüssigkeitsraums 10 und umströmt die
Düse 4 dort. Danach strömt die Kühlflüssigkeit durch
einen von einer Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 der
Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildeten Raum 10.15 zurück
zum Kühlflüssigkeitsrücklauf WR, wobei
der Übergang hier nahezu senkrecht zur Längsachse
des Plasmabrennerkopfes, durch einen Umlenkraum 10.10 erfolgt.
-
7a ist
eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A des Plasmabrenners
aus 7, die zeigt, wie der durch die Kühlflüssigkeitszulaufnut 4.20 der
Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildete Raum 10.11 durch
die Abschnitte 4.41 und 4.42 der hervorstehenden
Bereiche 4.31 und 4.32 der Düse 4 in
Kombination mit der Innenfläche der Düsenkappe 2 einen
Nebenschluss zwischen dem Kühlflüssigkeitsvorlauf
und Kühlflüssigkeitsrücklauf verhindern.
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7b ist
eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B des Plasmabrennerkopfes
aus 7, die die Ebene der Umlenkräume 10.10 zeigt.
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8 zeigt
die Düse 4 des Plasmabrennerkopfes aus 7.
Sie verfügt über eine Düsenbohrung 4.10 für
den Austritt eines Plasmagasstrahls an einer Düsenspitze 4.11,
einen ersten Abschnitt 4.1, dessen Außenfläche 4.4 im
wesentlichen zylindrisch ist, und einen sich daran zur Düsenspitze 4.11 anschließenden
zweiten Abschnitt 4.2, dessen Außenfläche 4.5 sich
zur Düsenspitze 4.11 hin im wesentlichen kegelförmig
verjüngt. Die Kühlflüssigkeitszulaufnut 4.20 und
die Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 erstrecken
sich über einen Teil des ersten Abschnitts 4.1 und über
den zweiten Abschnitt 4.2 in der Außenfläche 4.5 der
Düse 4 zur Düsenspitze 4.11 hin
und enden vor der zylindrischen Außenfläche 4.3.
Der Mittelpunkt der Kühlflüssigkeitszulaufnut 4.20 und der
Mittelpunkt der Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 sind
um 180° versetzt zueinander über den Umfang der
Düse 4 angeordnet und gleich groß. Zwischen der
Kühlflüssigkeitsvorlaufnut 4.20 und der
Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 befinden
sich die nach außen hervorstehenden Bereichen 4.31 und 4.32 mit den
dazu gehörigen Abschnitten 4.41 und 4.42.
-
Die 9 zeigt
einen Plasmabrennerkopf gemäß einer weiteren speziellen
Ausführungsform der Erfindung. Die Düse 4 verfügt über
zwei Kühlflüssigkeitsvorlaufnuten 4.20 und 4.21.
Auch hier wird die Kühlflüssigkeit nahezu senkrecht
zur Längsachse des Plasmabrennerkopfes 1 von der
Düsenhalterung 5 auf die Düse 4 treffend
in den Kühlflüssigkeitsraum 10 geleitet.
Dazu wird in einem Umlenkraum 10.10 des Kühlflüssigkeitsraums 10 die
Kühlflüssigkeit von der zur Längsachse
parallelen Richtung in der Bohrung des Kühlflüssigkeitsvorlaufs
WV des Plasmabrenners in Richtung erster Düsenabschnitt 4.1 nahezu
senkrecht zur Längsachse des Plasmabrennerkopfes 1 umgelenkt.
Dann strömt die Kühlflüssigkeit durch
eine Nut 5.1 der Düsenhalterung 5 in
die beiden durch die von den Kühlflüssigkeitszulaufnuten 4.20 und 4.21 der
Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildeten
Räume 10.11 und 10.12 zum die Düsenbohrung 4.10 umgebenden
Bereich 10.20 des Kühlflüssigkeitsraums 10 und
umströmt die Düse 4 dort. Danach strömt
die Kühlflüssigkeit durch den von der Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 der
Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildeten
Raum 10.15 zum Kühlflüssigkeitsrücklauf
WR zurück, wobei der Übergang hier nahezu senkrecht
zur Längsachse des Plasmabrennerkopfes, durch einen Umlenkraum 10.10 erfolgt.
-
9a ist
eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A des Plasmabrenners
aus 9, die zeigt, wie der durch die Kühlflüssigkeitszulaufnuten 4.20 und 4.21 der
Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildeten
Räume 10.11 und 10.12 durch die Abschnitte 4.41 und 4.42 der
hervorstehenden Bereiche 4.31 und 4.32 der Düse 4 in
Kombination mit den Innenfläche der Düsenkappe 2 einen
Nebenschluss zwischen dem Kühlflüssigkeitsvorlauf
und Kühlflüssigkeitsrücklauf verhindern.
Gleichzeitig wird ein Nebenschluss zwischen den Räumen 10.11 und 10.12 durch
den Abschnitt 4.43 des hervorstehenden Bereichs 4.33 verhindert.
-
9b ist
eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B des Plasmabrennerkopfes
aus 9, die die Ebene der Umlenkräume 10.10 zeigt
und die Verbindung mit beiden Kühlflüssigkeitsvorläufen 4.20 und 4.21 durch
die Nut 5.1 in der Düsenhalterung 5 zeigt.
-
10 zeigt
die Düse 4 des Plasmabrennerkopfes aus 9.
Sie verfügt über eine Düsenbohrung 4.10 für
den Austritt eines Plasmagasstrahls an einer Düsenspitze 4.11,
einen ersten Abschnitt 4.1, dessen Außenfläche 4.4 im
wesentlichen zylindrisch ist, und einen sich daran zur Düsenspitze 4.11 anschließenden
zweiten Abschnitt 4.2, dessen Außenfläche 4.5 sich
zur Düsenspitze 4.11 hin im wesentlichen kegelförmig
verjüngt. Die Kühlflüssigkeitszulaufnuten 4.20 und 4.21 erstrecken
sich über einen Teil des ersten Abschnitts 4.1 und über
den zweiten Abschnitt 4.2 in der Außenfläche 4.5 der
Düse 4 zur Düsenspitze 4.11 hin
und enden vor der zylindrischen Außenfläche 4.3.
Die Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 erstreckt
sich über den zweiten Abschnitt 4.2 und den ersten
Abschnitt 4.1 in der Außenfläche 4.5 der
Düse 4. Zwischen den Kühlflüssigkeitsvorlaufnuten 4.20; 4.21 und
der Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 befinden
sich die nach außen hervorstehenden Bereichen 4.31; 4.32 und 4.33 mit
den dazu gehörigen Abschnitten 4.41; 4.42 und 4.43.
-
11 zeigt
einen Plasmabrennerkopf ähnlich 5, aber
gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform
der Erfindung. Die Bohrungen des Kühlflüssigkeitsvorlauf
WV und des Kühlflüssigkeitsrücklaufs
sind in einem Winkel von 90° versetzt angeordnet. Die Düse 4 verfügt über
zwei Kühlflüssigkeitszulaufnuten 4.20 und 4.21 und
eine in Umfangrichtung des ersten Abschnitts 4.1 sich über
dem gesamten Umfang erstreckende und die Kühlflüssigkeitszulaufnuten
verbindende Nut 4.6. Die Kühlflüssigkeit wird
nahezu senkrecht zur Längsachse des Plasmabrennerkopfes 1 von
der Düsenhalterung 5 auf die Düse 4 treffend
in den Kühlflüssigkeitsraum 10 geleitet.
Dazu wird im Umlenkraum 10.10 des Kühlflüssigkeitsraums 10 die
Kühlflüssigkeit von der zur Längsachse
parallelen Richtung in der Bohrung des Kühlflüssigkeitsvorlaufs
WV des Plasmabrenners in Richtung erster Düsenabschnitt 4.1 nahezu
senkrecht zur Längsachse der Plasmabrennerkopfes 1 umgelenkt. Dann
strömt die Kühlflüssigkeit durch die
Nut 4.6, die sich in Umfangrichtung des ersten Abschnitts 4.1 der Düse 4 auf
einem Teilumfang zwischen den Nuten 4.20 und 4.21,
d. h. über ca. 300° erstreckt, in die beiden durch
die von den Kühlflüssigkeitsvorlaufnuten 4.20 und 4.21 der
Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildeten
Räume 10.11 und 10.12 zum die Düsenbohrung 4.10 umgebenden
Bereich 10.20 des Kühlflüssigkeitsraums 10 und
umströmt die Düse 4 dort. Danach strömt
die Kühlflüssigkeit durch den von der Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 der
Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildeten
Raum 10.15 zum Kühlflüssigkeitsrücklauf
WR zurück, wobei der Übergang hier im Wesentlichen
parallel zur Längsachse des Plasmabrennerkopfes erfolgt.
-
11a ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie
A-A des Plasmabrenners aus 11, die zeigt,
wie die durch die Kühlflüssigkeitszulaufnuten 4.20 und 4.21 der
Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildeten
Räume 10.11 und 10.12 durch die Abschnitte 4.41 und 4.42 der
her vorstehenden Bereiche 4.31 und 4.32 der Düse 4 in
Kombination mit den Innenfläche 2.5 der Düsenkappe 2 einen
Nebenschluss zwischen dem Kühlflüssigkeitsvorlauf
und Kühlflüssigkeitsrücklauf verhindern.
Gleichzeitig wird ein Nebenschluss zwischen den Räumen 10.11 und 10.12 durch
den Abschnitt 4.43 des hervorstehenden Bereichs 4.33 verhindert.
Damit in jeder Stellung der Düse 4 zur Düsenkappe 2 zueinander
der Nebenschluss der Kühlflüssigkeit verhindert
wird, müssen die Bogenmaße d4 und e4 der Abschnitte 4.41 und 4.42 der
Düse 4 mindestens genauso groß sein wie das
Bogenmaß b2 zur Düse gewandter Ausnehmungen 2.6 der
Düsenkappe 2.
-
11b ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie
B-B des Plasmabrenners aus 11, die die
Ebene des Umlenkraums 10.10 und die Verbindung mit beiden
Kühlflüssigkeitsvorläufe durch die über
ca. 300° umlaufende Nut 4.6 in der Düse 4 und die
um 90° versetzt angeordneten Bohrungen für den Kühlflüssigkeitsvorlauf
WV und den Kühlflüssigkeitsrücklauf WR
zeigt.
-
12 zeigt
die Düse 4 des Plasmabrennerkopfes aus 11.
Sie verfügt über eine Düsenbohrung 4.10 für
den Austritt eines Plasmagasstrahls an einer Düsenspitze 4.11,
einen ersten Abschnitt 4.1, dessen Außenfläche 4.4 im
wesentlichen zylindrisch ist, und einen sich daran zur Düsenspitze 4.11 anschließenden
zweiten Abschnitt 4.2, dessen Außenfläche 4.5 sich
zur Düsenspitze 4.11 hin im wesentlichen kegelförmig
verjüngt. Die Kühlflüssigkeitszulaufnuten 4.20 und 4.21 erstrecken
sich über einen Teil des ersten Abschnitts 4.1 und über
den zweiten Abschnitt 4.2 in der Außenfläche 4.5 der
Düse 4 zur Düsenspitze 4.11 hin
und enden vor der zylindrischen Außenfläche 4.3.
Die Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 erstreckt
sich über den zweiten Abschnitt 4.2 der Düse 4.
Zwischen den Kühlflüssigkeitszulaufnuten 4.20; 4.21 und
der Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 befinden
sich die nach außen hervorstehenden Bereichen 4.31; 4.32 und 4.33 mit
den dazu gehörigen Abschnitten 4.41; 4.42 und 4.43.
Die Kühlflüssigkeitszulaufnuten 4.20 und 4.21 sind
durch eine in Umfangrichtung des ersten Abschnitts 4.1 der
Düse 4 auf einem Teilumfang zwischen den Nuten 4.20 und 4.21,
d. h. über ca. 300° erstreckende Nut 4.6 der Düse
miteinander verbunden. Dies ist besonders für die Kühlung
des Übergangs zwischen der Düsenhalterung 5 und
der Düse 4 vorteilhaft.
-
13 zeigt
eine Düse gemäß einer weiteren speziellen
Ausführungsform der Erfindung, die in den Plasmabrennerkopf
nach 8 eingesetzt werden kann. Die Kühlflüssigkeitszulaufnut 4.20 ist
mit einer Nut 4.6 verbunden, die sich in Umfangsrichtung über
den gesamten Umfang erstreckt. Dies hat den Vorteil, dass die Bohrung
für den Kühlflüssigkeitsvorlauf WV und
den Kühlflüssigkeitsrücklauf WR im Plasmabrennerkopf
nicht um genau 180° versetzt angeordnet sein müssen,
sondern auch wie zum Beispiel in 11 dargestellt
um 90° versetzt angeordnet sein können. Außerdem
ist dies für die Kühlung des Übergangs
zwischen der Düsenhalterung 5 und der Düse 4 vorteilhaft.
Gleiches kann natürlich auch für eine Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 genutzt
werden.
-
14 zeigt
eine Düsenkappe 2 gemäß einer
besonderen Ausführungsform der Erfindung. Die Düsenkappe 2 weist
eine sich im Wesentlichen kegelförmig verjüngende
Innenfläche 2.2 auf, die in diesem Fall in einer
radialen Ebene 14 Ausnehmungen 2.6 aufweist. Die
Ausnehmungen 2.6 sind äquidistant über
den Innenumfang angeordnet und im Radialschnitt halbkreisförmig.
-
Die
in den 15 und 16 gezeigten
Düsenkappen gemäß weiteren besonderen
Ausführungsformen der Erfindung unterscheiden sich von der
in 14 gezeigten Ausführungsform in der Gestalt
der Ausnehmungen 2.6. Die Ausnehmungen 2.6 in 15 sind
in der dort gezeigten Ansicht zur Düsenspitze hin kegelstumpfförmig,
wobei in 16 die kegelstumpfförmige
Gestalt etwas abgerundet ist.
-
Die
in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den
Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung werden in
sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für
die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen
wesentlich sein.
-
- 1
- Plasmabrennerkopf
- 2
- Düsenkappe
- 2.1
- Abschnitt
1 der Düsenkappe
- 2.2
- Innenfläche
des Abschnitts 2.1
- 2.4
- Abschnitt
2 der Düsenkappe 2
- 2.5
- Innenfläche
des Abschnitts 2 zwischen den Ausnehmungen 2.6
- 2.6
- Ausnehmungen
der Düsenkappe
- 2.7
- Innenfläche
des Abschnitts 2 der Düsenkappe 2
- 3
- Plasmagasführung
- 4
- Düse
- 4.1
- zylindrischer
Abschnitt der Düse 4
- 4.2
- kegelige
Abschnitt der Düse 4
- 4.3
- zylindrische
Außenfläche der Düse 4
- 4.4
- zylindrische
Außenfläche der Düse 4
- 4.5
- kegelige
Außenfläche der Düse 4
- 4.6
- Verbindungsnut
der Düse 4
- 4.10
- Düsenbohrung
- 4.11
- Düsenspitze
- 4.15
- Nut
- 4.16
- Rundring
- 4.20
- Kühlflüssigkeitszulaufnut
der Düse 4
- 4.21
- Kühlflüssigkeitszulaufnut
der Düse 4
- 4.22
- Kühlflüssigkeitsrücklaufnut
der Düse 4
- 4.31
- nach
außen hervorstehender Bereich der Düse 4
- 4.32
- nach
außen hervorstehender Bereich der Düse 4
- 4.33
- nach
außen hervorstehender Bereich der Düse 4
- 4.41
- Abschnitt
des Bereichs 4.31
- 4.42
- Abschnitt
des Bereichs 4.32
- 4.43
- Abschnitt
des Bereichs 4.33
- 5
- Düsenhalterung
- 5.1
- Nut
in Düsenhalterung
- 6
- Elektrodenaufnahme
- 7
- Elektrode
- 8
- Düsenschutzkappenhalterung
- 9
- Düsenschutzkappe
- 9.1
- Sekundärgasführung
- 10
- Kühlflüssigkeitsraum
- 10.10
- Umlenkraum
des Kühlflüssigkeitsraums 10
- 10.11
- Teil
der Kühlflüssigkeitsraums 10 (gebildet
durch Kühlflüssigkeitszulaufnut 4.20,
Düse 4 und Düsenkappe 2)
- 10.12
- Teil
der Kühlflüssigkeitsraums 10 (gebildet
durch Kühlflüssigkeitszulaufnut 4.21,
Düse 4 und Düsenkappe 2)
- 10.15
- Teil
der Kühlflüssigkeitsraums 10 (gebildet
durch Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22,
Düse 4 und Düsenkappe)
- 10.20
- Teil
des Kühlflüssigkeitsraums 10
- M
- Mittelachse
der Düse 4 bzw. des Plasmabrennerkopfes 1
- PG
- Plasmagas
- SG
- Sekundärgas
- WR
- Kühlflüssigkeitsrücklauf
- WV
- Kühlflüssigkeitsvorlauf
- r1
- Radius
der Düse 4
- r11
- Radius
der Düse 4
- r12
- Radius
der Düse 4
- r21
- Radius
der Düse 4
- r22
- Radius
der Düse 4
- alpha
2
- Mittelpunktswinkel
der Ausnehmungen 2.6 der Düsenkappe 2
- beta
2
- Winkel
der Ausnehmungen 2.6 der Düsenkappe 2
- delta
2
- Winkel
des konischen Teils der Ausnehmungen 2.6
- gamma
2
- Winkel
der Innenflächen des Abschnitts zwischen den Ausnehmungen 2.6 der
Düsenkappe 2
- alpha
4
- Winkel
der Kühlflüssigkeitsrücklaufnut der Düse 4
- beta
4
- Winkel
der Kühlflüssigkeitszulaufnut der Düse 4
- gamma
4
- Winkel
der Bereichs 4.43
- delta
4
- Winkel
der Bereichs 4.41
- epsilon
4
- Winkel
der Bereichs 4.42
- a2
- Bogenmaß zwischen
den Symmetrieachsen der Ausnehmungen 2.6
- der
- Düsenkappe 2
- b2
- Bogenmaß der
Ausnehmungen 2.6 der Düsenkappe 2
- c2
- Bogenmaß der
Innenflächen des Abschnitts 2 zwischen den Ausnehmungen 2.6 der
Düsenkappe 2
- a4
- Bogenmaß der
Kühlflüssigkeitsrücklaufnut der Düse 4
- b4
- Bogenmaß der
Kühlflüssigkeitszulaufnut der Düse 4
- c4
- Bogenmaß des
Bereichs 4.43
- d4
- Bogenmaß des
Bereichs 4.41
- e4
- Bogenmaß des
Bereichs 4.42
- n
- Anzahl
der Ausnehmungen 2.6
- t1
- Tiefe
des zylindrischen Teils der Ausnehmungen 2.6
- t2
- Tiefe
des konischen Teils der Ausnehmungen 2.6
- R
- Radius
des halbkreisförmigen Teils der Ausnehmungen 2.6
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DD 36014 B1 [0009]
- - DE 1565638 A [0010]
- - DE 2525939 [0011]
- - DE 69233071 T2 [0012]
- - DD 83890 B1 [0014]