ОХЛАЖДЕНИЕ С ЗАМКНУТЫМ КОНТУРОМ ПЛАЗМЕННОЙ ПУШКИ ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ
COOLING WITH CLOSED-LOOP OF PLASMA GUN TO INCREASE SERVICE LIFE OF HARDWARE

Область техники
Варианты осуществления изобретения направлены на пушку для плазменного распыления, и, в частности, относятся к водяному охлаждению пушки для плазменного распыления.
Предшествующий уровень техники
В данной области техники понятно, что обычные плазменные пушки, используемые для теплового распыления, обладают недостатком, связанным со снижением напряжения в течение времени. В результате такого снижения напряжения уровень мощности пушки уменьшается, что, в конечном итоге, требует замены аппаратных элементов пушки, например, элементов катода и анода. Падение напряжения может быть связано с изменениями внутри отверстия анода, поскольку плазменная дуга, в конечном итоге, формирует разрывы, которые используются, как концентрации заряда для закрепления плазмы. При их развитии такие разрывы притягивают дугу, которая притягивается далее вперед вдоль отверстия пушки, уменьшая, таким образом, длину плазменной дуги, что приводит к падению напряжения.
Таким образом, разработчики и инженеры пытаются найти конструктивные компоновки и/или рабочие процессы в плазменных пушках, которые могли бы сдерживать или корректировать упомянутое выше падение напряжения для достижения большего срока службы аппаратных средств, лучшего постоянства при нанесении покрытия и меньших эксплуатационных затрат.
В известном процессе, который используется в обычных плазменных пушках, применяют подачу охлаждающей воды через плазменную пушку для предотвращения выхода из строя материала и механических частей, которые могут возникать в результате превышения температуры, образующейся во время работы плазменной пушки. В системах с охлаждающей водой в обычных плазменных пушках используется система теплообменника с замкнутым контуром, в которой контур охлаждающей воды сформирован для направления охлаждающей воды к участкам пушки, требующим охлаждения, и по которому воду затем направляют от этих участков пушки. В этом известном варианте осуществлении контур охлаждения устанавливают так, чтобы он поддерживал постоянный уровень охлаждения только для пушки, то есть путем предварительной установки температуры воды в пределах диапазона 15-18°C и с установленным потоком контура охлаждения.
Краткое изложение сущности изобретения
Варианты осуществления изобретения направлены на то, чтобы нагревать контур охлаждения, выполняющий обмен водой в плазменной пушке, что увеличивает срок службы аппаратных средств и плазменной пушки в большей степени, чем достигается с помощью описанного выше известного теплообменника с водяным охлаждением воды в обычных плазменных пушках.
Варианты осуществления изобретения направлены на систему с водяным охлаждением для плазменной пушки. Система включает в себя водяной охладитель, выполненный и скомпонованный так, чтобы он отводил тепло от охлаждающей воды, подаваемой в плазменную пушку, контроллер, выполненный и скомпонованный так, чтобы он отслеживал напряжение на пушке для плазменной пушки, и, по меньшей мере, один проточный клапан, соединенный с и управляемый контроллером, для регулирования потока охлаждающей воды. Когда напряжение на пушке падает ниже заданного значения, контроллер управляет, по меньшей мере, одним проточным клапаном для повышения температуры пушки и напряжения на пушке.
В соответствии с вариантами осуществления, водяной охладитель может включать в себя теплообменник и, по меньшей мере, один проточный клапан может быть выполнен с возможностью регулировать охлаждающую воду, подаваемую в теплообменник. Контроллер может управлять, по меньшей мере, одним проточным клапаном для повышения температуры охлаждающей воды.
В соответствии с дополнительными вариантами осуществления настоящего изобретения, зажимная коробка может подавать питание к плазменной пушке, по меньшей мере, через два кабеля пушки, таким образом, что зажимная коробка выполнена с возможностью приема охлаждающей воды из водяного охладителя, и напряжение на пушке определяют по напряжению между кабелями пушки.
Кроме того, водяной охладитель может включать в себя, по меньшей мере, один из теплообменника или охлаждаемого контура охлаждения, и, по меньшей мере, один проточный клапан может быть установлен для регулирования охлаждающей воды, подаваемой из охладителя. Контроллер может управлять, по меньшей мере, одним проточным клапаном для регулирования потока охлаждающей воды из охладителя.
В соответствии с еще одними, другими вариантами осуществления, водяной охладитель может включать в себя теплообменник и, по меньшей мере, один проточный клапан может включать в себя первый клапан, выполненный с возможностью регулирования охлаждающей воды, подаваемой в теплообменник, и второй клапан, выполненный с возможностью регулирования охлаждающей воды, подаваемой из теплообменника. Контроллер может управлять первым клапаном для повышения температуры охлаждающей воды и может управлять вторым клапаном, для уменьшения потока охлаждающей воды из охладителя.
В соответствии с еще другими вариантами осуществления, контроллер может управлять проточным клапаном для, по меньшей мере, одного из повышения температуры охлаждающей воды и для уменьшения потока охлаждающей воды.
Варианты осуществления настоящего изобретения направлены на способ для охлаждения плазменной пушки. Способ включает в себя этапы, на которых: отслеживают напряжение на пушке для плазменной пушки и, когда напряжение на пушке уменьшается до заданного значения, регулируют поток охлаждающей воды для повышения температуры пушки.
В соответствии с вариантами осуществления, теплообменник может быть выполнен с возможностью отвода тепла от охлаждающей воды, и способ может дополнительно включать в себя этап, на котором: регулируют поток охлаждающей воды, подаваемой в теплообменник. Из-за уменьшенного потока охлаждающей воды температура охлаждающей воды в теплообменнике повышается.
В соответствии с другими вариантами осуществления изобретения, зажимная коробка может быть выполнена с возможностью подачи питания к плазменной пушке через, по меньшей мере, два кабеля пушки, и способ может дополнительно включать в себя этап, на котором: определяют напряжение на пушке по напряжению между кабелями пушки.
В соответствии с еще одними, другими вариантами осуществления, водяной охладитель может включать в себя, по меньшей мере, один из теплообменника и охлаждаемого контура охлаждения, установленного для отвода тепла из охлаждающей воды, и способ может дополнительно включать в себя этап, на котором регулируют поток охлаждающей воды, подаваемой из охладителя.
Кроме того, теплообменник может быть выполнен с возможностью отвода тепла от охлаждающей воды, способ может дополнительно включать в себя этапы, на которых регулируют охлаждающую воду, подаваемую в теплообменник и регулируют охлаждающую воду, подаваемую из теплообменника. Регулирование охлаждающей воды, подаваемой в теплообменник, может повысить температуру охлаждающей воды, и регулирование охлаждающей воды, подаваемой из теплообменника, может снизить поток охлаждающей воды из охладителя.
В соответствии с другими вариантами осуществления, регулирование потока охлаждающей воды может привести, по меньшей мере, к одному из повышения температуры охлаждающей воды и снижению потока охлаждающей воды.
В соответствии с еще одними, другими вариантами осуществления изобретения, повышенная температура пушки может повысить напряжение на пушке.
Варианты осуществления изобретения включают в себя способ увеличения срока службы плазменной пушки. Способ включает в себя этапы, на которых: отслеживают напряжение на пушке плазменной пушки, и регулируют поток охлаждающей воды для повышения напряжения на пушке для плазменной пушки.
В соответствии с еще одними, другими вариантами осуществления настоящего изобретения, регулирование охлаждающей воды может повысить температуру пушки.
Другие примерные варианты осуществления и преимущества настоящего изобретения могут быть достигнуты в результате обзора настоящего раскрытия и приложенных чертежей.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение дополнительно описано в подробном описании изобретения, которое следует ниже, со ссылкой на отмеченное множество чертежей, в качестве неограничительных примеров примерных вариантов осуществления настоящего изобретения, на которых одинаковые номера ссылочных позиций представляют аналогичные части на нескольких видах чертежей, и на которых:
на фиг. 1 графически иллюстрируется взаимосвязь между температурой поступающей воды и напряжением пушки;
на фиг. 2 графически иллюстрируется взаимосвязь между потоком охлаждающей воды и напряжением пушки;
на фиг. 3 иллюстрируется примерный вариант осуществления подаваемой охлаждающей воды для плазменной пушки;
на фиг. 4 иллюстрируются другие примерные варианты осуществления подаваемой охлаждающей воды для плазменной пушки; и
на фиг. 5 иллюстрируется плазменная пушка с каналами системы охлаждения.
Описание предпочтительных вариантов изобретения
Детали, представленные здесь, приведены в качестве примера и с целью только иллюстративного описания вариантов осуществления настоящего изобретения, и представлены для случая предоставления того, что считается наиболее полезным и простым описанием принципов и концептуальных аспектов настоящего изобретения. В этом отношении, не была предпринята никакая попытка более подробного представления конструктивных деталей настоящего изобретения, чем необходимо для фундаментального понимания настоящего изобретения, при этом описание, совместно с чертежами, очевидно, представляет для специалиста в данной области техники, как несколько форм настоящего изобретения могут быть воплощены на практике.
Авторы изобретения наблюдали, что видимая температура на поверхности анода влияет на прикрепление плазменной дуги в отверстии. В частности, авторы изобретения обнаружили, что при повышении температуры на поверхности отверстия пушки в обычной плазменной пушке плазменная дуга проявляет тенденцию прикрепления далее вниз в отверстие пушки, и при этом снижается энергетический барьер на уровне границы на стенках отверстия. Таким образом, когда определили, что длина дуги увеличивается при повышении температуры, авторы изобретения определили, что рабочее напряжение плазменной пушки связано с температурой анода.
На фиг. 1 представлены измерения напряжения на пушке, наблюдаемого при изменении степени охлаждения пушки, при изменении температуры поступающей воды. В частности, измерения показали, что при регулировке температуры поступающей воды в диапазоне 12°-29°C, напряжение на пушке можно аналогично регулировать приблизительно на 1 В. Кроме того, следует понимать, что упомянутый выше диапазон приемлем в том смысле, что он не приводит к превышению максимальной выходной температуры охлаждающей воды.
На фиг. 2 показаны измерения напряжения на пушке, наблюдаемого при изменении охлаждения пушки, путем изменения потока охлаждающей воды через пушку. В частности, измерения показали, что путем регулирования потока охлаждающей воды в пределах 9-18 л/мин, напряжение на пушке, аналогично, можно было регулировать приблизительно на 2 В. Таким образом, по мере снижения протекания охлаждающей воды через плазменную пушку, напряжение на пушке повышается.
С учетом описанного выше, определения вариантов осуществления изобретения включают в себя: добавляют контур управления к контуру холодной воды для управления температурой пушки, с тем, чтобы повлиять на регулировку напряжения на пушке. Как показано на фиг. 3, система 1 водяного охлаждения соединена с плазменной пушкой 2. Зажимная коробка 3, например, JAM 1030 производства Sulzer Metco может быть электрически соединена с плазменной пушкой 2 через кабели 4 и 5 пушки. Вольтметр 6 может быть подключен к кабелям 4 и 5 пушки, для измерения напряжения на пушке. Пропорциональный контроллер 7 замкнутого контура, который может иметь обычную конструкцию, принимает измеренное напряжение на пушке от вольтметра 6 для отслеживания напряжения на пушке, в соответствии с вариантами осуществления. В качестве неограничительного примера пропорциональный контроллер 7 с замкнутым контуром может быть заранее установлен для поддержания напряжения на пушке, например, 73,4 В. По мере того, как измеряемые значения напряжения на пушке уменьшаются с течением времени при использовании плазменной пушки, что является нормальным, пропорциональный контроллер 7 с замкнутым контуром управляет пропорциональным проточным клапаном 8, также обычной конструкции, для регулирования потока поступающей охлаждающей воды в теплообменник 9, который может, например, представлять собой теплообменник типа Climate HE или SM HE. Таким образом, подачей охлаждающей воды в теплообменник 9 управляют с помощью пропорционального проточного клапана 8 для регулирования температуры воды из теплообменника 9 в зажимную коробку 3. Охлажденная охлаждающая вода поступает в холодную зажимную коробку 3, и, после прохода через зажимную коробку 3, вода возвращается через теплообменник 9 к источнику.
В вариантах осуществления, по мере падения напряжения на пушке во время нормальной эксплуатации контур управления может регулировать температуру поступающей воды, для повышения температуры пушки. В частности, пропорциональный клапан 8 может закрываться для повышения температуры воды. Таким образом, когда контроллер 7 определяет, что напряжение на пушке (на кабелях 4 и 6 пушки) уменьшается, контроллер 7 управляет пропорциональным клапаном 8 для уменьшения потока охлаждающей воды, поступающей в теплообменник 9, повышая, таким образом, температуру воды для охлаждающей воды. Такая охлаждающая вода с повышенной температурой затем поступает в зажимную коробку 3, которая используется, как точка, где электричество и вода соединяются с пушкой, и где их отслеживают. Охлаждающую воду затем подают в плазменную пушку 2, таким образом, что температура плазменной пушки 2 повышается для соответствующего увеличения напряжения плазменной пушки (см. фиг. 1). В результате, срок службы аппаратных средств, измеряемый падением напряжения, может быть расширен в пределах, когда пушка может выдерживать более высокую рабочую температуру до повреждения. Эти пределы уже довольно хорошо известны, и большинство систем управления содержат их, как часть системы безопасности. Конечно, следует понимать, что представленные здесь иллюстрации, являются примерами, по своей сущности, и не предназначены для ограничения каким-либо образом. Кроме того, следует понимать, что в приложенных иллюстрациях используются представления типа черного ящика для конкретной структуры, известной и доступной для обычного специалиста в данной области техники, и что представленные здесь иллюстрации были упрощены для простоты пояснения вариантов осуществления, таким образом, что показанные варианты осуществления для входного отверстия и выходного отверстия для воды в плазменную пушку являются просто примерами и не предназначены для ограничения описанным вариантом осуществления.
В то время как подход, в соответствии с которым поток охлаждающей воды протекает через плазменную пушку, отличается, в зависимости от конкретной конструкции плазменной пушки, варианты осуществления изобретения применимы для всех плазменных пушек с водяным охлаждением. В качестве неограничительного примера, на фиг. 5 показана примерная иллюстрация водяных каналов, формируемых в плазменной пушке для охлаждения. В представленном примере охлаждающая вода может поступать в и через анод и затем может быть направлена в пушку до катода и затем на выход из пушки. Дополнительно следует отметить, что анод может включать в себя множество разделенных вдоль окружности каналов, расположенных так, чтобы в них поступала охлаждающая вода, и эти разделенные вдоль окружности каналы могут продолжаться вдоль длины плазменной пушки до катода, для обеспечения требуемого охлаждения. Следует понимать, что другие конструкции плазменной пушки и/или конструкции канала системы охлаждения возможны без выхода за пределы сущности и объема вариантов осуществления изобретения.
В дополнительных вариантах осуществления температуру на входном отверстии и температуру воды, поступающей в/выходящей из плазменной пушки, также можно отслеживать для обеспечения поддержания допустимых пределов охлаждения пушки, для предотвращения достижения контуром управления тепловых условий, которые могут привести к повреждению пушки.
В альтернативном варианте осуществления, показанном на фиг. 4, напряжение на пушке можно регулировать путем регулирования потока охлаждающей воды в плазменной пушке. Этот вариант осуществления можно использовать для каналов охлаждения, используя теплообменник, а также используя непосредственное включение пушки охлажденного охлаждающего контура. В соответствии с этим вариантом осуществления, в отличие от структуры, показанной на фиг. 3, пропорциональный проточный клапан 8’ включен между теплообменником/охлаждаемым охлаждающим контуром 9’ и коробкой 3 зажима. Во время работы, в то время, как напряжение на пушке падает во время нормальной эксплуатации, контур управления может регулировать поток охлаждающей воды для повышения температуры пушки. В частности, пропорциональный клапан 8’, установленный между теплообменником/охлаждаемым охлаждающим контуром 9’, может быть закрыт для уменьшения потока охлаждающей воды.
Таким образом, когда контроллер 7 определяет, что напряжение на пушке (между кабелями 4 и 5 пушки) уменьшилось, контроллер 7 управляет пропорциональным клапаном 8’ для уменьшения потока охлаждающей воды из теплообменника/охлаждаемого охлаждающего контура 9’, уменьшая, таким образом, поток охлаждающей воды. Такой уменьшенный поток охлаждающей воды затем подается в зажимную коробку 3 и затем в плазменную пушку 2 так, как описано выше со ссылкой на фиг. 3. В результате протекания отрегулированного потока охлаждающей воды в плазменной пушке 2 температура плазменной пушки 2 повышается, с тем, чтобы, соответственно, увеличить напряжение плазменной пушки (см. Фиг. 2). В результате, срок службы аппаратных средств, измеряемый по падению напряжения, может быть расширен в пределах, пока пушка может противостоять более высоким рабочим температурам перед повреждением. Эти пределы уже довольно хорошо известны, и большинство систем управления содержат их, как часть системы безопасности.
В то время как в альтернативном варианте осуществления, в котором уменьшают поток воды, также уменьшают давление воды внутри пушки, точка кипения воды в плазменной пушке при этом также понижается. Однако, данный вариант осуществления имеет преимущество, состоящее в том, что электродвигатель для водяного насоса, выполняющий привод для контура охлаждения пушки, может быть непосредственно включен в замкнутый контур и, таким образом, способ может быть легко воплощен для существующих систем.
В еще одном, другом варианте осуществления, упомянутые выше варианты осуществления могут быть скомбинированы для регулирования потока охлаждающей воды и регулирования температуры охлаждающей воды в пушке. В этом варианте осуществления переменное ограничение добавлено в выходном отверстии контура воды пушки, для поддержания давления воды в пушке, для предотвращения проблемы температуры кипения воды. Такое регулирование давления могло быть работать, как отдельный замкнутый контур. Путем одновременного регулирования потока и температуры может быть реализовано максимальное влияние на напряжение на пушке.
Другие варианты возможны для управления степенью охлаждения пушки, включая в себя, но без ограничений, обходные контуры, сброс теплового управления для охладителей для более высоких температур и т.д.
Следует отметить, что представленные выше примеры были приведены просто с целью пояснения и, никоим образом, не должны рассматриваться, как ограничение настоящего изобретения. В то время как настоящее изобретение было описано со ссылкой на примерный вариант осуществления, следует понимать, что формулировки, которые использовались здесь, являются формулировками для описания и иллюстрации, а не формулировками для ограничения. Изменения могут быть произведены в пределах объема приложенной формулы изобретения, в том виде, как она заявлена, и в измененном виде, без выхода за пределы объема и сущности настоящего изобретения в его аспектах. Хотя настоящее изобретение было описано здесь со ссылкой на конкретное средство, материалы и варианты осуществления, предполагается, что настоящее изобретение не будет ограничено конкретными деталями, раскрытыми здесь; скорее, настоящее изобретение распространяется на все функционально эквивалентные структуры, способы и варианты использования, такие, которые находятся в пределах приложенной формулы изобретения.