أنظمة تبريد الشعلة المستخدمة في القطع بقوس البلازما

تشبه أنظمة التبريد المائي لقاطعات البلازما إلى حد كبير تلك المستخدمة في محركات السيارات: يستخدم كلاهما الماء وسائل التبريد ومضخة وخراطيم تبريد ومبادل حراري لإزالة الطاقة من مصدر الحرارة. في السيارة، يتمثل مصدر الحرارة في غرفة الاحتراق داخل المحرك، التي تعمل عند درجات حرارة تتجاوز 2000 درجة فهرنهايت. أما في شعلة البلازما، يكون مصدر الحرارة هو حجرة البلازما الموجودة داخل الشعلة، حيث يمكن أن تتجاوز درجة حرارة القوس 20 ألف درجة فهرنهايت.

تُبرّد شعلة البلازما، شأنها شأن المحرك، من خلال مزيج من الإشعاع والحمل الحراري والتوصيل الحراري. وتنبعث الطاقة من القوس على شكل أشعة فوق بنفسجية شديدة. وتنتقل الحرارة بعيدًا عن الشعلة وأجزائها عن طريق الحمل الحراري عبر الغاز أو الهواء المتحرك. وأخيرًا، يعمل نظام التبريد المائي على نقل الحرارة من أجزاء الشعلة إلى سائل التبريد.

ماذا يحدث عندما ينخفض تبريد التوصيل بسبب مشكلة في أحد مكونات نظام التبريد؟ ترتفع درجة حرارة النظام بسرعة. أي شخص تعرض لارتفاع درجة حرارة سيارته يعرف مدى الإزعاج الذي يسببه البقاء عالقًا على جانب الطريق مع سيارة ينبعث منها الدخان، كما يعرف تكلفة الإصلاحات المتتالية التي عادةً ما تتبع ذلك، مثل شراء مشعات جديدة أو خراطيم أو حشية رأس المحرك أو حتى كتلة المحرك. وعندما ترتفع درجة حرارة نظام البلازما بشكل مفرط، فإن ذلك سيكلفك أيضًا الوقت والمال. سيؤدي ارتفاع درجة حرارة نظام البلازما إلى تآكل أجزاء الشعلة بسرعة، وقد يؤدي في النهاية إلى احتراق الشعلة والأسلاك. وإذا لم تحل المشكلة، فقد يتعين استبدال المحرك والمضخة. ولكن يمكن تجنب فترات التعطل والتكاليف الناجمة عن ارتفاع درجة الحرارة. إن فهم النظام ومكوناته سيساعدك على حل المشكلات عند حدوثها، والوقاية من الأعطال المستقبلية من خلال الصيانة الوقائية.

مكونات نظام تبريد القطع بالبلازما

نظام التبريد

يتكون نظام التبريد النموذجي للقطع بالبلازما من شعلة ومحرك ومضخة وأنابيب تبريد ومفتاح تدفق وفلتر ومبادل حراري وخزان. ستتناول هذه المقالة كل مكون من هذه المكونات، وستشرح المشكلات الشائعة وإجراءات استكشاف الأعطال وإصلاحها والصيانة.

شعلة البلازما

تتطلب مشاعل البلازما التي تعمل بتيار يتراوح بين 100 و150 أمبير وما فوق (15 كيلو فولت أمبير) تبريدًا بالماء لمنع ارتفاع درجة حرارة الشعلة وأجزائها. الشكل 1 هو مقطع عرضي لشعلة البلازما يوضح الممرات الداخلية لمياه التبريد. يولد إلكترود نحاسي قوس البلازما، وهو الأقرب إلى مصدر الحرارة، لذا فإنه يتطلب تبريدًا مباشرًا. تُطحن معظم الأقطاب الكهربائية عالية الطاقة لتصبح مجوفة، وذلك لتحسين التبريد عند الطرف: يمتد أنبوب الماء إلى هذه المنطقة المُشغَّلة، وهو متقارب المسافة ومحاذي بدقة للقطب الكهربائي (عادةً ما يتراوح الفراغ بين 0,015 بوصة و0,020 بوصة لكل جانب)، ويوفر سرعة تدفق عالية لسائل التبريد على السطح الخلفي الداخلي للإلكترود. وفي تصميم الشعلة هذا، يتم تبريد الفوهة أيضًا بالماء.

المشكلات الشائعة مع المشاعل:

• انسداد الشعلة: قد تتعرض المشاعل للانسداد بمرور الوقت بسبب الجسيمات. قد تؤدي جزيئات النحاس المذاب الناتجة عن الأقطاب الكهربائية التالفة إلى سد الثقوب الصغيرة وتقليل تدفق الماء أو قطعه.
• أنبوب الماء تالف: إذا كان أنبوب الماء مثنيًّا أو تالفًا عند طرفه أو لم يُربط في الشعلة بشكل صحيح، فسيؤدي ذلك إلى انخفاض تدفق ماء التبريد.
• الشعلة تسرب: قد تؤدي الحلقات الدائرية التالفة أو أسطح إحكام الإغلاق الخاصة بها إلى تسرب سائل التبريد. قد تتسرب سوائل التبريد من الأنابيب والوصلات الموجودة في الجزء الخلفي من الشعلة، ما يؤدي إلى انخفاض مستوى السائل في الخزان.

الشكل 1 - ممرات تبريد شعلة البلازما

الشكل 2 - سائل تبريد الشعلة

سائل التبريد

سائل تبريد الشعلة هو خليط من الماء منزوع الأيونات والإيثيلين جلايكول أو البروبيلين جلايكول، ويُستخدم لخفض درجة التجمد. تستخدم العديد من المتاجر الماء العادي منزوع الأيونات إذا لم يكن هناك خطر من تجمده. يجب استخدام الماء منزوع الأيونات لأنه خالٍ من الأيونات الموصلة التي قد تسبب مشاكل في النظام. الإيثيلين أو البروبيلين غليكول هو نفس العامل المستخدم في نظام التبريد في السيارات. ومع ذلك، لا ينبغي أبدًا استخدام مانع التجمد الخاص بالسيارات في نظام البلازما! تحتوي معظم سوائل منع التجمد التجارية على مادة تعمل على سد التسربات الصغيرة. وهذا يجعلها غير مناسبة للاستخدام في شعلة البلازما.

المشكلات الشائعة مع سائل التبريد:

• التلوث: بمرور الوقت، قد يتلوث سائل التبريد بقطع صغيرة من الخراطيم أو الأسلاك أو النحاس المتساقطة من الأجزاء التالفة، أو بالأوساخ أو الصدأ أو الطحالب أو غيرها من الملوثات. تؤدي هذه الملوثات إلى انخفاض كفاءة التبريد وتقليل معدل التدفق. قد يكون من الضروري شطف النظام وتركيب مرشح جديد واستبدال سائل التبريد.
• القدرة على توصيل الكهرباء مرتفعة جدًّا: إذا كانت القدرة على توصيل الكهرباء لسائل التبريد مرتفعة جدًّا، أو على العكس إذا كانت المقاومة الكهربائية منخفضة جدًّا، فقد يتدفق التيار الكهربائي عبر ماء التبريد في الشعلة. قد يؤدي ذلك إلى صعوبة في تكوين قوس البلازما عندما تتسبب الشعلة في إشعال القوس بين القطب الكهربائي والفوهة. حتى سائل التبريد الجديد الذي لم يُصنع وفقًا لمواصفات الشركة المصنعة قد لا يفي بمتطلبات توصيل الكهرباء الخاصة بالنظام. من الأفضل استخدام سائل التبريد الأصلي (OEM) أو إجراء اختبار دوري لقدرة سائل التبريد على توصيل الكهرباء باستخدام جهاز اختبار خاص، حيث يتراوح المستوى الموصى به بين 0,5 و18 ميكرو سيمنز/سم. (انظر الشكل 3)

الشكل 3 - قياس قدرة سائل التبريد على توصيل الكهرباء

محرك المضخة

عادةً ما تقترن المحركات والمضخات في أنظمة البلازما بشكل مباشر. عادةً ما تكون مدة خدمة المحرك طويلة جدًّا (عدة سنوات) ما لم تكن هناك قيود في النظام تجبر المحرك والمضخة على العمل بجهد أكبر.

غالبًا ما تُستخدم المضخات ذات الريش الدوار في أنظمة البلازما نظرًا لكونها بسيطة نسبيًّا ومتينة. وغالبًا ما تُسمى مضخات ذات ريش كربونية لأن ريش المضخة المتحركة مصنوعة من مادة كربونية. وعادةً ما يمكن ضبط هذه المضخات باستخدام برغي تجاوز يعمل على زيادة أو خفض ضغط التشغيل وتدفق المضخة.

المشكلات الشائعة مع المضخات:

• تآكل المضخة الطبيعي: يُعد حدوث بعض التآكل في الريش الكربونية أمرًا طبيعيًا نتيجة الاحتكاك والحرارة الناتجين عن الاستخدام المستمر. يمكن تعويض هذه الحالة عن طريق ضبط المضخة.
• تآكل المضخة المفرط: قد تتعرض المحامل في هذه المضخات للتآكل بمرور الوقت، ما يؤدي إلى حدوث ضوضاء وحرارة مفرطتين، ويؤدي في النهاية إلى تعطل المضخة. قد تتآكل مادة ريش المضخة إلى درجة أن المضخة تصبح غير قادرة على توليد الضغط. يمكن عادةً استبدال هذه الأجزاء في حالة إرسال المضخة إلى المصنع لإجراء عملية تجديد، أو قد تحتاج المضخة إلى الاستبدال.
• فلتر المضخة مسدود: يوجد فلتر شبكي صغير في معظم المضخات ذات الريش الدوار. قد ينسد هذا الفلتر بالجسيمات، ما يتسبب في انسداد التدفق.

 

خطوط التبريد

خطوط التبريد عبارة عن خراطيم تنقل سائل التبريد من شعلة البلازما وإليها. وعادةً ما تحتوي أيضًا على كابلات الطاقة الرئيسية التي تعمل بالتيار المستمر. تمنع كابلات الطاقة المبردة بالماء ارتفاع درجة حرارة الأسلاك النحاسية متعددة الخيوط أو الأسلاك النحاسية المطلية بالقصدير. في التطبيقات الآلية، عادةً ما تُوجه خطوط التبريد عبر مسار طاقة مرن أو تعليقها فوق ماكينة القطع.

المشكلات الشائعة مع خطوط التبريد:

• التسريبات: قد تتسبب الخراطيم المتشققة أو المقطوعة أو المذابة في تسرب سائل التبريد إلى أماكن لا يمكن رؤيتها. من الأماكن الشائعة لحدوث التسرب المنطقة الواقعة فوق الشعلة مباشرة داخل أنبوب التثبيت.
• القيود: غالبًا ما تتشكل قيود التدفق في خط العودة الممتد من شعلة البلازما إلى جهاز إعادة التدوير. يتراكم الحطام في أسلاك العودة، ما يعيق التدفق. كما يمكن أن تتلف كابلات الطاقة النحاسية المطلية بالقصدير نتيجة الانثناء المستمر، ما يؤدي إلى انسداد أطراف الخراطيم بخيوط النحاس. تؤدي القيود في الأنابيب إلى انخفاض التدفق وزيادة التآكل في المضخة والمحرك.

الشكل 7 - مقطع عرضي للخرطوم لإظهار كابل الطاقة

مفتاح التدفق

صُممت مفاتيح التدفق لمنع عطل كارثي في الشعلة والأجزاء في حالة انخفاض تدفق سائل التبريد. عادةً ما تُستخدم الأجهزة من نوع المكبس ذي الكتلة النحاسية مع مفتاح صغير يجب تفعيله حتى يعمل النظام.

المشكلات الشائعة مع مفتاح التدفق:

• عطل ميكانيكي: يعمل تدفق سائل التبريد على تحريك مكبس ميكانيكي. قد يعلق المكبس في وضع الفتح أو الإغلاق، ما يؤدي إلى حدوث عطل أو عدم حدوثه حتى في ظروف التدفق المنخفض. يمكن في بعض الأحيان إزالة الجزء الميكانيكي وتنظيفه، لكن من الأفضل استبداله.
• عطل كهربائي: يُعد تعطل المفتاح الكهربائي أمرًا أقل شيوعًا بكثير، ولكنه قد يحدث في حالة تآكل نقاط التلامس في المفتاح.
• "الفصل": ليس من غير المألوف العثور على مفاتيح التدفق "مفصولة" عن النظام نتيجة لعمليات سابقة لتشخيص الأعطال وإصلاحها. هذه ممارسة خطيرة، حيث إن مفتاح التدفق هو ميزة الأمان التي تمنع حدوث عطل كبير في الشعلة بسبب ارتفاع درجة الحرارة.

الشكل 8 - مفتاح التدفق

الشكل 9 - فلتر سائل التبريد

الفلاتر

تستخدم معظم الأنظمة فلتر للجسيمات لإزالة الشوائب من سائل تبريد الشعلة. وهو يشبه فلتر معالجة المياه المتوفرة تجاريًّا، وعادةً ما يُستخدم فلتر ورقي بدقة 5 ميكرون أو فلتر منزوع الأيونات. ويجب تغييره كل بضعة أشهر أو كلما قلّ التدفق في النظام.

المشكلات الشائعة مع فلاتر التدفق:

• الفلتر متسخ
• الفلتر غير مناسب أو لا يوجد فلتر

 

المبادلات الحرارية

الشكل 10 - منظر أمامي وخلفي للمبادل الحراري

تتكون المبادلات الحرارية المستخدمة في أنظمة تبريد البلازما عادةً من مزيج يضم مبردًا ومروحة. تعمل المراوح على توجيه تدفق الهواء عبر المبرد لإزالة الحرارة من سائل تبريد الشعلة. تستخدم بعض الأنظمة مبردًا لتبريد سائل تبريد الشعلة.

المشكلات الشائعة مع المبادلات الحرارية:

• محرك المروحة محترق: يجب فحص جميع المراوح بشكل دوري للتأكد من أنها تعمل بشكل سليم.
• الكفاءة ضعيفة: يؤدي تراكم الأوساخ على ريش التبريد إلى انخفاض كفاءة التبريد. يجب تنظيف المبرد بشكل دوري باستخدام الهواء المضغوط.

 

خزانات سائل التبريد

الشكل 11 - خزان سائل التبريد المزود بمفاتيح استشعار مستوى السائل ودرجة الحرارة

خزان سائل التبريد هو خزان بلاستيكي أو معدني مخصص لتخزين سائل تبريد الشعلة. عادةً ما تُركّب مؤشرات المستوى ومفاتيح التعويم ومفاتيح درجة الحرارة داخل الخزان لمنع ارتفاع درجة الحرارة بشكل مفرط. يجب فحص خزان سائل التبريد يوميًا وتعبئته عند الضرورة لضمان توفر كمية كافية من سائل التبريد دائمًا. إذا كانت مستويات سائل التبريد منخفضة جدًّا، فقد يتسرب الهواء إلى مجرى سائل التبريد، ما يقلل من كفاءة التبريد. إذا كان النظام مزودًا بنظام الترابط، فقد يؤدي انخفاض مستوى سائل التبريد إلى توقف متقطع أو تام. إذا لم يكن النظام مزودًا بنظام قفل مترابط، فقد يؤدي وجود الهواء إلى ارتفاع درجة حرارة المضخة وتعطلها.

المشكلات الشائعة مع خزانات سائل التبريد:

• التلوث بالجسيمات: قد تتراكم الجسيمات في قاع الخزان، ويجب تنظيفها وإزالتها. قد يتعين فكّ الخزان وتنظيفه بالبخار بشكل دوري.
• مستوى سائل التبريد غير كافٍ.

 

استكشاف الأخطاء وإصلاحها في النظام

الشكل 12 - مقياس تدفق السوائل

تم تصميم جميع المكونات الفردية في نظام تبريد البلازما لضمان أمر واحد: معدل تدفق حجمي كافٍ إلى الشعلة لأغراض التبريد. يُقاس التدفق عادةً بالجالون في الدقيقة (gpm) أو باللتر في الدقيقة (lpm). لكل شعلة متطلبات تدفق محددة يمكن الاطلاع عليها في قسم المواصفات بدليل التشغيل. تتراوح معدلات التدفق المعتادة بين 1 و1,5 جالون في الدقيقة. فيما يلي طريقة تفصيلية خطوة بخطوة للتحقق من سلامة تدفق سائل التبريد واستكشاف أخطاء التدفق وإصلاحها.

تنبيه! احرص دائمًا على قراءة دليل التشغيل وفهم جميع احتياطات السلامة قبل إجراء أعمال الصيانة واستكشاف الأعطال وإصلاحها في نظام البلازما.

1. أزِل أجزاء الشعلة: عند استكشاف الأخطاء وإصلاحها، ابدأ من الشعلة. أخرج المواد الاستهلاكية وافحصها بحثًا عن أي علامات تشير إلى ارتفاع درجة الحرارة أو التلوث أو التلف.
2. شغّل مضخة سائل التبريد. (قد تحتاج إلى مساعد لإبقاء المضخة قيد التشغيل في أثناء قياس التدفق، ولإضافة المزيد من سائل التبريد إذا انخفض مستواه.) يجب أن يتدفق سائل التبريد مباشرةً من مركز أنبوب التبريد في الشعلة.
3. قياس تدفق إمداد سائل التبريد إلى الشعلة: استخدم دلوًا لتجميع سائل التبريد المتسرب من أنبوب التبريد. اجمع سائل التبريد على مدار 30 ثانية، ثم أوقف تشغيل المضخة. قم بقياس حجم سائل التبريد بالجالونات أو اللترات. حوّل هذا الحجم إلى معدل تدفق بقسمة عدد الجالونات التي جُمعت على الفترة الزمنية (0,5 دقيقة) للحصول على الجالونات في الدقيقة (gpm) أو اللترات في الدقيقة (lpm). قارن هذه القيمة بمعدل التدفق المحدد في دليل التشغيل. يجب أن يتجاوز التدفق في الشعلة غير المقيدة (التي لا تحتوي على أي أجزاء بداخلها) المواصفات التي حددتها الشركة المصنعة بكثير. وإذا لم يحدث ذلك، فافحص ما يلي:
   • ضغط المضخة منخفض جدًّا، اضبط إعدادات المضخة.
   • مرشح الشاشة في المضخة مسدود، نظّفه.
   • خط الإمداد المؤدي إلى الشعلة مسدود أو الشعلة نفسها مسدودة، أزِل الأوساخ باستخدام الهواء المضغوط أو استبدلها.
4. أعِد تجميع الشعلة: أعد تجميع الشعلة باستخدام قطع غيار جديدة ونظيفة. يجب أن تكون الأجزاء في مكانها الصحيح لإجراء فحص سليم للتدفق
5. قم بقياس تدفق سائل التبريد العائد من الشعلة: يجب قياس معدل تدفق سائل التبريد عند نقطة العودة إلى خزان سائل التبريد. افصل الخرطوم البلاستيكي عن خزان سائل التبريد. مرة أخرى، استخدم دلوًا ومساعدًا لجمع الماء لمدة 30 ثانية، ثم أوقف تشغيل المضخة. حوّل وحدة القياس إلى جالون في الدقيقة. قارن معدل التدفق هذا بالمواصفات التي حددتها الشركة المصنعة. إذا لم يتجاوز معدل التدفق بالجالون في الدقيقة (gpm) المواصفات المحددة من الشركة المصنعة، فاحرص على التحقق مما يلي:
   • ضغط المضخة منخفض جدًّا، اضبط إعدادات المضخة.
   • خط سائل التبريد أو الشعلة مسدودين، أزِل الأوساخ باستخدام الهواء المضغوط أو استبدلهما.
   • المبرد مسدود، استخدم جهاز غسيل بالضغط العالي لتنظيفه أو استبدله.
   • المرشح الورقي مسدود، استبدله أو أزله مؤقتًا لإجراء الفحص والتصليح.

وإذا لزم الأمر، يمكن فحص التدفق على الجانب السفلي من كل مكون مشتبه به حتى يتم العثور على مكان الانسداد. هناك بديل لفحص الدلو يتمثل في شراء مقياس تدفق غير مكلف مصمم لقياس تدفق السوائل في نطاق يتراوح بين 0 و2 جالون في الدقيقة. يمكن تركيب هذا الجهاز البسيط بشكل دائم في جانب العودة للنظام عند الخزان. إنها أداة بصرية رائعة لصيانة نظام البلازما، وتعد ضمانة رخيصة ضد الأعطال المكلفة.