一种层流等离子发生器阴极结构的制作方法

本发明涉及层流等离子技术领域，更具体地说涉及一种层流等离子发生器阴极结构。

背景技术：

等离子态是物质的第四态，宇宙中几乎99﹪的物质（不包括尚未确认的暗物质）都处于等离子态。等离子体射流与一般流体在流动特征上有相似性，具有两种流动状态：层流与湍流。对某一指定流体，当其流速小于一特定值时，流体作有规则的层状或流束状运动，流体质点没有横向运动，质点间互不干扰地前进，这种流动形式叫层流；当流体流速大于该值时，流体有规则的运动遭到破坏，质点除了主要的纵向运动外还有附加的横向运动，流体质点交错混乱地前进，这种流动形式叫湍流。

等离子体其温度分布范围则从10 K的低温到核聚变等离子体的 10亿K超高温并拥有一系列独特性质，使等离子体在纳米材料生产、新材料合成、热加工制造、冶炼、钻探、煤化工、垃圾废物处理、材料表面处理、电子、新能源、军事、航空航天等领域获得广泛应用。

在等离子体高温热源方面，目前应用十分广泛的电弧等离子体射流绝大部分采用湍流形态工作，这是由现有湍流电弧等离子体射流发生器技术和工作原理决定的。电弧等离子发生器分为层流和湍流两种，其关键技术是发生器结构设计。

现有的湍流等离子发生器的电弧放电作用使得流入工作气体发生电离，输出的等离子体呈喷射状，用作等离子体射流或等离子体喷焰等。此时，喷焰具有很高的热焓，其焰芯温度可达10000℃～20000℃，外焰部份也可达到3000℃。其特点：弧根宽大、弧焰短、噪声大、弧焰不稳定、温度梯度大、空气卷入多。

层流等离子体的工作对电弧的稳定性要求较高，所以阴极结构需要特殊设计以保证层流等离子体的稳定工作。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种层流等离子发生器阴极结构，本发明的发明目的旨在于解决提供一种层流等离子阴极结构，满足层流等离子体工作要求，保证电弧的稳定性，从而保证层流等离子体稳定工作。

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明是通过下述技术方案实现的：

一种层流等离子发生器阴极结构，其特征在于：包括阴极保护罩、阴极连接柱、阴极头和进气环，所述阴极保护罩套在阴极连接柱上，所述进气环设置在阴极连接柱的一端，所述阴极头通过连接件固定在阴极连接柱的一端，所述连接件上设置有阴极弹簧，所述阴极弹簧一端连接在阴极头底部，另一端连接在阴极连接柱上。

所述阴极保护罩与阴极连接柱之间设置有气流通道，所述气流通道用于输送工作气体，所述进气环一端套在阴极连接柱上，进气环一端设置有工作气体进口，所述气流通道与进气环的工作气体进口连通。

所述进气环的里另一端设置有工作气体出口，所述工作气体出口与电离腔连通，工作气体通过进气环进入电离腔。

所述阴极保护罩上设置有冷却水通道，所述冷却水通道包括进水通道和出水通道，所述进水通道靠近阴极连接柱设置，所述出水通道远离阴极连接柱设置；所述进水通道与出水通道的端部相互连通，进水通道连接有进水管，出水通道连接有出水管，冷却水从进水管进入到进水通道内，再经出水通道和出水管流出。

所述进气环包括进气部和出气部，所述进气部伸入阴极保护罩内，并包裹在阴极连接柱外侧，所述工作气体进口设置在进气部上。

所述进气环内设置有螺旋式气体通道，所述气体通道沿进气环进气部的轴向螺旋分布，所述气体通道沿进气环的出气部的径向螺旋分布。

所述进气环出气部与电离腔接触的表面上设置有一层绝缘层。

与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：

1、本发明的层流等离子发生器阴极结构能够实现层流等离子高弧压、小电流的工作模式，结构相对较为合理，能够形成层流等离子射流。本发明中阴极结构的设置，有助于稳定等离子射流。本发明的发生器枪体产生的射流性能优异，不能可以长时间稳定运行，而且产生的射流具有长度长、能量密度集中、轴向温度梯度小、噪声低、可控性好、可重复、精度高等突出优点。

2、本发明的阴极结构，可以提高阴极头的使用寿命，在阴极头处设置阴极弹簧，电流通过阴极弹簧进入到阴极头中，阴极弹簧形成一个电磁压缩环，当阴极弹簧通电后，产生磁场，使得等离子电弧着弧点处于动态均布状态，可以延长阴极头的寿命和层流稳定性。

3、在阴极罩与阴极连接柱之间设置气流通道，工作气体从气流通道进入到进气环，在工作气体输送过程中，被阴极连接柱加热，防止因电离腔内温度较高而形成较高气压，阻挡工作气体输送的现象，同时可以利用阴极连接柱的热量，综合利用资源。

4、工作气体通过进气环进入到电离腔，进气环可以给工作气体一个缓冲，在进气环的作用下，可以保证工作气体的输送稳定性，同时，进气环中也可以储存一定量的工作气体，防止由于电离腔内部温度高造成工作气体反压的情况。

5、本发明的阴极保护罩通过水冷却的方式进行冷却，在保护罩上设置冷却通道，一方面为了对阴极连接柱进行冷却，另一方面可以降低保护罩的温度，从而防止热量传递到枪体底座和枪体的壳体上，防止对外界的影响，保证枪体的安全性能，本发明的保护罩分布两个管道，进水管和出水管，进水管用于冷却阴极连接柱，出水管用于冷却保护罩。

6、进气环延伸到保护罩内，一方面可以形成阴极连接柱与电离腔的隔离，另一方面也方便工作气体进入到电离腔，保证了工作气体的密封性，防止工作气体泄露，进一步提高了发生器枪体的安全性能。

7、进气环内设置螺旋式分布的气体通道，可以有效的利用阴极头的温度在工作气体输送过程中进行升温，使其与电离腔内的工作气体温度相近，防止电离腔内对输入的工作气体的阻隔，提高了层流等离子射流的稳定性。

附图说明

图1为本发明层流等离子发生器阴极结构的剖视图；

图2为适用于本发明阴极结构的层流等离子发生器的结构剖视图；

图3为适用于本发明阴极结构的层流等离子发生器的阳极部分的结构剖视图；

附图标记：100、阴极部分，11、阴极保护罩，111、进水通道，112、出水通道，113、进水管，114、出水管；

12、阴极连接柱，13、阴极头，14、进气环，141、工作气体进口，142、工作气体出口，143、进气部，144、出气部，145、气体通道，146、绝缘层；15、阴极弹簧，16、气流通道；

200、阳极部分，21、阳极外壳，22、电弧通道，23、阳极头，24、冷却水管，25、冷却水进口，26、冷却水出口，27、绝缘垫，28、绝缘件，29、中间段，210、阳极弹簧；

300、壳体，31、底座，32、阴极壳，33、阳极固定座；400、电离腔。

具体实施方式

实施例1

作为本发明一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了：

一种层流等离子发生器阴极结构，包括阴极保护罩11、阴极连接柱12、阴极头13和进气环14，所述阴极保护罩11套在阴极连接柱12上，所述进气环14设置在阴极连接柱12的一端，所述阴极头13通过连接件固定在阴极连接柱12的一端，所述连接件上设置有阴极弹簧15，所述阴极弹簧15一端连接在阴极头13底部，另一端连接在阴极连接柱12上。

实施例2

作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了：

一种层流等离子发生器阴极结构，包括阴极保护罩11、阴极连接柱12、阴极头13和进气环14，所述阴极保护罩11套在阴极连接柱12上，所述进气环14设置在阴极连接柱12的一端，所述阴极头13通过连接件固定在阴极连接柱12的一端，所述连接件上设置有阴极弹簧15，所述阴极弹簧15一端连接在阴极头13底部，另一端连接在阴极连接柱12上；所述阴极保护罩11与阴极连接柱12之间设置有气流通道16，所述气流通道16用于输送工作气体，所述进气环14一端套在阴极连接柱12上，进气环14一端设置有工作气体进口141，所述气流通道16与进气环14的工作气体进口141连通。

实施例3

作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了：

一种层流等离子发生器阴极结构，包括阴极保护罩11、阴极连接柱12、阴极头13和进气环14，所述阴极保护罩11套在阴极连接柱12上，所述进气环14设置在阴极连接柱12的一端，所述阴极头13通过连接件固定在阴极连接柱12的一端，所述连接件上设置有阴极弹簧15，所述阴极弹簧15一端连接在阴极头13底部，另一端连接在阴极连接柱12上；所述阴极保护罩11与阴极连接柱12之间设置有气流通道16，所述气流通道16用于输送工作气体，所述进气环14一端套在阴极连接柱12上，进气环14一端设置有工作气体进口141，所述气流通道16与进气环14的工作气体进口141连通；

所述进气环14的里另一端设置有工作气体出口142，所述工作气体出口142与电离腔连通，工作气体通过进气环14进入电离腔。

实施例4

作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了：

一种层流等离子发生器阴极结构，包括阴极保护罩11、阴极连接柱12、阴极头13和进气环14，所述阴极保护罩11套在阴极连接柱12上，所述进气环14设置在阴极连接柱12的一端，所述阴极头13通过连接件固定在阴极连接柱12的一端，所述连接件上设置有阴极弹簧15，所述阴极弹簧15一端连接在阴极头13底部，另一端连接在阴极连接柱12上；所述阴极保护罩11与阴极连接柱12之间设置有气流通道16，所述气流通道16用于输送工作气体，所述进气环14一端套在阴极连接柱12上，进气环14一端设置有工作气体进口141，所述气流通道16与进气环14的工作气体进口141连通；

所述阴极保护罩11上设置有冷却水通道，所述冷却水通道包括进水通道111和出水通道112，所述进水通道111靠近阴极连接柱12设置，所述出水通道112远离阴极连接柱12设置；所述进水通道111与出水通道112的端部相互连通，进水通道111连接有进水管113，出水通道112连接有出水管114，冷却水从进水管113进入到进水通道111内，再经出水通道112和出水管114流出。

所述进气环14的里另一端设置有工作气体出口142，所述工作气体出口142与电离腔连通，工作气体通过进气环14进入电离腔；所述进气环14包括进气部143和出气部144，所述进气部143伸入阴极保护罩11内，并包裹在阴极连接柱12外侧，所述工作气体进口141设置在进气部143上。

实施例5

作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了：

一种层流等离子发生器阴极结构，包括阴极保护罩11、阴极连接柱12、阴极头13和进气环14，所述阴极保护罩11套在阴极连接柱12上，所述进气环14设置在阴极连接柱12的一端，所述阴极头13通过连接件固定在阴极连接柱12的一端，所述连接件上设置有阴极弹簧15，所述阴极弹簧15一端连接在阴极头13底部，另一端连接在阴极连接柱12上；所述阴极保护罩11与阴极连接柱12之间设置有气流通道16，所述气流通道16用于输送工作气体，所述进气环14一端套在阴极连接柱12上，进气环14一端设置有工作气体进口141，所述气流通道16与进气环14的工作气体进口141连通；

所述阴极保护罩11上设置有冷却水通道，所述冷却水通道包括进水通道111和出水通道112，所述进水通道111靠近阴极连接柱12设置，所述出水通道112远离阴极连接柱12设置；所述进水通道111与出水通道112的端部相互连通，进水通道111连接有进水管113，出水通道112连接有出水管114，冷却水从进水管113进入到进水通道111内，再经出水通道112和出水管114流出。

所述进气环14的里另一端设置有工作气体出口142，所述工作气体出口142与电离腔连通，工作气体通过进气环14进入电离腔；所述进气环14包括进气部143和出气部144，所述进气部143伸入阴极保护罩11内，并包裹在阴极连接柱12外侧，所述工作气体进口141设置在进气部143上；

在本实施例中，所述进气环14内设置有螺旋式气体通道145，所述气体通道145沿进气环14进气部143的轴向螺旋分布，所述气体通道145沿进气环14的出气部144的径向螺旋分布；所述进气环14出气部144与电离腔接触的表面上设置有一层绝缘层146。

实施例6

作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1、2和3，本实施例公开了一种可以适用于本发明阴极结构的层流等离子发生器枪体，本实施例公开了：

一种层流等离子发生器枪体，包括阴极部分100和阳极部分200，还包括壳体300，所述阴极部分100设置在壳体300内部阴极固定腔内，所述壳体300包括底座31和阴极壳32，所述阴极壳32的一端固定在底座31上，所述底座31和阴极壳32内部设置有用于固定阴极部分100的阴极固定腔，所述底座31和阴极壳32内部的阴极固定腔连通；所述阴极壳32的另一端设置用于固定阳极部分200的阳极固定座33；所述阳极固定座33上对应阴极壳32阴极固定腔位置出设置有用于阴极部分100插入的开口；所述阳极固定座33、阳极部分200和阴极部分100围拢形成用于电离工作气体的电离腔400；

所述阴极部分100包括阴极保护罩11、阴极连接柱12、阴极头13和进气环14，所述阴极保护罩11套在阴极连接柱12上，所述进气环14设置在阴极连接柱12的一端，所述阴极头13通过连接件固定在阴极连接柱12的一端，所述连接件上设置有阴极弹簧15，所述阴极弹簧15一端连接在阴极头13底部，另一端连接在阴极连接柱12上；

所述阴极保护罩11与阴极连接柱12之间设置有气流通道16，所述气流通道16用于输送工作气体，所述进气环14一端套在阴极连接柱12上，进气环14一端设置有工作气体进口141，所述气流通道16与进气环14的工作气体进口141连通；所述进气环14的里另一端设置有工作气体出口142，所述工作气体出口142与电离腔400连通，工作气体通过进气环14进入电离腔400；

所述阴极保护罩11上设置有冷却水通道，所述冷却水通道包括进水通道111和出水通道112，所述进水通道111靠近阴极连接柱12设置，所述出水通道112远离阴极连接柱12设置；所述进水通道111与出水通道112的端部相互连通，进水通道111连接有进水管113，出水通道112连接有出水管114，冷却水从进水管113进入到进水通道111内，再经出水通道112和出水管114流出；

在本实施例中，所述进气环14包括进气部143和出气部144，所述进气部143伸入阴极保护罩11内，并包裹在阴极连接柱12外侧，所述工作气体进口141设置在进气部143上；所述出气部144固定在阳极固定座33内，所述出气部144、阳极固定座33和阳极部分200围成电离腔400；所述进气环14内设置有螺旋式气体通道145，所述气体通道145沿进气环14进气部143的轴向螺旋分布，所述气体通道145沿进气环14的出气部144的径向螺旋分布。所述进气环14出气部144与电离腔400接触的表面上设置有一层绝缘层146；

所述阳极部分200包括阳极外壳21、电弧通道22和阳极头23，所述阳极外壳21固定在阳极固定座33上，所述电弧通道22的一端与阳极外壳21连接，另一端与阳极头23连接；所述阳极外壳21、电弧通道22的侧壁和阳极头23内均设置有冷却水管24，所述冷却水管24相互连通；所述阳极外壳21上分别设置有冷却水进口25和冷却水出口26，所述冷却水进口25和冷却水出口26分别与冷却水管24连通；所述电弧通道22一端与阳极外壳21的连接出设置有绝缘垫27，所述绝缘垫27内设置有连通阳极外壳21和电弧通道22侧壁内冷却水管24的连通件；

所述电弧通道22包括至少两端中间段29，相临中间段29之间通过绝缘件28连接；所述绝缘件28内设置有连通冷却水管24的通孔；所述电弧通道22外壁上设置有阳极弹簧210，所述阳极弹簧210套在电弧通道22的侧壁上，所述阳极弹簧210一端连接在绝缘垫27上，另一端与阳极头23连接；所述阳极头23呈漏斗型，开口较小的一端与电弧通道22的侧壁连接；开口较大的一端与阴极部分100的进气环14相对设置；阳极头23开口较大的一端与阳极固定座绝缘密封连接；所述冷却水管24的材质为绝缘材料。