等离子体发生器升压装置及等离子体发生器的制作方法

本公开涉及等离子体发生器技术领域，尤其涉及一种等离子体发生器升压装置及等离子体发生器。

背景技术：

随着现代工业的飞速发展，大功率等离子体发生器的应用越来越广泛，诸如劣质煤粉点火、危险废弃物处理和化工冶金等等。现在工业应用的大功率等离子体发生器的组合式升压装置的结构呈多样化，但其共性都是互不干扰地通过工作气体，使等离子体发生器产生符合要求的等离子体火炬。

等离子体发生器要加大功率而又不降低使用寿命，往往采用提升电压的方法，因此，加长电弧长度成为等离子体发生器顺利实现加大功率的主要途径。目前的升压装置通常采用整体结构，可根据等离子体发生器的工作需求来设计升压装置的长度等参数。在实际中发现，此种结构加工难度较大，而且在工作过程中若升压装置局部发生烧损，需要整体更换，成本较高。

技术实现要素：

本公开的实施例提供了一种等离子体发生器升压装置及等离子体发生器，能够更加灵活地满足等离子体发生器的使用需求。

根据本公开的第一方面，提供了一种等离子体发生器升压装置，包括：

包括同轴设置的至少两个电压分段部件，电压分段部件包括：

外壳支承架，具有空腔；和

辅助阳极，同轴安装在空腔内，辅助阳极沿轴向具有电弧通道；

其中，相邻电压分段部件的外壳支承架之间可拆卸地连接，且至少两个电压分段部件的电弧通道沿轴向依次连通整体形成电弧流动通道。

在一些实施例中，等离子体发生器升压装置还包括紧固件，外壳支承架的外壁上靠近端部的位置沿周向设有多个连接部，连接部上设有安装孔，相邻外壳支承架的连接部对接，并通过紧固件穿过安装孔进行固定。

在一些实施例中，至少两个电压分段部件的电弧通道的纵截面形状不同。

在一些实施例中，至少部分电压分段部件的辅助阳极沿轴向包括：

至少两个阳极段，各自对应的电弧通道的纵截面形状不完全相同。

在一些实施例中，外壳支承架与辅助阳极之间沿径向具有间隙，间隙形成供冷却介质通过的冷却通道。

在一些实施例中，外壳支承架的内壁上沿周向间隔设置多个支撑凸台，被配置为对辅助阳极的外壁进行支撑，相邻支撑凸台之间形成冷却通道。

在一些实施例中，外壳支承架的内壁上设有支撑环，被配置为对辅助阳极的外壁进行支撑，支撑环上设有多个供冷却介质通过的流通孔。

在一些实施例中，至少两个电压分段部件包括：

第一电压分段部件，位于升压装置的第一端，第一电压分段部件的外端以外与阴极对应的位置设有第一进气孔，被配置为向电弧通道通入一级工作气；和

第二电压分段部件，位于述升压装置的第二端，第二电压分段部件的侧壁上靠近外端的位置设有第二进气孔，被配置为向电弧通道通入二级工作气。

在一些实施例中，等离子体发生器升压装置还包括二级风环，第二电压分段部件还包括设在外壳支承架外端的第二法兰，第二法兰的外端面上设有环形凹槽，二级风环设在环形凹槽内，第二进气孔设置于二级风环。

在一些实施例中，电弧流动通道包括沿电弧流动方向依次设置的第一通道、第二通道和第三通道；

沿电弧流动方向，第一通道的径向尺寸逐渐缩小；

沿电弧流动方向，第二通道的径向尺寸一致；

沿电弧流动方向，第三通道的径向尺寸逐渐增大。

根据本公开的第三方面，提供了一种等离子体发生器，包括：上述实施例的等离子体发生器升压装置。

在一些实施例中，至少两个电压分段部件包括：分别位于升压装置的第一端和第二端的第一电压分段部件和第二电压分段部件；等离子体发生器还包括：

阴极，设在第一电压分段部件的电弧通道靠近端部的位置；和

主阳极，同轴设在第二电压分段部件的外端部。

本公开实施例的等离子体发生器升压装置，通过至少两个电压分段部件组合形成，且相邻电压分段部件可拆卸地连接，每个电压分段部件能够灵活地组装和拆卸，以满足等离子体升压装置对电压的要求。而且，由于升压装置整体轴向尺寸较长，通过分为多个电压分段部件易于加工，工艺简单，易于控制零件质量，且方便存放和管理，也易于装配和拆卸。另外，在等离子体发生器工作过程中，若升压装置出现烧损，可精准方便地更换因烧损而失效的电压分段部件。

附图说明

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

图1是本公开等离子体发生器升压装置的一些实施例的剖视图。

图2是本公开等离子体发生器升压装置的另一些实施例的剖视图。

图3是图1中的a-a剖视图的一些实施例的结构示意图。

图4是图1中的a-a剖视图的另一些实施例的结构示意图。

图5是图1中的a-a剖视图的再一些实施例的结构示意图。

图6是本公开等离子体发生器采用图1所示升压装置的结构示意图。

图7是本公开等离子体发生器采用图2所示升压装置的结构示意图。

具体实施方式

以下详细说明本公开。在以下段落中，更为详细地限定了实施例的不同方面。如此限定的各方面可与任何其他的一个方面或多个方面组合，除非明确指出不可组合。尤其是，被认为是优选的或有利的任何特征可与其他一个或多个被认为是优选的或有利的特征组合。

本公开中出现的“第一”、“第二”等用语仅是为了方便描述，以区分具有相同名称的不同组成部件，并不表示先后或主次关系。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”和“后”等指示的方位或位置关系均是基于等离子体发生器升压装置内工作气体流动时的方向进行定义，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。后续实施例中提到的“轴向”、“周向”、“径向”均是相对于等离子体发生器或者升压装置而言。

本公开提供了一种等离子体发生器升压装置，在一些实施例中，如图1至图7所示，包括：同轴设置的至少两个电压分段部件，每个电压分段部件均包括：外壳支承架和辅助阳极，外壳支承架为筒状结构且具有空腔，辅助阳极同轴安装在空腔内，辅助阳极沿轴向具有电弧通道。电压分段部件的数量可根据升压装置的轴向长度选择。例如，外壳支承架可采用圆筒状零件，选用不锈钢材质，辅助阳极可采用圆筒状零件，可选用紫铜材质。

其中，相邻电压分段部件的外壳支承架之间可拆卸地连接，且至少两个电压分段部件的电弧通道沿轴向依次连通整体形成电弧流动通道12’，工作气体以及形成的电弧在电弧流动通道12’内沿k向流动。

如图6和图7所示，位于升压装置第一端(左端)的电压分段部件的电弧通道中设有阴极6，位于升压装置第二端(右端)的电压分段部件的外端同轴设有主阳极5，组合式辅助阳极和主阳极5接直流电源的正极，阴极6接直流电源的负极，通过接触启弧结构或高频启弧装置在阴极6和组合式辅助阳极之间放电，产生电弧，工作气体经过高温电弧后被电离和加热，形成热等离子体，然后在气体的压力驱动下，从主阳极5一端喷出，形成等离子体火炬4。

该实施例的升压装置通过至少两个电压分段部件组合形成，且相邻电压分段部件可拆卸地连接，每个电压分段部件能够灵活地组装和拆卸，以满足等离子体发生器升压装置对电压的要求，能很好地满足等离子体发生器对大功率的提升要求。

而且，由于升压装置整体轴向尺寸较长，通过分为多个电压分段部件易于加工，工艺简单，易于控制零件质量，且方便存放和管理，也易于装配和拆卸。另外，在等离子体发生器工作过程中，若升压装置出现烧损，可精准方便地更换因烧损而失效的电压分段部件。由此，可降低制造和管理成本，提高了产品的竞争性，对于用户而言，保障了等离子体发生器的稳定、可靠运行，降低了维护费用。

由此，该组合式升压装置结构也降低了等离子体发生器结构的复杂程度，同时也降低了其加工、装配和维修的难度。

在一些实施例中，等离子体发生器升压装置还包括紧固件，外壳支承架的外壁上靠近端部的位置沿周向设有多个连接部，连接部上设有安装孔，相邻外壳支承架的连接部对接，并通过紧固件穿过安装孔进行固定。优选地，连接部在径向上不超出外壳支承架的外侧壁。例如，紧固件可采用螺钉、销钉等。

该实施例能够使相邻电压分段部件的外壳支承架以端部对接的方式进行连接，结构简单，利于装配，而且在升压装置出现烧损，方便地更换因烧损而失效的电压分段部件，易于维修。而且，此种连接方式避免了相邻电压分段部件之间嵌套设置，可减小升压装置的径向尺寸，也易于装配和维修。

在一些实施例中，如图1和图2所示，至少两个电压分段部件的电弧通道的纵截面形状不同。此种结构能灵活地满足升压装置对于电弧流动通道12’在整个长度上截面尺寸的要求，以满足等离子体发生器对电压的要求，而且零件加工方便，易于保证零件加工精度。

在一些实施例中，如图1所示，至少部分电压分段部件的辅助阳极沿轴向包括：至少两个阳极段，各自对应的电弧通道的纵截面形状不完全相同。该实施例通过将单个电压分段部件的辅助阳极设计为分段结构，使较长的辅助阳极易于加工，且能够通过组合形成不同截面形状的电弧通道，以满足升压装置的电压要求，易于满足大功率等离子体发生器的功率需求和不同性能要求。

优选地，在加工和装配时，首先对至少两个阳极段进行粗加工，再将至少两个阳极段的端部焊接形成整体的辅助阳极，然后对整体的辅助阳极进行精加工，最后将整体的辅助阳极装入到外壳支承架的空腔中，形成电压分段部件。

如图1和图2所示，外壳支承架与辅助阳极之间沿径向具有间隙，间隙形成供冷却介质3通过的冷却通道。冷却通道的主体部分为环形结构，能够对辅助阳极的整个周向都进行充分的冷却。例如，冷却介质3可以是冷却液或冷却气，冷却液可采用冷却水等。

图3为图1中的a-a剖视图，外壳支承架的内壁上沿周向间隔设置多个支撑凸台111，多个支撑凸台111沿径向的内侧壁围合形成不连续的环形孔，被配置为对辅助阳极的外壁进行支撑，相邻支撑凸台111之间形成冷却通道。

该实施例除了能够对辅助阳极进行支撑，使辅助阳极安装稳定，也不会对冷却介质3的正常循环流动产生任何影响，通过相邻支撑凸台111的间隙使冷却介质通过，以将相邻电压分段部件的冷却通道连通，使升压装置的整个辅助阳极都能得到很好的冷却，还简化了冷却结构的设置难度。如图6和图7所示，可通过冷却介质供应部件从冷却通道的端部通入冷却介质。

优选地，冷却介质和工作气体通过的连接处，需要增加密封件，例如，采用o形圈进行密封。

优选地，如图1和图2所示，外壳支承架的端部设有安装法兰，例如图中在相邻外壳支承架相互靠近的端部分别设置第一安装法兰15和第二安装法兰25，多个支撑凸台111设在安装法兰的内壁上且沿径向朝向伸出对辅助阳极进行支撑和定位。由此，辅助阳极仅通过端部进行支撑，中间的长度段都可以形成冷却通道，以提高冷却效果。

如图3所示，支撑凸台111沿周向均匀间隔设置三个。或者，为了进一步提高支撑效果，支撑凸台111沿周向均匀间隔设置四个。一般地，支撑凸台111的数量不少于三个，支撑凸台111的数量在选取时可在支撑效果和冷却效果方面平衡考虑。此种结构适合于辅助阳极的外径较小的情况，通过多个支撑凸台111就能满足支撑定位效果。

如图4所示，外壳支承架的内壁上设有支撑环16，例如，支撑环16可设在安装法兰上，被配置为对辅助阳极的外壁进行支撑，支撑环16上设有多个供冷却介质3通过的流通孔161。

该实施例适合于辅助阳极外壁径向尺寸较大的情况，通过设置支撑环16在周向上形成连续的支撑，可获得稳定的支撑力并提高定位效果；而且，通过沿周向开设多个流通孔161也不会对冷却介质3的正常循环流动产生任何影响，可将相邻电压分段部件的冷却通道连通，使升压装置的整个辅助阳极都能得到很好的冷却，还简化了冷却结构的设置难度。

需要补充说明的是，当电压分段部件的数量多于2个时，每相邻两个外壳支承架的安装法兰均可设置上述的支承凸台111或周向间隔设置的流通孔161，以满足冷却需求。

在一些实施例中，至少两个电压分段部件包括：第一电压分段部件1和第二电压分段部件2。其中，第一电压分段部件1位于升压装置的第一端(左端)，第一电压分段部件1的外端以外与阴极6对应的位置设有第一进气孔71，被配置为向电弧通道通入一级工作气q1。具体地，如图6和图7所示，第一电压分段部件1的外端同轴设有第三法兰7，第三法兰7可呈筒状结构，第一进气孔71设在第三法兰7的侧壁上，一级工作气q1通过第三法兰7与阴极6之间的间隙进入电弧通道。第二电压分段部件2位于升压装置的第二端(右端)，第二电压分段部件2的侧壁上靠近外端的位置设有第二进气孔241，被配置为向电弧通道通入二级工作气q2。

该实施例无需对每个电压分段部件均通入工作气体，只需升压装置的首端和尾端通入工作气体，位于首尾段之间的长度段均无需通入工作气体，就能通过不同电压分段部件的组合达到提升等离子体发生器工作电压的目的。而且，在分级数量较多时也不会使各电压分段部件之间产生干扰，易于调整工作气体的参数，对操作人员的技能水平要求降低，还能简化等离子体发生器的内部和外围结构。

在通过改变(加长或缩短)各段电压分段部件的长度来改变(升高或降低)其电压，进而改变(升高或降低)其功率的同时，还可调整一级工作气q1和二级工作气q2的压力和流量。

在一些实施例中，如图1和图2所示，升压装置还包括二级风环25，第二电压分段部件2还包括设在外壳支承架外端的第二法兰24，第二法兰24的外端面上设有环形凹槽，二级风环25设在环形凹槽内，第二进气孔241设置于二级风环25。通过设置二级风环25，能够将二级工作气q2引入到电弧流动通道12’内，而且，二级风环25设在第二法兰24上，可使二级工作气q2与冷却介质3之间相互独立。

在一些实施例中，如图1和图2所示，电弧流动通道12’包括沿电弧流动方向k依次设置的第一通道12a、第二通道12b和第三通道12c。其中，沿电弧流动方向k，第一通道12a的径向尺寸逐渐缩小，沿电弧流动方向k，第二通道12b的径向尺寸一致，沿电弧流动方向k，第三通道12c的径向尺寸逐渐增大。

为了适应不同的性能要求，电弧流动通道12’需要具有不同的形状组合，因此，满足大功率等离子体发生器的组合式升压装置的发明方案数量相对很多。本公开选取两种有代表性的包括两个电压分段部件的组合式升压装置进行说明。

在一些实施例中，如图2所示，升压装置包括同轴设置第一电压分段部件1和第二电压分段部件2。

第一电压分段部件1包括：第一外壳支承架11和第一辅助阳极12，第一辅助阳极12同轴安装在第一外壳支承架11的空腔内，第一辅助阳极12具有电弧通道。而且，第一外壳支承架11和第一辅助阳极12之间形成第一冷却通道13。

第二电压分段部件2包括：第二外壳支承架21和第二辅助阳极22，第二辅助阳极22同轴安装在第二外壳支承架21的空腔内，第二辅助阳极22具有电弧通道。而且，第二外壳支承架21和第二辅助阳极22之间形成第二冷却通道23。

第一电压分段部件1与第二电压分段部件2之间可拆卸地连接，具体地，第一外壳支承架11与第二外壳支承架21可拆卸地连接，且第一辅助阳极12的电弧通道和第二辅助阳极22的电弧通道沿轴向依次连通整体形成电弧流动通道12’，工作气体以及形成的电弧在电弧流动通道12’内沿k向流动。

第一电压分段部件1远离第二电压分段部件2的一端设有第一法兰14，用于对第一辅助阳极12进行固定。第二电压分段部件2远离第一电压分段部件1的一端设有二级风环25，第二电压分段部件2还包括设在第二外壳支承架21外端的第二法兰24，第二法兰24的外端面上设有环形凹槽，二级风环25设在环形凹槽内，第二进气孔241设置于二级风环25。

第一辅助阳极12的电弧通道沿着电弧流动方向k的横截面先逐渐减小再保持第一直径不变，第二辅助阳极22的电弧通道沿着电弧流动方向k的横截面先从第一直径起逐渐减小再保持第二直径不变，接着在第二法兰24所在位置从第二直径起逐渐增大，且第二直径小于第一直径。

在另一些实施例中，如图1所示，其与图2所示实施例的升压装置基本相同，只是由于要满足不同性能的大功率等离子体发生器的要求，两者的电弧流动通道12’存在差异。

本实施例与图2的不同之处在于，第一辅助阳极12沿电弧流动方向k分为第一阳极段121和第二阳极段122，第一阳极段121和第二阳极段122的纵截面形状不同，由此能够降低加工难度。具体地，第一阳极段121的电弧通道沿着电弧流动方向k的横截面先逐渐减小再保持第三直径不变，第二阳极段122的电弧通道沿着电弧流动方向k的横截面从第三直径起逐渐减小至第四直径，第二辅助阳极22的电弧通道沿着电弧流动方向k的横截面先以第四直径保持不变再逐渐增大。

首先将第一阳极段121和第二阳极段122采用分段粗加工→焊接→精加工的工艺加工形成第一辅助阳极12，并装入到第一外壳支承架11的空腔中，形成第一电压分段部件1。并将第二辅助阳极22装入到第二外壳支承架12的空腔中，形成第二电压分段部件2。第一电压分段部件1和第二电压分段部件2的辅助阳极的两端均采用法兰支撑，其余部分悬空，形成环状冷却通道。第一外壳支承架11和第二外壳支承架12可通过止口定位，准确地装配到一起，然后通过紧固件固定，定位和固定方式不限于此，最后将二级风环25嵌入到第二法兰24的环形凹槽内。

其次，本公开提供了一种等离子体发生器，在一些实施例中，包括上述实施例的等离子体发生器升压装置。

在一些实施例中，如图6和图7所示，至少两个电压分段部件包括：分别位于升压装置的第一端和第二端的第一电压分段部件1和第二电压分段部件2；等离子体发生器还包括：阴极6，设在第一电压分段部件1的电弧通道靠近端部的位置；和主阳极5，同轴设在第二电压分段部件2的外端部，例如，主阳极5可呈管状结构，其内径可大于第二电压分段部件2的电弧通道靠近主阳极5处的内径。

本公开等离子体发生器的升压装置的各分段既相互独立，又能有机结合，可降低加工难度，拆装容易，并简化结构，又能提升运行电压，进而加大功率，满足发生器的不同性能需求，还可简化发生器的进气级数，便于调整工作气体参数，同时还能简化发生器内部和外围结构。

本公开等离子体发生器的升压装置处于阴极6和主阳极5之间，与主阳极5同电位连接，形成等离子体电弧的通道，工作气体分两路进入，一路从阴极6和组合式升压装置之间旋转进入，另一路从组合式升压装置和主阳极5之间旋转进入，两路工作气体的旋向可相同，也可不同，在气旋压缩和电弧通道机械压缩的结合作用下，工作气体经过高温电弧后被电离和加热，形成热等离子体，然后在气体压力的驱动下，从主阳极5一端喷出，形成等离子体火炬4。冷却介质3从辅助阳极与外壳支承架之间的冷却通道流过，完成对辅助阳极的冷却，最后由外壳支承架夹层内的通道返回。

以上对本公开所提供的实施例进行了详细介绍。本文中应用了具体的实施例对本公开的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本公开的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开原理的前提下，还可以对本公开进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本公开权利要求的保护范围内。