电极水冷一体化的超音速等离子体喷枪的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种电极水冷一体化的超音速等离子体喷枪，属于等离子体【技术领域】。所述等离子体喷枪包括阴极体、内绝缘套筒、外绝缘套筒、阳极座和可更换阳极喷嘴。水冷一体化通道在内绝缘套筒、外绝缘套筒、阳极座以及阴极体空腔之间形成，同时在阳极座上设置了水冷加强筋，增大了水冷接触面积，提高了冷却效率，解决了现有技术中电极水冷效率低下的问题。同时，将传统的阳极喷嘴拆分成阳极座和可更换阳极，使得阳极烧蚀后更易于更换并降低了成本。
【专利说明】电极水冷一体化的超音速等离子体喷枪
【技术领域】
[0001]本发明属于热等离子体【技术领域】，特别是一种电极水冷一体化的超音速等离子体喷枪。
【背景技术】
[0002]电弧热等离子体具有高能量密度(107-109)/m3)、高亮度、高电导率、高热导率等对工业应用十分有利的特性。从二十世纪七十年代开始，热等离子体在工业领域的应用有很大的发展。例如，在机械加工领域，热等离子体被广泛地用于材料的焊接、切割和喷涂；在冶金领域，热等离子体被用于金属的熔化与重溶、保温以及新冶炼工艺过程；在等离子体化工领域，热等离子体被用于裂解煤、生产乙炔；在宇航领域，热等离子体被用来做高温气体动力学实验和热防护材料的烧蚀实验；在材料制取领域，热等离子体被用于制取超细超纯材料粉以及合成各种材料；在环境保护领域，它被用于处理垃圾和有毒废物。超音速等离子体喷枪作为超音速热等离子体的发生装置，在工业应用中要求其具有长寿面、稳定性高、高效率等特性。
[0003]经过文献检索发现，名称:一种超音速反应等离子喷涂枪(CN101289744A)和名称:拉瓦尔阳极结构电弧等离子体炬(CN20198625U)这两项专利中，公开的等离子体发生器中电极均采用独立的水冷系统，结构非常复杂，容易造成拆装和检漏的困难。且公开的等离子体发生器中，阳极都为复杂构型的拉瓦尔阳极，烧蚀后更换困难且费用较高。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于针对现有超音速等离子体喷枪中水冷循环系统较为复杂，拉瓦尔阳极喷嘴难于更换且费用较高等技术不足，提供了一种结构简单、低成本、易拆装检漏、电极水冷一体化、阳极易于更换的超音速等离子体喷枪。
[0005]实现本发明目的的技术解决方案为:
[0006]一种电极水冷一体化的超音速等离子体喷枪，包括阴极体、内绝缘套筒、外绝缘套筒、阳极座、可更换阳极；阴极体为中空管道，内部为阴极水冷通道，外绝缘套筒为圆筒状中空结构，外绝缘套筒一端开有与阴极体外径配合的通孔，与阴极体采用过渡配合，其外端面贴合定位于阴极体凸台的一侧，另一端为开口结构；阴极体位于外绝缘套筒外侧的一端设有冷却水出口 ；内绝缘套筒一端开有与阴极体外径配合的通孔，与阴极体采用过渡配合，且其外端面贴合定位于外绝缘套筒内侧，另一端为开口结构；阳极座为管装结构；一端伸入内绝缘套筒的开口结构中，外端面贴合定位于内绝缘套筒内侧；与内绝缘套筒过渡配合，另一端与外绝缘套筒的开口结构过渡配合；可更换阳极设置在阳极座的通孔中，与其过渡配合；外绝缘套筒与内绝缘套筒以及阳极座之间围成水冷空腔，外绝缘套筒在水冷空腔一侧的筒壁上开有外绝缘套筒冷却水入口，阴极体在位于外绝缘套筒内的一侧的管壁上开有阴极体冷却水入口，内绝缘套筒上开有通道，连通水冷空腔和阴极体冷却水入口 ；内绝缘套筒内设有储气空腔，储气空腔靠近阴极体的一端在外绝缘套筒的筒壁上开有工作气体入口，与储气空腔连通，储气空腔与弧室连通。
[0007]本发明与现有技术相比，其显著优点:
[0008](I)本发明将常规超音速喷枪水冷系统进行了最大程度的简化。水冷一体化通道在内绝缘套筒、外绝缘套筒、阳极座以及阴极体空腔之间形成，同时在阳极座上设置了水冷加强筋，增大了水冷接触面积，提高了冷却效率，解决了现有技术中电极水冷效率低下的问题。
[0009](2)本发明将复杂构型的拉瓦尔阳极喷嘴拆分成阳极座和可更换阳极，减少了阳极更换部分的材料，并使得烧蚀后的拉瓦尔阳极更易于更换，从而降低了成本。
[0010]下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1本发明一种电极水冷一体化超音速等离子体喷枪剖面示意图。
[0012]图中，1-阴极体、2-阴极体凸台、3-工作气体入口、4-内绝缘套筒、5-外绝缘套筒、6-0型密封圈、7-储气空腔、8-冷却水入口、9-水冷空腔、10-阴极体水冷空腔、11-水冷加强筋、12-阳极座、13-可更换阳极、14-阴极体冷却水入口、15-弧室
【具体实施方式】
[0013]本发明一种电极水冷一体化的超音速等离子体喷枪，包括阴极体1、内绝缘套筒
4、外绝缘套筒5、阳极座12、可更换阳极13 ;阴极体I为中空管道，内部为阴极水冷通道10，外绝缘套筒5为圆筒状中空结构，外绝缘套筒5 —端开有与阴极体I外径配合的通孔，与阴极体I采用过渡配合，其外端面贴合定位于阴极体凸台2的一侧，另一端为开口结构；阴极体I位于外绝缘套筒5外侧的一端设有冷却水出口 ；内绝缘套筒4 一端开有与阴极体I外径配合的通孔，与阴极体I采用过渡配合，且其外端面贴合定位于外绝缘套筒5内侧，另一端为开口结构；阳极座12为管装结构；一端伸入内绝缘套筒4的开口结构中，外端面贴合定位于内绝缘套筒4内侧；与内绝缘套筒4过渡配合,另一端与外绝缘套筒5的开口结构过渡配合；可更换阳极13设置在阳极座12的通孔中，与其过渡配合；外绝缘套筒5与内绝缘套筒4以及阳极座12之间围成水冷空腔9，外绝缘套筒5在水冷空腔一侧的筒壁上开有外绝缘套筒冷却水入口 8，阴极体I在位于外绝缘套筒5内的一侧的管壁上开有阴极体冷却水入口 14，内绝缘套筒4上开有通道，连通水冷空腔9和阴极体冷却水入口 14;内绝缘套筒4内设有储气空腔7，储气空腔7靠近阴极体I的一端在外绝缘套筒5的筒壁上开有工作气体入口 3，与储气空腔7连通，储气空腔7与弧室15连通。
[0014]阴极体I头部镶嵌铪丝，头部采用圆锥形或采用圆台形。
[0015]内绝缘套筒4和阳极座12、外绝缘套筒5和阳极座12之间设置密封圈。
[0016]接触水冷空腔9的阳极座12上均匀设置有水冷加强筋11，水冷加强筋11为长方形或梯形结构。
[0017]可更换阳极13喷嘴收缩半角为28°?32°，可更换阳极13喷嘴扩张半角为11°?13° ,可更换阳极13喷嘴喉径为2?3mm。
[0018]工作原理:本发明的电极水冷一体化超音速等离子体喷枪，主要是将常规超音速喷枪水冷系统进行了最大程度的简化。阴极体1、内绝缘套筒4、外绝缘套筒5、阳极座12四者配合形成了电极水冷一体化空腔。外绝缘套筒5的前端开有外绝缘套筒冷却水入口 8，冷却水由此进入水冷空腔9后，通过内绝缘套筒4内的通道，由阴极体I中部开的阴极体冷却水入口 15进入阴极体水冷空腔10，并最终从阴极体I后部的出口流出。
[0019]外绝缘套筒5和内绝缘套筒4后部开有同心通孔，为工作气体入口。工作气体由此进入内绝缘套筒4的储气空腔7，在储气空腔7加压后沿阴极体I轴向加速喷出，同时冷却阴极，I表面，进入到阳极喷嘴，电离后产生高温高速的等离子体射流。
[0020]实施例1
[0021]一种电极水冷一体化的超音速等离子体喷枪，其特征在于:包括阴极体1、内绝缘套筒4、外绝缘套筒5、阳极座12、可更换阳极13 ;阴极体I为中空管道，内部为阴极水冷通道10，外绝缘套筒5为圆筒状中空结构，外绝缘套筒5 —端开有与阴极体I外径配合的通孔，与阴极体I采用过渡配合，其外端面贴合定位于阴极体凸台2的一侧，另一端为开口结构；阴极体I位于外绝缘套筒5外侧的一端设有冷却水出口 ；内绝缘套筒4 一端开有与阴极体I外径配合的通孔，与阴极体I采用过渡配合，且其外端面贴合定位于外绝缘套筒5内侦牝另一端为开口结构；阳极座12为管装结构；一端伸入内绝缘套筒4的开口结构中，外端面贴合定位于内绝缘套筒4内侧；与内绝缘套筒4过渡配合,另一端与外绝缘套筒5的开口结构过渡配合；可更换阳极13设置在阳极座12的通孔中，与其过渡配合；外绝缘套筒5与内绝缘套筒4以及阳极座12之间围成水冷空腔9，外绝缘套筒5在水冷空腔一侧的筒壁上开有外绝缘套筒冷却水入口 8，阴极体I在位于外绝缘套筒5内的一侧的管壁上开有阴极体冷却水入口 14，内绝缘套筒4上开有通道，连通水冷空腔9和阴极体冷却水入口 14 ;内绝缘套筒4内设有储气空腔7，储气空腔7靠近阴极体I的一端在外绝缘套筒5的筒壁上开有工作气体入口 3，与储气空腔7连通，储气空腔7与弧室15连通。
[0022]外绝缘套筒5的前端开有冷却水入口 8,冷却水由此进入水冷空腔9后，由阴极体I中部开的冷却水入口进入阴极体水冷空腔10，并最终从阴极体后部的冷却水出口流出。阳极座12上设置有梯形水冷加强筋，增大水冷接触面积，提高了冷却效率。
[0023]外绝缘套筒5和内绝缘套筒4后部开有同心通孔，为工作气体入口 3。工作气体由此进入内绝缘套筒的储气空腔7，在储气空腔7加压后沿阴极体轴向加速喷出同时冷却阴极体I表面，进入到可更换阳极13喷嘴，电离后最终产生高温高速的等离子体射流。
[0024]阴极体I头部采用圆台形。阳极座12和可更换阳极13，材料为紫铜。通过仿真计算，优化了可更换阳极13的构型和尺寸，可更换阳极收缩段10压缩半角为28°，可更换阳极扩张段13扩张半角为11°。
[0025]实施例2
[0026]一种电极水冷一体化的超音速等离子体喷枪，其特征在于:包括阴极体1、内绝缘套筒4、外绝缘套筒5、阳极座12、可更换阳极13 ;阴极体I为中空管道，内部为阴极水冷通道10，外绝缘套筒5为圆筒状中空结构，外绝缘套筒5 —端开有与阴极体I外径配合的通孔，与阴极体I采用过渡配合，其外端面贴合定位于阴极体凸台2的一侧，另一端为开口结构；阴极体I位于外绝缘套筒5外侧的一端设有冷却水出口 ；内绝缘套筒4 一端开有与阴极体I外径配合的通孔，与阴极体I采用过渡配合，且其外端面贴合定位于外绝缘套筒5内侦牝另一端为开口结构；阳极座12为管装结构；一端伸入内绝缘套筒4的开口结构中，外端面贴合定位于内绝缘套筒4内侧；与内绝缘套筒4过渡配合,另一端与外绝缘套筒5的开口结构过渡配合；可更换阳极13设置在阳极座12的通孔中，与其过渡配合；外绝缘套筒5与内绝缘套筒4以及阳极座12之间围成水冷空腔9，外绝缘套筒5在水冷空腔一侧的筒壁上开有外绝缘套筒冷却水入口 8，阴极体I在位于外绝缘套筒5内的一侧的管壁上开有阴极体冷却水入口 14，内绝缘套筒4上开有通道，连通水冷空腔9和阴极体冷却水入口 14 ;内绝缘套筒4内设有储气空腔7，储气空腔7靠近阴极体I的一端在外绝缘套筒5的筒壁上开有工作气体入口 3，与储气空腔7连通，储气空腔7与弧室15连通。
[0027]外绝缘套筒5的前端开有冷却水入口 8,冷却水由此进入水冷空腔9后，由阴极体I中部开的冷却水入口进入阴极体水冷空腔10，并最终从阴极体后部的冷却水出口流出。阳极座12上设置有长方形水冷加强筋，增大水冷接触面积，提高了冷却效率。
[0028]外绝缘套筒5和内绝缘套筒4后部开有同心通孔，为工作气体入口 3。工作气体由此进入内绝缘套筒的储气空腔7，在储气空腔7加压后沿阴极体轴向加速喷出同时冷却阴极体I表面，进入到可更换阳极13喷嘴，电离后最终产生高温高速的等离子体射流。
[0029]阴极体I头部镶嵌铪丝，头部采用圆台形。阳极座12和可更换阳极13，材料为紫铜。通过仿真计算，优化了可更换阳极13的构型和尺寸，可更换阳极收缩段10压缩半角为32°，可更换阳极扩张段13扩张半角为13°。
[0030]实施例3
[0031]一种电极水冷一体化的超音速等离子体喷枪，其特征在于:包括阴极体1、内绝缘套筒4、外绝缘套筒5、阳极座12、可更换阳极13 ;阴极体I为中空管道，内部为阴极水冷通道10，外绝缘套筒5为圆筒状中空结构，外绝缘套筒5 —端开有与阴极体I外径配合的通孔，与阴极体I采用过渡配合，其外端面贴合定位于阴极体凸台2的一侧，另一端为开口结构；阴极体I位于外绝缘套筒5外侧的一端设有冷却水出口 ；内绝缘套筒4 一端开有与阴极体I外径配合的通孔，与阴极体I采用过渡配合，且其外端面贴合定位于外绝缘套筒5内侦牝另一端为开口结构；阳极座12为管装结构；一端伸入内绝缘套筒4的开口结构中，外端面贴合定位于内绝缘套筒4内侧；与内绝缘套筒4过渡配合,另一端与外绝缘套筒5的开口结构过渡配合，内绝缘套筒4和阳极座12、外绝缘套筒5和阳极座12之间设置密封圈；可更换阳极13设置在阳极座12的通孔中，与其过渡配合；外绝缘套筒5与内绝缘套筒4以及阳极座12之间围成水冷空腔9，外绝缘套筒5在水冷空腔一侧的筒壁上开有外绝缘套筒冷却水入口 8，阴极体I在位于外绝缘套筒5内的一侧的管壁上开有阴极体冷却水入口 14，内绝缘套筒4上开有通道，连通水冷空腔9和阴极体冷却水入口 14;内绝缘套筒4内设有储气空腔7，储气空腔7靠近阴极体I的一端在外绝缘套筒5的筒壁上开有工作气体入口 3，与储气空腔7连通，储气空腔7与弧室15连通。
[0032]外绝缘套筒5的前端开有冷却水入口 8,冷却水由此进入水冷空腔9后，由阴极体I中部开的冷却水入口进入阴极体水冷空腔10，并最终从阴极体后部的冷却水出口流出。阳极座12上设置有梯形水冷加强筋，增大水冷接触面积，提高了冷却效率。
[0033]外绝缘套筒5和内绝缘套筒4后部开有同心通孔，为工作气体入口 3。工作气体由此进入内绝缘套筒的储气空腔7，在储气空腔7加压后沿阴极体轴向加速喷出同时冷却阴极体I表面，进入到可更换阳极13喷嘴，电离后最终产生高温高速的等离子体射流。
[0034]阴极体I头部镶嵌铪丝，头部可以采用圆锥形。阳极座12和可更换阳极13，材料为紫铜。通过仿真计算，优化了可更换阳极13的构型和尺寸，可更换阳极收缩段10压缩半角为30°，可更换阳极13扩张段扩张半角为12°。该实施例方案为最优方案。在该尺寸构型、常压下工作可以获得2.6个马赫数的超音速等离子射流，符合工业应用标准。
【权利要求】
1.一种电极水冷一体化的超音速等离子体喷枪，其特征在于:包括阴极体(I)、内绝缘套筒(4)、外绝缘套筒(5)、阳极座(12)、可更换阳极(13);阴极体(I)为中空管道，内部为阴极水冷通道(10)，外绝缘套筒(5)为圆筒状中空结构，外绝缘套筒(5)—端开有与阴极体(I)外径配合的通孔，与阴极体(I)采用过渡配合，其外端面贴合定位于阴极体凸台(2)的一侧，另一端为开口结构；阴极体(I)位于外绝缘套筒(5)外侧的一端设有冷却水出口 ；内绝缘套筒(4) 一端开有与阴极体(I)外径配合的通孔，与阴极体(I)采用过渡配合，且其外端面贴合定位于外绝缘套筒(5)内侧，另一端为开口结构；阳极座(12)为管装结构；一端伸入内绝缘套筒(4)的开口结构中,外端面贴合定位于内绝缘套筒(4)内侧；与内绝缘套筒(4)过渡配合，另一端与外绝缘套筒(5)的开口结构过渡配合；可更换阳极(13)设置在阳极座(12)的通孔中，与其过渡配合；外绝缘套筒(5)与内绝缘套筒(4)以及阳极座(12)之间围成水冷空腔(9)，外绝缘套筒(5)在水冷空腔一侧的筒壁上开有外绝缘套筒冷却水入口(8)，阴极体(I)在位于外绝缘套筒(5)内的一侧的管壁上开有阴极体冷却水入口(14)，内绝缘套筒(4)上开有通道，连通水冷空腔(9)和阴极体冷却水入口( 14);内绝缘套筒(4)内设有储气空腔(7)，储气空腔(7)靠近阴极体(I)的一端在外绝缘套筒(5)的筒壁上开有工作气体入口(3)，与储气空腔(7)连通，储气空腔(7)与弧室(15)连通。
2.根据权利要求1所述的一种电极水冷一体化的超音速等离子体喷枪，其特征在于:所述的阴极体(I)头部镶嵌铪丝，头部采用圆锥形或采用圆台形。
3.根据权利要求1所述的一种电极水冷一体化的超音速等离子体喷枪，其特征在于:所述的内绝缘套筒(4)和阳极座(12)、外绝缘套筒(5)和阳极座(12)之间设置密封圈。
4.根据权利要求1所述的一种电极水冷一体化的超音速等离子体喷枪，其特征在于:所述的接触水冷空腔(9)的阳极座(12)上均匀设置有水冷加强筋(11)，水冷加强筋(11)为长方形或梯形结构。
5.根据权利要求1所述的一种电极水冷一体化的超音速等离子体喷枪，其特征在于:所述的可更换阳极(13)喷嘴收缩半角为28°?32°，可更换阳极(13)喷嘴扩张半角为11°?13° ,可更换阳极(13)喷嘴喉径为2?3mm。
【文档编号】H05H1/28GK103458602SQ201310398665
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月5日 优先权日:2013年9月5日
【发明者】陈浩, 陈雄, 刘锐, 薛海峰, 王轶, 郑健 申请人:南京理工大学