Охлаждающие сопла для плазменной горелки и сопуствующие системы и способы
Изобретение относится к соплу для дуговой плазменной горелки. Сопло может включать первый корпус, в котором имеется первый конец, второй конец и продольная ось, и второй корпус, расположенный вокруг первого корпуса и сопрягающийся с первым корпусом. При этом второй корпус образует набор каналов на внутренней поверхности, форма которой обеспечивает образование набора проходов для жидкости между первым корпусом и вторым корпусом. Причем второй корпус по меньшей мере частично определяет наличие по меньшей мере одного впуска и по меньшей мере одного выпуска для этого набора проходов для жидкости. Техническим результатом является повышение безопасности процесса эксплуатации плазменной горелки за счет отсутствия необходимости устранения использованной загрязненной воды, которую можно рассматривать как опасные отходы. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится, в общем, к системам для обработки материалов, более конкретно, к охлаждающим соплам для плазменной горелки и сопутствующим системам и способам.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Дуговые плазменные горелки широко используются для резки и маркировки металлических материалов. Обычно, дуговая плазменная горелка включает корпус горелки, электрод (т.е. катод), установленный в корпусе, каналы для охлаждающей и дугогасящей текучих сред, завихритель для регулирования структуры потока текучих сред, сопло (т.е. анод) с центральным выпускным отверстием, электрические соединения и источник питания. Горелка образует плазменную дугу, которая, как считается, представляет собой ионизированную струю высокотемпературного плазменного газа с большой кинетической энергией. Также может быть применен экран для подведения потока защитного газа к области, ближайшей к плазменной дуге. Газы, используемые в горелке, могут быть химически неактивными (например, аргон или азот) или активными (например, кислород или воздух).
Во время работы сначала между электродом и соплом генерируется вспомогательная дуга. Вспомогательная дуга ионизирует газ, проходящий через выпускное отверстие сопла. Поскольку ионизированный газ уменьшает электрическое сопротивление между электродом и обрабатываемым изделием, дуга переносится с сопла на обрабатываемое изделие. Горелка может работать в этом режиме плазменной дуги прямого действия, который характеризуется проводящим потоком ионизированного газа от электрода к обрабатываемому изделию, при резке обрабатываемого изделия.
Охлаждающие расходные материалы (например, сопло) дуговой плазменной горелки с охлаждающей жидкостью (например, водой) могут обеспечивать преимущества как с точки зрения безопасности, так и эксплуатационных качеств. Без охлаждения жидкостью расходные материалы могут нагреваться до очень высокой температуры, что создает угрозу безопасности во время работы. Охлаждающие системы без потерь позволяют использовать сухую плазму и отрезной стол без орошения. Использование отрезного стола без орошения может быть желательным из-за большей упорядоченности и отсутствия необходимости устранения использованной/загрязненной воды, которую можно рассматривать как опасные отходы.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В некоторых аспектах, сопло для дуговой плазменной горелки может включать: первый корпус, имеющий первый конец, второй конец и продольную ось; и второй корпус, расположенный вокруг части первого корпуса и сопрягаемый с первым корпусом, при этом, второй корпус образует набор каналов на внутренней поверхности, форма которой обеспечивает образование набора проходов для жидкости между первым корпусом и вторым корпусом, при этом, второй корпус, по меньшей мере частично, образует, по меньшей мере, один впуск и, по меньшей мере, один выпуск для этого набора проходов для жидкости.
Описываемые варианты осуществления изобретения могут включать один или несколько из следующих признаков.
В некоторых вариантах осуществления изобретения набор проходов для жидкости образует контур охладителя. Второй корпус может быть образован из электроизоляционного материала. В некоторых вариантах осуществления изобретения наружная поверхность второго корпуса определяет наличие набора кольцевых каналов, первый кольцевой канал этого набора соединен жидкостной связью, по меньшей мере, с одним впуском, второй кольцевой канал этого набора соединен жидкостной связью, по меньшей мере, с одним выпуском. Набор каналов может обуславливаться набором направляющих поток элементов вдоль внутренней поверхности второго корпуса с целью определения, по меньшей мере, части проходов для жидкости. Первый корпус может быть осесимметричным относительно продольной оси. Набор проходов для жидкости может включать, по меньшей мере, один кольцевой проход, при этом, по меньшей мере, один кольцевой проход образован на конце набора каналов, образованных на внутренней поверхности. Второй корпус может включать электроизоляционную часть. В некоторых вариантах осуществления изобретения сопла могут включать жидкостное уплотнение, образованное между первым корпусом и вторым корпусом.
В некоторых аспектах, сопла дуговых плазменных горелок с жидкостным охлаждением могут включать первый корпус, в котором имеется дальний конец, ближний конец и центральная ось; и оболочку, образованную из неэлектропроводного материала, расположенную вокруг части первого корпуса, при этом, первый корпус и оболочка вместе определяют траекторию потока жидкости, обеспечивающей направление потока охладителя между первым корпусом и оболочкой.
Описываемые варианты осуществления изобретения могут включать один или несколько из следующих признаков.
В некоторых вариантах осуществления изобретения неэлектропроводный материал может включать пластмассу. Оболочка может быть, по существу, полностью изготовлена из неэлектропроводного материала. Оболочка может быть частично изготовлена из электропроводного материала. Оболочка может включать покрытие из неэлектропроводного материала. Траектория потока жидкости может определяться одним или несколькими элементами, отходящими от внутренней поверхности оболочки. Первый корпус и оболочка могут соединяться друг с другом защелкиванием. Оболочка может ограничивать дугообразование между соплом и смежным экраном.
В некоторых аспектах, сопла дуговых плазменных горелок с жидкостным охлаждением могут включать проводящий корпус, в котором имеется первый конец, второй конец и продольная ось; второй корпус, изготовленный из неэлектропроводного материала, расположенный вокруг части проводящего корпуса, при этом, второй корпус включает: внутреннюю поверхность, форма которой сопрягается с проводящим корпусом так, что образуется набор проходов для жидкости, составляющих контур жидкостного охлаждения между проводящим корпусом и вторым корпусом; наружную поверхность, образующую набор кольцевых каналов, при этом впуск в контур жидкостного охлаждения, по меньшей мере частично, образован в первом кольцевом канале из этого набора, и выпуск из контура жидкостного охлаждения, по меньшей мере частично, образован во втором кольцевом канале из этого набора, при этом, первый кольцевой канал расположен ближе в продольном направлении ко второму концу, чем второй кольцевой канал.
В некоторых аспектах, сопла дуговых плазменных горелок с жидкостным охлаждением могут включать первый корпус, в котором имеется первый конец, второй конец и продольная ось, при этом, первый корпус включает наружный осевой установочный фланец, который имеет ближнюю поверхность, сопрягающуюся с корпусом горелки, и противоположную дальнюю поверхность, открытую потоку жидкого охладителя; и второй корпус, расположенный вокруг части первого корпуса, при этом, второй корпус включает: наружную поверхность, образующую набор кольцевых каналов, при этом, по меньше мере, один впуск в контур жидкостного охлаждения, по меньшей мере частично, образован в первом кольцевом канале этого набора, и, по меньшей мере, один выпуск из контура жидкостного охлаждения, по меньшей мере частично, образован во втором кольцевом канале этого набора, при этом, дальняя поверхность установочного фланца и первый кольцевой канал вместе образуют впуск.
Описываемые варианты осуществления изобретения могут включать один или несколько из следующих признаков.
В некоторых вариантах осуществления изобретения первый кольцевой канал расположен ближе в продольном направлении ко второму концу, чем второй кольцевой канал. Первый кольцевой канал и второй кольцевой канал могут быть разделены кольцевым фланцем, отходящим от наружной поверхности второго корпуса. По меньшей мере, один впуск может охватывать от, примерно, 5 процентов до, примерно, 35 процентов окружности второго корпуса. Первый кольцевой канал также может определяться установочным фланцем. В некоторых вариантах осуществления изобретения осевая длина первого кольцевого канала характеризуется большей осевой длиной, чем осевая длина второго кольцевого канала.
В некоторых аспектах, сопла дуговых плазменных горелок с жидкостным охлаждением могут включать первый корпус, в котором имеется передний конец, задний конец и продольная ось, при этом, первый корпус включает наружный осевой установочный фланец, расположенный между передним концом и задним концом, при этом, наружный осевой установочный фланец имеет наибольший диаметр сопла и имеет заднюю поверхность, непосредственно согласующую сопло с корпусом горелки, тем самым, позиционируя выпускное отверстие сопла относительно электрода, установленного в корпусе горелки, и переднюю поверхность, которая образует, по меньшей мере, часть впускного прохода канала охладителя; и оболочку, расположенную вокруг части первого корпуса и вместе с первым корпусом образующую герметичный передний конец, при этом, первый корпус и оболочка вместе определяют наличие канала охладителя между первым корпусом и оболочкой.
Описываемые варианты осуществления изобретения могут включать один или несколько из следующих признаков.
В некоторых вариантах осуществления изобретения первый корпус и второй корпус вместе определяют наличие канала вокруг периметра сопла для обеспечения потока охладителя вокруг и, затем, внутрь оболочки. Оболочка может определять наличие впуска охладителя и выпуска охладителя на ее заднем конце. Первый корпус может определять наличие ступенчатого элемента на его переднем конце. Красным кругом ниже показан этот ступенчатый элемент. Ступенчатый элемент может вступать в контакт с передним концом оболочки, задавая осевую длину канала охладителя. В некоторых вариантах осуществления изобретения, сопло также включает уплотняющий элемент, расположенный на герметичном переднем конце, с целью удерживания охладителя в канале охладителя.
Описываемые варианты осуществления изобретения могут иметь одно или несколько из следующих преимуществ.
Описанные в настоящем документе системы и способы, в которых применено многокомпонентное (например, двухкомпонентное, трехкомпонентное и т.д.) сопло, могут быть использованы для выполнения разреза лучшего качества на протяжении срока службы сопла и уменьшения себестоимости производства по сравнению с некоторыми традиционными системами. Как описано в настоящем документе, многокомпонентное сопло может быть использовано для подвода охладителя ближе к центральной области сопла (например, к внутреннему отверстию сопла, через которое проходит плазма), благодаря чему, вследствие улучшенного охлаждения, могут быть оптимизированы размеры отверстия и параметры функционирования. Например, в обычных соплах плазменных горелок с жидкостным охлаждением (например, механизированных) охладитель находится на некотором расстоянии от внутреннего отверстия сопла (например, охладитель поступает только на наружные поверхности, удаленные в осевом направлении от выпускного отверстия сопла), поэтому могут возникать затруднения в отведении тепла от этой области с целью ограничения износа и повреждения вследствие накопления тепла в сопле. Вследствие несовершенного охлаждения в некоторых традиционных конструкциях, эти условия обуславливают ограничение проектных решений и размеров внутреннего отверстия сопла, приводя к ненадлежащему соотношению качества разреза и срока службы.
Описанные в настоящем документе системы и способы позволяют достичь улучшенного охлаждения сопла, следовательно, размеры внутреннего отверстия сопла (т.е., плотность тока дуги) могут быть выбраны в соответствии с заданной скоростью резки и требованиями, предъявляемыми к резке без окалины, например, в результате улучшенного охлаждения. В некоторых случаях, эти системы и способы также могут удовлетворять целевому соотношению качества разреза и срока службы для процессов резки, разрабатываемых дизайнерами и производителями систем плазменной резки в настоящее время.
Кроме того, в некоторых аспектах описанные в настоящем документе системы и способы, в которых применено многокомпонентное сопло, в котором наружный компонент включает направляющие поток элементы, определяющие наличие внутренних проходов для охладителя, и где внутренний компонент, вообще, является осесимметричным, могут быть проще и/или дешевле в производстве, чем некоторые другие традиционные сопла, например, те, в которых направляющие поток элементы определяются вдоль внутреннего компонента. Например, в некоторых соплах внутренний компонент обычно изготавливают из материала, желательного с точки зрения электрических и тепловых параметров, такого как медь. Тогда как наружный компонент, описываемый в настоящем документе, предназначенный, прежде всего, для направления потока охладителя, а не обеспечения электрических свойств сопла, может быть изготовлен из различных материалов и произведен любым из разнообразных способов, которые могут не подходить для использования во внутреннем компоненте с точки зрения стоимости. В некоторых случаях, способы производства, применяемые для изготовления наружных компонентов, могут включать ранее не используемые способы или способы, ранее признанные непригодными для изготовления расходных материалов для плазменной резки. Например, наружные компоненты, которые могут включать асимметричные элементы, могут быть изготовлены путем формования (например, инжекционного формования пластмасс), холодного формования, литья, трехмерной печати и т.д. Тем самым, может быть уменьшено число элементов внутреннего компонента сопла, подлежащих изготовлению (например, механической обработке), уменьшено время обработки и количество отходов (например, медной стружки). Это может быть особенно благоприятно потому, что внутренний компонент, обычно, является компонентом, который во время использования претерпевает наибольшее тепловое и электрическое напряжение, приводящее к разрушению материала и отказам. Кроме того, устранение направляющих поток элементов из внутреннего компонента может способствовать уменьшению количества производственных отходов используемых материалов, которые могут образовываться при срезании материала со внутреннего компонента. Вместо этого, наружные компоненты могут иметь более сложную геометрию благодаря материалам, которые допускают применение более желательных процессов обработки.
Кроме того, в некоторых аспектах, описанные в настоящем документе системы и способы, в которых применен наружный компонент, который может быть изготовлен (полностью или частично) из неэлектропроводного материала, могут быть использованы для ограничения дугообразования между соплом и смежным экраном, благодаря чему уменьшается потребность в дополнительных компонентах для электрического разделения сопла и экрана. В результате, системы и способы, описанные в настоящем документе, позволяют уменьшить стоимость и сложность горелок, в которых они применены.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 представляет собой вид в поперечном разрезе примерной дуговой плазменной горели с двухкомпонентным соплом, определяющим наличие внутренних траекторий потока охладителя.
Фиг. 2 представляет собой вид в перспективе примерного двухкомпонентного сопла, определяющего наличие траекторий потока охладителя между внутренним компонентом и наружным компонентом.
Фиг. 3 представляет собой вид в перспективе наружной поверхности примерного внутреннего компонента двухкомпонентного сопла.
Фиг. 4 представляет собой вид в перспективе внутренней поверхности примерного наружного компонента двухкомпонентного сопла, на котором показаны траектории потока охладителя.
Фиг. 5 представляет собой вид в поперечном сечении примерного наружного компонента двухкомпонентного сопла, на котором показаны направляющие поток элементы, определяющие наличие траекторий потока охладителя.
Фиг. 6 представляет собой вид в перспективе примерного внутреннего компонента двухкомпонентного сопла с направляющими поток элементами вдоль его наружной поверхности.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
В некоторых аспектах, сопло дуговой плазменной горелки может быть образовано из множества компонентов, включая внутренний компонент и наружный компонент, между которыми образуются одна или несколько траекторий потока жидкого охладителя с целью охлаждения сопла. В некоторых случаях, траектории потока охладителя определяются элементами, отходящими от внутренней поверхности наружного компонента. В некоторых случаях, наружный компонент может быть изготовлен из электроизоляционного материала, такого как пластмасса.
Как показано на фиг. 1, технологическая головка 100 устройства для обработки материалов, такого как дуговая плазменная горелки (например, дуговая плазменная горелка с жидкостным охлаждением), может включать корпус 102 технологической головки и множество расходных компонентов, прикрепленных с возможностью отсоединения к корпусу 102 технологической головки. Например, расходные компоненты могут включать сопло 200, экран 300, фиксирующий экран колпачок 400 и электрод 500. Как показано на чертеже, сопло 200 может включать множество компонентов, в том числе внутренний компонент 210 и наружный компонент 250. Дуговая плазменная горелка может быть электрически подключена к источнику питания (не показан) (например, при помощи токоподводящего кабеля (не показан)) с целью подачи электрического тока. Электрический ток, подаваемый от источника питания, передается по линии тока через электрод 500 к соплу 200.
Во время работы газ (например, газ плазмы) направляется в приточную область, образованную между электродом 500 и соплом 200. Газ плазмы может быть ускорен (например, газ плазмы может быть нагрет, в результате чего уменьшается плотность газа при образовании плазмы, что увеличивает ее объем и скорость) в приточной области с целью создания потока плазмы через плазменную дугу, возбуждаемую между электродом 500 и соплом 200.
Экспериментальные исследования показали, что температура сопла во время работы плазменной горелки может оказывать существенное влияние на срок службы электрода и сопла. Следовательно, усиленное охлаждение может быть эффективным с точки зрения продления срока службы электрода и/или сопла. Охлаждение может быть достигнуто путем направления охладителя (например, жидкого охладителя, такого как вода) вдоль поверхностей электрода и/или сопла. Поток охладителя через эти элементы (например, электрод или сопло) может быть направлен вдоль внутренней и/или наружной поверхностей в одном или нескольких различных контурах охладителя. Как описано в настоящем документе, охлаждение дуговой плазменной горелки может быть обеспечено путем направления одного или нескольких потоков жидкого охладителя по различным каналам, имеющимся в сопле.
Как показано на фиг. 2-6, например, в некоторых вариантах осуществления изобретения сопло 200 включает первый корпус (например, внутренний компонент) 210, в котором имеется передний, дальний первый конец 211А, задний, ближний второй конец 211В и продольная ось 211С. Внутренний компонент 210 может иметь конструкцию, обеспечивающую соединение его ближнего конца 211В с корпусом 102 горелки. Например, внутренний компонент 210 может включать установочный элемент (например, наружный осевой установочный фланец) 212, предназначенный для соединения (например, прямого соединения) с корпусом 102 горелки, или другой стыковочный компонент, расположенный на корпусе горелки, такой как завихритель. В некоторых случаях, установочный фланец 212 определяет наибольшую ширину сопла. Наружный установочный фланец 212 может определять наличие ближней поверхности 213, предназначенной для сопряжения с корпусом горелки. Наружный установочный фланец 212 может быть использован для позиционирования сопла в горелке по оси. Осевое выравнивание сопла в горелке может задавать положение выпускного отверстия сопла относительно электрода 500, а также экрана 300. Ближняя сторона установочного фланца 212 также может определять наличие радиального установочного элемента 215, который может облегчать позиционирование сопла в корпусе горелки, в целом, по центру. Например, радиальный установочный элемент 215 может представлять собой ступенчатый элемент.
Противоположная дальняя поверхность 214 фланца 212 может быть открыта для потока жидкого охладителя, например, подаваемого для охлаждения сопла, как описано ниже. Как описано ниже, дальняя поверхность 214 фланца, открытая для потока охладителя, может быть предназначена для приема жидкого охладителя, подаваемого из корпуса горелки, распределения охладителя по периметру сопла и его подачи (например, подачи охладителя, по существу, равномерно) в один или несколько впусков 204 охладителя сопла.
Внутренний компонент может включать, по существу, цилиндрическую часть 220 корпуса (показано на фиг. 3), вокруг которой может располагаться наружный компонент 250. В некоторых вариантах осуществления изобретения дальний конец 211А проходит в продольном направлении над наружным компонентом 250. По существу, цилиндрическая часть 220 корпуса предназначена для охлаждения потоком жидкого охладителя, подводимого к ней. В некоторых вариантах осуществления изобретения внутренний компонент 210 может быть, по существу, осесимметричным относительно продольной оси 211С. Собственно, сопло может быть установлено для использования в горелке во множестве, по существу, бесконечном множестве положений, отличающихся угловой ориентацией. Такая гибкость установки позволяет облегчить и ускорить установку сопла и его использование в горелке. Кроме того, использование, по существу, симметричного внутреннего компонента, вообще, не имеющего осесимметричных направляющих поток элементов, позволяет упростить (например, облегчить, удешевить) производство внутреннего компонента по сравнению со случаем, в котором он бы включал один или несколько отдельных направляющих поток элементов вокруг своей наружной поверхности. Кроме того, устранение направляющих поток элементов из внутреннего компонента позволяет сократить количество производственных отходов используемых материалов (например, меди), которые обычно более дороги, чем другие материалы, которые могут быть использованы для изготовления других компонентов, такие как пластмасса или менее дорогие металлы, такие как латунь или сталь. Например, отсутствие осесимметричных каналов потока на внутренних компонентах позволяет уменьшить количество производственных отходов и сократить время обработки за счет отсутствия механического срезания материала для получения таких осевых каналов потока.
Сопло также включает второй корпус (например, наружный компонент, оболочку) 250 (показано на фиг. 4), расположенный вокруг, по меньшей мере, части первого корпуса 210. Наружный компонент 250 обычно определяет наличие набора каналов 252 потока, образующихся вдоль внутренней поверхности 254. Каналы 252 потока имеют форму, сопряженную (например, вступающую в контакт) с поверхностью внутреннего компонента 210 с образованием набора проходов для жидкости между внутренним компонентом 210 и наружным компонентом 250. Наружный компонент 250 определяет наличие, по меньшей мере, одного впуска 204 проходов для жидкости между внутренним и наружным компонентами и, по меньшей мере, одного выпуска 206 (показано на фиг. 2) проходов для жидкости между внутренним и наружным компонентами. Во время охлаждения горелки охладитель (например, жидкий охладитель) может поступать в сопло 200 через впуск 204, течь по проходам для жидкости, тем самым, охлаждая компоненты сопла (особенно внутренний компонент 210) и вытекать из сопла через выпуск 206. Таким образом, проходы для жидкости образуют в сопле контур охладителя, создавая замкнутый (например, без потерь) контур охладителя, из которого охладитель не может выходить на дальнем конце 211А сопла. Проходы для жидкости определяют наличие траектории между первым корпусом/внутренним компонентом 210 и наружным компонентом/вторым корпусом 250 сопла 200, по этой траектории жидкость направляется вдоль поверхностей компонентов 210 и 250, близлежащего дальнего конца 211А, проходит возле выпускного отверстия для плазмы и через области максимальной температуры, испытываемой соплом 200. Наличие охладителя вблизи выпускного отверстия увеличивает срок службы и параметры функционирования расходных компонентов.
Сопло может включать любое число впусков и выпусков, которое зависит от требований к охлаждению и конструкции проходов для жидкости. Например, в некоторых вариантах осуществления изобретения, сопло может включать один впуск 204 и один выпуск 206. В некоторых случаях, один впуск и один выпуск могут располагаться друг относительно друга на противоположных сторонах (по окружности) сопла. Например, впуск и выпуск могут располагаться под углом, примерно, 180 градусов друг от друга относительно продольной оси 211С. В некоторых вариантах осуществления изобретения сопло может включать множество впусков 204 и множество выпусков 206. Например, сопло может включать два впуска 204 и два выпуска 206. Впуски и выпуски могут быть распределены равномерно вокруг сопла так, чтобы два впуска 204 находились на противоположных сторонах сопла, два выпуска 206 находились на противоположных сторонах сопла, и каждый впуск располагался под углом, примерно, 90 градусов от соседнего выпуска. При таком расположения поток свежего охладителя (поступающий в сопло) находится на расстоянии от использованного/нагретого потока охладителя, который уже прошел через сопло и выходит из него. В некоторых вариантах осуществления изобретения впуск 204 и выпуск 206 могут отстоять друг от друга в осевом направлении так, что либо впуск 204, либо выпуск 206 находится ближе к выходному отверстию сопла, чем соответствующий ответный элемент.
Форма и конфигурация впусков и выпусков могут быть выбраны с целью регулирования различных характеристик потока, входящего и выходящего из сопла. В некоторых вариантах осуществления изобретения, по меньшей мере, один выпуск 204 может иметь размер, предусматривающий образование одного или нескольких отверстий, которые охватывают от, примерно, 5 процентов до, примерно, 35 процентов (например, от, примерно, 22 процентов до, примерно, 25 процентов) окружности наружного компонента 250. В некоторых вариантах осуществления изобретения, по меньшей мере, один выпуск 206 может иметь размер, предусматривающий образование одного или нескольких отверстий, которые охватывают от, примерно, 5 процентов до, примерно, 35 процентов (например, от, примерно, 22 процентов до, примерно, 25 процентов) окружности наружного компонента 250. Как показано на фиг. 2, в некоторых вариантах осуществления изобретения, по меньшей мере, один впуск 204 может иметь форму прорезей с шириной вдоль окружности 204W, которая больше, чем осевая длина 204L. Например, ширина вдоль окружности впусков 204 может составлять, примерно, 80 градусов, а осевая длина может составлять, примерно, 0,06 дюйма (например, около 1,52 мм). Кроме того, в некоторых вариантах осуществления изобретения, по меньшей мере, один выпуск 206 может иметь форму прорезей с шириной вдоль окружности 206W, которая больше, чем осевая длина 206L. Например, ширина вдоль окружности выпусков 206 может составлять, примерно, 90 градусов, а осевая длина может составлять, примерно, 0,063 дюйма (например, около 1,6 мм).
Наружная поверхность наружного компонента может определять наличие набора кольцевых каналов 256 вокруг периметра сопла, которое может вступать в контакт с другими компонентами горелки с целью упрощения работы горелки, например, обеспечения потока жидкости в сопло 200 и из него. В некоторых вариантах осуществления изобретения первый кольцевой канал 258 соединен жидкостной связью, по меньшей мере, с одним впуском 204, второй кольцевой канал 259 соединен жидкостной связью, по меньшей мере, с одним выпуском 206. В некоторых случаях, первый кольцевой канал 258 также определяется установочным фланцем 212. Первый кольцевой канал 258 и второй кольцевой канал 259, обычно, разделены кольцевым фланцем 261, отходящим от наружной поверхности второго корпуса. Кольцевой фланец 261 может ограничивать или предотвращать случайное обходное течение охладителя через сопло непосредственно во второй кольцевой канал 259 и его поступление в корпус 102 горелки через выпуск охладителя/траекторию выхода. В некоторых вариантах осуществления изобретения, дополнительно или в качестве альтернативы кольцевому фланцу 261, разделяющему первый кольцевой канал 258 (и впуск 204) и второй кольцевой канал 259 (и впуск 206), наружный компонент может включать уплотняющий элемент, расположенный между первым кольцевым каналом и вторым кольцевым каналом. Например, уплотняющий элемент может включать уплотнительное кольцо или плотно прилегающие поверхности фланца 261 и смежного компонента, такого как фиксирующий колпачок или завихритель.
Размер и конфигурация кольцевых каналов могут изменяться в зависимости от необходимых траекторий потоков в сопло и из сопла. В некоторых вариантах осуществления изобретения первый кольцевой канал 258, соединенный со впуском 204, может располагаться ближе в продольном направлении к ближнему концу 211В, чем второй кольцевой канал 259, соединенный с выпуском 206. В некоторых вариантах осуществления изобретения дальняя поверхность 214 установочного фланца 212 вместе с первым кольцевым каналом 258 образуют впуск 204. Первый кольцевой канал 258 может иметь осевую длину 258L и радиальную глубину 258D. Второй кольцевой канал 259 может иметь осевую длину 259L и радиальную глубину 259D. В некоторых вариантах осуществления изобретения осевая длина 258L первого кольцевого канала 258 больше, чем осевая длина 259L второго кольцевого канала 259.
В некоторых вариантах осуществления изобретения каналы 252 потока и соответственно образующиеся проходы для жидкости определяются направляющими поток элементами 260 вдоль внутренней поверхности наружного компонента. В обычных соплах направляющие поток элементы находятся на наружных поверхностях компонентов, так как при этом существенно упрощается доступ к ним и механическая обработка при изготовлении, тогда как к внутренним поверхностям, как известно, доступ затруднен, поэтому их обработка намного сложнее. Как показано на чертежах, направляющие поток элементы 260 могут включать рельефные выступы или фланцы, отходящие внутрь от внутренней поверхности. В некоторых вариантах осуществления изобретения направляющие поток элементы 260 могут иметь форму осевых полос, в целом, параллельных продольной оси 211С. Направляющие поток элементы 260 могут иметь радиальную высоту 262, которая соответствует радиальной ширине зазора, образующегося между внутренним и наружным компонентами, соединенными друг с другом. Например, радиальная высота 262 вдоль осевой длины направляющего поток элемента 260 может быть достаточно большой для того, чтобы предотвращать поток охладителя между направляющим поток элементом 260 и внутренним компонентом 210 в область направляющего поток элемента 260. В некоторых случаях направляющий поток элемент 260 может определяться радиальной высотой 262, которая соответствует наружному профилю внутреннего компонента 210 так, что между направляющим поток элементом 260 и внутренним компонентом 210 образуется уплотнение из прилегающих друг к другу поверхностей. Сопла, описанные в настоящем документе, могут включать любое число направляющих поток элементов 260 в зависимости от числа используемых впусков и выпусков. Например, на фиг. 4 показан вариант осуществления изобретения, в котором наружный компонент 250 включает четыре направляющих поток элемента 260, которые могут направлять поток жидкого охладителя между двумя впусками и двумя выпусками. Между тем на фиг. 5 показан пример, в котором наружный компонент 250 включает два направляющих поток элемента (для ясности показан только один элемент, так как фиг. 5 представляет собой вид в поперечном сечении), который может направлять поток между впуском и выпуском.
В некоторых вариантах осуществления изобретения набор проходов для жидкости включает, по меньшей мере, один кольцевой проход (например, кольцевой канал потока) 264, образующийся между внутренним компонентом 210 и наружными компонентом 250, охватывающий часть или всю окружность сопла 200. Кольцевой проход 264 может быть образован на конце набора каналов 252, имеющихся на внутренней поверхности. Кольцевой проход 264 также может частично определяться внутренним компонентом 210. Кольцевой проход 264 может обеспечивать область, в которой охладитель, протекающий в осевом направлении к дальнему концу 211С, может изменять направление течения, огибая направляющий поток элемент 260 и возвращаясь к ближнему концу 211В и выходу через выпуск 206 сопла.
Сопло обычно включает уплотнение 230, образованное между внутренним компонентом 210 и наружным компонентом 250, которое способствует удержанию жидкости в проходах для жидкости внутри сопла. Жидкостное уплотнение может ограничивать (например, предотвращать) вытекание жидкости из дальнего конца. Уплотнение может соответствовать любой из разнообразных технологий уплотнения, включая кольцевое уплотнение или прилегающие друг к другу поверхности. В некоторых вариантах осуществления изобретения внутренний компонент 210 может включать или определять наличие на его переднем конце ступенчатого элемента 217, который предназначен для вступления в контакт с передним концом наружного компонента 250 с образованием уплотнения. Ступенчатый элемент также может быть использован для задания осевой длины между внутренним компонентом 210 и наружным компонентом 250 и осевой длины канала охладителя.
Компоненты сопла 200 могут быть изготовлены из любого из множества различных конструкционно и по электрическим параметрам пригодных материалов. Например, внутренний компонент 210 может быть изготовлен из проводящего металлического материала, такого как медь. Наружный компонент 250 может быть изготовлен из различных материалов в зависимости от предполагаемых параметров функционирования. В некоторых вариантах осуществления изобретения наружный компонент 250 может быть изготовлен из металлического материала, такого как латунь или медь.
В некоторых вариантах осуществления изобретения наружный компонент 250 может быть изготовлен, по меньшей мере частично, из неэлектропроводного (например, электроизоляционного) материала. Наружный компонент 250, изготовленный, по меньшей мере частично, из неэлектропроводного материала, может способствовать ограничению дугообразования между соплом 200 и смежным экраном 300. В некоторых случаях, наружный компонент 250 может включать, по меньшей мере, одну часть (например, наружное покрытие) из неэлектропроводного материала. В некоторых случаях, наружный компонент 250 может быть, по существу, изготовлен из неэлектропроводного материала по всей его толщине (например, по существу, полностью изготовлен из неэлектропроводного материала). В некоторых вариантах осуществления изобретения неэлектропроводный материал может включать пластмассу. В некоторых случаях, пластмасса может включать полиэфирэфиркетон (polyether ether ketone - PEEK).
Многокомпонентное сопло 200 может быть собрано несколькими различными путями. Например, в некоторых вариантах осуществления изобретения внутренний компонент 210 и наружный компонент 250 могут быть напрессованы друг на друга. Запрессовка может быть использована, например, в тех вариантах осуществления изобретения, в которых оба компонента изготовлены из металлических материалов, таких как медь или латунь. В некоторых случаях, внутренний компонент 210 может быть изготовлен из медного материала, а наружный компонент 250 может быть изготовлен из латунного материала.
В некоторых вариантах осуществления изобретения внутренний компонент 210 и наружный компонент 250 могут соединяться друг с другом защелкиванием. Защелкивающееся соединение может быть использовано, например, в тех вариантах осуществления изобретения, в которых эти компоненты изготовлены из разных материалов, например, внутренний компонент 210 изготовлен из металлического материала, такого как медь, а наружный компонент 250 изготовлен из иного, более гибкого материала, такого как пластмасса. В некоторых вариантах осуществления изобретения наружный компонент 250 может включать один или несколько элементов, предназначенных для облегчения соединения защелкиванием. Например, на дальнем конце наружный компонент 250 может иметь область 266 зацепления с меньшим диаметром, образующую радиальный контакт со внутренним компонентом. То есть, наружный компонент 250 может включать область зацепления с меньшим диаметром в форме периферической кромки 266, вступающей в контакт с внутренним компонентом.
Хотя системы и способы в настоящем документе, в целом, были описаны и проиллюстрированы как имеющие внутренний компонент, по существу, осесимметричный, и наружный компонент, имеющий асимметричные направляющие поток элементы, определяющие наличие траекторий потока жидкого охладителя, также возможны другие варианты осуществления изобретения. Например, в качестве альтернативы или дополнительно, как показано на фиг. 6, внутренний компонент 310 может включать один или несколько направляющих поток элементов 360, которые определяют наличие каналов потока между внутренним компонентом и наружным компонентом. Если не указано иное, направляющие поток элементы 360 и каналы потока, образуемые направляющими поток элементами 360, могут включать подобные или такие же элементы и свойства, что и направляющие поток элементы 260 внутреннего компонента 210. Например, направляющие поток элементы 360 могут иметь радиальную высоту 362, которая соответствует внутреннему профилю наружного компонента так, что между направляющим поток элементом 360 и наружным компонентом образуется уплотнение из прилегающих поверхностей. Другие элементы внутреннего компонента 310 также могут быть подобными или теми же, что и внутреннего компонента 210.
Хотя в настоящем документе были описаны различные варианты осуществления изобретения, следует понимать, что они представлены и описаны только для примера и не ограничивают прилагаемую формулу изобретения какими-либо конкретными конфигурациями или конструкционными компонентами. Таким образом, объем охраны предпочтительного варианта осуществления изобретения не должен ограничиваться какой-либо из описанных выше примерных конструкций или вариантов осуществления, напротив, его следует определять только в соответствии с прилагаемой формулой изобретения и ее эквивалентами.
1. Сопло для дуговой плазменной горелки с жидкостным охлаждением, при этом сопло включает:
проводящий корпус, имеющий первый конец, второй конец и продольную ось;
второй корпус, изготовленный из неэлектропроводного материала, расположенный вокруг части проводящего корпуса, при этом второй корпус включает:
внутреннюю поверхность, форма которой сопрягается с проводящим корпусом так, что образуется набор проходов для жидкости, составляющих контур жидкостного охлаждения между проводящим корпусом и вторым корпусом; и
наружную поверхность, определяющую наличие набора кольцевых каналов, при этом впуск в контур жидкостного охлаждения, по меньшей мере частично, образован в первом кольцевом канале из этого набора и выпуск из контура жидкостного охлаждения, по меньшей мере частично, образован во втором кольцевом канале из этого набора, при этом первый кольцевой канал расположен ближе в продольном направлении ко второму концу, чем второй кольцевой канал.
2. Сопло для дуговой плазменной горелки с жидкостным охлаждением, содержащее:
первый корпус, имеющий первый конец, второй конец и продольную ось, при этом первый корпус включает наружный осевой установочный фланец, который имеет ближнюю поверхность, сопрягающуюся с корпусом горелки, и противоположную дальнюю поверхность, открытую потоку жидкого охладителя; и
второй корпус, расположенный вокруг части первого корпуса, при этом второй корпус включает:
наружную поверхность, образующую набор кольцевых каналов, при этом, по меньше мере, один впуск в контур жидкостного охлаждения, по меньшей мере частично, образован в первом кольцевом канале этого набора и, по меньшей мере, один выпуск из контура жидкостного охлаждения, по меньшей мере частично, образован во втором кольцевом канале этого набора,
при этом дальняя поверхность установочного фланца и первый кольцевой канал вместе образуют впуск.
3. Сопло по п. 2, в котором первый кольцевой канал расположен ближе в продольном направлении ко второму концу, чем второй кольцевой канал.
4. Сопло по п. 2, в котором первый кольцевой канал и второй кольцевой канал разделены кольцевым фланцем, отходящим от наружной поверхности второго корпуса.
5. Сопло по п. 2, в котором, по меньшей мере, один впуск охватывает от примерно 5 процентов до примерно 35 процентов окружности второго корпуса.
6. Сопло по п. 2, в котором первый кольцевой канал также образован установочным фланцем.
7. Сопло по п. 6, в котором осевая длина первого кольцевого канала характеризуется большей осевой длиной, чем осевая длина второго кольцевого канала.
8. Сопло для дуговой плазменной горелки с жидкостным охлаждением, включающее:
первый корпус, имеющий передний конец, задний конец и продольную ось, при этом первый корпус включает наружный осевой установочный фланец, расположенный между передним концом и задним концом, при этом наружный осевой установочный фланец имеет наибольший диаметр сопла и имеет заднюю поверхность, непосредственно согласующую сопло с корпусом горелки, тем самым позиционируя выпускное отверстие сопла относительно электрода, установленного в корпусе горелки, и переднюю поверхность, которая образует, по меньшей мере, часть впускного прохода канала охладителя; и
оболочку, расположенную вокруг части первого корпуса и вместе с первым корпусом образующую герметичный передний конец, при этом первый корпус и оболочка вместе образуют канал охладителя между первым корпусом и оболочкой.
9. Сопло по п. 8, в котором первый корпус и второй корпус вместе образуют канал вокруг периметра сопла для обеспечения потока охладителя вокруг и затем внутрь оболочки.
10. Сопло по п. 8, в котором оболочка образует впуск охладителя и выпуск охладителя на ее заднем конце.
11. Сопло по п. 8, в котором первый корпус образует ступенчатый элемент на его переднем конце.
12. Сопло по п. 11, в котором ступенчатый элемент вступает в контакт с передним концом оболочки, задавая осевую длину канала охладителя.
13. Сопло по п. 8, дополнительно включающее уплотняющий элемент, расположенный на герметичном переднем конце, с целью удерживания охладителя в канале охладителя.
