陽(yáng)極自冷卻等離子體源的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及等離子體發(fā)生裝置，尤其涉及一種陽(yáng)極自冷卻等離子體源。
【背景技術(shù)】
[0002]等離子體源是產(chǎn)生等離子體的裝置，它是利用陰極與陽(yáng)極之間的電弧能量，將工作氣體加熱并使其電離成等離子體，然后從通道射出，形成等離子體射流。等離子體由于具有高溫、高能量密度以及氣氛可控等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于噴涂、切割、焊接等傳統(tǒng)領(lǐng)域。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，等離子體發(fā)生裝置主要由電極、電弧和電源組成，如中國(guó)專利號(hào)“201310131303.2”在2013年7月10日公開了一種電弧等離子體裝置，其技術(shù)方案為所述等離子體裝置的噴槍由陽(yáng)極、陰極頭、陰極帽、槍筒和陰極基座組成，陽(yáng)極、槍筒和陰極基座同軸心設(shè)置，槍筒的后端連接在陰極基座上構(gòu)成槍體，陽(yáng)極連接在槍筒的前端，陽(yáng)極的環(huán)心空間構(gòu)成噴口，槍筒的內(nèi)空間構(gòu)成氣室，陰極基座構(gòu)成槍筒的后封閉端，陰極頭設(shè)置在槍體內(nèi)，陰極帽把陰極頭緊固在陰極基座上，陰極頭與陽(yáng)極之間的空間構(gòu)成放電空間；其中，陰極基座為圓盤體設(shè)計(jì)，圓盤體的圓心上有過孔，過孔構(gòu)成陰極頭的安裝孔和冷卻腔，陰極頭為圓柱實(shí)體，陰極頭的后部圓柱實(shí)體上有工作水氣化孔或汽化肋片，陰極帽與陰極頭的圓柱實(shí)體之間的環(huán)槽空間構(gòu)成噴汽環(huán)，噴汽環(huán)的出口在氣室。但在實(shí)際使用過程中，由于等離子體源的功率多為幾十到幾百千瓦，陽(yáng)極作為能量載體，若冷卻不良，將造成等離子體源燒損失效，因此對(duì)陽(yáng)極冷卻至關(guān)重要。但以上述專利文件為代表的現(xiàn)有技術(shù)，對(duì)陽(yáng)極的冷卻方式通常是在等離子體源內(nèi)部設(shè)計(jì)加工出水冷通道，利用冷卻水把陽(yáng)極上額外能量帶走，降低陽(yáng)極溫度。但是對(duì)于某些特殊應(yīng)用領(lǐng)域，則要求不能采用輔助冷卻手段，因此傳統(tǒng)的冷卻方式不再適用。另外等離子體源工作時(shí)，電弧通道中工作氣體的溫度逐漸升高，進(jìn)而導(dǎo)致氣壓升高，這就會(huì)對(duì)氣流通道中的氣體產(chǎn)生一個(gè)反向作用力，造成氣流通道中的氣壓波動(dòng)，且二者壓力相差越大，波動(dòng)越明顯，最終造成等離子體源射流不穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，提供一種陽(yáng)極自冷卻等離子體源，本發(fā)明能夠解決以下技術(shù)問題:一是能夠利用工作氣體自冷卻陽(yáng)極；二是能夠提高工作氣體進(jìn)入電弧通道的溫度，從而提高等離子體源的熱效率；三是能夠平衡電弧通道內(nèi)外工作氣體壓力，穩(wěn)定等離子體射流。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
一種陽(yáng)極自冷卻等離子體源，其特征在于:包括陰極、陽(yáng)極和外殼，所述陰極和陽(yáng)極分別固定設(shè)置在外殼的兩端，陰極、陽(yáng)極和外殼組合形成氣流通道，所述陽(yáng)極內(nèi)部設(shè)置有冷卻通道，所述陽(yáng)極上設(shè)置有分別與冷卻通道相通的進(jìn)氣口和出氣口，所述冷卻通道通過出氣口與氣流通道連通，所述氣流通道與陽(yáng)極的電弧通道連通，工作時(shí)，工作氣體依次經(jīng)冷卻通道和氣流通道后進(jìn)入電弧通道。
[0006]所述陰極與陽(yáng)極之間固定設(shè)置有中間段，所述氣流通道由陰極、陽(yáng)極、中間段和外殼組合形成，所述中間段內(nèi)部開設(shè)有過渡電弧通道，所述過渡電弧通道的兩端分別與氣流通道和陽(yáng)極的電弧通道相通。
[0007]所述中間段上設(shè)置有與過渡電弧通道相通的錐形口，所述陰極的端部位于錐形口內(nèi)，且陰極的端部與錐形口之間有間隙。
[0008]所述陰極與外殼之間設(shè)置有絕緣體a，所述中間段與陽(yáng)極之間設(shè)置有絕緣體b。
[0009]所述中間段的數(shù)量至少為二個(gè)，且相鄰兩中間段之間設(shè)置有絕緣體b。
[0010]所述外殼為筒形，沿筒形外殼軸心線方向的筒壁內(nèi)開設(shè)有進(jìn)氣通道，進(jìn)氣通道與進(jìn)氣口連通。
[0011]所述冷卻通道內(nèi)設(shè)置有冷卻結(jié)構(gòu)，所述冷卻結(jié)構(gòu)是由所述冷卻通道環(huán)狀分布在陽(yáng)極內(nèi)部形成的冷卻結(jié)構(gòu)。
[0012]所述冷卻通道內(nèi)設(shè)置有冷卻結(jié)構(gòu)，所述冷卻結(jié)構(gòu)是由所述冷卻通道螺旋狀分布在陽(yáng)極內(nèi)部形成的冷卻結(jié)構(gòu)。
[0013]所述冷卻結(jié)構(gòu)是由所述冷卻通道呈豎直螺旋狀分布在陽(yáng)極內(nèi)部形成的冷卻結(jié)構(gòu)。
[0014]所述冷卻結(jié)構(gòu)是由所述冷卻通道呈水平螺旋狀分布在陽(yáng)極內(nèi)部形成的冷卻結(jié)構(gòu)。
[0015]采用本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
一、本發(fā)明中，由于陽(yáng)極上的冷卻通道通過氣流通道與電弧通道相通，因此能夠利用工作氣體作為冷卻氣體吸收陽(yáng)極釋放的熱量，即工作氣體在被電離成等離子前能夠預(yù)先冷卻陽(yáng)極，既實(shí)現(xiàn)了工作氣體的自冷卻，又提高了工作氣體的利用率。反之，工作氣體在被電離前，與陽(yáng)極發(fā)生熱交換，工作氣體的溫度上升，即提高了進(jìn)入電弧通道的工作氣體的溫度，進(jìn)而提高了等離子體源的熱效率。另外，從進(jìn)入陽(yáng)極時(shí)起，工作氣體的溫度就逐漸升高，工作氣體流動(dòng)一段距離后才會(huì)進(jìn)入電弧通道，這就能夠平衡電弧通道內(nèi)外工作氣體的壓力，達(dá)到穩(wěn)定等離子體射流的目的。
[0016]二、本發(fā)明中，在陰極與陽(yáng)極之間設(shè)置的中間段，能夠拉長(zhǎng)電弧通道的長(zhǎng)度，不僅能夠進(jìn)一步平衡工作氣體的壓力，還能夠提高等離子源的功率；同時(shí)，由于中間段在工作時(shí)也具有較高的溫度，因此中間段還能夠保持進(jìn)入氣流通道的工作氣體的溫度不會(huì)下降。
[0017]三、本發(fā)明中，通過錐形口能夠保證工作氣體均勻地、持續(xù)地進(jìn)入過渡電弧通道，使等離子體射流更加穩(wěn)定。
[0018]四、本發(fā)明中，絕緣體a和絕緣體b的設(shè)置，不僅提高了等離子體源的使用安全性，還提高了等離子體源的使用壽命。
[0019]五、本發(fā)明中，中間段的數(shù)量至少為二個(gè)，且相鄰兩中間段之間設(shè)置有絕緣體b，該結(jié)構(gòu)能夠防止等離子體射流斷流，增強(qiáng)了等離子體射流的穩(wěn)定性。
[0020]六、本發(fā)明中，外殼為筒形，沿筒形外殼軸心線方向的筒壁內(nèi)開設(shè)有進(jìn)氣通道，該結(jié)構(gòu)使得工作氣體的進(jìn)氣端設(shè)置在整個(gè)等離子體源的后端，不僅能夠防止陽(yáng)極噴出的射流對(duì)進(jìn)氣管造成意外損壞，還有利于方便操作。
[0021]七、本發(fā)明中，在陽(yáng)極內(nèi)部設(shè)置多層冷卻通道，冷卻通道呈螺旋狀分布或環(huán)狀分布，都是為了增大工作氣體與陽(yáng)極的接觸面積，從而進(jìn)一步提高冷卻陽(yáng)極和吸收陽(yáng)極上額外能量的效果。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明中實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明中實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明中多環(huán)狀冷卻通道陽(yáng)極的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為本發(fā)明中螺旋狀冷卻通道陽(yáng)極的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中標(biāo)記為:1、陰極，2、陽(yáng)極，3、中間段，4、外殼，5、冷卻通道，6、電弧通道，7、氣流通道，8、過渡電弧通道，9、進(jìn)氣口，10、出氣口，11、絕緣體a，12、絕緣體b，13、進(jìn)氣通道，14、冷卻結(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0023]實(shí)施例1
一種陽(yáng)極自冷卻等離子體源，包括陰極1、陽(yáng)極2和外殼4，所述陰極I和陽(yáng)極2分別固定設(shè)置在外殼4的兩端，陰極1、陽(yáng)極2和外殼4組合形成氣流通道7，所述陽(yáng)極2內(nèi)部設(shè)置有冷卻通道5，所述陽(yáng)極2上設(shè)置有分別與冷卻通道5相通的進(jìn)氣口 9和出氣口 10，所述冷卻通道5通過出氣口 10與氣流通道7連通，所述氣流通道7與陽(yáng)極2的電弧通道6連通，工作時(shí)，工作氣體依次經(jīng)冷卻通道5和氣流通道7后進(jìn)入電弧通道6。
[0024]本實(shí)施例中，所述冷卻通道5為設(shè)置在陽(yáng)極2內(nèi)部的空腔；所述空腔分別與進(jìn)氣口9和出氣口 10連通。
[0025]等離子體源工作時(shí)，工作氣體由進(jìn)氣口 9進(jìn)入陽(yáng)極2內(nèi)部的冷卻通道5，氣體在冷卻通道5中與陽(yáng)極2發(fā)生熱交換，帶走陽(yáng)極2的熱量，并經(jīng)出氣口 10進(jìn)入等離子體源的氣流通道7內(nèi)，最后進(jìn)入電弧通道6內(nèi)；工作氣體在經(jīng)過陽(yáng)極2內(nèi)部的冷卻通道5時(shí)，吸收陽(yáng)極2釋放的熱量，溫度升高，氣壓增加，使得電弧通道6內(nèi)外氣體壓力差減小，氣流波動(dòng)減小，能夠穩(wěn)定等離子體射流；同時(shí)陽(yáng)極2上額外的熱量部分被用于氣體電離，提高了等離子體源的熱效率。
[0026]實(shí)施例2
一種陽(yáng)極自冷卻等離子體源，包括陰極1、陽(yáng)極2、中間段3和外殼4，所述陰極I和陽(yáng)極2分別固定設(shè)置在外殼4的兩端，所述中間段3固定設(shè)置在陰極I與陽(yáng)極2之間，陰極1、陽(yáng)極2、中間段3和外殼4組合形成氣流通道7，所述中間段3內(nèi)部開設(shè)有過渡電弧通道8，所述陽(yáng)極2內(nèi)部設(shè)置有冷卻通道5，所述陽(yáng)極2上設(shè)置有分別與冷卻通道5相通的進(jìn)氣口 9和出氣口 10，所述冷卻通道5通過出氣口 10與氣流通道7連通，所述過渡電弧通道8的兩端分別與氣流通道7和陽(yáng)極2的電弧通道6相通，工作時(shí)，工作氣體依次經(jīng)冷卻通道5和氣流通道7后進(jìn)入過渡電弧通道8。
[0027]本實(shí)施例中，所述中間段3上設(shè)置有與過渡電弧通道8相通的錐形口，所述陰極I的端部位于錐形口內(nèi)，且陰極I的端部與錐形口之間有間隙。
[0028]進(jìn)一步的，所述陰極I與外殼4之間設(shè)置有絕緣體all，所述中間段3與陽(yáng)極2之間設(shè)置有絕緣體bl2，進(jìn)一步的，所述中間段3的數(shù)量至少為二個(gè)，且相鄰兩中間段3之