CN103929872B - 一种具有冷却肋环的回转体阴极 - Google Patents

Abstract

一种具有冷却肋环的回转体阴极，涉及到一种等离子体喷枪的阴极。回转体阴极的轴向中心有前后贯通的圆柱形孔道，圆柱形孔道的前端内壁构成内环放电面，回转体阴极前端的外壁构成嵌入面a，回转体阴极后端的外壁构成嵌入面b，嵌入面a与嵌入面b之间的回转体外壁上有凸起的冷却肋环；回转体阴极以嵌入方式安装在阴极基座中，阴极基座内壁与回转体阴极外壁之间的空间构成冷却水套，阴极基座的前端壁体上有嵌入口a，回转体阴极的嵌入面a紧密嵌入在阴极基座前端壁体上的嵌入口a中，阴极基座的后部壁体上有嵌入口b，回转体阴极的嵌入面b紧密嵌入在阴极基座后部壁体上的嵌入口b中。本发明在等离子体加热喷枪中应用，克服了阴极易烧蚀的缺点。

Description

一种具有冷却肋环的回转体阴极

技术领域

本发明涉及等离子设备，特别是涉及到一种等离子体喷枪的阴极。

背景技术

当前，等离子技术已得到广泛的应用，工业上应用于等离子点火、等离子喷涂、金属冶炼、等离子加热制造纳米材料、切割、垃圾焚烧和废物处理等。等离子体是在电离层或放电现象下所形成的一种状态，在等离子体发生器中，放电作用使得气体分子失去外层电子而形成离子状态，经相互碰撞而产生高温，因此，等离子体火炬的中心温度可高达摄氏数万度以上，火炬边缘温度也可达到数千度以上，被处理的物质受到高温等离子体冲击时，其分子将会分解、原子将会重新组合而生成新的物质。

不同的应用场合对等离子设备的要求不同，当用于处理化工生产所排放有害废气或用于热解水制氢时，需要被加热介质具有较强的活性及在等离子喷枪内有足够的逗留时间，因此，对等离子体设备的设计提出了不同的要求。现有的等离子设备不能满足有害废气处理或热解水制氢的使用要求，并且，电极容易被烧蚀，使用寿命不长。

发明内容

本发明的目的是克服现有等离子体设备电极易烧蚀、使用寿命不长的缺点，提供一种具有冷却肋环的回转体阴极，用于热解水制氢或用于处理有害物质的等离子体设备中，使等离子设备满足有害废气处理或热解水制氢的使用要求，实现清洁燃烧，保护生态环境。

本发明的一种具有冷却肋环的回转体阴极，其特征是回转体阴极为等离子体喷枪的部件之一，回转体阴极安装在等离子体喷枪后部的阴极基座中，其中，回转体阴极（3）的轴向中心有前后贯通的圆柱形孔道，圆柱形孔道的前端内壁构成内环放电面（303），回转体阴极（3）前端的外壁构成嵌入面a（302），回转体阴极（3）后端的外壁构成嵌入面b（304），嵌入面a（302）与嵌入面b（304）之间的回转体外壁上有凸起的环圈，回转体外壁上的凸起环圈构成冷却肋环（301）；回转体阴极（3）以嵌入方式安装在阴极基座（2）中，阴极基座（2）的内壁与回转体阴极（3）的外壁之间有空间，阴极基座（2）内壁与回转体阴极（3）外壁之间的空间构成冷却水套（Ⅰ），冷却水套（Ⅰ）有冷却进水接口（205）接入和冷却出水接口（202）接出，阴极基座（2）的前端壁体上有嵌入口a（203），回转体阴极（3）的嵌入面a（302）紧密嵌入在阴极基座（2）前端壁体上的嵌入口a（203）中，阴极基座（2）的后部壁体上有嵌入口b（206），回转体阴极（3）的嵌入面b（304）紧密嵌入在阴极基座（2）后部壁体上的嵌入口b（206）中。

本发明中，回转体阴极（3）外壁上的冷却肋环（301）为一环以上，多环的冷却肋环均匀分布在回转体阴极（3）的外壁上；阴极基座（2）的后端有转接件（1）接入，转接件（1）的前端有向前伸出的旋流器（101），旋流器（101）呈矩形螺纹或梯形螺纹结构，旋流器（101）伸入到回转体阴极（3）的圆柱形孔道中，旋流器（101）的螺距空间构成螺旋通道，转接件（1）的体中有空腔，转接件体中的空腔构成气室（Ⅸ），气室（Ⅸ）的壁体上有通孔（102），转接件（1）的后端有加热介质输入接口（201），加热介质输入接口（201）连通到气室（Ⅸ），气室（Ⅸ）经过通孔（102）和旋流器（101）上的螺旋通道连通到回转体阴极（3）的圆柱形孔道中。

本发明在等离子体加热喷枪中应用，所述的等离子体加热喷枪包括阴极、阴极基座、阳极和绝缘架，其中，本发明的回转体阴极安装在阴极基座之中，阴极基座连接在绝缘架的后端上，阳极嵌入在绝缘架之中，阳极由前向后呈渐缩的喇叭形结构，阳极的后部中心有圆柱形的喉口，圆柱形的喉口构成压缩通道，阳极的喇叭形结构的内壁构成阳极的放电面，阳极的喇叭形结构的内空间构成离子弧通道，阳极外壁与绝缘架内壁之间的空间构成阳极的冷却水套，阳极的冷却水套有冷却水进口接入和冷却水出口接出，在绝缘架的后部有环形的工作气室，工作气室有工作气接口接入，在阳极的后端与回转体阴极的前端之间有工作气的气流通道，回转体阴极的内环放电面与阳极喇叭形内壁的放电面之间的空间构成放电区。

上述发明中的各回路工作流程是：一路冷却水从冷却进水接口（205）进入到阴极的冷却水套（Ⅰ）中，进行冲刷回转体阴极（3）的外壁及冷却肋环（301），把热量快速移走，然后，冷却水从冷却出水接口（202）流出，返回到冷却系统中；另一路冷却水从冷却水进口（602）进入到阳极的冷却水套（Ⅳ）中，进行冲刷阳极（4）的外壁，使阳极（4）得到冷却，然后，冷却水从冷却水出口（601）流出，返回到冷却系统中；工作气从工作气接口进入到工作气室（Ⅷ）中，再通过气流通道（Ⅱ）进入到回转体阴极内环与阳极喇叭形内壁之间的放电区，形成等离子体电弧，然后从火炬出口（Ⅵ）喷出；气态的加热介质从输入接口（103）进入到气室（Ⅸ）中，然后经过通孔（102）和旋流器（101）的螺旋通道以旋转方式进入到回转体阴极（3）中心的加热通道（Ⅶ）中，被高温的等离子体电弧所加热，再通过压缩通道（Ⅲ）进一步升温，进行活化、分解或生成新的物质，然后依次通过离子弧通道（Ⅴ）、火炬出口（Ⅵ）喷出。所述的工作气包括空气、氮气和氢气其中的一种，所述的加热介质包括水蒸汽和工业有害气体其中的一种，当加热介质为水蒸汽时，工作气选用氢气。

在等离子设备中，阴极的作用是发射电子，等离子电弧的弧根温度很高，极易使阴极烧蚀。本发明把等离子体加热喷枪的阴极设计为具有冷却肋环的回转体结构，多环的冷却肋环均匀分布在回转体阴极（3）的外壁上，因阴极基座（2）内壁与回转体阴极（3）外壁之间的空间构成冷却水套（Ⅰ），因此，多环的冷却肋环置于冷却水套（Ⅰ）中，冷却水直接冲刷回转体阴极（3）的外壁及多环的冷却肋环，使得回转体阴极（3）的受冷面积增大，回转体阴极（3）得到快速散热，避免或减缓被烧蚀；回转体阴极（3）的轴向中心的圆柱形孔道前端内壁构成内环放电面（303），使得放电的面积增大，等离子体电弧的弧根分散在内环放电面（303）上，避免局部温度过高而烧蚀阴极；在等离子体加热喷枪工作时，回转体阴极（3）的轴向中心的圆柱形孔道按工况自然构成加热通道（Ⅶ），加热介质在回转体阴极（3）的圆柱形孔道构成加热通道（Ⅶ）中受热更集中，因此，对介质的加热效果更好。

上述的发明把气态的加热介质通过旋流器（101）以旋转方式进入到加热通道（Ⅶ）中，旋转气流使得等离子体电弧的弧根更容易分散在回转体阴极（3）的内环放电面上，同时，旋转气流使得介质受热更均匀。

本发明的有益效果是：提供的一种具有冷却肋环的回转体阴极，在等离子体加热喷枪中应用，克服了现有等离子体喷枪阴极易烧蚀、使用寿命不长的缺点，使等离子体喷枪能满足有害废气处理或热解水制氢的使用要求，实现清洁燃烧，保护生态环境。

附图说明

图1是本发明的一种具有冷却肋环的回转体阴极结构图。

图2是本发明的回转体阴极与基座组合的示意图。

图3是本发明的回转体阴极应用于等离子体喷枪的示意图。

图中：1.转接件，101.旋流器，102.通孔，103.加热介质输入接口，2.阴极基座，201.转接件的连接口，202.冷却出水接口，203.嵌入口a，204.阴极基座的安装孔，205.冷却进水接口，206.嵌入口b，3.回转体阴极，301.冷却肋环，302.嵌入面a，303.内环放电面，304.嵌入面b，4.阳极，5.绝缘架，6.前端头，601.冷却水出口，602.冷却水进口，7.磁压缩线圈，Ⅰ.阴极的冷却水套，Ⅱ.工作气的气流通道，Ⅲ.压缩通道，Ⅳ.阳极的冷却水套，Ⅴ.离子弧通道，Ⅵ.火炬出口，Ⅶ.加热通道，Ⅷ.工作气室，Ⅸ.加热介质的气室。

具体实施方式

实施例1图1所示的实施方式中，回转体阴极（3）的轴向中心有前后贯通的圆柱形孔道，圆柱形孔道的前端内壁构成内环放电面（303），回转体阴极（3）前端的外壁构成嵌入面a（302），回转体阴极（3）后端的外壁构成嵌入面b（304），嵌入面a（302）与嵌入面b（304）之间的回转体外壁上有凸起的环圈，回转体外壁上的凸起环圈构成冷却肋环（301），冷却肋环（301）为四环。本实施例的回转体阴极（3）作为等离子体喷枪的部件之一，安装在等离子体喷枪后部的阴极基座中应用。

实施例2图2所示的实施方式中，回转体阴极（3）以嵌入方式安装在阴极基座（2）中，阴极基座（2）的内壁与回转体阴极（3）的外壁之间有空间，阴极基座（2）内壁与回转体阴极（3）外壁之间的空间构成冷却水套（Ⅰ），冷却水套（Ⅰ）有冷却进水接口（205）接入和冷却出水接口（202）接出，阴极基座（2）的前端壁体上有嵌入口a（203），回转体阴极（3）的嵌入面a（302）紧密嵌入在阴极基座（2）前端壁体上的嵌入口a（203）中，阴极基座（2）的后部壁体上有嵌入口b（206），回转体阴极（3）的嵌入面b（304）紧密嵌入在阴极基座（2）后部壁体上的嵌入口b（206）中；在阴极基座（2）的后端中心有转接件的连接口（201）。

实施例3图3所示的实施方式中，一种具有冷却肋环的回转体阴极在等离子体加热喷枪中应用，等离子体加热喷枪包括回转体阴极（3）、阴极基座（2）、转接件（1）、绝缘架（5）、阳极（4）、前端头（6）和磁压缩线圈（7），其中，回转体阴极（3）和阴极基座（2）的结构与第一实施例和第二实施例所述的相同，不再赘述。转接件（1）安装在阴极基座（2）后端的连接口（201）上，转接件（1）的前端有向前伸出的旋流器（101），旋流器（101）呈矩形螺纹或梯形螺纹结构，旋流器（101）伸入到回转体阴极（3）的圆柱形孔道中，旋流器（101）的螺距空间构成螺旋通道，转接件（1）的体中有空腔，转接件体中的空腔构成气室（Ⅸ），气室（Ⅸ）的壁体上有通孔（102），转接件（1）的后端有加热介质输入接口（201），加热介质输入接口（201）连通到气室（Ⅸ），气室（Ⅸ）经过通孔（102）和旋流器（101）上的螺旋通道连通到回转体阴极（3）的圆柱形孔道中，回转体阴极（3）的圆柱形孔道构成加热通道（Ⅶ）；阴极基座（2）连接在绝缘架（5）的后端上；前端头（6）连接在绝缘架（5）的前端上，在前端头（6）上有冷却水进口（602）接入和冷却水出口（601）接出；阳极（4）的前端嵌入到前端头（6）之中，阳极（4）的后端嵌入在绝缘架（5）之中；阳极（4）呈由前向后渐缩的喇叭形结构，阳极（4）的后部中心有圆柱形的喉口，圆柱形的喉口构成压缩通道（Ⅲ），阳极（4）的喇叭形结构的内壁构成阳极的放电面，阳极（4）的喇叭形结构的内空间构成离子弧通道（Ⅴ）；阳极（4）的外壁与绝缘架（5）的内壁之间的空间构成阳极的冷却水套（Ⅳ），阳极的冷却水套（Ⅳ）连通到冷却水进口（602）和冷却水出口（601）；在绝缘架（5）的后部有环形的工作气室（Ⅷ），工作气室（Ⅷ）有工作气接口接入，在阳极（4）的后端与回转体阴极（3）的前端之间有工作气的气流通道（Ⅱ）；回转体阴极（3）的内环放电面（303）与阳极（4）的喇叭形内壁放电面之间的空间构成放电区。本实施例在工作时，一路冷却水从冷却进水接口（205）进入到阴极的冷却水套（Ⅰ）中，进行冲刷回转体阴极（3）的外壁及冷却肋环（301），把热量快速移走，然后，冷却水从冷却出水接口（202）流出，返回到冷却系统中；另一路冷却水从冷却水进口（602）进入到阳极的冷却水套（Ⅳ）中，进行冲刷阳极（4）的外壁，使阳极（4）得到冷却，然后，冷却水从冷却水出口（601）流出，返回到冷却系统中；把工作气从工作气接口输入到工作气室（Ⅷ）中，工作气通过气流通道（Ⅱ）进入到回转体阴极内环与阳极喇叭形内壁之间的放电区，在回转体阴极（3）与阳极（4）之间施加工作电压和引弧电压，使放电区形成等离子体电弧，然后从火炬出口（Ⅵ）喷出；同时，把气态的加热介质从输入接口（103）输入到气室（Ⅸ）中，加热介质经过通孔（102）和旋流器（101）的螺旋通道以旋转方式进入到回转体阴极（3）中心的加热通道（Ⅶ）中，被高温的等离子体电弧所加热，再通过压缩通道（Ⅲ）进一步升温，进行活化、分解或生成新的物质，然后依次通过离子弧通道（Ⅴ）、火炬出口（Ⅵ）喷出。本实施例中的工作气为空气、氮气和氢气其中的一种，加热介质为水蒸汽和工业有害气体其中的一种。当加热介质为水蒸汽时，工作气选用氢气。把本实施例的喷枪作为热解水制氢设备应用时，在常压条件下容易实现把水加热到分解的最佳温度3400～3500K，与煤气化联产造气或用来处置生活垃圾，实现清洁燃烧，保护生态环境。

上述的实施例中，回转体阴极（3）和阳极（4）选用紫铜材料制作，绝缘架（5）选用胶木材料或聚四氟乙烯材料制作，其余部件选用不锈钢材料制作。

Claims (3)

1.一种具有冷却肋环的回转体阴极，为等离子体喷枪的部件之一，回转体阴极安装在等离子体喷枪后部的阴极基座中，阴极基座（2）的内壁与回转体阴极（3）的外壁之间有空间，阴极基座（2）内壁与回转体阴极（3）外壁之间的空间构成冷却水套（Ⅰ），冷却水套（Ⅰ）有冷却进水接口（205）接入和冷却出水接口（202）接出，回转体阴极（3）的轴向中心有前后贯通的圆柱形孔道，圆柱形孔道的前端内壁构成内环放电面（303），其特征是阴极基座（2）的后端有转接件（1）接入，转接件（1）的体中有空腔，转接体中的空腔构成气室（Ⅸ），气室（Ⅸ）的壁体上有通孔（102），转接件（1）的后端有加热介质输入接口（201），加热介质输入接口（201）连通到气室（Ⅸ），气室（Ⅸ）经过通孔（102）和旋流器（101）上的螺旋通道连通到回转体阴极（3）的圆柱形孔道中；回转体阴极（3）前端的外壁构成嵌入面a（302），回转体阴极（3）后端的外壁构成嵌入面b（304），嵌入面a（302）与嵌入面b（304）之间的回转体外壁上有凸起的环圈，回转体外壁上的凸起环圈构成冷却肋环（301）；回转体阴极（3）以嵌入方式安装在阴极基座（2）中，阴极基座（2）的前端壁体上有嵌入口a（203），回转体阴极（3）的嵌入面a（302）紧密嵌入在阴极基座（2）前端壁体上的嵌入口a（203）中，阴极基座（2）的后部壁体上有嵌入口b（206），回转体阴极（3）的嵌入面b（304）紧密嵌入在阴极基座（2）后部壁体上的嵌入口b（206）中。

2.根据权利要求1所述的一种具有冷却肋环的回转体阴极，其特征是回转体阴极（3）外壁上的冷却肋环（301）为一环以上，多环的冷却肋环均匀分布在回转体阴极（3）的外壁上。

3.根据权利要求1所述的一种具有冷却肋环的回转体阴极，其特征是转接件（1）的前端有向前伸出的旋流器（101），旋流器（101）呈矩形螺纹或梯形螺纹结构，旋流器（101）伸入到回转体阴极（3）的圆柱形孔道中，旋流器（101）的螺距空间构成螺旋通道。