NO329602B1 - Portable plasma burner - Google Patents

Abstract

Det er beskrevet en bærbar plasmabrenner (1) omfattende bæreanordning (2, 3), strømkilde (4) og trykkluftkilde (5). Trykkluftkilden (5) og elektronikkammer et (6) er montert til bæreanordningen (2). Plasmabrenneren (1) er videre forsynt med jordingsmiddel (7, 8) og brennerinnretning (9, 10). Kjøling av elektriske komponenter i elektron i kkam mere t (6) utføres ved hjelp av trykkluft eller gass fra trykkluftkilden (5).It is disclosed a portable plasma burner (1) comprising carrier (2, 3), power source (4) and compressed air source (5). The compressed air source (5) and electronics chamber (6) are mounted to the carrier (2). The plasma burner (1) is further provided with grounding means (7, 8) and burner device (9, 10). Cooling of electrical components in the electron in the chamber (6) is carried out by means of compressed air or gas from the compressed air source (5).

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en bærbar plasmabrenner, dvs. en plasmabrenner som ikke er direkte koblet til eksterne kilder for elektrisitet og/eller trykkluft. Mer spesielt vedrører oppfinnelsen kjølesystem for bærbar eller medbringbar plasmabrenner. The present invention relates to a portable plasma torch, i.e. a plasma torch which is not directly connected to external sources of electricity and/or compressed air. More particularly, the invention relates to a cooling system for a portable or portable plasma torch.

Plasma brennere brukes til plasmaskjæring eller -kutting. Plasmakutting er en prosess som hovedsaklig brukes til å skjære arbeidsstykker i stål og andre typer me-taller. Trykkluft eller gass under høyt trykk blåses med høy hastighet gjennom et munnstykke. Inne i munnstykket sitter en elektrode. Arbeidsstykket fungerer som anode, via en jordingskabel. Ved hjelp av et elektrisk felt, dannes en lysbue mellom elektroden og arbeidsstykket, og det oppstår en ionisering av lufta eller gassen, slik at det dannes et plasma. Plasmaet er tilstrekkelig varmt til å smelte metallet, og beveger seg så raskt at metallet blåses bort. Plasma torches are used for plasma cutting or cutting. Plasma cutting is a process that is mainly used to cut workpieces in steel and other types of metal. Compressed air or gas under high pressure is blown at high speed through a nozzle. Inside the mouthpiece is an electrode. The workpiece acts as an anode, via an earthing cable. With the help of an electric field, an arc is formed between the electrode and the workpiece, and the air or gas is ionized, so that a plasma is formed. The plasma is hot enough to melt the metal, and moves so fast that the metal is blown away.

Fordi plasmakutting er en prosess som krever mye energi, vil deler av elektronikken i en slik brenner ha et høyt effektforbruk. En del av de elektroniske komponentene krever derfor egen kjøling. Dette kan blant annet være tyristorer, motstander eller transistorer. Den vanlige måten å kjøle slike komponenter på i en kommersiell brenner med ekstern tilgang på luft og strøm, er å montere disse komponentene på en kjøleprofil. Denne kjøles med tvungen konveksjon ved å bruke en vifte som blå-ser luft over kjøleprofilen. Et slikt system er relativt tungt, og kan veie 4-5 kg for en maskin med en typisk effekt på 6kW. Because plasma cutting is a process that requires a lot of energy, parts of the electronics in such a torch will have a high power consumption. Some of the electronic components therefore require their own cooling. This can include thyristors, resistors or transistors. The usual way to cool such components in a commercial burner with external access to air and electricity is to mount these components on a cooling profile. This is cooled by forced convection using a fan that blows air over the cooling profile. Such a system is relatively heavy, and can weigh 4-5 kg for a machine with a typical output of 6kW.

For en bærbar plasmabrenner vil en batterianordning sørge for strømforsyning, mens en trykkluftflaske vil sørge for gassforsyning. For at brenneren skal ha prak-tisk nytteverdi, bør batteri og trykkluftflaske ha en kapasitet som gir minst rundt 5 minutter kontinuerlig kutting, imidlertid kan en se for seg brennere med en lengre kuttetid, slik som for eksempel fra 5 til 10 minutter eller mere, samtidig som man i noen utførelser vil finne en kortere kuttetid tilstrekkelig for eksempel fra 5 til 3 minutter. De ovenfor nevnte elementene, batterianordning, gassforsyning osv, vil gi en tilleggsvekt til den bærbare plasmabrenneren utover vanlig vekt for en stasjo-nær brenner. I tillegg vil en bærbar brenner være forsynt med en form for bæreanordning, f.eks. seler og/eller bæreramme og annet. Hele brenneren skal ha en slik samlet vekt at en person forholdsvis enkelt kan bære denne på ryggen over en viss strekning, i enkelte tilfeller skal den også kunne bæres i ulendt terreng, dvs den skal ha så lav vekt som mulig. For a portable plasma torch, a battery device will provide the power supply, while a compressed air cylinder will provide the gas supply. In order for the torch to have practical value, the battery and compressed air cylinder should have a capacity that provides at least around 5 minutes of continuous cutting, however, one can imagine torches with a longer cutting time, such as for example from 5 to 10 minutes or more, while in some designs a shorter cutting time will be found sufficient, for example from 5 to 3 minutes. The above-mentioned elements, battery arrangement, gas supply, etc., will give an additional weight to the portable plasma torch over and above the usual weight for a stationary torch. In addition, a portable burner will be provided with some form of carrying device, e.g. braces and/or carrier frame and other. The entire burner must have such a total weight that a person can relatively easily carry it on their back over a certain distance, in some cases it must also be able to be carried in rough terrain, i.e. it must have as little weight as possible.

I tillegg til vekt, er det en fordel at den bærbare brenneren har en form og størrelse og en håndterbarhet som er akseptabel for brukeren og som fortrinnsvis forenkler bruken med brenneren. In addition to weight, it is an advantage that the portable burner has a shape and size and a manageability which is acceptable to the user and which preferably facilitates use with the burner.

I US 2008/0237201 Al beskrives en bærbar plasmabrenner med strømkilde og trykkluftkilde. Denne publikasjonen gir imidlertid ingen forklaring på hvordan kjø-ling av elektriske komponenter skal foregå. US 2008/0237201 Al describes a portable plasma torch with a power source and compressed air source. However, this publication does not provide an explanation of how the cooling of electrical components should take place.

Ved å anvende kjent kjøling av de elektriske komponentene, f.eks. med kjølevifter, vil en bærbar plasmabrennerenhet med nødvendig utstyr kunne få en vekt på rundt 30 kg. By using known cooling of the electrical components, e.g. with cooling fans, a portable plasma torch unit with the necessary equipment could weigh around 30 kg.

Det er en hensikt med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en plasmabrenner med en lavest mulig vekt. Det er også en hensikt å tilveiebringe en bærbar brenner som er lett å håndtere for brukeren. It is an aim of the present invention to provide a plasma torch with the lowest possible weight. It is also an object to provide a portable burner which is easy for the user to handle.

For å oppnå dette, er en plasmabrenner i henhold til foreliggende oppfinnelse ut-styrt med et forbedret kjølesystem. To achieve this, a plasma torch according to the present invention is equipped with an improved cooling system.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere forklart og beskrevet ved hjelp av ikke-begrensende utførelseseksempler på en bærbar plasmabrenner og kjølesystem for denne. I figurene viser: The invention will now be further explained and described using non-limiting examples of a portable plasma torch and cooling system for this. The figures show:

Figur 1 viser et første perspektivriss av en bærbar plasmabrenner. Figure 1 shows a first perspective view of a portable plasma torch.

Figur 2 viser et andre perspektivriss av den bærbare plasmabrenneren. Figure 2 shows a second perspective view of the portable plasma torch.

Figur 3 viser et perspektivriss av et første utførelseseksempel på et kjølesystem i henhold til oppfinnelsen. Figur 4 viser et perspektivriss av kjøleinnretningen i henhold til det første utførel-seseksempelet. Figur 5 viser et perspektivriss av et andre utførelseseksempel på et kjølesystem i henhold til oppfinnelsen. Figur 6 viser et perspektivriss av kjøleinnretningen i henhold til det andreutførel-seseksempelet. Figure 3 shows a perspective view of a first embodiment of a cooling system according to the invention. Figure 4 shows a perspective view of the cooling device according to the first design example. Figure 5 shows a perspective view of a second embodiment of a cooling system according to the invention. Figure 6 shows a perspective view of the cooling device according to the second exemplary embodiment.

Plasma brenneren er i beskrivelsen beskrevet som "bærbar". Plasmabrennere som er tilknyttet et ledningsnett vil også la seg bære en begrenset distanse avhengig av ledningen som forbinder brenneren med ledningsnettet. I søknaden menes imidlertid med "bærbar", en plasmabrenner som kan bæres av brukeren uten å være tilknyttet noe tilførselssystem. Et annet ord for "bærbar" i betydningen anvendt i søknaden kan være "medbringbar". The plasma burner is described in the description as "portable". Plasma torches that are connected to a wiring network will also be able to be carried a limited distance depending on the wire that connects the torch to the wiring network. In the application, however, "portable" means a plasma torch that can be carried by the user without being connected to any supply system. Another word for "portable" in the sense used in the application could be "portable".

Figur 1 viser en bærbar plasmabrenner 1 i henhold til oppfinnelsen. Plasmabrenneren 1 omfatter en bæreanordning 2,3. I de viste utførelseseksemplene er bæreanordningen utformet som en bæreramme 2 med seler 3. Til bærerammen 2 er det montert en strømkilde i form av en batterianordning 4, trykkluftkilde 5 og elektronikkammer 6. Plasma brenneren 1 er videre forsynt med jordningskabel 7 med jor-dingsklype 8 og brennerslange 9 med brennermunnstykke 10. Minst en strømkabel 11 går mellom batteri 4 og elektronikkammer 6. En reduksjonsventil 24 er anbrakt i forbindelse med trykkluftkilden 5. En trykkluftregulator 13 er anbrakt i forbindelse Figure 1 shows a portable plasma torch 1 according to the invention. The plasma torch 1 comprises a support device 2,3. In the examples shown, the support device is designed as a support frame 2 with braces 3. A power source in the form of a battery device 4, compressed air source 5 and electronics chamber 6 is mounted to the support frame 2. The plasma torch 1 is also provided with a grounding cable 7 with grounding clip 8 and burner hose 9 with burner nozzle 10. At least one power cable 11 runs between battery 4 and electronics chamber 6. A reduction valve 24 is placed in connection with the compressed air source 5. A compressed air regulator 13 is placed in connection

med elektronikkammeret 6. Reduksjonsventilen 24 og trykkluftregulatoren 13 vil bli nærmere forklart senere. Det skal imidlertid bemerkes at om dette er ønskelig, kan reduksjonsventilen 24 også være anbrakt i overkant av plasmabrenneren 1. Dette vil typisk være tilfellet hvis også trykkluftkilden 5 er snudd den andre veien, dvs. ca. 180° i forhold til retningen angitt på utførelseseksempelet i figurene. På samme måten kan også trykkluftregulatoren 13 anbringes andre steder på elektronikkammeret 6 om dette er ønskelig, men dette vil bli åpenbart av den følgende beskrivelsen. Figur 2 viser et andre perspektivriss av plasmabrenneren 1. Elektronikkammer, trykkluftkilde, strømkilde og annet utstyr er montert på en bæreramme 2. Jordingsklypen og brennermunnstykket vil ved transport være anbrakt i egnede fast-holdingsmidler (ikke vist). Seler 3 er festet til rammen, slik at brukeren har armene fri når han bærer på brenneren. Dette vil være en fordel hvis plasmabrenneren skal gjøres operativ raskt, ved at brukeren slipper først å sette denne fra seg for så å aktivere den, dvs. feste jordingsklypen, åpne for gasstilførsel o.l. Samtidig mulig-gjør selene 3 at brukeren kan holde og/eller bringe annet utstyr, når brenneren ikke er i bruk, men anbrakt på brukerens rygg. Figur 3 viser en bærbar plasmabrenner 1 med et første utførelseseksempel på en kjøleanordning 12 i henhold til oppfinnelsen. I det viste utførelseseksempelet driver en batterianordning 4 plasmabrenneren. Batteriene skal fortrinnsvis ha kapasitet til å gi brenneren en driftstid før opplading på minst 5 minutter før de er utladet og with the electronics chamber 6. The reduction valve 24 and the compressed air regulator 13 will be explained in more detail later. It should be noted, however, that if this is desired, the reduction valve 24 can also be placed upstream of the plasma torch 1. This will typically be the case if the compressed air source 5 is also turned the other way, i.e. approx. 180° in relation to the direction indicated on the design example in the figures. In the same way, the compressed air regulator 13 can also be placed elsewhere on the electronics chamber 6 if this is desired, but this will become obvious from the following description. Figure 2 shows a second perspective view of the plasma torch 1. The electronics chamber, compressed air source, power source and other equipment are mounted on a carrier frame 2. The earthing clip and the torch nozzle will be placed in suitable holding means during transport (not shown). Straps 3 are attached to the frame, so that the user has his arms free when carrying the burner. This will be an advantage if the plasma torch is to be made operational quickly, in that the user does not have to first put it down and then activate it, i.e. attach the earthing clip, open for gas supply, etc. At the same time, the straps 3 enable the user to hold and/or bring other equipment when the burner is not in use, but placed on the user's back. Figure 3 shows a portable plasma torch 1 with a first embodiment of a cooling device 12 according to the invention. In the embodiment shown, a battery device 4 drives the plasma torch. The batteries should preferably have the capacity to give the burner an operating time before charging of at least 5 minutes before they are discharged and

skal også tåle hurtig utlading. Det er videre nødvendig at batteriene har en tilstrekkelig høy spenning til å skape en lysbue. Batterianordningen er i det viste eksempelet er et antall batterier koblet i serie. must also withstand rapid discharge. It is also necessary that the batteries have a sufficiently high voltage to create an electric arc. The battery arrangement in the example shown is a number of batteries connected in series.

Et eksempel på et egnet batteri er celle nr. ANR26650M1 kommersielt tilgjengelig fra produsenten A123 Systems, Watertown, Massachusetts, USA. Batteriet er en oppladbar celle-enhet med normal spenning på 3,3 V og normal kapasitet på 2,3 Ah. Intern impedans ved 1 kHz AC er typisk 8 mfi. Batteriene kan levere en strøm-styrke på opp til 70A ved kontinuerlig utladning, og ved 10 sekunders pulsutlading kan de levere en strømstyrke opp til 120 A. Batteriene er forbundet med elektronikkammeret 6 via minst en strømkabel 11. An example of a suitable battery is cell No. ANR26650M1 commercially available from the manufacturer A123 Systems, Watertown, Massachusetts, USA. The battery is a rechargeable cell unit with a normal voltage of 3.3 V and a normal capacity of 2.3 Ah. Internal impedance at 1 kHz AC is typically 8 mfi. The batteries can deliver a current of up to 70A during continuous discharge, and with a 10-second pulse discharge they can deliver a current of up to 120 A. The batteries are connected to the electronics chamber 6 via at least one power cable 11.

Trykkluftkilden i utførelseseksempelet er en kompositt gassflaske med et trykk på 300 bar og et volum på omtrent 6 liter av en alminnelig type. Denne typen flasker er for eksempel kommersielt tilgjengelig fra Drager Safety AG & Co. KGaA, Lubeck, Tyskland. Gassflasken 5 er forsynt med en reduksjonsventil 24 for kontrollert frigjø-ring av gass. Gassen vil ha et betydelig trykkfall over reduksjonsventilen 24 og vil trolig ha et trykk på rundt 8 bar etter denne. Ved dette trykkfallet vil temperaturen på gassen synke, slik det er forklart under. Gassen føres så gjennom en gasskanal 25 til en trykkluftregulator 13. Trykkluftregulatoren 13 kontrollerer at det endelige trykket på gassen som føres videre mot brennermunnstykket er korrekt. Trykkluft eller gass under relativt høyt trykk, dvs. vanligvis rundt 4-5 bar, føres videre fra trykkluftregulatoren via en trykkluftkabel 14 til kjøleanordningen 12 og videre fra denne via en trykkluftkabel 15 til brennerslangen 9 og via denne igjen til brennermunnstykket 10. The compressed air source in the embodiment example is a composite gas cylinder with a pressure of 300 bar and a volume of approximately 6 liters of a common type. This type of bottle is for example commercially available from Drager Safety AG & Co. KGaA, Lubeck, Germany. The gas bottle 5 is provided with a reduction valve 24 for controlled release of gas. The gas will have a significant pressure drop across the reduction valve 24 and will probably have a pressure of around 8 bar after this. With this pressure drop, the temperature of the gas will drop, as explained below. The gas is then passed through a gas channel 25 to a compressed air regulator 13. The compressed air regulator 13 checks that the final pressure of the gas which is passed on to the burner nozzle is correct. Compressed air or gas under relatively high pressure, i.e. usually around 4-5 bar, is carried on from the compressed air regulator via a compressed air cable 14 to the cooling device 12 and further from this via a compressed air cable 15 to the burner hose 9 and via this again to the burner nozzle 10.

Kjøleanordningen 12 i henhold til den første utførelsen av oppfinnelsen er en radiator. I det viste utførelseseksempelet er radiatoren en radiator av alminnelig type, hvor et fluid føres gjennom en eller flere kanaler forsynt med kjøleribber. Et eksempel på denne typen radiator er modellen 21908ERL kommersielt tilgjengelig fra Earl's Performance, Rancho Dominguez, California, USA. Imidlertid kan en tenke seg at kjøleanordningen eller radiatoren også kan være av en enklere type, slik som et rør, f.eks. et rør av lettmetall, slik som aluminium, magnesium, eller annet, som går i sløyfe over en plate, f.eks. en plate i lettmetall slik som aluminium, magnesium, eller annet, og som er tett forbundet på platen for temperaturoverføring mellom den kalde gassen i rørene og de elektroniske komponentene som trenger kjøling, f.eks. montert på den andre siden av platen. The cooling device 12 according to the first embodiment of the invention is a radiator. In the embodiment shown, the radiator is a radiator of a general type, where a fluid is led through one or more channels provided with cooling fins. An example of this type of radiator is the model 21908ERL commercially available from Earl's Performance, Rancho Dominguez, California, USA. However, it is conceivable that the cooling device or radiator can also be of a simpler type, such as a pipe, e.g. a tube of light metal, such as aluminium, magnesium, or other, which goes in a loop over a plate, e.g. a light metal plate such as aluminium, magnesium or other, which is tightly connected to the plate for temperature transfer between the cold gas in the pipes and the electronic components that need cooling, e.g. mounted on the other side of the plate.

Radiatoren kjøles ved hjelp av temperaturfall i den trykksatte gassen som følge av trykkfallet til trykkluften/-gassen, når luft eller gass forlater trykkluftkilden 5. Dette er nærmere forklart under, men en enkel forklaring på dette er som følger. The radiator is cooled by means of a temperature drop in the pressurized gas as a result of the pressure drop of the compressed air/gas, when air or gas leaves the compressed air source 5. This is explained in more detail below, but a simple explanation of this is as follows.

Trykkluftkilden eller luftforsyningen er i det viste eksempelet en trykkluftflaske med typisk 300 bar trykk. En reduksjonsventil 24 og en regulator 13 regulerer trykket ut av trykkluftflasken ned til riktig arbeidstrykk for plasmabrenneren. Arbeidstrykket er i størrelsesorden 5 bar. Når gassen reguleres fra et trykk på opptil 300 bar ned til rundt 5 bar, vil man få en ekspansjon av luften fra gassflaska. Denne ekspansjonen, sammen med en throttling-prosess i reduksjonsventilen, gjør at lufta blir kraf-tig avkjølt. Dette er nærmere forklart senere under overskriften "Fri ekspansjon og throttling-prosess i luft". For en gassflaske med luft trykksatt til 300 bar, og et typisk luftforbruk for en plasmabrenner, vil denne prosessen føre til en lufttemperatur på i størrelsesorden -10°C etter ett minutt, og i størrelsesorden -20°C etter 3 minutter. In the example shown, the source of compressed air or the air supply is a compressed air bottle with typically 300 bar pressure. A reduction valve 24 and a regulator 13 regulate the pressure out of the compressed air bottle down to the correct working pressure for the plasma torch. The working pressure is in the order of 5 bar. When the gas is regulated from a pressure of up to 300 bar down to around 5 bar, you will get an expansion of the air from the gas bottle. This expansion, together with a throttling process in the reduction valve, means that the air is strongly cooled. This is explained in more detail later under the heading "Free expansion and throttling process in air". For a gas bottle with air pressurized to 300 bar, and a typical air consumption for a plasma torch, this process will lead to an air temperature of the order of -10°C after one minute, and of the order of -20°C after 3 minutes.

Denne kalde gassen, som skal anvendes i kutteprosessen, føres gjennom kjølean-ordningen 12 i form av en radiator, en kjølesløyfe, et trykktett kammer eller annet, hvor gassen først anvendes til å kjøle elektroniske komponenter montert i brenneren, før den føres videre til brennermunnstykket 10. This cold gas, which is to be used in the cutting process, is passed through the cooling device 12 in the form of a radiator, a cooling loop, a pressure-tight chamber or something else, where the gas is first used to cool electronic components mounted in the torch, before it is passed on to the torch nozzle 10.

Ved at man ikke har et separat kjølesystem, men integrerer dette i trykklufttilførse-len vil det være mulig å redusere vekten på kjøleanordningen betydelig, fra rundt 3 - 5 kg i et tradisjonelt system med vifte eller lignende, til ca 1 kg eller lettere i det gasskjølte systemet i henhold til oppfinnelsen. Elektroniske komponenter 16 med kjølebehov, f.eks. tyristorer, motstander, transistorer og lignende, monteres på en kjøleplate 17, og kjøleplaten 17 monteres på en kjøleanordning 12, slik som en radiator. Gass som hentes inn til radiatoren arrangert etter reduksjonsventilen 24 og regulatoren 13, passerer igjennom kjøleanordningen eller radiatoren, og ut via en solenoidventil 18, som kontrollerer gasstilførselen videre inn i brennerslangen 9. Solenoidventilen styres av startknappen 19 på brennermunnstykket 10. Den samme startknappen vil også aktivere de elektroniske komponentene. By not having a separate cooling system, but integrating this into the compressed air supply, it will be possible to reduce the weight of the cooling device significantly, from around 3 - 5 kg in a traditional system with a fan or similar, to approx. 1 kg or lighter in the gas-cooled system according to the invention. Electronic components 16 with cooling requirements, e.g. thyristors, resistors, transistors and the like, are mounted on a cooling plate 17, and the cooling plate 17 is mounted on a cooling device 12, such as a radiator. Gas that is brought in to the radiator arranged after the reduction valve 24 and the regulator 13, passes through the cooling device or the radiator, and out via a solenoid valve 18, which controls the gas supply further into the burner hose 9. The solenoid valve is controlled by the start button 19 on the burner nozzle 10. The same start button will also activate the electronic components.

Ved en plasmabrenner med en kjøleanordning ifølge det første utførelseseksempe-let, vil radiatoren kjøles ved tvungen konveksjon, og de elektroniske komponentene vil kjøles via kjøleplaten, ved konduksjon. In the case of a plasma torch with a cooling device according to the first embodiment, the radiator will be cooled by forced convection, and the electronic components will be cooled via the cooling plate, by conduction.

Figur 4 viser et mer detaljert riss av kjøleanordningen i henhold til det første utfø-relseseksempelet. En radiator 12 er montert til en side av en kjøleplate 17. Elektroniske komponenter 16 som vil ha behov for kjøling når plasmabrenneren anvendes, monteres til den andre siden av kjøleplaten 17. Radiatoren 12 er av en type som kjøles ved hjelp av gass som strømmer inn i radiatoren 12 gjennom et innløp 20 og ut av radiatoren 12 gjennom et utløp 21. Innløpet 20 er forbundet med den første trykkluftkabelen 14 som igjen er forbundet med trykkluftkilden 5. Mellom innløpet 20 og trykkluftkilden 5 vil det være montert en reduksjonsventil (se f.eks. fig. 3) og en trykkluftregulator 13 for regulering av gasstilførselen til kjøleanordningen 12 og brennermunnstykket 10. Utløpet 21 er forbundet med den andre trykkluftkabelen 15 som fører gassen gjennom en solenoideventil 18 og videre mot brennerkabelen. Figure 4 shows a more detailed view of the cooling device according to the first embodiment. A radiator 12 is mounted to one side of a cooling plate 17. Electronic components 16 that will need cooling when the plasma torch is used are mounted to the other side of the cooling plate 17. The radiator 12 is of a type that is cooled by means of gas flowing in in the radiator 12 through an inlet 20 and out of the radiator 12 through an outlet 21. The inlet 20 is connected to the first compressed air cable 14 which in turn is connected to the compressed air source 5. Between the inlet 20 and the compressed air source 5 a reduction valve will be fitted (see e.g. eg Fig. 3) and a compressed air regulator 13 for regulating the gas supply to the cooling device 12 and the burner nozzle 10. The outlet 21 is connected to the second compressed air cable 15 which leads the gas through a solenoid valve 18 and on towards the burner cable.

På minst en av trykkluftkabiene 14, 15 er det anbrakt en solenoidventil 18 eller annen ventil egnet for å styres ved hjelp av en lett tilgjengelig bryteranordning. I det viste utførelseseksempelet er ventilen 18 montert mellom den andre trykkluftkabelen 15 og brennerkabelen 9. Ventilen 18 kan passende åpnes og lukkes ved hjelp av en startknapp 19 anbrakt på brennermunnstykket, som vist på fig. 1. Startknappen 19 vil også kunne starte lysbuen ved å aktivere det elektriske systemet til plasmabrenneren. Startknappen 19 kan anbringes på ethvert tilgjengelig sted på den bærbare plasmabrenneren etter de pågjeldende krav for bruk av en slik plasmabrenner. On at least one of the compressed air cabins 14, 15, a solenoid valve 18 or other valve suitable for being controlled by means of an easily accessible switch device is placed. In the embodiment shown, the valve 18 is mounted between the second compressed air cable 15 and the burner cable 9. The valve 18 can conveniently be opened and closed by means of a start button 19 placed on the burner nozzle, as shown in fig. 1. The start button 19 will also be able to start the arc by activating the electrical system of the plasma torch. The start button 19 can be placed in any accessible place on the portable plasma torch according to the applicable requirements for the use of such a plasma torch.

Figur 5 og 6 viser kjøleinnretningen i henhold til et andre utførelseseksempel. Dette utførelseseksempelet benytter samme prinsipp som ved det første eksempelet, dvs. anvendelse av den kalde luften som strømmer fra trykkluftkilden mot brennermunnstykket, og virker i korte trekk som følgende: De elektroniske komponentene med kjølebehov monteres i et gasstett kammer, hvor små kjøleribber eventuelt monteres på de aktuelle komponentene. Luft hentes inn til kammeret etter regulatoren, passerer igjennom kammeret, og ut via en solenoidventil, som leder lufta videre inn i brennerslangen på samme måte som for det første utførelseseksempe-let. Solenoidventilen styres av startknappen på brennermunnstykket, også som beskrevet over. I dette andre utførelseseksempelet kjøles elektronikken direkte ved tvungen konveksjon. Figures 5 and 6 show the cooling device according to a second design example. This design example uses the same principle as in the first example, i.e. use of the cold air that flows from the compressed air source towards the burner nozzle, and works briefly as follows: The electronic components that require cooling are mounted in a gas-tight chamber, where small heat sinks are possibly mounted on the relevant components. Air is brought into the chamber after the regulator, passes through the chamber, and out via a solenoid valve, which leads the air further into the burner hose in the same way as for the first design example. The solenoid valve is controlled by the start button on the burner nozzle, also as described above. In this second design example, the electronics are cooled directly by forced convection.

Figur 5 viser en bærbar plasmabrenner 1 med det andre utførelseseksempelet på et kjølesystem i henhold til oppfinnelsen. Plasmabrenneren er forsynt med bæreramme 2, bæreseler 3, batteri 4 og trykkluftkilde 5 som beskrevet over. Trykkluft eller annen gass under trykk føres fra trykkluftkilden 5 gjennom en reduksjonsventil 24 videre gjennom en gasskanal 25 til en trykkluftregulator 13 og videre til en trykkluftkabel 14 som fører trykkluften eller den trykksatte gassen inn i en kjølean-ordning i form av et kjølekammer 6. Trykkluften føres så videre fra kjølekammeret via en andre trykkluftkabel 15 til brennerkabelen 9. Plasmabrenneren 1 er forsynt med reduksjonsventil 14, solenoidventil 18 og startknapp 19, som beskrevet over i forbindelse med det første utførelseseksempelet. Figur 6 viser mer detaljert kjøleanordningen i henhold til det andre utførelsesek-sempelet, delvis i snitt. Gass under trykk føres fra trykkluftkilden via en reduksjonsventil og trykkluftkabel (ikke vist) og videre forbi trykkluftregulatoren 13, gjennom den første trykkluftkabelen 14 og inn innløpet 20 til kjøleanordningen 12 i form av et gasstett kammer. Det gasstette kammeret 12 er delvis tatt vekk på figur 5 for å vise komponentene inne i kammeret. Elektroniske komponenter 16 med kjølebehov, som nevnt over, er anbrakt på en plate 22 slik som f.eks. et printkort 22. Komponentene 16 er videre forsynt med kjøleribber 23. Trykkluft eller gass under trykk, strømmer over kjøleribbene og de elektroniske komponentene i kammeret 12, ut utløpet 21, gjennom den andre trykkluftkabelen 15, forbi den reléstyr-te ventilen 18 til brennerkabelen 9 og videre ut brennermunnstykket (ikke vist). Figure 5 shows a portable plasma torch 1 with the second embodiment of a cooling system according to the invention. The plasma torch is provided with support frame 2, support straps 3, battery 4 and compressed air source 5 as described above. Compressed air or other gas under pressure is led from the compressed air source 5 through a reduction valve 24 further through a gas channel 25 to a compressed air regulator 13 and further to a compressed air cable 14 which leads the compressed air or the pressurized gas into a cooling device in the form of a cooling chamber 6. The compressed air is then carried on from the cooling chamber via a second compressed air cable 15 to the burner cable 9. The plasma burner 1 is equipped with a reduction valve 14, a solenoid valve 18 and a start button 19, as described above in connection with the first design example. Figure 6 shows in more detail the cooling device according to the second design example, partly in section. Gas under pressure is led from the compressed air source via a reduction valve and compressed air cable (not shown) and further past the compressed air regulator 13, through the first compressed air cable 14 and into the inlet 20 of the cooling device 12 in the form of a gas-tight chamber. The gas-tight chamber 12 is partially removed in Figure 5 to show the components inside the chamber. Electronic components 16 with cooling requirements, as mentioned above, are placed on a plate 22 such as e.g. a printed circuit board 22. The components 16 are further provided with cooling fins 23. Compressed air or pressurized gas flows over the cooling fins and the electronic components in the chamber 12, out the outlet 21, through the second compressed air cable 15, past the relay-controlled valve 18 to the burner cable 9 and further out the burner nozzle (not shown).

I det viste eksempelet er kjøleribbene anbrakt i den antatte lengderetningen til luft-strømmen gjennom luftkammeret 12. Som et eksempel, kan man anvende et rib-bearrangement av typen SK106 kommersielt tilgjengelig fra Fischer elektronikk, Ludenscheid, Tyskland. Dette er ekstruderte ribbeenheter med 7 ribber per 40 mm bredde og 27 mm høyde. In the example shown, the cooling fins are arranged in the assumed longitudinal direction of the air flow through the air chamber 12. As an example, one can use a rib arrangement of the type SK106 commercially available from Fischer Elektronik, Ludenscheid, Germany. These are extruded rib units with 7 ribs per 40 mm width and 27 mm height.

Imidlertid vil en person med kjennskap til teknikken stå fritt til å velge orientering, høyde, bredde og antall på ribbene for å oppnå optimal kjøling. Ribbene kan med andre ord også stå på tvers av antatt strømningsretning eller i enhver vinkel mellom 0 og 180° på strømningsretningen. Ribbene trenger heller ikke å stå parallelt, men kan anbringes i ethvert ønsket tilfeldig eller ikke-tilfeldig mønster. Hvis dette er ønskelig, kan ribbene også utelates, slik at den kalde gassen strømmer direkte over de elektroniske komponentene. However, a person with knowledge of the technique will be free to choose the orientation, height, width and number of the ribs to achieve optimal cooling. In other words, the ribs can also stand across the assumed direction of flow or at any angle between 0 and 180° to the direction of flow. The ribs also do not have to be parallel, but can be arranged in any desired random or non-random pattern. If this is desired, the ribs can also be omitted, so that the cold gas flows directly over the electronic components.

Videre kan en også tenke seg at en anvender mer enn et gasstett kjølekammer og dermed fordeler de elektroniske komponentene med kjølebehov i et antall kammer, for eksempel slik at de med størst kjølebehov er i et første kammer, mens komponenter med synkende behov er anbrakt i påfølgende kammer før gassen endelig føres til brennermunnstykket. Furthermore, one can also imagine that one uses more than one gas-tight cooling chamber and thus distributes the electronic components with cooling requirements in a number of chambers, for example so that those with the greatest cooling requirements are in a first chamber, while components with decreasing requirements are placed in subsequent chamber before the gas is finally fed to the burner nozzle.

Da gassen som strømmer ut av trykkluftkilden kan nå svært lave temperaturer, kan det være av interesse kun å føre en andel av gassen gjennom kjøleanordningen for å oppnå tilstrekkelig men ikke for sterk nedkjøling av de elektroniske komponentene. Hvis dette er ønskelig, kan man arrangere en termostyrt ventil i gasstrømmen i forkant av kjøleanordningen, hvor den termostyrte ventilen ved en gitt temperatur leder en andel av gassen utenom kjøleanordningen gjennom en separat tredje trykkluftkabel forbundet med solenoideventilen og/eller videre til brennerslangen og brennermunnstykket. As the gas flowing out of the compressed air source can reach very low temperatures, it may be of interest to pass only a proportion of the gas through the cooling device in order to achieve sufficient but not too strong cooling of the electronic components. If this is desired, a thermostatically controlled valve can be arranged in the gas flow ahead of the cooling device, where the thermostatically controlled valve at a given temperature directs a portion of the gas outside the cooling device through a separate third compressed air cable connected to the solenoid valve and/or further to the burner hose and the burner nozzle.

Det skal gjøres oppmerksom på at selv om det i innledningen er angitt at en bærbar plasmabrenner med anvendelse av kjent teknikk, vil kunne veie rundt 30 kg, er dette kun et anslag, da det ikke er alminnelig kjent å lage slike bærbare eller med-bringbare plasmabrennere. En alminnelig plasmabrenner for tilknytning til et ledningsnett veier på det nåværende tidspunkt fra rundt 9 kg til rundt 44 kg. En bærbar plasmabrenner omfatter i tillegg bæreinnretninger og bærbare kilder for strøm og trykkluft. Det kan derfor godt hende at en bærbar plasmabrenner med anvendelse av kjent teknikk for kjøling vil kunne ha en enda høyere vekt, og gjerne opp mot 40 kg, eller at vekten vil være noe under 30 kg. Dette vil imidlertid ikke ha betydning for oppfinnelsen, da enhver vektbespareise på denne typen utstyr vil være av stor verdi for brukeren og øke anvendelsesomfanget og rekkevidden betydelig. It should be noted that even though it is stated in the introduction that a portable plasma torch using known technology will be able to weigh around 30 kg, this is only an estimate, as it is not generally known to make such portable or portable ones plasma burners. A common plasma torch for connection to a wiring network currently weighs from about 9 kg to about 44 kg. A portable plasma torch also includes carrying devices and portable sources of electricity and compressed air. It may therefore well happen that a portable plasma burner using known cooling techniques will be able to have an even higher weight, and preferably up to 40 kg, or that the weight will be somewhat below 30 kg. However, this will not have any significance for the invention, as any weight savings on this type of equipment will be of great value to the user and increase the scope of application and range significantly.

Det skal også gjøres oppmerksom på at selv om det i søknadsteksten er gitt eksempler på trykkluftkilder som trykkluftflasker med 300 bar, vil det være åpenbart for en fagperson innen området at trykkluftflasker med andre trykk også kan være aktuelle, så lenge trykket er tilstrekkelig høyt til å tilveiebringe den påkrevde luft-mengden. Det kan for eksempel være flasker med fra 300 bar og nedover mot 50 bar eller enda lavere eller om ønskelig, flasker med et høyere trykk enn 300 bar, dvs. fra 300 bar opp til 600 bar eller enda høyere, f.eks. opp til 1000 bar eller mer. Det kan også anvendes andre typer flasker enn komposittflasker, så som stålflasker, lettmetallsflasker, beholdere i fiberforsterkede polymermaterialer eller annet. It should also be noted that even though examples of compressed air sources such as compressed air cylinders with 300 bar are given in the application text, it will be obvious to a professional in the field that compressed air cylinders with other pressures can also be relevant, as long as the pressure is sufficiently high to provide the required amount of air. There can be, for example, bottles with from 300 bar and down towards 50 bar or even lower or, if desired, bottles with a higher pressure than 300 bar, i.e. from 300 bar up to 600 bar or even higher, e.g. up to 1000 bar or more. Other types of bottles than composite bottles can also be used, such as steel bottles, light metal bottles, containers in fibre-reinforced polymer materials or others.

Videre skal det bemerkes at det som strømkilde i de viste eksemplene er vist batte-rianordninger med et antall mindre sammenkoblede enheter. Det er imidlertid også mulig å tenke seg et enkelt batteri som i seg selv gir tilstrekkelig spenning og utla-dingshastighet. Det er åpenbart at dette også vil falle inn under oppfinnelsens om-fang. Batteriene kan også være av en oppladbar type eller batterier til én-gangs bruk. Forøvrig kan strømkilden være enhver egnet kompakt transportabel strømkil-de, slik at et lite, kompakt lettvekst-strømaggregat også vil være tenkelig, for eksempel et aggregat satt sammen av komponenter som er kjent fra radiostyrte fly og annet. Dette vil også falle inn under oppfinnelsen, slik denne er angitt i de ved-lagte krav. Furthermore, it should be noted that battery devices with a number of smaller interconnected units are shown as power sources in the examples shown. However, it is also possible to imagine a simple battery which in itself provides sufficient voltage and discharge speed. It is obvious that this will also fall within the scope of the invention. The batteries can also be of a rechargeable type or batteries for one-time use. Otherwise, the power source can be any suitable compact transportable power source, so that a small, compact, easy-to-grow power unit would also be conceivable, for example, a unit made up of components that are known from radio-controlled aircraft and the like. This will also fall under the scope of the invention, as stated in the attached claims.

Kjøleeffekten til trykkluften som strømmer fra trykkluftkilden mot brennermunnstykket vil nå bli forsøkt nærmere forklart. The cooling effect of the compressed air that flows from the compressed air source towards the burner nozzle will now be tried to be explained in more detail.

FRI EKSPANSJON OG THROTTLING- PROSESS I LUFT FREE EXPANSION AND THROTTLING PROCESS IN AIR

Fri ekspansjon og reelle gasser Free expansion and real gases

Beskrivelsen av kjøling ved fri ekspansjon av en gass og kjøling fra Joule-Thomson effekten som følger i herunder er hentet fra Fredrick Reif. Fundamentals ofStatisti-cal and Thermal Physics. McGraw-Hill, 1965. Joule-Thomson eller throttling-effekten for luft er tidligere beskrevet og kvantisert i J. R. Roebuck. The Joule-Thomson Effect in Air. Physics, Proe. N. A. S., 12:55.58, 1925.. I J. R. Roebuck and H. Osterberg. The Joule-Thomson Effect in Nitrogen. Phys. Rev., 48:450.457, September 1, 1935 presenteres kurver og tabeller som vil bli benyttet videre herunder, spesielt benyttes Fig.l i J. R. Roebuck and H. Osterberg. The Joule-Thomson Effect in Nitrogen. Phys. Rev., 48:450.457, September 1, 1935. hvor isenthalpiske kurver fra eksperimentelle data er plottet. The description of cooling by free expansion of a gas and cooling from the Joule-Thomson effect that follows below is taken from Fredrick Reif. Fundamentals of Statistical and Thermal Physics. McGraw-Hill, 1965. The Joule-Thomson or throttling effect for air was previously described and quantified in J. R. Roebuck. The Joule-Thomson Effect in Air. Physics, Proe. N. A. S., 12:55.58, 1925.. In J. R. Roebuck and H. Osterberg. The Joule-Thomson Effect in Nitrogen. Phys. Rev., 48:450.457, September 1, 1935, curves and tables are presented which will be used further below, especially Fig.l in J. R. Roebuck and H. Osterberg is used. The Joule-Thomson Effect in Nitrogen. Phys. Rev., 48:450,457, September 1, 1935. where isenthalpic curves from experimental data are plotted.

Først tar vi for oss fri ekspansjon av en gass. Vi tenker oss en beholder som er delt i to kamre, A og B som er skilt fra hverandre med en stengt ventil. Først er gassen i kammer-, det er vakuum i kammer B. Vi åpner ventilen slik at det strømmer gass fra A til B. Det oppnås likevekt med samme trykk i begge kamre. Vil temperaturen endre seg under ekspansjonen? First we consider the free expansion of a gas. We imagine a container that is divided into two chambers, A and B, which are separated from each other by a closed valve. First, the gas is in chamber-, there is a vacuum in chamber B. We open the valve so that gas flows from A to B. Equilibrium is achieved with the same pressure in both chambers. Will the temperature change during the expansion?

Vi antar at beholderen er udeformerbar og termisk isolert fra omgivelsene slik at varmetransporten Q til omgivelsene er neglisjerbar, det siste kan skrives We assume that the container is undeformable and thermally isolated from the surroundings so that the heat transport Q to the surroundings is negligible, the latter can be written

Siden beholderens vegger er faste så utføres det ikke noe mekanisk arbeide W på omgivelsene Fra termodynamikkens første lov Q = AE + W følger det at den totale energien er bevart for denne prosessen For enkelthets skyld antas det at beholderen har neglisjerbar varmekapasitet. Den vil da ikke absorbere noe varme (i virkelighetens verden benyttes ofte stålbeholde-re og de har stor varmekapasitet). Eksperiment med en gassbeholder som beskrevet over og nedsenket i vann ble utført av Joule. Vannets temperatur før og etter ekspansjonen ble målt og det ble ikke registrert noen endringer. I ettertid kan en si at målenøyaktigheten ikke var særlig god, men det indikerer i alle fall det resultatet som er forventet av en ideell gass. Vi har generelt at den indre energien er bevart Since the walls of the container are fixed, no mechanical work W is performed on the surroundings From the first law of thermodynamics Q = AE + W it follows that the total energy is conserved for this process For the sake of simplicity, it is assumed that the container has negligible heat capacity. It will then not absorb any heat (in the real world, steel containers are often used and they have a large heat capacity). Experiments with a gas container as described above and immersed in water were carried out by Joule. The temperature of the water before and after the expansion was measured and no changes were recorded. In retrospect, one can say that the measurement accuracy was not very good, but it in any case indicates the result that is expected from an ideal gas. We generally have that the internal energy is conserved

Vi skiller videre mellom ideelle og reelle gasser. For en ideell gass er energien som skylles vekselvirkninger mellom molekylene neglisjert og den indre energien er kun avhengig av temperaturen, E = E( T). For denne tilnærmelsen gjelder: Temperaturen blir den samme før og etter ekspansjonen. Dette gjelder ikke nød-vendigvis for en reell gass. We further distinguish between ideal and real gases. For an ideal gas, the energy dissipated by interactions between the molecules is neglected and the internal energy depends only on the temperature, E = E( T). For this approximation, the following applies: The temperature will be the same before and after the expansion. This does not necessarily apply to a real gas.

Ikke ideelle gasser Not ideal gases

For en reell gass må en ta hensyn til den molekylære interaksjonen. Disse kan fra-støte og tiltrekke hverandre. En kan omtrentlig si at ved høye temperaturer vil molekylene frastøte hverandre, ved lave temperaturer vil de tiltrekke hverandre. Tilstandsligningen for en gass kan generelt skrives For a real gas, one must take into account the molecular interaction. These can repel and attract each other. One can roughly say that at high temperatures the molecules will repel each other, at low temperatures they will attract each other. The equation of state for a gas can generally be written

hvor koeffisientene B2lB3, ... kalles viral koeffisienter. For en ideell gass er disse neglisjerbare. Den svake vekselvirkningen (attraksjon) mellom molekyler med stor avstand viser seg å være signifikant ved lave temperaturer, hvor også molekylenes kinetiske energi er liten. Dette resulterer i en mindre avstand mellom molekylene enn uten denne vekselvirkningen. Attraksjonene resulterer i et redusert trykk. For dette tilfellet er S2(T) < 0. I et høyere temperaturregime er den kinetiske energien høyere og repulsive kortdistansekrefter vil dominere. Siden en får frastøtning etter-som temperaturen øker, så vil d~ B2( T)/ d~ T> 0 og S2(T) vil bli positiv. Dette muliggjør både avkjøling og oppvarming med fri ekspansjon avhengig av hvilken temperatur og tilstand gassen er i. where the coefficients B2lB3, ... are called viral coefficients. For an ideal gas these are negligible. The weak interaction (attraction) between molecules with large distances turns out to be significant at low temperatures, where the kinetic energy of the molecules is also small. This results in a smaller distance between the molecules than without this interaction. The attractions result in a reduced pressure. For this case, S2(T) < 0. In a higher temperature regime, the kinetic energy is higher and repulsive short-range forces will dominate. Since one gets repulsion as the temperature increases, then d~ B2( T)/ d~ T> 0 and S2(T) will become positive. This enables both cooling and heating with free expansion depending on the temperature and condition of the gas.

Van der Waal innførte følgende empiriske ligning for en reell gass Van der Waal introduced the following empirical equation for a real gas

hvor v = V/ v er det molare volumet, a og b er positive konstanter spesifikke for den aktuelle gassen. For en tynn gass er a << v og b << v og (2.2) reduseres til tilstandsligningen for en ideell gass PV = vRT. where v = V/ v is the molar volume, a and b are positive constants specific to the gas in question. For a thin gas, a << v and b << v and (2.2) reduces to the equation of state for an ideal gas PV = vRT.

Vi er ute etter å se på effekten av avviket fra ideelle gasser, f.eks. avviket i indre energi sammenlignet med ideell gass. For en ideell gass er 5(7", v) = E( T). Hva blir for eksempel endringen i indre energi 5(7", v) - E( T0l v0) for en van der Waals gass. Ved å derivere (2.2) får vi We are looking to look at the effect of the deviation from ideal gases, e.g. the deviation in internal energy compared to an ideal gas. For an ideal gas, 5(7", v) = E( T). What, for example, is the change in internal energy 5(7", v) - E( T0l v0) for a van der Waals gas. By deriving (2.2) we get

Vi har fra termodynamikken at hvor vi har benyttet Maxwell relasjonen Dette gir Vi innfører indre energi per mol, e og kan skrive Vi har også at Varmekapasiteten cv er kun en funksjon av temperatur for en van der Waal gass. For den indre energi/mol kan vi i følge (2.4) skrive som integrert gir For tilstrekkelig små temperaturendringer kan cv ansees å være konstant og (2.10) gir We have from thermodynamics that where we have used the Maxwell relation This gives We introduce internal energy per mole, e and can write We also have that the heat capacity cv is only a function of temperature for a van der Waal gas. For the internal energy/mol, according to (2.4) we can write as integrated gives For sufficiently small temperature changes, cv can be considered to be constant and (2.10) gives

hvilket viser at for en fri ekspansjon så avkjøles gassen (7 < 7"0). which shows that for a free expansion the gas cools (7 < 7"0).

Joule-Thomson prosessen The Joule-Thomson process

Vi skal se hva som skjer når gass strømmer gjennom en forhindring eller ventil. Trykket på oppstrømssiden er større enn trykket på nedstrømssiden, p1 > p2. Dette vil føre til en ekspansjon av gassen. I Joule-Thomson prosessen antar en at det strømmer gass inn mot ventilen med konstant trykk og temperatur og tilsvarende ut av ventilen. Vi ser bort fra varmetapet til/fra omgivelsene og antar at alle stør-relser er konstante over det tidsintervall som skal til for å oppnå termodynamisk likevekt. Vi antar at prosessen er tilnærmet adiabatisk. We will see what happens when gas flows through an obstruction or valve. The pressure on the upstream side is greater than the pressure on the downstream side, p1 > p2. This will lead to an expansion of the gas. In the Joule-Thomson process, it is assumed that gas flows into the valve at constant pressure and temperature and correspondingly out of the valve. We disregard the heat loss to/from the surroundings and assume that all quantities are constant over the time interval required to achieve thermodynamic equilibrium. We assume that the process is approximately adiabatic.

Betrakt gasen på oppstrømssiden av ventilen. Det arbeidet som skal til for å trans-portere en masse M = p2V2 igjennom ventilen er p2V2. På nedstrøms side blir arbeidet utført av massen M tilsvarende PilA. Netto arbeid blir Consider the gas on the upstream side of the valve. The work required to transport a mass M = p2V2 through the valve is p2V2. On the downstream side, the work is done by the mass M corresponding to PilA. Net work becomes

Endringen i indre energi blir I følge antagelsen om adiabasi er ingen varme absorbert av massen M, Q = 0, og The change in internal energy becomes According to the adiabatic assumption, no heat is absorbed by the mass M, Q = 0, and

Enthalpien H er konstant for denne prosessen. The enthalpy H is constant for this process.

For en ideell gass kan enthalpien skrives For an ideal gas, the enthalpy can be written

Denne er kun en funksjon av temperaturen. I dette tilfellet gjelder H( T2) = H(Ti) og Ti = T2. Temperaturen er konstant. For en reell gass vil Joule-Thomson prosessen føre til endring i temperatur som vi skal se seinere. Størrelsen p = ( d~ T/ d~ p) H kalles Joule-Thomson koeffisienten og dette er en viktig parameter i beskrivelsen av denne prosessen, u > 0 gir avkjøling mens u < 0 gir oppvarming. Endringen i enthalpien kan skrives This is only a function of temperature. In this case, H( T2) = H(Ti) and Ti = T2 apply. The temperature is constant. For a real gas, the Joule-Thomson process will lead to a change in temperature, which we will see later. The quantity p = ( d~ T/ d~ p) H is called the Joule-Thomson coefficient and this is an important parameter in the description of this process, u > 0 gives cooling while u < 0 gives heating. The change in enthalpy can be written

Siden vi ikke har noe endring i enthalpien får vi Dermed får vi følgende uttrykk for Joule-Thomson koeffisienten Fra Maxwell relasjonene får vi Her er a volumekspansjonskoeffisienten. Vi kan dermed skrive For en ideell gass er a = T<1> og u = 0. En trunkert versjon av ekspansjonen (2.1) kan skrives Joule-Thomson koeffisienten blir for dette tilfellet Since we have no change in the enthalpy, we get Thus we get the following expression for the Joule-Thomson coefficient From the Maxwell relations we get Here a is the volume expansion coefficient. We can thus write For an ideal gas, a = T<1> and u = 0. A truncated version of the expansion (2.1) can be written The Joule-Thomson coefficient becomes for this case

Ved lave temperaturer hvor molekylene er i en attraktiv tilstand vil B2 < 0 og 5S2/5r > 0 slik at £/ > 0. I dette tilfellet vil Joule-Thomson prosessen føre til en av-kjøling. Det er verdt å merke seg at det finnes gasser, for eksempel He, som har overgangen p = 0 ved lave temperaturer 34°K, mens for N2 (luft) skjer dette ved 625°/C. For høyere trykk senkes p = 0 punktet. Vi merker oss at luft hovedsaklig består av oksygen 02 og nitrogen N2. Begge er to-atomige og oppfører seg likt termodynamisk. Derfor kan luft godt simuleres med en rein N2 gass. Isenthalpiske kurver som spenner over et stort temperatur og trykkområde er gitt i Fig.l i J. R. Roebuck and H. Osterberg. The Joule-Thomson Effect in Nitrogen. Phys. Rev., 48:450.457, September 1, 1935. At low temperatures where the molecules are in an attractive state, B2 < 0 and 5S2/5r > 0 so that £/ > 0. In this case, the Joule-Thomson process will lead to cooling. It is worth noting that there are gases, for example He, which have the transition p = 0 at low temperatures 34°K, while for N2 (air) this occurs at 625°/C. For higher pressures, the p = 0 point is lowered. We note that air mainly consists of oxygen 02 and nitrogen N2. Both are diatomic and behave the same thermodynamically. Air can therefore be well simulated with a pure N2 gas. Isenthalpic curves spanning a large temperature and pressure range are given in Fig.l in J. R. Roebuck and H. Osterberg. The Joule-Thomson Effect in Nitrogen. Phys. Rev., 48:450,457, September 1, 1935.

Luftstrøm fra en flaske og gjennom en reduksjonsventil Air flow from a bottle and through a reducing valve

Her er det to effekter som gjør seg gjeldende. Den ene er ekspansjonen av gassen idet trykkflaska tømmes, og den andre er passeringen av lufta gjennom reduksjonsventilen. Begge prosessene vil føre til avkjøling av gassen. Vi har m ålt tidsutviklingen av temperatur og trykk etter reduksjonsventilen. Tidsutviklingen av trykket innenfor ventilen er også blitt målt. Utviklingen av gassens temperatur inne i flaska kan da estimeres fra gassens isenthalpiske kurver. I vårt tilfelle (0 < p < There are two effects here. One is the expansion of the gas as the pressure bottle is emptied, and the other is the passage of the air through the reduction valve. Both processes will lead to cooling of the gas. We have measured the time development of temperature and pressure after the reduction valve. The time evolution of the pressure inside the valve has also been measured. The development of the temperature of the gas inside the bottle can then be estimated from the isenthalpic curves of the gas. In our case (0 < p <

300 Bar, -30°C < T < 20°C) er alle isenthalpiske kurver "parallelle", slik at en ønsket isenthalpisk kurve kan oppnås ved å forskyve en annen langs temperaturaksen. Vi har plukket ut den isenthalpen som går gjennom punktet (-3°C, 20 Bar). Denne er vist i Diagram 1 under. Vi skal huske at bruken av isenthalpiske kurver gjelder approksimativt under adiabatiske forhold. 300 Bar, -30°C < T < 20°C) all isenthalpic curves are "parallel", so that a desired isenthalpic curve can be obtained by shifting another along the temperature axis. We have selected the ice enthalpy that passes through the point (-3°C, 20 Bar). This is shown in Diagram 1 below. We must remember that the use of isenthalpic curves applies approximately under adiabatic conditions.

For hvert tidspunkt gjelder at For each point in time, that applies

Ti kan bestemmes ut fra de målte størrelsene pu T2, p2. Vi avleser Ti for målt Pi på den isenthalpiske kurven som går gjennom (p2, 7"2), se Diagram 1. Ti can be determined from the measured quantities pu T2, p2. We read Ti for measured Pi on the isenthalpic curve that passes through (p2, 7"2), see Diagram 1.

Beskrivelse av oppfinnelsen Description of the invention

Avvik fra adiabsi er den største kilden til feil i ekspansjons og throttling-prosessen. Måleresultater viser at temperaturen til lufta etter reduksjonsventilen varierer med trykket etter reduksjonsventilen (p2). Ifølge teorien for throttling burde temperaturen falle med redusert trykk mens målingene viser det motsatte. Dette er vist i Diagram 2. Forskjellene er relativt store. Deviation from adiabsia is the biggest source of error in the expansion and throttling process. Measurement results show that the temperature of the air after the reduction valve varies with the pressure after the reduction valve (p2). According to the theory of throttling, the temperature should fall with reduced pressure, while the measurements show the opposite. This is shown in Diagram 2. The differences are relatively large.

Ved å øke trykket senkes temperaturen. Målinger er gjort ved p2 = 2 Bar, 5 Bar, 10 Bar hvor 10 bars trykk gir lavest temperatur. Ifølge teorien som er basert på konstant enthalpi burde det være motsatt. Fallet i temperatur med fallende trykk esti-mert fra den isenthalpiske kurven er 2-3°C. Dette er ikke konsistent med det som faktisk måles. Det målte temperaturfallet er på hele 10-15°C, hvor temperaturfallet øker med økt trykk, våre teoretiske resultater er basert på antagelsen om adiabasi. Inkonsistensen beskrevet over kan forklares ved at prosessen ikke er adiabatisk. Dette er i overensstemmelse med det observerte faktum at ventilen og det omkringliggende metallet avkjøles betydelig. Denne varmen tilføres gassen og altså blir gassen varmere enn det den idealiserte teorien vil gi. Det er derfor essensielt å måle den avkjølingen som faktisk oppnås for å finne ut om denne er tilstrekkelig for formålet. By increasing the pressure, the temperature is lowered. Measurements have been made at p2 = 2 Bar, 5 Bar, 10 Bar where 10 bar pressure gives the lowest temperature. According to the theory based on constant enthalpy, it should be the opposite. The drop in temperature with decreasing pressure estimated from the isenthalpic curve is 2-3°C. This is not consistent with what is actually measured. The measured temperature drop is as much as 10-15°C, where the temperature drop increases with increased pressure, our theoretical results are based on the assumption of adiabasia. The inconsistency described above can be explained by the fact that the process is not adiabatic. This is consistent with the observed fact that the valve and the surrounding metal cool significantly. This heat is supplied to the gas and thus the gas becomes hotter than what the idealized theory would give. It is therefore essential to measure the cooling that is actually achieved to find out if this is sufficient for the purpose.

Luft er et kompressibelt medium. Ved å øke trykket etter ventilen fra 2 til 10 Bar, vil tettheten endre seg en faktor 5 ved 10 Bar, (p = p/ RT). Den aktuelle tempera-turdifferansen er av minimal betydning for resultatet. Varmekapasiteten C til gassen er 5 ganger høyere ved lObar enn ved 2bar. For varme og temperatur kan vi tilnærmet skrive AT = AQ/C. Siden 11 ATT 11 << T kan vi skrive hT2bar/ ffiwbar « Cioiar / C2bar = 5. Altså kan vi forvente en høyere temperatur ved 2 Bar enn ved 10 Bar forutsatt at det foregår varmetransport fra de omkringliggende komponentene. Begge temperaturene blir høyere enn den ideelle temperaturen Tad som fremkom-mer ved adiabatiske forhold. Vi har flere målinger og det er prinsipielt mulig å be-regne TadAir is a compressible medium. By increasing the pressure after the valve from 2 to 10 Bar, the density will change by a factor of 5 at 10 Bar, (p = p/ RT). The relevant temperature difference is of minimal importance for the result. The heat capacity C of the gas is 5 times higher at lObar than at 2bar. For heat and temperature we can approximately write AT = AQ/C. Since 11 ATT 11 << T we can write hT2bar/ ffiwbar « Cioiar / C2bar = 5. So we can expect a higher temperature at 2 Bar than at 10 Bar provided that there is heat transport from the surrounding components. Both temperatures become higher than the ideal temperature Tad which occurs in adiabatic conditions. We have several measurements and it is in principle possible to calculate Tad

Vi ser at T10 ->■ rad når Cio ->■<». We see that T10 ->■ row reaches Cio ->■<».

Eksempel: Med T2 = -10°C, T10 = -27°C, blir Tad = -32°C. Ved avlesning på den matchende isenthalpiske kurven får vi en endelig temperatur inne i flaska på ca. - 15°C etter at trykket er blitt redusert til 100 Bar, dvs. etter ca. 100s. Etter dette ser det ut til at kurvene flater ut. Example: With T2 = -10°C, T10 = -27°C, Tad = -32°C. By reading the matching isenthalpic curve, we get a final temperature inside the bottle of approx. - 15°C after the pressure has been reduced to 100 Bar, i.e. after approx. 100s. After this, the curves appear to flatten out.

Temperaturfallet for en komposittflaske og slange sammenlignet med stålflaske og slange vises i Diagram 3 og 4. Varmekapasiteten og varmeledningsevnen til kom-posittmaterialet er mindre enn for stålet. Derfor blir varmetapet til omgivelsene mindre for kompositt enn for stål. Vi kan anta at det for stålflasker er et betydelig varmetap fra stålflaska til gassen (når gasstemperaturen er lavere enn ståltempe-raturen). Dette fører til et betydelig avvik fra adiabasi. I en fornuftig beregning av gassens/luftas avkjøling må en ta hensyn til dette. Ved å måle trykk og temperatur etter reduksjonsventilen samtidig med trykket i flaska så kan likevel temperaturen inne i flaska estimeres (som vi har sett over). The temperature drop for a composite bottle and hose compared to a steel bottle and hose is shown in Diagrams 3 and 4. The heat capacity and thermal conductivity of the composite material is less than that of the steel. Therefore, the heat loss to the surroundings is less for composite than for steel. We can assume that for steel bottles there is a significant heat loss from the steel bottle to the gas (when the gas temperature is lower than the steel temperature). This leads to a significant deviation from adiabasia. In a reasonable calculation of the cooling of the gas/air, this must be taken into account. By measuring pressure and temperature after the reduction valve at the same time as the pressure in the bottle, the temperature inside the bottle can still be estimated (as we have seen above).

Det oppnås en lavere lufttemperatur etter reduksjonsventilen for kompositt enn for stål og det tar lenger tid før komposittflaska når sin laveste temperatur (målt uten-på flaska). Dette er vist i Diagram 3 og 4 og er i overensstemmelse med det en kan forvente. Siden flaske, reduksjonsventil metalldeler omkring denne avkjøles, så holder ikke antagelsen om adiabasi. Målingene viser at en likevel oppnår en rikelig avkjøling. For en komposittflaske oppnås en temperatur under -30°C etter 120s ved 10 Bar slangetrykk. Anta at trykket inne i flaska er 30 Bar på dette tidspunktet. Da kan vi fra den isenthalpiske kurven avlese en temperatur på i underkant av A lower air temperature is achieved after the reduction valve for composite than for steel and it takes longer for the composite bottle to reach its lowest temperature (measured outside the bottle). This is shown in Diagrams 3 and 4 and is in accordance with what can be expected. Since the bottle, reducing valve metal parts around it cool, the assumption of adiabasia does not hold. The measurements show that one still achieves ample cooling. For a composite bottle, a temperature below -30°C is achieved after 120s at 10 Bar hose pressure. Assume that the pressure inside the bottle is 30 Bar at this time. Then we can read from the isenthalpic curve a temperature of just under

-20°C inne i flaska. -20°C inside the bottle.

Konklusjon: Ekspansjonen av luft i en gassflaske sammen med throttling-prosessen i en reduksjonsventil gir rikelig mengder med avkjølt luft for kjøling av elektronikken i en plasmabrenner. Det oppnås temperaturer under -30°C tilgjengelig for kjøling av elektronikk og temperaturer under -20°C i gassflaska. Det kan diskuteres hvorvidt en trenger 300 Bar som starttrykk i gassflaska. Joule-Thomson prosessen er mindre effektiv ved høye trykk, siden den isenthalpiske kurven flater ut og Joule-Thomson indeksen p da nærmer seg null. Conclusion: The expansion of air in a gas cylinder together with the throttling process in a reducing valve provides ample amounts of cooled air for cooling the electronics in a plasma torch. Temperatures below -30°C available for cooling electronics and temperatures below -20°C in the gas cylinder are achieved. It can be debated whether one needs 300 Bar as starting pressure in the gas bottle. The Joule-Thomson process is less efficient at high pressures, since the isenthalpic curve flattens out and the Joule-Thomson index p then approaches zero.

Oppfinnelsen er her beskrevet med referanse til anvendelse av luft som kjølende gass. Luft regnes vanligvis som en gassblanding med omtrent 80% N2 og omtrent 20% 02 eller 100% N2. Basert på hva som er forklart angående ekspansjon av trykksatt luft ekspandert gjennom en dyse, vil det være mulig for fagpersonen, uten unødig eksperimentering, å komme frem til fluider eller fluidblandinger som oppfører seg på tilsvarende måte. Eksempler på andre fluider eller fluidblandinger som kan tenkes å være anvendelige er C02, 02/ N2 og/eller blandinger av disse, faktisk vil de fleste fluider, med unntak av helium, hydrogen og neon, trolig kunne anvendes, men på grunn av den lette og billige tilgjengeligheten på luft, er dette en gass/gassblanding som er foretrukket. The invention is described here with reference to the use of air as a cooling gas. Air is usually considered a gas mixture of about 80% N2 and about 20% O2 or 100% N2. Based on what has been explained regarding the expansion of compressed air expanded through a nozzle, it will be possible for the person skilled in the art, without undue experimentation, to arrive at fluids or fluid mixtures that behave in a similar manner. Examples of other fluids or fluid mixtures that can be thought of as being applicable are C02, 02/N2 and/or mixtures of these, in fact most fluids, with the exception of helium, hydrogen and neon, will probably be able to be used, but due to the light and the cheap availability of air, this is a gas/gas mixture that is preferred.

Claims (10)

1. Bærbar plasmabrenner (1) omfattende bæreanordning (2, 3), strømkilde (4) og trykkluftkilde (5), hvor trykkluftkilden (5) og elektronikkammer (6) er montert til bæreanordningen (2), plasmabrenneren (1) er videre forsynt med jordingsmiddel (7,8) og brennerinnretning (9, 10), karakterisert ved at kjøling av elektriske komponenter i elektronikk-kammeret (6) utføres ved hjelp av trykkluft eller gass fra trykkluftkilden (5).1. Portable plasma torch (1) comprising carrying device (2, 3), power source (4) and compressed air source (5), where the compressed air source (5) and electronics chamber (6) are mounted to the carrying device (2), the plasma torch (1) is further provided with earthing agent (7,8) and burner device (9, 10), characterized in that cooling of electrical components in the electronics chamber (6) is carried out using compressed air or gas from the compressed air source (5). 2. Bærbar plasmabrenner (1) ifølge krav 1, hvor trykkluft føres ut av trykkluftkilden gjennom en reduksjonsventil (24) via en trykkluftkanal og/eller -kabel (25, 14), gjennom en kjøleanordning (12) for kjøling av de elektroniske komponentene og videre gjennom en trykkluftkabel (15) til brennerinnretningen (9,10).2. Portable plasma torch (1) according to claim 1, where compressed air is led out of the compressed air source through a reduction valve (24) via a compressed air channel and/or cable (25, 14), through a cooling device (12) for cooling the electronic components and further through a compressed air cable (15) to the burner device (9,10). 3. Bærbar plasmabrenner (1) ifølge krav 1 eller 2, hvor en trykkluftregulator (13) er tilveiebrakt mellom trykkventilen (24) og kjøleanordningen (12).3. Portable plasma torch (1) according to claim 1 or 2, where a compressed air regulator (13) is provided between the pressure valve (24) and the cooling device (12). 4. Bærbar plasmabrenner (1) ifølge et av kravene 1-3, hvor trykkluftkilden (4) er en gassbeholder med et trykk på fra 50 til 1000 bar, fortrinnsvis fra 150 til 600 bar, mer foretrukket fra 150 til 350 bar.4. Portable plasma torch (1) according to one of claims 1-3, where the compressed air source (4) is a gas container with a pressure of from 50 to 1000 bar, preferably from 150 to 600 bar, more preferably from 150 to 350 bar. 5. Bærbar plasmabrenner (1) ifølge et av kravene 1-4, hvor strømkilden (4) er en batterianordning.5. Portable plasma torch (1) according to one of claims 1-4, where the power source (4) is a battery device. 6. Bærbar plasmabrenner (1) ifølge et av kravene 1-5, hvor kjøleanordningen (12) er en radiator.6. Portable plasma torch (1) according to one of claims 1-5, where the cooling device (12) is a radiator. 7. Bærbar plasmabrenner (1) ifølge krav 6, hvor radiatoren (12) er festet til en første side av en kjøleplate (17) og de elektroniske komponentene er til en andre side av kjøleplaten (17).7. Portable plasma torch (1) according to claim 6, where the radiator (12) is attached to a first side of a cooling plate (17) and the electronic components are to a second side of the cooling plate (17). 8. Bærbar plasmabrenner (1) ifølge et av kravene 1-5, hvor kjøleanordningen (12) er et gasstett kjølekammer.8. Portable plasma torch (1) according to one of claims 1-5, where the cooling device (12) is a gas-tight cooling chamber. 9. Bærbar plasmabrenner (1) ifølge krav 8, hvor de elektroniske komponentene er montert på innsiden av kjølekammeret (12).9. Portable plasma torch (1) according to claim 8, where the electronic components are mounted on the inside of the cooling chamber (12). 10. Bærbar plasmabrenner (1) ifølge krav 9, hvor de elektroniske komponentene er forsynt med kjøleribber.10. Portable plasma torch (1) according to claim 9, where the electronic components are provided with cooling fins.