CN109618483B

CN109618483B - 一种多弧等离子体发生器

Info

Publication number: CN109618483B
Application number: CN201910011242.3A
Authority: CN
Inventors: 倪国华; 赵彦君; 刘卫
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2019-01-07
Filing date: 2019-01-07
Publication date: 2021-01-26
Anticipated expiration: 2039-01-07
Also published as: CN109618483A

Abstract

本发明公开了一种多弧等离子体发生器，包括有一个导电阳极、多个阴极组件和一个环形气体分配器，导电阳极为一具有气体流入端和气体流出端的变径圆管，阴极组件由圆形棒状导电阴极和出口段收缩的同轴套管，以及它们之间的旋气环组成，环形气体分配器壁上开设有切向气流通道，用于将流入的气体经环形气体分配器产生涡旋气流。本发明采用多个导电阴极和一个公共导电阳极放电，有效减少电极材料的烧蚀；通过调控多个导电阴极之间的相对位置增强多个电弧弧柱间的耦合关系，通过导电阴极与导电阳极间引入涡旋气流，以及变径圆管导电阳极进一步对耦合的多弧柱进行约束控制，得到体积较大、高温区温度均匀、能量密度高的稳定多弧等离子体。

Description

一种多弧等离子体发生器

技术领域

本发明涉及等离子体发生技术领域，具体是一种多弧等离子体发生器。

背景技术

电弧等离子体具有能量密度大、化学活性强等特点，在喷涂、切割、颗粒球化、材料制备等领域具有广泛的应用。但是，由于受到自磁箍缩和热箍缩效应的影响，电弧等离子体呈现出温度、压力梯度大的特性，在一些需要产生大尺寸均匀、稳定的热等离子体应用领域，如微粉球化、材料制备、化工合成等时，这种电弧等离子体就存在着很大的局限性。一般而言，感应耦合热等离子体可以很好的满足上述的要求，但由于感应耦合热等离子体效率低、稳定性差，限制了其在工业上的广泛应用。因此，如何提高电弧等离子体的尺寸，增加其在高温区的稳定性是目前一个研究的重点和难点。通过外加磁场或者调控气流使电弧扩散，可以产生较大尺寸的等离子体，但这种方法要求特定工作气体和运行参数，极易受到外部扰动的影响而破坏电弧扩散的条件，使得这种方法在工业上应用存在一定的障碍。采用多路放电通道，利用增加电弧的数量，提高高温区体积，是一个简单易行的方法，但由于弧柱与弧柱间电磁力等相互作用，使得单纯的增加电弧数量并不能够达到有效提高电弧体积、提高高温区稳定性的目的。

发明内容本发明的目的是提供一种多弧等离子体发生器，以解决现有技术难以产生大体积均匀等离子体的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种多弧等离子体发生器，其特征在于：包括导电阳极、环形气体分配器、多个结构材料均相同的阴极组件，所述导电阳极由变径圆管构成，变径圆管在轴向上依次分为四段，其中第一段为内径渐变增大的内径扩张段，第二段为内径不变的直管段或内径缓变减小的渐缩段，第三段为内径渐变减小的收缩段，第四段为内径不变或缓变增大的喷嘴段，所述喷嘴段作为气体流出端，变径圆管与气体流出端相对的轴向另一端设为气体流入端；

每个阴极组件分别由棒状的导电阴极、同轴套在导电阴极外的同轴套管，以及同轴安装在同轴套管内并套在导电阴极上的旋气环构成，多个阴极组件分别插装在变径圆管的内径扩张段并在环向均匀分布，各个阴极组件的中轴线与变径圆管的中轴线在空间上形成的夹角均为相同角度的锐角，每个阴极组件的中轴线在变径圆管同一径向截面上的投影均不与该径向截面中任意一个直径重合，各个阴极组件的中轴线在变径圆管同一径向截面上的投影仅平行于该径向截面中的不同直径，且每个阴极组件的中轴线在变径圆管同一径向截面上投影后存在一个公共切圆，由此构成各个阴极组件的交错分布；每个阴极组件的轴向一端分别伸向变径圆管的直管段或渐缩段内，每个阴极组件的轴向另一端分别位于变径圆管外，以阴极组件伸向变径圆管内的轴向一端为内端、轴向另一端为外端，各个阴极组件的内端设为收缩的出口端，各个阴极组件的外端设有工作气体进口，所述旋气环分隔所在同轴套管内部，并仅通过旋气环自身气道连通同轴套管内被分隔区域；

所述环形气体分配器同轴设置于变径圆管第二段直管段或渐缩段内壁，环形气体分配器的内环壁设有多个切向气流出口，多个切向气流出口的切向方向相同；

所述导电阳极连接电源正极，各个阴极组件中的导电阴极分别连接电源负极；一路工作气体由各个阴极组件中的工作气体进口进入同轴套管，经过旋气环产生涡旋后由各个阴极组件的出口端进入变径圆管内，由多个交错分布的阴极组件在变径圆管内形成涡旋气流；另一路工作气体由变径圆管的气体流入端进入变径圆管，经过环形气体分配器时，环形气体分配器的切向气流出口产生工作气体气流，由环形气体分配器切向气流出口产生的气流使另一路工作气体形成涡旋气流，且环形气体分配器的切向气流出口使另一路工作气体形成的涡旋气流与多个交错分布的阴极组件形成的涡旋气流旋向相同，通过导电阳极、导电阴极之间电压击穿工作气体形成等离子体，并基于两股涡旋气流共同约束等离子体，使等离子体从变径圆管的喷嘴段出射。

所述的一种多弧等离子体发生器，其特征在于：各个阴极组件的内端对应点处于同一垂直于变径圆管轴向的平面上。

所述的一种多弧等离子体发生器，其特征在于：所述阴极组件中，同轴套管为绝缘材料制成，由同轴套管实现导电阴极和导电阳极之间电隔离。

所述的一种多弧等离子体发生器，其特征在于：各个阴极组件的中轴线与变径圆管的中轴线在空间上形成的夹角为5°~90°中任意角度的锐角。

所述的一种多弧等离子体发生器，其特征在于：所述公共切圆半径的取值范围：大于0且小于或等于导电阳极变径圆管的最大内孔半径的1/2。

所述的一种多弧等离子体发生器，其特征在于：所述导电阳极中变径圆管的收缩段和喷嘴段连接拐角处圆弧过渡。

所述的一种多弧等离子体发生器，其特征在于：所述阴极组件的个数与电源配置个数相等，多个导电阴极分别连接不同电源的负极，所有电源的正极均与导电阳极相连。

所述的一种多弧等离子体发生器，其特征在于：所述环形气体分配器的切向气流出口个数≥2，均匀分布在环形气体分配器内壁。

所述的一种多弧等离子体发生器，其特征在于：所述变径圆管的管壁内部中空形成水冷通道，变径圆管的管壁连接有进、出水口。

本发明多弧等离子体发生器通过导电阴极与同轴套管间的旋气环输送工作气体对单个电弧进行约束，通过调控多个导电阴极之间的相对位置增强多弧弧柱间的耦合关系，通过导电阴极与导电阳极间引入涡旋气流以及变径圆管导电阳极进一步对耦合的多弧柱进行约束控制，从而实现体积较大、高温区温度均匀、能量密度高的稳定多弧等离子体的产生。电弧等离子体尺寸可以通过改变阴极电极配置（结构和数量）、电源输出功率以及工作气体流量进行调节。

本发明提供了一种多弧等离子体发生器，采用多个阴极组件按一定角度均匀布置在导电阳极内，并结合导电阳极内壁涡旋气流和导电阳极变径圆管的扩张-收缩结构，对多个电弧弧柱位形和流场分布进行调控，增强多个电弧之间的耦合作用，实现了大体积、均匀、稳定的多弧等离子体的产生。

本发明的有益效果在于：

通过增加电弧通道数量和对电弧室内流场的控制，可有效增加电弧等离子体的尺寸，提高高温区的均匀性、稳定性，并降低电极的烧蚀。

附图说明

图1是本发明设计的一种多弧等离子体发生器的正面剖视图。

图2是本发明设计的一种多弧等离子体发生器阴极布置的俯视剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

以下结合附图对本发明进行详细说明，如图1和图2所示，以4个阴极组件为例的一种多弧等离子体发生器，包括有一个导电阳极1、4个阴极组件（2-1，2-2，2-3，2-4）和一个环形气体分配器3，导电阳极1是一个具有气体流入端6和气体流出端7的变径圆管1，变径圆管1轴向依次分别为内径扩张段（图1中a点-b点段）、内径不变的直管段或缓变减小的渐缩段（图1中b点-c点段）、内径减小的收缩段（图1中c点-d点段）、内径不变或缓变增大的喷嘴段（图1中d点-e点段）；4个阴极组件（2-1，2-2，2-3，2-4）均由圆形棒状导电阴极（2-1a，2-2a，2-3a，2-4a）和出口段收缩的同轴套管（2-1b，2-2b，2-3b，2-4b），以及它们之间的旋气环（2-1c，2-2c，2-3c，2-4c）组成；4个阴极组件（2-1，2-2，2-3，2-4）周向均匀地插入导电阳极的内径扩张段（图1中a点-b点段），导电阳极1和4个导电阴极（2-1a，2-2a，2-3a，2-4a）之间电隔离，4个导电阴极的中轴线（9-1，9-2，9-3，9-4）和导电阳极变径圆管1的中轴线15之间的夹角α为45°，4个导电阴极的中轴线（9-1，9-2，9-3，9-4）在导电阳极变径圆管1内腔的横截面上投影后存在一个公共切圆10。工作气体16从4个导电阴极（2-1a，2-2a，2-3a，2-4a）和对应的同轴套管（2-1b，2-2b，2-3b，2-4b）中间的间隙中输运，流经旋气环（2-1c，2-2c，2-3c，2-4c）时产生涡旋气流（8-1，8-2，8-3，8-4），涡旋气流（8-1，8-2，8-3，8-4）流出对应的阴极组件（2-1,2-2,2-3,2-4）进入导电阳极变径圆管1内，由于4个阴极组件（2-1，2-2，2-3，2-4）的交错排布而产生涡旋气流4；分别将4个导电阴极（2-1a，2-2a，2-3a，2-4a）接4个电源的负极，并将所有的正极接导电阳极1并接地，给4个导电阴极（2-1a，2-2a，2-3a，2-4a）和导电阳极1施加高频高压驱动，在4个导电阴极（2-1a，2-2a，2-3a，2-4a）和导电阳极1之间击穿产生等离子体5；同时，环形气体分配器3的出口处3-1设置2路（本实例以2路为例）切向气流出口（3-1a，3-1b，），一路气体经气体流入端6流经环形气体分配器3，并产生涡旋气流11，增强对等离子体5中电弧的约束，涡旋气流11的方向和涡旋气流4的方向一致；等离子体5受到涡旋气流4和11的双重约束作用和导电阳极变径圆管1的边界约束下，向着导电阳极变径圆管的收缩段（图1中c点-d点段）汇聚，经喷嘴段（图1中d点-e点段）形成等离子体射流12。

采用上述的多弧等离子体发生技术，具体实施方式如下：

1、导电阳极1采用的是内层水冷14的双层结构，从进水口14-1通入冷却水，对导电阳极1冷却后从出水口14-2流出，导电阳极1和所有的导电阴极（2-1a，2-2a，2-3a，2-4a）击穿产生等离子体5，由4个导电阴极（2-1a，2-2a，2-3a，2-4a）为起始点的4个电弧通道（13-1，13-2，13-3，13-4）汇合后到达的导电阳极1内壁某处，4个电弧通道（13-1，13-2，13-3，13-4）在涡旋气流4和涡旋气流11的共同作用下，满足击穿条件即可搭接在一起，形成结点f，并共用弧柱13到达导电阳极1；采用公共的导电阳极1可以更容易产生电弧的搭接，在涡旋气流4和涡旋气流11的引导下，多个弧柱（13-1，13-2，13-3，13-4）耦合形成一整体，经导电阳极1喷嘴段（图1中d点-e点段），形成大尺寸的等离子体射流12。

2、4个阴极组件（2-1，2-2，2-3，2-4）结构、尺寸完全相同，它们的端部处于同一平面上。

3、本实例中的4个阴极组件（2-1，2-2，2-3，2-4）的4个导电阴极（2-1a，2-2a，2-3a，2-4a）采用棒状圆柱导电电极；4个导电阴极（2-1a，2-2a，2-3a，2-4a）可选用高功率石墨电极，也可以采用具有水冷结构金属电极，例如铜或一些难熔金属，如钨、锆、铪等金属嵌入铜中。

4、本实例中的4个阴极组件（2-1，2-2，2-3，2-4）的4个同轴套管（2-1b，2-2b，2-3b，2-4b）采用的绝缘材质制成，可以是陶瓷管；4个同轴套管（2-1b，2-2b，2-3b，2-4b）也可以采用具有双层水冷结构的金属材质制成，在4个阴极组件（2-1，2-2，2-3，2-4）插入导电阳极的内径扩张段（图1中a点-b点段）的部位采用法兰固定并电隔离。

5、导电阳极变径圆管1的收缩段（图1中c点-d点段）和喷嘴段1（图1中d点-e点段）连接拐角处圆弧过渡。

Claims

1.一种多弧等离子体发生器，其特征在于：包括导电阳极、环形气体分配器、多个结构材料均相同的阴极组件，所述导电阳极由变径圆管构成，变径圆管在轴向上依次分为四段，其中第一段为内径渐变增大的内径扩张段，第二段为内径不变的直管段或内径缓变减小的渐缩段，第三段为内径渐变减小的收缩段，第四段为内径不变或缓变增大的喷嘴段，所述喷嘴段作为气体流出端，变径圆管与气体流出端相对的轴向另一端设为气体流入端；

2.根据权利要求1所述的一种多弧等离子体发生器，其特征在于：各个阴极组件的内端对应点处于同一垂直于变径圆管轴向的平面上。

3.根据权利要求1所述的一种多弧等离子体发生器，其特征在于：所述阴极组件中，同轴套管为绝缘材料制成，由同轴套管实现导电阴极和导电阳极之间电隔离。

4.根据权利要求1所述的一种多弧等离子体发生器，其特征在于：各个阴极组件的中轴线与变径圆管的中轴线在空间上形成的夹角为5°~90°中任意角度的锐角。

5.根据权利要求1所述的一种多弧等离子体发生器，其特征在于：所述公共切圆半径的取值范围：大于0且小于或等于导电阳极变径圆管的最大内孔半径的1/2。

6.根据权利要求1所述的一种多弧等离子体发生器，其特征在于：所述导电阳极中变径圆管的收缩段和喷嘴段连接拐角处圆弧过渡。

7.根据权利要求1所述的一种多弧等离子体发生器，其特征在于：所述阴极组件的个数与电源配置个数相等，多个导电阴极分别连接不同电源的负极，所有电源的正极均与导电阳极相连。

8.根据权利要求1所述的一种多弧等离子体发生器，其特征在于：所述环形气体分配器的切向气流出口个数≥2，均匀分布在环形气体分配器内壁。

9.根据权利要求1所述的一种多弧等离子体发生器，其特征在于：所述变径圆管的管壁内部中空形成水冷通道，变径圆管的管壁连接有进、出水口。