CN102318030A - 具有环形电极的交流多相等离子气体发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在三相交流电源下工作的等离子发生器，包括三个与喷嘴连接的等离子发生管，各个等离子发生管包括生成进入到环形电极的等离子的等离子引发器，环形电极包括大致相切的气体引入通孔，该通孔使得进入到环形电极中进行螺旋状的旋转。各个环形电极与三相交流电源三相中的其中一相相连，当引发等离子引入其中一个环形电极时，等离子释放沿环形电极的一路径发生，然后穿过等离子发生管，进入到另一个不同的环形电极中。各个环形电极具有以螺旋状方式旋转的引入气体，使得电极表面的腐蚀在整个表面是均匀的，并在单一电弧附着斑点上最低程度地降低腐蚀，因为电弧斑点不断按照进入到电极中的气体所提供的螺旋状轨迹移动。

Description

具有环形电极的交流多相等离子气体发生器

技术领域

本发明涉及等离子气体发生器，特别是持续产生等离子源并在多相交流电源下工作的等离子气体发生器。

背景技术

等离子发生器产生高能量等离子气体，该气体能够在多种应用中使用，包括等离子切割、涂层、硬表面堆焊(hard-facing)、放射性物质玻璃化、废物消毒以及其他很多应用。工业等离子发生系统会消耗接近百万瓦的巨大能量，这些系统要求等离子发生器是简单可靠的。高能量等离子发生系统的一个特别关注的问题是如何延长等离子导电界面上电极的寿命。电极上被称为电弧斑点(arc spot)的等离子附着区域与电极的其他区域相比会首先受到腐蚀，使得电极要过早地被更换。一般来说，它需要具有大外露表面的电极，此外露表面适合于某种液体冷却形式。

美国专利US5801489描述了一种等离子发生器，其直接在三相电源下工作，利用电极近侧引入的电离气体，该电极与三相电源连接，从而在电极之间产生等离子。等离子自感磁场(也被称为轨道炮效应(rail guneffect))使得等离子弧沿着电极从短弧长的位置向长弧长的位置移动，电极实现均匀磨损。虽然能实现电极工作区域的均匀电极磨损，但其存在一个缺点是端到端的等离子弧长从开始到结束以超过3∶1的比率变化。它需要具有相对恒定长度和密度的等离子弧。此系统的另一个问题是当等离子弧在管状电极上移动时，电弧斑点的径向变化可能很小，从而引起环绕电极的路径腐蚀，该单一路径与其他区域相比会被过分磨损。

美国专利US3140421描述了一种具有线性排列电极的多相等离子发生器，其中等离子在两个相邻的电极之间产生后沿着等离子管扫向输出孔。此发生器不能实现均匀电极磨损。

美国专利US3953705描述了一种在直流下工作的等离子发生器，等离子发生器具有一系列连续的等离子腔室，各个等离子腔室带有等离子进口和出口，气体被引入各个腔室并具有一环绕速度从而防止其在一电极到另一电极传输时侵蚀等离子通道。

美国专利US4013867描述了一种三相电源等离子发生器，发生器具有多个与公共腔室连接的等离子管道，在等离子气体被引入环形间隙后，等离子通过环形间隙产生并沿着等离子管移动。等离子利用外部磁场源(显示为一螺线管线圈)的作用在等离子管道中集中。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种适合与多相电源连接并在电源频率下工作的等离子发生器，其中等离子发生器包括多个通过等离子喷嘴互连的等离子源，各个等离子源包含等离子引发器，该引发器使等离子与环形电极区域连接，此环形电极与电源的一相相连，环形电极通过等离子通道与喷嘴隔离。

本发明的的第二个目的是提供均匀磨损环形电极，其以一轴线为中心并包含一定的区域范围，等离子发生器的环形电极接收用于生成等离子的气体，等离子在环形电极上生成电弧斑点，环形电极包含多个被放置的通孔用于在环形电极的区域范围上以及在环形电极的区域范围外形成环绕气流，使得等离子气体的引入过程促使电弧斑点在电极上以及电极的区域范围上环绕转动。

本发明的第三个目的是提供一种等离子发生器的环形电极，等离子在环形电极的表面具有电弧斑点，环形电极在环形电极的区域范围上也具有多个气体引入端口，至少一个引入端口与环形电极的第一端靠近，另一个引入端口与环形电极的第二端靠近并与第一端相对，使得通过控制第一端或第二端的气流或者压强，等离子电弧斑点可以环绕旋转，并从第一端到第二端连续地变化。

本发明的第四个目的是提供具有多个环形电极的等离子发生器，各个环形电极与工频电源电压的相相连接，环形电极包含限定环形电极区域范围的轴线以及环形电极内表面，此内表面包括通孔，该通孔用于气体引入过程以及气体和由气体产生的等离子的环绕流动过程，环绕流动可以以轴线为中心的圆周方向进行，并在环形电极的区域范围上变化，使得等离子的位置可以在沿圆周以及在电极的区域范围上暂时变化，随着时间的推移实现均匀电弧斑点电极腐蚀。

本发明为解决其问题所采用的技术方案是：

一种具有三个延伸等离子源的等离子发生器，等离子源通过喷嘴互连。各个延伸等离子源包括用于生成初始等离子的引发器、具有进入到初始等离子生成之处的内表面的环形电极，引发器和环形电极都沿等离子源轴线放置，电极具有多个切向气体引入通孔，使得所生成的等离子在生成后环绕和轴向地旋转。环形电极紧靠与喷嘴连接的等离子通道，使得当各个等离子源的引发器使用气体时，三个环形电极中的各个都能被电压刺激，该电压的相位大致与其它环形电极相差120度，从而使得等离子从一个环形电极生成，穿过等离子通道到达喷嘴，然后穿过不同的等离子通道并到达相联的环形电极。利用气体利用环绕通孔的引入过程，附着到环形电极上的等离子弧从所引入气体的作用力下旋转，从而防止环形电极的斑点磨损。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为等离子发生器的简单视图；

图2为等离子发生器喷嘴端的视图；

图3为图2中等离子发生器A-A截面处的剖视图；

图4为等离子弧引发器和环形电极的示意图；

图5为图4中截面B-B和截面D-D的剖视图；

图6为图4中截面C-C的剖视图；

图7为等离子发生器控制系统的示意图。

具体实施方式

图1为等离子发生器100的简单示意图，其包括具有输出孔152的喷嘴150，该输出孔用于发射等离子管124-1、124-2和124-3中生成的等离子。虽然个别元件通过爆炸图显示，但等离子发生器是一个封闭系统，其中自然气体从入口120-1、122-1等进入到每个等离子源中，完全成形后的等离子从喷嘴输出孔152输出。各个如124-1的等离子管具有内部等离子通道用于通过穿过生成区域112-1后的等离子，其中等离子通道的一端与喷嘴150连接，另一端与环形电极118-1相连，该环形电极依次与三相变压器146的次级绕组的一相相连。环形电极118-1包含内表面，内表面的直径在范围30mm到300mm之间，等离子与环形电极内表面的作用区域被称为电弧斑点116-1。设备使用时，若电弧斑点116-1是固定不动的，高电流密以及度连同高等离子温度会造成环形电极118-1的腐蚀。假若电弧附着点116-1在导体内表面上环形地或者沿着中轴线在环形电极的区域范围上移动，那么腐蚀是可以控制的并能够降低电极的温度，环形电极的区域范围可选在30mm到300mm之间。环绕移动由穿过环形电极通孔的气体引入过程产生，其中通孔与以电极轴线为中心、半径小于环形电极内表面的圆周相切，这会在后文中有所论述。此外，气体进口120-1和122-1位于环形电极区域范围的相对位置上，气体进口是可以单独控制的，使得电弧斑点除在电极表面环绕移动外，还能够沿着电极的区域范围轴向移动，从而以可控的方式使得电弧斑点的能量分布在相对比较大的电极表面上。此外，所引入气体在电极表面上的环绕移动能够提供可降低环形电极的表面温度的冷却效果。邻近环形电极118-1的是等离子引发器108-1，用于在环形电极118-1表面的附近生成初始等离子。在本发明的一个实施方式中，等离子引发器108-1具有由引发器电压106-1驱动的内电极102-1和外电极104-1，该电压是足以维持连续初始等离子源的连续高频电压，该初始等离子的电子密度n_e范围为10¹²/cm³到10¹⁴/cm³。其他等离子管124-2和124-3，带有气体进口120-2、122-2、120-3和122-3的环形电极118-2和118-3，以及与每个电极相关联的等离子引发器与第一个等离子管124-1所描述的结构大致相同。

每个电极118-1、118-2由三相变压器146的不同相驱动，变压器电压有效值的范围在400到10000V之间，频率与电源148相同。变压器146显示为三相Δ-Δ变压器，但它可以为Y-Δ连接方式或者其他组合，这都是三相电源的现有技术已知的。当应用电压为正弦交流电压时，所生成的等离子在线电压频率下在各个等离子管中产生和衰减。此外，引起衰竭的等离子引发电压比维持等离子所需的电压低。基于这两个原因，为各个电极提供某种限流阻抗来限制等离子电流从而建立这等离子电流密度是有效的，这功能模块由电流限制器154实现，在图中显示为与变压器146各分支串接的电感，将电流限制器放置在变压器146次级线圈的个别引线上也是可以的，变压器的电流会降低而工作电压会变高。限流电感154还可以包括可调整阀以便手动或者自动调节电流限制作用。

图2为以等离子喷嘴150的输出孔152为角度的视图，包括等离子管124-1、124-2和124-3。环形电极的外壳202-1、202-2和202-3以及相联的气体进口204-1、206-1、204-2、206-2、204-3和206-3也有所示，这些构造在图3所示的图2中截面A-A处的剖视图也可以看到。

图3为图2中A-A处的剖视图，包括两条等离子管124-1和124-2以及相关构造，分别以电极轴线310-1和310-2对称地放置。喷嘴150包括冷却液通道302、输出孔152和喷嘴混合腔室，该腔室是管124-1和124-2公用的，该管还带有相关的具有各自冷却进气口306-1和306-2的冷却液夹道308-1和308-2，该夹道还可以带有冷却排气口(没有显示)。观察单一的等离子管、电极和相关构造，等离子管124-1和环形电极118-1为圆柱状的并沿着电极轴线310-1放置，环形电极118-1包含后方的等离子气体进口206-1和前方的等离子进口204-1，其中电极118-1的构造使得等离子气体引入环形电极，该气体以轴线310-1为中心、半径位于环形电极118-1内表面内的圆周相切处流动，这在其他图中将会看到。环形电极上用于引入等离子气体的通孔的大小在范围0.5mm到2mm之间，或为能够在环形电极中产生环绕气体旋转的任意直径大小。与环形电极118-1邻接的是等离子引发器，其包括外电极104-1、内电极102-1以及在它们之间放置的环形绝缘体314-1。当等离子引发电压在内电极102-1和外电极104-1之间作用时，产生进入环形电极118-1区域范围内的引发等离子弧。第二等离子管124-2、电极118-2以及由外电极104-2、内电极102-2和环形绝缘体314-2构成的引发器的构造使得等离子弧312-2在另一个环形电极118-2上产生，导致主要的等离子弧140在一个环形电极118-1到另一个环形电极118-2上产生。绝缘体312-1和312-2使引发器构造与导电电极118-1和118-2绝缘，绝缘体316-1和316-2使环形电极118-1和118-2与围绕等离子管124-1和124-2之间的结构绝缘。此外，冷却通道302-1允许冷却液在等离子引发器中流动，从一个电极如118-1传输到另一个电极如118-2时通常需要接近0.1％的等离子主能量。所需冷却体通过图示的电极冷却口304-1和304-2以及等离子管冷却口306-1和306-2处理。

图4展示了引发器和用于单个等离子管的环形电极的细节剖视图，包括内电极102-1、外电极104-1以及引发器等离子弧312-1，该等离子弧在内电极和外电极之间产生并进入到环形电极118-1的区域范围内。环形电极118-1还具有与冷却通道402-1连接的冷却口304-1，该冷却通道用于移除在环形电极中产生的热量。除前方的环绕气体通道410-1和后方的环绕气体通道408-1外，环形电极118-1还设有等离子气体孔406-1。

图5为图4中B-B和D-D处共用的剖视图，两个视图都垂直于中轴线310-1，显示环形气体通道502-1。环形孔502-1使得气体进入口206-1(截面B-B处)和204-1(截面D-D处)在两端以及如图6所示的电极中间以相同的方向旋转。虽然本例中所示的为顺时针圆周移动，但旋转的具体方向并不重要。旋转等离子气体使得倾向于接近引发器起点并附着在电极邻近点处的电弧斑点沿着中轴线310-1和在沿着轴线310-1的环形电极区域范围下环扫。在本发明的最优模式中，在进入口206-1和204-1处的气体压力是可控的，使得等离子的引发过程和螺旋状的电弧移动过程在交流电源频率的驱动下发生在电极的整个区域范围内以及在单个等离子弧的形成过程和衰减周期中。

图6显示了图4中C-C处环形电极的剖视图，包括等离子气体口506-1，该气体口通过口404-1与气体连接并经圆周孔406-1进入到环形电极118-1，该圆周孔可与以中轴线310-1为中心、半径小于电极118-1内直径的参照圆相切。冷却口304-1和504-1使冷却液和冷却夹道402-1相连。

图7为等离子发生系统所有部件的运作示意图。等离子发生系统100的等离子引发器由系统控制器702供电，该控制器还通过变压器146输出端的电压传感器710、712、714以及电流传感器704、706、708对所供应电压进行测量，其中电流受限制器154限制。对限制器154和变压器146电源电压的应用受第一电流接触器716和第二电流接触器718的控制，电流接触器同时受控制器702的控制。应用限制电流的电流接触器使得功率因数大幅度变动，此变动由电容器组720补偿，该电容器组能够向电源电流加入容性无功电流来补偿因电流限制器154产生的感性无功电流。当注入器电源724为与电源连接的交流变压器时，由注入器电源724供电的低电压引发器的电流通过引发电流限制电感726限制，当电源724为连续高频电源时可以不需要该限制电感。引发电压通过传感器728、732和736感应，其相关联的电流由传感器730、734、738检测。其他由控制器702检测的输入包括冷却液流762、温度752和进口气流传感器758。作为操作顺序的一部分，冷却液阀750和气体阀756打开和关闭各自的流动循环。

本发明可以根据实际所需设有非常多的安全联动装置以及相关装置。

一种操作顺序如下：

1)查核进口冷却液的温度和流动(打开阀750，测量温度764)；

2)在得到满意的冷却液温度和流动核实后打开气体阀756并调节压力758；

3)通过电源724将电压作用在引发器上，检测并控制注入器的引发器电压(728、732、736)和电流(730、734、738)；

4)通过电流接触器716、718将次级电压作用到环形电极；

5)在等离子生产时控制冷却水流和气流；

6)进行有序的关闭：移除环形电极电源，移除气流，移除等离子引发器电源，等待等离子区域冷却，移除水流。

本发明实际应用时可有非常多的变化，此处提及的特定变化只是用于说明而并不用于限制本发明的范围。

引入环形电极通孔和开口的等离子气体可以以单独或混合形式含有以下种类的气体：空气、二氧化碳(CO₂)、一氧化碳(CO)、氯气(Cl)、氟气(F)、氮气(N₂)、氩气(Ar)、氦气(He)、氢气(H₂)及它们的相关化合物以及水蒸气。环形电极可以以单独或混合的形式以以下种类的金属制成：伴有可选稀土金属的铁(Fe)和/或铜(Cu)合金，或者伴有可选任意的稀土金属的钨，该稀土金属包括镧(La)、钍(Th)、或钇(Y)。

图1和图7中由电感154提供的限流功能块可包括与各个变压器初级或次级绕组串联的独立电感，或者它可以包括用于限制等离子弧电流的任意工具，这些工具包括与磁芯耦合不太紧并具有适合于限制电流从而达到所需级别的自感的变压器绕组，或者包含有镇流阻抗的限流器，然而，优选的是感性节流器，因为它们能向不稳定的等离子提供瞬间响应。

在环形电极内表面的环绕等离子气体的引入过程可以通过大小范围为0.1mm到0.2mm的通孔实现，或者通过范围大于或小于此的任意通孔实现。这些通孔可以带有与在环形电极的内半径范围内的圆周相切的中心孔，或者它们可以包含能够使得切向力作用于等离子电弧斑点的任意通孔排列方式。此外，等离子引发器可以通过如图4所示的电弧触发引发器实现，或者它可以为能够向环形电极的区域范围提供等离子的持续供给源，或者为现有技术已知的任意工具。

虽然本发明显示为三相，但本发明实际应用时并不会因等离子管和相关联的环形电极的数目与相数相同并且各个等离子管与不同的电极连接，而存在相数或者角距过高或者过低的限制。

Claims (22)

1.具有环形电极的交流多相等离子气体发生器，包括：喷嘴；等离子气体；多个环形电极，各环形电极具有轴线和内表面，各个所述环形电极通过等离子通道与所述喷嘴间隔；各个所述环形电极具有引发等离子源，各个所述环形电极具有多个位于所述内表面的通孔，至少一个所述的通孔放置于所述内表面和所述轴线之间的圆周的大致相切处，所述通孔与所述等离子气体连接；所述环形电极还包括位于离所述喷嘴较远端的第一等离子气体引入区域以及位于离所述喷嘴较近端的第二等离子气体引入区域，所述环形电极通孔以及第一与第二等离子气体引入区域使得在所述环形电极内表面产生的等离子环绕旋转并从所述喷嘴近端移动到喷嘴远端。

2.根据权利要求1所述的一种等离子发生器，其特征在于所述多个环形电极的数量为三个，各个所述环形电极与所述电源的一相相连接。

3.根据权利要求1所述的一种等离子发生器，其特征在于所述等离子气体包括空气、二氧化碳、一氧化碳、氯气、氟气、氮气、氩气、氦气、氢气或者水蒸气中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的一种等离子发生器，其特征在于所述内电极通孔的直径在30mm到100mm之间，通孔的区域范围在30mm到300mm之间。

5.跟据权利要求1所述的一种等离子发生器，其特征在于所述内电极孔利用以下材料中的至少一种制成：伴有可选的稀土金属的钨、铁(Fe)和/或铜(Cu)合金。

6.跟据权利要求1所述的一种等离子发生器，其特征在于所述喷嘴、所述环形电极以及所述等离子通道通过循环液体冷却。

7.跟据权利要求1所述的一种等离子发生器，其特征在于所述引发等离子源为电离气体，电离气体连接在所述环形电极上与所述等离子通道相对处，所述电离气体的电子密度n_e范围为10¹²/cm³到10¹⁴/cm³。

8.跟据权利要求1所述的一种等离子发生器，其特征在于所述引发等离子源为等离子引发器，等离子引发器产生穿过所述等离子气体的电弧。

9.跟据权利要求1所述的一种等离子发生器，其特征在于所述环形电极通孔位置和穿过所述通孔的气流从所述等离子的电焊斑点提供所述内表面的均匀腐蚀。

10.跟据权利要求1所述的一种等离子发生器，其特征在于所述环形电极与交流电源的不同相相连，交流电源的电压有效值范围在400V到10000V之间。

11.跟据权利要求1所述的一种等离子发生器，其特征在于各个所述的环形电极通过升压变压器与交流电源独立一相相连，交流电源的相数至少为3。

12.一种多相交流电源用等离子发生器，该等离子发生器包括：具有输出孔和多个输入孔的喷嘴；等离子气体；多个等离子源，各个等离子源与一个所述喷嘴的输入孔连接；各个所述等离子源包括：具有轴线和区域范围并与所述多相电源的独立一相连接的环形电极，所述环形电极具有用于等离子附着的内表面以及大致上相切于以所述电极轴线为半径范围的环绕上的多个通孔，所述通孔与所述等离子气体连接，所述环形电极还包括位于所述环形电极范围的相对侧的第一等离子气体引入区域以及第二等离子气体引入区域；放置在所述环形电极和所述喷嘴输入孔之间的等离子通道；其中所述各个所述内表面通孔的等离子气流、所述第一和第二等离子气体引入区域使得所述等离子附着处在所述内表面以及环形电极的区域范围上大致地环绕移动。

13.跟据权利要求12所述的一种等离子发生器，其特征在于所述多个环形电极的数量为三个，各个所述环形电极与所述电源的一相连接。

14.跟据权利要求12所述的一种等离子发生器，其特征在于所述等离子气体包括空气、二氧化碳、一氧化碳、氯气、氟气、氮气、氩气、氦气、氢气或者水蒸气中的至少一种。

15.根据权利要求12所述的一种等离子发生器，其特征在于所述内电极通孔的直径在30mm到100mm之间，通孔的区域范围在30mm到300mm之间。

16.跟据权利要求12所述的一种等离子发生器，其特征在于所述内电极孔利用以下材料中的至少一种制成：伴有可选的稀土金属的钨、铁(Fe)和/或铜(Cu)合金。

17.跟据权利要求12所述的一种等离子发生器，其特征在于所述喷嘴、所述环形电极以及所述等离子通道通过循环液体冷却。

18.跟据权利要求12所述的一种等离子发生器，其特征在于所述引发等离子源为电离气体，电离气体连接在所述环形电极上与所述等离子通道相对处，所述电离气体的电子密度n_e范围为10¹²/cm³到10¹⁴/cm³。

19.跟据权利要求12所述的一种等离子发生器，其特征在于所述引发等离子源为等离子引发器，其产生穿过所述等离子气体的电弧。

20.跟据权利要求12所述的一种等离子发生器，其特征在于所述环形电极通孔位置和穿过所述通孔的气流从所述等离子的电焊斑点为所述内表面提供均匀腐蚀。

21.跟据权利要求12所述的一种等离子发生器，其特征在于所述环形电极与交流电源的不同相相连，交流电源的电压有效值范围在400V到10000V之间。

22.跟据权利要求12所述的一种等离子发生器，其特征在于各个所述的环形电极通过升压变压器与交流电源独立一相相连，交流电源的相数至少为3。

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