Плазмотрон

Авторы патента:

B23K10/00 - Сварка или резка с использованием плазмы

Владельцы патента RU 2637548:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный архитектурно-строительный университет" (ТГАСУ) (RU)

Плазмотрон с эффективным охлаждением может найти применение в машиностроении при любых видах плазменной обработки материалов. Стенки полого корпуса плазмотрона с внутренней стороны изолированы термостойким материалом. Плазмотрон содержит также плазмообразующее сопло, катод с катододержателем и устройство для подвода плазмообразующего газа. Для охлаждения теплонагруженных элементов использованы тепловые трубки. Конец одной тепловой трубки установлен внутри катода и соединен с катодом. Другая тепловая трубка размещена в корпусе, и ее конец соединен с плазмообразующим соплом. Вторые концы указанных тепловых трубок выведены за пределы корпуса и соединены с радиаторами, которые помещены в бак с охлаждающей жидкостью. Зазоры между теплонагруженными элементами и тепловыми трубками заполнены теплопроводной термостойкой пастой. Охлаждение с помощью тепловых трубок упрощает конструкцию плазмотрона и снижает его габариты, одновременно обеспечивая высокую степень и скорость отвода тепла от теплонагруженных элементов. Интенсивный теплоотвод повышает ресурс работы, мощность и надежность плазмотрона. 1 ил.

Изобретение относится к плазменной обработке материалов и может найти применение при разработке и эксплуатации плазмотронов, предназначенных для термической обработки строительных материалов, сварке, резке металлов, получения порошков и плазменной обработки поверхностей.

Известно, что плазмотрон потребляет значительное количество электроэнергии, которая превращается в тепловую энергию. Эта энергия идет на нагрев сопла, эдектрододержателя, электрода, корпуса плазмотрона и других его деталей.

В известных существующих системах охлаждения плазмотрона используется вода, поступающая под давлением в теплонагруженные детали для отвода тепла от нагретых деталей плазмотрона. При этом расход воды достаточно велик. Так, например, рекомендуемый расход охлаждающей жидкости для воздушно-плазменной резки металлов плазмотронов типа ВПР-410 составляет 0,5 м³/ч.

Мощность и надежность плазмотронов определяется эффективностью охлаждения теплонагруженных элементов, а особенности выполнения системы охлаждения во многом определяют устройство, массу и габариты плазмотронов. В результате снижается ресурс плазмотрона в целом. Проблема, сопровождающая вышеперечисленные технологические процессы, - необходимость охлаждения отдельных деталей плазмотрона для увеличения срока службы плазмотрона.

Известен плазмотрон водно-пленочного внутреннего охлаждения по патенту на изобретение RU 2384984, МПК Н05Н 1/28; Н05Н 1/34, опубл. 20.03.2010. Он содержит корпус, электродную камеру с тангенциальными отверстиями, в которой размещен рабочий конец стержневого электрода, и холодильную камеру с отверстиями для подвода и отвода воды, расположенную соосно с электродной камерой в верхней части корпуса плазмотрона. С электродной камерой соединен сопловый газовый канал, имеющий двойную стенку. Между внутренней и наружной стенками газового канала образован канал водно-дисперсного охлаждения, который снизу сообщается с кольцевым коллектором, а сверху через кольцевую направляющую - с сопловым газовым каналом. Недостатком является сложность системы охлаждения.

Известен плазмотрон по патенту на изобретение RU 2058865, МПК В23К 10/00, опубл. 27.04.1996, который содержит полый корпус, защитное и плазмообразующее сопла, закрепленные соответственно на наружной и внутренней поверхностях корпуса. В корпусе установлен электродный узел с системой охлаждения. Между электродом и плазмообразующим соплом расположен изолятор. Корпус имеет штуцера с радиальными каналами для подвода и отвода охлаждающей жидкости в систему охлаждения. Система охлаждения включает диаметрально расположенные вертикальные каналы, засверленные с торца корпуса и заглушенные, и кольцевой канал, охватывающий плазмообразующее сопло в наиболее теплонагруженной части. Диаметрально расположенные каналы и кольцевой канал соединены проходными отверстиями, образованными пересечением боковых поверхностей этих каналов, по высоте равными высоте кольцевого канала и имеющими площадь, равную площади поперечного сечения соответствующего диаметрального канала. Плазмотрон по RU 2058865 позволяет повысить надежность и мощность плазмотрона за счет эффективного охлаждения теплонагруженных элементов (электродного узла и плазмообразующего сопла). Недостатком является сложность конструкции.

За прототип заявляемому плазмотрону принято устройство плазмотрона с продольной стабилизацией дуги (ru.wiki2.org>wiki / Файл: Плазмотрон_ipg), содержащее полый корпус (электродную камеру), плазмообразующее сопло и водяную систему охлаждения теплонагруженных элементов плазмотрона. Внутри корпуса установлен катод с катододержателем, а стенки корпуса с внутренней стороны изолированы термостойким материалом. С внешней стороны корпуса и плазмообразующего сопла выполнены каналы для повода и отвода охлаждающей воды. Со стороны плазмообразующего сопла каналы заглушены, а с противоположного соплу торца плазмотрона закреплены штуцера для подвода и отвода воды в каналы системы охлаждения и для подвода плазмообразующего газа в корпус плазмотрона. Водяная система охлаждения требует наличия дополнительных деталей и устройств: штуцеров, уплотнительных элементов, бака для жидкости, трубопроводов, насоса для перекачки жидкости, что усложняет конструкцию плазмотрона в целом. Недостатками плазмотронов с водяным охлаждением являются также значительный расход воды и сравнительно низкий ресурс работы (10-15 часов) теплонагруженных деталей.

Изобретение решает задачу увеличения ресурса работы плазмотрона при одновременном упрощении конструкции и габаритов плазмотрона.

Технический результат при реализации изобретения, позволяющий решить поставленную задачу, заключается в обеспечении высокой степени теплоотвода от теплонагруженных деталей плазмотрона, обусловленных эффектом тепловых трубок.

Задача с достижением указанного технического результата решается следующим образом.

Заявляемый плазмотрон с эффективным охлаждением теплонагруженных деталей, как и прототип, содержит полый корпус, стенки которого изолированы термостойким материалом, плазмообразующее сопло, катод с катододержателем, установленный в корпусе, устройство для подвода защитного и плазмообразующего газов и систему охлаждения.

В отличие от прототипа система охлаждения в заявляемом плазмотроне состоит из бака с охлаждающей жидкостью, внутри которого установлены радиаторы, и тепловых трубок. Одна из тепловых трубок размещена внутри катода и одним концом соединена с ним. Другая трубка размещена в корпусе и одним концом соединена с плазмообразующим соплом. Вторые концы тепловых трубок выведены за пределы корпуса и соединены с соответствующими радиаторами. Зазоры в месте соединения трубки с плазмообразующим соплом и в месте соединения тепловой трубки с катодом заполнены теплопроводной термостойкой пастой.

Изобретение явным образом не выявлено из уровня техники. Несмотря на простоту решения, не обнаружено среди источников информации систем охлаждения плазмотронов, выполненных из тепловых трубок. Не известно плазмотронов, в которых тепловые трубки соединены с катодом и плазмообразующим соплом. Это подтверждает наличие «изобретательского уровня» у заявляемого плазмотрона.

Преимущества предлагаемой конструкции плазмотрона заключаются в высокой скорости теплоотвода, отсутствии насоса для охлаждающей жидкости, исключении уплотнений и упрощении деталей плазмотрона, т.е. предлагается принципиально новый подход к охлаждению плазмотрона.

Надежный отвод тепла от электрода и сопла обеспечивается хорошим тепловым контактом одного конца тепловой трубки с радиатором, опущенным в бак с охлаждающей жидкостью.

Предлагаемая система охлаждения плазмотрона позволяет существенно упростить конструкцию плазмотрона за счет исключения отдельных деталей системы охлаждения при водяном охлаждении и обеспечения высокой скорости теплопередачи за счет применения тепловых трубок.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

На чертеже схематично изображен плазмотрон с эффективным охлаждением.

Плазмотрон содержит полый корпус 1, внутренние стенки которого изолированы термостойким материалом. Внутри корпуса 1 установлен в катододержателе катод 2. Для охлаждения теплонагруженных деталей плазмотрона использованы тепловые трубки 3, 6. Конец тепловой трубки 3 установлен внутри катода 2 и соединен с ним. Зазор в месте соединения тепловой трубки 3 с катодом 2 заполнен термостойкой пастой 4. Конец тепловой трубки 6 соединен с плазмообразующим соплом 5, а зазор в месте их соединения тоже заполнен термостойкой пастой 4. В качестве термостойкой пасты 4 могут быть использованы, например, пасты марки НОМАКОН КПТД - 3 или КПТД - 5. Вторые концы тепловых трубок 3, 6 выведены за пределы корпуса 1 и соединены с радиаторами, которые помещены в бак с охлаждающей жидкостью (радиаторы и бак на чертеже не показаны).

Плазмотрон работает следующим образом.

Плазмотрон подключается к источнику питания плазменной дуги. Подается защитный и плазмообразующий газы в соответствующие сопла (не показаны). Теплоотвод от плазмообразующего сопла 5 и катода 2 осуществляют промышленно изготовляемыеми тепловыми трубками 3 и 6, которые соединены одним концом к интенсивно нагреваемым деталям, а другим концом прикреплены с хорошим теплопроводящим контактом к радиаторам охлаждения. С целью повышения интенсивности процесса охлаждения плазмотрона радиаторы охлаждения помещают в бак с охлаждающей жидкостью.

Тепловая трубка представляет собой герметизированную и частично заполненную легкокипящей жидкостью трубку. При нагреве одного из концов трубки теплоноситель испаряется и интенсивно поглощает теплоту. Конденсируясь у другого конца трубки, который имеет меньшую температуру, теплоноситель отдает теплоту. Движение пара осуществляется за счет разности давлений насыщенного пара концов трубки. Обратное движение жидкости теплоносителя происходит под действием силы тяжести, либо по капиллярным сосудам. Скорость теплопередачи - звуковой предел. Ресурс работы тепловой трубки составляет от 20 до 100 тыс. часов. Тепловые трубки бывают двух видов: гладкостенные и с пористым наполнителем внутри. Использование последних более предпочтительно, т.к. они могут работать практически в любом положении, поскольку жидкость возвращается в зону испарения по его порам под действием капиллярных сил. Применение тепловых трубок обеспечивает интенсивную теплопередачу, повышает ресурс работы плазмотрона.

Реализация исполнения предлагаемой конструкции не вызывает затруднений у специалистов данной области. Он может быть многократно реализован с достижением технического результата.

Плазмотрон, содержащий полый корпус, стенки которого с внутренней стороны изолированы термостойким материалом, плазмообразующее сопло, катододержатель с катодом, установленный в корпусе, устройство для подвода защитного и плазмообразующего газов и систему охлаждения, отличающийся тем, что система охлаждения состоит из бака с охлаждающей жидкостью, внутри которого установлены радиаторы, и тепловых трубок, при этом одна из тепловых трубок размещена внутри катода и одним концом соединена с ним, а другая трубка размещена в корпусе и одним концом соединена с плазмообразующим соплом, при этом вторые концы тепловых трубок выведены за пределы корпуса и соединены с соответствующими радиаторами, а зазоры в месте соединения трубки с плазмообразующим соплом и в месте соединения тепловой трубки с катодом заполнены теплопроводной термостойкой пастой.

Изобретение относится к области плазменной техники. Предложен электрод для использования в горелке для сварки плазменной дугой.

Парожидкостной плазмотрон // 2596570

Изобретение относится к парожидкостному плазмотрону. На металлическом трубчатом корпусе закреплен резервуар для рабочей жидкости, заполненный влаговпитывающим материалом.

Способ плазменной обработки металлов // 2595185

Изобретение относится к способу плазменной обработки металлов, такой как сварка, резка и наплавка. Для питания рабочей сжатой дуги на плазмообразующее сопло-анод подают положительный потенциал относительно обрабатываемого материала.

Универсальная машина тепловой резки и зачистной инструмент для нее // 2594547

Изобретение может быть использовано для термической резки металлов с помощью малогабаритной машины тепловой резки со сменными резаками для газовой и плазменной резки, обеспечивающей также зачистку и маркировку поверхности вырезаемых деталей красящим составом с помощью сменных инструментов.

Плазмотрон // 2584367

Изобретение относится к плазмотронам. Плазмотрон содержит корпус 1, изоляционную втулку 2, сопло 3, электрод 4, размещенный в конической полости 18 электрододержателя 5, завихритель 17 с канавками и газоподводящим каналом 6, направленным в кольцевую конусообразную полость 7, где установлен многоступенчатый газодинамический фильтр 8 (ГДФ), выполненный в виде двух расположенных соосно один за другим дефлекторов - непроницаемый дефлектор 9 и перфорированный дефлектор 10 и трех кольцевых камер - кольцевая цилиндрическая камера 11, кольцевая распределительная камера 12 и кольцевая вихревая камера 13.

Плазменная горелка // 2564534

Изобретение относится к области плазменной техники. Плазменная горелка содержит каскад между катодом и анодом.

Электрод для плазменной горелки с новым способом сборки и улучшенной теплопередачей // 2556875

Изобретение относится к области плазменной техники. Электрод для дуговой плазменной горелки содержит наружную стенку в целом цилиндрической формы, торцевую стенку и выступ.

Способ плазменной резки заготовки посредством установки плазменной резки и пульсирующего электрического тока // 2542158

Изобретение относится к способу плазменной резки заготовки посредством установки плазменной резки, которая содержит источник струи плазмы и плазменную горелку, которая имеет электрод и форсунку, которая содержит небольшой зазор от электрода на нижнем конце плазменной горелки для образования между ними плазменной камеры.

Установка плазменного нанесения покрытий и способ покрытия или обработки поверхности подложки // 2536818

Изобретение относится к области плазменного нанесения покрытий. Установка плазменного нанесения покрытий или обработки поверхности подложки (3) содержит рабочую камеру (2), которая является вакуумируемой и в которой может быть размещена подложка (3) и плазменная горелка (4) для создания плазменной струи (5) нагреванием технологического газа, причем плазменная горелка (4) имеет сопло (41), через которое плазменная струя (5) может выходить из плазменной горелки (4) и простираться вдоль продольной оси (А) в рабочей камере (2).

Сопло плазменной горелки, охлаждаемой жидкостью, а также головка плазменной горелки с соплом // 2533187

Изобретение относится к области плазменной техники. Сопло для плазменной горелки, охлаждаемой жидкостью, содержит сверление сопла для выхода струи плазменного газа на конце сопла, первый участок, внешняя поверхность которого выполнена цилиндрической, и примыкающий к нему, к концу сопла второй участок, внешняя поверхность которого суживается по направлению к концу сопла конически, причем предусмотрена/предусмотрены, по меньшей мере, одна канавка подвода жидкости и/или, по меньшей мере, одна канавка отвода жидкости и продолжаются через второй участок во внешней поверхности сопла (4) по направлению к концу сопла и причем канавка подвода жидкости или, по меньшей мере, одна из канавок подвода жидкости и/или канавка отвода жидкости или, по меньшей мере, одна из канавок отвода жидкости также продолжается/продолжаются через часть первого участка, а в первом участке находится, по меньшей мере, одна канавка, сообщающаяся с канавкой подвода жидкости или, по меньшей мере, с одной из канавок подвода жидкости или с канавкой отвода жидкости или, по меньшей мере, с одной из канавок отвода жидкости.

Устройство для термической резки труб // 2643756

Изобретение относится к области термической резки труб на трубосварочных агрегатах. Устройство содержит основание, перемещаемую по направляющим основания тележку с парой ходовых колес и с жестко закрепленной на ней стойкой, несущей перемещаемую в радиальном направлении каретку с плазменным резаком, привод вращения плазменного резака и привод перемещения тележки. Устройство также снабжено установленными на тележке симметрично относительно ее вертикальной оси на консольных концах дополнительными ходовыми колесами и боковыми роликами. Боковые ролики, образующие базовую опорную поверхность, расположены с одной стороны тележки, а боковые ролики, фиксирующие положение тележки относительно основания, расположены с другой стороны тележки на валах с эксцентриситетом. Плазменный резак установлен на оси в опорах и снабжен приводом поворота относительно вертикальной оси каретки, при этом на одной из опор установлен фиксатор угла наклона резака. Использование изобретения позволяет повысить качество резки, уменьшить отходы металла и увеличить производительность. 8 ил.

Электродуговой плазмотрон // 2646858

Изобретение относится к области плазменной техники. . Электродуговой плазмотрон имеет корпус, в котором соосно установлены изолированные друг от друга водоохлаждаемые электроды - анод и катод. Между ними находится узел ввода плазмообразующего газа. Канал анода состоит из конфузора и диффузора, выполненных в форме усеченных конусов, которые сопряжены своими верхними основаниями. Переход между конусами выполнен тороидальным с радиусом образующей окружности r=4…8 мм. Углы при вершинах конусов конфузора и диффузора равны соответственно α=80°…96° и β=38°…48°. Диаметр наименьшего сечения канала равен D=15…18 мм. Катод представляет собой медную водоохлаждаемую обойму с тугоплавкой вставкой и имеет на конце форму усеченного конуса с углом при вершине γ<α. Катод установлен так, что его конический участок располагается в конфузоре анода, а торец его тугоплавкой вставки находится внутри тороидального перехода. Узел ввода плазмообразующего газа представляет собой изоляционную втулку, расположенную над обоймой катода перед входом в канал анода. Втулка имеет не менее двух рядов отверстий диаметром d=0,4…0,6 мм. Каждый ряд содержит не менее 12 отверстий, распределенных равномерно по окружности. Оси отверстий проходят через продольную ось плазмотрона и наклонены к этой оси под углом δ=(45…60)°. Технический результат - увеличение рабочего тока плазмотрона до 2000 А, повышение производительности процесса центробежного распыления, увеличение ресурса работы электродов плазмотрона в среднем до 300 ч, обеспечение стабильной работы плазмотрона в диапазоне силы тока от 700 до 2000 А. 2 ил., 2 пр.

Способ плазменной резки заготовок // 2647959

Изобретение относится к способу плазменной резки заготовок. Для осуществления резки используют горелку плазменной резки, содержащую по меньшей мере корпус горелки, электрод и сопло. В процессе резки плазменную струю наклоняют или отклоняют, по меньшей мере перед проходом по краю заготовки, под углом δ относительно оси, расположенной перпендикулярно поверхности заготовки, так что положение истечения плазменной струи от заготовки расположено на расстоянии в направлении перемещения подачи, которое составляет не более половины величины, обеспечиваемой в случае, когда плазменная струя падает перпендикулярно поверхности заготовки. В результате обеспечивают качество поверхности при плазменной резке, не требующей какой-либо дополнительной обработки. 14 з.п. ф-лы, 10 ил.