Die Erfindung betrifft eine Elektrode mit eingesetztem Kühlrohr für einen Plasma-Lichtbogenbrenner nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Plasma-Elektrode mit eingesetztem Kühlrohr ist beispielsweise mit dem Gegenstand der EP 2 082 622 B1 oder WO 2010/115397 A+ bekannt geworden. Auf die dortige Offenbarung und die Funktionsweise eines Plasma-Lichtbogenbrenners wird Bezug genommen. Sie soll vollumfänglich von der Offenbarung der vorliegenden Erfindung umfasst sein.

Beim Betrieb von Plasma-Lichtbogenbrennern besteht das Problem, dass der an der Vorderseite des Elektrodenkörpers in einem Elektrodenkernhalter angeordnete Elektrodenkern einer bis zu 1500 °C erreichenden Arbeitstemperatur ausgesetzt ist. Aus diesem Grund muss der Elektrodenkörper der Plasma-Elektrode ausreichend gekühlt werden. Dies wird nach dem Gegenstand der EP 2 082 622 B1 dadurch bewerkstelligt, dass in die als hohlzylindrischer Elektrodenkörper ausgebildete Plasma-Elektrode ein ebenfalls hohlzylindrisches Kühlrohr eingesetzt ist, das im Vor- und Rücklauf von einem Kühlmittelstrom durchflossen ist. Der Kühlmittelstrom wird durch die zentrale Innenbohrung des Kühlrohres nach vorne in Richtung auf den Elektrodenkernhalter des Elektrodenkörpers geleitet, wo er am Grund des Elektrodenkörpers umgelenkt wird und an der Außenseite des Kühlrohres und am Innenumfang des Elektrodenkörpers wieder zurückfließt.

Das Kühlrohr ist einer beträchtlichen Wärmeausdehnung ausgesetzt, und es muss dafür gesorgt werden, dass es nicht bei seiner Wärmeausdehnung den Kühlmittelstrom unterbricht. Zu diesem Zweck schlägt die EP 2 082 622 B1 vor, die vordere Stirnseite des Kühlrohres, die nächst dem Elektrodenkernhalter sitzt, mit einem Abstandshalter zu versehen.

Der Abstandshalter ist am Grund des Elektrodenkörpers als einlegbare Scheibe oder als sich kreuzende Stäbe ausgebildet und soll eine Anschlagfläche für das vordere Ende des Kühlrohres am Elektrodenkörper ausbilden.

Nachteil dieses bekannten Abstandshalters ist jedoch, dass er als gesondertes Teil in den Elektrodenkörper eingelegt oder eingepresst werden muss, was mit erhöhtem Aufwand verbunden ist.

Weiterer Nachteil ist, dass er nicht Teil des Kühlrohres ist und nicht an der Längenausdehnung des Kühlrohrs teilnimmt, womit die Gefahr besteht, dass das vordere Ende des Kühlrohres abdichtend auf dem Abstandshalter aufsitzt und hiermit der Kühlmittelstrom beeinträchtigt ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Plasma-Elektrode für einen Plasma-Lichtbogenbrenner der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass eine verbesserte Abstandshalterung für das Kühlrohr im Innenraum des hohlzylindrischen Elektrodenkörpers gewährleistet ist.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruches 1 gekennzeichnet.

Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass das Kühlrohr - auch wenn es in eine Längsverschiebung erfährt, stets in seine hintere, elektrodenseitige Halterung zurück gedrückt wird. Dies erfolgt durch den Druck des auf das Kühlrohr wirkenden Kühlmediums und am Kühlrohr angeordnete Druckflügel.

Auf diese Weise wird eine optimale Umströmung des gesamten Elektrodenkernhalters und des dort auf eine Betriebstemperatur über 1000 °C aufgeheizten Elektrodenkern gewährleistet.

Es hat sich herausgestellt, dass eine optimale Führung des Kühlmittelstromes - unabhängig von temperaturbedingten Längenänderungen des Kühlrohres - dann erfolgt, wenn die Abstandsscheibe nicht abstandshaltend an der vorderen Stirnfläche des Elektrodenkernhalters der Plasma-Elektrode anliegt.

Es sollte also möglichst dafür gesorgt werden, dass das Kühlrohr nach hinten in Richtung auf seine hintere Halterung zurückgezogen bleibt und die Abstandsscheibe nur im Bedarfsfall mit ihrer Anschlagfläche an der zugeordneten, gegenüberliegenden Anschlagfläche des Elektrodenkernhalters zur Anlage kommt.

Um dies zu erreichen, wird nach dem zweiten Merkmal der Erfindung beansprucht, dass eine selbsttätige Rückzugkraft auf das Kühlrohr wirkt, welche Rückzugkraft - in Richtung auf die rückseitige Halterung des Kühlrohrs - durch den Kühlmittelstrom selbst ausgeübt wird.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass im Rücklaufkanal, der am Außenumfang des Kühlrohres und am Innenumfang der hohlzylindrischen Bohrung des Elektrodenkörpers gebildet ist, Druckflügel angeordnet sind, die mit dem Außenumfang des Kühlrohres verbunden sind.

Weil diese Druckflügel im Rücklaufkanal liegen, werden sie von dem zurücklaufenden Kühlmedium beströmt und drücken das Kühlrohr in Richtung seiner Längsachse gegen seine hintere, elektrodenseitige Befestigung, die als Schraub- oder Steckbefestigung ausgebildet sein kann.

Damit wird ein eventuelles axiales Spiel in der Schraub- oder Steckbefestigung zwischen dem Kühlrohr und dem Elektrodenkörper aufgehoben, weil das Kühlrohr bedingt durch den Druck des Kühlmediums und durch die im Rücklaufkanal angeordneten Druckflügel stets mit einer gleichbleibenden Vorspannungskraft in seiner elektrodenseitigen Halterung gepresst wird.

Damit wird das Kühlrohr immer stets nach hinten in seine elektrodenseitige Halterung gedrückt und die vordere, dem Anschlag an dem Elektrodenkernhalter dienende Abstandsscheibe wird von dem Elektrodenkernhalter abgehoben und bleibt in einem bestimmten Abstand von diesem Elektrodenkernhalter.

Durch diese Abstandsbildung fließt das Kühlmittel auch über die Stirnseite des Elektrodenkernhalters, weil die Abstandsscheibe einen bestimmten Spalt zu dieser Stirnseite des Elektrodenkernhalters einnimmt und somit einen optimierten Kühlmittelstrom über den Elektrodenkernhalter erlaubt.

Die im Rücklaufkanal angeordneten Druckflügel, die entweder werkstoffeinstückig oder lösbar mit dem Außenumfang des Kühlrohrs verbunden sind, können gerade ausgebildet sein, also mit ihren Flügelflächen senkrecht im Kühlmittelstrom liegen, sodass eine zusätzliche zirkulare Wirbelströmung im Rücklauf-Kühlkanal vermieden wird.

In diesem Fall wird auch eine gerade, in Längsrichtung auf das Kühlrohr gegen die Befestigung des Kühlrohrs im Elektrodenkörper gerichtete Kraftkomponente auf das Kühlrohr erzeugt. Damit wird die Gewindeschraubverbindung in axialer Richtung vorgespannt.

Wenn hingegen in einer Weiterbildung dieser Ausführungsform die Druckflügel noch angeschrägt bezüglich der Längsachse der Kühlmittelströmung sind, strömt das im Rücklauf zurückströmende Kühlmedium spiralförmig stromabwärts der Druckflügel in Richtung auf den Kühlmittelauslass zurück, wodurch neben der geraden, in axialer Richtung des Kühlrohres erzeugten Kraftkomponente noch eine drehende (zirkuläre) Kraftkomponente auf das Kühlrohr erzeugt wird.

Die Drehrichtung dieser Kraftkomponente ist bevorzugt so gerichtet, dass eine eventuelle Gewindeschraubverbindung zwischen dem Kühlrohr und dem Elektrodenkörper im Sinne einer Verfestigung noch zusätzlich in Drehrichtung vorgespannt wird. Es kommt somit zu einer axialen und einer radialen Vorspannung der Gewindeschraubverbindung zwischen dem Elektrodenkörper und dem Kühlrohr.

Damit wird einerseits jegliches Spiel aus dieser Gewindeschraubverbindung entfernt, und andererseits wird diese Gewindeschraubverbindung noch zusätzlich in Festdrehrichtung drehend vorgespannt, wodurch noch eine zusätzliche Sicherung dieser Gewindeschraubverbindung erfolgt.

Bei solchen, in Strömungsrichtung des Rücklaufkanals angeschrägten Druckflügeln kann es auch vorgesehen sein, dass die Druckflügel nicht nur angeschrägt sind, sondern auch in der Art von Propellern eine stromabwärts der Druckflügel entstehende Wirbelströmung des Kühlmediums erzeugen, wodurch das Kühlmedium spiralförmig oder schraubenförmig um den Außenumfang des Kühlrohres geleitet wird, und hier einerseits das Kühlrohr - wie vorher angegeben - eine zusätzliche Drehkraft-Komponente erhält und der zurückströmende Kühlmittelstrom noch einen Drall erhält, der eine beschleunigte Abführung des Kühlmittelstromes aus dem Kühlmittelauslauf bewerkstelligt.

Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.

Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von mehrere Ausführungswege darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.

Es zeigen:

• Figur 1: Längsschnitt durch eine Plasma-Elektrode für einen Plasma-Lichtbogenbrenner in einer ersten Ausführungsform eines Kühlrohres
• Figur 2: die Stirnansicht auf das in Figur 1 im Schnitt dargestellte Kühlrohr mit Abstandsscheibe
• Figur 3: der Schnitt durch das Kühlrohr nach Figur 1 in einer abgewandelten Ausführungsform mit Darstellung weiterer Funktionen
• Figur 4: ein Schnitt durch den Elektrodenkörper gemäß Figur 1 in einer abgewandelten Ausführungsform
• Figur 5: eine perspektivische Ansicht eines Rings mit Druckflügeln
• Figur 6: die Stirnansicht auf das Kühlrohr in Höhe der in Figur 3 dargestellten Druckflügel
• Figur 7: eine gegenüber Figur 5 abgewandelte Ausführungsform von Druckflügeln
• Figur 8: eine perspektivische Darstellung eines Schraubrings mit Druckflügeln
• Figur 9: eine gegenüber den Figuren 5 und 6 abgewandelte Ausführungsform von Druckflügeln in der Art von Propellerflügeln
• Figur 10: eine gegenüber Figur 3 abgewandelte Ausführungsform eines Kühlrohres mit einer lösbar eingesetzten Abstandsscheibe
• Figur 11: perspektivische Darstellung der in Figur 8 lösbar eingesetzten Abstandsscheibe
• Fig. 12: ein Schnitt durch das vordere Ende des Kühlrohrs mit Darstellung eines Drahtes oder Stabes als Ersatz für die Abstandsscheibe
• Figur 13: ein Schnitt durch das vordere Ende des Kühlrohrs mit Darstellung mehrerer Drähte oder Stäbe als Ersatz für die Abstandsscheibe

Die folgenden Figuren 1 bis 5 der vorliegenden Erfindung dienen nur zur allgemeinen Erläuterung der Erfindung und sollen, insbesondere was die Abstandscheibe 13 in Alleinstellung betrifft, nicht am Schutzumfang teilnehmen.

In Figur 1 ist allgemein eine Plasma-Elektrode für einen Plasma-Lichtbogenbrenner dargestellt, wobei ein etwa hohlzylindrischer Elektrodenkörper 1 im Bereich eines Flansches 3 Dichtungen 2 trägt, mit denen er abdichtend in ein nicht näher dargestelltes Gehäuse eingesteckt ist. Die genaue Art der Befestigung ergibt sich aus der EP 2 082 622 B.

Der Elektrodenkörper 1 weist gemäß Figur 4 eine zentrische Innenbohrung 28 auf und bildet an seiner vorderen Seite einen etwa zylinderförmigen Elektrodenkernhalter 12, der werkstoffeinstückig mit dem übrigen Material verbunden ist.

Im Elektrodenkernhalter 12 ist ein Elektrodenkern 11 eingesetzt, der z. B. aus Hafnium besteht. Im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 erstreckt sich der Elektrodenkern 11 durch den gesamten Elektrodenkernhalter 12 hindurch, während im Ausführungsbeispiel nach Figur 4 der Elektrodenkern 11 kürzer ausgebildet ist.

Wichtig ist bei beiden Ausführungen nach Figur 1 und 4, dass der Elektrodenkernhalter 12 möglichst in seinem Querschnitt schmal ausgebildet ist und im Übrigen zylindrisch, um einen guten Fluss des Kühlmediums über seine Oberflächen zu gestatten, wie dies in Figur 1 dargestellt ist.

Das hintere Ende des Elektrodenkernhalters 12 bildet gemäß Figur 4 eine stirnseitige Anschlagfläche 26 für ein abstandshaltendes Mittel, welches im Kühlrohr 4 eingebaut ist.

Das Kühlrohr 4 besteht wiederum aus einem hohlzylindrischen Metall- oder Kunststoffkörper, in dessen Innenbohrung 34 (s. Figur 3) ein Kühlkanal 9 für den Durchfluss eines Kühlmediums vorgesehen ist, welches in Pfeilrichtung 10 in die Innenbohrung 34 einströmt.

Das Kühlrohr 4 weist an seinem hinteren Ende ein Schraubgewinde 7 auf und ferner eine Abdichtung mit einer Dichtung 6, die im Bereich eines Flansches 5 angeordnet ist.

Die Abdichtung mit der Dichtung 6 erfolgt in nicht näher dargestellter Weise dergestalt, dass ein in Pfeilrichtung 17 aus dem dem Rücklauf 8 dienenden Kühlkanal in einen zugeordneten Auslauf 18 einströmt und dort entnommen wird. Statt einer Schraubverbindung kann auch eine Steckverbindung vorgesehen sein.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass im Innenraum des Kühlrohres 4, im axialen Abstand von der vordersten Spitze 16, eine Abstandsscheibe 13 angeordnet ist, die im gezeigten Ausführungsbeispiel nach Figur 1 werkstoffeinstückig mit dem Material des Kühlrohres 4 ausgebildet ist. Sie wird bei der spanabhebenden Bearbeitung des Kühlrohres zusammen mit diesem hergestellt.

Die Abstandsscheibe 13 ist in Figur 2 in Draufsicht dargestellt. Sie besteht im Wesentlichen aus einem Mittenkreuz 19, welches werkstoffeinstückig mit dem Material des Kühlrohres 4 verbunden ist und aus einer Vielzahl von Durchflussausnehmungen 14 besteht, die im Zwischenraum zwischen den sich kreuzenden Balken des Mittenkreuzes 19 angeordnet sind.

Das Mittenkreuz 19 bildet eine zentrische Anschlagfläche 20, die der Anschlagfläche 26 des Elektrodenkernhalters 12 gemäß Figur 4 zugeordnet ist. Statt der jeden Quadranten des Mittenkreuzes begrenzenden Durchflussausnehmungen 14 können auch einzelne Durchflußbohrungen vorgesehen sein, die pro Quadrant aus einer oder mehreren Bohrungen bestehen..

Das in Pfeilrichtung 10 in den Vorlauf-Kühlkanal 9 einströmende Kühlmedium durchfließt demgemäß die Durchflussausnehmungen 14 in der Abstandsscheibe 13 und wird am vorderen Ende des Elektrodenkörpers 1 im Bereich einer Umkehrstrecke 15 umgeleitet und strömt dann am Außenumfang des Kühlrohres 3 über den dort angeordneten Kühlkanal 8 als Rücklauf wieder in Pfeilrichtung 17 zurück.

Die Strömungsverhältnisse sind in Figur 3 näher dargestellt.

Hierbei ist erkennbar, dass in der Umkehrstrecke 15 das Kühlmedium in Pfeilrichtung 21 umgelenkt wird und am Außenumfang des Kühlrohres 4 in Pfeilrichtung 22 zurückströmt und hierbei etwa nach 2/3 der Länge des Kühlrohres auf dort angeordneten Druckflügel 23 trifft.

Weil diese Druckflügel 23 gleichmäßig verteilt am Umfang des Kühlrohres angeordnet sind und im Kühlkanal 8 liegen, wird somit eine in Längsrichtung des Kühlrohres nach hinten, gegen dessen Schraubbefestigung 7 gerichtete Druckkraft 25 auf diese Schraubbefestigung ausgeübt. Es können ein, zwei oder mehrere Druckflügel vorhanden sein.

Die Figur 3 zeigt als abgewandeltes Ausführungsbeispiel den Fall, bei dem die Druckflügel 23 nicht als gerade Ansätze ausgebildet sind, sondern angeschrägt im Kühlkanal 8 liegen. Durch diese Anschrägung wird eine spiralförmige Wirbelströmung stromabwärts der Druckflügel 23 erzeugt, wodurch eine zusätzliche Rotationskomponente auf das Kühlrohr 4 ausgeübt wird und diese Rotationskomponente so gerichtet ist, dass die Schraubverbindung mit dem Schraubgewinde 7 verfestigt wird.

Die Figur 6 zeigt die Stirnansicht der gerade ausgebildeten Druckflügel 23a, die demgemäß nur eine gerade, axial gerichtete Druckkraft 25 in der in Figur 3 eingezeichneten Pfeilrichtung in Richtung auf die hintere Schraubverbindung mit dem Schraubgewinde 7 erzeugen.

Wenn hingegen in Figur 7 die Druckflügel 23a angeschrägt sind, wird eine Wirbelströmung 24 gemäß Figur 3 erzeugt.

Die Figur 5 zeigt, dass Druckflügel 23, 23, 23b, 23c, 23 d jeglicher Art auch am Außenumfang eines Rings 36 angeordnet sein können. Der Ring 36 kann als Steckring ausgebildet sein, der auf den Außenumfang des Kühlrohrs 4 aufgesteckt oder aufgerastet werden kann. Die Figur 8 zeig eine andere Ausführung des Rings 36, der mit einem Innengewinde 37 versehen ist, welches auf ein zugeordnetes Außengewinde auf dem Kühlrohr 4 aufgeschraubt werden kann.

Die Figur 9 zeigt als weitere Ausführungsform propellerförmige Druckflügel 23b, welche die Wirbelströmung 24 noch verstärken und ein in Schließrichtung gerichtetes Drehmoment 30 auf die Schraubverbindung mit dem Schraubgewinde 7 erzeugen.

In Figur 4 ist noch dargestellt, dass der Elektrodenkörper 1 seinerseits eine Schraubbefestigung 29 an seinem hinteren Ende trägt, mit dem er abdichtend in ein zugeordnetes Gehäuseteil des Plasma-Lichtbogenbrenners eingeschraubt ist. Stattdessen kann auch eine Steck- oder Klemmverbindung vorhanden sein.

Am Bohrungsgrund 27 des Elektrodenkörpers 1 wird somit die Umkehrstrecke 15 ausgebildet.

Die Figuren 10 und 11 zeigen eine lösbare Befestigung der Abstandsscheibe 13, wobei gleichmäßig am Umfang verteilt einzelne Abstandsnoppen 32 durch Materialverdrängung aus dem Material des Kühlrohres ausgebildet werden, und im Abstand davon weitere Rastnoppen 33, z. B. als drei gleichmäßig am Umfang verteilt angeordnete Rastnoppen, ausgebildet sein können, wodurch sich eine Rastaufnahme zwischen den Noppen 32, 33 für das Einrasten einer in Pfeilrichtung 31 eingeschobenen Abstandsscheibe 13 ergibt.

Die Figur 11 zeigt als abgewandelte Ausführungsform, dass statt der Anschlagnoppen 32, 33 an der gleichen Stelle ein Innengewinde im Kühlrohr angeordnet sein kann und die Abstandsscheibe 13 ein Gewinde 35 am Außenumfang aufweist, sodass die Abstandsscheibe einfach mit einem geeigneten Werkzeug mit ihrem Außengewinde in das Innengewinde des Kühlrohres eingeschraubt werden kann und dort festgelegt ist.

Es ist nicht zeichnerisch dargestellt, dass die Abstandsscheibe 13 auch in eine am Innenumfang des Kühlrohrs eingearbeitete hinterschnittene Nut eingeklipst oder in ein dort eingearbeitetes Innengewinde eingeschraubt werden kann.

Ebenso ist es möglich, eine Schulter verringerten Durchmessers am Innenumfang des Kühlrohrs einzuarbeiten und die Abstandsscheibe 13 mit ihrem Außenumfang an dieser Schulter in axialer Richtung zur Anlage zu bringen. Der Sitz der Abstandsscheibe 13 an dieser Schulter kann dann durch einen in den Innenumfang eingeschraubten Schraubring oder durch einen Sprengring gesichert werden, der in einer Nut eingerastet wird, die in axialer Richtung vor der die Abstandsscheibe haltenden Schulter angeordnet ist.

In den Figuren 12 und 13 ist ein Schnitt durch das vordere Ende des Kühlrohrs in Höhe der in Figur 10 dargestellten Abstandsscheibe 13 dargestellt. Die Figur 12 zeigt, dass die Abstandsscheibe 13 in ihrer einfachsten Form auch als quer die Bohrung des Kühlrohrs durchsetzender Draht oder Stab 13a ausgebildet sein kann. Der Draht oder Stab 13 a ist in zueinander fluchtenden Bohrungen 38 im Kühlrohr 4 eingesetzt, eingelötet oder eingepresst. Der Stab oder Draht 13a kann aus Kunststoff oder Metall bestehen.

Die Figur 13 zeigt, dass auch mehrere, sich kreuzende Drähte oder Stäbe 13a in der Innenbohrung eingesetzt sein können. Die genannten Teile können auch in einer hinterschnittenen Nut am Innenumfang des Kühlrohrs eingerastet sein. Sie können auch im Mittenbereich mit einander verbunden sein und ein Kreuz ausbilden, welches in die hinterschnittene Nut eingerastet oder eingespannt ist.

1

Elektrodenkörper

2

Dichtung

3

Flansch

4

Kühlrohr

5

Flansch

6

Dichtung

7

Schraubgewinde

8

Kühlkanal (Rücklauf)

9

Kühlkanal (Vorlauf)

10

Pfeilrichtung

11

Elektrodenkern

12

Elektrodenkernhalter

13

Abstandsscheibe oder Abstandshalter 13a Drähte oder Stäbe

14

Durchflussausnehmung

15

Umkehrstrecke

16

Spitze (von 4)

17

Pfeilrichtung

18

Auslauf

19

Mittenkreuz

20

Anschlagfläche

21

Pfeilrichtung

22

Pfeilrichtung

23

Druckflügel a, b

24

Wirbelströmung

25

Druckkraft

26

Anschlagfläche

27

Bohrungsgrund

28

Innenbohrung (von 1)

29

Schraubbefestigung

30

Drehmoment

31

Pfeilrichtung

32

Anschlagnoppe

33

Rastnoppe

34

Innenbohrung (von 4)

35

Gewinde (von 13)

36

Ring

37

Innengewinde

38

Bohrung