ПЛАЗМОТРОН ПАРОЖИДКОСТНОЙ

Настоящая полезная модель относиться к малогабаритным устройствам для получения плазменной струи (плазматронам) из паров рабочей жидкости и может быть использовано в различных отраслях промышленности, строительстве и жилищно-коммунальном хозяйстве.
Известна электродуговая плазменная горелка (RU 2040124), охлаждаемая парами рабочей жидкости, содержащая соосно установленные выходное сопло-анод и центральный стержневой катод. Катод прикреплен к держателю, охватываемому цилиндром из теплопроводного материала, на который надета трубка из пористого материала. Трубка контактирует с влагопоглощающим материалом, помещенным в резервуар для рабочего тела. Катододержатель установлен с возможностью осевого перемещения и снабжен механизмом для такого перемещения, позволяющим для возбуждения дуги замыкать катод и анод, а для плавного изменения мощности - изменять их взаимное расположение.
Известен электродуговой малогабаритный плазматрон (RU 93720) с резервуаром для плазмообразующей жидкости, заполненным капиллярно-пористым влаговпитывающим материалом. Процесс парообразования в нем осуществляется за счет тепла, выделяющегося на рабочих электродах при заданных значениях токов дуги косвенного или косвенного и прямого действия. Изменение давления в плазматроне осуществляется дискретно, установкой формирующих плазменную струю сопел с различными диаметрами рабочих отверстий и/или заданием различных значений токов дуги.
Известен коаксиальный плазмотрон, содержащий размещенные соосно в корпусе трубчатый электрод, насадку с осевым сквозным отверстием, съемный центральный электрод, расположенный в стержневом держателе электрода коаксиально внутри трубчатого электрода и с зазором относительно него и насадки с обеспечением возможности образования разрядной камеры и с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения, механизм контактного возбуждения электрической дуги между насадкой и центральным электродом, выполненный в виде разрывного электрического контакта, включающего механизм осевого перемещения стержневого электрода, имеющий винтовую пару, пружину и кнопку, устройство для парообразования и подачи в разрядную камеру плазмообразующей среды в виде пара рабочей жидкости. Плазмотрон содержит резервуар с патрубком для подачи этой жидкости, заполненный влаговпитывающим материалом с обеспечением контакта влаговпитывающего материала с трубчатым электродом, устройство вихревой стабилизации электрической дуги, устройство охлаждения насадки и электрода, механизм центрирования электрода относительно сквозного отверстия насадки, токоотводы для электрического подсоединения терминалов независимого источника электрического тока и защитный кожух (RU 2278328, 13.05.2005 - прототип)
Недостатки аналогов и прототипа связаны с тем, что давление плазмообразующих паров внутри плазмотрона, определяющее основные параметры плазменной струи, нестабильно и плавно растет по мере расхода рабочей жидкости и прогрева деталей плазмотрона, зависит от начальной температуры заправляемой рабочей жидкости, температуры окружающей среды и интенсивности работы плазмотрона. В процессе работы плазмотрона давление зависит также от количества тепла, отраженного на сопло обрабатываемым материалом, от начальной температуры плазмообразующего узла плазмотрона, неравномерного распределения давления внутри резервуара с рабочей жидкостью, качества теплопередачи от сопла к испарителю, зависящего от состояния сопрягаемых поверхностей, степени износа катода. Следствием указанных недостатков является продолжительное время выхода на рабочий режим из-за тепловой инерционности плазмотрона, нестабильность плазменной струи, неравномерное испарение компонентов плазмообразующей жидкости, а также возможное прерывание дуги в режиме сварки при работе на смеси в виде многокомпонентной рабочей жидкости. Вызывает известную сложность процесс установки соосности сопла и центрального электрода из-за отклонения стержневого держателя от оси плазмотрона, отрицательно влияющего на работу плазмотрона. К недостаткам можно отнести низкую надежность узла установки соосности сопла и центрального электрода, в частности дорогостоящего керамического изолятора.
Указанные недостатки могут быть устранены введением в конструкцию плазмотрона дополнительных деталей и устройств, которые позволяют стабилизировать давление в плазмообразующем узле и/или управлять им, а также сократить время выхода плазмотрона на рабочий режим, особенно при низких температурах окружающей среды, а также упрощают установку соосности сопла и центрального электрода.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в повышении стабильности работы и управляемости параметрами плазменной струи, стабилизации давления в плазмотроне, в основном достигаемого путем дополнительного подогрева резервуара с рабочей жидкостью, и/или в реализации возможности управления указанным давлением за счет управляемого расхода рабочей жидкости при подаче ее в испаритель.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой полезной модели плазмотрон парожидкостной электродуговой, содержит размещенные соосно в корпусе подвижный центральный электрод и съемное сопло, выполняющее функцию второго электрода, обеспечивающие возможность образования электроразрядной камеры, механизм контактного возбуждения в ней электрической дуги, устройство для парообразования рабочей жидкости (испаритель) и подачи образующихся паров в электроразрядную камеру, устройство вихревой стабилизации дуги вблизи оси плазматрона, встроенный резервуар с влаговпитывающим материалом для рабочей жидкости и механизм центрирования стержневого электрода относительно сопла, отличающийся тем, что в состав плазмотрона входит корпус, расположенный параллельно или под острым углом к удлиненной части Г-образного по форме резервуара, сопло-конфузор, удерживающий его колпачок, прикрепленный к корпусу и примыкающий с обеспечением теплопередачи к соосно расположенной в корпусе цилиндрической головной части трубчатого теплопроводного испарителя-завихрителя с тангенциальными отверстиями в его противоположной хвостовой части, имеющей вид усеченного конуса с расширением в сторону головной части, и с центральным каналом для подачи паров рабочей жидкости в электроразрядную камеру между соплом-конфузором и центральным электродом, закрепленным в головной части подвижного стержневого держателя, хвостовая часть которого закреплена в пускорегулирующем и центрирующем электрод механизме, при этом дополнительно плазмотрон содержит охватывающий снаружи конусную часть испарителя-завихрителя составной трубчатый вкладыш, выполненный из гидрофильного упругодеформируемого капиллярно-пористого материала с термостойкостью в парах 50%-го водно-спиртового раствора не ниже 100°С, причем вкладыш в области крепления резервуара к корпусу плазмотрона контактирует с влаговпитывающим материалом, заполняющим резервуар, а также достигается это тем, что используют плазмотрон парожидкостной со встроенным резервуаром для рабочей жидкости, отличающийся тем, что внутри резервуара расположена дренажная трубка, выравнивающая давление.
Также достигается это тем, что существует вариант, в котором используют плазмотрон, отличающийся тем, что снабжен резистивным нагревателем резервуара с рабочей жидкостью.
Также достигается это тем, что существует вариант, в котором используют плазмотрон, отличающийся тем, что пускорегулирующий и центрирующий механизм в нем включает устройство для осевого перемещения держателя электрода, состоящее из корпуса, выполненного из электроизоляционного материала в виде втулки с наружной резьбой для присоединения к корпусу плазмотрона, и с круговой внутренней проточкой под уплотнительное центрирующее кольцо, а также возвратной пружины, подвижного штока с фиксирующим держатель винтом, подпружиненной пусковой кнопки с кольцом, опирающимся на предохранительное фиксирующее устройство, состоящее из антифрикционного кольца и стопорной шайбы, которая установлена в кольцевую проточку на этом корпусе.
Также достигается это тем, что возможен вариант, в котором используют Плазмотрон, отличающийся тем, что его корпус сочленяется с пускорегулирующим и центрирующим механизмом сферическим шарниром, снабженным фиксатором углового положения держателя центрального электрода относительно оси плазмотрона, причем фиксатор выполнен в виде втулки с наружной резьбой для присоединения к корпусу плазмотрона.
Также достигается это тем, что возможен вариант, в котором используется плазмотрон, отличающийся тем, что снабжен поворотной ручкой-держателем, а устройство контактного возбуждения дуги приводится в действие подвижным штоком-сердечником соленоида, при этом обмотка соленоида включена в электрическую цепь параллельно электродам плазмотрона через пороговый элемент (стабилитрон, тиратрон, супресор, варистор или защитный диод) с напряжением срабатывания большим, чем максимальное рабочее напряжение плазмотрона, и меньшим, чем напряжение холостого хода источника питания, а так же может быть подключена к блоку питания и управления плазмотрона.
На фиг.1 изображен в разрезе плазмотрон парожидкостной, который содержит корпус (1), колпачок (2), упорное кольцо (3), трубчатый испаритель-завихритель (4) с тангенциальными отверстиями (5), вставку (6), сопло-конфузор (7), цилиндрический центральный электрод (8), размещенный в головной части стержневого держателя (9), разрядную камеру (10) и пускорегулирующий и центрирующий механизм (далее - ПРЦМ), имеющий резьбовое сопряжение с корпусом (1), при этом ПРЦМ включает устройство осевого перемещения, состоящее из корпуса (11) с кольцевой проточкой под уплотнительное кольцо (12), возвратной пружины (13), подвижного штока (14) с винтом-фиксатором (15) для фиксфции хвостовой части держателя электрода, подпружиненной кнопки (16) с кольцом (17), опирающимся на предохранительное устройство. Оно состоит из антифрикционного кольца (18) и стопорного кольца (19), которая установлена в кольцевую проточку на корпусе (11). Кроме того, плазмотрон содержит устройство, включающее Г-образный по форме резервуар (20) для рабочей жидкости с пробкой (21) и с патрубком (22), заполненный влаговпитывающим материалом (23), который через поверхность (24) контактирует с термостойким упругодеформирующимся капиллярно-пористым вкладышем (25). Токоотводы (26) и (27) служат для электрического подсоединения терминалов независимого источника тока. На корпусе плазмотрона расположен датчик температуры (28). Со стороны сопла торец корпуса плазмотрона выполнен в виде штуцера и снабжен кольцом, которое служит упором соплу, вставке (6) и испарителю, прижимаемым колпачком (2), с возможностью обеспечения теплопередачи к вкладышу (25) и далее к испарителю для испарения рабочей жидкости и перегрева ее пара. Изменение объема вкладыша механическим воздействием, например, в виде сжатия вдоль оси плазмотрона изменяет его пористость. Так как рабочая жидкость подается в нагретый испаритель через поры, то таким образом проницаемостью вкладыша регулируют ее расход и, как следствие, устанавливают требуемое давление плазмообразующих паров внутри плазмотрона. Использование вкладыша из термохимически стойкого (не ниже 100°С) материала позволяет устранить термохимическую деградацию и последующее разрушение материала вкладыша, обусловленное тепловым контактом с испарителем и перегретым паром рабочей жидкости, например, в виде 50%-го водного раствора спиртов. При этом наполнитель в резервуаре в отличие от аналогов и прототипа при наличии указанного вкладыша может быть выполнен из менее термостойкого, доступного и дешевого материала, например, марли.
Существует вариант, в котором плазмотрон (фиг.2) содержит, кроме перечисленных выше деталей и устройств (1-28), резистивный нагреватель (29), контроллер управления нагревателем, соленоид (30, рядом с ним изображен вариант схемы его включения с пороговым элементом), распорную пружину (31), защитную кольцевую насадку (32), пластиковый кожух (33) и ось крепления (34) поворотной ручки-держателя (35), (36)-дренажная трубка, выравнивающая давление в резервуаре.
На фиг.3 изображен один из вариантов общего вида плазмотрона парожидкостного.
Плазмотрон, изображенный на фиг.1, функционирует следующим образом.
Пример 1 (обработка поверхности изделий с нагреванием ее плазменной струей, сформированной сжатой дугой косвенного действия). Через патрубок (22) в резервуар (20) подают рабочую жидкость, пропитывая ею влаговпитывающий материал (23), вкладыш (25) и заполняют каналы, соединяющие резервуар с разрядной камерой, до появления капель рабочего тела из сквозного отверстия сопла. Патрубок закрывают пробкой (21). От источника тока на токоотводы подают пусковое напряжение. Нажатием кнопки (16) приближают торец электрода (8) к внутренней поверхности сопла до возникновения кратковременного контакта, затем отпускают кнопку. При этом разрыв электрического контакта с помощью пружины (13) между электродом и соплом возбуждает электрическую дугу. Выделяемая дугой тепловая энергия передается через теплопроводные вставку и испаритель к рабочей жидкости во вкладыше. Она превращается в пар, создавая избыточное давление, под действием которого пар через отверстия (5) подается, завихряясь, в межэлектродное пространство, стабилизирует дугу в приосевой области, перегревается и поступает в профилированный канал сопла в виде конфузора. В канале пар под действием энергии дуги, геометрически сжатой стенками сопла, переходит в плазменное состояние с формированием на выходе из сопла плазменной струи, которую используют для термической плазменной обработки изделий с помощью известных методов и приемов. При этом влаговпитывающий материал за счет капиллярных сил обеспечивает через поверхность (24) за счет дренажной трубки в резервуаре равномерную подпитку жидкостью вкладыша (25), влагопроницаемость которого определяет заданное условиями обработки количество рабочей жидкости, подаваемой в испаритель. Объем и, соответственно, влагопроницаемость вкладыша регулируют перемещением корпуса (11) вручную путем его вращения. Для управления током дуги и контроля с помощью датчика (28) температуры деталей плазмотрона во избежание их перегрева и нарушения режима обработки применяют программируемый блок питания и управления плазматроном со встроенным регулятором стабилизированного тока как в аналогах. Таким образом, управляют основными параметрами плазменной струи (скорость истечения из сопла, распределение температур в струе, форма струи), включая их стабильность, обеспечивая высокое качество и широту технических возможностей термической обработки в соответствии с изобретением.
Пример 2 (обработка поверхности материалов с нагреванием ее плазменной струей, сформированной дежурной дугой косвенного действия и совмещенной с дугой прямого действия, возбужденной между плазмотроном и изделием). Выполняют все операции, описанные выше в примере 1. Затем от блока питания и управления плазмотроном на сопло (7) и обрабатываемое электропроводящее изделие известными способами подают напряжение и создают между ними разность потенциалов. Затем уменьшают расстояние между соплом и изделием до возникновения дуги прямого действия, совмещенной с плазменной струей, и производят обработку, например, регулируя указанные выше основные параметры плазменной струи и дуги прямого действия, осуществляют плазменную сварку, применяя известные методы и приемы.
Плазматрон, изображенный на фиг.2, функционирует аналогично плазмотрону на Фиг.1, но предварительно с помощью шарового шарнира устанавливают соосность сопла и центрального электрода и фиксируют его поворотом фиксатора (18).