本發(fā)明涉及層流等離子技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說涉及一種層流等離子發(fā)生器陰極結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

等離子態(tài)是物質(zhì)的第四態(tài)，宇宙中幾乎99﹪的物質(zhì)（不包括尚未確認(rèn)的暗物質(zhì)）都處于等離子態(tài)。等離子體射流與一般流體在流動(dòng)特征上有相似性，具有兩種流動(dòng)狀態(tài)：層流與湍流。對某一指定流體，當(dāng)其流速小于一特定值時(shí)，流體作有規(guī)則的層狀或流束狀運(yùn)動(dòng)，流體質(zhì)點(diǎn)沒有橫向運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)間互不干擾地前進(jìn)，這種流動(dòng)形式叫層流；當(dāng)流體流速大于該值時(shí)，流體有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)遭到破壞，質(zhì)點(diǎn)除了主要的縱向運(yùn)動(dòng)外還有附加的橫向運(yùn)動(dòng)，流體質(zhì)點(diǎn)交錯(cuò)混亂地前進(jìn)，這種流動(dòng)形式叫湍流。

等離子體其溫度分布范圍則從10 K的低溫到核聚變等離子體的 10億K超高溫并擁有一系列獨(dú)特性質(zhì)，使等離子體在納米材料生產(chǎn)、新材料合成、熱加工制造、冶煉、鉆探、煤化工、垃圾廢物處理、材料表面處理、電子、新能源、軍事、航空航天等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

在等離子體高溫?zé)嵩捶矫?，目前?yīng)用十分廣泛的電弧等離子體射流絕大部分采用湍流形態(tài)工作，這是由現(xiàn)有湍流電弧等離子體射流發(fā)生器技術(shù)和工作原理決定的。電弧等離子發(fā)生器分為層流和湍流兩種，其關(guān)鍵技術(shù)是發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

現(xiàn)有的湍流等離子發(fā)生器的電弧放電作用使得流入工作氣體發(fā)生電離，輸出的等離子體呈噴射狀，用作等離子體射流或等離子體噴焰等。此時(shí)，噴焰具有很高的熱焓，其焰芯溫度可達(dá)10000℃～20000℃，外焰部份也可達(dá)到3000℃。其特點(diǎn)：弧根寬大、弧焰短、噪聲大、弧焰不穩(wěn)定、溫度梯度大、空氣卷入多。

層流等離子體的工作對電弧的穩(wěn)定性要求較高，所以陰極結(jié)構(gòu)需要特殊設(shè)計(jì)以保證層流等離子體的穩(wěn)定工作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷和不足，本發(fā)明提供了一種層流等離子發(fā)生器陰極結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的發(fā)明目的旨在于解決提供一種層流等離子陰極結(jié)構(gòu)，滿足層流等離子體工作要求，保證電弧的穩(wěn)定性，從而保證層流等離子體穩(wěn)定工作。

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種層流等離子發(fā)生器陰極結(jié)構(gòu)，其特征在于：包括陰極保護(hù)罩、陰極連接柱、陰極頭和進(jìn)氣環(huán)，所述陰極保護(hù)罩套在陰極連接柱上，所述進(jìn)氣環(huán)設(shè)置在陰極連接柱的一端，所述陰極頭通過連接件固定在陰極連接柱的一端，所述連接件上設(shè)置有陰極彈簧，所述陰極彈簧一端連接在陰極頭底部，另一端連接在陰極連接柱上。

所述陰極保護(hù)罩與陰極連接柱之間設(shè)置有氣流通道，所述氣流通道用于輸送工作氣體，所述進(jìn)氣環(huán)一端套在陰極連接柱上，進(jìn)氣環(huán)一端設(shè)置有工作氣體進(jìn)口，所述氣流通道與進(jìn)氣環(huán)的工作氣體進(jìn)口連通。

所述進(jìn)氣環(huán)的里另一端設(shè)置有工作氣體出口，所述工作氣體出口與電離腔連通，工作氣體通過進(jìn)氣環(huán)進(jìn)入電離腔。

所述陰極保護(hù)罩上設(shè)置有冷卻水通道，所述冷卻水通道包括進(jìn)水通道和出水通道，所述進(jìn)水通道靠近陰極連接柱設(shè)置，所述出水通道遠(yuǎn)離陰極連接柱設(shè)置；所述進(jìn)水通道與出水通道的端部相互連通，進(jìn)水通道連接有進(jìn)水管，出水通道連接有出水管，冷卻水從進(jìn)水管進(jìn)入到進(jìn)水通道內(nèi)，再經(jīng)出水通道和出水管流出。

所述進(jìn)氣環(huán)包括進(jìn)氣部和出氣部，所述進(jìn)氣部伸入陰極保護(hù)罩內(nèi)，并包裹在陰極連接柱外側(cè)，所述工作氣體進(jìn)口設(shè)置在進(jìn)氣部上。

所述進(jìn)氣環(huán)內(nèi)設(shè)置有螺旋式氣體通道，所述氣體通道沿進(jìn)氣環(huán)進(jìn)氣部的軸向螺旋分布，所述氣體通道沿進(jìn)氣環(huán)的出氣部的徑向螺旋分布。

所述進(jìn)氣環(huán)出氣部與電離腔接觸的表面上設(shè)置有一層絕緣層。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所帶來的有益的技術(shù)效果表現(xiàn)在：

1、本發(fā)明的層流等離子發(fā)生器陰極結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)層流等離子高弧壓、小電流的工作模式，結(jié)構(gòu)相對較為合理，能夠形成層流等離子射流。本發(fā)明中陰極結(jié)構(gòu)的設(shè)置，有助于穩(wěn)定等離子射流。本發(fā)明的發(fā)生器槍體產(chǎn)生的射流性能優(yōu)異，不能可以長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，而且產(chǎn)生的射流具有長度長、能量密度集中、軸向溫度梯度小、噪聲低、可控性好、可重復(fù)、精度高等突出優(yōu)點(diǎn)。

2、本發(fā)明的陰極結(jié)構(gòu)，可以提高陰極頭的使用壽命，在陰極頭處設(shè)置陰極彈簧，電流通過陰極彈簧進(jìn)入到陰極頭中，陰極彈簧形成一個(gè)電磁壓縮環(huán)，當(dāng)陰極彈簧通電后，產(chǎn)生磁場，使得等離子電弧著弧點(diǎn)處于動(dòng)態(tài)均布狀態(tài)，可以延長陰極頭的壽命和層流穩(wěn)定性。

3、在陰極罩與陰極連接柱之間設(shè)置氣流通道，工作氣體從氣流通道進(jìn)入到進(jìn)氣環(huán)，在工作氣體輸送過程中，被陰極連接柱加熱，防止因電離腔內(nèi)溫度較高而形成較高氣壓，阻擋工作氣體輸送的現(xiàn)象，同時(shí)可以利用陰極連接柱的熱量，綜合利用資源。

4、工作氣體通過進(jìn)氣環(huán)進(jìn)入到電離腔，進(jìn)氣環(huán)可以給工作氣體一個(gè)緩沖，在進(jìn)氣環(huán)的作用下，可以保證工作氣體的輸送穩(wěn)定性，同時(shí)，進(jìn)氣環(huán)中也可以儲(chǔ)存一定量的工作氣體，防止由于電離腔內(nèi)部溫度高造成工作氣體反壓的情況。

5、本發(fā)明的陰極保護(hù)罩通過水冷卻的方式進(jìn)行冷卻，在保護(hù)罩上設(shè)置冷卻通道，一方面為了對陰極連接柱進(jìn)行冷卻，另一方面可以降低保護(hù)罩的溫度，從而防止熱量傳遞到槍體底座和槍體的殼體上，防止對外界的影響，保證槍體的安全性能，本發(fā)明的保護(hù)罩分布兩個(gè)管道，進(jìn)水管和出水管，進(jìn)水管用于冷卻陰極連接柱，出水管用于冷卻保護(hù)罩。

6、進(jìn)氣環(huán)延伸到保護(hù)罩內(nèi)，一方面可以形成陰極連接柱與電離腔的隔離，另一方面也方便工作氣體進(jìn)入到電離腔，保證了工作氣體的密封性，防止工作氣體泄露，進(jìn)一步提高了發(fā)生器槍體的安全性能。

7、進(jìn)氣環(huán)內(nèi)設(shè)置螺旋式分布的氣體通道，可以有效的利用陰極頭的溫度在工作氣體輸送過程中進(jìn)行升溫，使其與電離腔內(nèi)的工作氣體溫度相近，防止電離腔內(nèi)對輸入的工作氣體的阻隔，提高了層流等離子射流的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明層流等離子發(fā)生器陰極結(jié)構(gòu)的剖視圖；

圖2為適用于本發(fā)明陰極結(jié)構(gòu)的層流等離子發(fā)生器的結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖3為適用于本發(fā)明陰極結(jié)構(gòu)的層流等離子發(fā)生器的陽極部分的結(jié)構(gòu)剖視圖；

附圖標(biāo)記：100、陰極部分，11、陰極保護(hù)罩，111、進(jìn)水通道，112、出水通道，113、進(jìn)水管，114、出水管；

12、陰極連接柱，13、陰極頭，14、進(jìn)氣環(huán)，141、工作氣體進(jìn)口，142、工作氣體出口，143、進(jìn)氣部，144、出氣部，145、氣體通道，146、絕緣層；15、陰極彈簧，16、氣流通道；

200、陽極部分，21、陽極外殼，22、電弧通道，23、陽極頭，24、冷卻水管，25、冷卻水進(jìn)口，26、冷卻水出口，27、絕緣墊，28、絕緣件，29、中間段，210、陽極彈簧；

300、殼體，31、底座，32、陰極殼，33、陽極固定座；400、電離腔。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

作為本發(fā)明一較佳實(shí)施例，參照說明書附圖1，本實(shí)施例公開了：

一種層流等離子發(fā)生器陰極結(jié)構(gòu)，包括陰極保護(hù)罩11、陰極連接柱12、陰極頭13和進(jìn)氣環(huán)14，所述陰極保護(hù)罩11套在陰極連接柱12上，所述進(jìn)氣環(huán)14設(shè)置在陰極連接柱12的一端，所述陰極頭13通過連接件固定在陰極連接柱12的一端，所述連接件上設(shè)置有陰極彈簧15，所述陰極彈簧15一端連接在陰極頭13底部，另一端連接在陰極連接柱12上。

實(shí)施例2

作為本發(fā)明又一較佳實(shí)施例，參照說明書附圖1，本實(shí)施例公開了：

一種層流等離子發(fā)生器陰極結(jié)構(gòu)，包括陰極保護(hù)罩11、陰極連接柱12、陰極頭13和進(jìn)氣環(huán)14，所述陰極保護(hù)罩11套在陰極連接柱12上，所述進(jìn)氣環(huán)14設(shè)置在陰極連接柱12的一端，所述陰極頭13通過連接件固定在陰極連接柱12的一端，所述連接件上設(shè)置有陰極彈簧15，所述陰極彈簧15一端連接在陰極頭13底部，另一端連接在陰極連接柱12上；所述陰極保護(hù)罩11與陰極連接柱12之間設(shè)置有氣流通道16，所述氣流通道16用于輸送工作氣體，所述進(jìn)氣環(huán)14一端套在陰極連接柱12上，進(jìn)氣環(huán)14一端設(shè)置有工作氣體進(jìn)口141，所述氣流通道16與進(jìn)氣環(huán)14的工作氣體進(jìn)口141連通。

實(shí)施例3

作為本發(fā)明又一較佳實(shí)施例，參照說明書附圖1，本實(shí)施例公開了：

一種層流等離子發(fā)生器陰極結(jié)構(gòu)，包括陰極保護(hù)罩11、陰極連接柱12、陰極頭13和進(jìn)氣環(huán)14，所述陰極保護(hù)罩11套在陰極連接柱12上，所述進(jìn)氣環(huán)14設(shè)置在陰極連接柱12的一端，所述陰極頭13通過連接件固定在陰極連接柱12的一端，所述連接件上設(shè)置有陰極彈簧15，所述陰極彈簧15一端連接在陰極頭13底部，另一端連接在陰極連接柱12上；所述陰極保護(hù)罩11與陰極連接柱12之間設(shè)置有氣流通道16，所述氣流通道16用于輸送工作氣體，所述進(jìn)氣環(huán)14一端套在陰極連接柱12上，進(jìn)氣環(huán)14一端設(shè)置有工作氣體進(jìn)口141，所述氣流通道16與進(jìn)氣環(huán)14的工作氣體進(jìn)口141連通；

所述進(jìn)氣環(huán)14的里另一端設(shè)置有工作氣體出口142，所述工作氣體出口142與電離腔連通，工作氣體通過進(jìn)氣環(huán)14進(jìn)入電離腔。

實(shí)施例4

作為本發(fā)明又一較佳實(shí)施例，參照說明書附圖1，本實(shí)施例公開了：

一種層流等離子發(fā)生器陰極結(jié)構(gòu)，包括陰極保護(hù)罩11、陰極連接柱12、陰極頭13和進(jìn)氣環(huán)14，所述陰極保護(hù)罩11套在陰極連接柱12上，所述進(jìn)氣環(huán)14設(shè)置在陰極連接柱12的一端，所述陰極頭13通過連接件固定在陰極連接柱12的一端，所述連接件上設(shè)置有陰極彈簧15，所述陰極彈簧15一端連接在陰極頭13底部，另一端連接在陰極連接柱12上；所述陰極保護(hù)罩11與陰極連接柱12之間設(shè)置有氣流通道16，所述氣流通道16用于輸送工作氣體，所述進(jìn)氣環(huán)14一端套在陰極連接柱12上，進(jìn)氣環(huán)14一端設(shè)置有工作氣體進(jìn)口141，所述氣流通道16與進(jìn)氣環(huán)14的工作氣體進(jìn)口141連通；

所述陰極保護(hù)罩11上設(shè)置有冷卻水通道，所述冷卻水通道包括進(jìn)水通道111和出水通道112，所述進(jìn)水通道111靠近陰極連接柱12設(shè)置，所述出水通道112遠(yuǎn)離陰極連接柱12設(shè)置；所述進(jìn)水通道111與出水通道112的端部相互連通，進(jìn)水通道111連接有進(jìn)水管113，出水通道112連接有出水管114，冷卻水從進(jìn)水管113進(jìn)入到進(jìn)水通道111內(nèi)，再經(jīng)出水通道112和出水管114流出。

所述進(jìn)氣環(huán)14的里另一端設(shè)置有工作氣體出口142，所述工作氣體出口142與電離腔連通，工作氣體通過進(jìn)氣環(huán)14進(jìn)入電離腔；所述進(jìn)氣環(huán)14包括進(jìn)氣部143和出氣部144，所述進(jìn)氣部143伸入陰極保護(hù)罩11內(nèi)，并包裹在陰極連接柱12外側(cè)，所述工作氣體進(jìn)口141設(shè)置在進(jìn)氣部143上。

實(shí)施例5

作為本發(fā)明又一較佳實(shí)施例，參照說明書附圖1，本實(shí)施例公開了：

一種層流等離子發(fā)生器陰極結(jié)構(gòu)，包括陰極保護(hù)罩11、陰極連接柱12、陰極頭13和進(jìn)氣環(huán)14，所述陰極保護(hù)罩11套在陰極連接柱12上，所述進(jìn)氣環(huán)14設(shè)置在陰極連接柱12的一端，所述陰極頭13通過連接件固定在陰極連接柱12的一端，所述連接件上設(shè)置有陰極彈簧15，所述陰極彈簧15一端連接在陰極頭13底部，另一端連接在陰極連接柱12上；所述陰極保護(hù)罩11與陰極連接柱12之間設(shè)置有氣流通道16，所述氣流通道16用于輸送工作氣體，所述進(jìn)氣環(huán)14一端套在陰極連接柱12上，進(jìn)氣環(huán)14一端設(shè)置有工作氣體進(jìn)口141，所述氣流通道16與進(jìn)氣環(huán)14的工作氣體進(jìn)口141連通；

所述陰極保護(hù)罩11上設(shè)置有冷卻水通道，所述冷卻水通道包括進(jìn)水通道111和出水通道112，所述進(jìn)水通道111靠近陰極連接柱12設(shè)置，所述出水通道112遠(yuǎn)離陰極連接柱12設(shè)置；所述進(jìn)水通道111與出水通道112的端部相互連通，進(jìn)水通道111連接有進(jìn)水管113，出水通道112連接有出水管114，冷卻水從進(jìn)水管113進(jìn)入到進(jìn)水通道111內(nèi)，再經(jīng)出水通道112和出水管114流出。

所述進(jìn)氣環(huán)14的里另一端設(shè)置有工作氣體出口142，所述工作氣體出口142與電離腔連通，工作氣體通過進(jìn)氣環(huán)14進(jìn)入電離腔；所述進(jìn)氣環(huán)14包括進(jìn)氣部143和出氣部144，所述進(jìn)氣部143伸入陰極保護(hù)罩11內(nèi)，并包裹在陰極連接柱12外側(cè)，所述工作氣體進(jìn)口141設(shè)置在進(jìn)氣部143上；

在本實(shí)施例中，所述進(jìn)氣環(huán)14內(nèi)設(shè)置有螺旋式氣體通道145，所述氣體通道145沿進(jìn)氣環(huán)14進(jìn)氣部143的軸向螺旋分布，所述氣體通道145沿進(jìn)氣環(huán)14的出氣部144的徑向螺旋分布；所述進(jìn)氣環(huán)14出氣部144與電離腔接觸的表面上設(shè)置有一層絕緣層146。

實(shí)施例6

作為本發(fā)明又一較佳實(shí)施例，參照說明書附圖1、2和3，本實(shí)施例公開了一種可以適用于本發(fā)明陰極結(jié)構(gòu)的層流等離子發(fā)生器槍體，本實(shí)施例公開了：

一種層流等離子發(fā)生器槍體，包括陰極部分100和陽極部分200，還包括殼體300，所述陰極部分100設(shè)置在殼體300內(nèi)部陰極固定腔內(nèi)，所述殼體300包括底座31和陰極殼32，所述陰極殼32的一端固定在底座31上，所述底座31和陰極殼32內(nèi)部設(shè)置有用于固定陰極部分100的陰極固定腔，所述底座31和陰極殼32內(nèi)部的陰極固定腔連通；所述陰極殼32的另一端設(shè)置用于固定陽極部分200的陽極固定座33；所述陽極固定座33上對應(yīng)陰極殼32陰極固定腔位置出設(shè)置有用于陰極部分100插入的開口；所述陽極固定座33、陽極部分200和陰極部分100圍攏形成用于電離工作氣體的電離腔400；

所述陰極部分100包括陰極保護(hù)罩11、陰極連接柱12、陰極頭13和進(jìn)氣環(huán)14，所述陰極保護(hù)罩11套在陰極連接柱12上，所述進(jìn)氣環(huán)14設(shè)置在陰極連接柱12的一端，所述陰極頭13通過連接件固定在陰極連接柱12的一端，所述連接件上設(shè)置有陰極彈簧15，所述陰極彈簧15一端連接在陰極頭13底部，另一端連接在陰極連接柱12上；

所述陰極保護(hù)罩11與陰極連接柱12之間設(shè)置有氣流通道16，所述氣流通道16用于輸送工作氣體，所述進(jìn)氣環(huán)14一端套在陰極連接柱12上，進(jìn)氣環(huán)14一端設(shè)置有工作氣體進(jìn)口141，所述氣流通道16與進(jìn)氣環(huán)14的工作氣體進(jìn)口141連通；所述進(jìn)氣環(huán)14的里另一端設(shè)置有工作氣體出口142，所述工作氣體出口142與電離腔400連通，工作氣體通過進(jìn)氣環(huán)14進(jìn)入電離腔400；

所述陰極保護(hù)罩11上設(shè)置有冷卻水通道，所述冷卻水通道包括進(jìn)水通道111和出水通道112，所述進(jìn)水通道111靠近陰極連接柱12設(shè)置，所述出水通道112遠(yuǎn)離陰極連接柱12設(shè)置；所述進(jìn)水通道111與出水通道112的端部相互連通，進(jìn)水通道111連接有進(jìn)水管113，出水通道112連接有出水管114，冷卻水從進(jìn)水管113進(jìn)入到進(jìn)水通道111內(nèi)，再經(jīng)出水通道112和出水管114流出；

在本實(shí)施例中，所述進(jìn)氣環(huán)14包括進(jìn)氣部143和出氣部144，所述進(jìn)氣部143伸入陰極保護(hù)罩11內(nèi)，并包裹在陰極連接柱12外側(cè)，所述工作氣體進(jìn)口141設(shè)置在進(jìn)氣部143上；所述出氣部144固定在陽極固定座33內(nèi)，所述出氣部144、陽極固定座33和陽極部分200圍成電離腔400；所述進(jìn)氣環(huán)14內(nèi)設(shè)置有螺旋式氣體通道145，所述氣體通道145沿進(jìn)氣環(huán)14進(jìn)氣部143的軸向螺旋分布，所述氣體通道145沿進(jìn)氣環(huán)14的出氣部144的徑向螺旋分布。所述進(jìn)氣環(huán)14出氣部144與電離腔400接觸的表面上設(shè)置有一層絕緣層146；

所述陽極部分200包括陽極外殼21、電弧通道22和陽極頭23，所述陽極外殼21固定在陽極固定座33上，所述電弧通道22的一端與陽極外殼21連接，另一端與陽極頭23連接；所述陽極外殼21、電弧通道22的側(cè)壁和陽極頭23內(nèi)均設(shè)置有冷卻水管24，所述冷卻水管24相互連通；所述陽極外殼21上分別設(shè)置有冷卻水進(jìn)口25和冷卻水出口26，所述冷卻水進(jìn)口25和冷卻水出口26分別與冷卻水管24連通；所述電弧通道22一端與陽極外殼21的連接出設(shè)置有絕緣墊27，所述絕緣墊27內(nèi)設(shè)置有連通陽極外殼21和電弧通道22側(cè)壁內(nèi)冷卻水管24的連通件；

所述電弧通道22包括至少兩端中間段29，相臨中間段29之間通過絕緣件28連接；所述絕緣件28內(nèi)設(shè)置有連通冷卻水管24的通孔；所述電弧通道22外壁上設(shè)置有陽極彈簧210，所述陽極彈簧210套在電弧通道22的側(cè)壁上，所述陽極彈簧210一端連接在絕緣墊27上，另一端與陽極頭23連接；所述陽極頭23呈漏斗型，開口較小的一端與電弧通道22的側(cè)壁連接；開口較大的一端與陰極部分100的進(jìn)氣環(huán)14相對設(shè)置；陽極頭23開口較大的一端與陽極固定座絕緣密封連接；所述冷卻水管24的材質(zhì)為絕緣材料。