一种中间段结构等离子体发生器的制作方法

本发明涉及一种等离子体发生器，特别是一种中间段结构等离子体发生器，属于等离子体领域。

背景技术：

热等离子体作为危险废物处理可选技术路线越来越得到重视，其高温高能量密度的特点优势突出。但国内尚未出现兆瓦级及以上大功率等离子体发生器的开发报道以及应用。主要开发难点有：大功率等离子体发生器弧电流往往达到600a甚至1000a以上，电极烧蚀集聚增加；兆瓦级等离子体发生器弧电压超过1500v以上，电弧稳定性与弧根运动控制难度增加。

传统大功率等离子体发生器采用多级中间段结构设计，如us4543470skf2兆瓦以上等离子体发生器采用多级中间段结构设计，中间段以及中间段与主电极之间电绝缘，单个中间段长度可达200-400mm，最高弧电压可达3600v以上。上海冈松等离子体科技有限公司开发的cn201520622783.7等离子体发生器采用多级中间段结构来提升弧电压，单个中间段电极约为30mm左右，中间段之间以及中间段与主电极电绝缘。专利cn201810723106.2采用绝缘件作为部分中间段结构。其共同特点是通过多个中间段结构来提升弧电压，且中间段之间以及中间段与主电极之间互相绝缘，等离体发生器引弧成功后均需要大电流电弧切换装置来实现电极间电弧跳转。电极间绝缘设计以及大电流电弧切换装置不仅增加等离子体发生器设计难度，也限制了其应用。

由现有技术的内容可知，一般直流等离子体发生器电极烧蚀主要为热烧蚀与氧化，主要是因为电极所承受局部超高电流密度，电极材料大量蒸发。为了减小电极烧蚀，目前大功率等离体发生器普遍采用小电流大电压工艺设计，通过提高弧电压的方式来增大等离子体发生器运行功率。目前主要通过增加弧长来提高等离子体发生器弧电压：阴阳极之间增加中间插入段增加电弧弧长，或者通过大气量来增加弧长。已有的等离子体发生器中间插入段结构大部分为多级插入段，插入段之间以及插入段与阴阳极之间均为绝缘设计，结构复杂很难使用炉内高温环境应用，且需要大电流电弧切换装置来实现电弧电极间跳转。而电弧通道越往下游，电弧通道流场结构发生变化，湍流度增大，通过大气流量提高弧长存在电弧不稳定现象，往往需要外加强磁场来稳弧，这不仅增加工艺复杂度，也增加了工程应用难度。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种中间段结构等离子体发生器，结构简单且无需增加大电流电弧跳转装置即可稳定输出大电压、大功率。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种中间段结构等离子体发生器，其特征在于：包含前电极、中间段、后电极、主进气旋气环和辅助进气旋气环，前电极的一端与辅助进气旋气环的一端连接，辅助进气旋气环的另一端与中间段的一端连接，中间段的另一端与主进气旋气环的一端连接，主进气旋气环的另一端与后电极的一端连接。

进一步地，所述前电极的外侧设置有前电极冷却机构，前电极冷却机构包含前电极水冷隔套，前电极水冷隔套套设在前电极的外侧，前电极水冷隔套与前电极之间具有两端封闭的间隙构成前电极水冷流道，前电极水冷流道的两端开有前电极进水口和前电极回水口。

进一步地，所述前电极水冷隔套的外侧设置有前电极水冷线圈，前电极水冷隔套的外侧面上设置有与前电极水冷线圈匹配的凹槽，前电极水冷线圈套设在前电极水冷隔套外侧的凹槽内。

进一步地，所述后电极和中间段的外侧设置有后电极中间段冷却机构，后电极中间段冷却机构包含后电极进水管、后电极进水导管、中间段水气导管、前电极水气导管、中间段水冷隔套，后电极进水管的一端与后电极的另一端端部固定连接，后电极进水导管套设在后电极的外侧并且后电极进水导管与后电极之间留有间隙构成后电极水冷通道，后电极进水管一端侧面开有若干个连通后电极进水管内腔与后电极水冷通道一端的后电极进水孔，中间段水气导管套设在后电极一端和主进气旋气环的外侧，中间段水气导管与后电极进水导管之间留有间隙并且与后电极水冷通道另一端连通，中间段水冷隔套套设在中间段外侧并且中间段水冷隔套与中间段之间留有两端封闭的间隙构成中间段水冷流道，前电极水气导管套设在中间段水气导管和中间段水冷隔套的外侧并且前电极水气导管与中间段水气导管和中间段水冷隔套一端之间留有间隙构成中间段导流通道，中间段水气导管上开有连通后电极水冷通道与中间段导流通道的回水孔，中间段水冷隔套一端侧面开有连通中间段导流通道与中间段水冷流道的进水孔，中间段水冷隔套另一端侧面设置有穿出前电极水气导管的中间段回水管。

进一步地，所述后电极进水导管的外侧设置有后电极水冷线圈，后电极水冷线圈套设在后电极进水导管的外侧。

进一步地，所述中间段水气导管内壁上对应主进气旋气环的进气口位置设置有一圈环形进气槽，中间段水气导管内开有若干沿中间段水气导管轴向设置的轴向进气孔并且若干个轴向进气孔沿中间段水气导管的周向均匀分布，轴向进气孔的一端位于中间段水气导管的左侧端面上，轴向进气孔的另一端与环形进气槽连通，轴向进气孔与回水孔相互错开设置。

进一步地，所述前电极水气导管与中间段水气导管和辅助进气旋气环之间留有间隙构成辅助进气流道，前电极水气导管侧面开有辅助进气孔与辅助进气流道一端连通，辅助进气流道的另一端延伸至辅助进气旋气环外侧。

进一步地，所述后电极采用井型结构。

进一步地，所述主进气旋气环和辅助进气旋气环上的旋气进气孔沿着旋气环的圆形内壁的切线方向设置并且若干个旋气进气孔沿着旋气环的周向等间距分布，主进气旋气环和辅助旋气环的旋气进气孔的分布方向相同。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1、本发明采用独特的中间段结构设计，中间段与前电极无需绝缘设计，通过中间段结构的精巧设计，气动组织、主进气与辅助进气气流分配工艺，实现电弧弧根中间段至前电极跳转，与多级中间段相比结构简单，无需增加大电流电弧跳转装置即可稳定输出大电压、大功率；

2、本发明采用后电极与中间段同一股进水流道设计，前电极单独水冷设计，即采用双进双出或双进单出水冷机构设计，巧妙利用水流道与进气流道交叉设计，显著提高了等离子体发生器电极换热效率，且提高了等离子体发生器本体空间利用率，大大减轻了等离子体发生器重量；

3、本发明主进气与辅助进气旋气环设计，主进气旋气环设置在后电极与中间段之间，提供等离子体发生器工艺气的同时，高速旋转气流驱动后电极弧根快速运动，以及驱动电弧弧根从中间段跳转至前电极，抑制双弧现象发生；辅助提供冷气膜提高中间段击穿电压，防止电弧与中间段之间发生再击穿；高速旋转冷气膜也起到冷却电极内壁作用，提高发生器热效率；同时与电磁场相互作用驱动前电极弧根运动，进一步减小前电极烧蚀速率，提高电极寿命。

附图说明

图1是本发明的一种中间段结构等离子体发生器的示意图。

图2是本发明的中间段水气导管的示意图。

图3是本发明的中间段水气导管的侧视图。

具体实施方式

为了详细阐述本发明为达到预定技术目的而所采取的技术方案，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晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例，并且，在不付出创造性劳动的前提下，本发明的实施例中的技术手段或技术特征可以替换，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，本发明的一种中间段结构等离子体发生器，包含前电极1、中间段8、后电极12、主进气旋气环9和辅助进气旋气环5，前电极1的一端与辅助进气旋气环5的一端连接，辅助进气旋气环5的另一端与中间段8的一端连接，中间段8的另一端与主进气旋气环9的一端连接，主进气旋气环9的另一端与后电极12的一端连接。前电极1、后电极12、中间段8采用铜或者铜合金。分别通过去离子水冷却，并且后电极12、中间段8与前电极1同轴设置。后电极12内径设计大于前电极1内径大于中间段8内径。后电极中间段之间设置主进气旋气环9，中间段与前电极之间设置辅助进气旋气环5，多个旋气环设计，提高等离子体发生器长弧运行稳定性，提高等离子体发生器热效率，增大中间段电弧击穿电压，抑制双弧发生，提高等离子体发生器整体运行寿命。

前电极1的外侧设置有前电极冷却机构，前电极冷却机构包含前电极水冷隔套2，前电极水冷隔套2套设在前电极1的外侧，前电极水冷隔套2与前电极1之间具有两端封闭的间隙构成前电极水冷流道25，前电极水冷流道25的两端开有前电极进水口24和前电极回水口26，其中前电极进水口24还贯穿前电极水气导管4。冷却水通过前电极水气导管4上的进水孔24进入前电极水冷流道25，前电极充分冷却后，冷却水通过前电极水冷隔套2上的前电极回水口26进入总回水管内。

前电极水冷隔套2的外侧设置有前电极水冷线圈3，前电极水冷隔套2的外侧面上设置有与前电极水冷线圈3匹配的凹槽，前电极水冷线圈3套设在前电极水冷隔套2外侧的凹槽内。前电极水冷线圈3采用单独水冷，并采用顺时针或逆时针绕制。前电极水冷线圈3采用单独直流电源供电，通过前电极水冷线圈3产生磁场驱动前电极弧根高速旋转，结合工艺参数控制，提高前电极运行寿命。

后电极12和中间段8的外侧设置有后电极中间段冷却机构，后电极中间段冷却机构包含后电极进水管14、后电极进水导管13、中间段水气导管10、前电极水气导管4、中间段水冷隔套7，后电极进水管14的一端与后电极12的另一端端部通过螺纹固定连接，后电极进水导管13套设在后电极12的外侧并且后电极进水导管13与后电极12之间留有间隙构成后电极水冷通道16，后电极进水管14一端侧面开有若干个连通后电极进水管14内腔与后电极水冷通道16一端的后电极进水孔15，后电极进水孔15具有一定轴向倾角，且沿周向等间距分布。中间段水气导管10套设在后电极12一端和主进气旋气环9的外侧，中间段水气导管10与后电极进水导管13之间留有间隙并且与后电极水冷通道16另一端连通，中间段水冷隔套7套设在中间段8外侧并且中间段水冷隔套7与中间段8之间留有两端封闭的间隙构成中间段水冷流道20，前电极水气导管4套设在中间段水气导管10和中间段水冷隔套7的外侧并且前电极水气导管4与中间段水气导管10和中间段水冷隔套7一端之间留有间隙构成中间段导流通道27，中间段水气导管10上开有连通后电极水冷通道16与中间段导流通道27的回水孔18，回水孔18沿着中间段水气导管10的径向开设，多个回水孔18沿着中间段水气导管10的周向等间距分布。中间段水冷隔套7一端侧面开有连通中间段导流通道27与中间段水冷流道20的进水孔19，中间段水冷隔套7另一端侧面设置有穿出前电极水气导管4的中间段回水管6。

冷却水通过后电极进水管14，经过后电极进水孔15进入后电极水冷通道16中，水冷通道16为环形流道，通道宽度为毫米量级，冷却水高速通过后电极水冷通道16。后电极12得到充分冷却后，冷却水绕过后电极进水导管13内壁进入后电极进水导管外壁。冷却水通过中间段水气导管10的回水孔18进入中间段导通流道27内。冷却水通过中间段水冷隔套7上的进水孔19进入中间段水冷流道20。中间段8得到充分冷却后，冷却水经过中间段水冷隔套7上的回水孔进入中间段回水管6。中间段回水管6与中间段水隔套7以及前电极水气导管密封设计。前电极1采用单独进水冷却方式，后电极12与中间段8采用一股进水方式。前电极1回水与后电极12回水分别经过前电极水隔套2回水孔与中间段回水管6后汇合成一股回水，回到水冷机内，或后电极回水与前电极回水分别单独回至水冷机内。

后电极进水导管13的外侧设置有后电极水冷线圈11，后电极水冷线圈11套设在后电极进水导管13的外侧。后电极水冷线圈11通过单独水冷，后电极水冷线圈11采用顺时针或者逆时针绕制，后电极水冷线圈采用单独直流电源供电。通过后电极水冷线圈11产生磁场驱动后电极弧根高速旋转，结合工艺参数控制，提高后电极运行寿命。

如图2和图3所示，中间段水气导管10内壁上对应主进气旋气环9的进气口位置设置有一圈环形进气槽，中间段水气导管10内开有若干沿中间段水气导管轴向设置的轴向进气孔17并且若干个轴向进气孔17沿中间段水气导管10的周向均匀分布，轴向进气孔17的一端位于中间段水气导管10的左侧端面上，轴向进气孔17的另一端与环形进气槽连通，轴向进气孔17与回水孔18相互错开设置。相邻的两个回水孔18之间设置一组2个或2个以上的轴向进气孔17。

前电极水气导管4与中间段水气导管10和辅助进气旋气环5之间留有间隙构成辅助进气流道22，前电极水气导管4侧面开有辅助进气孔21与辅助进气流道22一端连通，辅助进气流道22的另一端延伸至辅助进气旋气环5外侧。

后电极12采用井型结构，其尾部与后电极进水管14通过螺纹连接，确保电流能通过后电极进水管14传递至后电极12，或者电流通过后电极传递至后电极进水管14，后电极12尾部锥面设计。

主进气旋气环9和辅助进气旋气环5上的旋气进气孔沿着旋气环的圆形内壁的切线方向设置并且若干个旋气进气孔沿着旋气环的周向等间距分布，主进气旋气环和辅助旋气环的旋气进气孔的分布方向相同。主进气旋气环9通过若干个旋气进气孔为等离子体发生器提供工艺载气，工作气体氮气与空气通过旋气环9的进气孔进入后电极12与中间段8腔室内，提供等离子体发生器工艺气的同时，驱动电弧弧根运动，并作为后电极与中间段的绝缘件。辅助进气旋气环5通过若干个旋气进气孔为等离子体发生器提供工艺载气，工作气体氮气与空气通过辅助进气旋气环5的进气孔进入中间段8与前电极1腔室内，提供等离子体发生器工艺气的同时，为中间段8提供冷气膜提高中间段击穿电压。冷气膜也起到冷却电极内壁作用，提高发生器热效率。辅助进气高速旋转气流同时驱动前电极弧根运动作用，进一步减小前电极烧蚀速率，提高电极寿命。并且辅助进气旋气环5作为导体连接中间段8与前电极1。

本发明采用独特的中间段结构设计，中间段与前电极无需绝缘设计，通过中间段结构的精巧设计，气动组织、主进气与辅助进气气流分配工艺，实现电弧弧根中间段至前电极跳转，与多级中间段相比结构简单，无需增加大电流电弧跳转装置即可稳定输出大电压、大功率；本发明采用后电极与中间段同一股进水流道设计，前电极单独水冷设计，即采用双进双出或双进单出水冷机构设计，巧妙利用水流道与进气流道交叉设计，显著提高了等离子体发生器电极换热效率，且提高了等离子体发生器本体空间利用率，大大减轻了等离子体发生器重量；本发明主进气与辅助进气旋气环设计，主进气旋气环设置在后电极与中间段之间，提供等离子体发生器工艺气的同时，高速旋转气流驱动后电极弧根快速运动，以及驱动电弧弧根从中间段跳转至前电极，抑制双弧现象发生；辅助提供冷气膜提高中间段击穿电压，防止电弧与中间段之间发生再击穿；高速旋转冷气膜也起到冷却电极内壁作用，提高发生器热效率；同时与电磁场相互作用驱动前电极弧根运动，进一步减小前电极烧蚀速率，提高电极寿命。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。