等离子体射流装置及等离子体切割系统

本发明涉及电子发生装置技术领域，具体涉及一种等离子体射流装置及等离子体切割系统。

背景技术：

等离子体(plasma)又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，尺度大于德拜长度(也叫德拜半径，是描述等离子体中电荷的作用尺度的典型长度)的宏观电中性电离气体，其运动主要受电磁力支配，并表现出显著的集体行为。

基于等离子体所具有的体积小、能量密度高、能量转化快速、电弧激发平稳等优点，在很多行业，例如航空航天、环保、能源、物质材料、生物医学等，对于等离子体的应用都较为广泛。然而，单一的等离子体发生装置所产生的射流或可导致能量无法达到要求，以及可控性较低的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种等离子体射流装置及等离子体切割系统，以解决现有的单一的等离子体发生装置所产生的激流可控性较低的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

本发明提供一种等离子体射流装置，所述等离子体射流装置包括壳体、与所述壳体可拆卸连接的底座，所述底座上设置有注气孔以及多个阴极柱插入孔，所述等离子体射流装置还包括多个阴极柱以及与多个所述阴极柱一一对应的多个子装置，多个所述子装置装设于所述壳体中，多个所述阴极柱通过多个所述阴极柱插入孔插入所述子装置中。

可选地，多个所述子装置间隔设置。

可选地，所述壳体内开设有多个安装腔，多个所述安装腔与多个所述子装置一一对应，以用于容纳所述子装置。

可选地，所述壳体上开设有多个螺纹孔，所述壳体与所述子装置通过螺栓固定。

可选地，所述壳体远离所述底座的一端设置有阳极以及连接所述阳极的等离子体输出腔，沿所述等离子体输出方向，所述等离子体输出腔逐渐变窄。

可选地，所述底座与所述壳体可拆卸连接。

可选地，所述子装置包括第一电极，所述阴极柱设置于所述所述第一电极的中心位置，从而使得所述子装置具有环形的放电腔。

可选地，所述子装置还包括隔热层，所述隔热层的外壁与所述第一电极的内壁贴合。

可选地，所述子装置还包括放电通道，所述放电通道连接所述放电腔，沿所述放电通道的长度方向，所述子装置还设置有中间电极。

基于上述技术方案，本发明还提供一种等离子体切割系统，还包括总控面板，所述总控面板连接有注气控制单元、电压调节单元以及探针测控单元，所述注气控制单元连接并控制注气瓶，所述注气瓶通过导气管连接所述注气孔，所述电压调节单元连接所述阴极柱和多个螺栓，所述探针测控单元连接探针，以用于获取等离子体输出信号。

本发明具有以下有益效果：

通过上述技术方案，即通过本发明实施例所提供的等离子体射流装置，多个子装置的存在，一方面，能够产生足够的射流以满足切割需求；另一方面，能够减少单一射流装置的工作压力，均和能量输出，提高切割效率。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的等离子体切割系统结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的等离子体射流装置的立体图；

图3为本发明实施例所提供的等离子体射流装置的主视图；

图4为图3中a-a的剖面图；

图5为本发明实施例所提供的等离子体射流装置的左视图；

图6为本发明实施例所提供的等离子体射流装置的剖视图；

图7为本发明实施例所提供的等离子体射流装置的子装置的结构示意图。

附图标记说明

1-等离子体射流装置；11-阴极柱；12-壳体；13-底座；14-螺栓；15-等离子体输出腔；16-注气孔；2-总控面板；21-注气控制单元；211-注气瓶；212-流量计；213-针阀；22-电压调节单元；23-探针测控单元；231-探针；3-等离子体；4-子装置；41-第一电极；42-隔热层；43-钨环；441-第二电极；442-第三电极；451-第一绝缘垫；452-第二绝缘垫；453-第三绝缘垫；46-阳极；47-放电腔；48-放电通道。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例

本发明提供一种等离子体射流装置1，参考图2～图6所示，所述等离子体射流装置1包括壳体12、与所述壳体12可拆卸连接的底座13，所述底座13上设置多个阴极柱插入孔，所述等离子体射流装置1还包括多个阴极柱11以及与多个所述阴极柱11一一对应的多个子装置4，多个所述子装置4装设于所述壳体12中，多个所述阴极柱11通过多个所述阴极柱插入孔插入所述子装置4中。

通过上述技术方案，即通过本发明实施例所提供的等离子体射流装置1，多个子装置4的存在，一方面，能够产生足够的射流以满足切割需求；另一方面，能够减少单一射流装置的工作压力，均和能量输出，提高切割效率。

这里也可以选择使用节流阀来替代多个子装置4，但是利用节流阀的特性虽然可以实现气流动能的增加，但无法扩大切割动能的可调范围。此外，多个子装置4可以是两个，也可以是三个、四个等等，相应地，阴极柱11也可以是整个的覆盖于底座13，但是考虑到一一对应的阴极柱11一方面可以节省材料，另一方面便于维修更换，因此在本发明实施例中，选择设计与多个子装置4一一对应的阴极柱11也可以是两个、三个、四个等等，当然，本领域技术人员可以结合本发明及实际情况进行适应性修改。此外，可选择地，为了确保外壳的绝缘要求，因此选用陶瓷材料的外壳，当然，本领域技术人员也可使用其他绝缘条件较好，经济适用的材料，本发明在此不做具体限制。

此外，在本发明实施例中，壳体12与多个子装置4之间为可拆卸连接，这样可以实现零部件的拆卸替换，从而便于本领域技术人员根据实际需求更改单个子装置4的射流产生量和切割效果。

此外，根据本发明实施例所提供的等离子体射流装置，注气孔可以设置在等离子体射流装置的任意位置，优选设置在底座，位置可以与通气方向同轴，这样同轴吹气可以减轻外壳结构的磨损程度，当然也可以放在底座侧面，本领域技术人员可结合实际情况进行设置，本发明不予限制。

在本发明实施例中，可选地，参考图4和图5所示，为了防止多个子装置4在工作过程中的相互干扰，因此设计多个所述子装置4间隔设置。本领域技术人员可以以任意的方式设置多个子装置4间的间隔设置，以及间隔距离等等。

可选地，在本发明实施例所提供的具体实施方式中，参考图4所示，具体设计所述壳体12内开设有多个安装腔，多个所述安装腔与多个所述子装置4一一对应，以用于容纳所述子装置4。这样，壳体12与子装置4之间是可拆卸的，可以实现零部件的拆卸替换，从而方便更改单个子装置4的射流产生量和切割效果。这里需要说明的是，安装腔与安装腔之间需要选择绝缘材料填充，以充分确保各个子装置4之间相互独立的工作，在本发明实施例中，采用陶瓷进行绝缘。

在本发明实施例中，参考图2～图6所示，所述壳体12上开设有多个螺纹孔，所述壳体12与所述子装置4通过螺栓14固定。在本发明实施例中，具体地，壳体12上共有12个螺纹孔，相应的，12枚螺栓14通过12个螺纹孔与子装置4进行旋压接触，这样既方便固定子装置4的装设位置，又能够通过螺栓14与电极的接触建立良好的导电性，此外，由于螺栓14部分暴露于壳体12，因此方便连接电压控制单元以进行电压维持。

在本发明所提供的实施例中，参考图2、图3和图6所示，可选地，所述壳体12远离所述底座13的一端设置有阳极46以及连接所述阳极46的等离子体输出腔15，等离子体输出腔15的存在，能够将多个子装置4产生的等离子体3汇总，此外，沿所述等离子体3输出方向，所述等离子体输出腔15逐渐变窄。这样，多个子装置4产生的等离子体3通过等离子体输出腔15汇总后通过窄口输出，从而，多个子装置4散设的等离子体3的汇聚，增大了能量的输出，同时能够将能量更多的转化为动能，从而进一步提高切割效率。

可选地，为了便于维修，所述底座13与所述壳体12可拆卸连接。此外，在本发明提供的实施例中，参考图6所示，还设计底座13的与壳体12的连接处中空，以用于存放来自注气孔16的气体，确保气体量充足。

可选地，参考图7所示，所述子装置4包括第一电极41，所述阴极柱11设置于所述第一电极41的中心位置，从而使得所述子装置4具有环形的放电腔47。第一电极41的存在，与阴极柱11相互配合以形成放电腔体，此时电子在放电体中经由激发碰撞形成等离子体3，激发后的等离子体3与来自注气孔16的气流相结合通过放电腔47射出。

当然，较为常规的，由于放电过程中会产生大量的热，因此为了防止热量聚集爆发，因此所述子装置4还包括隔热层42，所述隔热层42的外壁与所述第一电极41的内壁贴合。

根据本发明实施例所提供的具体实施方式，可选地，参考图7所示，由于电弧放电需要维持稳定弧长，因此本发明所提供的等离子体射流装置1的所述子装置4还包括放电通道48，所述放电通道48连接所述放电腔47。这样，放电通道48与放电腔47连接的总长度长于电弧的弧长，因此为了确保在传输过程中电弧不灭，需要设计沿所述放电通道48的长度方向，所述子装置4还设置有中间电极。这里需要说明的是，本发明对于中间电极的数量以及间隔长度不做具体限制。在本发明实施例中，为加强等离子体产生后的稳定性，同时为了防止电弧放电时出现级间电弧影响装置性能，因此设计2个中间电极，参考图1所示，分别为第二电极441和第三电极442，控制中间电极的电压维持在级间差15v-25v/mm之间。当然，在本发明实施例中，也将第一电极41作为中间电极的一个，因此，第一电极41与第二电极441之间的级间差也应当维持在15v-25v/mm之间。此外，为了使电弧沿着放电通道48继续前进，各个中间电极需要外加电压进行级间加速，参考图7，可以在壳体12的最外层设计钨环43，以在钨环43上外加电压，从而确保放电所需的温度，这里可以选择控制级间电压差为10～25v/mm；由于中间电极不止一个，为防止级联电弧的产生，需要在中间电极之间添加绝缘物质(陶瓷)。

除此之外，放电通道48还设置有节流阀部件，可选地，是一种拉瓦尔喷管，下面以通入地惰性气体为氩气为例，描述拉瓦尔喷管地设计思路：

讨论气体在不同管道截面积下的流动速度差异，根据气体一维定常等熵的运动方程气体中声速表达式马赫数以及连续性方程ρva＝const，代入可得截面积变化率与速度变化率之间的关系：可以看出，当da<0时(渐缩喷管)，只有亚声速气体可做加速流动，当da＝0时，气流最大可以达到声速，当da>0时(渐扩喷管)，只有超声速气体可做加速流动；因此，当输入气体在缩放喷管中流动时，为保证气流始终处于加速状态，导气管道最窄的部位(喉部)需要达到声速(ma＝1)，且输入气体为亚声速即可。当然，当输入气体流速过低，无法使缩放喷管的喉部达到声速时，缩放喷管就会失去原有的效果，然而为了达到所需的切割动能，可以采用动能叠加的方式，利用多个同等装置进行供能，降低每个装置的能量负荷。

除此之外，在本发明实施例所提供的具体实施方式中，各个中间电极之间还设置有绝缘垫，参考图1所示，第一电极41与第二电极441之间设置有第一绝缘垫451，第二电极441与第三电极442之间有第二绝缘垫452，第三电极442与阳极4之间有第三绝缘垫453，由此，能够防止电极与电极之间相互干扰，发生级联。

本发明实施例提供地等离子体射流装置1具有如下工作原理：

阴极通过场致发射激发电子，电子在放电腔体中经由碰撞激发形成等离子体。在此期间，在温度和电场的作用下，粒子间频繁的碰撞将起初能量较高的电子能量传递给重物质粒子(离子)，重物质粒子获得能量后，与通入的快速气流相结合，可以整体提高射流的切割能量。由于电弧放电需要维持稳定弧长，且本装置放电通道48长于电弧弧长，因此需要添加中间电极保证电弧不熄灭；同时为了使电弧沿着放电通道48继续前进，各个中间电极需要外加电压进行级间加速。

基于上述技术方案，本发明还提供一种等离子体切割系统，参考图1所示，所述等离子体切割系统包括上述的等离子体射流装置1，还包括总控面板2，所述总控面板2连接有注气控制单元21、电压调节单元22以及探针测控单元23，所述注气控制单元21连接并控制注气瓶211，所述注气瓶211通过导气管连接所述注气孔16，所述电压调节单元连接所述阴极柱11和多个螺栓14，所述探针测控单元23连接探针231，以用于获取等离子体输出信号。

此外，所述电压调节单元连接所述阴极柱11，基于电弧放电的基本原理，电源采用50v-150v的直流负压。所述探针231测控单元23连接探针231，以用于获取等离子体输出信号。

本发明实施例提供地等离子体切割系统具有如下工作原理：

注气瓶211通过导气管对等离子体射流装置1进行注气，同时通过电压调节单元22对等离子体射流装置1进行电压供给，在此过程中，流量计212以检测气流量的大小，针阀213对气流量进行调整，探针测控单元23控制探针231对等离子体射流装置1输出的等离子体3进行信号获取，从而通过探针测控单元23反馈给总控面板2，总控面板2根据反馈信号控制注气控制单元21及电压调节单元22进行上述工作或关闭。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。