一种具有轴向气流调控的等离子体电弧发生装置

技术领域

本发明涉及等离子体电弧发生领域，具体是一种具有轴向气流调控的等离子体电弧发生装置。

背景技术

等离子体电弧是高度压缩的弧流，具有能量密度高、射流速度大、化学活性强等特点，常常在精密加工、废气处理、医学应用、新型材料制备等多个领域得以应用。不同应用实际中，对电弧形状、温度等特性的要求并不相同，因此，如何实现电弧形态的精准稳定调控是上述应用场景的技术关键。

目前调控电弧形态的主要手段是磁控电弧技术，即通过改变电磁场的分布来控制电弧的形态。但这种调控方法一般需要更改电源或者添加额外的电磁线圈，在一定程度上提高了电弧调控的技术成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有轴向气流调控的等离子体电弧发生装置，包括高压电极、接地电极、绝缘壳体头部、电弧气进气管、极心控制气进气管、旁路控制气进气管、绝缘壳体主体、绝缘壳体尾部。

所述高压电极、接地电极放置在绝缘壳体头部内。

所述高压电极的高压电极引出端与外部高压电源连接。

所述外部高压电源将电压信号加载在高压电极上

所述接地电极的接地电极引出端接地。

所述接地电极和绝缘壳体头部组成旁路控制气路。

所述绝缘壳体主体前端固定绝缘壳体头部，后端固定绝缘壳体尾部，三者组合共同构成绝缘外壳。

所述绝缘壳体主体的侧壁连接有电弧气进气管和旁路控制气进气管。

电弧气进气管、旁路控制气进气管均与绝缘壳体主体内部气路相通，从而形成气流通路。

所述电弧气进气管用于通入电弧发生气体。

所述旁路控制气进气管用于通入旁路控制气流；所述旁路控制气流用于电弧调控；

所述绝缘壳体尾部连接有极心控制气进气管；

所述极心控制气进气管用于通入极心控制气流；所述极心控制气流用于电弧调控；

通入电弧发生气体、极心控制气体、旁路控制气体后，高压电极和接地电极在电压信号的作用下，对电弧发生气体放电，从而产生等离子体电弧。

在产生等离子体电弧的过程中，调控极心控制气体和旁路控制气体，使得径向的压力梯度发生变化，进而改变径向电磁力，实现对电弧的调控。

进一步，还包括水冷槽、冷却水进水管和冷却水出水管。

所述水冷槽设置在绝缘壳体头部、绝缘壳体主体、绝缘壳体尾部的内部。

所述冷却水进水管和冷却水出水管与绝缘壳体尾部侧壁连接，且与水冷槽相连。

冷却水从冷却水进水管流入，流经水冷槽后，从冷却水出水管流出，从而对高压电极、接地电极进行冷却。

进一步，电弧发生气体、旁路控制气体、极心控制气体为同种气体。

进一步，调控极心控制气体和旁路控制气体的方式包括抽气和送气。

进一步，调控极心控制气体和旁路控制气体的方式还包括调节气体类型、气体流速。

进一步，还包括为等离子体电弧发生装置供电的直流电源。

进一步，所述等离子体电弧发生装置工作在大气压环境下。

本发明的技术效果是毋庸置疑的,本发明在中间的高压电极以及电弧发生器的外壳内部分别设置两条用于调控的轴向气路，通过更改两路调控气流的流速，在电弧周围产生压力梯度，通过对速度场和压力场的控制改变电弧放电的对流散热及辐射散热，进而实现对电弧形态的控制，与传统调控方法相比，本发明操作更加简单、灵活、精准，实时性好。

附图说明

图1为具有轴向气流调控的等离子体电弧发生装置；

图2为具有轴向气流调控的等离子体电弧发生装置前视图；

图3为具有轴向气流调控的等离子体电弧发生装置俯视图；

图4为具有轴向气流调控的等离子体电弧发生装置左视图；

图5为具有轴向气流调控的等离子体电弧发生装置立体图I；

图6为具有轴向气流调控的等离子体电弧发生装置立体图II；

图7为具有轴向气流调控的等离子体电弧发生装置剖面图I；

图8为具有轴向气流调控的等离子体电弧发生装置剖面图II；

图9为旁路气流控制效果(送气)；

图10为旁路气流控制效果(抽气)；

图11为极心气流控制效果(送气)；

图12为极心气流控制效果(抽气)；

图中，高压电极1、接地电极2、高压电极引出端3、接地电极引出端4、绝缘壳体头部5、电弧气进气管6、极心控制气进气管7、旁路控制气进气管8、水冷槽9、冷却水进水管10、冷却水出水管11、绝缘壳体主体12、绝缘壳体尾部13

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1至图8，一种具有轴向气流调控的等离子体电弧发生装置，包括高压电极1、接地电极2、绝缘壳体头部5、电弧气进气管6、极心控制气进气管7、旁路控制气进气管8、绝缘壳体主体12、绝缘壳体尾部13。

所述高压电极1、接地电极2放置在绝缘壳体头部5内。

所述高压电极1的高压电极引出端3与外部高压电源连接。

所述外部高压电源将电压信号加载在高压电极1上

所述接地电极2的接地电极引出端4接地。

所述接地电极2和绝缘壳体头部5组成旁路控制气路。

所述绝缘壳体主体12前端固定绝缘壳体头部5，后端固定绝缘壳体尾部13，三者组合共同构成绝缘外壳。

所述绝缘壳体主体12的侧壁连接有电弧气进气管6和旁路控制气进气管8。

电弧气进气管6、旁路控制气进气管8均与绝缘壳体主体12内部气路相通，从而形成气流通路。

所述电弧气进气管6用于通入电弧发生气体。

所述旁路控制气进气管8用于通入旁路控制气流；所述旁路控制气流用于电弧调控；

所述绝缘壳体尾部13连接有极心控制气进气管7；

所述极心控制气进气管7用于通入极心控制气流；所述极心控制气流用于电弧调控；

通入电弧发生气体、极心控制气体、旁路控制气体后，高压电极1和接地电极2在电压信号的作用下，对电弧发生气体放电，从而产生等离子体电弧。

在产生等离子体电弧的过程中，调控极心控制气体和旁路控制气体，使得径向的压力梯度发生变化，进而改变径向电磁力，实现对电弧的调控。

具体调控原理如下：

1.根据径向动量守恒方程：

2.根据能量守恒方程，热源的产生与发散达到动态平衡，即主要热源焦耳热与辐射散热、对流散热、传导散热相平衡。

其中，根据发展的电弧模型，其热层与外流交界处无明显的径向焓梯度，故控制气流主要通过影响对流散热和辐射散热来起到调控电弧的作用。

a、根据对流项的表达式，

还包括水冷槽9、冷却水进水管10和冷却水出水管11。

所述水冷槽9设置在绝缘壳体头部5、绝缘壳体主体12、绝缘壳体尾部13的内部。

所述冷却水进水管10和冷却水出水管11与绝缘壳体尾部13侧壁连接，且与水冷槽9相连。

冷却水从冷却水进水管10流入，流经水冷槽9后，从冷却水出水管11流出，从而对高压电极1、接地电极2进行冷却。

电弧发生气体、旁路控制气体、极心控制气体为同种气体。气体种类不做要求，如：都为氩气、氮气、氦气等。

调控极心控制气体和旁路控制气体的方式包括抽气和送气。

调控极心控制气体和旁路控制气体的方式还包括调节气体类型、气体流速。

还包括为等离子体电弧发生装置供电的直流电源。

所述等离子体电弧发生装置工作在大气压环境下。

实施例2：

一种具有轴向气流调控的等离子体电弧发生装置，包括高压电极1、接地电极2、绝缘壳体头部5、绝缘壳体主体12、绝缘壳体尾部13。

所述高压电极1、接地电极2放置在绝缘壳体头部5内。

所述高压电极1的高压电极引出端3与外部高压电源连接。

所述外部高压电源将电压信号加载在高压电极1上

所述接地电极2的接地电极引出端4接地。

所述接地电极2和绝缘壳体头部5组成旁路控制气路。

所述绝缘壳体主体12前端固定绝缘壳体头部5，后端固定绝缘壳体尾部13，三者组合共同构成绝缘外壳。

绝缘壳体头部5、绝缘壳体尾部13与绝缘壳体主体12均是螺纹连接。

所述绝缘壳体主体12的侧壁连接有电弧气进气管6和旁路控制气进气管8。

电弧气进气管6、旁路控制气进气管8均与绝缘壳体主体12内部气路相通，从而形成气流通路。

所述电弧气进气管6用于通入电弧发生气体。

所述旁路控制气进气管8用于通入用于电弧调控的旁路控制气流。

所述绝缘壳体尾部13连接有极心控制气进气管7。

所述极心控制气进气管7用于通入用于电弧调控的极心控制气流。

通入电弧发生气体、极心控制气体、旁路控制气体后，高压电极1和接地电极2在电压信号的作用下，对电弧发生气体放电，从而产生等离子体电弧。

在产生等离子体电弧的过程中，调控极心控制气体和旁路控制气体，使得径向的压力梯度发生变化，进而改变径向电磁力，实现对电弧的调控。

实施例3：

一种具有轴向气流调控的等离子体电弧发生装置，主要内容见实施例2，其中，该装置还包括水冷槽9、冷却水进水管10和冷却水出水管11。

所述水冷槽9设置在绝缘壳体头部5、绝缘壳体主体12、绝缘壳体尾部13的内部。

所述冷却水进水管10和冷却水出水管11与绝缘壳体尾部13侧壁连接，且与水冷槽9相连。

冷却水从冷却水进水管10流入，流经水冷槽9后，从冷却水出水管11流出，从而对高压电极1、接地电极2进行冷却。

实施例4：

一种具有轴向气流调控的等离子体电弧发生装置，主要内容见实施例2，其中，电弧发生气体、旁路控制气体、极心控制气体为同种气体。气体种类不做要求，如：都为氩气、氮气、氦气等。

实施例5：

一种具有轴向气流调控的等离子体电弧发生装置，主要内容见实施例2，其中，调控极心控制气体和旁路控制气体的方式包括抽气和送气。

实施例6：

一种具有轴向气流调控的等离子体电弧发生装置，主要内容见实施例2，其中，调控极心控制气体和旁路控制气体的方式还包括调节气体类型、气体流速。

实施例7：

一种具有轴向气流调控的等离子体电弧发生装置，主要内容见实施例2，其中，该装置还包括为等离子体电弧发生装置供电的直流电源。

实施例8：

一种具有轴向气流调控的等离子体电弧发生装置，主要内容见实施例2，其中，所述等离子体电弧发生装置工作在大气压环境下。

实施例9：

一种具有轴向气流调控的等离子体电弧发生装置，包括：

1：高压电极。该部分为导电金属电极，施加以直流电压产生电弧等离子体。

2：接地电极。该部分为导电金属电极，设置接地条件。

3：高压电极引出端，用于连接高压电源；

4：接地电极引出端，用于接地。

5：绝缘外壳头部。作为装置的封装保护外壳，同时与接地电极组合形成旁路控制气路。

6：电弧气进气管。通入电弧发生气体，在两电极之间电离产生等离子体电弧。

7：极心控制气进气管。通入极心控制气流用于电弧的调控。

8：旁路控制气进气管。通入旁路控制气流用于电弧的调控。

9：水冷槽。内部有循环冷却水，对电极进行冷却，环缓解长时间工作产生的热负荷。

10：冷却水进水管。通入冷却水至水冷槽内部。

11：冷却水出水管。水冷槽的排水口，使水冷循环。

12：绝缘外壳主体。作为装置的封装保护外壳，用于固定并连通电弧气进气管和旁路控制气进气管。

13：绝缘外壳尾部。作为装置的封装保护外壳，用于固定并连通极心控制气进气管和冷却水的出水和入水管。

本装置采用极心和旁路两路轴向气路设计，实现对于电弧形态的实时精准控制。

本装置可以通过控制两路控制气流的流速来满足不同电弧形态的调控需求。

该装置电极内部通过循环水冷却，减缓长时间工作导致的热负荷。

装置中的两路控制气流的形式可以是抽气也可以是送气。

本装置可以通过更换不同的电流参数或不同的载气，产生不同参数的等离子体电弧。

该装置采用直流供电，在大气压下进行使用。

实施例10：

一种具有轴向气流调控的等离子体电弧发生装置的实验，内容如下：

电弧气类型为氩气，电弧发生气流速为0.2m/s，分别展示旁路控制气流和极心控制气流的控制效果：

1)温度控制效果

A、旁路气流控制效果如图9和图10所示，可以看出旁路送气有助于电弧的压缩，旁路的抽气有助于电弧的弥散。

B、极心气流控制效果如图11和图12所示，可以看出，极心送气有助于电弧的压缩，极心的抽气有助于灭弧效应。

实验发现，旁路控制气流的控制效果比极心控制更灵敏，故案例中控制气流流速极心远大于旁路。

另外，基于本案例参数，实验证明，对于旁路送气压缩电弧的方式，旁路送气流速达到1m/s(5倍电弧发生气流速)之后压缩效果将趋于饱和，极心送气达到10m/s(50倍电弧发生气流速)之后压缩效果将区域饱和；如果需要产生灭弧效应，则可以考虑极心抽气的方式快速熄弧；如果需要弥散电弧的效果，则可以考虑旁路送气的方式。