CN101790276B - 一种等离子体发生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体发生装置及方法，对传统等离子发生器进行了改进。本发明提供的等离子体发生装置包括：阴极、阳极、高压脉冲激发器和直流电源；阳极和阴极分别与直流电源的正负极相连接，阴极和阳极分别与所述高压脉冲激发器相连接，阳极沿轴心线方向有贯通两端的孔道；阴极与阳极布置于同一轴心线上，相互不接触且位置相对固定，两者之间留有间隙，形成载体风输入通道。

Description

一种等离子体发生装置及方法

技术领域

本发明涉及等离子体应用领域，尤其涉及一种等离子体发生装置及方法。

背景技术

等离子体发生器主要用来产生大功率的高温等离子体，这种具有极高能量密度的高温等离子体，其核心温度可在4000K以上，可以广泛应用于火力电站煤粉点火和稳燃、建材水泥窑炉煤粉燃烧、医用垃圾焚烧、高温冶炼和金属防腐喷涂等行业。

传统的高温等离子体发生器的基本结构如图1所示，由线圈、阴极、阳极组成。其中，阴极采用高导电率的金属材料或者非金属材料制成，阳极由高导电率、高导热率及抗氧化的金属材料制成。阳极和阴极的材料能够承受高温电弧冲击。线圈在高温情况下具有抗直流高压击穿能力。其工作原理为：首先设定输出电流，当阴极前进同阳极接触后，整个系统处于短路状态，当阴极离开阳极时，产生电弧将此处的载体风电离形成等离子体(或称为等离子弧)，在线圈磁力的作用下将等离子体(等离子弧)压缩后从阳极输出。

传统的等离子体发生器采用阴极与阳极接触的引弧方式，引弧较麻烦，并且易断弧，需要经常对等离子发生器的传动机构进行调整，设备可靠性不高。另外，由于阴极烧蚀点位于阴极和阳极中心轴线的重合点，烧蚀面积较小，阴极耗损较快，寿命较短，使用中频繁地更换阴极会增加使用成本，影响其工作效率。并且由于阴、阳极之间只有一路载体风的通道，等离子体发生器功率受到了限制。

发明内容

本发明实施例提供了一种改进的等离子体发生装置及方法，用以提高等离子发生器的可靠性、输出功率以及延长阴极的寿命。

本发明实施例提供的等离子体发生装置，包括：阴极(2)、阳极(1)、高压脉冲激发器(3)和直流电源(4)，所述阳极(1)和所述阴极(2)分别与直流电源(4)的正负极相连接，所述高压脉冲激发器(3)与所述阴极(2)和所述阳极(1)连接，所述阳极(1)沿轴心线方向有孔道两端贯通，所述阴极(2)与所述阳极(1)布置于同一轴心线上，相互不接触且位置相对固定，两者之间留有间隙，形成载体风输入通道。其中，所述阳极为短管状腔体，其内腔具有拉法尔喉管结构；所述阴极为一端开口的长管状腔体，其内腔具有拉法尔喉管结构，且其开口的一端朝向所述阳极，另一端腔体壁上开有若干通孔，与所述阴极的腔体内部相通，形成另一路载体风的输入通道。

所述阴极与所述阳极布置于同一轴心线上，包括：

所述阴极和所述阳极的外轮廓相互未包络，并排布置于同一轴心线上；或

所述阳极将所述阴极的外轮廓全部或部分包络，布置于同一轴心线上；或

所述阴极将所述阳极的外轮廓全部或部分包络，布置于同一轴心线上。

所述阳极和所述阴极之间的间隙小于10mm。

本发明实施例还提供了一种等离子体发生方法，采用本发明实施例提供的等离子体发生装置，包括：通过高压脉冲激发器产生电弧，向阳极和阴极之间的间隙通入第一路载体风，所述第一路载体风经所述电弧电离形成等离子体并输出。

第一路载体风被电弧电离形成的等离子体经阳极腔体内的拉法尔喉管压缩后输出。

本发明实施例提供的等离子体发生方法，还包括：

向所述阴极腔体壁上的通孔通入第二路载体风，所述第二路载体风经过所述阴极内腔中的拉法尔喉管从阴极输出，将所述第一路载体风形成的等离子体进行压缩，所述第二路载体风经电弧电离后形成等离子体与压缩后的等离子体经过所述阳极内腔中的拉法尔喉管压缩后输出。

向所述阴极腔体壁上的通孔通入第二路载体风，还包括：

不断调节所述第二路载体风的流量和压力，使得等离子体的起始点在所述阴极腔体内壁垂直于轴心线的不同圆周上不断地改变。

本发明实施例的有益效果如下：

本发明实施例提供的等离子体发生装置及方法，阴极和阳极布置与同一轴心线上，相互不接触并且位置相对固定，并且两者之间留有间隙，该间隙作为载体风的输入通道，阴极和阳极分别与高压脉冲激发器连接，通过高压脉冲激发引弧，不仅操作方便，并且避免了传统等离子发生器中传动机构的使用，提高等离子体发生装置使用的可靠性。

进一步地，本发明实施例提供的等离子体发生装置的阳极为两端开口的短管状腔体，其内腔具有拉法尔喉管结构；阴极为一端开口的长管状腔体，其内腔具有拉法尔喉管结构，并且其开口的一端朝向阳极，另一端腔体壁上开有若干通孔，与阴极的腔体内部相通，形成另一路载体风的输入通道，由于本发明实施例提供的等离子体发生装置拥有两路载体风来源，提高了等离子体发生装置的输出功率；从阴极腔体壁上若干通孔进入的载体风，经过阴极内腔的拉法尔喉管输出时，拉法尔喉管结构能够消除载体风进入时的旋流动量，形成稳定的贴壁气流，增强了载体风的稳定性。而阳极内腔体的拉法尔结构，除了对产生的高温等离子体的压缩作用外，也进一步消减了生成的高温等离子体的旋流动量，本发明实施例提供的等离子体发生装置经过阳极和阴极内部的拉法尔喉管的作用，能够极大地增强所产生的高温等离子体的稳定性，并且使用过程中不易断弧。

另外，由于所产生的等离子体(等离子弧)的起始点分布在阴极腔体内壁垂直于轴心线的圆周上，可以通过不断调节第二路载体风的流量和压力，使得等离子体(等离子弧)的起始点在阴极腔体内壁垂直与轴心线的不同圆周上不断地改变，使等离子体的烧蚀点在阴极腔体内壁上不断地移动，而不固定于阴极腔体内壁某一个垂直于轴心线的圆周上，从而进一步地扩大了阴极的烧蚀面积，与传统等离子体发生装置相比，更有效地延长了阴极的使用寿命。

附图说明

图1为传统等离子体发生器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的等离子发生装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，用具体的实施例对本发明提供的一种等离子体发生装置和方法进行详细的说明。

本发明实施例提供了一种等离子体发生装置，与传统等离子体发生装置相类似，包括阴极、阳极、高压脉冲激发器、直流电源，阳极和阴极分别与直流电源的正负极相连接，高压脉冲激发器与所述阴极和所述阳极连接，阳极沿其轴心线方向有两端贯通的孔道。

特别地，本发明实施例提供的等离子体发生装置对传统的等离子体发生装置做了进一步的改进，本发明实施例提供的等离子体发生装置的阴极和阳极布置在同一轴心线上，相互不接触且位置相对固定，阴极和阳极之间留有间隙，这个间隙形成载体风的通道，高压脉冲激发器激发产生的电弧，电离经载体风通道通入的载体风形成等离子体。

阳极为两端开口的短管状腔体，其内腔具有拉法尔喉管结构。

阴极为一端开口的长管状腔体，其内腔具有拉法尔喉管结构，且其开口的一端朝向阳极；另一端腔体壁上开有若干通孔，与阴极的腔体内部相通，形成另一路载体风的输入通道。

图2示出了本发明实施例提供的等离子体发生装置的一种较佳的具体实施方式。

如图2所示，本发明实施例提供的较佳的等离子体发生装置的结构如下：该等离子体发生装置中的阳极(图2中标识为1)和阴极(图2中标识为2)分别与直流电源(图2中标识为4)的正负极以及高压脉冲激发器(图2中标识为3)相连；阴极2和阳极1两者前后布置在同一个轴心线上，等离子体发生装置工作时，阴极和阳极始终保持互不接触状态，并且两者位置相对固定，之间留有间隙，间隙的大小一般小于10mm。阴极2和阳极1的间隙形成第一路载体风(图2中标识为A1)的输入通道。

阴极2为一端开口的长管状腔体，其腔体内部的中心孔道(沿轴心方向的孔道)具有拉法尔喉管结构(图2中标识为6)，阴极2开口的一端朝向阳极1，并且与阳极1的中心孔道相通；在阴极2未开口的另一端，腔体壁上留有一个或多个通孔，这些通孔一端与外部的载体风气源相连通，另一端与阴极2的腔体内部相连通，形成第二路载体风(图2中标识为A2)的输入通道。

阳极1沿轴心方向的中心孔道贯通两端，该中心孔道具有拉法尔喉管结构(图2中的标识为7)，为最终生成的等离子体束(图中的标识为5)的输出通道。

图2所示的等离子体发生装置的结构中，阴极和阳极并排布置与同一轴心线上，两者在外形轮廓上没有包络关系，当然，本发明实施例提供的等离子体发生装置的结构还可以由多种变形，例如下述的两种变形方式：

阳极的外轮廓全部或部分嵌入在阴极中，也就是阳极对阴极的外轮廓形成了全部或部分包络，两者位于同一轴心线上；或者

阴极的外轮廓全部或部分嵌入阳极中，也就是阴极对阳极的外轮廓形成了包络，两者位于同一轴心线上。

下面结合图2所示的等离子体发生装置的结构，对该等离子体发生装置的工作原理进行详细说明。

该等离子体发生装置开始工作时，由高压脉冲激发器3瞬间激发在阴极2和阳极1之间产生电弧，当第一路载体风(例如压缩空气)A1流经第一路载体风通道时，被电离形成等离子体(等离子弧)。该等离子体(等离子弧)的起始点位于阴极腔体内壁与阴极2中心轴线垂直的某一圆周上。

高压脉冲激发器3引弧成功后，由于阴极2和阳极1通过直流电源4加载了强大的电场，阴极2和阳极1之间产生的等离子体(等离子弧)能够被该电场所维持。同时，从第二路载体风通道过来的(从阴极腔体壁上的通孔通入)第二路载体风A2经过阴极内腔的拉法尔喉管形成贴壁的、稳定的载体风，第二路载体风A2一方面将第一路载体风形成的等离子体(等离子弧)进行压缩并从阳极的中心孔道中转移出去，另一方面，当其自身经过电弧区域时，也被电弧所电离，与被压缩的第一路载体风形成的等离子体(等离子弧)一起，形成高温的等离子体束并通过阳极内腔中的拉法尔喉管消旋和压缩后输出。由于两路载体风的不断输入，第一路载体风A1和第二路载体风A2在阳极1和阴极2之间不断地被电离，从阳极的内腔中便不断有连续的稳定的等离子体束输出。当直流电源4断电，阴极和阳极之间的电场消失，电弧熄灭，等离子体发生装置停止工作。

由于等离子体发生装置的基本原理是将电弧的电能，转换成等离子体(等离子弧)的能量，等离子体发生装置的功率与电场强度和载体风的流量和压力大小相关，即电场强度或者载体风的流量和压力越大，则等离子体发生装置产生的等离子体的能量越大，即等离子体发生装置的输出功率越大，所以，本发明实施例提供的等离子体发生装置，在电源能量满足的条件下，可以通过提高第一路载体风和第二路载体风的流量和压力等参数，提高等离子体发生装置产生的等离子体束的能量，达到提高等离子体发生装置的输出功率的目的。

进一步地，与传统的等离子体发生装置比较，本发明实施例提供的等离子体发生装置还由于增加了一路载体风的来源，使得等离子体发生器的输出功率能够得到较大的提高。并且，本发明实施例提供的等离子体发生装置的阳极为两端开口的短管状腔体，其内腔具有拉法尔喉管结构，阴极为一端开口的长管状腔体，其内腔具有拉法尔喉管结构，从阴极腔体壁上若干通孔进入的第二路载体风，经过阴极内腔的拉法尔喉管输出时，拉法尔喉管结构能够消除载体风进入时的旋流动量，形成稳定的贴壁气流，增强了载体风的稳定性。阳极内腔体的拉法尔结构，除了对产生的高温等离子体的压缩作用外，也进一步消减了高温等离子体的旋流动量，经过阳极和阴极内部的拉法尔喉管的作用，能够极大地增强所产生的高温等离子体的稳定性，并且使用过程中不易断弧。

另外，传统的等离子体发生装置由于阴极烧蚀点位于阴极和阳极中心轴线的重合点，烧蚀面积较小，寿命较短，而本发明实施例提供的等离子体发生装置的结构，可以在工作状态下，不断调节第二路载体风的流量和压力，使得等离子体(等离子弧)的起始点在阴极腔体内壁垂直与轴心线的不同圆周上不断地改变，由于等离子体(等离子弧)的起始点分布在阴极腔体内壁垂直于轴心线的不同圆周上，与传统的等离子体发生器比较起来，扩大了阴极的烧蚀面积，有效地提高了阴极的工作寿命。

本发明实施例提供的等离子体发生装置，避免了传统等离子发生器中传动机构的使用，引弧简单方便，可靠性高，能够满足较大功率的启动要求。

本发明实施例还提供了一种等离子体发生方法，该方法包括以下步骤：

由位置相对固定的阴极和阳极的间隙形成载体风输入通道，向该载体风输入通道通入第一路载体风，第一路载体风被高压脉冲激发器激发产生的电弧电离，形成等离子体并输出。

第一路载体风被电弧电离形成的等离子体经阳极腔体内的拉法尔喉管压缩后输出。

本发明实施例提供的等离子体发生方法，还可以包括：

向阴极腔体壁上的通孔通入第二路载体风，第二路载体风经过阴极内腔中的拉法尔喉管从阴极输出，将第一路载体风形成的等离子体进行压缩，第二路载体风电离后形成等离子体与压缩后的等离子体经过所述阳极内腔中的拉法尔喉管压缩后输出。

在本发明提供的等离子体发生方法中向所述阴极腔体壁上的通孔通入第二路载体风的步骤，还可以包括：

调节所述第二路载体风的流量和压力大小，使得等离子体的起始点在所述阴极腔体内壁垂直于轴心线的不同圆周上不断地改变。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种等离子体发生装置，包括：阴极(2)、阳极(1)、高压脉冲激发器(3)和直流电源(4)，所述阳极(1)和所述阴极(2)分别与直流电源(4)的正负极相连接，所述高压脉冲激发器(3)与所述阴极(2)和所述阳极(1)连接，所述阳极(1)沿轴心线方向有贯通两端的孔道，其特征在于，所述阴极(2)与所述阳极(1)布置于同一轴心线上，相互不接触且位置相对固定，两者之间留有间隙，形成载体风输入通道，其中，所述阳极为两端开口的短管状腔体，其内腔具有拉法尔喉管结构；所述阴极为一端开口的长管状腔体，其内腔具有拉法尔喉管结构，且其开口的一端朝向所述阳极；另一端腔体壁上开有若干通孔，与所述阴极的腔体内部相通，形成另一路载体风的输入通道。

2.如权利要求1所述的等离子体发生装置，其特征在于，所述阴极与所述阳极布置于同一轴心线上，包括：

所述阴极和所述阳极的外轮廓相互未包络，并排布置于同一轴心线上；或

所述阳极将所述阴极的外轮廓全部或部分包络，布置于同一轴心线上；或

所述阴极将所述阳极的外轮廓全部或部分包络，布置于同一轴心线上。

3.如权利要求1～2任一项所述的等离子体发生装置，其特征在于，所述阳极和所述阴极之间的间隙小于10mm。

4.一种等离子体发生方法，其特征在于，由位置相对固定的阴极和阳极的间隙形成载体风输入通道，向所述载体风输入通道通入第一路载体风，所述第一路载体风被高压脉冲激发器激发产生的电弧电离，形成等离子体并输出，其中，所述阳极为两端开口的短管状腔体，其内腔具有拉法尔喉管结构；所述阴极为一端开口的长管状腔体，其内腔具有拉法尔喉管结构，且其开口的一端朝向所述阳极；另一端腔体壁上开有若干通孔，与所述阴极的腔体内部相通，形成另一路载体风的输入通道。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，第一路载体风被电弧电离形成的等离子体经阳极腔体内的拉法尔喉管压缩后输出。

6.如权利要求4所述的等离子体发生方法，其特征在于，还包括：

向所述阴极的腔体壁上的通孔通入第二路载体风，所述第二路载体风经过所述阴极内腔中的拉法尔喉管从阴极输出，将所述第一路载体风形成的等离子体进行压缩，所述第二路载体风经电弧电离后形成等离子体与压缩后的等离子体经过阳极内腔中的拉法尔喉管压缩后输出。

7.如权利要求6所述的等离子体发生方法，其特征在于，向所述阴极腔体壁上的通孔通入第二路载体风，还包括：

不断调节所述第二路载体风的流量和压力，使得等离子体的起始点在所述阴极腔体内壁垂直于轴心线的不同圆周上不断地改变。

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