一种超音速等离子体喷枪的阳极及超音速等离子体喷枪的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种超音速等离子体喷枪的阳极及超音速等离子体喷枪。主要是将常规的拉瓦尔型阳极一分为二，靠近阴极体的称基础阳极，远离阴极体的称辅助阳极，中间通过耐高温绝缘陶瓷片隔开。阴极体固定在导电枪芯上，沿轴向依次连接基础阳极和辅助阳极。工作时，将弧根位置从基础阳极转移到辅助阳极上，这样一方面保护了结构复杂的拉瓦尔型基础阳极喷嘴；另一方面拉长了电弧，在工作电流保持不变的情况提高了电压，使得能量利用率得到提高。
【专利说明】一种超音速等离子体喷枪的阳极及超音速等离子体喷枪
【技术领域】
[0001]本实用新型属于热等离子体【技术领域】，具体涉及一种超音速等离子体喷枪的阳极及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(CN 101289744A)和名称:拉瓦尔阳极结构电弧等离子体炬(CN 20198625 U)这两项专利中，公开的等离子体发生器中均是由一个阴极和一个阳极组成。当复杂构型的拉瓦尔喷嘴作为阳极时，即使在有良好的水冷保护下也会由于阳极弧根的附着而造成烧蚀，继而影响超音速等离子体射流的工作特性。此外，现有的超音速等离子体喷枪都是通过提高工作电流来提高射流的速度和温度，但是电流的提高将大大缩短电极的使用寿命。在进气方面，现有的离子体炬主要是通过直孔或者直槽将压缩空气引入喷嘴的腔体，这种直线的进气方式，会造成电弧电压的波动，不利于射流形貌的保持。在冷却保护方面，现有的超音速等离子体喷枪中电极冷却系统互不独立，造成了电极检测和拆装的困难。
【发明内容】
[0004]本实用新型的目的在于针对现有超音速等离子体喷枪中复杂构型的拉瓦尔阳极喷嘴寿命短、能量利用效率低等技术不足，提供了一种结构简单、可靠、低成本、小型化的超音速等离子体喷枪的阳极及超音速等离子体喷枪。一方面，避免因弧根附着而造成复杂构型的拉瓦尔基础阳极喷嘴表面的烧蚀，以延长其工作寿命，通过更换易于加工的辅助阳极喷嘴，以提高经济效益；另一方面，通过变换弧根位置，人为地拉长电弧，使得工作气体所受焦耳加热段变长，以提高能量利用效率。
[0005]实现本实用新型目的的技术解决方案为:
[0006]一种超音速等离子体喷枪的阳极，包括基础阳极和辅助阳极，所述基础阳极为环形结构包括基础阳极环形水冷腔体和基础阳极环形水冷腔体包围的中空管道，辅助阳极为环形结构，内部开有辅助阳极环形水冷腔体，基础阳极和辅助阳极相互独立；所述基础阳极中空管道采用拉瓦尔结构，从一端到另一端依次包括基础阳极收缩段、基础阳极直筒段、基础阳极扩张段，辅助阳极通过陶瓷绝缘片固定在基础阳极扩张段开口处。
[0007]—种超音速等离子体喷枪，包括阳极、阴极和枪体，所述阳极包括基础阳极和辅助阳极，所述基础阳极包括基础阳极环形水冷腔体和基础阳极环形水冷腔体包围的中空管道，辅助阳极为环形结构，内部开有辅助阳极环形水冷腔体，基础阳极和辅助阳极相互独立；所述基础阳极内部通道采用拉瓦尔结构，从一端到另一端依次包括基础阳极收缩段、基础阳极直筒段、基础阳极扩张段，辅助阳极通过陶瓷绝缘片固定在基础阳极扩张段开口处，所述枪体包括导电枪芯、绝缘套筒和固定套筒，基础阳极连接在绝缘套筒上，固定套筒装在辅助阳极的外周上，并连接基础阳极固定套筒装在辅助阳极的外周上，并连接基础阳极，固定套筒和辅助阳极由O型密封圈隔开，绝缘套筒装在导电枪芯的外周上，阴极连接在导电枪芯上，并安装在绝缘套筒内。
[0008]其中，所述连接关系采用螺纹连接。阴极包括阴极体、阴极气冷通道和阴极尖端铪丝，所述阴极体为中空管道，内部开有阴极气冷通道，阴极尖端铪丝镶嵌在阴极体前端。
[0009]导电枪芯竖直方向上开有气流通道，导电枪芯1/3高度处，对称地开有四个导电枪芯气孔，气流通道与四个导电枪芯气孔呈垂直位置并相通，所述绝缘套筒与导电枪芯之间的空腔处开有螺旋气流通道，四个导电枪芯气孔与旋流进气通道相通；工作气体通过气流通道进入阴极气冷通道对阴极体进行第一次冷却，并经由导电枪芯气孔进入旋流进气通道对阴极体进行第二次冷却。
[0010]作为优选方案:
[0011]所述基础阳极喷嘴收缩半角为30°，基础阳极和辅助阳极扩张半角为12°，基础阳极喷嘴喉径为2_。
[0012]工作原理:本实用新型的超音速等离子体喷枪，主要是将常规的拉瓦尔型阳极一分为二，靠近阴极体的称基础阳极，远离阴极体的称辅助阳极，中间通过耐高温绝缘陶瓷片隔开。阴极体固定在导电枪芯上，沿轴向依次连接基础阳极和辅助阳极。电源的负极通过导电枪芯连接在阴极体上，电源的正极接辅助阳极，在电源正极接基础阳极地电路上设置一个开关。使用时，先闭合开关并通电，此时相当于常规单阳极超音速等离子体喷枪，待电弧工作稳定后，断开开关，由于等离子体的导电性，会在辅助阳极上重新生成电弧弧根。
[0013]阴极采用气冷方式，工作气体通过气流通道进进入到阴极气冷通道对阴极体进行第一次冷却，保证阴极不被高温损坏，同时阴极气冷通道内的气体在被加热后进入到由绝缘套筒和导电枪芯外周配合而成的旋转进气通道对阴极体进行第二次冷却，在螺旋气流通道中旋转加压加速后，会绕电极旋转前进，以冷却阴极表面；然后螺旋气流到达喷嘴的内腔，经再次压缩，最后以高速旋转的气流将等离子弧从喷嘴的出口喷出；基础阳极和辅助阳极采用独立的水冷系统。
[0014]本实用新型与现有技术相比，其显著优点:(I)基础阳极与辅助阳极通过耐高温绝缘陶瓷片隔开，二者具有独立的水冷系统，便于检漏和拆装，并通过固定套筒装配在一起，保证了其同轴度；(2)工作时，将电弧弧根位置人为地转移到辅助阳极上，一方面，避免了因弧根附着而造成的复杂构型拉瓦尔基础阳极喷嘴表面的烧蚀，延长了其工作寿命。由于辅助阳极构型简单且易于更换，提高了经济效益；另一方面，弧根位置由基础阳极变换到辅助阳极上后，电弧被人为地拉长了，使得工作气体受焦耳加热段变长，电弧电压也得到提高，从而提高了能量利用效率；(3)阴极采用气冷方式，工作气体通过气流通道进进入到阴极气冷通道保证阴极不被高温损坏，同时阴极气冷通道内的气体在被加热后进入到由绝缘套筒和导电枪芯外周配合而成的旋转进气通道，在螺旋气流通道中旋转加压加速后，会绕电极旋转前进，以冷却阴极表面。这样，既保证了阴极的冷却效果，也提高了能量利用效率。
[0015]下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1本实用新型一种超音速等离子体喷枪剖面示意图。
[0017]图中，1-气流通道、2-导电枪芯、3-导电枪芯气孔、4-旋流进气通道、5-绝缘套筒、6-阴极体、7-阴极气冷通道、8-阴极尖端铪丝、9-基础阳极、10-基础阳极收缩段、11-基础阳极直筒段、12基础阳极水冷通道、13基础阳极扩张段、14-耐高温绝缘陶瓷片、15-辅助阳极、16-辅助阳极水冷通道、17-0型绝缘密封圈、18-固定套筒。
【具体实施方式】
[0018]下面的实施例可以使本专业技术人员更全面地理解本实用新型。
[0019]实施例1
[0020]一种超音速等离子体喷枪的阳极，包括基础阳极9和辅助阳极15，所述基础阳极9为环形结构包括基础阳极环形水冷腔体12和基础阳极环形水冷腔体12包围的中空管道，辅助阳极15为环形结构，内部开有辅助阳极环形水冷腔体16，基础阳极9和辅助阳极15相互独立；所述基础阳极9中空管道采用拉瓦尔结构，从一端到另一端依次包括基础阳极收缩段10、基础阳极直筒段11、基础阳极扩张段13，辅助阳极15通过陶瓷绝缘片14固定在基础阳极扩张段13开口处。
[0021]一种超音速等离子体喷枪，包括阳极、阴极和枪体，其特征在于，所述阳极包括基础阳极9和辅助阳极15，所述基础阳极9包括基础阳极环形水冷腔体12和基础阳极环形水冷腔体12包围的中空管道，辅助阳极15为环形结构，内部开有辅助阳极环形水冷腔体16，基础阳极9和辅助阳极15相互独立；所述基础阳极9内部通道采用拉瓦尔结构，从一端到另一端依次包括基础阳极收缩段10、基础阳极直筒段11、基础阳极扩张段13，辅助阳极15通过陶瓷绝缘片14固定在基础阳极扩张段13开口处，所述枪体包括导电枪芯2、绝缘套筒5和固定套筒18，基础阳极9通过螺纹连接在绝缘套筒5上，固定套筒18装在辅助阳极15的外周上，并通过螺纹连接基础阳极9，固定套筒18装在辅助阳极15的外周上，并连接基础阳极9，固定套筒18和辅助阳极15由O型密封圈17隔开，绝缘套筒5装在导电枪芯2的外周上，阴极通过螺纹连接在导电枪芯2上，并安装在绝缘套筒5内。
[0022]其中，阴极包括阴极体6、阴极气冷通道7和阴极尖端铪丝8，所述阴极体6为中空管道，内部开有阴极气冷通道7，阴极尖端铪丝8镶嵌在阴极体6前端。
[0023]导电枪芯2竖直方向上开有气流通道1，导电枪芯2 1/3高度处，对称地开有四个导电枪芯气孔3，气流通道I与四个导电枪芯气孔3呈垂直位置并相通，所述绝缘套筒5与导电枪芯2之间的空腔处开有螺旋气流通道4，四个导电枪芯气孔3与旋流进气通道4相通。
[0024]该实用新型中工作气体和冷却气体共用一个气流通道，工作气体通过气流通道I进入到阴极气冷通道7保证了阴极不被高温损坏，同时阴极气冷通道内的气体在被加热后进入到由绝缘套筒和导电枪芯外周配合而成的旋转进气通道4，在螺旋气流通道中旋转加压加速后，会绕电极旋转前进，以冷却阴极表面。既保护了阴极尖端表面又保证了能量的集中。
[0025]本实用新型使用时，电源的负极通过导电枪芯连接在阴极体上，电源的正极接辅助阳极15，在电源正极接基础阳极的电路上设置一个开关。超音速双阳极等离子体喷枪使用时，先闭合开关并通电，此时相当于常规单阳极超音速等离子体喷枪，待电弧工作稳定后，断开开关，由于等离子体的导电性，会在辅助阳极15上重新生成电弧弧根。人为地将弧根附着位置由基础阳极9变换到辅助阳极上15。这样，电弧被人为地拉长了，使得工作气体所受焦耳加热段变长，电弧电压也得到提高，在以不增大工作电流牺牲阴极工作寿命的情况下，提高了能量利用效率.[0026]基础阳极9和辅助阳极15，材料为紫铜。通过仿真计算，优化了基础阳极9的构型和尺寸，基础阳极收缩段10压缩半角为30°，基础阳极扩张段13扩张半角为12°，该尺寸构型下在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】
1.一种超音速等离子体喷枪的阳极，其特征在于，包括基础阳极(9)和辅助阳极(15)，所述基础阳极(9)为环形结构包括基础阳极环形水冷腔体(12)和基础阳极环形水冷腔体(12)包围的中空管道，所述辅助阳极(15)为环形结构，内部开有辅助阳极环形水冷腔体(16)，基础阳极(9)和辅助阳极(15)相互独立；所述基础阳极(9)中空管道采用拉瓦尔结构，从一端到另一端依次包括基础阳极收缩段(10)、基础阳极直筒段(11)、基础阳极扩张段(13)，辅助阳极(15)通过陶瓷绝缘片(14)固定在基础阳极扩张段(13)开口处。
2.一种超音速等离子体喷枪，包括阳极、阴极和枪体，其特征在于，所述阳极包括基础阳极(9 )和辅助阳极(15 )，所述基础阳极(9 )包括基础阳极环形水冷腔体(12 )和基础阳极环形水冷腔体(12)包围的中空管道，辅助阳极(15)为环形结构，内部开有辅助阳极环形水冷腔体(16)，基础阳极(9)和辅助阳极(15)相互独立；所述基础阳极(9)内部通道采用拉瓦尔结构，从一端到另一端依次包括基础阳极收缩段(10)、基础阳极直筒段(11)、基础阳极扩张段(13)，辅助阳极(15)通过陶瓷绝缘片(14)固定在基础阳极扩张段(13)开口处；所述枪体包括导电枪芯(2 )、绝缘套筒(5 )和固定套筒(18 )，基础阳极(9 )连接在绝缘套筒(5)上，固定套筒(18)装在辅助阳极(15)的外周上，并连接基础阳极(9)，固定套筒(18)和辅助阳极(15)由O型密封圈(17)隔开，绝缘套筒(5)装在导电枪芯(2)的外周上，阴极连接在导电枪芯(2)上，并安装在绝缘套筒(5)内。
3.根据权利要求2所述的超音速等离子体喷枪，其特征在于，所述连接关系采用螺纹连接。
4.根据权利要求2所述的超音速等离子体喷枪，其特征在于，阴极包括阴极体(6)、阴极气冷通道(7)和阴极尖端铪丝(8)，所述阴极体(6)为中空管道，内部开有阴极气冷通道(7)，阴极尖端铪丝(8)镶嵌在阴极体(6)前端。
5.根据权利要求2所述的超音速等离子体喷枪，其特征在于，导电枪芯(2)竖直方向上开有气流通道(1)，导电枪芯(2) 1/3高度处，对称地开有四个导电枪芯气孔(3)，气流通道(I)与四个导电枪芯气孔(3)呈垂直位置并相通，所述绝缘套筒(5)与导电枪芯(2)之间的空腔处开有螺旋气流通道(4)，四个导电枪芯气孔(3)与旋流进气通道(4)相通。
6.根据权利要求1或2所述的超音速等离子体喷枪，其特征在于，基础阳极(9)喷嘴收缩半角为30°，基础阳极(9)和辅助阳极(15)扩张半角为12°，基础阳极(9)喷嘴喉径为2mm ο
【文档编号】H05H1/32GK203378130SQ201320320763
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年6月5日 优先权日:2013年6月5日
【发明者】陈浩, 陈雄, 薛海峰 申请人:南京理工大学