等离子发生器的制作方法

本实用新型涉及等离子设备领域，特别涉及一种等离子发生器。

背景技术：

阳极冷却系统和阳极稳弧系统是等离子体发生器的关键组成部分。

现有技术中，等离子体发生器的阳极冷却系统通常为水冷却系统。水冷却系统包括在阳极外周的空腔和在空腔内部设置的隔水板或隔水套，隔水板或隔水套使空腔形成进出水循环流路。水冷却系统在阳极的各相邻段的连接处以及阳极与阳极支架的连接处需要设置密封胶圈以防漏水。

等离子体发生器的阳极稳弧系统的稳弧方式主要有液稳方式、磁稳方式和气稳方式三种。其中，气稳方式简单易行，使用最为普遍。

在实现本实用新型的过程中，设计人员发现等离子体发生器采用水冷却系统和气稳方式的阳极稳弧系统具有如下不足之处：

1、水冷却系统中密封胶圈一旦损坏出现漏水现象，就会产生断弧，或者由于漏水导致阳极热量难以散发引起局部过热而烧损阳极。

2、水冷却系统的等离子发生器的结构复杂，等离子发生器的重量较大，成本较高，维护困难。

3、通过气稳方式实现稳弧对气体的各项参数要求较高，如果气体旋流的强度不够，或者风速达不到等离子体发生器电弧所要求的参数，产生的电弧就会在等离子体发生器的阴极和阳极之间飘动而不能稳定，气体电离率的起伏很大，等离子体发生器容易断弧，也可能引起等离子体发生器的正极和负极的非正常烧损，缩短电极的工作寿命。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种等离子发生器，旨在利用压缩气体同时实现阳极冷却和稳弧功能。

本实用新型提供一种等离子发生器，包括阳极和阴极，其中，所述阳极为轴线沿前后方向设置的管状体，所述管状体的中空部分形成等离子弧发生腔所述阳极的外周外侧设置有冷却气腔，所述冷却气腔具有用于通入压缩气体的第一进气口；所述阴极位于所述阳极的前端并与所述等离子弧发生腔相对，所述阴极的外周外侧设置有与所述等离子弧发生腔连通的介质气腔，所述介质气腔具有用于通入介质气体的第二进气口；所述阳极的侧壁开设有连通所述冷却气腔和所述等离子弧发生腔的多个导流孔，所述多个导流孔设置为：通过所述导流孔进入所述等离子弧发生腔的所述压缩气体形成具有切向速度和向后的轴向速度的贴壁旋流气膜。

本实用新型提供的等离子体发生器，压缩气体通过第一进气口进入冷却气腔，再通过导流孔进入阳极的等离子弧发生腔，并在导流孔的作用下形成贴壁旋流气膜。贴壁旋流气膜可取代水冷却系统的循环冷却水对阳极进行冷却；同时，贴壁旋流气膜可以在冷却阳极的同时为等离子体发生器提供稳弧气流，使等离子体发生器不容易断弧。

通过以下参照附图对本实用新型的示例性实施例的详细描述，本实用新型的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型一个实施例的等离子发生器的剖面结构示意图；

图2为图1所示实施例的等离子发生器的阳极的剖面结构示意图。

附图中标号:

1、阳极；1-1、前段；1-2、中段；1-3、后段；1-4、导流孔；1-5、等离子弧发生腔；2、阴极；3、阳极护套；4、等离子弧；5、阳极弧根；6、阴极弧根；7、第一进气口；8、介质气体；9、贴壁旋流气膜； 10、第二进气口；11、电源；12、介质气腔；13、冷却气腔。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

如图1和图2所示，本实用新型实施例的等离子发生器包括阳极 1和阴极2。阳极1为轴线沿前后方向设置的管状体，管状体的中空部分形成等离子弧发生腔1-5。阳极1的外周外侧设置有冷却气腔13，冷却气腔13具有用于通入压缩气体的第一进气口7。阴极2位于阳极1的前端并与等离子弧发生腔1-5相对。阴极2的外周外侧设置有与等离子弧发生腔1-5连通的介质气腔12，介质气腔12具有用于通入介质气体的第二进气口10。阳极1的侧壁开设有连通冷却气腔13 和等离子弧发生腔1-5的多个导流孔1-4。多个导流孔1-4设置为：通过导流孔1-4进入等离子弧发生腔1-5的压缩气体形成具有切向速度和向后的轴向速度的贴壁旋流气膜9。

该等离子体发生器通过第一进气口7向冷却气腔13通入压缩气体，通过导流孔1-4将压缩气体通入阳极2的等离子弧发生腔1-5并形成贴壁旋流气膜9。贴壁旋流气膜9可取代水冷却系统的循环冷却水对阳极1进行冷却；同时，贴壁旋流气膜9可以在冷却阳极1的同时为等离子体发生器提供稳弧气流，使等离子体发生器不容易断弧。

在一些优选的实施例中，多个导流孔1-4形成至少一个导流孔组，导流孔组内的各导流孔1-4以阳极1的轴线为中心沿螺旋线轨迹排列。该设置有利于组织压缩气体形成贴壁旋流气膜9，从而利于较好地冷却阳极并产生良好的稳弧效果。

在一些优选的实施例中，导流孔1-4形成两个以上导流孔组，各导流孔组的螺旋线轨迹沿阳极1的轴线方向多头布置。该设置可以使多个导流孔1-4的疏密程度和压缩气体的出射角度得到较好的协调，从而较好地控制压缩气体的流量、速度与方向，从而更好地控制冷却效果和稳弧效果。

在一些优选的实施例中，导流孔组内的各导流孔1-4设置为：沿螺旋线轨迹的每两个相邻的导流孔1-4中位于下游的导流孔1-4与位于上游的导流孔1-4的流出气流的流动路径错位布置。可以通过控制导流孔1-4的疏密程度和/或角度来实现错位布置。例如，可以使位于上游的导流孔1-4的气流流出方向与前后方向的夹角不同于位于下游的导流孔1-4的气流流出方向与前后方向的夹角实现前述错位布置。该设置可以使上游的导流孔1-4流出的压缩气体的流动较少地受到下游的导流孔1-4流出的压缩气体的影响，减少涡流产生，利于气流旋流流动，因此利于提高冷却效果和稳弧效果。

在一些优选的实施例中，螺旋线轨迹等节距地设置或变节距地设置。螺旋线轨迹的节距可以根据冷却和稳弧需要设置以调节贴壁旋流气膜9的参数，达到需要的冷却和稳弧效果。

优选地，螺旋线轨迹的节距从前向后逐渐减小。该设置利于提高高温集中区域处贴壁旋流气膜9的流量和流速，提高冷却效果。

在一些优选的实施例中，至少一个导流孔1-4的气流流出方向与前后方向的夹角不同于其余导流孔1-4的气流流出方向与前后方向的夹角。通过控制多个导流孔1-4的气流流出方向与前后方向的夹角，可以有效地控制贴壁旋流气膜9的切向速度和轴向速度，达到需要的冷却和稳弧效果。

在一些优选的实施例中，导流孔1-4设于阳极1的后段。阳极1 的温度最高的位置在阳极弧根5处，由于高压电弧受到介质气体的推动作用，阳极弧根位于阳极1的后段，将导流孔1-4设于阳极1的后段可以在后段形成贴壁旋流气膜9，有效地对阳极弧根5处等温度较高的位置进行有针对地冷却，更好地实现冷却和稳弧功能。

在一些优选的实施例中，阳极1的设置有导流孔1-4的部分的侧壁内径大于阳极1的其余部分的侧壁内径。该设置可以减少贴壁旋流气膜9对高压电弧的移动产生的不利干扰。

在一些优选的实施例中，介质气体以旋流方式进入等离子弧发生腔1-5。因此，介质气体及高压电弧在等离子弧发生腔1-5内以旋流方式向后移动，利于高压电弧稳定地处于介质气体内部，提高等离子发生器的稳定性。

以下结合图1和图2详细说明本实用新型实施例的等离子发生器。

如图1所示，该实施例的等离子发生器包括阳极1、阴极2和阳极护套3。阳极1和阴极2分别接通电源11的正极和负极。阴极2与阳极1通过接触产生高压电弧。

阳极1为轴向沿前后方向设置的管状体，管状体的中空部分形成等离子弧发生腔1-5。如图2所示，本实施例中，阳极1从前向后分为前段1-1、中段1-2和后段1-3。前段1-1、中段1-2和后段1-3可以是一体设置，也可以是分体设置再连接在一起。

如图1和图2所示，前段1-1的内表面包括横截面面积从前向后逐渐缩小的渐缩表面。渐缩表面形成渐缩流道。渐缩流道可以对高压电弧进行机械压缩。另外，为了与阴极2的端部配合，前段1-1的内表面还包括在渐缩表面的前端设置的一段轴向距离较短的第一圆柱面。

中段1-2的内表面包括第二圆柱面。第二圆柱面与前段1-1的渐缩表面的后端同轴连接。第二圆柱面的直径与渐缩表面的后端直径相同。本实施例中，渐缩表面为设置于第一圆柱面与中段1-2的内表面之间的横截面面积逐渐缩小的第一圆锥面。

后段1-3的内表面包括与第二圆柱面同轴的第三圆柱面。第三圆柱面的直径大于第二圆柱面的直径。如图2所示，多个导流孔1-4开设于阳极1的后段1-3的第三圆柱面处。

后段1-3的内表面还包括连接第二圆柱面和第三圆柱面的过渡表面。过渡表面为第二圆锥面。第二圆锥面的前端与第二圆柱面直径相同且同轴连接。第二圆锥面的后端与第三圆柱面直径相同且同轴连接。过渡表面可以使介质气流从第二圆柱面向第三圆柱面流动时流动更加平稳。

阳极1优选地采用导电能力和导热能力较好的紫铜材料制成。

如图1所示，阳极护套3套设在阳极1外周并在阳极1的外周形成冷却气腔13。冷却气腔13具有用于通入压缩气体的第一进气口7。

如图1所示，阴极2位于阳极1的前端并与等离子弧发生腔1-5 相对。阴极2外周设置有与等离子弧发生腔1-5连通的介质气腔12，介质气腔12具有用于通入介质气体的第二进气口10。本实施例中，介质气腔12由阳极支架的内腔壁和阴极2的外周围成。阴极2的前端位于阳极1的前段1-1的第一圆柱面内侧，与第一圆柱面之间形成环形的介质气流流通口。介质气腔12与等离子弧发生腔1-5通过该介质气流流通口连通。第二进气口10位于介质气腔的前端并靠近径向外侧。介质气体进入介质气腔12后，在介质气腔12内形成旋流后通过介质气流流通口。因此，从介质气流流通孔进入等离子体发生腔 1-5的介质气体以旋流方式流过等离子体发生腔1-5。

等离子弧发生腔1-5为等离子体发生器的主要工作区域。如图2 所示，介质气体和高压电弧通过阳极1的前段1-1和中段1-2后，阳极弧根5处于后段1-3内的等离子弧发生腔1-5的后部。等离子弧发生腔1-5内的风压推动压缩的高压电弧离开阳极1。

本实施例中，压缩气体和介质气体采用同种气体，例如均可以为空气。

前述多个导流孔1-4用于连通冷却气腔13和等离子弧发生腔 1-5。多个导流孔1-4设置为通过导流孔1-4进入等离子弧发生腔1-5 的压缩气体形成具有切向速度和向后的轴向速度的贴壁旋流气膜9。贴壁旋流气膜9可以在冷却等离子体发生器的同时为等离子体发生器提供稳弧气流。

导流孔1-4的孔径、数量、排列方式、设置位置、沿阳极1轴向方向的长度可以根据冷却和稳流所需的贴壁旋流气膜9的厚度、流量、流速、方向、等离子发生腔1-5的大小等因素设置。

本实施例中，导流孔1-4与前后方向和导流孔1-4处阳极1的内表面的切平面之间均具有一定的夹角，以使通过导流孔1-4进入等离子弧发生腔1-5的气流形成贴壁旋流气膜9。导流孔1-4的孔径和导流孔1-4与导流孔1-4处阳极1的内表面的切平面之间的夹角是影响贴壁旋流气膜9的厚度的主要因素。导流孔1-4的孔径和压缩气体的压力是影响贴壁旋流气膜9的切向速度的主要因素。导流孔1-4与前后方向的夹角、导流孔1-4的孔径和压缩气体的压力是影响贴壁旋流气膜向后的轴向速度的主要因素。

如图1所示，本实施例中，多个导流孔1-4形成多个导流孔组。各导流孔组内的各导流孔1-4以阳极1轴线为中心沿螺旋线轨迹排列。

由于受到导流孔组的螺旋线轨迹的螺旋角及阳极1的侧壁厚度的限制，为便于加工导流孔1-4，螺旋线轨迹的节距倾向于较大距离，设置多个导流孔组，并使多个导流孔组的螺旋线轨迹多头排列可以设置较多的导流孔4-1，从而利于获得高速前进的贴壁旋流气膜9，从而利于提高冷却和稳流效果。

本实施例中，沿螺旋线轨迹上每两个相邻的导流孔1-4中位于下游的导流孔1-4与位于上游的导流孔1-4的流出气流的流动路径错位布置。

本实施例中，螺旋线轨迹变节距地设置。具体地，螺旋线轨迹的节距从前向后逐渐减小。该设置利于使导流孔1-4分布得前疏后密，从而导流孔1-4在阳极弧根5处的位置附近分布更为密集，利于贴壁旋流气膜9将阳极弧根5的位置附近的热量迅速带出阳极1，从而更好地实现冷却功能。

在其它未示出的实施例中，螺旋线轨迹也可以等节距设置。

以下描述该实施例的等离子发生器的工作原理。

当阳极1与阴极2通入恒定电流后，阴极2先与阳极1接触产生高频放电，再缓缓离开阳极1，阴极2和阳极1间产生高压电弧。在阴极2与阳极1之间产生适当距离后，阴极2与阳极1相对静止。阴极2和阳极1分离时，介质气体以旋流方式通过介质气流流通口，阴极2和阳极1之间形成高压电弧。高压电弧在介质气体的推动下，旋转进入等离子体发生腔1-5。高压电弧通过前段1-1的渐缩表面时被机械压缩，通过中段1-2的第二圆柱面形成稳定的高压电弧。

从第一进气口7向冷却气腔13内通入压缩气体。冷却气腔13 内的压缩气体通过导流孔1-4进入后段1-3的第三圆柱面内的等离子体发生腔1-5，形成高速旋转向后移动的贴壁旋流气膜9。当高压电弧通过贴壁旋流气膜9内部的空腔时，高压电弧被再次压缩，压缩的高压电弧等离子弧4。

阳极1的侧壁内表面被高速旋转的贴壁旋流气膜9所覆盖，并且贴壁旋流气膜9不断的更新补充，高压电弧所携带的热量在贴壁旋流气膜9的作用下难以向阳极1传递，与等离子弧4一起离开阳极1，从而达到冷却阳极1目的；由于贴壁旋流气膜9高速旋转，高压电弧在贴壁旋流气膜9内部也会高速旋转，可以有效地缓解阳极弧根5 处局部过热现象，因此，阳极1能够维持较好的热力平衡。

贴壁旋流气膜9在等离子体发生器的阴极和阳极之间形成一个稳定的放电通道，将等离子体发生器产生的电弧稳定在贴壁旋流气膜 9的空腔内，提供给等离子体发生器所需要的稳弧气流，使等离子体发生器不容易断弧，保证等离子体发生器的正常工作，提高了电流的能量转换效率。

虽然以上实施例以接触式的等离子发生器为例，但本实用新型也适用于非接触式的等离子发生器。

基于以上描述可知，本实用新型实施例至少具有以下技术效果之一：

贴壁旋流气膜9提供给等离子体发生器所需要的稳弧气流，使等离子体发生器不容易断弧，保证等离子体发生器的正常工作，提高了电流的能量转换效率。

贴壁旋流气膜9隔绝等离子弧4，起到冷却阳极1的作用；贴壁旋流气膜9能带动阳极弧根5在阳极1内壁上高速旋转，有效缓解阳极1因局部过热而烧损的现象。

贴壁旋流气膜9压缩等离子弧4，提高等离子弧4的单位热当量，提高热效率，保证等离子体发生器的正常工作。

贴壁旋流气膜9的部分气体介入等离子弧4的电离，在贴壁旋流气膜9与等离子弧4接触的边缘形成电离层，对介质气体形成有益补充。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。