CN109587923B - 一种等离子体炬用的水电气分流装置 - Google Patents
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Abstract
一种等离子体炬用的水电气分流装置,由电极、隔离分流装置、电磁线圈、壳体由内到外依次套装;电极阳极连接外部电源的正极,电极阴极通过壳体连接外部电源的负极;阳极和阴极之间设置隔离空腔,阴极为空心圆柱体,空心圆柱体的一端连接隔离空腔;电磁线圈和壳体之间的空腔作为电离介质气体输送管路,隔离分流装置上设置有冷却分流通道和电离介质气体管路;外部电离介质气体依次流入输送管路、电离介质气体管路,然后切向流入隔离空腔形成螺旋气流;外部冷却水通过冷却分流通道冷却电磁线圈和电极;阳极和阴极之间产生电弧,电弧击穿螺旋气流形成电弧等离子体射流。本发明结构简单,可以实现电离介质气体、冷却水和电隔离和分流。
Description
技术领域
本发明涉及一种等离子体炬用的水电气分流装置,属于直流电弧等离子体炬领域。
背景技术
目前影响大功率等离子体炬工程应用、工作可靠性和使用维护成本的主要因素结构复杂、拆装工艺性差的和现场适应性差,而操作适用性和工作可靠性的核心问题是等离子体炬的产品零件多、冷却效果差和系统接口多。现有等离子体炬一般阴极、阳极、线圈分别采用各自单独的冷却通道,电离工质气体还有需要单独的喷注器,导致系统结构复杂,参数匹配性无法保证,使得可靠性和和适应性低,使用维护成本高。
发明内容
本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足,提出了一种等离子体炬用的水电气分流装置,解决了利用简单结构实现电弧等离子体炬用电离介质气体、冷却水和电隔离和分流的问题。
本发明的技术方案是:
一种等离子体炬用的水电气分流装置,包括:电极、隔离分流装置、电磁线圈、壳体;
所述电极、隔离分流装置、电磁线圈、壳体由内到外依次套装;
所述电极包括阳极、阴极;所述阳极连接外部电源的正极,所述阴极通过所述壳体连接外部电源的负极;所述阳极和阴极之间设置隔离空腔,所述阴极为空心圆柱体,所述空心圆柱体的一端连接所述隔离空腔;
所述电磁线圈和壳体之间的空腔作为电离介质气体输送管路,所述隔离分流装置上设置有冷却分流通道和电离介质气体管路;
外部电离介质气体依次流入所述输送管路、电离介质气体管路,然后切向流入所述隔离空腔形成螺旋气流;外部冷却水通过所述冷却分流通道冷却电磁线圈和所述电极;
所述阳极和阴极之间产生电弧,所述电弧击穿所述螺旋气流形成电弧等离子体射流。
所述电磁线圈缠绕在所述隔离分流装置的外壁上;
所述电磁线圈采用铜管缠绕而成,所述铜管内流通冷却水。
所述隔离分流装置为沿轴线方向开有阶梯孔的圆柱体,所述阶梯孔依次为第一圆孔、第二圆孔和第三圆孔;所述电磁线圈包括:电磁线圈A、电磁线圈B和线圈连接管路;
所述第二圆孔的内径和所述电极的外径配合;
冷却分流通道包括:电极冷却分流通道、第一冷却分流通道和第二冷却分流通道;
所述第一冷却分流通道连通所述第一圆孔与所述电磁线圈A;
所述电磁线圈A通过线圈连接管路连接所述电磁线圈B;
所述第二冷却分流通道连通所述电磁线圈B和所述第三圆孔。
所述电极冷却分流通道连通所述第一圆孔和所述第三圆孔。
所述电离介质气体管路连通所述电离介质气体输送管路和所述隔离空腔,所述电离介质气体管路的轴线与所述隔离空腔的腔壁相切。
所述螺旋气流与电磁线圈产生的磁场方向满足右手定则。
所述螺旋气流的轨迹为柱面螺旋线。
所述隔离分流装置的材料为三氧化二铝陶瓷材料。
所述外部电离气体气体为空气、氮气或氢气中的一种或任意一种惰性气体,所述电离介质气体的气压范围为0.2MPa~0.7MPa。
所述冷却水为去离子水,所述冷却水的供应压力取值范围为0.2MPa~0.8MPa。
本发明与现有技术相比的有益效果是:
(1)通过隔离分流装置,实现了电极、电磁线圈和壳体的高效冷却,大大简化了冷却结构。
(2)通过简单结构实现电离工质气体、冷却水和电的隔离和分流问题,使等离子体炬的整体体积和重量大大降低,提高了等离子体炬的可靠性,维护成本也进一步降低。
(3)使用纯铜管缠绕成电磁线圈,铜管内通入冷却水,可以使电磁线圈可耐受的电流大大提高,进一步提高电磁线圈所产生磁场的强度,增强磁场对电弧和等离子体射流约束,实现等离子体炬高能量转换和长寿命工作。
附图说明
图1为本发明水电气分流装置轴向剖视图;
图2为图1中A-A截面剖视图;
图3为图1中B-B截面剖视图。
具体实施方式
本发明通过一路冷却入口,实现多路冷却,液路在通道内部通过节流通道分流,既为附加电磁线圈进行冷却,也为电极提供冷却流量;隔离分流装置的液路和气路通过三维流道设计,实现气液隔离,同时实现冷却水的流量分配和电离气体工质的旋流供给;并采用电绝缘性能优良、加工性能好的陶瓷材料实现了电极之间的高压绝缘,极大简化了结构设计,减小了结构尺寸,提高了工作可靠性和现场适应性。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。
如图1所示,本发明一种等离子体炬用的水电气分流装置,包括:电极、隔离分流装置11、电磁线圈、壳体15、
所述电极、隔离分流装置11、电磁线圈、壳体15由内到外依次套装;
所述电极包括阳极3、阴极9;阳极3和阴极9为同轴管式电极。
所述阳极3通过正极电缆17连接外部电源的正极,所述阴极9通过所述壳体15连接外部电源的负极并接地处理;所述阳极3和阴极9之间设置隔离空腔,所述阴极9为空心圆柱体,所述空心圆柱体的一端连接所述隔离空腔;
所述电磁线圈和壳体15之间的空腔作为电离介质气体输送管路,所述隔离分流装置11上设置有冷却分流通道和电离介质气体管路18,如图3所示;
外部电离介质气体依次流入所述输送管路、电离介质气体管路18,然后切向流入所述隔离空腔形成螺旋气流;外部冷却水通过所述冷却分流通道冷却电磁线圈和所述电极;
所述阳极3和阴极9之间产生电弧,所述电弧击穿所述螺旋气流形成电弧等离子体射流。
所述电磁线圈缠绕在所述隔离分流装置11的外壁上;所述电磁线圈采用铜管缠绕而成,所述铜管内流通冷却水。
冷却水流体方向和电离介质气体流通方向13如图1所示。
所述隔离分流装置11为沿轴线方向开有阶梯孔的圆柱体,所述阶梯孔依次为第一圆孔、第二圆孔和第三圆孔;所述电磁线圈包括:电磁线圈A2、电磁线圈B7和线圈连接管路16;所述第二圆孔的内径和所述电极的外径配合;
冷却分流通道包括:电极冷却分流通道5、第一冷却分流通道4和第二冷却分流通道8;所述第一冷却分流通道4连通所述第一圆孔与所述电磁线圈A2;
所述电磁线圈A2通过线圈连接管路16连接所述电磁线圈B7;所述第二冷却分流通道8连通所述电磁线圈B7和所述第三圆孔。所述电极冷却分流通道5连通所述第一圆孔和所述第三圆孔,如图2所示,多个电极冷却分流通道5周向均布。
所述电离介质气体管路18连通所述电离介质气体输送管路和所述隔离空腔,所述电离介质气体管路18的轴线与所述隔离空腔的腔壁相切。
所述螺旋气流与电磁线圈产生的磁场方向满足右手定则。所述螺旋气流的轨迹为柱面螺旋线。
所述隔离分流装置11采用电绝缘性能优良、加工性能好的三氧化二铝陶瓷材料,实现介质流量分配和高压绝缘。
所述外部电离气体气体为空气、氮气或氢气中的一种或任意一种惰性气体,所述电离介质气体的气压范围为0.2MPa~0.7MPa。
所述冷却水为去离子水,所述冷却水的供应压力取值范围为0.2MPa~0.8MPa。
优选的,壳体15和所述电磁线圈之间设置有内衬套14,内衬套14是一个树脂纤维的圆筒结构,套在电磁线圈外侧,内衬套14与壳体15之间形成夹层,冷却完电极和线圈的冷却水进入夹层用于对壳体15进行冷却。
如图1所示,水电气分流装置左端设置有电磁线圈支架A1;电磁线圈支架A1为端面开有通孔的法兰结构,所述通孔作为外部冷却水流入所述第一圆孔的冷却水入口12,冷却水为去离子水,入口压力在0.2MPa~0.8MPa之间。同时,隔离分流装置11和壳体15底部之间设置有电磁线圈支架B10,电磁线圈支架B10为空心圆柱体,所述圆柱体的内径大于第三通孔的孔径。
所述隔离空腔上开有电离介质气体切向入口6,如图3所示,用于使外部电离介质气体切向流入,形成螺旋气流。
外部电源的输入功率范围为20~1000kW,电流的取值范围为50~1200A。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (7)
1.一种等离子体炬用的水电气分流装置,其特征在于,包括:电极、隔离分流装置(11)、电磁线圈、壳体(15);
所述电极、隔离分流装置(11)、电磁线圈、壳体(15)由内到外依次套装;
所述电极包括阳极(3)、阴极(9);所述阳极(3)连接外部电源的正极,所述阴极(9)通过所述壳体(15)连接外部电源的负极;所述阳极(3)和阴极(9)之间设置隔离空腔,所述阴极(9)为空心圆柱体,所述空心圆柱体的一端连接所述隔离空腔;
所述电磁线圈和壳体(15)之间的空腔作为电离介质气体输送管路,所述隔离分流装置(11)上设置有冷却分流通道和电离介质气体管路(18);
外部电离介质气体依次流入所述输送管路、电离介质气体管路(18),然后切向流入所述隔离空腔形成螺旋气流;外部冷却水通过所述冷却分流通道冷却电磁线圈和所述电极;
所述阳极(3)和阴极(9)之间产生电弧,所述电弧击穿所述螺旋气流形成电弧等离子体射流;
所述电磁线圈缠绕在所述隔离分流装置(11)的外壁上;
所述电磁线圈采用铜管缠绕而成,所述铜管内流通冷却水;
所述隔离分流装置(11)为沿轴线方向开有阶梯孔的圆柱体,所述阶梯孔依次为第一圆孔、第二圆孔和第三圆孔;所述电磁线圈包括:电磁线圈A(2)、电磁线圈B(7)和线圈连接管路(16);
所述第二圆孔的内径和所述电极的外径配合;
冷却分流通道包括:电极冷却分流通道(5)、第一冷却分流通道(4)和第二冷却分流通道(8);
所述第一冷却分流通道(4)连通所述第一圆孔与所述电磁线圈A(2);
所述电磁线圈A(2)通过线圈连接管路(16)连接所述电磁线圈B(7);
所述第二冷却分流通道(8)连通所述电磁线圈B(7)和所述第三圆孔;
所述电极冷却分流通道(5)连通所述第一圆孔和所述第三圆孔。
2.根据权利要求1所述的一种等离子体炬用的水电气分流装置,其特征在于,所述电离介质气体管路(18)连通所述电离介质气体输送管路和所述隔离空腔,所述电离介质气体管路(18)的轴线与所述隔离空腔的腔壁相切。
3.根据权利要求1或2所述的一种等离子体炬用的水电气分流装置,其特征在于,所述螺旋气流与电磁线圈产生的磁场方向满足右手定则。
4.根据权利要求3所述的一种等离子体炬用的水电气分流装置,其特征在于,所述螺旋气流的轨迹为柱面螺旋线。
5.根据权利要求4所述的一种等离子体炬用的水电气分流装置,其特征在于,所述隔离分流装置(11)的材料为三氧化二铝陶瓷材料。
6.根据权利要求5所述的一种等离子体炬用的水电气分流装置,其特征在于,所述外部电离气体为空气、氮气或氢气中的一种或任意一种惰性气体,所述电离介质气体的气压范围为0.2MPa~0.7MPa。
7.根据权利要求6所述的一种等离子体炬用的水电气分流装置,其特征在于,所述冷却水为去离子水,所述冷却水的供应压力取值范围为0.2MPa~0.8MPa。
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