ПЛАЗМОТРОН Российский патент 2017 года по МПК B23K10/00 

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 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.

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.