CN216146499U - 水冷式等离子体炬头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水冷式等离子体炬头，属于等离子体炬技术领域。该等离子体炬头将阴极套管内壁与外螺线导向管外壁之间的内螺线流道和直线通道连通构成内冷却流道，在阴极套管的外壁与外套管的内壁之间沿螺线导向件的螺线方向形成外冷却流道。该螺线形式的流道设计，能够使热交换时间延长，让冷却介质可以带走更多发射极产生的热量；对电极内部和外部都进行冷却，增大了热交换的面积，突出了增大热交换面积对电极的热量耗散；螺线角度的不同，可以让流体介质流动阻力产生变化，延长和减缓热交换的时间。

Description

水冷式等离子体炬头

技术领域

本实用新型涉及一种水冷式等离子体炬头，属于等离子体炬技术领域。

背景技术

等离子体炬是通过电弧来产生高温气体，可在氧化、还原或惰性环境下工作，为气化、裂解、反应、熔融和冶炼等各种功能的工业炉提供热源的装置。

发明专利号CN111565878A中记载了一种用于等离子电弧炬头，激光切割头或等离子激光切割头的喷嘴，结构组成如图1所示。

等离子炬头总成表示为1，由喷嘴2、电极3、气体引导单元4、喷嘴帽5、喷嘴保护帽6、二次气体引导单元7和炬本体8组成。工作流程简单概述如下：等离子气体PG如图1箭头所示方向，依次通过炬本体8、喷嘴2与气体引导单元4形成的孔或槽，喷嘴2和电极3间形成的间隙。等离子气体在电极3和喷嘴2之间流动，在电极3和喷嘴2之间施加高电压，电极3和喷嘴2就具有了不同的电位，电极3和喷嘴2之间就会产生电弧，电弧使等离子气体电离。电极3和喷嘴2之间高电压又能点燃电弧，此电弧为引导电弧。引导电弧通过喷嘴帽5和喷嘴保护帽6撞击工件，并使到工件的距离离子化。因此，电弧又在电极和工件之间形成，该电弧称为主电弧。主电弧燃烧时，引导电弧也可能燃烧。在引导电弧和主电弧燃烧的过程中，等离子炬头1会产生大量的热载荷，特别是电极3极易烧蚀。所以需要对等离子炬头进行冷却，尤其是电极3的冷却。如图1所示，该现有技术设计了沿WV进入、WR流出的冷却流道。按如图1的箭头所示，冷却流体由炬本体8流入喷嘴2和喷嘴帽5之间形成的流道，再由喷嘴2和喷嘴帽5之间的通道流入炬本体8的流道，最后流出炬本体进行冷却。图1中编号31为电极嵌件。

发明专利号CN106465529B中记载了一种空气冷却式等离子炬及其部件，结构组成如图2。

为了改进切割操作开始时的引弧，此发明专利描述了一种用空气冷却等离子切割炬，其优化了等离子切割炬的主射流长度，减少了喷嘴保护气体因喷射而形成的涡流，消除了喷嘴孔处的突发气体膨胀等性能，延长了等离子炬的耐用性。空气冷却式等离子炬概述如下，等离子炬头部总体表示为300，电极305通过螺纹连接方式与阴极本体203相连，涡流环311由隔离器209固定轴心，由喷嘴313固定轴向自由度，喷嘴313又由帽组件217压紧，帽315与帽组件通过螺纹连接。

系统启动工作时，电极305前端平面与喷嘴313内壁面接触，产生电弧，此时阴极本体203往后移动，电极305前端面和喷嘴313内壁分离，形成一定间隙，这就是电极305的冷却气体的通道。冷却气体由涡流环311进入电极305和涡流环311构成的气体通道，流向电极305与喷嘴313内壁面形成的冷却流道，最后通过喷嘴313前端的小孔流出等离子炬头，流通的气体对电极305和喷嘴313起到降温冷却的作用，从而保护了电极305和喷嘴313。图2中编号209为隔离器、217a为帽组件、217b为帽组件、217c为帽组件、315为帽、319为气流端口。

根据发明专利号CN111565878A的描述，对于图1所示的等离子炬头的冷却有以下缺点：电极3上的头部温度载荷最为集中，特别是嵌件31的温度相当高，可能高达上万度，因此，电极3的冷却就极为重要，特别是电极头部嵌件31周围的冷却最为关键。由图可看出对电极3头部没有冷却流道的设计，对嵌件31周围也没有设计冷却流道，所以此设计的电极头寿命不长。

发明专利号CN106465529B描述的空气冷却方式，对低温等离子体炬头能起到很好的保护作用，延长了电极的使用寿命。但对几千度，上万度高温的等离子体炬电极，冷却的效果就不是理想的冷却方式了。

由前面的描述可以清楚的知道，等离子体炬在运行的过程中，电极的寿命是影响等离子体炬使用时间的关键因素，因此延长电极的使用寿命至关重要。设计出良好冷却结构的问题是当前技术人员需要重点解决的问题，特别是电极的冷却结构设计的合理与优化，能够延长等离子体炬的使用寿命，减缓设备更换的周期，减少设备停机时间。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种水冷式等离子体炬头，其采用了对电极内部和外部进行水冷的方式来冷却电极头，能够有效的保护等离子体炬的电极，有效延长电极的使用寿命。

本实用新型的技术方案是：

一种水冷式等离子体炬头，包括发射极，还包括同轴设置的外螺线导向管、阴极套管、螺线导向件和外套管，所述外螺线导向管内部开设有贯穿轴向的直线通道；所述阴极套管的底部向内凹进形成阴极套管凹槽，所述发射极压设固定于该凹槽内形成阴极头；

其中阴极套管面密封式同轴套设于所述外螺线导向管的外壁上，使阴极套管的内壁与外螺线导向管外壁之间沿外螺线导向管上的螺线方向形成内螺线流道，该内螺线流道与所述直线通道连通形成内冷却流道；

其中螺线导向件同轴套设于所述阴极套管的外壁上，外套管同轴套设于所述螺线导向件的外壁上，且阴极套管和外套管的顶部之间及底部之间面均分别密封式连接，使阴极套管的外壁与外套管的内壁之间沿螺线导向件的螺线方向形成外冷却流道。

优选的，所述外螺线导向管的底部向内凹进形成有与所述阴极套管凹槽相匹配的外螺线导向管凹槽，所述内冷却流道上对应所述阴极套管凹槽与所述外螺线导向管凹槽之间处形成内流道转向部。

优选的，所述阴极套管的套口处与所述外螺线导向管相接面处接触压紧密封连接，或通过套设第一密封垫密封连接。

优选的，所述外套管的套口处与所述阴极套管的套口相接面处接触压紧密封连接，或通过套设第二密封垫密封连接。

优选的，所述阴极套管底部周面形成第一连接斜面，所述外套管的底部对应该第一连接斜面处形成第二连接斜面，该第二连接斜面与第一连接斜面相接触处设有第三密封垫。

优选的，所述第一连接斜面与水平面间的角度为45°～60°。

优选的，所述外套管的顶端周侧开设有与外冷却流道连通的第一水口，且外套管的第二连接斜面上开设有与外冷却流道连通的第二水口，该第一、二水口构成外冷却流道的进、出水口。

优选的，所述阴极套管的顶端周侧开设有与内冷却流道连通的第三水口，且所述直线通道的顶端形成第四水口，该第三、四水口构成内冷却流道的进、出水口。

优选的，所述外螺线导向管上的螺线与水平面之间的角度为30°～60°。

优选的，所述螺线导向件的螺线与水平面之间的角度为30°～60°。

与现有技术相比，本申请采用内外螺旋的冷却流道进行冷却具有以下几方面的优点：

首先对阴极内部进行了冷却，采用螺线方式进行流道设计，与直进直出的方式比较，增加了冷却介质和管壁的接触时间，也就是延长了冷却介质和壁面进行热交换的时间，同样多的冷却介质流量可以带走更多的热量。

其次冷却通道处于阴极套管的内部和外部，发射极产生的热量可以在更大的表面进行热交换，因而在相同时间内，本申请所述的结构对阴极的冷却比现有技术能带走更多热量。

再者，本申请中内流道转向部的设计方式，可以让冷却介质围绕发射极的形状流动，进一步减少发射极的热量聚集。

最后，本申请中角度A、角度B和角度C的设计可以让冷却介质在流动过程中的流动阻力产生变化，让冷却介质在流动时减小或增大阻力，减短或增长热交换的时间。

综上，本申请技术方案能够更加有效的保护等离子体炬的电极，有效延长电极的使用寿命。

附图说明

图1是背景技术CN111565878A中所述炬头的结构示意图；

图2是背景技术CN106465529B中所述炬头的结构示意图；

图3是本实用新型等离子体炬头的结构示意图；

图4是本实用新型等离子体炬头的流道结构示意图；

图5是本实用新型等离子体炬头的立体结构示意图；

图6是本实用新型外螺线导向管的结构示意图；

图7是本实用新型螺线导向件和外套管配合后的结构示意图；

图8是本实用新型阴极套管的结构示意图；

以下编号仅对应本申请技术方案中各零部件的名称，并不用于表示背景技术提到的技术方案中涉及部件的名称：

1、外螺线导向管；11、直线通道；12、外冷却流道；13、外螺线导向管凹槽；14、第四水口；

2、阴极套管；21、阴极套管凹槽；22、内冷却流道；23、内螺线流道；24、内流道转向部；25、第一连接斜面；26、第三水口；

3、螺线导向件；

4、外套管；41、第二连接斜面；42、第一水口；43、第二水口；

5、发射极；

6、第一密封垫；

7、第二密封垫；

8、第三密封垫。

具体实施方式

为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述，以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

本具体实施例详细记载了一种水冷式等离子体炬头，该等离子体炬头包括同轴设置的外螺线导向管1、阴极套管2、螺线导向件3、外套管4和发射极5。

外螺线导向管1的内部开设有贯穿轴向的直线通道11，且该外螺线导向管1的外侧周壁上形成有螺线，该螺线与水平面之间夹角A的角度为30°～60°。

阴极套管2的底部向内凹进形成阴极套管凹槽21，发射极5压设固定于该凹槽内形成阴极头。此外，阴极套管2采用绝缘体材料成型，或用其他材料成型后在内外表面涂覆绝缘材料，同时不管采用上述哪种材料，都必须要求材料具有优异的导热性能。

上述的阴极套管2面密封式同轴套设于外螺线导向管1的外壁上，使阴极套管的内壁与外螺线导向管外壁之间沿外螺线导向管上的螺线方向形成内螺线流道23，该内螺线流道与前述的直线通道11连通形成内冷却流道22。其中阴极套管与外螺线导向管面密封式固定连接的方式为：阴极套管2的套口处与外螺线导向管1相接面处使两个面直接接触压紧密封连接，或通过套设第一密封垫6后压紧实现密封连接。且，外螺线导向管与阴极套管之间的连接也可以直接采用螺纹连接的方式进行。此外，阴极套管2的顶端周侧开设有与内冷却流道连通的第三水口26，且直线通道11的顶端形成第四水口14，该第三、四水口构成内冷却流道的进、出水口。

此外，外螺线导向管1的底部向内凹进形成有与阴极套管凹槽21相匹配的外螺线导向管凹槽13，内冷却流道22上对应阴极套管凹槽21与外螺线导向管凹槽13之间处形成内流道转向部24。

该内冷却流道内冷却介质流动路线如下：冷却介质由阴极套管上的第三水口26流入内螺线流道23，再沿内螺线流道23流向内流道转向部24，最后经由直线通道11上部的第四水口14流出。或者相反的，调换内冷却流道的进水口和出水口方向，原来的出水口作为冷却流道的进水口，原来的冷却流道的进水口作为出水口，冷却介质的流向与前述流向刚好相反。图2只表示了上述的正向流动方式。其中冷却介质可以是冷却水，也可以是其他能够用于冷却的液体介质。

上述的螺线导向件3同轴套设于阴极套管2的外壁上，使螺线导向件的内壁面紧贴阴极套管的外壁面；上述的外套管4同轴套设于螺线导向件3的外壁上，使螺线导向件的外壁面紧贴外套管的内壁面；其中螺线导向件3的螺线与水平面之间夹角B的角度为30°～60°。

阴极套管2和外套管4的顶部之间及底部之间面均分别密封式连接，使阴极套管的外壁与外套管的内壁之间沿螺线导向件的螺线方向形成外冷却流道12。具体的，阴极套管和外套管顶部之间面密封式固定连接的方式为：外套管4的套口处与阴极套管2的套口相接面处接触压紧密封连接，或通过套设第二密封垫7后压紧密封连接。且，阴极套管和外套管之间也可以采用螺纹连接的方式进行连接。阴极套管和外套管底部之间面密封式固定连接的方式为：阴极套管2底部周面形成第一连接斜面25，该第一连接斜面25与水平面间夹角C的角度为45°～60°，外套管4的底部对应该第一连接斜面处形成第二连接斜面41，该第二连接斜面与第一连接斜面相接触处设有第三密封垫8。

外套管4的顶端周侧开设有与外冷却流道连通的第一水口42，且外套管4的第二连接斜面41上开设有与外冷却流道连通的第二水口43，该第一、二水口构成外冷却流道的进、出水口。

该外冷却流道内冷却介质流动路线如下：冷却介质由外套管上的第三水口42进入外冷却流道12后沿螺线往图示的下方流动，最后由外套管上的第四水口流出。或者调换进水口和出水口的方向，原来的出水口作为冷却流道的进水口，原来的进水口作为冷却流道的出水口，冷却介质的流向与前述流向刚好相反。其中冷却介质可以是冷却水，也可以是其他能够用于冷却的液体介质。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，并不用于限制本实用新型，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技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种水冷式等离子体炬头，包括发射极(5)，其特征在于：还包括同轴设置的外螺线导向管(1)、阴极套管(2)、螺线导向件(3)和外套管(4)，所述外螺线导向管(1)内部开设有贯穿轴向的直线通道(11)；所述阴极套管(2)的底部向内凹进形成阴极套管凹槽(21)，所述发射极(5)压设固定于该凹槽内形成阴极头；

其中阴极套管(2)面密封式同轴套设于所述外螺线导向管(1)的外壁上，使阴极套管的内壁与外螺线导向管外壁之间沿外螺线导向管上的螺线方向形成内螺线流道(23)，该内螺线流道与所述直线通道(11)连通形成内冷却流道(22)；

其中螺线导向件(3)同轴套设于所述阴极套管(2)的外壁上，外套管(4)同轴套设于所述螺线导向件(3)的外壁上，且阴极套管和外套管的顶部之间及底部之间面均分别密封式连接，使阴极套管的外壁与外套管的内壁之间沿螺线导向件的螺线方向形成外冷却流道(12)。

2.根据权利要求1所述的水冷式等离子体炬头，其特征在于：所述外螺线导向管(1)的底部向内凹进形成有与所述阴极套管凹槽(21)相匹配的外螺线导向管凹槽(13)，所述内冷却流道(22)上对应所述阴极套管凹槽(21)与所述外螺线导向管凹槽(13)之间处形成内流道转向部(24)。

3.根据权利要求1所述的水冷式等离子体炬头，其特征在于：所述阴极套管(2)的套口处与所述外螺线导向管(1)相接面处接触压紧密封连接，或通过套设第一密封垫(6)密封连接。

4.根据权利要求1所述的水冷式等离子体炬头，其特征在于：所述外套管(4)的套口处与所述阴极套管(2)的套口相接面处接触压紧密封连接，或通过套设第二密封垫(7)密封连接。

5.根据权利要求1所述的水冷式等离子体炬头，其特征在于：所述阴极套管(2)底部周面形成第一连接斜面(25)，所述外套管(4)的底部对应该第一连接斜面处形成第二连接斜面(41)，该第二连接斜面与第一连接斜面相接触处设有第三密封垫(8)。

6.根据权利要求5所述的水冷式等离子体炬头，其特征在于：所述第一连接斜面(25)与水平面间的角度为45°～60°。

7.根据权利要求5所述的水冷式等离子体炬头，其特征在于：所述外套管(4)的顶端周侧开设有与外冷却流道连通的第一水口(42)，且外套管(4)的第二连接斜面(41)上开设有与外冷却流道连通的第二水口(43)，该第一、二水口构成外冷却流道的进、出水口。

8.根据权利要求1所述的水冷式等离子体炬头，其特征在于：所述阴极套管(2)的顶端周侧开设有与内冷却流道连通的第三水口(26)，且所述直线通道(11)的顶端形成第四水口(14)，该第三、四水口构成内冷却流道的进、出水口。

9.根据权利要求1所述的水冷式等离子体炬头，其特征在于：所述外螺线导向管(1)上的螺线与水平面之间的角度为30°～60°。

10.根据权利要求1所述的水冷式等离子体炬头，其特征在于：所述螺线导向件(3)的螺线与水平面之间的角度为30°～60°。

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