CN109803478A - 等离子发生器水冷阳极 - Google Patents

Abstract

等离子发生器水冷阳极,设电弧穿过中心孔的螺旋内阳极,其外表面开有轴向螺纹形成的N根并绕的螺旋水道,水道外套装外阳极。设轴向内侧含上、下回水槽的上、下端环座,并与内阳极轴向连为整体。外阳极外设密封的不锈钢外筒,与外阳极间为回水通道。发生器引弧后,进入中心孔的热源电弧与内圈导电并散热到螺旋水道,水再经下回水槽、回水上行通道二次冷却外阳极等后排出。压力冷水由进水管、进出水环座、上回水槽引入螺旋水道,冷水在螺旋齿槽内径向从内向外,轴向螺旋上升,散热面大大增加,再加上回水二次冷却,其冷却效果极佳。N根并绕,散热均匀。回水槽方便冷热水引入,引出,且可冷却两端环座。结构方便制造、安装和维护。可用于非转移等离子发生器,特别是大功率发生器。

Description

等离子发生器水冷阳极

(一)技术领域：等离子发生器水冷阳极,本发明涉及大功率(200KW以上)等离子发生器水冷阳极结构,属离子产生和火花隙类(H01T)。

(二)背景技术：

产生高温热源的等离子发生器包括如下部分:阴极组件、阳极组件、水冷系统、气压系统和水压系统等。其中阳极为圆筒形通电导体,当阴极和阳极通电后在阴极发射端产生电弧并发射,其阳极中心孔便是电弧通道。也可以说,阳极中心孔内电弧10A便是阳极内产生热量的唯一热源,阳极筒体仅起传导散热功能。现有空冷等离子发生器工作时,阳极中心孔电弧的热量仅由中心孔内壁径向从壁厚方向热传导和阳极筒体外表面散热,即它的散热面仅仅是筒体表面,显然散热能力不能满足大容量产品要求。即采用空冷则只能用于小容量(100KW以下)的等离子发生器。

随着大容量(200KW以上)等离子发生器的出现，显然必须采用外部强迫循环的水冷阳极。如果通过外加水泵在阳极筒体从上至下简单的通冷水冷却,其冷却效果也不能达到要求,仍会出现温度高、寿命短等。且随着容量的增大,一般有采用多级阳极结构,则必须开发适用多级中每一级的更优化的水冷阳极。

(三)发明内容：

本发明提供的等离子发生器水冷阳极，就是解决现有的空冷和一般水冷阳极温度高、寿命短,不能满足大功率等离子发生器的需要的问题。

技术方案如下：

等离子发生器水冷阳极，包括:带中心孔的圆筒形阳极,其特征是：

1)在带中心孔10的圆筒形阳极上,沿径向壁厚B范围内,设置一个螺旋内阳极1,螺旋内阳极外表面开有由轴向螺纹形成的周向均布N个上进水口2A和N个下出水口2B的螺旋水道2；在螺旋内阳极外表面的螺旋弧面1.3外,套装一个圆筒形的外阳极3；外阳极外周设一个不锈钢圆筒形的且上、下端密封的外筒7,外筒与外阳极间环状空间为回水上行通道7A；螺旋内阳极轴向上、下端分别设上、下端环座9、5,上、下端环座与螺旋内阳极内圈1A轴向连为一个整体；上、下端环座轴向内侧分别开上、下环状回水槽8、4；上、下环状回水槽分别与螺旋水道2上进水口2A、下出水口2B连通；与外部压力水系统连通的阳极进水管11、阳极出水管13通过进出水环座12分别与上环状回水槽8和回水上行通道7A连通；

2)上述螺旋水道2,包括:螺旋水道2同一水平圆面周向均布N个齿槽,对应轴向有并绕的N条螺旋水道2.1、2.2…2.N,N条螺旋水道上端口周向均布N个上进水口2A；N条螺旋水道下端口周向均布N个下出水口2B。

上述螺旋内阳极外表面的螺旋弧面1.3和外阳极两者间,其配合间隙不大于0.1mm。上述外阳极3内径D3大于上端环座9的最大外径D9。上述螺旋内阳极1、上端环座9、下端环座5材料均为紫铜。上述外阳极3材料为不锈钢。

本发明有益效果：

1)外部压力冷水从上方环形回水槽8进入螺旋水道2中,因螺纹齿槽有槽底和槽顶,压力水经过槽底便接触螺旋内阳极内圈1A外表面,流经槽顶时,便接触外阳极3内表面,因此压力水径向从螺纹内向外,轴向螺旋上升,致此流经路线及散热面大大增加。实现压力冷水在螺旋水道中进行热交换的一次内部冷却。因设计螺旋弧面1.3和外阳极3间配合间隙不大于0.1mm,这个紧度即能保证螺旋水道中轴向每齿中水不直接下漏,保持设计散热面,且维修拆卸外阳极也很方便。

2)由于设置下环形回水槽4和不锈钢外筒7,使不锈钢外筒和外阳极间形成回水上行通道7A,这又实现了压力回水排出的二次热交换,进一步从外阳极外表面冷却。两次冷却使整个圆筒形阳极径向从内到外各构件内、外面均实现热交换,其冷却效果极佳。

3)采用均布N根螺旋水道并绕散热,水分布及散热均匀,不存在各处温差大及局部发热。

4)设计上、下环状回水槽8、4,不仅方便将冷水引入螺旋水道2,热水引出外部水系统,且它处于两上、下端环座内腔,可以大大的冷却传导中心孔电弧热量的上、下端环座9、5。

5)结构设计考虑了制造安装拆卸维护方便。如:外阳极内径D3大于上端环座9外径D9等。

(四)附图说明：

图1等离子发生器水冷阳极正剖视示意图。

图2为图1的A-A剖视图。

(五)具体实施方式：

实施例 用于非转移弧等离子发生器的大阳极。

等离子发生器水冷阳极,如下组成：

1)总体结构及布置:

见图1,在带中心孔10的圆筒形阳极上,沿径向壁厚B范围内,设置一个螺旋内阳极1,螺旋内阳极外表面开有由轴向螺纹形成的周向均布N个上方进水口2A和下方出水口2B的螺旋水道2。见图2,螺旋水道2由N条螺纹轴向并绕,本实施例N取为4；螺旋内阳极1外表面套装一个圆筒形的外阳极3,螺旋内阳极和外阳极两者间有槽齿形成的螺旋弧面1.3(见图2),螺旋弧面1.3和外阳极3内孔间配合间隙不大于0.1mm,该处两者间接触螺旋弧面也为传热通道,使螺旋内阳极1和外阳极3成为内有冷却水道的散热体。见图1,螺旋内阳极轴向上端头设上端环座9,螺旋内阳极下端头设下端环座5,上、下端环座9、5与螺旋内阳极1内圈1A(见图1)连为一个整体。外阳极3外周设一个不锈钢圆筒形的外筒7,外筒7与外阳极3间环状空间为回水上行通道7A。外阳极3也起着将螺旋水道2内一次冷却水和回水上行通道7A内二次冷却水隔离的作用。

见图1,上端环座9轴向内侧开上环状回水槽8,并与螺旋水道2上进水口2A连通。下端环座5轴向内侧开下环状回水槽4,并与螺旋水道2下出水口2B连通。与外部压力水系统连通的上方阳极进水管11与上环状回水槽8连通；与外部压力水系统连通的上方阳极出水管13与回水上行通道7A连通。

见图1,项6是下端盖,装在下端环座5下端面,有相配合的中心孔6A。外筒7下端固定在下端环座5和下端盖6之间,并装有外筒下密封7.1；外筒7上端固定在进出水环座12下表面,并装有外筒上密封7.2。阳极进水管11通过进出水环座12的进水通道12.1与上环状回水槽8连通引入进水；阳极出水管13通过进出水环座12出水通道12.2与回水上行通道7A连通,排出出(热)水。项14是上环状密封垫。项10是阳极中心孔,电弧10A从上向下流喷出(本实施例为最后一级大阳极),或从上向下流向下一级阳极。

2)螺旋水道2如下构成:本实施例N取为4。

见图2,周向均布N＝4个齿槽,也就是说对应并绕的四条螺旋水道2.1、2.2、2.3、2.4均布四个进水口。图1示出了上端进水口2A处,并绕的四条螺旋水道2.1、2.2、2.3、2.4的四个进水口相对位置。同理,图1示出了并绕的四条螺旋水道2.1、2.2、2.3、2.4在下方出水口2B处,对应四条螺旋水道的四个出水口的相对位置。由此形成水均匀分布的冷却水道。

3)见图1,外阳极3内径D3大于上端环座9的最大外径D9。(D3也可见图2)。

4)上述螺旋内阳极1、上端环座9、下端环座5等构件材料均为紫铜。上述外阳极3材料为不锈钢,因它起隔离内外水道,且为薄壁,采用不锈钢为最佳。

工作过程:

1)见图1,外部电机带动外部水泵启动,压力冷水经上方阳极进水管11、进出水环座12的进水通道12.1与上环状回水槽8连通引入进水再经螺旋水道上方进水口2A流入均布的N＝4个螺旋水道内。

2)与此同时等离子发生器经引弧后进入工作状态,在阴极发射端产生电弧并发射,见图1,电弧10A从上至下进入阳极中心孔10。

3)见图1,阳极中心孔10内壁为螺旋内阳极1的内圈1A,是紫铜导电体,电弧10A通过阳极中心孔10时和内壁形成导电通道,电弧的部分热量通过内壁(即内圈1A)传递给螺旋水道2,与螺旋水道中冷水进行热交换即进行第一次冷却

4)见图1,在螺旋水道中第一次冷却后,冷却水经螺旋水道下方出水口2B排入下方环状回水槽4,再转向经回水上行通道7A进行二次冷却,最后经进出水环座12的出水通道12.2排入阳极出水管13,热水排出。

简述上述等离子发生器水冷阳极工艺步骤:

1)按上述螺旋内阳极1、上端环座9、下端环座5三件一体的整体尺寸,设计紫铜圆筒毛胚尺寸及制作毛胚。2)按螺旋水道2设计尺寸在螺旋内阳极1表面加工螺纹。3)按尺寸在上下端加工上、下环状回水槽8、4。4)安装下方下端盖6。5)将不锈钢圆筒形的外阳极3单件加工完毕,从上至下套装在螺旋内阳极1外周,配合间隙不大于0.1mm,并在中间形成N条螺旋水道2。为便于安装,设计时需使外阳极3内径D3大于上端环座9的最大外径D9。5)顺次安装外筒7(包括上密封圈7.2和下密封圈7.1)；阳极进水管11、阳极出水管13；上方的进出水环座12；上环状密封垫14。

Claims (4)

1.等离子发生器水冷阳极，包括:带中心孔的圆筒形阳极,其特征是：

1)在带中心孔(10)的圆筒形阳极上,沿径向壁厚(B)范围内,设置一个螺旋内阳极(1),螺旋内阳极外表面开有由轴向螺纹形成的周向均布N个上进水口(2A)和N个下出水口(2B)的螺旋水道(2)；在螺旋内阳极外表面的螺旋弧面(1.3)外,套装一个圆筒形的外阳极(3)；外阳极外周设一个不锈钢圆筒形的且上、下端密封的外筒(7),外筒与外阳极间环状空间为回水上行通道(7A)；

螺旋内阳极轴向上、下端分别设上、下端环座(9、5),上、下端环座与螺旋内阳极内圈(1A)轴向连为一个整体；上、下端环座轴向内侧分别开上、下环状回水槽(8、4)；上、下环状回水槽分别与螺旋水道上进水口(2A)、下出水口(2B)连通；与外部压力水系统连通的阳极进水管(11)、阳极出水管(13)通过进出水环座(12)分别与上环状回水槽(8)和回水上行通道(7A)连通；

2)上述螺旋水道,包括:

螺旋水道(2)同一水平圆面周向均布N个齿槽,对应轴向有并绕的N条螺旋水道(2.1、2.2…2.N),N条螺旋水道上端口周向均布N个上进水口(2A)；N条螺旋水道下端口周向均布N个下出水口(2B)。

2.按权利要求1所述的等离子发生器水冷阳极,其特征是：所述螺旋内阳极外表面的螺旋弧面(1.3)和外阳极两者间,其配合间隙不大于0.1mm。

3.按权利要求1所述的等离子发生器水冷阳极,其特征是：外阳极内径(D3)大于上端环座的最大外径(D9)。

4.按权利要求1所述的等离子发生器水冷阳极,其特征是：所述螺旋内阳极(1)、上端环座(9)、下端环座(5)材料均为紫铜；所述外阳极(3)材料为不锈钢。