一种大功率长寿命等离子发生装置及方法

摘要

本发明公开了一种具有较高使用寿命和输出功率的等离子发生装置。该大功率长寿命等离子发生装置，包括：阴极、阳极、高压脉冲激发器和直流电源，所述直流电源的正负极分别与阳极和所述阴极导通，所述高压脉冲激发器与所述阴极和所述阳极连接，所述阴极和阳极布置于同一轴心线上，且两者之间留有间隙，形成第一路载体风通道，所述阴极与所述阳极为两端开口的直筒状，两者内部空腔的直径相等，贯通形成第二路载体风通道。本发明还提供了一种使用本发明提供的大功率长寿命等离子发生装置生成等离子体的方法。

权利要求

1.一种大功率长寿命等离子发生装置，包括：阴极（1）、阳极（2）、高压脉冲激发器（3）和直流电源（4），所述直流电源（4）的正负极分别与阳极（2）和所述阴极（1）导通，所述高压脉冲激发器（3）与所述阴极（1）和所述阳极（2）连接，所述阴极（1）和阳极（2）布置于同一轴心线上，且两者之间留有间隙，形成第一路载体风（5）通道，其特征在于，所述阴极（1）与所述阳极（2）均为两端开口的等内经直筒状，两者内部空腔的直径相等，贯通形成第二路载体风（6）通道。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阴极（1）和阳极（2）的长度为200～

1500mm，厚度为5-20mm，内部空腔直径为40～200mm。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：连接有扫描电源的扫描式电磁线圈组（7，8），所述扫描式电磁线圈组（7，8）环绕在所述阳极（2）以及阴极（1）的外部，用于在通电状态下产生移动的电磁场控制等离子体在阴极（1）和阳极（2）内部空腔的表面运动。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述扫描式电磁线圈组（7，8）由多个相互分离的电磁线圈组成。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述扫描式电磁线圈组（7，8）中的电磁线圈数量为1-10个，单个电磁线圈匝数为100～300，长度为15～200，采用紫铜绕成。

6.如权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括：冷却系统（9），所述冷却系统（9）覆盖在所述阳极（2）和阴极（1）的外壁，所述扫描式电磁线圈组（7，8）位于所述冷却系统（9）中。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述冷却系统（9）为分别覆盖在阳极（2）和阴极（1）外壁的充满冷却水的水套管，所述扫描式电磁线圈组（7，8）位于所述水套管的冷却水中；

所述直流电源（4）的负极接在所述阴极（1）外部的水套管的外壁，所述直流电源（4）的正极接在所述阳极（2）外部的水套管的外壁，通过所述水套管分别与阴极（1）和阳极（2）导通。

8.如权利要求1-7任一项所述的装置，其特征在于，所述阳极（2）和阴极（1）采用Cu、Cr、Ti或Zr材料制成。

9.一种采用权利要求1-8任一项所述的大功率长寿命等离子发生装置的等离子体发生方法，其特征在于，包括：通过高压脉冲激发器产生电弧，启动直流电源，向阳极和阴极之间的间隙通入第一路载体风，在直筒状阳极和阴极内部空腔的表面形成等离子弧，向所述直筒状的阳极和阴极贯通的内部空腔输入第二路载体风，将所产生的等离子弧从所述阳极的喷嘴输出。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：

在形成等离子弧后，依次给所述阴极和阳极外部的扫描式电磁线圈组中各分离的电磁线圈通电和断电，在阴极和阳极的内部空腔中产生移动的扫描式电磁场，控制等离子体在阴极和阳极的内部空腔表面运动。

说明书

一种大功率长寿命等离子发生装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及等离子体应用领域，尤其涉及一种大功率长寿命等离子发生装置及方法。

背景技术

[0002] 目前，在科学技术和工业领域应用较多的电弧等离子体发生器又称电弧等离子体炬，或称等离子体喷枪，有时也称电弧加热器。它是一种能够产生定向等离子体射流的放电装置，已在等离子体化工、冶金、喷涂、喷焊、火力电站煤粉点火和稳燃、机械加工和气动热模拟实验等领域中得到广泛应用。工业上应用的电弧等离子体炬的主要技术指标是功率、效率和连续使用寿命。一般其输出功率范围为50-200kW，效率较高(约为50％～90％)，使用寿命受电极寿命限制。由于电极受活性工作气（氧、氯、空气）的侵蚀，目前等离子体发生器的连续寿命一般不超过200小时。

[0003] 现有的等离子体发生器阳极常采用喇叭状喷嘴，在起弧后，等离子体经过喷嘴前部的喉口压缩后，到达喇叭状喷嘴时快速喷出，这种结构会导致阳极斑点集中在喇叭口的内表面与喷口末端的交界面上，由于交界面的表面积小，尽管采用空气或水等介质对整个阳极进行冷却，但由于电流密度较大，很难避免对阳极喷嘴端面的烧蚀，这也是国内外等离子体发生器的阳极寿命一般在200小时以下的缘故。另外，这种阳极采用喇叭状喷嘴的结构，会使得阴极和阳极腔内等离子体的流场发生畸变，而使得漩涡场受到破坏，受到破坏的涡旋气流对等离子体的压缩不够，也会进一步加重对阳极的烧蚀，同时也降低了喷嘴喷出的等离子体的输出功率。

[0004] 阳极的寿命与阳极斑点对阳极内表面的烧蚀速率密切相关，对于阳极的局部烧蚀，会导致整个阳极的寿命缩短。虽然现有的等离子体发生器中可以通过第一路风和第二路风之间配合来调节阳极的烧蚀范围，但由于两路风的精确调节比较复杂和困难，难以做到精确控制，过高或过低的气体压力都会影响到阳极的烧蚀位置，因此这种方法不能很好提升等离子体发生器的整体使用寿命。

发明内容

[0005] 本发明实施例提供了一种大功率长寿命等离子发生装置及方法，用以解决现有等离子体发生装置使用寿命较短，输出功率不高的问题。

[0006] 本发明实施例提供的大功率长寿命等离子发生装置，包括：阴极、阳极、高压脉冲激发器和直流电源，所述直流电源的正负极分别与阳极和所述阴极导通，所述高压脉冲激发器与所述阴极和所述阳极连接，所述阴极和阳极布置于同一轴心线上，且两者之间留有间隙，形成第一路载体风通道，所述阴极与所述阳极均为两端开口的等内经直筒状，两者内部空腔的直径相等，贯通形成第二路载体风通道。

[0007] 较佳地，所述阴极和阳极的长度为200～1500mm，厚度为5-20mm，内部空腔直径为40～200mm。

[0008] 进一步地，本发明实施例提供的大功率长寿命等离子发生装置，还包括：连接有扫描电源的扫描式电磁线圈组，所述扫描式电磁线圈组环绕在所述阳极以及阴极的外部，用于在通电状态下在通电状态下产生移动的电磁场控制等离子体在阴极和阳极的内部空腔表面运动。

[0009] 进一步地，所述扫描式电磁线圈组由多个相互分离的电磁线圈组成。

[0010] 具体地，所述电磁线圈组中的电磁线圈数量为1-10个，单个电磁线圈匝数为100～300，长度为15～200，采用紫铜绕成。

[0011] 进一步地，本发明实施例提供的大功率长寿命等离子发生装置，还包括：冷却系统，所述冷却系统覆盖在所述阳极和阴极的外壁，所述扫描式电磁线圈组位于所述冷却系统中。

[0012] 较佳地，所述冷却系统为分别覆盖在阳极和阴极外壁的充满冷却水的水套管，所述扫描式电磁线圈组位于所述水套管的冷却水中；

[0013] 所述直流电源的负极接在所述阴极外部的水套管的外壁，所述直流电源的正极接在所述阳极外部的水套管的外壁，通过所述水套管分别与阴极和阳极导通。

[0014] 较佳地，所述阳极和阴极采用Cu、Cr、Ti或Zr材料制成。

[0015] 本发明实施例提供的使用本发明实施例提供的大功率长寿命等离子发生装置的等离子体发生方法，包括下述步骤：

[0016] 通过高压脉冲激发器产生电弧，启动直流电源，向阳极和阴极之间的间隙通入第一路载体风，在直筒状阳极和阴极内部空腔表面形成等离子弧，向所述直筒状的阳极和阴极贯通的内部空腔输入第二路载体风，将所产生的等离子弧从所述阳极的喷嘴输出。

[0017] 较佳地，该方法还包括下述步骤：在形成等离子弧后，依次给所述阴极和阳极外部的扫描式电磁线圈组中各分离的电磁线圈通电，在阴极和阳极的内部空腔内产生移动的扫描式线圈磁场，控制等离子体在阴极和阳极的内部空腔表面运动。

[0018] 本发明实施例的有益效果包括：

[0019] 本发明实施例提供的大功率长寿命等离子发生装置及方法，阴极和阳极采用相同的内径的直筒状结构，等离子体在阴极和阳极之间输运时不会由于阳极内径的缩小而导致等离子体流场畸变导致气流对等离子体的压缩程度降低，大幅度提高等离子气流的流量和速度，使等离子弧长更长，输出电压更高，提高了等离子体的输出功率，同时用于采用这种结构，还能够降低等离子体在阳极内部的电流密度，使得等离子弧在阳极表面的烧蚀点分布更均匀，大幅提高了等离子体发生装置的使用寿命。

[0020] 更近一步地，本发明实施例提供的大功率长寿命等离子发生装置及方法，在阴极和阳极的外部环绕有水冷的扫描式电磁线圈组，在阳极和阴极内部空腔中产生高速移动的电磁场，在稳定等离子体的同时更进一步降低了对阴极和阳极的烧蚀。更进一步提高了等离子体发生装置的使用寿命以及输出功率。

附图说明

[0021] 图1为本发明实施例提供的大功率长寿命等离子发生装置的结构示意图。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图，对本发明实施例提供的一种大功率长寿命等离子发生装置的具体实施方式进行详细地说明。

[0023] 本发明实施例提供的大功率长寿命等离子发生装置的结构如图1所示，该结构与传统的等离子体发生器的结构类似之处在于：包括阴极1、阳极2、高压脉冲激发器3和直流电源4，其中，该等离子体发生装置的直流电源4的正负极分别与阳极1和阴极2导通，高压脉冲激发器3与阴极1和阳极2连接，阴极1和阳极2布置于同一轴心线上，且两者之间留有间隙，形成第一路载体风5的通道，而不同于传统等离子体发生器的阳极所采用的喇叭状喷嘴，本发明实施例提供的等离子体发生装置对阴极1和阳极2的具体结构进行了改进，阳极2不采用传统的喇叭状喷嘴的结构，而采用两端开口的直筒状，阴极1也采用同样的结构，并且阴极1和阳极2的内部空腔的直径相等，相互贯通形成第二路载体风6的通道。

[0024] 本发明实施例提供的大功率长寿命等离子发生装置中，阴极1和阳极2之间留有一定的空隙，该空隙的大小的取值范围一般为1-3mm。

[0025] 阴极1和阳极2都采用直筒状，筒壁的厚度为5-20mm，内部空腔直径为40～200mm，长度为200～1500mm。

[0026] 阴极1和阳极2可采用Cu、Cr、Ti或Zr等材料制成。

[0027] 较佳地，本发明实施例提供的大功率长寿命等离子发生装置，还包括：连接有扫描电源的扫描式电磁线圈组，扫描式电磁线圈组环绕在阳极以及阴极的外部，用于在通电状态下产生移动的电磁场控制等离子体在阴极和阳极内部空腔的表面运动。如图1所示，阴极的外部环绕有扫描式电磁线圈7，阴极的外部环绕有扫描式电磁线圈8。

[0028] 具体来说，上述扫描式电磁线圈组7和扫描式电磁线圈组8，由多个相互分离的电磁线圈组成，通过扫描电源依次对各个电磁线圈进行通电和断电，可在阴极1和阳极2的内部空腔中形成不断移动的扫描式电磁场。

[0029] 在阳极2外部的电磁线圈组8中，电磁线圈的数量为1-10个，单个电磁线圈的匝数为100～300，长度为15～200，可采用紫铜绕成。在阴极外部的电磁线圈组7的结构与电磁线圈组8的具体结构相同，在此不再赘述。

[0030] 本发明实施例提供的大功率长寿命等离子发生装置中，还包括：冷却系统9，该冷却系统覆盖在阴极1和阳极2的外壁，其中分别放置有扫描式电磁线圈组7和电磁线圈组8。

[0031] 较佳地，冷却系统9为分别覆盖在阳极和阴极外壁的充满冷却水的水套管，扫描式电磁线圈组位于水套管的冷却水中。

[0032] 具体来说，如图1所示，阴极1外壁的水套管包括冷水进水口10，阴极1外部的扫描式电磁线圈组7浸入冷却水中，冷却水经过循环后从出水口11引出，直流电源4的负极接在阴极水套管外壁上。

[0033] 阳极2外壁的水套管包括冷水进水口12，阳极2外部的扫描式电磁线圈组8浸入冷却水中，冷却水经过循环后从出水口13引出，直流电源4的正极接在阳极水套管外壁上。

[0034] 本发明实施例提供的上述大功率长寿命等离子发生装置，在启动时，分别启动外部的供气和供水系统，确定气体气体压力和水路压力满足要求。在工作时，接通高压脉冲激发器，击穿阴极1和阳极2端部之间的空隙从而产生电弧，同时接通直流电源4，在第一路载体风5的输送下，电弧进入阴极1和阳极2内部空腔的表面，第一路载体风5的主要作用是将间隙中的电弧在引弧时吹出，防止烧伤阴极1和阳极2形成间隙的两个端面。在直流电源的作用下产生强烈的电弧放电而形成高温等离子体。

[0035] 从阴极的一端通入第二路载体风6（涡旋气流）向阳极高速运动，高温等离子体在第一路载体风5和第二路载体风6的共同作用下，被高速“挤出”阳极2的喷嘴，形成高温等离子炬。

[0036] 由于阴极1和阳极2都采用等内径直筒状结构，增大了阳极的内径，加长了阳极长度，提高了阳极的内表面积，使得等离子体在阳极内部的电流密度降低到了现有技术中采用喇叭口形阳极的十分之一以下，在这种条件下当等离子发生器功率增加到MW级时，阳极的寿命仍然可以提高到现有阳极寿命的5倍左右，也即是达到600小时以上。并且，由于阴极1和阳极2内腔直径一致，避免了传统等离子发生器内部空腔变径所带来的等离子体流场畸变使涡旋场受到破坏，涡旋气流对等离子的压缩不够导致阴阳极严重烧蚀的问题，进一步提高了阴极和阳极的使用寿命，同时也由于气流对等离子体的压缩效果较好，输出功率较高，使得阳极喷嘴外部的等离子炬长度较长，等离子炬温度较高，燃烧效果较好。

[0037] 并且，由于阴极1的外部有通水冷却的扫描式电磁线圈组7，阳极2外部有通水冷却的扫描式电磁线圈组8，通过扫描电源依次给扫描式电磁线圈组7和扫描式电磁线圈组8中每个线圈进行通电与断电，从而在阴极1和阳极2内部空腔的表面形成快速移动的磁场，在磁场的拉动下，阴极1电弧的弧根可分离为更细小的斑点并且随磁场快速移动，不但降低了阴极表面局部区域瞬间的电流密度，同时烧蚀面更加均匀，由此可以在阴极上加更高的电流，从而进一步提高了等离子的输出功率。

[0038] 以几个具体的实施例来说明本发明实施例提供的上述大功率长寿命等离子发生装置的技术效果：

[0039] 实施例1：

[0040] 在实施例1的等离子体发生装置中，阴阳极内部空腔直径为50mm，阴极长度为500mm，阳极长度为400mm。在第一路载体风压P1=0.5MPa，第二路载体风风压P2=0.2MPa，直流电源输出电流1000A，输出电压700V，输出功率为700kW，扫描线圈电流输出为10A的条件下，在阴极和阳极内表面产生强度为50-60高斯均匀分布的磁场。等离子火炬长度为
500mm，经600小时运行后，阳极表面基本完好，内表面烧蚀深度小于1mm，预计使用寿命在
1000小时以上。

[0041] 实施例2：

[0042] 在实施例1的等离子体发生装置中，在阴阳极内部空腔直径为40mm，阴极长度为800mm，阳极长度为1000mm。在第一路载体风风压P1=0.7MPa，第二路载体风风压P2=0.4MPa的条件下，设定直流电源输出电流1000A，输出电压800V，输出功率为800kW，扫描线圈电流输出为10A的条件下，在阴极和阳极内表面产生强度为50-60高斯均匀分布的磁场。等离子火炬长度为600mm，经600小时运行后，阳极表面基本完好，内表面烧蚀深度小于1mm。预计使用寿命在1000小时以上。

[0043] 实施例3：

[0044] 在实施例3的等离子体发生装置中，在阴阳极内部空腔直径为80mm，阴极长度为1000mm，阳极长度为1000mm，第一路载体风风压P1=0.7MPa，第二路载体风风压P2=0.4MPa，在设定直流电源输出电流1500A，输出电压800V，输出功率为1200kW，扫描线圈电流输出为
10A的条件下，在阴极和阳极内表面产生强度为50-60高斯均匀分布的磁场，等离子火炬长度为600mm，经600小时运行后，阳极表面基本完好，内表面烧蚀深度小于1mm。预计使用寿命在1000小时以上。

[0045] 本发明实施例还提供了一种大功率长寿命等离子发生方法，该方法使用本发明实施例提供的上述大功率长寿命等离子发生装置实现，具体包括如下步骤：

[0046] 通过高压脉冲激发器产生电弧，启动直流电源，向阳极和阴极之间的间隙通入第一路载体风，在直筒状阳极和阴极内部空腔的表面形成等离子弧，向所述直筒状的阳极和阴极贯通的内部空腔输入第二路载体风，将所产生的等离子弧从所述阳极的喷嘴输出。

[0047] 进一步地，本发明实施例提供的大功率长寿命等离子发生方法，还包括下述步骤：

[0048] 在形成等离子弧后，依次给所述阴极和阳极外部的扫描式电磁线圈组中各分离的电磁线圈通电和断电，在阴极和阳极的内部空腔中产生移动的扫描式电磁场，控制等离子体在阴极和阳极的内部空腔表面运动。

[0049] 本发明实施例提供的大功率长寿命等离子发生装置及方法，阴极和阳极采用相同的内径的直筒状结构，等离子体在阴极和阳极之间输运时不会由于阳极内径的缩小而导致等离子体流场畸变导致气流对等离子体的压缩程度降低，大幅度提高等离子气流的流量和速度，使等离子弧长更长，输出电压更高，提高了等离子体的输出功率，同时用于采用这种结构，还能够降低等离子体在阳极内部的电流密度，使得等离子弧在阳极表面的烧蚀点分布更均匀，大幅提高了等离子体发生装置的使用寿命。

[0050] 更近一步地，本发明实施例提供的大功率长寿命等离子发生装置及方法，在阴极和阳极的外部环绕有水冷的扫描式电磁线圈组，在阳极和阴极内部空腔中产生高速移动的电磁场，在稳定等离子体的同时更进一步降低了对阴极和阳极的烧蚀。更进一步提高了等离子发生装置的使用寿命以及输出功率。

[0051] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。