優(yōu)化的熱噴嘴及使用其的方法
【專利說(shuō)明】?jī)?yōu)化的熱噴嘴及使用其的方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)是要求2013年I月31日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/759,071的優(yōu)先權(quán)的國(guó)際申請(qǐng),通過(guò)整體引用的方式將該臨時(shí)申請(qǐng)的公開(kāi)內(nèi)容明確地并入本文。
[0002]關(guān)于聯(lián)邦資助研究或開(kāi)發(fā)的聲明不適用。
[0003]對(duì)光盤(pán)附件的引用不適用。
【背景技術(shù)】
[0004]用于熱噴涂應(yīng)用中的常規(guī)等離子體槍噴嘴(陽(yáng)極)壽命有限。只要等離子體電壓維持在用于適當(dāng)操作的預(yù)定范圍內(nèi),噴嘴即可運(yùn)轉(zhuǎn)。然而,由于暴露于等離子體電弧使噴嘴壁退化,等離子體電壓會(huì)下降,噴嘴的壽命也會(huì)縮短。通常地,噴嘴壽命在40小時(shí)以下。另外,在槍操作過(guò)程中噴嘴壁經(jīng)受導(dǎo)致電壓衰減和電弧不穩(wěn)定的許多其他狀況,例如用于某些噴嘴設(shè)計(jì)中的鎢內(nèi)襯的破裂。
[0005]需要的是使導(dǎo)致電壓衰減和電弧不穩(wěn)定的狀況的影響最小化的噴嘴和生產(chǎn)這樣的噴嘴的方法。
[0006]通常,存在用于控制等離子電弧到噴嘴壁的附著的兩個(gè)關(guān)鍵特性。例如在美國(guó)專利號(hào)7, 030, 336和4, 841, 114中描述的電荷集中(charge concentrat1n)可用于驅(qū)動(dòng)等離子體電弧到特定位置的附著,所述兩個(gè)專利的公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)整體引用的方式明確地并入本文。然而,以該方式控制等離子體的附著需要改變槍的幾何形狀,這會(huì)影響用于噴涂多種既有應(yīng)用的既有等離子體槍的操作條件。
[0007]用于控制等離子體電弧附著點(diǎn)的第二特性是噴嘴壁的熱狀態(tài)。經(jīng)發(fā)現(xiàn),較熱的表面和邊界狀況更能吸引等離子體電弧,而較涼的表面和邊界狀況對(duì)于等離子體電弧吸引較小,例如參見(jiàn)國(guó)際公開(kāi)號(hào)PCT/US2012/022897,通過(guò)整體引用的方式將該國(guó)際公開(kāi)的公開(kāi)內(nèi)容明確地并入本文。如此,以該方式,能夠通過(guò)應(yīng)用熱管理技術(shù)以提供對(duì)于等離子體電弧附著的優(yōu)選壁狀況來(lái)在電壓穩(wěn)定性和控制電壓衰減方面改善槍性能。
[0008]迄今為止,對(duì)等離子體槍噴嘴的設(shè)計(jì)主要通過(guò)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、特別是關(guān)于冷卻的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)而實(shí)現(xiàn)。這些設(shè)計(jì)已集中于在沿著整個(gè)等離子體噴嘴孔的等離子體電弧附著的區(qū)域中均勻地提供最大的冷卻效果。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0009]本發(fā)明的實(shí)施方式涉及用于熱噴涂槍的噴嘴。該噴嘴包括中心孔,其包括錐形孔和圓柱形孔。錐形孔由錐形孔部段中的錐形壁表面界定,圓柱形孔由圓柱形孔部段中的圓柱形壁表面界定,并且錐形孔部段和圓柱形孔部段構(gòu)造成使得熱量從錐形壁移除得比從圓柱形壁更快。
[0010]根據(jù)實(shí)施方式,錐形孔部段和圓柱形孔部段可包括銅。
[0011]根據(jù)發(fā)明的實(shí)施方式,圓柱形壁表面和錐形壁表面的至少部分由鎢、鉬、銀或銥中的一種制成。
[0012]根據(jù)其他實(shí)施方式,錐形孔部段的徑向厚度可以大于圓柱形孔部段的徑向厚度。
[0013]另外,噴嘴還可包括多個(gè)徑向延伸的鰭片(fin),所述鰭片圍繞圓柱形孔部段和錐形孔部段的至少部分。鰭片可布置成形成冷卻水通道。此外,冷卻水通道的基部可以是圓柱形孔部段的外壁表面的徑向外側(cè)。替代地或此外地,冷卻水通道的基部可以是錐形孔部段的外壁表面的徑向外側(cè)。另外,錐形孔部段的外壁表面的至少一部分和圓柱形孔部段的外壁表面的至少一部分可以彼此平行。在實(shí)施方式中,圍繞至少錐形孔部段的每個(gè)鰭片的至少共同部段可以被移除,并且噴嘴還可包括連續(xù)的水套,其布置在移除的共同部段中以在至少錐形孔部段上方形成封閉的水通道。連續(xù)的水套可包括銅、黃銅、鋼或陶瓷中的至少一者O
[0014]在另外的實(shí)施方式中,錐形孔部段可構(gòu)造和布置成使得冷卻水以比冷卻水通過(guò)圓柱形孔部段的速率大的速率通過(guò)錐形孔部段。
[0015]根據(jù)發(fā)明的其他實(shí)施方式,圓柱形孔部段可構(gòu)造和布置成使得通過(guò)圓柱形孔部段的冷卻水相對(duì)于通過(guò)錐形孔部段的冷卻水是停滯的。
[0016]發(fā)明的實(shí)施方式涉及熱噴涂槍。熱噴涂槍包括具有錐形孔和圓柱形孔的噴嘴。噴嘴構(gòu)造成使得錐形孔的平均表面溫度比圓柱形孔的平均表面溫度更涼至少約100°c。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式,熱噴涂槍可包括冷卻水系統(tǒng)以在噴嘴的后部處供應(yīng)冷卻水并在噴嘴的前部處移除冷卻水。另外,錐形孔可布置在噴嘴的后部而圓柱形孔布置在噴嘴的前部。替代地或此外地,通道可以在噴嘴的后部中形成以引導(dǎo)冷卻水以比在噴嘴的前部處更大的速率穿過(guò)噴嘴的后部。另外,噴嘴的前部可以形成為使得圍繞圓柱形孔的冷卻水充當(dāng)絕熱體。
[0018]發(fā)明的實(shí)施方式涉及冷卻在具有錐形孔和圓柱形孔的熱噴涂槍噴嘴中的噴嘴的方法。該方法包括將冷卻水從噴嘴的后部供應(yīng)至噴嘴的前部以冷卻錐形孔和圓柱形孔的壁表面溫度。噴嘴的前部和后部構(gòu)造成使得熱量從錐形孔的壁表面比從圓柱形孔的壁表面移除的更快。
[0019]根據(jù)實(shí)施方式,錐形孔的平均壁表面溫度可比圓柱形孔的平均壁表面溫度涼至少約 10tCo
[0020]根據(jù)本發(fā)明的其他的實(shí)施方式,冷卻水可以以比冷卻水沿圍繞圓柱形部段的至少一個(gè)表面供應(yīng)的速率更大的速率沿圍繞錐形部段的至少一個(gè)表面供應(yīng)。
[0021]發(fā)明的實(shí)施方式涉及用于等離子體槍的噴嘴。等離子體槍可以例如用于熱噴涂應(yīng)用或者可以例如等離子體火箭、等離子體焰炬或等離子體生成器中。
[0022]本發(fā)明的其他示例性實(shí)施方式和優(yōu)點(diǎn)可以通過(guò)考察本公開(kāi)和附圖而探知。
【附圖說(shuō)明】
[0023]參照指明的多個(gè)附圖,以本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的非限制性示例的方式,在隨后的詳細(xì)描述中進(jìn)一步描述本發(fā)明,其中在附圖的若干個(gè)視圖中,相同的附圖標(biāo)記代表相似的部件,并且在附圖中:
圖1示出了用于等離子體噴涂槍的常規(guī)設(shè)計(jì)的噴嘴; 圖2示出了用于與等離子體噴涂槍一起使用的噴嘴的實(shí)施方式;
圖3圖形地示出了用于圖1描繪的常規(guī)的噴嘴的槍電壓;
圖4示出了用于圖2描繪的噴嘴的槍電壓;
圖5示出了用于與等離子體噴涂槍一起使用的噴嘴的另一實(shí)施方式;以及圖6示出了用于與等離子體噴涂槍一起使用的噴嘴的另一實(shí)施方式。
【具體實(shí)施方式】
[0024]本文示出的詳細(xì)說(shuō)明借助于示例的方式并且僅用于示意性討論本發(fā)明的實(shí)施方式的目的,并且是為了提供據(jù)認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的原理和概念性方面最有幫助和最容易理解的描述而呈現(xiàn)的。在這一點(diǎn)上,沒(méi)有試圖展示比對(duì)于本發(fā)明的根本性理解所必需的細(xì)節(jié)更加詳細(xì)的本發(fā)明的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié),結(jié)合附圖作出的描述使得本領(lǐng)域技術(shù)人員得知在實(shí)踐中可以如何實(shí)施本發(fā)明的若干形式。
[0025]圖1示意了常規(guī)的等離子體噴涂槍的前槍體1,其包括常規(guī)的等離子體噴嘴2、陰極3和水冷卻系統(tǒng)4。常規(guī)的等離子體噴涂槍可以是,例如,由蘇爾壽美科公司(SulzerMetco)制造的F4MB-XL或9MB等離子體槍,由先進(jìn)技術(shù)公司(Progressive Technologies)制造的SGlOO等離子體槍或任何的典型常規(guī)的等離子體槍,其例如具有單個(gè)陰極和非級(jí)聯(lián)陽(yáng)極和/或等離子體電弧通道的等離子體槍。等離子體噴嘴2可由具有高熱傳遞特性的材料制成,例如可僅有銅制成或者銅噴嘴可以包括襯套(例如,鎢