CN108633159A - 等离子体发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体发生器，包括：第一碳电极；第一金属电极，具有腔体，腔体包括：构造为等离子体的出口的第一端、以及与第一端相对的第二端；其中，第一碳电极经由第二端延伸进腔体的内部；补偿送进装置，与第一碳电极固定连接，补偿送进装置驱动第一碳电极向出口的方向移动；其中，出口的内表面构造为，在由第二端至第一端的方向上，逐渐远离腔体的中心线；或者，出口的内表面构造为，在由第二端至第一端的方向上，先逐渐接近中心线、并随后远离中心线。

Description

等离子体发生器

技术领域

本发明涉及等离子体发生器技术领域，具体来说，涉及一种等离子体发生器。

背景技术

电弧等离子体发生器又称电弧等离子体炬，或称等离子体喷枪，有时也称电弧加热器。电弧等离子体发生器是一种能够产生定向"低温"(约2000开～20000开)等离子体射流的放电装置，已在等离子体化工、冶金、喷涂、喷焊、机械加工和气动热模拟实验等领域中得到广泛应用。工业上应用的电弧等离子体发生器的主要技术指标是功率、效率和连续使用寿命。

电弧等离子体发生器主要由一个阴极和一个阳极(阳极用工件代替)构成的两极、一个放电室以及等离子体工作气供给系统三部分组成。常用的等离子体发生器的阴极和阳极大都用金属材料制成，由于等离子体发生器的阴极损耗，常常选用难熔金属材料或高导热性的金属材料制成，或者根据使用环境选择保护性气体对阴极进行保护。但是，无论采用何种材料、采取何种保护方式，电极材料特别是阴极材料由于其本身固有的特点，等离子体发生器的使用寿命受到电极使用寿命的限制，不能长时间连续工作，因此在例如需要长周期连续工作的化工领域和垃圾处理领域等受到限制。目前，等离子体发生器的连续使用寿命一般在数百个小时之间，报道过做的最好的不超过2000小时。因此，可长周期连续工作的长寿命是使等离子体发生器得到大规模推广应用的关键。

现有的一种电弧炉技术，该电弧炉是由可持续补偿的碳电极组成，可一定程度上延长等离子体发生器的寿命。但是，电弧炉通常为三相工频供电；电弧炉没有气体引入，产生的等离子体少，气体活性小。电弧炉的三个电极分别接在三相工频电源上，没有阴极和阳极之分，被加热或处理的材料同电极本身没有关系。

另一方面，市场上现有的等离子体发生器大多采用亚声速流动状态，出口为简单的圆形，热等离子体射流不能形成超音速流动状态，容易收到外界环境工作压力的影响。特别是在外界环境压力较高的应用场合，亚声速状态下的等离子体喷枪易受外界环境压力的波动而波动，不能正常稳定的工作，造成应用受到一定的限制。

针对相关技术中上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的上述问题，本发明提出一种等离子体发生器，能够实现等离子体发生器不间断地连续运行，并实现更大功率的操作。

本发明的技术方案是这样实现的：

根据本发明的一个方面，提供了一种等离子体发生器，包括：第一碳电极；第一金属电极，具有腔体，腔体包括：构造为等离子体的出口的第一端、以及与第一端相对的第二端；其中，第一碳电极经由第二端延伸进腔体的内部；补偿送进装置，与第一碳电极固定连接，补偿送进装置驱动第一碳电极向出口的方向移动；其中，出口的内表面构造为，在由第二端至第一端的方向上，逐渐远离腔体的中心线；或者，出口的内表面构造为，在由第二端至第一端的方向上，先逐渐接近中心线、并随后远离中心线。

在一个实施例中，腔体包括在第一碳电极与第一金属电极之间形成的气体腔，并且气体腔具有进气口；其中，等离子体发生器还包括：进气法兰，连接于第一金属电极，第一碳电极穿设在进气法兰中，进气口包括设置在进气法兰中的径向进气口和设置在进气法兰和第一金属电极之间的旋转进气口。

在一个实施例中，第一碳电极两端设置有用于连接的螺纹结构。

在一个实施例中，等离子体发生器还包括：直流电源，第一碳电极和第一金属电极分别连接于直流电源。

在一个实施例中，等离子体发生器还包括：高频起弧电源，设置在第一碳电极与腔体之间，并且其中，等离子体发生器的起弧方式为高压高频起弧。

在一个实施例中，等离子体发生器还包括：第二碳电极，位于腔体外部且与第一碳电极相对设置；第二补偿送进装置，与第二碳电极固定连接，第二补偿送进装置驱动第二碳电极向出口的方向移动。

其中，等离子体发生器还包括：第二金属电极，具有第二腔体，第二碳电极延伸进第二腔体的内部。

其中，等离子体发生器还包括：熔融炉，熔融炉容纳导电的熔融物料；其中，第一碳电极和第一金属电极位于熔融物料上方，第二碳电极位于熔融炉的底部。

其中，等离子体发生器的起弧方式为接触式起弧，其中，第一碳电极与第二碳电极以接触并逐渐拉开的方式完成起弧状态。

在一个实施例中，等离子体发生器还包括：直流电源，第一碳电极和第二碳电极分别连接于直流电源。

本发明提供了一种补偿式碳电极的等离子体发生器，等离子体发生器的电极采用可消耗型的碳材料，随着碳电极消耗的增加，通过外界的补偿送进装置将碳电极不断推进补偿，弥补碳电极在放电过程中所消耗的材料，保证等离子体发生器连续稳定运行。另外，随着碳电极的消耗，在运行过程中可以通过快速连接结构快速地连接新的碳电极，以达到等离子体发生器可无限时的工作，进而实现等离子体发生器不间断地连续运行。

本发明的等离子体发生器还可实现大功率长时间运行的目的。由于采用的是可补偿式碳电极，不同于现有的金属电极，碳电极能够承担更大的电流载荷，从而实现更大功率的操作，解决了当前的等离子体发生器功率太小，从而处理规模受限的问题。

另外，本发明的等离子体发生器通过采用音速或者超音速出口，使得等离子体发生器在工作状态下不受下游环境压力波动的影响，从而能保证其更加稳定精确的运行，能够适应更大范围的工作环境。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明第一实施例的等离子体发生器的剖面结构示意图；

图2是根据本发明实施例的等离子体发生器的等离子体出口的剖面结构示意图；

图3是根据本发明第二实施例的等离子体发生器的剖面结构示意图；

图4是根据本发明第三实施例的等离子体发生器的剖面结构示意图；

图5是根据本发明第四实施例的等离子体发生器的剖面结构示意图；

图6是根据本发明实施例的等离子体发生器的起弧及运行控制的逻辑图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，根据本申请的实施例，提供了一种等离子体发生器100，包括：第一碳电极，第一碳电极即为碳电极11；第一金属电极，第一金属电极即为金属电极15，金属电极15具有腔体，腔体包括：构造为等离子体的出口152的第一端151、以及与第一端151相对的第二端。在等离子体发生器100正常工作时，电弧在碳电极11和金属电极15之间放电，产生的等离子体通过金属电极15的出口152喷出。其中，碳电极11经由第二端延伸进金属电极15的腔体的内部。优选的，碳电极11和金属电极15以同轴方式组装。等离子体发生器还包括补偿送进装置16，与碳电极11固定连接，补偿送进装置16驱动碳电极11向出口152移动，以连续送进碳电极11、补充碳电极11的消耗。补偿送进装置16可通过步进电机或液压系统实现电极的送进补偿功能。

如图1所示，在一个实施例中，离子体的出口152的内表面可以构造为，在由金属电极15的腔体的第二端到第一端151的方向上，出口152的内表面逐渐远离所述腔体的中心线。也就是说，出口152采用的是收缩形式的音速出口。

如图2所示，在另一个实施例中，出口152的内表面可以构造为，在由金属电极15的腔体的第二端到第一端151的方向上，出口152的内表面为先逐渐接近腔体的中心线、并随后远离所述腔体的中心线。也就是说，出口152采用的是收缩再扩张的超音速出口形式。其中，A-A剖面的截面表示收缩形式的音速出口。B-B剖面和C-C剖面表示收缩再扩张的超音速出口形式。其中，随着出口152由A-A截面向B-B截面和C-C截面面积的不断扩大，形成的等离子体气流的速度也由1倍音速向多倍的更高音速增高。其中，形成音速的前提是，碳电极11与金属电极15的腔体之间形成的压力应足够满足形成音速的压力条件。

通过将等离子体发生器的电极采用碳电极，并通过补偿送进装置在等离子体发生器工作中连续送进、补充电极的消耗，能够使等离子体发生器连续地长时间工作，解决了电极寿命短的问题。另外，碳电极可以承受较大的电流密度，能够实现大功率长时间运行。碳电极可以通过连接机构实现在线连接，不需要停车更换，提高了生产效率。碳电极不需要循环冷却水对其进行冷却，避免了冷却水带走的能量消耗，提高了等离子体发生器的热效率。另外，通过采用音速或者超音速出口，使得等离子体发生器在工作状态下不受下游环境压力波动的影响，从而能保证其更加稳定精确的运行，能够适应更大范围的工作环境。

补偿送进装置16起到连续送进碳电极的作用。补偿送进装置16采用步进电机或者液压系统来实现，补偿送进装置16的一端可以通过具有自动夹紧和松开功能的绝缘卡环同碳电极11连接，另一端可以与步进电机或液压系统相连接，以实现补偿送进功能。

具体地，参见图1是本发明第一实施例的等离子体发生器100的剖面结构示意图。碳电极11的两端设置有用于连接的螺纹结构。具体的，碳电极11可以为圆柱形电极，碳电极11的头部设置有外螺纹，尾部设置有内螺纹，当碳电极11损耗较多时，可以通过例如机械手的机构在线连接新的碳电极11。将新的碳电极的头部的外螺纹同正在用的碳电极11的尾部的内螺纹相连接。通过这样的连接方式，碳电极实现了在线连接，从而不需要停车更换碳电极，提高了生产效率。

等离子体发生器100的出口152是通过金属电极15形成的，经过碳电极11与金属电极15形成的电弧由此喷出。金属电极15可以是由紫铜材料制成的夹层结构，金属电极15内部的腔体为等离子体通道，夹层结构为冷却水通道，冷却水可从金属电极15的一端的入水口158流入对内部的等离子体通道进行冷却，之后再通过金属电极15的另一端的出水口159留出。金属电极15出口152的形状可以根据使用需求做成各种形状。如图1所示，在本实施例中，金属电极15的出口152的内表面构造为，在由第二端至第一端151的方向上逐渐远离腔体的中心线。

继续参考图1所示，腔体包括在碳电极11与金属电极15之间形成的气体腔，并且气体腔具有进气口。该气体腔是由碳电极11外侧和金属电极15形成的环形缝隙。其中，碳电极11和金属电极15之间的最小间隔为3mm-5mm。等离子体发生器100还包括：进气法兰13，连接于第二电极，第一电极穿设在进气法兰13中，进气口包括设置在进气法兰13中的径向进气口和设置在进气法兰13和第二电极之间的旋转进气口。具体的，进气件14设置在进气法兰13和碳电极11之间，进气件14与进气法兰13共同组成等离子体发生器100的进气部分。工作气体通过进气法兰13的径向进气孔、再通过进气件14的多个旋转进气孔进入到碳电极11和金属电极15形成的环形缝隙内。

等离子体发生器100还可以包括密封法兰12，密封法兰12位于等离子体发生器100的末端，主要对碳电极11起到支撑作用以及对等离子体发生器100起到密封作用。碳电极11从密封法兰12的中心穿过，并且密封法兰12内侧与碳电极11通过两者之间的密封环密封。碳电极11通过密封法兰12和进气法兰13同金属电极15连接在一起。

等离子体发生器100还包括：直流电源50，直流电源50的一个电极连接至碳电极11，直流电源50的另一个电极连接至金属电极15。

在图1所示的实施例中，在等离子体发生器100还包括高频起弧电源(未示出)，高频起弧电源设置在所述碳电极11与金属电极15的所述腔体之间。其中，所述等离子体发生器的起弧方式为高压高频起弧。具体的，将高频起弧电源连接在碳电极11与金属电极15的所述腔体之间，高频起弧在碳电极11与腔体之间通过高压高频击穿二者之间形成的缝隙形成等离子体，然后主电源(直流电源50)工作形成正常工作状态的电弧等离子体射流。

图2是本发明第二实施例的等离子体发生器200的剖面结构示意图。如图2所示，相似的元件具有如图1所示的相同的参考标号。与图1所示的等离子体发生器100相比，等离子体发生器200还包括：第二碳电极，第二碳电极即为碳电极21。碳电极21位于金属电极15的腔体外部且与碳电极11相对设置。其中，等离子体发生器200还可包括第二补偿送进装置26，与碳电极21固定连接，第二补偿送进装置26驱动碳电极21朝向腔体的出口152移动，以连续送进碳电极、补充碳电极的消耗。

在图3所示的实施例中，在等离子体发生器200工作时，碳电极11作为等离子体发生器200的一个极，碳电极21是等离子体发生器200的另一个极，两个电极可以分别做为等离子体发生器200的阴极和阳极。即，当碳电极11做为阴极时，碳电极21做为阳极；当碳电极11做为阳极时，碳电极21做为阴极。金属电极15作为等离子体发生器200的辅助起弧电极，起弧时电弧首先在碳电极11和金属电极15之间产生电弧，随后电弧可在断路器的作用下将电弧转移至碳电极21上，这里的碳电极21也可称为转移碳电极，其中金属电极15不再参与工作。电弧在碳电极11和转移碳电极21之间放电产生电弧等离子体并通过出口152喷出。本实施例的其他方面与第一实施例相类似，此处不再赘述。

等离子体发生器200包括直流电源50，其中，直流电源50的一个电极连接至碳电极11，直流电源50的另一个电极连接至碳电极21。

图4是本发明第三实施例的等离子体发生器300的剖面结构示意图。如图4所示，相似的元件具有如图1、图3所示的相同的参考标号。与图3所示的等离子体发生器200相比，等离子体发生器300还包括：第二金属电极，第二金属电极即为另一金属电极25，该金属电极25具有第二腔体。与碳电极11和金属电极15的结构类似，碳电极21极延伸进第二腔体的内部。也就是说，碳电极21、金属电极25及第二补偿送进装置26构成另一个等离子体发生器。

在本实施例中，等离子体发生器300起弧时，电弧首先分别在碳电极11、21和金属电极15、25之间产生电弧，随后电弧在断路器的作用下将电弧转移至转移碳电极21上，金属电极15、25不参与工作。电弧等离子体在完全相同的等离子体发生器的碳电极11、21之间产生并维持，两个碳电极11、21分别由补偿送进装置16、26控制，实现长时间连续工作状态下的补偿送进功能。

图5是本发明第四实施例的等离子体发生器400的剖面结构示意图。如图5所示，相似的元件具有如图1至图4所示的相同的参考标号。与图1所示的等离子体发生器100相比，等离子体发生器400还包括：熔融炉90，熔融炉90容纳导电的熔融物料80；其中，碳电极11和金属电极15位于熔融物料80上方，碳电极21位于熔融炉90的底部。

在本实施例中，当等离子体发生器400起弧时，电弧首先在碳电极11和金属电极15之间产生电弧，随后电弧可在断路器的作用下将电弧转移至熔融物料80上，金属电极15不再参与工作。电弧等离子体在碳电极11和熔融炉90的碳电极21之间通过导电的熔融物料80产生并维持正常运行。碳电极11和碳电极21均可由补偿送进装置控制，实现长时间连续工作状态下的补偿送进功能。

在图3、图4、图5所示的实施例中，所述等离子体发生器的起弧方式可以为接触式起弧，也就是说，采用碳电极11与碳电极21接触并逐渐拉开的方式完成起弧状态，然后在补偿送进装置的作用下将碳电极11、21后退到一定位置，使其达到正常的工作状态。起弧及运行控制的逻辑图如图6所示。随着碳电极11、21的消耗，补偿送进装置再逐渐将碳电极11、21向前推进，推进的距离和位置根据实际运行的电压电流进行判断，通过控制系统进行连锁控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种等离子体发生器，其特征在于，包括：

第一碳电极(11)；

第一金属电极(15)，具有腔体，所述腔体包括：构造为等离子体的出口(152)的第一端(151)、以及与所述第一端(151)相对的第二端；其中，所述第一碳电极(11)经由所述第二端延伸进所述腔体的内部；

补偿送进装置(16)，与所述第一碳电极(11)固定连接，所述补偿送进装置(16)驱动所述第一碳电极(11)向所述出口(152)的方向移动；

其中，所述出口(152)的内表面构造为，在由所述第二端至所述第一端(151)的方向上，逐渐远离所述腔体的中心线；

或者，

所述出口(152)的内表面构造为，在由所述第二端至所述第一端(151)的方向上，先逐渐接近所述中心线、并随后远离所述中心线。

2.根据权利要求1所述的等离子体发生器，其特征在于，其中，所述腔体包括在所述第一碳电极(11)与所述第一金属电极(15)之间形成的气体腔，并且所述气体腔具有进气口；

其中，所述等离子体发生器还包括：

进气法兰(13)，连接于所述第一金属电极(15)，所述第一碳电极(11)穿设在所述进气法兰(13)中，所述进气口包括设置在所述进气法兰中的径向进气口和设置在所述进气法兰(13)和所述第一金属电极(15)之间的旋转进气口。

3.根据权利要求1所述的等离子体发生器，其特征在于，所述第一碳电极(11)两端设置有用于连接的螺纹结构。

4.根据权利要求1所述的等离子体发生器，其特征在于，还包括：

直流电源(50)，所述第一碳电极(11)和所述第一金属电极(15)分别连接于所述直流电源(50)。

5.根据权利要求1所述的等离子体发生器，其特征在于，还包括：

高频起弧电源，设置在所述第一碳电极(11)与所述腔体之间，并且其中，所述等离子体发生器的起弧方式为高压高频起弧。

6.根据权利要求1所述的等离子体发生器，其特征在于，还包括：

第二碳电极(21)，位于所述腔体外部且与所述第一碳电极(11)相对设置；

第二补偿送进装置(26)，与所述第二碳电极(21)固定连接，所述第二补偿送进装置(26)驱动所述第二碳电极(21)向所述出口(152)的方向移动。

7.根据权利要求6所述的等离子体发生器，其特征在于，还包括：

第二金属电极(25)，具有第二腔体，所述第二碳电极(21)延伸进所述第二腔体的内部。

8.根据权利要求6所述的等离子体发生器，其特征在于，还包括：

熔融炉(90)，所述熔融炉(90)容纳导电的熔融物料(80)；

其中，所述第一碳电极(11)和所述第一金属电极(15)位于所述熔融物料(80)上方，所述第二碳电极(21)位于所述熔融炉(90)的底部。

9.根据权利要求6-8任意一项所述的等离子体发生器，其特征在于，

所述等离子体发生器的起弧方式为接触式起弧，其中，第一碳电极(11)与第二碳电极(21)以接触并逐渐拉开的方式完成起弧状态。

10.根据权利要求6所述的等离子体发生器，其特征在于，还包括：

直流电源(50)，所述第一碳电极(11)和所述第二碳电极(21)分别连接于所述直流电源(50)。