CN104470186B - 大电流低烧蚀弧形电极 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大电流低烧蚀弧形电极，包括：电极内套，其由电弧加热器用电极材料制成，电极内套的内部中空，具有开口侧和封闭侧，封闭侧呈弧形，所述电极内套呈弧形；电极外套，其封闭开口侧；磁场线圈；以及卡具，其由绝缘材料制成，位于电极内套的内部，包括由若干弧形的支撑部构成的环形支撑架；每个支撑部开设有若干孔，一铜线以螺旋方式穿过所有支撑部上的孔以在所述支撑架上形成所述磁场线圈。磁场线圈固定在电极内套和电极外套之间，形成内置磁场，产生的磁场覆盖整个电极，增强电弧弧根在电极内套上的旋转，降低了电极内套的烧蚀。

Description

大电流低烧蚀弧形电极

技术领域

本发明涉及弧形电极，特别涉及一种可以在大电流条件下长时间低烧蚀运行的弧形电极。

背景技术

电弧加热器是国内外航天飞行器热防护地面模拟试验研究的核心设备，是解决导弹、返回式卫星、载人飞船返回舱等高超声速飞行器热防护地面考核的重要手段。当前国内型号研制对电弧加热器性能的需求不断提高，大功率、长时间、低污染运行的电弧加热器成为国内型号研制所急需，而提升电弧加热器大功率、长时间运行的能力，关键技术是提高电弧加热器电极在大电流、长时间条件下抗烧蚀能力。

目前，大多数类型的电弧加热器均采用管式电极结构，这种结构的电极在大电流、长时间运行过程中电极烧损很严重，导致流场严重污染，无法满足当前国内型号任务的要求，因此急需研制一种可以在大电流、长时间运行条件下低烧蚀的电极。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种可在大电流(大于1000A)条件下长时间(不小于1000s)正常工作的弧式电极。

本发明的技术方案为：

一种大电流低烧蚀弧形电极，包括：

电极内套，其由电弧加热器用电极材料制成，所述电极内套的内部中空，具有开口侧和封闭侧，所述封闭侧呈弧形，所述电极内套呈环形；

电极外套，其封闭所述开口侧；

磁场线圈；以及

卡具，其由绝缘材料制成，位于所述电极内套的内部，所述卡具包括由若干弧形的支撑部构成的环形支撑架；

其中，每个支撑部开设有若干孔，一铜线以螺旋方式穿过所有支撑部上的孔以在所述支撑架上形成所述磁场线圈，

所述的大电流低烧蚀弧形电极中，所述卡具还包括环形的内支撑体，所述内支撑体支撑在所有支撑部的内侧，所述内支撑体的内侧部具有与所述封闭侧一致的形状，所述内侧部的外表面与所述封闭侧的内表面彼此平行。

优选的是，所述的大电流低烧蚀弧形电极中，所述支撑部的另一端设置有向外伸出的突出部，所述电极内套的内壁形成有向内伸出的台阶部，所述突出部连接至所述台阶部，从而使所述支撑架与所述电极内套之间保持一定间隔。

优选的是，所述的大电流低烧蚀弧形电极中，所述磁场线圈的绕线区域至少覆盖所述封闭侧的内表面。

优选的是，所述的大电流低烧蚀弧形电极中，所述卡具设置在靠近所述封闭侧的位置，冷却部件设置在靠近所述开口侧的位置。

优选的是，所述的大电流低烧蚀弧形电极中，所述冷却部件为导流块，所述导流块呈环形，嵌入至所述卡具和所述电极外套之间，所述导流块设置有贯通与所述电极外套接触的第一端面以及与所述卡具接触的第二端面的至少一个第一进液孔和至少一个第一出液孔，每个第一进液孔与开设在所述电极外套上的一个第二进液孔对齐并连通，以供冷却液流入所述电极内套的内部空间，每个第一出液孔与开设在所述电极外套上的一个第二出液孔对齐并连通，以供所述冷却液从所述电极内套的内部空间流出。

优选的是，所述的大电流低烧蚀弧形电极中，所述电弧加热器用电极材料为紫铜。

优选的是，所述的大电流低烧蚀弧形电极中，所述电极外套和所述导流块为由不锈钢制成。

优选的是，所述的大电流低烧蚀弧形电极中，所述绝缘材料为尼龙。

本发明的技术效果为：

(1)磁场线圈固定在电极内套和电极外套之间，形成内置磁场，这样可以使产生的磁场覆盖整个电极，增强电弧弧根在电极内套上的旋转，降低了电极内套的烧蚀；

(2)将磁场线圈通过卡具固定在电极内套和电极外套之间，使磁场线圈之间、磁场线圈与电极内套以及磁场线圈与电极外套之间均保持有效绝缘，优化了磁场线圈的绝缘方式；

(3)冷却部件为一个导流块，设置在电极内套和绝缘支架之间，冷却液与电极内套和磁场线圈换热，改善了对电极内套和磁场线圈的水冷换热效果；

(4)本发明提供了一种大电流(大于1000A)条件下长时间(不小于1000s)正常工作的弧式电极，满足当前国内大功率、长时间、低污染的试验要求。本发明可应用于航空航天气动热防护系统当中，作为电弧等离子加热器的电极使用。

附图说明

图1为本发明所述的大电流低烧蚀弧形电极的一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

请参阅图1(图1为本发明所述的弧形电极的纵剖面视图)，本发明提供了一种大电流低烧蚀弧形电极，包括：电极内套2，其由电弧加热器用电极材料制成，所述电极内套的内部中空，具有开口侧6和封闭侧10，所述封闭侧呈弧形，所述电极内套呈环形；电极外套1，其封闭所述开口侧6；磁场线圈5；以及卡具，其由绝缘材料制成，位于所述电极内套的内部，所述卡具包括由若干弧形的支撑部11构成的环形支撑架；其中，每个支撑部11开设有若干孔，一铜线以螺旋方式穿过所有支撑部11上的孔以在所述支撑架上形成所述磁场线圈。

铜线以螺旋方式穿过所有的孔，并且形成磁场线圈的具体过程为：假设共有n个支撑部，一个支撑部设置有m个孔，每个支撑部有一个孔分布在同一高度上，位于相同高度上的孔为一层，这样，铜线先穿过n个分别位于n个支撑部上的孔，这n个孔位于同一高度上，之后，铜线继续穿过下一层。磁场线圈被内置在电极内套和电极外套之间，从而使产生的磁场覆盖整个电极，增强电弧弧根在电极内套上的旋转，降低了电极内套的烧蚀。上述卡具向磁场线圈提高支撑，同时将磁场线圈与其他结构都区隔开，实现有效绝缘。

在一个实施例中，所述支撑部9的另一端设置有向外伸出的突出部7，所述电极内套2的内壁形成有向内伸出的台阶部8，所述突出部连接至所述台阶部，从而使所述支撑架与所述电极内套之间保持一定间隔。在工作状态下，电极内套的温度是相当高的，为了尽量减少对磁场线圈的影响，使卡具不直接与电极内套接触。

在一个实施例中，为了更好地支撑磁场线圈，所述卡具还包括环形的内支撑体，所述内支撑体支撑在所有支撑部的内侧，所述内支撑体4的内侧部具有与所述封闭侧一致的形状，所述内侧部的外表面与所述封闭侧10的内表面彼此平行；所述磁场线圈5的绕线区域至少覆盖所述封闭侧10的内表面。所形成的磁场将最好地对电弧进行作用，增强电弧弧根在电极内套上的旋转。更进一步地，磁场线圈的绕线区域可以扩大到内支撑体的后部，从而再扩大磁场的范围。上述封闭侧优选呈圆弧形。

在一个实施例中，所述支撑架9的外表面的形状与所述封闭侧的形状一致封闭侧。所述支撑架的外表面就是由所有支撑部的外侧边缘所限定出的形状。

在一个实施例中，所述卡具设置在靠近所述封闭侧10的位置，所述冷却部件3设置在靠近所述开口侧的位置。以该实施例为例说明本发明的弧形电极的安装方式(如图1所示)：先将卡具固定在电极内套2上，磁场线圈5缠绕在卡具上，之后冷却部件3装入电极内套2的内部，将电极外套1安装在电极内套的开口侧6，并封闭该开口侧6。在该实施例中，卡具可以设计成更适合电极内套的形状，比如设计成图1中所示的弧形，从而使构建出的磁场覆盖更大的范围，并且也有助于有效利用电极内套内的空间。在另一个实施例中，冷却部件可以是靠近电极内套的，而卡具靠近电极外套，冷却部件可以设计成弧形。

在一个实施例中，所述冷却部件3为导流块，所述导流块呈环形，所述导流块嵌入所述卡具和所述电极外套之间，所述导流块设置有贯通与所述电极外套接触的第一端面以及与所述卡具接触的第二端面的至少一个第一进液孔和至少一个第一出液孔，每个第一进液孔与开设在所述电极外套上的一个第二进液孔对齐并连通，以供冷却液流入所述电极内套的内部空间，从而可以对电极内套和磁场线圈同时实现冷却，冷却效率高，每个第一出液孔与开设在所述电极外套上的一个第二出液孔对齐并连通，以供所述冷却液从所述电极内套的内部空间流出。通常来说，上述冷却液为冷却水。导流块的体积与电极内套内的剩余空间基本一致，则导流块正好嵌入至该空间内，有效利用电极内套内的空间，并提供有效地冷却。

优选地，所有第一进液孔以及所有第一出液孔彼此间隔分布，即每个第一进液孔两侧为两个第一出液孔，每个第一出液孔的两侧为两个第一进液孔，这样，从每个第一进液孔进液，则从临近两侧的第一出液孔出液，可以保证对整个电极内套和磁场线圈的均匀冷却。

在一个实施例中，所述电弧加热器用电极材料为紫铜。除紫铜外，也可以采用现有技术中其他电极材料，只要能够在通电时形成电弧，并耐受高温即可。磁场线圈也由紫铜管制成。

在一个实施例中，所述电极外套和所述导流块为由不锈钢制成。

在一个实施例中，所述绝缘材料为尼龙。

本发明所述的一个实施例的弧形电极的工作方式是：当电弧加热器使用上述弧形电极运行时，电流从电源正极流出，首先经过电弧加热器正极磁场线圈，流入电弧加热器正极电极，经过电弧，流入电弧加热器负极电极，再经过负极磁场线圈流入电源负极，形成闭合回路，整个回路为串联回路。冷却水从进水管道(即第二进液孔)流入，通过导流块导流，加强了对电极内套和磁场线圈的冷却换热效果，之后从出水管道(即第二出液孔)流出。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种大电流低烧蚀弧形电极，其特征在于，包括：

电极内套，其由电弧加热器用电极材料制成，所述电极内套的内部中空，具有开口侧和封闭侧，所述封闭侧呈弧形，所述电极内套呈环形；

电极外套，其封闭所述开口侧；

磁场线圈；以及

卡具，其由绝缘材料制成，位于所述电极内套的内部，所述卡具包括由若干弧形的支撑部构成的环形支撑架；

其中，每个支撑部开设有若干孔，一铜线以螺旋方式穿过所有支撑部上的孔以在所述支撑架上形成所述磁场线圈，

所述卡具还包括环形的内支撑体，所述内支撑体支撑在所有支撑部的内侧，所述内支撑体的内侧部具有与所述封闭侧一致的形状，所述内侧部的外表面与所述封闭侧的内表面彼此平行。

2.如权利要求1所述的大电流低烧蚀弧形电极，其特征在于，所述支撑部的另一端设置有向外伸出的突出部，所述电极内套的内壁形成有向内伸出的台阶部，所述突出部连接至所述台阶部，从而使所述支撑架与所述电极内套之间保持一定间隔。

3.如权利要求1所述的大电流低烧蚀弧形电极，其特征在于，所述磁场线圈的绕线区域至少覆盖所述封闭侧的内表面。

4.如权利要求1至3中任一项所述的大电流低烧蚀弧形电极，其特征在于，所述卡具设置在靠近所述封闭侧的位置，冷却部件设置在靠近所述开口侧的位置。

5.如权利要求4所述的大电流低烧蚀弧形电极，其特征在于，所述冷却部件为导流块，所述导流块呈环形，嵌入至所述卡具和所述电极外套之间，所述导流块设置有贯通与所述电极外套接触的第一端面以及与所述卡具接触的第二端面的至少一个第一进液孔和至少一个第一出液孔，每个第一进液孔与开设在所述电极外套上的一个第二进液孔对齐并连通，以供冷却液流入所述电极内套的内部空间，每个第一出液孔与开设在所述电极外套上的一个第二出液孔对齐并连通，以供所述冷却液从所述电极内套的内部空间流出。

6.如权利要求5所述的大电流低烧蚀弧形电极，其特征在于，所述电弧加热器用电极材料为紫铜。

7.如权利要求6所述的大电流低烧蚀弧形电极，其特征在于，所述电极外套和所述导流块为由不锈钢制成。

8.如权利要求6所述的大电流低烧蚀弧形电极，其特征在于，所述绝缘材料为尼龙。