CN1416993A - 热管式等离子炬用电极 - Google Patents

Abstract

一种热管式等离子炬用电极，由上盖、主杆、下盖和电子发射材料组成，其特征是：主杆是一根金属管，它与上盖和下盖组合后，体内形成一个密闭的、处于真空状态的空腔，空腔内装有热管工质和吸液芯。按照热管理论，该电极就是一支完整的热管。当电极工作时，其下盖中的电子发射材料发热而成为热管的热源，下盖就是热管的蒸发段，其他部位就是热管的冷凝段，就能够按照热管的原理进行热传递，从而使电极得到冷却。其上部可加装散热片自冷、气冷或水冷。本电极节省纯铜、冷却可靠、工作温度稳定。

Description

热管式等离子炬用电极

本发明的技术领域属于材料加工技术的焊接和切割，具体是一种热管式等离子炬用电极。

在大功率等离子发生器中，电极是一个重要且关键的部件。需要考虑的问题很多，电极有足够的的电子发射能力；逸出功越小越好，乃电流密度越大越好，电极损耗越小越好。电极损耗与电极材料，使用气体，电流大小，电极形状，以及冷却条件等因素有关。

由于电极工作时需要通过大电流，其端部要发射电子束而发热，所以它既要求有良好的导电性能，又要有充分的冷却。为了保证有良好的导电性能，电极一般采用导电率高的纯铜制造，而仅仅在其端部镶嵌一小块价格相当昂贵的、耐消耗的电子发射材料，如铪、钨、锆等。在电子发射材料、工作电压和电流确定以后，电极的使用寿命将主要取决于电极的冷却方式。电极的冷却方式主要是气冷和水冷。气冷一般常用于小电流(30-100A)，在气冷条件下，一般铪电极可以连续工作3-4小时或更多一些。为了保证电极的正常工作，大电流工作时最好是采用水冷电极，按照水冷方式的不同，水冷电极可以分成两类：采用流动的水在电极的外部进行冷却—间接水冷电极；采用流动的水通过空心的电极内腔进行冷却—直接水冷电极。在实际应用中，采用直接水冷的居多。由于电极是在大电流，高电压下工作的，所以应该尽量避免采用水冷，同时，水冷还将需要增加一些附属的管道、水处理等设备，给使用者带来不便。

从传热学的角度讲，热是从电子发射材料的头部产生的，这些热量首先要以传导的方式从该处向镶嵌它的纯铜块传递和扩散，按照热传导理论，所传导的热量：1、与这个端部所采用的材料的导热系数成正比。这里采用导热系数高的金属—纯铜是正确而必须的。2、与这个纯铜块的横截面面积成正比。应该保证纯铜块有一定的横截面面积，这一般也已经尽可能地做到了。3、与发热点到散热点的距离(热传递时间)成反比。就是说即使你采用导热系数高的材料，也要尽快地散热冷却，距离越远，热量就越不容易传递过去。4、与发热点和散热点之间的温差(温度梯度)成正比。一般情况下，发热点的温度是基本不变的，要提高这个温差就只有缩短传热距离和降低散热点的温度。关于后面这两条，由于受到金属热传导系数的限制，即使采用实心的纯铜棒，其温度梯度也不可能有多大。距离越短当然越好，但是距离又反而会减少热量散失的面积和机会。所以在金属导热系数一定的情况下，只有降低散热点的温度，方法有两个：一是扩展散热面积，二是在散热点进行强制性冷却，如采用流动的气冷或流动水冷。直接水冷的效果当然是最好，但是直接水冷的弊端也最多，凡是有电流的地方一般都比较忌讳有水。

本发明之目的就在于克服以上技术之不足，而提供一种传热速度极快，传热距离对传热的影响极小、不必要采用直接水冷的热管式等离子炬用电极。

本发明的目的是这样实现的：一种热管式等离子炬用电极，由上盖(1)、主杆(2)、纯铜块制成的下盖(3)和镶嵌在下盖(3)端面内的电子发射材料(4)组成，其特征在于：主杆(2)是一根金属管，它与上盖(1)、下盖(3)组合焊接后，形成一个空腔K，且该空腔K是一个密闭的、处于真空状态的空间，空腔K内装有热管工质(5)和吸液芯(6)。这样，按照热管理论，这种一个等离子炬用电极的结构就是一个典型的直杆形热管。即：这种等离子炬用电极既是一支完整的电极，又是一支完整的热管。电极中的各部分与热管各部分一一相对应的关系是：电极的上盖(1)是热管的上封头；电极的下盖(3)是热管的下封头；电极的主杆(2)是热管的管壳；电极的空腔K是热管的内腔；热管内腔内装有热管工质(5)和热管的吸液芯(6)。当该电极工作时，其端面的电子发射材料(4)发热—这就是热管的热源，热量传递到纯铜块制成的下盖(3)—热管的蒸发段，使热管内的热管工质(5)吸热汽化，工质蒸汽通过热管的内腔通道迅速流向电极的其他部位上盖(1)、主杆(2)—热管的冷凝段，同时也把热量带到了这些地方，并在这里把热量散发出去——散热的方法可以是通过电极这些部位的原有的外表面或者扩展的外表面(加装散热翅片)自冷、也可以附加强制性气冷或者水冷。失去热量的气态热管工质凝结成液体，这些液态的热管工质依靠重力或者吸液芯的毛细力返回到下盖(3)—热管的蒸发段，从而进入新一轮的蒸发—冷凝热力学循环，也就不断地将发热点的热量传递到散热点，使电极得到冷却。从而实现本发明之目的。

热管工质(5)可以根据电极的温度高低采用常温下呈固态、液态或气态的介质。

因为上盖(1)和主杆(2)都是散热冷却的部位，所以它们组合的外壁上可以制有能与其他零件(如加装水套)相配合和连接的阳螺纹(7)、也可以制有散热翅片(8)、也可以同时制有阳螺纹(7)和散热翅片(8)。一般情况下，自冷和气冷的电极需要加散热翅片，水冷的电极则采用螺纹连接的方式加装水套。

采用本发明将取得以下的效果：

1、只需要在电极的下盖使用纯铜，而其它部位可以使用高强度、高硬度、价格低廉的材料，如紫铜、黄铜、钢等。从而节省价格昂贵的纯铜，降低成本。

2、热管传热的速度可达到铜的数十以至数千倍，传热速度快、发热点到散热点之间的传热距离短、温差大、而且散热点的温度比较稳定，从而使电极的冷却有保证。如：采用氨作为热管工质，电极散热点温度在0～50℃；采用水，则在100～250℃；采用萘，则在150～400℃，等等。

3、冷却方式可以多样化、简单化。即可以借助于扩展电极的外表面(加装散热翅片)而采用自冷、气冷或水冷。而且这样的水冷方式不需要复杂的辅助设备，也不怕结垢，也不易发生水渗漏。

4、特别适合于长电极，因为电极长了，不但散热面积大了，而且可以将电极的一部分伸出等离子枪外，在枪外更方便地采用水冷却。

下面将结合附图对本发明做进一步地说明。

图1是本发明中上部制有阳螺纹(7)的电极结构示意图(剖视图)。

图2是本发明中上部制有散热翅片(8)的电极结构示意图(剖视图)。

图3是图2中零件下盖(3)的俯视图。

如图所示，上盖(1)是一个金属制的圆板、主杆(2)是一根金属管、下盖(3)则用纯铜块制成，一小块采用耐高温的耐耗材料(如铪、钨、锆)制成的电子发射材料(4)镶嵌在下盖(3)端面内。当将上盖(1)、主杆(2)和下盖(3)组合焊接后，组合体内就形成了一个空腔K，且该空腔K是一个密闭的、处于真空状态的空间，空腔K内装有热管工质(5)和吸液芯(6)。这样，按照热管理论，这种一个等离子炬用电极的结构就是一个典型的直杆形热管。即：这种等离子炬用电极既是一支完整的电极，又是一支完整的热管。电极中的各部分与热管各部分一一相对应的关系是：电极的上盖(1)是热管的上封头；电极的下盖(3)是热管的下封头；电极的主杆(2)是热管的管壳；电极的空腔K是热管的内腔；热管内腔内装有热管工质(5)和热管的吸液芯(6)。

当该电极工作时，其端面的电子发射材料(4)发热一这就是热管的热源，热量传递到纯铜块制成的下盖(3)—热管的蒸发段，使热管内的热管工质(5)吸热汽化，工质蒸汽通过热管的内腔通道迅速流向电极的其他部位上盖(1)、主杆(2)—热管的冷凝段，同时也把热量带到了这些地方，并在这里把热量散发出去—散热的方法可以是通过电极这些部位的原有的外表面或者扩展的外表面(加装散热翅片)自冷、也可以附加强制性气冷或者水冷。失去热量的气态热管工质凝结成液体，这些液态的热管工质依靠重力或者吸液芯的毛细力返回到下盖(3)—热管的蒸发段，从而进入新一轮的蒸发—冷凝热力学循环，也就不断地将发热点的热量传递到散热点，使电极得到冷却。

很明显，电极的散热冷却部位包括下盖的外表面、主杆和上盖。同时，按照热管的工作温度分布，从下盖的上表面开始，一直到主杆和上盖，它们的温度基本是相等的(热管的等温性)，也就是说，电极在传热时，仅仅只有下盖的上下表面这一段距离是通过金属的热传导进行传热，温度梯度比较高，仅仅采用热传导方式传热的距离大大缩短，而其他则都是主要通过热管工质的相变传热，这些地方的金属表面温度比较高，与冷却介质之间的温度梯度比较高，对电极的散热冷却极为有利。这也就是为什么仅仅只需要在下盖采用纯铜，而可以在其他部位采用其他金属的原因。

在大多数情况下，电极在工作时，电极的安装方式是上盖在上、下盖在下，即发热的下盖比散热的主杆和上盖要低。很少出现位置一样高和下盖部比上盖部高的情况。根据热管理论，当电极工作时，如果其发热的部位(热管的热源)的水平高度低于其散热的部位(热管的热汇)的水平高度，则该热管可以采用重力热管和重力辅助热管，热管的内腔可以不设置或少设置吸液芯。这样的热管成本低、传热性能好、易于制造。不然，则必须或全部设置吸液芯。

热管工质(5)可以根据电极所要求的温度的高低采用常温下呈固态、液态或气态的介质。如：如果电极的温度要求是最高不超过100℃，则热管工质应该采用低沸点介质，如氨、丙酮、甲醇，把热管的蒸发段温度定在50℃左右，最高不超过100℃。如果要求在250℃左右。则可以采用水作为热管工质，把蒸发段的温度定在300℃以下。

因为上盖(1)和主杆(2)都是散热冷却的部位，所以它们组合的外壁上可以制有能与其他零件(如加装水套)相配合和连接的阳螺纹(7)—见图1、也可以制有散热翅片(8)—见图2、也可以同时制有阳螺纹(7)和散热翅片(8)。一般情况下，自冷和气冷的电极需要加散热翅片，水冷的电极则采用螺纹连接的方式加装水套。一般电极以气冷居多，高温电极才需要在电极内部通水进行直接冷却，而对于本发明的电极大多数只需要采用在电极的外部加装散热翅片进行外部气冷就可以了，仅仅对于特别高温的电极才需要采用水冷，而且这样的水冷不一定需要在枪内进行，而可以把电极的一部分伸出枪外，然或借助于电极上的阳螺纹，加装上一个水套就可以了。这样的水冷高效而设备简单、不怕结垢、维护方便、泄漏的可能性比较小。

图2所示的下盖(3)的上表面有一道凹槽—见图2和图3，目的是缩短电子发射材料(4)与热管蒸发段表面的距离，降低热传导的热阻。同时也提高了热管蒸发段的表面温度、扩大了热管蒸发段的表面积，可以使热管更有效地工作，提高热管的传热量。

由于热管的传热方式是相变传热，传热速度极快，所以电极的长度对传热的影响极小，反而随着电极长度的增大，其散热面积增大，并有利于在距离电极端部接触面较远的地方附加冷却装置。这就意味着它特别适合应用于长电极。同时，根据热管理论，其传热量与它的内腔蒸汽通道的横截面面积成正比，所以它也特别适合应用于直径较大的粗电极。所以在大功率等离子炬中运用本发明效果会更加明显。

Claims (4)

1、一种热管式等离子炬用电极，由上盖(1)、主杆(2)、下盖(3)、电子发射材料(4)组成，其特征在于：主杆(2)是一根金属管，它与上盖(1)、下盖(3)组合焊接后，形成一个空腔K，且该空腔K是一个密闭的、处于真空状态的空间，空腔K内装有热管工质(5)和吸液芯(6)。

2、根据权利要求1所说的电极，其特征在于：所说的吸液芯(6)可以设置在空腔K全部内壁上，也可以设置在空腔K的部分内壁上。

3、根据权利要求1所说的电极，其特征在于：所说的热管工质(5)可以根据电极的温度高低采用常温下呈固态、液态或气态的介质。

4、根据权利要求1所说的电极，其特征在于：所说的上盖(1)和主杆(2)组合以后的上部的外壁可以制有能与其他零件相配合和连接的阳螺纹(7)、可以制有散热翅片(8)、也可以同时制有阳螺纹(7)和散热翅片(8)。

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