多腔室等離子發生器陽極的製作方法

2023-07-23 13:46:01 1

專利名稱：多腔室等離子發生器陽極的製作方法
技術領域：
本發明涉及等離子體應用領域，特別是涉及到一種多腔室等離子發生器陽極。
背景技術：
目前，在科學技術和工業領域應用較多的電弧等離子體發生器又稱電弧等離子體炬，或稱等離子體噴槍，有時也稱電弧加熱器。它是一種能夠產生定向等離子體射流的放電裝置，已在等離子體化工、冶金、噴塗、噴焊、機械加工和氣動熱模擬實驗等領域中得到廣泛應用。大型工業煤粉鍋爐的點火和穩燃傳統上都是採用燃燒重油或天然氣等稀有燃料來實現的，近年來，隨著世界性的能源緊張和等離子體技術的發展，鍋爐等離子點火成為了國內外發展的最新技術，大幅度減少重油(天然氣)的耗量，與以往的煤粉燃燒器相比，等離子燃燒器在煤粉進入燃燒器的初始階段就用等離子弧將煤粉點燃，可在爐膛內無火焰狀態下直接點燃煤粉，是高度環保和經濟的鍋爐的無油啟動新技術。等離子發生器的核心是陰極和陽極，尤其是大功率的等離子發生器，由於陽極受活性工作氣(氧、氯、空氣)的侵蝕，經常會導致其壽命比陰極更短，影響發生器的正常使用。 目前等離子體發生器陽極的連續壽命一般不超過200小時。陽極的燒蝕和電極材料及氣流控制技術相關。從氣流控制技術而言，現有的等離子體發生器陽極常採用喇叭狀噴嘴，在起弧後，等離子體經過噴嘴前部的喉口壓縮後，到達喇叭狀噴嘴時快速噴出，這種結構會導致陽極斑點集中在喇叭口的內表面與噴口末端的交界面上，也即是導流區域和電弧燒蝕區域重合，由於交界面的表面積小，儘管採用空氣或水等介質對整個陽極進行冷卻，但由於電流密度較大，同時電弧會在陽極表面燒蝕形成絕緣層，影響陽極的導電能力，使等離子體工作穩定性差，很難避免對陽極噴嘴端面的燒蝕，這也是國內外等離子體發生器的陽極壽命一般在200小時以下的緣故。另外，這種陽極採用喇叭狀噴嘴的結構，會使得陰極和陽極腔內等離子體的流場發生畸變，而使得漩渦場受到破壞，受到破壞的渦旋氣流對等離子體的壓縮不夠，也會進一步加重對陽極的燒蝕。從電極材料而言，現有電極材料主要使用紫銅，紫銅的電導率和熱導率僅次於銀， 廣泛用於製作導電導熱器材。紫銅有良好的可加工性，可經冷熱塑性加工製成各種半成品和成品。但使用結果表明紫銅的耐腐蝕性和抗電弧燒蝕能力較差，導致發生器陽極很容易燒蝕，是目前大功率發生器陽極壽命較低的原因之一。CuCr合金是指以Cu為基體，加入Cr 和其它微量稀土合金元素形成的一系列合金。該合金在室溫及600°C以下具有較高的機械強度和硬度。具有良好的導電、導熱能力，具有優良的耐磨性和減磨性能，並具有抗高溫氧化、耐燒蝕和加工性能好等特性，廣泛應用於要求高硬度、高強度、高導電和導熱的零件中。目前主要應用於製備電阻焊電極、觸頭材料、集成電路弓I線框架、電車及電力火車架空導線、電動工具的轉向器、電工插頭等。由於稀土在銅合金中固溶度小，具有晶粒細化，淨化雜質的特點，因而添加稀土是獲得高強度導電銅合金的有效辦法之一。銅鉻合金中加稀土形成的CuCrRe材料具有比銅更好的導電性、腐蝕性能和抗電弧燒蝕性能。陽極的壽命與陽極斑點對陽極內表面導流區域的燒蝕速率密切相關，對於陽極的局部燒蝕，會導致整個陽極的壽命縮短。雖然現有的等離子體發生器中可以通過調節氣流來調節陽極的燒蝕範圍，但由於氣流的精確調節比較複雜和困難，難以做到精確控制，過高或過低的氣體壓力都會影響到陽極的燒蝕位置，因此這種方法不能很好提升等離子體發生器的整體使用壽命。在申請號為200910164214. 1的專利申請中，是採用螺旋導電彈簧形成一個電磁壓縮環，當螺旋導電彈簧通電後，產生磁場，起到壓縮等離子電弧的作用，但是，其缺乏穩燃腔、導流腔以及加速腔，提高陽極壽命有限。為此，新的抗燒蝕陽極的開發具有非常重要的意義。

發明內容
本發明的目的是提供一種多腔室等離子發生器陽極，其具有長壽命高穩定性的特點，用以解決現有等離子體發生裝置使用壽命較短，輸出功率不高的問題。本發明的目的可通過如下技術措施來實現一種多腔室等離子發生器陽極，其包括壓縮腔，所述多腔室等離子發生器陽極還包括穩燃腔、導流腔和加速腔，所述壓縮腔位於所述多腔室等離子發生器陽極的後端，並配置成將陰極產生的等離子進行壓縮，所述穩燃腔連接於所述壓縮腔，為拋物線形腔體，並配置成滿足所述等離子擴張，所述導流腔連接於所述穩燃腔，並配置成傳導電子和構成良好的導電通路，所述加速腔連接於所述導流腔，為上開口拋物線和下開口拋物線構成的雙拋物線結構，所述上開口拋物線左側曲線和所述下開口拋物線的左側曲線共同構成所述加速腔的壓縮段，並配置成壓縮所述等離子，提高所述等離子體密度，所述上開口拋物線右側曲線和所述下開口拋物線的右左側曲線共同構成所述加速腔的加速段，並配置成降低所述等離子從陽極前端噴口噴出的阻力，提高所述等離子噴射速度。優選的是，所述壓縮腔的直徑為20-60mm，長度為20_50mm，厚度為5_20mm。優選的是，所述穩燃腔的腔體直徑為20-100mm，長度為30_100mm，厚度為5_20mm。優選的是，所述導流腔的直徑為30-100mm，長度為30_100mm，厚度為5_20mm。優選的是，所述加速腔的直徑為20-100mm，長度為30-150mm，厚度為5_20mm。優選的是，所述多腔室等離子發生器陽極的後端與所述陰極相連，所述多腔室等離子發生器陽極與該陰極間間隔0. 5-3mm。優選的是，所述多腔室等離子發生器陽極的製備材料為銅-鉻-稀土複合材料。優選的是，所述多腔室等離子發生器陽極還包括水冷卻系統，該水冷卻系統覆蓋在所述壓縮腔、所述穩燃腔、所述導流腔和所述加速腔的外壁上。優選的是，所述多腔室等離子發生器陽極的外表面帶有納米晶氮化鉻薄膜，這在現有技術中是很容易實現的。實驗證明，帶有納米晶氮化鉻薄膜的等離子發生器陽極不僅使用壽命大大提高，而且使用中振動小，穩定性好。優選的是，所述多腔等離子發生器陽極材料內嵌有晶片，晶片上例如可以設有產品的檔案信息，以便防止假冒。該晶片上載有的信息優選可以由一讀取器讀取。技術人員不難看出，上述各優選方案的任意組合所構成的方案都是本發明的一部分。本發明實施例提供的等離子體發生器陽極，採用不同直徑及曲線的筒狀結構，等離子體從陰極向陽極輸運時，首先經過壓縮腔對等離子體進行壓縮，阻止等離子體的擴散； 經過壓縮的等離子體進入穩燃腔時，由於等離子體的自擴展特性，會使等離子體發生一定程度的擴散，由於高度壓縮的等離子擴張時等離子弧溫度很高，容易燒蝕陽極內表面。但由於本結構採用了先進的拋物線形設計，使拋物線與等離子體邊界平行，使渦旋氣流對等離子體進行了良好的壓縮。同時等離子弧不會燒蝕到陽極的內表面。由於該設計使等離子穩定的向前傳輸，不會引起流場的畸變降低對等離子體的約束，使等離子體的燃燒更為穩定。 經過穩燃腔後，等離子體繼續向前運動到導流腔，這是因為陰陽極之間構成迴路的需要，大量的電子需要從陽極內壁流回供電電源。在常規陽極設計中，由於陽極噴口較短，使導電平面和電弧擴展平面重合，電弧的高溫會使陽極表面形成導電較差的絕緣層，絕緣層反過來又會降低陽極表面的導電效果，導致大量的電子需要從絕緣層之間很小的導電通路流過， 使局部區域電流密度過大，形成了大電流的過熱效應，嚴重燒損陽極表面。在本發明中，由於電弧的高溫主要在穩燃腔產生，而導電主要在導流腔，兩者不在同一區域，電弧的高溫在導流腔不會產生，降低了導流腔陽極內表面絕緣層的產生，大幅度提高了內表面的導電能力，進一步提高了等離子體的穩定性和降低了燒蝕速率。當電流從導流腔進入雙拋物線形的加速腔的壓縮段後，由於內腔直徑變小，主要壓縮等離子體流，當等離子體流通過噴口後提高等離子體流的速度，而右側加速腔的加速段結構主要是降低等離子體流噴射時的阻力，提高燃燒效果。由於本發明對整個陽極結構進行了仿形的優化設計，使其更加適合於發生器的使用，充分利用了等離子體自適應的特點，不需要複雜的電磁線圈的穩弧裝置，具有結構簡單，控制容易，等離子體流場畸變小，離子弧長更長，輸出電壓更高，輸出功率更大的特點。 同時用於採用這種結構，還能夠降低等離子體在陽極內部的導流區域電流密度，使得等離子弧在陽極內表面的燒蝕點分布更均勻，大幅提高了等離子體發生器陽極的使用壽命。


圖1為本發明的多腔室等離子發生器陽極一優選實施例的結構圖2為本發明的多腔室等離子發生器陽極的一實施例中運行等離子火焰的照片； 圖3為本發明的多腔室等離子發生器陽極的一實施例中等離子火焰濾光的照片。
具體實施例方式為使本發明的上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。如圖1所示，圖1為本發明的多腔室等離子發生器陽極的一優選實施例的結構圖。該多腔室等離子發生器陽極由壓縮腔L2、穩燃腔L3、導流腔L4、加速腔L5和水冷卻系統Li。該壓縮腔L2位於該陽極的後端，直徑為20-60mm，長度為20_50mm，厚度為5_20mm， 主要對陰極產生的等離子體進行壓縮；穩燃腔L3連接於該壓縮腔L2，為拋物線形腔體，其腔體直徑為20-100mm，長度為30-100mm，厚度為5_20mm，主要是滿足等離子擴張的要求， 同時避免電弧對陽極內壁的燒蝕；導流腔L4連接於該穩燃腔L3，直徑為30-100mm，長度為30-100mm，厚度為5_20mm，主要為了傳導電子和構成良好的導電通路；加速腔L5連接於該導流腔L4，為上開口拋物線和下開口拋物線構成的雙拋物線結構，上開口拋物線左側曲線和下開口拋物線的左側曲線共同構成加速腔L5的壓縮段，壓縮等離子，提高等離子體密度，上開口拋物線右側曲線和下開口拋物線的右左側曲線共同構成加速腔L5的加速段，降低等離子從陽極前端噴口噴出的阻力，提高等離子噴射速度。也就是說，左側內壁主要是為了壓縮等離子體，提高等離子體密度，右側拋物線結構主要是降低等離子從陽極前端噴口噴出的阻力，結構和左側對稱。加速腔L5的直徑為20-100mm，長度為30_150mm，厚度為 5-20mmo水冷卻系統Ll覆蓋在壓縮腔L2、穩燃腔L3、導流腔L4、加速腔L5的外壁上，對壓縮腔L2、穩燃腔L3、導流腔L4、加速腔L5進行冷卻；本發明的多腔室等離子發生器陽極後端與陰極相連，兩極之間間隔0. 5-3mm ；陰極產生的等離子體經壓縮腔L2、穩燃腔L3、導流腔L4以及加速腔L5後高速噴出陽極前端噴口。陽極材料採用銅-鉻-稀土(CuCrRE)材料製造。不同於傳統等離子體發生器的陽極所採用的先壓縮然後擴散型噴嘴，本發明實施實例提供的等離子體發生器對陽極結構進行了大幅度的優化，根據等離子體的擴展特性設計了獨特的多腔室陽極結構。改變了傳統陽極導電區域和電弧燃燒區域重合導致燒蝕速率過快引起陽極壽命較短的缺點，使整個陽極由壓縮腔L2、穩燃腔L3、導流腔L4、加速腔L5構成。當等離子體工作時經壓縮腔L2壓縮提高等離子體密度，穩燃腔L3主要是採用特殊的拋物線結構對等離子體的邊界進行仿形，給等離子體的擴展提供了足夠的空間，同時又能對氣流形成的渦旋場進行良好的約束，使等離子流高度穩定的傳輸；採用的導流腔L4主要是為了克服陽極表面電弧燒蝕導致的絕緣氧化層的形成，提高導電效率。加速腔L5主要是再一次壓縮等離子體，使其高速噴出陽極噴嘴。由於本發明陽極的結構充分考慮了抗電弧燒蝕材料優選、等離子壓縮、輸運、導流及加速的需求，解決了長期以來傳統陽極放電穩定性差，陽極壽命短的缺點，大幅度提高國產陽極的壽命，提高了大功率陽極的國際市場競爭力。圖2為本發明的多腔室等離子發生器陽極的一實施例中運行等離子火焰的照片， 從圖2中可以發現，等離子體火焰較長，對鍋爐點火效果較好；
圖3為本發明的多腔室等離子發生器陽極的一實施例中等離子火焰濾光的照片，從圖 3中可以看出，等離子中心高溫區域向噴嘴外延伸了較長距離，可以進一步提高等離子點火的能量。在一具體實施例的等離子體發生器陽極中，陽極材料採用90%Cu和10%CrRe構成的CuCrRE。壓縮腔直徑為30mm，長度為40mm ；穩燃腔腔體直徑最大處為40mm，長度為 60—80mm;導流腔直徑為Φ40πιπι，長度為60_80mm ；厚度為5_20mm。加速腔最小直徑為 Φ 20-30，長度為50mm ；陽極總長度為200—250mm。經500小時運行後，陽極表面基本完好， 內表面燒蝕深度小於1mm，預計使用壽命在1000小時以上。在另一具體實施例的等離子體發生器陽極中，陽極材料採用80%Cu和20%CrRe構成的CuCrRE。壓縮腔直徑為Φ 30mm，長度為50mm ；穩燃腔腔體直徑最大處為Φ 50mm，長度為60—90mm，厚度為5_20mm ；導流腔直徑為Φ 50—60mm，長度為90mm ；加速腔最小直徑為 Φ 30mm，長度為50mm，厚度為5_20mm ；陽極總長度為200j80mm。經600小時運行後，陽極表面基本完好，內表面燒蝕深度小於1mm，預計使用壽命在1000小時以上。在本發明一具體實施例的等離子體發生器陽極中，陽極材料採用70%Cu和30%CrRe構成的CuCrRE。壓縮腔直徑為40mm，長度為50mm ；穩燃腔腔體直徑最大處為60mm， 長度為IOOmm ；導流腔直徑為Φ 60mm，長度為100mm，厚度為18mm ；加速腔最小直徑為Φ 40， 長度為50mm ；陽極總長度為300mm。經400小時運行後，陽極表面基本完好，內表面燒蝕深度小於1mm，預計使用壽命在1200小時以上。在另一具體實施例的等離子體發生器陽極中，陽極材料採用60%Cu和40%CrRe構成的CuCrRE。壓縮腔直徑為Φ 50mm，長度為60mm ；穩燃腔腔體直徑最大處為70mm，長度為 100mm;導流腔直徑為Φ70πιπι，長度為IOOmm加速腔最小直徑為Φ50，長度為50mm;陽極總長度為310mm。經500小時運行後，陽極表面基本完好，內表面燒蝕深度小於1mm，預計使用壽命在1400小時以上。在本發明的一具體實施例等離子體發生器陽極中，陽極材料採用50%Cu和 50%CrRe構成的CuCrRE。壓縮腔直徑為Φ60πιπι，長度為60mm ；穩燃腔腔體直徑最大處為 80mm，長度為150mm;導流腔直徑為Φ80πιπι，長度為150mm ；加速腔最小直徑為Φ70，長度為 50mm ；陽極總長度為410mm。經600小時運行後，陽極表面基本完好，內表面燒蝕深度小於 1mm，預計使用壽命在1500小時以上。在本發明的另一具體實施例的等離子體發生器陽極中，陽極材料採用50%Cu和 50%CrRe構成的CuCrRE。壓縮腔直徑為Φ60πιπι，長度為60mm ；穩燃腔腔體直徑最大處為 80mm，長度為200mm ；導流腔直徑為Φ 80mm，長度為200mm ；加速腔最小直徑為Φ 70，長度為 50mm ；陽極總長度為510mm。經600小時運行後，陽極表面基本完好，內表面燒蝕深度小於 1mm，預計使用壽命在1800小時以上。本發明實施例提供的等離子體發生器陽極，內部為變直徑圓筒形腔體。陰極產生的等離子體經陽極後端的壓縮腔提高等離子體密度後進入弧形穩燃腔，經穩燃後的等離子體進入導流腔，維持陰極和陽極放電的電子經導流腔與陰極構成迴路，維持陰陽極電弧放電；等離子體經導流腔進入加速腔後，由於腔體直徑變小，流速增加，使最後噴出陽極前端的等離子體速度加快，可以形成更長的等離子焰流高速噴到大氣中，提高燃燒效果。也就是說，本發明提供的等離子體發生器陽極，結構設計上根據等離子體的擴展特性設計了獨特的多腔室陽極結構。改變了傳統陽極導電區域和電弧燃燒區域重合導致燒蝕速率過快引起陽極壽命較短的缺點，使整個陽極由壓縮腔、穩燃腔、導流腔、加速腔構成。充分考慮了抗電弧燒蝕材料優選、等離子壓縮、輸運、導流及加速的需求，還能夠降低等離子體在陽極內部的電流密度，使得等離子弧在陽極表面的燒蝕點分布更均勻，解決了長期以來傳統陽極放電穩定性差，陽極壽命短的缺點，大幅度提高國產陽極的壽命，使麗級大功率等離子發生器的開發成為可能。更近一步地，本發明實施例提供的等離子體發生器陽極，材料上採用了更為先進的銅-鉻-稀土複合材料，充分利用稀土的細化晶粒和鉻的抗高溫性能好的特點，大幅度改善了常規銅陽極耐氧化性能差，抗電弧燒蝕能力低的缺點。使陽極壽命從現在小於200小時提高到最高2000小時左右，為大功率等離子體發生裝置的開發奠定了基礎。顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。本領域技術人員在閱讀了本說明書後不難理解，本發明的多腔室等離子發生器陽極由現有技術結合而構成，這些現有技術雖然並沒有事無巨細地全部一一描述，但在閱讀了本說明書後本領域技術人員會知其所云。本說明書中描述了上述現有技術的結合而構成本發明的各個方案，本領域技術人員可以理解，這些方案的各種結合，以及構成這些方案的各個部分和/或特徵的結合都屬於本發明的方案的範疇。本領域技術人員顯然可以理解的是，將上述現有技術結合起來構成本發明，這需要大量創造性勞動付出，是多年理論研究和大量實驗的結晶。
權利要求
1.多腔室等離子發生器陽極，其包括壓縮腔，其特徵在於，所述多腔室等離子發生器陽極還包括穩燃腔、導流腔和加速腔，所述壓縮腔位於所述多腔室等離子發生器陽極的後端， 並配置成將陰極產生的等離子進行壓縮，所述穩燃腔連接於所述壓縮腔，為拋物線形腔體， 並配置成滿足所述等離子擴張，所述導流腔連接於所述穩燃腔，並配置成傳導電子和構成良好的導電通路，所述加速腔連接於所述導流腔，為上開口拋物線和下開口拋物線構成的雙拋物線結構，所述上開口拋物線左側曲線和所述下開口拋物線的左側曲線共同構成所述加速腔的壓縮段，並配置成壓縮所述等離子，提高所述等離子體密度，所述上開口拋物線右側曲線和所述下開口拋物線的右左側曲線共同構成所述加速腔的加速段，並配置成降低所述等離子從陽極前端噴口噴出的阻力，提高所述等離子噴射速度。
2.根據權利要求1所述的等離子發生器陽極，其特徵在於，所述壓縮腔的直徑為 20-60mm，長度為 20_50mm，厚度為 5-20mmo
3.根據權利要求1所述的等離子發生器陽極，其特徵在於，所述穩燃腔的腔體直徑為 20-100mm，長度為 30_100mm，厚度為 5-20mm。
4.根據權利要求1所述的等離子發生器陽極，其特徵在於，所述導流腔的直徑為 30-100mm，長度為 30_100mm，厚度為 5-20mmo
5.根據權利要求1所述的等離子發生器陽極，其特徵在於，所述加速腔的直徑為 20-100mm，長度為 30-150mm,厚度為 5-20mm。
6.根據權利要求1所述的等離子發生器陽極，其特徵在於，所述多腔室等離子發生器陽極的後端與所述陰極相連，所述多腔室等離子發生器陽極與該陰極間間隔0. 5-3mm。
7.根據權利要求1所述的等離子發生器陽極，其特徵在於，所述多腔室等離子發生器陽極的製備材料為銅-鉻-稀土複合材料。
8.根據權利要求1所述的等離子發生器陽極，其特徵在於，所述多腔室等離子發生器陽極還包括水冷卻系統，該水冷卻系統覆蓋在所述壓縮腔、所述穩燃腔、所述導流腔和所述加速腔的外壁上。
全文摘要
本發明提供一種多腔室等離子發生器陽極，其包括依次連接的壓縮腔、穩燃腔、導流腔和加速腔，壓縮腔將陰極產生的等離子進行壓縮，穩燃腔可滿足所述等離子擴張，導流腔為傳導電子和構成良好的導電通路，加速腔為上開口拋物線和下開口拋物線構成的雙拋物線結構，其壓縮段壓縮等離子，提高等離子體密度，其加速段降低等離子從陽極前端噴口噴出的阻力，提高等離子噴射速度。本發明中的多腔室等離子器發生器陽極不同於傳統等離子體發生器的陽極所採用的先壓縮然後擴散型噴嘴，根據等離子體的擴展特性設計了獨特的多腔室陽極結構，改變了傳統陽極導電區域和電弧燃燒區域重合導致燒蝕速率過快引起陽極壽命較短的缺點。
文檔編號H05H1/34GK102427654SQ20121000249
公開日2012年4月25日 申請日期2012年1月6日 優先權日2011年11月28日
發明者於寶成, 張志宏, 王華彬 申請人:武漢天和技術股份有限公司