CN206181527U - 一种层流等离子发生器阳极结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种层流等离子发生器阳极结构，涉及层流等离子技术领域。本实用新型包括阳极外壳、电弧通道和阳极头，所述阳极外壳固定在阳极固定座上，所述电弧通道的一端与阳极外壳连接，另一端与阳极头连接；所述阳极外壳、电弧通道的侧壁和阳极头内均设置有冷却水管，所述冷却水管相互连通；所述阳极外壳上分别设置有冷却水进口和冷却水出口，所述冷却水进口和冷却水出口分别与冷却水管连通；所述电弧通道外壁上设置有阳极弹簧，所述阳极弹簧套在电弧通道的侧壁上。本实用新型可以克服等离子体射流的湍动性，能够产生出高温区域长、能量衰减慢而分布均匀、噪音小、有利于电弧能量的有效利用和便于工艺控制的等离子体射流。

Description

一种层流等离子发生器阳极结构

技术领域

本实用新型涉及层流等离子技术领域，更具体地说涉及一种层流等离子发生器阳极结构。

背景技术

等离子态是物质的第四态，宇宙中几乎99﹪的物质（不包括尚未确认的暗物质）都处于等离子态。等离子体射流与一般流体在流动特征上有相似性，具有两种流动状态：层流与湍流。对某一指定流体，当其流速小于一特定值时，流体作有规则的层状或流束状运动，流体质点没有横向运动，质点间互不干扰地前进，这种流动形式叫层流；当流体流速大于该值时，流体有规则的运动遭到破坏，质点除了主要的纵向运动外还有附加的横向运动，流体质点交错混乱地前进，这种流动形式叫湍流。

等离子体其温度分布范围则从10K的低温到核聚变等离子体的10亿K超高温并拥有一系列独特性质，使等离子体在纳米材料生产、新材料合成、热加工制造、冶炼、钻探、煤化工、垃圾废物处理、材料表面处理、电子、新能源、军事、航空航天等领域获得广泛应用。

在等离子体高温热源方面，目前应用十分广泛的电弧等离子体射流绝大部分采用湍流形态工作，这是由现有湍流电弧等离子体射流发生器技术和工作原理决定的。电弧等离子发生器分为层流和湍流两种，其关键技术是发生器结构设计。

近几十年来，等离子体发生器的研制及等离子诊断技术的开发均取得了巨大的进展，并且等离子体研制与开发的重点已不再局限与航天航空方面的应用，而是更多地转向机械、化工、冶金、环保等工业部门的应用，特别是在材料加工与新材料研制方面的应用。对于工业生产性的应用，要求等离子体发生器有较长的寿命和较高的效率。然而在实际工程应用中，等离子体流呈现复杂的流动状况，特别是大尺寸、大流量、大功率的工业等离子体装置中则通常为湍流流动。

因此，在工业应用中，希望等离子体射流稳定地维持在层流状态，这就需要把握等离子体在发生器中形成的各个环节，控制所有影响电弧稳定性的扰动因素，克服等离子体射流的湍动性，才能产生出高温区域长、能量衰减慢而分布均匀、噪音小、有利于电弧能量的有效利用和便于工艺控制的等离子体射流。

实用新型内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本实用新型提供了一种层流等离子发生器阳极结构，本实用新型的发明目的旨在于解决现有技术中等离子体流不稳定，呈现湍流的现象，本实用新型的层流等离子发生器阳极结构，可以克服等离子体射流的湍动性，能够产生出高温区域长、能量衰减慢而分布均匀、噪音小、有利于电弧能量的有效利用和便于工艺控制的等离子体射流。

为了解决上述现有技术中存在的问题，本实用新型是通过下述技术方案实现的：

一种层流等离子发生器阳极结构，其特征在于：包括阳极外壳、电弧通道和阳极头，所述阳极外壳固定在阳极固定座上，所述电弧通道的一端与阳极外壳连接，另一端与阳极头连接；所述阳极外壳、电弧通道的侧壁和阳极头内均设置有冷却水管，所述冷却水管相互连通；所述阳极外壳上分别设置有冷却水进口和冷却水出口，所述冷却水进口和冷却水出口分别与冷却水管连通；所述电弧通道外壁上设置有阳极弹簧，所述阳极弹簧套在电弧通道的侧壁上。

所述电弧通道一端与阳极外壳的连接出设置有绝缘垫，所述绝缘垫内设置有连通阳极外壳和电弧通道侧壁内冷却水管的连通件。

所述阳极弹簧一端连接在绝缘垫上，另一端与阳极头连接。

所述电弧通道包括至少两端中间段，相临中间段之间通过绝缘件连接；所述绝缘件内设置有连通冷却水管的通孔。

所述阳极头呈漏斗型，开口较小的一端与电弧通道的侧壁连接；开口较大的一端与阴极部分的进气环相对设置。

阳极头开口较大的一端与阳极固定座绝缘密封连接。

所述冷却水管的材质为绝缘材料。

与现有技术相比，本实用新型所带来的有益的技术效果表现在：

1、本实用新型的层流等离子发生器阳极结构能够实现层流等离子高弧压、小电流的工作模式，结构相对较为合理，能够形成层流等离子射流。本实用新型的阳极结构有助于稳定等离子射流，产生的射流性能优异，不能可以长时间稳定运行，而且产生的射流具有长度长、能量密度集中、轴向温度梯度小、噪声低、可控性好、可重复、精度高等突出优点；本实用新型可以克服等离子体射流的湍动性，能够产生出高温区域长、能量衰减慢而分布均匀、噪音小、有利于电弧能量的有效利用和便于工艺控制的等离子体射流。

2、本实用新型的阳极结构，包括阳极外壳、电弧通道和阳极头，阳极的冷却是通过冷却水进行冷却，而本实用新型的阳极部分是通过一个冷却水管贯穿整个阳极部分，冷却水管贯穿阳极外壳、电弧通道和阳极头，即对阳极外壳进行冷却，防止阳极外壳温度过高，对外界环境进行影响；又对电弧通道进行冷却，可以稳定层流等离子射流；还对阳极头进行冷却，可以延长阳极头的使用寿命。

3、本实用新型的阳极部分设置有阳极弹簧和绝缘垫，绝缘垫保证阳极头不与阳极外壳直接接触，防止电流的流失，同时阳极弹簧通电后，产生磁场，起到压缩等离子电弧的作用，也能使等离子电弧着弧点处于动态均布状态，延长了阳极电弧壁的寿命和层流的稳定性。

4、本实用新型的电弧通道呈多段式分布，能够拉长电弧通道的长度，不仅能够平衡工作气体的压力，还能够提高等离子源的功率；相邻中间段之间设置绝缘体，可以有效地提高等离子发生器的使用安全性，同时也可以使得等离子体射流更加稳定。

5、本实用新型电弧通道壁内设置冷却水管，是由于电弧通道在工作过程中也具有较高的温度，电弧通道长时间处于高温状态下，会缩短其使用寿命，也会造成层流等离子射流的不稳定，而在电弧通道内设置冷却水管，可以有效地对电弧通道进行降温，延长其使用寿命，还可以进一步保证层流等离子射流的稳定性。

附图说明

图1为本实用新型层流等离子发生器阳极结构的剖视图；

图2为适用于本实用新型阳极结构的层流等离子发生器的结构剖视图；

图3为适用于本实用新型阳极结构的层流等离子发生器的阴极部分的结构剖视图；

附图标记：100、阴极部分，11、阴极保护罩，111、进水通道，112、出水通道，113、进水管，114、出水管；

12、阴极连接柱，13、阴极头，14、进气环，141、工作气体进口，142、工作气体出口，143、进气部，144、出气部，145、气体通道，146、绝缘层；15、阴极弹簧，16、气流通道；

200、阳极部分，21、阳极外壳，22、电弧通道，23、阳极头，24、冷却水管，25、冷却水进口，26、冷却水出口，27、绝缘垫，28、绝缘件，29、中间段，210、阳极弹簧；

300、壳体，31、底座，32、阴极壳，33、阳极固定座；400、电离腔。

具体实施方式

实施例1

作为本实用新型一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了：

一种层流等离子发生器阳极结构，包括阳极外壳21、电弧通道22和阳极头23，所述阳极外壳21固定在阳极固定座上，所述电弧通道22的一端与阳极外壳21连接，另一端与阳极头23连接；所述阳极外壳21、电弧通道22的侧壁和阳极头23内均设置有冷却水管24，所述冷却水管24相互连通；所述阳极外壳21上分别设置有冷却水进口25和冷却水出口26，所述冷却水进口25和冷却水出口26分别与冷却水管24连通；所述电弧通道22外壁上设置有阳极弹簧210，所述阳极弹簧210套在电弧通道22的侧壁上。

实施例2

作为本实用新型又一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了：

一种层流等离子发生器阳极结构，包括阳极外壳21、电弧通道22和阳极头23，所述阳极外壳21固定在阳极固定座上，所述电弧通道22的一端与阳极外壳21连接，另一端与阳极头23连接；所述阳极外壳21、电弧通道22的侧壁和阳极头23内均设置有冷却水管24，所述冷却水管24相互连通；所述阳极外壳21上分别设置有冷却水进口25和冷却水出口26，所述冷却水进口25和冷却水出口26分别与冷却水管24连通；所述电弧通道22外壁上设置有阳极弹簧210，所述阳极弹簧210套在电弧通道22的侧壁上；

所述电弧通道22一端与阳极外壳21的连接出设置有绝缘垫27，所述绝缘垫27内设置有连通阳极外壳21和电弧通道22侧壁内冷却水管24的连通件；所述阳极弹簧210一端连接在绝缘垫27上，另一端与阳极头23连接。

实施例3

作为本实用新型又一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了：

一种层流等离子发生器阳极结构，包括阳极外壳21、电弧通道22和阳极头23，所述阳极外壳21固定在阳极固定座上，所述电弧通道22的一端与阳极外壳21连接，另一端与阳极头23连接；所述阳极外壳21、电弧通道22的侧壁和阳极头23内均设置有冷却水管24，所述冷却水管24相互连通；所述阳极外壳21上分别设置有冷却水进口25和冷却水出口26，所述冷却水进口25和冷却水出口26分别与冷却水管24连通；所述电弧通道22外壁上设置有阳极弹簧210，所述阳极弹簧210套在电弧通道22的侧壁上；

所述电弧通道22一端与阳极外壳21的连接出设置有绝缘垫27，所述绝缘垫27内设置有连通阳极外壳21和电弧通道22侧壁内冷却水管24的连通件；所述阳极弹簧210一端连接在绝缘垫27上，另一端与阳极头23连接；

所述电弧通道22包括至少两端中间段29，相临中间段29之间通过绝缘件28连接；所述绝缘件28内设置有连通冷却水管24的通孔。

实施例4

作为本实用新型又一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了：

一种层流等离子发生器阳极结构，包括阳极外壳21、电弧通道22和阳极头23，所述阳极外壳21固定在阳极固定座上，所述电弧通道22的一端与阳极外壳21连接，另一端与阳极头23连接；所述阳极外壳21、电弧通道22的侧壁和阳极头23内均设置有冷却水管24，所述冷却水管24相互连通；所述阳极外壳21上分别设置有冷却水进口25和冷却水出口26，所述冷却水进口25和冷却水出口26分别与冷却水管24连通；所述电弧通道22外壁上设置有阳极弹簧210，所述阳极弹簧210套在电弧通道22的侧壁上；

所述电弧通道22一端与阳极外壳21的连接出设置有绝缘垫27，所述绝缘垫27内设置有连通阳极外壳21和电弧通道22侧壁内冷却水管24的连通件；所述阳极弹簧210一端连接在绝缘垫27上，另一端与阳极头23连接；

所述电弧通道22包括至少两端中间段29，相临中间段29之间通过绝缘件28连接；所述绝缘件28内设置有连通冷却水管24的通孔；所述阳极头23呈漏斗型，开口较小的一端与电弧通道22的侧壁连接；开口较大的一端与阴极部分的进气环相对设置。阳极头23开口较大的一端与阳极固定座绝缘密封连接。所述冷却水管24的材质为绝缘材料。

实施例5

作为本实用新型又一较佳实施例，参照说明书附图1、2和3，本实施例公开了一种可以适用于本实用新型阳极结构的层流等离子发生器枪体，本实施例公开了：

一种层流等离子发生器枪体，包括阴极部分100和阳极部分200，还包括壳体300，所述阴极部分100设置在壳体300内部阴极固定腔内，所述壳体300包括底座31和阴极壳32，所述阴极壳32的一端固定在底座31上，所述底座31和阴极壳32内部设置有用于固定阴极部分100的阴极固定腔，所述底座31和阴极壳32内部的阴极固定腔连通；所述阴极壳32的另一端设置用于固定阳极部分200的阳极固定座33；所述阳极固定座33上对应阴极壳32阴极固定腔位置出设置有用于阴极部分100插入的开口；所述阳极固定座33、阳极部分200和阴极部分100围拢形成用于电离工作气体的电离腔400；

所述阴极部分100包括阴极保护罩11、阴极连接柱12、阴极头13和进气环14，所述阴极保护罩11套在阴极连接柱12上，所述进气环14设置在阴极连接柱12的一端，所述阴极头13通过连接件固定在阴极连接柱12的一端，所述连接件上设置有阴极弹簧15，所述阴极弹簧15一端连接在阴极头13底部，另一端连接在阴极连接柱12上；

所述阴极保护罩11与阴极连接柱12之间设置有气流通道16，所述气流通道16用于输送工作气体，所述进气环14一端套在阴极连接柱12上，进气环14一端设置有工作气体进口141，所述气流通道16与进气环14的工作气体进口141连通；所述进气环14的里另一端设置有工作气体出口142，所述工作气体出口142与电离腔400连通，工作气体通过进气环14进入电离腔400；

所述阴极保护罩11上设置有冷却水通道，所述冷却水通道包括进水通道111和出水通道112，所述进水通道111靠近阴极连接柱12设置，所述出水通道112远离阴极连接柱12设置；所述进水通道111与出水通道112的端部相互连通，进水通道111连接有进水管113，出水通道112连接有出水管114，冷却水从进水管113进入到进水通道111内，再经出水通道112和出水管114流出；

在本实施例中，所述进气环14包括进气部143和出气部144，所述进气部143伸入阴极保护罩11内，并包裹在阴极连接柱12外侧，所述工作气体进口141设置在进气部143上；所述出气部144固定在阳极固定座33内，所述出气部144、阳极固定座33和阳极部分200围成电离腔400；所述进气环14内设置有螺旋式气体通道145，所述气体通道145沿进气环14进气部143的轴向螺旋分布，所述气体通道145沿进气环14的出气部144的径向螺旋分布。所述进气环14出气部144与电离腔400接触的表面上设置有一层绝缘层146；

所述阳极部分200包括阳极外壳21、电弧通道22和阳极头23，所述阳极外壳21固定在阳极固定座33上，所述电弧通道22的一端与阳极外壳21连接，另一端与阳极头23连接；所述阳极外壳21、电弧通道22的侧壁和阳极头23内均设置有冷却水管24，所述冷却水管24相互连通；所述阳极外壳21上分别设置有冷却水进口25和冷却水出口26，所述冷却水进口25和冷却水出口26分别与冷却水管24连通；所述电弧通道22一端与阳极外壳21的连接出设置有绝缘垫27，所述绝缘垫27内设置有连通阳极外壳21和电弧通道22侧壁内冷却水管24的连通件；

所述电弧通道22包括至少两端中间段29，相临中间段29之间通过绝缘件28连接；所述绝缘件28内设置有连通冷却水管24的通孔；所述电弧通道22外壁上设置有阳极弹簧210，所述阳极弹簧210套在电弧通道22的侧壁上，所述阳极弹簧210一端连接在绝缘垫27上，另一端与阳极头23连接；所述阳极头23呈漏斗型，开口较小的一端与电弧通道22的侧壁连接；开口较大的一端与阴极部分100的进气环14相对设置；阳极头23开口较大的一端与阳极固定座绝缘密封连接；所述冷却水管24的材质为绝缘材料。

Claims (7)

1.一种层流等离子发生器阳极结构，其特征在于：包括阳极外壳(21)、电弧通道(22)和阳极头(23)，所述阳极外壳(21)固定在阳极固定座上，所述电弧通道(22)的一端与阳极外壳(21)连接，另一端与阳极头(23)连接；所述阳极外壳(21)、电弧通道(22)的侧壁和阳极头(23)内均设置有冷却水管(24)，所述冷却水管(24)相互连通；所述阳极外壳(21)上分别设置有冷却水进口(25)和冷却水出口(26)，所述冷却水进口(25)和冷却水出口(26)分别与冷却水管(24)连通；所述电弧通道(22)外壁上设置有阳极弹簧(210)，所述阳极弹簧(210)套在电弧通道(22)的侧壁上。

2.如权利要求1所述的一种层流等离子发生器阳极结构，其特征在于：所述电弧通道(22)一端与阳极外壳(21)的连接出设置有绝缘垫(27)，所述绝缘垫(27)内设置有连通阳极外壳(21)和电弧通道(22)侧壁内冷却水管(24)的连通件。

3.如权利要求2所述的一种层流等离子发生器阳极结构，其特征在于：所述阳极弹簧(210)一端连接在绝缘垫(27)上，另一端与阳极头(23)连接。

4.如权利要求1-3任意一项所述的一种层流等离子发生器阳极结构，其特征在于：所述电弧通道(22)包括至少两端中间段(29)，相临中间段(29)之间通过绝缘件(28)连接；所述绝缘件(28)内设置有连通冷却水管(24)的通孔。

5.如权利要求1-3任意一项所述的一种层流等离子发生器阳极结构，其特征在于：所述阳极头(23)呈漏斗型，开口较小的一端与电弧通道(22)的侧壁连接；开口较大的一端与阴极部分的进气环相对设置。

6.如权利要求5所述的一种层流等离子发生器阳极结构，其特征在于：任意一项阳极头(23)开口较大的一端与阳极固定座绝缘密封连接。

7.如权利要求1-3任意一项所述的一种层流等离子发生器阳极结构，其特征在于：所述冷却水管(24)的材质为绝缘材料。