[发明专利]一种用于等离子体发生器的气冷装置和等离子体发生器

说明书

本发明涉及一种用于等离子体发生器的气冷装置和等离子体发生器。所述气冷装置包括气冷装置本体和用于安装等离子体发生器的放电管的安装腔，气冷装置本体包括内壳和外壳，安装腔由内壳的内壁面围设而成；外壳与内壳之间具有空腔，空腔形成冷却气腔；外壳上设置有至少一个用于供冷却气进入冷却气腔的进气孔，内壳以及气冷装置本体的一个端部或两个端部上设置有多个用于将冷却气腔内的冷却气排出的喷气孔，多个喷气孔的开口轴线相对安装腔的轴线方向分别呈不同的角度设置，使得从多个喷气孔排出的冷却气能够以不同的角度排向放电管的不同位置。本发明中的气冷装置冷却效率高、冷却均匀，能保证等离子体发生器高效、平稳地运行。

技术领域

本发明属于等离子体风洞试验技术领域，尤其涉及一种用于等离子体发生器的气冷装置和等离子体发生器。

背景技术

高频感应加热的设备(例如等离子体发生器)的原理是以法拉第电磁感应现象为基础，利用高频电源输出的高频交变电流产生交变磁场，通过交变磁场产生的感应涡流的热效应来对工件加热，具有加热效率高，速度快，可控性好等优点。这一加热过程的关键在于被加热工件的导电性，当工件为固体时，通常是金属等导体，导电性能良好；当工件为气体时，该气体首先会在交变磁场的作用下电离，然后被加热成为高温电离气体，气体温度高达10000K，高温电离气体具有极强的热辐射。与加热固体时不同，为了控制被加热气体的流量、压力等，需要在感应线圈与气体之间增加一放电管，除了确保气体被加热外，还需要承受高达10000K的气体辐射加热，国际上通常采用高温强度好、磁滞极小的石英作为放电管材料。然而，石英的熔点普遍为1700℃，高于1000℃强度便会下降，在长时间运行的过程中，放电管容易受热，严重的时候，可能导致放电管破裂。因此放电管的冷却装置，是决定等离子体发生器成败和效率的关键。

目前，等离子体发生器通常采用的冷却装置有：(1)双层石英管水冷装置，例如日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)所研发的100kW高频等离子体风洞采用了双层石英管水冷装置来解决石英管的气体辐射加热问题，其设计了直径分别为75mm的内管和80mm的外管，在内外管之间通入高压水，对石英管进行冷却；(2)铜笼水冷装置，例如比利时冯卡门实验室(VKI)所研发的1MW高频等离子体风洞采用了中空铜笼水冷装置来解决采用铜制成的放电管的气体辐射加热问题，其在双层铜管之间通入冷水带走部分气体辐射热量，确保等离子体发生器正常加热工作气体。但是，这两种用于等离子体发生器的冷却装置会由于双层石英管中的水或铜笼以及铜笼中的水而存在一定的磁滞，会导致消耗一部分电源功率，降低等离子体发生器的效率，此外双层石英管的结构或铜笼结构增加了感应线圈和负载气体之间的间隙，使二者的耦合减弱，等效阻抗增大，系统的可调谐范围减小。

发明内容

本发明的目的是提供一种能保证等离子体发生器高效、平稳运行的用于等离子体发生器的气冷装置和等离子体发生器，以解决现有技术中存在的至少一个技术问题。

为了实现上述目的，本发明在第一方面提供了一种用于等离子体发生器的气冷装置，包括气冷装置本体和用于安装等离子体发生器的放电管的安装腔，所述气冷装置本体包括内壳和设置在所述内壳外的外壳，所述安装腔由所述内壳的内壁面围设而成；所述外壳与所述内壳之间具有空腔，所述空腔形成冷却气腔；所述外壳上设置有至少一个用于供冷却气进入所述冷却气腔的进气孔，所述内壳以及所述气冷装置本体的一个端部或两个端部上设置有多个用于将所述冷却气腔内的冷却气排出的喷气孔，多个所述喷气孔的开口轴线相对所述安装腔的轴线方向分别呈不同的角度设置，使得从多个所述喷气孔排出的冷却气能够以不同的角度排向等离子体发生器的放电管的不同位置。

优选地，在所述安装腔的轴线方向上，由远离所述安装腔的位置至靠近所述安装腔的位置，多个所述喷气孔的开口轴线与所述安装腔的轴线之间形成的多个角度依次递增。

优选地，所述外壳上设置有多个所述进气孔，多个所述进气孔沿所述外壳的周向间隔设置。

优选地，所述安装腔的内径比等离子体发生器的放电管的外径大3～5mm。