CN104602432A - 阳极自冷却等离子体源 - Google Patents

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王井楠
赵华
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Abstract

本发明公开了一种阳极自冷却等离子体源，包括阴极、阳极和外壳，所述阴极和阳极分别固定设置在外壳的两端，阴极、阳极和外壳组合形成气流通道，所述阳极内部设置有冷却通道，所述阳极上设置有分别与冷却通道相通的进气口和出气口，所述冷却通道通过出气口与气流通道连通，所述气流通道与阳极的电弧通道连通，工作时，工作气体依次经冷却通道和气流通道后进入电弧通道。本发明能够解决以下技术问题：一是能够利用工作气体自冷却阳极；二是能够提高工作气体进入电弧通道的温度，从而提高等离子体源的热效率；三是能够平衡电弧通道内外工作气体压力，稳定等离子体射流。

Description

阳极自冷却等离子体源
技术领域
本发明涉及等离子体发生装置，尤其涉及一种阳极自冷却等离子体源。
背景技术
等离子体源是产生等离子体的装置，它是利用阴极与阳极之间的电弧能量，将工作气体加热并使其电离成等离子体，然后从通道射出，形成等离子体射流。等离子体由于具有高温、高能量密度以及气氛可控等特点，已经广泛应用于喷涂、切割、焊接等传统领域。
现有技术中，等离子体发生装置主要由电极、电弧和电源组成，如中国专利号“201310131303.2”在2013年7月10日公开了一种电弧等离子体装置，其技术方案为所述等离子体装置的喷枪由阳极、阴极头、阴极帽、枪筒和阴极基座组成，阳极、枪筒和阴极基座同轴心设置，枪筒的后端连接在阴极基座上构成枪体，阳极连接在枪筒的前端，阳极的环心空间构成喷口，枪筒的内空间构成气室，阴极基座构成枪筒的后封闭端，阴极头设置在枪体内，阴极帽把阴极头紧固在阴极基座上，阴极头与阳极之间的空间构成放电空间；其中，阴极基座为圆盘体设计，圆盘体的圆心上有过孔，过孔构成阴极头的安装孔和冷却腔，阴极头为圆柱实体，阴极头的后部圆柱实体上有工作水气化孔或汽化肋片，阴极帽与阴极头的圆柱实体之间的环槽空间构成喷汽环，喷汽环的出口在气室。但在实际使用过程中，由于等离子体源的功率多为几十到几百千瓦，阳极作为能量载体，若冷却不良，将造成等离子体源烧损失效，因此对阳极冷却至关重要。但以上述专利文件为代表的现有技术，对阳极的冷却方式通常是在等离子体源内部设计加工出水冷通道，利用冷却水把阳极上额外能量带走，降低阳极温度。但是对于某些特殊应用领域，则要求不能采用辅助冷却手段，因此传统的冷却方式不再适用。另外等离子体源工作时，电弧通道中工作气体的温度逐渐升高，进而导致气压升高，这就会对气流通道中的气体产生一个反向作用力，造成气流通道中的气压波动，且二者压力相差越大，波动越明显，最终造成等离子体源射流不稳定性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供一种阳极自冷却等离子体源，本发明能够解决以下技术问题：一是能够利用工作气体自冷却阳极；二是能够提高工作气体进入电弧通道的温度，从而提高等离子体源的热效率；三是能够平衡电弧通道内外工作气体压力，稳定等离子体射流。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种阳极自冷却等离子体源，其特征在于：包括阴极、阳极和外壳，所述阴极和阳极分别固定设置在外壳的两端，阴极、阳极和外壳组合形成气流通道，所述阳极内部设置有冷却通道，所述阳极上设置有分别与冷却通道相通的进气口和出气口，所述冷却通道通过出气口与气流通道连通，所述气流通道与阳极的电弧通道连通，工作时，工作气体依次经冷却通道和气流通道后进入电弧通道。
所述阴极与阳极之间固定设置有中间段，所述气流通道由阴极、阳极、中间段和外壳组合形成，所述中间段内部开设有过渡电弧通道，所述过渡电弧通道的两端分别与气流通道和阳极的电弧通道相通。
所述中间段上设置有与过渡电弧通道相通的锥形口，所述阴极的端部位于锥形口内，且阴极的端部与锥形口之间有间隙。
所述阴极与外壳之间设置有绝缘体a，所述中间段与阳极之间设置有绝缘体b。
所述中间段的数量至少为二个，且相邻两中间段之间设置有绝缘体b。
所述外壳为筒形，沿筒形外壳轴心线方向的筒壁内开设有进气通道，进气通道与进气口连通。
所述冷却通道内设置有冷却结构，所述冷却结构是由所述冷却通道环状分布在阳极内部形成的冷却结构。
所述冷却通道内设置有冷却结构，所述冷却结构是由所述冷却通道螺旋状分布在阳极内部形成的冷却结构。
所述冷却结构是由所述冷却通道呈竖直螺旋状分布在阳极内部形成的冷却结构。
所述冷却结构是由所述冷却通道呈水平螺旋状分布在阳极内部形成的冷却结构。
采用本发明的优点在于：
一、本发明中，由于阳极上的冷却通道通过气流通道与电弧通道相通，因此能够利用工作气体作为冷却气体吸收阳极释放的热量，即工作气体在被电离成等离子前能够预先冷却阳极，既实现了工作气体的自冷却，又提高了工作气体的利用率。反之，工作气体在被电离前，与阳极发生热交换，工作气体的温度上升，即提高了进入电弧通道的工作气体的温度，进而提高了等离子体源的热效率。另外，从进入阳极时起，工作气体的温度就逐渐升高，工作气体流动一段距离后才会进入电弧通道，这就能够平衡电弧通道内外工作气体的压力，达到稳定等离子体射流的目的。
二、本发明中，在阴极与阳极之间设置的中间段，能够拉长电弧通道的长度，不仅能够进一步平衡工作气体的压力，还能够提高等离子源的功率；同时，由于中间段在工作时也具有较高的温度，因此中间段还能够保持进入气流通道的工作气体的温度不会下降。
三、本发明中，通过锥形口能够保证工作气体均匀地、持续地进入过渡电弧通道，使等离子体射流更加稳定。
四、本发明中，绝缘体a和绝缘体b的设置，不仅提高了等离子体源的使用安全性，还提高了等离子体源的使用寿命。
五、本发明中，中间段的数量至少为二个，且相邻两中间段之间设置有绝缘体b，该结构能够防止等离子体射流断流，增强了等离子体射流的稳定性。
六、本发明中，外壳为筒形，沿筒形外壳轴心线方向的筒壁内开设有进气通道，该结构使得工作气体的进气端设置在整个等离子体源的后端，不仅能够防止阳极喷出的射流对进气管造成意外损坏，还有利于方便操作。
七、本发明中，在阳极内部设置多层冷却通道，冷却通道呈螺旋状分布或环状分布，都是为了增大工作气体与阳极的接触面积，从而进一步提高冷却阳极和吸收阳极上额外能量的效果。
附图说明
图1为本发明中实施例1的结构示意图；
图2为本发明中实施例2的结构示意图；
图3为本发明中多环状冷却通道阳极的结构示意图；
图4为本发明中螺旋状冷却通道阳极的结构示意图；
图中标记为：1、阴极，2、阳极，3、中间段，4、外壳，5、冷却通道，6、电弧通道，7、气流通道，8、过渡电弧通道，9、进气口，10、出气口，11、绝缘体a，12、绝缘体b，13、进气通道，14、冷却结构。
具体实施方式
实施例1
一种阳极自冷却等离子体源，包括阴极1、阳极2和外壳4，所述阴极1和阳极2分别固定设置在外壳4的两端，阴极1、阳极2和外壳4组合形成气流通道7，所述阳极2内部设置有冷却通道5，所述阳极2上设置有分别与冷却通道5相通的进气口9和出气口10，所述冷却通道5通过出气口10与气流通道7连通，所述气流通道7与阳极2的电弧通道6连通，工作时，工作气体依次经冷却通道5和气流通道7后进入电弧通道6。
本实施例中，所述冷却通道5为设置在阳极2内部的空腔；所述空腔分别与进气口9和出气口10连通。
等离子体源工作时，工作气体由进气口9进入阳极2内部的冷却通道5，气体在冷却通道5中与阳极2发生热交换，带走阳极2的热量，并经出气口10进入等离子体源的气流通道7内，最后进入电弧通道6内；工作气体在经过阳极2内部的冷却通道5时，吸收阳极2释放的热量，温度升高，气压增加，使得电弧通道6内外气体压力差减小，气流波动减小，能够稳定等离子体射流；同时阳极2上额外的热量部分被用于气体电离，提高了等离子体源的热效率。
实施例2
一种阳极自冷却等离子体源，包括阴极1、阳极2、中间段3和外壳4，所述阴极1和阳极2分别固定设置在外壳4的两端，所述中间段3固定设置在阴极1与阳极2之间，阴极1、阳极2、中间段3和外壳4组合形成气流通道7，所述中间段3内部开设有过渡电弧通道8，所述阳极2内部设置有冷却通道5，所述阳极2上设置有分别与冷却通道5相通的进气口9和出气口10，所述冷却通道5通过出气口10与气流通道7连通，所述过渡电弧通道8的两端分别与气流通道7和阳极2的电弧通道6相通，工作时，工作气体依次经冷却通道5和气流通道7后进入过渡电弧通道8。
本实施例中，所述中间段3上设置有与过渡电弧通道8相通的锥形口，所述阴极1的端部位于锥形口内，且阴极1的端部与锥形口之间有间隙。
进一步的，所述阴极1与外壳4之间设置有绝缘体a11，所述中间段3与阳极2之间设置有绝缘体b12，进一步的，所述中间段3的数量至少为二个，且相邻两中间段3之间设置有绝缘体b12。其中，绝缘体a11优选由聚四氟乙烯制成，绝缘体b12优选由耐高温陶瓷制成。
本实施例中，所述外壳4为筒形，沿筒形外壳4轴心线方向的筒壁内部开设有进气通道13，进气通道13的一端与进气口9连通，另一端与工作气体的进入管连通。
等离子体源工作时，工作气体由进气口9进入阳极2内部的冷却通道5，气体在冷却通道5中与阳极2发生热交换，带走阳极2的热量，并经出气口10进入等离子体源的气流通道7内，然后进入过渡电弧通道8，最后由阳极2的电绵通道喷出；工作气体在经过阳极2内部的冷却通道5时，吸收阳极2释放的热量，温度升高，气压增加，使得电弧通道6内外气体压力差减小，气流波动减小，能够稳定等离子体射流；同时阳极2上额外的热量部分被用于气体电离，提高了等离子体源的热效率。
实施例3
一种阳极自冷却等离子体源，包括阴极1、阳极2、中间段3和外壳4，所述阴极1和阳极2分别固定设置在外壳4的两端，所述中间段3固定设置在阴极1与阳极2之间，阴极1、阳极2、中间段3和外壳4组合形成气流通道7，所述中间段3内部开设有过渡电弧通道8，所述阳极2内部设置有冷却通道5，所述冷却通道5内设置有冷却结构14，所述冷却结构14是由所述冷却通道5环状分布在阳极2内部形成的冷却结构14，所述阳极2上设置有分别与冷却通道5相通的进气口9和出气口10，所述冷却通道5通过出气口10与气流通道7连通，所述过渡电弧通道8的两端分别与气流通道7和阳极2的电弧通道6相通，工作时，工作气体依次经冷却通道5和气流通道7后进入过渡电弧通道8。
实施例4
一种阳极自冷却等离子体源，包括阴极1、阳极2、中间段3和外壳4，所述阴极1和阳极2分别固定设置在外壳4的两端，所述中间段3固定设置在阴极1与阳极2之间，阴极1、阳极2、中间段3和外壳4组合形成气流通道7，所述中间段3内部开设有过渡电弧通道8，所述阳极2内部设置有冷却通道5，所述冷却通道5内设置有冷却结构14，所述冷却结构14是由所述冷却通道5螺旋状分布在阳极2内部形成的冷却结构14，所述阳极2上设置有分别与冷却通道5相通的进气口9和出气口10，所述冷却通道5通过出气口10与气流通道7连通，所述过渡电弧通道8的两端分别与气流通道7和阳极2的电弧通道6相通，工作时，工作气体依次经冷却通道5和气流通道7后进入过渡电弧通道8。
为了进一步提高冷却效果，阳极2内部可以设置多层冷却通道5，增大工作气体与阳极2的接触面积，从而进一步提高了冷却阳极2和吸收阳极2上额外热量的效果。阳极2内部的冷却通道5呈环状或螺旋状分布，都是为了增大工作气体与阳极2的接触面积，而进一步提高了冷却阳极2和吸收阳极2上额外热量的效果。
实施例5
一种阳极自冷却等离子体源，包括阴极1、阳极2、中间段3和外壳4，所述阴极1和阳极2分别固定设置在外壳4的两端，所述中间段3固定设置在阴极1与阳极2之间，阴极1、阳极2、中间段3和外壳4组合形成气流通道7，所述中间段3内部开设有过渡电弧通道8，所述阳极2内部设置有冷却通道5，所述冷却通道5内设置有冷却结构14，所述冷却结构14是由所述冷却通道5呈竖直螺旋状分布在阳极2内部形成的冷却结构14，所述阳极2上设置有分别与冷却通道5相通的进气口9和出气口10，所述冷却通道5通过出气口10与气流通道7连通，所述过渡电弧通道8的两端分别与气流通道7和阳极2的电弧通道6相通，工作时，工作气体依次经冷却通道5和气流通道7后进入过渡电弧通道8。
实施例6
一种阳极自冷却等离子体源，包括阴极1、阳极2、中间段3和外壳4，所述阴极1和阳极2分别固定设置在外壳4的两端，所述中间段3固定设置在阴极1与阳极2之间，阴极1、阳极2、中间段3和外壳4组合形成气流通道7，所述中间段3内部开设有过渡电弧通道8，所述阳极2内部设置有冷却通道5，所述冷却通道5内设置有冷却结构14，所述冷却结构14是由所述冷却通道5呈水平螺旋状分布在阳极2内部形成的冷却结构14，所述阳极2上设置有分别与冷却通道5相通的进气口9和出气口10，所述冷却通道5通过出气口10与气流通道7连通，所述过渡电弧通道8的两端分别与气流通道7和阳极2的电弧通道6相通，工作时，工作气体依次经冷却通道5和气流通道7后进入过渡电弧通道8。
本实施例中，所述阳极2内部设置有两层冷却通道5；其中一层冷却通道5呈环状分布在阳极2内部，且相邻两个环状冷却通道5连通；另一层冷却通道5呈螺旋状分布在阳极2内部。为了进一步提高冷却效果，阳极2内部可以设置多层冷却通道5，增大工作气体与阳极2的接触面积，从而进一步提高了冷却阳极2和吸收阳极2上额外热量的效果。阳极2内部的冷却通道5呈环状或螺旋状分布，都是为了增大工作气体与阳极2的接触面积，而进一步提高了冷却阳极2和吸收阳极2上额外热量的效果。

Claims (10)

1.一种阳极自冷却等离子体源，其特征在于：包括阴极（1）、阳极（2）和外壳（4），所述阴极（1）和阳极（2）分别固定设置在外壳（4）的两端，阴极（1）、阳极（2）和外壳（4）组合形成气流通道（7），所述阳极（2）内部设置有冷却通道（5），所述阳极（2）上设置有分别与冷却通道（5）相通的进气口（9）和出气口（10），所述冷却通道（5）通过出气口（10）与气流通道（7）连通，所述气流通道（7）与阳极（2）的电弧通道（6）连通，工作时，工作气体依次经冷却通道（5）和气流通道（7）后进入电弧通道（6）。
2.如权利要求1所述的阳极自冷却等离子体源，其特征在于：所述阴极（1）与阳极（2）之间固定设置有中间段（3），所述气流通道（7）由阴极（1）、阳极（2）、中间段（3）和外壳（4）组合形成，所述中间段（3）内部开设有过渡电弧通道（8），所述过渡电弧通道（8）的两端分别与气流通道（7）和阳极（2）的电弧通道（6）相通。
3.如权利要求2所述的阳极自冷却等离子体源，其特征在于：所述中间段（3）上设置有与过渡电弧通道（8）相通的锥形口，所述阴极（1）的端部位于锥形口内，且阴极（1）的端部与锥形口之间有间隙。
4.如权利要求2所述的阳极自冷却等离子体源，其特征在于：所述阴极（1）与外壳（4）之间设置有绝缘体a（11），所述中间段（3）与阳极（2）之间设置有绝缘体b（12）。
5.如权利要求2或4所述的阳极自冷却等离子体源，其特征在于：所述中间段（3）的数量至少为二个，且相邻两中间段（3）之间设置有绝缘体b（12）。
6.如权利要求1或2所述的阳极自冷却等离子体源，其特征在于：所述外壳（4）为筒形，沿筒形外壳（4）轴心线方向的筒壁内开设有进气通道（13），进气通道（13）与进气口（9）连通。
7.如权利要求1所述的阳极自冷却等离子体源，其特征在于：所述冷却通道（5）内设置有冷却结构（14），所述冷却结构（14）是由所述冷却通道（5）环状分布在阳极（2）内部形成的冷却结构（14）。
8.如权利要求1所述的阳极自冷却等离子体源，其特征在于：所述冷却通道（5）内设置有冷却结构（14），所述冷却结构（14）是由所述冷却通道（5）螺旋状分布在阳极（2）内部形成的冷却结构（14）。
9.如权利要求7或8所述的阳极自冷却等离子体源，其特征在于：所述冷却结构（14）是由所述冷却通道（5）呈竖直螺旋状分布在阳极（2）内部形成的冷却结构（14）。
10.如权利要求7或8所述的阳极自冷却等离子体源，其特征在于：所述冷却结构（14）是由所述冷却通道（5）呈水平螺旋状分布在阳极（2）内部形成的冷却结构（14）。
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