CN220368841U - 一种等离子体火炬 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种等离子体火炬，包括保护壳，以及设置在保护壳内壁上的第一电极和第二电极，所述第二电极的一侧设有第一吹气口，另一侧设有第二吹气口，所述第一吹气口和所述第二吹气口均切向设置在所述保护壳的内侧壁上，以使吹入所述保护壳的气体沿所述保护壳的内侧壁旋转，且所述第一吹气口和所述第二吹气口均向所述第二电极一侧倾斜，所述第一吹气口和所述第二吹气口在周向上的朝向相同，以使吹入所述保护壳的气体的在周向上的旋转方向相同，所述等离子体火炬还包括用于分别控制所述第一吹气口和第二吹气口进气量的流量控制组件。所述方案可以使电极上的各个位置被电弧均匀烧蚀，从而延长电极的使用寿命。

Description

一种等离子体火炬

技术领域

本实用新型涉及等离子体火炬技术领域，尤其是涉及一种使用寿命长的等离子体火炬。

背景技术

等离子体火炬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，可以为气化、裂解、反应、熔融和冶炼等各种功能的工业炉提供热源。现有的等离子体火炬由于产生的电弧与电极的接触位置相对固定，电弧会在该接触位置对电极产生持续的烧蚀作用，从而使电极的该位置被严重烧蚀，缩短了电极的使用寿命，需要经常更换电极。

实用新型内容

本实用新型为了克服现有技术中电弧会在特定位置对电极产生持续的烧蚀作用，从而使电极的该位置被严重烧蚀，缩短了电极的使用寿命的不足，提供一种等离子体火炬，可以使电极上的各个位置被电弧均匀烧蚀，从而延长电极的使用寿命。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种等离子体火炬，包括一端开口设置的保护壳，以及设置在保护壳内壁上的第一电极和第二电极，所述第一电极设置在靠近所述保护壳开口端的一侧，所述第二电极设置在远离所述保护壳开口端的一侧，所述第二电极的一侧设有第一吹气口，另一侧设有第二吹气口，所述第一吹气口和所述第二吹气口均切向设置在所述保护壳的内侧壁上，以使吹入所述保护壳的气体沿所述保护壳的内侧壁旋转，且所述第一吹气口和所述第二吹气口均向所述第二电极一侧倾斜，所述第一吹气口和所述第二吹气口在周向上的朝向相同，以使吹入所述保护壳的气体的在周向上的旋转方向相同，所述等离子体火炬还包括用于分别控制所述第一吹气口和第二吹气口进气量的流量控制组件。

上述技术方案中，第一电极和第二电极通电后，高电压会击穿保护壳内的气体，形成一个稳定的电弧，对气体进行电离加热，第一电极和第二电极之间的空间形成电弧室。所述第一吹气口和所述第二吹气口均切向设置在所述保护壳的内侧壁上，以使喷入所述保护壳的气体沿所述保护壳的内侧壁旋转，形成气体保护层，同时使电弧保持在靠近保护壳轴线的位置，防止电弧产生的高温度过快向保护壳的内壁传递，有利于防止电弧室的壁面过热，喷入所述保护壳的气体最终通过保护壳开口端排出离子体火炬。所述第一吹气口和所述第二吹气口均向所述第二电极一侧倾斜，可以使所述第一吹气口和所述第二吹气口吹入保护壳内的气体在第二电极的内壁上交汇，流量控制组件可以控制所述第一吹气口和第二吹气口进气量，从而控制交会位置在第二电极上的轴向位置，所述交会位置即是所述电弧与第二电极的接触位置，使弧电压保持稳定的同时，可以通过控制交会位置沿保护壳的轴线往复移动，使第二电极上的各个位置被电弧均匀烧蚀，从而延长电极的使用寿命。

作为优选，所述流量控制组件为自动分流阀，所述自动分流阀包括一个进气口两个出气口，所述第一吹气口和所述第二吹气口分别通过管路连通所述自动分流阀的两个出气口。所述自动分流阀可以根据需要自动控制所述第一吹气口和所述第二吹气口的进气量，从而控制两股气体在所述第二电极上的交会位置。

作为优选，所述流量控制组件包括第一流量控制阀和第二流量控制阀，所述第一吹气口与第一流量调节阀通过管路连通，所述第二吹气口与第二流量调节阀通过管路连通。所述第一流量控制阀和第二流量控制阀可以根据需要分别控制所述第一吹气口和所述第二吹气口的进气量，从而控制两股气体在所述第二电极上的交会位置。

作为优选，所述保护壳内设有第一环形气腔，所述第一环形气腔上设有第一进气口，所述第一进气口与所述流量控制组件通过管路连通，所述第一吹气口设置在第一环形气腔的内侧且与所述第一环形气腔连通；和/或，所述保护壳内设有第二环形气腔，所述第二环形气腔上设有第二进气口，所述第二进气口与流量控制组件通过管路连通，所述第二吹气口设置在第二环形气腔的内侧且与所述第二环形气腔连通。

上述技术方案可以利用所述第一环形气腔和所述第二环形气腔内不断通入的气体对所述保护壳进行冷却，使等离子体火炬的温度不至于过高。

作为优选，所述第一进气口的数量为多个，多个第一进气口周向间隔设置在第一环形气腔内侧；和/或，所述第二进气口的数量为多个，多个第二进气口周向间隔设置在第二环形气腔内侧。

上述技术方案中，多个第一进气口和多个第二进气口可以使吹入保护壳内的气体更加均匀，气体的旋转效果更好，从而形成更加均匀的气体保护层，保护壳内的进气量也可以得到提升。

作为优选，所述保护壳的内壁设置上设有第一导气环槽，所述第一吹气口设置在第一导气环槽内；和/或，所述保护壳的内壁上设有第二导气环槽，所述第二吹气口设置在第二导气环槽内。

上述技术方案中，所述第一导气环槽和所述第二导气环槽可以对刚吹入所述保护壳内的气体进行导向，使气体更好地形成环绕效果。

作为优选，所述保护壳内设有第三环形气腔，所述第三环形气腔上设有第三进气口，所述第三环形气腔的内侧周向间隔设置有若干个第三吹气口，第三吹气口与第三环形气腔连通，所述第三吹气口设置在所述第一电极与第二电极之间，所述第三吹气口切向设置在所述保护壳的内侧壁上，以使吹入所述保护壳的气体沿所述保护壳的内侧壁旋转；所述保护壳的内壁上设有第三导气环槽，所述第三吹气口设置在第三导气环槽内；所述第三环形气腔的数量为多个，多个第三环形气腔沿保护壳的轴向间隔设置。

上述技术方案中，可以利用所述第三环形气腔内不断通入的气体对所述保护壳进行冷却，使等离子体火炬的温度不至于过高。第三导气环槽可以对刚吹入所述保护壳内的气体进行导向，使气体更好地形成环绕效果。多个第三吹气口可以使吹入保护壳内的气体更加均匀，气体的旋转效果更好，从而形成更加均匀的气体保护层，保护壳内的进气量也可以得到提升。

作为优选，所述第一电极设置成拉瓦尔喷管结构，以使通过第一电极的气体被加速喷出，所述第一电极包括依次连通的收缩段、约束段和扩张段。

上述技术方案中，气体在电弧室内旋转向出口方向流动，电弧沿轴线的中心温度可以到5000—7000K，工作气体在电弧的过渡段和湍流段迅速分解为碳粉和氢气，并迅速到达第一电极，在第一电极的收缩段中心的气体流速达到亚音速，再经过具有拉瓦尔喷管结构的位置，可以使气流达到超音速，在高速气流的作用下，将在电弧室内分解的碳粉颗粒带出等离子体火炬。

作为优选，所述保护壳内设有第四环形气腔，所述第四环形气腔设置在所述第一电极外侧，所述第四环形气腔上设有若干个第四吹气口，所述第四吹气口连通所述第四环形气腔和所述约束段的内侧。

上述技术方案中，通过所述第四环形气腔的气体可以对第一电极外侧的位置进行冷却，冷却气体最终进入保护壳与保护壳内的气体一起喷出保护壳。

作为优选，所述第四吹气口向保护壳的开口端一侧倾斜。所述方案可以使吹出第四吹气口的气体向保护壳的开口端方向吹出。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的剖视图。

图中：喷气口201、保护壳210、第一环形气腔211、第一进气口212、第二环形气腔213、第二进气口214、第一导气环槽215、第一导向斜口2151、第二导气环槽216、第二导向斜2161、第三环形气腔217、第三进气口218、第四环形气腔219、第一电极220、第二电极230、收缩段231、约束段232、扩张段233、台阶结构234、第一吹气口240、第二吹气口250、第三吹气口260、第四吹气口270、第四进气口280、磁场感应线圈290。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的描述。

实施例1：

如图1和图2所示，一种等离子体火炬，包括一端开口设置的保护壳210，以及设置在保护壳210内壁上的第一电极220和第二电极230，所述第一电极220设置在靠近所述保护壳210开口端的一侧，所述第二电极230设置在远离所述保护壳210开口端的一侧，所述第二电极230的一侧设有第一吹气口240，另一侧设有第二吹气口250，所述第一吹气口240和所述第二吹气口250均切向设置在所述保护壳210的内侧壁上，以使吹入所述保护壳210的气体沿所述保护壳210的内侧壁旋转，且所述第一吹气口240和所述第二吹气口250均向所述第二电极230一侧倾斜，所述第一吹气口240和所述第二吹气口250在周向上的朝向相同，以使吹入所述保护壳210的气体的在周向上的旋转方向相同，所述等离子体火炬还包括用于分别控制所述第一吹气口240和第二吹气口250进气量的流量控制组件。

上述技术方案中，所述第一电极220为环状结构，所述第二电极230为环状结构。所述保护壳210开口端的设有喷气口201，以将内部的高温气体喷出。所述第一电极220和所述第二电极230的极性相反，在本实施例中，所述第一电极220为阳极，所述第二电极230为阴极。第一电极220和第二电极230通电后，高电压会击穿保护壳210内的气体，形成一个稳定的电弧，对气体进行电离加热，第一电极220和第二电极230之间的空间形成电弧室。所述第一吹气口240和所述第二吹气口250均切向设置在所述保护壳210的内侧壁上，以使喷入所述保护壳210的气体沿所述保护壳210的内侧壁旋转，形成气体保护层，同时使电弧保持在靠近保护壳210轴线的位置，防止电弧产生的高温度过快向保护壳210的内壁传递，有利于防止电弧室的壁面过热，喷入所述保护壳210的气体最终通过保护壳210开口端排出离子体火炬200。所述第一吹气口240和所述第二吹气口250均向所述第二电极230一侧倾斜，可以使所述第一吹气口240和所述第二吹气口250吹入保护壳210内的气体在第二电极230的内壁上交汇，流量控制组件可以控制所述第一吹气口240和第二吹气口250进气量，从而控制交会位置在第二电极230上的轴向位置，所述交会位置即是所述电弧与第二电极230的接触位置，使弧电压保持稳定的同时，可以通过控制交会位置沿保护壳210的轴线往复移动，使第二电极230上的各个位置被电弧均匀烧蚀，从而延长电极的使用寿命。所述保护壳210有绝缘材料制成。

优选的，所述保护壳210内设有第一环形气腔211，所述第一环形气腔211上设有第一进气口212，所述第一进气口212与所述流量控制组件通过管路连通，所述第一进气口212的数量为多个，多个第一进气口212周向间隔设置在第一环形气腔211内侧且与所述第一环形气腔211连通；所述保护壳210内设有第二环形气腔213，所述第二环形气腔213上设有第二进气口214，所述第二进气口214与流量控制组件通过管路连通，所述第二进气口214的数量为多个，多个第二进气口214周向间隔设置在第二环形气腔213内侧且与所述第二环形气腔213连通。

上述技术方案可以利用所述第一环形气腔211和所述第二环形气腔213内不断通入的气体对所述保护壳210进行冷却，使等离子体火炬的温度不至于过高。多个第一进气口212和多个第二进气口214可以使吹入保护壳210内的气体更加均匀，气体的旋转效果更好，从而形成更加均匀的气体保护层，保护壳210内的进气量也可以得到提升。

优选的，所述保护壳210的内壁设置上设有第一导气环槽215，所述第一吹气口240设置在第一导气环槽215内；和/或，所述保护壳210的内壁上设有第二导气环槽216，所述第二吹气口250设置在第二导气环槽216内。所述第一导气环槽215和所述第二导气环槽216可以对刚吹入所述保护壳210内的气体进行导向，使气体更好地形成环绕效果。所述第一导气环槽215朝向第二电极230的一侧设有第一导向斜口2151，所述第二导气环槽216朝向第二电极230的一侧设有第二导向斜口2161。所述第一导向斜口2151和所述第二导向斜2161口可以使第一导气环槽215和第二导气环槽216吹入的气体在阴极的内壁上交汇。

优选的，所述保护壳210内设有第三环形气腔217，所述第三环形气腔217上设有第三进气口218，所述第三环形气腔217的内侧周向间隔设置有若干个第三吹气口260，第三吹气口260与第三环形气腔217连通，所述第三吹气口260设置在所述第一电极220与第二电极230之间，所述第三吹气口260切向设置在所述保护壳210的内侧壁上，以使吹入所述保护壳210的气体沿所述保护壳210的内侧壁旋转。优选的，所述保护壳210的内壁上设有第三导气环槽，所述第三吹气口260设置在第三导气环槽内。优选的，所述第三环形气腔217的数量为多个，多个第三环形气腔217沿保护壳210的轴向间隔设置。

上述技术方案中，可以利用所述第三环形气腔217内不断通入的气体对所述保护壳210进行冷却，使等离子体火炬的温度不至于过高。第三导气环槽可以对刚吹入所述保护壳210内的气体进行导向，使气体更好地形成环绕效果。多个第三吹气口260可以使吹入保护壳210内的气体更加均匀，气体的旋转效果更好，从而形成更加均匀的气体保护层，保护壳210内的进气量也可以得到提升。

本实施例中，所述第一电极220设置成拉瓦尔喷管结构，以使通过第一电极220的气体被加速喷出，所述第一电极220包括依次连通的收缩段231、约束段232和扩张段233。

上述技术方案中，气体在电弧室内旋转向出口方向流动，电弧沿轴线的中心温度可以到5000—7000K，工作气体在电弧的过渡段和湍流段迅速分解为碳粉和氢气，并迅速到达第一电极220，在第一电极220的收缩段231中心的气体流速达到亚音速，再经过具有拉瓦尔喷管结构的位置，可以使气流达到超音速，在高速气流的作用下，将在电弧室内分解的碳粉颗粒带出等离子体火炬。

优选的，所述约束段232和扩张段233之间设有台阶结构244，以使所述第一电极220的内径从约束段232向扩张段233突变。上述技术方案中，突变的台阶结构244可以使气流在台阶结构244附近位置形成湍流区，重新分布气流的速度和温度，使气流更加均匀。

本实施例中，所述保护壳210内设有第四环形气腔219，所述第四环形气腔219设置在所述第一电极220外侧，所述第四环形气腔219上设有若干个第四吹气口270，所述第四吹气口270连通所述第四环形气腔219和所述约束段232的内侧。所述第四吹气口270向保护壳210的开口端一侧倾斜，使吹出第四吹气口270的气体向保护壳210的开口端方向吹出。

上述技术方案中，通过所述第四环形气腔219的气体可以对第一电极220外侧的位置进行冷却，冷却气体最终进入保护壳210与保护壳210内的气体一起喷出保护壳210。

优选的，所述扩张段233的外侧设有磁场感应线圈290，所述磁场感应线圈290用于对第一电极220内的气体施加轴向交变磁场。所述方案通过施加交变磁场对第一电极220内的等离子体产生影响，使第一电极220的弧斑产生有规则的往复运动，避免第一电极220上的弧斑长期落在某一点上烧蚀，可以极大的延长第一电极220的使用寿命。所述弧斑是指电弧与电极的接触位置。所述轴向是指保护壳的轴线方向，即气体的喷出方向。

可以理解的，在另一个实施例中，所述第一电极220为阴极，所述第二电极230为阳极。所述保护壳210的内层为绝缘材质制造的绝缘层。

实施例2：

如图1和图2所示，一种等离子体火炬电弧位置调节方法，基于实施例1中所述的一种等离子体火炬，包括以下步骤：

步骤100：通过第一吹气口240和第二吹气口250将气体吹入保护壳210内，使吹入所述保护壳210的气体沿所述保护壳210的内侧壁周向旋转，气体沿所述保护壳210的内侧壁周向旋转的同时逐渐向保护壳210的轴线方向移动并从保护壳210的端口喷出等离子体火炬；

步骤200：通过第一电极220和第二电极230释放高电压，利用高电压击穿所述保护壳210内的气体，产生高压电弧，产生高压电弧电离并加热气体，使气体发生裂解；

步骤300：通过流量控制组件调节进入第一吹气口240和第二吹气口250的气体的流量，在一个调节周期内，使第一吹气口240的气体流量先减少后增加，并使第二吹气口250的气体流量先增加后减少，以使从第一吹气口240和第二吹气口250的远离气体的交汇中心面沿第二电极230的轴线往复移动。

上述技术方案中，所述第一吹气口240和所述第二吹气口250均切向设置在所述保护壳210的内侧壁上，以使喷入所述保护壳210的气体沿所述保护壳210的内侧壁旋转，形成气体保护层，同时使电弧保持在靠近保护壳210轴线的位置，防止电弧产生的高温度过快向保护壳210的内壁传递，有利于防止电弧室的壁面过热，喷入所述保护壳210的气体最终通过保护壳210开口端排出离子体火炬200。所述第一吹气口240和所述第二吹气口250均向所述第二电极230一侧倾斜，可以使所述第一吹气口240和所述第二吹气口250吹入保护壳210内的气体在第二电极230的内壁上交汇，流量控制组件可以控制所述第一吹气口240和第二吹气口250进气量，从而控制交会位置在第二电极230上的轴向位置，所述交会位置即是所述电弧与第二电极230的接触位置，使弧电压保持稳定的同时，可以通过控制交会位置沿保护壳210的轴线往复移动，使第二电极230上的各个位置被电弧均匀烧蚀，从而延长电极的使用寿命。

优选地，在步骤300中，在一个调节周期内，所述第一吹气口240的流量和第二吹气口250的流量之和保持不变。上述技术方案可以保证进入保护壳210的气体的总量不变。

可以理解的，在一个实施例中，所述流量控制组件为自动分流阀，所述自动分流阀包括一个进气口两个出气口，所述第一进气口212和所述第二进气口214分别通过管路连通所述自动分流阀的两个主出气口。所述自动分流阀可以根据需要自动控制所述第一吹气口240和所述第二吹气口250的进气量，从而控制两股气体在所述第二电极230上的交会位置。

可以理解的，在另一个实施例中，所述流量控制组件包括第一流量控制阀和第二流量控制阀，所述第一进气口212与第一流量调节阀通过管路连通，所述第二进气口214与第二流量调节阀通过管路连通。所述第一流量控制阀和第二流量控制阀可以根据需要分别控制所述第一吹气口240和所述第二吹气口250的进气量，从而控制两股气体在所述第二电极230上的交会位置。

Claims (10)

1.一种等离子体火炬，包括一端开口设置的保护壳，以及设置在保护壳内壁上的第一电极和第二电极，所述第一电极设置在靠近所述保护壳开口端的一侧，所述第二电极设置在远离所述保护壳开口端的一侧，其特征是，所述第二电极的一侧设有第一吹气口，另一侧设有第二吹气口，所述第一吹气口和所述第二吹气口均切向设置在所述保护壳的内侧壁上，以使吹入所述保护壳的气体沿所述保护壳的内侧壁旋转，且所述第一吹气口和所述第二吹气口均向所述第二电极一侧倾斜，所述第一吹气口和所述第二吹气口在周向上的朝向相同，以使吹入所述保护壳的气体的在周向上的旋转方向相同，所述等离子体火炬还包括用于分别控制所述第一吹气口和第二吹气口进气量的流量控制组件。

2.根据权利要求1所述的一种等离子体火炬，其特征是，所述流量控制组件为自动分流阀，所述自动分流阀包括一个进气口两个出气口，所述第一吹气口和所述第二吹气口分别通过管路连通所述自动分流阀的两个主出气口。

3.根据权利要求1所述的一种等离子体火炬，其特征是，所述流量控制组件包括第一流量控制阀和第二流量控制阀，所述第一吹气口与第一流量调节阀通过管路连通，所述第二吹气口与第二流量调节阀通过管路连通。

4.根据权利要求1所述的一种等离子体火炬，其特征是，所述保护壳内设有第一环形气腔，所述第一环形气腔上设有第一进气口，所述第一进气口与所述流量控制组件通过管路连通，所述第一吹气口设置在第一环形气腔的内侧且与所述第一环形气腔连通；和/或，所述保护壳内设有第二环形气腔，所述第二环形气腔上设有第二进气口，所述第二进气口与流量控制组件通过管路连通，所述第二吹气口设置在第二环形气腔的内侧且与所述第二环形气腔连通。

5.根据权利要求4所述的一种等离子体火炬，其特征是，所述第一进气口的数量为多个，多个第一进气口周向间隔设置在第一环形气腔内侧；和/或，所述第二进气口的数量为多个，多个第二进气口周向间隔设置在第二环形气腔内侧。

6.根据权利要求1所述的一种等离子体火炬，其特征是，所述保护壳的内壁设置上设有第一导气环槽，所述第一吹气口设置在第一导气环槽内；和/或，所述保护壳的内壁上设有第二导气环槽，所述第二吹气口设置在第二导气环槽内。

7.根据权利要求1至6任一项所述的一种等离子体火炬，其特征是，所述保护壳内设有第三环形气腔，所述第三环形气腔上设有第三进气口，所述第三环形气腔的内侧周向间隔设置有若干个第三吹气口，第三吹气口与第三环形气腔连通，所述第三吹气口设置在所述第一电极与第二电极之间，所述第三吹气口切向设置在所述保护壳的内侧壁上，以使吹入所述保护壳的气体沿所述保护壳的内侧壁旋转；所述保护壳的内壁上设有第三导气环槽，所述第三吹气口设置在第三导气环槽内；所述第三环形气腔的数量为多个，多个第三环形气腔沿保护壳的轴向间隔设置。

8.根据权利要求1至6任一项所述的一种等离子体火炬，其特征是，所述第一电极设置成拉瓦尔喷管结构，以使通过第一电极的气体被加速喷出，所述第一电极包括依次连通的收缩段、约束段和扩张段。

9.根据权利要求8所述的一种等离子体火炬，其特征是，所述保护壳内设有第四环形气腔，所述第四环形气腔设置在所述第一电极外侧，所述第四环形气腔上设有若干个第四吹气口，所述第四吹气口连通所述第四环形气腔和所述约束段的内侧。

10.根据权利要求9所述的一种等离子体火炬，其特征是，所述第四吹气口向保护壳的开口端一侧倾斜。