CN101207965A - 等离子体发生器及延长等离子体发生器阴极寿命的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及等离子体发生器及延长等离子体发生器阴极寿命的方法。该等离子体发生器包括阴极和阳极，二者布置为适合产生电弧放电；其特征在于所述阴极的中心轴线偏离阳极的中心轴线，并且该等离子体发生器还包括：驱动装置，用于使所述阴极和阳极相对旋转。

Description

等离子体发生器及延长等离子体发生器阴极寿命的方法

技术领域

本发明涉及等离子体发生器及延长等离子体发生器阴极寿命的方法。

背景技术

一般的等离子体发生器为中心轴线式，具有阴极的启弧点与阳极的中心轴线重合的特点。中心轴线式等离子体发生器产生等离子体的原理是：阴极头联接于电源负极，阳极联接于电源正极，电源输送出稳恒电流，当阴极头缓缓离开阳极后，随着电压的建立，两极之间立即形成高温等离子体火炬，具体地讲是阴极头发射的电子将空气击穿形成等离子火炬。

对于中心轴线式的等离子体发生器，阴极寿命是一项重要难题。

在本发明公开以前，从已知的资料可以看到各国科学家在提高阴极寿命的研究上注意力都集中在两个方面：1、寻找新型材料，降低阴极消耗速率；2、采用惰性气体保护措施来降低阴极消耗速率。例如本申请人的发明专利No.00245774.1公开了一种用于等离子发生器的金属电极，该电极使用银或银基合金制作的，较以往的石墨电极有效的提高了阴极寿命，但该电极仍然存在阴极烧蚀面积小，阴极材料无法得到充分利用，从而限制了阴极寿命的提高；又例如澳大利亚研制出了采用氮气保护电极的燃烧烟煤的等离子体发生器，但这种装置需配套复杂的制氮设备。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种改进的等离子体发生器，能够提高阴极的寿命。本发明的另一个目的是提供一种延长等离子体发生器阴极寿命的方法。

为此，本发明的等离子体发生器通过将阳极和阴极偏心布置并使阴极与阳极相对旋转，从而使阴极启弧点(阴极斑点)在阴极表面移动来扩大阴极的烧蚀面积，从而达到提高阴极寿命的目的。该装置主要包括阴极和阳极，二者布置为适合产生电弧放电；其特征在于所述阴极的中心轴线偏离阳极的中心轴线，并且该等离子体发生器还包括：驱动装置，用于使所述阴极和阳极相对旋转。

相应地，本发明的方法包括：使所述阴极的中心轴线偏离阳极的中心轴线，并提供驱动装置，用于使所述阴极和所述阳极相对旋转。

通过上述结构或者方法，通过阴极和阳极的相对旋转扩大了阴极头表面烧蚀凹坑的面积，具体地讲也就是：通过将阴极和阳极中心轴线偏心布置，启弧点在阴极表面也是偏心的，当阴极与阳极相对旋转时，启弧点也会绕阴极中心轴线而不断移动，从而扩大了烧蚀面积，提高了阴极的使用寿命。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。附图中：

图1A和图1B分别是现有技术的等离子体发生器中阴极头烧蚀位置和形状的俯视和剖面示意图；

图2A到图2D是本发明的等离子体发生器中阴极头烧蚀位置和形状示意图，其中图2A到2C是俯视图，图2D是剖面图；

图3是等离子体发生器的传统实施方式的结构剖面示意图；

图4是本发明的等离子体发生器的一种实施方式的结构剖面示意图；

图5是本发明的等离子体发生器的另一种实施方式的结构剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1A和图1B所示，在传统的等离子体发生器中，阴极头101作为发射电子的一极，其表面发射电子的区域有着极高的温度，在高温蒸发以及化学作用的影响下，即使在有水冷的条件下，阴极头101表面发射电子的区域(启弧点)是消耗的，经过一段时间的工作，会在阴极头表面烧蚀成一个凹坑102。因为该等离子发生器是中心轴线式等离子发生器，该凹坑位于阴极与阳极中心轴线的重合点，而且受电场、磁场、以及空气动力的作用，该凹坑的直径不会太大，会一直向下烧蚀，直到将阴极烧穿。大量的试验和工程应用表明，在同样功率和水冷条件下，阴极头的使用寿命和阴极头的消耗量具有一定的函数关系，如果提高阴极头的可用消耗量，则预示着阴极头工作寿命的提高。

由于阴极烧蚀是以一点为中心进行的，简单地增大阴极的表面积并不能增大可用消耗量，另一种增大可用消耗量的方法是增大阴极的厚度，但这会使制造成本大大提高。

鉴于上述问题，发明人提出通过偏心布置阳极和阴极并使阴极和阳极相对旋转来扩大阴极的烧蚀面积，从而提高阴极的可用消耗量，进而提高阴极工作寿命。

为了清楚地说明本发明，首先结合图3描述传统的等离子体发生装置的结构。如图所示，其包括阴极和阳极。阴极可以包括由金属材料制成的阴极主体14和适合用作电弧放电阴极材料的阴极头9。阳极可以包括管形的阳极支架16和阳极头11，与阴极同心布置。当然，阳极和阴极均可以制造成一体的而不是两部分。在阳极支架16和阴极主体14的第一端，阳极支架16和阴极主体14保持同心。阳极头11收缩之后再膨胀，收缩部分的内壁与阴极头9形成匹配的形状，以便于阳极头11和阴极头9的接触和启弧。膨胀部分形成喷口状，以便等离子体火焰喷出。

图4图示了本发明的一种优选实施方式。如图所示，本发明的等离子体发生装置主要由电弧发生部分、驱动部分两部分构成。

电弧发生部分的结构基本上与传统的等离子体发生装置相同。所不同的是，使得阴极主体14稍有倾斜，也就是使得阴极主体的轴线13相对于阳极轴线12是倾斜的，从而使得阴极头与阳极头偏心布置。阴极主体14的倾斜可以使用任何手段实现，例如可以通过调整阳极和阴极之间的支撑环17的结构来实现。同时，阴极可以旋转并可以相对于阳极前后移动。

当然，在上述方案中，也可以使阴极和阳极之间整体偏心布置，也就是阴极轴线13和阳极轴线12仍然平行，但是偏心布置(未图示)。

驱动部分包括驱动源1和传动装置。传动装置将驱动电机1的转动传递给与阴极主体14连为一体的阴极前段部分3，从而使阴极主体14带动阴极头9旋转。驱动源1可以是等离子体发生器专用的驱动电机，也可以是与使用等离子体发生器的设备中的其他装置共用的驱动电机，或者是连接到所述设备中的其他位置的驱动机构的中间传动机构。如本领域普通技术人员所知，传动装置可以采用多种形式。在图示的优选实施方案中，采用与驱动源1相连接的传动齿轮2以及与前段部分3形成驱动关系(例如通过键8)的从动齿轮15。为保证阳极和阴极之间的绝缘，从动齿轮15应采用绝缘材料，或者镀覆有绝缘材料。

这样，当驱动源1带动传动齿轮2和从动齿轮15转动时，通过齿轮的啮合和从动齿轮15与前段部分3之间的配合，将转动传递到前段部分3，从而使阴极和阳极相对旋转。

同时，阴极头9通过前段部分3联接于电源负极，阳极联接于电源正极，阴极头和阳极在接触点10接触，电源输送出稳恒电流。当阴极头9缓缓离开阳极后，随着电压的建立，两极之间立即形成等离子火炬，具体地讲是阴极头9发射的电子将空气击穿形成等离子火炬。在驱动源1不动作时，阴极头的烧蚀凹坑的位置如图2A所示，凹坑中心是和阴极头9偏心的。驱动源1工作时，阴极头9绕阳极中心轴线12公转，阴极头9的烧蚀凹坑的位置就会有如图2B所示的运动轨迹，长时间工作后就会形成如图2C和2D所示的较大面积的烧蚀凹坑，从而有效地提高了阴极头寿命。

可以注意到，由于阴极需要转动，所以存在转动的阴极的电源连接的问题。本领域的普通技术人员知道有很多种现有技术实现运动部件之间的电连接。在本发明中，发明人提出来一种优选的实施方式。如图3所示，根据该优选实施方式，电源接头部分包括电源接头4、导电弹垫5、固定装置6和密封圈7。电源接头可旋转地同轴配合在阴极前段内，可与阴极前段相对转动，但被固定装置6相对于阴极前段部分在纵向上被固定，以便与阴极一起在纵向上前后移动。密封圈7用来实现电源接头4和阴极前段3之间的密封。这样，连接到电源的不转动的电源接头4通过其表面与阴极前段3内表面的接触而实现向阴极供电。由于电源接头4和阴极前段之间需要旋转，电源接头4表面和阴极前段内表面之间的接触可能不好。对此，本发明提出了进一步的优选方案，在电源接头4中部形成凹槽(未图示)，凹槽中卡入导电弹垫5，导电弹垫5压在阴极前段5的端面上，从而，在前段部分3的旋转过程中，电源接头的电流能够通过导电弹垫5可靠地流入前段部分，进而流入阴极头，供应阴极头和阳极之间的电弧放电。

当然，在上述方案中，也可以使阴极静止而使阳极支架绕阴极轴线旋转(未图示)，这样也可以实现起弧点偏离阴极头中心并围绕阴极头中心旋转的效果。

图5图解了本发明的另一种实施方式。该实施方式与图4所示基本上是相同的，不同之处在于采用了不同的手段来使阴极和阳极产生偏心。具体来说，可以在安装或者制造阳极头11部分时使其相对于阳极支架(也就是相对于阴极主体)有一定程度的偏心。这样，同样可以产生起弧点偏离阴极头中心并围绕阴极头中心旋转的效果。

在这种情况下，还可以使阴极静止而使阳极支架绕自身轴线旋转(未图示)，这样也可以实现起弧点偏离阴极头中心并围绕阴极头中心旋转的效果。

在上述各实施方案中，为有效提高阴极头寿命，应使烧蚀凹坑201的边缘尽量接近阴极头的边缘202。显然，该距离是通过将阳极(或阳极头)中心轴线12和阴极头中心轴线之间的距离或者角度确定为一定的值来确定的。取决于等离子体发生器的大小和功率，所述中心轴线之间的距离或者角度可以通过试验来确定。

显然，阴极的旋转在时间上可以是持续的，也可以是间断的；在空间上可以是连续的，也可以是步进的。具体地，可以在等离子体发生器工作的同时，连续地驱动所述阴极头围绕阳极的中心轴线旋转，或者间歇地驱动所述阴极头围绕阳极的中心轴线旋转一定角度。或者，可以在等离子体发生器工作的间隙，根据距上一次用所述驱动装置驱动所述阴极头以来等离子体发生器工作的时间，用所述驱动装置驱动所述阴极头围绕阳极的中心轴线旋转一定角度。

同时，上述旋转可以自动进行，也可以手工调节。调节的对象也可以是阳极，只要形成阳极和阴极之间的相对运动即可。

以上结合附图对本发明的优选实施方式进行了说明，但是本发明不限于这些实施方式，其一切变型和替代方案都在所附权利要求的范围内。

Claims (16)

1.一种等离子体发生器，包括阴极和阳极，二者布置为适合产生电弧放电；

其特征在于所述阴极的中心轴线偏离阳极的中心轴线，并且该等离子体发生器还包括：

驱动装置，用于使所述阴极和阳极相对旋转。

2.如权利要求1所述的等离子体发生器，其特征在于，所述阴极的中心轴线相对于所述阳极的中心轴线倾斜，所述驱动装置驱动所述阴极绕其中心轴线旋转。

3.如权利要求2所述的等离子体发生器，其特征在于，通过调整阳极和阴极之间的支撑环的结构来实现阴极的倾斜。

4.如权利要求1所述的等离子体发生器，其特征在于，所述阴极的中心轴线相对于所述阳极的中心轴线平行但偏心布置，所述驱动装置驱动所述阳极或阴极绕阴极中心轴线旋转。

5.如权利要求4所述的等离子体发生器，其特征在于，所述阳极包括与阴极同心布置的阳极支架和用来与阴极产生电弧放电的阳极头，所述阳极头的中心轴线相对于所述阴极的中心轴线偏心布置，所述驱动装置驱动所述阴极绕其中心轴线旋转。

6.如权利要求1到5之一所述的等离子体发生器，其特征在于，所述驱动装置包括驱动源和受驱动源驱动的传动装置，传动装置将驱动源的转动传递到阴极。

7.如权利要求6所述的等离子体发生器，其特征在于，所述传动装置包括与驱动源相连的传动齿轮和驱动阴极的从动齿轮。

8.如权利要求1到5之一所述的等离子体发生器，其特征在于，所述阴极的电源连接端面通过导电弹垫与电源接头电连接。

9.如权利要求4所述的等离子体发生器，其特征在于，所述阳极包括与阴极同心布置的阳极支架和用来与阴极产生电弧放电的阳极头，所述阳极头的中心轴线相对于所述阴极的中心轴线偏心布置，所述驱动装置驱动所述阳极支架绕其中心轴线旋转。

10.如权利要求9所述的等离子体发生器，其特征在于，所述驱动装置包括驱动源和受驱动源驱动的传动装置，传动装置将驱动源的转动传递到阴极。

11.如权利要求9或10所述的等离子体发生器，其特征在于，所述传动装置包括与驱动源相连的传动齿轮和驱动阴极的从动齿轮。

12.如权利要求9所述的等离子体发生器，其特征在于，所述阴极的电源连接端面通过导电弹垫与电源接头电连接。

13.一种延长等离子体发生器阴极寿命的方法，该等离子体发生器包括阴极和阳极，二者布置为适合产生电弧放电；该方法包括使所述阴极的中心轴线偏离阳极的中心轴线，并提供驱动装置，用于驱动所述阴极与阳极相对旋转。

14.如权利要求13所述的延长等离子体发生器阴极寿命的方法，其特征在于，在等离子体发生器工作的同时，所述驱动装置连续地驱动所述阴极和所述阳极相对旋转。

15.如权利要求13所述的延长等离子体发生器阴极寿命的方法，其特征在于，在等离子体发生器工作的同时，所述驱动装置间歇地驱动所述阴极和所述阳极相对旋转一定角度。

16.如权利要求13所述的延长等离子体发生器阴极寿命的方法，其特征在于，在等离子体发生器工作的间隙，根据距上一次用所述驱动装置进行驱动以来等离子体发生器工作的时间，用所述驱动装置驱动所述阴极和所述阳极相对旋转一定角度。

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