本實用新型涉及層流等離子技術領域，更具體地說涉及一種層流等離子發(fā)生器陰極結構。

背景技術：

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特征上有相似性，具有兩種流動狀態(tài)：層流與湍流。對某一指定流體，當其流速小于一特定值時，流體作有規(guī)則的層狀或流束狀運動，流體質(zhì)點沒有橫向運動，質(zhì)點間互不干擾地前進，這種流動形式叫層流；當流體流速大于該值時，流體有規(guī)則的運動遭到破壞，質(zhì)點除了主要的縱向運動外還有附加的橫向運動，流體質(zhì)點交錯混亂地前進，這種流動形式叫湍流。

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、航空航天等領域獲得廣泛應用。

在等離子體高溫熱源方面，目前應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，其關鍵技術是發(fā)生器結構設計。

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，噴焰具有很高的熱焓，其焰芯溫度可達10000℃～20000℃，外焰部份也可達到3000℃。其特點：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，所以陰極結構需要特殊設計以保證層流等離子體的穩(wěn)定工作。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術中存在的缺陷和不足，本實用新型提供了一種層流等離子發(fā)生器陰極結構，本實用新型的發(fā)明目的旨在于解決提供一種層流等離子陰極結構，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)有技術中存在的問題，本實用新型是通過下述技術方案實現(xiàn)的：

一種層流等離子發(fā)生器陰極結構，其特征在于：包括陰極保護罩、陰極連接柱、陰極頭和進氣環(huán)，所述陰極保護罩套在陰極連接柱上，所述進氣環(huán)設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。

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

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

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

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

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

所述進氣環(huán)出氣部與電離腔接觸的表面上設置有一層絕緣層。

與現(xiàn)有技術相比，本實用新型所帶來的有益的技術效果表現(xiàn)在：

1、本實用新型的層流等離子發(fā)生器陰極結構能夠?qū)崿F(xiàn)層流等離子高弧壓、小電流的工作模式，結構相對較為合理，能夠形成層流等離子射流。本實用新型中陰極結構的設置，有助于穩(wěn)定等離子射流。本實用新型的發(fā)生器槍體產(chǎn)生的射流性能優(yōu)異，不能可以長時間穩(wěn)定運行，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、精度高等突出優(yōu)點。

2、本實用新型的陰極結構，可以提高陰極頭的使用壽命，在陰極頭處設置陰極彈簧，電流通過陰極彈簧進入到陰極頭中，陰極彈簧形成一個電磁壓縮環(huán)，當陰極彈簧通電后，產(chǎn)生磁場，使得等離子電弧著弧點處于動態(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置氣流通道，工作氣體從氣流通道進入到進氣環(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、工作氣體通過進氣環(huán)進入到電離腔，進氣環(huán)可以給工作氣體一個緩沖，在進氣環(huán)的作用下，可以保證工作氣體的輸送穩(wěn)定性，同時，進氣環(huán)中也可以儲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、本實用新型的陰極保護罩通過水冷卻的方式進行冷卻，在保護罩上設置冷卻通道，一方面為了對陰極連接柱進行冷卻，另一方面可以降低保護罩的溫度，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，本實用新型的保護罩分布兩個管道，進水管和出水管，進水管用于冷卻陰極連接柱，出水管用于冷卻保護罩。

6、進氣環(huán)延伸到保護罩內(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，進一步提高了發(fā)生器槍體的安全性能。

7、進氣環(huán)內(nèi)設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為本實用新型層流等離子發(fā)生器陰極結構的剖視圖；

圖2為適用于本實用新型陰極結構的層流等離子發(fā)生器的結構剖視圖；

圖3為適用于本實用新型陰極結構的層流等離子發(fā)生器的陽極部分的結構剖視圖；

附圖標記：100、陰極部分，11、陰極保護罩，111、進水通道，112、出水通道，113、進水管，114、出水管；

12、陰極連接柱，13、陰極頭，14、進氣環(huán)，141、工作氣體進口，142、工作氣體出口，143、進氣部，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。

具體實施方式

實施例1

作為本實用新型一較佳實施例，參照說明書附圖1，本實施例公開了：

一種層流等離子發(fā)生器陰極結構，包括陰極保護罩11、陰極連接柱12、陰極頭13和進氣環(huán)14，所述陰極保護罩11套在陰極連接柱12上，所述進氣環(huán)14設置在陰極連接柱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。

實施例2

作為本實用新型又一較佳實施例，參照說明書附圖1，本實施例公開了：

一種層流等離子發(fā)生器陰極結構，包括陰極保護罩11、陰極連接柱12、陰極頭13和進氣環(huán)14，所述陰極保護罩11套在陰極連接柱12上，所述進氣環(huán)14設置在陰極連接柱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；所述陰極保護罩11與陰極連接柱12之間設置有氣流通道16，所述氣流通道16用于輸送工作氣體，所述進氣環(huán)14一端套在陰極連接柱12上，進氣環(huán)14一端設置有工作氣體進口141，所述氣流通道16與進氣環(huán)14的工作氣體進口141連通。

實施例3

作為本實用新型又一較佳實施例，參照說明書附圖1，本實施例公開了：

一種層流等離子發(fā)生器陰極結構，包括陰極保護罩11、陰極連接柱12、陰極頭13和進氣環(huán)14，所述陰極保護罩11套在陰極連接柱12上，所述進氣環(huán)14設置在陰極連接柱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；所述陰極保護罩11與陰極連接柱12之間設置有氣流通道16，所述氣流通道16用于輸送工作氣體，所述進氣環(huán)14一端套在陰極連接柱12上，進氣環(huán)14一端設置有工作氣體進口141，所述氣流通道16與進氣環(huán)14的工作氣體進口141連通；

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

實施例4

作為本實用新型又一較佳實施例，參照說明書附圖1，本實施例公開了：

一種層流等離子發(fā)生器陰極結構，包括陰極保護罩11、陰極連接柱12、陰極頭13和進氣環(huán)14，所述陰極保護罩11套在陰極連接柱12上，所述進氣環(huán)14設置在陰極連接柱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；所述陰極保護罩11與陰極連接柱12之間設置有氣流通道16，所述氣流通道16用于輸送工作氣體，所述進氣環(huán)14一端套在陰極連接柱12上，進氣環(huán)14一端設置有工作氣體進口141，所述氣流通道16與進氣環(huán)14的工作氣體進口141連通；

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

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

實施例5

作為本實用新型又一較佳實施例，參照說明書附圖1，本實施例公開了：

一種層流等離子發(fā)生器陰極結構，包括陰極保護罩11、陰極連接柱12、陰極頭13和進氣環(huán)14，所述陰極保護罩11套在陰極連接柱12上，所述進氣環(huán)14設置在陰極連接柱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；所述陰極保護罩11與陰極連接柱12之間設置有氣流通道16，所述氣流通道16用于輸送工作氣體，所述進氣環(huán)14一端套在陰極連接柱12上，進氣環(huán)14一端設置有工作氣體進口141，所述氣流通道16與進氣環(huán)14的工作氣體進口141連通；

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

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

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

實施例6

作為本實用新型又一較佳實施例，參照說明書附圖1、2和3，本實施例公開了一種可以適用于本實用新型陰極結構的層流等離子發(fā)生器槍體，本實施例公開了：

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上對應陰極殼32陰極固定腔位置出設置有用于陰極部分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包括陰極保護罩11、陰極連接柱12、陰極頭13和進氣環(huán)14，所述陰極保護罩11套在陰極連接柱12上，所述進氣環(huán)14設置在陰極連接柱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；

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

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

在本實施例中，所述進氣環(huán)14包括進氣部143和出氣部144，所述進氣部143伸入陰極保護罩11內(nèi)，并包裹在陰極連接柱12外側，所述工作氣體進口141設置在進氣部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；所述進氣環(huán)14內(nèi)設置有螺旋式氣體通道145，所述氣體通道145沿進氣環(huán)14進氣部143的軸向螺旋分布，所述氣體通道145沿進氣環(huán)14的出氣部144的徑向螺旋分布。所述進氣環(huán)14出氣部144與電離腔400接觸的表面上設置有一層絕緣層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的側壁和陽極頭23內(nèi)均設置有冷卻水管24，所述冷卻水管24相互連通；所述陽極外殼21上分別設置有冷卻水進口25和冷卻水出口26，所述冷卻水進口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的連接出設置有絕緣墊27，所述絕緣墊27內(nèi)設置有連通陽極外殼21和電弧通道22側壁內(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)設置有連通冷卻水管24的通孔；所述電弧通道22外壁上設置有陽極彈簧210，所述陽極彈簧210套在電弧通道22的側壁上，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的側壁連接；開口較大的一端與陰極部分100的進氣環(huán)14相對設置；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。