CN112423460B - 等离子体发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种等离子体发生器，该等离子体发生器包括：阳极、阴极机构和旋转机构；其中，阳极的第一端开设有电弧出口；阴极机构偏心地悬设于阳极的内部且与阳极之间的间隙形成气流通道；阴极机构包括：至少两个阴极头，旋转机构用于使阴极机构旋转，以使得任意一个阴极头与电弧出口相对应。本发明中，通过阴极机构偏心地悬设于阳极的内部，当阴极头使用完毕后仅需通过旋转机构将其余的阴极头旋转至与电弧出口相对应即可，无需停机更换阴极头，使得等离子发生器能够稳定地连续工作，延长了等离子体发生器的使用寿命，减少了停机更换阴极头的风险，并减少了经济损失。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体技术领域，具体而言，涉及一种等离子体发生器。
背景技术
电弧等离子体发生器是一种能够产生定向"低温"(2000～20000K)等离子体射流的放电装置，电弧等离子体发生器主要由一个阴极(阳极用工件代替)或阴、阳两极，一个放电室以及等离子体工作气供给系统三部分组成。
目前，等离子体发生器多为阴极设置于阳极内的结构，此类等离子体发生器可正常稳定运行的工作时间较短，需经常手动更换部件。通常，等离子体发生器寿命提升的方法主要是提升电极冷却效率、电极采用侵蚀速率更慢的贵金属合金、磁场约束等，但是这些处理措施基本还是仅能将等离子体发生器寿命维持在1500小时以内，相对于普通工厂年工作时间8000小时来说还是太短，按照最好情况计算，每个工厂使用等离子体发生器的系统最少更换8次。更换时，需要停机，使得等离子发生器无法连续工作，带来了较大的经济损失，并且，增加了更换风险。
发明内容
鉴于此，本发明提出了一种等离子体发生器，旨在解决现有技术中等离子体发生器需要停机更换导致无法连续工作的问题。
本发明提出了一种等离子体发生器，等离子体发生器包括：阳极、阴极机构和旋转机构；其中，阳极的第一端为开设有电弧出口；阴极机构偏心地悬设于阳极的内部且与阳极之间的间隙形成气流通道；阴极机构包括：至少两个阴极头，旋转机构用于使阴极机构旋转，以使得任意一个阴极头与电弧出口相对应。
进一步地，上述等离子体发生器中，阴极机构还包括：绝缘体；其中，绝缘体偏心地悬设于阳极的内部且与阳极之间的间隙形成气流通道；绝缘体的内部填充绝缘材料，各阴极头间隔地设置于绝缘体；绝缘体的中心轴线与阳极的中心轴线之间的距离等于每个阴极头的中心轴线与绝缘体的中心轴线之间的距离。
进一步地，上述等离子体发生器中，各阴极头均插设于绝缘体内；或者，各阴极头均部分嵌设于绝缘体的外壁。
进一步地，上述等离子体发生器中，各阴极头沿绝缘体的周向均匀设置。
进一步地，上述等离子体发生器中，各阴极头的长度与绝缘体的长度相匹配；或者，至少一个阴极头的长度小于绝缘体的长度，小于绝缘体长度的阴极头的第一端与绝缘体远离电弧出口处的端部相齐平，绝缘体在小于绝缘体长度的阴极头的第二端处设置有电弧输出通道，电弧输出通道延伸至绝缘体靠近电弧出口处的端部。
进一步地，上述等离子体发生器中，每个阴极头的内部均设置有放电芯。
进一步地，上述等离子体发生器中，旋转机构包括：旋转手柄；其中，旋转手柄可转动地穿设于阳极的第二端且部分嵌设于绝缘体内。
进一步地，上述等离子体发生器中，旋转机构包括：驱动电机；其中，驱动电机的驱动轴可转动地穿设于阳极的第二端且部分嵌设于绝缘体内。
进一步地，上述等离子体发生器还包括：辅助机构；其中，辅助机构设置于阳极的内部，用于使气流通道相对于阳极的中心轴线对称设置。
进一步地，上述等离子体发生器中，辅助机构包括：包裹层和绝缘层；其中，绝缘层设置于阴极机构的外部，包裹层包覆于阴极机构和绝缘层的外部，以使阴极机构与绝缘层形成整合体；整合体与阳极为同轴设置，并且，整合体相对于阳极的中心轴线相对称，以及，整合体与阳极之间具有间隙以形成气流通道。
本发明中，通过阴极机构偏心地悬设于阳极的内部，当阴极头使用完毕后仅需通过旋转机构将阴极机构中的其余任意一个阴极头旋转至与电弧出口相对应即可，无需停机更换阴极头，使得等离子发生器能够稳定地连续工作，延长了等离子体发生器的使用寿命，解决了现有技术中等离子体发生器需要停机更换导致的无法连续工作的问题，减少了停机更换阴极头的风险，并减少了经济损失。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例提供的等离子体发生器的剖面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的等离子体发生器中，阴极机构处的剖面结构示意图；
图3为本发明实施例提供的等离子体发生器中，阴极机构处的又一剖面结构示意图；
图4为本发明实施例提供的等离子体发生器的又一剖面结构示意图；
图5为本发明实施例提供的等离子体发生器的再一剖面结构示意图；
图6为本发明实施例提供的等离子体发生器中，阴极机构处的再一剖面结构示意图；
图7为本发明实施例提供的等离子体发生器中，旋转机构的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的等离子体发生器中，旋转机构的又一结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
参见图1、图7和图8，图中示出了本发明实施例提供的等离子体发生器的优选结构。如图所示，等离子体发生器包括：阳极1、阴极机构2和旋转机构3。其中，阳极1的第一端(图1所示的下端)开设有电弧出口11，电弧出口11用于输出电弧。具体地，阳极1的内部中空，电弧出口11开设于阳极1的第一端的中心处，并且，电弧出口11的中心轴线与阳极1的中心轴线相重合。
具体实施时，参见图1，等离子体发生器还可以包括：端盖4。阳极1的第二端(图1所示的上端)与其第一端为相对设置，阳极1的第二端为开口端，并且，阳极1的第二端与端盖4可开合地连接。具体地，端盖4可盖合于阳极1，也可以从阳极1上取下。
具体实施时，参见图1，阳极1的第一端可以设置有起弧段81和平直段82，其中，起弧段81的外径小于阳极1的第二端的外径，并且，起弧段81呈锥形，平直段82与起弧段81相连接。电弧出口11开设于平直段82的端部，起弧段81用于产生电弧，平直段82用于使电弧输出。
阴极机构2悬设于阳极1的内部，并且，阴极机构2在阳极1内呈偏心设置，即阴极机构2的中心轴线与阳极1的中心轴线并没有重合，而是两者之间具有第一预设距离。具体实施时，第一预设距离可以根据实际情况来确定，本实施例对此不做任何限制。
阴极机构2与阳极1的内壁之间具有间隙，该间隙形成了气流通道5，气流通道5用于输送工作气，工作气用于促使阴极机构2与阳极1产生电弧，并输送电弧，使得电弧由电弧出口11输出。具体地，端盖4上可以开设有进气孔，以向气流通道5内输送工作气。也可以是，阴极机构2与阳极1之间设置有绝缘材料，在绝缘材料上开设有进气口，以向气流通道5内输送工作气。当然，还可以有其他方式以向气流通道5内输送工作气，本实施例对此不做任何限制。
阴极机构2可以包括：至少两个阴极头21，旋转机构3用于使阴极机构2旋转，进而使得任意一个阴极头21与电弧出口11相对应，则当其中一个阴极头21与电弧出口11相对应时，该阴极头21处于放电位置，阳极1与阴极头21以及气流通道5中输送的工作气共同作用产生电弧，电弧由电弧出口11输出。
具体实施时，阴极头21的数量可以根据等离子发生器连续工作时间来确定，本实施例对此不做任何限制。在本实施例中，阴极头为3个。具体实施时，阴极头21和阳极1在产生电弧时需要与电源接通。
使用时，旋转机构3将其中一个阴极头21对应于电弧出口11处，在起弧段81，阳极1和该阴极头21接通电源后与气流通道5输送的工作气共同作用产生电弧，工作气还会吹动产生的电弧，并将电弧吹动至平直段82，使得电弧最终由电弧出口11输出。
当旧阴极头使用完毕后，断开旧阴极头的电源。然后，旋转机构3旋转阴极机构2，使得另一个阴极头21对应于电弧出口11处，接通该新阴极头的电源，起弧后形成等离子体弧放电。其中，旧阴极头为已经产生过电弧、使用过的阴极头，新阴极头为未使用的阴极头。
或者，当旧阴极头21使用完毕后，将准备更换的新阴极头和旧阴极头同时接通电源，以使两个阴极头可以同时放电。然后，旋转机构3旋转阴极机构2，使得新阴极头对应于电弧出口11处，并断开旧阴极头的电源，新阴极头21持续放电。这种使用方法无需重新起弧，适用于起弧不方便的领域。其中，旧阴极头为已经产生过电弧、使用过的阴极头，新阴极头为未使用的阴极头。
可以看出，本实施例中，通过阴极机构2偏心地悬设于阳极1的内部，当阴极头21使用完毕后仅需通过旋转机构3将阴极机构2中的其余任意一个阴极头21旋转至与电弧出口11相对应即可，无需停机更换阴极头21，使得等离子发生器能够稳定地连续工作，延长了等离子体发生器的使用寿命，解决了现有技术中等离子体发生器需要停机更换导致的无法连续工作的问题，减少了停机更换阴极头21的风险，并减少了经济损失。
参见图1至图3，如图所示，阴极机构2可以包括：绝缘体22。其中，绝缘体22偏心地悬设于阳极1的内部，具体地，绝缘体22的中心轴线与阳极1的中心轴线之间具有第一预设距离，则绝缘体22在阳极1的内部呈偏心设置。绝缘体22与阳极1之间具有间隙，该间隙形成了气流通道5。
绝缘体22的内部填充绝缘材料，具体地，阴极机构2可以包括：壳体，壳体内充满绝缘材料，以形成绝缘体22。其中，绝缘材料可以为多种绝缘材料复合组成，也可以为单一绝缘材料。壳体悬设于阳极1的内部，并且，壳体的中心轴线与阳极1的中心轴线之间具有第一预设距离。
各阴极头21均设置于绝缘体22，并且，各阴极头21间隔设置。具体地，相邻两个阴极头21之间具有第二预设距离，该第二预设距离可以根据实际情况来确定，本实施例对此不做任何限制。
旋转机构3用于使绝缘体22旋转，从而带动各阴极头21的旋转，进而使得任意一个阴极头21与电弧出口11相对应。
绝缘体22的中心轴线与阳极1的中心轴线之间的距离，即第一预设距离，等于每个阴极头21的中心轴线与绝缘体22的中心轴线之间的距离，即每个阴极头21的中心轴线与绝缘体22的中心轴线之间的距离也为第一预设距离。由于电弧出口11的中心轴线与阳极1的中心轴线相重合，所以，绝缘体22在旋转机构3的作用下进行旋转时，能够使得每个阴极头21均可以与电弧出口11相对应，进而保证了阴极头21与阳极1之间的稳定放电。
具体实施时，各阴极头21靠近阳极1第二端处的端部形状可以为圆柱状、锥形、尖角形或者或者圆形，具体地，各阴极头21的靠近阳极1第二端处的端部的截面形状可以为三角形、梯形、圆弧形等，本实施例对此不做任何限制。
各阴极头21与绝缘体22的连接结构可以为：参见图2，各阴极头21均插设于绝缘体22内。具体地，各阴极头21均置于绝缘体22的内部，即各阴极头21均插设于绝缘体22的绝缘材料中。更为具体地，各阴极头21可以通过绝缘胶插设且粘接于绝缘材料中。优选的，各阴极头21沿绝缘体22的周向均匀设置，也就是说，各阴极头21在绝缘体22的内部沿绝缘体22的内圆周均匀分布。
各阴极头21与绝缘体22的连接结构还可以为：参见图3，各阴极头21均部分嵌设于绝缘体22的外壁，具体地，各阴极头21由绝缘体22的外圆周处向绝缘体22的内部嵌设，则每个阴极头21均部分嵌设于绝缘体22内，部分置于绝缘体22的外部。更为具体地，每个阴极头21可以通过绝缘胶与绝缘体22稳定连接。优选的，各阴极头21沿绝缘体22的周向均匀设置。
可以看出，本实施例中，阴极机构2的结构简单，便于实施，并且，绝缘体的设置能够有效地使得各阴极头之间保持绝缘，提高了等离子体发生器工作的稳定性和安全性，同时，将绝缘体22的中心轴线与阳极1的中心轴线之间的距离，限定为等于每个阴极头21的中心轴线与绝缘体22的中心轴线之间的距离，能够有效地保证每个阴极头21均可以在旋转后与电弧出口11相对应，进而保证每个阴极头21均可以在与电弧出口11相对应时产生电弧，避免每个阴极头21无法与电弧出口11相对应进而导致无法产生电弧，确保了每个阴极头21均能够正常工作，进而确保了等离子发生器能够稳定地连续工作，延长了等离子体发生器的使用寿命。
上述各实施例中，各阴极头21的长度可以与绝缘体22的长度相匹配。或者，至少一个阴极头21的长度可以小于绝缘体22的长度，小于绝缘体22长度的阴极头的第一端与绝缘体22远离电弧出口11处的端部相齐平，即小于绝缘体22长度的阴极头的第一端与绝缘体22靠近端盖4处的端部相齐平。绝缘体22在小于绝缘体22长度的阴极头的第二端处设置有电弧输出通道，该电弧输出通道是将绝缘体22在小于绝缘体22长度的阴极头21的第二端处掏空设置。电弧输出通道延伸至绝缘体22靠近电弧出口11处的端部，即绝缘体22在对应于小于绝缘体22长度的阴极头的第二端处至绝缘体22靠近电弧出口11处的端部之间的部分均为中空设置。其余的阴极头21的长度可以与绝缘体22的长度相匹配。
具体实施时，小于绝缘体22长度的阴极头的数量可以根据实际情况来确定，本实施例对此不做任何限制。
可以看出，本实施例中，各阴极头21的长度可以与绝缘体22的长度相匹配，也可以小于绝缘体22的长度，无需限制，便于实施，并可以根据实际情况进行选择，扩大了使用范围。
上述各实施例中，每个阴极头21的内部均可以设置有放电芯6，具体地，放电芯6设置于每个阴极头21靠近阳极1第一端处的端部，即，每个阴极头21靠近电弧出口11处的端部。通过设置放电芯6，来增加放电效果和提升阴极头21的使用寿命。
参见图7，本实施例提供了旋转机构的一种优选结构。如图所示，旋转机构3可以包括：旋转手柄31。其中，旋转手柄31可转动地穿设于阳极1的第二端且部分嵌设于绝缘体22内。具体地，旋转手柄31可以呈Z型，旋转手柄31可转动地穿设于端盖4，并在穿设端盖4后，其第一端(图7所示的右端)与绝缘体22相连接，即旋转手柄31的第一端插设于绝缘材料内，旋转手柄31的第二端(图7所示的左端)置于端盖4的外部。
可以看出，本实施例中，通过旋转手柄31手动旋转绝缘体22，进而带动各阴极头21的旋转，简单方便，便于实施。
参见图8，本实施例提供了旋转机构的另一种优选结构。如图所示，旋转机构3可以包括：驱动电机32。其中，驱动电机32的驱动轴可转动地穿设于阳极1的第二端且部分嵌设于绝缘体22内。具体地，驱动电机32的驱动轴可转动地穿设于端盖4，则驱动电机32置于端盖4的外部，驱动电机32的驱动轴穿设端盖4后与绝缘体22相连接，即驱动电机32的驱动轴插设于绝缘材料内。
可以看出，本实施例中，通过驱动电机32驱动绝缘体22旋转，进而带动各阴极头21的旋转，实现了自动化设置，无需人工操作，简单方便，便于实施。
参见图4至图6，上述各实施例中，等离子体发生器还可以包括：辅助机构7。其中，辅助机构7设置于阳极1的内部，辅助机构7用于使气流通道5相对于阳极1的中心轴线对称设置，即气流通道5能够均匀设置。具体地，由于阴极机构2在阳极1的内部呈偏心设置，即阴极机构2一侧与阳极1的内壁之间的距离较近，阴极机构2的另一侧与阳极1的内壁之间的距离较远，所以阴极机构2与阳极1之间的间隙并不是均匀分布，即气流通道5并不是均匀分布的。例如，图1中，阴极机构2距离阳极1的左侧(相对于图1而言)较近，阴极机构2距离阳极1的右侧(相对于图1而言)较远，则气流通道5对应于阳极1左侧处的截面较窄，气流通道5对应于阳极1右侧处的截面较宽。
辅助机构7使得气流通道5呈对称且均匀分布，即，相对于图1而言，辅助机构7使得气流通道5对应于阳极1左侧处的截面宽度与气流通道5对应于阳极1右侧处的截面宽度相同。
辅助机构7可以包括：包裹层71和绝缘层72。其中，绝缘层72设置于阴极机构2的外部，包裹层71包覆于阴极机构2和绝缘层72的外部，具体地，包裹层71将阴极机构2和绝缘层72包裹在内，使得阴极机构2和绝缘层72形成一个整合体。
整合体与阳极1之间具有间隙，该间隙形成气流通道5。整合体与阳极1为同轴设置，即整合体的中心轴线与阳极1的中心轴线处于同一直线上，也就是说，整合体的中心轴线与阳极1的中心轴线重合。并且，整合体相对于阳极1的中心轴线相对称，即整合体为一个轴对称的结构，从而使得气流通道5相对于阳极1的中心轴线对称分布。
具体实施时，包裹层71的材料可以为不锈钢或者其他塑料耐高温绝缘材料，如聚醚醚酮PEEK、聚酰亚胺PI，本实施例对此不做任何限制。
可以看出，本实施例中，通过设置辅助机构7，使得气流通道5呈对称且均匀分布，即形成一个相对于阳极1的中心轴线对称的均匀流场，便于形成层流流场，提升了等离子体发生器的稳定性，使得等离子体发生器的放电流场均匀对称。
综上所述，本实施例中，通过阴极机构2偏心地悬设于阳极1的内部，当阴极头21使用完毕后仅需通过旋转机构3将阴极机构2中的其余任意一个阴极头21旋转至与电弧出口11相对应即可，无需停机更换阴极头21，使得等离子发生器能够稳定地连续工作，延长了等离子体发生器的使用寿命，减少了停机更换阴极头21的风险，并减少了经济损失。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种等离子体发生器，其特征在于，包括：阳极(1)、阴极机构(2)、旋转机构(3)和辅助机构(7)；其中，
所述阳极(1)的第一端开设有电弧出口(11)；所述电弧出口(11)的中心轴线与所述阳极(1)的中心轴线相重合；
所述阴极机构(2)偏心地悬设于所述阳极(1)的内部且与所述阳极(1)之间的间隙形成气流通道(5)；
所述阴极机构(2)包括：至少两个阴极头(21)，旋转机构(3)用于使所述阴极机构(2)旋转，以使得任意一个阴极头(21)与所述电弧出口(11)相对应；
所述辅助机构(7)设置于所述阳极(1)的内部，用于使所述气流通道(5)相对于所述阳极(1)的中心轴线对称设置；
所述阴极机构(2)还包括：绝缘体(22)；其中，
所述绝缘体(22)偏心地悬设于所述阳极(1)的内部且与所述阳极(1)之间的间隙形成所述气流通道(5)；
所述绝缘体(22)的内部填充绝缘材料，各所述阴极头(21)间隔地设置于所述绝缘体(22)；
所述绝缘体(22)的中心轴线与所述阳极(1)的中心轴线之间的距离等于每个所述阴极头(21)的中心轴线与所述绝缘体(22)的中心轴线之间的距离。
2.根据权利要求1所述的等离子体发生器，其特征在于，
各所述阴极头(21)均插设于所述绝缘体(22)内；或者，
各所述阴极头(21)均部分嵌设于所述绝缘体(22)的外壁。
3.根据权利要求1所述的等离子体发生器，其特征在于，各所述阴极头(21)沿所述绝缘体(22)的周向均匀设置。
4.根据权利要求1所述的等离子体发生器，其特征在于，
各所述阴极头(21)的长度与所述绝缘体(22)的长度相匹配；或者，
至少一个所述阴极头(21)的长度小于所述绝缘体(22)的长度，小于所述绝缘体(22)长度的阴极头的第一端与所述绝缘体(22)远离电弧出口(11)处的端部相齐平，所述绝缘体(22)在小于所述绝缘体(22)长度的阴极头的第二端处设置有电弧输出通道，所述电弧输出通道延伸至所述绝缘体(22)靠近电弧出口(11)处的端部。
5.根据权利要求1所述的等离子体发生器，其特征在于，每个所述阴极头(21)的内部均设置有放电芯(6)。
6.根据权利要求1所述的等离子体发生器，其特征在于，所述旋转机构(3)包括：旋转手柄(31)；其中，
所述旋转手柄(31)可转动地穿设于所述阳极(1)的第二端且部分嵌设于所述绝缘体(22)内。
7.根据权利要求1所述的等离子体发生器，其特征在于，所述旋转机构(3)包括：驱动电机(32)；其中，
所述驱动电机(32)的驱动轴可转动地穿设于所述阳极(1)的第二端且部分嵌设于所述绝缘体(22)内。
8.根据权利要求1所述的等离子体发生器，其特征在于，所述辅助机构(7)包括：包裹层(71)和绝缘层(72)；其中，
所述绝缘层(72)设置于所述阴极机构(2)的外部，所述包裹层(71)包覆于所述阴极机构(2)和所述绝缘层(72)的外部，以使所述阴极机构(2)与所述绝缘层(72)形成整合体；
所述整合体与所述阳极(1)为同轴设置，并且，所述整合体相对于所述阳极(1)的中心轴线相对称，以及，所述整合体与所述阳极(1)之间具有间隙以形成所述气流通道(5)。
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