DE2823037B1 - Schweiss-,Schneid-,Heiz-oder Flaemmbrenner - Google Patents

Description

Das Hauptpatent bezieht sich auf einen Schweiß-, Schneid-, Heiz- oder Flämmbrenner mit einem die

ίο Austrittsdüse oder -düsen enthaltenden Brennerkopf und einem den Brennerkopf mit dem Brennergehäuse verbindenden, die jeweiligen Zuführungen enthaltenden Brennerkörper, wobei wenigstens ein Teil von Brennerkörper und Brennerkopf zur Kühlung des Brennerkopfes von einem eine konvektive Wärmeübertragung bewirkenden Kühlmedium durchströmt ist.

Der Erfindung nach dem Hauptpatent liegt die Aufgabe zugrunde, bei Brennern solcher Art ein neues Kühlprinzip einzuführen, mit dessen Hilfe es gelingt,

2u auch bei höchster thermischer Beanspruchung des Brennerkopfes eine ausreichende Wärmeabfuhr und anschließende Kühlung zu erreichen. Die diese Aufgabe lösende Erfindung nach dem Hauptpatent besteht darin, daß zwischen dem vom Brennvorgang thermisch

2'i hochbelasteten Bereich des Brennerkopfes und einem vom Kühlmedium um- und/oder durchströmten Bereich des Brennerkörpers ein ein Wärmetransportmittel enthaltendes, in sich hermetisch geschlossenes Wärmeübertragungssystem mit selbsttätigem Wärmetransport

jo zwischen seiner Wärmeaufnahme- und seiner Wärmeabgabezone angeordnet ist und wenigstens dessen Wärmeabgabezone von dem Kühlmedium um- und/oder durchströmt ist. Mit dem so eingebrachten Wärmeübertragungssystem wird vor allem erreicht, daß 5 über eine verhältnismäßig kurze Übertragungsstrecke und mit hoher Übertragungsgeschwindigkeit die am Brennerkopf entwickelte Wärme in den vom Kühlmedium bestrichenen Bereich des Brenners abgeführt werden kann, wonach diese übertragene Wärme vom

■to Kühlmedium abtransportiert werden kann. Die bei den modernen Schweißverfahren und Anforderungen so außerordentlich thermisch hochbeanspruchten Bereiche des Brennerkopfes werden somit thermisch entlastet, aus diesen hochbelasteten Bereichen wird die Wärme schnellstmöglich abgeführt, um dann vom Kühlmedium abtransportiert zu werden. Besondere zusätzliche Systeme für das Kühlmedium der konvektiven Wärmeübertragung können ganz entfallen. Hierdurch wird zusätzlich zu der wirksamen Entlastung des Brennerkopfes eine außerordentliche Vereinfachung des gesamten Brenners und seiner Aggregate erzielt.

Beim Schweißen oder Schneiden mit den geschilderten Brennern werden Rauchgase entwickelt, die die Arbeit mit dem Brenner beeinträchtigen oder gar gefährlich machen können. Der Zusatzerfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Brenner nach dem Hauptpatent derart weiter zu entwickeln und auszugestalten, daß es auf besonders einfache Weise unter möglichst weitgehender Ausnutzung aller am Brenner vorhandener Mittel und Medien möglich ist, derartige Rauchgase aus dem Schweißbereich abzuführen, um so die geschilderte Beeinträchtigung und Gefährdung des Schweißpersonals zu vermeiden. Dies wird nach der Erfindung vor allem dadurch erreicht, daß die

b5 Austrittsdüse koaxial umgebend Abgasaufnahmeöffnungen für durch den Brennvorgang erzeugte Rauchgase angeordnet und von diesen ausgehend konzentrisch zur Brennerachse Abgaskanäle in einen Umfangsab-

schnitt des Brennerkörpers geführt sind und in diesem Umfangsabschnitt durch Injektorwirkung mit Hilfe des die Wärmeabgabezone des Wärmeübertragungssystems umströmenden Kühlmediums eine Absaugwirkung auf die Abgase ausgeübt wird. Somit wird ermöglicht, daß die beim Brennvorgang entstehenden Rauchgase in unmittelbarer Umgebung der Schweißstelle durch den Brennerkopf selbst aus dem Schweißbereich herausgeführt werden können. Zum anderen übernimmt das Kühlmedium, das zur konvektiven ι ο Wärmeabfuhr aus der Wärmeabgabezone des Wärmeübertragungssystems eingesetzt wird, zugleich die erforderliche Saugwirkung auf die Rauchgase wie auch die Abfuhr dieser Rauchgase aus dem Schweißbereich. Das Kühlmedium wird, nachdem es seine Kühlaufgabe am Wärmeübertragungssystem durchgeführt hat, als Injektormittel für die Absaugung der Rauchgase ausgenutzt. In dem Umfangsabschnitt des Brennerkörpers können die jeweils geeigneten Rauchgase ausgeübt werden, und es kann dann das Rauchgas-Kühlmediumgemisch nach außen abgeführt werden. Als Kühlmedium kann jedes für die konvektive Kühlung des Wärmeübertragungssystems geeignete Gas verwendet werden, insbesondere aus wirtschaftlichen Gründen wird zweckmäßig Preßluft eingesetzt. In einem kurzen, hinsichtlich der Wärmeisolation technisch vollkommen beherrschbaren Abschnitt des Brennerkopfes und -körpers wird somit die Brauchgasabfuhr ohne zusätzliche Mittel bewirkt.

Es ist an sich bei einer anderen Brennerform bekannt (DE-OS 22 17 770X mit Hilfe von die Austrittsdüse umgebenden Kanälen Rauchgase aus dem Schweißbereich abzuziehen. Dabei werden jedoch die Rauchgasableitungen durch gesonderte Absaugmittel durch den gesamten Brenner geleitet und belasten daher diesen thermisch sehr stark. Die Absaugmittel erfordern zusätzliche Leitungsführungen und zusätzliche Anschlußmittel sowie Vorrichtungen, die auch konstruktiv und von der Bedienung her den Brenner stark belasten und diesen aufwendig machen. Neben den bereits geschilderten Vorteilen weist die Erfindung zusätzlich gegenüber dieser bekannten Brennerform den Vorteil auf, daß der Brenner praktisch nur in dem der Injektion dienenden Bereich konstruktiv verändert werden muß, im übrigen aber die vorhandenen Brennereinrichtungen und insbesondere das bereits vorhandene Kühlmedium ausgenutzt werden können. Der Brenner wird durch die heißen Rauchgase praktisch nur im ohnehin höchstbelasteten Brennerkopf thermisch beaufschlagt sowie ferner in einem kurzen Abschnitt des Brennerkörpers, der in bereits geschilderter Weise wärmeisolationstechnisch vollkommen beherrschbar ist.

Die Erfindung eignet sich insbesondere für den Einsatz bei einem elektrischen Schweißbrenner, der mit einer Schweißdrahtführungs- und Stromdüse und mit Schutzgasbetrieb ausgerüstet ist. Eine besonders zweckmäßige Bauform eines solchen Brenners wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreicht, daß konzentrisch zur Brennerachse die Metallgasdüse und wenigstens die Wärmeaufnahmezone des Wärme- to Übertragungssystems umschließend ein wärme- und elektrisch isolierender Zwischenkörper im Brennerkörper angeordnet ist und in oder an diesem Zwischenkörper eine Injektionseinrichtung gebildet ist, der von der zur Austrittsdüse gelegenen Seite die Abgaskanäle als Niederdruckleitungen und von der zum Brennergehäuse liegenden Seite Strömungskanäle für das von der Wärmeabgabezone kommende Kühlmedium zugeführt sind, wobei die Strömungskanäle in die Injektorleitungen der Injektionseinrichtung münden. Hierdurch wird eine kompakte und konzentrische Brennerform einschließlich der Injektionseinrichtung und der dorthin führenden Kanäle erreicht, und es kann der Zwischenkörper mit der Injektionseinrichtung konstruktiv einfach und kompakt in die Gestaltung des Brennerkörpers einbezogen werden. Aus oder von dem Zwischenkörper kann das Gemisch aus den Raumgasen und dem Kühlmedium in einfacher Weise durch Abtransportleitungen abgeführt werden. Gegebenenfalls können solche Abtransportleitungen an außerhalb des Brenners liegenden und besonders geeigneten Stellen durch zusätzliche Saugwirkung beaufschlagt werden, z. B. mit Hilfe einer geeigneten Absaugeinrichtung. Innerhalb von Brennerkopf und Brennerkörper sind die für die Injektion maßgeblichen Gasströme einander entgegengerichtet, werden dann aber in der Injektionseinrichtung zur Erzielung der notwendigen Injektorwirkung in die gleiche Richtung gelenkt, z. B. um einen Injektor nach Art eines Venturi-Rohres zu bilden.

Eine insbesondere für die elektrischen Schweißbrenner geeignete kompakte und einfache Bauform wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreicht, daß die Abgasaufnahmeöffnungen in Abgasringkanäle münden, die zwischen der Brennerkopfisolierungshülse und der Metallgasdüse gebildet sind und die ihrerseits in konzentrisch angeordnete Abgaskanäle im Zwischenkörper münden.

Eine besonders zweckmäßige und kompakte Bauform des beteiligten Brennerabschnitts und insbesondere des Zwischenkörpers wird nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dadurch erreicht, daß die Abgaskanäle in eine Ringkammer des die Injektionseinrichtung bildenden Zwischenkörpers und in diese Ringkammer ferner die Strömungskanäle für das Kühlmedium als Injektionsdüsen in gleicher Strömungsrichtung münden und daß an diese Ringkammer Rückführleitungen für das entstehende Gasgemisch angeschlossen sind. Dieser Zwischenkörper kann mit seinen Kammern und Düsen unmittelbar in die Gestalt des Brennerkörpers im Anschluß an den Brennerkopf einbezogen, also integriert werden.

Für die erfindungsgemäße Rauchgasabfuhr können weitestgehend die bereits vorhandenen Kanäle für das Kühlmedium im Brennerkörper ausgenützt werden. Im Fall eines elektrischen Schutzgasschweißbrenners können äußere Schutzgaskanäle durch einfache Einbeziehung in die erfindungsgemäße Rauchgasabfuhr als Rauchgaskanäle eingesetzt werden, während die innerhalb der Brennerkopfisolierungshülse und der Metallgasdüse verlaufenden üblichen Schutzgaskanäle weiterhin die notwendige Schutzgaszufuhr übernehmen.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung.

Bei der Darstellung des Ausführungsbetspiels wurde von der entsprechenden Darstellung des Hauptpatents ausgegangen. Die Zeichnung zeigt einen Längsschnitt durch den für die Erläuterung der Erfindung wesentlichen Teil des Brennerkopfes, Brennerkörpers und Brennergehäuses eines kombinierten Hand- und Maschinenschweißbrenners mit weitestgehend schematischer Darstellung der Injektionseinrichtung nach der Erfindung.

Der in der Zeichnung dargestellte Hand- und Maschinenschweißbrenner weist in seinem vorderen

Teil zwischen dem Brennerkopf und dem Brennergehäuse gemäß dem Hauptpatent ein ein Wärmetransportmittel enthaltendes, in sich hermetisch geschlossenes und konzentrisch zur Brennerachse angeordnetes Wärmeübertragungssystem auf, nämlich ein Wärmerohr 1. Dieses Wärmerohr kann in die Wärmeaufnahmezone 2, die Wärmetransportzone 3 und die Kondensations- oder Wärmeabgabezone 4 aufgeteilt werden. Das Wärmerohr 1 hat die Aufgabe, als »Wärmeleiter« mit hoher Wärmeleitfähigkeit die Arbeitswärme des Schweißbrenners über die Drahtführungs- und Stromdüse 9 und über das Brennerkopfzwischenstück 10 in seiner Heiz- oder Wärmeaufnahmezone 2 aufzunehmen. Die Drahtführungs- und Stromdüse 9 sowie das Brennerkopfzwischenstück 10 bestehen aus Metall mit hoher elektrischer und Wärmeleitfähigkeit, wobei das Brennerkopfzwischenstück 10 ein großes Volumen besitzt, um die Arbeitstemperatur der Drahtführungs- und Stromdüse 9 schnell und wirksam auf die Wärmeaufnahmezone 2 des Wärmerohres 1 zu übertragen. Diese Wärme wird über die Wärmetransportzone 3 auf die Wärmeabgabezone 4 in für solche Wärmerohre bekannter Art übertragen.

An die Außenwand der Wärmeabgabezone 4 abgegebene Wärme wird beim Ausführungsbeispiel durch zwei Gasströme in Richtung zum Brennerkopf abgeführt.

Der erste Strom von Kühlmedium wird gebildet durch den Schutzgasstrom, der in dem Ringkanal 25 in Richtung auf den Brennerkopf bzw. auf die Austrittsdüse geführt wird. Der Ringkanal 25 ergibt sich aus dem radialen Abstand zwischen der Innenbohrung des Brennerrohres 11 und der Schweißdrahtführungsseele 26. Über vier Bohrungen 27 erreicht dieser Schutzgasstrom den inneren Teil des Brennerkopfes. Dieser innere Schutzgasstrom dient dazu, das flüssige Schweißbad und den Schutzgasdraht vor den schädlichen Einflüssen der Atmosphäre abzudecken. Diese Konstruktion und Funktion ist im Hauptpatent eingehend beschrieben.

Erfindungsgemäß sind die Austrittsdüse koaxial umgebend Abgasaufnahmeöffnungen für durch den Brennvorgang erzeugte Rauchgase angeordnet, nämlich die Abgasaufnahmeöffnungen 24 in der Metallgasdüse 23, und von diesen ausgehend konzentrisch zur Brennerachse Abgaskanäle 24a in einen Umfangsabschnitt des Brennerkörpers geführt, der im folgenden noch im einzelnen beschrieben wird. In diesem Umfangsabschnitt wird durch Injektorwirkung mit Hilfe des die Wärmeabgabezone 4 des Wärmeübertragungssystems 1 umströmenden Kühlmediums eine Absaugwirkung auf die Abgase ausgeübt, wie ebenfalls noch beschrieben wird.

Die Abgasaufnahmeöffnungen 24 in der Metallgasdüse 23 münden in Abgasringkanäle 24a, die zwischen der Brennerkopfisolierungshülse 22 und der Metallgasdüse 23 gebildet sind, wie die Zeichnung deutlich zeigt. Die Abgasaufnahmeöffnungen 24 sind gleichmäßig auf dem Umfang verteilt konzentrisch zur Brennerachse angeordnet, z. B. acht solche Abgasaufnahmeöffnungen. Die Abgasringkanäle wiederum münden in konzentrisch auf dem Umfang verteilt angeordnete Abgaskanäle 24b in dem noch zu beschreibenden Zwischenkörper 20.

Wie die Zeichnung zeigt, ist konzentrisch zur Brennerachse die Metallgasdüse 23 und wenigstens die Wärmeaufnahmezone 2 des Wärmeübertragungssystems 1, im Ausführungsbeispiel auch einen Teil der Wärmetransportzone 3, umschließend ein wärme- und elektrisch isolierender Zwischenkörper im Brennerkörper angeordnet. Dieser Zwischenkörper 20 ist einerseits in der Brennerhülse 19 des Brennerkörpers in geeigneter Weise, z. B. durch Einschrauben, befestigt, und es ist in ihm andererseits die Metallgasdüse 23 gehalten, ggf. ebenfalls durch Einschrauben. In diesem Zwischenkörper 20 ist eine Injektionseinrichtung gebildet, und zwar dadurch, daß die Abgaskanäle 24b in eine Ringkammer 20a des Zwischenkörpers 20 und in

ίο diese Ringkammer 20a ferner Strömungskanäle 20b für das die Wärmeabgabezone 4 des Wärmeübertragungssystems 1 umströmende Kühlmedium als Injektionsdüsen in gleicher Strömungsrichtung münden. Die Strömungsrichtung der Rauchgase in den Abgaskanälen ist durch die Pfeile Pr angedeutet, die Strömungsrichtung des Kühlmediums durch die Pfeile Pk.

Durch zwei Kanäle 18 wird in geeigneter Weise aus dem Brennergehäuse heraus das Kühlmedium entsprechend den Pfeilen Pk derart zugeführt, daß es zwischen der Brennerhülse 19 und dem Wärmeübertragungssystem 1, also dem Wärmerohr, in Richtung auf den Brennerkopf strömt und dabei die Wärmeabgabezone 4 des Wärmeübertragungssystems 1 umströmt, um die dort anstehende Wärme aufzunehmen. Dieses Kühlmedium Pk wird aus dem Ringraum 19a zwischen der Brennerhülse 19 und dem Wärmerohr 1 in auf dem Umfang verteilt angeordnete Strömungskanäle 21 im Zwischenkörper 20 geleitet und von dort unter Umkehrung der Strömungsrichtung in die bereits beschriebenen Injektionsdüsen 206.

Es erzeugt somit der Kühlmediumstrom Pk in der Ringkammer 20a der Injektionseinrichtung im Zwischenkörper 20 eine derartige Injektorwirkung, daß die Rauchgase Pr über die Abgasaufnahmeöffnungen 24, die Abgasringkanäle 24a und die weiteren Abgaskanäle 246 im Zwischenkörper 20 in die Ringkammer 20a eingesaugt werden und anschließend das Gemisch aus dem Kühlmedium Pk und den Rauchgasen Pr die Ringkammer 20a durch die Abtransportleitungen 20c verläßt, die an die Ringkammer 20a in der erforderlichen Anzahl und mit dem erforderlichen Querschnitt angeschlossen sind, wie die Zeichnung zeigt. Diese Rückführleitungen 20c sind in geeigneter Weise auf dem Umfang verteilt angeordnet.

Der Zwischenkörper bildet somit eine konzentrische Injektionseinrichtung für die Abfuhr der durch die Abgasaufnahmeöffnungen 24 eintretenden Rauchgase. Dabei übernimmt das durch die Kanäle 18 zugeführte Kühlmedium, vorzugsweise Preßluft, sowohl den Wärmeabtransport aus der Wärmeabgabezone 4 des Wärmeübertragungssystems oder Wärmerohrs 1 als auch die Injektorwirkung für die Absaugung der Rauchgase. Insbesondere im Vergleich zu der Darstellung im Hauptpatent wird anhand der beschriebenen Zeichnung deutlich, daß die erfindungsgemäße Lösung einer Rauchgasabfuhr konstruktiv sehr einfach ist, da der Brenner nur in dem der Injektion diendenden Bereich konstruktiv verändert werden muß, insbesondere beim elektrischen Schutzgasschweißbrenner können die äußeren Schutzgaskanäle in der beschriebenen Weise als Abgaskanäle eingesetzt werden. Nur in einem kurzen und wärmeisolationstechnisch vollkommen beherrschbaren Abschnitt des Brennerkopfes und -körpers werden die heißen Rauchgase im Brenner selbst geführt, können im übrigen aber frei nach außen abgeführt werden, im Ausführungsbeispiel durch die Rückführleitungen 20c.
Die konstruktive Lösung der Injektionseinrichtung

kann in jeweils geeigneter Weise durchgeführt werden. Entscheidend ist stets, daß mit Hilfe des die Wärmeabgabezone 4 des Wärmeübertragungssystems 1 umströmenden Kühlmediums eine Absaugwirkung auf die Abgase bzw. Rauchgase ausgeübt werden kann. Der Bereich des Brennerkopfes oder der Austrittsdüse vor den Abgasaufnahmeöffnungen 24 kann in jeweils geeigneter Weise gestaltet sein, insbesondere durch Wulste oder zusätzliche Blenden gegenüber dem eigentlichen Schweißbereich erweitert werden, um die Rauchgase optimal zu erfassen. Die jeweiligen Formen und Querschnitte der Abgaskanäle, im Ausführungsbeispiel 24a und 24b, können zur Förderung der Absaugwirkung durch Injektion günstig gestaltet

werden, um insbesondere den Strömungs- und Druckverlauf günstig zu beeinflussen. Jedes geeignete gasförmige Kühlmedium kann als Injektormedium eingesetzt werden. Neben der als vorzugsweises Kühlmedium erwähnten Preßluft können auch die jeweils zur Verfügung stehenden Schutzgase als Kühlmedium herangezogen werden. Die Anzahl der Injektionsdüsen 206 kann nach der jeweils angestrebten Wirkung gewählt werden. Beim Ausführungsbeispiel

ίο sind acht Injektionsdüsen 206 auf dem Umfang verteilt vorgesehen, wobei jeweils entsprechend auf dem Umfang verteilte Strömungskanäle 21 im Zwischenkörper 20 zugeordnet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

909 538/512

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schweiß-, Schneid- oder Flämmbrenner mit einem die Austrittsdüse oder -düsen enthaltenden Brennerkopf und einem den Brennerkopf mit dem Brennergehäuse verbindenden, die jeweiligen Zuführungen enthaltenden Brennerkörper, wobei wenigstens ein Teil von Brennerkörper und Brennerkopf zur Kühlung des Brennerkopfes von einem eine konvektive Wärmeübertragung bewirkenden Kühlmedium durchströmt ist und bei dem ferner zwischen dem vom Brennvorgang thermisch hochbelasteten Bereich des Brennerkopfes und einem vom Kühlmedium um- und/oder durchströmten Bereich des Brennerkörpers ein ein Wärmetransportmittel enthaltendes, in sich hermetisch geschlossenes und konzentrisch zur Brennerachse angeordnetes Wärmeübertragungssystem mit selbsttätigem Wärmetransport zwischen seiner Wärmeaufnahme- und seiner Wärmeabgabezone angeordnet ist und wenigstens dessen Wärmeabgabezone von dem Kühlmedium um- und/oder durchströmt ist, nach Patent 26 19 177,5 dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsdüse koaxial umgebend Abgasaufnahmeöffnungen (24) für durch den Brennvorgang erzeugte Rauchgase angeordnet und von diesen ausgehend konzentrisch zur Brennerachse Abgaskanäle (24a, 24b) in einen Umfangsabschnitt des Brennerkörpers geführt sind und in diesem Umfangsabschnitt (20) durch Injektorwirkung mit Hilfe des die Wärmeabgabezone (4) des Wärmeübertragungssystems (1) umströmenden Kühlmediums eine Absaugwirkung auf die Abgase ausgeübt wird.

2. Elektrischer Schweißbrenner nach Anspruch 1 mit einer Schweißdrahtführungs- und Stromdüse und Schutzgasbetrieb, dadurch gekennzeichnet, daß konzentrisch zur Brennerachse die Metallgasdüse

(23) und das Brennerkopfzwischenstück (10) erfassend und wenigstens die Wärmeaufnahmezone (2) des Wärmeübertragungssystems (1) umschließend ein wärme- und elektrisch isolierender Zwischenkörper (20) im Brennerkörper angeordnet ist und in oder an diesem Zwischenkörper eine Injektionseinrichtung (20a, 20b) gebildet ist, der von der zur Austrittsdüse gelegenen Seite die Abgaskanäle (24a, 24b) als Niederdruckleitungen und von der zum Brennergehäuse liegenden Seite Strömungskanäle (19a, 21) für das von der Wärmeabgabezone (4) kommende Kühlmedium zugeführt sind, wobei die Strömungskanäle (21) in die Injektorleitungen (20b) der Injektionseinrichtung münden.

3. Schweißbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasaufnahmeöffnungen

(24) in Abgasringkanäle (24a) münden, die zwischen der Brennerkopfisolierungshülse (22) und der Metallgasdüse (23) gebildet sind und die ihrerseits in konzentrisch angeordnete Abgaskanäle (246,) im Zwischenkörper (20) münden.

4. Schweißbrenner nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgaskanäle (24a, 24b) in eine Ringkammer (20a) der in oder an dem Zwischenkörper (20) gebildeten Injektionseinrichtung münden und in diese Ringkammer ferner die Strömungskanäle (21), an ihren Enden als Injektionsdüsen (20b) ausgebildet, in gleicher Strömungsrichtung münden und daß an diese Ringkammer (20a,) Abtransportleitungen (20c) für das entstehende Rauchgas/Kühlmedium-Gemisch angeschlossen sind.