電極水冷一體化的超音速等離子體噴槍的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電極水冷一體化的超音速等離子體噴槍，屬于等離子體【技術領域】。所述等離子體噴槍包括陰極體、內絕緣套筒、外絕緣套筒、陽極座和可更換陽極噴嘴。水冷一體化通道在內絕緣套筒、外絕緣套筒、陽極座以及陰極體空腔之間形成，同時在陽極座上設置了水冷加強筋，增大了水冷接觸面積，提高了冷卻效率，解決了現有技術中電極水冷效率低下的問題。同時，將傳統(tǒng)的陽極噴嘴拆分成陽極座和可更換陽極，使得陽極燒蝕后更易于更換并降低了成本。
【專利說明】電極水冷一體化的超音速等離子體噴槍
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于熱等離子體【技術領域】，特別是一種電極水冷一體化的超音速等離子體噴槍。
【背景技術】
[0002]電弧熱等離子體具有高能量密度(107-109)/m3)、高亮度、高電導率、高熱導率等對工業(yè)應用十分有利的特性。從二十世紀七十年代開始，熱等離子體在工業(yè)領域的應用有很大的發(fā)展。例如，在機械加工領域，熱等離子體被廣泛地用于材料的焊接、切割和噴涂；在冶金領域，熱等離子體被用于金屬的熔化與重溶、保溫以及新冶煉工藝過程；在等離子體化工領域，熱等離子體被用于裂解煤、生產乙炔；在宇航領域，熱等離子體被用來做高溫氣體動力學實驗和熱防護材料的燒蝕實驗；在材料制取領域，熱等離子體被用于制取超細超純材料粉以及合成各種材料；在環(huán)境保護領域，它被用于處理垃圾和有毒廢物。超音速等離子體噴槍作為超音速熱等離子體的發(fā)生裝置，在工業(yè)應用中要求其具有長壽面、穩(wěn)定性高、高效率等特性。
[0003]經過文獻檢索發(fā)現，名稱:一種超音速反應等離子噴涂槍(CN101289744A)和名稱:拉瓦爾陽極結構電弧等離子體炬(CN20198625U)這兩項專利中，公開的等離子體發(fā)生器中電極均采用獨立的水冷系統(tǒng)，結構非常復雜，容易造成拆裝和檢漏的困難。且公開的等離子體發(fā)生器中，陽極都為復雜構型的拉瓦爾陽極，燒蝕后更換困難且費用較高。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對現有超音速等離子體噴槍中水冷循環(huán)系統(tǒng)較為復雜，拉瓦爾陽極噴嘴難于更換且費用較高等技術不足，提供了一種結構簡單、低成本、易拆裝檢漏、電極水冷一體化、陽極易于更換的超音速等離子體噴槍。
[0005]實現本發(fā)明目的的技術解決方案為:
[0006]一種電極水冷一體化的超音速等離子體噴槍，包括陰極體、內絕緣套筒、外絕緣套筒、陽極座、可更換陽極；陰極體為中空管道，內部為陰極水冷通道，外絕緣套筒為圓筒狀中空結構，外絕緣套筒一端開有與陰極體外徑配合的通孔，與陰極體采用過渡配合，其外端面貼合定位于陰極體凸臺的一側，另一端為開口結構；陰極體位于外絕緣套筒外側的一端設有冷卻水出口 ；內絕緣套筒一端開有與陰極體外徑配合的通孔，與陰極體采用過渡配合，且其外端面貼合定位于外絕緣套筒內側，另一端為開口結構；陽極座為管裝結構；一端伸入內絕緣套筒的開口結構中，外端面貼合定位于內絕緣套筒內側；與內絕緣套筒過渡配合，另一端與外絕緣套筒的開口結構過渡配合；可更換陽極設置在陽極座的通孔中，與其過渡配合；外絕緣套筒與內絕緣套筒以及陽極座之間圍成水冷空腔，外絕緣套筒在水冷空腔一側的筒壁上開有外絕緣套筒冷卻水入口，陰極體在位于外絕緣套筒內的一側的管壁上開有陰極體冷卻水入口，內絕緣套筒上開有通道，連通水冷空腔和陰極體冷卻水入口 ；內絕緣套筒內設有儲氣空腔，儲氣空腔靠近陰極體的一端在外絕緣套筒的筒壁上開有工作氣體入口，與儲氣空腔連通，儲氣空腔與弧室連通。
[0007]本發(fā)明與現有技術相比，其顯著優(yōu)點:
[0008](I)本發(fā)明將常規(guī)超音速噴槍水冷系統(tǒng)進行了最大程度的簡化。水冷一體化通道在內絕緣套筒、外絕緣套筒、陽極座以及陰極體空腔之間形成，同時在陽極座上設置了水冷加強筋，增大了水冷接觸面積，提高了冷卻效率，解決了現有技術中電極水冷效率低下的問題。
[0009](2)本發(fā)明將復雜構型的拉瓦爾陽極噴嘴拆分成陽極座和可更換陽極，減少了陽極更換部分的材料，并使得燒蝕后的拉瓦爾陽極更易于更換，從而降低了成本。
[0010]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1本發(fā)明一種電極水冷一體化超音速等離子體噴槍剖面示意圖。
[0012]圖中，1-陰極體、2-陰極體凸臺、3-工作氣體入口、4-內絕緣套筒、5-外絕緣套筒、6-0型密封圈、7-儲氣空腔、8-冷卻水入口、9-水冷空腔、10-陰極體水冷空腔、11-水冷加強筋、12-陽極座、13-可更換陽極、14-陰極體冷卻水入口、15-弧室
【具體實施方式】
[0013]本發(fā)明一種電極水冷一體化的超音速等離子體噴槍，包括陰極體1、內絕緣套筒
4、外絕緣套筒5、陽極座12、可更換陽極13 ;陰極體I為中空管道，內部為陰極水冷通道10，外絕緣套筒5為圓筒狀中空結構，外絕緣套筒5 —端開有與陰極體I外徑配合的通孔，與陰極體I采用過渡配合，其外端面貼合定位于陰極體凸臺2的一側，另一端為開口結構；陰極體I位于外絕緣套筒5外側的一端設有冷卻水出口 ；內絕緣套筒4 一端開有與陰極體I外徑配合的通孔，與陰極體I采用過渡配合，且其外端面貼合定位于外絕緣套筒5內側，另一端為開口結構；陽極座12為管裝結構；一端伸入內絕緣套筒4的開口結構中，外端面貼合定位于內絕緣套筒4內側；與內絕緣套筒4過渡配合,另一端與外絕緣套筒5的開口結構過渡配合；可更換陽極13設置在陽極座12的通孔中，與其過渡配合；外絕緣套筒5與內絕緣套筒4以及陽極座12之間圍成水冷空腔9，外絕緣套筒5在水冷空腔一側的筒壁上開有外絕緣套筒冷卻水入口 8，陰極體I在位于外絕緣套筒5內的一側的管壁上開有陰極體冷卻水入口 14，內絕緣套筒4上開有通道，連通水冷空腔9和陰極體冷卻水入口 14;內絕緣套筒4內設有儲氣空腔7，儲氣空腔7靠近陰極體I的一端在外絕緣套筒5的筒壁上開有工作氣體入口 3，與儲氣空腔7連通，儲氣空腔7與弧室15連通。
[0014]陰極體I頭部鑲嵌鉿絲，頭部采用圓錐形或采用圓臺形。
[0015]內絕緣套筒4和陽極座12、外絕緣套筒5和陽極座12之間設置密封圈。
[0016]接觸水冷空腔9的陽極座12上均勻設置有水冷加強筋11，水冷加強筋11為長方形或梯形結構。
[0017]可更換陽極13噴嘴收縮半角為28°?32°，可更換陽極13噴嘴擴張半角為11°?13° ,可更換陽極13噴嘴喉徑為2?3mm。
[0018]工作原理:本發(fā)明的電極水冷一體化超音速等離子體噴槍，主要是將常規(guī)超音速噴槍水冷系統(tǒng)進行了最大程度的簡化。陰極體1、內絕緣套筒4、外絕緣套筒5、陽極座12四者配合形成了電極水冷一體化空腔。外絕緣套筒5的前端開有外絕緣套筒冷卻水入口 8，冷卻水由此進入水冷空腔9后，通過內絕緣套筒4內的通道，由陰極體I中部開的陰極體冷卻水入口 15進入陰極體水冷空腔10，并最終從陰極體I后部的出口流出。
[0019]外絕緣套筒5和內絕緣套筒4后部開有同心通孔，為工作氣體入口。工作氣體由此進入內絕緣套筒4的儲氣空腔7，在儲氣空腔7加壓后沿陰極體I軸向加速噴出，同時冷卻陰極，I表面，進入到陽極噴嘴，電離后產生高溫高速的等離子體射流。
[0020]實施例1
[0021]一種電極水冷一體化的超音速等離子體噴槍，其特征在于:包括陰極體1、內絕緣套筒4、外絕緣套筒5、陽極座12、可更換陽極13 ;陰極體I為中空管道，內部為陰極水冷通道10，外絕緣套筒5為圓筒狀中空結構，外絕緣套筒5 —端開有與陰極體I外徑配合的通孔，與陰極體I采用過渡配合，其外端面貼合定位于陰極體凸臺2的一側，另一端為開口結構；陰極體I位于外絕緣套筒5外側的一端設有冷卻水出口 ；內絕緣套筒4 一端開有與陰極體I外徑配合的通孔，與陰極體I采用過渡配合，且其外端面貼合定位于外絕緣套筒5內偵牝另一端為開口結構；陽極座12為管裝結構；一端伸入內絕緣套筒4的開口結構中，外端面貼合定位于內絕緣套筒4內側；與內絕緣套筒4過渡配合,另一端與外絕緣套筒5的開口結構過渡配合；可更換陽極13設置在陽極座12的通孔中，與其過渡配合；外絕緣套筒5與內絕緣套筒4以及陽極座12之間圍成水冷空腔9，外絕緣套筒5在水冷空腔一側的筒壁上開有外絕緣套筒冷卻水入口 8，陰極體I在位于外絕緣套筒5內的一側的管壁上開有陰極體冷卻水入口 14，內絕緣套筒4上開有通道，連通水冷空腔9和陰極體冷卻水入口 14 ;內絕緣套筒4內設有儲氣空腔7，儲氣空腔7靠近陰極體I的一端在外絕緣套筒5的筒壁上開有工作氣體入口 3，與儲氣空腔7連通，儲氣空腔7與弧室15連通。
[0022]外絕緣套筒5的前端開有冷卻水入口 8,冷卻水由此進入水冷空腔9后，由陰極體I中部開的冷卻水入口進入陰極體水冷空腔10，并最終從陰極體后部的冷卻水出口流出。陽極座12上設置有梯形水冷加強筋，增大水冷接觸面積，提高了冷卻效率。
[0023]外絕緣套筒5和內絕緣套筒4后部開有同心通孔，為工作氣體入口 3。工作氣體由此進入內絕緣套筒的儲氣空腔7，在儲氣空腔7加壓后沿陰極體軸向加速噴出同時冷卻陰極體I表面，進入到可更換陽極13噴嘴，電離后最終產生高溫高速的等離子體射流。
[0024]陰極體I頭部采用圓臺形。陽極座12和可更換陽極13，材料為紫銅。通過仿真計算，優(yōu)化了可更換陽極13的構型和尺寸，可更換陽極收縮段10壓縮半角為28°，可更換陽極擴張段13擴張半角為11°。
[0025]實施例2
[0026]一種電極水冷一體化的超音速等離子體噴槍，其特征在于:包括陰極體1、內絕緣套筒4、外絕緣套筒5、陽極座12、可更換陽極13 ;陰極體I為中空管道，內部為陰極水冷通道10，外絕緣套筒5為圓筒狀中空結構，外絕緣套筒5 —端開有與陰極體I外徑配合的通孔，與陰極體I采用過渡配合，其外端面貼合定位于陰極體凸臺2的一側，另一端為開口結構；陰極體I位于外絕緣套筒5外側的一端設有冷卻水出口 ；內絕緣套筒4 一端開有與陰極體I外徑配合的通孔，與陰極體I采用過渡配合，且其外端面貼合定位于外絕緣套筒5內偵牝另一端為開口結構；陽極座12為管裝結構；一端伸入內絕緣套筒4的開口結構中，外端面貼合定位于內絕緣套筒4內側；與內絕緣套筒4過渡配合,另一端與外絕緣套筒5的開口結構過渡配合；可更換陽極13設置在陽極座12的通孔中，與其過渡配合；外絕緣套筒5與內絕緣套筒4以及陽極座12之間圍成水冷空腔9，外絕緣套筒5在水冷空腔一側的筒壁上開有外絕緣套筒冷卻水入口 8，陰極體I在位于外絕緣套筒5內的一側的管壁上開有陰極體冷卻水入口 14，內絕緣套筒4上開有通道，連通水冷空腔9和陰極體冷卻水入口 14 ;內絕緣套筒4內設有儲氣空腔7，儲氣空腔7靠近陰極體I的一端在外絕緣套筒5的筒壁上開有工作氣體入口 3，與儲氣空腔7連通，儲氣空腔7與弧室15連通。
[0027]外絕緣套筒5的前端開有冷卻水入口 8,冷卻水由此進入水冷空腔9后，由陰極體I中部開的冷卻水入口進入陰極體水冷空腔10，并最終從陰極體后部的冷卻水出口流出。陽極座12上設置有長方形水冷加強筋，增大水冷接觸面積，提高了冷卻效率。
[0028]外絕緣套筒5和內絕緣套筒4后部開有同心通孔，為工作氣體入口 3。工作氣體由此進入內絕緣套筒的儲氣空腔7，在儲氣空腔7加壓后沿陰極體軸向加速噴出同時冷卻陰極體I表面，進入到可更換陽極13噴嘴，電離后最終產生高溫高速的等離子體射流。
[0029]陰極體I頭部鑲嵌鉿絲，頭部采用圓臺形。陽極座12和可更換陽極13，材料為紫銅。通過仿真計算，優(yōu)化了可更換陽極13的構型和尺寸，可更換陽極收縮段10壓縮半角為32°，可更換陽極擴張段13擴張半角為13°。
[0030]實施例3
[0031]一種電極水冷一體化的超音速等離子體噴槍，其特征在于:包括陰極體1、內絕緣套筒4、外絕緣套筒5、陽極座12、可更換陽極13 ;陰極體I為中空管道，內部為陰極水冷通道10，外絕緣套筒5為圓筒狀中空結構，外絕緣套筒5 —端開有與陰極體I外徑配合的通孔，與陰極體I采用過渡配合，其外端面貼合定位于陰極體凸臺2的一側，另一端為開口結構；陰極體I位于外絕緣套筒5外側的一端設有冷卻水出口 ；內絕緣套筒4 一端開有與陰極體I外徑配合的通孔，與陰極體I采用過渡配合，且其外端面貼合定位于外絕緣套筒5內偵牝另一端為開口結構；陽極座12為管裝結構；一端伸入內絕緣套筒4的開口結構中，外端面貼合定位于內絕緣套筒4內側；與內絕緣套筒4過渡配合,另一端與外絕緣套筒5的開口結構過渡配合，內絕緣套筒4和陽極座12、外絕緣套筒5和陽極座12之間設置密封圈；可更換陽極13設置在陽極座12的通孔中，與其過渡配合；外絕緣套筒5與內絕緣套筒4以及陽極座12之間圍成水冷空腔9，外絕緣套筒5在水冷空腔一側的筒壁上開有外絕緣套筒冷卻水入口 8，陰極體I在位于外絕緣套筒5內的一側的管壁上開有陰極體冷卻水入口 14，內絕緣套筒4上開有通道，連通水冷空腔9和陰極體冷卻水入口 14;內絕緣套筒4內設有儲氣空腔7，儲氣空腔7靠近陰極體I的一端在外絕緣套筒5的筒壁上開有工作氣體入口 3，與儲氣空腔7連通，儲氣空腔7與弧室15連通。
[0032]外絕緣套筒5的前端開有冷卻水入口 8,冷卻水由此進入水冷空腔9后，由陰極體I中部開的冷卻水入口進入陰極體水冷空腔10，并最終從陰極體后部的冷卻水出口流出。陽極座12上設置有梯形水冷加強筋，增大水冷接觸面積，提高了冷卻效率。
[0033]外絕緣套筒5和內絕緣套筒4后部開有同心通孔，為工作氣體入口 3。工作氣體由此進入內絕緣套筒的儲氣空腔7，在儲氣空腔7加壓后沿陰極體軸向加速噴出同時冷卻陰極體I表面，進入到可更換陽極13噴嘴，電離后最終產生高溫高速的等離子體射流。
[0034]陰極體I頭部鑲嵌鉿絲，頭部可以采用圓錐形。陽極座12和可更換陽極13，材料為紫銅。通過仿真計算，優(yōu)化了可更換陽極13的構型和尺寸，可更換陽極收縮段10壓縮半角為30°，可更換陽極13擴張段擴張半角為12°。該實施例方案為最優(yōu)方案。在該尺寸構型、常壓下工作可以獲得2.6個馬赫數的超音速等離子射流，符合工業(yè)應用標準。
【權利要求】
1.一種電極水冷一體化的超音速等離子體噴槍，其特征在于:包括陰極體(I)、內絕緣套筒(4)、外絕緣套筒(5)、陽極座(12)、可更換陽極(13);陰極體(I)為中空管道，內部為陰極水冷通道(10)，外絕緣套筒(5)為圓筒狀中空結構，外絕緣套筒(5)—端開有與陰極體(I)外徑配合的通孔，與陰極體(I)采用過渡配合，其外端面貼合定位于陰極體凸臺(2)的一側，另一端為開口結構；陰極體(I)位于外絕緣套筒(5)外側的一端設有冷卻水出口 ；內絕緣套筒(4) 一端開有與陰極體(I)外徑配合的通孔，與陰極體(I)采用過渡配合，且其外端面貼合定位于外絕緣套筒(5)內側，另一端為開口結構；陽極座(12)為管裝結構；一端伸入內絕緣套筒(4)的開口結構中,外端面貼合定位于內絕緣套筒(4)內側；與內絕緣套筒(4)過渡配合，另一端與外絕緣套筒(5)的開口結構過渡配合；可更換陽極(13)設置在陽極座(12)的通孔中，與其過渡配合；外絕緣套筒(5)與內絕緣套筒(4)以及陽極座(12)之間圍成水冷空腔(9)，外絕緣套筒(5)在水冷空腔一側的筒壁上開有外絕緣套筒冷卻水入口(8)，陰極體(I)在位于外絕緣套筒(5)內的一側的管壁上開有陰極體冷卻水入口(14)，內絕緣套筒(4)上開有通道，連通水冷空腔(9)和陰極體冷卻水入口( 14);內絕緣套筒(4)內設有儲氣空腔(7)，儲氣空腔(7)靠近陰極體(I)的一端在外絕緣套筒(5)的筒壁上開有工作氣體入口(3)，與儲氣空腔(7)連通，儲氣空腔(7)與弧室(15)連通。
2.根據權利要求1所述的一種電極水冷一體化的超音速等離子體噴槍，其特征在于:所述的陰極體(I)頭部鑲嵌鉿絲，頭部采用圓錐形或采用圓臺形。
3.根據權利要求1所述的一種電極水冷一體化的超音速等離子體噴槍，其特征在于:所述的內絕緣套筒(4)和陽極座(12)、外絕緣套筒(5)和陽極座(12)之間設置密封圈。
4.根據權利要求1所述的一種電極水冷一體化的超音速等離子體噴槍，其特征在于:所述的接觸水冷空腔(9)的陽極座(12)上均勻設置有水冷加強筋(11)，水冷加強筋(11)為長方形或梯形結構。
5.根據權利要求1所述的一種電極水冷一體化的超音速等離子體噴槍，其特征在于:所述的可更換陽極(13)噴嘴收縮半角為28°?32°，可更換陽極(13)噴嘴擴張半角為11°?13° ,可更換陽極(13)噴嘴喉徑為2?3mm。
【文檔編號】H05H1/28GK103458602SQ201310398665
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月5日 優(yōu)先權日:2013年9月5日
【發(fā)明者】陳浩, 陳雄, 劉銳, 薛海峰, 王軼, 鄭健 申請人:南京理工大學