CN101111120A - 用于等离子弧焊炬的冷却设备和系统以及相关的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种等离子弧发生系统，包括可操作地和等离子弧焊炬头部分接合的电源模块，该电源模块适于提供电流，以在焊炬头部分引起电弧，或产生等离子体。冷却设备可操作地和电源模块接合，以引导流体到电源模块来冷却电源模块。该冷却设备被构造成使流体直接接触电源模块来从电源模块中接收电源模块产生的热量。本发明还提供了相关的系统和方法。

Description

用于等离子弧焊炬的冷却设备和系统以及相关的方法

技术领域

本发明涉及等离子弧焊炬，更确切地说，涉及用于等离子弧焊炬的冷却设备和系统以及相关的方法。

背景技术

为了实现有效的操作，含有等离子弧焊炬及其相关设备的某种焊接和切割设备通常都需要相当大的电源。这些电源可以包括一个或多个可产生气割操作所需功率的电源模块。例如，可以要求电源模块为焊矩总共提供大约1-120千瓦(KW)或更高的功率。举例来说，这些电源模块可以是IGBT，SCR或其它适合的电源模块。图1示出了一种典型电源模块50的实例。在产生用于焊炬的功率时，这种电源模块还产生了大量的热。因而，电源模块的一个表面，如底面被构造成平坦光滑的，以便该表面能够与用于从电源模块上除去多余热量的散热装置相接合。在一些场合中，散热装置为带有多个翅片的金属部件，这些翅片用以增加散热装置的表面积，借此增强远离散热装置的热对流。在另一些场合，散热装置可以使气流从翅片间穿过，以进一步增强热对流。这样做的目的是把气割操作过程中电源模块的温度限制到一个可接受的水平。

在一些场合，散热装置包括加图1所示不连续的、封闭的液体冷却板。冷却板10包括一冷却液的流体回路15，所述冷却液被封装在例如通常构成冷却板10整体结构的金属导热元件20中。这种自给式冷却板10与电源模块50的一个表面例如底面接合以为其提供冷却。为了使穿过流体回路15的冷却液循环，这种冷却板10还可以执行自己的循环冷却系统(与用于冷却焊炬头的冷却系统相分离)，以提供出用于除去电源模块50热量的介质，其中该循环冷却系统包括例如泵和热交换器。但是，在这种结构中，电源模块50的热量在到达冷却液之前必须穿过导热元件20的材料和流体回路15的材料。一些情况下，可以在导热元件20和电源模块50之间(以及在上述气冷式散热器中的散热装置和电源模块之间)放置界面材料，如衬垫或导热油脂，这就进一步增加了所引导的热量为了到达冷却液而必须要通过的部件。因此，在这一应用中，这些热传导问题可能会限制冷却板10的冷却效率。

在任何情况下，用于冷却电源模块的单独的结构(气冷式散热器或单独的冷却板)在从电源模块上除去热量方面都阿能倾向于效率低下或效能不足的机械装置。低效或不充分地除去电源模块的热量有可能导致输出功率的降低。在这种情况下，需要较大的电源模块或附加的电源模块来为操作焊炬提供足够的功率。此外，用于冷却电源模块的这种单独的装置(气冷式散热器或单独的冷却板)在一些情况下会导致体积较大的焊炬电源(由于附加的部件)、较为昂贵的电源(和较为昂贵的总系统)，还有可能降低电源的可靠性或使电源更加复杂。

因此，需要为电源的电源模块提供一种更为简单高效的冷却系统，其中这一冷却系统还可以令人满意地提高可靠性、降低成本，并且为焊炬提供一较小体积的电源。

发明内容

通过本发明满足上述和其它需要，在一实施例中，提供了一种等离子弧发生系统，包括可操作地和等离子弧焊炬头部分接合的电源模块，该电源模块适于提供电流，以在焊炬头部分引起电弧，从而产生等离子体。冷却设备可操作地与电源模块接合，以引导流体到电源模块来冷却电源模块。该冷却设备被构造成使流体直接接触电源模块，以从电源模块中接收电源模块产生的热量。

本发明的另一方面是提供了一种等离子弧发生系统，包括适于接收电流的等离子弧焊炬头，其被构造成使电流在焊炬头部分引起电弧以产生等离子体。电源模块可操作地和焊炬头部分接合，它适于向焊炬头部分提供电流。冷却设备可操作地和电源模块接合，它用来引导流体到电源模块从而冷却电源模块。该冷却设备被构造成使流体直接接触电源模块，以从电源模块中接收电源模块产生的热量。

本发明的另一方面是提供了一种冷却等离子弧发生系统的方法。首先，将流体引导至电源模块，使得流体直接接触电源模块，以从电源模块中接收电源模块产生的热量，其中所述电源模块可操作地与等离子弧焊炬头部分接合，它适于向等离子弧焊炬头提供电流，以在焊炬头部分引起电弧，从而产生等离子体。所述流体还被引导至焊炬头部分，从焊矩头部分中接收等离子体产生的热量。所述流体可以串行地在电源模块和焊炬头部分之间被引导，或者被并行地引导至电源模块和焊炬头部分，以向等离子弧发生系统提供冷却。

因此，如在这里进一步的描述，本发明的实施例提供出显著的优势。更特别地是，一些实施例为焊炬电源的电源模块提供了更简单、更为高效的冷却系统，并且提高了可靠性，降低了成本，使电源的体积变小。

附图说明

上面已经对本发明进行了概况地说明，现在来参照附图，这些附图不必完全按照比例绘制，其中：

图1是用于冷却等离子弧电源的电源模块的现有结构的示意图；

图2，3和4是根据本发明实施例、用于等离子弧发生系统的冷却配置的可替换结构示意图；

图5是根据本发明一个实施例、被构造成与等离子弧电源的电源模块接合的冷却设备的示意图，该冷却设备作为等离子弧发生系统的冷却配置的一部分；以及

图6示意性地示出了根据本发明一个实施例的在图5中示出的冷却设备的不同视图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行充分地说明，其中本发明仅示出了部分实施例而非全部。事实上，可以以多种不同的形式实施这些发明，其不应当被限定在这里所述的实施例中；当然，提供这些实施例以使这里公开的内容满足可应用的法律要求。同样的数字始终表示同样的元件。

图2-4示出了用于冷却电源模块50的冷却系统100的不同实施例，该电源模块50用于例如为一般地由焊炬头200表示的焊炬提供电力。本领域技术人员从这里公开的内容中将动识到，这种冷却系统100可以应用于任何实现电源模块50和用于冷却焊炬头200的焊炬设备，其中这种焊炬可以是例如水冷式等离子弧焊炬。同样，图中示出的焊炬头200仅仅是实现根据本发明实施例的各种形式的冷却系统100的含有等离子弧发生系统的典型焊炬的示例，并且不意图以任何形式进断限定。

如图2所示，典型焊炬包括焊炬头200，该焊炬头带有与其构成电连接的电源模块50，其中这一电连接由电线或电源线75A、75B表示。电源模块50和电连接75A、75B例如在等离子弧焊炬中可能是必要的，其中电源模块50和电连接75A、75B向焊炬头200提供电能，以启动并维持由焊炬形成的等离子体以进行切割操作。因此，等离子焊炬和/或等离子弧发生系统或其电源还可以包括冷却系统100，用于向焊炬头200提供循环冷却液，如水或乙二醇溶液，从而对其进行冷却。冷却系统100可以包括例如循环热设备300，该循环排热设备300设置成离焊炬头200较远，它具有用于循环冷却液的泵400、用于把冷却液接收到的热量驱散的热交换装置或散热器450，以及为冷却系统100提供特定容积的冷却液的箱或容器350。按照对于特定的焊炬和/或等离子弧发生系统合适的情况，该散热器450可以被构造成液-液热交换器或液-气热交换器。本领域技术人员将认识到，冷却系统100在适当时还可以被构造成通过例如合适的管道、软管或冷却通道与焊炬头200形成流体连通，其中所述管道、软管或冷却通道由任何或所有的部件限定而成。

如上所述，在前面的实例中，焊炬具有一个或多个电源模块50，所述电源模块50通常配备与冷却系统100独立或分立的模块冷却设备/系统。也就是说，除了用于焊炬头200的冷却系统100外，每个电源模块50还可以配备单独的气冷式翅片散热器，或采用图1所示的利用冷却板10的独立液体冷却设备/系统。不过，用于冷却电源模块50的这种独立装置可能会寻致效率低下，从而降低了电源模块50的功率输出，并且/或者有可能导致需要额外的电源模块50来提供足够的功率以用于操作焊炬。此外，用于冷却电源模块50的这种单独的装置在一些情况下可能导致的结果是采用体积较大的焊炬电源(由于附加部件)、较为昂贵的焊炬电源，还有可能降低焊炬电源的可靠性和/或使焊炬电源更加复杂。

因此，为了解决这一问题，本发明的一实施例如图2所示，包括能够被可操作地与等离子弧发生系统的电源模块50相接合的冷却设备500，该冷却设备被构造成与用于冷却焊炬头200的冷却系统100中的循环排热设备300配合，以便由冷却系统100循环的冷却液也能够冷却电源模块50。冷却设备500被构造成以下述方式接收冷却液，即冷却液直接与电源模块50接合并接收电源模块产生的热量。例如，冷却设备500可以被构造成与电源模块50的表面，如相互作用面50A配合，从而在它们之间限定出至少一个通道600，其中所述通道600的至少一部分由电源模块50的相互作用面50A限定而成。将结合图5和图6进行说明，通道600包括用来分别接收和排出冷却液的流体入口750A和流体出口750B。因此，当冷却液通过散热器450时，穿过冷却设备500的冷却液的循环除去或驱散了电源模块50的热量。

在本发明的一方面，由冷却设备500/电源模块50限定而成的通道600被布置成用于冷却焊炬头200的冷却系统100的一部分。更确切地说，可以将通道600设置成与焊炬头200串联，从而不需要为冷却设备500配备单独的冷却系统。如图2所示，通道600可以串联在焊炬头200的上游，使得离开泵400的冷却液在循环通过焊炬头200之前首先流过由冷却设备500/电源模块50限定而成的通道600，然后返回到用于驱散所收集热量的散热器450。这种结构其优势在于：由于电源模块50与焊炬头200相比，通常向冷却液增加了相对较少的热量，因此，离开电源模块50的冷却液的温度增加一般低于焊炬头200引起的冷却液的温度增加。因此，由于温度相对较为低些的冷却液在收集来自焊炬头200的热量之前首先接触到电源模块50，所以这种结构可以为电源模块50提供充分的冷却，而且由于只从电源模块50收集到相对较少的热量，因此仍然能够为焊炬头200提供充分的冷却。

不过，图3和图4中示出了本发明另外可供选择的实施例，其中图3示出的实施例中，冷却液的流动方向与图2所示实施例相反。即，冷却液由泵400导向焊炬头200。然后冷却液从焊炬头200处串行地导向可操作地与电源模块50接合的冷却设备500，随后，冷却液离开电源模块50通向散热器450，以将冷却液从焊炬头200和电源模块50处收集到的热量驱散。如此受到冷却的冷却液通过泵400返回到容器350中以便进行再循环。这种结构在例如电源模块50的最有效的工作温度范围高于冷却液离开循环排热设备300的温度的情况下可以有优势。因此，在冷却液从焊炬头200处获得热量后，可以利用例如设置在焊炬头200和电源模块50之间的辅助散热设备(未示出)将冷却液调整到所要求的温度，或者在冷却液被引向电源模块50之前，通过调整冷却液的流速(即快速流动收集相对较少的热量)来调节冷却液的温度到所要求的温度。

图4示出了另一实施例，其中对比图2和图3所示实施例的串联布置，本实施例中冷却液被并行地引入到焊炬头200和可操作地与电源模块50接合的冷却设备500。也就是说，通过泵400将冷却液同时引入到焊炬头200和可操作地与电源模块50(通道600)接合的冷却设备5的。因此分别从焊炬头200和电源模块50处离开的冷却液部分直接返回到散热器450中，以驱散冷却液从焊炬头200和电源模块50处收集到的热量。即，导向焊炬头200的冷却液在返回散热器450之前不会流向冷却设备500(反之亦然)。流过散热器450的被冷却的冷却液然后通过泵400回到容器350中用于再循环。按照这种方式，电源模块50和焊炬头200都暴露于直接从循环排热设备300引导出的相同温度的冷却液。

相对于图2和图3所示的串联结构，实现单个循环排热设备300也可以增加运行效率，这样结构更简单仅需要更少量的部件，并且还可以提供体积较小的电源模块件。例如，流过串联循环结构的冷却液允许只有一个流量开关或其它传感器装置(未示出)接(engage)在冷却液的流动路径上以便能够堵塞或阻塞等离子弧发生系统中任何待检测地点的冷却液通道。也就是说，由于只提供了一个冷却液流动路径，路径上的任何阻塞都将阻止冷却液流动，因此，只需要单个流量开关或其它传感器装置(虽然在需要或要求的地方也可以采用多于一个流量开关或传感器)来检测这种故障。例如，流量开关或传感器可以被构造成响应于检测到的事故，使等离子弧发生系统停止工作以防止过热。不过，本领域技术人员将认识到，在冷却液流动路径上，也可以提供作为替换的其它传感器装置，或者除流量开关或传感器之外，再提供其它的传感器装置。例如，在冷却设备500/循环排热设备300不能使电源模块50维持在预定阈值温度之下的情况下，可以为冷却设备500配备热控开关(即作为失效保险)。在任何情况下，这里所述的这种传感器都仅仅是示例的目的，而不以任何方式构成限定。

图5和图6示出了根据本发明一实施例的冷却设备500的不同视图，其中冷却设备500配置为可操作地与电源模块50接合，以便流过的冷却液直接与电源模块50接触或接合，由此将电源模块50和冷却液之间的热界面减小至最小化或消除，来增强排热。冷却液和电源模块50之间的直接接触增强了冷却，在一些情况下，还可以允许减少等离子弧发生系统需要的电源模块50或焊炬电源的数量，这是因为如果更加有效和/或充分地冷却，那么每个电源模块50都能够处理更多的功率。在某一特定的方面，电源模块50包括相互作用面50A，该相互作用面可以是任何光滑或不光滑的表面，通过该相互作用面可引导和传导电源模块50内的电源产生的热量。例如，电源模块50的一个这样的相互作用面50A可以是平坦的表面，在一些情况下，该平坦表面可以称为基板或底板。不过，本领域技术人员将认识到，术语“基板或底板”仅仅是示例性的目的，并不意味着以任何方式暗示相互作用面50A或电源模块50的方向、布置或结构，或以任何方式对此作出限制。也就是说，相互作用面50A可以是电源模块50的任何或所有的侧面、底面和顶面。

如图5和图6所示，在相互作用面50A是平坦的情况下，冷却设备500可以利用设置在冷却设备500和相互作用面50A之间的密封部件700与相互作用面50A接合以提供流体密封。这种密封部件700例如可以包括适宜的O形环或其它垫圈。在一些情况下，冷却设备500可以限定出用于容纳至少一部分密封部件700的凹槽700A，以便在冷却设备500与电源模块50接合时将密封部件700保持在适当的位置上。不过，本领域技术人员将认识到，一些情况下，电源模块50(更确切地说，相互作用面50A)也可以限定出用于容纳至少一部分密封部件700的凹槽(未示出)，以替代冷却设备500限定出的凹槽700A，或者也可以作为除冷却设备500限定出的凹槽700之外的附加凹槽。当然，本领域技术人员还应认识到，在电源模块50和冷却设备500之间还可以采用多种其它密封技术，这里所公开的结构仅仅是示意性的目的。例如，可以使用环氧粘合剂将冷却设备500固定到电源模块50上，或者与电源模块50整体地形成。

在一实施方案中，冷却设备500可以包括一块状元件550，该块状元件被构造成限定出至少一个通道600，用于引导电源模块50的相互作用面50A周围的冷却液，块状元件550例如可以由诸如铝之类的金属构成。所述至少一个通道600被进一步构造成当冷却设备500与电源模块接合时，各个电源模块50的相互作用面或接合面50A形成了至少一个通道600的至少一部分，以便冷却液能够直接接合到相互作用面50A。不过，本领域技术人员应认识到，所述至少一个通道600还可以例如由电源模块50的相互作用面50A(其中冷却设备500可以包括平板)限定而成，或者由冷却设备500和相互作用面50A共同限定而成。同样，这里所述的结构仅仅是用于示例性的目的，而不对任何方面构成限定。此外，如图5和6所示，所述至少一个通道600可以被构造成位于块状元件550平面内的螺旋形，其相对于用来容纳O形环700的凹槽700A径向向内，并且从流体入口750A延伸到流体出口750B以接收和排出冷却液。应指出的是，一些情况下，当需要或要求时，冷却液可以被直接引入到“流体出口750B”，并从“流体入口750A”排出。

本领域技术人员可以从上述说明和相关附图得到教导从而知道本发明的各种修改和其它实施例。例如，尽管本发明的实施例已经在焊炬、特别是等离子弧焊炬方面进行了论述，但本领域技术人员将认识到这些实施例同样可应用于其它采用电源的器件、系统和方法或其它功率电子设备，例如，用于焊接设备的电源或与驱动马达连接的功率电子设备。同样，这里公开的实施例仅仅是示例性的目的，而不以任何方式构成限定。因此，应当理解的是，本发明并不限定于所公开的特定实施例，一些改进和其它实施例也包括在所附权利要求的范围内。尽管这里采用了特殊术语，但它们也具有一般的、描述性的含义，而且也不起到限制的目的。

Claims (18)

1.一种等离子弧发生系统，包括：

可操作地和等离子孤焊炬头部分接合的电源模块，该电源模块适于提供电流，以在焊炬头部分引起电弧，从而产生等离子体；以及

冷却设备，可操作地和电源模块接合，以将流体引导至电源模块来冷却电源模块，该冷却设备被构造成使流体直接接触电源模块，以从电源模块中接收电源模块产生的热量。

2.如权利要求1所述的等离子弧发生系统，其中冷却设备可操作地与焊炬头部分接合，该冷却设备进一步被构造成引导流体至焊炬头部分，以冷却焊炬头部分，该冷却设备还被构造成在电源模块和焊炬头部分之间串行地引导流体。

3.如权利要求2所述的等离子弧发生系统，其中流体被从电源模块串行地引导到焊炬头部分。

4.如权利要求2所述的等离子弧发生系统，其中流体被从焊炬头部分串行地引导到电源模块。

5.如权利要求1所述的等离子弧发生系统，其中冷却设备可操作地与焊炬头部分接合，该冷却设备进一步被构造成引导流体至焊炬头部分，以冷却焊炬头部分，并且该冷却设备还被构造成将流体并行引导至电源模块和焊炬头部分。

6.如权利要求1所述的等离子弧发生系统，其中所述流体包括液体或气体中的一种。

7.如权利要求1所述的等离子弧发生系统，其中电源模块包括一表面，冷却设备包括与该表面可操作地接合的冷却板，所述表面和冷却板构造成相互配合以在所述表面和冷却板之间限定出至少一个通道，用于将流体引导到所述表面上并与其直接接触，从而使流体能够接收电源模块产生的热量。

8.一种等离子孤发生系统，包括：

等离子弧焊炬头部分，其适于接收电流，并被构造成使得所述电流在焊炬头部分引起电孤以产生等离子体；

可操作地和焊炬头部分接合的电源模块，它适于向焊炬头部分提供所述电流；以及

冷却设备，可操作地和电源模块接合，以将流体引导到电源模块从而冷却电源模块，该冷却设备被构造成使流体直接接触电源模块，以从电源模块中接收电源模块产生的热量。

9.如权利要求8所述的等离子弧发生系统，其中冷却设备可操作地与焊炬头部分接合，该冷却设备进一步被构造成引导流体至焊炬头部分，以冷却焊炬头部分，该冷却设备还被构造成在电源模块和焊炬头部分之间串行地引导流体。

10.如权利要求9所述的等离子孤发生系统，其中流体被从电源模块串行地引导到焊炬头部分。

11.如权利要求9所述的等离子弧发生系统，其中流体被从焊炬头部分串行地引导到电源模块。

12.如权利要求8所述的等离子孤发生系统，其中冷却设备可操作地与焊炬头部分接合，该冷却设备进一步被构造成引导流体至焊炬头部分，以冷却焊炬头部分，并且该冷却设备还被构造成将流体并行引导至电源模块和焊炬头部分。

13.如权利要求8所述的等离子弧发生系统，其中所述流体包括液体或气体中的一种。

14.如权利要求8所述的等离子孤发生系统，其中电源模块包括一表面，冷却设备包括与该表面可操作地接合的冷却板，所述表面和冷却板构造成相互配合以在所述表面和冷却板之间限定出至少一个通道，用于将流体引导到所述表面上并与其直接接触，从而使流体能够接收电源模块产生的热量。

15.一种冷却等离子孤发生系统的方法，包括：

将流体引导至电源模块，使得流体直接接触电源模块，以从电源模块中接收电源模块产生的热量，所述电源模块可操作地与等离子孤焊炬头部分接合并适于向等离子弧焊接头部分提供电流，以在焊炬头部分引起电弧，从而产生等离子体；以及

将流体引导至焊炬头部分，以从焊矩头部分中接收等离子体产生的热量，在电源模块和焊炬头部分之间串行地引导所述流体，或将所述流体并行地引导至电源模块和焊炬头部分，以向等离子孤发生系统提供冷却。

16.如权利要求15所述的方法，其中当流体被串行地引导时，串行地引导流体进一步包括将流体从电源模块串行地引导到焊炬头部分。

17.如权利要求15所述的方法，其中当流体被串行地引导时，串行地引导流体进一步包括将流体从焊炬头部分串行地引导到电源模块。

18.如权利要求15所述的方法，其中将流体引导至电源模块进一步包括将流体引导至电源模块的表面和与该表面可操作地接合的冷却设备的冷却板之间，所述表面和冷却板构造成相互配合以在所述表面和冷却板之间限定出至少一个通道，以将流体引导到所述表面上并与其直接接触，从而使流体能够接收电源模块产生的热量。

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