一种等离子体发生装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于低温热等离子体高能物理及大功率热源的工业应用技术领域，特别是涉及一种工业应用型参数可调超大功率的等离子体发生装置。
【背景技术】
[0002]低温热等离子体是固态、气态、液态以外的物体第四种状态，大功率等离子体在高危垃圾处理、生物质气化、特殊金属冶炼、高能点火、等离子切割、等离子喷涂等领域有着宽泛的应用。当气体外界电场强度大于空气击穿场强时，气体被击穿，产生包括电子、各种离子、原子、分子、各种自由基在内的混合体。由于电子和离子总是成对出现，所以等离子体呈电中性。人工生成的等离子体中，放电方式最为常见，特别是直流电弧等离子体发生装置。直流电弧等离子体发生装置，主要的核心问题有三个:第一个是控制阴阳极弧根的运行轨迹，第二个是电极的散热和寿命保证，第三个是出口射流参数和效率之间的匹配。在阴阳极弧根运行轨迹控制中，主要采用三种方式:冷壁约束、电磁约束和气流约束。在工业应用的很多场合，由于受外形限制，电磁约束实现困难。在受限的几何尺寸内完成有效的电弧约束，对于大功率等离子体发生装置来说是一个关键性的难点技术。对于小尺度大功率的等离子体发生装置，空间内场分布梯度非常大，特别是温度场和速度场。强湍流的耗散，给内部电弧稳定带来很大的问题，主要集中于两个方面:一个方面是在大功率空腔型阴极的弧根斑和膜鞘层移动的环带空间内，周界大梯度强湍流的冷却不可避免会带来冷壁的过度约束造成电弧熄灭；另一个方面是在电弧和等离子体输运过程中，湍流不断发育，传质传热过程剧烈进行，在轴向输送一定距离后，气流约束效应完全消失，阳极弧根形成并附着，且随着紊流压力中频脉动轴向伸缩。第一个方面带来低电流运行不稳定，第二个方面限制电压的提高。解决这两个问题是高电压低电流大功率等离子体发生装置的关键。电极散热和寿命主要考虑阴极。阳极弧根斑由于压力中频脉动造成的轴向伸缩，会带来一个宽泛的热点区域，即同点弧根落点概率非常低，热负荷的强度较弱，容易用技术手段进行处理。阴极由于运行环带区较窄且气流约束强，在运行中周期性回转热点区域的同点弧根落点概率比阳极高几个数量级，造成积温居高不下，很难实现有效冷却。弧根烧蚀区的冷却会直接影响电极材料烧蚀的速度，积温过高在同等条件下会显著的扩大熔化区域大小，并且电极材料随着气流的冲刷作用和膜鞘层的重粒子碰撞作用快速丢失。阴极寿命的提高必须从两个方面来考虑:一个是降低烧蚀区的热负荷强度，另一个是强化非等离子体侧的冷却效果来降低烧蚀表面的积温。这两种方法的联合采用也是大功率等离子体发生装置的关键。出口射流参数采用两个参数表征:焓值和马赫数，物理学上采用温度和速度来表征，工程学上取决于电功率、效率和载体输运量。国内市场上主流的等离子体火炬型喷口射流焓值大约3-4MJ/kg，马赫数不高于0.3。等离子体割炬的焓值达到10MJ/kg，但是受限于结构特性无法实现大功率且效率极低。在工程实施中，提高焓值和马赫数，总是会带来效率的降低，而在电功率一定的前提下，效率降低又会削弱整个系统的经济性。如在输送量为0.08kg/s的等离子体系统中，等离子体焓5MJ/kg，电功率500kW，效率80% ;同结构时若想在输送量不变的情况提高等离子体焓至6MJ/kg，会降低效率至低于70%，电功率需要近700kW。即在提高等离子体输送热量80kJ/s时，需要增加电功率200kW，等离子体发生系统的经济性显著降低。权衡等离子体射流参数和效率之间的关系，也是工业应用型等离子体发生装置的一个重要技术经济指标。
[0003]专利号为“CN201120573876.7”，授权公告号为“CN202473623U”，名称为“一种高密度NH3+SiH4弧放电等离子体发生装置”的中国实用新型专利申请，公开了一种高密度NH3+SiH4弧放电等离子体发生装置，包括放电腔室、阳极、铈钨阴极、绝缘层、水冷铜板、拉瓦尔喷嘴、阴极本体和绝缘管，阴极本体通过绝缘管与放电腔室的顶部连接，铈钨阴极套装于阴极本体和绝缘管中，在阴极本体上设有氩气、氢气的导入口和冷却水的进口及出口，在放电腔室的底部设有绝缘层和水冷铜板，绝缘层-水冷铜板上下交错叠加3-7次，其中最下面一层为水冷铜板，该水冷铜板与阳极直接接触，其上设有氨气气源的导入口和通道；在阳极上设有硅烷气源的导入口及通道，在拉瓦尔喷嘴上的出口附近设有导出硅烷气源的雾化喷嘴。其虽然可以简化减反射薄膜的制备工艺，但是其同样无法解决低电流运行不稳定和限制电压的提高的问题。
[0004]专利号为“CN93222567.5”，授权公告号“CN2164175”，名称为“一种等离子体发生装置”的中国实用新型专利，公开了一种等离子体发生装置，阴极头、喷嘴、冷却水通道、氩气通道和氧气喷吹通道。其虽然可以使得冶炼不锈钢喷吹氧气不烧损阴极头及喷嘴，但是其同样无法解决低电流运行不稳定和限制电压的提高的问题。
[0005]总体来说，现有的一些等离子体发生装置，多存在难以稳定运行产生大功率等离子体，无法调整喷口输出等离子体射流的焓值和马赫数，不能根据最终用途在经济性(效率)和技术性(射流参数)之间达到平衡和最优化的问题，为此，需要一种等离子体发生装置，使其能够解决上述问题，产生大功率等离子体并使之稳定运行，并通过结构和运行参数优化，调整喷口输出等离子体射流的焓值和马赫数，根据最终用途在经济性(效率)和技术性(射流参数)之间达到平衡和最优化。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于，提供一种等离子体发生装置，使其能够解决现有技术中所存在的上述问题，产生大功率等离子体并使之稳定运行，并通过结构和运行参数优化，调整喷口输出等离子体射流的焓值和马赫数，根据最终用途在经济性(效率)和技术性(射流参数)之间达到平衡和最优化。
[0007]为实现上述目的，本发明提供一种等离子体发生装置，包括电极，电极包括依次设置的第一电极、第二电极和第三电极；第一电极、第二电极和第三电极形成三段式结构的等离子体约束的固壁边界，且第一电极、第二电极和第三电极的内部形成压缩电弧的通道；第一电极和第二电极之间形成第二路载体气流的输运通道；第二电极和第三电极之间形成第三路载体气流的输运通道；第一电极的后部形成第一路载体气流的输运通道。
[0008]在以上方案中优选的是，等离子体发生装置采用多旋流来控制阴极弧根的运行轨迹。
[0009]在以上任一方案中优选的是，等离子体发生装置采用多级气膜的输送量和配比来控制电极热损及控制输送量。
[0010]在以上任一方案中优选的是，等离子体发生装置采用多级气膜冷却来压缩电弧和防止阳极弧根贴壁。
[0011]在以上任一方案中优选的是，第一路载体气流的输运通道形成两个双旋向气流场。
[0012]在以上任一方案中优选的是，两个双旋向气流场中，其中一个双旋向气流场形成贴壁气膜，对阴极内腔周向内部进行电弧约束，且其气流场的旋向与主气流的旋向相同。
[0013]在以上任一方案中优选的是，两个双旋向气流场中，另一个双旋向气流场在端面内侧形成一路反向旋转气流场，防止电弧从后侧击穿底部损坏进气装置。
[0014]在以上任一方案中优选的是，第一路载体气流和第二路载体气流联合用于约束阴极弧根，控制阴极弧根的运行轨迹，并同时控制电极烧蚀表面的热负荷。
[0015]在以上任一方案中优选的是，第二路载体气流和第三路载体气流用于约束阳极弧根，控制阳极弧根的运行轨迹，防止阳极弧根过早贴壁。
[0016]在以上任一方案中优选的是，第一电极、第二电极和第三电极的冷却水侧均采用强均匀场湍流的水侧流体流动结构。
[0017]在以上任一方案中优选的是，第一电极、第二电极和第三电极的壁侧均设有贴片热管和流槽结构。
[0018]在以上任一方案中优选的是，第一电极、第二电极和第三电极采用带相变的冷却方式。
[0019]在以上任一方案中优选的是，调整气流旋度和强度的调整范围是:喷口射流参数的焓值为3-8MJ/kg，马赫数为0.2-0.6。
[0020]在以上任一方案中优选的是，喷口射流参数的焓值的调整范围为5_6MJ/kg。
[0021]在以上任一方案中优选的是，测试运行电功率500kW，即500A/1000V，出口等离子体焓值5.6MJ/kg，马赫数0.45。
[0022]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
本发明提供了一种等离子体发生装置，其能够解决难以稳定运行产生大功率等离子体，无法调整喷口输出等离子体射流的焓值和马赫数，不能根据最终用途在经济性(效率)和技术性(射流参数)之间达到平衡和最优化的问题，能够产生大功率等离子体并使之稳定运行，并通过结构和运行参数优化，调整喷口输出等离子体射流的焓值和马赫数，根据最终用途在经济性(效率)和技术性(射流参数)之间达到平衡和最优化。
【附图说明】
[0023]图1为按照本发明的等离子体发生装置的一个实施例的结构示意图。
[0024]图中，I为第一路载体气流，2为第一电极，3为第二路载体气流，4为第二电极，5为第三路载体气流，6为第三电极。
【具体实施方式】
[0025]为了更好地理解本发明，下面结合具体实施例对本发明作了详细说明。但是，显然可对本发明进行不同的变型和改型而不超出后附权利要求限定的本发明更宽的精神和范围。因此，以下实施例具有例示性的而没有限制的含义。
[0026]实施例1: