等離子槍和包括等離子槍的加熱裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種等離子槍，用于加熱氣體，更具體來說用于加熱位于加熱空間內(nèi)的空氣，該等離子槍包括噴嘴，該噴嘴包括噴嘴壁和位于該噴嘴壁內(nèi)的噴嘴開口。此外，本發(fā)明涉及包括加熱空間和等離子槍的加熱裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]加熱裝置的熱源一般基于燃料的燃燒，燃料通常為天然氣。最近，增多量的研究已經(jīng)集中在替代熱源的使用上。在加熱裝置的一個公開和可能能夠用作用于加熱裝置的熱源的裝置的一些公開中，等離子槍的使用起到作用。
[0003]等離子槍時能夠產(chǎn)生等離子弧的裝置，等離子弧從電連接至電壓源的陰極延伸。在產(chǎn)生非轉(zhuǎn)移等離子弧的等離子槍中，等離子弧在陰極和陽極之間的空間中產(chǎn)生，陽極為等離子槍的一部分，一般為噴嘴壁。為了產(chǎn)生和保持等離子弧，高電位差是必要的。由于形成等離子的離子化分子，等離子弧是可見的。等離子槍一般包括通道，用于將等離子氣體供應(yīng)至陰極和陽極之間的空間。高電位差的結(jié)果是，在等離子弧中的或附近的的等離子氣體被轉(zhuǎn)換為等離子，即離子化等離子氣體分子。因為等離子氣體隨后的供應(yīng)，等離子弧的體積將提高，并且因此在等離子弧中的和周圍的溫度將提高。傳統(tǒng)上，等離子氣體為氬氣、或氦氣、或氫氣、或者這些氣體的混合物。等離子氣體儲存在合適的加壓氣瓶中。許多等離子槍包括單獨(dú)的、封閉的、水基冷卻系統(tǒng)，以保護(hù)陰極和等離子槍的其他部分免受等離子的高溫。但是，水基冷卻系統(tǒng)中的水不直接接觸等離子弧。在又一其他等離子槍中，水蒸氣或水在陽極至陰極的方向上被引導(dǎo)朝向等離子弧用于產(chǎn)生高速蒸氣，參見US2010/0252537。在該專利文件中公開的等離子槍使用氬氣的等離子氣體代替水蒸氣產(chǎn)生等離子弧。產(chǎn)生非轉(zhuǎn)移等離子弧的傳統(tǒng)的等離子槍的噴嘴開口的截面一般為具有0.2-0.6mm直徑的圓形。噴嘴直徑的此特征允許等離子弧聚焦、熱量集中。等離子槍主要用于焊接或切割金屬物體，US專利5，360，495公開了一種等離子槍，產(chǎn)生寬的、但仍然直的、延伸通過噴嘴開口的等離子“束”。噴嘴開口的長度為使得磁體能夠沿噴嘴開口定位。在此專利文件中公開的噴嘴開口的截面為橢圓形，使得等離子弧能夠被磁體操縱，使得生成寬的等離子“束”。此噴嘴開口被設(shè)計為將等離子弧集中、而不是分散，以產(chǎn)生尖銳的切割邊緣。
[0004]CAl 242 000公開了一種裝置，包括用于加熱高容量空氣的等離子槍，該裝置可能夠用作用于加熱裝置的熱源。這里，等離子弧在橢圓形空間內(nèi)延伸，橢圓形空間由位于該空間后部附近的電極和位于該空間前部附近的另一電極限定。通過將大量的空氣導(dǎo)引通過此空間，等離子弧的熱量被釋放，并且等離子槍、更具體地是其陰極被保護(hù)免受可能的破壞性的高溫。此文件沒有公開等離子氣體被用于供給至等離子弧。可能的是使用了傳統(tǒng)的等離子氣體。傳統(tǒng)的等離子氣體被儲存在氣瓶中，需要重要的安全措施。因此使用在此文件中公開的裝置的加熱裝置不適合用在用于家庭用途的加熱裝置中，例如用于加熱房子。除了傳統(tǒng)的氣體儲存不安全的事實以外，傳統(tǒng)的等離子氣體的成本本身能夠增加整體成本。結(jié)果，這種加熱裝置關(guān)于使用成本是不利的。這種系統(tǒng)的另一缺點在于只有高容量空氣能夠被加熱。因此，此系統(tǒng)難于被連接至屬于房子中的加熱裝置的現(xiàn)存的水管道系統(tǒng)。又一缺點在于這種等離子槍包括兩個單獨(dú)的通道系統(tǒng)，一個用于冷卻裝置的水，一個用于保持等離子弧和提高等離子弧中以及周圍的溫度的等離子氣體。單獨(dú)的通道系統(tǒng)的生產(chǎn)成本增加了整體的生產(chǎn)成本。而且，此文件沒有公開系統(tǒng)的效率的評價。換句話說，其沒有公開用于加熱高容量空氣的潛在使用成本。因此，這種加熱裝置關(guān)于使用成本是否能夠與傳統(tǒng)的加熱裝置競爭是不清楚的。
[0005]UA81989公開了一種包括等離子槍的蒸汽發(fā)生器。此蒸汽發(fā)生器可能夠用作用于加熱裝置的熱源。在此情況下，代替等離子弧的蒸汽將提供熱源。也就是，在此蒸汽發(fā)生器中，冷水被引導(dǎo)沿著由等離子槍產(chǎn)生的等離子弧，主要目標(biāo)是生成水蒸氣或高速蒸汽。將水的體積轉(zhuǎn)化為水蒸氣所需的能量減小了系統(tǒng)的效率。另一缺點在于相對大量的冷凝水需要被丟棄。此文件沒有公開所使用的等離子氣體。因此，能夠假設(shè)使用傳統(tǒng)的等離子氣體，以上提到的關(guān)于用于家庭用途的加熱裝置的缺點是相關(guān)的。
[0006]DE3735341公開了一種加熱裝置，其中熱源是基于等離子槍。加熱裝置包括單獨(dú)的水通道系統(tǒng)，其中水被用作冷卻劑，但是不直接接觸等離子弧。其包括用于將水供應(yīng)至燃燒空間的機(jī)構(gòu)，等離子弧延伸通過該燃燒空間。根據(jù)以上提到的此專利的發(fā)明者，燃燒空間中的水被轉(zhuǎn)化為蒸汽，且熱分解以形成氫氣。氫氣隨后被燃燒。此文件沒有公開所使用的等離子氣體。因此，能夠假設(shè)使用傳統(tǒng)的等離子氣體，以上提到的關(guān)于用于家庭用途的加熱裝置的缺點是相關(guān)的。在此文件中公開了燃燒空間中的溫度能夠高達(dá)1200°C。但是，可假設(shè)當(dāng)?shù)入x子弧產(chǎn)生時，溫度將高出許多倍，并能夠達(dá)到導(dǎo)致材料破壞的溫度。也就是，等離子弧中的溫度能夠高達(dá)8000°C。因為水的分解產(chǎn)生氫氣，且此氫氣在燃燒空間中燃燒，可假設(shè)水和/或水蒸氣的供應(yīng)不具有實質(zhì)的冷卻效果。此文件沒有提到保護(hù)加熱裝置的冷卻措施。提高燃燒空間的尺寸不能解決問題，因為這將降低用于燃燒的氫氣的濃度。而且，此文件沒有公開加熱裝置的效率的評估。因此，這種加熱裝置關(guān)于使用成本是否能夠與使用天然氣的傳統(tǒng)的加熱裝置競爭是不清楚的。
[0007]當(dāng)設(shè)計用于加熱裝置或用于與等離子槍結(jié)合的加熱裝置的等離子槍時，產(chǎn)生的問題在不同的方式中涉及溫度。重要的是，等離子弧中和等離子弧周圍的高溫不造成加熱裝置或等離子槍自身的破壞。提高加熱裝置中的加熱空間的體積不是優(yōu)選的，因為這將阻止加熱裝置與傳統(tǒng)的加熱裝置定位在相同的位置。因此重要的是，等離子弧的強(qiáng)度被控制。但是，操作等離子弧的可能性是有限的。必須考慮的約束是，陰極和陽極之間的距離太大，其結(jié)果是更加難以生成和/或保持等離子弧，等離子槍內(nèi)側(cè)和外側(cè)傳輸熱量的有限的可能性，生成和/或保持等離子弧所需的大量的電能，其結(jié)果是熱效率降低，等等。一方面，應(yīng)當(dāng)保證等離子槍的冷卻能力能夠防止材料破壞和不穩(wěn)定的電弧，并且另一方面，應(yīng)當(dāng)保證產(chǎn)生的熱量和使用電能的比例僅可能高。與溫度無關(guān)的另一問題是如傳統(tǒng)使用的氬氣、氦氣、和/或氫氣的等離子氣體的儲存是不安全的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]因此，本發(fā)明的目的在于提供一種等離子槍或者包括等離子槍的加熱裝置，不使用儲存在氣瓶中的等離子氣體。此外，本發(fā)明的目的在于提供一種加熱裝置，呈現(xiàn)的使用成本等于或低于使用天然氣的傳統(tǒng)的加熱裝置的使用成本。此外，本發(fā)明的目的在于提供一種加熱裝置，適于家庭用途，例如用于加熱房子，且能夠被成本有效地制造并能夠被連接至現(xiàn)存的供水系統(tǒng)。
[0009]為了實現(xiàn)這些目的中的至少一個，本發(fā)明提供一種等離子槍，用于加熱氣體，更特別為，位于加熱空間內(nèi)的空氣，該等離子槍包括噴嘴，該噴嘴包括噴嘴壁和位于該噴嘴壁內(nèi)的噴嘴開口，其中噴嘴開口的截面的最大直徑關(guān)于噴嘴開口的第一長度的比例大于2。
[0010]在本發(fā)明的一實施例中，以上提到的比例在2-3的范圍內(nèi)。在另一實施例中，以上提到的比例在3-4的范圍內(nèi)。
[0011]如上描述的包括噴嘴的等離子槍的主要優(yōu)點在于，其能夠產(chǎn)生高度發(fā)散的等離子弧。因此，由等離子弧產(chǎn)生的熱量的擴(kuò)散被提高，將這種等離子槍使用在用于家庭用途的加熱裝置中所需的措施更少。當(dāng)使用傳統(tǒng)的等離子槍時，從噴嘴開口至環(huán)繞加熱空間的壁的相對的壁部分的距離應(yīng)當(dāng)相對高，從而防止該壁部分的破壞。由于所需的此大距離，與用于家庭用途的加熱裝置結(jié)合使用傳統(tǒng)的等離子槍是不現(xiàn)實的。但是，根據(jù)本發(fā)明的等離子槍的一個優(yōu)點是發(fā)散的等離子弧使得用于家庭用途的加熱裝置中的加熱空間的現(xiàn)實尺寸成為可能。
[0012]如這里關(guān)于噴嘴開口使用的術(shù)語“長度”旨在包含由噴嘴壁的截面限定的噴嘴開口的平均尺寸，該尺寸平行于等離子弧延伸通過噴嘴開口的主方向。
[0013]如這里關(guān)于噴嘴開口使用的術(shù)語“截面”旨在包含橫截等離子弧延伸通過噴嘴開口的主方向的截面。
[0014]在根據(jù)本發(fā)明的等離子槍的示例性實施例中，噴嘴壁的厚度基本等于噴嘴開口的第一長度，且不超過3mm。
[0015]由于噴嘴開口的第一長度與噴嘴開口的截面面積相比相對較低，其不期望等離子弧將延伸通過噴嘴開口并作為輻射束的聚焦束離開等離子槍。優(yōu)選地，第一長度在I至2_的范圍內(nèi)。
[0016]在根據(jù)本發(fā)明的等離子槍的示例性實施例中，噴嘴開口具有非圓形的截面。
[0017]已發(fā)現(xiàn)，非圓形的噴嘴開口有利于提高等離子弧的擴(kuò)散，和隨后的源于等離子弧的熱量的擴(kuò)散，換句話說，用于加寬等離子弧，同時另外用于獲得穩(wěn)定的等離子弧。
[0018]優(yōu)選地，噴嘴壁包括具有橢圓形截面的噴嘴開口，其中，截面的第二長度大于截面的寬度至少1.3倍。在不希望被理論束縛的情況下，寬度能夠足夠保持等離子弧，而第二長度使得其等離子弧的擴(kuò)散被提高。
[0019]在根據(jù)本發(fā)明的等離子槍的另一示例性實施例中