DE102016209394A1

DE102016209394A1 - Plasmaschneidedüsen mit integrierter Strömungsverteilung und damit verbundene Systeme und Verfahren

Info

Publication number: DE102016209394A1
Application number: DE102016209394.0A
Authority: DE
Inventors: Carmen Harp; David Cook; Joe Ciambra
Original assignee: Hypertherm Inc
Current assignee: Hypertherm Inc
Priority date: 2015-07-13
Filing date: 2016-05-31
Publication date: 2017-01-19
Also published as: CZ2016426A3

Abstract

Eine nicht axialsymmetrische Düse für einen flüssigkeitsgekühlten Plasmalichtbogenbrenner ist bereitgestellt. Die Düse umfasst einen proximalen Teil einschließlich einer inneren Oberfläche, welche eine Düsenaustrittsöffnung definiert, und einer äußeren Oberfläche, welche einen Strömungsbereich definiert. Die Düse umfasst auch einen mittleren Teil, einschließlich einer äußeren Oberfläche, welche zumindest einen Teil der Strömungskammer, welche in Flüssigkeitsaustausch mit dem Strömungsbereich steht, definiert. Die Düse umfasst weiterhin einen distalen Teil, welcher eingerichtet ist zum Verbinden mit einer Plasmalichtbogenbrennerspitze. Der distale Teil beinhaltet einen Ringflansch, welcher um die Düse angeordnet ist und eine Vielzahl von Strömungsschikanen, welche auf dem Ringflansch konstruiert ist und nicht axialsymmetrisch um den distalen Teil angeordnet ist. Die Vielzahl von Strömungsschikanen ist eingerichtet, um (i) eine Flüssigkeitsströmung in eine Vielzahl von Flüssigkeitsstrahlen aufzuteilen, und (ii) die Flüssigkeitsstrahlen durch die Strömungskammer hin zu dem Strömungsbereich zu drosseln.

Description

Querverweis zu verwandter Anmeldung
Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen und die Priorität der US-provisorischen Patentanmeldung Nr. 62/191,856, eingereicht am 13. Juli 2015, deren gesamter Inhalt im Besitz der Bevollmächtigten der vorliegenden Anmeldung ist und hierin durch Verweis in ihrer Gesamtheit integriert ist.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Düsen für flüssigkeitsgekühlte Plasmalichtbogenbrenner und insbesondere auf nicht axialsymmetrische Düsen mit integrierter Flüssigkeitsströmungsverteilung.
Hintergrund
Thermische Verarbeitungsbrenner, wie z. B. Plasmalichtbogenbrenner, sind weit verbreitet zur Hochtemperaturverarbeitung (z. B. Heizen, Schneiden, Aushöhlen und Markieren) von Werkstoffen. Ein Plasmalichtbogenbrenner beinhaltet im Allgemeinen einen Brennerkörper, eine Elektrode, die innerhalb des Brennerkörpers angebracht ist, einen Ausströmungseinsatz, der innerhalb einer Bohrung der Elektrode angeordnet ist, eine Düse mit einer zentralen Austrittsöffnung, die innerhalb des Brennerkörpers angebracht ist, eine Abschirmung, elektrische Verbindungen, Durchgänge zum Kühlen, Durchgänge für Lichtbogensteuerflüssigkeiten (z. B. Plasmagas) und eine Energieversorgung. Ein Wirbelring kann verwendet werden, um Flüssigkeitsströmungsmuster in der Plasmakammer, welche zwischen der Elektrode und der Düse gebildet werden, zu steuern. In einigen Brennern wird eine Haltekappe verwendet, um die Düse und/oder den Wirbelring in dem Plasmalichtbogenbrenner zu halten. Im Betrieb erzeugt der Brenner einen Plasmalichtbogen, welcher ein verengter Strahl von ionisiertem Gas mit einer hohen Temperatur und hinreichendem Impuls ist, um bei der Beseitigung von geschmolzenem Metall zu helfen. Gase, die in dem Brenner verwendet werden, können nicht-reaktiv (z. B. Argon oder Stickstoff) oder reaktiv (z. B. Sauerstoff oder Luft) sein.
Entwurfsüberlegungen für Plasmalichtbogenbrenner beinhalten Merkmale zum Kühlen, da der erzeugte Lichtbogen Temperaturen von mehr als 10.000°C erzeugen kann, welche, wenn sie nicht gesteuert werden, dem Brenner, insbesondere die Düse, zerstören können. Das heißt, die Erosionsrate einer Düse wird durch die Kühleffizienz bei der Düse beeinflusst. Effiziente Kühlung kann dabei helfen, eine relativ geringe Temperatur zu erhalten, was zu einer geringeren Erosionsrate führt. Zusätzlich muss sie einfach auswechselbar sein, da sich eine Düse im Laufe der Zeit durch Benutzung verschlechtert. Wenn eine Düse in einem Plasmalichtbogenbrennersystem installiert wird, ist ihre Ausrichtung und der Abstand relativ zu dem Brenner entscheidend, um eine vernünftige Lebensdauer sowie auch Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Lage eines Plasmalichtbogens sicherzustellen.
Die meisten existierenden Plasmalichtbogenbrennersysteme benötigen einen Verschluss der Düse oder eine starre Befestigung der Düse in einer spezifischen Orientierung/Ausrichtung mit dem Brennerkörper, so dass eine Kühlflüssigkeit von dem Brennerkörper entlang Kanälen, welche sich über die Länge der Düse erstrecken, geführt werden kann, um die Düse zu kühlen. Separate Strömungskanäle auf der Düse werden dann verwendet, um den Rücklaufkühlmittelstrom dem Brenner zuzuführen. Solch ein Entwurf erfordert bearbeitete Nuten auf der Düse und Passvorsprünge in dem Brenner, so dass der, Brenner und die Düse in einer präzisen Orientierung zusammengefügt werden (d. h. ineinander verschlossen). Wenn daher die Flüssigkeitskanäle einer Düse nicht mit den Gegenversorgungskanälen auf dem Brennerkörper zusammenpassen, kann die Düse nicht in dem Brenner installiert werden, was den Brenner funktionsunfähig macht. Siehe beispielsweise US-Patent Nr. 8,853,589 , welches unterschiedliche Düsen/Brennerverschlussanordnungen beschreibt. Ein Hersteller verkauft oft mehrere (z. B. vier oder mehr) unterschiedliche Düsenanordnungen assoziiert mit unterschiedlich verschlossenen Brennern in einem Versuch, Cross-Selling und Sekundärmarktwettbewerb zu reduzieren, und um den Endverbraucher an eine begrenzte Anzahl von Lieferanten von Verbrauchsmaterial zu binden. Zusätzlich erfordert der Verschluss von Düsen mehrstufige Bearbeitung, Inspektion, Inventur, Teilenummern usw., was nicht nur die Komplexität und die Kosten für die Herstellung der Verbrauchskomponenten erhöht, sondern auch die Komplexität und die Kosten der Versorgungskette. Endverbraucher wollen typischerweise nicht an eine begrenzte Versorgungsquelle gebunden sein oder einen Aufschlag für spezielle Verschlussmerkmale bezahlen, die eine Brennerleistung oder den Betrieb nicht verbessern.
Zusammenfassung
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Düsenentwurf bereitzustellen, welcher einen Kühlflüssigkeitsfluss durch die Düsen optimiert, dabei eine Betriebsdauer der Düsen zu verbessern und eine Schnittqualität zu erhöhen. Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, Düsen mit einer verbesserten Anordnung zur Ausrichtung zum Zusammenbau mit Plasmalichtbogenbrennern bereitzustellen. Es ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, Verschlussmerkmale zu eliminieren, welche es erfordern, eine bestimmte Düse in einem spezifischen Brenner zu installieren.
In einer Hinsicht ist eine nicht axialsymmetrische Düse für einen flüssigkeitsgekühlten Plasmalichtbogenbrenner bereitgestellt. Die Düse umfasst einen proximalen Teil einschließlich einer inneren Oberfläche, die eine Düsenaustrittsöffnung definiert und einer äußeren Oberfläche, die einen Strömungsbereichbereich definiert. Die Düse umfasst auch einen mittleren Teil einschließlich einer äußeren Oberfläche, welche zumindest einen Teil einer Strömungskammer definiert, die Flüssigkeit mit dem Strömungsbereich austauscht. Die Düse umfasst weiterhin einen distalen Teil, welcher eingerichtet ist zum Verbinden mit einer Plasmalichtbogenbrennerspitze. Der distale Teil beinhaltet einen Ringflansch, welcher um die Düse angeordnet ist und eine Vielzahl von Strömungsschikanen, welche auf dem Ringflansch konstruiert sind und nicht axialsymmetrisch um den distalen Teil angeordnet sind. Die Vielzahl von Strömungsschikanen ist eingerichtet zum (i) Aufteilen einer Flüssigkeitsströmung in eine Vielzahl von Flüssigkeitsstrahlen und (ii) Drosseln der Flüssigkeitsstrahlen durch die Strömungskammer zum Strömungsbereich.
In einer weiteren Hinsicht ist eine Düse für einen Plasmalichtbogenbrenner bereitgestellt. Die Düse weist einen länglichen Körper auf, welcher eine longitudinale Achse definiert und einen proximalen Teil umfasst, welcher einen Strömungsbereich auf einer äußeren Oberfläche des länglichen Körpers definiert und eine Düsenaustrittsöffnung. Die Düse umfasst auch einen mittleren Teil, welcher zumindest einen Teil einer Strömungskammer auf der äußeren Oberfläche des länglichen Körpers definiert. Die Strömungskammer ist im Flüssigkeitsaustausch mit dem Strömungsbereich. Die Düse umfasst weiterhin einen distalen Teil, welcher eingerichtet ist zum Verbinden mit einer Plasmalichtbogenbrennerspitze. Der distale Teil beinhaltet einen Einlassbereich auf der äußeren Oberfläche des länglichen Körpers, welcher in Flüssigkeitsaustausch mit der Strömungskammer steht und eine Vielzahl von Einlassschikanen, welche sich entlang der longitudinalen Achse auf der äußeren Oberfläche erstrecken und nicht axialsymmetrisch um den distalen Teil angeordnet sind. Die Einlassschikanen sind eingerichtet, um eine Flüssigkeitsströmung von dem Einlassbereich zu dem Strömungsbereich über die Strömungskammer aufzuteilen.
In anderen Beispielen kann jeder der obigen Aspekte eines oder mehrere der folgenden Merkmale beinhalten. In einigen Ausführungsformen beinhaltet die Düse weiterhin einen Einlassbereich in dem distalen Teil, welcher eingerichtet ist, um die Flüssigkeitsströmung zu den Strömungsschikanen einzuleiten. In einigen Ausführungsformen erzeugen die Einlassströmungsschikanen zumindest eine Nut, einen Kanal oder ein Loch, um die Flüssigkeitsströmung da hindurchzuleiten. In einigen Ausführungsformen beträgt eine kombinierte Querschnittströmungsfläche der Strömungsschikanen ungefähr 0,02 bis ungefähr 0,04 Quadratinch. In einigen Ausführungsformen beträgt eine Länge einer jeden Einlassströmungsschikane ungefähr 1/6 bis ungefähr 1/3 einer Länge der Düse entlang der longitudinalen Achse.
In einigen Ausführungsformen sind die Einlassströmungsschikanen eingerichtet, um die Flüssigkeitsströmung von dem Einlassbereich in eine Vielzahl von Flüssigkeitsstrahlen aufzuteilen und die Flüssigkeitsstrahlen in die Strömungskammer zu verteilen. Die Strömungsschikanen können die Flüssigkeitsströmung in zumindest vier Flüssigkeitsstrahlen aufteilen. Die Vielzahl von Flüssigkeitsstrahlen kann z. B. vier bis sechs Flüssigkeitsstrahlen umfassen. Die Flüssigkeitsschikanen können zumindest eine Strömungsgeschwindigkeit oder einen Druck der Flüssigkeitsstrahlen im Vergleich zur Flüssigkeitsströmung des Einlassbereichs vergrößern. In einigen Ausführungsformen erstreckt sich die Strömungskammer longitudinal über zumindest ungefähr 20% einer Länge der Düse.
In einigen Ausführungsformen sind die Strömungskammer und der Strömungsbereich umlaufend um die Düse auf der äußeren Oberfläche angeordnet. Zumindest der Einlassbereich oder die Strömungskammer oder der Strömungsbereich können axialsymmetrisch um die Düse sein. In einigen Ausführungsformen ist der Strömungsbereich zwischen der Strömungskammer und einer Spitze der Düse angeordnet.
In einigen Ausführungsformen können die Strömungsschikanen einen radialen Abschnitt von 30 Grad bis 180 Grad des distalen Teils besetzen. Der radiale Abschnitt kann über 180 Grad von einem Auslass der Plasmalichtbogenbrennerspitze orientiert sein, eingerichtet, um die Flüssigkeitsströmung von der Düse abzuführen. Die Düse kann dazu eingerichtet sein, die Flüssigkeitsströmung von dem Einlassbereich durch die Vielzahl von Strömungsschikanen als eine Vielzahl von Flüssigkeitsstrahlen über die Strömungskammer hin zu dem Strömungsbereich zu leiten und von dem Auslass auszulassen. Zumindest eine Lasermarkierung kann an der äußeren Oberfläche angeordnet sein zum Orientieren der Düse bezüglich des Auslasses, wenn die Düse an die Plasmalichtbogenbrennerspitze gekoppelt wird. In einigen Ausführungsformen beinhaltet der Ringflansch weiterhin einen Auslassdurchgang, um die Flüssigkeitsströmung von der Strömungskammer zu dem Auslass zu führen.
In einer weiteren Hinsicht ist ein Verfahren zum Leiten einer Flüssigkeitsströmung durch eine nicht axialsymmetrische Düse bereitgestellt zum Kühlen eines Plasmalichtbogenbrenners. Dieses Verfahren beinhaltet eine Zuführung der Flüssigkeitsströmung von dem Plasmalichtbogenbrenner zu einem Einlassbereich eines distalen Teils der Düse. Der Einlassbereich ist auf einer äußeren Oberfläche der Düse angeordnet. Das Verfahren beinhaltet ein Aufteilen der Flüssigkeitsströmung von dem Einlassbereich in eine Vielzahl von Flüssigkeitsstrahlen durch eine Vielzahl von Einlassschikanen an dem distalen Teil der Düse. Die Vielzahl von Einlassschikanen ist nicht axialsymmetrisch, um den distalen Teil angeordnet. Das Verfahren beinhaltet zusätzlich ein Fließen der Vielzahl von Flüssigkeitsstrahlen auf einer Seite der Düse von den Einlassschikanen zu einem Strömungsbereich über eine Strömungskammer. Zumindest ein Teil der Strömungskammer ist durch eine äußere Oberfläche eines mittleren Teils der Düse definiert und der Strömungsbereich ist durch eine äußere Oberfläche eines proximalen Teils der Düse definiert. Dieses Verfahren beinhaltet weiterhin ein Zirkulieren, durch den Strömungsbereich, der Flüssigkeitsstrahlen, umlaufend um die Düse, um eine Spitze der Düse zu kühlen.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren weiterhin ein Erhöhen von zumindest einer Strömungsgeschwindigkeit oder eines Drucks der Flüssigkeitsstrahlen durch die Vielzahl von Einlassschikanen im Vergleich zu der Flüssigkeitsströmung des Einlassbereichs.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren weiterhin ein Abführen der Flüssigkeitsströmung von der Düse durch einen Auslass auf einer Plasmalichtbogenbrennerspitze, welcher an die Düse gekoppelt ist. Der Auslass kann gegenüber eines radialen Abschnitts des Flansches positioniert sein, welcher durch die Vielzahl von Einlassschikanen besetzt ist. Das Verfahren kann weiterhin ein Orientieren zumindest einer Lasermarkierung auf der Düse bezüglich des Auslasses beinhalten, wenn die Düse an die Plasmalichtbogenbrennerspitze gekoppelt wird. Die Lasermarkierung kann eine Düsenorientierung bezüglich des Plasmalichtbogenbrenners anzeigen.
In einigen Ausführungsformen erstrecken sich die Strömungskammer und der Strömungsbereich ungefähr 360 Grad um die Düse.
Es sollte auch verstanden werden, dass verschiedene Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung auf verschiedenen Wegen kombiniert werden können. Auf der Basis der Lehren dieser Spezifikation kann ein Fachmann sofort bestimmen, wie diese verschiedenen Ausführungsformen kombiniert werden können. In einigen Ausführungsformen kann z. B. jeder der obigen Aspekte ein oder mehrere der obigen Merkmale beinhalten. Eine Ausführungsform der Erfindung kann alle der obigen Merkmale und Vorteile bereitstellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Vorteile der oben beschriebenen Erfindung zusammen mit weiteren Vorteilen kann besser durch Bezug auf die nachfolgende Beschreibung zusammen mit den begleitenden Zeichnungen verstanden werden. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, die Betonung liegt stattdessen generell auf einer Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung.
1 zeigt eine Querschnittansicht eines beispielhaften Plasmalichtbogenbrenners.
2a und 2b zeigen jeweils Profil- und isometrische Ansichten der Düse von 1.
3a und 3b zeigen jeweils isometrische und frontale Ansichten der Düse montiert in der Plasmalichtbogenbrennerspitze von 1.
4a und 4b zeigen ein beispielhaftes Kühlmittelströmungsmuster über die Düse von 1 aus verschiedenen Perspektiven.
5 zeigt eine beispielhafte Führungsform zum Ausrichten der Düse mit der Plasmalichtbogenbrennerspitze von 1 während einer Montage.
6a und 6b zeigen verschiedene Ansichten der Düse während sie in der Plasmalichtbogenbrennerspitze von 1 unter Verwendung der Führungsform von 5 montiert wird.
7 zeigt die Düse von 1 mit beispielhaften Markierungen, z. B. Lasermarkierungen, um einen Anwender bei der Montage der Düse auf der Plasmalichtbogenbrennerspitze visuell zu unterstützen.
8 zeigt beispielhaft Quality-over-Life-Ergebnisse, welche unter Verwendung eines Brenners mit der Düse von 1 erzeugt wurden.
Detaillierte Beschreibung
1 zeigt eine Querschnittansicht eines beispielhaften flüssigkeitsgekühlten Plasmalichtbogenbrenners 100 einschließlich eines Brennerkörpers 102 und einer Brennerspitze 104. Die Brennerspitze 104 beinhaltet mehrere Verbrauchsmaterialien, z. B. eine Elektrode 105, eine Düse 110, eine Haltekappe 115, einen Wirbelring 120 und eine Abschirmung 125. Der Brennerkörper 102, welcher im Allgemeinen eine zylindrische Form aufweist, trägt die Elektrode 105 und die Düse 110. Die Düse 110 ist von der Elektrode 105 beabstandet und weist eine zentrale Austrittsöffnung 106, welche innerhalb des Brennerkörpers 102 befestigt ist, auf. Der Wirbelring 120 ist auf dem Brennerkörper 102 befestigt und weist einen Satz von radial versetzten oder abgekanteten Gasverteilungslöchern 127 auf, welche der Plasmagasströmung eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente verleihen, welche die Plasmagasströmung dazu veranlasst, zu wirbeln. Die Abschirmung 125, welche auch eine Austrittsöffnung 107 beinhaltet, ist mit der Haltekappe 115 verbunden (z. B. geschraubt). Die gezeigte Haltekappe 115 ist eine innere Haltekappe, die fest mit der Düse 110 verbunden ist (z. B. geschraubt), um die Düse 110 an dem Plasmalichtbogenbrenner 100 zu halten, und um die Düse 110 bezüglich einer longitudinalen Achse des Brenners 100 radial und/oder axial zu positionieren. In einigen Ausführungsformen ist eine äußere Haltekappe 116 relativ zu der Abschirmung 125 gesichert. Der Brenner 100 kann zusätzlich elektrische Verbindungen, Durchgänge zum Kühlen, Durchgänge für Lichtbogensteuerflüssigkeiten (z. B. Plasmagas) und eine Energieversorgung beinhalten. In einigen Ausführungsformen beinhalten die Verbrauchsmaterialien auch eine Schweißspitze, welches eine Düse ist zum Passieren eines gezündeten Schweißgases.
Im Betrieb fließt ein Plasmagas durch ein Gaseinlassrohr (nicht gezeigt) und die Gasverteilungslöcher 127 in dem Wirbelring 120. Von dort fließt das Plasmagas in eine Plasmakammer 128 und aus dem Brenner 100 durch die Austrittsöffnung 106 der Düse 110 und die Austrittsöffnung 107 der Abschirmung 125. Zuerst wird ein Pilotlichtbogen zwischen der Elektrode 105 und der Düse 110 erzeugt. Der Pilotlichtbogen ionisiert das Gas, welches durch die Düsenaustrittsöffnung 106 und die Abschirmungaustrittsöffnung 107 läuft. Der Lichtbogen geht dann von der Düse 110 auf ein Werkstück (nicht gezeigt) über, um das Werkstück thermisch zu verarbeiten (z. B. Schneiden oder Schweißen). Es wird angemerkt, dass die veranschaulichten Details des Brenners 100, einschließlich der Anordnung der Komponenten, die Richtung der Gas- und Kühlflüssigkeitsströmungen und der elektrischen Verbindungen eine Vielzahl von Formen annehmen kann.
2a und 2b zeigen jeweils Profile und isometrische Ansichten der Düse 110 von 1. Wie gezeigt weist die Düse 110 einen länglichen Körper auf, welcher eine dadurch verlaufende longitudinale Achse A definiert und einen distalen Teil 202, einen mittleren Teil 204 und einen proximalen Teil 206 entlang der longitudinalen Achse A beinhaltet. Die Teile 202, 204, 206 können integral gebildet sein (z. B. aus demselben Materialstück). In einigen Ausführungsform sind die Teile 202, 204, 206 aus zumindest zwei unterschiedlichen Materialstücken gebildet und aneinander gekoppelt. In einigen Ausführungsformen erstrecken sich die Teile 202, 204 und 206 jeweils ungefähr über 1/3 der Länge der Düse 110 entlang der longitudinalen Achse A.
Der proximale Teil 206 kann einen raumgreifenden Teil 222 mit einer inneren Oberfläche beinhalten, welcher die Düsenaustrittsöffnung 106 definiert, durch welche ein Plasmastrahl aus der Düse 110 austritt. Der proximale Teil 206 definiert auch eine Nut 224 auf seiner äußeren Oberfläche, wobei die Nut 224 eingerichtet ist, eine elastomere Dichtung aufzunehmen, wie z. B. einen O-Ring (nicht gezeigt). Wenn die Düse 110 in dem Plasmalichtbogenbrenner 100 installiert ist, deformiert ein Oberflächen-zu-Oberflächen-Kontakt zwischen der Düse 110 und der angrenzenden Komponente die elastomere Dichtung in der Nut 224, um eine flüssigkeitsdichte Dichtung zwischen der Düse und der angrenzenden Komponente bereitzustellen. Der proximale Teil 206 beinhaltet weiterhin einen Flüssigkeitsströmungsbereich 210 auf seiner äußeren Oberfläche. Der Flüssigkeitsströmungsbereich 210 stellt einen umlaufenden Strömungskanal um die Düse 110 bereit (d. h. einen Strömungskanal, welcher sich um 360 Grad um die Düse 110 erstreckt), welcher es einem Kühlmittel erlaubt, über die äußere Oberfläche der Düse 110 zu strömen, und dabei eine Konvektionskühlung der Düsenspitze 109 während eines Betriebs des Brenners zu fördern und einen Stillstand der strömenden Flüssigkeit zu reduzieren. Der Flüssigkeitsströmungsbereich 210 kann zumindest zum Teil durch eine gekrümmte Oberfläche der Düse 110 definiert sein. Der Flüssigkeitsströmungsbereich 210 kann zumindest einen Teil einer ringförmigen Kammer 211 definieren, welche entlang der longitudinalen Achse A zentriert ist. In einigen Ausführungsformen tritt die Kühlflüssigkeit von einer Seite der Düse 110 in den Flüssigkeitsströmungsbereich 210 ein, fließt um den proximalen Teil 206 innerhalb des Strömungsbereichs 210 und tritt auf einer gegenüberliegenden Seite der Düse 110 aus. Beispielhafte Kühlmittelströmungspfade sind in den US-Patenten Nr. 8,772,667 und 8,829,385 des Anmelders beschrieben, deren Inhalte hierin durch Verweis in ihrer Gesamtheit eingeschlossen sind. Der proximale Teil 206 einschließlich des Flüssigkeitsströmungsbereichs 210 kann radialsymmetrisch um die longitudinale Achse A sein.
Der mittlere Teil 204 der Düse 110 definiert zumindest teilweise eine Strömungskammer 208 auf seiner äußeren Oberfläche, um eine Flüssigkeitsströmung über die Düse 110 zu leiten. In einigen Ausführungsformen definieren die äußere Oberfläche des mittleren Teils 204 und eine innere Oberfläche einer angrenzenden Abschirmung 125 nach einer Montage gemeinsam die Strömungskammer 208. In einigen Ausführungsformen erstreckt sich die Strömungskammer 208 zumindest über ungefähr 20% der Länge der Düse entlang der longitudinalen Achse A. Die Strömungskammer 208 kann sich z. B. über zumindest ungefähr 30% der Länge der Düse entlang der longitudinalen Achse A erstrecken. Wie in 2a und b gezeigt kann die Strömungskammer 208 ungefähr in der Mitte der Düse 110 entlang der longitudinalen Achse A und/oder an dem breitesten radialen Abschnitt der Düse angeordnet sein.
Die Strömungskammer 208 kann neben dem Strömungsbereich 210 des proximalen Teils 206 positioniert sein und im Flüssigkeitsaustausch mit dem Strömungsbereich 210 stehen. In einigen Ausführungsformen tritt die Kühlflüssigkeit auf einer Seite der Düse 110 als mehrere Hochgeschwindigkeits-, Hochdruckflüssigkeitsstrahlen in die Strömungskammer 208 ein und strömt longitudinal auf derselben Seite hin zu dem Strömungsbereich 210. Der mittlere Teil 204, einschließlich der Strömungskammer 208, kann radialsymmetrisch um die longitudinale Achse A sein. Die Strömungskammer 208 kann z. B. umlaufend um die Düse 110 auf der äußeren Oberfläche angeordnet sein (d. h. sich um 360 Grad um die Düse 110 erstreckend). Wie in 2a und b gezeigt, ist der mittlere Teil 204 relativ glatt ohne gewellte Strömungskanäle oder andere Erhöhungs- oder Kerbmerkmale.
Der distale Teil 202 der Düse 110 ist eingerichtet, um die Plasmalichtbogenbrennerspitze 104 über ein Verbindungsteil 232 der Düse 110 zu verbinden. Der distale Teil 202 beinhaltet auch einen Einlassbereich 212 (z. B. in Form eines Kanals) auf einer äußeren Oberfläche der Düse 110. Der Einlassbereich 212 ist eingerichtet, um eine Strömung einer Kühlflüssigkeit von dem Plasmalichtbogenbrenner aufzunehmen, wenn er daran verbunden ist, und, ähnlich zu dem Strömungsbereich 210 in dem proximalen Teil 206, um einen Umlaufströmungskanal um die Düse 110 bereitzustellen (d. h. einen Strömungskanal, welcher sich um 360 Grad um die Düse 110 erstreckt), welcher es dem Kühlmittel erlaubt, über die äußere Oberfläche der Düse 110 zu strömen und dadurch eine Konvektionskühlung dieses Teils der Düse 110 während eines Betriebs des Brenners zu fördern. Der Einlassbereich 212 kann zumindest zum Teil (1) durch eine gekrümmte Oberfläche der Düse 110, (2) einen Stopp 234, welcher von der äußeren Oberfläche der Düse 110 übersteht, um den Einlassbereich 212 von dem Verbindungsteil 232 zu trennen, und (3) einem Ringflansch 214, welcher von der äußeren Oberfläche der Düse 110 übersteht, um den Einlassbereich 212 von der Strömungskammer 208 zu trennen, definiert sein. Der Einlassbereich 212 kann radialsymmetrisch um die longitudinale Achse A sein.
Zusätzlich können mehrere Schikanen 216 auf dem Ringflansch 214 konstruiert sein und eingerichtet sein, um die umlaufende Flüssigkeitsströmung von dem Einlassbereich 212 in mehrere Flüssigkeitsstrahlen aufzuteilen vor einer Drosselung und einer longitudinalen Führung der Strömung der Flüssigkeitsstrahlen in den Strömungsbereich 210 über die Strömungskammer 208. Wie in 2a und b gezeigt können die Schikanen 216, welche die Flüssigkeitsstrahlen bildenden, eine Reihe von kurz gefrästen oder anderweitig integral gebildeten Nuten/Schlitzen 215 sein zum Aufteilen der Flüssigkeitsströmung von dem Einlassbereich 202 und zum Verteilen der resultierenden Flüssigkeitsstrahlen in die Strömungskammer 208. Alternativ können die Schikanen 216 in anderen Formen gebildet sein, um dieselben Funktionen zu erreichen, wie z. B. Löcher, Kanäle oder Überstände auf der äußeren Oberfläche der Düse 110 zum Führen der Flüssigkeitsstrahlen dort hindurch.
Die Schikanen 216 können auf einer Seite der Düse 110 nicht axialsymmetrisch um den distalen Teil 202 angeordnet sein. Die Schikanen 216 können z. B. einen radialen Abschnitt 230 auf einer Seite der Düse 110 von zwischen ungefähr 30 Grad bis ungefähr 180 Grad besetzen. Daher kann die Düse 110 als nicht axialsymmetrisch gekennzeichnet sein. Die Nuten 215, welche durch die Schikanen 216 gebildet sind, können sich im Wesentlichen parallel zu der longitudinalen Achse A orientieren, so dass sie die Flüssigkeitsstrahlen in einer im Wesentlichen longitudinalen Richtung in die Strömungskammer 208 einleiten. Da die Schikanen 216 nicht radialsymmetrisch sind, sind sie angepasst, um die Flüssigkeitsstrahlen der Strömungskammer 208 auf einer Seite der Düse 110 einzuleiten. In einigen Ausführungsformen sind die Nuten 215 relativ kurz (d. h. decken den größten Teil der Länge der Düse 110 nicht ab). Als ein Beispiel können sie sich ungefähr über 1/6 bis ungefähr 1/3 der Länge der Düse 110 entlang der longitudinalen Achse A erstrecken. Die Schikanen 216 können eingerichtet sein, um zwei oder mehrere Flüssigkeitsstrahlen in die Strömungskammer 208 einzuleiten. Die Schikanen 216 können z. B. zwei oder mehrere Nuten 215 beinhalten, wobei jede Nut 215 einen Flüssigkeitsstrahl erzeugt. In einigen Ausführungsformen sind die Schikanen 216 eingerichtet, um vier bis sechs Flüssigkeitsstrahlen in die Strömungskammer 208 zu verteilen. Im Allgemeinen erhöht eine Aufteilung der Flüssigkeitsströmung von dem Einlassbereich 212 in mehrere Flüssigkeitsstrahlen zumindest eine Strömungsgeschwindigkeit oder einen Druck der Flüssigkeit, welche zu der Strömungskammer 208 wandert. In einigen Ausführungsformen beträgt eine kombinierte Querschnittsströmungsfläche der Schikanen 216 ungefähr 0,02 bis ungefähr 0,04 Quadratinch, wie z. B. 0,03 Quadratinch. In einem Beispiel können die Schikanen 216 vier Nuten 215 mit einer kombinierten Querschnittsfläche von ungefähr 0,029 Quadratinch aufweisen.
3a und 3b zeigen jeweils isometrische und frontale Ansichten der nicht axialsymmetrischen Düse 110 montiert in der Plasmalichtbogenbrennerspitze 104 von 1. Wie gezeigt beinhaltet die Plasmalichtbogenbrennerspitze 104 eine Schulter 302 mit einem Flüssigkeitsrücklaufauslass 304 zum Wegführen der Kühlflüssigkeit von der Düse 110 nachdem das Kühlmittel um die Düse 110 zirkuliert ist. Die Schulter 302 beinhaltet auch einen Flüssigkeitseinlass 303, um die Kühlflüssigkeit von dem Brennerkörper 102 an die Düse 110 zu liefern. Der Flüssigkeitsrücklaufauslass 304 und der Flüssigkeitseinlass 303 können voneinander radial versetzt positioniert sein. Wie in 3a gezeigt, während der Flüssigkeitseinlass 303 radial orientiert ist, um das Kühlmittel an die Düse 110 in einer radialen Richtung relativ zu der longitudinalen Achse A einzuleiten ist z. B. der Flüssigkeitsauslass 304 axial orientiert, um die Kühlflüssigkeit von der Düse 110 in einer axialen Richtung relativ zu der longitudinalen Achse A abzuführen. Der radiale Abschnitt 230, auf welchem die Schikanen 216 angeordnet sind, kann um 180 Grad von dem Auslass 304 orientiert sein, nachdem die Düse 110 auf der Brennerspitze 104 befestigt ist. Andere Orientierungen sind allerdings möglich solange der Rücklaufauslass 304 nicht blockiert ist. Im Allgemeinen ist der Radius 306 des Ringflansches 214, welcher der breiteste Teil der Düse 110 in der radialen Ebene sein kann, geringer als der äußere Radius 308 der Schulter 302, so dass der Ringflansch 214 den Auslass 304 in keiner Richtung überdeckt, wenn er auf die Plasmalichtbogenbrennerspitze 104 montiert ist. Die Düse 110 kann an die Plasmalichtbogenbrennerspitze 104 über einen Presssitz gekoppelt sein (oder über ein Gewinde oder ein anderes geeignetes Verfahren), so dass der Verbindungsteil 232 der Düse 110 in die Schulter 302 der Brennerspitze 104 eingefügt ist bis die proximale Oberfläche 310 der Schulter 302 den Stopp 234 der Düse 110 physisch kontaktiert, um einen weiteren longitudinalen Fortschritt der Plasmalichtbogenbrennerspitze 104 relativ zu der Düse 110 zu verhindern. Weil weder der Verbindungsteil 232 der Düse 110 noch die Schulter 302 der Brennerspitze 104 gefräste ineinandergreifende Merkmale aufweisen (z. B. passende Nuten und/oder Überstände), welche es fordern, dass die Düse 110 ein spezifisches Design und/oder in einer spezifischen Orientierung bezüglich dem Auslass 304 ist, wenn sie mit der Brennerspitze 104 verbunden sind, muss die Düse 110 nicht auf einen Brenner ”geschlüsselt” sein.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet der Ringflansch 214 der Düse 110 einen Austrittskanal (nicht gezeigt), wie z. B. eine Nut oder ein Loch, um die Rücklaufströmung der Kühlflüssigkeit weg von der Düse 110 und in den Auslass 304 zu erleichtern. Der Austrittskanal kann z. B. relativ zu dem Auslass 304 ausgerichtet sein, wenn die Düse 110 mit der Brennerspitze 104 verbunden ist und/oder kann um 180 Grad gedreht von den Schikanen 216 angeordnet sein. Eine Kühlleistung ist nicht wesentlich vermindert, selbst wenn der Austrittsdurchgang nicht mit einem Versatz von exakt 180 Grad gedreht von den Schikanen 216 angeordnet ist. Die Erfindung beinhaltet Techniken, um sich dieser Ausrichtung zu nähern (unten beschrieben).
4a und 4b zeigen ein beispielhaftes Kühlmittelströmungsmuster über der Düse von 1 aus verschiedenen Perspektiven. Eine in der vorliegenden Erfindung verwendbare Kühlflüssigkeit kann Wasser, eine andere Flüssigkeit oder ein Gas sein. Wie gezeigt tritt die Kühlflüssigkeit von der Plasmalichtbogenbrennerspitze 104 als eine relativ longitudinale Strömung 402 in den Einlassbereich 212 der Düse 110 ein. Der Einlassbereich 212 stellt einen Umlaufströmungskanal um die Düse 110 bereit, welcher es dem Kühlmittel erlaubt in einem kreisförmigen Strömungsmuster 404 um die Düse zu zirkulieren. Weil der Ringflansch 214 ein Teil des Einlassbereichs 212 ist und die Kühlmittelströmung 404 in den Einlassbereich 212 von der Strömungskammer 208 trennt, dient der Ringflansch 214 also dazu, um die Kühlmittelströmung 404 um die Düse 110 zu leiten. Zusätzlich können die auf dem Ringflansch 214 angeordneten Schikanen 216 die kreisförmige Kühlmittelströmung 404 in dem Einlassbereich 212 in die Strömungskammer 208 als zwei oder mehrere Strahlen der Flüssigkeit 406 drosseln. Die Flüssigkeitsstrahlen 406 weisen im Allgemeinen eine höhere Geschwindigkeit und/oder einen höheren Druck auf als die Kühlmittelströmung 404 in dem Einlassbereich 212 aufgrund der Aufteilung durch die Schikanen 216. Die Flüssigkeitsstrahlen 406 können sich in eine longitudinale Richtung über eine Seite der Strömungskammer 208 hin zu dem Strömungsbereich 210 fortbewegen. Nach einem Erreichen des Strömungsbereiches 210 wirbeln die Flüssigkeitsstrahlen 406 als kreisförmige Strömungsmuster 408 um die Düse 110, um den Hochtemperaturteil der Düse 110 (z. B. die Düsenspitze 109) zu kühlen, ein Schmelzen des O-Rings in der Nut 224 zu verhindern, sowie auch um Rezirkulation zu minimieren. Die kreisförmige Strömung 408 kann die hohe Geschwindigkeit und/oder den hohen Druck, welcher durch eine Aufteilung von den Schikanen 216 erzeugt wird, aufrechterhalten. Die Aufteilung durch die Schikanen 216 stellt also auch hinreichend viel Impuls bereit, um die kreisförmige Strömung 408 von dem Strömungsbereich 210 zum Rücklauf auf die andere Seite der Düse 110, im Wesentlichen gegenüber (z. B. um 180 Grad) der Einlassströmung, welche durch die Flüssigkeitsstrahlen 406 besetzt ist, zu treiben. Die Rücklaufströmung 410 kann von der Düse 110 zu dem Plasmalichtbogenbrenner 100 über den Auslass 304 der Plasmalichtbogenbrennerspitze 104 austreten. In einigen Ausführungsformen beinhaltet der Ringflansch 214 einen Austrittsdurchgang/Kanal (nicht gezeigt), um die Rücklaufströmung 410 von der Düse 110 ab und hin zu dem Auslass 304 zu führen.
Da die Rücklaufströmung 410 um 180 Grad von den Flüssigkeitsstrahlen 406 gedreht ist, kann der Auslass 304 um 180 Grad gedreht von den Schikanen 216 positioniert werden, obwohl andere Anordnungen wie oben erklärt auch möglich sind. In einigen Ausführungsformen ist ein Werkzeug bereitgestellt, um einem Anwender während einer Installation einer Komponente dabei zu helfen, die Düse 110 bezüglich der Plasmalichtbogenbrennerspitze 104 auszurichten, so dass die Schikanen 215 relativ zu dem Auslass 304 bei einem gewünschten Winkel positioniert sind. 5 zeigt eine beispielhafte Führungsform zum Ausrichten der Düse 110 mit der Plasmalichtbogenbrennerspitze 104 von 1 während einer Montage. Die Führungsform 500 weist einen ausgeschnittenen Abschnitt 501 auf, welcher ungefähr dieselbe Größe wie ein radialer Querschnitt der Düse 110 (z. B. bei dem Ringflansch 214) aufweist, wodurch es der Düse 110 erlaubt ist, teilweise durch den ausgeschnittenen Abschnitt 501 (z. B. bei dem Flansch 214) zu passen. Der ausgeschnittene Abschnitt 501 weist mehrere Vertiefungen 502 auf, die so dimensioniert sind, um die Nuten 215, welche durch die Schikanen erzeugt sind, zu ergänzen und mit diesen zusammenzugreifen. Daher ist die Anzahl von Vertiefungen 502 auf der Form 500 gleich zu der Anzahl von Nuten 215 auf der Düse 110. Die Vertiefungen 502 können sich über einen radialen Abschnitt 506 um den ausgeschnittenen Abschnitt 501 erstrecken. Zusätzlich beinhaltet die Führungsform 500 eine oder mehrere Markierungen 504, wie z. B. zwei Pfosten, um eine Ausrichtung der Düse relativ zu dem Auslass 304 auf dem Brennerkörper 104 zu erleichtern. Die Pfosten 504 können z. B. in den Auslass 304 eingefügt werden, um die Form 500 an dem Auslass 304 einzurasten. Die Pfosten 504 sind bei einem gewünschten Winkel relativ zu dem radialen Abschnitt 506, wo die Vertiefungen 502 angeordnet sind, angeordnet. Die Pfosten 504 können z. B. um 180 Grad gedreht von dem radialen Abschnitt 506 sein, wodurch sie es zulassen, die Nuten 215 im Wesentlichen gegenüber dem Auslass 304 auszurichten. Ein Fachmann würde verstehen, dass andere Ausrichtungswinkel auch möglich sind und durch eine Modifikation der Führungsform 500 sofort erreichbar sind.
6a und 6b zeigen verschiedene Ansichten der Düse 110 montiert in der Plasmalichtbogenbrennerspitze 104 von 1 unter der Verwendung der Führungsform 500 von 5. Während einer Montage kann ein Anwender die Form 500 zunächst von der Düsenspitze 109 her über die Düse 110 gleiten, während er sicherstellt, dass die Nuten 215 der Düse 110 mit den Vertiefungen 502 der Form 500 ausgerichtet sind. Das Gleiten stoppt, wenn sich die Form 500 bei dem Ringflansch 214 um die Düse 110 schmiegt und nicht weiter longitudinal entlang der Düse 110 fortschreiten kann oder radial um die Düse 110 rotiert, aufgrund einer Kopplung der Nuten 215 mit den Vertiefungen 502. Dann kann der Anwender den Verbindungsabschnitt 232 der Düse 110 in den Schulterteil 302 der Plasmalichtbogenbrennerspitze 104 einfügen. Während des Einfügens kann der Anwender die Düse in solch einer Orientierung bezüglich der Brennerspitze 104 platzieren, dass die Pfosten 504 auf der Form 500, welche an die Düse 110 gekoppelt ist, ausgerichtet sind mit und aufgenommen werden durch den Auslass 304 des Brennerkörpers 104. Dies stellt sicher, dass die Vertiefungen 502 der Form 500, welche mit den Nuten 215 der Düse 110 einrasten, relativ zu dem Auslass 304 bei einem durch die Form 500 spezifizierten Winkel orientieren, wie z. B. bei ungefähr 180 Grad wie in 6a und 6b gezeigt.
Zusätzlich zu oder anstelle der Führungsform 500 können visuelle Hilfen verwendet werden, um einen Anwender bei einer Ausrichtung der Düse relativ zur Plasmalichtbogenbrennerspitze 104 während einer Brennermontage zu unterstützen. 7 zeigt die Düse 110 von 1 mit beispielhaften Lasermarkierungen 700, um einem Anwender bei der Montage der Düse 110 auf der Plasmalichtbogenbrennerspitze 104 visuell zu helfen. Wie gezeigt weist die Düse 110 Lasermarkierungen 700 auf, welche auf die äußere Oberfläche ihres Körpers geätzt sind, um anzuzeigen, wo der Auslass 304 der Plasmalichtbogenbrennerspitze 104 bezüglich der Düse 110 angeordnet sein muss. Die Markierungen 700 können bei einem gewünschten Winkel in Beziehung zu den Schikanen 216 (z. B. um 180 Grad gegenüber den Schikanen 216) gedreht sein, so dass ein Anwender den Auslass 304 mit den Markierungen 700 während einer Montage visuell ausrichten kann, um sicherzustellen, dass der Auslass 304 auch bei dem gewünschten Winkel bezüglich der Schikanen 216 orientiert ist. Die Markierungen 700 können ein Pfeil, ein schattierter Bereich, der im Wesentlichen eine ähnliche Größe und/oder Form wie der Auslass 304 aufweist, oder jede andere Anzeige sein, um zu markieren, wo der Auslass 304 positioniert werden muss. In einigen Ausführungsformen sind auch die Teilenummer(n), die mit der Düse 110 assoziiert ist/sind und/oder der entsprechende Brennerkörper ist auch durch Laser auf der Düse 110 markiert.
Die Düse 110 der vorliegenden Erfindung stellt eine starke Kühlleistung bereit (z. B. begrenzt Schmelzen und/oder eine Hochtemperaturoxidation der Düse 110 und verhindert eine Fehlfunktion und/oder Schmelzen des Düsen-O-Rings, welcher bei der Nut 224 angeordnet ist), ein verlängertes Düsenleben und optimierte Schnittqualität, während ein einfacheres und günstigeres Design erreicht wird. Die Kosteneinsparungen können einer geringeren benötigten Bearbeitung zum Herstellen der Düse 110 zugeordnet werden aufgrund kürzerer Schikanen 216 und resultierender Nuten 215 und allgemein weniger komplexen Merkmalen im Vergleich zu Düsendesigns des Standes der Technik. Die Kosteneinsparungen können auch einer reduzierten Versorgungskette, Teile und Inventurkosten aufgrund der Eliminierung der Verschlussanforderungen zugeordnet werden. Im Speziellen weist die Düse 110 keine physischen Merkmale auf, welche ein Ineinandergreifen mit ergänzenden physischen Merkmalen in dem Brennerkörper erfordern, um die Komponenten miteinander zu verbinden. Höchstens eine einzelne Führungsform 500 wird verwendet, um die Einlassschikanen der Düse 110 bezüglich dem Auslass 304 auf dem Brennerkörper 104 zu orientieren. Die Führungsform 500 ist allerdings nicht notwendig, zumal visuelle Ausrichtungsmerkmale (z. B. Lasermarkierungen 700) durch einen Anwender verwendet werden können, um dieselbe Ausrichtung zu erreichen.
8 zeigt beispielhafte Quality-over-Life-Ergebnisse, welche unter der Verwendung eines Brenners mit der Düse von 1 erzeugt wurden. Im Speziellen sind die Resultate aus einer Analyse von geschnittenen Kanten eines Werkstückes, welches durch einen flüssigkeitsgekühlten Brenner (z. B. Brenner 100 von 1) mit der Düse 110, welche bei ungefähr 280 Ampere Stromstärke betrieben wurde, hergestellt. Die Ergebnisse 802 sind als ein Mittelwert von fünf Tests erzeugt, wobei jeder Test eine gewisse Anzahl von Durchstößen und 20 Sekunden Schnitten (y-Achse) einbezieht. Die Ergebnisse 802 sind Ergebnissen 804 gegenübergestellt, welche mit einer anderen Düse unter im Wesentlichen ähnlichen Betriebsbedingungen durchgeführt wurden. Die Ergebnisse 804 sind als ein Durchschnitt von drei Tests erzeugt, wobei jeder Test eine gewisse Anzahl von Durchstößen und 20 Sekunden Schnitten (y-Achse) einbezieht. Die Analyse untersuchte Schnittqualitätsmessungen bezüglich einer oder mehrerer Qualitätsmetriken einschließlich Winkel und/oder Konizität der Schnitte sowie auch beliebige signifikante Mängel und Unregelmäßigkeiten in den Schnitten. Die bezüglich jeder Qualitätsmetrik aufgenommenen Messungen sind auf einer Skala von 1 bis 6 bewertet, wobei 1 die höchste Qualität und 6 die niedrigste Qualität für diese Metrik ist. Der gemessene Schnittwinkel in einem Werkstück kann z. B. in eine lineare Abweichung übersetzt werden und auf einer Skala von 1 bis 6 abgebildet werden, wobei 1 die geringste Abweichung und 6 die höchste Abweichung anzeigt. Wie gezeigt weisen die Ergebnisse 802, welche durch einen Brenner mit der Düse 110 der vorliegenden Erfindung erzeugt wurden, einen größeren Prozentsatz der Schnitte mit einer guten Qualitätswertung von 3 oder geringer auf als die Ergebnisse 804, welche durch die anderen Düsen erzeugt wurden.
In einer weiteren Hinsicht stellt die Erfindung ein Verfahren zum Kühlen des Plasmalichtbogenbrenners 100 durch die Führung einer Flüssigkeitsströmung von der Brennerspitze 104 zu der nicht axialsymmetrischen Düse 110 bereit. Die Flüssigkeitsströmung kann von der Plasmalichtbogenbrennerspitze 104 in den Einlassbereich 212 des distalen Teils 202 der Düse 110 geliefert werden. Die Flüssigkeitsströmung ist angepasst, um die Düse 110 in dem distalen Teil 202 entlang von umlaufenden Pfaden, welche durch den Einlassbereich 212 definiert sind, zu zirkulieren. Zumindest ein Teil der Flüssigkeitsströmung in dem Einlassbereich 212 kann durch die Einlassschikanen 216 an dem distalen Teil 202 weiter in mehrere Flüssigkeitsstrahlen aufgeteilt werden. Da die Einlassschikanen 216 nicht axialsymmetrisch um den distalen Teil 202 (z. B. auf einem radialen Abschnitt 230, welcher eine Seite der Düse 110 um 30 Grad bis ungefähr 180 Grad besetzt) angeordnet sind, sind die Flüssigkeitsstrahlen angepasst, um auf einer Seite der Düse 110 von den Einlassschikanen 216 zu dem Strömungsbereich 210, welcher auf einer äußeren Oberfläche des proximalen Teils 206 angeordnet ist, über die Strömungskammer 208, welche auf der äußeren Oberfläche des mittleren Teils 204 angeordnet ist, zu strömen. Die Strömungskammer 208 und der Strömungsbereich 210 können sich ungefähr über 360 Grad um die Düse 110 erstrecken. Nach einem Erreichen des Strömungsbereiches 210 können die Flüssigkeitsstrahlen kreisförmig um die Düse 110 zirkulieren, um die Spitze 109 der Düse 110 zu kühlen. Die Aufteilung der Flüssigkeitsströmung durch die Schikanen 216 kann zumindest eine Strömungsgeschwindigkeit oder einen Druck der Flüssigkeitsstrahlen im Vergleich zu der Flüssigkeitsströmung des Einlassbereiches 212 erhöhen. Die Flüssigkeitsströmung in dem Strömungsbereich 210 kann von der Düse 110 auf einer Seite, die im Wesentlichen gegenüber der Seite liegt, auf welcher die Flüssigkeitsstrahlen in den Strömungsbereich 210 eingeleitet werden, weggeführt werden. Die austretende Flüssigkeitsströmung kann z. B. von dem Strömungsbereich 210 durch die Strömungskammer 208 strömen, um den Auslass 304 auf der Plasmalichtbogenbrennerspitze 104, welche an die Düse 110 gekoppelt ist, zu erreichen. Der Auslass 204 kann gegenüber dem radialen Abschnitt 230, welcher durch die Einlassschikanen 216 besetzt ist, positioniert sein.
Es sollte verstanden werden, dass die verschiedenen Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung auf verschiedenen Wegen kombiniert werden können. Auf der Basis der Lehren dieser Spezifikation kann ein Fachmann sofort bestimmen, wie diese verschiedenen Ausführungsformen kombiniert werden können. Modifikationen können bei einem Fachmann nach dem Lesen der Spezifikation auch auftreten.
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 Patentliteratur

US 8853589 [0005]
US 8772667 [0030]
US 8829385 [0030]

Claims

Nicht axialsymmetrische Düse für einen flüssigkeitsgekühlten Plasmalichtbogenbrenner, umfassend: einen proximalen Teil, welcher eine innere Oberfläche, welche eine Düsenaustrittsöffnung definiert und eine äußere Oberfläche, welche einen Strömungsbereich definiert, beinhaltet; einen mittleren Teil, welcher eine äußere Oberfläche beinhaltet, welche zumindest einen Teil einer Strömungskammer, welche im Flüssigkeitsaustausch mit dem Strömungsbereich steht, definiert; und einen distalen Teil, welcher eingerichtet ist zum Verbinden mit einer Plasmalichtbogenbrennerspitze, wobei der distale Teil beinhaltet: einen Ringflansch, welcher um die Düse angeordnet ist; und eine Vielzahl von Strömungsschikanen, welche auf dem Ringflansch konstruiert sind und nicht axialsymmetrisch um den distalen Teil angeordnet sind, wobei die Vielzahl von Strömungsschikanen eingerichtet ist, um (i) die Flüssigkeitsströmung in eine Vielzahl von Strömungsstrahlen aufzuteilen und (ii) die Flüssigkeitsstrahlen durch die Strömungskammer hin zu dem Strömungsbereich zu drosseln.
Nicht axialsymmetrische Düse nach Anspruch 1, weiterhin einen Einlassbereich in dem distalen Teil umfassend, welcher eingerichtet ist zum Einleiten der Flüssigkeitsströmung zu den Strömungsschikanen.
Nicht axialsymmetrische Düse nach Anspruch 2, wobei die Vielzahl von Strömungsschikanen eingerichtet ist zum Erhöhen zumindest einer Strömungsgeschwindigkeit oder eines Druckes der Flüssigkeitsstrahlen im Vergleich zu der Flüssigkeitsströmung des Einlassbereichs.
Nicht axialsymmetrische Düse nach Anspruch 1, wobei sich die Strömungskammer longitudinal über zumindest ungefähr 20% einer Länge der Düse erstreckt.
Nicht axialsymmetrische Düse nach Anspruch 1, wobei die Strömungskammer und der Strömungsbereich umlaufend um die Düse auf der äußeren Oberfläche angeordnet sind.
Nicht axialsymmetrische Düse nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Strömungsschikanen auf einer Seite der Düse angeordnet ist.
Nicht axialsymmetrische Düse nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Strömungsschikanen ein radialen Abschnitt von 30 Grad bis 180 Grad des distalen Teils besetzt.
Nicht axialsymmetrische Düse nach Anspruch 7, wobei der radiale Abschnitt um 180 Grad gedreht von einem Auslass der Plasmalichtbogenbrennerspitze orientiert ist, eingerichtet, um die Flüssigkeitsströmung von der Düse abzuführen.
Nicht axialsymmetrische Düse nach Anspruch 8, wobei die Düse eingerichtet ist, um die Flüssigkeitsströmung durch die Vielzahl von Strömungsschikanen über die Strömungskammer hin zu dem Strömungsbereich zu führen und von dem Auslass auszulassen.
Nicht axialsymmetrische Düse nach Anspruch 8, weiterhin zumindest eine Lasermarkierung auf der äußeren Oberfläche umfassend, um die Düse bezüglich des Auslasses zu orientieren, wenn die Düse an die Plasmalichtbogenbrennerspitze gekoppelt wird.
Nicht axialsymmetrische Düse nach Anspruch 8, wobei der Ringflansch weiterhin einen Austrittsdurchgang, um die Flüssigkeitsströmung von der Strömungskammer zu dem Auslass zu führen, umfasst.
Nicht axialsymmetrische Düse nach Anspruch 1, wobei eine kombinierte Querschnittsströmungsfläche der Strömungsschikanen ungefähr 0,02 bis ungefähr 0,04 Quadratinch beträgt.
Nicht axialsymmetrische Düse nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Strömungsschikanen die Flüssigkeitsströmung in zumindest vier Flüssigkeitsstrahlen aufteilt.
Düse für einen Plasmalichtbogenbrenner, wobei die Düse einen länglichen Körper aufweist, welcher eine longitudinale Achse definiert und Folgendes umfasst: einen proximalen Teil, welcher einen Strömungsbereich auf einer äußeren Oberfläche des länglichen Körpers definiert und eine Düsenaustrittsöffnung; einen mittleren Teil, welcher zumindest einen Teil der Strömungskammer auf der äußeren Oberfläche des länglichen Körpers definiert, wobei die Strömungskammer im Flüssigkeitsaustausch mit dem Strömungsbereich steht; und einen distalen Teil, welcher eingerichtet ist zum Verbinden mit einer Plasmalichtbogenbrennerspitze, wobei der distale Teil Folgendes beinhaltet: einen Einlassbereich auf der äußeren Oberfläche des länglichen Körpers, welcher im Flüssigkeitsaustausch mit der Strömungskammer steht; und eine Vielzahl von Einlassschikanen, welche sich entlang der longitudinalen Achse auf der äußeren Oberfläche erstrecken und nicht axialsymmetrisch um den distalen Teil angeordnet ist, wobei die Vielzahl von Einlassschikanen eingerichtet ist, um die Flüssigkeitsströmung von dem Einlassbereich über die Strömungskammer zu dem Strömungsbereich aufzuteilen.
Düse nach Anspruch 14, wobei eine Länge von jeder Einlassschikane ungefähr 1/6 bis ungefähr 1/3 einer Länge der Düse entlang der longitudinalen Achse beträgt.
Düse nach Anspruch 14, wobei zumindest der Einlassbereich oder die Strömungskammer oder der Strömungsbereich axialsymmetrisch um die Düse angeordnet ist.
Düse nach Anspruch 14, wobei die Vielzahl von Einlassschikanen zumindest eine Nut oder einen Kanal oder ein Loch erzeugt, um die Flüssigkeitsströmung dort hindurch zu leiten.
Düse nach Anspruch 14, wobei die Vielzahl von Einlassschikanen eingerichtet ist, um die Flüssigkeitsströmung von dem Einlassbereich in eine Vielzahl von Flüssigkeitsstrahlen aufzuteilen und die Flüssigkeitsstrahlen in die Strömungskammer zu verteilen.
Düse nach Anspruch 18, wobei die Vielzahl von Flüssigkeitsstrahlen vier bis sechs Flüssigkeitsstrahlen umfasst.
Düse nach Anspruch 14, wobei der Strömungsbereich zwischen der Strömungskammer und einer Spitze der Düse angeordnet ist.
Düse nach Anspruch 14, wobei die Vielzahl von Einlassschikanen um 180 Grad gedreht von einem Auslass der Plasmalichtbogenbrennerspitze orientiert ist, wobei der Auslass eingerichtet ist, um die Flüssigkeitsströmung von der Düse auszulassen.
Düse nach Anspruch 21, wobei die Düse eingerichtet ist, um die Flüssigkeitsströmung von dem Einlassbereich durch die Vielzahl von Einlassschikanen als eine Vielzahl von Flüssigkeitsstrahlen über die Strömungskammer hin zu dem Strömungsbereich zu führen und von dem Auslass auszulassen.
Düse nach Anspruch 14, weiterhin zumindest eine Lasermarkierung umfassend zum Orientieren der Düse bezüglich der Plasmalichtbogenbrennerspitze.
Verfahren zum Leiten einer Flüssigkeitsströmung durch eine nicht axialsymmetrische Düse zum Kühlen eines Plasmalichtbogenbrenners, wobei das Verfahren umfasst: Liefern der Flüssigkeitsströmung von dem Plasmalichtbogenbrenner zu einem Einlassbereich eines distalen Teils der Düse, wobei der Einlassbereich auf einer äußeren Oberfläche der Düse angeordnet ist; Aufteilen der Flüssigkeitsströmung von dem Einlassbereich in eine Vielzahl von Flüssigkeitsstrahlen durch eine Vielzahl von Einlassschikanen auf dem distalen Teil der Düse, wobei die Vielzahl von Einlassschikanen nicht axialsymmetrisch um den distalen Teil angeordnet ist; Strömen der Vielzahl von Flüssigkeitsstrahlen auf einer Seite der Düse von der Einlassschikane zu einem Strömungsbereich über eine Strömungskammer, wobei (i) zumindest ein Teil der Strömungskammer durch eine äußere Oberfläche eines mittleren Teils der Düse definiert ist, und (ii) der Strömungsbereich durch eine äußere Oberfläche eines proximalen Teils der Düse definiert ist; und Zirkulieren, durch den Strömungsbereich, der Flüssigkeitsstrahlen umlaufend um die Düse, um eine Spitze der Düse zu kühlen.
Verfahren nach Anspruch 24, weiterhin umfassend ein Erhöhen zumindest einer Strömungsgeschwindigkeit oder eines Druckes der Flüssigkeitsstrahlen durch die Vielzahl von Einlassschikanen im Vergleich zu der Flüssigkeitsströmung des Einlassbereiches.
Verfahren nach Anspruch 24, weiterhin umfassend Abführen der Flüssigkeitsströmung von der Düse durch einen Auslass auf einer Plasmalichtbogenbrennerspitze, welche an die Düse gekoppelt ist, wobei der Auslass gegenüber einem radialen Abschnitt des Flansches, welcher durch die Vielzahl von Einlassschikanen besetzt ist, positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 26, weiterhin umfassend ein Orientieren zumindest einer Lasermarkierung auf der Düse bezüglich des Auslasses, wenn die Düse an die Plasmalichtbogenbrennerspitze gekoppelt wird, wobei die Lasermarkierung eine Düsenorientierung bezüglich des Plasmalichtbogenbrenners anzeigt.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei sich die Strömungskammer und der Strömungsbereich ungefähr 360 Grad um die Düse erstrecken.