一种基于永磁铁约束的大功率长寿命等离子体炬制造技术

一种基于永磁铁约束的大功率长寿命等离子体炬，包括：冷却结构、气体分配器、一体化电极、永磁透镜、等离子体炬壳体；所述一体化电极、永磁透镜、等离子体炬壳体由内至外依次套装；气体分配器设置在等离子体炬壳体的头部，外部电离介质气体通过气体分配器后产生螺旋气流；一体化电极的阳极和阴极之间产生电弧，电弧击穿螺旋气流形成电弧等离子体射流。本发明专利技术等离子体炬具有高温、高焓、能量高度集中、能量转换效率高和工作寿命长等特点，能够产生高温环境，广泛用于航天、航空、冶金、喷涂、耐高温陶瓷材料制备和处理、纳米材料制备、材料表面处理、燃料转化和助燃、有害垃圾处理等领域。

A High Power and Long Life Plasma Torch Based on Permanent Magnet Constraint

A high-power and long-life plasma torch based on permanent magnet constraints includes: cooling structure, gas distributor, integrated electrode, permanent magnet lens and plasma torch shell; the integrated electrode, permanent magnet lens and plasma torch shell are arranged from inside to outside in turn; the gas distributor is arranged at the head of the plasma torch shell, and the external ionizing medium gas passes through the gas part. The spiral gas flow is generated after the adapter, and the arc between the anode and cathode of the integrated electrode breaks down the spiral gas flow to form an arc plasma jet. The plasma torch of the invention has the characteristics of high temperature, high enthalpy, high energy concentration, high energy conversion efficiency and long working life. It can produce high temperature environment and is widely used in the fields of aerospace, aviation, metallurgy, spraying, preparation and treatment of high temperature resistant ceramic materials, nano-material preparation, material surface treatment, fuel conversion and combustion-supporting, hazardous waste treatment, etc.

【技术实现步骤摘要】
一种基于永磁铁约束的大功率长寿命等离子体炬
本专利技术涉及一种基于永磁铁约束的大功率长寿命等离子体炬，特别是一种具有高温、高焓、能量高度集中、能量转换效率高和工作寿命长特点的等离子体炬。
技术介绍
目前影响大功率等离子体炬工程应用、工作寿命和使用维护成本的主要因素工作寿命短、能量转换效率的和现场适应性差，而制约能量转换效率、电极寿命和工作可靠性的核心问题是等离子体炬的磁场设计、功率与磁场匹配、结构设计，以及冷却保护。现有等离子体炬一般没有磁场约束、或者磁场复杂、或者功率与磁场匹配性差，导致系统结构复杂，参数匹配性无法保证，使得电极寿命短(以空气为工作介质为例，一般仅有100小时)和能量转换效率低(一般为60％)，使用维护成本高。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种基于永磁铁约束的大功率长寿命等离子体炬，解决了磁场位型与电弧匹配问题，同时利用合理的进气和冷却结构，降低的电极的烧蚀，提高电极寿命的同时也提高了转换效率。应用永磁铁替代电磁铁，也有效减小了等离子体炬的体积和重量，方便用户使用。本专利技术的技术方案是：一种基于永磁铁约束的大功率长寿命等离子体炬，包括：冷却结构、气体分配器、一体化电极、永磁透镜、等离子体炬壳体；所述一体化电极、永磁透镜、等离子体炬壳体由内至外依次套装；所述一体化电极和永磁透镜之间以及永磁透镜和等离子体炬壳体之间均设置有用于冷却永磁透镜和一体化电极的冷却结构；所述气体分配器设置在等离子体炬壳体的头部，外部电离介质气体通过所述气体分配器后切向喷入一体化电极内腔并在所述内腔内形成螺旋气流，所述螺旋气流的轨迹为柱面螺旋线；所述一体化电极为空心圆柱体，所述空心圆柱体一端作为一体化电极的阳极，另一端为一体化电极的阴极，所述阳极连接外部电源的正极，所述阴极连接外部电源的负极并接地处理；所述阳极和阴极之间产生电弧，所述电弧击穿所述螺旋气流形成电弧等离子体射流。所述电离介质气体为空气、氮气或氢气中的一种或任意一种惰性气体，所述电离介质气体的气压范围为0.2MPa～0.7MPa。所述永磁透镜由第一部分永磁透镜和第二部分永磁透镜拼接而成，所述与一体化电极阳极对应的部分作为第一部分永磁透镜，与一体化电极阴极对应的部分作为第二部分永磁透镜，所述第一部分永磁透镜和第二部分永磁透镜的磁场方向相反。所述作为一体化电极阳极的圆柱体和作为一体化电极阴极的圆柱体之间通过绝缘体相连。所述冷却结构中流通有冷却水，所述一体化电极和永磁透镜之间的冷却结构作为内环冷却结构，所述永磁透镜和等离子体炬壳体之间的冷却结构作为外环冷却结构，所述内环冷却结构和外环冷却结构在等离子体炬壳体的尾部连通，冷却水从等离子体炬壳体的头部流入内环冷却结构，然后在等离子体炬壳体的尾部流入外环冷却结构，最后从等离子体炬壳体的头部流出外环冷却结构。所述冷却水为去离子水，所述冷却水的供应压力取值范围为0.2MPa～0.8MPa。所述螺旋气流与所述第一部分永磁透镜的磁场方向满足右手定则，所述永磁透镜用于产生保护磁场，所述保护磁场包括：轴向磁场和径向磁场；所述轴向磁场用于稳定电弧的弧柱，所述径向磁场用于驱动电弧的弧根旋转；所述电弧位于所述阳极处的弧根的旋转频率大于200Hz，所述电弧位于所述阴极处的弧根的旋转频率大于400Hz。所述作为一体化电极阳极的圆柱体内径小于所述作为一体化电极阴极圆柱体内径，所述作为一体化电极阳极的圆柱体的材料为银铜合金。所述气体分配器为切向旋流分配器。所述永磁透镜的材料为钐钴合金，所述等离子体炬壳体的材料为不锈钢。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：1)采取合理设计的永磁铁作为透镜，在等离子体炬电极内部产生了特定位型的磁场，一方面使直流电弧弧柱产生高速旋转，减少电极同一位置的烧蚀；另一方面可有有效约束所产生的高温高速等离子体射流，减少与电极接触。这样可以有效提高电极寿命和等离子体炬能量转换效率。能量转换效率提高15％，电极工作寿命提高200％。同时使用永磁铁作为透镜，较电磁铁可有大幅度降低直径和重量，从而实现等离子体炬小型化和轻质化，扩大应用领域。2)采用高效液相夹层冷却方式，一方面迅速导走电弧和等离子体撞击电极产生的热量，有效降低电极烧蚀，提高电极寿命；另一方面冷却应用环境对外壳的烧蚀，保证等离子体炬长时间运行。本专利技术采用的夹层式冷却通道，大幅提高了导热面积，冷却效率提高30％。3)高速旋流气膜冷却，采用涡流气体分配器，电离气体工质切向喷入电极通道内部，形成高速旋流，一方面起到稳定电弧的作用；另一方面起到气膜冷却作用，提高了工作稳定性。4)采用一体化电极结构，合理设计阴极和阳极形状，阳极采用银铜合金，阴极采用纯铜，可有效降低电极烧蚀率，增长电极寿命，提高能量转换效率。同时可以有效扩大功率范围。附图说明图1为本专利技术等离子体炬示意图。具体实施方式本专利技术利用液体火箭发动机冷却设计、电磁场设计、磁等离子体发动机约束和等离子体输运技术，采取永磁透镜8，通过磁场位形优化和结构设计，实现等离子体炬的功率与磁场参数匹配；同时，结合高效液相夹层冷却和高速旋流气膜冷却，实现等离子体炬的稳定工作、高能量转换和长寿命工作。大幅简化了结构设计，工作寿命和可靠性显著提升。采用永磁透镜8产生特性强度和分布的磁场约束电弧9的弧柱，电弧9的弧柱在高速螺旋气流6和永磁透镜8产生的轴向磁场共同作用下稳定等离子体炬中心轴线上，避免高温弧柱与一体化电极7接触。永磁透镜8产生的轴向磁场还用于约束电弧等离子体射流10，使其与一体化电极7隔离。永磁透镜8产生的径向磁场用于驱动电弧9弧根高速旋转，减少电弧9弧根在同一位置的停留时间，降低对一体化电极7结构的烧蚀，增长电极寿命，提高能量转换效率。采用一体化电极7、永磁透镜8和壳体11形成冷却夹层通道，大幅提高了导热面积，利用去离子冷却水实现对电极、壳体11等高温部件的高效冷却。采用涡流气体分配器，将电离气体工质切向喷入电极通道内部，形成高速螺旋气流6，一方面起到稳定电弧9的作用；另一方面起到气膜冷却作用，提高了工作稳定性。下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步详细的描述。如图1所示，本专利技术一种基于永磁铁约束的大功率长寿命等离子体炬，包括：冷却结构14、气体分配器5、一体化电极7、永磁透镜8、等离子体炬壳体11；所述一体化电极7、永磁透镜8、等离子体炬壳体11由内至外依次套装；所述一体化电极7和永磁透镜8之间以及永磁透镜8和等离子体炬壳体11之间均设置有用于冷却永磁透镜8和一体化电极7的冷却结构14；气体分配器5设置在等离子体炬壳体11的头部，可采用切向旋流分配器。外部电离介质气体通过所述气体分配器5后切向喷入一体化电极7内腔并在所述内腔内形成螺旋气流6，所述螺旋气流的轨迹为柱面螺旋线；电离介质气体为空气、氮气或氢气中的一种或任意一种惰性气体，所述电离介质气体的气压范围为0.2MPa～0.7MPa。一体化电极7采用阳极和阴极同轴管式电机，具体结构为空心圆柱体，所述空心圆柱体一端作为一体化电极7的阳极，另一端作为一体化电极7的阴极，一体化电极7的阳极和阴极之间还设置有绝缘体，阳极和阴极通过绝缘体相连。阳极通过正极供电电缆2连接外部电源1的正极，所述阴极通过接地电缆12连接外部电源1的负极并接地处理，具本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于永磁铁约束的大功率长寿命等离子体炬，其特征在于，包括：冷却结构(14)、气体分配器(5)、一体化电极(7)、永磁透镜(8)、等离子体炬壳体(11)；所述一体化电极(7)、永磁透镜(8)、等离子体炬壳体(11)由内至外依次套装；所述一体化电极(7)和永磁透镜(8)之间以及永磁透镜(8)和等离子体炬壳体(11)之间均设置有用于冷却永磁透镜(8)和一体化电极(7)的冷却结构(14)；所述气体分配器(5)设置在等离子体炬壳体(11)的头部，外部电离介质气体通过所述气体分配器(5)后切向喷入一体化电极(7)内腔并在所述内腔内形成螺旋气流(6)，所述螺旋气流的轨迹为柱面螺旋线；所述一体化电极(7)为空心圆柱体，所述空心圆柱体一端作为一体化电极(7)的阳极，另一端为一体化电极(7)的阴极，所述阳极连接外部电源(1)的正极，所述阴极连接外部电源(1)的负极并接地处理；所述阳极和阴极之间产生电弧(9)，所述电弧(9)击穿所述螺旋气流(6)形成电弧等离子体射流(10)。

【技术特征摘要】
1.一种基于永磁铁约束的大功率长寿命等离子体炬，其特征在于，包括：冷却结构(14)、气体分配器(5)、一体化电极(7)、永磁透镜(8)、等离子体炬壳体(11)；所述一体化电极(7)、永磁透镜(8)、等离子体炬壳体(11)由内至外依次套装；所述一体化电极(7)和永磁透镜(8)之间以及永磁透镜(8)和等离子体炬壳体(11)之间均设置有用于冷却永磁透镜(8)和一体化电极(7)的冷却结构(14)；所述气体分配器(5)设置在等离子体炬壳体(11)的头部，外部电离介质气体通过所述气体分配器(5)后切向喷入一体化电极(7)内腔并在所述内腔内形成螺旋气流(6)，所述螺旋气流的轨迹为柱面螺旋线；所述一体化电极(7)为空心圆柱体，所述空心圆柱体一端作为一体化电极(7)的阳极，另一端为一体化电极(7)的阴极，所述阳极连接外部电源(1)的正极，所述阴极连接外部电源(1)的负极并接地处理；所述阳极和阴极之间产生电弧(9)，所述电弧(9)击穿所述螺旋气流(6)形成电弧等离子体射流(10)。2.根据权利要求1所述的一种基于永磁铁约束的大功率长寿命等离子体炬，其特征在于，所述电离介质气体为空气、氮气或氢气中的一种或任意一种惰性气体，所述电离介质气体的气压范围为0.2MPa～0.7MPa。3.根据权利要求1所述的一种基于永磁铁约束的大功率长寿命等离子体炬，其特征在于，所述永磁透镜(8)由第一部分永磁透镜和第二部分永磁透镜拼接而成，所述与一体化电极(7)阳极对应的部分作为第一部分永磁透镜，与一体化电极(7)阴极对应的部分作为第二部分永磁透镜，所述第一部分永磁透镜和第二部分永磁透镜的磁场方向相反。4.根据权利要求3所述的一种基于永磁铁约束的大功率长寿命等离子体炬，其特征在于，所述作为一体化电极(7)阳极的圆柱体和作为一体化电极(7)阴极的圆柱体之间通过绝缘体相连。5.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志豪，韩先伟，张晰哲，李光熙，魏建国，方吉汉，
申请(专利权)人：西安航天动力研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61