CN104684234A - 一种大功率空冷等离子发生器 - Google Patents
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Abstract
一种大功率空冷等离子发生器，主要由阴极体、阳极体、磁线圈组成，阴极体形状为陀螺状，阳极体的结构采用拉瓦尔喷管结构，阴极体和阳极体呈同轴式布置，磁线圈布置在阴极体后部并串接在阴极体电路回路中，阴极体与阳极体之间形成电弧，电弧在磁线圈产生洛伦兹力的作用下高速旋转并被旋转气流沿阳极体通道吹出形成等离子流，阴极体及阳极体的冷却均采用空冷方式，将大功率等离子发生器阴极体和阳极体冷却方式由水冷改为空气冷却，克服了现有水冷电极等离子的结构复杂、可靠性差的问题。具有热效率高、结构紧凑、运行稳定、实用性强及使用寿命长等优点。
Description
技术领域
本发明涉及等离子发生器，尤其是一种适用于无冷却水的大功率空冷等离子发生器。
背景技术
目前的大功率等离子发生器大都采用了水冷却电极。传统的等离子电极工作温度高，除了小功率的间断工作的切割和焊接的等离子可以采用气冷外，大功率等离子电极长期工作必须使用水冷或液冷。即使是30KW以下的切割和焊接的气冷等离子电极使用寿命也通常在2~5小时，基本无法超越5小时。因此对于需要长时间工作的100KW量级的电厂煤粉锅炉的等离子点火一律使用了水冷电极。如专利：CN200620013110.2、 CN201120372286.8 和CN201020204696.7公开的等离子发生器都使用了水冷电极。
由于水冷电极等离子的结构复杂、可靠性差。申请号为：201410114453.7的公开的磁旋弧等离子发生器，采用了阴极体内置或阴极体后置磁场线圈和铁芯的等离子发生器，其等离子发生器采用了空冷。介于切割和焊接的小功率气冷等离子，虽然电极使用寿命在5小时以内的情况下仍被广泛应用多年。但大功率等离子在空冷条件下不能长时间工作，如前所述的小功率切割和焊接的气冷等离子电极也只能在5小时以内，更何况100KW功率量级的电极在空冷条件下达到100小时量级的等离子电极寿命更是难以想象，在100小时量级的等离子电极寿命即使在电极水冷条件下也是一件困难的事。因此，对于40KW以上达到100KW量级的等离子发生器电极必须采用水冷似乎已成为业内人公认的实事或公理。
然而，经过大量实验证明：没有冷却水的空冷等离子发生器电极由于没有电极烧漏的缺陷，电极的可烧蚀量较大，可以达到比有冷却水条件下更长的使用寿命，实验室阴极体寿命已达到300小时尚未烧坏，阳极体已使用120小时尚未烧坏，这种测试结果大大超出了在原有理论和认识条件下的认知或预料；因此，打破之前认为对于40KW以上达到100KW量级的等离子发生器电极必须水冷的传统认识或偏见，提供无需水冷式的等离子发生器，是简化结构、提高寿命是现场急侍解决的问题。
发明内容
技术问题：本发明的目的是克服已有技术中的不足之处，提供一种结构简单、可靠性高、使用寿命长的大功率空冷等离子发生器。
技术方案：本发明的大功率的空冷等离子发生器，包括阴极体、阳极体、磁线圈、阴极体杆，所述的阳极体呈柱状，中部开有通孔，入口一端呈喇叭口，喇叭口一端连有阳极体管，阳极体管内设有与阳极体入口相对的阴极体，所述的磁线圈布置在阴极体的后部，并串接在阴极体的回路中，所述的阳极体管的管壁上设有进气管，阳极体管端口设有绝缘环一，内部设有绝缘环二，绝缘环一中部设有阴极体杆，阴极体杆一端穿过绝缘环一与直流电源相连接，另一端与磁线圈一端相连接，磁线圈另一端穿过绝缘环二相接阴极体上，阴极体回路中的电流通过磁线圈产生磁场，磁线圈的铁芯起增强磁场的作用，阴极体与阳极体之间形成电弧，电弧在磁线圈产生的洛伦兹力作用下高速旋转，从进气管进入阳极体管的气体穿过绝缘环二，通过阴极体并形成旋流气流，起到降低阴极体和阳极体温度和加大电弧旋转速度的作用，旋流气流将旋转电弧沿阳极体通道吹出形成等离子流；所述的阴极体和阳极体同轴布置。
所述等离子发生器的额定输入功率>40KW的等离子发生器。
所述等离子发生器的冷却介质是空气、水蒸气、氮气、氩气、富氧空气、煤气、天然气、液化石油气中的一种或几种。
所述阳极体的出口通道为直管或为先收敛后扩散的拉瓦尔喷管式结构。
所述的阴极体包括呈陀螺状的阴极体本体一，阴极体本体一与磁线圈相连一端开有内凹槽，内凹槽壁端布有切向旋流叶片，阴极体本体一的锥体前部开有多个孔，孔内镶嵌有低电子逸出功能的阴极体丝。
所述的阴极体包括呈陀螺状的阴极体本体二，阴极体本体二与磁线圈相连一端开有内凹槽，内凹槽壁端布有切向旋流叶片，阴极体本体二的锥体前部设有阴极体环。
有益效果:由于采用了上述技术方案，本发明通过阴极体与阳极体之间形成电弧，电弧在磁线圈产生洛伦兹力的作用下高速旋转并被旋流气流沿通道吹出形成等离子流，阴极体及阳极体的冷却均采用空冷方式，空冷等离子发生器是由同轴式的结构形式来实现，将磁线圈布置在阴极体后部并串接在阴极体电路回路中，大大简化了等离子发生器的结构，节省了等离子枪的设计成本，所形成的高速旋转圆环状大面积的等离子射流可以提高煤粉的燃尽率，节省电能损耗，空冷等离子发生器冷却介质为空气，去除了冷却水带走的热量，大大提高了热效率，同时由于电弧在不断进行高速运转，对阴阳极体的烧蚀点不会停留在某个灼烧区域，这样可以大大提升阴极体与阳极体的使用寿命。具有热效率高、结构紧凑、运行稳定、实用性强及使用寿命长等优点。
附图说明
图1为本发明的大功率空等离子发生器结构示意图；
图2为本发明的阳极体实例一结构图；
图3为本发明的阳极体实例二结构图；
图4（a）为本发明的阴极体实例一结构右视图；
图4（b）为本发明的阴极体实例一结构主视图；
图4（c）为本发明的阴极体实例一结构左视图；
图5（a）为本发明的阴极体实例二结构右视图；
图5（b）为本发明的阴极体实例二结构主视图；
图5（c）为本发明的阴极体实例二结构左视图。
图中：1-绝缘环一，2-进气管，3-阴极体杆，4-阳极体管，5-磁线圈，6-铁芯，7-绝缘环二，8-阴极体，9-阳极体，10-阴极体本体一，11-阴极体丝，12-阴极体本体二，13-阴极体环。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明：
如图1所示，本发明的大功率的空冷等离子发生器，主要由阴极体8、阳极体9、磁线圈5、阴极体杆3、阳极体管4、绝缘环构成，所述的阳极体9呈柱状，中部开有通孔，入口一端呈喇叭口，喇叭口一端连有阳极体管4，阳极体管4内设有与阳极体9入口相对的阴极体8，所述的磁线圈5布置在阴极体8的后部，并串接在阴极体8的回路中，所述的阳极体管4的管壁上设有进气管2，阳极体管4端口设有绝缘环一1，内部设有绝缘环二7，绝缘环一1中部设有阴极体杆3，阴极体杆3一端穿过绝缘环一1与直流电源相连接，另一端与磁线圈5一端相连接，磁线圈5另一端穿过绝缘环二7相接阴极体8上，阴极体8回路中的电流通过磁线圈5产生磁场，磁线圈5的铁芯6起增强磁场的作用，阴极体8与阳极体9之间形成电弧，电弧在磁线圈5产生的洛伦兹力作用下高速旋转，从进气管2进入阳极体管4的气体穿过绝缘环二7，通过阴极体8并形成旋流气流，起到降低阴极体8和阳极体9温度和加大电弧旋转速度的作用，旋流气流将旋转电弧沿阳极体通道吹出形成等离子流；所述等离子发生器的阴极体8和阳极体9同轴布置。所述的等离子发生器为额定输入功率>40KW的等离子发生器。所述的磁线圈5及其内部的铁芯6的功能也可采用永磁体来实现。通过空气对电极进行冷却，冷却介质除空气外，可以是氮气、氩气、富氧空气、各种燃气中的一种或几种。
图2和图3所示为阳极体9的另外两种结构形式，所述阳极体9的出口通道为直管或为先收敛后扩散的拉瓦尔喷管式结构。
图4（a、b、c）所示为阴极体8的一种结构形式，所述的阴极体8包括呈陀螺状的阴极体本体一10，阴极体本体一10与磁线圈5相连一端开有内凹槽，内凹槽壁端布有切向旋流叶片，阴极体本体一10的锥体前部开有多个孔，孔内镶嵌有低电子逸出功能的阴极体丝11。
图5（a、b、c）所示为阴极体8的另一种结构形式，所述的阴极体8包括呈陀螺状的阴极体本体二12，阴极体本体二12与磁线圈5相连一端开有内凹槽，内凹槽壁端布有切向旋流叶片，阴极体本体二12的锥体前部设有阴极体环13。
工作原理及工作过程：将磁旋弧等离子发生器的磁线圈布置在阴极体后部并串接在阴极体回路中，阴极体与阳极体之间形成电弧，电弧在磁线圈产生洛伦兹力的作用下高速旋转并被旋流气流沿阳极体通道吹出形成等离子流，阴极体及阳极体的冷却方式采用空冷方式。所述的阴极体8为圆锥状，阳极体9为先收敛后扩散的拉瓦尔喷管式结构，阴极体8和阳极体9同轴型布置，即两电极具有相同的轴线，而炽燃在两电极间的电弧却不在轴线上。分别将直流电源接通至阴极体杆3与阳极体管4上，则阴极体8与阳极体9之间的空隙将被接入的高电压击穿形成电弧，故电流回路为从直流电源正极开始，经阳极体管4、阳极体9、电弧、阴极体8、磁线圈5及阴极体杆3回到直流电源的负极。在电弧10形成的同时，电流流经串接在阴极体回路中的磁线圈5并产生洛伦兹力，电弧在洛仑兹力的作用下产生高速旋转，并被进气管2进入的气流吹出后形成等离子流。
Claims (6)
1.一种大功率的空冷等离子发生器，包括阴极体（8）、阳极体（9）、磁线圈（5）、阴极体杆（3），其特征在于：所述的阳极体（9）呈柱状，中部开有通孔，入口一端呈喇叭口，喇叭口一端连有阳极体管（4），阳极体管（4）内设有与阳极体（9）入口相对的阴极体（8），所述的磁线圈（5）布置在阴极体（8）的后部，并串接在阴极体（8）的回路中，所述的阳极体管（4）的管壁上设有进气管（2），阳极体管（4）端口设有绝缘环一（1），内部设有绝缘环二（7），绝缘环一（1）中部设有阴极体杆（3），阴极体杆（3）一端穿过绝缘环一（1）与直流电源相连接，另一端与磁线圈（5）一端相连接，磁线圈（5）另一端穿过绝缘环二（7）相接阴极体（8）上，阴极体（8）回路中的电流通过磁线圈（5）产生磁场，磁线圈（5）的铁芯（6）起增强磁场的作用，阴极体（8）与阳极体（9）之间形成电弧，电弧在磁线圈（5）产生的洛伦兹力作用下高速旋转，从进气管（2）进入阳极体管（4）的气体穿过绝缘环二（7），通过阴极体（8）并形成旋流气流，起到降低阴极体（8）和阳极体（9）温度和加大电弧旋转速度的作用，旋流气流将旋转电弧沿阳极体通道吹出形成等离子流；所述的阴极体（8）和阳极体（9）同轴布置。
2. 根据权利要求1所述的一种磁旋弧等离子发生器，其特征在于：所述等离子发生器的额定输入功率>40KW。
3.根据权利要求1所述的一种磁旋弧等离子发生器，其特征在于：所述等离子发生器的冷却介质为空气、水蒸气、氮气、氩气、富氧空气、煤气、天然气、液化石油气中的一种或几种。
4. 根据权利要求1所述的一种磁旋弧等离子发生器，其特征在于：所述阳极体（9）的出口通道为直管或为先收敛后扩散的拉瓦尔喷管式结构。
5. 根据权利要求1所述的一种磁旋弧等离子发生器，其特征在于：所述的阴极体（8）包括呈陀螺状的阴极体本体一（10），阴极体本体一（10）与磁线圈（5）相连一端开有内凹槽，内凹槽壁端布有切向旋流叶片，阴极体本体一（10）的锥体前部开有多个孔，孔内镶嵌有低电子逸出功能的阴极体丝（11）。
6. 根据权利要求1所述的一种磁旋弧等离子发生器，其特征在于：所述的阴极体（8）包括呈陀螺状的阴极体本体二（12），阴极体本体二（12）与磁线圈（5）相连一端开有内凹槽，内凹槽壁端布有切向旋流叶片，阴极体本体二（12）的锥体前部设有阴极体环（13）。
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