一种气冷陶瓷隔热电弧加热器的制作方法

本发明涉及电弧加热器技术领域，尤其涉及一种气冷陶瓷隔热电弧加热器。

背景技术：

电弧加热器可用于材料生产加工，冶金、喷涂，也是开展高超声速飞行器热环境模拟试验的重要设备。电弧加热器采用电弧放电加热空气形成高温气流，加热目标材料或试验模型。在加热空气时，由于电弧的温度很高，电弧经过的压缩通道中，将会对通道的壁面释放大量的热能，因此，该通道一般需要采用导热良好的铜及合金进行强制冷却并带走热量，从而降低通道壁面的温度，以防止烧损。由于冷却水带走大量的热量，气流被冷却，焓值不容易提高，也导致电弧加热器的效率较低，一般在50％左右，这造成电弧加热器的电源规模大，而有效利用率低。

因此，针对以上不足，需要提供一种气冷陶瓷隔热电弧加热器。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决现有电弧加热器气流焓值低，加热效率不足的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种气冷陶瓷隔热电弧加热器，包括外壳、负极、正极、电弧、第一进气系统、第二进气系统和瓷套管，负极架设在外壳一端，正极架设在外壳另一端，电弧两端分别架设在负极和正极无氧铜内壳上，若干个瓷套管插接在外壳内，相邻瓷套管之间内径不同，第一进气系统和第二进气系统间隔架设在瓷套管相接处的外壳上。

通过采用上述技术方案，电弧加热器的电极内间设置多级瓷套管组，形成电弧通道，减少电弧对冷却壁的传热，此时不仅可以避免烧损，而且还能避免冷却水对气流的冷却，直接提高电弧加热器的传热效率。

作为对本发明的进一步说明，优选地，若干个瓷套管沿气流方向内径逐步增大。

通过采用上述技术方案，使电弧始终被压缩在旋转冷气形成的低压力梯度的中心处，进而使电弧能对周围气流进行均匀加热，保证气流温度分布均匀。

作为对本发明的进一步说明，优选地，内径大的瓷套管端头处套接内径小的瓷套管。

通过采用上述技术方案，利用瓷套管相接端的间隙，气流通过间隙在瓷套管内壁形成气膜，起到保护瓷套管，同时进一步避免传热。

作为对本发明的进一步说明，优选地，第一进气系统包括第一进气管和第一进气环，第二进气系统包括第二进气管和第二进气环，若干个第一进气管呈环状固连在内径最小的瓷套管与负极相接处的外壳上，第一进气环上呈环状开设有若干个倾斜的气孔，第一进气管通过气孔与瓷套管内相通；若干个第二进气管呈环状固连在内径最小的瓷套管与相邻瓷套管相接处的外壳上，第二进气环上呈环状开设有若干个倾斜的流孔，第二进气管通过流孔与瓷套管内相通。

通过采用上述技术方案，在内外径的间隙处设置进气环，采用旋转的高速气膜保护瓷套管内壁，防止电弧高温气流对各个瓷套管剧烈的加热。

作为对本发明的进一步说明，优选地，气孔轴线分布在竖直面内，气孔轴线与瓷套管轴心和气孔端头连线的夹角为60°；流孔轴线水平且不与瓷套管轴线平行，流孔轴线与瓷套管轴线夹角为60°。

通过采用上述技术方案，以使通过进气环的气流形成气旋，进而使形成的气膜分布均匀并且能覆盖瓷套管内壁各处，使气旋对瓷套管的冷却均匀。

作为对本发明的进一步说明，优选地，第一进气管内气体流量为100g/s，第二进气管内气体流量为50g/s。

通过采用上述技术方案，利用适当的气体流量，不仅能起到优良的冷却效果，同时可避免输出过多气体流量而导致能源过度使用而产生浪费的问题。

作为对本发明的进一步说明，优选地，外壳包括第一套壳和第二套壳，负极架设在第一套壳上，正极架设在第二套壳上，第一套壳固连在第二套壳一端，第一套壳与第二套壳相接端固连有绝缘件，绝缘件覆盖第一套壳与第二套壳相接面。

通过采用上述技术方案，设置绝缘件用于正、负电极绝缘，保证电弧能通入电流而正常进行加热工作。

作为对本发明的进一步说明，优选地，负极包括负电极和负极线圈，负电极固连在第一套壳内壁上，负极线圈固连在第一套壳外壁上，负电极与负极线圈位于同一竖直面上，正极包括正电极和正极线圈，正电极固连在第一套壳内壁上，正极线圈固连在第一套壳外壁上，正电极与正极线圈位于同一竖直面上。

通过采用上述技术方案，设置正负极线圈用于实现电弧的弧根的旋转，同时配合无氧铜制成的正负电极，还能减少电弧弧根对电极的烧损。

作为对本发明的进一步说明，优选地，负电极与第一套壳之间设有空腔，正电极与第二套壳之间也设有空腔，所述空腔内流有冷却水。

通过采用上述技术方案，在电极的外壁面采用高压水强制冷却，进一步避免正负电极烧损。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明在电弧加热器的电极内间设置多级瓷套管组，形成电弧通道，减少电弧对冷却壁的传热；同时在每级瓷套管之间设置进气环，进气环上均设置有径向均布的具有一定角度的小孔，使气流旋转并在瓷套管内壁形成冷却气膜，保护瓷套管，减少电弧对外壁的传热，提高电弧加热器的效率。

附图说明

图1是本发明的剖面图；

图2是本发明的第一进气环剖面图；

图3是本发明的第一进气环纵截面图；

图4是本发明的第二进气环剖面图；

图5是本发明的第二进气环局部结构图。

图中：1、外壳；11、第一套壳；12、第二套壳；2、负极；21、负电极；22、负极线圈；3、正极；31、正电极；32、正极线圈；4、电弧；5、第一进气系统；51、第一进气管；52、第一进气环；53、气孔；6、第二进气系统；61、第二进气管；62、第二进气环；63、流孔；7、瓷套管；71、第一套管；72、第二套管；8、绝缘件；9、喷管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种气冷陶瓷隔热电弧加热器，如图1所示，包括外壳1、负极2、正极3、电弧4、第一进气系统5、第二进气系统6和瓷套管7，负极2架设在外壳1一端，正极3架设在外壳1另一端，电弧4架设在外壳1内，电弧4两端分别架设在负极2和正极3上，两个瓷套管7插接在外壳1内，相邻瓷套管7之间内径不同，第一进气系统5和第二进气系统6间隔架设在瓷套管7相接处的外壳1上。

如图1所示，外壳1包括第一套壳11和第二套壳12，负极2架设在第一套壳11上，正极3架设在第二套壳12上，第一套壳11固连在第二套壳12一端，第一套壳11与第二套壳12相接端固连有绝缘件8，绝缘件8覆盖第一套壳11与第二套壳12相接面，用于正、负电极绝缘，保证电弧4能通入电流而正常进行加热工作。

如图1所示，负极2包括负电极21和负极线圈22，负电极21为无氧铜制成的空心管状，直径40mm，负电极21固连在第一套壳11内壁上，负极线圈22固连在第一套壳11外壁上，负电极21与负极线圈22位于同一竖直面上；正极3包括正电极31和正极线圈32，正电极31也为无氧铜制成的空心管状，直径50mm，正电极31固连在第一套壳11内壁上，正极线圈32固连在第一套壳11外壁上，正电极31与正极线圈32位于同一竖直面上，设置正负极线圈用于实现电弧的弧根的旋转，同时配合无氧铜制成的正负电极，还能减少电弧弧根对电极的烧损。

如图1所示，负电极21与第一套壳11之间设有空腔，正电极22与第二套壳12之间也设有空腔，所述空腔内流有冷却水，在电极的外壁面采用高压水强制冷却，进一步避免正负电极烧损，同时正负电极采用无氧铜制作，具有高热导率，配合冷却水的冷却，能更快对正负电极降温。

如图1所示，两个瓷套管7分别为第一套管71和第二套管72，其中第一套管71靠近进气处；第一套管71内径40mm，第一套管71与第一套壳11固连且二者之间具有3mm的间隙，第二套管72内径50mm，第二套管72与第二套壳12固连且第二套管72与第一套管71之间具有3mm的间隙，第二套管72端头处套接第一套管71，利用瓷套管7相接端的间隙，气流通过间隙在瓷套管7内壁形成气膜，起到保护瓷套管7，同时进一步避免传热；且瓷套管7沿气流方向内径逐步增大可使电弧4始终被压缩在旋转冷气形成的低压力梯度的中心处，进而使电弧4能对周围气流进行均匀加热，保证气流温度分布均匀。

结合图1、图2和图4，第一进气系统5包括第一进气管51和第一进气环52，第二进气系统6包括第二进气管61和第二进气环62，第一进气管51呈环状固连在第一套管71与负极2相接处的外壳1上，第一进气环52上呈环状开设有六个倾斜的气孔53，第一进气管51通过气孔53与瓷套管7内相通；第二进气管62呈环状固连在第一套管71与第二套管72相接处的外壳1上，第二进气环62上呈环状开设有六个倾斜的流孔63，第二进气管61通过流孔63与瓷套管7内相通，气孔53和流孔63的孔径均为1mm，第一进气管51和第二进气管61数量为一个或多个，优选地，第一进气管51和第二进气管61数量为一个；第一进气管51内气体流量为100g/s，第二进气管61内气体流量为50g/s，利用适当的气体流量，不仅能起到优良的冷却效果，同时可避免输出过多气体流量而导致能源过度使用而产生浪费的问题。

结合图1、图3和图5，气孔53轴线分布在竖直面内，气孔53轴线与瓷套管7轴心和气孔53端头连线的夹角为60°；流孔63轴线水平且不与瓷套管7轴线平行，流孔63轴线与瓷套管7轴线夹角为60°，在瓷套管7的内外径间隙处设置进气环，使通过进气环的气流形成气旋，进而使形成的气膜分布均匀并且能覆盖瓷套管7内壁各处，使气旋对瓷套管7的冷却均匀，且进气环上的孔分布方向不同，进一步提高旋转效率，使旋转的高速气膜更好保护瓷套管7内壁，防止电弧高温气流对各个瓷套管7剧烈的加热。

本发明通过在电弧加热器的电极内间设置多级瓷套管组，形成电弧通道，减少电弧4对冷却壁的传热，此时不仅可以避免烧损，而且还能避免冷却水对气流的冷却，直接提高电弧加热器的传热效率，同时电弧加热器工作初期，采用小功率运行状态或加大进气孔的冷却气膜的气体流量，防止瓷套管7的温度冲击损坏；电弧4也可以气缸拉弧的方法，使电弧4在正负电极间形成并稳定，经过多级补气加热的高温气流流经喷管9，形成超声速试验流场，开展试验。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。