CN104333969A - 用于等离子体喷枪的复合阴极 - Google Patents

Abstract

一种用于等离子体喷枪的复合阴极，涉及到等离子体喷枪的阴极结构，由阴极套和阴极头组成，其中，阴极套为中空的回转体结构，阴极头嵌入到阴极套前部的内空间中，阴极头的前端从阴极套中伸出，阴极头的嵌入段为圆柱体结构，圆柱体结构后端的阴极套内空间构成冷却腔，阴极头的圆柱体结构后端为向后渐缩的导流锥体，导流锥体的轴线与嵌入段的轴线重合，在导流锥体的周围分布多片冷却肋板，冷却肋板以径向布局方式与阴极头连为一体，导流锥体和冷却肋板置于冷却腔中，多片冷却肋板之间的空间构成冷却分槽。本发明把阴极分为二个部件进行加工，使得制作简单，提高部件的加工效率，并且节约材料成本，复合阴极适合冲刷冷却方式，能快速把阴极头部的热量移去。

Description

用于等离子体喷枪的复合阴极

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阴极结构。

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，提供一种用于等离子体喷枪的复合阴极，适合冲刷冷却方式，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。

本发明的一种用于等离子体喷枪的复合阴极，其特征是复合阴极由阴极套（1）和阴极头（2）组成，其中，阴极套（1）为中空的回转体结构，阴极头（2）嵌入到阴极套（1）前部的内空间中，阴极头（2）的前端从阴极套（1）中伸出，阴极头（2）的嵌入段（2-2）为圆柱体结构，圆柱体结构后端的阴极套（1）内空间构成冷却腔（Ⅰ），阴极头（2）的圆柱体结构后端为向后渐缩的导流锥体（2-5），导流锥体（2-5）的轴线与嵌入段（2-2）的轴线重合，在导流锥体（2-5）的周围分布多片冷却肋板（2-4），冷却肋板（2-4）以径向布局方式与阴极头（2）连为一体，导流锥体（2-5）和冷却肋板（2-4）置于冷却腔（Ⅰ）中，多片冷却肋板（2-4）之间的空间构成冷却分槽（Ⅱ）。本发明中，阴极套（1）的前端内侧有限位阶环（1-1），阴极头（2）的嵌入段（2-2）后端外侧有凸缘（2-3），凸缘（2-3）与限位阶环（1-1）配合对阴极头（2）进行定位；阴极套（1）的后部外侧有安装螺口（1-2）；阴极套（1）的前端为由后向前缩小的圆锥台结构，其圆锥角度（a）为60°-120°；阴极头（2）的前端为圆弧面。

本发明的复合阴极作为等离子体喷枪的主要部件之一。等离子体喷枪主要由后座（8）、复合阴极、绝缘枪架（5）、阳极套（4）和阳极（3）组成，其中，后座（8）为中空的回转体结构，在后座（8）的回转体前部内侧有螺槽（8-4），在后座（8）的前部外侧有连接螺纹（8-5），复合阴极安装在后座（8）回转体前部的螺槽（8-4）上，在后座（8）的回转体结构内有导流管（8-2），导流管（8-2）伸入到复合阴极内的冷却腔（Ⅰ）中并接近导流锥体（2-5），导流管（8-2）的出水口指向冷却分槽（Ⅱ）、冷却肋板（2-4）和导流锥体（2-5）；导流管（8-2）的外壁与后座（8）的回转体内壁之间有空间，导流管（8-2）的外壁与后座（8）的回转体内壁之间的空间构成回水通道（Ⅸ），在后座（8）的回转体结构上有冷却水输入接口（8-1）和冷却水输出接口（8-3），冷却水输入接口（8-1）连通到导流管（8-2）的管内空间，冷却水输出接口（8-3）连通到回水通道（Ⅸ），回水通道（Ⅸ）通道连通到复合阴极内的冷却腔（Ⅰ）；绝缘枪架（5）为中空的回转体结构，绝缘枪架（5）的前后分别有前安装槽（5-1）和后安装槽（5-2），绝缘枪架（5）的回转体结构内有气室（Ⅷ），气室（Ⅷ）有工作气输入接口（5-3）接入；阳极套（4）为圆筒体结构，阳极套（4）后部的壁体外侧有安装螺纹（4-4），阳极套（4）的前端有榫座（4-2），阳极套（4）中部的壁体上有冷却剂进口（4-3）接入，阳极套（4）前部的壁体上有冷却剂出口（4-1）接出；阳极（3）为由后部向前逐渐扩张的圆锥形喷管结构，阳极（3）的后端为由后向前收窄的喇叭口结构，阳极（3）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（3）以嵌入方式安装在阳极套（4）内，阳极（3）的外壁与阳极套（4）的内壁之间的空间构成冷却水套（Ⅵ），冷却水套（Ⅵ）的下部连通到冷却剂进口（4-3），冷却水套（Ⅵ）的上部连通到冷却剂出口（4-1）；阳极套（4）携阳极（3）安装在绝缘枪架（5）的前安装槽（5-1）中，后座（8）携复合阴极安装在绝缘枪架（5）的后安装槽（5-2）中，复合阴极的阴极头（2）外壁与绝缘枪架（5）内的壁体之间有环形的工作气通道（Ⅶ），阴极头（2）伸入到阳极（3）后端的喇叭口空间中，使喇叭口的内空间构成放电区（Ⅲ），阳极（3）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（Ⅳ），阳极（3）的圆锥形喷管结构内空间构成喷射腔（Ⅴ）；绝缘枪架（5）内的气室（Ⅷ）通过工作气通道（Ⅶ）连通到放电区（Ⅲ），放电区（Ⅲ）通过压缩孔道（Ⅳ）连通到喷射腔（Ⅴ）。工作时，后座（8）作为复合阴极的电气连接件，阳极套（4）作为阳极（3）的电气连接件；一路冷却水通过冷却水输入接口（8-1）进入到导流管（8-2）的管内空间中，经导流管（8-2）的出水口进入到复合阴极内的各个冷却分槽（Ⅱ），冷却水吸收阴极头（2）的热量后，再经冷却腔（Ⅰ）进入到回水通道（Ⅸ），然后由冷却水输出接口（8-3）返回到冷却系统的回路中；另一路冷却水通过冷却剂进口（4-3）进入到冷却水套（Ⅵ）中，吸收阳极（3）的热量后，再由冷却剂出口（4-1）返回到冷却系统的回路中；工作气或被加热的气体由工作气输入接口（5-3）进入到气室（Ⅷ）中，然后由工作气通道（Ⅶ）进入到放电区（Ⅲ），同时在复合阴极与阳极（3）之间施加电能，在阴极头（2）的头端形成圆弧放电面（2-1），同时在阳极（3）的喷管内壁形成圆锥放电面（3-2），在圆弧放电面（2-1）与圆锥放电面（3-2）之间产生等离子体电弧，等离子体电弧由喷射腔（Ⅴ）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（Ⅲ）内被电离，成为离子弧，离子弧与阴极头（2）的圆弧放电面（2-1）发射的电子混合，通过压缩孔道（Ⅳ）进入到喷射腔（Ⅴ），在经过压缩孔道（Ⅳ）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才能增加阴极的使用寿命。本发明在阴极头（2）的后端上设置导流锥体（2-5）和冷却肋板（2-4），并且使导流锥体（2-5）和冷却肋板（2-4）处于冷却腔（Ⅰ）中，由冷却肋板（2-4）之间的空间构成冷却分槽（Ⅱ），在冷却水对复合阴极的冷却过程中，冷却水的水流通过导流管（8-2）的出水口直接进入到冷却分槽（Ⅱ），对导流锥体（2-5）冷却肋板（2-4）和冷却腔（Ⅰ）的壁体进行直接冲刷方式的冷却，当阴极套（1）选用紫铜材料制作时，由于紫铜材料具有优良的导热性能，因此，阴极头（2）的嵌入段（2-2）得到间接的冷却，其结果是把阴极头（2）的热量快速移去。另外，由于在阴极头（2）的后端上设置导流锥体（2-5）和冷却肋板（2-4），使得阴极头（2）的散热面积更大，因而，本发明的阴极能得到更有效的冷却，使得阴极不易被烧蚀，从而更好地保护阴极。本发明的采取由阴极套（1）和阴极头（2）组成的复合阴极，把阴极分为二个部件进行加工，使得制作简单，提高部件的加工效率，并且节约材料成本。具体实施时，阴极套（1）选用紫铜材料制作，阴极头（2）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。

本发明的有益效果是：提供的一种用于等离子体喷枪的复合阴极，把阴极分为二个部件进行加工，使得制作简单，提高部件的加工效率，并且节约材料成本。本发明的复合阴极适合冲刷冷却方式，能快速把阴极头部的热量移去，并且阴极的散热面积更大，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是本发明的一种用于等离子体喷枪的复合阴极的结构图。

图2是图1的A-A剖视图。

图3是图1的B-B剖视图。

图4是本发明的应用示意图。

图中：1.阴极套，1-1.限位阶环，1-2.安装螺口，2.阴极头，2-1.圆弧放电面，2-2.阴极头的嵌入段，2-3.阴极头的凸缘，2-4.阴极头的冷却肋板，2-5.阴极头的导流锥体，3.阳极，3-1.阳极前端的榫头，3-2.圆锥放电面，4.阳极套，4-1.冷却剂出口，4-2.榫座，4-3.冷却剂进口，4-4.阳极套的安装螺纹，5.绝缘枪架，5-1.绝缘枪架的前安装槽，5-2.绝缘枪架的后安装槽，5-3.工作气输入接口，6.密封圈，7.密封环，8.后座，8-1.冷却水输入接口，8-2.导流管，8-3.冷却水输出接口，8-4.螺槽，8-5.后座的连接螺纹；a.圆锥角度，R.阴极头端的半径，Ⅰ.阴极内的冷却腔，Ⅱ.阴极内的冷却分槽，Ⅲ.放电区，Ⅳ.压缩孔道，Ⅴ.喷射腔，Ⅵ.阳极的冷却水套，Ⅶ.工作气通道，Ⅷ.气室，Ⅸ.回水通道。

具体实施方式

实施例1   图1所示的实施方式中，一种用于等离子体喷枪的复合阴极，由阴极套（1）和阴极头（2）组成，其中，阴极套（1）为中空的回转体结构，阴极套（1）的前端内侧有限位阶环（1-1），阴极套（1）的后部外侧有安装螺口（1-2），阴极套（1）的前端为由后向前缩小的圆锥台结构，其圆锥角度（a）为60°-120°；阴极头（2）嵌入到阴极套（1）前部的内空间中，阴极头（2）的前端从阴极套（1）中伸出，阴极头（2）的前端为圆弧面，阴极头端圆弧的半径（R）为10mm，阴极头（2）的嵌入段（2-2）为圆柱体结构，阴极头（2）的嵌入段（2-2）后端外侧有凸缘（2-3），凸缘（2-3）与限位阶环（1-1）配合对阴极头（2）进行定位，阴极头（2）的嵌入段（2-2）后端的阴极套（1）内空间构成冷却腔（Ⅰ），阴极头（2）的圆柱体结构后端为向后渐缩的导流锥体（2-5），导流锥体（2-5）的轴线与嵌入段（2-2）的轴线重合，在导流锥体（2-5）的周围分布多片冷却肋板（2-4），冷却肋板（2-4）以径向布局方式与阴极头（2）连为一体，导流锥体（2-5）和冷却肋板（2-4）置于冷却腔（Ⅰ）中，多片冷却肋板（2-4）之间的空间构成冷却分槽（Ⅱ）。本实施例中，采取由阴极套（1）和阴极头（2）组成复合阴极，把阴极分为二个部件进行加工，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（1）选用紫铜材料制作，阴极头（2）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。 

实施例2   图4所示的实施方式是本发明在等离子体喷枪上的应用，等离子体喷枪主要由后座（8）、复合阴极、绝缘枪架（5）、阳极套（4）和阳极（3）组成，其中，复合阴极与第一实施中的结构相同，不再赘述；后座（8）为中空的回转体结构，在后座（8）的回转体前部内侧有螺槽（8-4），在后座（8）的前部外侧有连接螺纹（8-5），复合阴极安装在后座（8）的回转体前部的螺槽（8-4）上，在后座（8）的回转体结构内有导流管（8-2），导流管（8-2）伸入到复合阴极内的冷却腔（Ⅰ）中并接近导流锥体（2-5），导流管（8-2）的出水口指向冷却分槽（Ⅱ）、冷却肋板（2-4）和导流锥体（2-5）；导流管（8-2）的外壁与后座（8）的回转体内壁之间有空间，导流管（8-2）的外壁与后座（8）的回转体内壁之间的空间构成回水通道（Ⅸ），在后座（8）的回转体结构上有冷却水输入接口（8-1）和冷却水输出接口（8-3），冷却水输入接口（8-1）连通到导流管（8-2）的管内空间，冷却水输出接口（8-3）连通到回水通道（Ⅸ），回水通道（Ⅸ）通道连通到复合阴极内的冷却腔（Ⅰ）；绝缘枪架（5）为中空的回转体结构，绝缘枪架（5）的前后分别有前安装槽（5-1）和后安装槽（5-2），绝缘枪架（5）的回转体结构内有气室（Ⅷ），气室（Ⅷ）有工作气输入接口（5-3）接入；阳极套（4）为圆筒体结构，阳极套（4）后部的壁体外侧有安装螺纹（4-4），阳极套（4）的前端有榫座（4-2），阳极套（4）中部的壁体上有冷却剂进口（4-3）接入，阳极套（4）前部的壁体上有冷却剂出口（4-1）接出；阳极（3）为由后部向前逐渐扩张的圆锥形喷管结构，阳极（3）的后端为由后向前收窄的喇叭口结构，阳极（3）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（3）以嵌入方式安装在阳极套（4）内，阳极（3）的外壁与阳极套（4）的内壁之间的空间构成冷却水套（Ⅵ），冷却水套（Ⅵ）的下部连通到冷却剂进口（4-3），冷却水套（Ⅵ）的上部连通到冷却剂出口（4-1）；阳极套（4）携阳极（3）安装在绝缘枪架（5）的前安装槽（5-1）中，后座（8）携复合阴极安装在绝缘枪架（5）的后安装槽（5-2）中，复合阴极的阴极头（2）外壁与绝缘枪架（5）内的壁体之间有环形的工作气通道（Ⅶ），阴极头（2）伸入到阳极（3）后端的喇叭口空间中，使喇叭口的内空间构成放电区（Ⅲ），阳极（3）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（Ⅳ），阳极（3）的圆锥形喷管结构内空间构成喷射腔（Ⅴ）；绝缘枪架（5）内的气室（Ⅷ）通过工作气通道（Ⅶ）连通到放电区（Ⅲ），放电区（Ⅲ）通过压缩孔道（Ⅳ）连通到喷射腔（Ⅴ）。工作时，后座（8）作为复合阴极的电气连接件，阳极套（4）作为阳极（3）的电气连接件；一路冷却水通过冷却水输入接口（8-1）进入到导流管（8-2）的管内空间中，经导流管（8-2）的出水口进入到复合阴极内的各个冷却分槽（Ⅱ），冷却水吸收阴极头（2）的热量后，再经冷却腔（Ⅰ）进入到回水通道（Ⅸ），然后由冷却水输出接口（8-3）返回到冷却系统的回路中；另一路冷却水通过冷却剂进口（4-3）进入到冷却水套（Ⅵ）中，吸收阳极（3）的热量后，再由冷却剂出口（4-1）返回到冷却系统的回路中；把水蒸汽作为工作气或作为被加热的气体由工作气输入接口（5-3）进入到气室（Ⅷ）中，然后由工作气通道（Ⅶ）进入到放电区（Ⅲ），同时在复合阴极与阳极（3）之间施加电能，在阴极头（2）的头端形成圆弧放电面（2-1），同时在阳极（3）的喷管内壁形成圆锥放电面（3-2），在圆弧放电面（2-1）与圆锥放电面（3-2）之间产生等离子体电弧，等离子体电弧由喷射腔（Ⅴ）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（Ⅲ）内被电离，成为离子弧，离子弧与阴极头（2）的圆弧放电面（2-1）发射的电子混合，通过压缩孔道（Ⅳ）进入到喷射腔（Ⅴ），在经过压缩孔道（Ⅳ）时，被进一步加热分解，成为目标产物。

Claims (5)

1.一种用于等离子体喷枪的复合阴极，其特征是复合阴极由阴极套（1）和阴极头（2）组成，其中，阴极套（1）为中空的回转体结构，阴极头（2）嵌入到阴极套（1）前部的内空间中，阴极头（2）的前端从阴极套（1）中伸出，阴极头（2）的嵌入段（2-2）为圆柱体结构，圆柱体结构后端的阴极套（1）内空间构成冷却腔（Ⅰ），阴极头（2）的圆柱体结构后端为向后渐缩的导流锥体（2-5），导流锥体（2-5）的轴线与嵌入段（2-2）的轴线重合，在导流锥体（2-5）的周围分布多片冷却肋板（2-4），冷却肋板（2-4）以径向布局方式与阴极头（2）连为一体，导流锥体（2-5）和冷却肋板（2-4）置于冷却腔（Ⅰ）中，多片冷却肋板（2-4）之间的空间构成冷却分槽（Ⅱ）。

2.根据权利要求1所述的一种用于等离子体喷枪的复合阴极，其特征是阴极套（1）的前端内侧有限位阶环（1-1），阴极头（2）的嵌入段（2-2）后端外侧有凸缘（2-3），凸缘（2-3）与限位阶环（1-1）配合对阴极头（2）进行定位。

3.根据权利要求1所述的一种用于等离子体喷枪的复合阴极，其特征是阴极套（1）的后部外侧有安装螺口（1-2）。

4.根据权利要求1所述的一种用于等离子体喷枪的复合阴极，其特征是阴极套（1）的前端为由后向前缩小的圆锥台结构，其圆锥角度（a）为60°-120°。

5.根据权利要求1所述的一种用于等离子体喷枪的复合阴极，其特征是阴极头（2）的前端为圆弧面。