一種等離子體發(fā)生裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于低溫?zé)岬入x子體高能物理及大功率熱源的工業(yè)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種工業(yè)應(yīng)用型參數(shù)可調(diào)超大功率的等離子體發(fā)生裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]低溫?zé)岬入x子體是固態(tài)、氣態(tài)、液態(tài)以外的物體第四種狀態(tài)，大功率等離子體在高危垃圾處理、生物質(zhì)氣化、特殊金屬冶煉、高能點(diǎn)火、等離子切割、等離子噴涂等領(lǐng)域有著寬泛的應(yīng)用。當(dāng)氣體外界電場強(qiáng)度大于空氣擊穿場強(qiáng)時(shí)，氣體被擊穿，產(chǎn)生包括電子、各種離子、原子、分子、各種自由基在內(nèi)的混合體。由于電子和離子總是成對出現(xiàn)，所以等離子體呈電中性。人工生成的等離子體中，放電方式最為常見，特別是直流電弧等離子體發(fā)生裝置。直流電弧等離子體發(fā)生裝置，主要的核心問題有三個(gè):第一個(gè)是控制陰陽極弧根的運(yùn)行軌跡，第二個(gè)是電極的散熱和壽命保證，第三個(gè)是出口射流參數(shù)和效率之間的匹配。在陰陽極弧根運(yùn)行軌跡控制中，主要采用三種方式:冷壁約束、電磁約束和氣流約束。在工業(yè)應(yīng)用的很多場合，由于受外形限制，電磁約束實(shí)現(xiàn)困難。在受限的幾何尺寸內(nèi)完成有效的電弧約束，對于大功率等離子體發(fā)生裝置來說是一個(gè)關(guān)鍵性的難點(diǎn)技術(shù)。對于小尺度大功率的等離子體發(fā)生裝置，空間內(nèi)場分布梯度非常大，特別是溫度場和速度場。強(qiáng)湍流的耗散，給內(nèi)部電弧穩(wěn)定帶來很大的問題，主要集中于兩個(gè)方面:一個(gè)方面是在大功率空腔型陰極的弧根斑和膜鞘層移動(dòng)的環(huán)帶空間內(nèi)，周界大梯度強(qiáng)湍流的冷卻不可避免會帶來冷壁的過度約束造成電弧熄滅；另一個(gè)方面是在電弧和等離子體輸運(yùn)過程中，湍流不斷發(fā)育，傳質(zhì)傳熱過程劇烈進(jìn)行，在軸向輸送一定距離后，氣流約束效應(yīng)完全消失，陽極弧根形成并附著，且隨著紊流壓力中頻脈動(dòng)軸向伸縮。第一個(gè)方面帶來低電流運(yùn)行不穩(wěn)定，第二個(gè)方面限制電壓的提高。解決這兩個(gè)問題是高電壓低電流大功率等離子體發(fā)生裝置的關(guān)鍵。電極散熱和壽命主要考慮陰極。陽極弧根斑由于壓力中頻脈動(dòng)造成的軸向伸縮，會帶來一個(gè)寬泛的熱點(diǎn)區(qū)域，即同點(diǎn)弧根落點(diǎn)概率非常低，熱負(fù)荷的強(qiáng)度較弱，容易用技術(shù)手段進(jìn)行處理。陰極由于運(yùn)行環(huán)帶區(qū)較窄且氣流約束強(qiáng)，在運(yùn)行中周期性回轉(zhuǎn)熱點(diǎn)區(qū)域的同點(diǎn)弧根落點(diǎn)概率比陽極高幾個(gè)數(shù)量級，造成積溫居高不下，很難實(shí)現(xiàn)有效冷卻?；「鶡g區(qū)的冷卻會直接影響電極材料燒蝕的速度，積溫過高在同等條件下會顯著的擴(kuò)大熔化區(qū)域大小，并且電極材料隨著氣流的沖刷作用和膜鞘層的重粒子碰撞作用快速丟失。陰極壽命的提高必須從兩個(gè)方面來考慮:一個(gè)是降低燒蝕區(qū)的熱負(fù)荷強(qiáng)度，另一個(gè)是強(qiáng)化非等離子體側(cè)的冷卻效果來降低燒蝕表面的積溫。這兩種方法的聯(lián)合采用也是大功率等離子體發(fā)生裝置的關(guān)鍵。出口射流參數(shù)采用兩個(gè)參數(shù)表征:焓值和馬赫數(shù)，物理學(xué)上采用溫度和速度來表征，工程學(xué)上取決于電功率、效率和載體輸運(yùn)量。國內(nèi)市場上主流的等離子體火炬型噴口射流焓值大約3-4MJ/kg，馬赫數(shù)不高于0.3。等離子體割炬的焓值達(dá)到10MJ/kg，但是受限于結(jié)構(gòu)特性無法實(shí)現(xiàn)大功率且效率極低。在工程實(shí)施中，提高焓值和馬赫數(shù)，總是會帶來效率的降低，而在電功率一定的前提下，效率降低又會削弱整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。如在輸送量為0.08kg/s的等離子體系統(tǒng)中，等離子體焓5MJ/kg，電功率500kW，效率80% ;同結(jié)構(gòu)時(shí)若想在輸送量不變的情況提高等離子體焓至6MJ/kg，會降低效率至低于70%，電功率需要近700kW。即在提高等離子體輸送熱量80kJ/s時(shí)，需要增加電功率200kW，等離子體發(fā)生系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性顯著降低。權(quán)衡等離子體射流參數(shù)和效率之間的關(guān)系，也是工業(yè)應(yīng)用型等離子體發(fā)生裝置的一個(gè)重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。
[0003]專利號為“CN201120573876.7”，授權(quán)公告號為“CN202473623U”，名稱為“一種高密度NH3+SiH4弧放電等離子體發(fā)生裝置”的中國實(shí)用新型專利申請，公開了一種高密度NH3+SiH4弧放電等離子體發(fā)生裝置，包括放電腔室、陽極、鈰鎢陰極、絕緣層、水冷銅板、拉瓦爾噴嘴、陰極本體和絕緣管，陰極本體通過絕緣管與放電腔室的頂部連接，鈰鎢陰極套裝于陰極本體和絕緣管中，在陰極本體上設(shè)有氬氣、氫氣的導(dǎo)入口和冷卻水的進(jìn)口及出口，在放電腔室的底部設(shè)有絕緣層和水冷銅板，絕緣層-水冷銅板上下交錯(cuò)疊加3-7次，其中最下面一層為水冷銅板，該水冷銅板與陽極直接接觸，其上設(shè)有氨氣氣源的導(dǎo)入口和通道；在陽極上設(shè)有硅烷氣源的導(dǎo)入口及通道，在拉瓦爾噴嘴上的出口附近設(shè)有導(dǎo)出硅烷氣源的霧化噴嘴。其雖然可以簡化減反射薄膜的制備工藝，但是其同樣無法解決低電流運(yùn)行不穩(wěn)定和限制電壓的提高的問題。
[0004]專利號為“CN93222567.5”，授權(quán)公告號“CN2164175”，名稱為“一種等離子體發(fā)生裝置”的中國實(shí)用新型專利，公開了一種等離子體發(fā)生裝置，陰極頭、噴嘴、冷卻水通道、氬氣通道和氧氣噴吹通道。其雖然可以使得冶煉不銹鋼噴吹氧氣不燒損陰極頭及噴嘴，但是其同樣無法解決低電流運(yùn)行不穩(wěn)定和限制電壓的提高的問題。
[0005]總體來說，現(xiàn)有的一些等離子體發(fā)生裝置，多存在難以穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生大功率等離子體，無法調(diào)整噴口輸出等離子體射流的焓值和馬赫數(shù)，不能根據(jù)最終用途在經(jīng)濟(jì)性(效率)和技術(shù)性(射流參數(shù))之間達(dá)到平衡和最優(yōu)化的問題，為此，需要一種等離子體發(fā)生裝置，使其能夠解決上述問題，產(chǎn)生大功率等離子體并使之穩(wěn)定運(yùn)行，并通過結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化，調(diào)整噴口輸出等離子體射流的焓值和馬赫數(shù)，根據(jù)最終用途在經(jīng)濟(jì)性(效率)和技術(shù)性(射流參數(shù))之間達(dá)到平衡和最優(yōu)化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于，提供一種等離子體發(fā)生裝置，使其能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中所存在的上述問題，產(chǎn)生大功率等離子體并使之穩(wěn)定運(yùn)行，并通過結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化，調(diào)整噴口輸出等離子體射流的焓值和馬赫數(shù)，根據(jù)最終用途在經(jīng)濟(jì)性(效率)和技術(shù)性(射流參數(shù))之間達(dá)到平衡和最優(yōu)化。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種等離子體發(fā)生裝置，包括電極，電極包括依次設(shè)置的第一電極、第二電極和第三電極；第一電極、第二電極和第三電極形成三段式結(jié)構(gòu)的等離子體約束的固壁邊界，且第一電極、第二電極和第三電極的內(nèi)部形成壓縮電弧的通道；第一電極和第二電極之間形成第二路載體氣流的輸運(yùn)通道；第二電極和第三電極之間形成第三路載體氣流的輸運(yùn)通道；第一電極的后部形成第一路載體氣流的輸運(yùn)通道。
[0008]在以上方案中優(yōu)選的是，等離子體發(fā)生裝置采用多旋流來控制陰極弧根的運(yùn)行軌跡。
[0009]在以上任一方案中優(yōu)選的是，等離子體發(fā)生裝置采用多級氣膜的輸送量和配比來控制電極熱損及控制輸送量。
[0010]在以上任一方案中優(yōu)選的是，等離子體發(fā)生裝置采用多級氣膜冷卻來壓縮電弧和防止陽極弧根貼壁。
[0011]在以上任一方案中優(yōu)選的是，第一路載體氣流的輸運(yùn)通道形成兩個(gè)雙旋向氣流場。
[0012]在以上任一方案中優(yōu)選的是，兩個(gè)雙旋向氣流場中，其中一個(gè)雙旋向氣流場形成貼壁氣膜，對陰極內(nèi)腔周向內(nèi)部進(jìn)行電弧約束，且其氣流場的旋向與主氣流的旋向相同。
[0013]在以上任一方案中優(yōu)選的是，兩個(gè)雙旋向氣流場中，另一個(gè)雙旋向氣流場在端面內(nèi)側(cè)形成一路反向旋轉(zhuǎn)氣流場，防止電弧從后側(cè)擊穿底部損壞進(jìn)氣裝置。
[0014]在以上任一方案中優(yōu)選的是，第一路載體氣流和第二路載體氣流聯(lián)合用于約束陰極弧根，控制陰極弧根的運(yùn)行軌跡，并同時(shí)控制電極燒蝕表面的熱負(fù)荷。
[0015]在以上任一方案中優(yōu)選的是，第二路載體氣流和第三路載體氣流用于約束陽極弧根，控制陽極弧根的運(yùn)行軌跡，防止陽極弧根過早貼壁。
[0016]在以上任一方案中優(yōu)選的是，第一電極、第二電極和第三電極的冷卻水側(cè)均采用強(qiáng)均勻場湍流的水側(cè)流體流動(dòng)結(jié)構(gòu)。
[0017]在以上任一方案中優(yōu)選的是，第一電極、第二電極和第三電極的壁側(cè)均設(shè)有貼片熱管和流槽結(jié)構(gòu)。
[0018]在以上任一方案中優(yōu)選的是，第一電極、第二電極和第三電極采用帶相變的冷卻方式。
[0019]在以上任一方案中優(yōu)選的是，調(diào)整氣流旋度和強(qiáng)度的調(diào)整范圍是:噴口射流參數(shù)的焓值為3-8MJ/kg，馬赫數(shù)為0.2-0.6。
[0020]在以上任一方案中優(yōu)選的是，噴口射流參數(shù)的焓值的調(diào)整范圍為5_6MJ/kg。
[0021]在以上任一方案中優(yōu)選的是，測試運(yùn)行電功率500kW，即500A/1000V，出口等離子體焓值5.6MJ/kg，馬赫數(shù)0.45。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
本發(fā)明提供了一種等離子體發(fā)生裝置，其能夠解決難以穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生大功率等離子體，無法調(diào)整噴口輸出等離子體射流的焓值和馬赫數(shù)，不能根據(jù)最終用途在經(jīng)濟(jì)性(效率)和技術(shù)性(射流參數(shù))之間達(dá)到平衡和最優(yōu)化的問題，能夠產(chǎn)生大功率等離子體并使之穩(wěn)定運(yùn)行，并通過結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化，調(diào)整噴口輸出等離子體射流的焓值和馬赫數(shù)，根據(jù)最終用途在經(jīng)濟(jì)性(效率)和技術(shù)性(射流參數(shù))之間達(dá)到平衡和最優(yōu)化。
【附圖說明】
[0023]圖1為按照本發(fā)明的等離子體發(fā)生裝置的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖中，I為第一路載體氣流，2為第一電極，3為第二路載體氣流，4為第二電極，5為第三路載體氣流，6為第三電極。
【具體實(shí)施方式】
[0025]為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作了詳細(xì)說明。但是，顯然可對本發(fā)明進(jìn)行不同的變型和改型而不超出后附權(quán)利要求限定的本發(fā)明更寬的精神和范圍。因此，以下實(shí)施例具有例示性的而沒有限制的含義。
[0026]實(shí)施例1: