EP2663167B1 - Kühlrohr für einen Plasma-Lichtbogenbrenner und Abstandshalter - Google Patents

Kühlrohr für einen Plasma-Lichtbogenbrenner und Abstandshalter Download PDF

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EP2663167B1
EP2663167B1 EP12003596.9A EP12003596A EP2663167B1 EP 2663167 B1 EP2663167 B1 EP 2663167B1 EP 12003596 A EP12003596 A EP 12003596A EP 2663167 B1 EP2663167 B1 EP 2663167B1
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EP
European Patent Office
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cooling pipe
cooling tube
pipe according
spacer
spacing
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EP12003596.9A
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Manfred Hollberg
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Individual
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Publication date
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Priority to EP12003596.9A priority patent/EP2663167B1/de
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Priority to US14/361,882 priority patent/US9661731B2/en
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
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    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/3436—Hollow cathodes with internal coolant flow

Definitions

  • the invention relates to a cooling tube for a plasma arc burner according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a plasma electrode, in which a cooling tube is used.
  • Such a plasma electrode with inserted cooling tube is, for example, with the subject of EP 2 082 622 B1 known.
  • the disclosure therein and the operation of a plasma arc burner are referred to. It is intended to be fully encompassed by the disclosure of the present invention.
  • the cooling tube is exposed to considerable thermal expansion and care must be taken that it does not interrupt the coolant flow when it is being expanded.
  • the EP 2 082 622 B1 to provide the front end of the cooling tube, which sits next to the electrode core holder, with a spacer.
  • the spacer is formed at the bottom of the electrode body as insertable disc or as intersecting rods and is to form a stop surface for the front end of the cooling tube on the electrode body.
  • Another disadvantage is that it is not part of the cooling tube and does not participate in the longitudinal extent of the cooling tube, with the risk that the front end of the cooling tube sealingly seated on the spacer and hereby the flow of coolant is impaired.
  • the invention is therefore based on the object, a plasma electrode for a plasma arc burner of the type mentioned in such a way that an improved spacer for the cooling tube in the interior of the hollow cylindrical electrode body is ensured.
  • the invention is characterized by the technical teaching of claim 1.
  • cooling tube has a spacer on its inner side facing the electrode core holder, which is suitable for abutment with the electrode core holder. Accordingly, all distance-maintaining means are claimed to be essential to the invention, which are suitable for the displacement-limiting installation of the cooling tube on the electrode core holder.
  • the spacer means is no longer part of the hollow cylindrical electrode body, but part of the cooling tube itself.
  • This spacer is installed in the form of, for example, a spacer in the interior of the cooling tube and thus - because it is firmly connected to the cooling tube - takes part in the longitudinal extent of the cooling tube. This was not possible in the prior art.
  • the spacer surfaces are in the invention, on the one hand, the surface of the electrode core holder of the plasma electrode and on the other hand, an inner, central surface of the spacer used in the cooling tube.
  • the cooling tube can be more or less removed from the electrode core holder, due to the longitudinal extent, with the spacer disk used there, without the coolant flow being significantly impaired.
  • the rear end of the cooling tube is received in the electrode in a screw, plug or clamp attachment. Such attachment provides for a firm, nearly displacement-free fit of the cooling tube.
  • cooling tube displaceable in its electrode side Holder is received and has an axial displacement play in the range of 0.1 to 10 mm.
  • cooling tube - even if it undergoes a longitudinal displacement, is always pressed back into its rear, electrode-side holder. This is done by the pressure of the cooling medium acting on the cooling tube and pressure wing arranged on the cooling tube.
  • the spacer is material integral with the cooling tube.
  • the spacer disc is made of the same material as the cooling tube and is manufactured together with the latter in the production of the cooling tube.
  • the cylindrical interior of the cooling pipe is machined only to the front side of the cooling pipe in the vicinity of the shim.
  • the shorter side of the cooling tube forth also takes place in the longitudinal direction of cutting machining of the cooling tube, so finally in the vicinity of the tip of the cooling tube, but from the top set back, a material integral with the cooling tube spacer plate is made by appropriate material processing of the cooling tube.
  • the spacer disk thus produced is characterized by having a plurality of flow openings in the manner of a screen, but that the central central area is formed as a stop surface, which is associated with the electrode core holder side stop surface of the electrode body.
  • the electrode core holder of the plasma electrode is designed to be as narrow as possible in this area in order to still provide a favorable support for the electrode core used there, but on the other hand to ensure a sufficient flow of coolant through the shim through the electrode core holder from the top of the cooling tube out.
  • the spacer disc is not material integral with the material of the cooling tube, but is releasably inserted as a material-separated part in the cooling tube.
  • the spacer plate can be provided with an external thread, which cooperates with an associated internal thread on the inner circumference of the cooling tube, so that the spacer plate can be easily screwed into the interior of the cooling tube.
  • the spacer disc is clipped or engaged as a material-separated part in the inside of the cooling tube.
  • this second embodiment provides that the shim is releasably connected to the cooling tube.
  • It can for example consist of plastic or a plastic-metal composite.
  • the spacer may also be provided with an external thread and is screwed into an associated stop surface in the interior of the cooling tube. Finally, in the interior of the cooling tube and an undercut groove may be incorporated, in which the spacer plate is engaged.
  • first feature of the invention spacer in the interior of a cooling tube refers to the fact that regardless of the temperature-induced change in length of the cooling tube is always ensured by a spacer plate connected to the cooling tube, that an uninfluenced by temperature changes coolant flow is passed over the electrode core holder.
  • pressure vanes are arranged, which are connected to the outer periphery of the cooling tube.
  • the cooling tube is always always pressed backwards in his electrode-side bracket and the front, the stop on the Electrode core holder serving spacer plate is lifted from the electrode core holder and remains at a certain distance from this electrode core holder.
  • the coolant also flows via the end face of the electrode core holder, because the spacer disk occupies a specific gap with respect to this end face of the electrode core holder and thus allows an optimized coolant flow via the electrode core holder.
  • the arranged in the return channel pressure vanes that are either material ein Committeeig or releasably connected to the outer circumference of the cooling tube may be straight, so with their wing surfaces are perpendicular to the coolant flow, so that an additional circular vortex flow is avoided in the return cooling channel.
  • the pressure vanes are still bevelled with respect to the longitudinal axis of the coolant flow, the cooling medium flowing back in the return flows spirally downstream of the pressure vanes in the direction of the coolant outlet, whereby in addition to the straight force component generated in the axial direction of the cooling tube, a rotating (Circular) force component is generated on the cooling tube.
  • the direction of rotation of this force component is preferably directed so that a possible threaded screw connection between the cooling tube and the electrode body in the sense of solidification is additionally biased in the direction of rotation. It thus comes to an axial and a radial Preload the Gewindeschraubharm between the electrode body and the cooling tube.
  • this threaded connection is additionally biased to rotate in the fixed direction, whereby an additional backup of this threaded connection takes place.
  • the pressure vanes are not only bevelled, but also generate in the manner of propellers a downstream of the pressure vanes vortex flow of the cooling medium, whereby the cooling medium spiral or helically around the outer periphery of the Cooling tube is passed, and here on the one hand, the cooling tube - as previously stated - receives an additional torque component and the returning coolant flow still receives a twist that accomplished accelerated discharge of the coolant flow from the coolant outlet.
  • FIG. 1 In general, a plasma electrode for a plasma arc torch is shown, wherein an approximately hollow cylindrical electrode body 1 in the region of a flange 3 carries seals 2, with which it is sealingly inserted into a housing not shown in detail.
  • seals 2 With which it is sealingly inserted into a housing not shown in detail.
  • the exact type of attachment results from the EP 2 082 622 B ,
  • the electrode body 1 has according to FIG. 4 a central inner bore 28 and forms on its front side an approximately cylindrical electrode core holder 12, which is material integral with the rest of the material.
  • an electrode core 11 is used, the z. B. hafnium consists.
  • the electrode core 11 extends through the entire electrode core holder 12, while in the embodiment according to FIG. 4 the electrode core 11 is shorter.
  • the electrode core holder 12 is as narrow as possible in its cross-section and otherwise cylindrical in order to allow a good flow of the cooling medium over its surfaces, as in FIG. 1 is shown.
  • the rear end of the electrode core holder 12 forms according to FIG. 4 an end-face abutment surface 26 for a spacer means, which is installed in the cooling tube 4.
  • the cooling tube 4 in turn consists of a hollow cylindrical metal or plastic body, in whose inner bore 34 (s. FIG. 3 ) a cooling channel 9 is provided for the flow of a cooling medium, which flows in the direction of arrow 10 in the inner bore 34.
  • the cooling tube 4 has at its rear end a screw thread 7 and also a seal with a seal 6, which is arranged in the region of a flange 5.
  • the seal with the seal 6 takes place in a manner not shown in such a way that flows in the direction of arrow 17 from the return 8 serving cooling channel in an associated outlet 18 and is removed there.
  • a plug connection can also be provided.
  • a spacer plate 13 is arranged, which in the illustrated embodiment according to FIG. 1 material integral with the material of the cooling tube 4 is formed. It is made in the machining of the cooling tube together with this.
  • the shim 13 is in FIG. 2 shown in plan view. It consists essentially of a center cross 19, which is material integral with the material of the cooling tube 4 and consists of a plurality of manufacturized materials 14, which are arranged in the space between the intersecting beams of the center cross 19.
  • the center cross 19 forms a centric abutment surface 20 which corresponds to the abutment surface 26 of the electrode core holder 12 FIG. 4 assigned.
  • each quadrant of the center cross limiting flow recesses 14 and individual flow holes may be provided, which consist of one or more holes per quadrant.
  • the flow conditions are in FIG. 3 shown in more detail.
  • the cooling medium is deflected in the direction of arrow 21 and flows back on the outer circumference of the cooling tube 4 in the direction of arrow 22 and in this case approximately two-thirds of the length of the cooling tube strikes pressure wing 23 arranged there.
  • pressure vanes 23 are arranged uniformly distributed on the circumference of the cooling tube and lie in the cooling channel 8, thus directed in the longitudinal direction of the cooling tube to the rear, against the screw fastening 7 directed pressure force 25 on this erbefest Trent.
  • FIG. 3 shows as a modified embodiment the case in which the pressure vanes 23 are not formed as straight lugs, but bevelled lie in the cooling channel 8.
  • bevel a spiral vortex flow is generated downstream of the pressure vanes 23, whereby an additional rotational component is exerted on the cooling tube 4 and this rotation component is directed so that the screw connection is solidified with the screw thread 7.
  • FIG. 6 shows the front view of the pressure wings 23 a just formed, which accordingly only a straight, axially directed pressure force 25 in the in FIG. 3 drawn arrow direction in the direction of the rear screw with the screw thread 7 generate.
  • FIG. 5 shows that pressure vanes 23, 23, 23b, 23c, 23 d of any kind can also be arranged on the outer circumference of a ring 36.
  • the ring 36 may be formed as a plug-in ring, which can be plugged or snapped onto the outer circumference of the cooling tube 4.
  • the FIG. 8 show another embodiment of the ring 36 which is provided with an internal thread 37 which can be screwed onto an associated external thread on the cooling tube 4.
  • FIG. 9 shows as a further embodiment propeller-shaped pressure vanes 23b, which reinforce the turbulent flow 24 and generate a directed in the closing direction of torque 30 to the screw with the screw thread 7.
  • the electrode body 1 in turn carries a ringbefest Trent 29 at its rear end, with which it is sealingly screwed into an associated housing part of the plasma arc burner. Instead, a plug or clamp connection may be present.
  • FIGS. 10 and 11 show a releasable attachment of the spacer plate 13, wherein uniformly distributed around the circumference individual spacer nubs 32 are formed by material displacement of the material of the cooling tube, and at a distance thereof further locking nubs 33, z. B. as three evenly distributed on the circumference arranged locking nubs, may be formed, resulting in a locking receptacle between the nubs 32, 33 results in the engagement of an inserted in the direction of arrow 31 shim 13.
  • FIG. 11 shows as a modified embodiment that instead of the stop nubs 32, 33 at the same location an internal thread in the cooling tube can be arranged and the spacer plate 13 has a thread 35 on the outer circumference, so that the spacer easily with a suitable tool with its external thread into the internal thread of the cooling tube can be screwed in and fixed there.
  • spacer disc 13 can also be clipped into an undercut groove machined on the inner circumference of the cooling tube or screwed into an internal thread machined there.
  • FIGS. 12 and 13 is a section through the front end of the cooling tube at the level of FIG. 10 shown spacer 13 is shown.
  • the FIG. 12 shows that the spacer plate 13 in its simplest form can also be formed as a transversely passing through the bore of the cooling tube wire or rod 13a.
  • the wire or rod 13 a is in mutually aligned holes 38 used in the cooling tube 4, soldered or pressed.
  • the rod or wire 13a may be made of plastic or metal.
  • FIG. 13 shows that several, intersecting wires or rods 13a may be inserted in the inner bore.
  • the said parts can also be engaged in an undercut groove on the inner circumference of the cooling tube. They can also be connected to each other in the middle region and form a cross, which is locked or clamped in the undercut groove.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kühlrohr für einen Plasma-Lichtbogenbrenner nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Plasma-Elektrode, in die ein Kühlrohr eingesetzt ist.
  • Eine solche Plasma-Elektrode mit eingesetztem Kühlrohr ist beispielsweise mit dem Gegenstand der EP 2 082 622 B1 bekannt geworden. Auf die dortige Offenbarung und die Funktionsweise eines Plasma-Lichtbogenbrenners wird Bezug genommen. Sie soll vollumfänglich von der Offenbarung der vorliegenden Erfindung umfasst sein.
  • Beim Betrieb von Plasma-Lichtbogenbrennern besteht das Problem, dass der an der Vorderseite des Elektrodenkörpers in einem Elektrodenkernhalter angeordnete Elektrodenkern einer bis zu 1500 °C erreichenden Arbeitstemperatur ausgesetzt ist. Aus diesem Grund muss der Elektrodenkörper der Plasma-Elektrode ausreichend gekühlt werden. Dies wird nach dem Gegenstand der EP 2 082 622 B1 dadurch bewerkstelligt, dass in die als hohlzylindrischer Elektrodenkörper ausgebildete Plasma-Elektrode ein ebenfalls hohlzylindrisches Kühlrohr eingesetzt ist, das im Vor- und Rücklauf von einem Kühlmittelstrom durchflossen ist. Der Kühlmittelstrom wird durch die zentrale Innenbohrung des Kühlrohres nach vorne in Richtung auf den Elektrodenkernhalter des Elektrodenkörpers geleitet, wo er am Grund des Elektrodenkörpers umgelenkt wird und an der Außenseite des Kühlrohres und am Innenumfang des Elektrodenkörpers wieder zurückfließt.
  • Das Kühlrohr ist einer beträchtlichen Wärmeausdehnung ausgesetzt, und es muss dafür gesorgt werden, dass es nicht bei seiner Wärmeausdehnung den Kühlmittelstrom unterbricht. Zu diesem Zweck schlägt die EP 2 082 622 B1 vor, die vordere Stirnseite des Kühlrohres, die nächst dem Elektrodenkernhalter sitzt, mit einem Abstandshalter zu versehen.
  • Der Abstandshalter ist am Grund des Elektrodenkörpers als einlegbare Scheibe oder als sich kreuzende Stäbe ausgebildet und soll eine Anschlagfläche für das vordere Ende des Kühlrohres am Elektrodenkörper ausbilden.
  • Nachteil dieses bekannten Abstandshalters ist jedoch, dass er als gesondertes Teil in den Elektrodenkörper eingelegt oder eingepresst werden muss, was mit erhöhtem Aufwand verbunden ist.
  • Weiterer Nachteil ist, dass er nicht Teil des Kühlrohres ist und nicht an der Längenausdehnung des Kühlrohrs teilnimmt, womit die Gefahr besteht, dass das vordere Ende des Kühlrohres abdichtend auf dem Abstandshalter aufsitzt und hiermit der Kühlmittelstrom beeinträchtigt ist.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Plasma-Elektrode für einen Plasma-Lichtbogenbrenner der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass eine verbesserte Abstandshalterung für das Kühlrohr im Innenraum des hohlzylindrischen Elektrodenkörpers gewährleistet ist.
  • Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruches 1 gekennzeichnet.
  • Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass das Kühlrohr an seiner dem Elektrodenkernhalter zugewandten Innenseite einen Abstandshalter aufweist, der zur Anlage am Elektrodenkernhalter geeignet ist. Es werden demnach sämtliche abstandshaltenden Mittel als erfindungswesentlich beansprucht, die zur verschiebungsbegrenzenden Anlage des Kühlrohrs am Elektrodenkernhalter geeignet sind.
  • Mit der gegebenen technischen Lehre wird ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem in der EP 2 082 622 B1 gezeigten Stand der Technik erreicht, denn erfindungsgemäß ist das abstandshaltende Mittel nicht mehr Teil des hohlzylindrischen Elektrodenkörpers, sondern Teil des Kühlrohres selbst.
  • Dieser Abstandshalter ist in Form von zum Beispiel einer Abstandsscheibe im Innenraum des Kühlrohres eingebaut und nimmt somit - weil sie fest mit dem Kühlrohr verbunden ist - an der Längenausdehnung des Kühlrohrs teil. Dies war beim Stand der Technik nicht möglich.
  • Aus diesem Grund wird für einen ständig gleichbleibenden Kühlmitteldurchfluss durch das Kühlrohr gesorgt, unabhängig von der sich stark verändernden Längenausdehnung des Kühlrohres, welches mit seiner vorderen Stirnseite einmal mehr und einmal weniger in Richtung auf den Grund des hohlzylindrischen Elektrodenkörpers gerichtet ist. Wenn dort - wie beim Stand der Technik - eine feste Abstandsscheibe angeordnet ist, führt dies zur Beeinträchtigung des Kühlmittelstroms. Dies wird bei der Erfindung vermieden.
  • Die abstandshaltenden Flächen sind bei der Erfindung einerseits die Fläche des Elektrodenkernhalters der Plasma-Elektrode und andererseits eine innere, zentrale Fläche der in das Kühlrohr eingesetzten Abstandsscheibe.
  • Das Kühlrohr kann sich mit der dort eingesetzten Abstandsscheibe mehr oder weniger von dem Elektrodenkernhalter, bedingt durch die Längenausdehnung, entfernen, ohne dass der Kühlmittelstrom wesentlich beeinträchtigt wird.
    Bei dieser Ausführungsform wird vorausgesetzt, dass das hintere Ende des Kühlrohrs in der Elektrode in einer Schraub-, Steck- oder Klemmbefestigung aufgenommen ist. Eine solche Befestigung sorgt für einen festen, annährend verschiebungsfreien Sitz des Kühlrohrs.
  • In einer anderen Ausführung der Erfindung wird durch die erfindungsgemäße Abstandsscheibe nicht das durch die thermische Längenänderung gegebene Ausdehnungsspiel des einseitig fest eingespannten Kühlrohrs begrenzt. Hier ist vorgesehen, dass das Kühlrohr verschiebbar in seiner elektrodenseitigen Halterung aufgenommen ist und ein axiales Verschiebungsspiel im Bereich von 0,1 bis 10 mm aufweist.
  • Bei einem solchen verschiebbar gelagerten Kühlrohr besteht noch im größeren Maße das Problem, dass eine axiale Verschiebung in Richtung auf den Elektrodenkernhalter (in Richtung zur Spitze hin) zu einer Beeinträchtigung des Kühlmittelflusses führt. Aus diesem Grund ist die kühlrohrseitige Abstandsscheibe oder der dort angeordnete Abstandshalter wichtig, um die Längsausdehnung des Kühlrohres in axialer Richtung nach vorne zu begrenzen.
  • Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird noch zusätzlich - oder in Alleinstellung - vorgeschlagen, dass das Kühlrohr - auch wenn es in eine Längsverschiebung erfährt, stets in seine hintere, elektrodenseitige Halterung zurück gedrückt wird. Dies erfolgt durch den Druck des auf das Kühlrohr wirkenden Kühlmediums und am Kühlrohr angeordnete Druckflügel.
  • Zur Begrenzung des vorderseitigen Bewegungsspiels des Kühlrohrs ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung nach einer ersten Ausführungsform vorgesehen, dass die Abstandsscheibe werkstoffeinstückig mit dem Kühlrohr verbunden ist. Dies bedeutet, dass die Abstandsscheibe aus dem gleichen Material wie das Kühlrohr gebildet ist und bei der Herstellung des Kühlrohres mit diesem zusammen hergestellt wird.
  • Wenn das Kühlrohr beispielsweise durch Bohren aus einem stangenförmigen Metallmaterial hergestellt wird, wird der zylindrische Innenraum des Kühlrohres nur bis zur vorderen Seite des Kühlrohres in der Nähe der Abstandsscheibe bearbeitet.
  • Von der anderen, der kürzeren Seite des Kühlrohres her, erfolgt gleichfalls eine in Längsrichtung gehende spanabhebende Bearbeitung des Kühlrohres, sodass schließlich in der Nähe der Spitze des Kühlrohres, jedoch von der Spitze zurückversetzt, eine mit dem Kühlrohr werkstoffeinstückige Abstandsscheibe durch entsprechende Materialbearbeitung des Kühlrohres hergestellt wird.
  • Die so hergestellte Abstandsscheibe zeichnet sich dadurch aus, dass sie in der Art eines Siebes eine Vielzahl von Durchflussöffnungen aufweist, dass aber der mittlere, zentrale Bereich als Anschlagfläche ausgebildet ist, die der elektrodenkernhalter-seitigen Anschlagfläche des Elektrodenkörpers zugeordnet ist.
  • Der Elektrodenkernhalter der Plasma-Elektrode ist in diesem Bereich möglichst schmal ausgebildet, um noch eine günstige Halterung für den dort eingesetzten Elektrodenkern zu bieten, aber andererseits einen genügenden Kühlmittelfluss durch die Abstandsscheibe hindurch am Elektrodenkernhalter vorbei aus der Spitze des Kühlrohres heraus zu gewährleisten.
  • Auf diese Weise wird eine optimale Umströmung des gesamten Elektrodenkernhalters und des dort auf eine Betriebstemperatur über 1000 °C aufgeheizten Elektrodenkern gewährleistet.
  • In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Abstandsscheibe nicht werkstoffeinstückig mit dem Material des Kühlrohrs verbunden ist, sondern als werkstoff-getrenntes Teil in das Kühlrohr lösbar eingesetzt ist.
  • Die Abstandsscheibe kann hierbei mit einem Außengewinde versehen werden, welches mit einem zugeordneten Innengewinde am Innenumfang des Kühlrohres zusammenwirkt, sodass die Abstandsscheibe einfach in den Innenraum des Kühlrohres eingeschraubt werden kann.
  • In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann es auch vorgesehen sein, dass die Abstandsscheibe als werkstoff-getrenntes Teil in die Innenseite des Kühlrohres eingeklipst oder eingerastet wird.
  • Auf jeden Fall sieht diese zweite Ausführungsform vor, dass die Abstandsscheibe lösbar mit dem Kühlrohr verbunden ist.
  • Dies sorgt für eine leichte Auswechselbarkeit der Abstandsscheibe und dafür, dass die Abstandsscheibe auch aus einem anderen Material gefertigt werden kann als vergleichsweise das Kühlrohr selbst.
  • Sie kann beispielsweise aus Kunststoff oder einem Kunststoff-Metall-Verbund bestehen.
  • Die Abstandscheibe kann auch mit einem Außengewinde versehen sein und wird in eine zugeordnete Anschlagfläche im Innenraum des Kühlrohrs eingeschraubt. Schließlich kann im Innenraum des Kühlrohrs auch eine hinterschnittene Nut eingearbeitet sein, in welche die Abstandsscheibe eingeraste wird.
  • Das vorstehend geschilderte, erste Merkmal der Erfindung (Abstandsscheibe im Innenraum eines Kühlrohrs) bezieht sich darauf, dass unabhängig von der temperaturbedingten Längenänderung des Kühlrohres stets durch eine mit dem Kühlrohr verbundene Abstandsscheibe gesorgt wird, dass ein von Temperaturänderungen unbeeinflusster Kühlmittelstrom über den Elektrodenkernhalter geführt wird.
  • Zur Erfüllung dieser Aufgabe dient ein zweites Merkmal der Erfindung, welches in Alleinstellung, aber auch in Kombination mit dem erstgenannten Merkmal, Schutz genießen soll.
  • Dieses zweite Merkmal wird nachfolgend ausführlich beschrieben:
    • Es hat sich herausgestellt, dass eine optimale Führung des Kühlmittelstromes - unabhängig von temperaturbedingten Längenänderungen des Kühlrohres - dann erfolgt, wenn die Abstandsscheibe nicht abstandshaltend an der vorderen Stirnfläche des Elektrodenkernhalters der Plasma-Elektrode anliegt.
  • Es sollte also möglichst dafür gesorgt werden, dass das Kühlrohr nach hinten in Richtung auf seine hintere Halterung zurückgezogen bleibt und die Abstandsscheibe nur im Bedarfsfall mit ihrer Anschlagfläche an der zugeordneten, gegenüberliegenden Anschlagfläche des Elektrodenkernhalters zur Anlage kommt.
  • Um dies zu erreichen, kann z.B. eine selbsttätige Rückzugkraft auf das Kühlrohr wirken, welche Rückzugkraft - in Richtung auf die rückseitige Halterung des Kühlrohrs - durch den Kühlmittelstrom selbst ausgeübt wird.
  • Es ist z.B. vorgesehen, dass im Rücklaufkanal, der am Außenumfang des Kühlrohres und am Innenumfang der hohlzylindrischen Bohrung des Elektrodenkörpers gebildet ist, Druckflügel angeordnet sind, die mit dem Außenumfang des Kühlrohres verbunden sind.
  • Weil diese Druckflügel im Rücklaufkanal liegen, werden sie von dem zurücklaufenden Kühlmedium beströmt und drücken das Kühlrohr in Richtung seiner Längsachse gegen seine hintere, elektrodenseitige Befestigung, die als Schraub- oder Steckbefestigung ausgebildet sein kann.
  • Damit wird ein eventuelles axiales Spiel in der Schraub- oder Steckbefestigung zwischen dem Kühlrohr und dem Elektrodenkörper aufgehoben, weil das Kühlrohr bedingt durch den Druck des Kühlmediums und durch die im Rücklaufkanal angeordneten Druckflügel stets mit einer gleichbleibenden Vorspannungskraft in seiner elektrodenseitigen Halterung gepresst wird.
  • Damit wird das Kühlrohr immer stets nach hinten in seine elektrodenseitige Halterung gedrückt und die vordere, dem Anschlag an dem Elektrodenkernhalter dienende Abstandsscheibe wird von dem Elektrodenkernhalter abgehoben und bleibt in einem bestimmten Abstand von diesem Elektrodenkernhalter.
  • Durch diese Abstandsbildung fließt das Kühlmittel auch über die Stirnseite des Elektrodenkernhalters, weil die Abstandsscheibe einen bestimmten Spalt zu dieser Stirnseite des Elektrodenkernhalters einnimmt und somit einen optimierten Kühlmittelstrom über den Elektrodenkernhalter erlaubt.
  • Die im Rücklaufkanal angeordneten Druckflügel, die entweder werkstoffeinstückig oder lösbar mit dem Außenumfang des Kühlrohrs verbunden sind, können gerade ausgebildet sein, also mit ihren Flügelflächen senkrecht im Kühlmittelstrom liegen, sodass eine zusätzliche zirkulare Wirbelströmung im Rücklauf-Kühlkanal vermieden wird.
  • In diesem Fall wird auch eine gerade, in Längsrichtung auf das Kühlrohr gegen die Befestigung des Kühlrohrs im Elektrodenkörper gerichtete Kraftkomponente auf das Kühlrohr erzeugt. Damit wird die Gewindeschraubverbindung in axialer Richtung vorgespannt.
  • Wenn hingegen in einer Weiterbildung dieser Ausführungsform die Druckflügel noch angeschrägt bezüglich der Längsachse der Kühlmittelströmung sind, strömt das im Rücklauf zurückströmende Kühlmedium spiralförmig stromabwärts der Druckflügel in Richtung auf den Kühlmittelauslass zurück, wodurch neben der geraden, in axialer Richtung des Kühlrohres erzeugten Kraftkomponente noch eine drehende (zirkulare) Kraftkomponente auf das Kühlrohr erzeugt wird.
  • Die Drehrichtung dieser Kraftkomponente ist bevorzugt so gerichtet, dass eine eventuelle Gewindeschraubverbindung zwischen dem Kühlrohr und dem Elektrodenkörper im Sinne einer Verfestigung noch zusätzlich in Drehrichtung vorgespannt wird. Es kommt somit zu einer axialen und einer radialen Vorspannung der Gewindeschraubverbindung zwischen dem Elektrodenkörper und dem Kühlrohr.
  • Damit wird einerseits jegliches Spiel aus dieser Gewindeschraubverbindung entfernt, und andererseits wird diese Gewindeschraubverbindung noch zusätzlich in Festdrehrichtung drehend vorgespannt, wodurch noch eine zusätzliche Sicherung dieser Gewindeschraubverbindung erfolgt.
  • Bei solchen, in Strömungsrichtung des Rücklaufkanals angeschrägten Druckflügeln kann es auch vorgesehen sein, dass die Druckflügel nicht nur angeschrägt sind, sondern auch in der Art von Propellern eine stromabwärts der Druckflügel entstehende Wirbelströmung des Kühlmediums erzeugen, wodurch das Kühlmedium spiralförmig oder schraubenförmig um den Außenumfang des Kühlrohres geleitet wird, und hier einerseits das Kühlrohr - wie vorher angegeben - eine zusätzliche Drehkraft-Komponente erhält und der zurückströmende Kühlmittelstrom noch einen Drall erhält, der eine beschleunigte Abführung des Kühlmittelstromes aus dem Kühlmittelauslauf bewerkstelligt.
  • Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
  • Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von mehrere Ausführungswege darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
  • Es zeigen:
    • Figur 1: Längsschnitt durch eine Plasma-Elektrode für einen Plasma-Lichtbogenbrenner in einer ersten Ausführungsform eines Kühlrohres
    • Figur 2: die Stirnansicht auf das in Figur 1 im Schnitt dargestellte Kühlrohr mit Abstandsscheibe
    • Figur 3: der Schnitt durch das Kühlrohr nach Figur 1 in einer abgewandelten Ausführungsform mit Darstellung weiterer Funktionen
    • Figur 4: ein Schnitt durch den Elektrodenkörper gemäß Figur 1 in einer abgewandelten Ausführungsform
    • Figur 5: eine perspektivische Ansicht eines Rings mit Druckflügeln
    • Figur 6: die Stirnansicht auf das Kühlrohr in Höhe der in Figur 3 dargestellten Druckflügel
    • Figur 7: eine gegenüber Figur 5 abgewandelte Ausführungsform von Druckflügeln
    • Figur 8: eine perspektivische Darstellung eines Schraubrings mit Druckflügeln
    • Figur 9: eine gegenüber den Figuren 5 und 6 abgewandelte Ausführungsform von Druckflügeln in der Art von Propellerflügeln
    • Figur 10: eine gegenüber Figur 3 abgewandelte Ausführungsform eines Kühlrohres mit einer lösbar eingesetzten Abstandsscheibe
    • Figur 11: perspektivische Darstellung der in Figur 8 lösbar eingesetzten Abstandsscheibe
    • Fig. 12: ein Schnitt durch das vordere Ende des Kühlrohrs mit Darstellung eines Drahtes oder Stabes als Ersatz für die Abstandsscheibe
    • Figur 13: ein Schnitt durch das vordere Ende des Kühlrohrs mit Darstellung mehrerer Drähte oder Stäbe als Ersatz für die Abstandsscheibe
  • In Figur 1 ist allgemein eine Plasma-Elektrode für einen Plasma-Lichtbogenbrenner dargestellt, wobei ein etwa hohlzylindrischer Elektrodenkörper 1 im Bereich eines Flansches 3 Dichtungen 2 trägt, mit denen er abdichtend in ein nicht näher dargestelltes Gehäuse eingesteckt ist. Die genaue Art der Befestigung ergibt sich aus der EP 2 082 622 B .
  • Der Elektrodenkörper 1 weist gemäß Figur 4 eine zentrische Innenbohrung 28 auf und bildet an seiner vorderen Seite einen etwa zylinderförmigen Elektrodenkernhalter 12, der werkstoffeinstückig mit dem übrigen Material verbunden ist.
  • Im Elektrodenkernhalter 12 ist ein Elektrodenkern 11 eingesetzt, der z. B. aus Hafnium besteht. Im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 erstreckt sich der Elektrodenkern 11 durch den gesamten Elektrodenkernhalter 12 hindurch, während im Ausführungsbeispiel nach Figur 4 der Elektrodenkern 11 kürzer ausgebildet ist.
  • Wichtig ist bei beiden Ausführungen nach Figur 1 und 4, dass der Elektrodenkernhalter 12 möglichst in seinem Querschnitt schmal ausgebildet ist und im Übrigen zylindrisch, um einen guten Fluss des Kühlmediums über seine Oberflächen zu gestatten, wie dies in Figur 1 dargestellt ist.
  • Das hintere Ende des Elektrodenkernhalters 12 bildet gemäß Figur 4 eine stirnseitige Anschlagfläche 26 für ein abstandshaltendes Mittel, welches im Kühlrohr 4 eingebaut ist.
  • Das Kühlrohr 4 besteht wiederum aus einem hohlzylindrischen Metall- oder Kunststoffkörper, in dessen Innenbohrung 34 (s. Figur 3) ein Kühlkanal 9 für den Durchfluss eines Kühlmediums vorgesehen ist, welches in Pfeilrichtung 10 in die Innenbohrung 34 einströmt.
  • Das Kühlrohr 4 weist an seinem hinteren Ende ein Schraubgewinde 7 auf und ferner eine Abdichtung mit einer Dichtung 6, die im Bereich eines Flansches 5 angeordnet ist.
  • Die Abdichtung mit der Dichtung 6 erfolgt in nicht näher dargestellter Weise dergestalt, dass ein in Pfeilrichtung 17 aus dem dem Rücklauf 8 dienenden Kühlkanal in einen zugeordneten Auslauf 18 einströmt und dort entnommen wird. Statt einer Schraubverbindung kann auch eine Steckverbindung vorgesehen sein.
  • Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass im Innenraum des Kühlrohres 4, im axialen Abstand von der vordersten Spitze 16, eine Abstandsscheibe 13 angeordnet ist, die im gezeigten Ausführungsbeispiel nach Figur 1 werkstoffeinstückig mit dem Material des Kühlrohres 4 ausgebildet ist. Sie wird bei der spanabhebenden Bearbeitung des Kühlrohres zusammen mit diesem hergestellt.
  • Die Abstandsscheibe 13 ist in Figur 2 in Draufsicht dargestellt. Sie besteht im Wesentlichen aus einem Mittenkreuz 19, welches werkstoffeinstückig mit dem Material des Kühlrohres 4 verbunden ist und aus einer Vielzahl von Durchflussausnehmungen 14 besteht, die im Zwischenraum zwischen den sich kreuzenden Balken des Mittenkreuzes 19 angeordnet sind.
  • Das Mittenkreuz 19 bildet eine zentrische Anschlagfläche 20, die der Anschlagfläche 26 des Elektrodenkernhalters 12 gemäß Figur 4 zugeordnet ist.
  • Statt der jeden Quadranten des Mittenkreuzes begrenzenden Durchflussausnehmungen 14 können auch einzelne Durchflußbohrungen vorgesehen sein, die pro Quadrant aus einer oder mehreren Bohrungen bestehen..
  • Das in Pfeilrichtung 10 in den Vorlauf-Kühlkanal 9 einströmende Kühlmedium durchfließt demgemäß die Durchflussausnehmungen 14 in der Abstandsscheibe 13 und wird am vorderen Ende des Elektrodenkörpers 1 im Bereich einer Umkehrstrecke 15 umgeleitet und strömt dann am Außenumfang des Kühlrohres 3 über den dort angeordneten Kühlkanal 8 als Rücklauf wieder in Pfeilrichtung 17 zurück.
  • Die Strömungsverhältnisse sind in Figur 3 näher dargestellt.
  • Hierbei ist erkennbar, dass in der Umkehrstrecke 15 das Kühlmedium in Pfeilrichtung 21 umgelenkt wird und am Außenumfang des Kühlrohres 4 in Pfeilrichtung 22 zurückströmt und hierbei etwa nach 2/3 der Länge des Kühlrohres auf dort angeordneten Druckflügel 23 trifft.
  • Weil diese Druckflügel 23 gleichmäßig verteilt am Umfang des Kühlrohres angeordnet sind und im Kühlkanal 8 liegen, wird somit eine in Längsrichtung des Kühlrohres nach hinten, gegen dessen Schraubbefestigung 7 gerichtete Druckkraft 25 auf diese Schraubbefestigung ausgeübt. Es können ein, zwei oder mehrere Druckflügel vorhanden sein.
  • Die Figur 3 zeigt als abgewandeltes Ausführungsbeispiel den Fall, bei dem die Druckflügel 23 nicht als gerade Ansätze ausgebildet sind, sondern angeschrägt im Kühlkanal 8 liegen. Durch diese Anschrägung wird eine spiralförmige Wirbelströmung stromabwärts der Druckflügel 23 erzeugt, wodurch eine zusätzliche Rotationskomponente auf das Kühlrohr 4 ausgeübt wird und diese Rotationskomponente so gerichtet ist, dass die Schraubverbindung mit dem Schraubgewinde 7 verfestigt wird.
  • Die Figur 6 zeigt die Stirnansicht der gerade ausgebildeten Druckflügel 23a, die demgemäß nur eine gerade, axial gerichtete Druckkraft 25 in der in Figur 3 eingezeichneten Pfeilrichtung in Richtung auf die hintere Schraubverbindung mit dem Schraubgewinde 7 erzeugen.
  • Wenn hingegen in Figur 7 die Druckflügel 23a angeschrägt sind, wird eine Wirbelströmung 24 gemäß Figur 3 erzeugt.
  • Die Figur 5 zeigt, dass Druckflügel 23, 23, 23b, 23c, 23 d jeglicher Art auch am Außenumfang eines Rings 36 angeordnet sein können. Der Ring 36 kann als Steckring ausgebildet sein, der auf den Außenumfang des Kühlrohrs 4 aufgesteckt oder aufgerastet werden kann. Die Figur 8 zeig eine andere Ausführung des Rings 36, der mit einem Innengewinde 37 versehen ist, welches auf ein zugeordnetes Außengewinde auf dem Kühlrohr 4 aufgeschraubt werden kann.
  • Die Figur 9 zeigt als weitere Ausführungsform propellerförmige Druckflügel 23b, welche die Wirbelströmung 24 noch verstärken und ein in Schließrichtung gerichtetes Drehmoment 30 auf die Schraubverbindung mit dem Schraubgewinde 7 erzeugen.
  • In Figur 4 ist noch dargestellt, dass der Elektrodenkörper 1 seinerseits eine Schraubbefestigung 29 an seinem hinteren Ende trägt, mit dem er abdichtend in ein zugeordnetes Gehäuseteil des Plasma-Lichtbogenbrenners eingeschraubt ist. Stattdessen kann auch eine Steck- oder Klemmverbindung vorhanden sein.
  • Am Bohrungsgrund 27 des Elektrodenkörpers 1 wird somit die Umkehrstrecke 15 ausgebildet.
  • Die Figuren 10 und 11 zeigen eine lösbare Befestigung der Abstandsscheibe 13, wobei gleichmäßig am Umfang verteilt einzelne Abstandsnoppen 32 durch Materialverdrängung aus dem Material des Kühlrohres ausgebildet werden, und im Abstand davon weitere Rastnoppen 33, z. B. als drei gleichmäßig am Umfang verteilt angeordnete Rastnoppen, ausgebildet sein können, wodurch sich eine Rastaufnahme zwischen den Noppen 32, 33 für das Einrasten einer in Pfeilrichtung 31 eingeschobenen Abstandsscheibe 13 ergibt.
  • Die Figur 11 zeigt als abgewandelte Ausführungsform, dass statt der Anschlagnoppen 32, 33 an der gleichen Stelle ein Innengewinde im Kühlrohr angeordnet sein kann und die Abstandsscheibe 13 ein Gewinde 35 am Außenumfang aufweist, sodass die Abstandsscheibe einfach mit einem geeigneten Werkzeug mit ihrem Außengewinde in das Innengewinde des Kühlrohres eingeschraubt werden kann und dort festgelegt ist.
  • Es ist nicht zeichnerisch dargestellt, dass die Abstandsscheibe 13 auch in eine am Innenumfang des Kühlrohrs eingearbeitete hinterschnittene Nut eingeklipst oder in ein dort eingearbeitetes Innengewinde eingeschraubt werden kann.
  • Ebenso ist es möglich, eine Schulter verringerten Durchmessers am Innenumfang des Kühlrohrs einzuarbeiten und die Abstandsscheibe 13 mit ihrem Außenumfang an dieser Schulter in axialer Richtung zur Anlage zu bringen. Der Sitz der Abstandsscheibe 13 an dieser Schulter kann dann durch einen in den Innenumfang eingeschraubten Schraubring oder durch einen Sprengring gesichert werden, der in einer Nut eingerastet wird, die in axialer Richtung vor der die Abstandsscheibe haltenden Schulter angeordnet ist.
  • In den Figuren 12 und 13 ist ein Schnitt durch das vordere Ende des Kühlrohrs in Höhe der in Figur 10 dargestellten Abstandsscheibe 13 dargestellt. Die Figur 12 zeigt, dass die Abstandsscheibe 13 in ihrer einfachsten Form auch als quer die Bohrung des Kühlrohrs durchsetzender Draht oder Stab 13a ausgebildet sein kann. Der Draht oder Stab 13 a ist in zueinander fluchtenden Bohrungen 38 im Kühlrohr 4 eingesetzt, eingelötet oder eingepresst. Der Stab oder Draht 13a kann aus Kunststoff oder Metall bestehen.
  • Die Figur 13 zeigt, dass auch mehrere, sich kreuzende Drähte oder Stäbe 13a in der Innenbohrung eingesetzt sein können. Die genannten Teile können auch in einer hinterschnittenen Nut am Innenumfang des Kühlrohrs eingerastet sein. Sie können auch im Mittenbereich mit einander verbunden sein und ein Kreuz ausbilden, welches in die hinterschnittene Nut eingerastet oder eingespannt ist.
    • Zeichnungslegende
    • 1
    Elektrodenkörper
    2
    Dichtung
    3
    Flansch
    4
    Kühlrohr
    5
    Flansch
    6
    Dichtung
    7
    Schraubgewinde
    8
    Kühlkanal (Rücklauf)
    9
    Kühlkanal (Vorlauf)
    10
    Pfeilrichtung
    11
    Elektrodenkern
    12
    Elektrodenkernhalter
    13
    Abstandsscheibe oder Abstandshalter 13a Drähte oder Stäbe
    14
    Durchflussausnehmung
    15
    Umkehrstrecke
    16
    Spitze (von 4)
    17
    Pfeilrichtung
    18
    Auslauf
    19
    Mittenkreuz
    20
    Anschlagfläche
    21
    Pfeilrichtung
    22
    Pfeilrichtung
    23
    Druckflügel a, b
    24
    Wirbelströmung
    25
    Druckkraft
    26
    Anschlagfläche
    27
    Bohrungsgrund
    28
    Innenbohrung (von 1)
    29
    Schraubbefestigung
    30
    Drehmoment
    31
    Pfeilrichtung
    32
    Anschlagnoppe
    33
    Rastnoppe
    34
    Innenbohrung (von 4)
    35
    Gewinde (von 13)
    36
    Ring
    37
    Innengewinde
    38
    Bohrung

Claims (14)

  1. Kühlrohr für einen Plasma-Lichtbogenbrenner, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlrohr (4) an seiner dem Elektrodenkernhalter (12) zugewandten Innenseite abstandshaltende Mittel aufweist, die zur stirnseitigen Anlage (26) am Elektrodenkernhalter (12) geeignet sind.
  2. Kühlrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das abstandshaltende Mittel als Abstandshalter (13) ausgebildet ist, welches werkstoffeinstückig mit dem Kühlrohr (4) verbunden ist.
  3. Kühlrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das abstandshaltende Mittel1 als eine Abstandsscheibe (13) ausgebildet ist.
  4. Kühlrohr nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsscheibe (13) werkstoffeinstückig mit dem Kühlrohr (4) verbunden ist2.
  5. Kühlrohr nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsscheibe (13) lösbar mit dem Kühlrohr (4) verbunden ist3, 4.
  6. Kühlrohr nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsscheibe (13) mit einem Außengewinde versehen ist, welches mit einem zugeordneten Innengewinde am Innenumfang des Kühlrohres (4) zusammenwirkt.
  7. Kühlrohr nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsscheibe (13) in die Innenseite des Kühlrohres (4) einklipsbar oder einrastbar ist5.
  8. Kühlrohr nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsscheibe (13) mit seinem Außenumfang abdichtend am Innenumfang des Kühlrohrs (4) anliegt und vom Kühlmittelstrom durchflossen ist.
  9. Kühlrohr nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsscheibe (13) eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen (14) aufweist. 6
  10. Kühlrohr nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere, zentrale Bereich der Abstandsscheibe (13) als Anschlagfläche (20) ausgebildet ist, die der elektrodenkernseitigen Anschlagsfläche zugeordnet ist. 7
  11. Kühlrohr nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsscheibe (13) ein Mittenkreuz (19) aufweist, welches eine zentrische Anschlagfläche (20) ausbildet, die der Anschlagfläche (26) des Elektrodenkernhalters (12) zugeordnet ist.8
  12. Kühlrohr nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsscheibe (13) aus einem anderen Material gefertigt ist, als das Kühlrohr (4).
  13. Kühlrohr nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsscheibe (13) aus einem Kunststoff oder einem Kunststoff-Metall-Verbund besteht.
  14. Kühlrohr nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlrohr (4) am Umfang verteilt einzelne Abstandsnoppen (32) aufweist und im Abstand davon weitere Rastnoppen (33), welche als Rastverbindung für die Abstandsscheibe (13) dienen.9
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