RU45888U1

RU45888U1 - PLASMATRON

Info

Publication number: RU45888U1
Application number: RU2004138676/22U
Authority: RU
Inventors: В.А. Герасимов; В.А. Достовалов
Original assignee: Герасимов Владимир Александрович; Достовалов Виктор Александрович
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2005-05-27

Abstract

Полезная модель может быть использована в процессах плазменной обработки материалов в быту или в качестве запального устройства установок для сжигания высоковязких видов жидкого топлива. Задача: уменьшение размеров и веса плазматрона и обеспечение его работоспособности при питании двухфазным электрическим током напряжением 220 в. Сущность: плазматрон, содержащий вращатель дуги и, подключенные к источнику тока, анод, снабженный плазмовыводящим каналом, и катод, полость которого связана с источником газа, соосный аноду и размещенный в его полости, отличается тем, что анод выполнен в виде стакана, в днище которого выполнен плазмовыводящий канал, при этом внутренняя полость анода на участке примыкающем к днищу выполнена в виде конфузорного струеформирующего сопла а внешняя поверхность анода снабжена оребрением, причем в полости анода зафиксирован изолятор, трубчатой формы, в полости которого зафиксирован, катод, выполненный в виде трубы, конец которой, обращенный к плазмовыводящему каналу перекрыт перемычкой и ему придана форма конгруэнтная внутренней поверхности конфузорного струеформирующего сопла, при этом, вращатель дуги выполнен в виде сквозных газовыпускных каналов в стенках катода, продольные оси которых тангенциальны продольной оси катода и направлены в сторону плазмовыводящего канала, кроме того, выпускные отверстия сквозных газовыпускных каналов, размещены в кольцевом зазоре между анодом и катодом. Кроме того, конец катода перекрытый перемычкой из металла, соответствующего металлу катода, и снабжен вставкой из металла с высокой электронной эмиссией, например, циркония, размещенной соосно с продольной остью катода. Кроме того, выпускная часть плазмовыводящего канала, выполнена увеличенным диаметром. 2 з.п. ф-лы. 1 илл.The utility model can be used in the processes of plasma processing of materials in everyday life or as an ignition device for installations for burning highly viscous types of liquid fuel. Task: reducing the size and weight of the plasmatron and ensuring its operability when powered by a 220-volt two-phase electric current. Essence: a plasmatron containing an arc rotator and connected to a current source, an anode equipped with a plasma output channel, and a cathode whose cavity is connected to a gas source, coaxial to the anode and placed in its cavity, characterized in that the anode is made in the form of a glass, in the bottom of which a plasma-conducting channel is made, wherein the inner cavity of the anode in the area adjacent to the bottom is made in the form of a confuser jet-forming nozzle and the outer surface of the anode is equipped with fins, and an insulator tubular is fixed in the anode cavity the shape in the cavity of which is fixed, the cathode made in the form of a pipe, the end of which facing the plasma output channel is blocked by a jumper and shaped to be congruent to the inner surface of the confuser jet forming nozzle, while the arc rotator is made in the form of through gas outlet channels in the cathode walls, longitudinal the axes of which are tangential to the longitudinal axis of the cathode and are directed toward the plasma outlet channel, in addition, the outlet openings of the through gas outlet channels are placed in the annular gap between the ano th and the cathode. In addition, the end of the cathode is covered by a jumper of metal corresponding to the metal of the cathode, and is equipped with an insert of metal with high electron emission, for example, zirconium, placed coaxially with the longitudinal spine of the cathode. In addition, the outlet part of the plasma output channel is made with an increased diameter. 2 s.p. f-ly. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к конструкциям плазмотронов и может быть использована в процессах плазменной обработки материалов в бытовых условиях или в качестве запального устройства установок предназначенных для сжигания высоковязких видов жидкого топлива, при использовании электрического тока напряжением 220 в.The utility model relates to plasmatron designs and can be used in plasma processing of materials in domestic conditions or as an ignition device for installations designed to burn highly viscous types of liquid fuel, using an electric current of 220 V.

Известен плазматрон, выполненный по схеме линейного плазматрона, с комбинированной стабилизацией дуги газовым вихрем и магнитным полем, содержащий последовательно установленные трубчатые электроды и охватывающие их катушки, подключенные к источникам переменного тока одинаковой частоты, при этом катушки включены встречно, а фаза питающего напряжения сдвинута, с обеспечением вращения дуги в одну сторону (см. пат. США №4219726, МКИ Н 05 В 7/18, 1979).Known plasmatron, made according to the linear plasmatron scheme, with combined arc stabilization by a gas vortex and a magnetic field, containing sequentially installed tubular electrodes and enveloping coils connected to alternating current sources of the same frequency, while the coils are turned on and the phase of the supply voltage is shifted, s ensuring the rotation of the arc in one direction (see US Pat. No. 4219726, MKI N 05 B 7/18, 1979).

Недостаток этого решения невозможность его использования в бытовых условиях, при питании двухфазным электрическим током напряжением 220 в (оно рассчитано на мощности до 2500 квт). Достаточно большие массогабаритные характеристики.The disadvantage of this solution is the impossibility of its use in domestic conditions, when powered by a two-phase electric current of 220 V (it is designed for power up to 2500 kW). Sufficiently large weight and size characteristics.

Известен также плазматрон содержащий подключенные к источнику тока анод, снабженный плазмовыводящим каналом, и катод, полость которого связана с источником газа, соосный аноду и размещенный в его полости, (см. пат. ФРГ №2913464, МКИ Н 05 Н 1/26, 1980).Also known is a plasmatron containing an anode connected to a current source, equipped with a plasma output channel, and a cathode, the cavity of which is connected to a gas source, coaxial to the anode and placed in its cavity (see US Pat. FRG No. 2913464, MKI N 05 N 1/26, 1980 )

Недостаток этого решения невозможность его использования в бытовых условиях, при питании двухфазным электрическим током напряжением 220 в (оно рассчитано на получение плазменной струи с температурой до 20000 К и давлением до 20 кг/см²). Достаточно большие массогабаритные характеристики.The disadvantage of this solution is the impossibility of its use in domestic conditions, when supplied with a two-phase electric current of 220 V (it is designed to receive a plasma jet with a temperature of up to 20,000 K and a pressure of up to 20 kg / cm ² ). Sufficiently large weight and size characteristics.

Задачей на решение которой направлена полезная модель является уменьшение размеров и веса плазматрона и обеспечение его работоспособности при питании двухфазным электрическим током напряжением 220 в.The task to which the utility model is directed is to reduce the size and weight of the plasmatron and to ensure its operability when powered by a 220 V two-phase electric current.

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи выражается в обеспечении возможности миниатюризации плазматрона, отказе от специализированных водоподводящих систем охлаждения, при сохранении работоспособности плазматрона. Кроме того, минимизируется энергопотребление плазматрона, обеспечивается возможность упрощения и облегчения конструкции инструмента и возможность его реализации, как ручного инструмента, который можно эффективно использовать в быту или условиях малого бизнеса.The technical result obtained when solving the problem is expressed in providing the possibility of miniaturization of the plasmatron, the rejection of specialized water-supply cooling systems, while maintaining the performance of the plasmatron. In addition, the power consumption of the plasmatron is minimized, it is possible to simplify and facilitate the design of the tool and the possibility of its implementation as a hand tool that can be effectively used in everyday life or in small business conditions.

Поставленная задача решается тем, что плазматрон, содержащий вращатель дуги и, подключенные к источнику тока, анод, снабженный плазмовыводящим каналом, и катод, полость которого связана с источником газа, соосный аноду и размещенный в его полости, отличается тем, что анод выполнен в виде стакана, в днище которого выполнен плазмовыводящий канал, при этом внутренняя полость анода на участке примыкающем к днищу выполнена в виде конфузорного струеформирующего сопла а внешняя поверхность анода снабжена оребрением, причем в полости анода зафиксирован изолятор, трубчатой формы, в полости которого зафиксирован, катод, выполненный в виде трубы, конец которой, обращенный к плазмовыводящему каналу перекрыт перемычкой и ему придана форма конгруэнтная внутренней поверхности конфузорного струеформирующего сопла, при этом, вращатель дуги выполнен в виде сквозных газовыпускных каналов в стенках катода, продольные оси которых тангенциальны продольной оси катода и направлены в сторону плазмовыводящего канала, кроме того, выпускные отверстия сквозных газовыпускных каналов, размещены в кольцевом зазоре между анодом и катодом. Кроме того, конец катода перекрытый перемычкой из металла, соответствующего металлу катода, и снабжен вставкой из металла с высокой электронной эмиссией, например, циркония, размещенной соосно с продольной остью катода. Кроме того, выпускная часть плазмовыводящего канала, выполнена увеличенным диаметром.The problem is solved in that the plasmatron containing an arc rotator and connected to a current source, an anode equipped with a plasma output channel, and a cathode whose cavity is connected to a gas source, coaxial to the anode and placed in its cavity, differs in that the anode is made in the form glass, in the bottom of which a plasma-output channel is made, while the inner cavity of the anode in the area adjacent to the bottom is made in the form of a confuser jet-forming nozzle and the outer surface of the anode is equipped with finning, moreover, in the anode cavity an insulator is insulated, of a tubular shape in the cavity of which is fixed, a cathode made in the form of a pipe, the end of which facing the plasma output channel is blocked by a jumper and shaped to be congruent to the inner surface of the confuser jet forming nozzle, while the arc rotator is made in the form of through gas outlet channels the walls of the cathode, the longitudinal axis of which is tangential to the longitudinal axis of the cathode and directed towards the plasma outlet channel, in addition, the outlet openings of the through gas outlet channels are located the annular gap between the anode and the cathode. In addition, the end of the cathode is covered by a jumper of metal corresponding to the metal of the cathode, and is equipped with an insert of metal with high electron emission, for example, zirconium, placed coaxially with the longitudinal spine of the cathode. In addition, the outlet part of the plasma output channel is made with an increased diameter.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".A comparative analysis of the features of the claimed solution with the signs of the prototype and analogues indicates the conformity of the claimed solution to the criterion of "novelty."

Совокупность признаков, формулы полезной модели обеспечивают уменьшение размеров и веса плазмотрона и обеспечивают его работоспособность при питании двухфазным электрическим током напряжением 220 в.The combination of features, utility model formulas provide a reduction in the size and weight of the plasma torch and ensure its performance when powered by a 220-volt two-phase electric current.

На фиг.1 показан разрез по продольной оси устройства.Figure 1 shows a section along the longitudinal axis of the device.

На чертежах показаны анод 1 и катод 2, подключенные к источнику тока 3, источник газа 4, плазмовыводящий канал 5 анода 1, полость 6 катода 2, струеформирующее сопло 7, изолятор 8, выступ 9 на внутренней поверхности анода 1, буртик 10, выполненный на внешней стороне свободного конца катода 2, и противоположный конец катода 2, перекрытый перемычкой 11 и имеющий коническую форму. Показаны также вращатель дуги, выполненный в виде размещенных на равных расстояниях друг от друга, по окружности сечения катода, сквозных газовыпускных каналов 12 в стенках катода, продольные оси 13 которых размещены тангенциально продольной оси 14 катода и направлены в сторону плазмовыводящего канала 5, причем выпускная часть 15 плазмовыводящего канала 5 выполнена диаметром большим, чем остальная его часть. Кроме того, показаны выпускные отверстия 16 сквозных газовыпускных каналов 12, которые размещены в зазоре 17 между цилиндрическими участками внутренней поверхности анода и внешней поверхности катода. Кроме того, показано, что катод подпружинен относительно анода (например, пружиной, сжатия 18, один конец которой закреплен на корпусе 19, выполненном из диэлектрика, например керамики, углепласта или другой термостойкой пластмассы, а другой подпирает катод). Целесообразно чтобы катод был составным по длине, с креплением токоподводящей шины к задней части катода, тогда, процесс замены катода заключался бы только в замене передней его части и не потребуется отключение-подключение токоподводящей шины. Кроме того, показаны вставка 20 из металла с высокой электронной эмиссией, например, циркония, The drawings show the anode 1 and cathode 2 connected to a current source 3, a gas source 4, a plasma outlet channel 5 of anode 1, a cavity 6 of the cathode 2, a jet forming nozzle 7, an insulator 8, a protrusion 9 on the inner surface of the anode 1, a bead 10 made on the outer side of the free end of the cathode 2, and the opposite end of the cathode 2, overlapped by a jumper 11 and having a conical shape. The arc rotator is also shown, made in the form of cathode sections arranged at equal distances from each other, through the gas outlet channels 12 in the cathode walls, the longitudinal axes 13 of which are located tangentially to the longitudinal axis 14 of the cathode and are directed towards the plasma output channel 5, with the outlet part 15 plasma output channel 5 is made with a diameter larger than the rest of it. In addition, the outlet openings 16 of the through gas outlet channels 12 are shown, which are located in the gap 17 between the cylindrical sections of the inner surface of the anode and the outer surface of the cathode. In addition, it is shown that the cathode is spring-loaded relative to the anode (for example, by a spring, compression 18, one end of which is mounted on a housing 19 made of a dielectric, such as ceramic, carbon fiber or other heat-resistant plastic, and the other supports the cathode). It is advisable that the cathode be integral in length, with the current-conducting busbar fastened to the back of the cathode, then the cathode replacement process would consist only in replacing the front part of the cathode and disconnecting and connecting the current-conducting bus would not be required. In addition, an insert 20 of high electron emission metal, for example zirconium, is shown.

размещенной соосно с продольной остью катода и ребра 21 на внешней поверхности анода, плазменный шнур 22, вихревой поток воздуха 23.placed coaxially with the longitudinal spine of the cathode and ribs 21 on the outer surface of the anode, a plasma cord 22, a vortex air stream 23.

Анод 1 и катод 2 выполнены из металла с высокой теплопроводностью (меди). Изолятор 8, выполнен из диэлектрика (керамики) и имеет трубчатую форму. Он вставлен в полость анода до упора в выступ 9 на внутренней стороне анода 1. Толщина изолятора 8 обеспечивает наличие зазора 17 между цилиндрическими участками внутренней поверхности анода 1 и внешней поверхности катода 2. Катод вставлен в полость изолятора до упора буртиком 10, в свободный торец изолятора 8. Зазоры между анодом и изолятором, изолятором и катодом минимизированы, для обеспечения соосности названных деталей. В качестве источника тока 3 целесообразно использовать стабилизатор тока известной конструкции, подключаемый в бытовую сеть на 220 в. В качестве источника газа 4, используют вентилятор, производительности которого достаточно для создания напора порядка 100 мм водяного столба или выше, в зависимости от рабочих параметров установки в который работает плазмотрон.Anode 1 and cathode 2 are made of metal with high thermal conductivity (copper). The insulator 8 is made of a dielectric (ceramic) and has a tubular shape. It is inserted into the anode cavity until it stops in a protrusion 9 on the inner side of the anode 1. The thickness of the insulator 8 provides a gap 17 between the cylindrical sections of the inner surface of the anode 1 and the outer surface of the cathode 2. The cathode is inserted into the cavity of the insulator until it stops with a shoulder 10, in the free end of the insulator 8. The gaps between the anode and the insulator, the insulator and the cathode are minimized to ensure alignment of these parts. As a current source 3, it is advisable to use a current stabilizer of known design, connected to a household network of 220 V. As a gas source 4, a fan is used, the capacity of which is sufficient to create a pressure of the order of 100 mm of water column or higher, depending on the operating parameters of the installation in which the plasmatron operates.

Заявленное устройство работает следующим образом. Включают в работу источник газа 4, после чего включают в работу источник тока 3. Струя воздуха проходит по полости 6 катода 2 и проходя через сквозные газовыпускные каналы 12, попадает в зазор 17 между цилиндрическими участками внутренней поверхности анода и внешней поверхности катода (тангенциально продольной оси 14 катода 2 и, соответственно, этого зазора). В результате этого происходит закручивание подаваемого в полость анода воздуха из которого формируется спирально закрученный вихревой слой движущийся в сторону плазмовыводящего канала 5. В результате включения источника тока формируется плазменный шнур 22 (дуговой разряд) между вставкой 20 и выпускной частью 15 плазмовыводящего канала 5. Этот плазменный шнур увлекаемый спирально закрученным воздушным потоком движется вместе с ним в сторону плазмовыводящего канала 5, как газоплазменный поток со стабильной структурой (в виде плазменного шнура The claimed device operates as follows. Turn on the gas source 4, and then turn on the current source 3. The air stream passes through the cavity 6 of the cathode 2 and passes through the through gas outlet channels 12, enters the gap 17 between the cylindrical sections of the inner surface of the anode and the outer surface of the cathode (tangentially longitudinal axis 14 of cathode 2 and, accordingly, this gap). As a result of this, the air supplied to the cavity of the anode is twisted from which a spirally swirling vortex layer is formed moving towards the plasma output channel 5. As a result of switching on the current source, a plasma cord 22 (arc discharge) is formed between the insert 20 and the discharge part 15 of the plasma output channel 5. This plasma the cord carried away by a spiral-wound air flow moves with it towards the plasma output channel 5, as a gas-plasma stream with a stable structure (in the form of a plasma cheers

окруженного вихревой воздушной рубашкой). Проходя через струеформирующее (конфузорное) сопло 7 газоплазменный поток плавное обжимается из-за действия поверхности сопла и, одновременно, «работы» вихревой воздушной рубашки. После прохода плазмовыводящего канала 5, при попадании на выпускную его часть 15, из-за резкого увеличения сечения потока, часть объема плазменного шнура «прорывает» воздушную рубашку и замыкается на поверхность выпускной части 15 плазмовыводящего канала 5. Однако, поскольку вихревая составляющая воздушной рубашки продолжает «работать», контактное пятно плазменного шнура и анода все время перемещается по окружности выпускной части 15 плазмовыводящего канала. Оставшаяся часть плазменного шнура вырывается за торец анода в виде плазменного факела 24, длина и плотность которого регулируются изменением силы тока на источнике тока 3. Этот плазменный факел используется для решения технико-технологических задач, для которых предназначена установка, в составе которой смонтирован плазмотрон.surrounded by a swirling air jacket). Passing through the jet-forming (confuser) nozzle 7, the gas-plasma flow is smoothly crimped due to the action of the nozzle surface and, at the same time, the “work” of the vortex air jacket. After the passage of the plasma outlet channel 5, when it enters the outlet part 15, due to a sharp increase in the flow cross section, part of the plasma cord volume “breaks through” the air jacket and closes to the surface of the outlet part 15 of the plasma outlet channel 5. However, since the vortex component of the air jacket continues "Work", the contact spot of the plasma cord and the anode is constantly moving around the circumference of the outlet part 15 of the plasma output channel. The remainder of the plasma cord breaks out behind the end of the anode in the form of a plasma torch 24, the length and density of which is regulated by changing the current strength at the current source 3. This plasma torch is used to solve technical and technological problems for which the installation, in which the plasma torch is mounted, is designed.

Claims

1. A plasmatron containing an arc rotator and connected to a current source, an anode equipped with a plasma output channel, and a cathode whose cavity is connected to a gas source, coaxial to the anode and placed in its cavity, characterized in that the anode is made in the form of a glass, in the bottom of which a plasma-conducting channel is made, wherein the inner cavity of the anode in the area adjacent to the bottom is made in the form of a confuser jet-forming nozzle, and the outer surface of the anode is equipped with fins, and a tubular shaped insulator is fixed in the anode cavity s, in the cavity of which a cathode is fixed, made in the form of a pipe, the end of which, facing the plasma-output channel, is blocked by a jumper and shaped to form congruent to the inner surface of the confuser jet-forming nozzle, while the arc rotator is made in the form of through gas outlet channels in the cathode walls , the longitudinal axis of which is tangential to the longitudinal axis of the cathode and directed towards the plasma outlet channel, in addition, the outlet openings of the through gas outlet channels are placed in the annular gap between the anode and cathode.

2. The plasmatron according to claim 1, characterized in that the end of the cathode is closed by a jumper of metal corresponding to the metal of the cathode, and is equipped with an insert of metal with high electron emission, for example, zirconium, placed coaxially with the longitudinal spine of the cathode.

3. The plasmatron according to claim 1, characterized in that the outlet of the plasma output channel is made with an increased diameter.