EP2175702A1

EP2175702A1 - Düse für einen flüssigkeitsgekühlten Plasmabrenner, Düsenkappe für einen flüssigkeitsgekühlten Plasmabrenner sowie Plasmabrennerkopf mit derselben/denselben

Info

Publication number: EP2175702A1
Application number: EP09011322A
Authority: EP
Inventors: Volker Krink; Frank Laurisch; Timo Grundke
Original assignee: Kjellberg Finsterwalde Plasma und Maschinen GmbH
Current assignee: Kjellberg Finsterwalde Plasma und Maschinen GmbH
Priority date: 2008-10-09
Filing date: 2009-09-03
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2029-09-03
Also published as: HRP20130559T1; DE102009006132B4; HRP20130559T4; BRPI0920511B1; RU2519245C2; CN101836509B; CA2734986A1; KR20120117945A; PL2175702T5; EP2175702B2; SI2175702T1; EP2563100B1; DK2175702T3; DK2175702T4; ES2425436T5; US20110284502A1; KR20110063663A; MX2011002912A; EP2175702B1; PT2175702E

Abstract

Düse für einen flüssigkeitsgekühlten Plasmabrenner, umfassend eine Düsenbohrung für den Austritt eines Plasmagasstrahls an einer Düsenspitze, einen ersten Abschnitt, dessen Außenfläche im wesentlichen zylindrisch ist, und einen sich daran zur Düsenspitze anschließenden zweiten Abschnitt, dessen Außenfläche sich zur Düsenspitze hin im wesentlichen kegelförmig verjüngt, wobei a) mindestens eine Flüssigkeitszulaufnut vorgesehen ist und sich über einen Teil des ersten Abschnitts und über den zweiten Abschnitt in der Außenfläche der Düse zur Düsenspitze hin erstreckt und genau eine von der bzw. den Flüssigkeitszulaufnut(en) separate Flüssigkeitsrücklaufnut vorgesehen ist und sich über den zweiten Abschnitt erstreckt, oder b) genau eine Flüssigkeitszulaufnut vorgesehen ist und sich über einen Teil des ersten Abschnitts und über den zweiten Abschnitt in der Außenfläche der Düse zur Düsenspitze hin erstreckt und mindestens eine von der Flüssigkeitszulaufnut separate Flüssigkeitsrücklaufnut vorgesehen ist und sich über den zweiten Abschnitt erstreckt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Düse für einen flüssigkeitsgekühlten Plasmabrenner, eine Düsenkappe für einen flüssigkeitsgekühlten Plasmabrenner sowie einen Plasmabrennerkopf mit derselben/denselben.
Als Plasma wird ein thermisch hoch aufgeheiztes elektrisch leitfähiges Gas bezeichnet, das aus positiven und negativen Ionen, Elektronen sowie angeregten und neutralen Atomen und Molekülen besteht.
Als Plasmagas werden unterschiedliche Gase, zum Beispiel das einatomige Argon und/oder die zweiatomigen Gase Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff oder Luft eingesetzt. Diese Gase ionisieren und dissoziieren durch die Energie eines Lichtbogens. Der durch eine Düse eingeschnürte Lichtbogen wird dann als Plasmastrahl bezeichnet.
Der Plasmastrahl kann in seinen Parametern durch die Gestaltung der Düse und Elektrode stark beeinflusst werden. Diese Parameter des Plasmastrahls sind zum Beispiel der Strahldurchmesser, die Temperatur, Energiedichte und die Strömungsgeschwindigkeit des Gases.
Beim Plasmaschneiden beispielsweise wird das Plasma durch eine Düse, die gas- oder wassergekühlt sein kann, eingeschnürt. Dadurch können Energiedichten bis 2x10⁶ W/cm² erreicht werden. Im Plasmastrahl entstehen Temperaturen bis 30.000 °C, die in Verbindung mit der hohen Strömungsgeschwindigkeit des Gases sehr hohe Schneidgeschwindigkeiten an Werkstoffen realisieren.
Plasmabrenner können direkt oder indirekt betrieben werden. Bei der direkten Betriebsweise fließt der Strom von der Stromquelle über die Elektrode des Plasmabrenners, den mittels Lichtbogen erzeugten und durch die Düse eingeschnürten Plasmastrahl direkt über das Werkstück zur Stromquelle zurück. Mit der direkten Betriebsweise können elektrisch leitfähige Materialien geschnitten werden.
Bei der indirekten Betriebsweise fließt der Strom von der Stromquelle über die Elektrode des Plasmabrenners, den mittels Lichtbogen erzeugten und durch die Düse eingeschnürten Plasmastrahl und die Düse zurück zur Stromquelle. Dabei wird die Düse noch stärker belastet als bei direktem Plasmaschneiden, da sie nicht nur den Plasmastrahl einschnürt, sondern auch den Ansatzpunkt des Lichtbogens realisiert. Mit der indirekten Betriebsweise können sowohl elektrisch leitende als auch nicht leitende Materialien geschnitten werden.
Wegen der hohen thermischen Belastung der Düse wird diese in der Regel aus einem metallischen Werkstoff, vorzugsweise wegen seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit aus Kupfer, hergestellt. Gleiches gilt für den Elektrodenhalter, der aber auch aus Silber hergestellt sein kann. Die Düse wird dann in einem Plasmabrenner, dessen Hauptbestandteile ein Plasmabrennerkopf, eine Düsenkappe, ein Plasmagasführungsteil, eine Düse, eine Düsenhalterung, eine Elektrodenaufnahme, ein Elektrodenhalter mit Elektrodeneinsatz und bei modernen Plasmabrennern eine Düsenschutzkappenhalterung und eine Düsenschutzkappe sind, eingesetzt. Der Elektrodenhalter fixiert einen spitzen Elektrodeneinsatz aus Wolfram, der für den Einsatz nicht oxidierender Gase als Plasmagas, zum Beispiel ein Argon-Wasserstoff-Gemisch geeignet ist. Eine sogenannte Flachelektrode, deren Elektrodeneinsatz beispielsweise aus Hafnium besteht, ist auch für den Einsatz oxidierender Gase als Plasmagas, zum Beispiel Luft oder Sauerstoff, geeignet. Um eine hohe Lebensdauer für die Düse zu erreichen, wird diese hier mit einer Flüssigkeit, zum Beispiel Wasser, gekühlt. Das Kühlmittel wird über einen Wasservorlauf zur Düse hin- und einen Wasserrücklauf von der Düse weggeführt und durchströmt dabei einen Kühlmittelraum, der durch die Düse und die Düsenkappe begrenzt wird.
In DD 36014 B1 ist eine Düse beschrieben. Diese besteht aus einem gut leitenden Werkstoff, zum Beispiel Kupfer, und hat eine dem jeweiligen Plasmabrennertyp zugeordnete geometrische Form, zum Beispiel einen konisch ausgebildeten Entladungsraum mit einem zylindrischen Düsenausgang. Die äußere Form der Düse ist als Konus ausgebildet, wobei eine annähernd gleiche Wanddicke erzielt wird, die so bemessen ist, dass eine gute Stabilität der Düse und eine gute Wärmeleitung zum Kühlmittel gewährleistet ist. Die Düse sitzt in einem Düsenhalter. Der Düsenhalter besteht aus korrosionsfestem Material, zum Beispiel Messing, und hat innen eine Zentrieraufnahme für die Düse sowie eine Nut für einen Dichtungsgummi, der den Entladungsraum gegen das Kühlmittel abdichtet. Weiterhin befinden sich im Düsenhalter um 180° versetzte Bohrungen für den Kühlmittelzu- und -rücklauf. Auf dem äußeren Durchmesser des Düsenhalters befinden sich eine Nut für einen Rundgummi zur Abdichtung des Kühlmittelraums gegenüber der Atmosphäre sowie ein Gewinde und eine Zentrieraufnahme für eine Düsenkappe. Die Düsenkappe, ebenfalls aus korrosionsfestem Material, zum Beispiel Messing, ist spitzwinklig ausgebildet und hat eine zur Ableitung von Strahlungswärme an das Kühlmittel zweckmäßig bemessene Wandstärke. Der kleinste innere Durchmesser ist mit einem Rundring versehen. Als Kühlmittel wird am einfachsten Wasser verwendet. Diese Anordnung soll eine einfache Herstellung der Düsen bei sparsamem Materialeinsatz und ein schnelles Auswechseln dieser sowie durch die spitzwinklige Bauform ein Schwenken des Plasmabrenners gegenüber dem Werkstück und damit Schrägschnitte ermöglichen.
In DE-OS 1 565 638 wird ein Plasmabrenner, vorzugsweise zum Plasmaschmelzschneiden von Werkstoffen und zur Schweißkantenvorbereitung, beschrieben. Die schlanke Form des Brennerkopfes wird durch die Verwendung einer besonders spitzwinkligen Schneiddüse erreicht, deren innerer und äußerer Winkel untereinander gleich und auch gleich dem inneren und äußeren Winkel der Düsenkappe sind. Zwischen der Düsenkappe und der Schneiddüse wird ein Kühlmittelraum gebildet, in dem die Düsenkappe mit einem Bund versehen ist, welcher mit der Schneiddüse metallisch dichtet, so dass dadurch ein gleichmäßiger Ringspalt als Kühlmittelraum entsteht. Die Zu- und Abführung des Kühlmittels, im allgemeinen Wasser, erfolgt durch zwei um 180° gegeneinander versetzt angeordnete Schlitze im Düsenhalter.
In DE 25 25 939 wird ein Plasmalichtbogenbrenner, insbesondere zum Schneiden oder Schweißen, beschrieben, bei dem der Elektrodenhalter und der Düsenkörper eine austauschbare Baueinheit bilden. Die äußere Kühlmittelzuführung wird im wesentlichen durch eine den Düsenkörper umfassende Überwurfkappe gebildet. Das Kühlmittel strömt über Kanäle in einen Ringraum, welcher durch den Düsenkörper und die Überwurfkappe gebildet wird.
DE 692 33 071 T2 betrifft eine Lichtbogen-Plasmaschneidvorrichtung. Es wird darin eine Ausführungsform einer Düse für einen Plasmalichtbogen-Schneidbrenner beschrieben, die aus einem leitenden Material gebildet ist und eine Austrittsöffnung für einen Plasmagasstrahl und einen hohlen Körperabschnitt, der so ausgebildet ist, dass er eine im allgemeinen konische dünnwandige Konfiguration hat, die in Richtung auf die Austrittsöffnung geneigt ist und einen vergrößerten Kopfabschnitt aufweist, der einstückig mit dem Körperabschnitt ausgebildet ist, wobei der Kopfabschnitt massiv mit Ausnahme eines zentralen Kanals ist, der mit der Austrittsöffnung fluchtet und eine im allgemeinen konische Außenfläche aufweist, die auch in Richtung auf die Austrittsöffnung geneigt ist und einen Durchmesser angrenzend an den des benachbarten Körperabschnitts besitzt, der den Durchmesser des Körperabschnitts übersteigt, um eine zurückgeschnittene Aussparung zu bilden. Die Lichtbogen-Plasmaschneidvorrichtung besitzt eine Sekundärgaskappe. Weiterhin ist zwischen der Düse und der Sekundärgaskappe eine wassergekühlte Kappe angeordnet, um eine wassergekühlte Kammer für die äußere Fläche der Düse für ein hochwirksames Kühlen zu bilden. Die Düse ist durch einen großen Kopf, der eine Austrittsöffnung für den Plasmastrahl umgibt, und einen scharfen Hinterschnitt oder eine Aussparung zu einem konischen Körper gekennzeichnet. Diese Düsenkonstruktion begünstigt das Kühlen der Düse.
Bei den vorangehend beschriebenen Plasmabrennern wird das Kühlmittel über einen Wasservorlaufkanal zur Düse hin- und über einen Wasserrücklaufkanal von der Düse weggeführt. Diese Kanäle sind meist um 180° zueinander versetzt und das Kühlmittel soll auf dem Weg vom Vor- zum Rücklauf die Düse möglichst gleichmäßig umspülen. Dennoch werden immer wieder Überhitzungen in der Nähe des Düsenkanals festgestellt.
Eine andere Kühlmittelführung für einen Brenner, vorzugsweise Plasmabrenner, insbesondere für Plasmaschweiß-, Plasmaschneid-, Plasmaschmelz- und Plasmaspritzzwecke, die hohen thermischen Beanspruchungen der Düse und der Katode standhält, ist in DD 83890 B1 beschrieben. Hier ist für die Kühlung der Düse ein in das Düsenhalteteil leicht einsetzbarer und herausnehmbarer Kühlmedienleitring angeordnet, der zur Begrenzung der Kühlmedienführung auf eine dünne Schicht von maximal 3 mm Dicke entlang der äußeren Düsenwand eine umlaufende Formnut aufweist, in die mehr als eine, vorzugsweise zwei bis vier, und sternförmig zu dieser radial und symmetrisch zur Düsenachse und sternförmig zu dieser mit einem Winkel zwischen 0 und 90° angebrachte Kühlleitungen so einmünden, dass sie von je zwei Kühlmedienabflüssen und jeder Kühlmedienabfluss von zwei Kühlmedienzuflüssen benachbart ist.
Diese Anordnung hat wiederum den Nachteil, dass ein höherer Aufwand für die Kühlung durch die Verwendung eines zusätzlichen Bauteils, den Kühlmedienleitring, notwendig ist. Außerdem vergrößert sich dadurch die gesamte Anordnung.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, auf einfache Weise eine Überhitzung in der Nähe des Düsenkanals bzw. der Düsenbohrung zu vermeiden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Plasmabrennerkopf, umfassend:

eine Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 19,
eine Düsenhalterung zur Halterung der Düse, und

Weiterhin liefert die vorliegende Erfindung eine Düse für einen flüssigkeitsgekühlten Plasmabrenner, umfassend eine Düsenbohrung für den Austritt eines Plasmagasstrahls an einer Düsenspitze, einen ersten Abschnitt, dessen Außenfläche im wesentlichen zylindrisch ist, und einen sich daran zur Düsenspitze anschließenden zweiten Abschnitt, dessen Außenfläche sich zur Düsenspitze hin im wesentlichen kegelförmig verjüngt, wobei a) mindestens eine Flüssigkeitszulaufnut vorgesehen ist und sich über einen Teil des ersten Abschnitts und über den zweiten Abschnitt in der Außenfläche der Düse zur Düsenspitze hin erstreckt und genau eine von der bzw. den Flüssigkeitszulaufnut(en) separate Flüssigkeitsrücklaufnut vorgesehen ist und sich über den zweiten Abschnitt erstreckt, oder b) genau eine Flüssigkeitszulaufnut vorgesehen ist und sich über einen Teil des ersten Abschnitts und über den zweiten Abschnitt in der Außenfläche der Düse zur Düsenspitze hin erstreckt und mindestens eine von der Flüssigkeitszulaufnut separate Flüssigkeitsrücklaufnut vorgesehen ist und sich über den zweiten Abschnitt erstreckt. Mit im wesentlich zylindrisch soll gemeint sein, dass die Außenfläche zumindest bei Wegdenken der Nuten, wie Flüssigkeitszulauf- und -rücklaufnuten, im Großen und Ganzen zylindrisch ist. In analoger Weise soll "im wesentlichen kegelig verjüngt" bedeuten, dass die Außenfläche zumindest bei Wegdenken der Nuten, wie Flüssigkeitszulauf- und -rücklaufnuten, im Großen und Ganzen kegelig verjüngt ist.
Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung eine Düsenkappe für einen flüssigkeitsgekühlten Plasmabrenner bereit, wobei die Düsenkappe eine sich im wesentlichen kegelförmig verjüngende Innenfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche der Düsenkappe in einer radialen Ebene mindestens zwei Ausnehmungen aufweist.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform des Plasmabrennerkopfes weist die Düse ein oder zwei Kühlflüssigkeitszulaufnut(en) auf, und weist die Düsenkappe auf ihrer Innenfläche mindestens zwei, insbesondere genau drei, Ausnehmungen, deren zur Düse gewandten Öffnungen sich jeweils über eine Bogenlänge (b₂) erstrecken, auf, wobei die Bogenlänge der in Umfangsrichtung an die Kühlflüssigkeitszulaufnut(en) angrenzenden, gegenüber der bzw. den Kühlflüssigkeitszulaufnut(en) nach außen hervorstehenden Bereiche der Düse jeweils größer als die Bogenlänge (d4, e4) ist. Auf diese Weise wird ein Nebenschluss vom Kühlmittelzulauf zum Kühlmittelrücklauf besonders elegant vermieden.
Weiterhin kann bei dem Plasmabrennerkopf vorgesehen sein, dass sich die beiden Bohrungen jeweils im wesentlichen parallel zur Längsachse des Plasmabrennerkopfes erstrecken. Dadurch wird erreicht, dass Kühlflüssigkeitsleitungen platzsparend an den Plasmabrennerkopf angeschlossen werden können.
Insbesondere können die Bohrungen für die Kühlflüssigkeitszulauf an den Kühflüssigkeitsrücklauf um 180° versetzt angeordnet sein.
Vorteilhafterweise ist das Bogenmaß des Abschnitts zwischen den Ausnehmungen der Düsenkappe maximal halb so groß wie das minimale Bogenmaß der Kühlflüssigkeitsrücklaufnut oder das minimale Bogenmaß der Kühlflüssigkeitszulaufnut(en) der Düse.
Günstigerweise kann sich bei der Düse die Flüssigkeitsrücklaufnut(en) auch über einen Teil des ersten Abschnitts in der Außenfläche der Düse erstrecken.
In einer besonderen Ausführungsform der Düse sind im Fall a) mindestens zwei Flüssigkeitszulaufnuten und im Fall b) mindestens zwei Flüssigkeitsrücklaufnuten vorgesehen.
Vorteilhafterweise sind der Mittelpunkt der Flüssigkeitszulaufnut und der Mittelpunkt der Flüssigkeitsrücklaufnut um 180° versetzt zueinander über den Umfang der Düse angeordnet. Mit anderen Worten liegen die Flüssigkeitszulaufnut und die Flüssigkeitsrücklaufnut einander gegenüber.
Vorteilhafterweise liegt im Fall a) die Breite der Flüssigkeitsrücklaufnut und im Fall b) die Breite der Flüssigkeitszulaufnut in Umgangsrichtung im Bereich von 90° bis 270°. Durch eine derartige besonders breite Flüssigkeitsrück- bzw. -zulaufnut lässt sich eine besonders gute Kühlung der Düse erreichen.
Zweckmäßigerweise befindet sich im Fall a) im ersten Abschnitt der Düse eine Nut, die mit der Flüssigkeitszulaufnut in Verbindung und im Fall b) im ersten Abschnitt der Düse eine Nut, die mit der Flüssigkeitsrücklaufnut in Verbindung steht.
Es kann vorgesehen sein, dass sich im Fall a) die Nut in Umfangsrichtung des ersten Abschnitts der Düse über den gesamten Umfang erstreckt.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass sich im Fall a) die Nut in Umfangsrichtung des ersten Abschnitts der Düse über einen Winkel von 60° bis 300° und im Fall b) die Nut in Umfangsrichtung des ersten Abschnitts der Düse über einen Winkel im Bereich von 60 ° bis 300 ° erstreckt.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass sich im Fall a) diese Nut in Umfangsrichtung des ersten Abschnitts der Düse über einen Winkel im Bereich von 90° bis 270° und im Fall b) die Nut in Umfangrichtung des ersten Abschnitts der Düse über einen Winkel im Bereich von 90 ° bis 270 ° erstreckt.
Bei einer weiteren Ausfiihrungsform der Düse sind im Fall a) genau zwei Flüssigkeitszulaufnuten und im Fall b) genau zwei Flüssigkeitsrücklaufnuten vorgesehen.
Insbesondere können im Fall a) die beiden Flüssigkeitszulaufnuten über den Umfang der Düse symmetrisch zu einer Geraden angeordnet sein, die sich vom Mittelpunkt der Flüssigkeitsrücklaufnut im rechten Winkel durch die Längsachse der Düse erstreckt und im Fall b) die beiden Flüssigkeitsrücklaufnuten über den Umfang der Düse symmetrisch zu einer Geraden angeordnet sind, die sich vom Mittelpunkt der Flüssigkeitszulaufnut im rechten Winkel durch die Längsachse der Düse erstreckt.
Vorteilhafterweise sind im Fall a) die Mittelpunkte der beiden Flüssigkeitszulaufnuten und im Fall b) die Mittelpunkte der beiden Flüssigkeitsrücklaufnuten um einen Winkel versetzt zueinander über den Umfang der Düse angeordnet, der im Bereich von 30° bis 180° liegt.
Vorteilhafterweise liegt im Fall a) die Breite der Flüssigkeitsrücklaufnut und im Fall b) die Breite der Flüssigkeitszulaufnut in Umfangsrichtung im Bereich von 120° bis 270°.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass im Fall a) die beiden Flüssigkeitszulaufnuten im ersten Abschnitt der Düse miteinander in Verbindung und im Fall b) die beiden Flüssigkeitsrücklaufnuten im ersten Abschnitt der Düse miteinander in Verbindung stehen.
Ferner kann vorgesehen sein, dass im Fall a) die beiden Flüssigkeitszulaufnuten im ersten Abschnitt der Düse durch eine Nut miteinander in Verbindung und im Fall b) die beiden Flüssigkeitsrücklaufnuten im ersten Abschnitt der Düse durch eine Nut in Verbindung stehen.
Zweckmäßigerweise geht die Nut im Fall a) über eine der oder beide Flüssigkeitszulaufnuten und im Fall b) die Nut über eine der oder beide Flüssigkeitsrücklaufnuten hinaus.
Es kann vorgesehen sein, dass sich im Fall a) die Nut in Umfangsrichtung des ersten Abschnitts der Düse über den gesamten Umfang erstreckt.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass sich die Nut in Umfangsrichtung des ersten Abschnitts der Düse über einen Winkel im Bereich von 60° bis 300° erstreckt.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass sich die Nut in Umfangsrichtung des ersten Abschnitts der Düse über einen Winkel im Bereich von 90° bis 270° erstreckt.
Bei der Düsenkappe können in einer besonderen Ausführungsform die Ausnehmungen äquidistant über den Innenumfang angeordnet sein.
Insbesondere können die Ausnehmungen im Radialschnitt halbkreisförmig sein.
In einer besonderen Ausführungsform des Plasmabrennerkopfes könne sich die beiden Bohrungen jeweils im wesentlichen parallel zur Längsachse des Plasmabrennerkopfes erstrecken.
Vorteilhafterweise sind die Bohrungen für den Kühlflüssigkeitszulauf und den Kühlflüssigkeitsrücklauf um 180° versetzt angeordnet.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch Zuführen und/oder Abführen der Kühlflüssigkeit im rechten Winkel zur Längsachse des Plasmabrennerkopfes statt ― wie im Stand der Technik ― parallel zur Längsachse des Plasmabrennerkopfes, eine bessere Kühlung der Düse durch deutlich längeren Kontakt der Kühlflüssigkeit mit der Düse erzielt wird.
Wenn mehr als eine Kühlflüssigkeitszulaufnut vorgesehen sind, so lässt sich damit im Bereich der Düsenspitze eine besonders gute Verwirbelung der Kühlflüssigkeit durch das Aufeinandertreffen der Kühlflüssigkeitsströme erzielen, die üblicherweise auch mit einer besseren Kühlung der Düse einhergeht.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen und der nachstehenden Beschreibung, in der mehrere Ausführungsbeispiele anhand der schematischen Zeichnungen im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:

Fig. 1: eine Längsschnittansicht durch einen Plasmabrennerkopf mit Plasma- und Sekundärgaszuführung mit einer Düse und einer Düsenkappe gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
Fig. 1a: eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A von Fig. 1;
Fig. 1b: eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B von Fig. 1;
Fig. 2: Einzeldarstellungen (links oben: Draufsicht von vorne; rechts oben: Längsschnittansicht; rechts unten: Seitenansicht) der Düse von Fig. 1;
Fig. 3: eine Längsschnittansicht durch einen Plasmabrennerkopf mit Plasma- und Sekundärgaszufiihrung mit einer Düse und einer Düsenkappe gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3a: eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A von Fig. 3;
Fig. 3b: eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B von Fig. 3
Fig. 4: Einzeldarstellungen (links oben: Draufsicht von vorne; rechts oben: Längsschnittansicht; rechts unten: Seitenansicht) der Düse von Fig. 3;
Fig. 5: eine Längsschnittansicht durch einen Plasmabrennerkopf mit Plasma- und Sekundärgaszuführung mit einer Düse und einer Düsenkappe gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
Fig. 5a: eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A von Fig. 5;
Fig. 5b: eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B von Fig. 5;
Fig. 6: Einzeldarstellungen (links oben: Draufsicht von vorne; rechts oben: Längsschnittansicht; rechts unten: Seitenansicht) der Düse von Fig. 5;
Fig. 7: eine Längsschnittansicht durch einen Plasmabrennerkopf mit Plasma- und Sekundärgaszufiihrung mit einer Düse gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7a: eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A von Fig. 7;
Fig. 7b: eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B von Fig. 7;
Fig. 8: Einzeldarstellungen (links oben: Draufsicht von vorne; rechts oben: Längsschnittansicht; rechts unten: Seitenansicht) der Düse von Fig. 7;
Fig. 9: eine Längsschnittansicht durch einen Plasmabrennerkopf mit Plasma- und Sekundärgaszufiihrung mit einer Düse gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
Fig. 9a: eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A von Fig. 9;
Fig. 9b: eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B von Fig. 9;
Fig. 10: Einzeldarstellungen (links oben: Draufsicht von vorne; rechts oben: Längsschnittansicht; rechts unten: Seitenansicht) der Düse von Fig. 9;
Fig. 11: eine Längsschnittansicht durch einen Plasmabrennerkopf mit Plasma- und Sekundärgaszuführung mit einer Düse gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig, 11a: eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A von Fig. 11;
Fig. 11b: eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B von Fig. 11;
Fig. 12: Einzeldarstellungen (links oben: Draufsicht von vorne; rechts oben: Längsschnittansicht; rechts unten: Seitenansicht) der Düse von Fig. 11;
Fig. 13: Einzeldarstellungen (links oben: Draufsicht von vorne; rechts oben: Längsschnittansicht; rechts unten: Seitenansicht) Düse gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 14: Einzeldarstellungen (links: Längsschnittansicht; rechts: Draufsicht von vorne) der Düsenkappe von Fig. 1, Fig. 3 und Fig. 5 sowie Fig. 11;
Fig. 15: Einzeldarstellungen (links: Längsschnittansicht; rechts: Draufsicht von vorne) einer Düsenkappe gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 16: Einzeldarstellungen (links: Längsschnittansicht; rechts: Draufsicht von vorne) einer Düsenkappe gemäß einer weiteren speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

In der nachfolgenden Beschreibung werden Ausführungsformen gezeigt, die mindestens eine Flüssigkeitslaufnut, hier als Kühlflüssigkeitszulaufnut bezeichnet und genau eine Flüssigkeitsrücklaufnut, hier als Kühlflüssigkeitsrücklaufnut bezeichnet, aufweisen. Die Erfindung ist darauf jedoch nicht beschränkt. Genauso gut können die Anzahl an Flüssigkeitszulaufnuten und Flüssigkeitsrückaufnuten vertauscht werden bzw. umgekehrt sein.
Der in den Figur 1 gezeigte Plasmabrennerkopf 1 nimmt mit einer Elektrodenaufnahme 6 eine Elektrode 7 im vorliegenden Fall über ein Gewinde (nicht dargestellt) auf. Die Elektrode ist als Flachelektrode ausgebildet. Für den Plasmabrenner kann zum Beispiel Luft oder Sauerstoff als Plasmagas (PG) verwendet werden. Eine Düse 4 wird von einer im Wesentlichen zylindrischen Düsenhalterung 5 aufgenommen. Eine Düsenkappe 2, die über ein Gewinde (nicht dargestellt) am Plasmabrennerkopf 1 befestigt ist, fixiert die Düse 4 und bildet mit dieser einen Kühlflüssigkeitsraum 10. Der Kühlflüssigkeitsraum 10 wird durch eine mit einem Rundring 4.16 realisierte Dichtung, der sich in einer Nut 4.15 der Düse 4 befindet, zwischen der Düse 4 und der Düsenkappe 2 abgedichtet.
Ein Kühlflüssigkeit, z. B. Wasser oder mit Gefrierschutzmittel versetztes Wasser durchströmt den Kühlflüssigkeitsraum 10 von einer Bohrung des Kühlflüssigkeitsvorlaufs WV zu einer Bohrung des Kühlflüssigkeitsrücklaufs WR, wobei die Bohrungen um 180° zueinander versetzt angeordnet sind.
Bei Plasmabrennern im Stand der Technik kommt es immer wieder zur Überhitzung der Düse 4 im Bereich der Düsenbohrung 4.10. Es kann aber auch zu Überhitzungen zwischen dem zylindrischen Abschnitt der Düse 4 und der Düsenhalterung 5 kommen. Dies trifft insbesondere auf Plasmabrenner, die mit hohem Pilotstrom oder indirekt betrieben werden, zu. Dies zeigt sich durch Verfärbung des Kupfers nach kurzer Betriebszeit. Hier treten schon bei Strömen von 40A Verfärbungen nach kurzer Zeit (z.B. 5 Minuten) auf. Ebenso wird die Dichtstelle zwischen Düse 4 und Düsenkappe 2 überlastet, was zur Beschädigung des Rundrings 4.16 und damit zur Undichtigkeit und Kühlflüssigkeitsaustritt führt. Untersuchungen haben ergeben, dass dieser Effekt besonders auf der dem Kühlflüssigkeitsrücklauf zugewandten Seite der Düse 4 auftritt. Es wird angenommen, das der thermisch am höchsten beanspruchte Bereich, die Düsenbohrung 4.10 der Düse 4 unzureichend gekühlt wird, weil die Kühlflüssigkeit den der Düsenbohrung am nächsten liegenden Teil 10.20 des Kühlflüssigkeitsraumes 10 unzureichend durchströmt und/oder diesen insbesondere auf der dem Kühlflüssigkeitsrücklauf zugewandten Seite gar nicht erreicht.
Im vorliegenden Plasmabrenner nach Figur 1 wird die Kühlflüssigkeit nahezu senkrecht zur Längsachse des Plasmabrennerkopfes 1 von der Düsenhalterung 5 auf die Düse 4 treffend in den Kühlflüssigkeitsraum 10 geleitet. Dazu wird in einem Umlenkraum 10.10 des Kühlflüssigkeitsraums 10 die Kühlflüssigkeit von der zur Längsachse parallelen Richtung in der Bohrung des Kühlflüssigkeitsvorlaufs WV des Plasmabrenners in Richtung erster Düsenabschnitt 4.1 (s. Fig. 2) nahezu senkrecht zur Längsachse der Plasmabrennerkopfes 1 umgelenkt. Danach strömt die Kühlflüssigkeit durch den von einer Kühlflüssigkeitsvorlaufnut 4.20 (s. Fig. 1a, 1b und 2) der Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildeten Raum 10.11 in den die Düsenbohrung 4.10 umgebenden Bereich 10.20 des Kühlflüssigkeitsraums 10 und umströmt die Düse 4 dort. Dann strömt die Kühlflüssigkeit durch einen von einer Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 der Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildeten Raum 10.15 zurück zum Kühlflüssigkeitsrücklauf WR, wobei der Übergang hier im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Plasmabrennerkopfes erfolgt.
Weiterhin ist der Plasmabrennerkopf 1 mit einer Düsenschutzkappenhalterung 8 und einer Düsenschutzkappe 9 ausgestattet. Durch diesen Bereich strömt das Sekundärgas SG, in den Plasmastrahl umgibt. Das Sekundärgas SG durchströmt eine Sekundärgasführung 9.1 und kann durch diese in Rotation versetzt werden.
Fig. 1a zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A des Plasmabrenners aus Figur 1. Diese zeigt, wie der durch die Kühlflüssigkeitszulaufnut 4.20 der Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildeter Raum 10.11 durch Abschnitte 4.41 und 4.42 von hervorstehenden Bereichen 4.31 und 4.32 der Düse 4 in Kombination mit den Innenfläche 2.5 der Düsenkappe 2 einen Nebenschluss zwischen dem Kühlflüssigkeitsvorlauf und Kühlflüssigkeitsrücklauf verhindern. Damit in jeder Stellung der Düse 4 zur Düsenkappe 2 zueinander der Nebenschluss der Kühlflüssigkeit verhindert wird, müssen die Bogenmaße d4 und e4 der Abschnitte 4.41 und 4.42 der hervorstehenden Bereiche 4.31 und 4.32 der Düse 4 mindestens genauso groß sein wie das Bogenmaß b2 zur Düse gewandter Ausnehmungen 2.6 der Düsenkappe 2 (s. Fig. 14 bis 16).
So wird eine wirksame Kühlung der Düse 4 im Bereich der Düsenspitze erreicht und eine thermische Überlastung verhindert. Es wird sichergestellt, dass möglichst viel Kühlflüssigkeit den Raum 10.20 des Kühlmittelraums 10 erreicht. Es kam bei Versuchen zu keiner Verfärbung der Düse im Bereich der Düsenbohrung 4.10 mehr. Auch traten Undichtigkeiten zwischen der Düse 4 und der Düsenkappe 2 nicht mehr auf und der Rundring 4.16 wurde nicht überhitzt.
Figur 1b beinhaltet eine Schnittdarstellung entlang der Linie B des Plasmabrennerkopfes aus Figur 1, die die Ebene des Umlenkraums 10.10 zeigt.
Fig. 2 zeigt die Düse 4 des Plasmabrennerkopfes aus Figur 1. Sie verfügt über eine Düsenbohrung 4.10 für den Austritt eines Plasmagasstrahls an einer Düsenspitze 4.11, einen ersten Abschnitt 4.1, dessen Außenfläche 4.4 im wesentlichen zylindrisch ist, und einen sich daran zur Düsenspitze 4.11 anschließenden zweiten Abschnitt 4.2, dessen Außenfläche 4.5 sich zur Düsenspitze 4.11 hin im wesentlichen kegelförmig verjüngt. Die Kühlflüssigkeitszulaufnut 4.20 erstreckt sich über einen Teil des ersten Abschnitts 4.1 und über den zweiten Abschnitt 4.2 in der Außenfläche 4.5 der Düse 4 zur Düsenspitze 4.11 hin und endet vor der zylindrischen Außenfläche 4.3. Die Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 erstreckt sich über den zweiten Abschnitt 4.2 der Düse 4. Der Mittelpunkt der Kühlflüssigkeitszulaufnut 4.20 und der Mittelpunkt der Kühlflüssigkeitsrücklaufnut (4.22) sind um 180° versetzt zueinander über den Umfang der Düse (4) angeordnet. Die Breite alpha 4 der Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 in Umfangsrichtung beträgt ca. 250°. Zwischen der Kühlflüssigkeitsvorlaufnut 4.20 und der Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 befinden sich die nach außen hervorstehenden Bereichen 4.31 und 4.32 mit den dazu gehörigen Abschnitten 4.41 und 4.42.
Figur 3 zeigt einen Plasmabrenner ähnlich Figur 1, aber gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform. Die Düse 4 verfügt über zwei Kühlflüssigkeitszulaufnuten 4.20 und 4.21. Auch hier wird die Kühlflüssigkeit nahezu senkrecht zur Längsachse des Plasmabrennerkopfes 1 von der Düsenhalterung 5 auf die Düse 4 treffend in den Kühlflüssigkeitsraum 10 geleitet. Dazu wird im Umlenkraum 10.10 des Kühlflüssigkeitsraums 10 die Kühlflüssigkeit von der zur Längsachse parallelen Richtung in der Bohrung des Kühlflüssigkeitsvorlaufs WV des Plasmabrenners in Richtung erster Düsenabschnitt 4.1 nahezu senkrecht zur Längsachse der Plasmabrennerkopfes 1 umgelenkt. Dann strömt die Kühlflüssigkeit durch eine Nut 5.1 der Düsenhalterung 5 in die beiden durch die von den Kühlflüssigkeitszulaufnuten 4.20 und 4.21 der Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildeten Räume 10.11 und 10.12 zum die Düsenbohrung 4.10 umgebenden Bereich 10.20 des Kühlflüssigkeitsraums 10 und umströmt die Düse 4 dort. Danach strömt die Kühlflüssigkeit durch den von der Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 der Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildeten Raum 10.15 zum Kühlflüssigkeitsrücklauf WR zurück, wobei der Übergang hier im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Plasmabrennerkopfes erfolgt.
Fig. 3a beinhaltet eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A des Plasmabrenners aus Figur 3 und zeigt, wie die durch die Kühlflüssigkeitszulaufnuten 4.20 und 4.21 der Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildeten Räume 10.11und 10.12 durch die Abschnitte 4.41 und 4.42 der hervorstehenden Bereiche 4.31 und 4.32 der Düse 4 in Kombination mit den Innenfläche 2.5 der Düsenkappe 2 einen Nebenschluss zwischen dem Kühlflüssigkeitsvorlauf und Kühlflüssigkeitsrücklauf verhindern. Gleichzeitig wird ein Nebenschluss zwischen den Räumen 10.11 und 10.12 durch den Abschnitt 4.43 des hervorstehenden Bereichs 4.33 verhindert. Damit in jeder Stellung der Düse 4 zur Düsenkappe 2 zueinander der Nebenschluss der Kühlflüssigkeit verhindert wird, müssen die Bogenmaße d4 und e4 der Abschnitte 4.41 und 4.42 der Düse 4 mindestens genauso groß sein wie das Bogenmaß b2 zur Düse gewandter Ausnehmungen 2.6 der Düsenkappe 2 (s. Fig. 14 bis 16).
Figur 3b ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B des Plasmabrenners aus Figur 3, die die Ebene des Umlenkraums 10.10 und die Verbindung mit beiden Kühlflüssigkeitszuläufen 4.20 und 4.21 durch die Nut 5.1 in der Düsenhalterung 5 zeigt.
Fig. 4 zeigt die Düse 4 des Plasmabrennerkopfes aus Figur 3. Sie verfügt über eine Düsenbohrung 4.10 für den Austritt eines Plasmagasstrahls an einer Düsenspitze 4.11, einen ersten Abschnitt 4.1, dessen Außenfläche 4.4 im wesentlichen zylindrisch ist, und einen sich daran zur Düsenspitze 4.11 anschließenden zweiten Abschnitt 4.2, dessen Außenfläche 4.5 sich zur Düsenspitze 4.11 hin im wesentlichen kegelförmig verjüngt. Die Kühlflüssigkeitszulaufnuten 4.20 und 4.21 erstrecken sich über einen Teil des ersten Abschnitts 4.1 und über den zweiten Abschnitt 4.2 in der Außenfläche 4.5 der Düse 4 zur Düsenspitze 4.11 hin und enden vor der zylindrischen Außenfläche 4.3. Die Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 erstreckt sich über den zweiten Abschnitt 4.2 der Düse 4. Die Breite alpha 4 der Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 in Umfangsrichtung beträgt ca. 190°. Zwischen den Kühlflüssigkeitszulaufnuten 4.20; 4.21 und der Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 befinden sich die nach außen hervorstehenden Bereichen 4.31; 4.32 und 4.33 mit den dazu gehörigen Abschnitten 4.41; 4.42 und 4.43.
Figur 5 zeigt einen Plasmabrenner ähnlich Figur 3, aber gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform. Die Düse 4 verfügt über zwei Kühlflüssigkeitszulaufnuten 4.20 und 4.21 (s. Fig. 5a). Auch hier wird die Kühlflüssigkeit nahezu senkrecht zur Längsachse des Plasmabrennerkopfes 1 von der Düsenhalterung 5 auf die Düse 4 treffend in den Kühlflüssigkeitsraum 10 geleitet. Dazu wird im Umlenkraum 10.10 des Kühlflüssigkeitsraums 10 die Kühlflüssigkeit von der zur Längsachse parallelen Richtung in der Bohrung des Kühlflüssigkeitsvorlaufs WV des Plasmabrenners in Richtung erster Düsenabschnitt 4.1 nahezu senkrecht zur Längsachse der Plasmabrennerkopfes 1 umgelenkt. Dann strömt die Kühlflüssigkeit durch eine Nut 4.6 der Düse 4 in die beiden durch die von den Kühlflüssigkeitsvorlaufnuten 4.20 und 4.21 der Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildeten Räume 10.11 und 10.12 zum die Düsenbohrung 4.10 umgebenden Bereich 10.20 des Kühlflüssigkeitsraums 10 und umströmt die Düse 4 dort. Danach strömt die Kühlflüssigkeit durch den von der Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 der Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildeten Raum 10.15 zum Kühlflüssigkeitsrücklauf WR zurück, wobei der Übergang hier im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Plasmabrennerkopfes erfolgt.
Fig. 5a ist die Schnittdarstellung entlang der Linie A-A des Plasmabrenners aus Figur 5, die zeigt, wie die durch die Kühlflüssigkeitsvorlaufnuten 4.20 und 4.21 der Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildeten Räume 10.11und 10.12 durch die Abschnitte 4.41 und 4.42 der hervorstehenden Bereiche 4.31 und 4.32 der Düse 4 in Kombination mit der Innenfläche 2.5 der Düsenkappe 2 einen Nebenschluss zwischen dem Kühlflüssigkeitsvorlauf und Kühlflüssigkeitsrücklauf verhindern. Gleichzeitig wird ein Nebenschluss zwischen den Räumen 10.11und 10.12 durch den Abschnitt 4.43 des hervorstehenden Bereichs 4.33 verhindert. Damit in jeder Stellung der Düse 4 zur Düsenkappe 2 zueinander der Nebenschluss der Kühlflüssigkeit verhindert wird, müssen die Bogenmaße d4 und e4 der Abschnitte 4.41 und 4.42 der Düse 4 mindestens genauso groß sein wie das Bogenmaß b2 zur Düse gewandter Ausnehmungen 2.6 der Düsenkappe 2.
Figur 5b ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B des Plasmabrenners aus Figur 5, die die Ebene des Umlenkraums 10.10 und die Verbindung mit beiden Kühlflüssigkeitszuläufen durch die Nut 4.6 in der Düse 4 zeigt.
Fig. 6 zeigt die Düse 4 des Plasmabrennerkopfes aus Figur 5. Sie verfügt über eine Düsenbohrung 4.10 für den Austritt eines Plasmagasstrahls an einer Düsenspitze 4.11, einen ersten Abschnitt 4.1, dessen Außenfläche 4.4 im wesentlichen zylindrisch ist, und einen sich daran zur Düsenspitze 4.11 anschließenden zweiten Abschnitt 4.2, dessen Außenfläche 4.5 sich zur Düsenspitze 4.11 hin im wesentlichen kegelförmig verjüngt. Die Kühlflüssigkeitszulaufnuten 4.20 und 4.21 erstrecken sich über einen Teil des ersten Abschnitts 4.1 und über den zweiten Abschnitt 4.2 in der Außenfläche 4.5 der Düse 4 zur Düsenspitze 4.11 hin und enden vor der zylindrischen Außenfläche 4.3. Die Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 erstreckt sich über den zweiten Abschnitt 4.2 der Düse 4. Die Breite alpha 4 der Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 in Umfangsrichtung beträgt ca. 190°. Zwischen den Kühlflüssigkeitsnuten 4.20; 4.21 und der Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 befinden sich die nach außen hervorstehenden Bereichen 4.31; 4.32 und 4.33 mit den dazu gehörigen Abschnitten 4.41; 4.42 und 4.43. Die Kühlflüssigkeitszulaufnuten 4.20 und 4.21 sind durch die Nut 4.6 der Düse miteinander verbunden.
Figur 7 stellt einen Plasmabrennerkopf gemäß einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung dar. Auch hier wird die Kühlflüssigkeit nahezu senkrecht zur Längsachse des Plasmabrennerkopfes 1 von einer Düsenhalterung 5 auf die Düse 4 treffend in einen Kühlflüssigkeitsraum 10 geleitet. Dazu wird im Umlenkraum 10.10 des Kühlflüssigkeitsraums 10 die Kühlflüssigkeit von der zur Längsachse parallelen Richtung in der Bohrung des Kühlflüssigkeitsvorlaufs WV des Plasmabrenners in Richtung erster Düsenabschnitt 4.1 nahezu senkrecht zur Längsachse der Plasmabrennerkopfes 1 umgelenkt. Danach strömt die Kühlflüssigkeit durch einen von einer Kühlflüssigkeitszulaufnut 4.20 der Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildeten Raum 10.11 (s. Fig. 7a) in den die Düsenbohrung 4.10 umgebenden Bereich 10.20 des Kühlflüssigkeitsraums 10 und umströmt die Düse 4 dort. Danach strömt die Kühlflüssigkeit durch einen von einer Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 der Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildeten Raum 10.15 zurück zum Kühlflüssigkeitsrücklauf WR, wobei der Übergang hier nahezu senkrecht zur Längsachse des Plasmabrennerkopfes, durch einen Umlenkraum 10.10 erfolgt.
Fig. 7a ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A des Plasmabrenners aus Figur 7, die zeigt, wie der durch die Kühlflüssigkeitszulaufnut 4.20 der Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildete Raum 10.11 durch die Abschnitte 4.41 und 4.42 der hervorstehenden Bereiche 4.31 und 4.32 der Düse 4 in Kombination mit der Innenfläche der Düsenkappe 2 einen Nebenschluss zwischen dem Kühlflüssigkeitsvorlauf und Kühlflüssigkeitsrücklauf verhindern.
Figur 7b ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B des Plasmabrennerkopfes aus Figur 7, die die Ebene der Umlenkräume 10.10 zeigt.
Fig. 8 zeigt die Düse 4 des Plasmabrennerkopfes aus Figur 7. Sie verfügt über eine Düsenbohrung 4.10 für den Austritt eines Plasmagasstrahls an einer Düsenspitze 4.11, einen ersten Abschnitt 4.1, dessen Außenfläche 4.4 im wesentlichen zylindrisch ist, und einen sich daran zur Düsenspitze 4.11 anschließenden zweiten Abschnitt 4.2, dessen Außenfläche 4.5 sich zur Düsenspitze 4.11 hin im wesentlichen kegelförmig verjüngt. Die Kühlflüssigkeitszulaufnut 4.20 und die Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 erstrecken sich über einen Teil des ersten Abschnitts 4.1 und über den zweiten Abschnitt 4.2 in der Außenfläche 4.5 der Düse 4 zur Düsenspitze 4.11 hin und enden vor der zylindrischen Außenfläche 4.3. Der Mittelpunkt der Kühlflüssigkeitszulaufnut 4.20 und der Mittelpunkt der Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 sind um 180° versetzt zueinander über den Umfang der Düse 4 angeordnet und gleich groß. Zwischen der Kühlflüssigkeitsvorlaufnut 4.20 und der Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 befinden sich die nach außen hervorstehenden Bereichen 4.31 und 4.32 mit den dazu gehörigen Abschnitten 4.41 und 4.42.
Die Figur 9 zeigt einen Plasmabrennerkopf gemäß einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung. Die Düse 4 verfügt über zwei Kühlflüssigkeitsvorlaufnuten 4.20 und 4.21. Auch hier wird die Kühlflüssigkeit nahezu senkrecht zur Längsachse des Plasmabrennerkopfes 1 von der Düsenhalterung 5 auf die Düse 4 treffend in den Kühlflüssigkeitsraum 10 geleitet. Dazu wird in einem Umlenkraum 10.10 des Kühlflüssigkeitsraums 10 die Kühlflüssigkeit von der zur Längsachse parallelen Richtung in der Bohrung des Kühlflüssigkeitsvorlaufs WV des Plasmabrenners in Richtung erster Düsenabschnitt 4.1 nahezu senkrecht zur Längsachse des Plasmabrennerkopfes 1 umgelenkt. Dann strömt die Kühlflüssigkeit durch eine Nut 5.1 der Düsenhalterung 5 in die beiden durch die von den Kühlflüssigkeitszulaufnuten 4.20 und 4.21 der Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildeten Räume 10.11 und 10.12 zum die Düsenbohrung 4.10 umgebenden Bereich 10.20 des Kühlflüssigkeitsraums 10 und umströmt die Düse 4 dort. Danach strömt die Kühlflüssigkeit durch den von der Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 der Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildeten Raum 10.15 zum Kühlflüssigkeitsrücklauf WR zurück, wobei der Übergang hier nahezu senkrecht zur Längsachse des Plasmabrennerkopfes, durch einen Umlenkraum 10.10 erfolgt.
Fig. 9a ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A des Plasmabrenners aus Figur 9, die zeigt, wie der durch die Kühlflüssigkeitszulaufnuten 4.20 und 4.21 der Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildeten Räume 10.11 und 10.12 durch die Abschnitte 4.41 und 4.42 der hervorstehenden Bereiche 4.31 und 4.32 der Düse 4 in Kombination mit den Innenfläche der Düsenkappe 2 einen Nebenschluss zwischen dem Kühlflüssigkeitsvorlauf und Kühlflüssigkeitsrücklauf verhindern. Gleichzeitig wird ein Nebenschluss zwischen den Räumen 10.11 und 10.12 durch den Abschnitt 4.43 des hervorstehenden Bereichs 4.33 verhindert.
Figur 9b ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B des Plasmabrennerkopfes aus Figur 9, die die Ebene der Umlenkräume 10.10 zeigt und die Verbindung mit beiden Kühlflüssigkeitsvorläufen 4.20 und 4.21 durch die Nut 5.1 in der Düsenhalterung 5 zeigt.
Figur 10 zeigt die Düse 4 des Plasmabrennerkopfes aus Figur 9. Sie verfügt über eine Düsenbohrung 4.10 für den Austritt eines Plasmagasstrahls an einer Düsenspitze 4.11, einen ersten Abschnitt 4.1, dessen Außenfläche 4.4 im wesentlichen zylindrisch ist, und einen sich daran zur Düsenspitze 4.11 anschließenden zweiten Abschnitt 4.2, dessen Außenfläche 4.5 sich zur Düsenspitze 4.11 hin im wesentlichen kegelförmig verjüngt. Die Kühlflüssigkeitszulaufnuten 4.20 und 4.21 erstrecken sich über einen Teil des ersten Abschnitts 4.1 und über den zweiten Abschnitt 4.2 in der Außenfläche 4.5 der Düse 4 zur Düsenspitze 4.11 hin und enden vor der zylindrischen Außenfläche 4.3. Die Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 erstreckt sich über den zweiten Abschnitt 4.2 und den ersten Abschnitt 4.1 in der Außenfläche 4.5 der Düse 4. Zwischen den Kühlflüssigkeitsvorlaufnuten 4.20; 4.21 und der Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 befinden sich die nach außen hervorstehenden Bereichen 4.31; 4.32 und 4.33 mit den dazu gehörigen Abschnitten 4.41; 4.42 und 4.43.
Figur 11 zeigt einen Plasmabrennerkopf ähnlich Figur 5, aber gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung. Die Bohrungen des Kühlflüssigkeitsvorlauf WV und des Kühlflüssigkeitsrücklaufs sind in einem Winkel von 90° versetzt angeordnet. Die Düse 4 verfügt über zwei Kühlflüssigkeitszulaufnuten 4.20 und 4.21 und eine in Umfangrichtung des ersten Abschnitts 4.1 sich über dem gesamten Umfang erstreckende und die Kühlflüssigkeitszulaufnuten verbindende Nut 4.6. Die Kühlflüssigkeit wird nahezu senkrecht zur Längsachse des Plasmabrennerkopfes 1 von der Düsenhalterung 5 auf die Düse 4 treffend in den Kühlflüssigkeitsraum 10 geleitet. Dazu wird im Umlenkraum 10.10 des Kühlflüssigkeitsraums 10 die Kühlflüssigkeit von der zur Längsachse parallelen Richtung in der Bohrung des Kühlflüssigkeitsvorlaufs WV des Plasmabrenners in Richtung erster Düsenabschnitt 4.1 nahezu senkrecht zur Längsachse der Plasmabrennerkopfes 1 umgelenkt. Dann strömt die Kühlflüssigkeit durch die Nut 4.6, die sich in Umfangrichtung des ersten Abschnitts 4.1 der Düse 4 auf einem Teilumfang zwischen den Nuten 4.20 und 4.21, d. h. über ca. 300° erstreckt, in die beiden durch die von den Kühlflüssigkeitsvorlaufnuten 4.20 und 4.21 der Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildeten Räume 10.11 und 10.12 zum die Düsenbohrung 4.10 umgebenden Bereich 10.20 des Kühlflüssigkeitsraums 10 und umströmt die Düse 4 dort. Danach strömt die Kühlflüssigkeit durch den von der Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 der Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildeten Raum 10.15 zum Kühlflüssigkeitsrücklauf WR zurück, wobei der Übergang hier im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Plasmabrennerkopfes erfolgt.
Fig. 11a ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A des Plasmabrenners aus Figur 11, die zeigt, wie die durch die Kühlflüssigkeitszulaufnuten 4.20 und 4.21 der Düse 4 und der Düsenkappe 2 gebildeten Räume 10.11und 10.12 durch die Abschnitte 4.41 und 4.42 der hervorstehenden Bereiche 4.31 und 4.32 der Düse 4 in Kombination mit den Innenfläche 2.5 der Düsenkappe 2 einen Nebenschluss zwischen dem Kühlflüssigkeitsvorlauf und Kühlflüssigkeitsrücklauf verhindern. Gleichzeitig wird ein Nebenschluss zwischen den Räumen 10.11und 10.12 durch den Abschnitt 4.43 des hervorstehenden Bereichs 4.33 verhindert. Damit in jeder Stellung der Düse 4 zur Düsenkappe 2 zueinander der Nebenschluss der Kühlflüssigkeit verhindert wird, müssen die Bogenmaße d4 und e4 der Abschnitte 4.41 und 4.42 der Düse 4 mindestens genauso groß sein wie das Bogenmaß b2 zur Düse gewandter Ausnehmungen 2.6 der Düsenkappe 2.
Figur 11b ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B des Plasmabrenners aus Figur 11, die die Ebene des Umlenkraums 10.10 und die Verbindung mit beiden Kühlflüssigkeitsvorläufe durch die über ca. 300° umlaufende Nut 4.6 in der Düse 4 und die um 90° versetzt angeordneten Bohrungen für den Kühlflüssigkeitsvorlauf WV und den Kühlflüssigkeitsrücklauf WR zeigt.
Figur 12 zeigt die Düse 4 des Plasmabrennerkopfes aus Figur 11. Sie verfügt über eine Düsenbohrung 4.10 für den Austritt eines Plasmagasstrahls an einer Düsenspitze 4.11, einen ersten Abschnitt 4.1, dessen Außenfläche 4.4 im wesentlichen zylindrisch ist, und einen sich daran zur Düsenspitze 4.11 anschließenden zweiten Abschnitt 4.2, dessen Außenfläche 4.5 sich zur Düsenspitze 4.11 hin im wesentlichen kegelförmig verjüngt. Die Kühlflüssigkeitszulaufnuten 4.20 und 4.21 erstrecken sich über einen Teil des ersten Abschnitts 4.1 und über den zweiten Abschnitt 4.2 in der Außenfläche 4.5 der Düse 4 zur Düsenspitze 4.11 hin und enden vor der zylindrischen Außenfläche 4.3. Die Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 erstreckt sich über den zweiten Abschnitt 4.2 der Düse 4. Zwischen den Kühlflüssigkeitszulaufnuten 4.20; 4.21 und der Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 befinden sich die nach außen hervorstehenden Bereichen 4.31; 4.32 und 4.33 mit den dazu gehörigen Abschnitten 4.41; 4.42 und 4.43. Die Kühlflüssigkeitszulaufnuten 4.20 und 4.21 sind durch eine in Umfangrichtung des ersten Abschnitts 4.1 der Düse 4 auf einem Teilumfang zwischen den Nuten 4.20 und 4.21, d. h. über ca. 300° erstreckende Nut 4.6 der Düse miteinander verbunden. Dies ist besonders für die Kühlung des Übergangs zwischen der Düsenhalterung 5 und der Düse 4 vorteilhaft.
Figur 13 zeigt eine Düse gemäß einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung, die in den Plasmabrennerkopf nach Figur 8 eingesetzt werden kann. Die Kühlflüssigkeitszulaufnut 4.20 ist mit einer Nut 4.6 verbunden, die sich in Umfangsrichtung über den gesamten Umfang erstreckt. Dies hat den Vorteil, dass die Bohrung für den Kühlflüssigkeitsvorlauf WV und den Kühlflüssigkeitsrücklauf WR im Plasmabrennerkopf nicht um genau 180° versetzt angeordnet sein müssen, sondern auch wie zum Beispiel in Figur 11 dargestellt um 90° versetzt angeordnet sein können. Außerdem ist dies für die Kühlung des Übergangs zwischen der Düsenhalterung 5 und der Düse 4 vorteilhaft. Gleiches kann natürlich auch für eine Kühlflüssigkeitsrücklaufnut 4.22 genutzt werden.
Figur 14 zeigt eine Düsenkappe 2 gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung. Die Düsenkappe 2 weist eine sich im Wesentlichen kegelförmig verjüngende Innenfläche 2.2 auf, die in diesem Fall in einer radialen Ebene 14 Ausnehmungen 2.6 aufweist. Die Ausnehmungen 2.6 sind äquidistant über den Innenumfang angeordnet und im Radialschnitt halbkreisförmig.
Die in den Figuren 15 und 16 gezeigten Düsenkappen gemäß weiteren besonderen Ausführungsformen der Erfindung unterscheiden sich von der in Fig. 14 gezeigten Ausführungsform in der Gestalt der Ausnehmungen 2.6. Die Ausnehmungen 2.6 in Fig. 15 sind in der dort gezeigten Ansicht zur Düsenspitze hin kegelstumpfförmig, wobei in Fig. 16 die kegelstumpfförmige Gestalt etwas abgerundet ist.
Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung werden in sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims

Düse (4) für einen flüssigkeitsgekühlten Plasmabrenner, umfassend eine Düsenbohrung (4.10) für den Austritt eines Plasmagasstrahls an einer Düsenspitze (4.11), einen ersten Abschnitt (4.1), dessen Außenfläche (4.4) im wesentlichen zylindrisch ist, und einen sich daran zur Düsenspitze (4.11) anschließenden zweiten Abschnitt (4.2), dessen Außenfläche (4.5) sich zur Düsenspitze (4.11) hin im wesentlichen kegelförmig verjüngt, wobei a) mindestens eine Flüssigkeitszulaufnut (4.20; 4.21) vorgesehen ist und sich über einen Teil des ersten Abschnitts (4.1) und über den zweiten Abschnitt (4.2) in der Außenfläche (4.5) der Düse (4) zur Düsenspitze (4.11) hin erstreckt und genau eine von der bzw. den Flüssigkeitszulaufnut(en) (4.20; 4.21) separate Flüssigkeitsrücklaufnut (4.22) vorgesehen ist und sich über den zweiten Abschnitt (4.2) erstreckt, oder b) genau eine Flüssigkeitszulaufnut (4.20 oder 4.21) vorgesehen ist und sich über einen Teil des ersten Abschnitts (4.1) und über den zweiten Abschnitt (4.2) in der Außenfläche (4.5) der Düse (4) zur Düsenspitze (4.11) hin erstreckt und mindestens eine von der Flüssigkeitszulaufnut (4.20 oder 4.21) separate Flüssigkeitsrücklaufnut (4.22) vorgesehen ist und sich über den zweiten Abschnitt (4.2) erstreckt.
Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Flüssigkeitsrücklaufnut(en) (4.22) auch über einen Teil des ersten Abschnitts (4.1) in der Außenfläche der Düse (4) erstreckt/erstrecken.
Düse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall a) mindestens zwei Flüssigkeitszulaufnuten (4.20; 4.21) und im Fall b) mindestens zwei Flüssigkeitsrücklaufnuten (4.22) vorgesehen sind.
Düse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelpunkt der Flüssigkeitszulaufnut (4.20) und der Mittelpunkt der Flüssigkeitsrücklaufnut (4.22) um 180° versetzt zueinander über den Umfang der Düse (4) angeordnet sind.
Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall a) die Breite der Flüssigkeitsrücklaufnut und im Fall b) die Breite der Flüssigkeitszulaufnut in Umfangsrichtung im Bereich von 90° bis 270° liegt.
Düse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Fall a) im ersten Abschnitt (4.1) der Düse (4) eine Nut (4.6), die mit der Flüssigkeitszulaufnut (4.20) in Verbindung steht, befindet und dass sich im Fall b) im ersten Abschnitt (4.1) der Düse (4) eine Nut, die mit der Flüssigkeitsrücklaufnut (4.22) in Verbindung steht, befindet, insbesondere dass sich im Fall a) die Nut (4.6) in Umfangsrichtung des ersten Abschnitts (4.1) der Düse (4) über den gesamten Umfang erstreckt oder dass sich im Fall a) die Nut (4.6) in Umfangsrichtung des ersten Abschnitts (4.1) der Düse (4) über einen Winkel im Bereich von 60° bis 300° erstreckt und dass sich im Fall b) die Nut in Umfangsrichtung des ersten Abschnitts (4.1) der Düse (4) über einen Winkel im Bereich von 60° bis 300° erstreckt oder dass sich im Fall a) die Nut (4.6) in Umfangsrichtung des ersten Abschnitts (4.1) der Düse (4) über einen Winkel im Bereich von 90° bis 270° erstreckt und dass sich im Fall b) die Nut in Umfangrichtung des ersten Abschnitts (4.1) der Düse (4) über einen Winkel im Bereich von 90 ° bis 270 ° erstreckt.
Düse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall a) genau zwei Flüssigkeitszulaufnuten (4.20; 4.21) und im Fall b) genau zwei Flüssigkeitsrücklaufnuten (4.22) vorgesehen sind.
Düse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall a) die beiden Flüssigkeitszulaufnuten (4.20; 4.21) über den Umfang der Düse symmetrisch zu einer Geraden angeordnet sind, die sich vom Mittelpunkt der Flüssigkeitsrücklaufnut (4.22) im rechten Winkel durch die Längsachse der Düse (4) erstreckt, und im Fall b) die beiden Flüssigkeitsrücklaufnuten über den Umfang der Düse symmetrisch zu einer Geraden angeordnet sind, die sich vom Mittelpunkt der Flüssigkeitszulaufnut im rechten Winkel durch die Längsachse der Düse (4) erstreckt.
Düse nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall a) die Mittelpunkte der beiden Flüssigkeitszulaufnuten (4.20; 4.21) und im Fall b) die Mittelpunkte der beiden Flüssigkeitsrücklaufnuten um einen Winkel versetzt zueinander über den Umfang der Düse (4) angeordnet sind, der im Bereich von 30° bis 180° liegt.
Düse nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall a) die Breite der Flüssigkeitsrücklaufnut (4.22) und im Fall b) die Breite der Flüssigkeitszulaufnut in Umfangsrichtung im Bereich von 120° bis 270° liegt.
Düse nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall a) die beiden Flüssigkeitszulaufnuten (4.20; 4.21) im ersten Abschnitt (4.1) der Düse (4) miteinander in Verbindung stehen und dass im Fall b) die beiden Flüssigkeitsrücklaufnuten im ersten Abschnitt (4.1) der Düse (4) miteinander in Verbindung stehen.
Düse nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall a) die beiden Flüssigkeitszulaufnuten (4.20; 4.21) im ersten Abschnitt (4.1) der Düse (4) durch eine Nut (4.6) miteinander in Verbindung stehen und dass im Fall b) die beiden Flüssigkeitsrücklaufnuten im ersten Abschnitt (4.1) der Düse (4) durch eine Nut in Verbindung stehen, insbesondere dass die Nut (4.6) im Fall a) über eine der oder beide Flüssigkeitszulaufnuten (4.20; 4.21) hinausgeht und dass im Fall b) die Nut über eine der oder beide Flüssigkeitsrücklaufnuten hinausgeht.
Düsenkappe für einen flüssigkeitsgekühlten Plasmabrenner, wobei die Düsenkappe (2) eine sich im wesentlichen kegelförmig verjüngende Innenfläche (2.2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche (2.2) der Düsenkappe (2) in einer radialen Ebene mindestens zwei, insbesondere genau drei, Ausnehmungen (2.6) aufweist.
Plasmabrennerkopf (1), umfassend:
- eine Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 12,

- eine Düsenhalterung (5) zur Halterung der Düse (4), und

- eine Düsenkappe (2), vorzugsweise nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei die Düsenkappe (2) und die Düse (4) einen Kühlflüssigkeitsraum (10) bilden, der über zwei jeweils um 60° bis 180° versetzte Bohrungen mit einer Kühlflüssigkeitszulaufleitung bzw. Kühlflüssigkeitsrücklaufleitung verbindbar ist, wobei die Düsenhalterung (5) so gestaltet ist, dass die Kühlflüssigkeit nahezu senkrecht zur Längsachse des Plasmabrennerkopfes (1) auf die Düse (4) treffend in den Kühlflüssigkeitsraum (10) und/oder nahezu senkrecht zur Längsachse aus dem Kühlflüssigkeitsraum in die Düsenhalterung gelangt.
Plasmabrennerkopf (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (4) ein oder zwei Kühlflüssigkeitszulaufnut(en) (4.20; 4.21) aufweist, und die Düsenkappe (2) auf ihrer Innenfläche (2.5) mindestens zwei, insbesondere genau drei, Ausnehmungen (2.6), deren zur Düse (4) gewandten Öffnungen sich jeweils über ein Bogenmaß (b₂) erstrecken, aufweist, wobei das Bogenmaß (d₄; e₄) der in Umfangsrichtung an die Kühlflüssigkeitszulaufnut(en) (4.20; 4.21) angrenzenden, gegenüber der bzw. den Kühlflüssigkeitszulaufnut(en) nach außen hervorstehenden Bereiche (4.31; 4.32) der Düse (4) jeweils mindestens genauso groß wie das Bogenmaß (b₂) ist.
Plasmabrennerkopf (1) nach Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Bogenmaß (c2) des Abschnitts zwischen den Ausnehmungen (2.6) der Düsenkappe (2) maximal halb so groß ist wie das minimale Bogenmaß (a4) der Kühlflüssigkeitsrücklaufnut (4.22) oder das minimale Bogenmaß (b4) der Kühlflüssigkeitszulaufnut(en) (4.20) und/oder (4.21) der Düse (4).