CN114557138A - 等离子体炬 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高功率(MW级)且能够稳定地生成等离子体的等离子体炬，其包括构成为圆筒状且设于后方电极部(110)与前方电极部(120)之间的炬主体部(200)，炬主体部(200)形成有使气体沿轴向(C)流动的圆形的通道(201)，并由多个节段(210)堆叠而成，节段(210)形成为圆盘状，中央形成有圆形的通孔(211)以形成通道(201)，节段(210)包括：多个气体供应端口(212)，在节段(210)的一个表面上沿通孔(211)形成为螺旋状以形成能够引入反应气体的流路；冷却流路(213)，具有以环绕通孔(211)的方式形成的流路以供冷却水流动；冷却水供应流路(214)，以垂直贯通的方式形成从而形成供应冷却水的流路；冷却水排出流路(215)，以垂直贯通的方式形成从而形成排出冷却水的流路；气体供应流路(216)，以垂直贯通的方式形成从而形成供应放电气体的流路；气体分支流路(217)，从气体供应流路(216)分支并连接气体供应端口(212)；冷却水供应分支流路(218)，从冷却水供应流路(214)分支并连接分支冷却流路(213)；冷却水排出分支流路(219)，从冷却流路(213)分支并连接分支冷却水排出流路(215)。

Description

等离子体炬
技术领域
本发明涉及等离子体炬，更具体地，涉及一种高功率(MW级)且能够稳定地生成等离子体的等离子体炬。
背景技术
为了利用等离子体炬熔炉熔融金属和混凝土等非可燃性废弃物，高功率且能够稳定地生成等离子体的等离子体炬的运用极为重要。
通常，将等离子体炬的内部电极构成为中空状，向中心部流入氮气、氩气等气体，从而生成等离子体。电极外部形成有冷却流路，以最大限度地减少内部电极等离子体放电和高温引起的电极材料的损失，保持电极性能，从而稳定地管理等离子体炬。
然而，中空型、棒型、钮型等类型的等离子体炬由于内部冷却和气体流入通道单一，聚集于一处进行供应，因而冷却温度偏差导致电极冷却不一致，气体流量也不恒定，具有等离子弧剧烈波动的缺陷。
由此，在废弃物的熔融过程中，会出现操作变量的不稳定，这可能导致设备在稳定性方面出现困难，而对于一般的中空型和钮型的等离子体炬而言，当电流上升时弧长变短，必须增加气体流量，因此焓相对较低。并且，前方电极与炬主体之间难以电绝缘，阴极点也难以固定，因此反极性操作时容易发生异常电弧放电，MW级的高功率反极性操作较为困难。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：韩国公开专利公报第10-2007-0025139号(公开日：2007.03.08.)
专利文献2：韩国授权专利公报第10-1616487号(公告日：2016.04.28.)
发明内容
发明所要解决的问题
本发明旨在改进这种现有技术的问题，目的在于提供一种等离子体炬，其通过利用由分别具有冷却流路和气体流路的各单元节段构成的多板结构的电极主体部，从而能够稳定地生成高功率(MW级)的等离子体。
用于解决问题的手段
为了实现上述目的，根据本发明的等离子体炬，包括：后方电极部；前方电极部；喷嘴部，设置于所述前方电极部，用于放出等离子气体；炬主体部，被构成为圆筒状且设置于所述后方电极部与所述前方电极部之间，所述炬主体部形成有使气体沿轴向(C)流动的圆形的通道，并由多个节段堆叠而成；其中，所述节段形成为圆盘状，并在中央形成有圆形的通孔以形成所述通道，所述节段包括：多个气体供应端口，在所述节段的一个表面上沿所述通孔形成为螺旋状，以形成能够引入反应气体的流路；冷却流路，具有以环绕所述通孔的方式形成的流路，用于供冷却水流动；冷却水供应流路，以垂直贯通的方式形成，从而形成用于供应冷却水的流路；冷却水排出流路，以垂直贯通的方式形成，从而形成用于排出冷却水的流路；气体供应流路，以垂直贯通的方式形成，从而形成用于供应放电气体的流路；气体分支流路，从所述气体供应流路分支并与所述气体供应端口连接；冷却水供应分支流路，从所述冷却水供应流路分支并与所述冷却流路连接；冷却水排出分支流路，从所述冷却流路分支并与所述冷却水排出流路连接。
优选地，所述节段还包括冷却块，所述冷却块由铜材料制成，被构成为环状从而形成所述通孔的主体部，并且所述主体部的外周面向内凹陷以形成所述冷却流路。
优选地，在所述节段的设有所述气体供应端口的一个表面上形成有密封表面，所述密封表面凹入于所述气体供应端口的外侧从而具有段差，所述密封表面上形成有作为所述气体分支流路的开口部的排气孔。
优选地，在所述排气孔的外侧，在所述密封表面上设有气密部件使得相邻的所述节段之间具有气密性。
优选地，在各节段中，所述冷却水供应流路、所述冷却水排出流路以及所述气体供应流路中的至少一个构成为多个，根据所述炬主体部的长度分为两个以上的区间，按各区间选择性地连接所述气体分支流路、所述冷却水供应分支流路或所述冷却水排出分支流路。
发明的效果
在本发明的等离子体炬中，前方电极部与后方电极部之间具有由多个圆盘状的节段构成的炬主体部，各节段分别具有用于排放放电气体的流路和用于循环冷却水的冷却流路。因此，能够向各节段稳定地供应恒定量的放电气体，并且能够稳定地进行冷却，从而分散来自MW级以上的高温弧柱的热负荷，有效去除聚集在一处的热负荷以防止发生异常放电，同时能够生成稳定的等离子体，运行模式的切换也较为容易，可实现等离子体炬操作的稳定性。
附图说明
图1为根据本发明实施例的等离子体炬的剖面构成图。
图2为根据本发明实施例的等离子体炬的节段的立体构成图。
图3为根据本发明实施例的等离子体炬的节段的背面构成图。
图4为根据本发明实施例的等离子体炬的节段的剖面构成图。
具体实施方式
本发明的实施例公开的特定结构乃至功能性说明只是为了说明基于本发明的概念的实施例，基于本发明的概念的实施例可以以多种方式实施。并且，不得解释为局限于本说明书说明的实施例，应理解为包括属于本发明的思想及技术范围的所有变更物、等同物乃至替代物。
另外，本发明中第一及/或第二等术语可用于说明多种构成要素，但所述构成要素并非局限于所述术语。所述术语仅作为区分一个构成要素与其他构成要素的目的使用，例如在不超出基于本发明的概念的权利范围的范围内，第一构成要素可被命名为第二构成要素，类似地，第二构成要素也可以被命名为第一构成要素。
当提及某构成要素“连接于”或“接合于”其它构成要素的情况下，虽然可能直接连接于或接合于其它构成要素，但应理解为中间还可以存在其它构成要素。相反，若提及某构成要素“直接连接于”或“直接接触于”其它构成要素的情况下，应理解为中间不存在其它构成要素。用于说明构成要素之间的关系的其他描述即“～之间”和“就在～之间”或“相邻于～”和“直接相邻于～”等描述也应如上解释。
本说明书中使用的术语只是用于说明特定的实施例，其目的并非是对本发明进行限定。单数描述在文中无其他明确说明的前提下，还包括描述复数。应理解本说明书中的术语“包括”或“具有”等只是用于指定存在实施的特征、数字、步骤、动作、构成要素、部件或其组合，而并非预先排除一个或多个其他特征、数字、步骤、动作、构成要素、部件或其组合的存在或附加可能性。
以下参照附图对本发明的实施例进行详细说明，省略对等离子体炬公知结构的说明，重点说明主要构成。
图1为根据本发明实施例的等离子体炬的剖面构成图。
参照图1，根据本实施例的等离子体炬，包括：后方电极部110、前方电极部120、喷嘴部130、以及炬主体部200，炬主体部200设置于后方电极部110与前方电极部120之间，并且由以多板结构堆叠的多个节段210构成。
前方电极部120与后方电极部110分别与阳极或阴极电连接，以进行电源供应。后方电极部110可以包括一端闭合的中空型电极，也可以包括与阳极或阴极电连接的辅助电极部。前方电极部120的前端设有放出高温的等离子气体的喷嘴部130。
各电极之间电绝缘且收纳于外壳内。
特别地，在本发明中，炬主体部200形成有使气体沿轴向(C)流动的圆形的通道201，炬主体部200的各单元节段210之间具有气密性且以多板结构堆叠。
后方电极部110的后端可以设有用于供应放电气体(例如，氮气)的气体供应管101和用于循环冷却水的冷却水管道102。作为参考，图1中例示了一个冷却水管道102，但也可以分别设置流入冷却水的冷却水供应管道和排出冷却水的冷却水排出管道。
图2为根据本发明实施例的等离子体炬的节段的立体构成图，图3为根据本发明实施例的等离子体炬的节段的背面构成图。
参照图2和图3，节段210形成为圆盘状，并在中央形成有圆形的通孔211以形成通道。节段210包括：多个气体供应端口212，在节段210的一个表面上沿通孔211形成为螺旋状，以形成能够引入反应气体的流路；冷却流路213，具有以环绕通孔211的方式形成的流路，用于供冷却水流动；冷却水供应流路214，以垂直贯通的方式形成，从而形成用于供应冷却水的流路；冷却水排出流路215，以垂直贯通的方式形成，从而形成用于排出冷却水的流路；气体供应流路216，以垂直贯通的方式形成，从而形成用于供应放电气体的流路；气体分支流路217，从气体供应流路216分支并与气体供应端口212连接；冷却水供应分支流路218，从冷却水供应流路214分支并与冷却流路213连接；以及冷却水排出分支流路219，从冷却流路213分支并与冷却水排出流路215连接。
在节段210的一个表面上，气体供应端口212与通孔211邻接并形成为螺旋状，以引入反应气体，从而防止电弧点在内部聚集于一处而发生异常放电现象，并起到向前方推动恒定弧柱的作用。
另外，气体供应端口212也可以形成于另外的陶瓷材质的主体，设有气体供应端口212的陶瓷材质的主体可以组装于相邻的节段210，从而保持节段之间的气密性以防止放电气体泄漏。
在节段210中，冷却水供应流路214、冷却水排出流路215以及气体供应流路216以垂直贯通的方式形成，构成炬主体部200的各节段210的冷却水供应流路214、冷却水排出流路215以及气体供应流路216彼此连接成一个流路。另外，冷却水供应流路214和冷却水排出流路215延伸至前方电极部120(参照图1)并彼此连通，因此，通过冷却水供应管道供应的冷却水经过后方电极部110后沿着冷却水供应流路214流动，从前方电极部120沿着冷却水排出流路215排出到冷却水排出管道，从而沿着等离子体炬的主体进行冷却水循环。并且，气体供应流路216也可以延伸至前方电极部120。
气体分支流路217从气体供应流路216分支并与气体供应端口212相邻配置以便连接，在本实施例中，在节段210的一个表面上形成有与气体供应端口212相邻的排气孔217a，该排气孔217a通过气体分支流路217而与气体供应流路216连接。
另外，排气孔217a位于密封表面217b上，密封表面217b凹入于气体供应端口212的外侧从而具有段差，密封表面217b的排气孔217a的外侧具有气密部件(O形圈)，因此能够与相邻组装的节段之间保持气密性。
冷却水供应分支流路218从冷却水供应流路214垂直地分支，并与冷却流路213连通，冷却水排出分支流路219从冷却水排出流路215垂直地分支，并与冷却流路213连通。因此，沿着冷却水供应流路214流动的冷却水的一部分沿着冷却水供应分支流路218流入至冷却流路213，并沿着冷却水排出分支流路219和冷却水排出流路215排出。由此，通孔211的周围总是能够保持恒定的温度。
另外，冷却水供应分支流路218和冷却水排出分支流路219分别从冷却流路213沿放射方向与冷却水供应流路214和冷却水排出流路215连接，因此，为了使得流入冷却流路213的冷却水能够充分地在冷却流路213内旋绕并进行热交换，优选地，使冷却水供应流路214与冷却水排出流路215的夹角(θ)较小，优选地，至少不能超过90°。
节段210还可以具有与前方电极部120连通的一个或多个流路211a，这样的冷却水用流路211a并不在各节段另外分支，而是直接沿着前方电极部120进行循环，因此能够调节前方电极部120的冷却状态。
另外，各节段210也可以具有多个冷却水供应流路214、多个冷却水排出流路215、以及多个气体供应流路216。相应地，不从各个流道214、215、216分开各段的分支流道217、218、219，而是根据炬主体部200的长度分成几段，并按区间从流道214、215、216分开使用分支流道217、218、219，从而在由大量节段构成的炬主体部200中，各节段210分配的放电气体和冷却水能够恒定分布。
节段210可以采用不锈钢(SUS)，优选地，冷却流路213的一部分可以采用铜材料制成的冷却块。
图4为根据本发明实施例的等离子体炬的节段的剖面构成图。
参照图4，节段210还包括冷却块220，其具有环状的主体部以形成通孔211，其主体部的外周面向内侧凹陷而形成冷却流路213，其中，冷却块220可以采用导电率和导热率优异的铜(Cu)。
以上说明的本发明不受限于上述实施例及附图，在不超出本发明的技术思想的范围可进行多种替换、变形及变更，这对于本发明所属技术领域的普通技术人员是显而易见的。
附图标记说明
110：后方电极部 120：前方电极部
130：喷嘴部 200：炬主体部
201：通道 210：节段
211：通孔 212：气体供应端口
213：冷却流路 214：冷却水供应流路
215：冷却水排出流路 216：气体供应流路
217：气体分支流路 218：冷却水供应分支流路
219：冷却水排出分支流路

Claims (5)

1.一种等离子体炬，其特征在于，包括：
后方电极部；
前方电极部；
喷嘴部，设置于所述前方电极部，用于放出等离子气体；
炬主体部，被构成为圆筒状且设置于所述后方电极部与所述前方电极部之间，所述炬主体部形成有使气体沿轴向(C)流动的圆形的通道，并由多个节段堆叠而成；
其中，所述节段形成为圆盘状，并在中央形成有圆形的通孔以构成所述通道，所述节段包括：
多个气体供应端口，在所述节段的一个表面上沿所述通孔形成为螺旋状，以形成能够引入反应气体的流路；
冷却流路，具有以环绕所述通孔的方式形成的流路，用于供冷却水流动；
冷却水供应流路，以垂直贯通的方式形成，从而形成用于供应冷却水的流路；
冷却水排出流路，以垂直贯通的方式形成，从而形成用于排出冷却水的流路；
气体供应流路，以垂直贯通的方式形成，从而形成用于供应放电气体的流路；
气体分支流路，从所述气体供应流路分支并与所述气体供应端口连接；
冷却水供应分支流路，从所述冷却水供应流路分支并与所述冷却流路连接；以及
冷却水排出分支流路，从所述冷却流路分支并与所述冷却水排出流路连接。
2.根据权利要求1所述的等离子体炬，其特征在于，所述节段还包括：
冷却块，其由铜材料制成，被构成为环状从而形成所述通孔的主体部，并且所述主体部的外周面向内凹陷以形成所述冷却流路。
3.根据权利要求1所述的等离子体炬，其特征在于，
在所述节段的设有所述气体供应端口的一个表面上形成有密封表面，所述密封表面凹入于所述气体供应端口的外侧从而具有段差，所述密封表面上形成有作为所述气体分支流路的开口部的排气孔。
4.根据权利要求3所述的等离子体炬，其特征在于，
在所述排气孔的外侧，在所述密封表面上设有气密部件使得相邻的所述节段之间具有气密性。
5.根据权利要求1所述的等离子体炬，其特征在于，
在各所述节段中，所述冷却水供应流路、所述冷却水排出流路以及所述气体供应流路中的至少一个构成为多个，根据所述炬主体部的长度分为两个以上的区间，按各区间选择性地连接所述气体分支流路、所述冷却水供应分支流路或所述冷却水排出分支流路。
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