CN102123558A - 长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置，包括：阴极和阳极，阴极和阳极前后分布在同一个中心线上，且分别与直流电源的正负极相和高压脉冲激发器相连接，该装置还包括第一电磁线圈和第二线圈，第一电磁线圈围绕在阴极的外部，在该装置工作时，所述第一电磁线圈保持为通电状态。第二线圈围绕在阳极外部，在该装置工作时，所述第二电磁线圈保持为通电状态。在该装置工作过程中，通入第二路载体风，第一路载体风根据需要可以选择通入或者关闭。本发明提供的长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置可以有效地解决现有技术中等离子体发生器的使用寿命较低的问题。

Description

长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置

技术领域

本发明涉及等离子体应用领域，尤其涉及一种长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置。

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。

现有等离子体发生器，包括阴极和阳极，阴极和阳极前后分布在同一个中心线上，并分别与直流电源的正负极相和高压脉冲激发器相连接，阴极的后端设有载体风通过的第一路气体的通道，阳极和阴极之间保持一定的间隙，该间隙为第二路载体风通过的通道。

现有的等离子体发生器在起弧后，弧根会集中在阴极内部的局部区域，对该局部区域进行烧蚀，由于阴极的厚度是一定的，阴极的寿命与弧根对阴极的烧蚀速率密切相关，对于阴极的局部烧蚀，会导致整个阴极的寿命缩短。虽然现有的等离子体发生器中可以通过第一路风和第二路风之间配合来调节阴极的烧蚀范围，但由于两路风的精确调节比较复杂和困难，难以做到精确控制，过高或过低的气体压力都会影响到阴极弧根的烧蚀位置，因此这种方法不能很好提升阴极的使用寿命。

另外，对于阳极来说，起弧后，电弧中大量电子运动阳极附近时，集中在阳极靠近喷嘴部分形成烧蚀斑点，为了提高阳极的使用寿命，现有技术通常也是通过调整第一路风和第二路风的压力来改变从阳极喷嘴喷出的气流的速度和流量来压缩电弧，最终达到改变阳极斑点的分布来延长阳极的寿命的目的，但同样由于第一路风和第二路风难以精确控制，因此，这种方法依然无法很好提高地阳极的使用寿命。

发明内容

本发明实施例提供了一种长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置，有效地解决了现有技术中等离子体发生器的使用寿命较低的问题。

本发明实施例提供的一种长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置，包括：阴极(101)和阳极(102)，阴极(101)和阳极(102)前后分布在同一个中心线上，且分别与直流电源的正负极相和高压脉冲激发器相连接，还包括：第一电磁线圈(103)，所述第一电磁线圈(103)围绕在所述阴极(101)的外部，所述长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置工作时，所述第一电磁线圈(103)保持为通电状态。

进一步地，本发明实施例提供的长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置，还包括：第二电磁线圈(104)，所述第二电磁线圈(104)围绕在所述阳极(102)的外部，所述长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置工作时，所述第二电磁线圈(104)保持为通电状态。

进一步地，所述阴极(101)为空心管状直筒形结构，其内孔形成第一路载体风通过的通道；所述阴极(101)的后端靠近阳极(102)，并与阳极(102)之间保持一定间隙，该间隙形成第二路载体风通过的通道；当通入第一路载体风时，阴极(101)前端为开口状态，当不通入第一路载体风时，阴极(101)前端为封闭状态。

进一步地，所述阴极(101)的长度范围为300-1000mm，内孔直径范围为30-200mm，壁厚范围为10-50mm。

进一步地，所述阴极(101)的后端和所述阳极(102)之间的间隙的范围为1-10mm。

进一步地，所述阳极(102)为两端开口的短管状腔体，其内腔具有拉法尔喉管结构，喉管直径范围为30-200mm，喉管后端喇叭口角度的范围为10-80度；所述阳极(102)长度的范围为200-1000mm。

本发明实施例提供的长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置中所述第一电磁线圈(103)和第二电磁线圈(104)的中心线，与所述阴极(101)和阳极(102)的中心线重合。

进一步地，本发明实施例提供的长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置，还包括：阴极水冷却系统和阳极水冷却系统；所述阴极水冷却系统设置在阴极(101)的外壁与所述第一电磁线圈(103)之间；所述阳极水冷却系统设置在阳极(102)的外壁与所述第二线圈(104)之间，并延伸至所述阴极水冷却系统的外部。

进一步地，所述阴极水冷却系统，具体包括：所述阴极水冷却系统，具体包括：阴极进水管路(105)、阴极冷却腔(106)、阴极排水腔(107)和阴极排水管路(108)；

所述阴极冷却腔(106)设置在阴极(101)的外壁的外围，所述阴极排水腔(107)设置在所述阴极冷却腔(106)的外围，所述阴极冷却腔(106)与所述阴极排水腔(107)之间在阴极(101)的前端相连通；

在阴极(101)的后端，所述阴极进水管路(105)与所述阴极冷却腔(106)相连，所述阴极排水管路(108)与所述阴极排水腔(107)相连。

进一步地，所述阳极水冷却系统，包括：所述阳极水冷却系统，包括：阳极进水管路(109)、阳极进水通道(110)、阳极冷却腔(111)、阳极排水腔(112)、阳极排水通道(113)和阳极排水管路(114)；

所述阳极冷却腔(111)设置在阳极(102)的外壁外围，所述阳极排水腔(112)设置在阳极冷却腔(111)的外围，所述阳极冷却腔(111)和所述阳极排水腔(112)之间在阳极(102)的前端相连通；

所述阳极进水通道(110)设置在阴极排水腔(112)的外围，所述阳极排水通道(113)设置在所述阳极进水通道(110)的外围；

在所述阳极(102)的后端，所述阴极冷却腔(106)与阳极进水通道(110)相连通；所述阳极排水腔(112)与所述阳极排水通道(113)相连通。

本发明实施例的有益效果包括：

本发明实施例提供的长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置，与现有的等离子体发生器相比，在阴极外部增设第一电磁线圈，在长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置工作时，该第一电磁线圈通电将产生沿线图轴向的磁场，在该轴向的磁场的作用下，长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置所产生的等离子弧在阴极上的弧根可以随着磁场的强度的变化在阴极内壁上发生前后游动，通过控制第一电磁线圈产生的磁场的强度，可以使得等离子弧在阴极内壁的烧蚀点均匀分布，避免弧根集中于阴极面上某个局部区域进行烧蚀，可以有效地延长阴极的使用寿命，并且由于电磁场相关参数的控制远比同时对两路流体形态的载体风的压力的控制更简单、准确且稳定性好，克服了现有等离子发生器通过对两路载体风配合控制调节阴极上烧蚀点区域以延长阴极寿命存在的调节困难和稳定性低的问题。

进一步地，本发明实施例提供的长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置，在阳极增设第二电磁线圈，利用磁场对电弧较好的引导作用，使等离子弧在阳极轴向磁场的作用下从阳极喷嘴喷出而并不烧蚀阳极喷嘴附近区域，与现有技术相比，同样具有调节简单和稳定性高的优点，可以有效地延长等离子发生装置中阳极的寿命。

从另外一方面来说，本发明实施例提供的等离子发生装置，由于采用电磁场对阴极和阳极的烧蚀点进行精确控制，可使阴极和阳极的使用寿命大幅度得到延长，同时也使得大功率的等离子体发生装置的实现成为可能。

附图说明

图1为本发明实施例提供的长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置中阳极和阴极水冷却系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明实施例提供的长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置结构以及工作原理进行详细地说明。

本发明实施例提供的长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置，如图1所示，具体包括：阴极101和阳极102。阴极101和阳极102前后分布在同一个中心线上，且阴极101和阳极102分别与直流电源的正负极相(图1中未示意出)以及高压脉冲激发器(图1中未示意出)相连接，除此之外，本发明实施例提供的长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置，与现有等离子体发生器相比，对阴极部分进行改进，在阴极部分增加了第一电磁线圈103，该第一电磁线圈103围绕在阴极101的外部，在该长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置工作时，该第一电磁线圈103保持为通电状态。

较佳地，第一电磁线圈103的中心线，与阴极101和阳极102的中心线重合。

本发明实施例提供的长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置，在阴极101外部增加第一电磁线圈103的作用在于，在长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置工作时，该第一电磁线圈103通电将产生沿线图轴向的磁场，在该轴向的磁场的作用下，所产生的等离子弧在阴极101上的弧根可以随着磁场的强度的变化在阴极101内壁上发生前后游动，通过控制磁场的强度，可以使得电弧在阴极101内壁的烧蚀点均匀分布，避免弧根集中于阴极面上某个局部区域进行烧蚀，有效地延长了阴极101的使用寿命。

并且，由于使用第一电磁线圈103产生螺旋管轴向的磁场，阴极电弧中大量的电子会在磁场的牵引作用下向阳极运动，大量的电子朝阳极运动会使电子和等离子弧中大量带正电的粒子产生相互作用力，吸引带正电的粒子向前运动，最终使等离子弧整体向前运动，完成等离子体向阳极喷嘴的输送过程。

如图1所示，长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置中的阴极101为空心管状直筒形结构，其内孔形成第一路载体风通过的通道；阴极101的后端靠近阳极102，并与阳极102之间保持一定间隙，该间隙形成第二路载体风通过的通道；阴极101的前端可以呈封闭状态或者呈不封闭的状态，具体地，当通入第一路载体风时，阴极101前端为开口状态，当不通入第一路载体风时，阴极(101)前端为封闭状态。

较佳地，阴极101的长度范围为300-1000mm，内孔直径范围为30-200mm，壁厚范围为10-50mm。阴极101的后端和阳极102之间的间隙的范围为1-10mm。

较佳地，本发明实施例提供的长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置，如图1所示，还包括：第二电磁线圈104，第二电磁线圈104围绕在阳极102的外部，在该长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置工作时，该第二电磁线圈104同样保持为通电状态。

第二电磁线圈104的中心线，与阴极101和阳极102的中心线重合。

在阳极102设置第二电磁线圈104，对所产生的等离子弧产生一定的压缩作用，使得所产生的等离子弧运动到阳极102附近时，在第二电磁线圈104产生的轴向磁场的作用下，向阳极102的中心轴线集中。这样，等离子弧在阳极102轴向磁场以及阳极102和阴极101之间通入的载体风的共同作用下，通过阳极102的喷嘴向外高速喷出，由于阳极102外部设置的第二电磁线圈104产生磁场的范围能超出阳极102的喷嘴区域，在第二电磁线圈104产生的磁场的约束下，大量电子被牵引出阳极102喷嘴而不会集中于阳极102喷嘴的区域产生斑点造成阳极烧损，有效地提高了阳极102的使用寿命。

本发明实施例提供的长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置中，通过对第一电磁线圈103和第二电磁线圈104的通电电压和电流的控制，即可以实现对阳极和阴极区域的磁场的场强等参数进行精确控制。

较佳地，本发明实施例提供的长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置中，如图1所示，阳极102为两端开口的短管状腔体，其内腔具有拉法尔喉管结构，喉管直径范围为30-200mm，喉管后端喇叭口角度的范围为10-80度；阳极102长度的范围为200-1000mm；阳极102和阴极101之间的间隙的范围为1-10mm。

为了进一步降低高温等离子体对离子体发生装置寿命的影响，本发明实施例提供的长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置中，阴极101和阳极102还可以分别设置有对应的水冷却系统，下面称呼对阴极设置的水冷却系统为阴极水冷却系统，对阳极设置的水冷却系统为阳极水冷却系统，较佳地，阴极水冷却系统可以设置在阴极101的外壁与第一电磁线圈104之间；阳极水冷却系统设置在阳极102的外壁与第二电磁线圈104之间，并延伸至阴极101水冷却系统的外部。

图2所示的是长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置的阴极、阳极、阴极水冷却系统和阳极水冷却系统的一种具体实施方式的剖面示意图。

如图2所示，其中，阴极水冷却系统，具体包括下面几个部分：

阴极进水管路(图2中未示意出，见图1中阴极尾部伸出的阴极进水管路105)、阴极冷却腔106、阴极排水腔107和阴极排水管路(图2中未示意出，见图1中阴极尾部伸出的阴极进水管路108)，其中：

阴极冷却腔106设置在阴极101的外壁的外围，阴极排水腔107设置在阴极冷却腔106的外围，阴极冷却腔106与阴极排水腔107之间在阴极101的前端相连通；

在阴极101的后端，阴极进水管路105与阴极冷却腔106相连，阴极排水管路108与阴极排水腔107相连。

阴极进水管路105、阴极冷却腔106、阴极排水腔107和阴极排水管路108之间依次相连，形成一个循环的水冷却通路，完成对阴极101的冷却。

如图2所示，阳极水冷却系统，具体包括下述几个部分：阳极进水管路(图2中未示意出，见图1中阴极尾部伸出的阳极进水管路109)、阳极进水通道110、阳极冷却腔111、阳极排水腔112、阳极排水通道113和阳极排水管路(图2中未示意出，见图1中阴极尾部伸出的阳极排水管路114)；

阳极冷却腔111设置在阳极102的外壁外围，阳极排水腔112设置在阳极冷却腔111的外围，阳极冷却腔111和阳极排水腔112之间在阳极102的前端相连通；

阳极进水通道110设置在阴极排水腔112的外围，阳极排水通道113设置在阳极进水通道110的外围；

在阳极102的后端，阴极冷却腔106与阳极进水通道110相连通；阳极排水腔112与阳极排水通道113相连通。

阳极进水管路109、阳极进水通道110、阳极冷却腔111、阳极排水腔112、阳极排水通道113和阳极排水管114路依次相连，形成一个循环的水冷却通路，完成对阳极102的冷却。

本发明实施例提供的长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置，没有采用现有技术中仅使用两路载体风配合对等离子弧进行压缩和输送的方式，通过对阴极和阳极的磁场的控制实现等离子弧的压缩和输送，同时调节电弧在阴极和阳极上的烧蚀点，延长阴极和阳极的使用寿命。由于电磁场相关参数的控制远比流体风的控制简单、准确且稳定性好，本发明实施例可以在阴极完全利用对磁场的调节作用，使得等离子弧弧根在阴极内部均匀分布，并且利用磁场对电弧较好的引导作用，甚至在载体风较低的气体压力下，使等离子弧在阳极轴向磁场的作用从阳极喷嘴喷出而并不会烧蚀阳极喷嘴附近区域，这样的方式，克服了现有等离子发生器仅通过对两路载体风配合控制调节阴极和阳极上烧蚀点区域存在的难度高和可靠性低的问题。

从另外一方面来说，等离子发生器的功率与阴极和阳极的使用寿命密切相关，功率越大，则阴极和阳极的烧蚀速率越快，寿命越短，现有等离子体发生器处于阴极和阳极使用寿命的考虑，等离子体发生器的功率一般不会超过200kv，而本发明实施例提供的等离子发生装置，由于采用电磁场对阴极和阳极的烧蚀点进行控制，可使阴极和阳极的使用寿命大幅延长，同时也使得等离子体发生装置的功率可以得到大幅提高。

进一步地，本发明实施例提供的长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置，还可以通过对阴极和阳极的磁场以及对一路(通过阴极与阳极之间空隙通入的第二路载体风)或者两路载体风(通过阴极内腔的第一路载体风以及通过阴极与阳极之间空隙通入的第二路载体风)的压力的综合控制，实现调节等离子体弧根在阴极和阳极的烧蚀范围的目的，使得长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置的控制方式更灵活。

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 (10)

1.一种长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置，包括：阴极(101)和阳极(102)，阴极(101)和阳极(102)前后分布在同一个中心线上，且分别与直流电源的正负极相和交流高频高压脉冲激发器相连接，其特征在于，还包括：第一电磁线圈(103)，所述第一电磁线圈(103)围绕在所述阴极(101)的外部，所述长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置工作时，所述第一电磁线圈(103)保持为通电状态。

2.如权利要求1所述的长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置，其特征在于，还包括：第二电磁线圈(104)，所述第二电磁线圈(104)围绕在所述阳极(102)的外部，所述长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置工作时，所述第二电磁线圈(104)保持通电状态。

3.如权利要求1或2所述的长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置，其特征在于，所述阴极(101)为空心管状直筒形结构，其内孔形成第一路载体风通过的通道；所述阴极(101)前端为一路风进口，后端靠近阳极(102)前端，并与阳极(102)前端之间保持一定间隙，该间隙形成第二路载体风通过的通道；当通入第一路载体风时，阴极(101)前端为开口状态，当不通入第一路载体风时，阴极(101)前端为封闭状态。

4.如权利要求3所述的长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置，其特征在于，所述阴极(101)的长度范围为300-1000mm，内孔直径范围为30-200mm，壁厚范围为10-50mm。

5.如权利要求3所述的长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置，其特征在于，所述阴极(101)的后端和所述阳极(102)前端之间的间隙的范围为1-10mm。

6.如权利要求1或2所述的长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置，其特征在于，所述阳极(102)为两端开口的短管状腔体，其内腔具有拉法尔喉管结构，喉管直径范围为30-200mm，喉管后端喇叭口角度的范围为10-80度；所述阳极(102)长度的范围为200-1000mm。

7.如权利要求1或2所述的长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置，其特征在于，所述第一电磁线圈(103)和第二电磁线圈(104)的中心线，与所述阴极(101)和阳极(102)的中心线重合。

8.如权利要求2所述的长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置，其特征在于，还包括：阴极水冷却系统和阳极水冷却系统；所述阴极水冷却系统设置在阴极(101)的外壁与所述第一电磁线圈(103)之间；所述阳极水冷却系统设置在阳极(102)的外壁与所述第二线圈(104)之间，并延伸至所述阴极水冷却系统的外部。

9.如权利要求7所述的长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置，其特征在于，所述阴极水冷却系统，具体包括：阴极进水管路(105)、阴极冷却腔(106)、阴极排水腔(107)和阴极排水管路(108)；

所述阴极冷却腔(106)设置在阴极(101)的外壁的外围，所述阴极排水腔(107)设置在所述阴极冷却腔(106)的外围，所述阴极冷却腔(106)与所述阴极排水腔(107)之间在阴极(101)的前端相连通；

在阴极(101)的后端，所述阴极进水管路(105)与所述阴极冷却腔(106)相连，所述阴极排水管路(108)与所述阴极排水腔(107)相连。

10.如权利要求8所述的长寿命内空式阴极双压缩等离子体发生装置，其特征在于，所述阳极水冷却系统，包括：阳极进水管路(109)、阳极进水通道(110)、阳极冷却腔(111)、阳极排水腔(112)、阳极排水通道(113)和阳极排水管路(114)；

所述阳极冷却腔(111)设置在阳极(102)的外壁外围，所述阳极排水腔(112)设置在阳极冷却腔(111)的外围，所述阳极冷却腔(111)和所述阳极排水腔(112)之间在阳极(102)的前端相连通；

所述阳极进水通道(110)设置在阴极排水腔(112)的外围，所述阳极排水通道(113)设置在所述阳极进水通道(110)的外围；

在所述阳极(102)的后端，所述阴极冷却腔(106)与阳极进水通道(110)相连通；所述阳极排水腔(112)与所述阳极排水通道(113)相连通。

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