CN105071225A - 一种气密性间隙可调的火花隙开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气密性间隙可调的火花隙开关。该气密性间隙可调的火花隙开关包括由阳极、阴极和触发电极组成的可控火花隙开关，由绝缘外壳、阳极法兰、阴极法兰、触发电极绝缘套、阳极密封压板、触发电极密封压板及相应接缝处的密封垫圈组成的气密性开关工作空间，由充气阀和排气阀组成的可实现低压、高压或惰性气体开关工作氛围的充排气系统。本发明能够根据应用需求，改变开关工作的气压和气体氛围，提高开关工作的可靠性、增强抗干扰能力，而且本发明能够改变阴极和阳极的放电距离，适应不同应用中不同工作电压等级的要求，提高火花隙开关的工作寿命和环境适应性。

Description

一种气密性间隙可调的火花隙开关

技术领域

本发明属于脉冲功率技术，高能激光及高能脉冲电流实验研究等技术领域，特别涉及一种气密性间隙可调的火花隙开关。

背景技术

脉冲功率技术是对能量在时间和空间上进行压缩，然后在较短的时间内以较高的功率释放能量到特定负载上的技术。脉冲功率电源是脉冲功率系统中的关键装置，其作用是在较短时间内产生高瞬时功率的脉冲，用以驱动特定负载，它一般主要由三部分构成：储能装置、高压开关和负载，其中高压开关是形成高压脉冲的关键部件，也是高压脉冲电源工作的核心，高压开关的性能直接决定着电源整体的性能。

目前，由于脉冲功率电源在工业和科研领域的广泛应用，例如：废水处理、废气处理、杀菌消毒、高能粒子束产生、高能激光、产生等离子体等，对高压开关的性能也提出了一些基本要求，即，1）脉冲上升沿陡；2）高电压，大电流，高功率；3）开关的工作参数方便易调整；4）工作寿命长。传统开关如晶闸管、IGBT、MOSFT等虽然工作寿命长，重复频率高，但是开断电压和电流不能太大，开断功率小，开断高电压大电流所用时间较长，价格昂贵，并且需要有复杂的控制和保护电路，因而限制了其在高压脉冲电源技术中的应用。火花隙开关由于其具有开断电压高、电流大、开关时间短、成本低、控制简单等优点而在高压脉冲电源技术中得到了广泛应用。

但是，随着技术的进步，对火花隙的设计与应用提出了一些新的要求，例如，为了适应不同的实验电压等级要求，需要改变阳极和阴极的放电间隙；为了提高开关的可靠性，降低烧蚀，降低导通电阻，一般会采取填充特殊气体或降低气压的方法，因而要求火花隙开关具有一定的气密性，并能够进行充放气；为了减小火花隙开关的体积，使之不对设备空间造成压力，通常会要求对火花隙开关进行紧凑设计；另外，为了提高使用寿命，对火花隙开关的制造材料，尤其是电极材料提出了更高的要求。

发明内容

针对火花隙开关在实际应用中所遇到的问题，本发明的目的是提供一种气密性间隙可调的火花隙开关，具备较高的可靠性、较低的导通电阻、较长的寿命、较强的抗干扰能力。

本发明是这样实现的：一种气密性间隙可调的火花隙开关，包括气密性开关工作腔体、间隙可调火花隙开关和充排气系统，其中气密性开关工作腔体由绝缘外壳、阳极法兰、阴极法兰、阳极密封压板、触发电极绝缘套、触发电极密封压板以及提供气密性的阳极密封垫圈、阳极法兰密封垫圈、阴极法兰密封垫圈、阴极密封垫圈、触发电极绝缘套密封垫圈、触发电极密封垫圈组成，间隙可调火花隙开关由阳极、阴极、触发电极组成，充排气系统由充气阀和排气阀组成，且能够实现低压、高压或惰性气体开关工作氛围；阳极和阴极左右对置，触发电极、触发电极绝缘套、阴极、阳极同轴心地布置在腔体中，充气阀和排气阀对称分布在腔体的中间截面两侧，由充气阀和排气阀调节开关工作腔体中的气压和气体种类；两片L型支撑脚通过螺栓分别与阳极法兰和阴极法兰固定在一起，并能够通过螺栓固定在其他设备上。

所述绝缘外壳为圆筒状，圆筒中间部分经过机械加工变薄，以减轻重量，采用的是聚四氟乙烯材料；阳极法兰为聚四氟乙烯圆板，中心掏空，用以支撑阳极；阴极法兰采用黄铜圆板加工，中心掏空，用以支撑触发电极绝缘套，阴极法兰表面径向中心处加工出一个螺孔，作为阴极接线端。

所述阳极采用黄铜材料，处于开关腔体外的一端为细圆棒状，表面加工出螺纹，用作阳极接线端，阳极处于开关腔体内的一端为球面放电端。

所述阳极密封压板采用聚四氟乙烯圆板加工而成，通过螺栓固定在阳极法兰上，中心加工出与阳极法兰同心圆孔，通过压紧套在阳极上的阳极密封垫圈实现阳极的密封。

所述阴极采用黄铜柱加工而成，放电端面加工成球面，中心加工出圆孔，通过螺栓固定在开关腔体内部；压紧阴极密封垫圈实现阴极的密封。

所述触发电极采用钨棒加工而成，放电端加工成四楞尖针状，放置于触发电极绝缘套内。

所述触发电极绝缘套采用聚四氟乙烯加工而成，置于阴极中心孔内，通过触发电极绝缘套密封垫圈实现密封。

所述触发电极密封压板采用聚四氟乙烯圆板加工而成，通过螺栓与触发电极绝缘套固定，压紧触发电极密封垫圈实现触发电极的密封。

所述充气阀和排气阀通过预留在绝缘外壳的螺孔固定在开关腔体的两侧。

本发明能够取得以下有益效果：

(1)在能够改变阳极和阴极间放电间隙的前提下实现了开关工作腔体的密封，能够使开关工作在低气压下或是充入氮气等其他气体，使开关的动作更可靠，降低导通电阻，并能够有效地提高使用寿命。

(2)可以根据放电等级的要求，改变阳极和阴极的距离，从而改变火花隙开关工作的电压等级。改变阳极和阴极的距离并不会影响到开关的气密性。

(3)开关的阴极和阳极的放电面都采用球面结构，可以保证阴极和阳极上的放电面更为均匀，减小阴极和阳极轴线相对位置的差异对放电面的影响。另外，阴极和阳极采用大直径的球面结构，能够使得放电时空气击穿的通道更大，降低开关的导通电阻。

(4)触发电极的放电部位为尖针状，能够降低触发难度。触发电极置于阴极内部，能够有效地减小开关体积，提高了开关的实用性。

(5)该结构的火花隙开关拆卸维修方便，提高了开关的实用性。

附图说明

图1是本发明实施例1气密性间隙可调的火花隙开关的结构示意图。

图2是本发明实施例1气密性间隙可调的火花隙开关的阳极结构示意图。

图3是本发明实施例1气密性间隙可调的火花隙开关的阴极结构示意图。

图中标记：1-充气阀；2-绝缘外壳；3-螺栓；4-阳极法兰；5-阳极；6-阳极密封压板；7-阳极密封垫圈；8-阳极法兰密封垫圈；9-阴极法兰；10-阴极接线端；11-阴极法兰密封垫圈；12-L型支撑脚；13-阴极；14-触发电极绝缘套；15-触发电极；16-触发电极密封压板；17-阴极密封垫圈；18-触发电极绝缘套密封垫圈；19-触发电极密封垫圈；20-排气阀。

图4是本发明实施例2气密性间隙可调的空气开关的结构示意图。

图中标记：1-充气阀；2-绝缘外壳；3-螺栓；4-阳极法兰；5-阳极；6-阳极密封压板；7-阳极密封垫圈；8-阳极法兰密封垫圈；9-阴极法兰；10-阴极接线端；11-阴极法兰密封垫圈；12-L型支撑脚；13-阴极；20-排气阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

实施例1：

参见附图1，2，3，气密性间隙可调的火花隙开关包括绝缘外壳2，阳极法兰4，阳极5，阴极法兰9，阴极13，触发电极15，触发电极绝缘套14组成的开关主体。阳极法兰4和阴极法兰9通过螺栓3分别固定在绝缘外壳2的两侧，阳极5置于阳极法兰4中心的开孔中，阴极13通过螺栓固定在腔体内侧的阴极法兰9上，触发电极15放置于触发电极绝缘套14内部，并一起放置到阴极13中心开孔内。

阳极法兰4与绝缘外壳2之间通过阳极法兰密封垫圈8进行密封，阴极法兰9与绝缘外壳2之间通过阴极法兰密封垫圈11进行密封。阳极5与阳极法兰4之间通过阳极密封压板6和阳极密封垫圈7进行密封，其中阳极密封压板6与阳极法兰4之间通过螺栓固定，见图2。阴极13和阴极法兰9之间通过阴极法兰密封垫圈11进行密封。触发电极绝缘套14通过触发电极绝缘套密封垫圈18与阴极法兰9进行密封。触发电极15通过触发电极密封压板16和触发电极密封垫圈19与触发电极绝缘套14进行密封，其中触发电极密封压板16和触发电极绝缘套14之间通过螺栓进行连接，见图3。

充气阀1和排气阀20通过绝缘外壳2表面上加工的螺纹进行安装。

L型支撑脚12通过螺栓分别与阳极法兰4和阴极法兰9固定在一起，并可通过螺栓固定在其他设备上。

本开关在工作时，阳极引线通过两颗螺母固定到阳极5处于开关腔体外部分的螺纹上，阴极引线通过螺栓固定在阴极法兰9上预留的阴极接线端10上，触发信号引线通过焊接的方式固定在触发电极15位于开关腔体外的部分。

调整阳极5放电端面与阴极13放电端面的距离，以适应不同应用所需的工作电压要求。调整触发电极15深入开关腔体内部的距离，以保证触发的稳定可靠。通过排气阀20降低开关腔体的工作气压，或是通过充气阀1给开关腔体中充入不同的气体。之后可进行正常实验工作。

实施例2：

参加附图4，改变阴极13加工方式，去掉中心开孔，去掉阴极法兰9的中心开孔，去掉触发电极15和触发电极绝缘套14，相应地去掉阴极密封垫圈17，触发电极密封垫圈19，触发电极绝缘套密封垫圈18和触发电极密封压板16。此开关能够作为气密性、间隙可调的空气开关使用，可以使用在某些对空气开关工作的可靠性、工作电压范围、性能要求较高的场合。此时阳极引线和阴极引线的连接方式同实施例1。

Claims (1)

1.一种气密性间隙可调的火花隙开关，其特征在于该开关包括气密性开关工作腔体、间隙可调火花隙开关和充排气系统，其中气密性开关工作腔体由绝缘外壳(2)、阳极法兰(4)、阴极法兰(9)、阳极密封压板(6)、触发电极绝缘套(14)、触发电极密封压板(16)以及提供气密性的阳极密封垫圈(7)、阳极法兰密封垫圈(8)、阴极法兰密封垫圈(11)、阴极密封垫圈(17)、触发电极绝缘套密封垫圈(18)、触发电极密封垫圈(19)组成，间隙可调火花隙开关由阳极(5)、阴极(13)、触发电极(15)组成，充排气系统由充气阀(1)和排气阀(20)组成，且能够实现低压、高压或惰性气体开关工作氛围；阳极(5)和阴极(13)左右对置，触发电极(15)、触发电极绝缘套(14)、阴极(13)、阳极(5)同轴心地布置在腔体中，充气阀(1)和排气阀(20)对称分布在腔体的中间截面两侧，由充气阀(1)和排气阀(20)调节开关工作腔体中的气压和气体种类；两片L型支撑脚(12)通过螺栓分别与阳极法兰(4)和阴极法兰(9)固定在一起，并能够通过螺栓固定在其他设备上；

所述绝缘外壳(2)为圆筒状，圆筒中间部分经过机械加工变薄，以减轻重量，采用的是聚四氟乙烯材料；阳极法兰(4)为聚四氟乙烯圆板，中心掏空，用以支撑阳极(5)；阴极法兰(9)采用黄铜圆板加工，中心掏空，用以支撑触发电极绝缘套(14)，阴极法兰(9)表面径向中心处加工出一个螺孔，作为阴极接线端(10)；

所述阳极(5)采用黄铜材料，处于开关腔体外的一端为细圆棒状，表面加工出螺纹，用作阳极接线端，阳极(5)处于开关腔体内的一端为球面放电端；

所述阳极密封压板(6)采用聚四氟乙烯圆板加工而成，通过螺栓固定在阳极法兰(4)上，中心加工出与阳极法兰(4)同心圆孔，通过压紧套在阳极上的阳极密封垫圈(7)实现阳极(5)的密封；

所述阴极(13)采用黄铜柱加工而成，放电端面加工成球面，中心加工出圆孔，通过螺栓固定在开关腔体内部；压紧阴极密封垫圈(17)实现阴极(13)的密封；

所述触发电极(15)采用钨棒加工而成，放电端加工成四楞尖针状，放置于触发电极绝缘套(14)内；

所述触发电极绝缘套(14)采用聚四氟乙烯加工而成，置于阴极(13)中心孔内，通过触发电极绝缘套密封垫圈(18)实现密封；

所述触发电极密封压板(16)采用聚四氟乙烯圆板加工而成，通过螺栓与触发电极绝缘套(14)固定，压紧触发电极密封垫圈(19)实现触发电极(15)的密封；

所述充气阀(1)和排气阀(20)通过预留在绝缘外壳(2)的螺孔固定在开关腔体的两侧。