CN102427654B - 多腔室等离子发生器阳极 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多腔室等离子发生器阳极，其包括依次连接的压缩腔、稳燃腔、导流腔和加速腔，压缩腔将阴极产生的等离子进行压缩，稳燃腔可满足所述等离子扩张，导流腔为传导电子和构成良好的导电通路，加速腔为上开口抛物线和下开口抛物线构成的双抛物线结构，其压缩段压缩等离子，提高等离子体密度，其加速段降低等离子从阳极前端喷口喷出的阻力，提高等离子喷射速度。本发明中的多腔室等离子器发生器阳极不同于传统等离子体发生器的阳极所采用的先压缩然后扩散型喷嘴，根据等离子体的扩展特性设计了独特的多腔室阳极结构，改变了传统阳极导电区域和电弧燃烧区域重合导致烧蚀速率过快引起阳极寿命较短的缺点。

Description

多腔室等离子发生器阳极

技术领域

本发明涉及等离子体应用领域，特别是涉及到一种多腔室等离子发生器阳极。

背景技术

目前，在科学技术和工业领域应用较多的电弧等离子体发生器又称电弧等离子体炬，或称等离子体喷枪，有时也称电弧加热器。它是一种能够产生定向等离子体射流的放电装置，已在等离子体化工、冶金、喷涂、喷焊、机械加工和气动热模拟实验等领域中得到广泛应用。大型工业煤粉锅炉的点火和稳燃传统上都是采用燃烧重油或天然气等稀有燃料来实现的，近年来，随着世界性的能源紧张和等离子体技术的发展，锅炉等离子点火成为了国内外发展的最新技术，大幅度减少重油（天然气）的耗量，与以往的煤粉燃烧器相比，等离子燃烧器在煤粉进入燃烧器的初始阶段就用等离子弧将煤粉点燃，可在炉膛内无火焰状态下直接点燃煤粉，是高度环保和经济的锅炉的无油启动新技术。 

等离子发生器的核心是阴极和阳极，尤其是大功率的等离子发生器，由于阳极受活性工作气（氧、氯、空气）的侵蚀，经常会导致其寿命比阴极更短，影响发生器的正常使用。目前等离子体发生器阳极的连续寿命一般不超过200小时。阳极的烧蚀和电极材料及气流控制技术相关。从气流控制技术而言，现有的等离子体发生器阳极常采用喇叭状喷嘴，在起弧后，等离子体经过喷嘴前部的喉口压缩后，到达喇叭状喷嘴时快速喷出，这种结构会导致阳极斑点集中在喇叭口的内表面与喷口末端的交界面上，也即是导流区域和电弧烧蚀区域重合，由于交界面的表面积小，尽管采用空气或水等介质对整个阳极进行冷却，但由于电流密度较大，同时电弧会在阳极表面烧蚀形成绝缘层，影响阳极的导电能力，使等离子体工作稳定性差，很难避免对阳极喷嘴端面的烧蚀，这也是国内外等离子体发生器的阳极寿命一般在200小时以下的缘故。另外，这种阳极采用喇叭状喷嘴的结构，会使得阴极和阳极腔内等离子体的流场发生畸变，而使得漩涡场受到破坏，受到破坏的涡旋气流对等离子体的压缩不够，也会进一步加重对阳极的烧蚀。

从电极材料而言，现有电极材料主要使用紫铜，紫铜的电导率和热导率仅次于银，广泛用于制作导电导热器材。紫铜有良好的可加工性，可经冷热塑性加工制成各种半成品和成品。但使用结果表明紫铜的耐腐蚀性和抗电弧烧蚀能力较差，导致发生器阳极很容易烧蚀，是目前大功率发生器阳极寿命较低的原因之一。CuCr合金是指以Cu为基体，加入Cr和其它微量稀土合金元素形成的一系列合金。该合金在室温及600℃以下具有较高的机械强度和硬度。具有良好的导电、导热能力，具有优良的耐磨性和减磨性能，并具有抗高温氧化、耐烧蚀和加工性能好等特性，广泛应用于要求高硬度、高强度、高导电和导热的零件中。目前主要应用于制备电阻焊电极、触头材料、集成电路引线框架、电车及电力火车架空导线、电动工具的转向器、电工插头等。由于稀土在铜合金中固溶度小，具有晶粒细化，净化杂质的特点，因而添加稀土是获得高强度导电铜合金的有效办法之一。铜铬合金中加稀土形成的CuCrRe材料具有比铜更好的导电性、腐蚀性能和抗电弧烧蚀性能。

阳极的寿命与阳极斑点对阳极内表面导流区域的烧蚀速率密切相关，对于阳极的局部烧蚀，会导致整个阳极的寿命缩短。虽然现有的等离子体发生器中可以通过调节气流来调节阳极的烧蚀范围，但由于气流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阳极的烧蚀位置，因此这种方法不能很好提升等离子体发生器的整体使用寿命。

在申请号为200910164214.1的专利申请中，是采用螺旋导电弹簧形成一个电磁压缩环,当螺旋导电弹簧通电后,产生磁场,起到压缩等离子电弧的作用, 但是，其缺乏稳燃腔、导流腔以及加速腔，提高阳极寿命有限。为此，新的抗烧蚀阳极的开发具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种多腔室等离子发生器阳极，其具有长寿命高稳定性的特点，用以解决现有等离子体发生装置使用寿命较短，输出功率不高的问题。

本发明的目的可通过如下技术措施来实现：一种多腔室等离子发生器阳极，其包括压缩腔，所述多腔室等离子发生器阳极还包括稳燃腔、导流腔和加速腔，所述压缩腔位于所述多腔室等离子发生器阳极的后端，并配置成将阴极产生的等离子进行压缩，所述稳燃腔连接于所述压缩腔，为抛物线形腔体，并配置成满足所述等离子扩张，所述导流腔连接于所述稳燃腔，并配置成传导电子和构成良好的导电通路，所述加速腔连接于所述导流腔，为上开口抛物线和下开口抛物线构成的双抛物线结构，所述上开口抛物线左侧曲线和所述下开口抛物线的左侧曲线共同构成所述加速腔的压缩段，并配置成压缩所述等离子，提高所述等离子的密度，所述上开口抛物线右侧曲线和所述下开口抛物线的右侧曲线共同构成所述加速腔的加速段，并配置成降低所述等离子从阳极前端喷口喷出的阻力，提高所述等离子的喷射速度。

优选的是，所述压缩腔的直径为20-60mm，长度为20-50mm，厚度为5-20mm。

优选的是，所述稳燃腔的腔体直径为20-100mm，长度为30-100mm，厚度为5-20mm。

优选的是，所述导流腔的直径为30-100mm，长度为30-100mm，厚度为5-20mm。

优选的是，所述加速腔的直径为20-100mm，长度为30-150mm,厚度为5-20mm。

优选的是，所述多腔室等离子发生器阳极的后端与所述阴极相连，所述多腔室等离子发生器阳极与该阴极间间隔0.5-3mm。

优选的是，所述多腔室等离子发生器阳极的制备材料为铜-铬-稀土复合材料。

优选的是，所述多腔室等离子发生器阳极还包括水冷却系统，该水冷却系统覆盖在所述压缩腔、所述稳燃腔、所述导流腔和所述加速腔的外壁上。

优选的是，所述多腔室等离子发生器阳极的外表面带有纳米晶氮化铬薄膜，这在现有技术中是很容易实现的。实验证明，带有纳米晶氮化铬薄膜的等离子发生器阳极不仅使用寿命大大提高，而且使用中振动小，稳定性好。

优选的是，所述多腔等离子发生器阳极材料内嵌有芯片，芯片上例如可以设有产品的档案信息，以便防止假冒。该芯片上载有的信息优选可以由一读取器读取。

技术人员不难看出，上述各优选方案的任意组合所构成的方案都是本发明的一部分。

本发明实施例提供的等离子体发生器阳极，采用不同直径及曲线的筒状结构，等离子体从阴极向阳极输运时，首先经过压缩腔对等离子体进行压缩，阻止等离子体的扩散；经过压缩的等离子体进入稳燃腔时，由于等离子体的自扩展特性，会使等离子体发生一定程度的扩散，由于高度压缩的等离子扩张时等离子弧温度很高，容易烧蚀阳极内表面。但由于本结构采用了先进的抛物线形设计，使抛物线与等离子体边界平行，使涡旋气流对等离子体进行了良好的压缩。同时等离子弧不会烧蚀到阳极的内表面。由于该设计使等离子稳定的向前传输，不会引起流场的畸变降低对等离子体的约束，使等离子体的燃烧更为稳定。经过稳燃腔后，等离子体继续向前运动到导流腔，这是因为阴阳极之间构成回路的需要，大量的电子需要从阳极内壁流回供电电源。在常规阳极设计中，由于阳极喷口较短，使导电平面和电弧扩展平面重合，电弧的高温会使阳极表面形成导电较差的绝缘层，绝缘层反过来又会降低阳极表面的导电效果，导致大量的电子需要从绝缘层之间很小的导电通路流过，使局部区域电流密度过大，形成了大电流的过热效应，严重烧损阳极表面。在本发明中，由于电弧的高温主要在稳燃腔产生，而导电主要在导流腔，两者不在同一区域，电弧的高温在导流腔不会产生，降低了导流腔阳极内表面绝缘层的产生，大幅度提高了内表面的导电能力，进一步提高了等离子体的稳定性和降低了烧蚀速率。当电流从导流腔进入双抛物线形的加速腔的压缩段后，由于内腔直径变小，主要压缩等离子体流，当等离子体流通过喷口后提高等离子体流的速度，而右侧加速腔的加速段结构主要是降低等离子体流喷射时的阻力，提高燃烧效果。

由于本发明对整个阳极结构进行了仿形的优化设计，使其更加适合于发生器的使用，充分利用了等离子体自适应的特点，不需要复杂的电磁线圈的稳弧装置，具有结构简单，控制容易，等离子体流场畸变小，离子弧长更长，输出电压更高，输出功率更大的特点。同时用于采用这种结构，还能够降低等离子体在阳极内部的导流区域电流密度，使得等离子弧在阳极内表面的烧蚀点分布更均匀，大幅提高了等离子体发生器阳极的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的多腔室等离子发生器阳极一优选实施例的结构图；

图2为本发明的多腔室等离子发生器阳极的一实施例中运行等离子火焰的照片；

图3为本发明的多腔室等离子发生器阳极的一实施例中等离子火焰滤光的照片。

具体实施方式

为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

如图1所示，图1为本发明的多腔室等离子发生器阳极的一优选实施例的结构图。该多腔室等离子发生器阳极由压缩腔L2、稳燃腔L3、导流腔L4、加速腔L5和水冷却系统L1。该压缩腔L2位于该阳极的后端，直径为20-60mm，长度为20-50mm，厚度为5-20mm，主要对阴极产生的等离子体进行压缩；稳燃腔L3连接于该压缩腔L2，为抛物线形腔体，其腔体直径为20-100mm，长度为30-100mm，厚度为5-20mm，主要是满足等离子扩张的要求，同时避免电弧对阳极内壁的烧蚀；导流腔L4连接于该稳燃腔L3，直径为30-100mm，长度为30-100mm，厚度为5-20mm，主要为了传导电子和构成良好的导电通路；加速腔L5连接于该导流腔L4，为上开口抛物线和下开口抛物线构成的双抛物线结构，上开口抛物线左侧曲线和下开口抛物线的左侧曲线共同构成加速腔L5的压缩段，压缩等离子，提高等离子体密度，上开口抛物线右侧曲线和下开口抛物线的右侧曲线共同构成加速腔L5的加速段，降低等离子从阳极前端喷口喷出的阻力，提高等离子喷射速度。也就是说，左侧内壁主要是为了压缩等离子体，提高等离子体密度，右侧抛物线结构主要是降低等离子从阳极前端喷口喷出的阻力，结构和左侧对称。加速腔L5的直径为20-100mm，长度为30-150mm，厚度为5-20mm。

水冷却系统L1覆盖在压缩腔L2、稳燃腔L3、导流腔L4、加速腔L5的外壁上，对压缩腔L2、稳燃腔L3、导流腔L4、加速腔L5进行冷却；本发明的多腔室等离子发生器阳极后端与阴极相连，两极之间间隔0.5-3mm；阴极产生的等离子体经压缩腔L2、稳燃腔L3、导流腔L4以及加速腔L5后高速喷出阳极前端喷口。阳极材料采用铜-铬-稀土（CuCrRE）材料制造。

不同于传统等离子体发生器的阳极所采用的先压缩然后扩散型喷嘴，本发明实施实例提供的等离子体发生器对阳极结构进行了大幅度的优化，根据等离子体的扩展特性设计了独特的多腔室阳极结构。改变了传统阳极导电区域和电弧燃烧区域重合导致烧蚀速率过快引起阳极寿命较短的缺点，使整个阳极由压缩腔L2、稳燃腔L3、导流腔L4、加速腔L5构成。当等离子体工作时经压缩腔L2压缩提高等离子体密度，稳燃腔L3主要是采用特殊的抛物线结构对等离子体的边界进行仿形，给等离子体的扩展提供了足够的空间，同时又能对气流形成的涡旋场进行良好的约束，使等离子流高度稳定的传输；采用的导流腔L4主要是为了克服阳极表面电弧烧蚀导致的绝缘氧化层的形成，提高导电效率。加速腔L5主要是再一次压缩等离子体，使其高速喷出阳极喷嘴。由于本发明阳极的结构充分考虑了抗电弧烧蚀材料优选、等离子压缩、输运、导流及加速的需求，解决了长期以来传统阳极放电稳定性差，阳极寿命短的缺点，大幅度提高国产阳极的寿命，提高了大功率阳极的国际市场竞争力。

图2为本发明的多腔室等离子发生器阳极的一实施例中运行等离子火焰的照片，从图2中可以发现，等离子体火焰较长，对锅炉点火效果较好；

图3为本发明的多腔室等离子发生器阳极的一实施例中等离子火焰滤光的照片，从图3中可以看出，等离子中心高温区域向喷嘴外延伸了较长距离，可以进一步提高等离子点火的能量。

在一具体实施例的等离子体发生器阳极中，阳极材料采用90%Cu和10%CrRe构成的CuCrRE。压缩腔直径为30mm，长度为40mm；稳燃腔腔体直径最大处为40mm，长度为60--80mm；导流腔直径为Φ40mm，长度为60-80mm；厚度为5-20mm。加速腔最小直径为Φ20-30，长度为50mm；阳极总长度为200--250mm。经500小时运行后，阳极表面基本完好，内表面烧蚀深度小于1mm，预计使用寿命在1000小时以上。

在另一具体实施例的等离子体发生器阳极中，阳极材料采用80%Cu和20%CrRe构成的CuCrRE。压缩腔直径为Φ30mm，长度为50mm；稳燃腔腔体直径最大处为Φ50mm，长度为60--90mm，厚度为5-20mm；导流腔直径为Φ50--60mm，长度为90mm；加速腔最小直径为Φ30mm，长度为50mm，厚度为5-20mm；阳极总长度为200-280mm。经600小时运行后，阳极表面基本完好，内表面烧蚀深度小于1mm，预计使用寿命在1000小时以上。

在本发明一具体实施例的等离子体发生器阳极中，阳极材料采用70%Cu和30%CrRe构成的CuCrRE。压缩腔直径为40mm，长度为50mm；稳燃腔腔体直径最大处为60mm，长度为100mm；导流腔直径为Φ60mm，长度为100mm，厚度为18mm；加速腔最小直径为Φ40，长度为50mm；阳极总长度为300mm。经400小时运行后，阳极表面基本完好，内表面烧蚀深度小于1mm，预计使用寿命在1200小时以上。

在另一具体实施例的等离子体发生器阳极中，阳极材料采用60%Cu和40%CrRe构成的CuCrRE。压缩腔直径为Φ50mm，长度为60mm；稳燃腔腔体直径最大处为70mm，长度为100mm；导流腔直径为Φ70mm，长度为100mm加速腔最小直径为Φ50，长度为50mm；阳极总长度为310mm。经500小时运行后，阳极表面基本完好，内表面烧蚀深度小于1mm，预计使用寿命在1400小时以上。

在本发明的一具体实施例等离子体发生器阳极中，阳极材料采用50%Cu和50%CrRe构成的CuCrRE。压缩腔直径为Φ60mm，长度为60mm；稳燃腔腔体直径最大处为80mm，长度为150mm；导流腔直径为Φ80mm，长度为150mm；加速腔最小直径为Φ70，长度为50mm；阳极总长度为410mm。经600小时运行后，阳极表面基本完好，内表面烧蚀深度小于1mm，预计使用寿命在1500小时以上。

在本发明的另一具体实施例的等离子体发生器阳极中，阳极材料采用50%Cu和50%CrRe构成的CuCrRE。压缩腔直径为Φ60mm，长度为60mm；稳燃腔腔体直径最大处为80mm，长度为200mm；导流腔直径为Φ80mm，长度为200mm；加速腔最小直径为Φ70，长度为50mm；阳极总长度为510mm。经600小时运行后，阳极表面基本完好，内表面烧蚀深度小于1mm，预计使用寿命在1800小时以上。

本发明实施例提供的等离子体发生器阳极，内部为变直径圆筒形腔体。阴极产生的等离子体经阳极后端的压缩腔提高等离子体密度后进入弧形稳燃腔，经稳燃后的等离子体进入导流腔，维持阴极和阳极放电的电子经导流腔与阴极构成回路，维持阴阳极电弧放电；等离子体经导流腔进入加速腔后，由于腔体直径变小，流速增加，使最后喷出阳极前端的等离子体速度加快，可以形成更长的等离子焰流高速喷到大气中，提高燃烧效果。也就是说，本发明提供的等离子体发生器阳极，结构设计上根据等离子体的扩展特性设计了独特的多腔室阳极结构。改变了传统阳极导电区域和电弧燃烧区域重合导致烧蚀速率过快引起阳极寿命较短的缺点，使整个阳极由压缩腔、稳燃腔、导流腔、加速腔构成。充分考虑了抗电弧烧蚀材料优选、等离子压缩、输运、导流及加速的需求，还能够降低等离子体在阳极内部的电流密度，使得等离子弧在阳极表面的烧蚀点分布更均匀，解决了长期以来传统阳极放电稳定性差，阳极寿命短的缺点，大幅度提高国产阳极的寿命，使MW级大功率等离子发生器的开发成为可能。

更近一步地，本发明实施例提供的等离子体发生器阳极，材料上采用了更为先进的铜-铬-稀土复合材料，充分利用稀土的细化晶粒和铬的抗高温性能好的特点，大幅度改善了常规铜阳极耐氧化性能差，抗电弧烧蚀能力低的缺点。使阳极寿命从现在小于200小时提高到最高2000小时左右，为大功率等离子体发生装置的开发奠定了基础。

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。

本领域技术人员在阅读了本说明书后不难理解，本发明的多腔室等离子发生器阳极由现有技术结合而构成，这些现有技术虽然并没有事无巨细地全部一一描述，但在阅读了本说明书后本领域技术人员会知其所云。本说明书中描述了上述现有技术的结合而构成本发明的各个方案，本领域技术人员可以理解，这些方案的各种结合，以及构成这些方案的各个部分和/或特征的结合都属于本发明的方案的范畴。本领域技术人员显然可以理解的是，将上述现有技术结合起来构成本发明，这需要大量创造性劳动付出，是多年理论研究和大量实验的结晶。

Claims (8)

1.多腔室等离子发生器阳极，其包括压缩腔，其特征在于，所述多腔室等离子发生器阳极还包括稳燃腔、导流腔和加速腔，所述压缩腔位于所述多腔室等离子发生器阳极的后端，并配置成将阴极产生的等离子进行压缩，所述稳燃腔连接于所述压缩腔，为抛物线形腔体，并配置成满足所述等离子扩张，所述导流腔连接于所述稳燃腔，并配置成传导电子和构成良好的导电通路，所述加速腔连接于所述导流腔，为上开口抛物线和下开口抛物线构成的双抛物线结构，所述上开口抛物线左侧曲线和所述下开口抛物线的左侧曲线共同构成所述加速腔的压缩段，并配置成压缩所述等离子，提高所述等离子的密度，所述上开口抛物线右侧曲线和所述下开口抛物线的右侧曲线共同构成所述加速腔的加速段，并配置成降低所述等离子从阳极前端喷口喷出的阻力，提高所述等离子的喷射速度。

2.根据权利要求1所述的等离子发生器阳极，其特征在于，所述压缩腔的直径为20-60mm，长度为20-50mm，厚度为5-20mm。

3.根据权利要求1所述的等离子发生器阳极，其特征在于，所述稳燃腔的腔体直径为20-100mm，长度为30-100mm，厚度为5-20mm。

4.根据权利要求1所述的等离子发生器阳极，其特征在于，所述导流腔的直径为30-100mm，长度为30-100mm，厚度为5-20mm。

5.根据权利要求1所述的等离子发生器阳极，其特征在于，所述加速腔的直径为20-100mm，长度为30-150mm,厚度为5-20mm。

6.根据权利要求1所述的等离子发生器阳极，其特征在于，所述多腔室等离子发生器阳极的后端与所述阴极相连，所述多腔室等离子发生器阳极与该阴极间间隔0.5-3mm。

7.根据权利要求1所述的等离子发生器阳极，其特征在于，所述多腔室等离子发生器阳极的制备材料为铜-铬-稀土复合材料。

8.根据权利要求1所述的等离子发生器阳极，其特征在于，所述多腔室等离子发生器阳极还包括水冷却系统，该水冷却系统覆盖在所述压缩腔、所述稳燃腔、所述导流腔和所述加速腔的外壁上。

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