專利名稱：等離子體發(fā)生器及延長等離子體發(fā)生器陰極壽命的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及等離子體發(fā)生器及延長等離子體發(fā)生器陰極壽命的方法。
背景技術：
一般的等離子體發(fā)生器為中心軸線式，具有陰極的啟弧點與陽極 的中心軸線重合的特點。中心軸線式等離子體發(fā)生器產生等離子體的
原理是陰極頭聯(lián)接于電源負極，陽極聯(lián)接于電源正極，電源輸送出 穩(wěn)恒電流，當陰極頭緩緩離開陽極后，隨著電壓的建立，兩極之間立 即形成高溫等離子體火炬，具體地講是陰極頭發(fā)射的電子將空氣擊穿
形成等離子火炬。
對于中心軸線式的等離子體發(fā)生器，陰極壽命是一項重要難題。
在本發(fā)明公開以前，從已知的資料可以看到各國科學家在提高陰 極壽命的研究上注意力都集中在兩個方面1、尋找新型材料，降低 陰極消耗速率；2、采用惰性氣體保護措施來降低陰極消耗速率。例 如本申請人的發(fā)明專利No.00245774.1公開了一種用于等離子發(fā)生器 的金屬電極，該電極使用銀或銀基合金制作的，較以往的石墨電極有 效的提高了陰極壽命，但該電極仍然存在陰極燒蝕面積小，陰極材料 無法得到充分利用，從而限制了陰極壽命的提高；又例如澳大利亞研 制出了采用氮氣保護電極的燃燒煙煤的等離子體發(fā)生器，但這種裝置 需配套復雜的制氮設備。

發(fā)明內容
鑒于上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種改進的等離子體發(fā)生 器，能夠提高陰極的壽命。本發(fā)明的另一個目的是提供一種延長等離
子體發(fā)生器陰極壽命的方法。
為此，本發(fā)明的等離子體發(fā)生器通過將陽極和陰極偏心布置并使 陰極與陽極相對旋轉，從而使陰極啟弧點(陰極斑點)在陰極表面移動 來擴大陰極的燒蝕面積，從而達到提高陰極壽命的目的。該裝置主要
包括陰極和陽極，二者布置為適合產生電弧放電；其特征在于所述陰 極的中心軸線偏離陽極的中心軸線，并且該等離子體發(fā)生器還包括 驅動裝置，用于使所述陰極和陽極相對旋轉。
相應地，本發(fā)明的方法包括使所述陰極的中心軸線偏離陽極的 中心軸線，并提供驅動裝置，用于使所述陰極和所述陽極相對旋轉。
通過上述結構或者方法，通過陰極和陽極的相對旋轉擴大了陰極 頭表面燒蝕凹坑的面積，具體地講也就是通過將陰極和陽極中心軸 線偏心布置，啟弧點在陰極表面也是偏心的，當陰極與陽極相對旋轉 時，啟弧點也會繞陰極中心軸線而不斷移動，從而擴大了燒蝕面積， 提高了陰極的使用壽命。


下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
進行詳細說明。附圖中 圖1A和圖1B分別是現(xiàn)有技術的等離子體發(fā)生器中陰極頭燒蝕
位置和形狀的俯視和剖面示意圖2A到圖2D是本發(fā)明的等離子體發(fā)生器中陰極頭燒蝕位置和
形狀示意圖，其中圖2A到2C是俯視圖，圖2D是剖面圖3是等離子體發(fā)生器的傳統(tǒng)實施方式的結構剖面示意圖4是本發(fā)明的等離子體發(fā)生器的一種實施方式的結構剖面示
意圖5是本發(fā)明的等離子體發(fā)生器的另一種實施方式的結構剖面 示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖詳細說明本發(fā)明的具體實施方式
。
如圖1A和圖1B所示，在傳統(tǒng)的等離子體發(fā)生器中，陰極頭101 作為發(fā)射電子的一極，其表面發(fā)射電子的區(qū)域有著極高的溫度，在高 溫蒸發(fā)以及化學作用的影響下，即使在有水冷的條件下，陰極頭101 表面發(fā)射電子的區(qū)域(啟弧點)是消耗的，經過一段時間的工作，會在 陰極頭表面燒蝕成一個凹坑102。因為該等離子發(fā)生器是中心軸線式 等離子發(fā)生器，該凹坑位于陰極與陽極中心軸線的重合點，而且受電 場、磁場、以及空氣動力的作用，該凹坑的直徑不會太大，會一直向 下燒蝕，直到將陰極燒穿。大量的試驗和工程應用表明，在同樣功率 和水冷條件下，陰極頭的使用壽命和陰極頭的消耗量具有一定的函數(shù) 關系，如果提高陰極頭的可用消耗量，則預示著陰極頭工作壽命的提 高。
由于陰極燒蝕是以一點為中心進行的，簡單地增大陰極的表面積 并不能增大可用消耗量，另一種增大可用消耗量的方法是增大陰極的 厚度，但這會使制造成本大大提高。
鑒于上述問題，發(fā)明人提出通過偏心布置陽極和陰極并使陰極和 陽極相對旋轉來擴大陰極的燒蝕面積，從而提高陰極的可用消耗量， 進而提高陰極工作壽命。
為了清楚地說明本發(fā)明，首先結合圖3描述傳統(tǒng)的等離子體發(fā)生 裝置的結構。如圖所示，其包括陰極和陽極。陰極可以包括由金屬材 料制成的陰極主體14和適合用作電弧放電陰極材料的陰極頭9。陽極 可以包括管形的陽極支架16和陽極頭11，與陰極同心布置。當然， 陽極和陰極均可以制造成一體的而不是兩部分。在陽極支架16和陰 極主體14的第一端，陽極支架16和陰極主體14保持同心。陽極頭 ll收縮之后再膨脹，收縮部分的內壁與陰極頭9形成匹配的形狀，以 便于陽極頭11和陰極頭9的接觸和啟弧。膨脹部分形成噴口狀，以 便等離子體火焰噴出。
圖4圖示了本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式。如圖所示，本發(fā)明的等 離子體發(fā)生裝置主要由電弧發(fā)生部分、驅動部分兩部分構成。
電弧發(fā)生部分的結構基本上與傳統(tǒng)的等離子體發(fā)生裝置相同。所 不同的是，使得陰極主體14稍有傾斜，也就是使得陰極主體的軸線 13相對于陽極軸線12是傾斜的，從而使得陰極頭與陽極頭偏心布置。 陰極主體14的傾斜可以使用任何手段實現(xiàn)，例如可以通過調整陽極 和陰極之間的支撐環(huán)17的結構來實現(xiàn)。同時，陰極可以旋轉并可以 相對于陽極前后移動。
當然，在上述方案中，也可以使陰極和陽極之間整體偏心布置， 也就是陰極軸線13和陽極軸線12仍然平行，但是偏心布置(未圖示)。
驅動部分包括驅動源1和傳動裝置。傳動裝置將驅動電機1的轉 動傳遞給與陰極主體14連為一體的陰極前段部分3，從而使陰極主體 14帶動陰極頭9旋轉。驅動源1可以是等離子體發(fā)生器專用的驅動電 機，也可以是與使用等離子體發(fā)生器的設備中的其他裝置共用的驅動 電機，或者是連接到所述設備中的其他位置的驅動機構的中間傳動機 構。如本領域普通技術人員所知，傳動裝置可以采用多種形式。在圖 示的優(yōu)選實施方案中，采用與驅動源l相連接的傳動齒輪2以及與前 段部分3形成驅動關系(例如通過鍵8)的從動齒輪15。為保證陽極 和陰極之間的絕緣，從動齒輪15應采用絕緣材料，或者鍍覆有絕緣 材料。
這樣，當驅動源1帶動傳動齒輪2和從動齒輪15轉動時，通過 齒輪的嚙合和從動齒輪15與前段部分3之間的配合，將轉動傳遞到 前段部分3，從而使陰極和陽極相對旋轉。
同時，陰極頭9通過前段部分3聯(lián)接于電源負極，陽極聯(lián)接于電 源正極，陰極頭和陽極在接觸點10接觸，電源輸送出穩(wěn)恒電流。當 陰極頭9緩緩離開陽極后，隨著電壓的建立，兩極之間立即形成等離 子火炬，具體地講是陰極頭9發(fā)射的電子將空氣擊穿形成等離子火炬。 在驅動源1不動作時，陰極頭的燒蝕凹坑的位置如圖2A所示，凹坑 中心是和陰極頭9偏心的。驅動源l工作時，陰極頭9繞陽極中心軸 線12公轉，陰極頭9的燒蝕凹坑的位置就會有如圖2B所示的運動軌 跡，長時間工作后就會形成如圖2C和2D所示的較大面積的燒蝕凹 坑，從而有效地提高了陰極頭壽命。
可以注意到，由于陰極需要轉動，所以存在轉動的陰極的電源連 接的問題。本領域的普通技術人員知道有很多種現(xiàn)有技術實現(xiàn)運動部 件之間的電連接。在本發(fā)明中，發(fā)明人提出來一種優(yōu)選的實施方式。
如圖3所示，根據(jù)該優(yōu)選實施方式，電源接頭部分包括電源接頭4、 導電彈墊5、固定裝置6和密封圏7。電源接頭可旋轉地同軸配合在 陰極前段內，可與陰極前段相對轉動，但被固定裝置6相對于陰極前 段部分在縱向上被固定，以便與陰極一起在縱向上前后移動。密封圏 7用來實現(xiàn)電源接頭4和陰極前段3之間的密封。這樣，連接到電源 的不轉動的電源接頭4通過其表面與陰極前段3內表面的接觸而實現(xiàn) 向陰極供電。由于電源接頭4和陰極前段之間需要旋轉，電源接頭4 表面和陰極前段內表面之間的接觸可能不好。對此，本發(fā)明提出了進 一步的優(yōu)選方案，在電源接頭4中部形成凹槽(未圖示)，凹槽中卡 入導電彈墊5，導電彈墊5壓在陰極前段5的端面上，從而，在前段 部分3的旋轉過程中，電源接頭的電流能夠通過導電彈墊5可靠地流 入前段部分，進而流入陰極頭，供應陰極頭和陽極之間的電弧放電。
當然，在上述方案中，也可以使陰極靜止而使陽極支架繞陰極軸 線旋轉(未圖示)，這樣也可以實現(xiàn)起弧點偏離陰極頭中心并圍繞陰 極頭中心旋轉的效果。
圖5圖解了本發(fā)明的另一種實施方式。該實施方式與圖4所示基 本上是相同的，不同之處在于采用了不同的手段來使陰極和陽極產生 偏心。具體來說，可以在安裝或者制造陽極頭11部分時使其相對于 陽極支架(也就是相對于陰極主體)有一定程度的偏心。這樣，同樣 可以產生起弧點偏離陰極頭中心并圍繞陰極頭中心旋轉的效果。
在這種情況下，還可以使陰極靜止而使陽極支架繞自身軸線旋轉 (未圖示)，這樣也可以實現(xiàn)起弧點偏離陰極頭中心并圍繞陰極頭中 心旋轉的效果。
在上述各實施方案中，為有效提高陰極頭壽命，應使燒蝕凹坑 201的邊緣盡量接近陰極頭的邊緣202。顯然，該距離是通過將陽極 (或陽極頭)中心軸線12和陰極頭中心軸線之間的距離或者角度確 定為一定的值來確定的。取決于等離子體發(fā)生器的大小和功率，所述 中心軸線之間的距離或者角度可以通過試驗來確定。
顯然，陰極的旋轉在時間上可以是持續(xù)的，也可以是間斷的；在 空間上可以是連續(xù)的，也可以是步進的。具體地，可以在等離子體發(fā) 生器工作的同時，連續(xù)地驅動所述陰極頭圍繞陽極的中心軸線旋轉， 或者間歇地驅動所述陰極頭圍繞陽極的中心軸線旋轉一定角度?；?者，可以在等離子體發(fā)生器工作的間隙，根據(jù)距上一次用所述驅動裝 置驅動所述陰極頭以來等離子體發(fā)生器工作的時間，用所述驅動裝置 驅動所述陰極頭圍繞陽極的中心軸線旋轉一定角度。
同時，上述旋轉可以自動進行，也可以手工調節(jié)。調節(jié)的對象也 可以是陽極，只要形成陽極和陰極之間的相對運動即可。
以上結合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行了說明，但是本發(fā)明 不限于這些實施方式，其一切變型和替代方案都在所附權利要求的范 圍內。
權利要求
1. 一種等離子體發(fā)生器，包括陰極和陽極，二者布置為適合產生電弧放電；其特征在于所述陰極的中心軸線偏離陽極的中心軸線，并且該等離子體發(fā)生器還包括驅動裝置，用于使所述陰極和陽極相對旋轉。
2. 如權利要求1所述的等離子體發(fā)生器，其特征在于，所述陰 極的中心軸線相對于所述陽極的中心軸線傾斜，所述驅動裝置驅動所 述陰極繞其中心軸線旋轉。
3. 如權利要求2所述的等離子體發(fā)生器，其特征在于，通過調 整陽極和陰極之間的支撐環(huán)的結構來實現(xiàn)陰極的傾斜。
4. 如權利要求1所述的等離子體發(fā)生器，其特征在于，所述陰 極的中心軸線相對于所述陽極的中心軸線平行但偏心布置，所述驅動 裝置驅動所述陽極或陰極繞陰極中心軸線旋轉。
5. 如權利要求4所述的等離子體發(fā)生器，其特征在于，所述陽 極包括與陰極同心布置的陽極支架和用來與陰極產生電弧放電的陽 極頭，所述陽極頭的中心軸線相對于所述陰極的中心軸線偏心布置， 所述驅動裝置驅動所述陰極繞其中心軸線旋轉。
6. 如權利要求1到5之一所述的等離子體發(fā)生器，其特征在于， 所述驅動裝置包括驅動源和受驅動源驅動的傳動裝置，傳動裝置將驅 動源的轉動傳遞到陰極。
7. 如權利要求6所述的等離子體發(fā)生器，其特征在于，所述傳動裝置包括與驅動源相連的傳動齒輪和驅動陰極的從動齒輪。
8. 如權利要求1到5之一所述的等離子體發(fā)生器，其特征在于， 所述陰極的電源連接端面通過導電彈墊與電源接頭電連接。
9. 如權利要求4所述的等離子體發(fā)生器，其特征在于，所述陽 極包括與陰極同心布置的陽極支架和用來與陰極產生電弧放電的陽 極頭，所述陽極頭的中心軸線相對于所述陰極的中心軸線偏心布置， 所述驅動裝置驅動所述陽極支架繞其中心軸線旋轉。
10. 如權利要求9所述的等離子體發(fā)生器，其特征在于，所述驅 動裝置包括驅動源和受驅動源驅動的傳動裝置，傳動裝置將驅動源的 轉動傳遞到陰極。
11. 如權利要求9或10所述的等離子體發(fā)生器，其特征在于， 所述傳動裝置包括與驅動源相連的傳動齒輪和驅動陰極的從動齒輪。
12. 如權利要求9所述的等離子體發(fā)生器，其特征在于，所述陰 極的電源連接端面通過導電彈墊與電源接頭電連接。
13. —種延長等離子體發(fā)生器陰極壽命的方法，該等離子體發(fā)生 器包括陰極和陽極，二者布置為適合產生電弧放電；該方法包括使所 述陰極的中心軸線偏離陽極的中心軸線，并提供驅動裝置，用于驅動 所述陰極與陽極相對旋轉。
14. 如權利要求13所述的延長等離子體發(fā)生器陰極壽命的方法， 其特征在于，在等離子體發(fā)生器工作的同時，所述驅動裝置連續(xù)地驅 動所述陰極和所述陽極相對旋轉。
15. 如權利要求13所述的延長等離子體發(fā)生器陰極壽命的方法， 其特征在于，在等離子體發(fā)生器工作的同時，所述驅動裝置間歇地驅 動所述陰極和所述陽極相對旋轉一定角度。
16. 如權利要求13所述的延長等離子體發(fā)生器陰極壽命的方法， 其特征在于，在等離子體發(fā)生器工作的間隙，根據(jù)距上一次用所述驅 動裝置進行驅動以來等離子體發(fā)生器工作的時間，用所述驅動裝置驅 動所述陰極和所述陽極相對旋轉一定角度。
全文摘要
本發(fā)明涉及等離子體發(fā)生器及延長等離子體發(fā)生器陰極壽命的方法。該等離子體發(fā)生器包括陰極和陽極，二者布置為適合產生電弧放電；其特征在于所述陰極的中心軸線偏離陽極的中心軸線，并且該等離子體發(fā)生器還包括驅動裝置，用于使所述陰極和陽極相對旋轉。
文檔編號H05H1/26GK101207965SQ20071013825
公開日2008年6月25日 申請日期2007年7月31日 優(yōu)先權日2007年7月31日
發(fā)明者宏 唐, 李本偉, 林淑勝, 紀書信, 陳學淵 申請人:煙臺龍源電力技術有限公司