专利名称：电弧火炬用的气冷阴极的制作方法
技术领域：
本发明涉及直流电弧火炬用的气冷阴极。直流电弧火炬不应与移动电弧装置例如不熔化极气体保护焊(TIG)混淆，后者阳极包括了焊接工件。一外套围绕着不熔化极气体保护焊机的阴极，一大流量的惰性气体(非工作气体)通过外套吹出，形成惰性环境，并防止阴极和工件氧化。
直流电弧火炬也不应与间断电弧装置，例如用于喷气发动机者相混淆。
在直流电弧火炬内，工作气体被直流电弧加热形成等离子体，该等离子体通过包括其阳极的喷嘴流出。上述装置连续一长段时间使用，而上述等离子体可用以点燃燃料例如发电蒸气锅炉内的煤粉。上述等离子体也可以用来稳定煤的燃烧，还有各种用途，例如用在高炉中，并得到生产用热量。
现有常用的直流电弧火炬都是水冷的，并且水的通道通过阴极和阳极。冷却是重要的，它防止阴极升温至由于熔化或蒸发而变坏的高温。另外，高温的阴极发出的热辐射，将使电弧失去控制。工作气体通过将阳极与阴极隔开的绝缘件，直接地流入阳极与阴极之间的空间。
上述水冷的安排包括将水管连接至火炬，并由于水是导电的，要求将水的回路加以电绝缘。在这些系统中，存在潜伏的不安全的危害，如果使用时有一水管脱落，热的和可能带高压的水流不受控制地喷射出来。
根据本发明，提供了一种气冷阴极，用于直流电弧火炬。所述阴极有尖端连接至主体。一用于工作气体的气体通道，穿过阴极的主体，接近所述尖端，并气体邻近尖端流出主体。阴极与阳极被间隔开，并与阳极加以电绝缘，借助于一电绝缘材料的套筒。
所有被用来支持电弧的工作气体，通过阴极被提供，并冷却阴极，其流向阳极的入口。
最好有一涡流器围绕阴极的尖端，并位于工作气体流出主体的出口的下游。工作气体的旋动改善了在阴极区间内电弧的稳定，并且阳极根部旋动，减少了阳极的侵蚀。在最佳实施例中，涡流器是金属制的，并且当火炬加热至使用温度时，它膨胀并封住将阴极与阳极绝缘的套筒。
在本发明最佳实施例中，气体通道穿过阴极连通所述尖端，致使工作气体通过阴极时接触到其尖端部分。
现在，参阅附图，仅以举例说明的方式介绍本发明。
附图中
图1是一蒸气锅炉壁部的示意剖面图，锅炉内使用了本发明电弧火炬;
图2a是本发明电弧火炬部分剖视的正视图;
图2b是图2a中阳极沿剖线Ⅱb-Ⅱb的剖面图;
图3a是图2a中阴极的正视图;
图3b是图3a阴极尖端的正视图。
首先参阅图1，一典型的蒸气锅炉有外壁1和内壁2，内壁2铺有水管3。壁内空间装有直流电弧火炬4。一通道5从外壁1延伸往所述电弧火炬用于供应工作气体。
使用时，电弧火炬4发射出以区间6标示的等离子体火舌，进入锅炉的内腔来加热管子3内的水。煤粉被吹入，通过仅以箭头7示意的管道，吹向等离子体，这样加大了能量输出。典型的是取得十倍的能量输出。从第二空气腔室8来的空气与更多的煤粉混合，通过一涡流器9吹出，以箭头10代表其方向，吹入已点燃的等离子体区间，更加大了能量输出。再产生典型的是十倍的能量输出。
在图2中更详细地显示了电弧火炬4，包括以11整体标志的阴极和以12整体标志的阳极。所述阴极包括一铜阴极主体13(图3a中可清楚看到)和一涂钍的钨尖端14(图3b中可看到)。一绝缘陶瓷(玻璃陶瓷)套筒15围绕所述阴极，接着前者又被一铜阴极壳体16所围绕。阳极17本身是铜制的，与阴极之间用套筒15所隔开和绝缘。
阳极17的外表面有纵向延伸的槽18，这可从图2b中看到，并由一黄铜导水环19所围绕，来限定沿着阳极外表面的纵向延伸的水通道。一黄铜阳极壳体20用作支撑阳极和导水环。一环状入水腔室21允许冷却水流入，在使用时，沿着阳极外表面的纵向延伸的水通道流动。然后，水流回到导水环1a的外侧，流入环状出水腔室22。
现翻阅图3a，更详细地介绍阴极11的结构。阴极主体13从其外端由一轴向延伸的气体通道23所贯穿。气体通道23与一内螺纹通道24连通，后者从阴极的内端延伸至阴极主体内。径向延伸的通道25，从气体通道23与通道24的交接处往外延伸。一铜涡流器26位于阴极主体13的最内端，并径向往外地延伸。
阴极尖端14包括一圆顶端部27与一轴向延伸的外螺纹杆28，如图3b所示。所述尖端拧入阴极主体13内，杆28上的外螺纹与通道24的内螺纹相互啮合，致使杆18完全阻塞通道24，并且杆的端头接近气体通道23的端部。
在使用时，一种非氧化的气体例如氮气吹入，通过通道5进入通道23。所述工作气体冲击杆28的端头，并通过径向延伸的通道25流出阴极。所述气体受到阴极主体阶梯剖面和绝缘套筒15的限制并受压通过涡流器26，在阳极的中空内部由于在阴极尖端14与阳极17之间放电，气体被激励成等离子体。
所述氮气通过通道23流动时被冷却，并冲击杆28的端头，保持整个尖端在使用时冷却。气体也保持主体13冷却。
涡流器26典型地是由金属例如铜制作，并当火炬如热至工作温度时，它膨胀接触到绝缘套筒15的内表面，并形成一密封。
实践中得知，火炬的尺寸和工作条件必须小心选择，才可保证本发明的电弧火炬在长时间内满意使用，在一使用实例中，其阴极尖端14有20mm的直径和25mm的长度，而螺纹杆28从背部延伸约10mm。气体通道23直径大约是7mm氮气吹入的流量大约是25gm/sec。电弧的供电电压是300V，电流是200A，涡流器26所达到的温度不超过800℃。
虽然本发明结合了特别实例进行介绍，但它可有多种的形式的实施。例如，其它结构气体通道可以延伸穿过阴极。如需要，也可在阳极12采用气体冷却。另外，并不限定涂钍的钨是制作阴极尖端的唯一一种材料，而它必须由有高熔点的材料制作，并且是由可热离子发射的材料制作。
权利要求
1.一种直流电弧火炬的气冷阴极，有一连接至主体的尖端，其内一用于工作气体的气体通道穿过主体，接近尖端，并邻近尖端气体流出主体。
2.根据权利要求1所述的气冷阴极，其特征在于一涡流器围绕阴极的尖端，并位于工作气体流出主体的出口的下游。
3.根据权利要求2所述的气冷阴极，其特征在于上述涡流器是金属制的，使用时当火炬加热至使用温度时，它膨胀并封住将阴极与阳极绝缘的套筒。
4.根据前述任何一项权利要求所述的气冷阴极，其特征在于上述气体通道穿过阴极连通尖端，使工作气体通过阴极时接触到尖端。
全文摘要
一种直流电弧火炬用的气冷阴极。所述阴极有一连接至主体的尖端。一用于工作气体的气体通道穿过阴极主体，接近尖端，并邻近尖端气体流出主体。阴极与阳极用绝缘材料套筒隔开和绝缘。
文档编号H05H1/28GK1053379SQ91100379
公开日1991年7月31日 申请日期1991年1月17日 优先权日1990年1月17日
发明者克雷格·福尔曼, 彼得·菲尔布姆 申请人:悉尼大学, 新南威尔士州电力委员会