一种电弧等离子体发生器的制作方法

1.本发明涉及等离子体源技术领域，具体涉及一种电弧等离子体发生器。


背景技术：

2.大气压等离子体射流在材料表面处理、消毒杀菌以及薄膜和涂层沉积等方面有着广泛的应用，但由于大气压条件下产生的等离子体相比在低气压条件下产生的等离子体平均自由程要小得多，使得大气压等离子体的尺寸较小，限制了其应用。因此，发展大面积均匀的大气压等离子体发生技术对于扩展大气压等离子体的应用非常迫切。
3.中国专利zl201510058076.4(一种等离子体射流阵列均匀处理水溶液装置及处理方法)，中国专利cn210432007u(一种多射流阵列枪嘴的大气射流发生装置)，采用多个相同结构的等离子体射流装置形成阵列，达到大面积射流等离子体产生的目的。中国专利cn212163809u(用于大尺寸热沉金刚石制备的磁旋转直流电弧等离子体炬)通过在直流电弧等离子体炬阳极外部设置磁场，驱动电弧的旋转，从而达到扩大电弧等离子体面积的目的。
4.但是这些多阵列等离子体射流的产生一般需要多路气源、多个电源驱动，增加了设备的成本和系统的复杂性，如果是单个电源驱动，多个射流等离子体放电存在一致性差的问题。通过磁旋转产生的大尺寸电弧等离子体，在某个时间点上，电弧只存在于某个位置，针对大尺寸的放电空间而言，其均匀性更差。


技术实现要素：

5.本发明提出的一种电弧等离子体发生器，具体的是一种线性可扩展的，可产生大面积射流等离子体的直流电弧等离子体发生装置。
6.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
7.一种电弧等离子体发生器，包括阴极组件和阳极组件，阴极组件包括棒状阴极、阴极支撑板和阴极旋气环，阳极组件包括棒状阳极、阳极支撑板和阳极旋气环；其特征在于，阴极组件和阳极组件同轴相对设置；
8.其中，阴极组件中的阴极和阳极组件中的阳极结构相同，阴极组件中的阴极支撑板与阳极组件中的阳极支撑板结构相同；
9.阴极组件中的旋气环与阳极组件中的旋气环外形尺寸一致，阴极旋气环和阳极旋气环周向均布有若干个旋气孔，旋气孔数量相同，阳极旋气孔与阴极旋气孔的引导气流的旋流方向相反；
10.在阴极组件和阳极组件之间布置有n个级联部件，n≥1为自然数，在阴极支撑板与级联部件之间、级联部件与级联部件之间、以及级联部件与阳极支撑板之间布置有绝缘板。
11.进一步的，阴极支撑板、绝缘板、级联部件和阳极支撑板之间密封叠放在一起，固定在上支撑板和下支撑板之间。
12.进一步的，所述阴极旋气环套装在棒状阴极上，安装于阴极支撑板中心通孔处，构
成阴极组件；
13.所述阳极旋气环套装在棒状阳极上，安装于阳极支撑板中心通孔处，构成阳极组件。
14.进一步的，级联部件中心开有级联部件中心通孔和绝缘板中心开有绝缘板中心通孔，所述的级联部件中心通孔和所述的绝缘板中心通孔，保持同轴，构成电弧通道。
15.进一步的，阴极支撑板中心通孔和阳极支撑板中心通孔，与电弧通道同轴布置。
16.进一步的，所述的阴极支撑板中心通孔、阳极支撑板中心通孔、级联部件中心通孔和绝缘板中心通孔的周边布置有若干个通水孔，所述的通水孔构成对阴极支撑板、阳极支撑板和级联部件的水冷通道。
17.进一步的，所述的级联部件的一侧设置有径向进气孔，相对的一侧设置有阵列喷嘴口，径向进气孔与阵列喷嘴口同轴布置。
18.进一步的，所述的级联部件在其阵列喷嘴口的上下对称嵌入永磁体，上永磁体和下永磁体相对的磁极相反，所构成的磁场方向垂直于电弧的电流方向，且与对弧柱产生的电磁力方向直接相关，即电磁力与所述的径向进气孔导入的气流对电弧的吹力相反。
19.进一步的，所述的级联部件材质选用无氧铜、紫铜，所述的永磁体选用钕铁硼磁铁。
20.进一步的，所述的阴极支撑板和阳极支撑板材质选用不锈钢金属材料；所述的上支撑板和下支撑板材质选用环氧、四氟或者尼龙材料。
21.由上述技术方案可知，本发明的电弧等离子体发生器具有以下有益效果：
22.(1)通过一组阴极和阳极的电弧放电的巧妙结构设计，实现了等离子体射流可以沿着垂直于弧柱的方向产生，射流的宽度与电弧的长度接近，通过拉长电弧的长度，即可实现大尺寸射流等离子体的产生。
23.(2)通过调节阴极和阳极级联板数量，可以很容易实现等离子体射流尺寸(射流等离子体的宽度)的调控；
24.(3)通过在喷嘴口处布置永磁体构建垂直于弧柱方向的磁场，产生可以抵消气流对弧柱吹力的洛伦兹力，实现电弧的稳定燃烧。
附图说明
25.图1为本发明电弧等离子体发生器结构示意图；
26.图2为图1的分解图；
27.图3为阴极组件结构示意图；
28.图4为弧柱的受力图；
29.1-阴极组件，2-阳极组件，3-级联部件，4-绝缘板，5-径向进气孔，6-电弧通道，7-弧柱，8-阵列喷嘴口，9-上支撑板，10-下支撑板，11-冷却水道，12-等离子体射流；101-棒状阴极，102-阴极支撑板，103-阴极旋气环；201-棒状阳极，202-阳极支撑板，203-阳极旋气环；301-级联部件中心通孔，302-绝缘板中心通孔，303-阴极支撑板中心通孔，304-阳极支撑板中心通孔，305-通水孔，306-上永磁体，307-下永磁体。
具体实施方式
30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
31.如图1、2、3和4所示，本实施例所述的电弧等离子体发生器，包括有同轴相对阴极组件1(棒状阴极101、阴极支撑板202和阴极旋气环103)和阳极组件2(棒状阳极201、阳极支撑板202和阳极旋气环203)，阴极组件1中的阴极和阳极组件2中的阳极结构相同，阴极组件1中的阴极支撑板与阳极组件2中的阳极支撑板结构相同，阴极组件1中的旋气环与阳极组件2中的支撑环外形尺寸一致，阴极旋气环和阳极旋气环周向均布有若干个旋气孔，旋气孔数量相同，阳极旋气孔与阴极旋气孔的引导气流的旋流方向相反，这样可以保证相对的阴极和阳极进气的旋气方向保持一致。在阴极组件1和阳极组件2之间布置有n个(n≥1自然数)级联部件3，在阴极支撑板102与级联部件3之间、级联部件3与级联部件3之间、以及级联部件3与阳极支撑板202之间布置有绝缘板4。
32.阴极支撑板102、绝缘板4、级联部件3和阳极支撑板202之间密封叠放在一起，固定在上支撑板9和下支撑板10之间。
33.阴极旋气环103套装在棒状阴极101上，安装于阴极支撑板中心通孔303处，构成阴极组件1。
34.阳极旋气环203套装在棒状阳极201上，安装于阴极支撑板中心通孔304处，构成阳极组件2。
35.级联部件3中心开有级联部件中心通孔301和绝缘板中心开有绝缘板中心通孔302，所述的级联部件中心通孔301和所述的绝缘板中心通孔302，保持同轴，构成电弧通道6。
36.阴极支撑板中心通孔303和阳极支撑板中心通孔304，与电弧通道6同轴布置。
37.所述的阴极支撑板中心通孔303，阳极支撑板中心通孔304和级联部件中心通孔301，绝缘板中心通孔302的周边布置有若干个通水孔305，所述的通水孔构成对阴极支撑板、阳极支撑板和级联部件的水冷通道。
38.所述的级联部件3的一侧设置有径向进气孔5，相对的一侧设置有阵列喷嘴口8，径向进气孔5与阵列喷嘴口8同轴布置。
39.所述的级联部件3在其阵列喷嘴口的上下对称嵌入永磁体。
40.所述上永磁体和下永磁体相对的磁极相反，所构成的磁场方向垂直于电弧的电流方向，且与对弧柱产生的电磁力方向直接相关，即电磁力与所述的径向进气孔导入的气流对电弧的吹力相反。
41.所述的级联部件3材质选用无氧铜、紫铜。
42.所述的永磁体选用钕铁硼磁铁。
43.所述的阴极支撑板和阳极支撑板材质选用不锈钢等金属。
44.所述的上支撑板和下支撑板材质选用环氧、四氟或者尼龙。
45.所述的绝缘板材质选用陶瓷。
46.所述的阴极旋气环和阳极旋气环材质选用陶瓷等绝缘材质。
47.本发明的工作原理如下：
48.在阴极和阳极之间的主体部部分由若干个电绝缘的级联板构成。垂直于电弧弧柱轴线，由径向进气管注入的等离子体工作气体，通过与电弧的作用被激发、电离形成等离子体态，由气流的作用，在喷嘴口处形成大尺寸线形的等离子体射流。
49.电弧在相对的阴极和阳极之间的惰性气氛(ar、he)中产生，电极距离对产生的等离子体尺寸至关重要，并影响直流电弧所需功率。而电弧的形状主要是由热对流决定的，非常不稳定。因此，通过如图1-4所示的三种措施来稳定电弧。第一个是通过冷却的级联部件构成的电弧通道来实现，也就是通过水冷机械通道的约束实现电弧的稳定。被激发电离的粒子的弛豫和等离子体的热损失降低了过渡区等离子体的电导率。因此，根据最小弧压原理，电弧在电弧通道中趋于从阴极到阳极的直线状态，避免接近冷却铜壁。其次，从阴极和阳极轴向进入的旋气，对电弧弧柱的周围进行了有效的冷却，使得弧柱径向电导率极高，这种气冷的约束，将电弧约束在电弧通道的中心。最后，在垂直于轴向电弧的方向上，由于气流不对称冷却引起的电弧下游(往喷嘴口方向)偏转被一个反作用力洛伦兹力阻止，这个力是由电弧电流和永磁体产生的磁场相互作用产生的。因此，这种稳定性可以使得电弧在阴极和阳极之间的直线方向稳定运行。另外，周围铜壁的电阻必须高于直接电弧的电阻，这是通过在级联板之间插入绝缘的陶瓷隔板来实现的。
50.其中，阴极组件(阳极组件)中的棒状阴极(棒状阳极)前端外形为圆台状，在棒状阴极(棒状阳极)前段中心镶嵌有圆柱形的钨，在其背面使用常规通水冷却技术。
51.阴极支撑板、绝缘板、级联组件、阳极支撑板依次叠装，组成电弧通道和射流产生的主体，并由上支撑板和下支撑板作为支撑固定部件。
52.弧柱受力分析如图4所示，气体拖拽力其中，fg，ρ
ar
，a,cd,v分别表示气体拖拽力、氩电弧等离子体的密度、作用于电弧的等效面积、雷诺数、径向等离子体反应气体的流速；洛伦兹力f
l
＝ibl，i，b，l分别为弧电流，垂直于弧柱的磁感应强度大小，作用于电弧的长度。
53.当阴极工作气体为氩气，流量5.0升/分钟，阳极工作气体为氩气，流量1.0升/分钟，电流100a，径向等离子体反应气体空气，总流量140升/分钟，均匀从7个径向进气孔流入，进气孔孔径为5mm，此时，上下永磁体在中心轴处产生的磁感应强度大约为400高斯时，所产生的洛伦兹力和气体拖拽力近似相等，由此在径向对电弧弧柱起到稳弧的作用，产生宽度为200mm，长度为50mm射流。
54.综上所述，本发明的一种电弧等离子体发生器具体特点如下：
55.(1)通过一组阴极和阳极的电弧放电的巧妙结构设计，实现了等离子体射流可以沿着垂直于弧柱的方向产生，射流的宽度与电弧的长度接近，通过拉长电弧的长度，即可实现大尺寸射流等离子体的产生。
56.(2)通过调节阴极和阳极级联板数量，可以很容易实现等离子体射流尺寸(射流等离子体的宽度)的调控；
57.(3)通过在喷嘴口处布置永磁体构建垂直于弧柱方向的磁场，产生可以抵消气流对弧柱气动力的洛伦兹力，实现电弧的稳定燃烧。
58.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施
例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。