CN110248459A - 一种电弧通道尺寸可调节的等离子体发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电弧通道尺寸可调节的等离子体发生器，包括阴极、阳极、阴阳极侧旋气罩、设置在阴、阳极之间的隔离绝缘罩和外壳，阴极的一端设置有与电弧通道相通的阴极进气孔，阴极和阳极分别对应设置阴、阳极位移执行机构，用以调节阴阳极之间的电弧通道尺寸；阴阳极侧旋气罩上设置有与电弧通道相通的旋流进气孔，阴、阳极侧旋气罩对应套装在阴、阳极外，且与阴阳极保持相对滑动，实现在阴阳极之间的间距改变调节电弧通道，同时可调节通过侧旋气罩进入电弧通道的气量，以实现装置的功率的改变。

Description

一种电弧通道尺寸可调节的等离子体发生器

技术领域

本发明涉及等离子体发生器领域，特别是涉及电弧通道尺寸可调节的等离子体发生器。

背景技术

热等离子体具有高温、高焓、高能量密度以及气氛可控等特点，已经广泛应用于切割、焊接、喷涂、材料制备、废物处理等领域。热等离子体发生器是指能够稳定地维持放电、产生出温度3×10³K～3×10⁴K的等离子体的装置，按照产生方式，可分为电弧等离子体发生器、高频感应等离子体发生器和燃烧等离子体发生器三类。其中最常用到的是非转移式直流电弧等离子体发生器。

等离子体发生器作为热等离子体的产生装置，在工业应用中要求等离子体发生器具有高稳定性、高效率和长寿命等特性。不同的应用领域对等离子体射流的要求不同。如等离子体切割要求射流速度快，强度高；等离子体废物处理要求射流截面积大，活性强。射流的不同需求就对等离子体发生器的结构设计提出了不同的要求。

通常情况下，电弧等离子体发生器包括阴极和至少一个阳极，电弧在阴极和阳极之间产生，并由工作气体将电弧热能带出，形成等离子体射流。

为获得高的弧电压，提高发生器功率、电弧稳定性及发生器寿命，通常在发生器阴阳极间添加若干处于悬浮电位彼此绝缘的中间插入段，以形成稳定在发生器轴线上的长弧。这种发生器也被称作分段式或叠片式等离子体发生器。

由于阴阳极间中间插入段的加入，使得电弧弧柱长度加长，进而工作弧电压升高，发生器功率增加。同时由于电弧着弧点在阳极处可移动范围很小，相对无中间插入段结构的发生器，在一定程度上也减少了电弧分流过程，提高了电弧稳定性及发生器寿命。应用于工业领域，添加中间插入段的等离子体发生器在一定程度上可提高工艺质量及稳定性。

然而，由于中间插入段也都由导电良好的金属材料(例如：紫铜)制成，虽然中间插入段与发生器阴阳极间绝缘、中间插入段彼此间也由绝缘材料绝缘，但仍然难以避免电弧弧柱与中间插入段间不同程度的击穿，即发生“串弧”现象，烧坏发生器电极，降低等离子体发生器的工作稳定性和安全性。

另外，由于中间插入段的分布位置及尺寸一旦确定后，在等离子体发生器中的安装位置是固定且不可调节的，因此，合适的插入段分布位置及尺寸成为了设计的关键且难度较大，无法通过简单的理论计算及仿真确定，还需要结合反复的实际测试才能精确定量。同时，也造成等离子体发生器的工程结构复杂，尤其是冷却介质的密封结构设计要综合考虑多项因素才能满足可靠性。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种电弧通道尺寸可调节的等离子体发生器，能够调节阴-阳极间放电的电弧通道的长度，还可通过调节工作气体的流量和分布比例使阴、阳极着弧点均在不同位置移动，大幅延长运行时间。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：

提供一种电弧通道尺寸可调节的等离子体发生器，包括阴极、阳极、阴阳极侧旋气罩、设置在阴、阳极之间的隔离绝缘罩和外壳；所述阴极和阳极分别对应设置阴、阳极位移执行机构，用以调节阴阳极之间的电弧通道尺寸；所述阴、阳极侧旋气罩对应套装在阴、阳极外，且与阴阳极保持相对滑动，实现在阴阳极之间的间距改变的同时调节通过侧旋气罩进入电弧通道的气量。

进一步地，所述位移执行机构由步进电机或伺服电机带动连杆控制和调节阴极、阳极的位置。

本发明在阴极和阳极分别设有对应的位移执行机构，可在使用过程中调节阴极和阳极的相对位置，以改变机器的工作状态。

进一步地，所述阴、阳极的外形为圆筒形，其外径与阴阳极侧旋气罩的内径匹配，所述阴阳极侧旋气罩上设置有与电弧通道相通的旋流进气孔，所述旋流进气孔通过侧旋气罩与外壳之间的通道与大气相通。

进一步地，所述侧旋气罩主体为圆筒形，在圆筒内外壁面对称设置有若干绕圆周的环形圆片，所述旋流进气孔设置在两圆片之间。

进一步地，所述旋流进气孔设置方向与侧旋气罩的径向呈一定夹角。

进一步地，所述旋流进气孔设置方向与侧旋气罩的径向的夹角为15°～75°。

旋流进气孔设置方向与侧旋气罩的径向呈一定夹角，才能使气流速度方向同时具有切向矢量和轴向矢量。

进一步地，所述阴阳极侧旋气罩壁内部设置有用于通冷却水冷却气罩的冷却水通道，所述外壳内设置有与冷却水通道相通的作为冷却水流通道的阴阳极侧旋气罩隔水壳；所述隔离绝缘罩中设有与侧旋气罩的冷却水通道相通的孔道。

进一步地，所述隔离绝缘罩设置在阴阳极侧旋气罩之间。

隔离绝缘罩设置在阴阳极侧旋气罩之间，可保证阴极和阳极之间的绝缘。

进一步地，所述阴极和阳极为圆筒状，圆筒外壁分别设置有水冷夹层，进一步地，所述夹层内通过设置分隔层在夹层中划分处冷却水去路和回路。

进一步地，所述阴极的一端设置有与电弧通道相通的阴极进气孔，所述阴极进气孔与和外界相通的阴极进气通道相通。

本发明中，工作气体可从阴极进气孔、旋流进气孔进入电弧通道，阴-阳极间相对位置改变后，可通过调节工作气体的流量和分布比例可以使阴、阳极着弧点均在不同位置移动，大幅延长运行时间。

本发明的有益效果是：

(1)本发明中，由于阴极和阳极之间的距离是可以自由调节的，阴-阳极之间形成的电弧弧柱长度会随着阴-阳极间距的变化而变化，实现电弧通道可调。

(2)本发明中，由于电弧弧柱长度可以随着电极的位移而发生变化，弧电压随之变化，可以在输入电流不变的情况下，靠调节弧柱长度获得需求的功率，使功率调节范围变宽。

(3)本发明中，在阴、阳极相对位置逐渐拉开的区域，随着电弧柱长度度的变化，从旋气罩上的旋气孔进入的径向旋流气的流量会逐渐增大，对电弧进行径向压缩，并增加电弧流体的旋转动量。

(4)本发明中，工作气体分两个位置进入工作气体，可以通过改变两个位置进入气体的比例来控制流场和流速，调节阴极和阳极电弧着弧点的位置，从而移动电弧径向段旋转的平面，确保电极眼长度方向均匀消耗，延长运行时间。

附图说明

图1是本发明剖视图；

图2是本发明的三维剖切等轴测视图；

图3是本发明所述等离子体发生器原理图；

图4是图3中A-A位置剖面图；

图中：1阴极，2阳极，3阴极进气通道，4阴极气壳，5阴极隔水壳，6阴极水冷夹层，61阴极进水区，62阴极出水区，7阴极侧旋气罩隔水壳，8阴极侧旋气罩冷却通道，9阴极侧旋流气通道，10外壳，11阴极侧旋气罩，12旋流进气孔，13隔离绝缘罩，14阳极侧旋气罩，15阳极侧旋流气通道，16阳极侧旋气罩隔水壳，17阳极侧旋气罩冷却通道，18阳极隔水壳，19阳极水冷夹层，191阳极进水区，192阳极出水区，20阴极位移执行机构，21阳极位移执行机构，22电弧通道，23传输部，24尾部，25阴极进气孔，26冷却水通道，α旋流进气孔在径向平面内与径向的夹角。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1～4所示，提供一种电弧通道尺寸可调节的等离子体发生器，包括阴极1、阳极2、阴极侧旋气罩11、阳极侧旋气罩14、设置在阴、阳极之间的隔离绝缘罩13和外壳10。

阴极1和阳极2分别对应设置阴极位移执行机构20、阳极位移执行机构(21)，用以调节阴阳极之间的电弧通道尺寸；阴、阳极位移执行机构由步进电机或伺服电机带动连杆控制和调节阴极、阳极的位置。

阴极1、阳极2的外形为圆筒形，其外径分别与阴极侧旋气罩11、阳极侧旋气罩14的内径匹配，所述阴极侧旋气罩11、阳极侧旋气罩14上设置有与电弧通道22相通的旋流进气孔12，阴极侧旋气罩11与外壳10之间留有阴极侧旋流气通道9，阳极侧旋气罩11与外壳10之间留有阳极侧旋流气通道15，旋流进气孔12通过阴极侧旋流气通道9和阳极侧旋流气通道15与大气相通。

阴极侧旋气罩11、阳极侧旋气罩14分别对应套装在阴极1、阳极2外，阴极1、阳极2、阴极侧旋气罩11、隔离绝缘罩13和阳极侧旋气罩14共同围成的区域为电弧通道22；阴极侧旋气罩11、阳极侧旋气罩14与阴阳极保持相对滑动，实现在阴阳极之间的间距改变的同时调节通过侧旋气罩进入电弧通道22的气量。

等离子体发生器工作时，产生初始放电的工作气流由阴极1进入电弧通道22，此时阴极1和阳极2距离很近，阴极侧旋气罩11和阳极侧旋气罩14中的所有旋流进气孔12都被遮挡住。阴极侧旋流气通道9和阳极侧旋流气通道15中的工作气体不进入电弧通道22。

随着阴极位移执行机构20和阳极位移执行机构21的调节，使阴极1和阳极2的间距逐渐加大，使得电弧弧柱长度加长，进而工作弧电压升高，等离子体发生器功率增加。同时，阴极侧旋气罩11和阳极侧旋气罩14中未被遮挡的旋流进气孔12将逐渐增多，相应的，阴极侧旋流气通道9和阳极侧旋流气通道15中进入电弧通道22中的工作气体流量将逐渐增大，在电弧通道22中的电弧在更宽范围内受到径向约束和压缩，保证电弧只在阴极1和阳极2的内壁面着弧；同时在更多径向位置使电弧流体产生旋向动量，确保电弧的着弧点在阴极1和阳极2的内壁面上沿圆周方面均匀转动，保持均匀的电极消耗速率。

实施例2

在实施例1的基础上，作为一种优选的实施方式：阴极侧旋气罩11、阳极侧旋气罩14主体均为圆筒形，在圆筒内外壁面对称设置有若干绕圆周的环形圆片，旋流进气孔12设置在两圆片之间。

实施例3

在实施例2的基础上，作为一种优选的实施方式：旋流进气孔12设置方向与侧旋气罩的径向呈15°～75°夹角。侧旋气罩为阴极侧旋气罩11和阳极侧旋气罩14的统称。

实施例4

在实施例3的基础上，作为一种优选的实施方式：阴极侧旋气罩11和阳极侧旋气罩14壁内部设置有用于通冷却水冷却气罩的冷却水通道26，外壳10设置有与冷却水通道26相通的作为冷却水流通道的阴极侧旋气罩隔水壳7和阳极侧旋气罩隔水壳16；侧旋气罩的冷却水通道是轴向贯穿侧旋气罩壁面的通孔。

阴极侧旋气罩隔水壳7、阴极侧旋气罩11、隔离绝缘罩13和外壳10共同围成的区域为阴极侧旋流气通道9，阳极侧旋气罩隔水壳16、阳极侧旋气罩14、隔离绝缘罩13和外壳10共同围成的区域为阳极侧旋流气通道15。

实施例5

在实施例4的基础上，作为一种优选的实施方式：所述隔离绝缘罩13设置在阴极侧旋气罩11和阳极侧旋气罩14之间，保持阴极和阳极之间的绝缘，所述隔离绝缘罩13中设有与侧旋气罩的冷却水通道26相通的孔道。

若干个冷却水通道26在侧旋气罩的圆周方向上均匀分布，旋流罩冷却水通过阴极侧旋气罩隔水壳7进入装置，再依次通过阴极侧旋气罩的冷却水通道、隔离绝缘罩的孔道、阳极侧旋气罩的冷却水通道、阳极侧旋气罩隔水壳16流出。

实施例6

在实施例5的基础上，作为一种优选的实施方式：阴极1包括传输部23和尾部24，传输部23为圆筒状，传输部23远离阳极2的一侧与尾部24固定连接，尾部设有若干与阴极内电弧通道22相通的阴极进气孔25。

实施例7

在实施例6的基础上，作为一种优选的实施方式：尾部24为圆筒状，阴极进气孔25设于尾部的圆周壁上。传输部23与尾部24连接的一端环绕尾部24设有阴极气壳4，阴极气壳4与尾部24之间形成的区域为阴极进气通道3，阴极进气通道3与外界相通。

在调节电弧弧柱长度的过程中，可对阴极气通道3、阴极侧旋流气通道9和阳极侧旋流气通道15中进入的气流量比值进行调节，改变电弧流体在电弧通道22中的轴向速度分布，从而改变阴极1和阳极2内壁面着弧点的轴向位置。

实施例8

在实施例7的基础上，作为一种优选的实施方式：所述阴极1和阳极2为圆筒状，圆筒外壁分别设置有水冷夹层，阴极设有使冷却水进入阴极水冷夹层内的阴极冷却通道6，阳极设有使冷却水进入阳极水冷夹层内的阳极冷却通道19。

阴极冷却通道6内设有阴极隔水壳5，阴极隔水壳5将阴极冷却通道6分隔成阴极进水区61和阴极出水区62；阳极冷却通道19内设有阳极隔水壳18，阳极隔水壳18将阳极冷却通道19分隔成阳极进水区191和阳极出水区192。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种电弧通道尺寸可调节的等离子体发生器，其特征在于，包括阴极(1)、阳极(2)、阴阳极侧旋气罩(11，14)、设置在阴、阳极之间的隔离绝缘罩(13)和外壳(10)；所述阴极和阳极分别对应设置阴、阳极位移执行机构(20，21)，用以调节阴阳极之间的电弧通道尺寸；所述阴、阳极侧旋气罩对应套装在阴、阳极外，且与阴阳极保持相对滑动，实现在阴阳极之间的间距改变的同时调节通过侧旋气罩进入电弧通道的气量。

2.根据权利要求1所述等离子体发生器，其特征在于，所述位移执行机构由步进电机或伺服电机带动连杆控制和调节阴极、阳极的位置。

3.根据权利要求1所述等离子体发生器，其特征在于，所述阴、阳极的外形为圆筒形，其外径与阴阳极侧旋气罩的内径匹配，所述阴阳极侧旋气罩上设置有与电弧通道相通的旋流进气孔(12)，所述旋流进气孔通过侧旋气罩与外壳之间的通道与大气相通。

4.根据权利要求3所述等离子体发生器，其特征在于，所述侧旋气罩主体为圆筒形，在圆筒内外壁面对称设置有若干绕圆周的环形圆片，所述旋流进气孔设置在两圆片之间。

5.根据权利要求4所述等离子体发生器，其特征在于，所述旋流进气孔设置方向与侧旋气罩的径向呈一定夹角。

6.根据权利要求5所述等离子体发生器，其特征在于，所述夹角为15°～75°。

7.根据权利要求1所述等离子体发生器，其特征在于，所述阴阳极侧旋气罩壁内部设置有用于通冷却水冷却气罩的冷却水通道(26)，所述外壳内设置有与冷却水通道相通的作为冷却水流通道的阴阳极侧旋气罩隔水壳(7，16)；所述隔离绝缘罩中设有与侧旋气罩的冷却水通道相通的孔道。

8.根据权利要求1所述等离子体发生器，其特征在于，所述隔离绝缘罩设置在阴阳极侧旋气罩之间。

9.根据权利要求1所述等离子体发生器，其特征在于，所述阴极和阳极为圆筒状，圆筒外壁分别设置有水冷夹层，进一步地，所述夹层内通过设置分隔层在夹层中划分处冷却水去路和回路。

10.根据权利要求1所述等离子体发生器，其特征在于，所述阴极的一端设置有与电弧通道相通的阴极进气孔(25)，所述阴极进气孔与和外界相通的阴极进气通道(3)相通。