多間隔節分布式旋轉進氣的非轉移長弧大功率等離子體炬的制作方法
【專利說明】
[0001]技術領域本實用新型涉及一種直流電弧等離子體發生器亦稱等離子體炬。其特征在于，利用多個間隔節和分布式旋轉進氣在直流等離子體發生器內穩定地實現固定弧長的長電弧放電，在不增加放電電流情況下，可以實現更大功率的等離子體發生器。本發明尤其適用于制造幾百千瓦到幾兆瓦的大功率等離子體發生器。
[0002]【背景技術】用電弧放電產生的高溫等離子體往往被稱為電弧等離子體，屬于熱等離子體范疇，熱等離子體具有比化學燃燒更高的溫度，可以達到幾千到上萬度的高溫，并同時具有各種不同的化學特性狀態，如強氧化性、強還原性或各種高化學活性狀態，也可以是處在化學惰性狀態，它具有極高的熱功率密度，因此它在機械加工，化工，材料，能源，廢物處理，軍工及科學技術上有著廣泛的應用。
[0003]目前電弧等離子體的產生方法主要有三種，直接由交直流電弧放電產生，或是用直流轉移弧或非轉移弧等離子體發生器產生，直流轉移弧或非轉移弧等離子體發生器也常被稱為等離子體炬，在極大部分工業應用中主要是采用非轉移弧等離子體炬，
[0004]非轉移弧等離子體炬的最原始的結構是，在一個放電腔內有陰陽二個電極，同時向放電腔內連續注入工作氣體，電極接上外部電源后，通過二電極直接接觸然后分開，在這二個電極中產生電弧放電，注入放電腔的工作氣體被電離和加熱，形成熱等離子體，在放電腔內熱壓力驅動下，熱等離子體從炬出口噴出，形成高溫等離子體火焰。其典型裝置如專利CN201010176674，專利 CN201320620437所描述的。
[0005]為了引入高頻起動，大多數這類等離子體炬引入了一個觸發極，如專利CN200820078461，CN201310599670，CN201420580965所描述的。觸發極通過一個直流斷路器串聯一個電阻和電源正極相連，在等離子體炬起動時，通過高頻高壓將陰極和觸發極擊穿，在斷路器閉合時，在陰極和觸發極間形成放電，放電電弧噴向陽極，點燃陰陽間電弧，完成等離子體炬的起動，直流斷路器開斷，觸發極退出放電狀態。這是現有非轉移弧等離子體炬的普遍采用的基本結構形式。
[0006]這種形式的等離子體炬的共同點是陰陽極之間距離較小，因此要提高這些炬的功率只有二條途徑，一是增加放電電流，但這受到放電電流越大，對電極壽命影響越大的限止，另一途徑是加大工作氣體的進氣量來增加放電電壓。這是目前等離子體炬通常采取的方法。
[0007]通過加大工作氣體來增加等離子體炬的功率會帶來下列三方面的問題:首先，一般情況下等離子體炬的功率并不和工作氣體進氣量成線性關系，往往偏離線性關系還很遠，這就表示盡管增加工作氣體能提高炬的功率，但等離子體炬產生的熱等離子體的平均溫度卻不升反而明顯下降，這就會影等離子體加熱效率。第二個問題，隨著工作氣體進氣量增大，等離子體炬內放電腔中的氣體流動狀態往往會形成有大渦旋的強湍流狀態，大大增加等離子體炬放電腔中的熱損失，因而造成炬的電熱效率下降。最后一個問題，當工作氣體氣量加大到一定程度，越來越強的湍流會嚴重影響放電穩定性，輸出的等離子體熱功率波動也隨之增加，最終放電會隨機終止。因此目前這類型的等離子體炬很難實現功率超過三百千瓦。
[0008]
【發明內容】
.本發明是多間隔節分布式旋轉進氣的非轉移長弧大功率等離子體炬，其特征是，它有一個陰極(1)，它有二種形式，實芯陰極(1-1)，和管狀陰極(1-2)，與之相連接的是一個觸發極(2)，其后，順序連接著多個間隔節(3)，最后連接的是一個陽極(5)，在上述陰極(1)，觸發極(2)，各間隔節(3)及陽極(5)之間都有一個旋轉氣進氣環(4)，這些部件都以同一根中心線為軸，同軸順序排列，并由絕緣材料做成的水冷絕緣機械結構(6)將陰極
(1)，觸發極(2)，間隔節(3)，旋轉進氣氣環(4)，陽極(5)相互間保持電氣絕緣又提供強的水冷卻。
[0009]圖1和圖2分別給出了陰極(1)為實芯陰極(1-1)，和管狀陰極(1-2)時，多間隔節分布式旋轉進氣的非轉移長弧大功率等離子體炬的結構原理圖。
[0010]當陰極(1)，是實芯陰極(1-1)時，它是由鑲嵌在紫銅中的摻雜鎢棒或鉿棒或鋯棒的復合體組成、它的前端外側面是園錐面，前端面呈平面型或向內凹陷的漏斗型，中心是摻雜鎢棒或鉿棒或鋯棒，后部是中心柱形凸出的碗形水冷面，外部有螺絲，可將實芯陰極(1-1)擰到陰極座上。
[0011]當陰極(1)，是管式陰極(1-2)時，它的中心是一個圓柱形管孔，其一端被一個和陰極內孔有一定間隙的柱形終端所封堵，另一端部為一圓錐形向外突出的口，管狀陰極(1-2)用紫銅或鉻銅或銀銅做成，外壁有水冷卻。
[0012]與陰極(1)相連接的是觸發極(2)，是一個環形紫銅電極，面向實芯陰極(1-1)或管狀的陰極(1-2)的面是一個錐形凹面，其錐形凹面的頂角和實芯陰極(1-1)或管狀的陰極(1-2)凸出的錐面的頂角相等，上述兩個錐面之間間隙在1到2毫米，觸發極(2)的中心孔直徑，在管狀的陰極(1-2)時，它和管狀的陰極(1-2)內孔大小相同或略小于或略大于它一到二毫米，在實芯陰極(1-1)時，它的內孔大小在5到8毫米范圍內，對應于炬的電弧電流在200A到600A范圍，觸發極(2)的另一端面是凸出的圓錐面。
[0013]在觸發極(2)之后，連接有多個連續排列的間隔節(3)，間隔節(3)的數量由等離子體炬的功率決定，功率越大，間隔節(3)的節數越多，間隔節(3)是水冷的環形紫銅部件，內孔是圓管形，其直徑大小由等離子體炬的功率決定，在150KW及以下功率時，所有間隔節(3)內孔直徑是一樣的，12毫米到20毫米范圍內，當等離子體炬功率超過150KW時，間隔節(3)內孔直徑需要改變，在靠近陰極(1)的前幾個間隔節(3)內孔直徑12毫米到20毫米范圍，但靠近陽極(5)的后幾個間隔節(3)內孔直徑需逐步增大，每個間隔節(3)的二端都是圓錐面，面向陰極(1)的端面是凹形圓錐面，面向陽極(5)的端面是凸形圓錐面，所有圓錐面頂角大小是一樣的，并和觸發極(2)的凸出端的圓錐面頂角相同。
[0014]在最后一個間隔節(3)之后是陽極(5)，陽極(5)的內孔為圓管狀，和相連的間隔節
(3)的陽極(5)端面是凹形圓錐面，其圓錐頂角和前面間隔節凸形端面的圓錐面頂角一致，陽極是由紫銅或鉻銅做成，工作時其外表面受強的水冷卻。
[0015]旋轉氣進氣環(4)，如圖3所示，是由兩個同心相套的圓形絕緣氣環和勻氣環組成，絕緣氣環在勻氣環的外面，在絕緣氣環側面有多個切向微進氣孔，孔的多少由所需進氣量決定，陰極(1)、觸發極(2)、間隔節(3)以及陽極(5)所有的電極之間都安裝有旋轉氣進氣環
(4)，當使用管狀的陰極(1-2)時，在陰極的底部一端也安裝有旋轉氣進氣環(4)。
[0016]本發明主要技術特性是通過增加間隔節(3)來增加和固定等離子體炬放電時在陰極(1)和陽極(5)之間電弧的長度，各間隔節(3)相互間絕緣并且在放電時處在各自的懸浮電位上，放電電弧和它們沒有直接的接觸，隨著間隔節(3)節數的增加，放電電弧長度隨之增長，從而有效地增加等離子體炬的放電電壓，和相應的功率。運用這樣的結構來實現增加等離子