一种复合阴极大功率等离子体发生器及引弧方法

1.本发明属于直流电弧产生等离子体技术领域，具体涉及一种复合阴极大功率等离子体发生器及引弧方法。


背景技术：

2.用电弧放电产生的高温等离子体被称为电弧等离子体，属于热等离子体范畴，热等离子体具有高温、高焓、高能量密度以及气氛可控等特点，可以广泛应用于机械加工、喷涂、材料制备、废物处理、能源等领域。要在工业中大规模应用要求等离子体发生装置具有高稳定性、高功率、高效率和长寿命等特性。
3.直流电弧等离子体发生装置具有结构简单、稳定性高、功率大、电热转化效率高等优点，比较符合工业应用的需求。现有主要形式的非转移弧等离子体发生器大多数采用高频启动方式，引入一个触发极，在阴极和触发极形成放电，放电电弧喷向阳极，点燃阴阳极间电弧，其共同点是阴阳极之间距离较小，无法通过简单的两电极结构获得较大功率，因此要提高这些等离子体发生器的功率的方法有两种，一是增加放电电流，二是提高放电电压，但放电电流太大，会造成热效率下降，电极寿命也会缩短，因此提高放电电压，也就是增加电弧长度是提高功率的有效途径。在电流保持不变情况下，加大工作气体流量可增加电弧长度，以提高电压，但气体流量不能无限制增加，过大气流直接影响等离子体加热效率以及放电稳定性，当气体流量到达一定值，会将电弧吹灭，功率提升受很多因素制约，一般不超过三百千瓦。
4.为了提高等离子体发生器的功率，现有的等离子体发生器正朝着带有电极间插入段的方向发展，等离子体发生器结构由阴极部件、阳极部件及电极间插入段和各电极间通入的惰性气体和水冷部件构成，由于电极间插入段结构复杂，且需要通电、通气和水冷，如何解决上述制造安装困难是工业化前景仍然存在且亟待解决的问题。
5.现有电弧等离子体发生器一般采用水冷实心阴极，阴极弧斑集中，阴极烧蚀严重，寿命较短，或采用管式阴极，虽增加烧蚀面积，但放电过程中稳定性较差。另外，阴阳电极水冷系统没有分开，致使拆装、检漏困难，水冷效果也会大大降低，当功率增大时，这些问题就愈加突出，寿命一般不超过两百小时，严重制约了大功率等离子体发生器的工业化应用。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种复合阴极大功率等离子体发生器及引弧方法，具有安装简单可靠、放电稳定、功率大、使用寿命长的特点。
7.为了达到上述目的，本发明所设计的一种复合阴极大功率等离子体发生器，包括一个复合阴极、引弧电极、电极间插件、阳极；
8.所述复合阴极由端面阴极和环靶阴极组成，环靶阴极由阴极环和内部靶工质共同构成，端面阴极位于最上端，由阴极支撑冷却单元固定，与所述阴极环连接的是引弧电极，而后依次往下逐个连接多个电极间插件，最后连接阳极，所述端面阴极，阴极环，引弧电极，
电极间插件，阳极外圈均由独立的绝缘环固定，形成模块化结构，通过周向分布的压紧杆同轴紧密绝缘连接，所述阴极环、引弧电极、电极间插件和阳极中间形成一个电弧通道，各绝缘环之间均设置有能产生涡流气体的进气环；
9.所述阴极支撑冷却单元设置有独立冷却通道，用于冷却端面阴极，上面安装有阴极冷却进水口和阴极冷却出水口；所述阴极环，引弧电极，电极间插件，阳极外壁均水冷，采用串联方式冷却，共用一个冷却水主通道，主进水口和主出水口设置于阳极之上。
10.进一步地，所述端面阴极为扁平圆柱状，主体为紫铜或铬锆铜，上端面有一圈水冷槽，下端面为镶嵌的平锥面的钨棒或锆棒，整体通过阴极螺母固定在阴极支撑冷却单元上，所述端面阴极可更换。
11.进一步地，所述阴极环为圆筒状紫铜环或铬锆铜环，上端与所述端面阴极导电接触连接，下端面为凸起锥面，与引弧电极相连接。
12.进一步地，所述阴极环外圈的绝缘环上设置有进气口，用于提供放电气体，阴极环内部靶工质是放电气体或者放电产生的等离子体。
13.进一步地，所述的放电气体为n2，ar，he，h2，co，co2，空气的一种，或所述气体的混合气。
14.进一步地，所述引弧电极为圆筒状紫铜环或铬锆铜环，上端面内凹，下端面为凸起锥面，外圈的绝缘环上安装有高压接线柱。
15.进一步地，所述高压接线柱穿过绝缘环，与所述引弧电极导电接触，用于馈入高压，在引弧电极和阴极环之间形成放电电弧，然后在端面电极和阳极之间的整个电弧通道内形成稳定放电电弧。
16.进一步地，所述引弧电极之后顺序连接多个电极间插件，其数量增加，等离子体发生器的功率也相应提高，所述电极间插件为圆筒状紫铜环或铬锆铜环。
17.进一步地，所述阳极为圆筒状紫铜环或铬锆铜，位于电弧通道最末端，与最后一个电极间插件连接，所述阳极可更换。
18.进一步地，所述压紧杆为金属杆，数量3～4根，周向均匀分布，将所有部件模块紧密连接。
19.进一步地，所述绝缘环的材料为聚四氟乙烯、聚酰亚胺、高强陶瓷等具有一定强度且绝缘好的材料的一种，截面布置有主进水孔，主出水孔，气路孔和相应数量的压紧杆孔，中间为金属环电极，各个模块绝缘环紧密连接后形成完整冷却水路和供气气路。
20.进一步地，所述绝缘环之间冷却水路和供气气路连接处采用o型密封圈密封。
21.进一步地，所述压紧杆为有一定强度的绝缘材料杆。
22.本发明还提供一种复合阴极大功率等离子体发生器的引弧方法，包括以下步骤：
23.1)打开并调节冷却水阀门，检查冷却水路密封性；
24.2)打开并调节供气阀门，确保等离子体发生器电弧通道出口没有水；
25.3)接通电源，使所述端面阴极(1)与阴极环(2)通电接触；
26.4)启弧柜通过所述高压接线柱(31)给引弧电极(3)施加一个0～2μs最大20kv的电压，在引弧电极(3)和阴极环(2)之间形成间隙放电；
27.5)同时地，所述端面阴极(1)和阴极环(2)一起或端面阴极(1)与阴极环(2)电路断开与阳极(5)之间施加0.1～3s最大1200v的电压，通过二次引弧，所述端面阴极(1)与阳极
(5)之间完成电弧连接，在气流作用下，形成稳定放电电弧通道。
28.本发明与现有技术相比的优点在于：
29.1)本发明采用复合阴极结构，通过环靶阴极的过渡，不仅起弧稳定，还可以有效减少端面阴极在起弧瞬间的高压冲击，减缓阴极的烧蚀，延长了阴极的使用寿命，从而提高了大功率等离子体发生器的使用寿命，在工作过程中放电稳定性好，能更好的产业化应用。
30.2)本发明组装等离子体发生器时，必须保证水冷回路的密封性，气路接触面的紧密配合，以避免等离子体放电气体和冷却水的泄漏。本发明采用模块化结构设计，不仅安装更加便捷，在逐个模块安装过程中可以更好的确保各个连接口处的密封性能。
31.3)本发明的阳极和端面阴极采用独立的水冷回路，这对其两个关键易烧蚀部件可以达到更好的冷却效果，起到更好的保护作用，且安装、更换、捡漏更加方便，其他部件与阳极共用一个水冷和供气回路，又可减少外接水路和气路接口，大大减少外部的管路布置。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
33.图1为本发明的一种复合阴极大功率等离子体发生器结构原理图；
34.图2为本发明的一种复合阴极大功率等离子体发生器中间部件横截面图。
35.图中附图标记含义为：1.端面阴极；2.阴极环；3.引弧电极；4.电极间插件；5.阳极；6.阴极支撑冷却单元；7.进气口；8.压紧杆；9.进气环；10.金属环电极；11.绝缘环；31.高压接线柱；51.主进水口；52.主出水口；53.主进水孔；54.主出水孔；61.阴极螺母；62.阴极冷却进水口；63.阴极冷却出水口；71.气路孔；81.压紧杆孔。
具体实施方式
36.为了使本领域的技术人员较好的理解本发明，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楚、完整的描述。显而易见，下面所述的实施例仅是本发明实施例中的一部分，而不是全部。基于发明记载的实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得到的其它所有实施例，均在本发明保护的范围内。
37.下面结合附图，详细描述本发明的具体实施方式：
38.如图1所示，本发明的一种复合阴极大功率等离子体发生器，包括一个复合阴极、引弧电极3、电极间插件4、阳极5，所述复合阴极由端面阴极1和环靶阴极组成，环靶阴极由阴极环2和内部靶工质共同构成，端面阴极1位于最上端，由阴极支撑冷却单元6固定，与所述阴极环2连接的是引弧电极3，而后依次往下逐个连接多个电极间插件4，最后连接阳极5，所述端面阴极1，阴极环2，引弧电极3，电极间插件4，阳极5外圈均由独立的绝缘环11固定，形成模块化结构，通过周向分布的压紧杆8同轴紧密绝缘连接，所述阴极环2，引弧电极3，电极间插件4，阳极5中间形成一个电弧通道，各绝缘环11之间均设置有能产生涡流气体的进气环9。
39.所述阴极支撑冷却单元6设置有独立冷却通道，用于冷却端面阴极1，上面安装有
阴极冷却进水口62和阴极冷却出水口63；所述阴极环2，引弧电极3，电极间插件4，阳极5外壁均水冷，采用串联方式冷却，共用一个冷却水主通道，主进水口51和主出水口52设置于阳极5之上。
40.所述端面阴极1为扁平圆柱状，主体为紫铜或铬锆铜，上端面有一圈水冷槽，下端面为镶嵌的平锥面的钨棒或锆棒，整体通过阴极螺母61固定在阴极支撑冷却单元6上，所述端面阴极1可更换。
41.所述阴极环2为圆筒状紫铜环或铬锆铜环，上端与所述端面阴极1导电接触连接，下端面为凸起锥面，与引弧电极3相连接。
42.所述阴极环2外圈绝缘环11上设置有进气口7，用于提供放电气体，阴极环2内部靶工质是放电气体或者放电产生的等离子体，环靶阴极由环、靶、气体复合而成。
43.所述的放电气体为n2，ar，he，h2，co，co2，空气的一种，或上述放电气体的混合气。
44.所述引弧电极3为圆筒状紫铜环或铬锆铜环，上端面内凹，下端面为凸起锥面，外圈绝缘环上安装有高压接线柱31，用于与起弧电源柜连接，获得起弧瞬时高压。
45.所述高压接线柱31穿过绝缘环11，与所述引弧电极3导电接触，用于馈入高压，在引弧电极3和阴极环2之间形成放电电弧，然后在端面电极1和阳极5之间的整个通道内形成稳定放电电弧。
46.所述引弧电极3之后顺序连接多个电极间插件4，其数量增加，等离子体发生器功率也相应提高，所述电极间插件4为圆筒状紫铜环或铬锆铜环。
47.所述阳极5为圆筒状紫铜环或铬锆铜，位于所述电弧通道最末端，与最后一个电极间插件4连接，所述阳极5可更换。
48.所述压紧杆8为金属杆或具有一定强度的绝缘材料杆，优选为绝缘材料杆，数量3～4根，周向均匀分布，将所有部件模块紧密连接。
49.所述绝缘环11材料为聚四氟乙烯、聚酰亚胺、高强陶瓷等具有一定强度且绝缘好材料的一种，如图2所示，其截面布置有主进水孔53，主出水孔54，气路孔71和相应数量的压紧杆孔81，中间为金属环电极10，主进水孔53和主出水孔54均与金属环电极10建立通道使冷水能通过金属环电极10外壁，各绝缘环11紧密连接后形成完整冷却水路和供气气路。
50.各个所述绝缘环11之间水路和气路连接处采用o型密封圈密封，确保水和气不泄露。
51.本发明一种复合阴极大功率等离子体发生器采用模块化结构和特殊冷却方式，克服了电极间插入段实现大功率的等离子体发生器的制造安装及检漏等困难；阴极采用两重复合方式，一是端面阴极与环靶阴极复合，二是环靶阴极由环、靶、气体三者复合而成，实现了稳定起弧和稳定持续放电，减缓了阴极的烧蚀，延长了大功率的使用寿命。
52.本发明的一个实施例是：
53.根据本发明设计制造的500kw等离子体发生器功率，主要技术参数：最大功率500kw，工作电压700～1200v，工作电流200～600a，工作气体为氮气，等离子体发生器出口温度可达6000～8000k，热效率80％左右，寿命可达1000小时左右，该大功率等离子体发生器可较好运用于工业领域。
54.本发明还提供一种500kw复合阴极大功率等离子体发生器的引弧方法，包括以下步骤：
55.1)打开并调节冷却水阀门，检查冷却水路密封性；
56.2)打开并调节供气阀门，确保等离子体发生器电弧通道出口没有水；
57.3)接通电源，使所述端面阴极(1)与阴极环(2)通电接触；
58.4)启弧柜通过所述高压接线柱(31)给引弧电极(3)施加一个0～2μs最大20kv的电压，在引弧电极(3)和阴极环(2)之间形成间隙放电；
59.5)同时地，所述端面阴极(1)和阴极环(2)一起或端面阴极(1)与阴极环(2)电路断开与阳极(5)之间施加0.1～3s最大1200v的电压，通过二次引弧，所述端面阴极(1)与阳极(5)之间完成电弧连接，在气流作用下，形成稳定放电电弧通道。
60.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种复合阴极大功率等离子体发生器，包括一个复合阴极、引弧电极(3)、电极间插件(4)和阳极(5)，其特征在于：所述复合阴极由端面阴极(1)和环靶阴极组成，环靶阴极由阴极环(2)和内部靶工质共同构成，端面阴极(1)位于最上端，由阴极支撑冷却单元(6)固定，与所述阴极环(2)连接的是引弧电极(3)，而后依次往下逐个连接多个电极间插件(4)，最后连接阳极(5)；所述端面阴极(1)、阴极环(2)、引弧电极(3)、电极间插件(4)和阳极(5)外圈均由独立的绝缘环(11)固定，形成模块化结构，通过周向分布的压紧杆(8)同轴紧密绝缘连接；所述阴极环(2)、引弧电极(3)、电极间插件(4)和阳极(5)中间形成一个电弧通道，各绝缘环(11)之间均设置有能产生涡流气体的进气环(9)；所述阴极支撑冷却单元(6)设置有独立冷却通道，用于冷却端面阴极(1)，上面安装有阴极冷却进水口(62)和阴极冷却出水口(63)；所述阴极环(2)、引弧电极(3)、电极间插件(4)、阳极(5)外壁均水冷，采用串联方式冷却，共用一个冷却水主通道，主进水口(51)和主出水口(52)设置于阳极(5)之上。2.根据权利要求1所述的一种复合阴极大功率等离子体发生器，其特征在于：所述端面阴极(1)为扁平圆柱状，主体为紫铜或铬锆铜，上端面有一圈水冷槽，下端面为镶嵌的平锥面的钨棒或锆棒，整体通过阴极螺母(61)固定在阴极支撑冷却单元(6)上，所述端面阴极(1)可更换。3.根据权利要求1或2所述的一种复合阴极大功率等离子体发生器，其特征在于：所述阴极环(2)为圆筒状紫铜环或铬锆铜环，上端与所述端面阴极(1)导电接触连接，下端面为凸起锥面，与引弧电极(3)相连接。4.根据权利要求1或3所述的一种复合阴极大功率等离子体发生器，其特征在于：所述阴极环(2)外圈的绝缘环(11)上设置有进气口(7)，用于提供放电气体，阴极环(2)内部靶工质是放电气体或者放电产生的等离子体。5.根据权利要求4所述的一种复合阴极大功率等离子体发生器，其特征在于：所述的放电气体为n2，ar，he，h2，co，co2，空气的一种，或上述放电气体的混合气。6.根据权利要求1或3所述的一种复合阴极大功率等离子体发生器，其特征在于：所述引弧电极(3)为圆筒状紫铜环或铬锆铜环，上端面内凹，下端面为凸起锥面，外圈的绝缘环(11)上安装有高压接线柱(31)。7.根据权利要求6所述的一种复合阴极大功率等离子体发生器，其特征在于：所述高压接线柱(31)穿过绝缘环(11)，与所述引弧电极(3)导电接触，用于馈入高压，在引弧电极(3)和阴极环(2)之间形成放电电弧，然后在端面电极(1)和阳极(5)之间的整个电弧通道内形成稳定放电电弧。8.根据权利要求1所述的一种复合阴极大功率等离子体发生器，其特征在于：所述引弧电极(3)之后顺序连接多个电极间插件(4)，其数量增加，所述等离子体发生器的功率也相应提高，所述电极间插件(4)为圆筒状紫铜环或铬锆铜环。9.根据权利要求1所述的一种复合阴极大功率等离子体发生器，其特征在于：所述阳极(5)为圆筒状紫铜环或铬锆铜，位于所述电弧通道最末端，与最后一个电极间插件(4)连接，所述阳极(5)可更换。10.根据权利要求1所述的一种复合阴极大功率等离子体发生器，其特征在于：所述压
紧杆(8)为金属杆，数量3～4根，周向均匀分布，将所有部件模块紧密连接。11.根据权利要求1所述的一种复合阴极大功率等离子体发生器，其特征在于：所述绝缘环(11)的材料为聚四氟乙烯、聚酰亚胺或高强陶瓷，截面布置有主进水孔(53)，主出水孔(54)，气路孔(71)和相应数量的压紧杆孔(81)，中间为金属环电极(10)，各个绝缘环(11)紧密连接后形成完整冷却水路和供气气路。12.根据权利要求1或11所述的一种复合阴极大功率等离子体发生器，其特征在于：所述绝缘环(11)之间冷却水路和供气气路连接处采用o型密封圈密封。13.根据权利要求1所述的一种复合阴极大功率等离子体发生器，其特征在于：所述压紧杆(8)为有一定强度的绝缘材料杆。14.根据权利要求1-13之一所述的一种复合阴极大功率等离子体发生器的引弧方法，其特征在于，包括以下步骤：1)打开并调节冷却水阀门，检查冷却水路密封性；2)打开并调节供气阀门，确保等离子体发生器的电弧通道出口没有水；3)接通电源，使所述端面阴极(1)与阴极环(2)通电接触；4)启弧柜通过所述高压接线柱(31)给引弧电极(3)施加一个0～2μs、最大20kv的电压，在引弧电极(3)和阴极环(2)之间形成间隙放电；5)同时地，所述端面阴极(1)和阴极环(2)一起或端面阴极(1)与阴极环(2)电路断开与阳极(5)之间施加0.1～3s、最大1200v的电压，通过二次引弧，所述端面阴极(1)与阳极(5)之间完成电弧连接，在气流作用下，形成稳定放电电弧通道。

技术总结
本发明公开一种复合阴极大功率等离子体发生器及引弧方法，包括复合阴极、引弧电极、电极间插件、阳极，复合阴极由端面阴极和环靶阴极组成，端面阴极位于最上端，由阴极支撑冷却单元固定，而后顺序依次连接环靶阴极、引弧电极、多个电极间插件和阳极；端面阴极，阴极环，引弧电极，电极间插件，阳极外圈均由独立的绝缘环固定，形成模块化结构，通过周向分布的压紧杆同轴紧密绝缘连接，所有电极中间形成一个电弧通道，各环之间均设置有能产生涡流气体的进气环；阴极支撑冷却单元设置有独立冷却通道，用于冷却端面阴极。该发明采用模块化结构设计，安装方便可靠，功率可达几百千万至几兆瓦量级，复合阴极有效减少阴极烧蚀，放电稳定，使用寿命长。使用寿命长。使用寿命长。


技术研发人员：曾梅花 赵鹏 李军 林启富 刘成周 江贻满 吴斌
受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院
技术研发日：2022.03.28
技术公布日：2022/7/5