CN208724246U - 紧凑型高焓大功率dc非转弧等离子体炬 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种紧凑型高焓大功率DC非转弧等离子体炬，后电极一端与套筒式集成件的一端螺纹连接，后电极和套筒式集成件设置在等离子炬主体外壳内侧并且能够自由滑动，前电极与后电极同轴设置在等离子矩主体外壳内，绝缘集成件设置在后电极和前电极之间，涡流发生器设置在绝缘集成件内腔中，回流引导件套设前电极外侧，前端盖固定设置在前电极一端端部，绝缘套筒套设在套筒式集成件外侧，后压盖固定设置在等离子炬主体外壳一端端部，螺栓杠杆机构设置在安装座上，套筒式集成件通过连接夹套设置在螺栓杠杆机构上由螺栓杠杆机构驱动在等离子矩主体外壳内滑动。本实用新型结构紧凑体积小并且电极寿命高。

Description

紧凑型高焓大功率DC非转弧等离子体炬

技术领域

本实用新型涉及一种等离子体炬，特别是一种紧凑型高焓大功率DC非转弧等离子体炬。

背景技术

目前国际上实际应用当中的高温等离子体发生器有射频（RF）无电极等离子体发生器及直流（DC）电极式等离子体发生器。射频（RF）等离子炬由于RF线圈结构限制，等离子体喷嘴无法伸入较厚耐材的高温容器内而且功率较低。DC转移弧式等离子体发生器应用在焊接及旋转电极金属纳米粉制备工艺。DC（直流）非转移弧等离子体发生器又分为套锥形实体电极和空心桶式电极。套锥形实体电极等离子体发生器由于电极同心重叠布置等结构尺寸限制，其功率较低（小于200KW），大多用在实验室及热喷涂行业。而以空心桶式电极前后同轴布置方式的等离子体发生器径向尺寸有所减小，轴向尺寸可根据实际应用加长，电弧跨过电极间隙在前后电极中心孔内沿轴线加长生成并在涡流工作气作用下旋转，旋转半径小，热量集中加热穿过内孔的工作气而产生高温高焓等离子体，其功率可大于300KW或超过兆瓦（MW）级。其应用包括空气加热，金属，非金属，底灰及飞灰熔融，垃圾或生物质热解气化等领域。

传统的等离子体发生器多重套筒向电极提供冷却进回水及工作气引入电弧区导致炬体尺寸庞大、电极寿命低。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种紧凑型高焓大功率DC非转弧等离子体炬，其结构紧凑体积小并且电极寿命高。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：

一种紧凑型高焓大功率DC非转弧等离子体炬，其特征在于：包含等离子炬主体外壳、套筒式集成件、后电极、螺栓杠杆机构、前电极、绝缘集成件、涡流发生器、回流引导件、前端盖、绝缘套筒、后压盖、安装座、气体进口连接件和连接夹套，后电极一端与套筒式集成件的一端螺纹连接，后电极和套筒式集成件设置在等离子炬主体外壳内侧并且能够自由滑动，前电极与后电极同轴设置在等离子矩主体外壳内，绝缘集成件设置在后电极和前电极之间，涡流发生器设置在绝缘集成件内腔中，回流引导件套设前电极外侧，前端盖固定设置在前电极一端端部，绝缘套筒套设在套筒式集成件外侧，后压盖固定设置在等离子炬主体外壳一端端部，螺栓杠杆机构设置在安装座上，套筒式集成件通过连接夹套设置在螺栓杠杆机构上由螺栓杠杆机构驱动在等离子矩主体外壳内滑动。

进一步地，所述等离子矩主体外壳包含台肩、冷却水回流出口管和安装法兰，台肩为环形并且台肩固定设置在冷却水回流出口管一端内侧，安装法兰固定设置在冷却水回流出口管的另一端端部。

进一步地，所述套筒式集成件包含冷却水进口管、套管、工作气体进气管路，冷却水进口管一端内壁设置有内螺纹，后电极一端外侧设置有与冷却水进口管匹配的外螺纹，后电极设置在冷却水进口管内与冷却水进口管螺纹连接，套管套设在冷却水进口管和后电极外侧并且套管与冷却水进口管和后电极外壁之间形成冷却水通道，工作气体进气管路呈U型嵌入设置在冷却水进口管内，套管内壁开有进气环形槽，工作气体进气管路一端与进气环形槽连通，绝缘套管套设在套管外侧并且绝缘套管和套管之间形成环形工作气体通道，套管上开有进气孔将进气环形槽和环形工作气体通道连通。

进一步地，所述后电极与套筒式集成件连接的一端开有盲孔，盲孔内设置有四个均匀分布的分水孔，分水孔一端与盲孔连通，分水孔另一端与后电极与套筒之间环形通道连通，后电极另一端内开有中央盲孔，前电极相对后电极一端设置有与中央盲孔匹配的内孔，中央盲孔与内孔形成电弧区，后电极端部为锥形与前电极端面形成前后电极间隙以供工作气体旋入，绝缘集成件内开有多个均匀分布的Z型进水孔，Z型进水孔两端分别与套筒内环形槽以及前电极外侧环形冷却通道连通，绝缘集成件左侧设置有多个工作气体通孔，工作气体通孔两端分别与绝缘套筒内侧环形通道和绝缘集成件内腔连通。

进一步地，所述螺栓杠杆机构包含微调螺栓、金属夹套、绝缘夹套、转轴和杠杆，套筒式集成件通过金属夹套和绝缘夹套固定设置在杠杆上，杠杆下端通过转轴转动设置在安装座上，微调螺栓一端设置在杠杆上，微调螺栓另一端设置在安装座上。

进一步地，所述涡流发生器设置在绝缘集成件内腔并与绝缘集成件内壁形成环形气流通道，在涡流发生器中间位置开有两组小孔，小孔与涡流发生器内圆相切并且两组小孔开孔方向相反，涡流发生器通过涡流发生器安装座固定在绝缘集成件上。

进一步地，所述回流引导件的左端面与绝缘集成件的右端面配合，冷却水经绝缘集成件右端面上的通道引入前电极外缘与回流引导件内腔之间环形通道内冷却前电极；冷却水经回流引导件的右端面上的径向槽流向在回流引导件外圆回水槽，回流引导件的外圆与等离子炬主体外壳的内圆同心配合。

进一步地，所述前端盖的内圆设置有细牙螺纹用于安装前电极，前端盖的外圆与等离子炬主体外壳的内圆同心配合并由螺纹连接，前端盖的法兰面与等离子炬主体外壳的内台肩面配合，前端盖的中央内孔与前电极螺纹连接并设有与前电极同心配合的定位孔。

进一步地，所述后压盖固定在安装座上，后压盖通过紧固件固定在安装座上并与等离子炬主体外壳的法兰固定连接。

进一步地，所述气体进口连接件中心开有环形槽和管螺纹接口，管螺纹接口两端分别和气体进口连接件外侧和工作气体进气管路一端连通。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和效果：本实用新型采用创新结构设计的等离子体炬核心部件，空心桶式电极前后同轴布置方式的非转移弧等离子体炬，实用新型可驱动后电极进而实现前后电极间隙无极调控的螺栓杠杆机构，达到炬启弧，主电弧生成及炬功率可调的目的，集成化冷却水与工作气引入件，连接前后电极的绝缘进回水及工作气分流，涡流发生器集成组合件，优化冷却水的走向与分布以延长电极寿命的效果及前电极轴向可调实现小型化可调大功率高焓等离子炬。解决了以往用多重套筒向电极提供冷却进回水及工作气引入电弧区导致炬体尺寸庞大。集成化设计实现了在同等输出功率的条件下炬的径向尺寸大为减小，优化前后电极的冷却水分布，提高电极寿命，具有结构简单、输出功率高、径向及总体尺寸小、炬长可调、功率可调，便于快速安装拆卸、稳定、耐用、安全及低成本运行的优点。以下面实施例300KW等离子体炬为例，其主体长650MM而外径只有100MM。本实用新型旨在以紧凑型化等离子体炬实现高焓大功率输出等离子体的效果。

附图说明

图1是本实用新型的紧凑型高焓大功率DC非转弧等离子体炬的示意图。

图2是本实用新型的紧凑型高焓大功率DC非转弧等离子体炬的侧视图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本实用新型作进一步的详细说明，以下实施例是对本实用新型的解释而本实用新型并不局限于以下实施例。

如图所示，本实用新型的一种紧凑型高焓大功率DC非转弧等离子体炬，包含等离子炬主体外壳1、套筒式集成件2、后电极3、螺栓杠杆机构4、前电极5、绝缘集成件6、涡流发生器7、回流引导件8、前端盖9、绝缘套筒10、后压盖11、安装座12、气体进口连接件13和连接夹套14，后电极3一端与套筒式集成件2的一端螺纹连接，后电极3和套筒式集成件2设置在等离子炬主体外壳1内侧并且能够自由滑动，前电极5与后电极3同轴设置在等离子矩主体外壳1内，绝缘集成件6设置在后电极3和前电极5之间，涡流发生器7设置在绝缘集成件6内腔中，回流引导件8套设前电极5外侧，前端盖9固定设置在前电极5一端端部，绝缘套筒10套设在套筒式集成件2外侧，后压盖11固定设置在等离子炬主体外壳1一端端部，螺栓杠杆机构4设置在安装座12上，套筒式集成件2通过连接夹套14设置在螺栓杠杆机构4上由螺栓杠杆机构4驱动在等离子矩主体外壳1内滑动。

等离子矩主体1外壳包含台肩101、冷却水回流出口管102和安装法兰103，台肩101为环形并且台肩101固定设置在冷却水回流出口管102一端内侧，安装法兰103固定设置在冷却水回流出口管102的另一端端部。

套筒式集成件2包含冷却水进口管201、套管202、工作气体进气管路204，冷却水进口管201一端内壁设置有内螺纹，后电极3一端外侧设置有与冷却水进口管201匹配的外螺纹，后电极3设置在冷却水进口管201内与冷却水进口管201螺纹连接，套管202套设在冷却水进口管201和后电极3外侧并且套管202与冷却水进口管201和后电极3外壁之间形成冷却水通道，工作气体进气管路204呈U型嵌入设置在冷却水进口管201内，套管202内壁开有进气环形槽，工作气体进气管路204一端与进气环形槽连通，绝缘套管10套设在套管202外侧并且绝缘套管10和套管202之间形成环形工作气体通道，套管202上开有进气孔203将进气环形槽和环形工作气体通道连通。

后电极3与套筒式集成件2连接的一端开有盲孔，盲孔内设置有四个均匀分布的分水孔301，分水孔301一端与盲孔连通，分水孔301另一端与后电极3与套筒之间环形通道连通，后电极3另一端内开有中央盲孔302，前电极5相对后电极3一端设置有与中央盲孔302匹配的内孔501，中央盲孔301与内孔501形成电弧区，后电极5端部为锥形与前电极3端面形成前后电极间隙以供工作气体旋入。工作气和冷却水引入返回分流的绝缘集成件6，与后，前电极5同轴线安装于以“V”环形间隙为中心的位置，作为后、前电极的绝缘体。绝缘集成件6内开有多个均匀分布的Z型进水孔601，Z型进水孔601两端分别与套筒内环形槽以及前电极5外侧环形冷却通道连通，绝缘集成件6左侧设置有多个工作气体通孔602，工作气体通孔602两端分别与绝缘套筒10内侧环形通道和绝缘集成件内腔连通。工作气体通孔602与Z型进水孔601在绝缘集成件6径向间隔开来，从而使该绝缘集成件6集成化乃至炬本体的径、轴向尺寸均大大减小；绝缘集成件6的外圆与等离子炬主体外壳1的内圆同心配合。

螺栓杠杆机构4包含微调螺栓405、金属夹套401、绝缘夹套402、转轴403和杠杆404，套筒式集成件2通过金属夹套401和绝缘夹套402固定设置在杠杆404上，杠杆404下端通过转轴403转动设置在安装座12上，微调螺栓405一端设置在杠杆404上，微调螺栓405另一端设置在安装座12上。微调螺栓405与杠杆之间也是可转动连接，这样转动微调螺旋405，可以驱动冷却水进水管201连同后电极3前后移动，从而实现微调前后电极之间的间隙。通过调整前后电极之间的轴向间隙大小，达到启弧，主电弧产生并协同调控电压，电流及供气量以达到炬的启弧，主电弧启动运行及功率在一定范围内可调整的最佳运行目的。

涡流发生器7设置在绝缘集成件6内腔并与绝缘集成件6内壁形成环形气流通道，在涡流发生器7中间位置开有两组小孔701，小孔701与涡流发生器7内圆相切并且两组小孔开孔方向相反，涡流发生器7通过涡流发生器安装座502固定在绝缘集成件6上。这样来自环形气流通道的工作气流经过此两个平行立面上的切向孔以反方向旋入前后电极之间的“V”环形间隙进而以相反的旋转方向分别以高速旋入后电极内的盲孔及前电极内的通孔，在两个电极内孔反向旋转的气流使在电极孔内的产生高温电弧呈螺旋状沿两个内孔壁延长旋转，极大地增加了电弧与工作气体之间的换热机会，被离子化的漩涡气流（等离子体）从前电极的内孔501喷嘴向外喷出。

前电极5左端耐高温套环连同涡流发生器安装座502的外圆与工作气流和冷却水引入绝缘集成件6的内圆配合。回流引导件8的左端面与绝缘集成件6的右端面配合，冷却水经绝缘集成件6右端面上的通道引入前电极5外缘与回流引导件8内腔之间环形通道内冷却前电极5；冷却水经回流引导件8的右端面上的径向槽流向在回流引导件8外圆回水槽，回流引导件8的外圆与等离子炬主体外壳1的内圆同心配合。

前端盖9的内圆设置有细牙螺纹用于安装前电极5，前端盖9的外圆与等离子炬主体外壳1的内圆同心配合并由螺纹连接，前端盖9的法兰面与等离子炬主体外壳1的内台肩面配合，前端盖9的中央内孔与前电极5螺纹连接并设有与前电极5同心配合的定位孔。冷却水回流绝缘套筒10套在工作气体及冷却水引入套管202的外缘，它们之间的环形空间作为工作气通道；绝缘套筒10的外缘与等离子炬主体外壳1内壁形成的环形空间为回水通道。

后压盖11固定在安装座12上，后压盖11通过紧固件1201固定在安装座12上并与等离子炬主体外壳1的法兰103固定连接。后压盖11将连接后电极的工作气体及套筒式集成件2与连接前电极的等离子炬金属主体外壳1绝缘隔离。

气体进口连接件13用绝缘材料制作，气体进口连接件13中心开有环形槽1301和管螺纹接口1302，管螺纹接口1302两端分别和气体进口连接件13外侧和工作气体进气管路204一端连通。由杠杆机构的绝缘夹套及电源连接夹板14为进气进口连接件13定位。

本实用新型的紧凑型高焓大功率DC非转弧等离子体炬工作原理为，在将等离子体炬按图示组装到一起并在工作气体接口连通空气或惰性气体，同时开通冷却水循环通路，在连接与后电极连通的定位套管通入高压直流（DC）电源，在炬主体外壳法兰固定螺栓连接到电源回路。首先通过调整螺旋杠杆驱动机构拉近前后电极之间的间隙，由启弧电源启弧后切换到主电源，在主电弧启动以后，调整螺旋杠杆驱动机构，拉大前后电极之间的间隙，同时调控主电源电压，电流及工作气量以达到最佳运行功率状态。高温主电弧将流经电弧的空气或惰性气体离子化生成高温等离子体。等离子体的功率取决于施加在后电极与前电极之间的直流电压，电流大小及进入等离子体炬的空气量。工作气体经带管螺纹的环形工作气体进口连接件13的进气口，再通过气体进口连接件13内的环形通道进入安装在冷却水进口管201内的工作气体进气管路204，然后经进气孔203进入冷却水进口管201与回水绝缘套管10之间的环形气道内，在空气到达工作气体及冷却水引入套筒式集成件2的右端与绝缘及工作气和冷却水引入返回分流绝缘集成件6内环左端对接面时进入件八个直行通孔冲入绝缘集成件6外环内圆与工作气体涡流发生器7外缘及前电极左环连同涡流发生器安装座中间形成的封闭环形空间内，进而将工作气体压入在工作气体涡流发生器7的中央部位与其内外圆中心线垂直的立面上设置的4X4流向相反与内圆相切小孔701旋转进入前后电极之间的“V”环形间隙内，进而旋转进入后电极和前电极的中心孔从电弧获得高温能量离子化以后从前电极中心通孔喷嘴射出。生成的高温高焓等离子体用于包括空气加热，金属，非金属，底灰及飞灰熔融，垃圾或生物质热解气化等。

为了确保等离子体炬前后电极及炬本体各结构件在正常运行当中不会过热损坏，必须向等离子炬内通入冷却水为前后电极及炬本体各结构件降温。冷却水自工作气体及冷却水引入套筒式集成件2的左端中央管为冷却水进口管201进入后电极左端的中心盲孔进而流入四个在盲孔内端面均分并与中心轴线呈45°的进水孔301至后电极外缘与套筒202的环形通道内前行冷却后电极，在冷却水抵达套筒式集成件2与工作气和冷却水引入返回分流绝缘集成件6的对接面时，流入分流绝缘集成件6与后电极环形冷却水通道相对应的八个均布呈“Z”形走向孔将冷却水引向套在前电极外面的冷却水回流引导件8的左端面与“Z”形走向孔出口相对应的环形槽，经过在该环形槽进入与之对应的环形冷却通道冷却前电极后再继续流向前电极前端进入前电极前端，经等离子体炬前端盖9的内法兰面与冷却水回流引导件8前端面上相对的八个均布径向扇形槽流向回流引导件8外缘上相应的八个纵向槽向左流入绝缘及工作气和冷却水引入返回分流绝缘集成件6外缘前端环形槽，然后进入分流绝缘集成件6外缘尾端的八个纵向槽，再经隔热套筒10外缘与等离子炬主体外壳内壁间的环形通道进入冷却水回流管102返回，实现对等离子体炬的后，前电极及炬内部组件的均布优化冷却。

本实用新型可驱动后电极进而实现前后电极间隙无极调控的螺栓杠杆机构，达到炬启弧，主电弧生成及炬功率可调的目的，集成化冷却水与工作气引入件，连接前后电极的绝缘进回水及工作气分流，涡流发生器集成组合件，优化冷却水的走向与分布以延长电极寿命的效果及前电极轴向可调实现小型化可调大功率高焓等离子炬。解决了以往用多重套筒向电极提供冷却进回水及工作气引入电弧区导致炬体尺寸庞大。集成化设计实现了在同等输出功率的条件下炬的径向尺寸大为减小，优化前后电极的冷却水分布，提高电极寿命。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本实用新型所作的举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本实用新型说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种紧凑型高焓大功率DC非转弧等离子体炬，其特征在于：包含等离子炬主体外壳、套筒式集成件、后电极、螺栓杠杆机构、前电极、绝缘集成件、涡流发生器、回流引导件、前端盖、绝缘套筒、后压盖、安装座、气体进口连接件和连接夹套，后电极一端与套筒式集成件的一端螺纹连接，后电极和套筒式集成件设置在等离子炬主体外壳内侧并且能够自由滑动，前电极与后电极同轴设置在等离子矩主体外壳内，绝缘集成件设置在后电极和前电极之间，涡流发生器设置在绝缘集成件内腔中，回流引导件套设前电极外侧，前端盖固定设置在前电极一端端部，绝缘套筒套设在套筒式集成件外侧，后压盖固定设置在等离子炬主体外壳一端端部，螺栓杠杆机构设置在安装座上，套筒式集成件通过连接夹套设置在螺栓杠杆机构上由螺栓杠杆机构驱动在等离子矩主体外壳内滑动。

2.按照权利要求1所述的紧凑型高焓大功率DC非转弧等离子体炬，其特征在于：所述等离子矩主体外壳包含台肩、冷却水回流出口管和安装法兰，台肩为环形并且台肩固定设置在冷却水回流出口管一端内侧，安装法兰固定设置在冷却水回流出口管的另一端端部。

3.按照权利要求1所述的紧凑型高焓大功率DC非转弧等离子体炬，其特征在于：所述套筒式集成件包含冷却水进口管、套管、工作气体进气管路，冷却水进口管一端内壁设置有内螺纹，后电极一端外侧设置有与冷却水进口管匹配的外螺纹，后电极设置在冷却水进口管内与冷却水进口管螺纹连接，套管套设在冷却水进口管和后电极外侧并且套管与冷却水进口管和后电极外壁之间形成冷却水通道，工作气体进气管路呈U型嵌入设置在冷却水进口管内，套管内壁开有进气环形槽，工作气体进气管路一端与进气环形槽连通，绝缘套管套设在套管外侧并且绝缘套管和套管之间形成环形工作气体通道，套管上开有进气孔将进气环形槽和环形工作气体通道连通。

4.按照权利要求1所述的紧凑型高焓大功率DC非转弧等离子体炬，其特征在于：所述后电极与套筒式集成件连接的一端开有盲孔，盲孔内设置有四个均匀分布的分水孔，分水孔一端与盲孔连通，分水孔另一端与后电极与套筒之间环形通道连通，后电极另一端内开有中央盲孔，前电极相对后电极一端设置有与中央盲孔匹配的内孔，中央盲孔与内孔形成电弧区，后电极端部为锥形与前电极端面形成前后电极间隙以供工作气体旋入，绝缘集成件内开有多个均匀分布的Z型进水孔，Z型进水孔两端分别与套筒内环形槽以及前电极外侧环形冷却通道连通，绝缘集成件左侧设置有多个工作气体通孔，工作气体通孔两端分别与绝缘套筒内侧环形通道和绝缘集成件内腔连通。

5.按照权利要求1所述的紧凑型高焓大功率DC非转弧等离子体炬，其特征在于：所述螺栓杠杆机构包含微调螺栓、金属夹套、绝缘夹套、转轴和杠杆，套筒式集成件通过金属夹套和绝缘夹套固定设置在杠杆上，杠杆下端通过转轴转动设置在安装座上，微调螺栓一端设置在杠杆上，微调螺栓另一端设置在安装座上。

6.按照权利要求1所述的紧凑型高焓大功率DC非转弧等离子体炬，其特征在于：所述涡流发生器设置在绝缘集成件内腔并与绝缘集成件内壁形成环形气流通道，在涡流发生器中间位置开有两组小孔，小孔与涡流发生器内圆相切并且两组小孔开孔方向相反，涡流发生器通过涡流发生器安装座固定在绝缘集成件上。

7.按照权利要求1所述的紧凑型高焓大功率DC非转弧等离子体炬，其特征在于：所述回流引导件的左端面与绝缘集成件的右端面配合，冷却水经绝缘集成件右端面上的通道引入前电极外缘与回流引导件内腔之间环形通道内冷却前电极；冷却水经回流引导件的右端面上的径向槽流向在回流引导件外圆回水槽，回流引导件的外圆与等离子炬主体外壳的内圆同心配合。

8.按照权利要求1所述的紧凑型高焓大功率DC非转弧等离子体炬，其特征在于：所述前端盖的内圆设置有细牙螺纹用于安装前电极，前端盖的外圆与等离子炬主体外壳的内圆同心配合并由螺纹连接，前端盖的法兰面与等离子炬主体外壳的内台肩面配合，前端盖的中央内孔与前电极螺纹连接并设有与前电极同心配合的定位孔。

9.按照权利要求1所述的紧凑型高焓大功率DC非转弧等离子体炬，其特征在于：所述后压盖固定在安装座上，后压盖通过紧固件固定在安装座上并与等离子炬主体外壳的法兰固定连接。

10.按照权利要求3所述的紧凑型高焓大功率DC非转弧等离子体炬，其特征在于：所述气体进口连接件中心开有环形槽和管螺纹接口，管螺纹接口两端分别和气体进口连接件外侧和工作气体进气管路一端连通。