-
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 62/211,293, eingereicht am 28. August 2015, und der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 62/241,077, eingereicht am 13. Oktober 2015, deren Offenbarungen hiermit in vollem Umfang durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen werden.
-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die Erfindung betrifft eine Elektrode nach Anspruch 1, 7, 10 und 15 sowie einen Plasmaschneidbrenner nach Anspruch 6 und 12. Vorrichtungen, Systeme und Verfahren gemäß der Erfindung betreffen das Schneiden, und betreffen insbesondere Vorrichtungen, Systeme und Verfahren im Zusammenhang mit Plasmalichtbogenschneidbrenner und deren Komponenten.
-
TECHNISCHER HINTERGRUND
-
In vielen Schneid-, Spritz- und Schweißoperationen werden Plasmalichtbogenbrenner verwendet. Mittels dieser Brenner wird ein Plasmagasstrahl mit einer hohen Temperatur in die Umgebungsatmosphäre ausgesendet. Die Strahlen werden von einer Düse ausgesendet, und wenn sie die Düse verlassen, so sind die Strahlen hochgradig unterexpandiert und sehr fokussiert. Jedoch sind aufgrund der hohen Temperaturen, die mit dem ionisierten Plasmastrahl einhergehen, viele der Komponenten des Brenners störungsanfällig. Solche Störungen können die Funktionstüchtigkeit des Brenners erheblich beeinträchtigen und können eine ordnungsgemäße Lichtbogenzündung am Beginn eines Schneidvorgangs verhindern.
-
Weitere Einschränkungen und Nachteile herkömmlicher, traditioneller und vorgeschlagener Lösungsansätze erkennt der Fachmann durch Vergleichen solcher Lösungsansätze mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die im übrigen Teil der vorliegenden Anmeldung mit Bezug auf die Zeichnungen dargelegt sind.
-
BESCHREIBUNG
-
Zur Verbesserung der Funktionstüchtigkeit einers Brenners schlägt die Erfindung eine Elektrode nach Anspruch 1, 7, 10 und 15 vor und einem Plasmaschneidbrenner nach Anspruch 6 und 12. Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft einen Plasmabrenner und seine Komponenten, die dafür ausgelegt sind, Leistung und Langlebigkeit des Brenners zu verbessern. Genauer gesagt, können beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Elektroden- und Katodenkonfiguration haben.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die obigen und/oder weitere Aspekte der Erfindung werden deutlicher erkennbar, indem im Detail beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben werden, in denen Folgendes zu sehen ist:
-
1 ist eine schaubildhafte Darstellung eines beispielhaften Schneidsystems, das mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
-
2 ist eine schaubildhafte Darstellung eines Abschnitts des Kopfes eines Brenners, der bekannte Komponenten verwendet;
-
3A und 3B sind schaubildhafte Darstellungen eines Abschnitts des Kopfes einer beispielhaften Ausführungsform eines luftgekühlten Brenners der vorliegenden Erfindung;
-
4A und 4B sind schaubildhafte Darstellungen einer beispielhaften Ausführungsform einer Elektrode der vorliegenden Erfindung;
-
5A und 5B sind schaubildhafte Darstellungen einer beispielhaften Ausführungsform einer Katode der vorliegenden Erfindung;
-
6 ist eine schaubildhafte Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines flüssigkeitsgekühlten Brenners der vorliegenden Erfindung;
-
7 ist eine schaubildhafte Darstellung einer vergrößerten Ansicht von Komponenten des Brenners von 6;
-
8 ist eine schaubildhafte Darstellung einer Schraubverbindung, die mit Ausführungsformen des in 6 gezeigten Brenners verwendet werden kann;
-
9 ist eine schaubildhafte Darstellung der in 6 gezeigten Elektrode;
-
10A bis 10C sind eine schaubildhafte Darstellung eines alternativen beispielhaften Verbindungsverfahrens zwischen einer beispielhaften Katode und Elektrode der vorliegenden Erfindung; und
-
11A und 11B sind eine schaubildhafte Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Schraubverbindung zwischen einer Elektrode und Katode.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
Wir befassen uns nun ausführlich mit verschiedenen und alternativen beispielhaften Ausführungsformen und den begleitenden Zeichnungen, wobei gleiche Bezugszahlen im Wesentlichen identische Strukturelemente bezeichnen. Jedes Beispiel dient lediglich dem Zweck der Erläuterung und nicht der Einschränkung. Dem Fachmann leuchtet ein, dass Modifizierungen und Abänderungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen oder Schutzumfang der Offenbarung und der Ansprüche abzuweichen. Zum Beispiel können Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben sind, auch in einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um eine neue Ausführungsform zu erhalten. Es ist daher beabsichtigt, dass die vorliegende Offenbarung Modifizierungen und Abänderungen enthält, insofern sie in den Geltungsbereich der beiliegenden Ansprüche und ihrer Äquivalente fallen.
-
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Plasmalichtbogenbrenner, die sich für verschiedene Schneid-, Schweiß- und Spritzarbeiten eignen. Genauer gesagt, betreffen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung luftgekühlte Plasmalichtbogenbrenner, während andere flüssigkeitsgekühlte Ausführungsformen betreffen. Natürlich können einige der im vorliegenden Text beschriebenen Merkmale in beiden Brennerkonfigurationen verwendet werden, ohne die Neuheit der beispielhaften Ausführungsformen zu schmälern. Weitere beispielhafte Ausführungsformen betreffen luftgekühlte Plasmalichtbogenbrenner, die Rückzugs-Lichtbogenbrenner sind. Wie dem Fachmann allgemein bekannt ist, sind Rückzugs-Lichtbogenbrenner Brenner, bei denen die Elektrode zum Zweck der Lichtbogenzündung in Kontakt mit der Düse steht und dann die Elektrode von der Düse zurückgezogen wird, so dass der Lichtbogen dann durch einen Hals der Düse gerichtet wird. Bei anderen Arten von Rückzugsbrennern bleibt die Elektrode stationär, und die Düse wird bewegt. Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auf beide Arten Anwendung finden. Aufbau und Funktionsweise dieser Brenner sowie flüssigkeitsgekühlter Brenner sind allgemein bekannt, weshalb ihr Aufbau und ihre Funktionsweise hier nicht im Einzelnen erörtert werden. Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können entweder in handgehaltenen oder mechanisierten Plasmaschneidarbeiten verwendet werden. Es ist zu beachten, dass die folgende Besprechung zum Zweck der Kürze und Klarheit beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ins Auge fasst, die sich vor allem auf einen handgehaltenen Plasmabrenner zum Schneiden beziehen. Jedoch sind die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung diesbezüglich nicht beschränkt, und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch in Schweiß- und Spritzbrennern verwendet werden, ohne vom Wesen oder Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Gewünschtenfalls sind verschiedene Arten und Größen von Brennern für variierende Leistungspegel möglich. Beispielsweise können beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Schneidvorgängen verwendet werden, die einen Schneidstrom im Bereich von 40 bis 100 Ampere verwenden und Werkstücke mit einer Dicke von bis zu 0,075 Inch schneiden können, und in anderen Ausführungsformen Werkstücke mit einer Dicke von bis zu 1,5 Inch schneiden können. Des Weiteren könnten die im vorliegenden Text beschriebenen Brenner und Komponenten zum Markieren, Schneiden oder Metallabtragen verwendet werden. Zusätzlich können beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit variierenden Strömen und variierenden Leistungspegeln verwendet werden. Aufbau und Nutzung von Luftkühlmittelsystemen des Typs, der mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, sind bekannt und brauchen im vorliegenden Text nicht ausführlich besprochen zu werden.
-
Wir wenden uns nun 1 zu, wo ein beispielhaftes Schneidsystem 100 gezeigt ist. Das System 100 enthält eine Stromversorgung 10, die ein Gehäuse 12 mit einer angeschlossenen Brennerbaugruppe 14 enthält. Das Gehäuse 12 enthält die verschiedenen herkömmlichen Komponenten zum Steuern eines Plasmalichtbogenbrenners, wie zum Beispiel eine Stromversorgung, einen Plasmastartkreis, Luftregler, Sicherungen, Transistoren, Eingangs- und Ausgangsanschlüsse für Strom und Gas, Steuereinheiten, Leiterplatten usw. Die Brennerbaugruppe 14 ist an einer Vorderseite 16 des Gehäuses angebracht. Die Brennerbaugruppe 14 enthält in ihrem Inneren elektrische Verbinder, um eine Elektrode und eine Düse innerhalb des Brenner-Endes 18 mit elektrischen Verbindern in dem Gehäuse 12 bis verbinden. Es können separate elektrische Pfade für einen Pilotlichtbogen und einen Arbeitslichtbogen bereitgestellt werden, wobei Schaltelemente in dem Gehäuse 12 angeordnet sind. Eine Gaszuleitung ist ebenfalls innerhalb der Brennerbaugruppe vorhanden, um das Gas, das der Plasmalichtbogen wird, zu der Brennerspitze zu übertragen, wie später noch besprochen wird. Verschiedene Nutzereingabevorrichtungen 20, wie zum Beispiel Knöpfe, Schalter und/oder Stellknaufe, können an dem Gehäuse 12 zusammen mit verschiedenen elektrischen und Gasverbindern bereitgestellt werden.
-
Es versteht sich, dass das in 1 veranschaulichte Gehäuse 12 lediglich ein einzelnes Beispiel einer Plasmalichtbogenbrennervorrichtung ist, die Aspekte der im vorliegenden Text offenbarten erfinderischen Konzepte verwenden könnte. Dementsprechend darf die obige allgemeine Offenbarung und Beschreibung im Hinblick auf die Arten oder Größen von Plasmalichtbogenbrennervorrichtungen, die die offenbarten Brennerelemente verwenden könnten, in keiner Weise als einschränkend angesehen werden.
-
Wie in 1 gezeigt, enthält die Brennerbaugruppe 14 einen Verbinder 22 an einem Ende zum Anbringen an einem komplementären Verbinder 23 des Gehäuses 12. Bei einer derartigen Verbindung werden die verschiedenen elektrischen und Gasdurchgänge, die durch den Schlauchabschnitt 24 der Brennerbaugruppe 14 hindurch verlaufen, so verbunden, dass die relevanten Abschnitte des Brenners 200 mit den relevanten Abschnitten in dem Gehäuse 12 verbunden werden. Der in 1 gezeigte Brenner 200 hat einen Verbinder 201 und ist vom handgehaltenen Typ, aber wie oben erläutert, kann der Brenner 200 auch vom mechanisierten Typ sein. Der allgemeine Aufbau des Brenners 200, wie zum Beispiel Handgriff, Auslöser usw., kann dem Aufbau bekannter Brenner ähneln und braucht im vorliegenden Text nicht ausführlich besprochen zu werden. Jedoch befinden sich innerhalb des Brenner-Endes 18 die Komponenten des Brenners 200, die das Erzeugen und Aufrechterhalten des Lichtbogens für Schneidzwecke ermöglichen, und einige dieser Komponenten werden unten ausführlicher besprochen. Genauer gesagt, gehören zu einigen der unten besprochenen Komponenten die Brennerelektrode, die Düse, die Abschirmung und der Drallring.
-
2 zeigt den Querschnitt eines beispielhaften Brennerkopfes 200a eines bekannten Aufbaus. Es ist anzumerken, dass einige der Komponenten des Brennerkopfes 200a aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nicht gezeigt sind. Wie gezeigt, enthält der Brenner 200a einen Katodenkörper 203, an den eine Elektrode 205 elektrisch gekoppelt ist. Die Elektrode 205 ist in einen innenseitigen Hohlraum einer Düse 213 eingesetzt, wo die Düse 213 in einem Drallring 211 sitzt, der mit einer Isolatorstruktur 209 gekoppelt ist, die den Drallring, die Düse usw. von dem Katodenkörper 203 isoliert. Die Düse 213 wird durch die Haltekappenbaugruppe 217a–c an ihrem Platz gehalten. Wie zuvor erläutert, ist dieser Aufbau allgemein bekannt.
-
Wie gezeigt, hat die Elektrode 205 einen Gewindeabschnitt 205a, der die Elektrode 205 in den Katodenkörper 203 hineinschraubt. Die Elektrode 205 hat außerdem einen mittigen helixförmigen Abschnitt 205b. Der helixförmige Abschnitt 205b hat eine helixförmige grobe gewindeartige Struktur, die für einen Luftstrom um die Sektion 205b herum sorgt. Jedoch ist aufgrund dieser Sektion ein bestimmtes Werkzeug erforderlich, um die Elektrode 205 aus dem Katodenkörper 203 herauszunehmen. Stromabwärts des mittigen Abschnitts 205b befindet sich ein zylindrisches Abschnitt 205c, der sich zu dem distalen Ende 205d der Elektrode 205 erstreckt. Wie gezeigt, ist der zylindrische Abschnitt so in die Düse 213 eingesetzt, dass das distale Ende 205d nahe dem Hals 213b der Düse 213 liegt. Der zylindrische Abschnitt kann eine flache Fläche an dem mittigen Abschnitt 205b enthalten, so dass ein Spezialwerkzeug an die Elektrode 205 angesetzt werden kann, um sie aus der Katode herauszulösen. In der Regel enthält der Übergang von dem zylindrischen Abschnitt 205c zu dem distalen Ende 205d einen gekrümmten Rand, der einer flachen Endfläche an dem distalen Ende 205d vorausgeht. In einem Rückzugsstartbrenner steht diese flache Endfläche in Kontakt mit der Innenfläche der Düse 213, um den Lichtbogenstart zu initiieren. Sobald der Lichtbogen entzündet ist, wird die Elektrode 205 zurückgezogen, und ein Spalt entsteht zwischen der Elektrode 205 und der Düse 213 (wie gezeigt). In diesem Moment wird der Plasmastrahl durch den Hals 213b der Düse 213 auf das Werkstück gerichtet. Es versteht sich generell, dass mit dieser Konfiguration bekannte Elektroden 205 während der Lichtbogenzündung nach über 300 Lichtbogenstarts zu versagen beginnen können. In der Regel ist die Elektrode 205 verchromt oder vernickelt, um die Lebensdauer der Elektrode 205 verlängern zu helfen. Sobald dieses Ereignis einzutreten beginnt, muss die Elektrode 205 möglicherweise ersetzt werden.
-
Des Weiteren ist, wie gezeigt, ein Hafniumeinsatz 207 in das distale Ende 205d der Elektrode 205 eingesetzt. Es ist allgemein bekannt, dass der Plasmastrahl/Lichtbogen von diesem Hafniumeinsatz 207 ausgeht, der auf der flachen Fläche des distalen Endes 205d zentriert ist.
-
Wie oben kurz erläutert wurde, enthält der Brenner 200a auch eine Düse 213, die einen Hals 213b hat, durch den der Plasmastrahl während des Schneidens gerichtet wird. Des Weiteren enthält die Düse 213, wie gezeigt, einen zylindrischen Vorsprungsabschnitt 213a, durch den sich der Hals 213b erstreckt. Dieser Vorsprungsabschnitt 213a sorgt für einen relativ langen Hals 213b und erstreckt sich in eine zylindrische Öffnung in der Abschirmung 215, die ebenfalls einen zylindrischen Vorsprungsabschnitt 215a hat. Wie gezeigt, wird ein Luftströmungsspalt zwischen jedem der Vorsprungsabschnitte 213a/215a gebildet, damit ein Schutzgas so gerichtet werden kann, dass es den Plasmastrahl während des Schneidens einkreist. In luftgekühlten Brennern richtet jeder dieser jeweiligen Vorsprungsabschnitte 213a/215a den Plasmastrahl und das Schutzgas auf den Schneidbetrieb. Jedoch können diese Vorsprungsabschnitte aufgrund der Geometrie der Düse 213 und der Abschirmkappe 215 zu einem enormen Aufheizen neigen. Diese Wärme kann bewirken, dass sich das Wärmeband an der Düse 213 entlang seiner Länge signifikant ausdehnt. Dieses verlängerte Wärmeband und die hohe Wärme können bewirken, dass die Komponenten verschleißen und ausfallen, wodurch ihre Auswechselung erforderlich wird. Des Weiteren kann im Lauf der Zeit ihre Leistung abnehmen, was zu suboptimalen Schneidergebnissen führen kann. Darum werden Verbesserungen an bekannten luftgekühlten Brennerkonfigurationen benötigt.
-
Wir wenden uns nun den 3A und 3B zu, wo eine beispielhafte Ausführungsform eines Brenners 300 gezeigt ist. Der Brenner 300 kann in dem in 1 gezeigten Brenner 200 verwendet werden, und wie in 2 sind nicht alle Komponenten und Strukturen gezeigt, um die Figur zu vereinfachen (zum Beispiel Handgriff, Außengehäuse usw.). Des Weiteren ähneln Aufbau und Funktionsweise in vielerlei Hinsicht (mit Ausnahme des unten Besprochenen) des Brenners 300 den bekannten Brennern, so dass nicht alle Details seines Aufbaus hier besprochen werden müssen. Jedoch sind, wie unten noch ausführlich erläutert wird, einige der Komponenten des Brenners 300 anders aufgebaut als bei bekannten Brennern und Brennerkomponenten und bilden einen Schneidbrenner mit optimierter Schneidleistung und Langlebigkeit. Des Weiteren ist der Brenner 300 in 3, wie der Brenner 200a in 2, ein luftgekühlter Brenner vom Rückzugstyp. Das Verständnis beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird in den folgenden Besprechungen, in denen einige der Komponenten erörtert werden, weiter vertieft.
-
Wie in jeder der 3A und 3B gezeigt, hat der Brenner 300 einen Brennerkörper 301 und einen Brennerkopf 300'. Dies ist eine bekannte Konstruktionsmethodologie, bei der der Brennerkopf 300' über einen Verbindungsmechanismus an dem Brennerkörper 301 befestigt werden kann. Wie gezeigt, hat der Brennerkörper einen Anbauteil-Umschaltmechanismus 309, der Kontakt zu einem Messingring 308 herstellt. Diese Verbindung schließt einen Stromkreis, was dann dem System 100 anzeigt, dass der Brennerkopf 300' ordnungsgemäß an dem Brennerkörper 301 gesichert ist. In anderen beispielhaften Ausführungsformen kann das Abfühlen der angebauten Teile mittels eines versiegelten Schalters erfolgen, der durch einen Stößel oder eine sonstige ähnliche Schalterkonstruktion betätigt wird, die angibt, dass die Komponenten ordnungsgemäß aneinander befestigt sind. Wie der in 2 gezeigte Brenner enthält der Brennerkopf 300' eine Elektrode 305, einen Drallring 311, eine Abschirmkappe 315, eine Anode 307, eine Katode 303, eine Düse 314 und einen Isolator 312. Des Weiteren ist ein Vorspannelement 313, wie zum Beispiel eine Feder, enthalten. 3A zeigt den Brenner in einem Lichtbogenzündungs-/Pilotlichtbogen-Modus, bei dem die distale Spitze der Elektrode 305 in Kontakt mit der Düse 314 steht. Das Vorspannelement 313 hält die Elektrode 305 und die Katode 303 (mit der die Elektrode gekoppelt ist) in dieser Position, wodurch der Spalt G zwischen dem Isolator 312 und der Katode 303 entsteht, wie gezeigt. Dieser Kontakt zwischen der Düse 314 und der Elektrode 305 erlaubt das Entzünden eines Lichtbogens, wenn erstmals Strom an den Brenner 300 angelegt wird. Gleichzeitig wird ein Gasdruck an den Brenner angelegt, der veranlasst, dass die Elektrode oder Katode von der Düse 314 fort zurückgezogen wird. Diese Position ist in 3B gezeigt, wo der Spalt G reduziert gezeigt ist, um einen Kontakt zwischen der Katode 303 und dem Isolator 312 bis ermöglichen, während das Vorspannelement 313 zusammengedrückt wird. Des Weiteren wird ein Spalt zwischen der Elektrodenspitze und der Düse 314 dergestalt gebildet, dass der erzeugte Lichtbogen zu dem Werkstück transferiert wird, damit das Schneiden beginnen kann. Diese Bewegung der Elektrode oder Katode wird durch das Einströmen eines Gas- oder Luftdrucks ausgelöst, der die Elektroden-/Katodenbaugruppe gegen das Vorspannelement 313 drückt. Neben dem Anlegen des Drucks an die Elektrode oder Katode unterstützt die Gas- oder Luftströmung auch das Kühlen der Komponenten, während sie über die Oberflächen dieser Komponenten strömt. Um das Kühlen zu unterstützen, werden Kanäle oder Nuten in der Außenfläche der Elektrode oder Katode ausgebildet. Während das Kühlgas oder die Kühlluft über die Oberfläche dieser Komponenten strömt, können jedoch aufgrund der Nuten unerwünschte Kräfte auf die Komponenten einwirken. Zum Beispiel kann die Strömung so gerichtet werden, dass sie eine unerwünschte Torsionskraft auf die Elektrode oder Katode ausübt. Des Weiteren kann die Strömung so gerichtet werden, dass sie ungleichmäßige Kräfte auf die Komponenten ausübt. Diese Torsions- oder ungleichmäßigen Kräfte können die Betriebseffizienz des Brenners verringern und die Schneidvorgänge beeinträchtigen und/oder die Betriebslebensdauer der Komponenten verkürzen. Wie unten besprochen, beseitigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung diese Bedenken.
-
4A und 4B zeigen eine beispielhafte Ausführungsform der Elektrode 305, die in dem Brenner 305 verwendet wird. Die Elektrode 305 hat ein distales Ende 305', das in die Düse eingesetzt ist und an dessen Endfläche ein Hafniumeinsatz 306 eingesetzt ist, von dem der Lichtbogen ausgeht. Natürlich kann außer Hafnium auch ein anderes Material verwendet werden. In beispielhaften Ausführungsformen kann die Elektrode 305 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung oder anderen geeigneten Materialien bestehen. Stromaufwärts des distalen Endes 305' befindet sich ein Schulterabschnitt 320, dessen maximaler Außendurchmesser im Bereich von 55 bis 65% größer ist als der maximale Außendurchmesser des distalen Endabschnitts 305'. In einigen beispielhaften Ausführungsformen hat der Schulterabschnitt 320 den maximalen Außendurchmesser der gesamten Elektrode 305. Stromaufwärts des Schulterabschnitts 320 befindet sich ein Übergangsabschnitt 321, der eine gewinkelte Fläche 321' (die sich auf ihrem Weg stromaufwärts in Richtung der Mittellinie der Elektrode 305 winkelt) und eine nicht-gewinkelte Fläche 321'' aufweist, die parallel zu der Mittellinie der Elektrode 305 verläuft. Stromaufwärts des Übergangsabschnitts 321 befindet sich ein mittiger Nutabschnitt 305''. In beispielhaften Ausführungsformen besitzt der mittige Nutabschnitt 305'' ein Doppelgewindemerkmal, wobei die Gewinde im Bereich von 130 bis 180 Grad auseinander liegen. In einer beispielhaften Ausführungsform liegen die Gewinde 150 Grad auseinander. Wie gezeigt, haben die Gewinde Nuten 322 und Gewindespitzen 323 und 324. In der gezeigten beispielhaften Ausführungsform hat eine erste Gewindespitze 323 eine erste Gewindespitzenbreite, und eine zweite Gewindespitze 324 hat eine zweite Gewindespitzenbreite, die breiter ist als die erste Gewindespitzenbreite. In beispielhaften Ausführungsformen liegt die zweite Gewindespitzenbreite im Bereich des 1,5- bis 3-fachen der Breite der ersten Gewindespitzenbreite. In anderen beispielhaften Ausführungsformen liegt die zweite Gewindespitzenbreite im Bereich des 2- bis 2,5-fachen der ersten Gewindespitzenbreite. Des Weiteren ist in zusätzlichen beispielhaften Ausführungsformen der maximale Außendurchmesser des Nutabschnitts 305'' der gleiche wie der maximale Außendurchmesser des Schulterabschnitts 320. Wie gezeigt, wechseln in beispielhaften Ausführungsformen die ersten und zweiten Gewindespitzen in Bezug aufeinander dergestalt ab, dass keine zwei ersten oder zweiten Gewindespitzen nebeneinander liegen. Des Weiteren sind, wie in 4B gezeigt, die Nuten 322 so konfiguriert, dass die Nutflächen 327 gewinkelt sind, um einen Winkel A zwischen benachbarten Nutflächen 327 zu bilden. In beispielhaften Ausführungsformen liegt der Winkel A im Bereich von 20 bis 40 Grad. In anderen beispielhaften Ausführungsformen liegt der Winkel A im Bereich von 26 bis 32 Grad. In beispielhaften Ausführungsformen haben die Nuten 322 eine Tiefe X (von den Gewindespitzen bis zu den Wurzeln), die im Bereich von 4 bis 10% des maximalen Außendurchmessers des Nutabschnitts 305'' liegt. Des Weiteren sind in beispielhaften Ausführungsformen die Nuten so konfiguriert, dass sie im Bereich von 4 bis 8 TPI (Turns per Inch, Windungen pro Inch, 1 Inch ≈ 2,54 cm) liegen. In anderen beispielhaften Ausführungsformen haben die Elektrodennuten 5 bis 7 TPI, und in wieder anderen Ausführungsformen haben die Nuten 6 TPI. Die Nuten können rechtsläufig oder linksläufig konfiguriert sein.
-
Stromaufwärts des Nutabschnitts 305'' befindet sich ein gewinkelter Übergangsabschnitt 325, gefolgt von einem Schulterabschnitt 326 und einem stromaufwärtigen Endabschnitt 305'''. Mindestens ein Abschnitt des stromaufwärtigen Endabschnitts ist in einen Elektrodenhohlraum der Katode 303 eingesetzt, wie in den 3A und 3B gezeigt. Der gewinkelte Abschnitt 325 ist relativ zu der Mittellinie CL so gewinkelt, dass der Flächenwinkel im Bereich von 40 bis 50 Grad relativ zu der Mittellinie liegt. In anderen beispielhaften Ausführungsformen ist die Fläche 325 um 45 Grad relativ zu der Mittellinie CL gewinkelt. In beispielhaften Ausführungsformen hat der stromaufwärtige Endabschnitt 305''' einen maximalen Außendurchmesser, der kleiner ist als der maximale Außendurchmesser des distalen Endabschnitts 305'.
-
In beispielhaften Ausführungsformen kann diese Elektrode/Nut-Konfiguration eine optimale Luft/Gas-Strömung zum Kühlen bereitstellen und kann die gewünschten Aufwärtsdruckkräfte erzeugen, um den ordnungsgemäßen Betrieb des Brenners 300 sicherzustellen. Jedoch kann aufgrund der Spiralform der Nuten, wie gezeigt und oben beschrieben, eine Torsionskraft auf die Elektrode 305 wirken, die versucht, die Elektrode 305 relativ zu ihrer Mittellinie CL zu drehen. Dieser Torsionskraft wird durch die unten beschriebene Konfiguration der Katode entgegengewirkt. Natürlich ist anzumerken, dass das Gesamterscheinungsbild, die geometrische Form usw. der Elektrode geändert werden kann, um sie an die gewünschte Brennerkonfiguration anzupassen und das gewünschte Erscheinungsbild zu erhalten, ohne vom Wesen oder Schutzumfang der oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung abzuweichen, und die in den Figuren zum vorliegenden Text beschriebenen und gezeigten Ansichten sollen nur eine einzelne beispielhafte Ausführungsform zeigen.
-
5A und 5B zeigen eine beispielhafte Ausführungsform der in den 3A und 3B gezeigten Katode 303. Die Katode 303 hat ein distales Ende 331, in dem ein Hohlraum ausgebildet ist (in den 3A/3B gezeigt), um das Einsetzen des stromaufwärtigen Endes 305''' der Elektrode 305 zu erlauben. Der Hohlraum ist so konfiguriert, dass eine Kontaktpassung zwischen der Elektrode 305 und dem Katodenhohlraum hergestellt wird. Neben der distalen Endfläche 331 befinden sich ein Schulterabschnitt 332 und ein Separatorabschnitt 333. Der Separatorabschnitt trennt den Schulterabschnitt 332 vom Nutabschnitt 303'. Wie gezeigt, hat der Nutabschnitt 303' eine spiralförmige Nut 335, die sich entlang seiner Länge erstreckt. In beispielhaften Ausführungsformen ist die spiralförmige Nut 335 von den Nuten an der Elektrode verschieden. Zum Beispiel ist die Nut 335, im Gegensatz zu dem Doppelnut- oder Doppelgewindemerkmal der Elektrode 305, in beispielhaften Ausführungsformen eine einzelne Nut. Des Weiteren ist, wie gezeigt, in beispielhaften Ausführungsformen der maximale Außendurchmesser der Nutgewindespitzen 334 der maximale Außendurchmesser der Katode 303. Jedoch ist in einigen Ausführungsformen der maximale Außendurchmesser der Katode – an den Gewindespitzen 334 – kleiner als der maximale Außendurchmesser der Elektrode 305. Des Weiteren erzeugt in beispielhaften Ausführungsformen die Nut 335 Gewindespitzen 334, deren Größen sich nicht abwechseln; das heißt, die Breite der Gewindespitze 334 über den gesamten Nutabschnitt 303' hinweg gleichmäßig. Des Weiteren kann die Nut 335 zwar entweder links- oder rechtsläufig sein, doch der Spiralverlauf sollte dem der einen oder mehreren Elektrodennuten entgegengesetzt sein. Wenn zum Beispiel die eine oder die mehreren Elektrodennuten ein rechtsläufiges Gewinde sind, so sollte die Nut 335 der Katode ein linksläufiges Gewinde sein. Dadurch wird sichergestellt, dass den Torsionskräften der Luft/Gas-Strömung entlang der Elektrode durch die anschließende Strömung entlang der Katode 303 entgegengewirkt wird. Durch Ändern der Gewinderichtungen bewirkt die Luft/Gas-Strömung eine strukturelle Stabilisierung, die anders nicht erreicht werden würde. Des Weiteren soll die Nut 335 der Katode 303 eine andere TPI-Zahl haben als die Nut(en) an der Elektrode. Zum Beispiel hat die Nut 335 der Katode 303 in beispielhaften Ausführungsformen eine höhere Gewindezahl als die Elektrode. In beispielhaften Ausführungsformen hat die Nut 334 eine Gewindezahl im Bereich von 7 bis 12 TPI und ist höher als die der Elektrode. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen liegt die Gewindezahl im Bereich von 8 bis 10 TPI. In wieder anderen beispielhaften Ausführungsformen ist die Gewindezahl der Katode mindestens 3 TPI höher als die Gewindezahl an der Elektrode 305. Natürlich beträgt in anderen beispielhaften Ausführungsformen, wenn die Gewindezahl der Elektrodennut(en) 6 TPI ist, die Gewindezahl der Nut 335 mindestens 9 TPI.
-
Stromaufwärts der Nut 335 befindet sich ein Bundabschnitt 336, der den Nutabschnitt mit einem Schulterabschnitt 337 koppelt. In einer beispielhaften Ausführungsform hat der Bundabschnitt 336 einen kleineren maximalen Außendurchmesser, der kleiner ist als der Außendurchmesser des Separatorabschnitts 333. Der Schulterabschnitt 337 hat einen maximalen Außendurchmesser, der in einigen Ausführungsformen der gleiche ist wie der Außendurchmesser des Schulterabschnitts 332. Stromaufwärts des Schulterabschnitts 337 befindet sich ein weiterer Bundabschnitt 338, der den Schulterabschnitt 337 mit einem weiteren Schulterabschnitt 339 koppelt. In beispielhaften Ausführungsformen hat der Bundabschnitt 338 einen maximalen Außendurchmesser, der größer ist als der Außendurchmesser des Abschnitts 336. Stromaufwärts des Schulterabschnitts 339 befindet sich ein zylindrischer Abschnitt 340, der einen maximalen Außendurchmesser hat. In beispielhaften Ausführungsformen ist der Außendurchmesser des zylindrischen Abschnitts 340 kleiner als die Außendurchmesser eines jeden der Bundabschnitte 338, 336 und des Separatorabschnitts 333. Stromaufwärts des zylindrischen Abschnitts befinden sich eine Nut 341 und ein Verlängerungsabschnitt 342.
-
5B zeigt einen Querschnitt der Nut 335 ähnlich dem in 4B. Wie gezeigt, sind die Nutflächen 343 so gewinkelt, dass ein Winkel B zwischen ihnen entsteht. In beispielhaften Ausführungsformen liegt der Winkel B im Bereich von 20 bis 40 Grad. In anderen beispielhaften Ausführungsformen liegt der Winkel B im Bereich von 26 bis 32 Grad. In weiteren Ausführungsformen ist der Winkel B der gleiche wie der Winkel A an der Elektrode. In beispielhaften Ausführungsformen haben die Nuten 335 eine Tiefe Y (von den Gewindespitzen bis zu den Wurzeln) im Bereich von 6 bis 12% des maximalen Außendurchmessers des Nutabschnitts 303'. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen hat die Nut 335 eine Tiefe Y, die größer als die Tiefe X der Nut(en) an der Elektrode 305 ist. Zum Beispiel ist in beispielhaften Ausführungsformen die Nuttiefe Y im Bereich von 15 bis 30% größer als die Tiefe X. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen ist die Tiefe Y im Bereich von 20 bis 25% größer als die Tiefe X.
-
Mit den oben beschriebenen Beziehungen zwischen den spiralförmigen Nuten an der Elektrode 305 und an der Katode 303 wird die Nutzung der Luftströmung entlang der Elektrode 305 und der Katode 303 optimiert, während vermieden wird, dass unnötige Kräfte auf die Komponenten wirken. Genauer gesagt, werden die Strömungskanäle so geändert, dass die Strömung keine glatte laminare Strömung beibehält, sondern die Richtungen zwischen den Komponenten ändern muss; und ihre Strömung ist entlang jeder der Komponenten aufgrund der Abmessungsunterschiede verschieden. Des Weiteren erlauben es die unterschiedlichen Abmessungsbeziehungen in beispielhaften Ausführungsformen dank der variierenden jeweiligen Längen der Nutabschnitte jeder einzelnen Komponente, dass sich die Torsionskräfte an jeder einzelnen Komponente gegenseitig die Waage halten, oder ungefähr gegenseitig die Waage halten, während gleichzeitig ein optimaler Druck der Luft/Gas-Strömung ermöglicht wird, um die Elektroden- oder Katodenbaugruppe nach Bedarf zwischen Lichtbogenzündung und Lichtbogenübergang oder -schneiden zu bewegen. Zum Beispiel liegt die Gesamtlänge L' der spiralförmigen Nut 335 (entlang der Länge der Katode) im Bereich von 20 bis 35% der Gesamtlänge der Katode 303 (von Ende zu Ende). In weiteren beispielhaften Ausführungsformen liegt die Länge L' im Bereich von 25 bis 30% der Gesamtlänge. Jedoch liegt an der Elektrode 305 die Länge L der spiralförmigen Nuten (entlang der Achse der Elektrode) im Bereich von 30 bis 40% der Gesamtlänge der Elektrode 305. In anderen beispielhaften Ausführungsformen liegt die Länge L im Bereich von 35 bis 40% der Gesamtlänge der Elektrode 305. In einigen beispielhaften Ausführungsformen sind die Längen L und L' gleich, während in anderen beispielhaften Ausführungsformen die Länge L länger ist als L'.
-
Dank den physischen Beziehungen und beschriebenen Attributen der oben beschriebenen Elektrode 305 und Katode 303 erlauben beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung es einem luftgekühlten Brenner vom Rückzugstyp, mit einer optimierten Leistung zu arbeiten.
-
Wir wenden uns nun 6 zu, wo eine beispielhafte Ausführungsform eines flüssigkeitsgekühlten Brenners 600 gezeigt ist. Im Allgemeinen ist der Brenner 600 gemäß ähnlichen bekannten flüssigkeitsgekühlten Brennern aufgebaut. Zum Beispiel enthält der Brenner eine Düse 613, eine Abschirmkappe 611, eine Düsenhaltekappe 609, eine Elektrode 601, eine Katode 603, eine äußere Kappe 605 und ein Außengehäuse 607. Natürlich enthält der Brenner 600 noch andere Komponenten, die hier nicht besprochen werden müssen. Jedoch verwenden die Schraubverbindungen zwischen Komponenten, wie in 6 gezeigt und weiter unten besprochen, eine neuartige Gewindekonfiguration, die unten ausführlicher besprochen wird.
-
Die Gewindekonfiguration, die von Ausführungsformen im vorliegenden Text verwendet wird, ist ein ACME-Gewindedesign mit modifiziertem Stumpf. Ein ACME-Gewindedesign ist dem Fachmann bekannt und braucht hier nicht im Detail beschrieben zu werden. Seine Beschreibung findet sich im Machinerys Handbook; Oberg, Jones, and Horton, Industrial Press, Inc., 1979. Der Abschnitt über das ACME-Stumpfgewindedesign wird hiermit in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen.
-
Eine nähere Ansicht von beispielhaften Gewindekonfigurationen ist in den 7 und 8 gezeigt. Wie gezeigt, wird eine modifizierte ACME-Stumpfgewindekonfiguration verwendet, um die Elektrode 601 mit der Katode 603 zu verbinden. Es ist anzumerken, dass diese Gewindekonfiguration zwar in Bezug auf die Elektroden- oder Katodenverbindung besprochen wird, dass diese Gewindekonfiguration aber auch anderswo verwendet werden kann, wie in 6 gezeigt. Zum Beispiel können die Düsenhaltekappe 609 und/oder die äußere Kappe 605 die beschriebenen Gewindekonfigurationen verwenden, um das Bereitstellen einer optimalen Verbindung zu unterstützen. Diese modifizierte ACME-Stumpfgewindekonfiguration wird durch Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dafür verwendet, die Konzentrizität von Brennerkomponenten zu verbessern, wenn der Brenner zusammengebaut wird. Aufgrund des benötigten hohen Grades an Konzentrizität zum Sicherstellen einer optimalen Brennerleistung und Lebensdauer ist es oft sehr schwierig, Komponenten mit dem benötigten hohen Maß an Präzision herzustellen, um diese Konzentrizität sicherzustellen. Darum besteht Bedarf an Schraubverbindungen, die einfach herzustellen sind, nach dem Zusammenbau ein hohes Maß an Konzentrizität bieten und eine große Kontaktfläche für elektrische und thermische Leitfähigkeit besitzen. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erreichen dies mit den unten besprochenen Konfigurationen.
-
Wir wenden uns nun den 7 und 8 zu. Die Katode 603 hat ein Innengewinde 603', während die Elektrode ein Außengewinde 601' hat. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist in dem Außen- und dem Innengewinde die Gewindespitzenbreite der Gewinde größer als die Wurzelbreite der Gewinde. Das ist anders als in vielen bekannten Gewindekonfigurationen. Des Weiteren ist die Gewindespitzenbreite in dem Außen- und dem Innengewinde in anderen beispielhaften Ausführungsformen im Bereich von 1 bis 5% größer als die Wurzelbreite in dem Außen- und dem Innengewinde. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen ist die Gewindespitzenbreite 2 bis 3,5% größer als die Wurzelbreite, und in weiteren beispielhaften Ausführungsformen ist die Gewindespitzenbreite im Bereich von 2,5 bis 3,5% größer als die Wurzelbreite. Natürlich gelten diese Verhältnisse für eine Gewindeformation mit einem relativ kleinen eingeschlossenen Winkel – zum Beispiel einem eingeschlossenen Winkel von 10 Grad.
-
In beispielhaften Ausführungsformen liegt der eingeschlossene Winkel zwischen den Seitenwänden der Gewinde Φ im Bereich von 10 bis 60 Grad. Jedoch liegt der eingeschlossene Winkel Φ in anderen beispielhaften Ausführungsformen bei 10 Grad. Bei einem solchen steilen Winkel sind die Gewinde praktisch quadratische Gewinde und können ein hohes Maß an Konzentrizität und Festigkeit bieten.
-
Des Weiteren sind die Gewinde so konfiguriert, dass der Spalt G1 (das heißt der Freiraum zwischen dem Nebendurchmesser des Außengewindes 601' und dem Nebendurchmesser des Innengewindes 603') kleiner ist als der Spalt G2 (das heißt der Freiraum zwischen dem Hauptdurchmesser des Außengewindes 601' und dem Hauptdurchmesser des Innengewindes 603'). In beispielhaften Ausführungsformen stellt diese mit der oben besprochenen Konfiguration erreichte Freiraumbeziehung eine Gewindekonfiguration bereit, die relativ einfach herzustellen ist, einfach aneinander zu befestigen ist (d. h. ein gegenseitiges Ausreißen der Gewinde verhindert) und auch ein hohes Maß an Konzentrizität und Kontakt zwischen den Komponenten bietet.
-
In beispielhaften Ausführungsformen haben die Gewinde eine Steigung, die im Bereich von 10 bis 14 TPI liegt. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen hat das Gewinde eine Steigung von 12 TPI. Es ist anzumerken, dass aufgrund geometrischer und werkzeugbezogener Einschränkungen verwendete die Steigung die Beziehung zwischen den Gewindespitzen und Wurzelgrößen beeinflussen kann.
-
Die 11A und 11B zeigen eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wo eine modifizierte quadratische Gewindestruktur ähnlich der verwendet wird, die oben beschrieben wurde. Jedoch hat in dieser beispielhaften Ausführungsform die Beziehung zwischen den Wurzeln und Gewindespitzen der Gewinde der Elektrode und der Katode eine entgegengesetzte Beziehung. Genauer gesagt, hat das Außengewinde der Elektrode in dieser beispielhaften Ausführungsform eine Gewindespitzenbreite Xc, die größer ist als die Außengewindewurzelbreite Yr. In beispielhaften Ausführungsformen beträgt der eingeschlossene Winkel Φ 10 Grad, während in anderen Ausführungsformen der eingeschlossene Winkel ein anderer sein kann, wie zum Beispiel im Bereich von 10 bis 40 Grad. In beispielhaften Ausführungsformen liegt das Verhältnis zwischen der Gewindespitzenbreite Xc und der Wurzelbreite Yr im Bereich von 1,2 bis 1,6. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen liegt das Verhältnis im Bereich von 1,35 bis 1,45. Jedoch hat das Innengewinde der Katode 603 bei diesen beispielhaften Ausführungsformen eine Gewindespitzenbreite Xc', die kleiner als die Wurzelbreite Yr' ist. Dies ist das Gegenteil der Größenbeziehung an der Elektrode. In beispielhaften Ausführungsformen liegt für das Katodengewinde das Verhältnis zwischen der Gewindespitzenbreite Xc' und der Wurzelbreite Yr' im Bereich von 0,5 bis 0,75. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen liegt das Verhältnis im Bereich von 0,65 bis 0,7. Wie beim Außengewinde, kann der eingeschlossene Winkel an dem Innengewinde der Katode im Bereich von 10 bis 40 Grad liegen, während in einigen Ausführungsformen der eingeschlossene Winkel Φ 10 Grad beträgt. Die Gewindezahl in beispielhaften Ausführungsformen kann im Bereich von 12 bis 16 TPI liegen, und in weiteren beispielhaften Ausführungsformen beträgt die Gewindezahl 12 TPI. Wie bei den oben besprochenen beispielhaften Konfigurationen erlaubt diese beispielhafte Konfiguration eine verbesserte Ausrichtung, eine verbesserte physische und elektrische Verbindung zwischen Komponenten, eine einfache Montage zwischen den Komponenten und eine verbesserte Konzentrizität der Komponenten.
-
Diese Konzentrizitätsverbesserung wird mit Hilfe der dualen O-Ring-Konfiguration, wie in den 6 und 7 gezeigt, weiter optimiert. Wie gezeigt, sind zwei O-Ringe 621 und 622 stromabwärts des Gewindeabschnitts der Elektrode 601 positioniert. Der Einsatz zweier O-Ringe in der oben beschriebenen Gewindekonfiguration verbessert die Konzentrizität der Elektrode 601. Die oben beschriebene Gewindekonfiguration erlaubt es den O-Ringen 621/622, eine maßgeblichere Rolle bei der Positionierung der Elektrode als bei bekannten Konfigurationen zu spielen. Das heißt, bei bekannten Konfigurationen waren die Gewinde die primären Faktoren bei der Positionierung der Elektrode 601. Wenn also die Gewinde in schlechter Qualität hergestellt wurden und/oder während der Montage herausgerissen wurden, so wurde die Konzentrizität der Komponenten beeinträchtigt. Jedoch erlauben die Gewinde es im Fall der hier besprochenen beispielhaften Ausführungsformen den O-Ringen 621/622, eine maßgeblichere Rolle dabei zu spielen, dass die Elektrode mittig positioniert ist. Das liegt an der Komprimierbarkeit der O-Ringe, die dazu neigen, um den Umfang der Elektrode 601 herum gleichmäßig zusammengedrückt zu werden. Somit erlaubt es die oben beschriebene Konfiguration der Elektrode und ihrer Kopplung, die Elektrode 601 mittig in dem Brenner und in dem Isolator anzuordnen, wie in 6 gezeigt.
-
9 zeigt einen beispielhaften Querschnitt der beispielhaften Elektrode 601. Die Elektrode 601 hat ein stromaufwärtiges Ende 631 mit einer Öffnung zum Kühlen des Hohlraums 637 und ein distales Ende 633 mit einer Öffnung 635 für einen Einsatz, der ein Hafniumeinsatz oder dergleichen sein kann. Die Elektrode hat einen Gewindeabschnitt 601', wie oben beschrieben. Stromabwärts des Gewindeabschnitts 601' befindet sich eine Schulter 632, die den Gewindeabschnitt 601' von dem O-Ring-Abschnitt 639 trennt. Der O-Ring-Abschnitt 639 hat mindestens zwei O-Ring-Nuten 621' und 622'. Des Weiteren sind in beispielhaften Ausführungsformen der O-Ring-Abschnitt 639 und die O-Ring-Nuten 621' und 622' so positioniert, dass die Distanz D entlang der Länge der Elektrode 601, vom stromaufwärtigen Ende 631 bis zur Mitte der ersten Nut 622' gemessen, im Bereich von 20 bis 25% der Gesamtlänge der Elektrode (vom stromaufwärtigen Ende 631 bis zum distalen Ende 633). Des Weiteren liegt die Distanz D' zwischen den Mitten der jeweiligen Nuten 621' und 622' im Bereich von 5 bis 10% der Gesamtlänge der Elektrode 601. Diese Geometrie, die mit der oben beschriebenen Gewindekonfiguration gekoppelt ist, erlaubt es, die Elektrode 601 einfach und mit einem hohen Maß an Konzentrizität in dem Brenner 600 zu montieren.
-
Die 10A bis 10C zeigen eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in diesen Figuren gezeigt, ist eine andere Schraubverbindung dargestellt. Jedoch hat in dieser Ausführungsform die Schraubverbindung eine erste Gewindesektion 901 und eine zweite Gewindesektion, wobei die Sektionen verschiedene Gewindekonfigurationen verwenden. Diese Konfiguration verwendet zwei verschiedene Schraubverbindungen zum Bereitstellen einer sicheren Verbindung zwischen der Elektrode 601 und dem Katodenkörper 603. Wie die oben besprochenen Verbindungen stellt diese Art von Konfiguration auch eine verbesserte Konzentrizität bereit, während gleichzeitig eine sichere Passung zwischen Komponenten gewährleistet wird. Außerdem erhöht eine solche Verbindungskonfiguration die Langlebigkeit und Verbindungsfähigkeit der Kopplung zwischen Komponenten. Weitere Details sind in den 10B und 10C gezeigt. Es ist anzumerken, dass die Elektrode und die Katode, die in diesen Figuren gezeigt sind, eine ähnliche Gesamtkonfiguration und -funktion haben können wie die anderen im vorliegenden Text beschriebenen Ausführungsformen. Zum Beispiel kann die Elektrode 601 ein distales Ende mit einem emissiven Einsatz (zum Beispiel Hafnium) haben, wie in 9 gezeigt.
-
10B zeigt einen beispielhaften Katodenkörper 603 (wovon nur der distale Endabschnitt gezeigt ist), und 10C zeigt ein beispielhaftes stromaufwärtiges Ende der Elektrode 601. Jede der ersten und der zweiten Gewindesektion 901/903 hat ein einzelnes spiralförmiges Gewinde. Jedoch sind die Gewinde in jeder einzelnen Sektion verschieden. Zum Beispiel ist die Anzahl der Gewindegänge pro Inch in jeder der einzelnen Sektionen verschieden. Beispielsweise hat in einigen Ausführungsformen die erste Sektion 901 ein Gewinde im Bereich von 20 bis 28 TPI, und die zweite Sektion 903 hat ein Gewinde im Bereich von 16 bis 24 TPI, wobei das Gewinde der zweiten Sektion 903 einen kleineren TPI-Wert als die erste Sektion 901 hat. In einer beispielhaften Ausführungsform hat die erste Sektion 901 24 TPI, während die zweite Sektion 20 TPI hat. Steigung und TPI der jeweiligen Gewinde müssen so gewählt werden, dass eine reibungslose Eingriffnahme der jeweiligen Gewinde mit jeder einzelnen Sektion sichergestellt ist. Wenn das nicht erreicht wird, so kann es zu einem Festklemmen kommen, wenn die Elektrode 601 in dem Katodenkörper montiert wird.
-
Des Weiteren kann zwar in einigen beispielhaften Ausführungsformen die Gewindequerschnittsgeometrie die gleiche sein, doch in anderen Ausführungsformen können die jeweiligen Gewinde andere Querschnittsgeometrien haben. Zum Beispiel kann das Gewinde der ersten Sektion 901 in beispielhaften Ausführungsformen eine größere Tiefe (von Gewindespitze zu Wurzel) haben als das Gewinde der zweiten Sektion 903. Des Weiteren können in weiteren beispielhaften Ausführungsformen die Wurzelbreiten der jeweiligen Gewinde verschieden sein. In der gezeigten Ausführungsform haben die Gewinde in jeder der Sektionen einen kegelstumpfförmigen Querschnitt, so dass die jeweiligen Gewindespitzen und -wurzeln keine scharfe Spitzen und damit keine Lastkonzentrationspunkte haben.
-
Des Weiteren hat, wie gezeigt, die erste Sektion 901 einen kleineren Durchmesser als die zweite Sektion 903. An dem Katodenkörper 603 hat jede der einzelnen Sektionen einen Haupt- und einen Nebendurchmesser für jede der einzelnen Komponenten, wie in den 10B und 10C gezeigt. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist in der Katode 603 der Hauptdurchmesser der ersten Sektion DM1 kleiner (über den Querschnitt der Katode gemessen) als der Nebendurchmesser der zweiten Sektion Dm2. In einigen beispielhaften Ausführungsformen ist der Hauptdurchmesser der ersten Sektion DM1 der gleiche wie der Nebendurchmesser der zweiten Sektion Dm2. Gleichermaßen ist – mit Bezug auf die Elektrode 601 – in beispielhaften Ausführungsformen der Hauptdurchmesser der ersten Sektion DM1' kleiner als der Nebendurchmesser der zweiten Sektion Dm2'. In einigen beispielhaften Ausführungsformen ist der Nebendurchmesser der zweiten Sektionen in der Elektrode und der Katode im Bereich von 2 bis 6% größer als der Hauptdurchmesser in jeder ihrer jeweiligen ersten Sektionen. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen ist der Nebendurchmesser der zweiten Sektionen in der Elektrode und der Katode im Bereich von 3 bis 5% größer als der Hauptdurchmesser in jeder der einzelnen ersten Sektionen. Informationshalber ist dm1 der Nebendurchmesser der ersten Sektion der Katode, dM2 ist der Hauptdurchmesser der zweiten Sektion der Katode, dm1' ist der Nebendurchmesser der ersten Sektion der Elektrode, und DM2' ist der Hauptdurchmesser der zweiten Sektion der Elektrode. Diese können durch die ausgewählten Tiefen der Gewinde diktiert werden, die in jeder einzelnen Sektion verwendet werden.
-
In anderen beispielhaften Ausführungsformen wird eine Kombination des oben besprochenen modifizierten quadratischen Gewindes und eines symmetrisch-quadratischen Gewindeprofils an aneinandergrenzenden Außen-/Innengewinde-Komponenten verwendet. In einer symmetrisch-quadratischen Gewindekonfiguration liegt der eingeschlossene Winkel Φ (oben besprochen, siehe zum Beispiel 8) der Gewinde im Bereich von 0 bis 1 Grad. Das heißt, der Querschnitt des Gewindes am Übergang von der Gewindespitze zur Wand oder von der Wurzel zu der Gewindewand ist ein rechter Winkel oder fast ein rechter Winkel. In anderen beispielhaften Ausführungsformen beträgt der eingeschlossene Winkel 0 Grad, so dass der Wurzel-zu-Wand- und/oder der Gewindespitze-zu-Wand-Übergang ein rechter Winkel ist. Das heißt, in beispielhaften Ausführungsformen können einige der im vorliegenden Text besprochen Schraubverbindungen Innengewinde mit den eingeschlossenen Winkeln und der Geometrie, wie zuvor besprochen, haben, während die entsprechenden Außengewinde die quadratische Form haben. In anderen beispielhaften Ausführungsformen ist das Gegenteil der Fall: Hier haben die Außengewinde die oben besprochenen geometrischen Eigenschaften, während die entsprechenden Innengewinde quadratisch sind. In jeder dieser Ausführungsformen können die oben besprochenen Wurzel-zu-Gewindespitze-Beziehungen beibehalten werden, um die oben beschrieben Nutzeffekte zu realisieren. In anderen beispielhaften Ausführungsformen, welche die nahezu quadratische Gewindekonfiguration verwenden, liegt der eingeschlossene Winkel im Bereich von 0 bis 4 Grad, und in wieder anderen Ausführungsformen liegt der eingeschlossene Winkel für das fast-quadratische Gewinde im Bereich von 0 bis 10 Grad. In weiteren Ausführungsformen hat das fast-quadratische Gewinde einen eingeschlossenen Winkel im Bereich von 1 bis 8 Grad.
-
Diese alternative Beziehung kann für viele der oben besprochenen Verbindungen unter Verwendung der beschriebenen modifizierten Schraubverbindungen, die im vorliegenden Text beschrieben werden, verwendet werden. In bestimmten beispielhaften Ausführungsformen kann die Verwendung der kombinierten quadratischen und modifizierten quadratischen Gewinde die Verbindbarkeit erleichtern, da die Gesamtkontaktfläche reduziert wird. Jedoch ist anzumerken, dass in einigen Ausführungsformen diese Art von aufeinander abgestimmter Gewindekonfiguration nicht für Anwendungen mit starken Stromflüssen zweckmäßig wäre. Das heißt, wenn ein hoher Strom durch die Gewinde geleitet wird (zum Beispiel die Elektrode/Elektrodenhalter-Verbindung), so kann diese Gewindekonfiguration hohe Wärme- und Stromkonzentrationen an den Gewindekontaktpunkten verursachen. Somit wird in einigen beispielhaften Ausführungsformen diese kombinierte Gewindekonfiguration in Anwendungen verwendet, die einen maximalen Stromfluss von 150 Ampere aufweisen. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen wird diese Konfiguration in Ausführungsformen verwendet, wo der maximale Stromfluss bei 65 Ampere liegt. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen wird diese Schraubverbindungsmethodologie nur für rein mechanische Verbindungen verwendet, die keinen Stromfluss haben. Unter Bezug auf mindestens 6 kann die oben beschriebene Verbindung beispielsweise für die Verbindung der Kappe 605, der Düsenhaltekappe 609 und der Elektrode 601 verwendet werden.
-
Obgleich der Gegenstand der vorliegenden Anmeldung mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurde, leuchtet dem Fachmann ein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und dass Äquivalente substituiert werden können, ohne vom Schutzumfang des Gegenstandes abzuweichen. Außerdem können viele Modifizierungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren des Gegenstands anzupassen, ohne seinen Schutzumfang zu verlassen. Daher ist es beabsichtigt, dass der Gegenstand nicht auf die konkret offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern dass der Gegenstand alle Ausführungsformen beinhaltet, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Stromversorgung
- 12
- Gehäuse
- 14
- Brennerbaugruppe
- 16
- Vorderseite
- 18
- Brenner-Ende
- 22
- Verbinder
- 23
- Verbinder
- 24
- Schlauchabschnitt
- 100
- Schneidsystem
- 200
- Brenner
- 200a
- Brennerkopf
- 201
- Verbinder
- 203
- Katodenkörper
- 205
- Elektrode
- 205b
- Abschnitt
- 205c
- Abschnitt
- 205d
- Ende
- 207
- Hafnuimeinsatz
- 209
- Isolatorstruktur
- 211
- Drallring
- 213
- Düse
- 213a
- Vorsprungsabschnitt
- 213b
- Hals
- 215
- Abschirmkappe
- 215a
- Vorsprungsabschnitt
- 217a–c
- Haltekappenbaugruppe
- 300
- Brenner
- 300'
- Brennerkopf
- 301
- Brennerkörper
- 303
- Katode
- 305
- Elektrode
- 305'
- Endabschnitt
- 305''
- Nutabschnitt
- 306
- Hafnuimeinsatz
- 307
- Anode
- 308
- Messring
- 309
- Anbauteil
- 311
- Drallring
- 312
- Isolator
- 313
- Vorspannelement
- 314
- Düse
- 315
- Abschirmkappe
- 320
- Schulterabschnitt
- 321
- Übergangsabschnitt
- 321'
- gewinkelte Fläche
- 321''
- nicht gewinkelte Fläche
- 322
- Nut
- 323
- Gewindespitze
- 324
- Gewindespitze
- 325
- Übergangsabschnitt
- 326
- Schulterabschnitt
- 327
- Nutfläche
- 331
- Ende
- 332
- Schulterabschnitt
- 333
- Seperatorabschnitt
- 334
- Nutgewindespitze
- 335
- Nut
- 336
- Bundabschnitt
- 337
- Schulterabschnitt
- 338
- Bundabschnitt
- 339
- Schulterabschnitt
- 340
- Abschnitt
- 341
- Nut
- 342
- Verlängerungsabschnitt
- 343
- Nutfläche
- 600
- Brenner
- 601
- Elektrode
- 601'
- Außengewinde
- 603
- Katode
- 603'
- Innengewinde
- 605
- Kappe
- 607
- Außengehäuse
- 609
- Düsenhaltekappe
- 611
- Abschirmkappe
- 613
- Düse
- 621
- O-Ring(-nut)
- 622
- O-Ring(-nut)
- 631
- Ende
- 632
- Schulter
- 633
- Ende
- 635
- Öffnung
- 637
- Hohlraum
- 639
- O-Ring-Abschnitt
- 901
- Gewindesektion
- 903
- Gewindesektion
- A
- Winkel
- B
- Winkel
- CL
- Mittellinie
- D
- Distanz
- D'
- Distanz
- G
- Spalt
- G1
- Spalt
- G2
- Spalt
- L
- Länge
- L'
- Länge
- X
- Tiefe
- Xc
- Gewindespitzenbreite
- Xc'
- Gewindespitzenbreite
- Y
- Tiefe
- Yr
- Wurzelbreite
- Yr
- Wurzelbreite
- Yr'
- Wurzelbreite
- Φ
- Gewinde
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- Machinerys Handbook; Oberg, Jones, and Horton, Industrial Press, Inc., 1979 [0038]
