CN210469841U - 一种等离子炬 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种等离子炬，包括：水循环系统以及相连通的上壳体和下壳体；水循环系统与上、下壳体连通，以分别向上、下壳体中输送水蒸气；上壳体中具有相对设置的阴极和阳极，二者均与脉冲直流电源连接以产生脉冲电压击穿水蒸气产生初级等离子体；下壳体中设置有感应线圈，感应线圈与外部交流电源连接产生电场，以加速进入下壳体的初级等离子体，产生二级等离子体。本实用新型中，通过脉冲直流电源对上壳体中的阴极和阳极施加脉冲电压，产生初级等离子体，通过交流电源在下壳体中的感应线圈周围产生的高频电场，对进入下壳体中的初级等离子体加速，极大地提升了等离子炬的热量转换效率。

Description

一种等离子炬

技术领域

本实用新型涉及等离子体发生装置技术领域，具体而言，涉及一种等离子炬。

背景技术

深层地热能作为一种新能源近年来得到了广泛关注，对于深层地热能的开发，破岩技术是其中一种非常核心的技术，考虑到传统机械破岩对于深层硬度极高的岩石破岩效率极低，且钻头磨损严重，成本极高，新型能量破岩技术亟待研发。

等离子炬破岩技术作为其中一种，具有极大的发展空间。其原理是利用等离子射流的高温对岩石进行熔化甚至气化，从而达到破岩目的。该方法的优点是破岩效率与岩石硬度无关。然而，现有的等离子炬普遍存在热量转换效率较低的问题。

发明内容

鉴于此，本实用新型提出了一种等离子炬，旨在解决现有技术中等离子炬的热量转换效率较低的问题。

一个方面，本实用新型提出了一种等离子炬，包括：水循环系统以及相连通的上壳体和下壳体；其中，所述水循环系统与所述上壳体连通，以向所述上壳体中输送水蒸气；所述上壳体中具有相对设置的阴极和阳极，所述阳极与所述阴极均与脉冲直流电源连接，以在所述阳极与所述阴极之间产生脉冲电压，从而将进入所述上壳体中的水蒸气击穿并产生初级等离子体；所述上壳体底部开口，用以使所述初级等离子体喷射至所述下壳体中；所述水循环系统还与所述下壳体连通，以向所述下壳体中输送水蒸气；所述下壳体两端开口，其中设置有感应线圈，所述感应线圈与外部交流电源连接产生电场，以加速进入所述下壳体的初级等离子体，使所述初级等离子体对进入所述下壳体中的水蒸气进行电离以产生二级等离子体。

进一步地，上述等离子炬中，所述上壳体和所述下壳体之间设置有可开合隔离板，用以防止所述二级等离子体喷入所述上壳体中。

进一步地，上述等离子炬中，所述可开合隔离板包括：处于同一水平面且相对设置的固定板和移动板；其中，所述固定板与所述上壳体第一侧的内壁相连接且沿水平方向穿设于靠近该第一侧内壁的所述绝缘层；所述移动板沿水平方向可移动地穿设于所述上壳体第二侧的内壁和靠近该第二侧内壁的所述绝缘层。

进一步地，上述离子炬中，所述阳极的截面呈凹口结构，所述凹口结构的底壁朝向所述下壳体设置，并且，所述底壁上开设有初级等离子体喷射通道，用以将所述初级等离子体喷射至所述下部壳体中。

进一步地，上述离子炬中，所述上壳体中沿所述阳极的两侧设置有绝缘层，且所述绝缘层延伸至所述下壳体中。

进一步地，上述离子炬中，所述下壳体包括：两端开口的内筒和两端开口的外筒；其中，所述外筒套设于所述内筒，且二者之间形成底部密封的环形空腔，所述线圈绕设于所述内筒的外壁，并且，所述内筒的外壁位于所述线圈的上方处设置有所述绝缘层。

进一步地，上述离子炬中，所述上壳体的侧壁和所述绝缘层上对应穿设有若干第一进气管；所述下壳体的内筒、外筒及位于所述内筒外部的所述绝缘层上对应穿设有若干第二进气管；所述第一进气管和所述第二进气管均与所述水循环系统中的水蒸气出口连通。

进一步地，上述离子炬中，还包括：冷却水管路；其中，所述冷却水管路设置在所述下壳体中，且与所述水循环系统连通，用以对下壳体进行冷却并向所述水循环系统输送换热后的冷却水和水蒸气。

进一步地，上述离子炬中，所述冷却水管路包括：内层环形管和外层环形管；其中，所述外层环形管套设于所述内层环形管，二者之间形成封闭的环形通道，且所述线圈绕设于所述内层环形管的外壁；所述外层环形管的进水口与所述下壳体的外筒一侧的进水管的出口连通，并且，所述外层环形管靠近所述进水管的端部设置有第一挡板，用以阻挡所述进水管与所述内层环形管直接连通，以使冷却水依次流经所述外层环形管和所述内层环形管后排出；所述内层环形管的出水口与所述下壳体的外筒另一侧的出水管的进口连通，并且，所述外层环形管靠近所述出水管的端部设置有第二挡板，用以阻止所述出水管与所述外层环形管直接连通，以使冷却水从所述内层环形管中流出。

进一步地，上述离子炬中，所述水循环系统包括：储水箱和水蒸气发生器；其中，所述储水箱上开设有冷却水进口及冷却水出口，所述储水箱的冷却水进口与所述冷却水管路的出口连通，所述储水箱的冷却水出口与所述冷却水管路的进口连通；所述水蒸气发生器上开设有若干水蒸气出口，用以分别与所述上壳体和所述下壳体连通，所述水蒸气发生器的进口与所述冷却水管路的出口连通。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于，本实用新型提供的等离子炬，通过脉冲直流电源对上壳体中的阴极和阳极施加脉冲电压，产生初级等离子体，通过交流电源在下壳体中的感应线圈周围产生的高频电场，对进入下壳体中的初级等离子体加速，进而产生电弧形状更加规则，弧柱面积更大，温度更高的二级等离子体射流，极大地提升了等离子炬的热量转换效率。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本实用新型实施例提供的等离子炬的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

参阅图1，本实用新型实施例的等离子炬包括：水循环系统1以及相连通的上壳体3和下壳体4；其中，所述水循环系统1与所述上壳体3连通，以向所述上壳体3中输送水蒸气；所述上壳体3中具有相对设置的阴极5和阳极6，所述阳极6与所述阴极5均与脉冲直流电源7连接，以在所述阳极6与所述阴极5之间产生脉冲电压，从而将进入所述上壳体3中的水蒸气击穿并产生初级等离子体，所述上壳体3底部开口，用以使所述初级等离子体喷射至所述下壳体4中；所述水循环系统1还与所述下壳体4连通，以向所述下壳体4中输送水蒸气；所述下壳体4两端开口，其中设置有感应线圈9，所述感应线圈9与外部交流电源10连接产生电场，以加速进入所述下壳体4的初级等离子，使所述初级等离子对进入所述下壳体4中的水蒸气进行电离以产生二级等离子体。

具体而言，水循环系统1上的水蒸汽出口与上壳体3和下壳体4均连通，以分别向上壳体3和下壳体4中输送水蒸气。

为了防止下壳体4中线圈9产生电场的过程中放出的热量对下壳体4造成损坏，本实施例中还包括：冷却水管路2；其中，冷却水管路2设置在下壳体4中，且与水循环系统1连通，用以对下壳体4进行冷却并向水循环系统1输送换热后的冷却水和水蒸气。

水循环系统1的出水口与冷却水管路2的进口连通，以向冷却水管路2中输入冷却水，冷却水管路2的出口与水循环系统1连通，以将换热后的冷却水和冷却水产生的水蒸气循环回水循环系统，实现冷却水的循环利用。

水循环系统1包括：储水箱11和水蒸气发生器12；其中，储水箱11上开设有冷却水进口111及冷却水出口112，储水箱11的冷却水进口111与冷却水管路2的出口连通，储水箱11的冷却水出口112与冷却水管路2的进口连通。

水蒸气发生器12上开设有若干水蒸气出口121，用以分别与上壳体3和所述下壳体4连通，所述水蒸气发生器12的进口与所述冷却水管路2的出口连通。

实际中，储水箱11与水蒸气发生器12可以并排设置，经冷却水管路2流出的冷却水一部分进入水蒸气发生器12，经水蒸气发生器12处理后转变成水蒸气经水蒸气出口121分别进入上壳体3和下壳体4中；另一部分经冷却水进口111进入储水箱11后，经冷却水出口112重新循环回冷却水管路2。

此外，还可以在储水箱11上设置一个外部水源进口，并通过输送管道将外部水源输送至储水箱11中，该部分外部水源可以直接经冷却水出口112重新循环回冷却水管路2；同时，可以在该外部水源输送管道上设置支管，连通至水蒸气发生器12中，以向水蒸气发生器12中输送外部水源，该部分外部水源经过水蒸气发生器12处理后转化为水蒸气经水蒸气出口121排出。本实施例中的外部水源可以为地下水，在向储水箱11中输送冷却水的同时可以向水蒸气发生器12中输送冷却水，促使水蒸气的产生，在保证水循环系统1的通畅运行的同时，使得进入冷却水管路2的冷却水来源得到了保障，极大的降低了运行成本。

水循环系统1既向冷却水管路2中输送了冷却水又向上壳体3和下壳体4中提供了水蒸气，极大地提高了水的利用效率。

上壳体3为底部开口的筒体状结构，阳极6和阴极5可以相对设置于上壳体3中。阴极5可以为板状、棒状等结构，阳极6也可以为板状、柱状等结构，为了保证上壳体3中产生的初级等离子体能进入到下壳体4中，阳极6上设置有初级等离子体喷射通道a。

本实施例中，阳极6的截面呈凹口结构，所述凹口结构的底壁朝向所述下壳体4设置，并且，所述底壁上开设有初级等离子体喷射通道a，用以将上壳体中产生的初级等离子体喷射至所述下部壳体4中。

上壳体3的顶壁上可以开设接线口，阴极5和阳极6可以通过穿设于接线口的导线与直流脉冲电源7连接。直流脉冲电源7在阴极5和阳极6之间产生的脉冲高电压可以击穿进入上壳体3的水蒸气，从而产生初级等离子体。与现有的直流等离子炬采用的直流电源相比，本实施例中的直流脉冲电源7的放电时间更短，放电次数更多，极大地保护了电极，延长了电极寿命进而延长了等离子炬的寿命。

进一步的，所述上壳体3中沿所述阳极6的两侧设置有绝缘层20，且所述绝缘层20延伸至所述下壳体4中。

下壳体4可以包括：两端开口的内筒41和两端开口的外筒42；其中，外筒42套设于内筒41，且二者之间形成底部封闭的环形空腔b，感应线圈9绕设于内筒41的外壁，并且，所述内筒41的外壁位于所述线圈9的上方处设置有所述绝缘层20。冷却水管路2置于环形空腔b中，可以沿线圈9的周向设置，以对内筒41和感应线圈9进行冷却降温。优选的，所述绝缘层20位于所述下壳体4的部分紧贴于所述下壳体4的内筒41的外壁，且位于所述冷却水管路2的上部。本实施例中，冷却水管路2可以为一绕设于环形空腔b的环形管，环形管上开设冷却水进口和冷却水出口，当然冷却水管路2还可以为其他结构，本实施例对其不作任何限定。

继续参阅图1，外筒42可以与上壳体3的直径相等，上壳体3、内筒41和外筒42可以均为耐高温的石英管。

感应线圈9可以由铜管制成，例如可以用直径为5mm的铜管制成，其与交流电压连接，产生高频电场，对初级等离子体进行加速，加速后的初级等离子体中的离子和电子会继续电离其它各种中性粒子，例如水蒸气、OH分子、O原子、H原子等，进而形成二级等离子体射流，并最终喷出下壳体4形成等离子电弧。需要说明的是，本实施例中的交流电源为频率在30MHz-40MHz的高频交流电源。此外，等离子电弧的功率可以通过直流脉冲电源7产生的脉冲数直接调节，脉冲数越多，等离子电弧的功率越大，越适用于硬度更高的岩石，因此，本实施例提供的等离子炬，可以通过调节直流脉冲电源7产生不同功率的等离子电弧，从而作用于不同硬度的岩石，灵活性更强，效率更高，成本更低。

为了防止下壳体4中产生的二级等离子体向上喷射至上壳体3中损坏产生初级等离子的阴极5和阳极6，上壳体3和下壳体4之间设置有可开合隔离板8。更具体的，可开合隔离板8可以包括：处于同一水平面且相对设置的固定板81和移动板82；其中，所述固定板81与所述上壳体3第一侧（图中所示的右侧）的内壁相连接且沿水平方向穿设于靠近该第一侧内壁的所述绝缘层20；所述移动板82沿水平方向可移动地穿设于所述上壳体第二侧的内壁和靠近该第二侧内壁的所述绝缘层20。

上述显然可以得出，本实施例中提供的等离子炬，通过脉冲直流电源对上壳体中的阴极和阳极施加脉冲电压，产生初级等离子体，通过交流电源在下壳体中的感应线圈周围产生的高频电场，对进入下壳体中的初级等离子体加速，进而产生电弧形状更加规则，弧柱面积更大，温度更高的二级等离子体射流，极大地提升了等离子炬的热量转换效率。

上述实施例中，所述上壳体3的侧壁和所述绝缘层20上对应穿设有若干第一进气管13；所述下壳体4的内筒41、外筒42及位于所述内筒41外部的所述绝缘层20上对应穿设有若干第二进气管14；所述第一进气管13和所述第二进气管13均与所述水循环系统1中的水蒸气出口111连通。

本实施例中，设置两条第一进气管13和两条第二进气管14，第一进气管13上设置有第一进气阀131，第二进气管14上设置有第二进气阀141，第一进气管13和第二进气管14可以为与水蒸气出口121连通的水蒸气输送管道15的分支管。

可以看出，本实施例中，多条进气管的设置，可以使得水蒸气从两侧同时进入上壳体和下壳体中，保证了气体的分布均匀，从而有利于气体被充分击穿和电离，从而依次产生初级等离子体和二级等离子体。

上述实施例中，所述感应线圈9呈螺旋状绕设于下壳体4的内筒41外壁且各圈感应线圈9等螺距设置。

具体而言，在内筒41的下部缠绕多圈感应线圈9，例如可在内筒41的下部以螺旋状缠绕5-6圈感应线圈9，保持各圈感应线圈9的螺距相等，使得感应线圈9沿内筒41的外壁均匀分布，这样产生的电场更加均匀，形成的二级等离子体射流的形状也更规则稳定，温度分布也更加均匀，热传导效率大大提升，从而达到对岩石进行熔化甚至气化的目的，进而提升了破岩效率并同时降低了成本和能耗。

上述各实施例中，所述冷却水管路2包括：内层环形管21和外层环形管22；其中，所述外层环形管22套设于所述内层环形管21，二者形成封闭的环形通道c，且所述感应线圈9绕设于内层环形管21的外壁；所述外层环形管22的进水口221与下壳体4的外筒42一侧的进水管16的出口连通，并且，所述外层环形管22靠近所述进水管16的端部设置有第一挡板18，用以阻挡所述进水管9与所述内层环形管21直接连通，以使冷却水依次流经所述外层环形管22和所述内层环形管21后排出；所述内层环形管21的出水口211与所述下壳体4的外筒42另一侧的出水管17的进口连通，并且，所述外层环形管22靠近所述出水管17的端部设置有第二挡板19，用以阻止所述出水管17与所述外层环形管22直接连通，以使冷却水从所述内层环形管21中流出。显然，外筒42上开设有进水管16的安装口和出水管17的安装口，本实施例中的进水口221即为冷却水管路2的进口，出水口211即为冷却水管路2的出口，进水口221可以通过管道与水循环系统1的冷却水出口112连通，出水口211可以通过出水管17与水循环系统1的冷却水进口111连通。

具体而言，内层环形管21可以为两端开口的环形管，外层环形管22可以为两端开口的环形管，两个环形管的底部和顶部均连通，形成一封闭的环形水通道，该环形水通道的一侧设置一个进口（即进水口221），另一侧设置一个出口（即出水口211），进水口221可以设置在外层环形管22的顶部；出水口211可以设置在内层环形管21的顶部，第一挡板18可以沿竖直方向挡设在外层环形管22靠近进水管16一侧的管口端，第二挡板19可以沿水平方向挡设在外层环形管22靠近出水管17一侧的管口端，使冷却水从进水口221流入后沿外层环形管22向内层环形管21流动，并在冷却水占满内层环形管21后，从出水口211排出，并输送至水循环系统1，即冷却水按照图1中箭头所指的方向流动。外层环形管22与外筒42之间可以相贴合，也可保持一定的间隙；内层环形管21可以沿内筒41外壁的周向设置，感应线圈9绕设在内层环形管21的外壁上，从而能实现冷却水管路2对感应线圈9和内筒41的冷却。

可以看出，在内筒41、外筒42之间的环形空腔b内设置双层环形的冷却水管路2，一方面可以冷却内筒41，从而避免内筒41在起弧和灭弧瞬间由于受到内壁和外壁强烈温差的冲击而破裂，有效地保护了筒41；另一方面，也可以冷却感应线圈9，避免线圈9由于过热而无法正常工作。

本实用新型提供的等离子炬的工作过程如下：

打开第一进气阀131和第二进气阀141，水蒸气由第一进气管13和第二进气管14分别向上、下壳体同时输入气体，第一进气管13穿过阳极6进入，第二进气管14依次穿过外筒42、绝缘层42和内筒41进入下壳体内部。开启脉冲电源7产生脉冲高电压击穿水蒸气产生初级等离子，初级等离子向下喷出进入内筒42中，获得由交流电源向感应线圈9供电而产生的高频电场能量，初级等离子被加速，被加速之后的初级等离子中的离子和电子会继续电离水蒸气分子、OH分子、O原子、H原子等其它各种中性粒子，获得二级等离子。同时，由于高频磁场的干预，二级等离子的电弧形状比较均匀，并维持脉冲放电，使得产生的二级等离子的电弧更加稳定，最终等离子电弧从下壳体底端喷出。如此重复多个脉冲放电过程之后，二级等离子逐渐被加强并保持稳定放电，此时，关闭脉冲电源7，停止供电，第一进气阀门131关闭，停止进气，从而不再产生初级等离子，同时关闭可闭合隔离板8，防止二级等离子向上喷出损坏产生初级等离子的阴极5和阳极6。当二级等离子变弱或者熄灭时，可根据需要选择是否重新进行脉冲放电，点燃初级等离子，打开可闭合隔离板8，从而加强或者点燃二级等离子。

综上，本实用新型通过脉冲直流电源对上壳体中的阴极和阳极施加脉冲电压，产生初级等离子体，通过交流电源在下壳体中的感应线圈周围产生的高频电场，对进入下壳体中的初级等离子体加速，进而产生电弧形状更加规则，弧柱面积更大，温度更高的二级等离子体射流，极大地提升了等离子炬的热量转换效率；此外，冷却水管路的设置可以有效的避免下壳体的壁面由于温差过大而破裂，同时也能对感应线圈进行降温，降低了能量损耗。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种等离子炬，其特征在于，包括：水循环系统以及相连通的上壳体和下壳体；其中，

所述水循环系统与所述上壳体连通，以向所述上壳体中输送水蒸气；所述上壳体中具有相对设置的阴极和阳极，所述阳极与所述阴极均与脉冲直流电源连接，以在所述阳极与所述阴极之间产生脉冲电压，从而将进入所述上壳体中的水蒸气击穿并产生初级等离子体；所述上壳体底部开口，用以使所述初级等离子体喷射至所述下壳体中；

所述水循环系统还与所述下壳体连通，以向所述下壳体中输送水蒸气；所述下壳体两端开口，其中设置有感应线圈，所述感应线圈与外部交流电源连接产生电场，以加速进入所述下壳体的初级等离子体，使所述初级等离子体对进入所述下壳体中的水蒸气进行电离以产生二级等离子体。

2.根据权利要求1所述的等离子炬，其特征在于，所述上壳体和所述下壳体之间设置有可开合隔离板，用以防止所述二级等离子体喷入所述上壳体中。

3.根据权利要求2所述的等离子炬，其特征在于，所述可开合隔离板包括：处于同一水平面且相对设置的固定板和移动板；其中，

所述固定板与所述上壳体第一侧的内壁相连接且沿水平方向穿设于靠近该第一侧内壁的绝缘层；所述移动板沿水平方向可移动地穿设于所述上壳体第二侧的内壁和靠近该第二侧内壁的绝缘层。

4.根据权利要求1所述的等离子炬，其特征在于，所述阳极的截面呈凹口结构，所述凹口结构的底壁朝向所述下壳体设置，并且，所述底壁上开设有初级等离子体喷射通道，用以将所述初级等离子体喷射至所述下壳体中。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的等离子炬，其特征在于，所述上壳体中沿所述阳极的两侧设置有绝缘层，且所述绝缘层延伸至所述下壳体中。

6.根据权利要求5所述的等离子炬，其特征在于，所述下壳体包括：两端开口的内筒和两端开口的外筒；其中，

所述外筒套设于所述内筒，且二者之间形成底部密封的环形空腔，所述线圈绕设于所述内筒的外壁，并且，所述内筒的外壁位于所述线圈的上方处设置有所述绝缘层。

7.根据权利要求6所述的等离子炬，其特征在于，所述上壳体的侧壁和所述绝缘层上对应穿设有若干第一进气管；所述下壳体的内筒、外筒及位于所述内筒外部的所述绝缘层上对应穿设有若干第二进气管；所述第一进气管和所述第二进气管均与所述水循环系统中的水蒸气出口连通。

8.根据权利要求6所述的等离子炬，其特征在于，还包括：冷却水管路；其中，所述冷却水管路设置在所述下壳体中，且与所述水循环系统连通，用以对下壳体进行冷却并向所述水循环系统输送换热后的冷却水和水蒸气。

9.根据权利要求8所述的等离子炬，其特征在于，所述冷却水管路包括：内层环形管和外层环形管；其中，

所述外层环形管套设于所述内层环形管，二者之间形成封闭的环形通道，且所述线圈绕设于所述内层环形管的外壁；

所述外层环形管的进水口与所述下壳体的外筒一侧的进水管的出口连通，并且，所述外层环形管靠近所述进水管的端部设置有第一挡板，用以阻挡所述进水管与所述内层环形管直接连通，以使冷却水依次流经所述外层环形管和所述内层环形管后排出；

所述内层环形管的出水口与所述下壳体的外筒另一侧的出水管的进口连通，并且，所述外层环形管靠近所述出水管的端部设置有第二挡板，用以阻止所述出水管与所述外层环形管直接连通，以使冷却水从所述内层环形管中流出。

10.根据权利要求8所述的等离子炬，其特征在于，所述水循环系统包括：储水箱和水蒸气发生器；其中，

所述储水箱上开设有冷却水进口及冷却水出口，所述储水箱的冷却水进口与所述冷却水管路的出口连通，所述储水箱的冷却水出口与所述冷却水管路的进口连通；

所述水蒸气发生器上开设有若干水蒸气出口，用以分别与所述上壳体和所述下壳体连通，所述水蒸气发生器的进口与所述冷却水管路的出口连通。

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