Die Erfindung betrifft eine Plasma-Elektrode für einen Plasma-Lichtbogenbrenner, bestehend aus einem Elektrodenkörper, der mindestens einen an der Elektrodenspitze angeordneten Elektrodenkern aufweist.
Derartige Plasmaelektroden für die Verwendung bei Plasma-Lichtbogenbrenner sind in vielfältigen Ausführungsformen bekannt geworden.
Als Beispiel wird auf die
Hinsichtlich der Funktion und des Aufbaus eines Plasma-Lichtbogenbrenners wird auf die letztgenannten Druckschriften nach der
Der Verschleiß der Plasmaelektrode während des Betriebs ist beträchtlich. Der in die Vorderseite der Plasmaelektrode im Bereich der Elektrodenspitze in einer Bohrung eingesetzte Elektrodenkern erzeugt einen Plasma-Lichtbogen bei Temperaturen im Bereich zwischen 1.000 bis 2.000 Grad Celsius und besteht aus einem elektrisch leitfähigen, hoch-emissiven Material, z.B. Hafnium oder Zirkonium. Die Elektrodenspitze wird durch die hohen Brenntemperaturen stark beansprucht. Darüber hinaus entstehen Materialabtragungen am Elektrodenkern die sich als Materialspritzer auf der Elektrodenspitze und deren Umgebung ablagern, was zu einem unerwünschten Verschleiß und einer Begrenzung der Lebensdauer führt.
Die
Es ist deshalb nicht möglich, die Elektrodenspitze als separates Teil auszutauschen. Vielmehr muss bei Verschleiß die gesamte Elektrode ausgetauscht werden, was mit hohen Kosten verbunden ist.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Plasma-Elektrode für einen Plasma-Lichtbogenbrenner der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass ein leichter und kostengünstiger Austausch der Elektrode bei Verschleiß möglich ist.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruches 1 gekennzeichnet.
Die Erfindung geht davon aus, dass die aus einem hochwertigen Material (z. B. AG) bestehende Elektrode mindestens zweiteilig ausgebildet ist und nur noch der vordere, auswechselbare Spitzenteil aus einem hochwertigen Material (wie z.B. AG) besteht, während der hintere Elektrodenteil aus einem weniger hochwertigen Material, wie z.B. Cu oder einer Cu-Legierung oder einem vergleichbaren Material bestehen kann.
Es wurde festgestellt, dass nur der Spitzenbereich der Elektrode mit dem dort eingesetzten Hafnium- oder Zirkonium-Kern einem wesentlichen Verschleiß unterliegt und gerade in diesem - unmittelbar an der Spitze liegenden - Teil Ausbrennspuren entstehen, die beim Stand der Technik zu einem Austausch der gesamten Elektrode zwangen.
Die Zweiteilung der Elektrode nach der Erfindung ist vor allem bei Elektroden ab einer Gesamtlänge von mehr als 10-12 mm sinnvoll. In einem solchen Fall erfolgt die Zweiteilung derart, dass die auswechselbare Spitze eine Länge von z.B. 6 mm hat, während der verbleibende, rückwärtige Elektrodenteil die Restlänge ausmacht.
Eine Zweiteilung ist aber besonders bei längeren Elektroden mit einer Gesamtlänge von z.B. 40 mm oder mehr. In diesem Fall ist es sinnvoll, die auswechselbare Spitze mit einer Länge von 10 mm auszubilden, während die Restlänge des Elektrodenteils aus einem unedleren Material bestehen kann. Demnach ist es ein Merkmal der Erfindung, dass die Plasma-Elektrode mindestens zweiteilig ausgebildet ist und mindestens aus der vorderen Elektrodenspitze und einem hinteren Elektrodenteil besteht und dass die Elektrodenspitze auswechselbar am Elektrodenteil gehalten ist.
Die Erfindung sieht also eine mehrteilige Plasma-Elektrode vor, wobei der einfacheren Beschreibung wegen in der folgenden Beschreibung lediglich von zwei Teilen dieser Plasma-Elektrode ausgegangen wird, obwohl die Plasma-Elektrode auch aus mehr als zwei Teilen bestehen kann. Die Beschreibung einer zweiteiligen Plasmaelektrode soll deshalb den Schutzumfang der Erfindung nicht beschränken.
Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass bei einer zweiteiligen Ausbildung der Plasma-Elektrode nunmehr die Möglichkeit besteht, den vorderen Teil vom hinteren Teil zu lösen, weil diese beiden Teile bevorzugt lösbar miteinander verbunden sind.
Auf diese Weise kann die vordere Elektrodenspitze mit dem dort eingebrachten Elektrodenkern von dem hinteren Elektrodenteil der Plasma-Elektrode entfernt werden, sofern ein Verschleiß an der Elektrodenspitze auftritt.
Somit ist ein schnelles Auswechseln der Elektrodenspitze möglich, ohne dass damit die gesamte Plasma-Elektrode ausgewechselt werden müsste.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die lösbare Verbindung zwischen den beiden Teilen der Plasma-Elektrode als Schraubverbindung, als Steckverbindung oder als kombinierte Schraub-Steckverbindung ausgebildet.
Im einfachsten Fall besteht die Schraubverbindung aus zwei ineinander greifenden Gewinden. An der Elektrodenspitze kann ein Innengewinde angeordnet sein, welches in ein zugeordnetes Außengewinde im Bereich des hinteren Elektrodenteils der Plasma-Elektrode einschraubbar ist.
In einer anderen Ausgestaltung kann es auch vorgesehen sein, dass die Elektrodenspitze ein Außengewinde aufweist, welches auf ein zugeordnetes Innengewinde des hinteren Elektrodenteils der Plasma-Elektrode einschraubbar ist.
In einer dritten Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass statt der Schraubverbindung eine Steckverbindung verwendet wird, wie z. B. eine Bajonett-Steckverbindung, die durch eine Dreh-Steck-Bewegung gelöst und befestigt werden kann.
In einer anderen Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass die lösbare Verbindung zwischen den beiden Teilen der Plasma-Elektrode aus einer abgedichteten Flanschverbindung besteht, wobei zwei gegenüberliegend angeordnete Flansche an den beiden einander zugeordneten Teilen sich berühren und flüssigkeitsdicht gegeneinander abgedichtet sind. Eine solche FlanschVerbindung ist durch eine Überwurfmutter in Verbindung mit einem Gewinde am gegenüberliegenden Teil gesichert.
Neben den genannten Steck- oder Schraubverbindungen oder Flanschverbindungen oder Kombinationen aus Steck-Schraub-Verbindungen mit Flanschverbindungen sind auch Klemmverbindungen vorgesehen. Eine solche Klemmverbindung ist z. B. eine Flanschverbindung, mit zwei abdichtend gegenüberliegend und aneinander anliegenden Flanschen, die von einem Exzenter-Klemmring auf gegenseitigem Anpressdruck abdichtend gehalten werden.
Bei allen genannten Verbindungen ist es wichtig, dass, wenn es sich um eine wassergekühlte Plasma-Elektrode handelt, dann die genannte lösbare Verbindung zwischen den mindestens beiden Teilen der Plasma-Elektrode auch flüssigkeitsdicht ausgebildet ist.
Mit der gegebenen technischen Lehre ergibt sich der Vorteil, dass auch hochwertige Materialien in materialschonender Weise verwendet werden können, denn es sind sämtliche Materialpaarungen zwischen dem Material der Elektrodenspitze und dem Material des hinteren Elektrodenteils der Plasma-Elektrode möglich.
So kann es vorgesehen sein, dass der hintere Elektrodenteil der Plasma-Elektrode aus einem kostengünstigen Kupfer-Material oder einer Kupferlegierung besteht, während der vordere Teil der Elektrodenspitze, der dem Verschleiß unterworfen ist, aus einem Silbermaterial oder einer Silberlegierung besteht.
Weil nur ein relativ kurzer Bereich der Plasma-Elektrode ausgetauscht werden muss, nämlich nur die kurz ausgebildete Elektrodenspitze, ergibt sich ein besonders materialschonender Einsatz teurer Materialien, wenn z. B. die Elektrodenspitze aus dem hochwertigen Silber oder einer Silberlegierung besteht.
Bezüglich der Materialpaarungen zwischen dem Material des Elektrodenteils und der Elektrodenspitze gibt es folgende Kombinationen, wobei an erster Stelle stets das Material des Elektrodenteils steht und an zweiter Stelle das Material der Elektrodenspitze:
Die Verwendung von Silber als hochleitfähiges Material wurde nur beispielhaft angegeben. Es können selbstverständlich auch andere hochleitfähige, gut verarbeitbare Materialien verwendet werden, welche die Eigenschaften von Silber aufweisen. Insbesondere kommen hier Zinn-Legierungen in Betracht oder Kupfer-Zinn-Legierungen (Bronze).
Die vorgenannten Materialien können in den gleichen vorgenannten Materialpaarungen eingesetzt werden, wie sie am Beispiel des Materials Ag vorstehend angegeben wurden.
Die Erfindung ist nicht auf hohlzylindrische Plasma-Elektroden beschränkt, in deren Innenraum ein Kühlrohr angeordnet ist, mit dem ein Kühlmedium - bevorzugt Wasser - in den Innenraum der Plasmaelektrode eingeleitet, am vorderen Ende, in der Nähe der Elektrodenspitze umgeleitet wird, und danach wieder aus der Plasma-Elektrode herausgeleitet wird. Die Funktion einer derartigen wassergekühlten Plasma-Elektrode ergibt sich aus einer der vorgenannten Druckschriften.
Die Erfindung beansprucht auch ungekühlte hohlzylindrische oder auch aus Vollmaterial bestehende Plasma-Elektroden, die mindestens zweiteilig sind und der vordere, dem Verschleiß unterworfene Teil leicht lösbar mit dem hinteren Teil verbunden ist.
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:
Die in
Statt einer Schraubbefestigung über das Gewinde 8 kann die gesamte Plasma-Elektrode 1 auch in einen nicht näher dargestellten Befestigungskörper abgedichtet eingesteckt werden. Im Innenraum 10 der Plasma-Elektrode 1 ist ein Kühlrohr 6 zentrisch angeordnet, welches mit seinem vorderen Ende in einen Aufnahmeraum 5 im Bereich der Elektrodenspitze 2 eingreift.
Ein Elektrodenkern 4 ist in einer Bohrung der Elektrodenspitze 2 ist aus einem hoch-emissiven Material eingebracht, wie z. B. einem Hafnium- oder Zirkoniummaterial.
Die Kühlung der Plasma-Elektrode erfolgt dergestalt, dass ein Kühlmittelstrom in den Innenraum 10 des Kühlrohrs 6 eingeleitet wird, der im Bereich des Aufnahmeraums 5 in der Elektrodenspitze 2 umgelenkt wird und dann über die radial außen liegende Innenbohrung 9 wieder zurückgeführt wird.
Wichtig ist, dass die beiden Teile (Elektrodenspitze 2 und Elektrodenteil 3) lösbar miteinander verbunden sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel nach
Zur selbsttätigen Zentrierung dieses Schraubgewindes ist es vorgesehen, dass einander gegenüberliegende und gleichgerichtete Konusflächen 13, 14 an zugeordneten Flanschen der Elektrodenspitze 2 und des Elektrodenteils 3 angeordnet sind und dass ferner ein bevorzugt ringsumlaufender Ringflansch 15 am Elektrodenteil 3 in eine zugeordnete Ringnut 16 eingreift und sich dort zentriert.
Durch das Eingreifen von Ringflansch 15 und Ringnut 16 in Verbindung mit den schräg gerichteten Konusflächen 13, 14 kommt es zu einer selbsttätigen Zentrierung der Schraubverbindung.
Zusätzlich können bei vollständiger Verfestigung der Schraubverbindung (siehe
Die
Die Längenverhältnisse dieser beiden Längen 24, 25 können sich im Bereich zwischen 1 : 1 bis 1 : 6 bewegen.
Wichtig ist bei allen Ausführungsbeispielen, dass die Elektrodenspitze 2 leicht lösbar auf dem elektrodenseitigen Elektrodenteil 3 befestigt ist und deshalb leicht austauschbar ist, wenn sie verschlissen ist. Sie ist kurz gehalten, um den Materialverbrauch beim Austausch niedrig zu halten.
Die
Die Gewindeschraubverbindung ist durch einen Dichtring 19 flüssigkeitsdicht abgedichtet.
Es kann noch ein weiterer Dichtring 19 im Bereich der einander zugewandten Ansätze 17, 18 angeordnet sein.
Die
Auch hier ist an der hinteren Seite der Elektrodenspitze 2 ein Außengewinde angeordnet, welches mit einem Innengewinde im Innenraum des Elektrodenteils 3 zusammenwirkt und die gesamte Gewindeschraubverbindung durch einen Dichtring 19 flüssigkeitsdicht abgedichtet ist, der in einer zugeordneten Ringnut 23 am vertikalen Flansch der Elektrodenspitze 2 eingesetzt ist.
Das Außengewinde 21 an der Elektrodenspitze 2 wirkt also mit dem Innengewinde 22 am Elektrodenteil 3 als Schraubgewinde 12 zusammen.
Die
Hier weist die Elektrodenspitze 2 ein Innengewinde 22 auf, welches mit dem zugeordneten Außengewinde 21 die abgedichtete Schraubverbindung im Bereich des Verbindungsteils 11 ergibt.
Die
Die Erfindung besteht nun im Vergleich zu diesem Stand der Technik darin, die bekannte Elektrode 16 zweiteilig auszubilden und die vordere Spitze als leicht auswechselbare Elektrodenspitze 2 und den hinteren Teil der Elektrode 16 als Elektrodenteil des Elektrodenkörpers der Plasma-Elektrode auszubilden.
Die Unterteilung würde nach der Erfindung in Höhe des untersten Randes der in
Damit muss bei einem Verschleiß der Elektrode 16 nun mehr der vordere Spitzenbereich der Elektrode (gekennzeichnet durch die Linien a oder b), der sich in unmittelbarer Nachbarschaft zum Kern 29 befindet, ausgetauscht werden, der hintere Teil der Plasma-Elektrode 16 muss deshalb nicht mehr ausgetauscht werden.
Die
Die Erfindung sieht nun vor, dass die in
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