[发明专利]一种超音速等离子体喷枪的阳极及超音速等离子体喷枪

说明书

技术领域

本发明属于热等离子体技术领域，具体涉及一种超音速等离子体喷枪的阳极及超音速等离子体喷枪。

背景技术

电弧热等离子体具有高能量密度(107-109)/m³)、高亮度、高电导率、高热导率等对工业应用十分有利的特性。从二十世纪七十年代开始，热等离子体在工业领域的应用有很大的发展。例如，在机械加工领域，热等离子体被广泛地用于材料的焊接、切割和喷涂；在冶金领域，热等离子体被用于金属的熔化与重溶、保温以及新冶炼工艺过程；在等离子体化工领域，热等离子体被用于裂解煤、生产乙炔；在宇航领域，热等离子体被用来做高温气体动力学实验和热防护材料的烧蚀实验；在材料制取领域，热等离子体被用于制取超细超纯材料粉以及合成各种材料；在环境保护领域，它被用于处理垃圾和有毒废物。超音速等离子体喷枪作为超音速热等离子体的发生装置，在工业应用中要求其具有长寿面、稳定性高、高效率等特性。

经过文献检索发现，名称：一种超音速反应等离子喷涂枪（CN 101289744A）和名称：拉瓦尔阳极结构电弧等离子体炬（CN 20198625 U）这两项专利中，公开的等离子体发生器中均是由一个阴极和一个阳极组成。当复杂构型的拉瓦尔喷嘴作为阳极时，即使在有良好的水冷保护下也会由于阳极弧根的附着而造成烧蚀，继而影响超音速等离子体射流的工作特性。此外，现有的超音速等离子体喷枪都是通过提高工作电流来提高射流的速度和温度，但是电流的提高将大大缩短电极的使用寿命。在进气方面，现有的离子体炬主要是通过直孔或者直槽将压缩空气引入喷嘴的腔体，这种直线的进气方式，会造成电弧电压的波动，不利于射流形貌的保持。在冷却保护方面，现有的超音速等离子体喷枪中电极冷却系统互不独立，造成了电极检测和拆装的困难。

发明内容

本发明的目的在于针对现有超音速等离子体喷枪中复杂构型的拉瓦尔阳极喷嘴寿命短、能量利用效率低等技术不足，提供了一种结构简单、可靠、低成本、小型化的超音速等离子体喷枪的阳极及超音速等离子体喷枪。一方面，避免因弧根附着而造成复杂构型的拉瓦尔基础阳极喷嘴表面的烧蚀，以延长其工作寿命，通过更换易于加工的辅助阳极喷嘴，以提高经济效益；另一方面，通过变换弧根位置，人为地拉长电弧，使得工作气体所受焦耳加热段变长，以提高能量利用效率。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种超音速等离子体喷枪的阳极，包括基础阳极和辅助阳极，所述基础阳极为环形结构包括基础阳极环形水冷腔体和基础阳极环形水冷腔体包围的中空管道，辅助阳极为环形结构，内部开有辅助阳极环形水冷腔体，基础阳极和辅助阳极相互独立；所述基础阳极中空管道采用拉瓦尔结构，从一端到另一端依次包括基础阳极收缩段、基础阳极直筒段、基础阳极扩张段，辅助阳极通过陶瓷绝缘片固定在基础阳极扩张段开口处。

   一种超音速等离子体喷枪，包括阳极、阴极和枪体，所述阳极包括基础阳极和辅助阳极，所述基础阳极包括基础阳极环形水冷腔体和基础阳极环形水冷腔体包围的中空管道，辅助阳极为环形结构，内部开有辅助阳极环形水冷腔体，基础阳极和辅助阳极相互独立；所述基础阳极内部通道采用拉瓦尔结构，从一端到另一端依次包括基础阳极收缩段、基础阳极直筒段、基础阳极扩张段，辅助阳极通过陶瓷绝缘片固定在基础阳极扩张段开口处，所述枪体包括导电枪芯、绝缘套筒和固定套筒，基础阳极连接在绝缘套筒上，固定套筒装在辅助阳极的外周上，并连接基础阳极固定套筒装在辅助阳极的外周上，并连接基础阳极，固定套筒和辅助阳极由O型密封圈隔开，绝缘套筒装在导电枪芯的外周上，阴极连接在导电枪芯上，并安装在绝缘套筒内。

    其中，所述连接关系采用螺纹连接。阴极包括阴极体、阴极气冷通道和阴极尖端铪丝，所述阴极体为中空管道，内部开有阴极气冷通道，阴极尖端铪丝镶嵌在阴极体前端。

    导电枪芯竖直方向上开有气流通道，导电枪芯1/3高度处，对称地开有四个导电枪芯气孔，气流通道与四个导电枪芯气孔呈垂直位置并相通，所述绝缘套筒与导电枪芯之间的空腔处开有螺旋气流通道，四个导电枪芯气孔与旋流进气通道相通；工作气体通过气流通道进入阴极气冷通道对阴极体进行第一次冷却，并经由导电枪芯气孔进入旋流进气通道对阴极体进行第二次冷却。 

作为优选方案：

所述基础阳极喷嘴收缩半角为30°，基础阳极和辅助阳极扩张半角为12°，基础阳极喷嘴喉径为2mm。