CN104602429B - 一种暖等离子体发生器 - Google Patents
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Abstract
一种暖等离子体发生器属于等离子体源设计制造技术领域，其特征在于，采用紫铜制的环形外电极和钨制的圆锥形内电极，分别用去离子水冷却，用连接于内电极底部的密封垫片把热能传到水冷管冷却，用开在电极外壁上的进水管对环形外电极的直筒形喷口进行冷却，在锁紧螺母作用下，用气路密封圈进行气路密封，同时用水冷压紧环经水冷密封圈防止冷却水进入放电空间，作为工作气体的空气用进气旋向环来改变进入放电空间的气流方向和速度，来保持放电的稳定性,在10kHz～40kHz频率、10kV～40kV高压作用下把等离子气体的温度从10000K降至3000K，以便在降低输入功率的同时提高点火过程的热能利用率，能广泛地应用于烧煤锅炉点火、ICP‑AES光源、等离子体辅助燃烧等领域。
Description
技术领域
一种暖等离子体发生器属于等离子体源制作技术领域。
背景技术
据中国电企联合会指出，近年来，我国电力工业得到快速发展，其中电厂装机容量年均增速超过9.2％、发电量增速也超过了9.1％。到2012年底，全国年发电总量已经高达4.99万亿千瓦时，发电装机总量也达到了11.47万亿千瓦。目前我国年发电量及电网规模已位于世界第一。2013年全年新增发电机组容量约为9000万千瓦，其中，火力发电增加4000万千瓦左右，可再生能源机组新增加4700万千瓦，核电增量较少约为221万千瓦。到2013年底，发电设备容量已经高达12.3亿千瓦，其中火电达到8.6亿千瓦、可再生能源发电量达到3.6亿千瓦、核电发电量1461万千瓦。
2004年6MW以上的火力发电机组，点火和稳燃过程中应用的燃油量约为1469.59万吨，占据了70％以上的燃油量，在当年全国原油总产量中占8.4％，由此可见应用于火电厂锅炉点火与稳燃过程中的燃油量消耗巨大。为节省点火成本，已经发展的热等离子体点火系统已经逐步在应用锅炉中，但其功率为几十千瓦到几百千瓦，耗电量巨大。因此，发展新的点火技术，为进一步节约能源消耗势在必行。
随着等离子体技术与科学的持续发展，其应用领域也在逐渐地扩大。热等离子体在锅炉点火中的应用，让火电厂节约了一半以上的运营成本，因此其得到了快速发展，正在逐渐取代耗油量巨大的燃油点火。但随着社会发展，能源问题的突出，锅炉点火问题的进一步节能不容忽视。由于热等离子体的温度高达10000K，用它点燃煤粉会引起大量部分能源的浪费。所以，为了提高能源的利用率，本发明设计了一种暖等离子体点火装置。
暖等离子体是近年来新发展的一种等离子体源。L Fulcheri等人提出了同轴型的等离子体发生器结构，气体在内外电极间放电后在发生器环形喷嘴的下游形成具有一定体积的暖等离子体，但文献中未见其在本领域的应用，结构也不相同，采用的供电方式也不相同(Fulcheri L,Rollier J D,Gonzalez-Aguilar J.Design and electricalcharacterization of a low current–high voltage compact arc plasma torch[J].Plasma Sources Sci.Technol.,2007,16:183–192)。清华大学王志斌等人利用两平行板电极放电结构，采用发射光谱法测量了暖等离子体的光谱强度，并由此得到暖等离子体的气体温度在3000K左右(Wang Z B,Chen G X,Wang Z,et al.Effect of a floatingelectrode on an atmospheric-pressure non-thermal arc discharge[J].J.Appl.Phys.2011,110:033308)，高于煤粉的燃点300～500℃。且大气压暖等离子体发生器结构简单，对放电外界环境要求不高，不需要真空系统，实验设备的投入成本低，在大气压或高于/低于大气压的环境下均能产生，且产生暖等离子体所需的能量输入适中。因此，采用暖等离子体进行煤粉的点火实验，有望在降低等离子体发生器输入功率的同时提高其点火过程的热能利用效率，在等离子体点火领域具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在降低等离子体发生器输入功率的同时又能提高点火过程热能利用率的暖等离子体发生器。
1，一种暖等离子体发生器，其特征在于，是一种在内、外电极间接10kHz～40kHz、10kV～40kV高频高压、产生的等离子体温度在2000K～4000K之间的、能在降低等离子体发生器输入功率的同时又能提高点火过程热能利用率的采用同轴型电极结构的暖等离子体发生器，其中：
等离子体发生器主体，包括：一对同轴型电极、水冷系统、气路系统以及所述同轴型电极的锁紧定位组件，其中：
一对同轴型电极1，由中心线相互重合的外电极11和内电极12构成，其中：
外电极11，用紫铜制成，入口处呈喇叭形，喷口处呈直筒形，两者相应贯通，
内电极12，用钨制成，呈圆锥形；
同轴型电极锁紧定位组件2，包括：电极外壁21、第一锁紧螺母251、第二锁紧螺母252、固定法兰22、固定套23、密封环24、密封螺母26以及都由螺钉、螺母、垫片组成的接地用组件52和接高压用组件51，其中：
电极外壁21，用黄铜制成，呈圆筒形，底部开口且带裙边，端面通过中心孔内壁与所述外电极11喷口处的圆柱形外周同轴连接，在所述电极外壁21径向连接一个所述的接地用组件52固定，
固定法兰22，用黄铜制成，同轴地嵌入所述电极外壁21的底部内侧，通过所述固定法兰22径向中部位置的凸台的侧面与所述电极外壁21底部裙边的外端面相接触并被定位，
固定套23，用聚四氟材料制成，同轴地套接在水冷系统中的水冷管323的外周柱面上，左端部在径向通过一个凸台的斜面与所述固定法兰22后端部径向内侧呈斜面方式定位，
密封环24，用聚四氟材料制成，呈圆锥台状，同轴地套接在所述水冷管323的外圆柱面上，圆锥台的锥面嵌入所述固定套23底面内侧面进行定位，底面用一个用内螺纹连接在固定套23外周面上，用密封螺母26定位，
第一锁紧螺母251，用黄铜制成，与所述水冷管323同轴，同时与位于所述电极外壁21的裙边外侧的所述固定法兰22的凸台的外周面用内螺纹连接并定位，
第二锁紧螺母252，用黄铜制成，在底部开口处，与位于所述固定法兰22径向的端部凸台外周面用内螺纹连接，顶部通过一个与所述水冷管323同轴的中心孔套在所述水冷管323外壁上，并通过所述密封螺母26顶部上端面的内侧对所述密封环24底部进行定位；
水冷系统3，包括：第一水冷子系统31与第二水冷子系统32，其中：
第一水冷子系统31，用于冷却所述外电极11，其中包括：第一进水口311，第一出水口312，第一水冷密封圈3131和第二水冷密封圈3132以及水冷压紧环314，其中：
第一进水口311，沿着垂直于所述外电极11直筒部分的方向开在所述电极外壁21上，
第一出水口312，沿着垂直于所述外电极11喇叭形开口的方向开在所述电极外壁21相对于所述第一进气口311右端的位置上，
第一水冷密封圈3131，沿所述外电极11径向布置，夹在所述电极外壁21顶部端面的内侧和位于所述外电极11喷口处外侧面凸台的外电极11上端面之间，
水冷压紧环314，用聚四氟材料制成，与所述内电极12同轴，外周面与所述电极外壁21的内周面紧密接触，
第二水冷密封圈3132，与所述内电极12同轴，轴向的两个侧面分别夹持在所述外电极11底部的外端面与所述水冷压紧环314径向左侧面之间，
第二水冷子系统32，用于冷却所述内电极12，其中包括：第二进水口321、第二出水口322、所述水冷管323和密封垫片324，其中：
所述水冷管323与所述接高压组件51连接，输入交流电，与所述内电极12位于同一条中心线上，所述水冷管323的底部通过同轴的所述密封垫片324与所述内电极12底部紧密接触，以冷却所述内电极12，所述水冷管323另一端开口，构成第二进水口321，输入去离子水，防止在高压下发生电离现象，沿着所述水冷管323外壁开有一个垂直方向的第二出水口322；
气路系统4，以空气、氧气、氮气、氩气、氦气、水蒸气及其混合气体等气体为工作气体，包括：进气管41、进气旋向环42、三个气路密封圈(441，442，443)以及调整环43，其中：
进气管41，沿着径向垂直地开在所述第一锁紧螺母251和所述其二锁紧螺母252之间的所述固定法兰22的外周面上，
进气旋向环42，一端开口，通过开在另一端端面上的中心孔与所述水冷管323的外壁同轴套接，同时又同轴地内接于所述电极外壁21的内侧圆周面上，在开口一端的径向外侧面与所述水冷压紧环314径向右侧面之间有一个第一气路密封圈441，在所述进气旋向环42的外侧圆柱面上开有用以改变工作气路旋转方向的环形进气道421，
调整环43，内接于所述电极外壁21的内侧面上且与所述水冷管323同轴，在所述调整环43与所述进气旋向环42外侧圆柱面之间形成一个供所述工作气流进入所述进气旋向环42的环形进气道421的气体通道，所述调整环43在径向左端面上通过第二气路密封圈442与所述进气旋向环42相接触，所述调整环43在径向右端面上通过第三气路密封圈443与所述固定法兰22相接触，三个所述气路密封圈(441，442，443)通过所述第一锁紧螺母251压紧，工作气流经过位于所述固定法兰22与所述水冷管323之间、调整环43与所述进气旋向环42之间形成的气流通道进入所述进气旋向环42后，再沿所述水冷压紧环314与所述水冷管323、内电极12之间的气流通道进入由所述外电极11喇叭口与内电极12圆锥面之间形成的等离子体放电空间之中。
2，根据发明内容1所述的暖等离子体发生器，其特征在于，向同轴型电极供电的是一种串联谐振供电电路，称为
暖等离子体发生器交流供电电路，是一种全桥逆变升压电路，包括：第一桥臂、第二桥臂、串联谐振电路和变压器T，其中：
第一桥臂，由并联了第一浪涌电压吸收电路，以下简称第一电压吸收电容C1的第一功率开关管V1、并联了第三电压吸收电容C3的第三功率开关管(V3)这两者在B点相互串接而成，
第二桥臂，由并联了第二电压吸收电容C2的第二功率开关管V2、并联了第四电压吸收电容C4的第四功率开关管V4这两者在A点相互串接而成，
串联谐振电路，由从所述A点开始，依次由所述变压器T的原边线圈W1、谐振电感L1、谐振电容C5相继串联后再到达所述B点的串联电路构成，
在相互并联的所述第一桥臂、第二桥臂两端输入直流电压Ui，在所述变压器T的副边线圈W2上输出频率在10kHz～40kHz间、电压峰值为10kV～40kV的高频高电压U0，四个所述功率开关管(V1，V2，V3，V4)采用时间比率控制，在前半周期，UAB＝-Ui，后半周期UAB＝Ui，加在两个同轴型电极上；
其中，功率开关管(V1，V2，V3，V4)采用：IRFP460，输入直流电压(Ui)为：265V，变压器(T)采用：铁氧体变压器，其中(W1)：(W2)为1：1000，高频高电压(U0)为：频率在10kHz～40kHz间、电压峰值为10kV～40kV的交流电。
本发明的效果在于，在输入的频率为10kHz～40kHz、电压为10kV～40kV的高频高压作用下能使等离子气体温度达到3000K左右，远高于煤粉的燃点300℃～500℃，从而提高了热能的利用率。
附图说明
图1暖等离子体发生器的结构图。
图2暖等离子体发生器的水、气接口图。
图3暖等离子体发生器的交流供电电路图。
图4多种进气旋向环结构图：(4a)：与气流方向成110°角；
(4b)：与气流方向成20°角；
(4c)：与气流方向成90°角。
附图标识说明
同轴型电极：1，其中：
外电极：11，内电极：12；
同轴型电极锁紧定位组件：2，其中：
电极外壁：21，固定法兰：22，固定套：23，密封环：24，密封螺母：26，第一锁紧螺母：251，第二锁紧螺母：252；
水冷系统：3，其中：
第一水冷子系统：31，其中：
第一进水口：311，第一出水口：312，第一水冷密封圈：3131，第二水冷密封圈：3132，水冷压紧环：314，
第二水冷子系统：32，其中：
水冷管：323，第二进水口：321，第二出水口：322，密封垫片：324；
气路系统：4，其中：
进气管：41，进气旋向环：42，调整环：43，三个气路密封圈：441，442，443，环形进气道：421；
螺母、螺钉、垫片组合件：5，其中：
第一个组合件：51，用于接高压端，第二个组合件：52，用于接地。
具体实施方式
采用的同轴型暖等离子体发生器如图1所示，电弧产生在外电极11和内电极12之间，通过气流将其吹出产生射流。此发生器采用分体结构设计，为方便电极等易损件的更换和电极间距的调节，且因为装置处于试验阶段，电极间距调节采用手动操作。具体结构如下所述：
1)发生器选材
发生器中电极材料和绝缘材料的选取是其设计的重点。影响电极选材的因素有材料的电子逸出功、材料的可加工性和材料的传热性能，根据文献调研发现，紫铜、钨、铈钨合金和石墨等材料为常用的电极材料。本发生器选用紫铜为外电极结构、钨作为内电极材料。在绝缘材料的选择上，由于发生器所用的功率源为高频高压电源，选用绝缘性能良好的聚四氟乙烯作为内外电极连接件的材料。其余材料选用黄铜作为加工材料。
零件11、323为紫铜，零件12为钨，零件21、251、22、252为黄铜，零件314、42、43、23、24、26为聚四氟材料。
2)发生器具体结构
此等离子体发生器中涉及水冷系统和进气系统，因此发生器结构中密封结构的设计很重要。由于暖等离子体的气体温度相对较低(约3000K左右)，所以发生器采用的冷却水系统为石家庄远东散热技术有限公司生产的芯睿SP23液冷套装，水泵的最大流速为600L/h，水压较小，发生器内的冷却水通道采用密封圈将连接部位密封，如图1所示。在电极外壁21和外电极11之间用密封圈3131连接；电极外壁21和水冷压紧环314之间用密封圈3132密封，当用力压紧水冷压紧环314时会将密封圈向边缘挤压，起到密封的作用；内电极12的密封主要靠内电极12和水冷管323之间的密封垫片324起到密封作用。此发生器采用空气作为工作气体，所以此系统不需要真空装置，只需要保证从进气口流入的空气，能完全通过外电极，不从其它连接部位漏气即可。为保证这一点，需在连接部位添加密封垫圈或采用锥形压紧结构，如图1所示：水冷压紧环314和进气旋向环42之间、进气旋向环42和调整环43之间、调整环43和固定法兰22之间均采用添加密封圈的形式，通过锁紧螺母251将其压紧；在发生器后半部分，固定法兰22和固定套23采用锥形结构通过锁紧螺母252将其压紧，另外锥形结构也能确保锁紧螺母252和固定套23处于同一中心位置；密封环24作为锥形结构起到两方面的作用：其一为保证与固定套23之间紧密配合，其二为通过其压紧时产生的形变保证与水冷管323之间的紧密结合。通过以上结构的设计确保整个系统处于密封状态。
发生器的水冷接口、进气口和接线端如图2所示，进水口311和出水口312的分别为外电极11的水冷接口，两进水口的分配主要看外电极的产热分配，同轴型电极结构放电主要产生在外电极的直筒部分，弧根根据不同的气流在直筒内壁或端口产生，冷却主要是将进水口对直筒部分进行冲刷，增加其与冷水的接触面积，能快速带走热量，减少电极的烧蚀；进水口321和出水口322的分别为内电极的水冷接口，其原理与外电极相似，水流从进水口321流入，持续不断的冲击内电极的中心位置，增加热交换，通过外壁流出。因放电采用的电源为高频高压电源，为防止高压产生水中离子电离，冷却液采用去离子水，同时因为产热量小，可以将出水口322和进水口321连接起来，共用一个冷却系统，降低系统的成本。内外电极的接线采用螺栓紧固结构，通过螺栓连接将其固定，其中外电极通过电极外壁21和外电极11之间的过渡连接将电流传输到外电极11，因为高频高压放电电流小，所以这种连接方式满足要求，内电极的电流传输通过水冷管323和内电极12之间的螺纹接触传输，保证连接可靠。进气方式采用侧面进气，通过内部的进气旋向环改变气流的旋转方向。
从图3中可以看出(V1，V2，V3，V4)为功率器件，(C1，C2，C3，C4)为浪涌电压吸收电容，保护功率器件不被破坏，电容C5和电感L1组成的串联谐振电路，用来降低电源损耗，提高输出波形品质。使得最终输出的电压峰峰值为10kV～40kV，频率为10kHz～40kHz。
供电电路主要是全桥逆变升压电路，由两个桥臂组成，每个桥臂上包含两个开关管，变压器T的输入点为A和B两点，分别位于两桥臂之间的中点位置。控制方式采用双极性控制，功率管(V1，V2，V3，V4)采用时间比率控制。在一个周期Ts内，在前半周期，功率管V1和V4同时导通，功率管V2和V3均断开，此时B点电势为Ui，A点电势为0，UAB＝-Ui，电流流经变压器W1边由B流向A；在后半周期，当功率管V2和V3同时导通且V1和V4断开时，A点电势为Ui，B点电势为0，UAB＝Ui，电流流经变压器W1边由A流向B；当功率管V1和V4与V2和V3都关断时电压UAB＝0。经过上述过程实现了逆变，并将产生的交变的高频信号，再经过C5和L1组成的串联谐振电路，最终通过高频升压变压器，完成高频高压输出。
等离子体射流的产生主要依靠气流将发生器内部放电所产生的等离子体从其喷嘴喷出而形成，因此，进气结构和工作气体流量将直接影响所产生的射流的特性，如图4所示。为保证暖等离子体充满整个射流区，进气环选用切向进气方式，并采用均分的4个切向小孔均匀进气，以保证放电的稳定性。发生器内部气体宏观的流动方向为图4中箭头所示。在图4中，(4a)结构的进气方向与气流方向成110°角；(4b)结构的进气方向与气流方向成20°角；(4c)结构的进气方向与气流方向成90°角。在不同的工作状态下，选择不同的结构。
同轴型发生器多采用环形电极结构和锥形电极结构组成，在两电极之间施加高频高压电，将两电极间隙距离最窄处的空气击穿，形成放电通道，再通以气流将电弧吹出，形成等离子体射流。为得到稳定的大面积射流，本结构采用多种电极结构，在不同的工作状态下，选择不同的结构。
本发明因产生的暖等离子体特性的优势，可以应用在电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)、等离子体辅助燃烧等领域。
电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)是以等离子体为激发光源的原子发射光谱分析方法，可进行多元素的同时测定。样品由载气引入雾化系统进行雾化后，以气溶胶形式进入等离子体的轴向通道，在高温和惰性气氛中被充分蒸发、原子化、电离和激发，发射出所含元素的特征谱线。根据特征谱线的存在与否，鉴别样品中是否含有某种元素。但目前电感耦合等离子体光源采用热等离子体，其工作前提条件是，需具备持续稳定的高纯氩气流，炬管、感应圈、高频发生器，冷却系统等。因为热等离子体温度高达6000K～10000K，在工作过程中需要对整个系统进行冷却，耗费了大量的高纯氩，且结构复杂。若采用暖等离子体作为等离子体光源，在降低温度的同时也能满足系统所需的其它要求，因其温度较低，大大降低了冷却系统的难度和成本。因此暖等离子体在对电感耦合等离子体原子发射光谱法的革新具有重要意义。
暖等离子体点火技术除了在锅炉的点火应用之外，可以推广到对其它燃料点火燃烧技术。目前现有的发动机系统采用的火花点火技术已被世人所熟知，并能合理的掌握和运用，但暖等离子体辅助点火燃烧技术蕴含着巨大的经济利益和社会价值。电火花点火技术是指引擎中燃料燃烧通常是采用火花放电来实现。火花放电的瞬间高压产生热平衡等离子体，将空气与燃料混合物分解成燃烧必需的自由基和活性物种，发生有氧气参与的化学反应。自身燃烧释放的能量产生新的活性物质使燃烧得以继续，传播火焰锋面上活性物种产生的效率决定着整体燃烧速度。然而，这种自身产生活性物种的方式有时不足以维持燃烧，尤其是在贫燃情况下。暖等离子体技术并不依靠自身产生的活性物种来维持燃烧，而是凭借其高能电子与燃料和助燃气分子的相互作用，发生一系列的反应(激发、离解和电离等)生成小分子燃料、自由基和离子等活性物质，使得燃烧继续。因此暖等离子体技术是把原本主要用来加热和低能振动激发的等离子体能量转而用到高能电子激发和电离。应用暖等离子体点火助燃技术极大地加速了点火燃烧过程，同时使燃料燃烧的更加充分彻底。暖等离子体点火助燃技术在发动机点火助燃等其它点火领域同样具有巨大优势，具有广阔的发展前景。
Claims (2)
1.一种暖等离子体发生器，其特征在于，是一种在内、外电极间接10kHz～40kHz、10kV～40kV高频高压产生的、等离子体温度在2000K～4000K之间的、能在降低等离子体发生器输入功率的同时又能提高点火过程热能利用率的、采用同轴型电极结构的暖等离子体发生器，其中：
等离子体发生器主体，包括：一对同轴型电极、水冷系统、气路系统以及所述同轴型电极的锁紧定位组件，其中：
一对同轴型电极(1)，由中心线相互重合的外电极(11)和内电极(12)构成，其中：
外电极(11)，用紫铜制成，入口处呈喇叭形，喷口处呈直筒形，两者相应贯通，
内电极(12)，用钨制成，呈圆锥形；
同轴型电极锁紧定位组件(2)，包括：电极外壁(21)、第一锁紧螺母(251)、第二锁紧螺母(252)、固定法兰(22)、固定套(23)、密封环(24)、密封螺母(26)以及都由螺钉、螺母、垫片组成的接地用组件(52)和接高压用组件(51)，其中：
电极外壁(21)，用黄铜制成，呈圆筒形，底部开口且带裙边，端面通过中心孔内壁与所述外电极(11)喷口处的圆柱形外周同轴连接，在所述电极外壁(21)径向连接一个所述的接地用组件(52)固定，
固定法兰(22)，用黄铜制成，同轴地嵌入所述电极外壁(21)的底部内侧，通过所述固定法兰(22)径向中部位置的凸台的侧面与所述电极外壁(21)底部裙边的外端面相接触并被定位，
固定套(23)，用聚四氟材料制成，同轴地套接在水冷系统中的水冷管(323)的外周柱面上，左端部在径向通过一个凸台的斜面与所述固定法兰(22)后端部径向内侧呈斜面方式定位，
密封环(24)，用聚四氟材料制成，呈圆锥台状，同轴地套接在所述水冷管(323)的外圆柱面上，圆锥台的锥面嵌入所述固定套(23)底面内侧面进行定位，底面用一个用内螺纹连接在固定套(23)外周面上，用密封螺母(26)定位，
第一锁紧螺母(251)，用黄铜制成，与所述水冷管(323)同轴，同时与位于所述电极外壁(21)的裙边外侧的所述固定法兰(22)的凸台的外周面用内螺纹连接并定位，
第二锁紧螺母(252)，用黄铜制成，在底部开口处，与位于所述固定法兰(22)径向的端部凸台外周面用内螺纹连接，顶部通过一个与所述水冷管(323)同轴的中心孔套在所述水冷管(323)外壁上，并通过所述密封螺母(26)顶部上端面的内侧对所述密封环(24)底部进行定位；
水冷系统(3)，包括：第一水冷子系统(31)与第二水冷子系统(32)，其中：
第一水冷子系统(31)，用于冷却所述外电极(11)，其中包括：第一进水口(311)，第一出水口(312)，第一水冷密封圈(3131)和第二水冷密封圈(3132)以及水冷压紧环(314)，其中：
第一进水口(311)，沿着垂直于所述外电极(11)直筒部分的方向开在所述电极外壁(21)上，
第一出水口(312)，沿着垂直于所述外电极(11)喇叭形开口的方向开在所述电极外壁(21)相对于所述第一进气口(311)右端的位置上，
第一水冷密封圈(3131)，沿所述外电极(11)径向布置，夹在所述电极外壁(21)顶部端面的内侧和位于所述外电极(11)喷口处外侧面凸台的外电极(11)上端面之间，
水冷压紧环(314)，用聚四氟材料制成，与所述内电极(12)同轴，外周面与所述电极外壁(21)的内周面紧密接触，
第二水冷密封圈(3132)，与所述内电极(12)同轴，轴向的两个侧面分别夹持在所述外电极(11)底部的外端面与所述水冷压紧环(314)径向左侧面之间，
第二水冷子系统(32)，用于冷却所述内电极(12)，其中包括：第二进水口(321)、第二出水口(322)、所述水冷管(323)和密封垫片(324)，其中：
所述水冷管(323)与所述接高压组件(51)连接，输入交流电，与所述内电极(12)位于同一条中心线上，所述水冷管(323)的底部通过同轴的所述密封垫片(324)与所述内电极(12)底部紧密接触，以冷却所述内电极(12)，所述水冷管(323)另一端开口，构成第二进水口(321)，输入去离子水，防止在高压下发生电离现象，沿着所述水冷管(323)外壁开有一个垂直方向的第二出水口(322)；
气路系统(4)，以空气、氧气、氮气、氩气、氦气、水蒸气及其混合气体等气体为工作气体，包括：进气管(41)、进气旋向环(42)、三个气路密封圈(441，442，443)以及调整环(43)，其中：
进气管(41)，沿着径向垂直地开在所述第一锁紧螺母(251)和所述其二锁紧螺母(252)之间的所述固定法兰(22)的外周面上，
进气旋向环(42)，一端开口，通过开在另一端端面上的中心孔与所述水冷管(323)的外壁同轴套接，同时又同轴地内接于所述电极外壁(21)的内侧圆周面上，在开口一端的径向外侧面与所述水冷压紧环(314)径向右侧面之间有一个第一气路密封圈(441)，在所述进气旋向环(42)的外侧圆柱面上开有用以改变工作气路旋转方向的环形进气道(421)，
调整环(43)，内接于所述电极外壁(21)的内侧面上且与所述水冷管(323)同轴，在所述调整环(43)与所述进气旋向环(42)外侧圆柱面之间形成一个供所述工作气流进入所述进气旋向环(42)的环形进气道(421)的气体通道，所述调整环(43)在径向左端面上通过第二气路密封圈(442)与所述进气旋向环(42)相接触，所述调整环(43)在径向右端面上通过第三气路密封圈(443)与所述固定法兰(22)相接触，三个所述气路密封圈(441，442，443)通过所述第一锁紧螺母(251)压紧，工作气流经过位于所述固定法兰(22)与所述水冷管(323)之间、调整环(43)与所述进气旋向环(42)之间形成的气流通道进入所述进气旋向环(42)后，再沿所述水冷压紧环(314)与所述水冷管(323)、内电极(12)之间的气流通道进入由所述外电极(11)喇叭口与内电极(12)圆锥面之间形成的等离子体放电空间之中。
2.根据权利要求1所述的暖等离子体发生器，其特征在于，向同轴型电极供电的是一种串联谐振供电电路，称为暖等离子体发生器交流供电电路，是一种全桥逆变升压电路，包括：第一桥臂、第二桥臂、串联谐振电路和变压器(T)，其中：
第一桥臂，由并联了第一浪涌电压吸收电路，以下简称第一电压吸收电容(C1)的第一功率开关管(V1)、并联了第三电压吸收电容(C3)的第三功率开关管(V3)这两者在B点相互串接而成，
第二桥臂，由并联了第二电压吸收电容(C2)的第二功率开关管(V2)、并联了第四电压吸收电容(C4)的第四功率开关管(V4)这两者在A点相互串接而成，
串联谐振电路，由从所述A点开始，依次由所述变压器(T)的原边线圈(W1)、谐振电感(L1)、谐振电容(C5)相继串联后再到达所述B点的串联电路构成，
在相互并联的所述第一桥臂、第二桥臂两端输入直流电压(Ui)，在所述变压器(T)的副边线圈(W2)上输出频率在10kHz～40kHz间、电压峰值为10kV～40kV的高频高电压(U0)，四个所述功率开关管(V1，V2，V3，V4)采用时间比率控制，在前半周期，UAB＝-Ui，后半周期UAB＝Ui，加在两个同轴型电极上；
其中，功率开关管(V1，V2，V3，V4)采用：IRFP460，输入直流电压(Ui)为：265V，变压器(T)采用：铁氧体变压器，其中(W1)：(W2)为1：1000，高频高电压(U0)为：频率在10kHz～40kHz间、电压峰值为10kV～40kV的交流电。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101954324A (zh) * | 2010-09-19 | 2011-01-26 | 大连海事大学 | 一种低压等离子喷涂用等离子喷枪 |
| EP2285193A1 (en) * | 1998-03-06 | 2011-02-16 | The Esab Group, Inc. | Plasma arc torch |
| CN102802335A (zh) * | 2012-08-19 | 2012-11-28 | 周开根 | 内电弧等离子体喷枪 |
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| JP2013086176A (ja) * | 2011-10-24 | 2013-05-13 | Panasonic Corp | プラズマ切断トーチ |
| CN103277792A (zh) * | 2013-05-31 | 2013-09-04 | 衢州昀睿工业设计有限公司 | 等离子体煤粉燃烧器 |
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2285193A1 (en) * | 1998-03-06 | 2011-02-16 | The Esab Group, Inc. | Plasma arc torch |
| CN101954324A (zh) * | 2010-09-19 | 2011-01-26 | 大连海事大学 | 一种低压等离子喷涂用等离子喷枪 |
| JP2013086176A (ja) * | 2011-10-24 | 2013-05-13 | Panasonic Corp | プラズマ切断トーチ |
| CN102802335A (zh) * | 2012-08-19 | 2012-11-28 | 周开根 | 内电弧等离子体喷枪 |
| CN202713769U (zh) * | 2012-08-19 | 2013-01-30 | 周开根 | 内电弧等离子体喷枪 |
| CN103277792A (zh) * | 2013-05-31 | 2013-09-04 | 衢州昀睿工业设计有限公司 | 等离子体煤粉燃烧器 |
Non-Patent Citations (1)
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