CN104333967A - 具有螺旋导流结构的阴极 - Google Patents
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Abstract
一种具有螺旋导流结构的阴极，涉及到一种等离子体喷枪的导流结构，其特征是阴极由阴极头和阴极套组成，阴极套为空心圆棒体结构，在阴极套的圆棒体上有螺旋导流凸体，螺旋导流凸体中的空间构成螺旋气流形成通道，阴极套的内空间构成冷却腔，阴极头嵌入到阴极套前部的圆棒体中，阴极头的前端从阴极套中伸出，阴极头的后端有冷却尾突，冷却尾突伸入到冷却腔中；阴极套的前端为由后向前收缩的圆锥形结构；阴极套的后端有内螺纹接口；阴极头的前端为圆弧形结构。本发明用于等离子体喷枪中，在工作时形成螺旋保护气流，气流中心不会产生真空或负压，使保护气流能全面覆盖阴极头端，结合冷却保护措施，使阴极不易被烧蚀，以延长等离子体喷枪的使用周期。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体设备，特别是涉及到一种等离子体喷枪的导流结构。
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、垃圾焚烧废物处理等。等离子体的处理方式和一般的方式大不一样，等离子体是在电离层或放电现象下所形成的一种状态，伴随着放电现象将会生成了激发原子、激发分子、离解原子、游离原子团、原子或分子离子群的活性化学物以及它们与其它的化学物碰撞而引起的反应。在等离子体发生器中，放电作用使得工作气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，温度可达几万度以上。
等离子热解水制氢技术是最近几年提出来的水制氢候选技术之一，因为水是一种相当稳定的物质，在常压条件下，温度在2000K时水分子几乎不分解，2500K时有25%的水发生分解，3400～3500K时氢气和氧气的摩尔分数达到最大，分别为18%和6%，当温度达到4200K以上时，水分子将全部分解为氢气、氢、氧气、氧和氢氧原子团，一般的加热方式难以达到这么高的温度，而使用等离子体喷枪则能做到；应用等离子体喷枪处理危险有害的废弃物和生活垃圾，使气化炉不需输入空气或氧气，使生活垃圾转化的合成气品质好，达到化工原料的要求，合成气再通过后级设备生产甲醇或二甲醚产品，实现资源化和无污染处理生活垃圾；在煤气化生产线上如利用等离子体喷枪把水蒸汽加热分解后再喷入气化炉内，与煤炭进行化学反应，所发生的反应是放热反应，使气化炉不需输入空气或氧气助燃，生产的合成气中氢气的分数比例高，废气的含量低，实现节能减排。
等离子体喷枪的阴极是发射电子的部件，由于承受电流的冲击和数万度的高温烧灼，因此，阴极的头部很容易被烧蚀而致损坏，不仅影响生产，而且增加生产成本。
发明内容
本发明的目的是要克服现有等离子体喷枪的阴极容易被烧蚀的缺点，提供一种具有螺旋导流结构的阴极，用于等离子体喷枪中，在工作时形成螺旋保护气流，结合冷却结构对阴极进行保护，使阴极不易被烧蚀，以延长等离子体喷枪的使用周期，提高生产效率及节约生产成本。
本发明的具有螺旋导流结构的阴极，其特征是阴极（3）由阴极头（3-3）和阴极套（3-6）组成，阴极套（3-6）为空心圆棒体结构，在阴极套（3-6）的圆棒体上有螺旋导流凸体（3-1），螺旋导流凸体（3-1）中的空间构成螺旋气流形成通道（Ⅴ），阴极套（3-6）的内空间构成冷却腔（Ⅵ），阴极头（3-3）嵌入到阴极套（3-6）前部的圆棒体中，阴极头（3-3）的前端从阴极套（3-6）中伸出，阴极头（3-3）的后端有冷却尾突（3-5），冷却尾突（3-5）为圆锥体结构，冷却尾突（3-5）伸入到冷却腔（Ⅵ）中。本发明中，阴极套（3-6）的前端为由后向前收缩的圆锥形结构；阴极套（3-6）的后端有内螺纹接口（3-7）；阴极头（3-3）在嵌入到阴极套（3-6）中的部位上有环形凹槽（3-4），环形凹槽（3-4）中有阴极套（3-6）的壁体填入；阴极头（3-3）的前端为圆弧形结构。
本发明的阴极（3）作为等离子体喷枪的主要部件之一，等离子体喷枪主要由绝缘枪架（2）、后座（1）、阴极（3）、阳极套（5）和阳极（4）组成，其中，绝缘枪架（2）为中空回转体结构，绝缘枪架（2）的前部体内有前安装槽（2-3），绝缘枪架（2）中部的内空间中有气室（Ⅶ），在绝缘枪架（2）上有保护气输入接口（2-2），保护气输入接口（2-2）直接连通到气室（Ⅶ），在气室（Ⅶ）与前安装槽（2-3）之间有直通孔道（2-4），直通孔道（2-4）的内径与阴极套（3-6）上的螺旋导流凸体（3-1）外径相同，在绝缘枪架（2）的后部有后安装槽（2-1）；后座（1）为中空回转体结构，后座（1）的回转体外壁上有与绝缘枪架（2）上后安装槽（2-1）旋合的安装螺口（1-1）；后座（1）的回转体前端有与阴极套（3-6）后端的内螺纹接口（3-7）旋合的外螺纹接头（1-2），在后座（1）的回转体结构上有冷却水输入接口（1-4）和冷却水输出接口（1-5），在后座（1）的回转体结构内有冷却导流管（1-3）；阳极套（5）为圆筒体结构，阳极套（5）后部的壁体外侧有安装螺纹（5-4），阳极套（5）的前端有榫座（5-2）；阳极（4）为由后部向前逐渐扩张的圆锥形喷管结构，阳极（4）的后端为由后向前收窄的喇叭口结构，阳极（4）后端的喇叭口结构与圆锥形喷管结构之间有贯通的圆形孔道，阳极（4）的圆锥形喷管前端有榫头（4-1），阳极（4）以嵌入方式安装在阳极套（5）内，阳极（4）外壁与阳极套（5）内壁之间的空间构成冷却水套（Ⅳ）；冷却水套（Ⅳ）有冷却剂进口（5-3）接入和冷却剂出口（5-1）接出，冷却剂进口（5-3）设置在阳极套（5）下方的壁体上，冷却剂出口（5-1）设置在阳极套（5）上方的壁体上；阳极套（5）携阳极（4）安装在绝缘枪架（2）的前安装槽（2-3），后座（1）安装在绝缘枪架（2）的后安装槽（2-1）中，阴极（3）安装在后座（1）的回转体结构前端，阴极套（3-6）的螺旋导流凸体（3-1）段位于绝缘枪架（2）内的直通孔道（2-4）中，阴极头（3-3）的圆弧形前端伸入到阳极（4）后端的喇叭口空间中；后座（1）上的冷却导流管（1-3）伸入到阴极（3）内的冷却腔（Ⅵ）中，冷却导流管（1-3）的出水口在冷却尾突（3-5）的周边；冷却导流管（1-3）的内空间构成冷却供水通道（Ⅷ），冷却导流管（1-3）的外壁与后座（1）壁体之间的空间构成冷却回水通道（Ⅸ），冷却水输入接口（1-4）连通到冷却供水通道（Ⅷ），冷却供水通道（Ⅷ）通过冷却腔（Ⅵ）连通到冷却回水通道（Ⅸ），冷却回水通道（Ⅸ）连通到冷却水输出接口（1-5）；阳极（4）后端的喇叭口空间构成放电区（Ⅰ），阳极（4）后端的喇叭口结构与圆锥形喷管结构之间的圆形孔道构成压缩孔道（Ⅱ），阳极（4）的圆锥形喷管结构内空间构成喷射腔（Ⅲ）；绝缘枪架（2）内的气室（Ⅵ）连通到阴极套（3-6）上螺旋导流凸体（3-1）中的螺旋气流形成通道（Ⅴ），螺旋气流形成通道（Ⅴ）连通到放电区（Ⅰ），放电区（Ⅰ）通过压缩孔道（Ⅱ）连通到喷射腔（Ⅲ）。
上述的发明应用时，把工作气或被加热的气体同时作为保护气体利用。工作时，一路冷却水通过冷却水输入接口（1-4）进入到冷却导流管（1-3）内的冷却供水通道（Ⅷ）中，经冷却导流管（1-3）前端的出水口对阴极头（3-3）后端的冷却尾突（3-5）进行冲刷冷却，冷却水吸收了阴极头的热量后，再经冷却腔（Ⅵ）进入到冷却回水通道（Ⅸ），然后由冷却水输出接口（1-5）返回到冷却系统的回路中；另一路冷却水通过冷却剂进口（5-3）进入到冷却水套（Ⅳ）中，吸收阳极（4）的热量后，再由冷却剂出口（5-1）返回到冷却系统的回路中；工作气或被加热的气体由保护气输入接口（2-2）进入到气室（Ⅶ）中，然后由螺旋气流形成通道（Ⅴ）以螺旋方式进入到放电区（Ⅰ），再通过压缩孔道（Ⅱ）和喷射腔（Ⅲ）从喷枪中喷出；后座（1）作为阴极（3）的电气连接件，阳极套（5）作为阳极（4）的电气连接件，在阴极（3）与阳极（4）之间施加电能，在阴极头（3-3）的前端形成圆弧放电面（3-2），同时在阳极（4）的喷管内壁形成圆锥放电面（4-2），在圆弧放电面（3-2）与圆锥放电面（4-2）之间产生等离子体电弧，等离子体电弧由喷射腔（Ⅲ）的出口喷出，形成等离子体火炬。上述过程中，被加热的水蒸汽在放电区（Ⅰ）内被电离，成为离子弧，离子弧与阴极头（3-3）的圆弧放电面（3-2）发射的电子混合，通过压缩孔道（Ⅱ）进入到喷射腔（Ⅲ），在经过压缩孔道（Ⅱ）时，被进一步加热分解，成为目标产物。
等离子体喷枪的阴极头部需承受电流冲击及数万度的高温烧灼，因此，必需对阴极的头部采取有效的冷却措施和气体保护才能增加阴极的使用寿命。现有的等离子体喷枪中，有的保护气体以切线方式进入等离子体喷枪中，以产生旋转气流，这类旋转气流具有离心力，在气流中心会产生真空或负压，使保护气流不能覆盖阴极的头端。本发明具有螺旋导流结构设置在阴极套（3-6）的圆棒体上，螺旋导流凸体（3-1）中的空间构成螺旋气流形成通道（Ⅴ），在工作气或被加热气体通过螺旋气流形成通道（Ⅴ）时形成螺旋保护气流，气流中心不会产生真空或负压，使保护气流能全面覆盖阴极头端，实现对阴极进行有效的气体保护，结合冷却保护措施，使阴极不易被烧蚀。
本发明的有益效果是：提供的一种具有螺旋导流结构的阴极，用于等离子体喷枪中，在工作时形成螺旋保护气流，气流中心不会产生真空或负压，使保护气流能全面覆盖阴极头端，克服了现有技术中的保护气体以切线方式进入产生旋转气流的缺点。本发明实现对阴极进行有效的气体保护，结合冷却保护措施，使阴极不易被烧蚀，以延长等离子体喷枪的使用周期，提高生产效率及节约生产成本。
附图说明
图1是本发明的具有螺旋导流结构的阴极结构图。
图2是本发明的应用示意图。
图中：1.后座，1-1.后座的安装螺口，1-2.后座上的外螺纹接头，1-3.冷却导流管，1-4.冷却水输入接口，1-5.冷却水输出接口，2.绝缘枪架，2-1.绝缘枪架的后安装槽，2-2.保护气输入接口，2-3.绝缘枪架的前安装槽，2-4.绝缘枪架中的直通孔道，3.阴极，3-1.螺旋导流凸体，3-2.阴极的圆弧放电面，3-3.阴极头，3-4. 环形凹槽，3-5.冷却尾突，3-6.阴极套，3-7.内螺纹接口，4.阳极，4-1.阳极前端的榫头，4-2.圆锥放电面，5.阳极套，5-1.冷却剂出口，5-2.榫座，5-3.冷却剂进口，5-4.阳极套的安装螺纹，6.密封圈，7.密封环，8.密封垫；Ⅰ.放电区，Ⅱ.压缩孔道，Ⅲ.喷射腔，Ⅳ.阳极的冷却水套，Ⅴ.螺旋气流形成通道，Ⅵ.冷却腔，Ⅶ.气室，Ⅷ.冷却供水通道，Ⅸ.冷却回水通道。
具体实施方式
实施例1 图1所示的实施方式中，具有螺旋导流结构的阴极由阴极头（3-3）和阴极套（3-6）组成，阴极套（3-6）为空心圆棒体结构，在阴极套（3-6）的圆棒体上有螺旋导流凸体（3-1），螺旋导流凸体（3-1）中的空间构成螺旋气流形成通道（Ⅴ），阴极套（3-6）的内空间构成冷却腔（Ⅵ），阴极套（3-6）的前端为由后向前收缩的圆锥形结构，阴极套（3-6）的后端有内螺纹接口（3-7）；阴极头（3-3）嵌入到阴极套（3-6）前部的圆棒体中，阴极头（3-3）在嵌入到阴极套（3-6）中的部位上有环形凹槽（3-4），环形凹槽（3-4）中有阴极套（3-6）的壁体填入，阴极头（3-3）的前端从阴极套（3-6）中伸出，阴极头（3-3）的前端为圆弧形结构，阴极头（3-3）的后端有冷却尾突（3-5），冷却尾突（3-5）为圆锥体结构，冷却尾突（3-5）伸入到冷却腔（Ⅵ）中。本实施例中，把阴极（3）分为阴极头（3-3）和阴极套（3-6）二个部件进行加工，使得制作简单，提高部件的加工效率，并且节约材料成本，阴极套（3-6）选用紫铜材料制作，阴极头（3-3）选用难熔金属材料制作，所述的难熔金属材料包括钨、钽、钼、铌的合金材料，优选钨镧锆合金材料。制作时，阴极头（3-3）选用钨粉掺加少量的氧化镧和氧化锆混合后进行压制或注射成型，再进行烧制，然后通过精加工完成；阴极套（3-6）选用紫铜材料采用模铸工艺制作毛坯，浇铸时，把阴极头（3-3）嵌入其中，然后把阴极套（3-6）的毛坯通过精加工完成。
实施例2 图2所示的实施方式中，等离子体喷枪主要由绝缘枪架（2）、后座（1）、阴极（3）、阳极套（5）和阳极（4）组成，其中，绝缘枪架（2）为中空回转体结构，绝缘枪架（2）的前部体内有前安装槽（2-3），绝缘枪架（2）中部的内空间中有气室（Ⅶ），在绝缘枪架（2）上有保护气输入接口（2-2），保护气输入接口（2-2）直接连通到气室（Ⅶ），在气室（Ⅶ）与前安装槽（2-3）之间有直通孔道（2-4），直通孔道（2-4）的内径与阴极套（3-6）上的螺旋导流凸体（3-1）外径相同，在绝缘枪架（2）的后部有后安装槽（2-1）；后座（1）为中空回转体结构，后座（1）的回转体外壁上有与绝缘枪架（2）上后安装槽（2-1）旋合的安装螺口（1-1）；后座（1）的回转体前端有与阴极套（3-6）后端的内螺纹接口（3-7）旋合的外螺纹接头（1-2），在后座（1）的回转体结构上有冷却水输入接口（1-4）和冷却水输出接口（1-5），在后座（1）的回转体结构内有冷却导流管（1-3）；阳极套（5）为圆筒体结构，阳极套（5）后部的壁体外侧有安装螺纹（5-4），阳极套（5）的前端有榫座（5-2）；阳极（4）为由后部向前逐渐扩张的圆锥形喷管结构，阳极（4）的后端为由后向前收窄的喇叭口结构，阳极（4）后端的喇叭口结构与圆锥形喷管结构之间有贯通的圆形孔道，阳极（4）的圆锥形喷管前端有榫头（4-1），阳极（4）以嵌入方式安装在阳极套（5）内，阳极（4）外壁与阳极套（5）内壁之间的空间构成冷却水套（Ⅳ）；冷却水套（Ⅳ）有冷却剂进口（5-3）接入和冷却剂出口（5-1）接出，冷却剂进口（5-3）设置在阳极套（5）下方的壁体上，冷却剂出口（5-1）设置在阳极套（5）上方的壁体上；阳极套（5）携阳极（4）安装在绝缘枪架（2）的前安装槽（2-3），后座（1）安装在绝缘枪架（2）的后安装槽（2-1）中，阴极（3）安装在后座（1）的回转体结构前端，阴极套（3-6）的螺旋导流凸体（3-1）段位于绝缘枪架（2）内的直通孔道（2-4）中，阴极头（3-3）的圆弧形前端伸入到阳极（4）后端的喇叭口空间中；后座（1）上的冷却导流管（1-3）伸入到阴极（3）内的冷却腔（Ⅵ）中，冷却导流管（1-3）的出水口在冷却尾突（3-5）的周边；冷却导流管（1-3）的内空间构成冷却供水通道（Ⅷ），冷却导流管（1-3）的外壁与后座（1）壁体之间的空间构成冷却回水通道（Ⅸ），冷却水输入接口（1-4）连通到冷却供水通道（Ⅷ），冷却供水通道（Ⅷ）通过冷却腔（Ⅵ）连通到冷却回水通道（Ⅸ），冷却回水通道（Ⅸ）连通到冷却水输出接口（1-5）；阳极（4）后端的喇叭口空间构成放电区（Ⅰ），阳极（4）后端的喇叭口结构与圆锥形喷管结构之间的圆形孔道构成压缩孔道（Ⅱ），阳极（4）的圆锥形喷管结构内空间构成喷射腔（Ⅲ）；绝缘枪架（2）内的气室（Ⅵ）连通到阴极套（3-6）上螺旋导流凸体（3-1）中的螺旋气流形成通道（Ⅴ），螺旋气流形成通道（Ⅴ）连通到放电区（Ⅰ），放电区（Ⅰ）通过压缩孔道（Ⅱ）连通到喷射腔（Ⅲ）。
上述的实施例应用时，把水蒸汽作为工作气或被加热的气体同时作为保护气体利用。工作时，一路冷却水通过冷却水输入接口（1-4）进入到冷却导流管（1-3）内的冷却供水通道（Ⅷ）中，经冷却导流管（1-3）前端的出水口对阴极头（3-3）后端的冷却尾突（3-5）进行冲刷冷却，冷却水吸收了阴极头的热量后，再经冷却腔（Ⅵ）进入到冷却回水通道（Ⅸ），然后由冷却水输出接口（1-5）返回到冷却系统的回路中；另一路冷却水通过冷却剂进口（5-3）进入到冷却水套（Ⅳ）中，吸收阳极（4）的热量后，再由冷却剂出口（5-1）返回到冷却系统的回路中；水蒸汽作为工作气或被加热的气体由保护气输入接口（2-2）进入到气室（Ⅶ）中，然后由螺旋气流形成通道（Ⅴ）以螺旋方式进入到放电区（Ⅰ），再通过压缩孔道（Ⅱ）和喷射腔（Ⅲ）从喷枪中喷出；后座（1）作为阴极（3）的电气连接件，阳极套（5）作为阳极（4）的电气连接件，在阴极（3）与阳极（4）之间施加电能，在阴极头（3-3）的前端形成圆弧放电面（3-2），同时在阳极（4）的喷管内壁形成圆锥放电面（4-2），在圆弧放电面（3-2）与圆锥放电面（4-2）之间产生等离子体电弧，等离子体电弧由喷射腔（Ⅲ）的出口喷出，形成等离子体火炬。上述过程中，被加热的水蒸汽在放电区（Ⅰ）内被电离，成为离子弧，离子弧与阴极头（3-3）的圆弧放电面（3-2）发射的电子混合，通过压缩孔道（Ⅱ）进入到喷射腔（Ⅲ），在经过压缩孔道（Ⅱ）时，被进一步加热分解，成为目标产物。
Claims (5)
1.一种具有螺旋导流结构的阴极，其特征是阴极（3）由阴极头（3-3）和阴极套（3-6）组成，阴极套（3-6）为空心圆棒体结构，在阴极套（3-6）的圆棒体上有螺旋导流凸体（3-1），螺旋导流凸体（3-1）中的空间构成螺旋气流形成通道（Ⅴ），阴极套（3-6）的内空间构成冷却腔（Ⅵ），阴极头（3-3）嵌入到阴极套（3-6）前部的圆棒体中，阴极头（3-3）的前端从阴极套（3-6）中伸出，阴极头（3-3）的后端有冷却尾突（3-5），冷却尾突（3-5）为圆锥体结构，冷却尾突（3-5）伸入到冷却腔（Ⅵ）中。
2. 根据权利要求1所述的一种具有螺旋导流结构的阴极，其特征是阴极套（3-6）的前端为由后向前收缩的圆锥形结构。
3. 根据权利要求1所述的一种具有螺旋导流结构的阴极，其特征是阴极套（3-6）的后端有内螺纹接口（3-7）。
4. 根据权利要求1所述的一种具有螺旋导流结构的阴极，其特征是阴极头（3-3）在嵌入到阴极套（3-6）中的部位上有环形凹槽（3-4），环形凹槽（3-4）中有阴极套（3-6）的壁体填入。
5. 根据权利要求1所述的一种具有螺旋导流结构的阴极，其特征是阴极头（3-3）的前端为圆弧形结构。
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2014
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20150204 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |