CN205142646U - 多间隔节分布式旋转进气的非转移长弧大功率等离子体炬 - Google Patents

Abstract

多间隔节分布式旋转进气的非转移长弧大功率等离子体炬，其特征是，它有一个阴极，与之相连接的是一个触发极，其后，顺序连接着多个间隔节，最后连接的是一个阳极，在上述阴极，触发极，各间隔节及阳极之间都有一个旋转气进气环，这些部件都以同一根中心线为轴，同轴顺序排列，并由绝缘材料做成的水冷绝缘机械结构，使上述部件相互间保持电气绝缘和得到水冷却。本实用新型尤其适用于制造几百千瓦到几兆瓦的大功率等离子体发生器。

Description

多间隔节分布式旋转进气的非转移长弧大功率等离子体炬

技术领域本实用新型涉及一种直流电弧等离子体发生器亦称等离子体炬。其特征在于，利用多个间隔节和分布式旋转进气在直流等离子体发生器内稳定地实现固定弧长的长电弧放电，在不增加放电电流情况下，可以实现更大功率的等离子体发生器。本发明尤其适用于制造几百千瓦到几兆瓦的大功率等离子体发生器。

背景技术用电弧放电产生的高温等离子体往往被称为电弧等离子体，属于热等离子体范畴，热等离子体具有比化学燃烧更高的温度，可以达到几千到上万度的高温，并同时具有各种不同的化学特性状态，如强氧化性、强还原性或各种高化学活性状态，也可以是处在化学惰性状态，它具有极高的热功率密度，因此它在机械加工，化工，材料，能源，废物处理，军工及科学技术上有着广泛的应用。

目前电弧等离子体的产生方法主要有三种，直接由交直流电弧放电产生，或是用直流转移弧或非转移弧等离子体发生器产生，直流转移弧或非转移弧等离子体发生器也常被称为等离子体炬，在极大部分工业应用中主要是采用非转移弧等离子体炬，

非转移弧等离子体炬的最原始的结构是，在一个放电腔内有阴阳二个电极，同时向放电腔内连续注入工作气体，电极接上外部电源后，通过二电极直接接触然后分开，在这二个电极中产生电弧放电，注入放电腔的工作气体被电离和加热，形成热等离子体，在放电腔内热压力驱动下，热等离子体从炬出口喷出，形成高温等离子体火焰。其典型装置如专利CN201010176674，专利CN201320620437所描述的。

为了引入高频起动，大多数这类等离子体炬引入了一个触发极，如专利CN200820078461，CN201310599670，CN201420580965所描述的。触发极通过一个直流断路器串联一个电阻和电源正极相连，在等离子体炬起动时，通过高频高压将阴极和触发极击穿，在断路器闭合时，在阴极和触发极间形成放电，放电电弧喷向阳极，点燃阴阳间电弧，完成等离子体炬的起动，直流断路器开断，触发极退出放电状态。这是现有非转移弧等离子体炬的普遍采用的基本结构形式。

这种形式的等离子体炬的共同点是阴阳极之间距离较小，因此要提高这些炬的功率只有二条途径，一是增加放电电流，但这受到放电电流越大，对电极寿命影响越大的限止，另一途径是加大工作气体的进气量来增加放电电压。这是目前等离子体炬通常采取的方法。

通过加大工作气体来增加等离子体炬的功率会带来下列三方面的问题：首先，一般情况下等离子体炬的功率并不和工作气体进气量成线性关系，往往偏离线性关系还很远，这就表示尽管增加工作气体能提高炬的功率，但等离子体炬产生的热等离子体的平均温度却不升反而明显下降，这就会影等离子体加热效率。第二个问题，随着工作气体进气量增大，等离子体炬内放电腔中的气体流动状态往往会形成有大涡旋的强湍流状态，大大增加等离子体炬放电腔中的热损失，因而造成炬的电热效率下降。最后一个问题，当工作气体气量加大到一定程度，越来越强的湍流会严重影响放电稳定性，输出的等离子体热功率波动也随之增加，最终放电会随机终止。因此目前这类型的等离子体炬很难实现功率超过三百千瓦。

发明内容.本发明是多间隔节分布式旋转进气的非转移长弧大功率等离子体炬，其特征是，它有一个阴极(1)，它有二种形式，实芯阴极(1-1)，和管状阴极(1-2)，与之相连接的是一个触发极(2)，其后，顺序连接着多个间隔节(3)，最后连接的是一个阳极(5)，在上述阴极(1)，触发极(2)，各间隔节(3)及阳极(5)之间都有一个旋转气进气环(4)，这些部件都以同一根中心线为轴，同轴顺序排列，并由绝缘材料做成的水冷绝缘机械结构(6)将阴极(1)，触发极(2)，间隔节(3)，旋转进气气环(4)，阳极(5)相互间保持电气绝缘又提供强的水冷却。

图1和图2分别给出了阴极(1)为实芯阴极(1-1)，和管状阴极(1-2)时，多间隔节分布式旋转进气的非转移长弧大功率等离子体炬的结构原理图。

当阴极(1)，是实芯阴极(1-1)时，它是由镶嵌在紫铜中的掺杂钨棒或铪棒或锆棒的复合体组成、它的前端外侧面是园锥面，前端面呈平面型或向内凹陷的漏斗型，中心是掺杂钨棒或铪棒或锆棒，后部是中心柱形凸出的碗形水冷面，外部有螺丝，可将实芯阴极(1-1)拧到阴极座上。

当阴极(1)，是管式阴极(1-2)时，它的中心是一个圆柱形管孔，其一端被一个和阴极内孔有一定间隙的柱形终端所封堵，另一端部为一圆锥形向外突出的口，管状阴极(1-2)用紫铜或铬铜或银铜做成，外壁有水冷却。

与阴极(1)相连接的是触发极(2)，是一个环形紫铜电极，面向实芯阴极(1-1)或管状的阴极(1-2)的面是一个锥形凹面，其锥形凹面的顶角和实芯阴极(1-1)或管状的阴极(1-2)凸出的锥面的顶角相等，上述两个锥面之间间隙在1到2毫米，触发极(2)的中心孔直径，在管状的阴极(1-2)时，它和管状的阴极(1-2)内孔大小相同或略小于或略大于它一到二毫米，在实芯阴极(1-1)时，它的内孔大小在5到8毫米范围内，对应于炬的电弧电流在200A到600A范围，触发极(2)的另一端面是凸出的圆锥面。

在触发极(2)之后，连接有多个连续排列的间隔节(3)，间隔节(3)的数量由等离子体炬的功率决定，功率越大，间隔节(3)的节数越多，间隔节(3)是水冷的环形紫铜部件，内孔是圆管形，其直径大小由等离子体炬的功率决定，在150KW及以下功率时，所有间隔节(3)内孔直径是一样的，12毫米到20毫米范围内，当等离子体炬功率超过150KW时，间隔节(3)内孔直径需要改变，在靠近阴极(1)的前几个间隔节(3)内孔直径12毫米到20毫米范围，但靠近阳极(5)的后几个间隔节(3)内孔直径需逐步增大，每个间隔节(3)的二端都是圆锥面，面向阴极(1)的端面是凹形圆锥面，面向阳极(5)的端面是凸形圆锥面，所有圆锥面顶角大小是一样的，并和触发极(2)的凸出端的圆锥面顶角相同。

在最后一个间隔节(3)之后是阳极(5)，阳极(5)的内孔为圆管状，和相连的间隔节(3)的阳极(5)端面是凹形圆锥面，其圆锥顶角和前面间隔节凸形端面的圆锥面顶角一致，阳极是由紫铜或铬铜做成，工作时其外表面受强的水冷却。

旋转气进气环(4)，如图3所示，是由两个同心相套的圆形绝缘气环和匀气环组成，绝缘气环在匀气环的外面，在绝缘气环侧面有多个切向微进气孔，孔的多少由所需进气量决定，阴极(1)、触发极(2)、间隔节(3)以及阳极(5)所有的电极之间都安装有旋转气进气环(4)，当使用管状的阴极(1-2)时，在阴极的底部一端也安装有旋转气进气环(4)。

本发明主要技术特性是通过增加间隔节(3)来增加和固定等离子体炬放电时在阴极(1)和阳极(5)之间电弧的长度，各间隔节(3)相互间绝缘并且在放电时处在各自的悬浮电位上，放电电弧和它们没有直接的接触，随着间隔节(3)节数的增加，放电电弧长度随之增长，从而有效地增加等离子体炬的放电电压，和相应的功率。运用这样的结构来实现增加等离子体炬功率的关键技术是要防止放电过程中在间隔节(3)之间击穿，产生平行于炬放电电弧的间隔节(3)之间的串联短路放电，间隔节(3)间产生串联短路放电会严重烧毁间隔节(3)，同时会间歇性中止正常炬放电电弧，使炬不能正常工作。本发明采取三个技术来克服间隔节(3)上产生串联短路放电现象，首先是减少间隔节(3)的长度，从而减少在跨越炬放电电弧在间隔节(3)长度内的放电电位差，使得它小于形成串联短路放电所需的电压域值。对炬在不同工作气体放电时，同样长度上炬放电电弧电压差是不同的，因此对抑制串联短路放电所要求的间隔节(3)长度也有所不同。其次，采取分布式旋气进气，即在阴极(1)触发极(2)间隔节(3)和阳极(5)的所有两两之间都安装旋转气进气环(4)，在电极间隙中产生均匀高速旋转的工作气体，它起三个主要作用，首先高速旋转的冷气体在二电极之间和电极内孔壁面上形成高速旋转冷气体层，这将大大增加形成串联短路放电的电压域值。其次由于这冷气体层存在，降低了中心高温放电电弧通道向电极壁传热产生的热损失。再则由于冷气体进气带来很大的旋转角动量，放电通道中会形成很强的旋转气流，抑制在放电通道内产生大尺寸涡流的强湍流状态，同时在放电通道中心轴附近会形成低气压区，这样放电电弧就会稳定地约束在放电通道中心。这增加了放电的稳定性，同时减少高温区向外的热损失。

附图说明图1、图2，是多间隔节分布式旋转进气的非转移长弧大功率等离子体炬原理图，其中图1为实芯阴极(1-1)的等离子体炬原理图，图2为管状的阴极(1-2)的等离子体炬原理图。

图1、图2，中，1-1-实芯阴极(1-1)，1-2-管状阴极(1-2)，2-触发极(2)，3-间隔节(3)，4-旋转气进气环(4)，5-阳极(5)，6-绝缘材料形成的水冷支撑结构(6)。

图3，旋转气进气环(4)原理图，其中，1-绝缘气环，2-匀气环。

具体实施方式按本发明设计制造的100kW空气等离子体炬，主要特性：功率100kw，工作电压380V-400V，工作电流150A-300A，工作气体空气，气量(25-30)Nm³/h，电热效率80％左右。等离子体炬出口的等离子体平均温度5000K，100kW空气等离子体炬有一个实芯阴极(1-1)，或一个管状的阴极(1-2)，一个触发极(2)，5个长度为30mm的间隔节(3)，一个阳极(5)和绝缘材料形成的水冷支撑结构(6)组成。工作时炬内放电电弧长度在200mm左右。

Claims (8)

1.多间隔节分布式旋转进气的非转移长弧大功率等离子体炬，其特征是，它有一个阴极(1)，与之相连接的是一个触发极(2)，其后，顺序连接着多个间隔节(3)，最后连接的是一个阳极(5)，在上述阴极(1)，触发极(2)，各间隔节(3)及阳极(5)之间都有一个旋转气进气环(4)，这些部件都以同一根中心线为轴，同轴顺序排列，并由绝缘材料做成的水冷绝缘机械结构(6)将阴极(1)，触发极(2)，间隔节(3)，旋转气进气环(4)，阳极(5)相互间保持电气绝缘又提供水冷却。

2.根据权利要求1所述的多间隔节分布式旋转进气的非转移长弧大功率等离子体炬，其特征是，阴极(1)有二种形式，实芯阴极(1-1)，和管状阴极(1-2)。

3.根据权利要求1或2所述的多间隔节分布式旋转进气的非转移长弧大功率等离子体炬，其特征是，当阴极(1)，是实芯阴极(1-1)时，它是由镶嵌在紫铜中的掺杂钨棒或铪棒或锆棒的复合体组成、它的前端外侧面是园锥面，前端面呈平面型或向内凹陷的漏斗型，中心是掺杂钨棒或铪棒或锆棒，后部是中心柱形凸出的碗形水冷面，外部有螺丝，可将实芯阴极(1-1)拧到阴极座上。

4.根据权利要求1或2所述的多间隔节分布式旋转进气的非转移长弧大功率等离子体炬，其特征是，当阴极(1)，是管式阴极(1-2)时，它的中心是一个圆柱形管孔，其一端被一个和阴极内孔有一定间隙的柱形终端所封堵，另一端部为一圆锥形向外突出的口，管状阴极(1-2)用紫铜或铬铜或银铜做成，外壁有水冷却。

5.根据权利要求1或2所述的多间隔节分布式旋转进气的非转移长弧大功率等离子体炬，其特征是，与阴极(1)相连接的是触发极(2)，是一个环形紫铜电极，面向实芯阴极(1-1)或管状的阴极(1-2)的面是一个锥形凹面，其锥形凹面的顶角和实芯阴极(1-1)或管状的阴极(1-2)凸出的锥面的顶角相等，上述两个锥面之间间隙在1到2毫米，触发极(2)的中心孔直径，在管状的阴极(1-2)时，它和管状的阴极(1-2)内孔大小相同或略小于或略大于它一到二毫米，在实芯阴极(1-1)时，它的内孔大小在5到8毫米范围内，对应于炬的电弧电流在200A到600A范围，触发极(2)的另一端面是凸出的圆锥面。

6.根据权利要求1所述的多间隔节分布式旋转进气的非转移长弧大功率等离子体炬，其特征是，在触发极(2)之后，连接有多个连续排列的间隔节(3)，间隔节(3)的数量由等离子体炬的功率决定，功率越大，间隔节(3)的节数越多，间隔节(3)是水冷的环形紫铜部件，内孔是圆管形，其直径大小由等离子体炬的功率决定，在150KW及以下功率时，所有间隔节(3)内孔直径是一样的，12毫米到20毫米范围内，当等离子体炬功率超过150KW时，间隔节(3)内孔直径需要改变，在靠近阴极(1)的前几个间隔节(3)，内孔直径12毫米到20毫米范围，但靠近阳极(5)的后几个间隔节(3)内孔直径需逐步增大，每个间隔节(3)的二端都是圆锥面，面向阴极(1)的端面是凹形圆锥面，面向阳极(5)的端面是凸形圆锥面，所有圆锥面顶角大小是一样的，并和触发极(2)的凸出端的圆锥面顶角相同。

7.根据权利要求1所述的多间隔节分布式旋转进气的非转移长弧大功率等离子体炬，其特征是，在间隔节(3)之后是阳极(5)，阳极(5)的内孔为圆管状，和最未一节间隔节(3)相连的端面是凹形圆锥面，其圆锥顶角和前面间隔节凸形端面的圆锥面顶角一致，阳极是由紫铜或铬铜做成，工作时其外表面受水冷却。

8.根据权利要求1或2所述的多间隔节分布式旋转进气的非转移长弧大功率等离子体炬，其特征是，每个旋转气进气环(4)，是由两个同心相套的圆形绝缘气环和匀气环组成，绝缘气环在匀气环的外面，在绝缘气环侧面有多个切向微进气孔，孔的多少由所需进气量决定，阴极(1)、触发极(2)、间隔节(3)以及阳极(5)所有的电极两两之间都安装有旋转气进气环(4)，当使用管状的阴极(1-2)时，在阴极的底部一端也安装有旋转气进气环(4)。