一種基于滑動電弧放電原理的等離子發生器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于滑動電弧放電原理的等離子發生器。本實用新型提供了一種在保證陽極冷卻的同時還能建立熔池保護氣氛的等離子發生器，包括陰極、陽極、工作氣體通道和絕緣體，所述陰極和陽極通過絕緣體相互安裝配合，工作氣體通道的噴口位于陰極和陽極之間，所述陽極環繞在陰極周圍，還包括陽極氣體通道，所述陽極氣體通道設置在陽極內部，陽極氣體通道的出口設置在陽極末端以形成熔池保護氣體噴出口。通過設置陽極氣體通道，可以在等離子發生器工作時利用氣體冷卻陽極，從而有效的控制陽極的溫度，同時，從陽極氣體通道噴出的氣體還能在等離子焰流周圍建立起熔池的保護氣氛。
【專利說明】
一種基于滑動電弧放電原理的等離子發生器
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種等離子發生器，特別是涉及一種用于巴氏合金、搪瓷、陶瓷、非晶合金等材料的基于滑動電弧放電原理的等離子發生器。
【背景技術】
[0002]工業裝置常有一些材料需要在表面制備一層特殊功能的材料，如支撐軸承，需要在表面制備一層巴氏合金材料、流體輸送管道需要在內表面制備一層特殊的非晶材料(如搪瓷等)，以實現功能需要，由于這些材料熔點低、易氧化，而且對溫度很敏感，過熱會導致其組織劣化，同時長時間高溫也會使材料出現嚴重的偏析類組織缺陷，而現有方法往往存在火焰溫度過高、或者火焰性質非惰性等原因，影響了熔敷材料的組織性能，甚至造成材料失效。
[0003]傳統的熱平衡等離子體與非平衡等離子體不能同時滿足化學應用所需的高能量及高非平衡性，即同時擁有較高的非平衡及電子溫度、電子密度。因此尋求一種綜合兩者的等離子體很有實際意義。目前研究較多且被認為最具工業應用前景的低溫等離子體為介質阻擋放電和電暈放電，然而它們也有各自的缺陷，如:電暈放電的電子密度、電場強度和放電能量分布不均勻，局部放電處理面積太小，并且電極幾何形狀會影響處理效率;而介質阻擋放電對放電過程中氣體有很明顯的加熱，能量利用率有待于提高，同時電極光滑度要求較高并且這兩種放電形式的共同特點在于通過高電壓低電流抑制電弧，從而避免產生大量光和熱能損失，因此具有較高的能量利用率;然而，也抑制了反應器的能量輸入，因此在一些情況下不能滿足工業應用廢氣大流量高效率的處理要求。滑動弧低溫等離子體綜合了熱平衡等離子體與非平衡等離子體的優點，利用獨特的反應器結構，可以滿足同時產生高電子溫度和密度的要求。理論研究表明，是一種能量利用率很高的等離子體發生方式。滑動弧技術操作靈活，不受壓力限制，而且反應器結構簡單，操作成本較低。目前滑動弧光放電已經在大規模廢氣清理、水處理以及各種表面處理等方面取得了較好的效果，成為等離子體研究的熱點之一。
[0004]滑動弧放電產生一種周期性擺動的大氣壓下非平衡等離子體。典型的平面雙電極滑動弧放電裝置和現象如下:在平面上垂直布置著一對電極，電極的兩邊通過變壓器加上高壓，兩個電極的對稱軸下布置一個噴嘴，氣體不斷地從噴嘴中噴出、在電極之間的最短距離處氣體擊穿開始放電。由于氣體的推動，電弧也隨之向下移動，同時電弧也隨之被拉長。當電弧長度達到電能無法繼續維持的時候，電弧熄滅，隨之新的電弧又會在兩電極之間最小的間距處產生，從而產生一個周而復始的循環放電。以上過程形成穩定的滑動弧放電等離子體區域。
[0005]對于直流滑動弧放電，在電極擊穿氣體產生電弧后的初始階段，若電流足夠大時滑動弧會處于局域熱力平衡階段。隨著滑動弧的不斷增長，這樣的熱力學平衡會被破壞，當滑動弧的長度超過了臨界值的時候，等離子體的熱損失超過電源提供的能量，等離子體不能繼續維持一個局域熱力學平衡狀態，在電場的作用下放電會快速進入了一個非平衡狀態。此時，放電等離子體伴隨著氣體迅速降溫，而等離子體電導率由于電場的作用，仍然維持在很高值，在這個區域的單位熱損失將遠遠小于平衡狀態下的熱損失，此時的等離子體成為了非平衡等離子體。由于滑動弧放電過程兼具熱等離子體和低溫等離子體階段，因此滑動弧放電等離子體有以下顯著特點:
[0006](I)由于滑動弧放電過程的大部分能量(大于75?80%)消耗在非平衡等離子體階段，整體仍表現出顯著的低溫等離子體特性，所以體現出比熱等離子體更高的能量利用率；
[0007](2)相比于脈沖放電和電暈放電等低溫等離子體發生方式，滑動弧放電可以在提供良好的反應選擇性和能量轉化率的同時，突破氣壓和能量輸入的限制，從而通過電極傳遞更大的輸入能量。
【實用新型內容】
[0008]本實用新型所要解決的技術問題是提供一種基于滑動電弧放電原理的等離子發生器，可以提供等離子焰流，而且可以根據不同材料實現焰流溫度范圍控制，解決了材料溫度敏感性問題。
[0009]本實用新型解決其技術問題所采用的等離子發生器，包括陰極、陽極、工作氣體通道和絕緣體，所述陰極和陽極通過絕緣體相互安裝配合，工作氣體通道的噴口位于陰極和陽極之間，所述陽極環繞在陰極周圍，還包括陽極氣體通道，所述陽極氣體通道設置在陽極內部，陽極氣體通道的出口設置在陽極末端以形成熔池保護氣體噴出口。
[0010]進一步的是，所述工作氣體通道和陽極氣體通道通過同一進氣口進氣。
[0011]進一步的是，所述陰極上設置有進氣通道，進氣通道從陰極的起始端開始沿著陰極軸向延續，并最終連通至陽極氣體通道和工作氣體通道。陰極是由起始端的連接部位和后端的工作部位構成，進氣通道不能設置在陰極的工作部位上，也就是進氣通道僅在連接部位上設置。
[0012]進一步的是，所述絕緣體上設置有進氣通道，進氣通道連通至陽極氣體通道和工作氣體通道。
[0013]進一步的是，所述陰極的工作區呈圓錐形，其沿氣流方向直徑逐漸變小。采用大尺寸圓錐形中心陰極及內部氣體通道設計實現了滑動電弧產生低溫等離子目的，通過調整圓錐形中心陰極收斂角，控制電弧起弧和滅弧過程，從而實現焰流溫度控制。
[0014]進一步的是，所述陽極的工作區呈圓柱管形，并且陽極與陰極同軸安裝。
[0015]進一步的是，陽極氣體通道的出口由多個通道孔組成，通道孔均勻分布在陽極末端環形端面上。
[0016]進一步的是，所述通道孔軸線與陽極末端環形端面的夾角為30?90度。
[0017]進一步的是，通道孔的數量為6?8個，直徑0.5?2毫米。
[0018]本實用新型的有益效果是:通過設置在陽極內部氣體通道，可以在等離子發生器工作時利用氣體冷卻陽極，從而有效的控制陽極的溫度，同時，從陽極氣體通道噴出的氣體還能在等離子焰流周圍建立起熔池的保護氣氛，以保護功能材料免于受到空氣的氧化，正是這樣的結構特點，可以保證等離子發生器連續數小時的工作，能使大多數部件實現一次完成重熔，保證了功能層質量和性能。
【附圖說明】
[0019]圖1是本實用新型的結構不意圖；
[0020]圖2是本實用新型另一種實施方式的不意圖；
[0021]圖中零部件、部位及編號:陽極1、陰極2、絕緣體3、陽極氣體通道4。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖對本實用新型作進一步說明。
[0023]如圖1和圖2所示，本實用新型包括陰極2、陽極1、工作氣體通道和絕緣體3，所述陰極2和陽極I通過絕緣體3相互配合安裝，工作氣體通道的噴口位于陰極2和陽極I之間，有所述陽極I環繞在陰極2周圍，還包括陽極氣體通道4，所述陽極氣體通道4設置在陽極I內部，陽極氣體通道4的出口設置在陽極I末端以形成熔池保護氣體噴出口。陽極氣體通道4的出口有多種設置方式，只要其噴出的氣體能夠形成熔池保護氣體即可，例如:陽極氣體通道4的出口可以環繞設置在陽極I末端環形端面上；陽極I末端是以氣流方向為參考，陽極I末端實際上就是焰流噴射出的一端。本實用新型利用滑動弧放電的原理，具體原理如【背景技術】所述，工作氣體通道和陽極氣體通道4最好通入惰性氣體。本等離子發生器在工作時，對陰極2和陽極I施加高壓，工作氣體通道和陽極氣體通道4內通入惰性氣體，工作氣體通道內的氣體經過陰極2和陽極I之間進行電離，形成焰流；陽極氣體通道4內的氣體強制冷卻陽極I后從末端、焰流外側排出，作為熔池保護氣建立惰性氣氛。這種結構的優勢在于可以實現連續數小時的工作，能使大多數部件實現一次完成重熔，在長時間工作中能保持陽極I的溫度，其惰性氣氛也能保證功能層不被空氣氧化。
[0024]為了簡化結構，如圖1和圖2所示，所述工作氣體通道和陽極氣體通道4通過同一進氣口進氣。這種結構主要有兩種實現方式:
[0025]其中一種如圖1所示，所述陰極2上設置有進氣通道，進氣通道從陰極2的起始端開始沿著陰極2軸向延續，并最終連通至陽極氣體通道4和工作氣體通道，通道之間的連接方式可通過管路或者過渡通道連通。陰極2的起始端也是以氣流為參考，這種陰極2中心通路進氣的特點是，所有氣流均經過陰極2，可以使陰極2得到充分冷卻，同時使氣體得到預熱。陰極2是由起始端的連接部位和后端的工作部位構成，進氣通道不能設置在陰極的工作部位上，也就是進氣通道僅在連接部位上設置。
[0026]另一種實施方式如圖2所示，所述絕緣體3上設置有進氣通道，進氣通道連通至陽極氣體通道4和工作氣體通道。這種絕緣體3進氣的特點是，在制造尺寸較小等離子發生器時，便于實現內部氣路的加工，避免破壞陰極整體構造，同時使得等離子發生器結構更加緊湊。
[0027]陰極2和陽極I可根據情況設計形狀，本實用新型推薦以下方案，如圖1和圖2所示，所述陰極2的工作區呈圓錐形，其沿氣流方向直徑逐漸變小，所述陽極I的工作區呈圓柱管形，并且陽極I與陰極2同軸安裝。陽極I放電工作區為圓柱管形，放電間隙控制容易，陽極I內部巧妙設計有陽極冷卻通道4，具體的，如圖1和圖2所示，陽極氣體通道4的出口由多個通道孔組成，通道孔均勻分布在陽極I末端環形端面上，通過調整陽極氣體通道4的通道孔尺寸及通道孔軸線與陽極I末端環形端面夾角可以使陽極I排氣用于建立適宜的熔池保護氣氛，通道孔尺寸及通道孔軸線與陽極末端環形端面夾角可參考以下設置:所述通道孔的數量為6?8個，直徑0.5?2mm，所述通道孔軸線與陽極I末端環形端面的夾角為30?90度；陰極2為圓錐開形電極，采用大尺寸，角度收斂，使放電過程呈窄間隙起弧放電、大空隙滅弧的滑移特征，通過調整陰極收斂角和內縮尺寸控制焰流溫度。絕緣體3—件三用，既作為陰陽極絕緣用，又承擔氣體輸送用，又承擔陰極2和陽極I的連接、定位、控制間隙的作用。
[0028]上述設計方式，使本發生器結構非常緊湊，各零件之間幾乎沒有多余間隙，因此大幅度縮小了外形尺寸。
【主權項】
1.一種基于滑動電弧放電原理的等離子發生器，包括陰極(2)、陽極(1)、工作氣體通道和絕緣體(3)，所述陰極(2)和陽極(I)通過絕緣體(3)相互配合安裝，工作氣體通道的噴口位于陰極(2)和陽極(I)之間，其特征在于:所述陽極(I)環繞在陰極(2)周圍，還包括陽極氣體通道(4)，所述陽極氣體通道(4)設置在陽極(I)內部，陽極氣體通道(4)的出口設置在陽極(I)末端以形成熔池保護氣體噴出口。2.如權利要求1所述的基于滑動電弧放電原理的等離子發生器，其特征在于:所述工作氣體通道和陽極氣體通道(4)通過同一進氣口進氣。3.如權利要求1所述的基于滑動電弧放電原理的等離子發生器，其特征在于:所述陰極(2)上設置有進氣通道，進氣通道從陰極(2)的起始端開始沿著陰極(2)軸向延續，并最終連通至陽極氣體通道(4)和工作氣體通道。4.如權利要求1所述的基于滑動電弧放電原理的等離子發生器，其特征在于:所述絕緣體(3)上設置有進氣通道，進氣通道連通至陽極氣體通道(4)和工作氣體通道。5.如權利要求1所述的基于滑動電弧放電原理的等離子發生器，其特征在于:所述陰極(2)的工作區呈圓錐形，其沿氣流方向直徑逐漸變小。6.如權利要求1所述的基于滑動電弧放電原理的等離子發生器，其特征在于:所述陽極(I)的工作區呈圓柱管形，并且陽極(I)與陰極(2)同軸安裝。7.如權利要求1所述的基于滑動電弧放電原理的等離子發生器，其特征在于:陽極氣體通道(4)的出口由多個通道孔組成，通道孔均勻分布在陽極(I)末端環形端面上。8.如權利要求7所述的基于滑動電弧放電原理的等離子發生器，其特征在于:所述通道孔軸線與陽極(I)末端環形端面的夾角為30?90度。9.如權利要求7所述的基于滑動電弧放電原理的等離子發生器，其特征在于:通道孔的數量為6?8個，直徑0.5?2毫米。
【文檔編號】H05H1/48GK205648166SQ201620039948
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年1月15日
【發明人】賈俊
【申請人】成都布雷德科技有限公司