CN106304590B - 一种大功率层流电弧等离子体束发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大功率层流电弧等离子体束发生器，涉及层流等离子发生器技术领域。本发明包括阴极部分和阳极部分，所述阴极部分包括阴极保护罩、阴极连接柱、阴极头和进气环；所述阴极保护罩的一端固定有底座，另一端设置有阳极固定座，进气环设置在阳极固定座内，所述阴极保护罩与阴极连接柱之间设置有用于输送工作气体的气流通道；所述进气环设置在阴极保护罩的一端，且套在阴极连接柱上，所述阴极连接轴与进气环通过密封件连接；本发明可以克服等离子体射流的湍动性，能够产生出高温区域长、能量衰减慢而分布均匀、噪音小、有利于电弧能量的有效利用和便于工艺控制的等离子体射流。

Description

一种大功率层流电弧等离子体束发生器
技术领域
本发明涉及层流等离子发生器技术领域，更具体地说涉及一种大功率层流电弧等离子体束发生器。
背景技术
等离子态是物质的第四态，宇宙中几乎99﹪的物质（不包括尚未确认的暗物质）都处于等离子态。等离子体射流与一般流体在流动特征上有相似性，具有两种流动状态：层流与湍流。对某一指定流体，当其流速小于一特定值时，流体作有规则的层状或流束状运动，流体质点没有横向运动，质点间互不干扰地前进，这种流动形式叫层流；当流体流速大于该值时，流体有规则的运动遭到破坏，质点除了主要的纵向运动外还有附加的横向运动，流体质点交错混乱地前进，这种流动形式叫湍流。
等离子体其温度分布范围则从10 K的低温到核聚变等离子体的 10亿K超高温并拥有一系列独特性质，使等离子体在纳米材料生产、新材料合成、热加工制造、冶炼、钻探、煤化工、垃圾废物处理、材料表面处理、电子、新能源、军事、航空航天等领域获得广泛应用。
在等离子体高温热源方面，目前应用十分广泛的电弧等离子体射流绝大部分采用湍流形态工作，这是由现有湍流电弧等离子体射流发生器技术和工作原理决定的。电弧等离子发生器分为层流和湍流两种，其关键技术是发生器结构设计。
近几十年来，等离子体发生器的研制及等离子诊断技术的开发均取得了巨大的进展，并且等离子体研制与开发的重点已不再局限与航天航空方面的应用，而是更多地转向机械、化工、冶金、环保等工业部门的应用，特别是在材料加工与新材料研制方面的应用。对于工业生产性的应用，要求等离子体发生器有较长的寿命和较高的效率。然而在实际工程应用中，等离子体流呈现复杂的流动状况，特别是大尺寸、大流量、大功率的工业等离子体装置中则通常为湍流流动。
因此，在工业应用中，希望等离子体射流稳定地维持在层流状态，这就需要把握等离子体在发生器中形成的各个环节，控制所有影响电弧稳定性的扰动因素，克服等离子体射流的湍动性，才能产生出高温区域长、能量衰减慢而分布均匀、噪音小、有利于电弧能量的有效利用和便于工艺控制的等离子体射流。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明型提供了一种大功率层流电弧等离子体束发生器，本发明的发明目的旨在于解决现有技术中等离子体流不稳定，呈现湍流的现象，本发明的大功率层流电弧等离子体束发生器，可以克服等离子体射流的湍动性，能够产生出高温区域长、能量衰减慢而分布均匀、噪音小、有利于电弧能量的有效利用和便于工艺控制的等离子体射流。
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明是通过下述技术方案实现的：
一种大功率层流电弧等离子体束发生器，其特征在于：包括阴极部分和阳极部分，所述阴极部分包括阴极保护罩、阴极连接柱、阴极头和进气环；所述阴极保护罩的一端固定有底座，另一端设置有阳极固定座，进气环设置在阳极固定座内，所述阴极保护罩与阴极连接柱之间设置有用于输送工作气体的气流通道；所述进气环设置在阴极保护罩的一端，且套在阴极连接柱上，所述阴极连接轴与进气环通过密封件连接；所述阳极固定座、进气环、密封件和阴极保护罩围成工作气腔，所述气流通道与工作气腔连通，工作气体从气流通道内进入工作气腔然后通过进气环进入电离腔；所述气流通道与工作气腔连通处设置有单向阀，所述进气环的出气口出设置有单向阀。
所述工作气腔内设置有弹簧件，所述弹簧件一端固定在进气环上，另一端固定在阳极固定座上。
所述阳极固定座上设置有与进气环配合的滑动槽，所述进气环在滑动槽内滑动。
所述进气环内部设置有气道，所述气道沿进气环径向螺旋分布。
所述进气环的外表面与电离腔接触的表面上设置有一层绝缘层。
与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：
1、与现有技术相比，本发明的层流电弧等离子体束发生器的结构能够实现层流等离子高弧压、小电流的工作模式，结构相对较为合理，能够形成层流等离子射流。本发明中阳极部分和阴极部分的分布，阴极电离腔的形成，有助于稳定等离子射流。本发明的层流电弧等离子体束发生器产生的射流性能优异，不能可以长时间稳定运行，而且产生的射流具有长度长、能量密度集中、轴向温度梯度小、噪声低、可控性好、可重复、精度高等突出优点。
2、在阴极罩与阴极连接柱之间设置气流通道，工作气体从气流通道进入到进气环，在工作气体输送过程中，被阴极连接柱加热，防止因电离腔内温度较高而形成较高气压，阻挡工作气体输送的现象，同时可以利用阴极连接柱的热量，综合利用资源。
3、本发明中工作气腔的设置可以存储一定量的工作气体，同时在电离腔内温度较高时，气压增加，在进气环出口的单向阀的作用下，电离腔内的气压会挤压进气环向工作气腔移动，而在工作气腔与气流通道之间的单向阀的作用下，工作气腔密封，工作气腔内气压升高，可以调节电离腔内气体的气压，使得电离腔与工作腔内的气压达到平衡，缓解由于电离腔内温度升高而与气流通道内的工作气体形成的气压差，可以保证工作气体的顺利输送，保证了层流等离子的稳定性。
4、阳极固定座上设置滑动槽，使得进气环可以在阳极固定座上滑动，从而达到调节电离腔和工作气腔之间的气压平衡。
5、进气环内的螺旋气道，可以存储一定量的工作气体，可以有效的利用阴极头的温度在工作气体输送过程中进行升温，使其与电离腔内的工作气体温度相近，防止电离腔内对输入的工作气体的阻隔，提高了层流等离子射流的稳定性。同时，螺旋式分布的工作气体，其在压缩的情况下，也在工作气腔的情况下，能够保证在存在气压差的情况下，仍能继续顺利输送工作气体。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
附图标记：1、阴极部分，2、阳极部分，3、阴极保护罩，4、阴极连接柱，5、阴极头，6、进气环，7、底座，8、阳极固定座，9、气流通道，10、密封件，11、工作气腔，12、电离腔，13、单向阀，14、弹簧件，15、滑动槽，16、气道，17、绝缘层。
具体实施方式
实施例1
作为本发明一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了：
一种大功率层流电弧等离子体束发生器，包括阴极部分1和阳极部分2，所述阴极部分1包括阴极保护罩3、阴极连接柱4、阴极头5和进气环6；所述阴极保护罩3的一端固定有底座7，另一端设置有阳极固定座8，进气环6设置在阳极固定座8内，所述阴极保护罩3与阴极连接柱4之间设置有用于输送工作气体的气流通道9；所述进气环6设置在阴极保护罩3的一端，且套在阴极连接柱4上，所述阴极连接轴与进气环6通过密封件10连接；所述阳极固定座8、进气环6、密封件10和阴极保护罩3围成工作气腔11，所述气流通道9与工作气腔11连通，工作气体从气流通道9内进入工作气腔11然后通过进气环6进入电离腔12；所述气流通道9与工作气腔11连通处设置有单向阀13，所述进气环6的出气口出设置有单向阀13。
实施例2
作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了：
一种大功率层流电弧等离子体束发生器，包括阴极部分1和阳极部分2，所述阴极部分1包括阴极保护罩3、阴极连接柱4、阴极头5和进气环6；所述阴极保护罩3的一端固定有底座7，另一端设置有阳极固定座8，进气环6设置在阳极固定座8内，所述阴极保护罩3与阴极连接柱4之间设置有用于输送工作气体的气流通道9；所述进气环6设置在阴极保护罩3的一端，且套在阴极连接柱4上，所述阴极连接轴与进气环6通过密封件10连接；所述阳极固定座8、进气环6、密封件10和阴极保护罩3围成工作气腔11，所述气流通道9与工作气腔11连通，工作气体从气流通道9内进入工作气腔11然后通过进气环6进入电离腔12；所述气流通道9与工作气腔11连通处设置有单向阀13，所述进气环6的出气口出设置有单向阀13；所述工作气腔11内设置有弹簧件14，所述弹簧件14一端固定在进气环6上，另一端固定在阳极固定座8上。
实施例3
作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了：
一种大功率层流电弧等离子体束发生器，包括阴极部分1和阳极部分2，所述阴极部分1包括阴极保护罩3、阴极连接柱4、阴极头5和进气环6；所述阴极保护罩3的一端固定有底座7，另一端设置有阳极固定座8，进气环6设置在阳极固定座8内，所述阴极保护罩3与阴极连接柱4之间设置有用于输送工作气体的气流通道9；所述进气环6设置在阴极保护罩3的一端，且套在阴极连接柱4上，所述阴极连接轴与进气环6通过密封件10连接；所述阳极固定座8、进气环6、密封件10和阴极保护罩3围成工作气腔11，所述气流通道9与工作气腔11连通，工作气体从气流通道9内进入工作气腔11然后通过进气环6进入电离腔12；所述气流通道9与工作气腔11连通处设置有单向阀13，所述进气环6的出气口出设置有单向阀13；所述工作气腔11内设置有弹簧件14，所述弹簧件14一端固定在进气环6上，另一端固定在阳极固定座8上；所述阳极固定座8上设置有与进气环6配合的滑动槽15，所述进气环6在滑动槽15内滑动。
实施例4
作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了：
一种大功率层流电弧等离子体束发生器，包括阴极部分1和阳极部分2，所述阴极部分1包括阴极保护罩3、阴极连接柱4、阴极头5和进气环6；所述阴极保护罩3的一端固定有底座7，另一端设置有阳极固定座8，进气环6设置在阳极固定座8内，所述阴极保护罩3与阴极连接柱4之间设置有用于输送工作气体的气流通道9；所述进气环6设置在阴极保护罩3的一端，且套在阴极连接柱4上，所述阴极连接轴与进气环6通过密封件10连接；所述阳极固定座8、进气环6、密封件10和阴极保护罩3围成工作气腔11，所述气流通道9与工作气腔11连通，工作气体从气流通道9内进入工作气腔11然后通过进气环6进入电离腔12；所述气流通道9与工作气腔11连通处设置有单向阀13，所述进气环6的出气口出设置有单向阀13；所述工作气腔11内设置有弹簧件14，所述弹簧件14一端固定在进气环6上，另一端固定在阳极固定座8上；所述阳极固定座8上设置有与进气环6配合的滑动槽15，所述进气环6在滑动槽15内滑动；所述进气环6内部设置有气道16，所述气道16沿进气环6径向螺旋分布。
实施例5
一种大功率层流电弧等离子体束发生器，包括阴极部分1和阳极部分2，所述阴极部分1包括阴极保护罩3、阴极连接柱4、阴极头5和进气环6；所述阴极保护罩3的一端固定有底座7，另一端设置有阳极固定座8，进气环6设置在阳极固定座8内，所述阴极保护罩3与阴极连接柱4之间设置有用于输送工作气体的气流通道9；所述进气环6设置在阴极保护罩3的一端，且套在阴极连接柱4上，所述阴极连接轴与进气环6通过密封件10连接；所述阳极固定座8、进气环6、密封件10和阴极保护罩3围成工作气腔11，所述气流通道9与工作气腔11连通，工作气体从气流通道9内进入工作气腔11然后通过进气环6进入电离腔12；所述气流通道9与工作气腔11连通处设置有单向阀13，所述进气环6的出气口出设置有单向阀13；所述工作气腔11内设置有弹簧件14，所述弹簧件14一端固定在进气环6上，另一端固定在阳极固定座8上；所述阳极固定座8上设置有与进气环6配合的滑动槽15，所述进气环6在滑动槽15内滑动；所述进气环6内部设置有气道16，所述气道16沿进气环6径向螺旋分布；所述进气环6的外表面与电离腔12接触的表面上设置有一层绝缘层17。

Claims (5)

1.一种大功率层流电弧等离子体束发生器，其特征在于：包括阴极部分(1)和阳极部分(2)，所述阴极部分(1)包括阴极保护罩(3)、阴极连接柱(4)、阴极头(5)和进气环(6)；所述阴极保护罩(3)的一端固定有底座(7)，另一端设置有阳极固定座(8)，进气环(6)设置在阳极固定座(8)内，所述阴极保护罩(3)与阴极连接柱(4)之间设置有用于输送工作气体的气流通道(9)；所述进气环(6)设置在阴极保护罩(3)的一端，且套在阴极连接柱(4)上，所述阴极连接轴与进气环(6)通过密封件(10)连接；所述阳极固定座(8)、进气环(6)、密封件(10)和阴极保护罩(3)围成工作气腔(11)，所述气流通道(9)与工作气腔(11)连通，工作气体从气流通道(9)内进入工作气腔(11)然后通过进气环(6)进入电离腔(12)；所述气流通道(9)与工作气腔(11)连通处设置有单向阀(13)，所述进气环(6)的出气口出设置有单向阀(13)。
2.如权利要求1所述的一种大功率层流电弧等离子体束发生器，其特征在于：所述工作气腔(11)内设置有弹簧件(14)，所述弹簧件(14)一端固定在进气环(6)上，另一端固定在阳极固定座(8)上。
3.如权利要求1或2所述的一种大功率层流电弧等离子体束发生器，其特征在于：所述阳极固定座(8)上设置有与进气环(6)配合的滑动槽(15)，所述进气环(6)在滑动槽(15)内滑动。
4.如权利要求1所述的一种大功率层流电弧等离子体束发生器，其特征在于：所述进气环(6)内部设置有气道(16)，所述气道(16)沿进气环(6)径向螺旋分布。
5.如权利要求1或4所述的一种大功率层流电弧等离子体束发生器，其特征在于：所述进气环(6)的外表面与电离腔(12)接触的表面上设置有一层绝缘层(17)。
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