[发明专利]一种基于阴极自发分弧的电弧加热器及其试验方法

权利要求书

1.一种基于阴极自发分弧的电弧加热器，其特征在于，所述的电弧加热器包括圆筒形的阴极（5），阴极（5）内壁采用含低逸出功元素相材料，阴极（5）的外壁包裹磁场线圈（4），磁场线圈（4）上排布供电线路（3）；阴极（5）包括若干个并联的环形的阴极圈，各阴极圈之间通过绝缘环（6）密封连接；磁场线圈（4）包括若干个与环形的阴极圈一一对应的环形的磁场线圈（4）；

阴极（5）的前端与法兰盘（2）绝缘密封连接；法兰盘（2）的前端面上设置有阴极端头（1）和阳极端头（11），阴极端头（1）和阳极端头（11）均与法兰盘（2）绝缘连接；法兰盘（2）上还开有进气通道（10）、冷却水进水口和冷却水出水口；阴极（5）的后端连接喷管（7）；

阴极（5）的中心轴线上设置阳极（8），阳极（8）的前端与法兰盘（2）绝缘密封连接；阳极（8）分为内外两层管体，内层管体为阳极出水管（9），阳极出水管（9）前端连通冷却水出水口，阳极出水管（9）后端开口；外层管体前端连接法兰盘（2）的后端面，外层管体后端封闭；阳极出水管（9）和外层管体之间的环形空腔连通冷却水进水口；冷却水（13）从冷却水进水口进入阳极，沿环形空腔流至外层管体后端后汇流，经阳极出水管（9）中心空腔，从冷却水出水口流出；试验气流（12）从进气通道（10）进入阴极（5）和阳极（8）之间的环形空腔，从喷管（7）流出；

阴极（5）、阳极（8）和喷管（7）上还设置有冷却水结构；

阴极端头（1）电连接供电线路（3）、供电线路（3）电连接磁场线圈（4）、磁场线圈（4）电连接阴极（5）；阳极端头（11）与阳极（8）电连接。

2.根据权利要求1所述的基于阴极自发分弧的电弧加热器，其特征在于，所述的阴极（5）的材质为包括铜、银在内的高热导率基体材质。

3.根据权利要求1所述的基于阴极自发分弧的电弧加热器，其特征在于，所述的阴极（5）内径D与阳极（8）外径d满足公式：（D-d）/2＞kI_c+h，I_c为电弧电流，k为系数，k的取值范围为0.03~0.06，h为常数，h的取值范围为0.1~3；阴极（5）的数量，为电弧加热器的总电流，为单个阴极的电流，的取值范围为3000A~9000A。

4.根据权利要求1所述的基于阴极自发分弧的电弧加热器，其特征在于，所述的含低逸出功元素相材料含有低逸出功相，低逸出功相包括低逸出功元素的共晶相、包晶相或者高温第二相；低逸出功元素在阴极（5）金属基体中的原子百分数范围为0.1%~3%；低逸出功元素通过合金熔炼的方式加入阴极（5）金属基体中，形成整体式合金阴极，或者通过激光熔覆、喷涂等形式在阴极（5）内壁形成涂层式合金阴极，涂层厚度范围为0.5mm~3mm。

5.根据权利要求4所述的基于阴极自发分弧的电弧加热器，其特征在于，所述的低逸出功相为CaB₆、SrO、CaO、SrB₆、ThO₂、BaB₆、HfO₂、LaB₆、Cr₂Nb、Y₂O₃、BaO或La₂O₃中的一种或者二种以上。

6.根据权利要求4所述的基于阴极自发分弧的电弧加热器，其特征在于，所述的含低逸出功元素相材料在加入阴极金属基体前进行电子发射性能提升处理，获得与阴极基体差异性的电子发射能力，处理方法包括：合金元素与阴极（5）基底电子输运匹配处理、合金元素激活处理、合金元素老化处理、合金元素与阴极（5）基体原子电子云交叠形成电势阱调节处理。

7.根据权利要求1所述的基于阴极自发分弧的电弧加热器，其特征在于，所述的试验气流（12）在进气通道（10）入口处与阴极（5）的弧根运动方向夹角为，的取值范围为5°~30°。