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Kennwort: Sinterdtlse
GekUhlter Brenner, insbesondere wassergekühlter Plasmabrenner Die Erfindung betrifft
einen gekühlten Brenner, insbesondere wassergekühlten Plasmabrenner, mit einem eine
zu kühlende DU-senbohrung aufweisenden Düsenkörper, einem Düsenhalter und einer
Kühlmittelfürhung zum Dusenkörper.
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Es ist bekannt, daß insbesondere die im Plasmabrenner vorgesehene,
eine Einschnürung des erzeugten Plasmastrahles bewirkende Düse ausreichend gekühlt
werden muß, damit sowohl die durch den Plasmastrahl an die Düse übertragene Wärme
als auch die auf die Düse einwirkende, vom bearbeiteten WerkstUck abgegebene Wärmestrahlung
in möglichst kurer Zeit von der DUse abgeführt wird, um eine Zerstörung der Düse
und insbesondere deren Bohrung zu vermeiden.
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Bei Plasmabrennern, die eine Düse mit einer relativ großen DU-senbohrung
aufweisen, ist es zur Kühlung der Düse ausreichend, diese in einen gekühlten, beispielsweise
wassergekühlten DUsenhalter einzusetzen; sogenannte indirekte Kühlung der Düse.
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Diese indirekte Kühlung ist Jedoch bei geringerem Bohrungsdurchmesser
nicht immer ausreichend. Deshalb ist die Standzeit dieser Düsen entsprechend geringer.
Zur Verbesserung der Standzeit ist es bekannt, in dem Düsenkörper Kühlmittelkanäle
vorzusehen, welche mit den KUhlm.ittelkanKlen im Düsenhalter in Verbindung stehen
(direkte Kühlung der Düse). Bei diesen direkt gekühlten
Düsen ist
aus konstruktiven Gründen eine gewisse Mindeswandstärke erforderlich, so daß eine
optimale Kühlung der gefährdeten Düsenbereiche (Düsenbohrung, Austrittskante der
Düsenbohrung) und somit eine ausreichende Standzeit nicht immer gewährleistot ist.
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Es ist ferner bekannt, (DAS 1 090 795) die Düse durch einen in der
Düsenbohrung wirkenden Wasserwirbel zu kühlen. Durch diese Dlaßnahmen wird einerseits
die Innenfläche der Düsenbohrung vor Überhitzungen geschützt und andererseits durch
den aus der Dü'-senbohrung austretenden Wasserwirbel der Plasmastrahl zusätzlich
stabilisiert.
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Aufgabe der Erfindung ist es eine Vereinfachung und Verbesserung der
Kühlung von Düsenkörpern zu schaffen.
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Die Erfindung besteht darin, daß der Düsenkörper aus einem porösen,
flüssigkeitsdurchlässigen Material ausgebildet ist, mit der Kühlmittelführung in
Verbindung steht und an den nicht zum Ein- bzw. Austritt des Kühlmittels bestimmten
Teilen der Oberfläche abgedeckt ist.
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Dadurch wird vorteilhafterweise erreicht, daß der gesamte Düsenkörper
von einem Kühlmittel durchdrungen wird und insbesondere bis in den unmittelbaren
Bereich der thermisch stark belasteten Teile des Düsenkörpers (Düsenbohrung und
Austrittsende der Düsenbohrung) zuführbar ist, eo daß eine große Kühlwirkung und
eine relativ große Standzeit erreicht wird. Es ist ferner durch die Erfindung möglich
geworden, die Düse thermisch höher zu belasten, d.h. einen Plasmaliohtbogen mit
einem höheren Plasmabogenstrom (350A) in einer kleinen Düsenbohrung (2 mm) einzuschnüren.
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Ferner wird durch die Erfindung eine besonders einfache und billige
Ausbildung des Düsenkörpers möglich, da ein Herstellen der Kühlmittelkanäle durch
mechanische Bearbeitung entfällt.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß
der Düsenkörper außerhalb der Düsenbohrung je einen nicht abgedeckten Oberflächenteil
für Kühlmittelzu- und abfuhr aufweist. Gemäß der Erfindung wird ferner vorgeschlagen,
daß die Oberfläche der Düsenbohrung als Kühlmittelablauf dient.
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Die thermisch stark belasteten Bereiche der Düse werden nunmehr direkt
vom Kühlmittel durchflossen wodurch einerseits eine optimale Kühlwirkung (Kühlung
wird durch Verdampfungswärme) des austretenden Kühlmittels unterstützt) und andererseits
durch das in die Düuenbohrung geleitete und aus dieser austretende Kühlmittel eine
Stabilisierung des Plasmalichtbogens erreicht wird.
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Es wurde festgestellt, daß ein DUsenhalter aus einem porösen Sinterwerkstoff,
der aus einer Metall undXoder Keramikmasse besteht, besonders geeignet ist. Durch
den Metall- Anteil im DU-senhalter wird die DUse elektrisch leitend, was insbesondere
zur Erzeugung des Pilotlichtbogens zwischen Düse und Elektrode vorteilhaft ist.
Bei Verwendung einer Neramikmasse wird vorgeschlagen für die zur Erzeugung des Pilotlichtbogens
notwendige Stromführung einen Metalleinsatz im keramischen Düsenkörper vorzusehen.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die nicht zum
Kühlmitteldurchtritt bestimmten Oberflächenteile des Düsenkörpers mit einer Schutzschicht,
aus beispielsweise aufgedämpftem Metall oder Kunststoff versehen sind.
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Bei einem Düsenkörper, dr aus Keramik gefertigt ist, wird vorgeschlagen,
daß die nicht zum Kühlmitteldurchtritt bestimmten Oberflächenteile des Düsenkörpers
glasiert sind.
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In den Fig. 1 + 2 der Zeichnung sind Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Düsenkörpers veranschaulicht.
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In Fig. 1 ist ein nicht vollstandig dargestellter Plasmabrenner mit
10 bezeichnet. Der Plasmabrenner 10 weist einen Düsenhalter 11, in den der erfindungsgemäße
Düsenkörpor 12 mit einer DUsenbohrung 12a eingesetzt ist, auf. Ferner ist in einer
Bohrung 15 des Düsenhalters 11 mittel eines Keramikringes 14 eine Elektrodc 15 gehalten.
Die Elektrode 15 ist mit dem Minuspol einer Stromquelle 16 verbunden. Der Pluspol
der Stromquelle 16 ist einerseits Uber eine Leitung 17 mit dem zu bearbeitenden
twrterkstück 13 und andererseits über elne Leitung 19, in der ein Widerstand 20
angeordnet ist, mit dem Düsenkörper 12 verbunden.
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Im Düsenhalter 11 ist ein Ringkanal 21, 21' vorgesehen, der mit einer
Kühlmittelzufuhrleitung 22 sowie mit einer Kühlmittelrückführleitung 25 verbunden
ist. Der Kühlmittelkanal 21, 21' weist an seinem dem Düsenkörper 12 zugewandten
Bereich öffnungen 24 bzw. 25 auf. Erfindungsgemäß besteht der Düsenkörper 12 aus
einem porosen, flüssigkeitsdurchlässigen Material. Das Kühlmittel, beispielsweise
Wasser wird unter Druck über den Kanal 22 und die Öffnung 24 dem Düsenkopf 12 zugeführt,
in diesen geleitet und anschließend durch die Öffnung 25 in den Kanal 21' und die
Rückfuhrleitung 25 gedrückt (geschlossener Kühlkreislauf). Außer im Bereich der
Öffnungen 24 und 25 ist die gesamte Oberfläche des Düsenkopfes 12 durch eine Schicht
26 abgedeckt. Dadurch wird einerseits ein Durchtritt des Kühlmittels aus der Oberflache
vermieden, andererseits aber aufgrund der geringen Dicke der Schicht 26 eine ausreichende
Kühlung der thermisch stark belasteten Teile, wie Innenfläche 27 und Austrittskante
28 der DU-senbohrung 12 a, erreicht.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 entspricht im wesentlichen dem
von Fig. 1, wobei zur Übersicht die in Fig. 1 und 2 gleichen Teile mit gleichen
Bezugszeichen versehen wurden. Wie aus Fig. 2 hervorgeht weist der Ringkanalteil
21 Reine Rückführleitung für das Kühlmittel auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel
wird das Kühlmittel über den Kanal 22 und den Ringkanal 21, 21'zu dem Düsenkörper
12 geführt. Das Kühlmittel dringt durch die Offnungen 24 und 25 in den Düsenkörper
1 ein, durchdringt diesen und wird in die Düsenbohrung 12a geleitet sowie beispielsweise
aus dem Stirnflächenbereich 28 des Düsenkörpers 12 gedrückt. Durch das aus der Düsenbohrung
12a und dem Stirnflächenbereich 28 austretende Kühlmittel wird außer einer optimalen
Kühlung noch eine Stabilisierung des zwischen Elektrode 15 und Werkstück 18 bestehenden
Plasmalichtbogens erreicht. Zur Vertärkung des Stabilisierungseffektes kann der
Düsenkörper so ausgebildet werden, daß das Kühlmittel auch oberhalb der Düsenbohrung
12a und zwar im Bereich 29 austritt. Der Düsenkörper 12 besteht aus einem porösen,
flüssigkeitsdurchlässigen Sinterwerkstoff. Die Oberfläche der Düsenkörper ist außer
im Bereich der Düsenbohrung 12a sowie der Bohrungen 24 und 25 und dem Stirnflächenbereich
28 mit einer Schutzschicht (beispielsweise Glasurschicht, aufgedanipfte tletall-oder
Kunststoffschicht) abgedeckt.
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Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, den erfindungsgemäßen
Düsenkörper aus einem Sinterwerkstoff zu fertigen, der einen Porenanteil von 15
- 6Qo', vorzugsweise 20 - 40%, bezogen auf das Volumen des Düsenkörpers, aufweist.
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Der erfindungsgemäße Düsenkörper wird bevorzugt in Pl asmabrennern
zum Schweißen und Schneiden mit übertragenem Hauptlichtbogen verwendet, d.h. der
Plasmahauptlichtbogen brennt zwischen Brennerelektrode (Kathode) 15 und dem Werkstück
(Anode) 18. Die Erfindung ist aber auch anwendbar bei Plasmabrennern, die mit nichtübertragenem
Lichtbogen arbelten, d.h. bei dem der Plasmahauptlichtbogen zwischen der Brennerelektrode
15 (Kathode) und dem Düsenkörper 12 (Anode) brennt.
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Der erfindungsgemäßen Düsenkörper kann außer bei Plasmabrennern auch
noch bei anderen Brennern, beispielsweise WIC-Brennern, deren Düsenbohrung thermisch
stark belastet ist, verwendet werden.