專利名稱：熱管式等離子炬用電極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域?qū)儆诓牧霞庸ぜ夹g(shù)的焊接和切割，具體是一種熱管式等離子炬用電極。
在大功率等離子發(fā)生器中，電極是一個(gè)重要且關(guān)鍵的部件。需要考慮的問題很多，電極有足夠的的電子發(fā)射能力；逸出功越小越好，乃電流密度越大越好，電極損耗越小越好。電極損耗與電極材料，使用氣體，電流大小，電極形狀，以及冷卻條件等因素有關(guān)。
由于電極工作時(shí)需要通過大電流，其端部要發(fā)射電子束而發(fā)熱，所以它既要求有良好的導(dǎo)電性能，又要有充分的冷卻。為了保證有良好的導(dǎo)電性能，電極一般采用導(dǎo)電率高的純銅制造，而僅僅在其端部鑲嵌一小塊價(jià)格相當(dāng)昂貴的、耐消耗的電子發(fā)射材料，如鉿、鎢、鋯等。在電子發(fā)射材料、工作電壓和電流確定以后，電極的使用壽命將主要取決于電極的冷卻方式。電極的冷卻方式主要是氣冷和水冷。氣冷一般常用于小電流(30-100A)，在氣冷條件下，一般鉿電極可以連續(xù)工作3-4小時(shí)或更多一些。為了保證電極的正常工作，大電流工作時(shí)最好是采用水冷電極，按照水冷方式的不同，水冷電極可以分成兩類采用流動(dòng)的水在電極的外部進(jìn)行冷卻—間接水冷電極；采用流動(dòng)的水通過空心的電極內(nèi)腔進(jìn)行冷卻—直接水冷電極。在實(shí)際應(yīng)用中，采用直接水冷的居多。由于電極是在大電流，高電壓下工作的，所以應(yīng)該盡量避免采用水冷，同時(shí)，水冷還將需要增加一些附屬的管道、水處理等設(shè)備，給使用者帶來(lái)不便。
從傳熱學(xué)的角度講，熱是從電子發(fā)射材料的頭部產(chǎn)生的，這些熱量首先要以傳導(dǎo)的方式從該處向鑲嵌它的純銅塊傳遞和擴(kuò)散，按照熱傳導(dǎo)理論，所傳導(dǎo)的熱量1、與這個(gè)端部所采用的材料的導(dǎo)熱系數(shù)成正比。這里采用導(dǎo)熱系數(shù)高的金屬—純銅是正確而必須的。2、與這個(gè)純銅塊的橫截面面積成正比。應(yīng)該保證純銅塊有一定的橫截面面積，這一般也已經(jīng)盡可能地做到了。3、與發(fā)熱點(diǎn)到散熱點(diǎn)的距離(熱傳遞時(shí)間)成反比。就是說即使你采用導(dǎo)熱系數(shù)高的材料，也要盡快地散熱冷卻，距離越遠(yuǎn)，熱量就越不容易傳遞過去。4、與發(fā)熱點(diǎn)和散熱點(diǎn)之間的溫差(溫度梯度)成正比。一般情況下，發(fā)熱點(diǎn)的溫度是基本不變的，要提高這個(gè)溫差就只有縮短傳熱距離和降低散熱點(diǎn)的溫度。關(guān)于后面這兩條，由于受到金屬熱傳導(dǎo)系數(shù)的限制，即使采用實(shí)心的純銅棒，其溫度梯度也不可能有多大。距離越短當(dāng)然越好，但是距離又反而會(huì)減少熱量散失的面積和機(jī)會(huì)。所以在金屬導(dǎo)熱系數(shù)一定的情況下，只有降低散熱點(diǎn)的溫度，方法有兩個(gè)一是擴(kuò)展散熱面積，二是在散熱點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)制性冷卻，如采用流動(dòng)的氣冷或流動(dòng)水冷。直接水冷的效果當(dāng)然是最好，但是直接水冷的弊端也最多，凡是有電流的地方一般都比較忌諱有水。
本發(fā)明之目的就在于克服以上技術(shù)之不足，而提供一種傳熱速度極快，傳熱距離對(duì)傳熱的影響極小、不必要采用直接水冷的熱管式等離子炬用電極。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種熱管式等離子炬用電極，由上蓋(1)、主桿(2)、純銅塊制成的下蓋(3)和鑲嵌在下蓋(3)端面內(nèi)的電子發(fā)射材料(4)組成，其特征在于主桿(2)是一根金屬管，它與上蓋(1)、下蓋(3)組合焊接后，形成一個(gè)空腔K，且該空腔K是一個(gè)密閉的、處于真空狀態(tài)的空間，空腔K內(nèi)裝有熱管工質(zhì)(5)和吸液芯(6)。這樣，按照熱管理論，這種一個(gè)等離子炬用電極的結(jié)構(gòu)就是一個(gè)典型的直桿形熱管。即這種等離子炬用電極既是一支完整的電極，又是一支完整的熱管。電極中的各部分與熱管各部分一一相對(duì)應(yīng)的關(guān)系是電極的上蓋(1)是熱管的上封頭；電極的下蓋(3)是熱管的下封頭；電極的主桿(2)是熱管的管殼；電極的空腔K是熱管的內(nèi)腔；熱管內(nèi)腔內(nèi)裝有熱管工質(zhì)(5)和熱管的吸液芯(6)。當(dāng)該電極工作時(shí)，其端面的電子發(fā)射材料(4)發(fā)熱—這就是熱管的熱源，熱量傳遞到純銅塊制成的下蓋(3)—熱管的蒸發(fā)段，使熱管內(nèi)的熱管工質(zhì)(5)吸熱汽化，工質(zhì)蒸汽通過熱管的內(nèi)腔通道迅速流向電極的其他部位上蓋(1)、主桿(2)—熱管的冷凝段，同時(shí)也把熱量帶到了這些地方，并在這里把熱量散發(fā)出去——散熱的方法可以是通過電極這些部位的原有的外表面或者擴(kuò)展的外表面(加裝散熱翅片)自冷、也可以附加強(qiáng)制性氣冷或者水冷。失去熱量的氣態(tài)熱管工質(zhì)凝結(jié)成液體，這些液態(tài)的熱管工質(zhì)依靠重力或者吸液芯的毛細(xì)力返回到下蓋(3)—熱管的蒸發(fā)段，從而進(jìn)入新一輪的蒸發(fā)—冷凝熱力學(xué)循環(huán)，也就不斷地將發(fā)熱點(diǎn)的熱量傳遞到散熱點(diǎn)，使電極得到冷卻。從而實(shí)現(xiàn)本發(fā)明之目的。
熱管工質(zhì)(5)可以根據(jù)電極的溫度高低采用常溫下呈固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)的介質(zhì)。
因?yàn)樯仙w(1)和主桿(2)都是散熱冷卻的部位，所以它們組合的外壁上可以制有能與其他零件(如加裝水套)相配合和連接的陽(yáng)螺紋(7)、也可以制有散熱翅片(8)、也可以同時(shí)制有陽(yáng)螺紋(7)和散熱翅片(8)。一般情況下，自冷和氣冷的電極需要加散熱翅片，水冷的電極則采用螺紋連接的方式加裝水套。
采用本發(fā)明將取得以下的效果1、只需要在電極的下蓋使用純銅，而其它部位可以使用高強(qiáng)度、高硬度、價(jià)格低廉的材料，如紫銅、黃銅、鋼等。從而節(jié)省價(jià)格昂貴的純銅，降低成本。
2、熱管傳熱的速度可達(dá)到銅的數(shù)十以至數(shù)千倍，傳熱速度快、發(fā)熱點(diǎn)到散熱點(diǎn)之間的傳熱距離短、溫差大、而且散熱點(diǎn)的溫度比較穩(wěn)定，從而使電極的冷卻有保證。如采用氨作為熱管工質(zhì)，電極散熱點(diǎn)溫度在0～50℃；采用水，則在100～250℃；采用萘，則在150～400℃，等等。
3、冷卻方式可以多樣化、簡(jiǎn)單化。即可以借助于擴(kuò)展電極的外表面(加裝散熱翅片)而采用自冷、氣冷或水冷。而且這樣的水冷方式不需要復(fù)雜的輔助設(shè)備，也不怕結(jié)垢，也不易發(fā)生水滲漏。
4、特別適合于長(zhǎng)電極，因?yàn)殡姌O長(zhǎng)了，不但散熱面積大了，而且可以將電極的一部分伸出等離子槍外，在槍外更方便地采用水冷卻。
下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步地說明。


圖1是本發(fā)明中上部制有陽(yáng)螺紋(7)的電極結(jié)構(gòu)示意圖(剖視圖)。
圖2是本發(fā)明中上部制有散熱翅片(8)的電極結(jié)構(gòu)示意圖(剖視圖)。
圖3是圖2中零件下蓋(3)的俯視圖。
如圖所示，上蓋(1)是一個(gè)金屬制的圓板、主桿(2)是一根金屬管、下蓋(3)則用純銅塊制成，一小塊采用耐高溫的耐耗材料(如鉿、鎢、鋯)制成的電子發(fā)射材料(4)鑲嵌在下蓋(3)端面內(nèi)。當(dāng)將上蓋(1)、主桿(2)和下蓋(3)組合焊接后，組合體內(nèi)就形成了一個(gè)空腔K，且該空腔K是一個(gè)密閉的、處于真空狀態(tài)的空間，空腔K內(nèi)裝有熱管工質(zhì)(5)和吸液芯(6)。這樣，按照熱管理論，這種一個(gè)等離子炬用電極的結(jié)構(gòu)就是一個(gè)典型的直桿形熱管。即這種等離子炬用電極既是一支完整的電極，又是一支完整的熱管。電極中的各部分與熱管各部分一一相對(duì)應(yīng)的關(guān)系是電極的上蓋(1)是熱管的上封頭；電極的下蓋(3)是熱管的下封頭；電極的主桿(2)是熱管的管殼；電極的空腔K是熱管的內(nèi)腔；熱管內(nèi)腔內(nèi)裝有熱管工質(zhì)(5)和熱管的吸液芯(6)。
當(dāng)該電極工作時(shí)，其端面的電子發(fā)射材料(4)發(fā)熱—這就是熱管的熱源，熱量傳遞到純銅塊制成的下蓋(3)—熱管的蒸發(fā)段，使熱管內(nèi)的熱管工質(zhì)(5)吸熱汽化，工質(zhì)蒸汽通過熱管的內(nèi)腔通道迅速流向電極的其他部位上蓋(1)、主桿(2)—熱管的冷凝段，同時(shí)也把熱量帶到了這些地方，并在這里把熱量散發(fā)出去—散熱的方法可以是通過電極這些部位的原有的外表面或者擴(kuò)展的外表面(加裝散熱翅片)自冷、也可以附加強(qiáng)制性氣冷或者水冷。失去熱量的氣態(tài)熱管工質(zhì)凝結(jié)成液體，這些液態(tài)的熱管工質(zhì)依靠重力或者吸液芯的毛細(xì)力返回到下蓋(3)—熱管的蒸發(fā)段，從而進(jìn)入新一輪的蒸發(fā)—冷凝熱力學(xué)循環(huán)，也就不斷地將發(fā)熱點(diǎn)的熱量傳遞到散熱點(diǎn)，使電極得到冷卻。
很明顯，電極的散熱冷卻部位包括下蓋的外表面、主桿和上蓋。同時(shí)，按照熱管的工作溫度分布，從下蓋的上表面開始，一直到主桿和上蓋，它們的溫度基本是相等的(熱管的等溫性)，也就是說，電極在傳熱時(shí)，僅僅只有下蓋的上下表面這一段距離是通過金屬的熱傳導(dǎo)進(jìn)行傳熱，溫度梯度比較高，僅僅采用熱傳導(dǎo)方式傳熱的距離大大縮短，而其他則都是主要通過熱管工質(zhì)的相變傳熱，這些地方的金屬表面溫度比較高，與冷卻介質(zhì)之間的溫度梯度比較高，對(duì)電極的散熱冷卻極為有利。這也就是為什么僅僅只需要在下蓋采用純銅，而可以在其他部位采用其他金屬的原因。
在大多數(shù)情況下，電極在工作時(shí)，電極的安裝方式是上蓋在上、下蓋在下，即發(fā)熱的下蓋比散熱的主桿和上蓋要低。很少出現(xiàn)位置一樣高和下蓋部比上蓋部高的情況。根據(jù)熱管理論，當(dāng)電極工作時(shí)，如果其發(fā)熱的部位(熱管的熱源)的水平高度低于其散熱的部位(熱管的熱匯)的水平高度，則該熱管可以采用重力熱管和重力輔助熱管，熱管的內(nèi)腔可以不設(shè)置或少設(shè)置吸液芯。這樣的熱管成本低、傳熱性能好、易于制造。不然，則必須或全部設(shè)置吸液芯。
熱管工質(zhì)(5)可以根據(jù)電極所要求的溫度的高低采用常溫下呈固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)的介質(zhì)。如如果電極的溫度要求是最高不超過100℃，則熱管工質(zhì)應(yīng)該采用低沸點(diǎn)介質(zhì)，如氨、丙酮、甲醇，把熱管的蒸發(fā)段溫度定在50℃左右，最高不超過100℃。如果要求在250℃左右。則可以采用水作為熱管工質(zhì)，把蒸發(fā)段的溫度定在300℃以下。
因?yàn)樯仙w(1)和主桿(2)都是散熱冷卻的部位，所以它們組合的外壁上可以制有能與其他零件(如加裝水套)相配合和連接的陽(yáng)螺紋(7)-見
圖1、也可以制有散熱翅片(8)-見圖2、也可以同時(shí)制有陽(yáng)螺紋(7)和散熱翅片(8)。一般情況下，自冷和氣冷的電極需要加散熱翅片，水冷的電極則采用螺紋連接的方式加裝水套。一般電極以氣冷居多，高溫電極才需要在電極內(nèi)部通水進(jìn)行直接冷卻，而對(duì)于本發(fā)明的電極大多數(shù)只需要采用在電極的外部加裝散熱翅片進(jìn)行外部氣冷就可以了，僅僅對(duì)于特別高溫的電極才需要采用水冷，而且這樣的水冷不一定需要在槍內(nèi)進(jìn)行，而可以把電極的一部分伸出槍外，然或借助于電極上的陽(yáng)螺紋，加裝上一個(gè)水套就可以了。這樣的水冷高效而設(shè)備簡(jiǎn)單、不怕結(jié)垢、維護(hù)方便、泄漏的可能性比較小。
圖2所示的下蓋(3)的上表面有一道凹槽—見圖2和圖3，目的是縮短電子發(fā)射材料(4)與熱管蒸發(fā)段表面的距離，降低熱傳導(dǎo)的熱阻。同時(shí)也提高了熱管蒸發(fā)段的表面溫度、擴(kuò)大了熱管蒸發(fā)段的表面積，可以使熱管更有效地工作，提高熱管的傳熱量。
由于熱管的傳熱方式是相變傳熱，傳熱速度極快，所以電極的長(zhǎng)度對(duì)傳熱的影響極小，反而隨著電極長(zhǎng)度的增大，其散熱面積增大，并有利于在距離電極端部接觸面較遠(yuǎn)的地方附加冷卻裝置。這就意味著它特別適合應(yīng)用于長(zhǎng)電極。同時(shí)，根據(jù)熱管理論，其傳熱量與它的內(nèi)腔蒸汽通道的橫截面面積成正比，所以它也特別適合應(yīng)用于直徑較大的粗電極。所以在大功率等離子炬中運(yùn)用本發(fā)明效果會(huì)更加明顯。
權(quán)利要求1.一種熱管式等離子炬用電極，由上蓋(1)、主桿(2)、下蓋(3)、電子發(fā)射材料(4)組成，其特征在于主桿(2)是一根金屬管，它與上蓋(1)、下蓋(3)組合焊接后，形成一個(gè)空腔K，且該空腔K是一個(gè)密閉的、處于真空狀態(tài)的空間，空腔K內(nèi)裝有熱管工質(zhì)(5)和吸液芯(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說的電極，其特征在于所說的吸液芯(6)可以設(shè)置在空腔K全部?jī)?nèi)壁上，也可以設(shè)置在空腔K的部分內(nèi)壁上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所說的電極，其特征在于所說的熱管工質(zhì)(5)可以根據(jù)電極的溫度高低采用常溫下呈固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)的介質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所說的電極，其特征在于所說的上蓋(1)和主桿(2)組合以后的上部的外壁可以制有能與其他零件相配合和連接的陽(yáng)螺紋(7)、可以制有散熱翅片(8)、也可以同時(shí)制有陽(yáng)螺紋(7)和散熱翅片(8)。
專利摘要一種熱管式等離子炬用電極,由上蓋、主桿、下蓋和電子發(fā)射材料組成,其特征是:主桿是一根金屬管,它與上蓋和下蓋組合后,體內(nèi)形成一個(gè)密閉的、處于真空狀態(tài)的空腔,空腔內(nèi)裝有熱管工質(zhì)和吸液芯。按照熱管理論,該電極就是一支完整的熱管。當(dāng)電極工作時(shí),其下蓋中的電子發(fā)射材料發(fā)熱而成為熱管的熱源,下蓋就是熱管的蒸發(fā)段,其他部位就是熱管的冷凝段,就能夠按照熱管的原理進(jìn)行熱傳遞,從而使電極得到冷卻。其上部可加裝散熱片自冷、氣冷或水冷。本電極節(jié)省純銅、冷卻可靠、工作溫度穩(wěn)定。
文檔編號(hào)B23K10/00GK2501625SQ0126672
公開日2002年7月24日 申請(qǐng)日期2001年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月30日
發(fā)明者朱丹平 申請(qǐng)人:朱丹平