优化的热喷嘴及使用其的方法
【专利说明】优化的热喷嘴及使用其的方法
[0001]相关申请的交叉引用
本申请是要求2013年I月31日提交的美国临时申请号61/759，071的优先权的国际申请，通过整体引用的方式将该临时申请的公开内容明确地并入本文。
[0002]关于联邦资助研究或开发的声明不适用。
[0003]对光盘附件的引用不适用。
【背景技术】
[0004]用于热喷涂应用中的常规等离子体枪喷嘴(阳极)寿命有限。只要等离子体电压维持在用于适当操作的预定范围内，喷嘴即可运转。然而，由于暴露于等离子体电弧使喷嘴壁退化，等离子体电压会下降，喷嘴的寿命也会缩短。通常地，喷嘴寿命在40小时以下。另外，在枪操作过程中喷嘴壁经受导致电压衰减和电弧不稳定的许多其他状况，例如用于某些喷嘴设计中的钨内衬的破裂。
[0005]需要的是使导致电压衰减和电弧不稳定的状况的影响最小化的喷嘴和生产这样的喷嘴的方法。
[0006]通常，存在用于控制等离子电弧到喷嘴壁的附着的两个关键特性。例如在美国专利号7, 030, 336和4, 841, 114中描述的电荷集中(charge concentrat1n)可用于驱动等离子体电弧到特定位置的附着，所述两个专利的公开内容通过整体引用的方式明确地并入本文。然而，以该方式控制等离子体的附着需要改变枪的几何形状，这会影响用于喷涂多种既有应用的既有等离子体枪的操作条件。
[0007]用于控制等离子体电弧附着点的第二特性是喷嘴壁的热状态。经发现，较热的表面和边界状况更能吸引等离子体电弧，而较凉的表面和边界状况对于等离子体电弧吸引较小，例如参见国际公开号PCT/US2012/022897，通过整体引用的方式将该国际公开的公开内容明确地并入本文。如此，以该方式，能够通过应用热管理技术以提供对于等离子体电弧附着的优选壁状况来在电压稳定性和控制电压衰减方面改善枪性能。
[0008]迄今为止，对等离子体枪喷嘴的设计主要通过经验数据、特别是关于冷却的经验数据而实现。这些设计已集中于在沿着整个等离子体喷嘴孔的等离子体电弧附着的区域中均匀地提供最大的冷却效果。
【发明内容】
[0009]本发明的实施方式涉及用于热喷涂枪的喷嘴。该喷嘴包括中心孔，其包括锥形孔和圆柱形孔。锥形孔由锥形孔部段中的锥形壁表面界定，圆柱形孔由圆柱形孔部段中的圆柱形壁表面界定，并且锥形孔部段和圆柱形孔部段构造成使得热量从锥形壁移除得比从圆柱形壁更快。
[0010]根据实施方式，锥形孔部段和圆柱形孔部段可包括铜。
[0011]根据发明的实施方式，圆柱形壁表面和锥形壁表面的至少部分由钨、钼、银或铱中的一种制成。
[0012]根据其他实施方式，锥形孔部段的径向厚度可以大于圆柱形孔部段的径向厚度。
[0013]另外，喷嘴还可包括多个径向延伸的鳍片(fin)，所述鳍片围绕圆柱形孔部段和锥形孔部段的至少部分。鳍片可布置成形成冷却水通道。此外，冷却水通道的基部可以是圆柱形孔部段的外壁表面的径向外侧。替代地或此外地，冷却水通道的基部可以是锥形孔部段的外壁表面的径向外侧。另外，锥形孔部段的外壁表面的至少一部分和圆柱形孔部段的外壁表面的至少一部分可以彼此平行。在实施方式中，围绕至少锥形孔部段的每个鳍片的至少共同部段可以被移除，并且喷嘴还可包括连续的水套，其布置在移除的共同部段中以在至少锥形孔部段上方形成封闭的水通道。连续的水套可包括铜、黄铜、钢或陶瓷中的至少一者O
[0014]在另外的实施方式中，锥形孔部段可构造和布置成使得冷却水以比冷却水通过圆柱形孔部段的速率大的速率通过锥形孔部段。
[0015]根据发明的其他实施方式，圆柱形孔部段可构造和布置成使得通过圆柱形孔部段的冷却水相对于通过锥形孔部段的冷却水是停滞的。
[0016]发明的实施方式涉及热喷涂枪。热喷涂枪包括具有锥形孔和圆柱形孔的喷嘴。喷嘴构造成使得锥形孔的平均表面温度比圆柱形孔的平均表面温度更凉至少约100°c。
[0017]根据本发明的实施方式，热喷涂枪可包括冷却水系统以在喷嘴的后部处供应冷却水并在喷嘴的前部处移除冷却水。另外，锥形孔可布置在喷嘴的后部而圆柱形孔布置在喷嘴的前部。替代地或此外地，通道可以在喷嘴的后部中形成以引导冷却水以比在喷嘴的前部处更大的速率穿过喷嘴的后部。另外，喷嘴的前部可以形成为使得围绕圆柱形孔的冷却水充当绝热体。
[0018]发明的实施方式涉及冷却在具有锥形孔和圆柱形孔的热喷涂枪喷嘴中的喷嘴的方法。该方法包括将冷却水从喷嘴的后部供应至喷嘴的前部以冷却锥形孔和圆柱形孔的壁表面温度。喷嘴的前部和后部构造成使得热量从锥形孔的壁表面比从圆柱形孔的壁表面移除的更快。
[0019]根据实施方式，锥形孔的平均壁表面温度可比圆柱形孔的平均壁表面温度凉至少约 10tCo
[0020]根据本发明的其他的实施方式，冷却水可以以比冷却水沿围绕圆柱形部段的至少一个表面供应的速率更大的速率沿围绕锥形部段的至少一个表面供应。
[0021]发明的实施方式涉及用于等离子体枪的喷嘴。等离子体枪可以例如用于热喷涂应用或者可以例如等离子体火箭、等离子体焰炬或等离子体生成器中。
[0022]本发明的其他示例性实施方式和优点可以通过考察本公开和附图而探知。
【附图说明】
[0023]参照指明的多个附图，以本发明的示例性实施方式的非限制性示例的方式，在随后的详细描述中进一步描述本发明，其中在附图的若干个视图中，相同的附图标记代表相似的部件，并且在附图中:
图1示出了用于等离子体喷涂枪的常规设计的喷嘴； 图2示出了用于与等离子体喷涂枪一起使用的喷嘴的实施方式；
图3图形地示出了用于图1描绘的常规的喷嘴的枪电压；
图4示出了用于图2描绘的喷嘴的枪电压；
图5示出了用于与等离子体喷涂枪一起使用的喷嘴的另一实施方式；以及图6示出了用于与等离子体喷涂枪一起使用的喷嘴的另一实施方式。
【具体实施方式】
[0024]本文示出的详细说明借助于示例的方式并且仅用于示意性讨论本发明的实施方式的目的，并且是为了提供据认为是对本发明的原理和概念性方面最有帮助和最容易理解的描述而呈现的。在这一点上，没有试图展示比对于本发明的根本性理解所必需的细节更加详细的本发明的结构细节，结合附图作出的描述使得本领域技术人员得知在实践中可以如何实施本发明的若干形式。
[0025]图1示意了常规的等离子体喷涂枪的前枪体1，其包括常规的等离子体喷嘴2、阴极3和水冷却系统4。常规的等离子体喷涂枪可以是，例如，由苏尔寿美科公司(SulzerMetco)制造的F4MB-XL或9MB等离子体枪，由先进技术公司(Progressive Technologies)制造的SGlOO等离子体枪或任何的典型常规的等离子体枪，其例如具有单个阴极和非级联阳极和/或等离子体电弧通道的等离子体枪。等离子体喷嘴2可由具有高热传递特性的材料制成，例如可仅有铜制成或者铜喷嘴可以包括衬套(例如，钨