CN207251995U - 一种等离子体发生器的阴极内芯及其等离子体发生器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种等离子体发生器阴极内芯及其等离子体发生器，等离子体发生器包括阴极组件、阳极组件、阳极支架和旋流环，阴极组件包括阴极内芯和外壳，阴极内芯包括深杯形阴极基座和发射体，所述深杯形阴极基座为一端开口一端封闭的深杯形结构，且所述深杯形阴极基座内孔的长径比为5～15倍；而所述发射体镶嵌在深杯形阴极基座的内孔底部。本实用新型结构简单、气耗量低、等离子体温度高、运行可靠，阴阳极寿命都可稳定达到1000小时以上。

Description

一种等离子体发生器的阴极内芯及其等离子体发生器

技术领域

本实用新型涉及等离子体发生器，尤其是一种适用于煤粉锅炉等离子点火的等离子体发生器。

背景技术

目前电弧式等离子体发生器按结构和电弧在等离子体发生器中的位置可分为轴线式等离子体发生器和同轴式等离子体发生器。其中轴线式等离子体发生器又可分为两种，一种称为有中心电极的轴线式等离子体发生器，其特点是阴极是棒状，发射面为棒的端面，另一种称之为管状阴极等离子体发生器，其特点是阴极为管状，管状阴极的发射面为管子的内环面。

降低等离子体发生器的运行电流不仅可以降低等离子体发生器配套电气系统设备成本且可以极大提升等离子体发生器电极寿命。

目前，100KW及以上等离子体发生器运行电流普遍大于200A有个别等离子体发生器运行电流可以低至185A运行，例如：一种电弧通道直径异性的电弧等离子体炬(CN103354695A)电弧电流为270A、一种非转移弧等离子体炬的阳极及等离子体炬(CN101699928B)电弧电流为200A。以上两种等离子体发生器经大量工程使用发现存在载体风耗量大，典型的100KW等离子体发生器载体风正常耗量为80～100标方，等离子体温度仅2500℃左右，在火电厂点燃优质煤时尚没有大的问题，在点燃劣质煤特别是危险废物和垃圾时等离子体的温度低、活性差，基本上失去作用，在切割领域由于等离子弧温太低导致切割速度下降。因此，要找到一种耗气量小，等离子弧温高的办法来适应劣质煤及危险废物和垃圾。另外以上2种等离子体发生器载体风在启弧时和运行时风压基本保持不变，限制了杯形阴极内孔的长径比的提高，其中一种电弧通道直径异性的电弧等离子体炬(CN103354695A)的阴极在烧蚀后会在端面形成凹坑，而专利一种非转移弧等离子体炬的阳极及等离子体炬(CN101699928B)明确了新的阴极就设计有凹坑，凹坑的长径比原始为1：1(直径50mm，深度50mm)在烧蚀后不超过2：1，其增加弧电压的办法主要是增加了过渡阳极，尚没有凹坑长径比大于2：1的报道。

对于上述称之为管状阴极等离子体发生器也可以理解为阴极凹坑，阴极凹坑的长径比一般较大，可以达到10：1，但这类等离子阴极的发射电子面为环面，本公司产品早期多属于此类，专利CN102686003B和CN103841742B都有述及，设计发射面均为圆管的内表面，在实践中偶然发现非设计工况烧至凹坑底部，但这是事故状态，正是这种事故使我们明白，管状阴极和有凹坑的棒状阴极实际是同源的，这里面一定隐藏着什么原理。

随着等离子体发生器运行稳定性的提升如何降低运行电流，进一步降低等离子体发生器系统建造及运行成本成为等离子体发生器系统不可避免的话题。

实用新型内容

实用新型目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种结构简单、气耗量低、等离子体温度高、热效率高、电压高且电流低、运行可靠的等离子体发生器阴极内芯及其等离子体发生器。

技术方案：为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种等离子体发生器的阴极内芯，包括深杯形阴极基座和发射体，所述深杯形阴极基座为一端开口一端封闭的深杯形结构，且所述深杯形阴极基座内孔的长径比为5～15倍；而所述发射体镶嵌在深杯形阴极基座的内孔底部。

优选的：所述发射体是1个或多个。

优选的：所述深杯形阴极基座为铜、铝、银中的一种或几种材料制成；所述发射体为钨、锆、铪中的一种或几种材料制成。

优选的：所述深杯形阴极基座内孔是直孔或锥形孔。

优选的：所述深杯形阴极基座的内孔直径在15～40mm之间。

一种深杯形阴极等离子体发生器，包括阴极组件、阳极组件、旋流环和阳极支架，所述阴极组件包括阴极内芯、阴极外壳；所述阴极内芯的封闭端设置于阴极外壳内，阴极内芯的开口端穿过阴极外壳伸出阴极外壳外；所述阳极组件包括阳极内芯、线圈、线圈套、阳极外壳，所述线圈、线圈套、阳极外壳由内到外依次套设；所述旋流环、阳极支架由内到外依次设置于阴极外壳与线圈套之间，所述线圈位于阳极支架与线圈套之间；所述阳极内芯的进气口端设置于阳极支架内，出气口端依次穿过阳极支架、线圈、线圈套、阳极外壳伸出阳极外壳外；所述阴极内芯设置于阳极支架内，且所述阴极内芯开口端与阳极内芯的进气口端相对设置，同时所述阴极内芯开口端与阳极内芯的进气口端设置有间隙；所述旋流环与阳极支架之间设置有载体风通道，所述间隙与载体风通道之间通过旋流环上的进气孔连通；所述阴极外壳上设置有冷却水通道一，所述冷却水通道一与阴极外壳内部空间连通；所述阳极支架上设置有冷却水通道二，所述阳极支架、阳极内芯、线圈、线圈套之间围成冷却水通道三，所述冷却水通道二与冷却水通道三连通，所述线圈套与阳极外壳之间设置有冷却水通道四，所述阳极支架与阳极外壳之间设置有冷却水通道五，所述冷却水通道四与冷却水通道五连通，所述冷却水通道三与冷却水通道四通过线圈套上的冷却水通孔连通。

优选的：所述阴极外壳的外形为头大脖子细的棒槌形，头部直径是脖子直径的1.1～5倍；阳极内芯的结构为先收缩后扩张的拉法尔喷管结构，收缩角在2～15度之间，扩张角在45～120度之间，扩张之后部分为直段，喉口的长径比在1：1～1：4之间。

优选的：所述旋流环的进气方式为轴向进气、切向进气或者蜗壳式进气。

优选的：所述阳极内芯伸出阳极外壳的伸出距离5～20mm；所述阴极和阳极之间间隙是0.5～5mm。

优选的：所述内孔的平均孔径大于阳极内芯的喉口直径。

本实用新型相比现有技术，具有以下有益效果：

1、深杯形阴极烧蚀点在杯底，随着杯底的烧蚀，杯深增加，理论上杯底越厚阴极寿命越长，实践中阴极寿命很容易超过1000小时。

2、电子从深杯形阴极内芯杯底中心的发射体发射出来以后往阳极飞行过程中，大部分时间在阴极内飞行，相当于现有技术的过渡阳极，但在阴极内电子受阴极壁面相同电荷的斥力，而在现有技术过渡阳极内是异种电荷的吸引力，因此本实用新型中电子不易向约束冷壁扩散，因此，载体风耗量低，电弧温度高，损失的热量小，电热转化效率高。

3、高电压下(500～1000V)，最低稳定运行电流低至(70A)，说明电弧稳定性好，而现有的500V以上的电弧最低稳定运行电流大于140A。

4、100KW级现有采用过渡阳极的技术额定载体风量多在90标方，本技术低至30标方；本实用新型电弧温度可达6000℃以上。

5、本实用新型阳极内置小型线圈，电流通过线圈进入阳极内芯的过程中形成磁场，磁场和旋转的载体风协同吹动阳极弧根在阳极内芯表面快速旋转，烧蚀均匀且慢，阳极寿命可达2000小时以上。

6、当采用高频引弧时，安装距离为1000mm的等离子体发生器总体质量仅30kg，检修维护方便。

7、本实用新型将轴线式等离子体发生器中的2种：棒状阴极等离子和管状阴极等离子的界限完全打破，产生了一种界限模糊的等离子体发生器形式，继承了2种等离子体发生器的优点，同时有自己的独创性特点：电弧稳定性有了根本性的改善，正常情况下弧电压在600V时波动幅度在正负2V以内。

附图说明

图1：一种等离子体发生器的阴极内芯及其等离子体发生器的结构示意图。

图2：阴极内芯结构图。

图3：旋流环结构图。

其中，1-阴极内芯，2-阴极外壳，3-旋流环，4-阳极支架，5-阳极内芯，6-线圈，7-线圈套，8-阳极外壳，101-阴极基座，102-发射体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本实用新型，应理解这些实例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种深杯形阴极等离子体发生器，如图1所示，包括阴极组件、阳极组件、阳极支架4和旋流环3，所述阴极组件包括阴极内芯1、阴极外壳2；所述阴极内芯1的封闭端设置于阴极外壳2内，而阴极内芯1的开口端穿过阴极外壳2伸出阴极外壳2外，即，所述的阴极内芯1安装在阴极外壳2内组成阴极组件。所述阳极组件包括阳极内芯4、线圈6、线圈套7、阳极外壳8，所述线圈6、线圈套7、阳极外壳8由内到外依次套设，如图1所示，阳极内芯5的外面套有线圈6，线圈6的外面套有线圈套7，线圈套7外面套有阳极外壳8，阳极内芯4、线圈6、线圈套7、阳极外壳8一起组成阳极组件。所述旋流环3、阳极支架4由内到外依次设置于阴极外壳2与线圈套7之间，所述线圈6位于阳极支架4与线圈套7之间；所述阳极内芯4的进气口端设置于阳极支架4内，出气口端依次穿过阳极支架4、线圈6、线圈套7、阳极外壳8伸出阳极外壳8外，如图1所示，阴极组件外面套着旋流环3，旋流环3外面套着阳极支架4，阳极支架4外套设阳极组件，通常通过螺纹连接。所述阴极内芯1设置于阳极支架4内，且所述阴极内芯1开口端与阳极内芯4的进气口端相对设置，同时所述阴极内芯1开口端与阳极内芯4的进气口端设置有间隙；所述旋流环3与阳极支架4之间设置有载体风通道，所述间隙与载体风通道之间通过旋流环3上的进气孔连通，载体风从旋流环3中的切向孔进入阴极内芯1和阳极内芯4之间的间隙后进入阴极内芯1和阳极内芯4的电弧通道内。所述阴极外壳2上设置有冷却水通道一，所述冷却水通道一与阴极外壳2内部空间连通；所述阳极支架4上设置有冷却水通道二，所述阳极支架4、阳极内芯4、线圈6、线圈套7之间围成冷却水通道三，所述冷却水通道二与冷却水通道三连通，所述线圈套7与阳极外壳8之间设置有冷却水通道四，所述阳极支架4与阳极外壳8之间设置有冷却水通道五，所述冷却水通道四与冷却水通道五连通，所述冷却水通道三与冷却水通道四通过线圈套7上的冷却水通孔连通。

所述阴极内芯1包括深杯形阴极基座101和发射体102，所述深杯形阴极基座101为一端开口一端封闭的深杯形结构，且所述深杯形阴极基座101内孔的长径比为5～15倍；而所述发射体102镶嵌在深杯形阴极基座101的内孔底部。如图2所示深杯形阴极基座101底部中心镶嵌有发射体102，发射体是1个或多个，阴极基座101材质一般为铜、铝、银等金属，发射体102材质一般为钨、锆、铪、柿钨合金等。

深杯形阴极基座101的内孔是直孔或锥形孔，平均孔径大于阳极内芯5的喉口直径。

深杯形阴极基座101的内孔直径在15～40mm之间，深杯形阴极基座101的内孔的长径比为5～15倍。

阴极外壳2的外形为头大脖子细的棒槌形，头部直径是脖子直径的1.1～5倍。

如图3所示，旋流环3进气为切向进气，由于旋流环的作用是得到旋流气流，因此无论是轴向进气、切向进气或者蜗壳式进气都是可行的。旋流环的另一个作用是将阴极和阳极电绝缘和气隔离，旋流环的材质一般为陶瓷、塑料、橡胶等绝缘材料。

阳极内芯5的结构为先收缩后扩张的拉法尔喷管结构，收缩角在2～15度之间，扩张角在45～120度之间，扩张之后部分为直段，喉口的长径比在1：1～1：4之间。

阳极内芯5外面套有线圈6，阳极电流从线圈6经过到达阳极内芯5，线圈6及线圈套7同时对冷却水起导向作用，阳极内芯5与线圈6一般通过螺纹连接或采用其它形式连接，阳极内芯5与阳极外壳8之间一般通过O形圈进行密封的同时电绝缘，或采用其它绝缘材料进行密封和电绝缘。

阳极内芯5伸出阳极外壳8，优选的伸出距离5～20mm。

阴极内芯1与阳极内芯5的端面之间的间隙是0.5～5mm，优选值2mm。

起弧时的载体风压力低，正常运行时载体风压力高，正常运行时的载体风压力是起弧时载体风压力(表压)的1.1～50倍，起弧时载体风压力高会导致起弧困难，正常运行时载体风压力低会导致阴极内芯1的长径比较小或阴极弧根到达不了阴极内芯1的杯底。

工作过程：分别将直流电源接通至阴极与阳极上，起弧时采用高频引弧或接触引弧，起弧时载体风压力通常较小(如10KPa)，先在阴极内芯1和阳极内芯5的间隙处产生电弧，由于切向旋流的载体风的吹动，使电弧的阴极弧根吹到阴极内芯1的杯内，此时阴极弧根一般在杯壁处旋转，逐渐加大载体风压力(如100KPa)，阴极弧根逐渐向杯形阴极深处运动，最后到达深杯形阴极杯底，电弧的阳极弧根吹到阳极内芯5的拉法尔喷口的喉口之外，电弧的电压随载体风压力的高低变化，调节载体风压力使电弧电压至目标电压，电弧进入稳态。

本实用新型阴极的发射体102采用与深杯形阴极基座101材料不同的材料，旋流环3采用切向进气，阳极内芯5的结构是拉法尔喷管结构，阴极内芯和阳极内芯呈同轴式布置，旋流环作为绝缘体将阴极内芯和阳极内芯电绝缘并通入等离子载体风，本实用新型结构简单、气耗量低、等离子体温度高、运行可靠，阴阳极寿命都可稳定达到1000小时以上。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种等离子体发生器的阴极内芯，其特征在于：包括深杯形阴极基座(101)和发射体(102)，所述深杯形阴极基座(101)为一端开口一端封闭的深杯形结构，且所述深杯形阴极基座(101)内孔的长径比为5～15倍；而所述发射体(102)镶嵌在深杯形阴极基座(101)的内孔底部。

2.根据权利要求1所述等离子体发生器的阴极内芯，其特征在于：所述发射体(102)是1个或多个。

3.根据权利要求1所述等离子体发生器的阴极内芯，其特征在于：所述深杯形阴极基座(101)为铜、铝、银中的一种或几种材料制成；所述发射体(102)为钨、锆、铪中的一种或几种材料制成。

4.根据权利要求1所述等离子体发生器的阴极内芯，其特征在于：所述深杯形阴极基座(101)内孔是直孔或锥形孔。

5.根据权利要求1所述等离子体发生器的阴极内芯，其特征在于：所述阴极内芯1深杯形阴极基座101的内孔直径在15～40mm之间。

6.一种深杯形阴极等离子体发生器，其特征在于：包括阴极组件、阳极组件、旋流环3和阳极支架(4)，所述阴极组件包括权利要求1至5任一所述等离子体发生器的阴极内芯(1)、阴极外壳(2)；所述阴极内芯(1)的封闭端设置于阴极外壳(2)内，阴极内芯(1)的开口端穿过阴极外壳(2)伸出阴极外壳(2)外；所述阳极组件包括阳极内芯(5)、线圈(6)、线圈套(7)、阳极外壳(8)，所述线圈(6)、线圈套(7)、阳极外壳(8)由内到外依次套设；所述旋流环(3)、阳极支架(4)由内到外依次设置于阴极外壳(2)与线圈套(7)之间，所述线圈(6)位于阳极支架(4)与线圈套(7)之间；所述阳极内芯(5)的进气口端设置于阳极支架(4)内，出气口端依次穿过阳极支架(4)、线圈(6)、线圈套(7)、阳极内芯(5)伸出阳极外壳(8)外；所述阴极内芯(1)设置于阳极支架(4)内，且所述阴极内芯(1)开口端与阳极内芯(5)的进气口端相对设置，同时所述阴极内芯(1)开口端与阳极内芯(5)的进气口端设置有间隙；所述旋流环(3)与阳极支架(4)之间设置有载体风通道，所述间隙与载体风通道之间通过旋流环(3)上的进气孔连通；所述阴极外壳(2)上设置有冷却水通道一，所述冷却水通道一与阴极外壳(2)内部空间连通；所述阳极支架(4)上设置有冷却水通道二，所述阳极支架(4)、阳极内芯(5)、线圈(6)、线圈套(7)之间围成冷却水通道三，所述冷却水通道二与冷却水通道三连通，所述线圈套(7)与阳极外壳(8)之间设置有冷却水通道四，所述阳极支架(4)与阳极外壳(8)之间设置有冷却水通道五，所述冷却水通道四与冷却水通道五连通，所述冷却水通道三与冷却水通道四通过线圈套(7)上的冷却水通孔连通。

7.根据权利要求6所述的深杯形阴极等离子体发生器，其特征在于：所述阴极外壳(2)的外形为头大脖子细的棒槌形，头部直径是脖子直径的1.1～5倍。

8.根据权利要求6所述的深杯形阴极等离子体发生器，其特征在于：所述旋流环(3)的进气方式为轴向进气、切向进气或者蜗壳式进气。

9.根据权利要求6所述的深杯形阴极等离子体发生器，其特征在于：所述阳极内芯(5)伸出阳极外壳(8)的伸出距离5～20mm。

10.根据权利要求6所述的深杯形阴极等离子体发生器，其特征在于：阳极内芯(5)的结构为先收缩后扩张的拉法尔喷管结构，收缩角在2～15度之间，扩张角在45～120度之间，扩张之后部分为直段，喉口的长径比在1：1～1：4之间。