CN114793382A - 一种高能高效长寿命的大功率电弧等离子体炬 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高能高效长寿命的大功率电弧等离子体炬发射新结构，包括：进气管、出气管、四对带针尖的圆环放电电极、一体化通电导线、等离子体矩壳体。带针尖的圆环放电电极、等离子体炬壳体、一体化通电导线由内到外依次套装；进气管设置在等离子体炬壳体的头部，外部电离介质气体通过进气管喷入后并形成减速加压的气流；在等离子体炬壳体内部四对带针尖的圆环放电电极沿壳体中线方向每间隔一段距离依次固定，八个圆环电极采用五部分独立供电方式，使得其针尖放电并击穿气流形成电弧等离子体射流；等离子体矩壳体外部缠绕一体化通电导线使其磁场方向与等离子体气流方向相同，一方面电弧等离子体收缩使其具有更大的能量，另一方面有效约束所产生的高温高速等离子体射流，减少其与电极接触，提高能量转换率和电弧寿命；出气管设置在等离子体炬壳体的尾部，其形状呈收缩态，使得亚声速气流加速减压，电弧等离子体收缩，提高能量密度。本发明解决的是等离子体聚焦效果差、寿命短、能量小且转换效率低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种高能高效长寿命的直流电弧等离子体炬，尤其涉及一种具有高温、能量高度集中、能量转换效率高和工作寿命长特点的等离子体炬。
背景技术
1879年，英国科学家威廉克鲁克斯提出了物质的第四态概念，美国科学家和物理学家欧文朗缪尔在1929年首次将电离气体定义为等离子体。等离子体由电子、离子和中性粒子混合而成，总体上呈现电中性。由于带电粒子的存在，等离子体具有热传导和导电性。等离子体有多种分类方法，其中最常用的是根据温度划分和根据热力学平衡划分。根据温度差异将等离子体分为高温等离子体(T＞104K)和低温等离子(T＜104K)，其中低温等离子体又可分为热等离子体和冷等离子体。基于热力学平衡划分，高温等离子体的电子温度、离子温度和气体温度相等，属于完全热力学平衡等离子体，激光聚变等离子体为其代表；热等离子体的电子温度、离子温度和气体温度近似相等，属于局部热力学平衡等离子体，电弧等离子体、高频等离子体属于此类；冷等离子体的电子温度远远高于离子和气体温度，属于非热力学平衡等离子体，电晕放电则属于这一类。热等离子体温度高达2×103～3×104K，它是通过气体电离产生的高能电子通过弹性碰撞将能量传递给重粒子(离子或分子)使得电子温度、离子温度和气体温度趋于均一，而电离的气体则形成了热等离子体射流。
热等离子体由于其高温、高能量密度等特点，自上世纪60年代以来，广泛应用于以下领域：(1)机械加工：如切割、焊接以及喷涂；(2)材料科学：制备超细粉末和表面改性等；(3)冶金工业：清洁熔炼以及合金制备；(4)化工领域：制气，合成气重整等；(5)环保领域。
由于等离子体炬具有放电能量高、放电范围大、环境友好等优点，使得其工程应用具有巨大的社会效益。而目前制约大功率等离子体炬工程应用的核心问题是等离子体聚焦效果差、寿命短、能量小且转换效率低。因此，设计一种具有能量高度集中、转换效率高以及工作寿命长的大功率等离子体炬发生装置势在必行。
发明内容
发明目的
本发明的技术提出了一种高能高效长寿命的大功率电弧等离子体炬，通过电弧来产生高温气体，可在氧化、还原或惰性环境下工作，可以为气化、裂解、反应、熔融和冶炼等各种功能的工业炉提供热源。解决了目前等离子体聚焦效果差、寿命短、能量小且转换效率低的问题。
技术方案
第一方面，本发明实施例提供了一种高能高效长寿命的大功率电弧等离子体炬新结构，包括进气管、出气管、四对带针尖的圆环放电电极、一体化通电导线、等离子体炬壳体、介质气体六部分；
其中，所述带针尖的圆环放电电极、所述等离子体炬壳体、所述一体化通电导线由内到外依次嵌套。
进一步而言，所述一体化通电导线由缠绕在等离子体炬壳体外部的通电导线组成。
进一步而言，所述进气管设置在所述等离子体炬壳体的顶端；
其中，所述进气管的顶端内直径小于所述进气管的底端内直径，由平滑的曲面过渡。
进一步而言，所述出气管设置在所述等离子体炬壳体的底端；
其中，所述出气管的顶端内直径大于所述出气管的底端内直径，由平滑的曲面过渡。
进一步而言，所述四对带针尖的一体化圆环放电电极由圆环放电电极A、圆环放电电极B、圆环放电电极C、圆环放电电极D、圆环放电电极E、圆环放电电极F、圆环放电电极G、圆环放电电极H组成；
其中，所述圆环放电电极A、所述圆环放电电极B、所述圆环放电电极C、所述圆环放电电极D、所述圆环放电电极E、所述圆环放电电极F、所述圆环放电电极G、所述圆环放电电极H与等离子体炬壳体轴心重合，两两电极间相隔一段距离的位置；
其中，所述圆环放电电极A与所述圆环放电电极B、所述圆环放电电极C与所述圆环放电电极D、所述圆环放电电极E与所述圆环放电电极F、所述圆环放电电极G与所述圆环放电电极H的直径相等且两两电极上针尖的方向相对固定；所述圆环放电电极A、所述圆环放电电极C、所述圆环放电电极E、所述圆环放电电极E的直径依次增大；
其中，所述圆环放电电极A、所述圆环放电电极B、所述圆环放电电极C、所述圆环放电电极D、所述圆环放电电极E、所述圆环放电电极F、所述圆环放电电极G、所述圆环放电电极H由导电材料构成并在除针尖尖端外的圆环放电电极上包裹一层绝缘材料；
其中，所述四对圆环放电电极采用五部分独立供电方式，即所述圆环放电电极A、所述圆环放电电极B与所述圆环放电电极C并联、所述圆环放电电极D与所述圆环放电电极E并联、所述圆环放电电极F与所述圆环放电电极G并联、所述圆环放电电极H，这五部分再分别与电源串联，单独供电。
进一步而言，所述介质气体为任意一种或多种组合的惰性气体；
其中，所述介质气体从所述进气管的顶端流入所述进气管的底端，并形成减速加压的气流；
其中，所述等离子体炬壳体内部气流方向由上至下，与通电导线产生磁场方向相同；
其中，所述介质气体从所述出气管的顶端流入所述进气管的底端，并形成加速减压的气流；
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1)本发明采取的四对带针尖的圆环放电电极使得流过的等离子体气体充分电离，所具有的总能量逐级递增。
2)本发明采用通电导线产生的磁场与等离子体气流同方向，一方面电弧等离子体收缩，使其具有更大的能量；另一方面有效约束所产生的高温高速等离子体射流，减少其与电极接触，提高能量转换率和电弧寿命。
3)进气管呈现扩张态，使得亚声速气流减速加压，气体电离更加充分；出气管呈收缩态，使得亚声速气流加速减压，电弧等离子体收缩，提高能量密度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种高能高效长寿命的大功率电弧等离子体炬的整体图。
图2为本发明实施例提供的一种高能高效长寿命的大功率电弧等离子体炬的刨面图；
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1为本发明实施例提供的一种高能高效长寿命的大功率电弧等离子体炬的整体图，如图1所示，该大功率电弧等离子体炬包括：进气管(2)、出气管(5)、四对带针尖的圆环放电电极(8-15)、一体化通电导线(6)、等离子体炬壳体(4)、介质气体。
图2为本发明实施例提供的一种高能高效长寿命的大功率电弧等离子体炬的刨面图，如图2所示，带针尖的圆环放电电极(8-15)、等离子体炬壳体(4)、一体化通电导线(6)由内到外依次嵌套。
进一步地，继续参见图1，一体化通电导线(6)由缠绕在等离子体炬壳体外部的通电导线组成；
进一步地，继续参见图1，进气管(2)设置在等离子体炬壳体(4)的头部，其进气管顶端(1)内直径小于进气管底端(3)内直径，由平滑的曲面过渡。
进一步地，继续参见图1，出气管(5)设置在等离子体炬壳体(4)的尾部，其出气管顶端(16)内直径大于出气管底端内直径，由平滑的曲面过渡。
进一步地，继续参见图1，一体化圆环放电电极包括圆环放电电极A(8)、圆环放电电极B(9)、圆环放电电极C(10)、圆环放电电极D(11)、圆环放电电极E(12)、圆环放电电极F(13)、圆环放电电极G(14)、圆环放电电极H(15)。
进一步地，继续参见图1，圆环放电电极A(8)、圆环放电电极B(9)、圆环放电电极C(10)、圆环放电电极D(11)、圆环放电电极E(12)、圆环放电电极F(13)、圆环放电电极G(14)、圆环放电电极H(15)与等离子体炬壳体(4)轴心重合，两两电极间相隔一段距离的位置。
进一步地，继续参见图1，圆环放电电极A(8)与圆环放电电极B(9)、圆环放电电极C(10)与圆环放电电极D(11)、圆环放电电极E(12)与圆环放电电极F(13)、圆环放电电极G(14)与圆环放电电极H(15)的直径相等且两两电极上针尖的方向相对固定，而圆环放电电极A(8)、圆环放电电极C(10)、圆环放电电极E(12)、圆环放电电极E(14)的直径依次增大。
进一步地，继续参见图1，带针尖的圆环放电电极由金属材料构成并在除针尖尖端外的圆环电极上包裹一层绝缘材料，该金属材料优先选择金属铜。
进一步地，继续参见图1，四对圆环放电电极采用五部分独立供电方式，即圆环放电电极A(8)、圆环放电电极B(9)与圆环放电电极C(10)并联、圆环放电电极D(11)与圆环放电电极E(12)并联、圆环放电电极F(13)与圆环放电电极G(14)并联、圆环放电电极H(15)分别与电源串联，单独供电。
进一步地，继续参见图2，介质气体为任意一种或多种组合的惰性气体，该气体优先选择空气、氩气或氦气，外部电离介质气体的气压范围优先选择为0.1MPa～10Mpa；
进一步地，继续参见图2，介质气体由进气管顶端(1)流向进气管底端(3)，形成减速加压的气流；
进一步地，继续参见图2，一体化通电导线(6)的磁场方向与介质气体流动方向相同，使其介质气体电流出来之后的等离子体收缩；
进一步地，继续参见图2，介质气体由进气管底端(7)流向进气管底端(16)，使得等离子体气流加速减压，电弧等离子体收缩，提高能量密度。
本发明实施例中采取的四对带针尖的圆环放电电极使得流过的等离子体气体充分电离，所具有的总能量逐级递增。
本发明实施例中采取的通电导线产生的磁场与等离子体气流同方向，一方面电弧等离子体收缩，使其具有更大的能量；另一方面有效约束所产生的高温高速等离子体射流，减少其与电极接触，提高能量转换率和电弧寿命。
本发明实施例中采取的进气管呈现扩张态，使得亚声速气流减速加压，气体电离更加充分；出气管呈收缩态，使得亚声速气流加速减压，电弧等离子体收缩，提高能量密度。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种高能高效长寿命的大功率电弧等离子体炬，其特征在于，包括：包括：进气管、出气管、四对带针尖的圆环放电电极、一体化通电导线、等离子体炬壳体、介质气体；
所述四对带针尖的圆环放电电极、所述等离子体炬壳体、所述一体化通电导线由内到外依次嵌套。
2.根据权利要求1所述的一种高能高效长寿命的大功率电弧等离子体炬，其特征在于，所述一体化通电导线由缠绕在所述等离子体炬壳体外部的通电导线组成。
3.根据权利要求1所述的一种高能高效长寿命的大功率电弧等离子体炬，其特征在于，所述进气管设置在所述等离子体炬壳体的顶端，所述进气管的顶端内直径小于所述进气管的底端内直径，由平滑的曲面过渡，所述介质气体从所述进气管的顶端流入所述进气管的底端，并形成减速加压的气流。
4.根据权利要求1所述的一种高能高效长寿命的大功率电弧等离子体炬，其特征在于，所述出气管设置在所述等离子体炬壳体的底端，所述出气管的顶端内直径大于所述出气管的底端内直径，由平滑的曲面过渡，所述介质气体从所述出气管的顶端流入所述进气管的底端，并形成加速减压的气流。
5.根据权利要求1所述的一种高能高效长寿命的大功率电弧等离子体炬，其特征在于，所述四对带针尖的一体化圆环放电电极由圆环放电电极A、圆环放电电极B、圆环放电电极C、圆环放电电极D、圆环放电电极E、圆环放电电极F、圆环放电电极G、圆环放电电极H组成；
所述圆环放电电极A、所述圆环放电电极B、所述圆环放电电极C、所述圆环放电电极D、所述圆环放电电极E、所述圆环放电电极F、所述圆环放电电极G、所述圆环放电电极H与所述等离子体炬壳体轴心重合，两两电极间相隔一段距离的位置。
6.根据权利要求5所述的一种高能高效长寿命的大功率电弧等离子体炬，其特征在于，所述圆环放电电极A与所述圆环放电电极B、所述圆环放电电极C与所述圆环放电电极D、所述圆环放电电极E与所述圆环放电电极F、所述圆环放电电极G与所述圆环放电电极H的直径相等且两两电极上针尖的方向相对固定；
所述圆环放电电极A、所述圆环放电电极C、所述圆环放电电极E、所述圆环放电电极E的直径依次增大。
7.根据权利要求5所述的一种高能高效长寿命的大功率电弧等离子体炬，其特征在于，所述四对带针尖的圆环放电电极由金属材料构成并在除针尖尖端外的圆环电极上包裹一层绝缘材料。
8.根据权利要求5所述的一种高能高效长寿命的大功率电弧等离子体炬，其特征在于，所述四对圆环放电电极采用五部分独立供电方式，即所述圆环放电电极A、所述圆环放电电极B与所述圆环放电电极C并联、所述圆环放电电极D与所述圆环放电电极E并联、所述圆环放电电极F与所述圆环放电电极G并联、所述圆环放电电极H，这五部分再分别与电源串联，单独供电。
9.根据权利要求3和4所述的一种高能高效长寿命的大功率电弧等离子体炬，其特征在于，所述介质气体为任意一种或多种组合的惰性气体。
10.根据权利要求9所述的一种高能高效长寿命的大功率电弧等离子体炬，其特征在于，所述一体化通电导线的磁场方向与所述介质气体流动方向相同。
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2022
- 2022-05-25 CN CN202210572692.1A patent/CN114793382A/zh active Pending
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