EP2804450B1 - Mehrteiliges Isolierteil für einen Lichtbogenplasmabrenner, Brenner und zugehörige Anordnungen mit demselben und zugehörigen Verfahren - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a multi-part insulating part for an arc plasma torch, in particular a plasma cutting torch, for electrical insulation between at least two electrically conductive components of the plasma torch, arrangements and plasma torches with such an insulating part, plasma torch with such an arrangement and methods for processing a workpiece with a thermal plasma , plasma cutting and plasma welding.
- Plasma torches are generally used for the thermal processing of electrically conductive materials such as steel and non-ferrous metals.
- Plasma welding torches are used for welding and plasma cutting torches for cutting electrically conductive materials such as steel and non-ferrous metals.
- Plasma torches usually consist of a torch body, an electrode, a nozzle and a holder for it. Modern plasma torches also have a nozzle protection cap fitted over the nozzle. A nozzle is often fixed using a nozzle cap.
- the components that wear out during operation of the plasma torch as a result of the high thermal load caused by the arc are, in particular, the electrode, the nozzle, the nozzle cap, the nozzle protective cap, the tip guard bracket and the plasma gas guide and shield gas guide parts. These components can be easily changed by an operator and are therefore referred to as wearing parts.
- the plasma torches are connected by leads to a power source and a gas supply which feed the plasma torch. Furthermore, the plasma torch can be connected to a cooling device for a cooling medium, such as a cooling liquid.
- the plasma cutting torches are discussed in detail below.
- a plasma gas flows between the electrode and the nozzle.
- the plasma gas is guided through a gas guide part, which can also be made up of several parts. This allows the plasma gas to be directed in a targeted manner. It is often rotated around the electrode by a radial and/or axial offset of the openings in the plasma gas guide part.
- the plasma gas guide part is made of electrically insulating material, since the electrode and the nozzle must be electrically isolated from each other. This is necessary because the electrode and nozzle have different electrical potentials during operation of the plasma cutting torch. To operate the plasma cutting torch, an arc is generated between the electrode and the nozzle and/or the workpiece, which ionizes the plasma gas.
- a high voltage can be applied between the electrode and the nozzle, which provides for a pre-ionization of the distance between the electrode and the nozzle and thus for the formation of an arc.
- the arc burning between the electrode and the nozzle is also known as the pilot arc.
- the pilot arc exits through the nozzle bore and strikes the workpiece, ionizing the path to the workpiece. This allows the arc to form between the electrode and the workpiece. This arc is also referred to as the main arc.
- the pilot arc can be switched off during the main arc. However, it can also continue to be operated. During plasma cutting, this is often switched off in order not to put additional strain on the nozzle.
- the electrode and the nozzle are thermally highly stressed and must be cooled. At the same time, they must also conduct the electrical current that is required to form the arc. For this reason, materials that conduct heat well and materials that conduct electricity well, usually metals such as copper, silver, aluminum, tin, zinc, iron or alloys containing at least one of these metals, are used for this purpose.
- the electrode often consists of an electrode holder and an emissive insert made of a material that has a high melting temperature (>2000°C) and a lower electron work function than the electrode holder.
- the materials used for the emission insert are non-oxidizing plasma gases such as argon, hydrogen, nitrogen, helium and mixtures thereof, tungsten when using, and nitrogen-oxygen mixture and mixtures when using oxidizing gases such as oxygen, air and mixtures thereof used with other gases, hafnium or zirconium.
- the high-temperature material can be fitted into an electrode holder, which consists of a material that conducts heat and electricity well, for example by being pressed in with a form fit and/or force fit.
- the electrode and nozzle can be cooled by gas, for example the plasma gas or a secondary gas, which flows along the outside of the nozzle.
- gas for example the plasma gas or a secondary gas
- cooling with a liquid such as water
- the electrode and/or the nozzle are often cooled directly with the liquid, i.e. the liquid is in direct contact with the electrode and/or the nozzle.
- there is a nozzle cap around the nozzle the inner surface of which together with the outer surface of the nozzle forms a coolant space in which the coolant flows.
- nozzle protection cap outside the nozzle and/or the nozzle cap.
- the inner surface of the nozzle guard and the outer surface of the nozzle or nozzle cap form a space through which a shield or shield gas flows.
- the secondary or protective gas emerges from the hole in the nozzle protection cap and envelops the plasma jet and ensures a defined atmosphere around it.
- the shielding gas protects the tip and tip guard from arcing that can form between the tip and the workpiece. These are called double arcs and can damage the nozzle.
- the nozzle and the nozzle protection cap are heavily loaded by hot material spraying up.
- the secondary gas the volume flow of which can be higher when piercing compared to the value when cutting, keeps the spraying material away from the nozzle and the nozzle protection cap and thus protects against damage.
- the nozzle protection cap is also subjected to high thermal loads and must be cooled. For this reason, materials that conduct heat well and materials that conduct electricity well, usually metals such as copper, silver, aluminum, tin, zinc, iron or alloys containing at least one of these metals, are used for this purpose.
- the electrode and the nozzle can also be cooled indirectly. They are connected to a component made of a material that conducts heat and electricity well, usually a metal such as copper, silver, aluminum, tin, zinc, iron or alloys containing at least one of these metals , contacted by touch. This component is in turn cooled directly, i.e. it is in direct contact with the mostly flowing coolant. At the same time, these components can serve as holders or receptacles for the electrode, the nozzle, the nozzle cap or the nozzle protection cap, and can conduct the heat away and supply the current.
- a component made of a material that conducts heat and electricity well, usually a metal such as copper, silver, aluminum, tin, zinc, iron or alloys containing at least one of these metals , contacted by touch.
- This component is in turn cooled directly, i.e. it is in direct contact with the mostly flowing coolant.
- these components can serve as holders or receptacles for the electrode, the nozzle, the
- the nozzle protection cap is usually only cooled by the secondary gas. Arrangements are also known in which the nozzle protection cap is cooled directly or indirectly by a cooling liquid.
- Plasma cutting torches with water cooling require gas flow rates of 500 l/h to 4000 l/h, while plasma cutting torches without water cooling require gas flow rates of 5000 to 11000 l/h. These ranges depend on the cutting currents used, which can be in a range from 20 to 600 A, for example.
- the volume flow of the plasma gas and/or secondary gas should be selected in such a way that the best cutting results are achieved. Volume flows that are too high, which are necessary for cooling, often worsen the cutting result.
- gases other than air e.g. argon, nitrogen, hydrogen, oxygen or helium.
- the invention is therefore based on the object of providing more effective cooling of components, in particular wearing parts, of a plasma torch.
- WO 94088748 A1 discloses an example of a one-piece insulator for a plasma arc torch.
- US6169370B1 discloses an example of a two-piece insulator for a cold plasma torch.
- this object is achieved by a multi-part insulating part according to claim 1.
- electrically non-conductive is also intended to include that the material of the plasma torch insulating part is slightly or not significantly electrically conductive.
- the insulating part can, for example, be a plasma gas routing part, secondary gas routing part or cooling gas routing part.
- this object is achieved by a multi-part insulating part according to claim 4.
- this object is achieved by a method according to claim 22.
- the invention is based on the surprising finding that by using a material that not only does not conduct electricity but also conducts heat well, a more effective and cheaper cooling is possible and smaller and simpler designs of plasma torches are possible and lower temperature differences and thus lower mechanical stresses can be achieved.
- the invention provides a cooling of components, in particular wearing parts, of a plasma torch that is more effective and/or cheaper and/or leads to lower mechanical stresses and/or enables smaller and/or simpler plasma torch designs and at the same time to ensure the electrical insulation between components of a plasma torch.
- FIG. 12 shows a liquid-cooled plasma cutting torch 1 according to a particular embodiment of the present invention. It comprises an electrode 2, an insulating part designed as a plasma gas guiding part 3 for guiding plasma gas PG and a nozzle 4.
- the electrode 2 consists of an electrode holder 2.1 and an emission insert 2.2.
- the electrode holder 2.2 consists of a material that is a good conductor of electricity and heat, in this case a metal, for example copper, silver, aluminum or an alloy containing at least one of these metals.
- the emission insert 2.2 is made from a material that has a high melting point (>2000° C.).
- non-oxidizing plasma gases e.g. argon, hydrogen, nitrogen, helium and mixtures thereof
- tungsten is suitable here and when using oxidizing gases (e.g. oxygen, air, mixtures thereof, nitrogen-oxygen mixture) e.g. hafnium or Zirconium.
- oxidizing gases e.g. oxygen, air, mixtures thereof, nitrogen-oxygen mixture
- hafnium or Zirconium e.g. hafnium or Zirconium.
- the emission insert 2.2 is placed in the electrode holder 2.1.
- the electrode 2 is shown here as a flat electrode in which the emission insert 2.2 does not protrude beyond the surface of the front end of the electrode holder 2.1.
- the electrode 2 protrudes into the hollow interior 4.2 of the nozzle 4.
- the nozzle is screwed with a thread 4.20 into a nozzle holder 6 with an internal thread 6.20.
- the plasma gas guide part 3 is arranged between the nozzle 4 and the electrode 2 .
- Plasma gas guide part 3 has bores, openings, grooves and/or recesses (not shown) through which the plasma gas PG flows.
- the plasma gas PG can be made to rotate by a corresponding arrangement, for example with a radial offset and/or an inclination to the center line M of radially arranged bores. It serves to stabilize the arc or the plasma jet.
- the arc burns between the emission insert 2.2 and a workpiece (not shown) and is constricted by a nozzle hole 4.1.
- the arc itself already has a high temperature, which is increased by its constriction. Temperatures of up to 30,000 K are reported. Therefore, the electrode 2 and the nozzle 4 are cooled with a cooling medium.
- a liquid in the simplest case water, a gas, in the simplest case air or a mixture thereof, in the simplest case an air-water mixture, which is referred to as an aerosol, can be used as the cooling medium. Liquid cooling is considered the most effective.
- a cooling tube 10 through which the coolant flows from the coolant supply line WV2 through the coolant space 10.10 to the electrode 2 in the vicinity of the emission insert 2.2 and through the space extending from the outer surface of the cooling tube 10 into the inner surface of the Electrode 2 is formed, is returned to the coolant return WR2.
- the nozzle 4 is cooled indirectly via the nozzle holder 6, to which the coolant is conducted away again (WR1) through a coolant space 6.10 (WV1) and via a coolant space 6.11.
- the coolant usually flows at a volume flow of 1 to 10 l/min.
- the nozzle 4 and the nozzle holder 6 consist of a metal. Due to the mechanical contact formed with the aid of the external thread 4.20 of the nozzle 4 and the internal thread 6.20 of the nozzle holder 6, the heat generated in the nozzle 4 is conducted into the nozzle holder 6 and dissipated by the flowing cooling medium (WV1, WR1).
- the insulating part designed as a plasma gas guide part 3 is designed in one piece in this example and consists of an electrically non-conductive material that is a good heat conductor. Electrical insulation between the electrode 2 and the nozzle 4 is achieved by using such an insulating part. This is necessary for the operation of the plasma cutting torch 1, namely the high-voltage ignition and the operation of a pilot arc burning between the electrode 2 and the nozzle 4. At the same time, heat is conducted between the electrode 2 and the nozzle 4 from the warmer to the colder component via the insulating part, which is designed as a plasma gas guide part 3 and is a good conductor of heat. So there is an additional heat exchange via the insulating part.
- the plasma gas guiding part 3 is in contact with the electrode 2 and the nozzle 4 by contact via contact surfaces.
- a contact surface 2.3 is, for example, a cylindrical outer surface of the electrode 2 and a contact surface 3.5 is a cylindrical inner surface of the plasma gas guiding part 3.
- a contact surface 3.6 is a cylindrical outer surface of the plasma gas guiding part 3 and a contact surface 4.3 is a cylindrical inner surface of the nozzle 4 a loose fit with little play, e.g. H7/h6 according to DIN EN ISO 286, between the cylindrical inner and outer surfaces is used in order on the one hand to plug into one another and on the other hand to achieve good contact and thus low thermal resistance and thus good heat transfer.
- the heat transfer can be improved by applying thermal paste to these contact surfaces.
- the nozzle 4 and the plasma gas guide part 3 each have a contact surface 4.5 and 3.7, which are annular surfaces here and are in contact with one another by touching. This is a non-positive connection between the annular surfaces, which is realized by screwing the nozzle 4 into the nozzle holder 6 .
- a ceramic material is used here by way of example as an electrically non-conductive and heat-conductive material.
- Aluminum nitride which according to DIN 60672 has very good thermal conductivity (approx. 180 W/(m ⁇ K) and high specific electrical resistance (approx. 10 12 ⁇ ⁇ cm), is particularly suitable.
- FIG 2 a cylindrical plasma cutting torch 1 is shown in which the electrode 2 is directly cooled with coolant.
- the nozzle 4 is cooled by heat conduction via an insulating part designed as a plasma gas guide part 3 to the electrode 2, which is directly cooled with coolant.
- an insulating part designed as a plasma gas guide part 3 to the electrode 2, which is directly cooled with coolant.
- the insulating part which is designed as a plasma gas guide part 3 and is a good conductor of heat.
- the plasma gas guide part 3 is in contact with the electrode and the nozzle 4 through contact via contact surfaces.
- a contact surface 2.3 is, for example, a cylindrical outer surface of the electrode 2 and a contact surface 3.5 is a cylindrical inner surface of the plasma gas guiding part 3.
- a contact surface 3.6 is a cylindrical outer surface of the plasma gas guiding part 3 and a contact surface 4.3 is a cylindrical inner surface of the nozzle 4.
- a loose fit with little clearance for example H7/h6 according to DIN EN ISO 286, between the cylindrical inner and outer surfaces is used in order to on the one hand the nesting and on the other hand a good contact and thus low thermal resistance and thus good heat transfer.
- the heat transfer can be improved by applying thermal paste to these contact surfaces. Then a fit with more play, for example H7/g6, can be used.
- the nozzle 4 and the plasma gas guide part 3 each have a contact surface 4.5 or 3.7, which are annular surfaces here and are in contact with one another by touching. This is a non-positive connection between the annular surfaces, which is realized by screwing the nozzle 4 into the nozzle holder 6 .
- a plasma cutting torch 1 is shown, in which a nozzle 4 is indirectly cooled via a nozzle holder 6, to which the coolant is guided through a coolant space 6.10 (WV1) and away again via a coolant space 6.11 (WR1).
- WV1 coolant space 6.10
- WR1 coolant space 6.11
- the in the figures 1 and 2 shown direct cooling of the electrode 2 is not provided.
- the conduction of heat from the electrode 2 to the nozzle 4 takes place via an insulating part designed as a plasma gas guide part 3 to the indirect coolant-cooled nozzle 4.
- FIGS figures 1 and 2 the statements relating to FIGS figures 1 and 2 .
- the Indian figure 4 shown plasma cutting torch 1 differs from that in FIG figure 1 plasma cutting torch shown is that the nozzle 4 is directly cooled with a coolant.
- the nozzle 4 is fixed by a nozzle cap 5 .
- An internal thread 5.20 of the nozzle cap 5 is screwed to an external thread 6.21 of a nozzle holder 6.
- the outer surface of the nozzle 4 and a part of the nozzle holder 6 as well as the inner surface of the nozzle cap 5 form a coolant space 4.10, through which the coolant, which flows through the coolant spaces 6.10 and 6.11 of the nozzle mount 6 (WV1) and back (WR1), flows.
- the heat is transferred between the electrode 2 and the nozzle 4 from the warmer to the colder component via the insulating part, which is designed as a plasma gas guide part 3 and has good thermal conductivity.
- the plasma gas guiding part 3 is in contact with the electrode 2 and the nozzle 4 by contact. In this way, mechanical stresses in the plasma cutting torch 1 caused by high temperature differences can be reduced.
- An advantage over the in 1 Plasma cutting torch shown is that the directly coolant-cooled nozzle 4 is better cooled than the indirectly cooled. Since the coolant flows in this arrangement up to the vicinity of the nozzle tip and a nozzle bore 4.1, where the greatest heating of the nozzle occurs, the cooling effect is particularly great.
- the coolant chamber is sealed by O-rings between the nozzle cap 5 and the nozzle 4, the nozzle cap 5 and the nozzle holder 6 and the nozzle 4 and the nozzle holder 6.
- the nozzle cap 5 is also heated by the coolant flowing through the coolant space 4.10 formed by the outer surface of the nozzle 4 and the inner surface of the nozzle cap 5. chilled The nozzle cap 5 is heated primarily by the radiation from the arc or the plasma jet and the heated workpiece.
- the structure of the plasma cutting torch 1 is more complicated, since a nozzle cap 5 is also required.
- a liquid, water in the simplest case, is preferably used here as the coolant.
- FIG 5 shows a plasma cutting torch 1, the plasma cutting torch of figure 1 is similar, but in which a nozzle protective cap 8 is additionally arranged outside of the nozzle 4 . Bores 4.1 of the nozzle 4 and 8.1 of the nozzle protection cap 8 lie on a center line M. The inner surfaces of the nozzle protection cap 8 and a nozzle protection cap holder 9 form spaces 8.10 and 9.10 with the outer surfaces of the nozzle 4 and the nozzle holder 6, through which a secondary gas SG flows. This secondary gas emerges from the hole in the nozzle protection cap 8.1 and envelops the plasma jet (not shown) and ensures a defined atmosphere around it.
- the secondary gas SG protects the nozzle 4 and the nozzle protection cap 8 from arcs that can form between them and the workpiece. These are referred to as double arcs and can damage the nozzle 4.
- the nozzle 4 and the nozzle protective cap 8 are heavily loaded by hot, molten, high-splashing material.
- the secondary gas SG whose volume flow during piercing can be higher than during cutting, keeps the material spraying up away from the nozzle 4 and the nozzle protection cap 8 and thus protects against damage.
- the nozzle protection cap 8 must also be cooled in addition to the electrode 2 and nozzle 4.
- the nozzle protection cap 8 is heated in particular by the radiation from the arc or the plasma jet and the heated workpiece. Particularly when piercing the workpiece, the nozzle protection cap 8 is thermally heavily stressed and heated up by the glowing material spraying up and must be cooled.
- materials that are good heat conductors and electrically good conductors usually metals such as silver, copper, aluminum, tin, zinc, iron, alloyed steel or a metallic alloy (e.g. brass), in which these metals are individually or are contained at least 50% in total.
- the secondary gas SG first flows through the plasma cutting torch 1 before it passes through a first space 9.10 which is formed by the inner surfaces of the nozzle protective cap holder 9 and the nozzle protective cap 8 and the outer surfaces of the nozzle holder 6 and the nozzle 4.
- the first space 9 The secondary gas routing part 7 can be designed in several parts.
- the secondary gas guide part 7 there are holes 7.1. However, there can also be openings, grooves or recesses through which the secondary gas SG flows.
- the secondary gas can be made to rotate by a corresponding arrangement of the bores 7.1, for example with a radial offset and/or an inclination to the center line M. This serves to stabilize the arc or the plasma jet.
- the secondary gas After passing the secondary gas guide part 7, the secondary gas flows into an interior space 8.10, which is formed by the inner surface of the nozzle protection cap 8 and the outer surface of the nozzle 4, and then exits the bore 8.1 of the nozzle protection cap 8.
- the secondary gas hits it and can influence it.
- the nozzle protection cap 8 is usually only cooled by the secondary gas SG.
- Gas cooling has the disadvantage that it is not effective and the required gas volume flow is very high in order to achieve acceptable cooling or heat dissipation. Gas flow rates of 5,000 to 11,000 l/h are often required here.
- the volume flow of the secondary gas must be selected in such a way that the best cutting results are achieved. Volume flows that are too high, which are necessary for cooling, often worsen the cutting result.
- the insulating part designed as the secondary gas routing part 7 Electrical insulation between the nozzle protective cap 8 and the nozzle 4 is achieved by using such an insulating part.
- heat is transferred between the nozzle protective cap 8 and the nozzle 4 from the warmer to the colder component, in this case from the nozzle protective cap 8 to the nozzle 4, via the insulating part, which is a good conductor of heat and is designed as a secondary gas guide part 7 .
- the secondary gas guide part 7 is in contact with the nozzle protection cap 8 and the nozzle 4 by touch. In this exemplary embodiment, this takes place via annular surfaces 8.2 of the nozzle protection cap 8 and 7.4 of the secondary gas routing part 7 and the annular surfaces 7.5 of the secondary gas routing part 7 and 4.4 of the nozzle 4.
- FIG. 6 shows the structure of a plasma cutting torch 1 as in 4 , In which, however, a nozzle protection cap 8 is additionally arranged outside of the nozzle cap 5 .
- Bores 4.1 of the nozzle 4 and 8.1 of the nozzle protection cap 8 lie on a center line M.
- the inner surfaces of the nozzle protection cap 8 and the nozzle protection cap holder 9 form spaces 8.10 and 9.10 with the outer surfaces of the nozzle cap 5 and the nozzle 4, through which a secondary gas SG can flow.
- the secondary gas emerges from the bore 8.1 of the nozzle protection cap 8, envelops the plasma jet (not shown) and ensures a defined atmosphere around the same.
- the secondary gas SG protects the nozzle 4, nozzle cap 5 and nozzle protection cap 8 from arcs that can form between them and a workpiece (not shown). These are referred to as double arcs and can damage the nozzle 4, nozzle cap 5 and nozzle protection cap 8.
- the nozzle 4, the nozzle cap 5 and the nozzle protection cap 8 are heavily loaded by hot material spraying up.
- the secondary gas SG whose volume flow during piercing can be higher than during cutting, keeps the material spraying up from the nozzle 4, the nozzle cap 5 and the nozzle protection cap 8 and thus protects it from damage.
- the nozzle 4 and the nozzle cap 5 apply in the description of 4 statements made.
- the nozzle protection cap 8 is heated in particular by the radiation from the arc or the plasma jet and the heated workpiece. Particularly when piercing the workpiece, the nozzle protection cap 8 is thermally heavily stressed and heated up by the glowing material spraying up and must be cooled. For this reason, heat and electrically well-conducting materials, usually metals, for example copper, aluminum, tin, zinc, iron or alloys containing at least one of these metals, are used for this purpose.
- the secondary gas SG first flows through the plasma torch 1 before it passes through a space 9.10 formed by the inner surfaces of the nozzle protective cap holder 9 and the nozzle protective cap 8 and the outer surfaces of a nozzle holder 6 and the nozzle cap 5.
- the space 9 The space 9 .
- the secondary gas guide part 7 there are holes 7.1. However, there can also be openings, grooves or recesses through which the secondary gas SG flows.
- the secondary gas SG can be made to rotate by means of a corresponding arrangement of these bores 7.1, which have a radial offset and/or are arranged radially with an inclination to the center line M, for example. This serves to stabilize the arc or the plasma jet.
- the secondary gas SG After passing the secondary gas guide part 7, the secondary gas SG flows into the space (interior) 8.10, which is formed by the inner surface of the nozzle protection cap 8 and the outer surface of the nozzle cap 5 and the nozzle 4, and then exits from the bore 8.1 of the nozzle protection cap 8.
- the secondary gas SG hits it and can influence it.
- the nozzle protection cap 8 is usually only cooled by the secondary gas SG.
- Gas cooling has the disadvantage that it is not effective and the required gas volume flow is very high in order to achieve acceptable cooling or heat dissipation. Gas flow rates of 5,000 to 11,000 l/h are often required here.
- the volume flow of the secondary gas must be selected in such a way that the best cutting results are achieved. Volume flows that are too high, which are necessary for cooling, often worsen the cutting result.
- the high gas consumption caused by large volume flows is uneconomical. This applies in particular when gases other than air, for example argon, nitrogen, hydrogen, oxygen or helium, are used.
- the electrical insulation between the nozzle protection cap 8 and the nozzle cap 5 and thus also the nozzle 4 is achieved.
- the electrical insulation in combination with the secondary gas SG, protects the nozzle 4, the nozzle cap 5 and the nozzle protection cap 8 from arcs that can form between them and a workpiece (not shown). These are called double arcs and can damage the tip, tip cap, and tip guard.
- heat is transferred between the nozzle protection cap 8 and nozzle cap 5 from the warmer to the colder component, in this case from the nozzle protection cap 8 to the nozzle cap 5, via the insulating part which is a good conductor of heat and is designed as a secondary gas routing part 7 .
- the secondary gas guiding part 7 is in contact with the nozzle protection cap 8 and the nozzle cap 5 by touch. In this exemplary embodiment, this is achieved by annular surfaces 8.2 of the nozzle protection cap 8 and 7.4 of the secondary gas routing part 7 and the annular surfaces 7.5 of the secondary gas routing part 7 and 5.3 of the nozzle cap 5.
- connections are non-positive, with the nozzle protection cap 8 being held in place with the aid of the nozzle protection cap holder 9 is screwed to an external thread 11.20 of a receptacle 11 with an internal thread 9.20. This is pressed upwards against the secondary gas guide part 7 for the secondary gas SG and against the nozzle cap 5 . This way the heat will be dissipated from the tip guard 8 directed towards the nozzle cap 5 and thus cooled.
- the nozzle cap 5 in turn, as in the description of 4 explained, chilled.
- the nozzle protection cap holder 9 is screwed with its internal thread 9.20 to the external thread 11.20 of the receptacle 11, which is designed as an insulating part.
- the receptacle 11 consists of an electrically non-conductive and heat-conductive material.
- heat is transferred from the nozzle protection cap holder 9, which it can receive, for example, from the nozzle protection cap 8, from a hot workpiece or from the arc radiation, via the internal thread 9.20 and the external thread 11.20 to the receptacle 11.
- the receptacle 11 has coolant passages 11.10 and 11.11 for the coolant supply (WV1) and coolant return (WR1), which are designed here as bores.
- the coolant flows through this and thus cools the receptacle 11. This further improves the cooling of the nozzle protection cap holder 9.
- the heat is transferred from the nozzle protective cap 8 via its contact surface 8.3, which is designed as a circular ring surface, to a contact surface 9.1, which is also designed as a circular ring surface, on the nozzle protective cap holder 9.
- the contact surfaces 8.3 and 9.1 touch one another in a non-positive manner, with the nozzle protective cap 8 being screwed to the external thread 11.20 of the receptacle 11 with the aid of the nozzle protective cap holder 9 with the internal thread 9.20. This is pressed upwards against the secondary gas routing part 7 and the nozzle protection cap holder 9 against the nozzle protection cap 8 .
- the receptacle 11 is made of ceramic.
- Aluminum nitride which has very good thermal conductivity (approx. 180 W/(m ⁇ K)) and high specific electrical resistance (approx. 10 12 ⁇ ⁇ cm), is particularly suitable.
- Coolant is simultaneously guided through coolant spaces 6.10 and 6.11 of the nozzle holder 6 to the nozzle 4 and nozzle cap 5 and cools them.
- the receptacle 11 shows an embodiment of a plasma torch 1, which is that of 7 resembles. In principle, this also applies to the embodiments according to FIG 6 and 7 statements made. However, it contains a different embodiment of the insulating part designed as a receptacle 11 for the nozzle protection cap holder 9 .
- the receptacle 11 consists of two parts, with an outer part 11.1 consisting of an electrically non-conductive and heat-conductive material and an inner part 11.2 consisting of an electrically highly conductive and heat-conductive material.
- the nozzle protection cap holder 9 is screwed with its internal thread 9.20 to the external thread 11.20 of part 11.1 of receptacle 11.
- the electrically non-conductive and thermally highly conductive material is made of ceramic, for example aluminum nitride, which has very good thermal conductivity (approx. 180 W/(m * K)) and a high specific electrical resistance of approx. 10 12 ⁇ * cm.
- the material with good electrical and thermal conductivity is a metal here, for example copper, aluminum, tin, zinc, alloyed steel or alloys (for example brass) containing at least one of these metals.
- the material with good electrical and thermal conductivity has a thermal conductivity of at least 40 W/(m ⁇ K) ⁇ and a specific electrical resistance of no more than 0.01 ⁇ ⁇ cm.
- the material with good electrical and thermal conductivity has a thermal conductivity of at least 60 W/(m * K), better at least 90 W/(m * K) and preferably 120 W/(m * K).
- the material with good electrical and thermal conductivity properties has a thermal conductivity of at least 150 W/(m * K), better still at least 200 W/(m * K) and preferably at least 300 W/(m * K).
- the material, which conducts electricity and heat well is a metal, such as silver, copper, aluminum, tin, zinc, iron, alloyed steel or a metallic alloy (e.g. brass) that contains at least 50% of these metals individually or in total.
- a metal such as silver, copper, aluminum, tin, zinc, iron, alloyed steel or a metallic alloy (e.g. brass) that contains at least 50% of these metals individually or in total.
- Both parts (11.1 and 11.2) are non-positively connected by being pressed together and touching one another, as a result of which good heat transfer is achieved between the cylindrical contact surfaces 11.5 and 11.6 of the two parts 11.1 and 11.2.
- the part 11.2 of the recording 11 has coolant passages 11.10 and 11.11 for the coolant supply (WV1) and coolant return (WR1), which are designed here as bores. The coolant flows through these and thus cools.
- the present invention also relates to an insulating part for a plasma torch, in particular a plasma cutting torch, for electrical insulation between at least two electrically conductive components of the plasma torch, wherein it consists of at least two parts, one of the parts being made of an electrically non-conductive and heat a good conductive material and the other or another of the parts consists of a good electrical and heat conductive material.
- FIG figure 9 shows another embodiment of a plasma cutting torch 1 according to the present invention, which is principally the one shown in FIG figure 8 shown embodiment is similar.
- the insulating part designed as a receptacle 11 for the nozzle protection cap holder 9 is shown.
- the receptacle 11 consists of two parts, in which case the outer part 11.1, in contrast to the one in figure 8 shown Embodiment consists of an electrically highly conductive and thermally conductive material (e.g. metal) and the inner part 11.2 consists of an electrically non-conductive and thermally conductive material (e.g. ceramics).
- the nozzle protection cap holder 9 with its internal thread 9.20 is screwed to the external thread 11.20 of part 11.1 of receptacle 11.
- the advantage of this embodiment is that the external thread can be made in the metallic material used for the part 11.1 and not in the ceramic, which is more difficult to machine.
- Figures 10 to 13 show (further) different embodiments of an insulating part designed as a plasma gas guide part 3 for the plasma gas PG Figures 1 to 9 shown, wherein the respective figure with the letter “a” shows a longitudinal section and the respective figure with the letter “b” shows a partially sectioned side view.
- the plasma gas guide part 3 shown is made of an electrically non-conductive and thermally highly conductive material, here by way of example made of ceramic.
- Aluminum nitride which has very good thermal conductivity (approx. 180 W/(m ⁇ K)) and high specific electrical resistance (approx. 10 12 ⁇ ⁇ cm), is particularly suitable.
- the associated advantages when used in a plasma cutting torch 1, such as better cooling, reduction in mechanical stresses, simpler structure, are already above in the description of the Figures 1 to 4 mentioned and explained.
- the plasma gas guide part 3 there are radially arranged bores 3.1 which, for example, can be offset radially and/or inclined radially to the center line M and allow a plasma gas PG to rotate in the plasma cutting torch.
- its contact surface 3.6 here for example a cylindrical outer surface
- its contact surface 3.5 here for example a cylindrical inner surface
- the contact surface 2.3 here for example a cylindrical Outer surface
- the contact surface 4.5 here, for example, a circular surface of the nozzle 4 by touching in contact ( Figures 1 to 9 ).
- the contact surface 3.6 there are grooves 3.8.
- FIGS. 11a and 11b show a plasma gas guide part 3, which consists of two parts.
- a first part 3.2 consists of an electrically non-conductive and heat-conductive material, while a second part 3.3 consists of an electrically highly conductive and heat-conductive material.
- Ceramic is used here as an example for part 3.2 of the plasma gas guide part 3, again as an example aluminum nitride, which has very good thermal conductivity (approx. 180 W/(m * K)) and a high specific electrical resistance (10 12 ⁇ * cm).
- a metal such as silver, copper, aluminum, tin, zinc, iron, alloyed steel or a metallic alloy (e.g. brass) is used here, in which these metals are used individually or in total at least are used to 50%.
- the thermal conductivity of the plasma gas guide part 3 is greater than if it were made only of electrically non-conductive and heat-conductive material, such as aluminum nitride.
- electrically non-conductive and heat-conductive material such as aluminum nitride.
- copper has a higher thermal conductivity (max. approx. 390 W/(m ⁇ K)) than aluminum nitride (approx. 180 W/(m ⁇ K)), which is currently considered one of the best heat conductive and at the same time not a good electrical conductive material.
- Aluminum nitride with a thermal conductivity of 220 W/(m * K) is now also available.
- the parts 3.2 and 3.3 are connected by sliding the contact surfaces 3.21 and 3.31 over one another.
- the parts 3.2 and 3.3 can also be non-positively connected by the contact surfaces 3.20 with 3.30, 3.21 with 3.31 and 3.22 to 3.32 which are pressed against one another and are opposite and touching.
- the contact surfaces 3.20, 3.21 and 3.22 are contact surfaces of part 3.2 and the contact surfaces 3.30, 3.31 and 3.32 are contact surfaces of part 3.3.
- the cylindrical contact surfaces 3.31 (cylindrical outer surface of part 3.3) and 3.21 (cylindrical inner surface of part 3.2) form a non-positive connection by being pressed together.
- an interference fit DIN EN ISO 286 e.g. H7/n6; H7/m6 is used between the cylindrical inner and outer surfaces.
- the Figures 12a and 12b show a plasma gas guide part 3, which consists of two parts, with a first part 3.2 consisting of an electrically non-conductive and thermally well conductive material, while a second part 3.3 consists of an electrically non-conductive and thermally non-conductive material.
- ceramic is used as an example, again as an example aluminum nitride, which has a very good thermal conductivity (approx. 180 W/(m * K)) and a high specific electrical resistance (approx. 10 12 ⁇ * cm).
- a plastic for example PEEK, PTFE (polytetrafluoroethene), Torlon, polyamideimide (PAI), polyimide (PI), which has a high temperature resistance (at least 200° C.) and a high specific electrical resistance, can be used for part 3.3 of the plasma gas guide part 3 (at least 10 6 , better at least 10 10 ⁇ ⁇ cm) can be used.
- the parts 3.2 and 3.3 are connected by sliding the contact surfaces 3.21 and 3.31 over one another. You can also be non-positively connected by the pressed together, opposite and touching contact surfaces 3.20 with 3.30, 3.21 to 3.31 and 3.22 to 3.32.
- the cylindrical contact surfaces 3.31 (cylindrical outer surface of part 3.3) and 3.21 (cylindrical inner surface of part 3.2) then form the non-positive connection by being pressed together.
- an interference fit DIN EN ISO 286 e.g. H7/n6; H7/m6 is used between the cylindrical inner and outer surfaces. It is also possible to connect the two parts (3.2 and 3.3) to one another by positive locking and/or by gluing.
- FIGS. 13a and 13b show a plasma gas guide part 3 as in FIG figure 12 , except that a further part 3.4, which consists of a material with the same properties as the part 3.3, belongs to the plasma gas guide part 3.
- Parts 3.2 and 3.4 can be connected to one another in the same way as parts 3.2 and 3.3, the contact surfaces 3.23 being connected to 3.43, 3.24 to 3.44 and 3.25 to 3.25.
- the Figures 14a to 14b show another embodiment of a plasma gas guide part 3.
- the Figures 14c and 14d show a part 3.3 of the plasma gas guide part 3.
- Part 3.2 consists of an electrically non-conductive and heat-conductive material
- part 3.3 consists of an electrically non-conductive and heat-non-conductive material
- openings 3.1 which can be radially offset and/or radially inclined to the center line M and through which a plasma gas PG flows when the plasma gas guide part 3 is installed in the plasma cutting torch 1 (see Figures 1 to 9 ).
- the part 3.3 has more radially arranged holes 3.9, which are larger than the holes 3.1.
- the parts 3.2 have a diameter d3 and a length 13 which is at least as large as half the difference between the diameters d10 and d20 of part 3.3. It is even better if the length 13 is slightly larger in order to obtain reliable contact between the contact surfaces of the round pins 3.2 and the nozzle 4 and the electrode 2. It is also advantageous if the surface of the contact surfaces 3.61 and 3.51 is not flat, but is adapted to the cylindrical outer surface (contact surface 2.3) of the electrode 2 and the cylindrical inner surface (contact surface 4.3) of the nozzle 4 in such a way that a form fit is created.
- thermal resistances or thermal conductivities of the plasma gas guide part 3 can be achieved by changing the number or the diameter of the round pins 3.2.
- thermal resistance is advantageous. For example, the manufacturing costs are reduced if fewer holes have to be drilled and fewer round pins have to be used.
- FIGS Figures 15 to 17 show (further) different embodiments of an insulating part designed as a secondary gas guide part 7 for a secondary gas SG, which is used in a plasma cutting torch 1, as is shown in FIGS Figures 6 to 9 shown, wherein each figure lettered "a” shows a partially sectional plan view and each figure lettered "b” shows a sectional side view.
- FIGS Figures 15a and 15b show a secondary gas guide part 7 for a secondary gas SG, as in a plasma cutting torch according to FIGS Figures 6 to 9 can be used.
- the secondary gas routing part 7 shown consists of an electrically non-conductive and thermally highly conductive material, here for example ceramic.
- Aluminum nitride which has very good thermal conductivity (approx. 180 W/(m ⁇ K)) and high specific electrical resistance (approx. 10 12 ⁇ ⁇ cm), is particularly suitable here. Due to the low thermal resistance and the high thermal conductivity, high temperature differences can be avoided and the mechanical stresses caused by this in the plasma cutting torch can be reduced.
- the secondary gas guide part 7 there are radially arranged bores 7.1, which can also be radially or radially offset and/or radially inclined to the center line M and through which the secondary gas SG can flow or flows when the secondary gas guide part 7 is installed in the plasma cutting torch 1.
- 12 bores are radially offset by a dimension a11 and distributed equidistantly around the circumference, with the angle enclosed by the center points of the bores being denoted by ⁇ 11.
- the secondary gas routing part 7 has two annular contact surfaces 7.4 and 7.5.
- the electrical insulation between the nozzle cap 8 and the nozzle cap 5 and thus also the nozzle 4 of the Figures 6 to 9 plasma cutting torch 1 shown is reached.
- the electrical insulation in combination with the secondary gas, protects the nozzle 4, the nozzle cap 5 and the nozzle protection cap 8 from arcs that can form between them and the workpiece (not shown). These are referred to as double arcs and can damage the nozzle 4, nozzle cap 5 and nozzle protection cap 8.
- FIGS. 16a and 16b also show a secondary gas routing part 7 for a secondary gas SG, which consists of two parts.
- a first part 7.2 consists of an electrically non-conductive material with good heat conductivity, while a second part 7.3 consists of a material with good electrical conductivity and heat conductivity.
- ceramic is again used as an example of aluminum nitride, which has very good thermal conductivity (approx. 180 W/(m * K)) and a high specific electrical resistance (approx. 10 12 ⁇ * cm). used.
- a metal such as silver, copper, aluminum, tin, zinc, iron, alloyed steel or a metallic alloy (e.g. brass) is used here, in which these metals are used individually or in total at least are used to 50%.
- the thermal conductivity of the secondary gas routing part 7 is greater than if it were made only of electrically non-conductive and heat-conductive material, such as aluminum nitride.
- electrically non-conductive and heat-conductive material such as aluminum nitride.
- copper has a higher thermal conductivity (max. approx. 390 W/(m ⁇ K)) than aluminum nitride (approx. 180 W/(m ⁇ K)), which is currently one of the best thermally conductive and at the same time non-electrical good conductive materials. Due to the better conductivity, this leads to an even better heat exchange between the nozzle protective cap 8 and the nozzle cap 5 of the plasma cutting torch 1 of FIG Figures 6 to 9 .
- parts 7.2 and 7.3 are connected by sliding contact surfaces 7.21 and 7.31 over one another.
- the parts 7.2 and 7.3 can also be non-positively connected by the contact surfaces 7.20 with 7.30, 7.21 with 7.31 and 7.22 with 7.32 which are pressed against one another and lie opposite one another and touch.
- the contact surfaces 7.20, 7.21 and 7.22 are contact surfaces of part 7.2 and the contact surfaces 7.30, 7.31 and 7.32 are contact surfaces of part 7.3.
- the cylindrical contact surfaces 7.31 (cylindrical outer surface of part 7.3) and 7.21 (cylindrical inner surface of part 7.2) form a non-positive connection by being pressed together.
- an interference fit DIN EN ISO 286 e.g. H7/n6; H/m6 is used between the cylindrical inner and outer surfaces.
- twelve bores 7.1 are made of metal in part 7.3, which have a radial offset a11 and are distributed equidistantly at an angle ⁇ 11 on the circumference of the gas duct.
- a wide variety of shapes, such as grooves, recesses, bores, etc., can also be produced more easily if they are made in the metal.
- the Figures 17a and 17b also show a secondary gas routing part 7 for a secondary gas SG, which consists of two parts.
- a first part 7.2 consists of an electrically well conductive and heat conductive material and a second part 7.3 consists of an electrically non-conductive and heat conductive material.
- the same comments apply as for the Figures 16a and 6b.
- 18a, 18b , 18c and 18d is a further embodiment of a secondary gas guide part 7 for a secondary gas SG, which is in a plasma cutting torch according to Figures 6 to 9 can be used, shown.
- the 18a shows a top view and the Figure 18b and 18c sectional side views of different embodiments of the same.
- Figure 18d shows a part 7.3 of the secondary gas routing part 7 made of electrically non-conductive and heat non-conductive material.
- bores 7.1 which can also be radially or radially offset and/or radially inclined to the center line M and through which the secondary gas SG can flow when the secondary gas guide part 7 is installed in the plasma cutting torch 1.
- twelve bores are radially offset by a dimension a11 and are distributed equidistantly around the circumference, with the angle enclosed by the center points of the bores being denoted by ⁇ 11 (here, for example, 30°).
- ⁇ 11 here, for example, 30°
- Figure 18d shows that in this example the part 7.3 has twelve further axially arranged bores 7.9 which are larger than the bores or openings 7.1.
- contact surfaces 7.51 of the round pins 7.2 are in contact with a contact surface 5.3 (here, for example, an annular surface) of the nozzle cap 5 and contact surfaces 7.41 of the round pins 7.2 with a contact surface 8.2 (here, for example, an annular surface) of the nozzle protection cap by touching ( Figures 6 to 9 ).
- the parts 7.2 have a diameter d7 and a length l7 which is at least as large as the width b of the part 7.3. It is even better if the length 17 is slightly larger in order to obtain reliable contact between the contact surfaces of the round pins 7.2 and the nozzle cap 5 and the nozzle protection cap 8.
- the 18c shows another embodiment of the secondary gas guiding part 7 for secondary gas.
- two parts 7.2 and 7.6, which are given as round pins by way of example, are introduced into each bore 7.9.
- the part 7.3 consists of an electrically non-conductive and thermally non-conductive material
- the round pins 7.2 consist of an electrically non-conductive and heat-conductive material
- the round pins 7.6 consist of an electrically highly conductive and heat-conductive material.
- contact surfaces 7.51 of the round pins 7.2 are in contact with a contact surface 5.3 (here for example the circular ring surface) of the nozzle cap 5 and contact surfaces 7.41 of the round pins 7.6 with a contact surface 8.2 (here for example the circular ring surface) of the nozzle protection cap 8 by touch (see also Figures 6 to 9 ).
- Both round pins 7.2 and 7.6 are connected by touch through their contact surfaces 7.42 and 7.52.
- the parts 7.2 have a diameter d7 and a length 171.
- the parts 7.6 have the same diameter and a length l72, the sum of the lengths 171 and l72 being at least as large as the width b of the part 7.3. It is even better if the sum of the lengths is slightly larger, for example larger than 0.1 mm to obtain a secure contact between the contact surfaces 7.51 of the round pins 7.2 and the nozzle cap 5 and the contact surfaces 7.41 of the round pins 7.6 and the nozzle protection cap 8.
- the present invention thus also relates in generalized form to an insulating part for a plasma torch, in particular a plasma cutting torch, for electrical insulation between at least two electrically conductive components of the plasma torch, the insulating part consisting of at least three parts, one of the parts consists of an electrically non-conductive and heat-conductive material, another of the parts consists of an electrically non-conductive and thermally non-conductive material and the other or another of the parts consists of an electrically well-conductive and heat-conductive material.
- Secondary gas guide parts 7 shown can also be used in a plasma cutting torch 1 according to figure 5 be used.
- the electrical insulation between the nozzle protective cap 8 and the nozzle 4 is realized there by using this secondary gas routing part 7 .
- the electrical insulation protects the nozzle 4 and the nozzle protective cap 8 from arcs that can form between them and a workpiece. These are referred to as double arcs and can damage the nozzle 4 and the nozzle protection cap 8.
- FIGS Figures 19a to 19d show sectional views of arrangements of a nozzle 4 and a secondary gas guide part 7 for a secondary gas SG according to special embodiments of the invention in FIGS Figures 15 to 18 .
- Figure 19a an arrangement with a secondary gas guide part 7 according to Figures 15a and 15b
- Figure 19b an arrangement with a secondary gas routing part according to the 16a and 16b
- Figure 19c an arrangement with a secondary gas routing part according to the Figure 17a and 17b and Figure 19d according to an arrangement with a secondary gas routing part Figures 18a and 18b .
- the secondary gas routing part 7 can be connected to the nozzle 4 in the simplest case by pushing them one over the other. However, they can also be connected in a positive and non-positive manner or by gluing. When using metal/metal and/or metal/ceramic at the connection point, soldering is also possible as a connection.
- FIGS Figures 15 to 18 show sectional views of arrangements of a nozzle cap 5 and a secondary gas guide part 7 for a secondary gas SG according to FIGS Figures 15 to 18 according to particular embodiments of the invention.
- the comments on the apply here Figures 6 to 9 and to the Figures 15 to 18 .
- Figure 20a an arrangement with a secondary gas routing part according to the Figures 15a and 15b ;
- Figure 20b an arrangement with a secondary gas routing part according to the 16a and 16b ;
- Figure 20c according to an arrangement with a secondary gas routing part Figure 17a and 17b and
- Figure 20d an arrangement with a secondary gas routing part according to the Figures 18a to 18d .
- the secondary gas routing part 7 can be connected to the nozzle cap 5 in the simplest case by sliding them over one another. However, they can also be connected in a positive and non-positive manner or by gluing. When using metal/metal and/or metal/ceramic at the connection point, soldering is also possible as a connection.
- FIGS Figures 21a to 21d show sectional views of arrangements of a nozzle protection cap 8 and a secondary gas routing part 7 for a secondary gas SG according to FIGS Figures 15 to 18 .
- Figure 21a an arrangement with a secondary gas routing part according to the Figures 15a and 15b
- Figure 21b an arrangement with a secondary gas routing part according to the 16a and 16b
- Figure 21c an arrangement with a secondary gas routing part according to the Figure 17a and 17b
- Figure 21d an arrangement with a secondary gas routing part according to the Figures 18a to 18d .
- the secondary gas routing part 7 can be connected to the nozzle protection cap 8 in the simplest case by sliding them over one another. she but can also be connected in a positive and non-positive manner or by gluing. When using metal/metal and/or metal/ceramic at the connection point, soldering is also possible as a connection.
- FIGS Figures 22a and 22b show arrangements of an electrode 2 and a plasma gas guide part 3 for a plasma gas PG according to FIGS Figures 11 to 13 according to particular embodiments of the invention.
- a contact surface 2.3 is, for example, a cylindrical outer surface of the electrode 2 and a contact surface 3.5 is a cylindrical inner surface of the plasma gas guide part 3.
- a loose fit with little play for example H7/h6 according to DIN EN ISO 286, is preferably used here between the cylindrical inner and Outer surface used to on the one hand the nesting and on the other hand to realize a good contact and thus low thermal resistance and thus good heat transfer. The heat transfer can be improved by applying thermal paste to these contact surfaces. Then a fit with more play, for example H7/g6, can be used.
- the 23 shows an arrangement of an electrode 2 and a plasma gas guide part 3 for a plasma gas PG according to a particular embodiment of the present invention.
- contact surfaces 3.51 of the round pins 3.2 of the plasma gas guide part 3 are in contact with a contact surface 2.3 (here, for example, a cylindrical outer surface) of the electrode 2 (see also Figures 1 to 9 ).
- the parts 3.2 have a diameter d3 and a length 13 which is at least as large as half the difference between the diameters d10 and d20 of part 3.3. It is even better if the length 13 is slightly larger in order to obtain reliable contact between the contact surfaces of the round pins 3.2 and the nozzle 4 and the electrode 2. It is also advantageous if the surface of the contact surfaces 3.61 and 3.51 is not flat, but is adapted to the cylindrical outer surface (contact surface 2.3) of the electrode 2 and the cylindrical inner surface (contact surface 4.3) of the nozzle in such a way that a form fit is created.
- cooling liquid or the like this is intended to mean a cooling medium in general.
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein mehrteiliges Isolierteil für einen Lichtbogenplasmabrenner, insbesondere einen Plasmaschneidbrenner, zur elektrischen Isolation zwischen mindestens zwei elektrisch leitfähigen Bauteilen des Plasmabrenners, Anordnungen und Plasmabrenner mit einem derartigen Isolierteil, Plasmabrenner mit einer derartigen Anordnung sowie Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem thermischen Plasma, zum Plasmaschneiden und zum Plasmaschweißen.
- Plasmabrenner werden ganz allgemein zur thermischen Bearbeitung elektrisch leitfähiger Materialien, wie Stahl und Nichteisenmetalle, eingesetzt. Dabei werden Plasmaschweißbrenner zum Schweißen und Plasmaschneidbrenner zum Schneiden elektrisch leitfähiger Materialien, wie Stahl und Nichteisenmetalle, eingesetzt. Plasmabrenner bestehen üblicherweise aus einem Brennerkörper, einer Elektrode, einer Düse und einer Halterung dafür. Moderne Plasmabrenner verfügen zusätzlich über eine über der Düse angebrachte Düsenschutzkappe. Oft wird eine Düse mittels einer Düsenkappe fixiert.
- Die durch den Betrieb des Plasmabrenners infolge der durch den Lichtbogen verursachten hohen thermischen Belastung verschleißenden Bauteile sind je nach Plasmabrennertyp insbesondere die Elektrode, die Düse, die Düsenkappe, die Düsenschutzkappe, die Düsenschutzkappenhalterung und die Plasmagasführungs- und Sekundärgasführungsteile. Diese Bauteile können durch einen Bediener leicht gewechselt werden und somit als Verschleißteile bezeichnet werden.
- Die Plasmabrenner sind über Leitungen an eine Stromquelle und eine Gasversorgung angeschlossen, die den Plasmabrenner versorgen. Weiterhin kann der Plasmabrenner an einer Kühleinrichtung für ein Kühlmedium, wie zum Beispiel eine Kühlflüssigkeit, angeschlossen sein.
- Bei Plasmaschneidbrennern treten besonders hohe thermische Belastungen auf. Das hat seine Ursache in der starken Einschnürung des Plasmastrahls durch die Düsenbohrung. Hier werden im Vergleich zum Plasmaschweißen auf den Schneidstrom bezogen kleine Bohrungen verwendet, damit hohe Stromdichten von 50 bis 150 A/mm2 in der Düsenbohrung, hohe Energiedichten von ca. 2×106 W/cm2 und hohe Temperaturen von bis zu 30.000 K erzeugt werden. Weiterhin werden im Plasmaschneidbrenner höhere Gasdrücke, in der Regel bis zu 12 bar, verwendet. Die Kombination aus hoher Temperatur und großer kinetischer Energie des durch die Düsenbohrung strömenden Plasmagases führen zum Aufschmelzen des Werkstücks und zum Austreiben der Schmelze. Es entsteht eine Schnittfuge und das Werkstück wird getrennt. Beim Plasmaschneiden werden oft auch oxidierende Gase eingesetzt, um unlegierte Stähle zu schneiden. Dies führt auch zusätzlich zu einer hohen thermischen Belastung der Verschleißteile und des Plasmaschneidbrenners.
- Auf die Plasmaschneidbrenner wird nachfolgend besonders eingegangen.
- Zwischen der Elektrode und der Düse strömt ein Plasmagas. Das Plasmagas wird durch ein Gasführungsteil, das auch mehrteilig sein kann, geführt. Dadurch kann das Plasmagas gezielt gerichtet werden. Oftmals ist es durch einen radialen und/oder axialen Versatz der Öffnungen in dem Plasmagasführungsteil in Rotation um die Elektrode versetzt. Das Plasmagasführungsteil besteht aus elektrisch isolierendem Material, da die Elektrode und die Düse voneinander elektrisch isoliert sein müssen. Dies ist notwendig, da die Elektrode und die Düse unterschiedliche elektrische Potentiale während des Betriebs des Plasmaschneidbrenners haben. Zum Betreiben des Plasmaschneidbrenners wird ein Lichtbogen zwischen der Elektrode und der Düse und/oder dem Werkstück erzeugt, der das Plasmagas ionisiert. Zum Zünden des Lichtbogens kann eine Hochspannung zwischen der Elektrode und Düse angelegt werden, die für eine Vorionisation der Strecke zwischen der Elektrode und Düse und somit für die Ausbildung eines Lichtbogens sorgt. Der zwischen Elektrode und Düse brennende Lichtbogen wird auch als Pilotlichtbogen bezeichnet.
- Der Pilotlichtbogen tritt durch die Düsenbohrung aus und trifft auf das Werkstück und ionisiert die Strecke zum Werkstück. Dadurch kann sich der Lichtbogen zwischen Elektrode und Werkstück ausbilden. Dieser Lichtbogen wird auch als Hauptlichtbogen bezeichnet. Während des Hauptlichtbogens kann der Pilotlichtbogen abgeschaltet werden. Er kann aber auch weiterbetrieben werden. Beim Plasmaschneiden wird dieser oft abgeschaltet, um die Düse nicht noch zusätzlich zu belasten.
- Insbesondere die Elektrode und die Düse werden thermisch hoch beansprucht und müssen gekühlt werden. Zugleich müssen sie auch den elektrischen Strom, der zur Ausbildung des Lichtbogens benötigt wird, leiten. Deshalb werden dafür gut Wärme und elektrisch gut leitende Werkstoffe, in der Regel Metalle, zum Beispiel Kupfer, Silber, Aluminium, Zinn, Zink, Eisen oder Legierungen, in denen zumindest eines dieser Metalle enthalten ist, verwendet.
- Die Elektrode besteht oft aus einem Elektrodenhalter und einem Emissionseinsatz, der aus einem Werkstoff hergestellt ist, der eine hohe Schmelztemperatur (>2000°C) und eine geringere Elektronenaustrittsarbeit als der Elektrodenhalter aufweist. Als Werkstoffe für den Emissionseinsatz werden beim Einsatz nicht oxidierende Plasmagase, wie bspw. Argon, Wasserstoff, Stickstoff, Helium und Gemische derselben, Wolfram und beim Einsatz oxidierender Gase, wie zum Beispiel Sauerstoff, Luft und Gemische derselben, Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch und Gemische mit anderen Gasen, Hafnium oder Zirkonium eingesetzt.
- Der Hochtemperaturwerkstoff kann in einen Elektrodenhalter, der aus gut Wärme und elektrisch gut leitendem Werkstoff besteht, eingepasst, zum Beispiel mit Form- und/oder Kraftschluss eingepresst werden.
- Die Kühlung der Elektrode und Düse kann durch Gas, zum Beispiel das Plasmagas oder ein Sekundärgas, das an der Außenseite der Düse entlangströmt, erfolgen. Effektiver ist jedoch die Kühlung mit einer Flüssigkeit, zum Beispiel Wasser. Dabei werden die Elektrode und/oder die Düse oft direkt mit der Flüssigkeit gekühlt, d.h. die Flüssigkeit befindet sich in direktem Kontakt mit der Elektrode und/oder der Düse. Um die Kühlflüssigkeit um die Düse zu führen, befindet sich um die Düse eine Düsenkappe, deren Innenfläche mit der Außenfläche der Düse einen Kühlmittelraum bildet, in dem das Kühlmittel strömt.
- Bei modernen Plasmaschneidbrennern befindet sich zusätzlich außerhalb der Düse und/oder der Düsenkappe zusätzlich eine Düsenschutzkappe. Die Innenfläche der Düsenschutzkappe und die Außenfläche der Düse oder der Düsenkappe bilden einen Raum, durch den ein Sekundär- oder Schutzgas strömt. Das Sekundär- oder Schutzgas tritt aus der Bohrung der Düsenschutzkappe aus und umhüllt den Plasmastrahl und sorgt für eine definierte Atmosphäre um denselben. Zusätzlich schützt das Sekundärgas die Düse und die Düsenschutzkappe vor Lichtbögen, die sich zwischen diesem und dem Werkstück ausbilden können. Diese werden als Doppellichtbögen bezeichnet und können zur Beschädigung der Düse führen. Insbesondere beim Einstechen in das Werkstück werden die Düse und die Düsenschutzkappe durch heißes Hochspritzen von Material stark belastet. Das Sekundärgas, dessen Volumenstrom beim Einstechen gegenüber dem Wert beim Schneiden erhöht sein kann, hält das hochspritzende Material von der Düse und der Düsenschutzkappe fern und schützt so vor Beschädigung.
- Die Düsenschutzkappe wird ebenfalls thermisch hoch beansprucht und muss gekühlt werden. Deshalb werden dafür gut Wärme und elektrisch gut leitende Werkstoffe, in der Regel Metalle, zum Beispiel Kupfer, Silber, Aluminium, Zinn, Zink, Eisen oder Legierungen, in denen zumindest eines dieser Metalle enthalten ist, verwendet.
- Die Elektrode und die Düse können aber auch indirekt gekühlt werden. Dabei stehen sie mit einem Bauteil, das aus einem gut Wärme und elektrisch gut leitenden Werkstoff, in der Regel ein Metall, zum Beispiel Kupfer, Silber, Aluminium, Zinn, Zink, Eisen oder Legierungen, in denen zumindest eines dieser Metalle enthalten ist, besteht, durch Berührung in Kontakt. Dieses Bauteil wird wiederum direkt gekühlt, d.h., dass es sich mit dem meist strömenden Kühlmittel direkt in Kontakt befindet. Diese Bauteile können gleichzeitig als Halterung oder Aufnahme für die Elektrode, die Düse, die Düsenkappe oder die Düsenschutzkappe dienen und die Wärme ab- und den Strom zuführen.
- Es besteht auch die Möglichkeit, dass nur die Elektrode oder nur die Düse mit Flüssigkeit gekühlt werden. Gerade in diesem Fall treten oft zu hohe Temperaturen an dem nur gasgekühlten Bauteil auf, das dann schnell verschleißt oder sogar zerstört wird. Dies führt auch zu großen Temperaturdifferenzen zwischen den Bauteilen im Plasmaschneidbrenner und dadurch zu mechanischen Spannungen und zusätzlichen Beanspruchungen.
- Die Düsenschutzkappe wird meist nur durch das Sekundärgas gekühlt. Es sind auch Anordnungen bekannt, bei denen die Düsenschutzkappe direkt oder indirekt durch eine Kühlflüssigkeit gekühlt wird.
- Die Gaskühlung (Plasmagas- und/oder Sekundärgaskühlung) hat den Nachteil, dass sie nicht effektiv und der benötigte Gasvolumenstrom sehr hoch ist, um eine akzeptable Kühlung oder Wärmeabfuhr zu erreichen. Plasmaschneidbrenner mit Wasserkühlung benötigen bspw. Gasvolumenströme von 500 l/h bis 4000 l/h, während Plasmaschneidbrenner ohne Wasserkühlung Gasvolumenströme von 5000 bis 11000 l/h benötigen. Diese Bereiche ergeben sich in Abhängigkeit von den verwendeten Schneidströmen, die bspw. in einem Bereich von 20 bis 600 A liegen können. Gleichzeitig soll der Volumenstrom des Plasmagases und/oder Sekundärgases so gewählt werden, dass die besten Schneidergebnisse erreicht werden. Zu große Volumenströme, die für die Kühlung aber notwendig sind, verschlechtern oft das Schnittergebnis.
- Zudem ist der durch große Volumenströme verursachte hohe Gasverbrauch unwirtschaftlich.
- Dies gilt besonders dann, wenn andere Gase als Luft, also bspw. Argon, Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff oder Helium verwendet werden.
- Die Verwendung einer direkten Wasserkühlung für alle Verschleißteile dagegen ist sehr effektiv, führt aber zu einer Vergrößerung der Abmessungen des Plasmaschneidbrenners, da bspw. die Kühlkanäle notwendig sind, um die Kühlflüssigkeit zu dem zu kühlenden Verschleißteil hin- und wieder wegzuführen. Zusätzlich ist beim Wechsel der direkt flüssigkeitsgekühlten Verschleißteile viel Sorgfalt nötig, da möglichst keine Kühlflüssigkeit zwischen den Verschleißteilen im Plasmaschneidbrenner verbleiben soll, da dies zur Beschädigung des Plasmabrenners führen kann, wenn der Lichtbogen gezündet wird.
- Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, für eine effektivere Kühlung von Bauteilen, insbesondere Verschleißteilen, eines Plasmabrenners zu sorgen.
-
WO 94088748 A1 -
US 6169370 B1 offenbart ein Beispiel eines zweiteiligen Isolators für einen Kaltplasmabrenner. - Gemäß einem ersten Aspekt wird diese Aufgabe gelöst durch ein mehrteiliges Isolierteil nach Anspruch 1.
- Dabei soll der Ausdruck "elektrisch nicht leitend" auch umfassen, dass das Material des Plasmabrennerisolierteils geringfügig oder unwesentlich elektrisch leitet. Das Isolierteil kann bspw. ein Plasmagasführungsteil, Sekundärgasführungsteil oder Kühlgasführungsteil sein.
- Des Weiteren wird diese Aufgabe gemäß einem zweiten Aspekt gelöst durch ein mehrteiliges Isolierteil nach Anspruch 3.
- Gemäß einem dritten Aspekt wird diese Aufgabe gelöst durch ein mehrteiliges Isolierteil nach Anspruch 4.
- Gemäß einem weiteren Aspekt wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 22.
- Ausführungsforms der Erfindung sind in die abhängigen Ansprüchen offenbart.
- Andere in der Beschreibung offenbarte Beispiele sind nützlich, um die Erfindung zu verstehen.
- Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch Einsatz eines Materials, das nicht nur elektrisch nicht leitet, sondern auch Wärme gut leitet, eine effektivere und kostengünstigere Kühlung möglich ist sowie kleinere und einfachere Bauformen von Plasmabrennern möglich sind und geringere Temperaturdifferenzen und damit geringere mechanische Spannungen erzielt werden können.
- Die Erfindung liefert zumindest in einer oder mehreren besonderen Ausführungsform(en) eine Kühlung von Bauteilen, insbesondere Verschleißteilen, eines Plasmabrenners, die effektiver und/oder kostengünstiger ist und/oder zu geringeren mechanischen Spannungen führt und/oder kleinere und/oder einfachere Plasmabrennerbauformen ermöglicht und gleichzeitig für die elektrische Isolation zwischen Bauteilen eines Plasmabrenners zu sorgen.
- Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich den beigefügten Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der anhand der schematischen Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele beschrieben werden. Dabei zeigt/zeigen:
-
Figur 1 eine Seitenansicht teilweise im Längsschnitt von einem Plasmabrenner gemäß einer ersten besonderen Ausführungsform der Erfindung; -
Figur 2 eine Seitenansicht teilweise im Längsschnitt von einem Plasmabrenner gemäß einer zweiten besonderen Ausführungsform der Erfindung; -
Figur 3 eine Seitenansicht teilweise im Längsschnitt von einem Plasmabrenner gemäß einer dritten besonderen Ausführungsform der Erfindung; -
Figur 4 eine Seitenansicht teilweise im Längsschnitt von einem Plasmabrenner gemäß einer vierten besonderen Ausführungsform der Erfindung; -
Figur 5 eine Seitenansicht teilweise im Längsschnitt von einem Plasmabrenner gemäß einer fünften besonderen Ausführungsform der Erfindung; -
Figur 6 eine Seitenansicht teilweise im Längsschnitt von einem Plasmabrenner gemäß einer sechsten besonderen Ausführungsform der Erfindung; -
Figur 7 eine Seitenansicht teilweise im Längsschnitt von einem Plasmabrenner gemäß einer siebten besonderen Ausführungsform der Erfindung; -
Figur 8 eine Seitenansicht teilweise im Längsschnitt von einem Plasmabrenner gemäß einer achten besonderen Ausführungsform der Erfindung; -
Figur 9 eine Seitenansicht teilweise im Längsschnitt von einem Plasmabrenner gemäß einer neunten besonderen Ausführungsform der Erfindung; -
Figuren 10a und 10b eine Längsschnittansicht sowie eine teilweise geschnittene Seitenansicht von einem Isolierteil gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung; -
Figuren 11a und11b eine Längsschnittansicht sowie eine teilweise geschnittene Seitenansicht von einem Isolierteil gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung; -
Figuren 12a und12b eine Längsschnittansicht sowie eine teilweise geschnittene Seitenansicht von einem Isolierteil gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung; -
Figuren 13a und13b eine Längsschnittansicht sowie eine teilweise geschnittene Seitenansicht von einem Isolierteil gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung; -
Figuren 14a und 14b eine Längsschnittansicht sowie eine teilweise geschnittene Seitenansicht von einem Isolierteil gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung; -
Figuren 14c und 14d Ansichten wie dieFiguren 14a und 14b , wobei jedoch ein Teil weggelassen ist; -
Figuren 15a und 15b eine Draufsicht teilweise im Schnitt bzw. eine Seitenansicht teilweise im Schnitt von einem Isolierteil, das bspw. in dem Plasmabrenner derFiguren 6 bis 9 eingesetzt ist bzw. eingesetzt werden kann; -
Figuren 16a und16b eine Draufsicht teilweise im Schnitt bzw. eine Seitenansicht teilweise im Schnitt von einem Isolierteil, das bspw. in dem Plasmabrenner derFiguren 6 bis 9 eingesetzt ist bzw. eingesetzt werden kann; -
Figuren 17a und17b eine Draufsicht teilweise im Schnitt bzw. eine Seitenansicht teilweise im Schnitt von einem Isolierteil, das bspw. in dem Plasmabrenner derFiguren 6 bis 9 eingesetzt ist bzw. eingesetzt werden kann; -
Figuren 18a bis 18d eine Draufsicht teilweise im Schnitt sowie geschnittene Seitenansichten von einem Isolierteil gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
Figuren 19a bis 19d Schnittansichten von einer Anordnung aus einer Düse und einem Isolierteil gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung; -
Figuren 20a bis 20d Schnittansichten von einer Anordnung aus einer Düsenkappe und einem Isolierteil gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
Figuren 21a bis 21d Schnittansichten von einer Anordnung aus einer Düsenschutzkappe und einem Isolierteil gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
Figuren 22a und 22b Teilschnittansichten einer Anordnung aus einer Elektrode und einem Isolierteil gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und -
Figur 23 eine Seitenansicht teilweise im Längsschnitt von einer Anordnung aus einer Elektrode und einem Isolierteil gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. -
Figur 1 zeigt einen flüssigkeitsgekühlten Plasmaschneidbrenner 1 gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Er umfasst eine Elektrode 2, ein als ein Plasmagasführungsteil 3 ausgebildetes Isolierteil zum Führen von Plasmagas PG und eine Düse 4. Die Elektrode 2 besteht aus einem Elektrodenhalter 2.1 und einem Emissionseinsatz 2.2. Der Elektrodenhalter 2.2 besteht aus einem elektrisch gut und Wärme gut leitenden Material, hier aus einem Metall, zum Beispiel Kupfer, Silber, Aluminium oder einer Legierung, in der zumindest eines dieser Metalle enthalten ist. Der Emissionseinsatz 2.2 ist aus einem Material hergestellt, das eine hohe Schmelztemperatur (> 2000°C) aufweist. Hier eignen sich beim Einsatz nicht oxidierender Plasmagase (bspw. Argon, Wasserstoff, Stickstoff, Helium und Gemische derselben) bspw. Wolfram und beim Einsatz oxidierender Gase (bspw. Sauerstoff, Luft, Gemische derselben, Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch) bspw. Hafnium oder Zirkonium. Der Emissionseinsatz 2.2 ist in den Elektrodenhalter 2.1 eingebracht. Die Elektrode 2 ist hier als Flachelektrode dargestellt, bei der der Emissionseinsatz 2.2 nicht über die Oberfläche des vorderen Endes des Elektrodenhalters 2.1 hinausragt. - Die Elektrode 2 ragt in den hohlen Innenraum 4.2 der Düse 4 hinein. Die Düse ist mit einem Gewinde 4.20 in eine Düsenhalterung 6 mit Innengewinde 6.20 eingeschraubt. Zwischen der Düse 4 und der Elektrode 2 ist das Plasmagasführungsteil 3 angeordnet. In dem Plasmagasführungsteil 3 befinden sich Bohrungen, Öffnungen, Nuten und/oder Aussparungen (nicht dargestellt), durch die das Plasmagas PG strömt. Durch eine entsprechende Anordnung, zum Beispiel mit einem radialen Versatz und/oder einer Neigung zur Mittellinie M radial angeordnete Bohrungen kann das Plasmagas PG in Rotation versetzt werden. Es dient der Stabilisierung des Lichtbogens bzw. des Plasmastrahls.
- Der Lichtbogen brennt zwischen dem Emissionseinsatz 2.2 und einem Werkstück (nicht dargestellt) und wird durch eine Düsenbohrung 4.1 eingeschnürt. Der Lichtbogen selbst hat schon eine hohe Temperatur, die durch seine Einschnürung noch erhöht wird. Dabei werden Temperaturen von bis zu 30000 K angegeben. Deshalb werden die Elektrode 2 und die Düse 4 mit einem Kühlmedium gekühlt. Als Kühlmedium kann eine Flüssigkeit, im einfachsten Fall Wasser, ein Gas, im einfachsten Fall Luft oder ein Gemisch daraus, im einfachsten Fall ein Luft-Wasser-Gemisch, das als Aerosol bezeichnet wird, eingesetzt werden. Die Flüssigkeitskühlung gilt als die effektivste. In einem Innenraum 2.10 der Elektrode 2 befindet sich ein Kühlrohr 10, durch das das Kühlmittel vom Kühlmittelvorlauf WV2 durch den Kühlmittelraum 10.10 zur Elektrode 2 hin in die Nähe des Emissionseinsatzes 2.2 und durch den Raum, der von der Außenfläche des Kühlrohrs 10 in der Innenfläche der Elektrode 2 gebildet wird, zum Kühlmittelrücklauf WR2 zurückgeführt wird.
- Die Düse 4 wird in diesem Beispiel indirekt über die Düsenhalterung 6, zu der das Kühlmittel durch einen Kühlmittelraum 6.10 (WV1) und über einen Kühlmittelraum 6.11 wieder weggeführt wird (WR1), gekühlt. Das Kühlmittel strömt meist mit einem Volumenstrom von 1 bis 10 l/min. Die Düse 4 und die Düsenhalterung 6 bestehen aus einem Metall. Durch den mit Hilfe des Außengewindes 4.20 der Düse 4 und des Innengewindes 6.20 der Düsenhalterung 6 gebildeten mechanischen Kontakt wird die in der Düse 4 entstehende Wärme in die Düsenhalterung 6 geführt und durch das strömende Kühlmedium (WV1, WR1) abgeführt.
- Das als Plasmagasführungsteil 3 ausgebildete Isolierteil ist in diesem Beispiel einteilig ausgebildet und besteht aus einem elektrisch nicht leitenden und Wärme gut leitenden Material. Durch Einsatz eines solchen Isolierteils wird eine elektrische Isolierung zwischen der Elektrode 2 und der Düse 4 erreicht. Dies ist für den Betrieb des Plasmaschneidbrenners 1, nämlich die Hochspannungszündung und das Betreiben eines zwischen der Elektrode 2 und der Düse 4 brennenden Pilotlichtbogens notwendig. Gleichzeitig wird Wärme zwischen der Elektrode 2 und der Düse 4 vom wärmeren zum kälteren Bauteil hin über das Wärme gut leitende als Plasmagasführungsteil 3 ausgebildete Isolierteil geleitet. Es erfolgt also ein zusätzlicher Wärmeaustausch über das Isolierteil. Das Plasmagasführungsteil 3 steht mit der Elektrode 2 und der Düse 4 durch Berührung über Kontaktflächen in Kontakt.
- In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Kontaktfläche 2.3 beispielhaft eine zylindrische Außenfläche der Elektrode 2 und eine Kontaktfläche 3.5 eine zylindrische Innenfläche des Plasmagasführungsteils 3. Eine Kontaktfläche 3.6 ist eine zylindrische Außenfläche des Plasmagasführungsteils 3 und eine Kontaktfläche 4.3 ist eine zylindrische Innenfläche der Düse 4.Vorzugsweise wird hier eine Spielpassung mit geringem Spiel, zum Beispiel H7/h6 nach DIN EN ISO 286 zwischen den zylindrischen Innen- und Außenflächen genutzt, um einerseits das Ineinanderstecken und andererseits einen guten Kontakt und damit geringen Wärmewiderstand und damit guten Wärmeübergang zu realisieren. Der Wärmeübergang kann durch Aufbringen von Wärmeleitpaste an diesen Kontaktflächen verbessert werden. (Anmerkung: Auch wenn eine Wärmeleitpaste eingesetzt wird, soll dies auch noch unter den Begriff "direkter Kontakt" fallen.) Dann kann eine Passung mit einem größeren Spiel, zum Beispiel H7/g6 verwendet werden. Weiterhin verfügen die Düse 4 und das Plasmagasführungsteil 3 hier jeweils über eine Kontaktfläche 4.5 und 3.7, die hier Kreisringflächen sind und miteinander durch Berührung in Kontakt stehen. Es handelt sich dabei um eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den Kreisringflächen, die durch das Einschrauben der Düse 4 in die Düsenhalterung 6 realisiert wird.
- Durch die gute Wärmeleitfähigkeit können hohe Temperaturdifferenzen zwischen der Düse 4 und der Elektrode 2 vermieden und dadurch verursachte mechanische Spannungen im Plasmaschneidbrenner 1 reduziert werden.
- Als elektrisch nicht leitendes und Wärme gut leitendes Material ist hier beispielhaft ein Keramikwerkstoff eingesetzt. Besonders eignet sich Aluminiumnitrid, das nach DIN 60672 eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit (ca. 180 W/(m∗K) und einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand (ca. 1012 Ω∗ cm) besitzt.
- In
Figur 2 ist ein zylindrischer Plasmaschneidbrenner 1 gezeigt, in dem die Elektrode 2 direkt mit Kühlmittel gekühlt wird. Die in derFigur 2 gezeigte indirekte Kühlung der Düse 4 über die Düsenhalterung 6 ist nicht vorhanden. Die Kühlung der Düse 4 erfolgt durch Wärmeleitung über ein als ein Plasmagasführungsteil 3 ausgebildetes Isolierteil zur direkt mit Kühlmittel gekühlten Elektrode 2 hin. Durch Einsatz eines solchen Isolierteils wird die elektrische Isolierung zwischen der Elektrode 2 und der Düse 4 erreicht. Dies ist für den Betrieb des Plasmaschneidbrenners 1, nämlich die Hochspannungszündung und das Betreiben des zwischen der Elektrode 2 und der Düse 4 brennenden Pilotlichtbogens notwendig. Gleichzeitig wird Wärme zwischen der Elektrode 2 und der Düse 4 vom wärmeren zum kälteren Bauteil hin über das Wärme gut leitende als Plasmagasführungsteil 3 ausgebildete Isolierteil geleitet. Es erfolgt also ein zusätzlicher Wärmeaustausch über das Plasmagasführungsteil 3 zwischen der Elektrode 2 und der Düse 4. Das Plasmagasführungsteil 3 steht mit der Elektrode und der Düse 4 durch Berührung über Kontaktflächen in Kontakt. - In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Kontaktfläche 2.3 beispielhaft eine zylindrische Außenfläche der Elektrode 2 und eine Kontaktfläche 3.5 eine zylindrische Innenfläche des Plasmagasführungsteils 3. Eine Kontaktfläche 3.6 ist eine zylindrische Außenfläche des Plasmagasführungsteils 3 und eine Kontaktfläche 4.3 ist eine zylindrische Innenfläche der Düse 4. Vorzugsweise wird hier eine Spielpassung mit geringem Spiel, zum Beispiel H7/h6 nach DIN EN ISO 286 zwischen den zylindrischen Innen- und Außenflächen benutzt, um einerseits das Ineinanderstecken und andererseits einen guten Kontakt und damit geringen Wärmewiderstand und damit guten Wärmeübergang zu realisieren. Der Wärmeübergang kann durch Aufbringen von Wärmeleitpaste an diesen Kontaktflächen verbessert werden. Dann kann eine Passung mit einem größeren Spiel, zum Beispiel H7/g6 verwendet werden. Weiterhin verfügen die Düse 4 und das Plasmagasführungsteil 3 hier jeweils über eine Kontaktfläche 4.5 bzw. 3.7, die hier Kreisringflächen sind und miteinander durch Berührung in Kontakt stehen. Es handelt sich dabei um eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den Kreisringflächen, die durch das Einschrauben der Düse 4 in die Düsenhalterung 6 realisiert wird.
- Der Wegfall der indirekten Kühlung für die Düse 4 führt zu einer erheblichen Vereinfachung des Aufbaus des Plasmaschneidbrenners 1, da die Kühlmittelräume der Düsenhalterung 6, die sonst notwendig sind, um das Kühlmittel hin- und wieder wegzuführen, entfallen. Die Kühlung der Elektrode erfolgt wie in
Figur 1 . - In der
Figur 3 ist ein Plasmaschneidbrenner 1 gezeigt, in dem eine Düse 4 indirekt über eine Düsenhalterung 6, zu der das Kühlmittel durch einen Kühlmittelraum 6.10 hin (WV1) und über einen Kühlmittelraum 6.11 wieder weggeführt wird (WR1), gekühlt wird. Die in denFiguren 1 und2 gezeigte direkte Kühlung der Elektrode 2 ist nicht vorgesehen. Die Wärmeleitung von der Elektrode 2 zur Düse 4 erfolgt über ein als ein Plasmagasführungsteil 3 ausgebildetes Isolierteil zur indirekten kühlmittelgekühlten Düse 4. Diesbezüglich gelten die Ausführungen zu denFiguren 1 und2 . - Dies führt zu einer erheblichen Vereinfachung des Aufbaus des Plasmabrenners 1 und der Elektrode 2, da das in den
Figuren 1 und2 gezeigte Kühlrohr 10 und die Kühlmittelräume 2.10 und 10.10 entfallen, die sonst notwendig sind, um die Kühlflüssigkeit hin- (WV2) und wieder wegzuführen (WR2). - Der in der
Figur 4 dargestellte Plasmaschneidbrenner 1 unterscheidet sich von dem in derFigur 1 dargestellten Plasmaschneidbrenner darin, dass die Düse 4 direkt mit einem Kühlmittel gekühlt wird. Dazu wird die Düse 4 durch eine Düsenkappe 5 fixiert. Ein Innengewinde 5.20 der Düsenkappe 5 ist mit einem Außengewinde 6.21 einer Düsenhalterung 6 verschraubt. Die Außenfläche der Düse 4 und eines Teils der Düsenhalterung 6 sowie die Innenfläche der Düsenkappe 5 bilden einen Kühlmittelraum 4.10, durch den das Kühlmittel, welches durch Kühlmittelräume 6.10 und 6.11 der Düsenhalterung 6 hin (WV1) und zurück (WR1) strömt. - Zwischen der Düse 4 und einer Elektrode 2 ist ein als ein Plasmagasführungsteil 3 ausgebildetes Isolierteil angeordnet. Damit werden die gleichen Vorteile erreicht, wie sie im Zusammenhang mit der
Figur 1 erläutert sind. Die Wärme wird zwischen der Elektrode 2 und der Düse 4 vom wärmeren zum kälteren Bauteil hin über das Wärme gut leitende als Plasmagasführungsteil 3 ausgebildete Isolierteil übertragen. Das Plasmagasführungsteil 3 steht mit der Elektrode 2 und der Düse 4 durch Berührung in Kontakt. So können durch hohe Temperaturdifferenzen verursachte mechanische Spannungen im Plasmaschneidbrenner 1 reduziert werden. - Ein Vorteil gegenüber dem in
Fig. 1 gezeigten Plasmaschneidbrenner besteht darin, dass die direkt kühlmittelgekühlte Düse 4 besser gekühlt wird als die indirekt gekühlte. Da das Kühlmittel in dieser Anordnung bis in die Nähe der Düsenspitze und einer Düsenbohrung 4.1 strömt, wo die größte Erwärmung der Düse erfolgt, ist der Kühleffekt besonders groß. Die Abdichtung des Kühlmittelraums erfolgt durch Rundringe zwischen der Düsenkappe 5 und der Düse 4, der Düsenkappe 5 und der Düsenhalterung 6 sowie der Düse 4 und der Düsenhalterung 6. - Auch die Düsenkappe 5 wird durch das Kühlmittel, das durch den Kühlmittelraum 4.10 fließt, der durch die Außenfläche der Düse 4 und die Innenfläche der Düsenkappe 5 gebildet wird, gekühlt. Die Erwärmung der Düsenkappe 5 erfolgt vor allem durch die Strahlung des Lichtbogens bzw. des Plasmastrahls und des erhitzten Werkstücks.
- Allerdings ist der Aufbau des Plasmaschneidbrenners 1 komplizierter, da zusätzlich eine Düsenkappe 5 benötigt wird. Als Kühlmittel wird hier vorzugsweise eine Flüssigkeit, im einfachsten Fall Wasser, verwendet.
-
Figur 5 zeigt einen Plasmaschneidbrenner 1, der dem Plasmaschneidbrenner vonFigur 1 ähnelt, bei dem jedoch zusätzlich außerhalb der Düse 4 eine Düsenschutzkappe 8 angeordnet ist. Bohrungen 4.1 der Düse 4 und 8.1 der Düsenschutzkappe 8 liegen auf einer Mittellinie M. Die Innenflächen der Düsenschutzkappe 8 und einer Düsenschutzkappenhalterung 9 bilden mit den Außenflächen der Düse 4 und der Düsenhalterung 6 Räume 8.10 und 9.10, durch die ein Sekundärgas SG strömt. Dieses Sekundärgas tritt aus der Bohrung der Düsenschutzkappe 8.1 aus und umhüllt den Plasmastrahl (nicht dargestellt) und sorgt für eine definierte Atmosphäre um diesen. Zusätzlich schützt das Sekundärgas SG die Düse 4 und die Düsenschutzkappe 8 vor Lichtbögen, die sich zwischen ihnen und dem Werkstück ausbilden können. Diese werden als Doppellichtbögen bezeichnet und können zur Beschädigung der Düse 4 führen. Insbesondere beim Einstechen in das Werkstück werden die Düse 4 und die Düsenschutzkappe 8 durch heißes aufgeschmolzenes hochspritzendes Material stark belastet. Das Sekundärgas SG, dessen Volumenstrom beim Einstechen gegenüber dem Wert beim Schneiden erhöht sein kann, hält das hochspritzende Material von der Düse 4 und der Düsenschutzkappe 8 fern und schützt so vor Beschädigung. - Für die Kühlung der Elektrode 2 und der Düse 4 gelten die zum Plasmaschneidbrenner 1 gemäß
Figur 1 gemachten Aussagen. Grundsätzlich sind auch bei einem Plasmaschneidbrenner 1 mit Sekundärgas die direkte Kühlung nur der Elektrode 2 - wie inFigur 2 gezeigt, und die indirekte Kühlung nur der Düse 4 - wie inFigur 3 gezeigt - möglich. Es gelten auch die dafür gemachten Aussagen. - Bei dem in
Figur 5 gezeigten Plasmaschneidbrenner 1 muss zusätzlich zur Elektrode 2 und Düse 4 noch die Düsenschutzkappe 8 gekühlt werden. Die Erwärmung der Düsenschutzkappe 8 erfolgt insbesondere durch die Strahlung des Lichtbogens bzw. des Plasmastrahls und des erhitzten Werkstücks. Besonders beim Einstechen in das Werkstück wird die Düsenschutzkappe 8 durch hochspritzendes glühendes Material thermisch stark belastet und aufgeheizt und muss gekühlt werden. Deshalb werden dafür gut Wärme und elektrisch gut leitende Werkstoffe, in der Regel Metalle, wie zum Beispiel Silber, Kupfer, Aluminium, Zinn, Zink, Eisen, legierter Stahl oder eine metallische Legierung (z. B. Messing), in der diese Metalle einzeln oder in Summe zumindest zu 50 % enthalten sind, verwendet. - Das Sekundärgas SG strömt zunächst durch den Plasmaschneidbrenner 1, bevor es durch einen ersten Raum 9.10 gelangt, der von den Innenflächen der Düsenschutzkappenhalterung 9 und der Düsenschutzkappe 8 sowie den Außenflächen der Düsenhalterung 6 und der Düse 4 gebildet wird. Der erste Raum 9.10 wird außerdem durch ein als ein Sekundärgasführungsteil 7 ausgebildetes Isolierteil, das sich zwischen der Düse 4 und der Düsenschutzkappe 8 befindet, begrenzt. Das Sekundärgasführungsteil 7 kann mehrteilig ausgebildet sein.
- In dem Sekundärgasführungsteil 7 befinden sich Bohrungen 7.1. Es können aber auch Öffnungen, Nuten oder Aussparungen sein, durch die das Sekundärgas SG strömt. Durch eine entsprechende Anordnung der Bohrungen 7.1, zum Beispiel mit einem radialen Versatz und/oder einer Neigung zur Mittellinie M radial angeordnet, kann das Sekundärgas in Rotation versetzt werden. Dies dient der Stabilisierung des Lichtbogens bzw. des Plasmastrahls.
- Nach dem Passieren des Sekundärgasführungsteils 7 strömt das Sekundärgas in einen Innenraum 8.10, der durch die Innenfläche der Düsenschutzkappe 8 und die Außenfläche der Düse 4 gebildet wird, und tritt danach aus der Bohrung 8.1 der Düsenschutzkappe 8 aus. Bei brennendem Lichtbogen bzw. Plasmastrahl trifft das Sekundärgas auf diesen und kann ihn beeinflussen.
- Die Düsenschutzkappe 8 wird meist nur durch das Sekundärgas SG gekühlt. Die Gaskühlung hat den Nachteil, dass sie nicht effektiv und der benötigte Gasvolumenstrom sehr hoch ist, um eine akzeptable Kühlung oder Wärmeabfuhr zu erreichen. Hier sind oft Gasvolumenströme von 5.000 bis 11.000 l/h nötig. Gleichzeitig muss der Volumenstrom des Sekundärgases so gewählt werden, dass die besten Schneidergebnisse erreicht werden. Zu große Volumenströme, die für die Kühlung aber notwendig sind, verschlechtern oft das Schnittergebnis.
- Zudem ist der durch große Volumenströme verursachte hohe Gasverbrauch unwirtschaftlich. Dies gilt besonders dann, wenn andere Gase als Luft, also bspw. Argon, Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff oder Helium verwendet werden.
- Diese Nachteile werden durch den Einsatz des als das Sekundärgasführungsteil 7 ausgebildeten Isolierteils beseitigt. Durch Einsatz eines solchen Isolierteils wird eine elektrische Isolierung zwischen der Düsenschutzkappe 8 und der Düse 4 erreicht. Die elektrische Isolierung schützt in Kombination mit dem Sekundärgas SG die Düse 4 und die Düsenschutzkappe 8 vor Lichtbögen, die sich zwischen ihnen und dem Werkstück ausbilden können. Diese werden als Doppellichtbögen bezeichnet und können zur Beschädigung der Düse 4 oder der Düsenschutzkappe 8 führen.
- Gleichzeitig wird Wärme zwischen der Düsenschutzkappe 8 und der Düse 4 vom wärmeren zum kälteren Bauteil hin, in diesem Fall von der Düsenschutzkappe 8 zur Düse 4, über das Wärme gut leitende, als Sekundärgasführungsteil 7 ausgebildete Isolierteil übertragen. Das Sekundärgasführungsteil 7 steht mit der Düsenschutzkappe 8 und der Düse 4 durch Berührung in Kontakt. Dies erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel über kreisringförmige Flächen 8.2 der Düsenschutzkappe 8 und 7.4 des Sekundärgasführungsteils 7 sowie die kreisringförmigen Flächen 7.5 des Sekundärgasführungsteils 7 und 4.4 der Düse 4. Es handelt sich um kraftschlüssige Verbindungen, wobei die Düsenschutzkappe 8 mit Hilfe der Düsenschutzkappenhalterung 9, die mit einem Innengewinde 9.20 an einem Außengewinde 11.20 eine Aufnahme 11 verschraubt ist. So wird diese nach oben gegen das Sekundärgasführungsteil 7 und diese gegen die Düse 4 gepresst.
- Auf diese Art wird die Wärme von der Düsenschutzkappe 8 hin zur Düse 4 hin geleitet und damit gekühlt. Die Düse 4 wiederum wird, wie in der Beschreibung zur
Figur 1 erläutert, indirekt gekühlt. -
Fig. 6 zeigt den Aufbau eines Plasmaschneidbrenners 1 wie inFig. 4 , bei dem jedoch zusätzlich außerhalb der Düsenkappe 5 eine Düsenschutzkappe 8 angeordnet ist. - Bohrungen 4.1 der Düse 4 und 8.1 der Düsenschutzkappe 8 liegen auf einer Mittellinie M. Die Innenflächen der Düsenschutzkappe 8 und der Düsenschutzkappenhalterung 9 bilden mit den Außenflächen der Düsenkappe 5 und der Düse 4 Räume 8.10 bzw. 9.10, durch das ein Sekundärgas SG strömen kann. Das Sekundärgas tritt aus der Bohrung 8.1 der Düsenschutzkappe 8 aus, umhüllt den Plasmastrahl (nicht dargestellt) und sorgt für eine definierte Atmosphäre um selbigen. Zusätzlich schützt das Sekundärgas SG die Düse 4, Düsenkappe 5 und die Düsenschutzkappe 8 vor Lichtbögen, die sich zwischen ihnen und einem Werkstück (nicht gezeigt) ausbilden können. Diese werden als Doppellichtbögen bezeichnet und können zur Beschädigung der Düse 4, der Düsenkappe 5 und der Düsenschutzkappe 8 führen. Insbesondere beim Einstechen in ein Werkstück werden die Düse 4, die Düsenkappe 5 und die Düsenschutzkappe 8 durch heißes hochspritzendes Material stark belastet. Das Sekundärgas SG, dessen Volumenstrom beim Einstechen gegenüber dem Wert beim Schneiden erhöht sein kann, hält das hochspritzende Material von der Düse 4, der Düsenkappe 5 und der Düsenschutzkappe 8 fern und schützt so vor Beschädigung.
- Für die Kühlung der Elektrode 2, der Düse 4 und der Düsenkappe 5 gelten die in der Beschreibung der
Fig. 4 gemachten Aussagen. - Die Erwärmung der Düsenschutzkappe 8 erfolgt insbesondere durch die Strahlung des Lichtbogens bzw. des Plasmastrahls und des erhitzten Werkstücks. Besonders beim Einstechen in das Werkstück wird die Düsenschutzkappe 8 durch hochspritzendes glühendes Material thermisch stark belastet und aufgeheizt und muss gekühlt werden. Deshalb werden dafür gut Wärme und elektrisch gut leitende Materialien, in der Regel Metalle, zum Beispiel Kupfer, Aluminium, Zinn, Zink, Eisen oder Legierungen, in denen zumindest eines dieser Metalle enthalten ist, verwendet.
- Das Sekundärgas SG strömt zunächst durch den Plasmabrenner 1, bevor es durch einen Raum 9.10, der von den Innenflächen der Düsenschutzkappenhalterung 9 und der Düsenschutzkappe 8 sowie den Außenflächen einer Düsenhalterung 6 und der Düsenkappe 5 gebildet wird, gelangt. Der Raum 9.10 wird außerdem durch ein als Sekundärgasführungsteil 7 für das Sekundärgas SG ausgebildetes Isolierteil, das sich zwischen der Düsenkappe 5 und der Düsenschutzkappe 8 befindet, begrenzt.
- In dem Sekundärgasführungsteil 7 befinden sich Bohrungen 7.1. Es können aber auch Öffnungen, Nuten oder Aussparungen sein, durch die das Sekundärgas SG strömt. Durch eine entsprechende Anordnung dieser, zum Beispiel einen radialen Versatz aufweisenden und/oder mit einer Neigung zur Mittellinie M radial angeordneten Bohrungen 7.1 kann das Sekundärgas SG in Rotation versetzt werden. Dies dient der Stabilisierung des Lichtbogens bzw. des Plasmastrahls.
- Nach dem Passieren des Sekundärgasführungsteils 7 strömt das Sekundärgas SG in den Raum (Innenraum) 8.10, der durch die Innenfläche der Düsenschutzkappe 8 und die Außenfläche der Düsenkappe 5 und der Düse 4 gebildet wird, und tritt danach aus der Bohrung 8.1 der Düsenschutzkappe 8 aus. Bei brennendem Lichtbogen bzw. Plasmastrahl trifft das Sekundärgas SG auf diesen und kann ihn beeinflussen.
- Die Düsenschutzkappe 8 wird meist nur durch das Sekundärgas SG gekühlt. Die Gaskühlung hat den Nachteil, dass sie nicht effektiv und der benötigte Gasvolumenstrom sehr hoch ist, um eine akzeptable Kühlung oder Wärmeabfuhr zu erreichen. Hier sind oft Gasvolumenströme von 5.000 bis 11.000 l/h nötig. Gleichzeitig muss der Volumenstrom des Sekundärgases so gewählt werden, dass die besten Schneidergebnisse erreicht werden. Zu große Volumenströme, die für die Kühlung aber notwendig sind, verschlechtern oft das Schnittergebnis. Zudem ist der durch große Volumenströme verursachte hohe Gasverbrauch unwirtschaftlich. Dies gilt besonders dann, wenn andere Gase als Luft, also beispielsweise Argon, Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff oder Helium verwendet werden. Diese Nachteile werden durch den Einsatz des als Sekundärgasführungsteil 7 ausgebildeten Isolierteils beseitigt. Durch Einsatz eines solchen Isolierteils wird die elektrische Isolierung zwischen der Düsenschutzkappe 8 und der Düsenkappe 5 und damit auch der Düse 4 erreicht. Die elektrische Isolation schützt in Kombination mit dem Sekundärgas SG die Düse 4, die Düsenkappe 5 und die Düsenschutzkappe 8 vor Lichtbögen, die sich zwischen ihnen und einem Werkstück (nicht gezeigt) ausbilden können. Diese werden als Doppellichtbögen bezeichnet und können zur Beschädigung der Düse, Düsenkappe und Düsenschutzkappe führen.
- Gleichzeitig wird Wärme zwischen der Düsenschutzkappe 8 und Düsenkappe 5 vom wärmeren zum kälteren Bauteil hin, in diesem Fall von der Düsenschutzkappe 8 zur Düsenkappe 5, über das Wärme gut leitende, als Sekundärgasführungsteil 7 ausgebildete Isolierteil übertragen. Das Sekundärgasführungsteil 7 steht mit der Düsenschutzkappe 8 und der Düsenkappe 5 durch Berührung in Kontakt. Dies erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel durch kreisringförmige Flächen 8.2 der Düsenschutzkappe 8 und 7.4 des Sekundärgasführungsteils 7 sowie die kreisringförmigen Flächen 7.5 des Sekundärgasführungsteil 7 und 5.3 der Düsenkappe 5. Es handelt sich in diesem Beispiel um kraftschlüssige Verbindungen, wobei die Düsenschutzkappe 8 mit Hilfe der Düsenschutzkappenhalterung 9 mit einem Innengewinde 9.20 an einem Außengewinde 11.20 einer Aufnahme 11 verschraubt ist. So wird diese nach oben gegen das Sekundärgasführungsteil 7 für das Sekundärgas SG und diese gegen die Düsenkappe 5 gepresst. Auf diese Art wird die Wärme von der Düsenschutzkappe 8 hin zur Düsenkappe 5 geleitet und damit gekühlt. Die Düsenkappe 5 wiederum wird, wie in der Beschreibung der
Fig. 4 erläutert, gekühlt. -
Fig. 7 zeigt einen Plasmaschneidbrenner 1, für den die zur Ausführungsform gemäß derFig. 6 gemachten Aussagen zutreffen. Zusätzlich ist die Düsenschutzkappenhalterung 9 mit ihrem Innengewinde 9.20 am Außengewinde 11.20 der Aufnahme 11, die als ein Isolierteil gestaltet ist, verschraubt. Die Aufnahme 11 besteht aus einem elektrisch nicht leitenden und Wärme gut leitenden Material. So wird Wärme von der Düsenschutzkappenhalterung 9, die diese zum Beispiel von der Düsenschutzkappe 8, von einem heißen Werkstück oder der Lichtbogenstrahlung erhalten kann, über das Innengewinde 9.20 und das Außengewinde 11.20 auf die Aufnahme 11 übertragen. Die Aufnahme 11 weist Kühlmitteldurchlässe 11.10 und 11.11 für den Kühlmittelvor- (WV1) und Kühlrückmittelrücklauf (WR1) auf, die hier als Bohrungen ausgeführt sind. Durch diese strömt das Kühlmittel und kühlt so die Aufnahme 11. Damit wird die Kühlung der Düsenschutzkappenhalterung 9 weiter verbessert. Die Wärme wird von der Düsenschutzkappe 8 über deren als Kreisringfläche ausgebildete Kontaktfläche 8.3 auf eine ebenfalls als Kreisringfläche ausgebildete Kontaktfläche 9.1 auf die Düsenschutzkappenhalterung 9 übertragen. Die Kontaktflächen 8.3 und 9.1 berühren sich in diesem Beispiel kraftschlüssig, wobei die Düsenschutzkappe 8 mit Hilfe der Düsenschutzkappenhalterung 9 mit dem Innengewinde 9.20 am Außengewinde 11.20 der Aufnahme 11 verschraubt ist. So wird diese nach oben gegen das Sekundärgasführungsteil 7 und die Düsenschutzkappenhalterung 9 gegen die Düsenschutzkappe 8 gepresst. Im vorliegenden Beispiel ist die Aufnahme 11 aus Keramik hergestellt. Besonders eignet sich Aluminiumnitrid, das eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit (ca. 180 W/(m∗K)) und einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand (ca. 1012 Ω∗cm) besitzt. - Kühlmittel wird gleichzeitig durch Kühlmittelräume 6.10 und 6.11 der Düsenhalterung 6 zur Düse 4 und Düsenkappe 5 geführt und kühlt diese.
-
Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform einen Plasmabrenners 1, die derjenigen derFig. 7 ähnelt. Damit gelten grundsätzlich auch die für die Ausführungsformen gemäß denFig. 6 und7 gemachten Aussagen. Sie enthält jedoch eine andere Ausführungsform des als Aufnahme 11 für die Düsenschutzkappenhalterung 9 ausgeführten Isolierteils. Die Aufnahme 11 besteht in diesem Beispiel aus zwei Teilen, wobei ein äußerer Teil 11.1 aus einem elektrisch nicht leitenden und Wärme gut leitenden Material und ein inneres Teil 11.2 aus einem elektrisch gut leitenden und Wärme gut leitenden Material besteht. - Die Düsenschutzkappenhalterung 9 ist mit ihrem Innengewinde 9.20 am Außengewinde 11.20 des Teils 11.1 der Aufnahme 11 verschraubt.
- Das elektrisch nicht leitende und Wärme gut leitende Material ist aus Keramik, beispielsweise Aluminiumnitrid, das eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit (ca. 180 W/(m∗K)) und einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand ca. 1012 Ω∗cm besitzt, hergestellt. Das elektrisch gut leitende und Wärme gut leitende Material ist hier ein Metall, zum Beispiel Kupfer, Aluminium, Zinn, Zink, legierter Stahl oder Legierungen (zum Beispiel Messing), in denen zumindest eines dieser Metalle enthalten ist.
- Generell ist von Vorteil, wenn das elektrisch gut leitende und Wärme gut leitende Material eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 40 W/(m∗K)Ω und einen spezifischen elektrischen Widerstand von höchstens 0,01 Ω∗cm hat. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass das elektrisch gut leitende und Wärme gut leitende Material eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 60 W/(m∗K), besser mindestens 90 W/(m∗K) und vorzugsweise 120 W/(m∗K) hat. Noch bevorzugter weist das elektrisch gut leitende und Wärme gut leitende Material eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 150 W/(m∗K), besser mindestens 200 W/(m∗K) und vorzugweise mindestens 300 W/(m∗K) auf. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das elektrisch gut leitende und Wärme gut leitende Material ein Metall, wie zum Beispiel Silber, Kupfer, Aluminium, Zinn, Zink, Eisen, legierter Stahl oder eine metallische Legierung (z. B. Messing) ist, in der diese Metalle einzeln oder in Summe zumindest zu 50 % enthalten sind.
- Die Verwendung von zwei unterschiedlichen Materialien hat den Vorteil, dass für das kompliziertere Teil, in dem unterschiedliche Formen benötigt werden, beispielsweise unterschiedliche Bohrungen, Aussparungen, Nuten, Öffnungen etc., das Material verwendet werden kann, das einfacher und kostengünstiger bearbeitet werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel ist dies ein Metall, das einfacher als Keramik bearbeitet werden kann. Beide Teile (11.1 und 11.2) sind kraftschlüssig durch Ineinanderpressen miteinander berührend verbunden, wodurch ein guter Wärmeübergang zwischen den zylindrischen Kontaktflächen 11.5 und 11.6 der beiden Teile 11.1 und 11.2 erreicht wird. Das Teil 11.2 der Aufnahme 11. hat Kühlmitteldurchlässe 11.10 und 11.11 für den Kühlmittelvor- (WV1) und Kühlmittelrücklauf (WR1), die hier als Bohrungen ausgeführt sind. Durch diese strömt das Kühlmittel und kühlt so.
- Wie sich anhand der
Fig. 8 und der zugehörigen Beschreibung ergibt, betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Isolierteil für einen Plasmabrenner, insbesondere einen Plasmaschneidbrenner, zur elektrischen Isolation zwischen mindestens zwei elektrisch leitfähigen Bauteilen des Plasmabrenners, wobei es aus mindestens zwei Teilen besteht, wobei eines der Teile aus einem elektrisch nicht leitenden und Wärme gut leitenden Material und das andere oder ein anderes der Teile aus einem elektrisch gut leitenden und Wärme gut leitenden Material besteht. -
Figur 9 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Plasmaschneidbrenners 1 gemäß der vorliegenden Erfindung, die prinzipiell der in derFigur 8 gezeigten Ausführungsform ähnelt. Damit gelten auch die für die zu den Ausführungsformen gemäß denFiguren 6 ,7 und8 gemachten Aussagen. Es ist jedoch eine andere Ausführungsvariante des als Aufnahme 11 für die Düsenschutzkappenhalterung 9 ausgeführten Isolierteils gezeigt. Die Aufnahme 11 besteht aus zwei Teilen, wobei hier das äußere Teil 11.1 im Gegensatz zur inFigur 8 gezeigten Ausführungsform aus einem elektrisch gut leitenden und Wärme gut leitenden Material (zum Beispiel Metall) und das innere Teil 11.2 aus einem elektrisch nicht leitenden und Wärme gut leitenden Material (zum Beispiel Keramik) besteht. - Die Düsenschutzkappenhalterung 9 mit ihrem Innengewinde 9.20 ist am Außengewinde 11.20 des Teils 11.1 der Aufnahme 11 verschraubt.
- Bei dieser Ausführungsform besteht der Vorteil darin, dass das Außengewinde in das metallische Material, das für das Teil 11.1 verwendet wird, eingebracht werden kann und nicht die schwerer zu bearbeitende Keramik.
- Die
Figuren 10 bis 13 zeigen (weitere) unterschiedliche Ausführungsformen eines als Plasmagasführungsteil 3 für das Plasmagas PG ausgebildeten Isolierteils, die in einem Plasmabrenner 1, wie er in denFiguren 1 bis 9 gezeigt ist, eingesetzt werden können, wobei die jeweilige Figur mit dem Buchstaben "a" einen Längsschnitt und die jeweilige Figur mit dem Buchstaben "b" eine teilweise geschnittene Seitenansicht zeigt. - Das in den
Figuren 10a und 10b gezeigte Plasmagasführungsteil 3 ist aus einem elektrisch nicht leitenden und Wärme gut leitenden Material, hier beispielhaft aus Keramik, hergestellt. Besonders eignet sich Aluminiumnitrid, das eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit (ca. 180 W/(m∗K)) und einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand (ca. 1012 Ω∗cm) besitzt. Die damit verbundenen Vorteile beim Einsatz in einem Plasmaschneidbrenner 1, wie zum Beispiel bessere Kühlung, Verringerung der mechanischen Spannungen, einfacherer Aufbau, sind bereits oben bei der Beschreibung derFiguren 1 bis 4 genannt und erläutert worden. - In dem Plasmagasführungsteil 3 befinden sich radial angeordnete Bohrungen 3.1, die bspw. radial versetzt und/oder zur Mittellinie M radial geneigt sein können und ein Plasmagas PG im Plasmaschneidbrenner rotieren lassen. Wenn das Plasmagasführungsteil 3 in den Plasmaschneidbrenner 1 eingebaut ist, steht seine Kontaktfläche 3.6 (hier zum Beispiel zylindrische Außenfläche) mit der Kontaktfläche 4.3 (hier zum Beispiel zylindrische Innenfläche) der Düse 4, ihre Kontaktfläche 3.5 (hier zum Beispiel zylindrische Innenfläche) mit der Kontaktfläche 2.3 (hier zum Beispiel zylindrische Außenfläche) der Elektrode 2 sowie ihre Kontaktfläche 3.7 (hier zum Beispiel kreisringförmige Fläche) mit der Kontaktfläche 4.5 (hier zum Beispiel kreisringförmige Fläche) der Düse 4 durch Berührung in Kontakt (
Figuren 1 bis 9 ). In der Kontaktfläche 3.6 befinden sich Nuten 3.8. Diese leiten das Plasmagas PG zu den Bohrungen 3.1, bevor es durch diese in einen Innenraum 4.2 der Düse 4, in dem die Elektrode 2 angeordnet ist, geführt wird. - Die
Figuren 11a und11b zeigen ein Plasmagasführungsteil 3, das aus zwei Teilen besteht. Ein erstes Teil 3.2 besteht aus einem elektrisch nicht leitenden und Wärme gut leitenden Material, während ein zweites Teil 3.3 aus einem elektrisch gut leitenden und Wärme gut leitenden Material besteht. - Für das Teil 3.2 des Plasmagasführungsteils 3 wird hier beispielhaft Keramik, wiederum als Beispiel Aluminiumnitrid, das eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit (ca. 180 W/(m∗K)) und einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand (1012 Ω∗cm) besitzt, verwendet. Für das Teil 3.3 des Sekundärgasführungsteils 3 wird hier ein Metall, wie zum Beispiel Silber, Kupfer, Aluminium, Zinn, Zink, Eisen, legierter Stahl oder eine metallische Legierung (z. B. Messing), in der diese Metalle einzeln oder in Summe zumindest zu 50 % enthalten sind, verwendet.
- Wenn für das Teil 3.3 bspw. Kupfer eingesetzt wird, wird die Wärmeleitfähigkeit des Plasmagasführungsteils 3 größer, als wenn diese nur aus elektrisch nicht leitendem und Wärme gut leitendem Material, wie zum Beispiel Aluminiumnitrid, bestehen würde. Kupfer hat je nach Reinheit eine höhere Wärmeleitfähigkeit (max. ca. 390 W/(m∗K)) als Aluminiumnitrid (ca. 180 W/(m∗K)), das gegenwärtig als einer der am besten Wärme leitenden und gleichzeitig nicht elektrisch gut leitenden Werkstoff gilt. Inzwischen gibt es auch Aluminiumnitrid mit einer Wärmeleitfähigkeit von 220 W/(m∗K).
- Dies führt durch die bessere Wärmeleitfähigkeit zu einem noch besseren Wärmeaustausch zwischen der Düse 4 und der Elektrode 2 des Plasmaschneidbrenners 1 gemäß den
Figuren 1 bis 9 . - Im einfachsten Fall sind die Teile 3.2 und 3.3 durch Übereinanderschieben der Kontaktflächen 3.21 und 3.31 verbunden.
- Die Teile 3.2 und 3.3 können auch kraftschlüssig durch die aneinandergepressten, sich gegenüberliegenden und berührenden Kontaktflächen 3.20 mit 3.30, 3.21 mit 3.31 und 3.22 bis 3.32 verbunden sein. Die Kontaktflächen 3.20, 3.21 und 3.22 sind Kontaktflächen des Teils 3.2 und die Kontaktflächen 3.30, 3.31 und 3.32 sind Kontaktflächen des Teils 3.3. Die zylindrisch ausgebildeten Kontaktflächen 3.31 (zylindrische Außenfläche des Teils 3.3) und 3.21 (zylindrische Innenfläche des Teils 3.2) bilden durch Ineinanderpressen eine kraftschlüssige Verbindung. Hier wird eine Übermaßpassung DIN EN ISO 286 (zum Beispiel H7/n6; H7/m6) zwischen den zylindrischen Innen- und Außenflächen angewandt.
- Es besteht weiterhin die Möglichkeit, beide Teile (3.2 und 3.3) durch Formschluss, durch Löten und/oder durch Kleben und/oder durch ein thermisches Verfahren miteinander zu verbinden.
- Da die mechanische Bearbeitung des Keramikwerkstoffs meist schwieriger als diejenige eines Metalls ist, sinkt der Bearbeitungsaufwand. Hier sind beispielsweise sechs Bohrungen 3.1 in den metallischen Teil 3.3 eingebracht, die einen radialen Versatz a1 aufweisen und im Winkel α1 äquidistant auf dem Umfang der Plasmagasführung verteilt. Es sind auch unterschiedlichste Formen, wie zum Beispiel Nuten, Aussparungen, Bohrungen etc., einfacher herstellbar, wenn sie in das Metall eingebracht werden.
- Die
Figuren 12a und12b zeigen ein Plasmagasführungsteil 3, das aus zwei Teilen besteht, wobei ein erstes Teil 3.2 aus einem elektrisch nicht leitenden und Wärme gut leitenden Material, während ein zweites Teil 3.3 aus einem elektrisch nicht leitenden und Wärme nicht leitenden Material besteht. - Für das Teil 3.2 des Plasmagasführungsteils 3 wird hierbei beispielhaft Keramik, wiederum als Beispiel Aluminiumnitrid, das eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit (ca. 180 W/(m∗K)) und einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand (ca. 1012 Ω∗cm) besitzt, verwendet. Für das Teil 3.3 des Plasmagasführungsteils 3 kann bspw. ein Kunststoff, zum Beispiel PEEK, PTFE (Polytetrafluorethen), Torlon, Polyamidimid (PAI), Polyimid (PI), der eine hohe Temperaturfestigkeit (mindestens 200°C) und einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand (mindestens 106, besser mindestens 1010 Ω∗cm) aufweist, verwendet werden.
- Im einfachsten Fall sind die Teile 3.2 und 3.3 durch Übereineinanderschieben der Kontaktflächen 3.21 und 3.31 verbunden. Sie können auch kraftschlüssig durch die aneinandergepressten, sich gegenüberliegenden und berührenden Kontaktflächen 3.20 mit 3.30, 3.21 bis 3.31 und 3.22 bis 3.32 verbunden sein. Die zylindrisch ausgebildeten Kontaktflächen 3.31 (zylindrische Außenfläche des Teils 3.3) und 3.21 (zylindrische Innenfläche des Teils 3.2) bilden dann durch Ineinanderpressen die kraftschlüssige Verbindung. Hier wird eine Übermaßpassung DIN EN ISO 286 (zum Beispiel H7/n6; H7/m6) zwischen den zylindrischen Innen- und Außenflächen angewandt. Es ist weiterhin möglich, beide Teile (3.2 und 3.3) durch Formschluss und/oder durch Kleben miteinander zu verbinden.
- Da die mechanische Bearbeitung des Keramikwerkstoffs meist schwieriger ist als diejenige eines Kunststoffs, sinkt der Bearbeitungsaufwand. Hier sind beispielsweise sechs Bohrungen 3.1 in das Kunststoff Teil 3.3 eingebracht, die einen radialen Versatz a1 aufweisen und im Winkel α1 äquidistant auf dem Umfang der Gasführung verteilt. Es sind auch unterschiedlichste Formen, wie zum Beispiel Nuten, Aussparungen, Bohrungen etc. einfacher herstellbar, wenn sie in den Kunststoff eingebracht werden.
- Die
Figuren 13a und13b zeigen ein Plasmagasführungsteil 3 wie in derFigur 12 , außer dass ein weiteres Teil 3.4, das aus einem Material mit den gleichen Eigenschaften wie das Teil 3.3 besteht, zum Plasmagasführungsteil 3 gehört. - Die Teile 3.2 und 3.4 können genauso miteinander verbunden sein wie die Teile 3.2 und 3.3, wobei die Kontaktflächen 3.23 mit 3.43, 3.24 mit 3.44 und 3.25 mit 3.25 verbunden sind.
- Da die mechanische Bearbeitung des Keramikwerkstoffs meist schwieriger als diejenige eines Kunststoffs ist, sinkt der Bearbeitungsaufwand und sind auch unterschiedlichste Formen, wie zum Beispiel Aussparungen, Bohrungen etc. einfacher herstellbar, wenn sie in den Kunststoff eingebracht werden.
- Die
Figuren 14a bis 14b zeigen eine weitere Ausführungsform eines Plasmagasführungsteils 3. DieFiguren 14c und 14d zeigen ein Teil 3.3 des Plasmagasführungsteils 3. Dabei zeigen dieFiguren 14a und14c einen Längsschnitt und dieFiguren 14b und14d eine teilweise geschnittene Seitenansicht. - Ein Teil 3.2 besteht aus einem elektrisch nicht leitenden und Wärme gut leitenden Material, während ein Teil 3.3 aus einem elektrisch nicht leitenden und Wärme nicht leitenden Material besteht.
- Im Teil 3.3 des Plasmagasführungsteils 3 befinden sich radial angeordnete Öffnungen, hier Bohrungen 3.1, die radial versetzt und/oder zur Mittellinie M radial geneigt sein können und durch die ein Plasmagas PG strömt, wenn das Plasmagasführungsteil 3 in den Plasmaschneidbrenner 1 eingebaut ist (siehe
Figuren 1 bis 9 ). - Das Teil 3.3 hat weitere radial angeordnete Bohrungen 3.9, die größer sind als die Bohrungen 3.1. In diese Bohrungen sind sechs Teile 3.2, die hier beispielhaft als Rundstift dargestellt sind, eingebracht. Diese sind äquidistant in einem Winkel, der sich zwischen Mittelpunktlinien M3.9 ergibt, von a3=60° auf dem Umfang verteilt.
- Wenn das Plasmagasführungsteil 3 in den Plasmaschneidbrenner 1 nach den
Figuren 1 bis 9 eingebaut ist, stehen Kontaktflächen 3.61 (Außenflächen) der Teile 3.2 (Rundstifte) mit einer Kontaktfläche 4.3 (hier eine zylindrische Innenfläche) der Düse 4 und Kontaktflächen 3.51 (Innenfläche) der Teile 3.2 (Rundstifte) mit der Kontaktfläche 2.3 (hier eine zylindrische Außenfläche) der Elektrode 2 durch Berührung in Kontakt. - Die Teile 3.2 weisen einen Durchmesser d3 und eine Länge 13 auf, die mindestens genauso groß ist wie die Hälfte der Differenz der Durchmesser d10 und d20 des Teils 3.3. Noch besser ist es, wenn die Länge 13 geringfügig größer ist, um einen sicheren Kontakt zwischen den Kontaktflächen der Rundstifte 3.2 und der Düse 4 sowie der Elektrode 2 zu erhalten. Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die Oberfläche der Kontaktflächen 3.61 und 3.51 nicht eben, sondern der zylindrischen Außenfläche (Kontaktfläche 2.3) der Elektrode 2 und der zylindrischen Innenfläche (Kontaktfläche 4.3) der Düse 4 so angepasst sind, dass ein Formschluss entsteht.
- In der Kontaktfläche 3.6 befinden sich Nuten 3.8. Diese leiten das Plasmagas PG zu den Bohrungen 3.1, bevor es durch diese in den Innenraum 4.2 der Düse 4, in dem die Elektrode 2 angeordnet ist, geführt wird.
- Da die mechanische Bearbeitung des Keramikwerkstoffs meist schwieriger ist als diejenige eines Kunststoffs, sinkt der Bearbeitungsaufwand und sind auch unterschiedlichste Formen, wie zum Beispiel Nuten, Aussparungen, Bohrungen etc. einfacher herstellbar, wenn sie in den Kunststoff eingebracht werden. So können trotz Verwendung gleicher Rundstifte unterschiedlichste Gasführungen kostengünstig hergestellt werden.
- Weiterhin sind durch die Veränderung der Anzahl oder auch des Durchmessers der Rundstifte 3.2 unterschiedliche thermische Widerstände bzw. thermische Leitfähigkeiten des Plasmagasführungsteils 3 erreichbar.
- Wird/Werden der Durchmesser und/oder die Anzahl der Rundstifte reduziert, vergrößert sich der Wärmewiderstand und die thermische Leitfähigkeit sinkt.
- Da je nach der im Plasmabrenner bzw. Plasmaschneidbrenner umzusetzenden Leistung von 500 W bis 200 kW sehr unterschiedliche thermische Belastungen der Düsen 4 und der Elektrode 2 entstehen, ist die Anpassung des thermischen Widerstands von Vorteil. So werden bspw. die Herstellkosten reduziert, wenn weniger Bohrungen eingebracht und weniger Rundstifte eingesetzt werden müssen.
- Die
Figuren 15 bis 17 zeigen (weitere) unterschiedliche Ausführungsformen eines als Sekundärgasführungsteil 7 für ein Sekundärgas SG ausgebildeten Isolierteils, die in einem Plasmaschneidbrenner 1, wie er in denFiguren 6 bis 9 gezeigt ist, eingesetzt werden können, wobei die jeweilige Figur mit dem Buchstaben "a" eine teilweise geschnittene Draufsicht und die jeweilige Figur mit dem Buchstaben "b" eine geschnittene Seitenansicht zeigt. - Die
Figuren 15a und 15b zeigen ein Sekundärgasführungsteil 7 für ein Sekundärgas SG, wie es in einem Plasmaschneidbrenner gemäß denFiguren 6 bis 9 eingesetzt werden kann. - Das in den
Figuren 15a und 15b gezeigte Sekundärgasführungsteil 7 besteht aus einem elektrisch nicht leitenden und Wärme gut leitenden Material, hier bspw. Keramik. Hier eignet sich wiederum besonders Aluminiumnitrid, das eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit (ca. 180 W/(m∗K)) und einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand (ca. 1012 Ω∗cm) besitzt. Durch den geringen thermischen Widerstand bzw. die hohe Wärmeleitfähigkeit können hohe Temperaturdifferenzen vermieden und dadurch verursachte mechanische Spannungen im Plasmaschneidbrenner reduziert werden. - In dem Sekundärgasführungsteil 7 befinden sich radial angeordnete Bohrungen 7.1, die auch radial oder radial versetzt und/oder zur Mittellinie M radial geneigt sein können und durch die das Sekundärgas SG strömen kann bzw. strömt, wenn das Sekundärgasführungsteil 7 in den Plasmaschneidbrenner 1 eingebaut ist. In diesem Beispiel sind 12 Bohrungen um ein Maß a11 radial versetzt und äquidistant auf dem Umfang verteilt, wobei der Winkel, der durch die Mittelpunkte der Bohrungen eingeschlossen ist, mit α11 bezeichnet ist. Es können aber auch Öffnungen, Nuten oder Aussparungen sein, durch die das Sekundärgas SG strömt, wenn das Sekundärgasführungsteil 7 in den Plasmaschneidbrenner 1 eingebaut ist. Das Sekundärgasführungsteil 7 verfügt über zwei kreisringförmige Kontaktflächen 7.4 und 7.5.
- Durch Einsatz dieses Sekundärgasführungsteils 7 wird die elektrische Isolierung zwischen der Düsenschutzkappe 8 und der Düsenkappe 5 und damit auch der Düse 4 des in den
Figuren 6 bis 9 dargestellten Plasmaschneidbrenners 1 erreicht. Die elektrische Isolation schützt in Kombination mit dem Sekundärgas die Düse 4, die Düsenkappe 5 und die Düsenschutzkappe 8 vor Lichtbögen, die sich zwischen ihnen und dem Werkstück (nicht gezeigt) ausbilden können. Diese werden als Doppellichtbögen bezeichnet und können zur Beschädigung der Düse 4, der Düsenkappe 5 und der Düsenschutzkappe 8 führen. - Gleichzeitig wird Wärme zwischen der Düsenschutzkappe 8 und der Düsenkappe 5 vom wärmeren zum kälteren Bauteil hin, in diesem Fall von der Düsenschutzkappe 8 zur Düsenkappe 5, über das Wärme gut leitende, als Sekundärgasführungsteil 7 ausgebildete Isolierteil übertragen. Das Sekundärgasführungsteil 7 steht mit der Düsenschutzkappe 8 und der Düsenkappe 5 durch Berührung in Kontakt. Dies erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel durch kreisringförmige Flächen 8.2 der Düsenschutzkappe 8 und 7.4 des Sekundärgasführungsteils 7 sowie kreisringförmige Flächen 7.5 des Sekundärgasführungsteils 7 und 5.3 der Düsenkappe 5, die sich, wie in den
Figuren 6 bis 9 dargestellt, berühren. - Die
Figuren 16a und16b zeigen ebenfalls ein Sekundärgasführungsteil 7 für ein Sekundärgas SG, das aus zwei Teilen besteht. Ein erstes Teil 7.2 besteht aus einem elektrisch nicht leitenden und Wärme gut leitenden Material, während ein zweites Teil 7.3 aus einem elektrisch gut leitenden und Wärme gut leitenden Material besteht. - Für das Teil 7.2 des Sekundärgasführungsteils 7 wird hier beispielhaft Keramik als Beispiel wiederum Aluminiumnitrid, das eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit (ca. 180 W/(m∗K)) und einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand (ca. 1012 Ω∗cm) besitzt, verwendet. Für das Teil 7.3 des Sekundärgasführungsteils 7 wird hier ein Metall, wie zum Beispiel Silber, Kupfer, Aluminium, Zinn, Zink, Eisen, legierter Stahl oder eine metallische Legierung (z. B. Messing), in der diese Metalle einzeln oder in Summe zumindest zu 50 % enthalten sind, verwendet.
- Wenn für das Teil 7.3 bspw. Kupfer eingesetzt wird, wird die Wärmeleitfähigkeit des Sekundärgasführungsteils 7 größer, als wenn dies nur aus elektrisch nicht leitendem und Wärme gut leitendem Material, wie zum Beispiel Aluminiumnitrid, bestehen würde. Kupfer hat je nach Reinheit eine höhere Wärmeleitfähigkeit (max. ca. 390 W/(m∗K)) als Aluminiumnitrid (ca. 180 W/(m∗K)), das gegenwärtig als einer der am besten Wärme leitenden und gleichzeitig nicht elektrisch gut leitenden Werkstoffe gilt. Dies führt durch die bessere Leitfähigkeit zu einem noch besseren Wärmeaustausch zwischen der Düsenschutzkappe 8 und der Düsenkappe 5 des Plasmaschneidbrenners 1 der
Figuren 6 bis 9 . - Im einfachsten Fall sind die Teile 7.2 und 7.3 durch Übereinanderschieben der Kontaktflächen 7.21 und 7.31 verbunden.
- Die Teile 7.2 und 7.3 können auch kraftschlüssig durch die aneinandergepressten, sich gegenüberliegenden und berührenden Kontaktflächen 7.20 mit 7.30, 7.21 mit 7.31 und 7.22 mit 7.32 verbunden sein. Die Kontaktflächen 7.20, 7.21 und 7.22 sind Kontaktflächen des Teils 7.2 und die Kontaktflächen 7.30, 7.31 und 7.32 sind Kontaktflächen des Teils 7.3. Die zylindrisch ausgebildeten Kontaktflächen 7.31 (zylindrisch Außenfläche des Teils 7.3) und 7.21 (zylindrische Innenfläche des Teils 7.2) bilden durch Ineinanderpressen eine kraftschlüssige Verbindung. Hier wird eine Übermaßpassung DIN EN ISO 286 (zum Beispiel H7/n6; H/m6) zwischen den zylindrischen Innen- und Außenflächen angewandt.
- Es besteht weiterhin die Möglichkeit, beide Teile durch Formschluss, durch Löten und/oder Kleben miteinander zu verbinden.
- Da die mechanische Bearbeitung des Keramikwerkstoffs meist schwieriger ist als diejenige eines Metalls, sinkt der Bearbeitungsaufwand. Hier sind beispielsweise zwölf Bohrungen 7.1 in Teil 7.3 aus Metall eingebracht, die einen radialen Versatz a11 aufweisen und im Winkel α11 äquidistant auf dem Umfang der Gasführung verteilt. Es sind auch unterschiedlichste Formen, wie zum Beispiel Nuten, Aussparungen, Bohrungen etc. einfacher herstellbar, wenn sie in das Metall eingebracht werden.
- Die
Figuren 17a und17b zeigen ebenfalls ein Sekundärgasführungsteil 7 für ein Sekundärgas SG, das aus zwei Teilen besteht. Im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß derFigur 16 besteht hier ein erstes Teil 7.2 aus einem elektrisch gut leitenden und Wärme gut leitenden Material und ein zweites Teil 7.3 aus einem elektrisch nicht leitenden und Wärme gut leitenden Material. Ansonsten gelten die gleichen Anmerkungen wie zu denFiguren 16a und 6b. - In den
Fig. 18a, 18b ,18c und 18d ist eine weitere Ausführungsform eines Sekundärgasführungsteils 7 für ein Sekundärgas SG, das in einem Plasmaschneidbrenner gemäß denFig. 6 bis 9 eingesetzt werden kann, gezeigt. - Die
Fig. 18a zeigt eine Draufsicht und dieFig. 18b und18c geschnittene Seitenansichten unterschiedlicher Ausführungsformen desselben.Fig. 18d zeigt ein aus elektrisch nicht leitendem und Wärme nicht leitendem Material bestehendes Teil 7.3 des Sekundärgasführungsteils 7. - Im Teil 7.3 des Sekundärgasführungsteils 7 befinden sich radial angeordnete Bohrungen 7.1, die auch radial oder radial versetzt und/oder zur Mittellinie M radial geneigt sein können und durch die das Sekundärgas SG strömen kann, wenn das Sekundärgasführungsteil 7 in den Plasmaschneidbrenner 1 eingebaut ist. In diesem Beispiel sind zwölf Bohrungen um ein Maß a11 radial versetzt und äquidistant auf dem Umfang verteilt, wobei der Winkel, der durch die Mittelpunkte der Bohrungen eingeschlossen ist, mit α11 (hier zum Beispiel 30°) bezeichnet ist. Es können aber auch Öffnungen, Nuten oder Aussparungen sein, durch die das Sekundärgas SG strömt, wenn das Sekundärgasführungsteil 7 in den Plasmaschneidbrenner 1 (siehe hierzu zum Beispiel
Fig. 6 bis 9 ) eingebaut ist. -
Fig. 18d zeigt, dass in diesem Beispiel das Teil 7.3 zwölf weitere axial angeordnete Bohrungen 7.9 aufweist, die größer als die Bohrungen bzw. Öffnungen 7.1 sind. - In den
Fig. 18a und 18b sind in diese Bohrungen 7.9 zwölf Teile 7.2, die hier beispielhaft als Rundstifte dargestellt sind, eingebracht. Die Rundstifte 7.2 bestehen aus einem elektrisch nicht leitendem und Wärme gut leitendem Material, während das Teil 7.3 aus einem elektrisch nicht leitendem und Wärme nicht leitendem Material besteht. - Wenn das Sekundärgasführungsteil 7 in den Plasmaschneidbrenner 1 gemäß den
Fig. 6 bis 9 eingebaut ist, stehen Kontaktflächen 7.51 der Rundstifte 7.2 mit einer Kontaktfläche 5.3 (hier zum Beispiel Kreisringfläche) der Düsenkappe 5 und Kontaktflächen 7.41 der Rundstifte 7.2 mit einer Kontaktfläche 8.2 (hier zum Beispiel Kreisringfläche) der Düsenschutzkappe durch Berührung in Kontakt (Fig. 6 bis 9 ). - Die Teile 7.2 haben einen Durchmesser d7 und eine Länge l7, die mindestens genauso groß ist wie die Breite b des Teils 7.3. Noch besser ist es, wenn die Länge 17 geringfügig größer ist, um einen sicheren Kontakt zwischen den Kontaktflächen der Rundstifte 7.2 und der Düsenkappe 5 sowie der Düsenschutzkappe 8 zu erhalten.
- Die
Fig. 18c zeigt eine andere Ausführungsform des Sekundärgasführungsteils 7 für Sekundärgas. Dabei sind in jede Bohrung 7.9 zwei beispielhaft als Rundstift angegebene Teile 7.2 und 7.6 eingebracht. Das Teil 7.3 besteht aus einem elektrisch nicht leitenden und Wärme nicht leitenden Material, die Rundstifte 7.2 bestehen aus einem elektrisch nicht leitenden und Wärme gut leitenden Material und die Rundstifte 7.6 bestehen aus einem elektrisch gut leitenden und Wärme gut leitenden Material. - Wenn das Sekundärgasführungsteil 7 in den Plasmaschneidbrenner 1 gemäß den
Fig. 6 bis 9 eingebaut ist, stehen Kontaktflächen 7.51 der Rundstifte 7.2 mit einer Kontaktfläche 5.3 (hier zum Beispiel die Kreisringfläche) der Düsenkappe 5 und Kontaktflächen 7.41 der Rundstifte 7.6 mit einer Kontaktfläche 8.2 (hier zum Beispiel die Kreisringfläche) der Düsenschutzkappe 8 durch Berührung in Kontakt (siehe auchFig. 6 bis 9 ). Beide Rundstifte 7.2 und 7.6 sind durch ihre Kontaktflächen 7.42 und 7.52 durch Berührung verbunden. - Die Teile 7.2 weisen einen Durchmesser d7 und eine Länge 171 auf. Die Teile 7.6 haben in diesem Beispiel den gleichen Durchmesser und eine Länge l72, wobei die Summe der Längen 171 und l72 mindestens genauso groß wie die Breite b des Teils 7.3 ist. Noch besser ist es, wenn die Summe der Längen geringfügig größer, beispielsweise größer als 0,1 mm ist, um einen sicheren Kontakt zwischen den Kontaktflächen 7.51 der Rundstifte 7.2 und der Düsenkappe 5 sowie den Kontaktflächen 7.41 der Rundstifte 7.6 und der Düsenschutzkappe 8 zu erhalten.
- Wie die
Fig. 18c und die zugehörige Beschreibung zeigen, betrifft die vorliegende Erfindung somit in verallgemeinerter Form auch ein Isolierteil für einen Plasmabrenner, insbesondere einen Plasmaschneidbrenner, zur elektrischen Isolation zwischen mindestens zwei elektrisch leitfähigen Bauteilen des Plasmabrenners, wobei das Isolierteil aus mindestens drei Teilen besteht, wobei eines der Teile aus einem elektrisch nicht leitenden und Wärme gut leitenden Material, ein weiteres der Teile aus einem elektrisch nicht leitenden und Wärme nicht leitenden Material besteht und das weitere oder ein weiteres der Teile aus einem elektrisch gut leitenden und Wärme gut leitenden Material besteht. - Die in den
Fig. 15 bis 18 gezeigten Sekundärgasführungsteile 7 können auch in einem Plasmaschneidbrenner 1 gemäßFig. 5 eingesetzt werden. Dort wird durch den Einsatz dieses Sekundärgasführungsteils 7 die elektrische Isolierung zwischen der Düsenschutzkappe 8 und der Düse 4 realisiert. Die elektrische Isolation schützt in Kombination mit dem Sekundärgas SG die Düse 4 und die Düsenschutzkappe 8 vor Lichtbögen, die sich zwischen ihnen und einem Werkstück ausbilden können. Diese werden als Doppellichtbögen bezeichnet und können zur Beschädigung der Düse 4 und der Düsenschutzkappe 8 führen. - Gleichzeitig wird Wärme zwischen der Düsenschutzkappe 8 und der Düse 4 vom wärmeren zum kälteren Bauteil hin, in diesem Fall von der Düsenschutzkappe 8 zur Düse 4, über das Wärme gut leitende als Sekundärgasführungsteil 7 ausgebildete Isolierteil übertragen. Das Sekundärgasführungsteil 7 steht mit der Düsenschutzkappe 8 und der Düse 4 durch Berührung in Kontakt. Dies erfolgt für die in den
Fig. 15 ,16 und17 gezeigten Ausführungsbeispiele des Sekundärgasführungsteils 7 über die kreisringförmigen Kontaktflächen 8.2 der Düsenschutzkappe 8 und die kreisringförmigen Kontaktflächen 7.4 des Sekundärgasführungsteils 7 sowie die kreisringförmigen Kontaktflächen 7.5 des Sekundärgasführungsteils 7 und die kreisringförmigen Kontaktflächen 4.4 der Düsen 4, die sich, wie in derFig. 5 dargestellt, berühren. - In den Ausführungsbeispielen des in den
Fig. 18b und18c gezeigten Sekundärgasführungsteils 7 erfolgt die Wärmeübertragung über die kreisringförmige Kontaktfläche 8.2 der Düsenschutzkappe 8 und die Kontaktflächen 7.41 der Rundstifte 7.2 oder 7.6 des Sekundärgasführungsteils 7 von 7.51 der Rundstifte 7.2 mit der Kontaktfläche 4.4 (hier zum Beispiel die Kreisringfläche) der Düse 4 durch Berührung, wie in derFig. 5 dargestellt. - Die
Fig. 19a bis 19d zeigen Schnittdarstellungen von Anordnungen aus einer Düse 4 und einem Sekundärgasführungsteil 7 für ein Sekundärgas SG gemäß besonderen Ausführungsformen der Erfindung in denFig. 15 bis 18 . Hier gelten die Ausführungen zurFig. 5 und zu denFig. 15 bis 18 . - Dabei zeigt
Fig. 19a eine Anordnung mit einem Sekundärgasführungsteil 7 gemäßFig. 15a und 15b ,Fig. 19b eine Anordnung mit einem Sekundärgasführungsteil gemäß denFig. 16a und16b ,Fig. 19c eine Anordnung mit einem Sekundärgasführungsteil gemäß denFig. 17a und17b undFig. 19d eine Anordnung mit einem Sekundärgasführungsteil gemäßFig. 18a und Fig. 18b . - In diesen Ausführungsbeispielen kann das Sekundärgasführungsteil 7 mit der Düse 4 im einfachsten Fall durch Übereinanderschieben verbunden sein. Sie können aber auch form- und kraftschlüssig oder durch Kleben verbunden sein. Bei der Verwendung von Metall/Metall und/oder Metall/Keramik an der Verbindungsstelle ist auch das Löten als Verbindung möglich.
- Die
Fig. 20a bis 20d zeigen Schnittdarstellungen von Anordnungen aus einer Düsenkappe 5 und einem Sekundärgasführungsteil 7 für ein Sekundärgas SG gemäß denFig. 15 bis 18 gemäß besonderen Ausführungsformen der Erfindung. Hier gelten die Ausführungen zu denFig. 6 bis 9 und zu denFig. 15 bis 18 . - Dabei zeigt
Fig. 20a eine Anordnung mit einem Sekundärgasführungsteil gemäß denFig. 15a und 15b ;Fig. 20b eine Anordnung mit einem Sekundärgasführungsteil gemäß denFig. 16a und16b ;Fig. 20c eine Anordnung mit einem Sekundärgasführungsteil gemäßFig. 17a und17b undFig. 20d eine Anordnung mit einem Sekundärgasführungsteil gemäß denFig. 18a bis 18d . - In diesen Ausführungsbeispielen kann das Sekundärgasführungsteil 7 mit der Düsenkappe 5 im einfachsten Fall durch Übereinanderschieben verbunden sein. Sie können aber auch form- und kraftschlüssig oder der Kleben verbunden sein. Bei der Verwendung von Metall/Metall und/oder Metall/Keramik an der Verbindungsstelle ist auch das Löten als Verbindung möglich.
- Die
Fig. 21a bis 21d zeigen Schnittdarstellungen von Anordnungen aus einer Düsenschutzkappe 8 und einem Sekundärgasführungsteil 7 für ein Sekundärgas SG gemäß denFig. 15 bis 18 . Hier gelten die Ausführungen zu denFig. 5 bis 9 und zu denFig. 15 bis 18 . - Dabei zeigt
Fig. 21a eine Anordnung mit einem Sekundärgasführungsteil gemäß denFig. 15a und 15b ;Fig. 21b eine Anordnung mit einem Sekundärgasführungsteil gemäß denFig. 16a und16b ;Fig. 21c eine Anordnung mit einem Sekundärgasführungsteil gemäß denFig. 17a und17b undFig. 21d eine Anordnung mit einem Sekundärgasführungsteil gemäß denFig. 18a bis 18d . - In diesen Ausführungsbeispielen kann das Sekundärgasführungsteil 7 mit der Düsenschutzkappe 8 im einfachsten Fall durch Übereinanderschieben verbunden sein. Sie können aber auch form- und kraftschlüssig oder Kleben verbunden sein. Bei der Verwendung von Metall/Metall und/oder Metall/Keramik an der Verbindungsstelle ist auch das Löten als Verbindung möglich.
- Die
Fig. 22a und 22b zeigen Anordnungen aus einer Elektrode 2 und einem Plasmagasführungsteil 3 für ein Plasmagas PG gemäß denFig. 11 bis 13 gemäß besonderen Ausführungsformen der Erfindung. - Dabei zeigt
Fig. 22a eine Anordnung mit einem Plasmagasführungsteil gemäßFig. 11a undFig. 11b sowie dieFig. 22b eine Anordnung mit einem Plasmagasführungsteil gemäßFig. 13a undFig. 13b . - In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Kontaktfläche 2.3 beispielhaft eine zylindrische Außenfläche der Elektrode 2 und eine Kontaktfläche 3.5 eine zylindrische Innenfläche des Plasmagasführungsteils 3. Vorzugsweise wird hier eine Spielpassung mit geringem Spiel, zum Beispiel H7/h6 nach DIN EN ISO 286 zwischen der zylindrischen Innen- und Außenfläche benutzt, um einerseits das Ineinanderstecken und andererseits einen guten Kontakt und damit geringen Wärmewiderstand und damit guten Wärmeübergang zu realisieren. Der Wärmeübergang kann durch Aufbringen von Wärmeleitpaste an diesen Kontaktflächen verbessert werden. Dann kann eine Passung mit einem größeren Spiel, zum Beispiel H7/g6 verwendet werden.
- Es ist auch möglich, eine Übermaßpassung zwischen dem Plasmagasführungsteil 3 und der Elektrode 2 zu verwenden. Dies verbessert natürlich den Wärmeübergang. Das hat aber zur Folge, dass Elektrode 2 und Plasmagasführungsteil 3 nur gemeinsam im Plasmaschneidbrenner 1 ausgetauscht werden können.
- Die
Fig. 23 zeigt eine Anordnung aus einer Elektrode 2 und einem Plasmagasführungsteil 3 für einen Plasmagas PG gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. - In dieser Anordnung stehen Kontaktflächen 3.51 der Rundstifte 3.2 des Plasmagasführungsteils 3 mit einer Kontaktfläche 2.3 (hier zum Beispiel zylindrische Außenfläche) der Elektrode 2 durch Berührung in Kontakt (siehe auch
Fig. 1 bis 9 ). - Die Teile 3.2 haben einen Durchmesser d3 und eine Länge 13, die mindestens genauso groß ist wie die Hälfte der Differenz der Durchmesser d10 und d20 des Teils 3.3. Noch besser ist es, wenn die Länge 13 geringfügig größer ist, um einen sicheren Kontakt zwischen den Kontaktflächen der Rundstifte 3.2 und der Düse 4 sowie der Elektrode 2 zu erhalten. Von Vorteil ist es, weiterhin, wenn die Oberfläche der Kontaktflächen 3.61 und 3.51 nicht eben, sondern der zylindrischen Außenfläche (Kontaktfläche 2.3) der Elektrode 2 und der zylindrischen Innenfläche (Kontaktfläche 4.3) der Düse so angepasst sind, dass ein Formschluss entsteht.
- Die Anordnungen aus Verschleißteilen und dem Isolierteil bzw. dem Gasführungsteil sind nur beispielhaft aufgezählt. Es sind natürlich auch andere Kombinationen, wie zum Beispiel Düse und Gasführungsteil, möglich.
- Wenn in der vorangehenden Beschreibung auf Kühlflüssigkeit oder ähnliches Bezug genommen wurde, so soll damit ganz allgemein ein Kühlmedium gemeint sein.
- In der vorangehenden Beschreibung werden u. a. Anordnungen und komplette Plasmabrenner beschrieben. Es versteht sich für den Fachmann, dass die Erfindung auch in Unterkombinationen und Einzelteilen, wie zum Beispiel Bauteile oder Verschleißteile, bestehen kann. Daher wird dafür auch explizit Schutz beansprucht.
- Zu guter Letzt noch ein paar Definitionen, die für die gesamte vorangegangene Beschreibung gelten sollen:
- "Elektrisch gut leitend" soll bedeuten, dass der spezifische elektrische Widerstand maximal 0,01 Ω∗cm beträgt.
- "Elektrisch nicht leitend" soll bedeuten, dass der spezifische Widerstand minimal 106 Ω∗cm, besser mindestens 1010 Ω∗cm beträgt und/oder das die Spannungsdurchschlagsfestigkeit mindestens 7 kV/mm, besser mindestens 10 kV/mm beträgt.
- "Wärme gut leitend" soll bedeuten, dass die Wärmeleitfähigkeit mindestens 40 W/(m∗K), besser mindestens 60 W/(m∗K), noch besser mindestens 90 W/(m∗K)beträgt.
- "Wärme gut leitend" soll bedeuten, dass die Wärmeleitfähigkeit mindestens 120 W/(m∗K), besser mindestens 150 W/(m∗K), noch besser mindestens 180 W/(m∗K) beträgt.
- Schließlich soll "Wärme gut leitend" insbesondere für Metalle bedeuten, dass die Wärmeleitfähigkeit mindestens 200 W/(m∗K), besser mindestens 300 W/(m∗K) beträgt.
-
- 1
- Plasmaschneidbrenner
- 2
- Elektrode
- 2.1
- Elektrodenhalter
- 2.2
- Emissionseinsatz
- 2.3
- Kontaktfläche
- 2.10
- Kühlmittelraum
- 3
- Plasmagasführungsteil
- 3.1
- Bohrung
- 3.2
- Teil
- 3.3
- Teil
- 3.4
- Teil
- 3.5
- Kontaktfläche
- 3.6
- Kontaktfläche
- 3.7
- Kontaktfläche
- 3.8
- Nut
- 3.9
- Bohrung
- 3.20
- Kontaktfläche
- 3.21
- Kontaktfläche
- 3.22
- Kontaktfläche
- 3.23
- Kontaktfläche
- 3.24
- Kontaktfläche
- 3.25
- Kontaktfläche
- 3.30
- Kontaktfläche
- 3.31
- Kontaktfläche
- 3.32
- Kontaktfläche
- 3.43
- Kontaktfläche
- 3.44
- Kontaktfläche
- 3.45
- Kontaktfläche
- 3.51
- Kontaktfläche
- 3.61
- Kontaktfläche
- 4
- Düse
- 4.1
- Düsenbohrung
- 4.2
- Innenraum
- 4.3
- Kontaktfläche
- 4.4
- Kontaktfläche
- 4.5
- Kontaktfläche
- 4.10
- Kühlmittelraum
- 4.20
- Außengewinde
- 5
- Düsenkappe
- 5.1
- Düsenkappenbohrung
- 5.3
- Kontaktfläche
- 5.20
- Innengewinde
- 6
- Düsenhalterung
- 6.10
- Kühlmittelraum
- 6.11
- Kühlmittelraum
- 6.20
- Innengewinde
- 6.21
- Außengewinde
- 7
- Sekundärgasführungsteil
- 7.1
- Bohrung
- 7.2
- Teil
- 7.3
- Teil
- 7.4
- Kontaktfläche
- 7.5
- Kontaktfläche
- 7.6
- Teil
- 7.9
- Bohrungen
- 7.20
- Kontaktfläche
- 7.21
- Kontaktfläche
- 7.22
- Kontaktfläche
- 7.30
- Kontaktfläche
- 7.31
- Kontaktfläche
- 7.32
- Kontaktfläche
- 7.41
- Kontaktfläche
- 7.42
- Kontaktfläche
- 7.51
- Kontaktfläche
- 7.52
- Kontaktfläche
- 8
- Düsenschutzkappe
- 8.1
- Düsenschutzkappenbohrung
- 8.2
- Kontaktfläche
- 8.3
- Kontaktfläche
- 8.10
- Innenraum
- 8.11
- Innenraum
- 9
- Düsenschutzkappenhalterung
- 9.1
- Kontaktfläche
- 9.10
- Innenraum
- 9.20
- Innengewinde
- 10
- Kühlrohr
- 10.1
- Kühlmittelraum
- 11
- Aufnahme
- 11.1
- Teil
- 11.2
- Teil
- 11.5
- Kontaktfläche
- 11.6
- Kontaktfläche
- 11.10
- Kühlmitteldurchlass
- 11.11
- Kühlmitteldurchlass
- 11.20
- Außengewinde
- PG
- Plasmagas
- SG
- Sekundärgas
- WR1
- Kühlmittelrücklauf 1
- WR2
- Kühlmittelrücklauf 2
- WV1
- Kühlmittelvorlauf 1
- WV2
- Kühlmittelvorlauf 2
- a1
- radialer Versatz
- a11
- radialer Versatz
- b
- Breite
- d3
- Durchmesser
- d7
- Durchmesser
- d10
- Außendurchmesser
- d11
- Innendurchmesser
- d15
- Durchmesser
- d20
- Innendurchmesser
- d21
- Außendurchmesser
- d25
- Durchmesser
- d30
- Innendurchmesser
- d31
- Außendurchmesser
- d60
- Außendurchmesser
- l3
- Länge
- 131
- Länge
- l32
- Länge
- 17
- Länge
- l71
- Länge
- 172
- Länge
- 173
- Länge
- l2
- Länge
- M
- Mittellinie
- M3.1
- Mittellinie
- M3.2
- Mittellinie
- M3.9
- Mittellinie
- M7.1
- Mittellinie
- M3.6
- Mittellinie
- α1
- Winkel
- a3
- Winkel
- α7
- Winkel
- α11
- Winkel
Claims (23)
- Mehrteiliges Lichtbogenplasmabrenner-Isolierteil zur elektrischen Isolation zwischen mindestens zwei elektrisch leitfähigen Bauteilen eines Lichtbogenplasmabrenners, dadurch gekennzeichnet, dass es aus mindestens zwei Teilen (3.2, 3.3; 7.2, 7.3; 11.1, 11.2) besteht, wobei eines der Teile (3.2; 7.2; 11.1) aus einem elektrisch nicht leitenden und Wärme gut leitenden Material und das andere oder mindestens ein anderes der Teile (3.3; 7.3; 11.2) aus einem elektrisch nicht leitenden und Wärme nicht leitenden Material besteht, wobei das elektrisch nicht leitende und Wärme gut leitende Material eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 40 W/(m∗K), bevorzugt mindestens 60 W/(m∗K) und noch bevorzugter mindestens 90 W/(m∗K), noch bevorzugter mindestens 120 W/(m∗K), noch bevorzugter mindestens 150 W/(m∗K) und noch bevorzugter mindestens 180W/(m∗K) aufweist.
- Lichtbogenplasmabrenner-Isolierteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Teil (3.2) aus einem elektrisch nicht leitenden und Wärme gut leitenden Material zumindest eine als Kontaktfläche (3.51, 3.61, 7.41, 7.51) fungierende Oberfläche aufweist, die mit einer unmittelbar benachbarten Oberfläche des Teils (3.3, 7.3) aus einem elektrisch nicht leitenden und Wärme nicht leitenden Material fluchtet oder über diese hinausragt.
- Mehrteiliges Lichtbogenplasmabrenner-Isolierteil zur elektrischen Isolation zwischen mindestens zwei elektrisch leitfähigen Bauteilen eines Lichtbogenplasmabrenners, dadurch gekennzeichnet, dass es aus mindestens zwei Teilen (3.2, 3.3; 7.2, 7.3) besteht, wobei eines der Teile (3.3; 7.3) aus einem elektrisch gut leitenden und Wärme gut leitenden Material und das andere (3.2; 7.2) oder mindestens ein anderes der Teile aus einem elektrisch nicht leitenden und Wärme gut leitenden Material besteht, wobei das elektrisch gut leitende und Wärme gut leitende Material eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 40 W/(m∗K)Ω ), bevorzugt mindestens 60 W/(m∗K) und noch bevorzugter mindestens 90 W/(m∗K), noch bevorzugter mindestens 120 W/(m∗K), noch bevorzugter mindestens 150 W/(m∗K) und noch bevorzugter mindestens 180W/(m∗K), und einen spezifischen elektrischen Widerstand von höchstens 0,01 Ω∗cm aufweist und das elektrisch nicht leitende und Wärme gut leitende Material eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 40 W/(m∗K), bevorzugt mindestens 60 W/(m∗K) und noch bevorzugter mindestens 90 W/(m∗K), noch bevorzugter mindestens 120 W/(m∗K), noch bevorzugter mindestens 150 W/(m∗K) und noch bevorzugter mindestens 180W/(m∗K) aufweist.
- Mehrteiliges Lichtbogenplasmabrenner-Isolierteil zur elektrischen Isolation zwischen mindestens zwei elektrisch leitfähigen Bauteilen eines Lichtbogenplasmabrenners, dadurch gekennzeichnet, dass es aus mindestens drei Teilen (7.2, 7.3, 7.6) besteht, wobei eines der Teile (7.6) aus einem elektrisch gut leitenden und Wärme gut leitenden Material, ein anderes der Teile (7.2) aus einem elektrisch nicht leitenden und Wärme gut leitenden Material und ein weiteres der Teile (7.3) aus einem elektrisch nicht leitenden und Wärme nicht leitenden Material besteht, wobei das elektrisch gut leitende und Wärme gut leitende Material eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 40 W/(m∗K)Ω und einen spezifischen elektrischen Widerstand von höchstens 0,01 Ω∗cm aufweist und das elektrisch nicht leitende und Wärme gut leitende Material eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 40 W/(m∗K), bevorzugt mindestens 60 W/(m∗K) und noch bevorzugter mindestens 90 W/(m∗K), noch bevorzugter mindestens 120 W/(m∗K), noch bevorzugter mindestens 150 W/(m∗K) und noch bevorzugter mindestens 180W/(m∗K) aufweist.
- Lichtbogenplasmabrenner-Isolierteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch nicht leitende und Wärme gut leitende Material und/oder das elektrisch nicht leitende und Wärme nicht leitende Material einen spezifischen elektrischen Widerstand von mindestens 106 Ω∗cm, bevorzugt mindestens 1010 Ω∗cm, und/oder eine Spannungsdurchschlagsfestigkeit von mindestens 7 kV/mm, bevorzugt mindestens 10 kV/mm, aufweist.
- Lichtbogenplasmabrenner-Isolierteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch nicht leitende und Wärme gut leitende Material eine Keramik oder Kunststoff ist.
- Lichtbogenplasmabrenner-Isolierteil nach Anspruch 2, oder einem davon direkt oder indirekt abhängigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch nicht leitende und Wärme nicht leitende Material eine Wärmeleitfähigkeit von höchstens 1 W/(m∗K) aufweist.
- Lichtbogenplasmabrenner-Isolierteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile form-, kraft-, stoffschlüssig und/oder durch Kleben oder durch ein thermisches Verfahren miteinander verbunden sind.
- Lichtbogenplasmabrenner-Isolierteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens eine Öffnung aufweist.
- Lichtbogenplasmabrenner-Isolierteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens eine Aussparung aufweist oder dass es mindestens eine Nut (3.8) aufweist oder dass es gestaltet ist, um ein Gas, insbesondere ein Plasma-, Sekundär- oder Kühlgas, zu führen.
- Anordnung aus einer Lichtbogenplasmabrenner-Elektrode (2) oder einer Lichtbogenplasmabrenner-Düse (4) oder einer Lichtbogenplasmabrenner-Düsenkappe (5) oder einer Lichtbogenplasmabrenner-Düsenschutzkappe (8) oder einer Lichtbogenplasmabrenner-Düsenschutzkappenhalterung (9) und einem Lichtbogenplasmabrenner-Isolierteil nach einem der vorangehenden Ansprüche.
- Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtbogenplasmabrenner-Isolierteil mit der Lichtbogenplasmabrenner-Elektrode (2) und/oder der Lichtbogenplasmabrenner-Düse (4) oder der Lichtbogenplasmabrenner-Düsenkappe (5) oder der Lichtbogenplasmabrenner-Düsenschutzkappe (8) oder der Lichtbogenplasmabrenner-Düsenschutzkappenhalterung (9) in direktem Kontakt steht.
- Anordnung aus einer Lichtbogenplasmabrenner-Düsenschutzkappenhalterung (9)-Aufnahme (11) und einer Lichtbogenplasmabrenner-Düsenschutzkappenhalterung (9), wobei die Lichtbogenplasmabrenner- Düsenschutzkappenhalterung (9)-Aufnahme (11) als ein Lichtbogenplasmabrenner-Isolierteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist.
- Anordnung aus einer Lichtbogenplasmabrenner-Elektrode (2) und einer Lichtbogenplasmabrenner-Düse (4), wobei zwischen der Lichtbogenplasmabrenner-Elektrode (2) und der Lichtbogenplasmabrenner-Düse (4) ein als ein Lichtbogenplasmagasführungsteil (3) ausgebildetes Lichtbogenplasmabrenner-Isolierteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10 angeordnet ist.
- Anordnung aus einer Lichtbogenplasmabrenner-Düse (4) und einer Lichtbogenplasmabrenner-Düsenschutzkappe (8), wobei zwischen der Lichtbogenplasmabrenner-Düse (4) und der Lichtbogenplasmabrenner-Düsenschutzkappe (8) ein als ein Sekundärgasführungsteil (7) ausgebildetes Lichtbogenplasmabrenner-Isolierteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10 angeordnet ist.
- Anordnung aus einer Lichtbogenplasmabrenner-Düsenkappe (5) und einer Lichtbogenplasmabrenner-Düsenschutzkappe (8), wobei zwischen der Lichtbogenplasmabrenner-Düsenkappe (5) und der Lichtbogenplasmabrenner-Düsenschutzkappe (8) ein als ein Sekundärgasführungsteil (7) ausgebildetes Lichtbogenplasmabrenner-Isolierteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10 angeordnet ist.
- Lichtbogenplasmabrenner, insbesondere Lichtbogenplasmaschneidbrenner (1), umfassend mindestens ein Lichtbogenplasmabrenner-Isolierteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
- Lichtbogenplasmabrenner nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtbogenplasmabrenner-Isolierteil oder ein aus elektrisch nicht leitendem und Wärme gut leitendem Material bestehendes Teil desselben mindestens eine als Kontaktfläche fungierende Oberfläche, aufweist, die zumindest mit einer Oberfläche eines elektrisch gut leitenden Bauteils des Lichtbogenplasmabrenners in direktem Kontakt steht, wobei das elektrisch gut leitende Bauteil einen spezifischen elektrischen Widerstand von maximal 0,01 Ω∗cm aufweist.
- Lichtbogenplasmabrenner nach einem der Ansprüche 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtbogenplasmabrenner-Isolierteil ein Gasführungsteil ist.
- Lichtbogenplasmabrenner nach einem der Ansprüche 17 bis 19, gekennzeichnet, dass das Lichtbogenplasmabrenner-Isolierteil mindestens eine Oberfläche aufweist, die im Betrieb direkten Kontakt mit einem Kühlmedium hat.
- Lichtbogenplasmabrenner, insbesondere Lichtbogenplasmaschneidbrenner (1), umfassend mindestens eine Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 16.
- Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem thermischen Plasma oder zum Lichtbogenplasmaschneiden oder zum Lichtbogenplasmaschweißen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtbogenplasmabrenner nach einem der Ansprüche 16 bis 21 eingesetzt wird.
- Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass in den Lichtbogenplasmabrenner zusätzlich zum Plasmastrahl ein Laserstrahl eines Lasers eingekoppelt wird.
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