DE3787804T2 - Elektrodenstruktur für einen plasmabrenner vom non-transfer-typ. - Google Patents
Elektrodenstruktur für einen plasmabrenner vom non-transfer-typ.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Elektrodenstruktur eines Plasmabrenners vom Nichttransfer-Typ, der zum Plasmaschneiden, Plasmajetschweißen, Plasmaheizen und anderen Behandlungen von Materialien einsetzbar ist.
- Ein Plasmabrenner mit ähnlichen Merkmalen wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der JP-A-48-79593 bekannt.
- Eine bekannte Elektrodenstruktur eines Plasmabrenners vom Nichttransfer-Typ ist in der JP-A-48-7867 offenbart.
- Bei der vorbekannten Elektrodenstruktur des Plasmabrenners vom Nichttransfer-Typ ist eine stangenartige Kathode aus Wolfram oder ähnlichen Metallen in einer Position angeordnet, die einer Mittellinie eines Kathodenhalters entspricht. Vor dem Kathodenhalter ist ein relativ kleiner Freiraum vorhanden, durch welchen eine eine Anode bildende Düse gegenüberliegend von der stangenförmigen Kathode angeordnet ist und fest in einem Anodenhalter montiert ist. Im Betrieb wird zuerst ein Pilotbogen zwischen der stangenförmigen Kathode und der die Anode bildenden Düse gebildet. Nach dem Pilotbogen folgt ein Hauptbogen, so daß es nicht möglich ist, den Freiraum zwischen der stangenförmigen Kathode und der Düse zu groß zu machen. Das heißt, der Freiraum ist auf eine solche Größe begrenzt, daß eine elektrische Hochfrequenzentladung über den Freiraum stattfinden kann.
- Wie vorstehend beschrieben, ist bei dem bekannten Plasmabrenner der Freiraum zwischen der stangenförmigen Kathode und der die Anode bildenden Düse relativ klein. Folglich ist die Spannung der Hauptbogenentladung ebenfalls klein und im wesentlichen in einem Bereich von 20 bis 40 V. Um allerdings den von der Düse ausgegebenen Plasmajet zu verstärken, ist eine Erhöhung des Stroms der elektrischen Entladung notwendig. Wird der Strom der elektrischen Ladung vergrößert, wird Joulsche-Wärme sowohl in der stangenförmigen Kathode als auch in der die Anode bildenden Düse produziert, durch die deren Lebensdauer erheblich vermindert wird. Insbesondere wird die Lebensdauer der Düse durch auf sie auftreffende Entladungselektronen verkürzt.
- Da zusätzlich bei dem bekannten Plasmabrenner die sowohl in der stangenförmigen Kathode als auch in der die Anode bildenden Düse gebildete Joulsche-Wärme sehr groß ist, wird eine große Menge der Eingangsenergie durch Kühlwasser abgeführt, wodurch sich ein erheblicher Energieverlust ergibt. Folglich weist der in dem bekannten Plasmabrenner erzeugte Plasmajet nur eine geringe Effektivität im Hinblick auf Energieersparnis auf.
- Weiterhin bewegt sich bei dem bekannten Plasmabrenner der auf der die Anode bildenden Düse gebildete Bogen irregulär auf einer inneren Wandfläche der Düse, wodurch der ausgegebene Plasmajet erheblich variiert, und es unmöglich ist, den Plasmajet zu stabilisieren.
- Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die der bekannten Elektrodenstruktur eines Plasmabrenners vom Nichttransfer-Typ inhärenten Probleme zu lösen, indem eine neue Elektrodenstruktur bereitgestellt wird, die eine Betriebscharakteristik mit geringem Strom und hoher Spannung aufweist und einen längeren elektrischen Entladungsweg gestattet.
- Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, einen stabilen Plasmabogen zu realisieren, indem verhindert wird, daß die Flußrate eines durch einen elektrischen Entladungsraum hindurchtretenden Arbeitsgases drastisch reduziert wird, selbst wenn eine Düsenöffnung der Düse verkleinert wird.
- Weiter liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Elektrodenstruktur eines Plasmabrenners vom Nichttransfer-Typ bereitzustellen, bei der die aus Kathode und Anode gebildeten Elektroden eine erheblich längere Lebensdauer aufweisen.
- Die vorgenannten Aufgaben werden bei einem Plasmabrenner vom Nichttransfer-Typ durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
- Demgemäß ergibt sich gemäß der Erfindung eine Elektrodenstruktur eines Plasmabrenners vom Nichttransfer-Typ, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die oben beschriebene Elektrodenstruktur weiterhin einen Anodensteuermagneten zur Steuerung eines elektrischen Entladungsbogens aufweist, der auch an der Anode angeordnet ist, wobei der Anodensteuermagnet aus einer elektromagnetischen Spule oder einem Permanentmagneten gebildet ist und koaxial auf einem äußeren Peripheriebereich der Anode so montiert ist, daß er zur Anode koaxial angeordnet ist. Weiterhin ist ein Kathodensteuermagnet vorgesehen, der ebenfalls aus einer elektromagnetischen Spule oder einem Permanentmagneten gebildet ist.
- Bei jedem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Elektrodenstruktur eines Plasmabrenners vom Nichttransfer-Typ wird eine Menge eines Arbeitsgases, die von dem Plasmabrenner durch eine verzweigte Öffnung für das Arbeitsgas abgegeben wird, vergrößert, auch wenn die Düsenöffnungsfläche der Plasmajetdüse für individuelle Anwendungen reduziert wird, wodurch es möglich wird zu verhindern, daß die Flußrate des durch den elektrischen Entladungsraum hindurchtretenden Arbeitsgases erheblich reduziert wird.
- Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der in den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele deutlich, wobei durch die Darstellung der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht begrenzt ist und zu diesem Zweck auf die weiteren Ansprüche verwiesen wird.
- Es zeigen:
- Fig. 1 einen Längsschnitt eines wichtigen Teils einer Ausführungsform der Elektrodenstruktur eines Plasmabrenners vom Nichttransfer-Typ der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 2 eine teilweise gebrochene Seitenansicht der Elektrodenstruktur des Plasmabrenners gemäß der Erfindung zum Feinschneiden;
- Fig. 3 eine teilweise gebrochene Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer bei der Elektrodenstruktur des Plasmabrenners gemäß der Erfindung verwendeten Kathode.
- Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung detailliert mit Bezug insbesondere auf Fig. 1 beschrieben. In einem Halter 1a ist eine zylindrische Kathode 1 von kleinem Durchmesser gehalten. Eine Zwischenelektrode 2, die symmetrisch zu ihrer eigenen Längsachse ausgebildet ist, ist axial gegenüberliegend zur Kathode 1 im Abstand "s" angeordnet. Eine Anode 3, die ebenfalls symmetrisch bezüglich ihrer eigenen Längsachse ist, ist an der Zwischenelektrode 2 über einen elektrischen Isolator 4 in einer der Kathode 1 gegenüberliegenden Anordnung befestigt. Eine Plasma-Jet-Düse 5 ist fixiert am Halter 1a in einer Position vor einem Vorderendebereich der Anode 3 montiert, wobei sie elektrisch von der Anode 3 isoliert ist. Durch die Düse 5 erstreckt sich axial eine Zentralbohrung 6, die sowohl durch die Zwischenelektrode 2 als auch die Anode 3 hindurchtritt und bis zur Kathode 1 reicht. Die Zentralbohrung 6 bildet einen elektrischen Entladungsraum. Eine elektrische Versorgungsquelle 7 ist mit der Kathode 1 über einen ihrer Anschlüsse verbunden, während sie sowohl mit der Zwischenelektrode 2 durch einen Schalter 8 als auch mit der Anode 3 durch einen weiteren Schalter 9 verbunden ist, wobei der Schalter 9 zum Schalter 8 in einer elektrischen Schaltung einer Ausführungsform des Plasmabrenners gemäß der vorliegenden Erfindung verschaltet ist.
- Ein Kathodensteuermagnet 10 zur Steuerung eines an der Kathode 1 erzeugten elektrischen Entladungsbogens ist durch eine elektromagnetische Spule oder einen Permanentmagneten gebildet, welche bzw. welcher koaxial in einem Bereich des Außenumfangs des die Kathode 1 haltenden Halters 1a angeordnet ist. Andererseits ist ein Anodensteuermagnet 11, der durch eine elektromagnetische Spule oder einen Permanentmagneten gebildet ist, koaxial auf einem Bereich des Außenumfangs der Anode 3 angeordnet.
- Nach Fig. 1 ist ein Innenraum einer zylindrischen Kammer 12 zur Aufnahme eines Arbeitsgases oder plasmabildenden Gases zwischen einem Vorerendebereich der Kathode 1, die von ihrem Halter 1a umschlossen ist, und der Zwischenelektrode 2 bestimmt. Die Kammer 12 weist eine Vielzahl von Arbeitsgas- Einlaßdüsen 13 in ihrem Umfangsbereich auf. Diese Düsen 13 sind so in Richtung der Kammer 12 geöffnet, daß ein Arbeitsgaswirbel in der Kammer 12 gebildet ist. Eine Abzweigöffnung 14 für das Arbeitsgas ist im Plasmabrenner an einer Stelle zwischen der Anode 3 und der Plasma-Jet-Düse 5 gebildet, wobei die Öffnung zum Außenraum geöffnet ist. Sowohl die Plasma-Jet-Düse 5 als auch die verzweigte Öffnung 14 des Arbeitsgases sind in ihrer Öffnungsfläche veränderlich, um sie für individuelle Anwendungen anzupassen.
- Bei Betrieb des Plasmabrenners gemäß der Erfindung mit der oben genannten Konstruktion, wird zuerst der Schalter 8 zwischen der Zwischenelektrode 2 und der elektrischen Versorgungsquelle 7 eingeschaltet, um eine hochfrequente elektrische Entladung zu erzeugen, die einen Pilotbogen in einer Position zwischen der Kathode 1 und der Zwischenelektrode 2 bildet. Der Pilotbogen erzeugt ein Plasma, daß sich zur Anode 3 bewegt. Nachdem das Plasma die Anode 3 erreicht, wird der andere Schalter 9, der mit dem Schalter 8 parallel verschaltet ist und zwischen der elektrischen Versorgungsquelle 7 und der Anode 3 angeschlossen ist, eingeschaltet, um einen Hauptbogen zwischen der Kathode 1 und der Anode 3 zu erzeugen. Auf diese Weise ist der Plasmabrenner für regulären Betrieb einsatzbereit. Der Pilotbogen wird sofort nach Bildung des Hauptbogens abgebaut, indem der zwischen Zwischenelektrode 2 und elektrischer Versorgungsquelle 7 angeordnete Schalter 8 ausgeschaltet wird. Zu diesem Zeitpunkt fließt das Arbeitsgas unter Bildung eines Wirbels in die Kammer 12 und tritt darauffolgend durch die Zentralbohrung 6 des Plasmabrenners in die Plasma-Jet-Düse 5, so daß das Arbeitsgas schließlich von der Düse 5 abgegeben wird. Unter den verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten des Plasmabrenners erfordert beispielsweise eine Anwendung beim Feinschneiden eine Reduzierung der Öffnungsfläche der Plasma-Jet-Düse 5. Dabei sei angemerkt, daß bei dem bekannten Plasmabrenner, wenn die Öffnungsfläche der Plasma-Jet-Düse 5 reduziert wird, der Strömungswiderstand der auf diese Weise reduzierten Öffnungsfläche der Düse 5 proportional zum reduzierten Teil der Öffnungsfläche der Plasma-Jet-Düse 5 zunimmt. Im Gegensatz zu dem bekannten Plasmabrenner ergibt sich beim Plasmabrenner 5 gemäß der vorliegenden Erfindung, daß die Strömungsrate des durch den elektrischen Entladungsraum in der Anode 3 hindurchtretenden Arbeitsgases nicht drastisch abnimmt, da die verzweigte Öffnung 14 für das Arbeitsgas eine Zunahme der Flußrate des durch die verzweigte Öffnung 14 hindurchtretenden Arbeitsgases ermöglicht, wenn die Öffnungsfläche der Plasma-Jet-Düse 5 reduziert wird.
- Andererseits wird der elektrische Entladungsbogen oder das an der Kathode 1 des erfindungsgemäßen Plasmabrenners erzeugte Plasma durch den Kathodensteuermagnet 10 gesteuert, der koaxial in einem äußeren Umfangsbereich des Kathodenhalters 1a angeordnet ist, um eine lange Lebensdauer zu erhalten.
- Zusätzlich veranlaßt der Anodensteuermagnet 11, der koaxial auf der Anode 3 angeordnet ist, daß der auf der inneren Wandfläche der Anode 3 erzeugte elektrische Bogen dort entlang umfangsmäßig rotiert, so daß die Anode 3 eine erheblich längere Lebensdauer aufweist, und die Ausgabe des Plasmabrenners gemäß der vorliegenden Erfindung erheblich stabilisiert ist.
- Bei dem Plasmabrenner gemäß der Erfindung besteht nicht die Gefahr, daß die Düse 5 schnell erodiert und sich unter dem Einfluß von Joulscher-Wärmer deformiert, da die Anode 3 elektrisch von der Plasma-Jet-Düse 5 isoliert ist, wodurch es möglich ist, die Bildung eines langlebigen, stabilen Hochenergie-Plasmajets zu sichern.
- Fig. 2 zeigt ein Beispiel von Anwendungen der erfindungsgemäßen Elektrodenstruktur des Plasmabrenners zum Feinschneiden mit einem abgedichteten Becher 15, einer Arbeitsgasleitung 16, Kühlwassereinlaß- und Auslaßleitungen 17 und 18 und einem elektrischen Kabel 19 für den Pilotbogen. Die übrigen Bauteile des in Fig. 2 dargestellten Beispiels entsprechen denen des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
- Nach Fig. 3 ist es bei der Elektrodenstruktur der vorliegenden Erfindung möglich, das oben erwähnte zylindrische Säulenelement 1 von kleinem Durchmesser durch ein konkaves Säulenelement 1' zu ersetzen, das den gleichen Effekt wie das Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Fig. 1 hervorruft.
Claims (3)
1. Eine Elektrodenanordnung für eine Plasmafackel vom
Nichttransfertyp mit:
einem Halter (1a) zum Halten einer Kathode (1) von
zylindrischer Form mit kleinem Durchmesser in einer
Mitte eines Vorderendes des Halters (1a), wobei diese
symmetrisch bezüglich zu einer Längsachse des Halters
(1a) angeordnet ist;
einer Plasma-Jet-Düse (5), welche so auf dem Halter
(1a) fixiert ist, daß die Düse (5) eine Anode (3)
symmetrisch zu ihrer eigenen Längsachse hält;
einer Zwischenelektrode (2), die symmetrisch zu ihrer
eigenen Längsachse ist und zwischen der Kathode (1)
und der Anode (3) so angeordnet ist, daß die
Zwischenelektrode (2) von der Kathode (1) beabstandet
ist;
einem elektrischen Isolator (4), welcher zwischen der
Zwischenelektrode (2) und der Anode (3) angeordnet
ist, wodurch die Zwischenelektrode (2) von der Anode
(3) isoliert ist;
einer verzweigten Öffnung (14) für ein Arbeitsgas,
die (14) zwischen der Anode (3) und der Düse (5)
gebildet ist, wodurch eine Verbindung zwischen einem
elektrischen Entladungsraum (6) und einem Außenraum
hergestellt ist und wodurch die Anode (3) elektrisch
von der Düse (5) isoliert ist und der elektrische
Entladungsraum (6) entlang einer Längsachse der
Plasmafackel gebildet ist; und
einer elektrischen Schaltung mit einer
Schalteinrichtung (8), der zwischen der
Zwischenelektrode (2) und einer elektrischen
Spannungsversorgung (7) angeordnet ist, dadurch
gekennzeichnet, daß
sowohl die Plasma-Jet-Düse (5) und die verzweigte
Öffnung (14) in ihrer Öffnungsfläche für individuelle
Anwendungen variierbar sind; und
daß ein Kathodensteuermagnet (10) zur Steuerung eines
an der Kathode (1) erzeugten elektrischen oder
Plasmabogens vorgesehen ist, welcher koaxial auf
einem äußeren Umfangsbereich des die Kathode (1)
haltenden Halters (1a) angeordnet ist.
2. Eine Elektrodenanordnung für eine Plasmafackel vom
Nichttransfertyp nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Anodensteuermagnet (11), der
aus einer elektromagnetischen Spule oder einem
Permanentmagneten gebildet ist, koaxial auf einem
äußeren Umfangsbereich der Anode (3) angeordnet ist;
und
daß der Kathodensteuermagnet aus einer
elektromagnetischen Spule oder einem
Permanentmagneten gebildet ist.
3. Elektrodenanordnung einer Plasmafackel vom
Nichttransfertyp nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Arbeitsgas-
Einlaßdüsen (13) zur Zufuhr eines Arbeitsgases zum
elektrischen Entladungsraum (6) ausgebildet sind,
welche einen Wirbel des Arbeitsgases im elektrischen
Entladungsraum erzeugen.
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