RU130180U1

RU130180U1 - HIGH VOLTAGE PLASMOTRON

Info

Publication number: RU130180U1
Application number: RU2012154599/07U
Authority: RU
Inventors: Виктор Иванович Овдин; Татьяна Викторовна Зыкова; Александр Васильевич Ключников
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "НИТ"
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2013-07-10

Abstract

Высоковольтный плазмотрон, содержащий высоковольтный источник питания, подключенный к коническому первому электроду и цилиндрическому второму электроду, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента полезного действия и срока службы электродов, второй цилиндрический электрод разделен на два - поджигающий и выходной электроды, добавлен диэлектрический цилиндр - корпус изделия, в котором соосно через две центрирующие диэлектрические шайбы вставлены цилиндры второго электрода, в поджигающий цилиндр второго электрода соосно через потокоформирующую диэлектрическую шайбу вставлен конический первый электрод, центрирующие шайбы имеют отверстия, параллельные оси устройства, для прохождения воздуха, потокоформирующая диэлектрическая шайба содержит отверстия под углом к оси устройства для закручивания потока воздуха, высоковольтный источник питания работает в непрерывном режиме, формирует переменное напряжение повышенной частоты.A high-voltage plasmatron containing a high-voltage power source connected to a conical first electrode and a cylindrical second electrode, characterized in that, in order to increase the efficiency and service life of the electrodes, the second cylindrical electrode is divided into two - ignition and output electrodes, a dielectric cylinder is added - the body of the product, in which the cylinders of the second electrode are inserted coaxially through two centering dielectric washers, in the ignition cylinder of the second electrode, coaxially black A conical first electrode is inserted without the flow-forming dielectric washer, the centering washers have openings parallel to the device axis for air passage, the flow-forming dielectric washer contains openings at an angle to the axis of the device for swirling the air flow, the high-voltage power supply operates continuously, generates an alternating voltage of increased frequency .

Description

Полезная модель относится к плазменной технике, а именно: к плазмотронам. Известны промышленные плазмотроны, построенные по традиционной схеме, например, ЭДП-147 [1] стр.34, предназначенные для нагрева различных газов. Недостатком плазмотрона является его низкий тепловой КПД, как следствие, необходимость использования жидкостного охлаждения. Также к недостаткам следует отнести низкий ресурс катода и необходимость применения для его длительной работы защитных газов. Все вышеназванное ведет к большим эксплуатационным расходам при использовании плазмотрона в промышленности.The utility model relates to a plasma technique, namely: to plasmatrons. Known industrial plasmatrons built according to the traditional scheme, for example, EDP-147 [1] p. 34, designed to heat various gases. The disadvantage of the plasma torch is its low thermal efficiency, as a consequence, the need to use liquid cooling. Also disadvantages include the low cathode resource and the need to use protective gases for its long-term operation. All of the above leads to high operating costs when using a plasma torch in industry.

Известен плазмотрон [2], в котором ресурс электрода (катода) увеличен в два раза за счет его симметричной конструкции и конструктивной возможности разворота на 180°. В данном решении используются более длинные медные электроды, в качестве плазмообразующего газа используется воздух. Но и в этом случае высокая эрозия медного катода за 150-170 часов работы приводит к необходимости его замены или разворота на 180°. Эксплуатационные затраты при использовании плазмотрона остаются высокими.Known plasmatron [2], in which the resource of the electrode (cathode) is doubled due to its symmetrical design and the constructive possibility of a 180 ° turn. This solution uses longer copper electrodes; air is used as the plasma-forming gas. But even in this case, the high erosion of the copper cathode in 150-170 hours of operation leads to the need for its replacement or a 180 ° turn. Operating costs when using a plasma torch remain high.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является импульсно-периодический плазмотрон [3]. Выходной канал плазмотрона выполнен в виде соосно расположенных электродов цилиндрической или конической формы, которые подключены к высоковольтному блоку питания. Из описания следует, что блок питания генерирует высоковольтные импульсы, благодаря чему выходной канал повышает энергию плазменного потока, выходящего из блока генерации и ввода плазмы, чем и достигается положительный эффект.The closest in technical essence to the claimed device is a pulse-periodic plasmatron [3]. The output channel of the plasma torch is made in the form of coaxially arranged electrodes of cylindrical or conical shape, which are connected to a high-voltage power supply. From the description it follows that the power supply generates high-voltage pulses, so that the output channel increases the energy of the plasma stream exiting the plasma generation and input unit, thereby achieving a positive effect.

Недостаток устройства заключается в наличии блока регенерации и ввода плазмы по сути типового плазмотрона, как уже было сказано выше, требующего больших эксплуатационных затрат. Устройство, по сути, состоит из плазмотрона и ускорителя плазмы с высоковольтным импульсным источником. На практике потребуется устройство для сопряжения этих узлов, что в целом усложняет его обслуживание.The disadvantage of this device is the presence of a regeneration and plasma input unit, which is essentially a typical plasma torch, as already mentioned above, requiring large operating costs. The device, in fact, consists of a plasma torch and a plasma accelerator with a high-voltage pulse source. In practice, you will need a device for interfacing these nodes, which generally complicates its maintenance.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение КПД устройства и увеличение ресурса рабочих электродов высоковольтного плазмотрона.The problem to which the claimed utility model is directed is to increase the efficiency of the device and increase the life of the working electrodes of the high-voltage plasma torch.

Поставленная задача решается тем, что высоковольтный плазмотрон, содержащий высоковольтный источник питания, подключенный к коническому первому электроду и цилиндрическому второму электроду, отличающийся тем, что с целью повышения коэффициента полезного действия и срока службы электродов второй цилиндрический электрод разделен на два - поджигающий и выходной электроды, добавлен диэлектрический цилиндр - корпус изделия, в котором соосно через две центрирующие диэлектрические шайбы вставлены цилиндры второго электрода, в поджигающий цилиндр второго электрода соосно через потокоформирующую диэлектрическую шайбу вставлен конический первый электрод, центрирующие шайбы имеют отверстия параллельные оси устройства для прохождения воздуха, потокоформирующая диэлектрическая шайба содержит отверстия под углом к оси устройства для закручивания потока воздуха, высоковольтный источник питания работает в непрерывном режиме, формирует переменное напряжение повышенной частоты.The problem is solved in that a high-voltage plasmatron containing a high-voltage power source connected to a conical first electrode and a cylindrical second electrode, characterized in that in order to increase the efficiency and service life of the electrodes, the second cylindrical electrode is divided into two - ignition and output electrodes, a dielectric cylinder is added - the body of the product, in which the cylinders of the second electrode are inserted coaxially through two centering dielectric washers into the ignition the cone of the second electrode is coaxially inserted through the flow-forming dielectric washer, the conical first electrode is inserted, the centering washers have holes parallel to the axis of the device for air passage, the flow-forming dielectric washer contains holes at an angle to the axis of the device for swirling the air flow, the high-voltage power supply operates in a continuous mode, generates an alternating voltage increased frequency.

Новым, по мнению авторов, является взаимное расположение электродов плазмотрона и формирующих воздушный поток диэлектрических шайб. Новым также является применение высоковольтного блока с токоограничивающей характеристикой. Высоковольтный блок формирует переменное напряжение высокой частоты, обеспечивая устойчивую работу плазмотрона в широком диапазоне скоростей воздушного потока внутри плазмотрона. По сравнению с известным устройством исключен блок генерации и ввода плазмы в виде отдельного плазмотрона направленного действия. В предлагаемом устройстве для возбуждения плазменного потока используется электрическая дуга, возникающая между коническим и поджигающим цилиндрическим электродами.According to the authors, the new is the relative position of the plasma torch electrodes and the dielectric washers forming the air flow. The use of a high-voltage block with a current-limiting characteristic is also new. The high-voltage unit generates an alternating voltage of high frequency, providing stable operation of the plasma torch in a wide range of air flow rates inside the plasma torch. Compared with the known device, the generation and input unit of plasma in the form of a separate directional plasma torch is excluded. In the proposed device for exciting the plasma flow, an electric arc is used, which arises between the conical and the igniting cylindrical electrodes.

Сущность полезной модели поясняется чертежом фиг.1, на котором представлено сечение общего вида высоковольтного плазмотрона.The essence of the utility model is illustrated by the drawing of figure 1, which shows a cross section of a General view of a high voltage plasmatron.

Высоковольтный плазмотрон состоит из высоковольтного источника питания 1, корпуса плазмотрона 2, конического первого электрода 3, цилиндрического поджигающего электрода 4 и выходного электрода 5, центрирующих диэлектрических шайб 6 с отверстиями параллельно главной оси 7, потокоформирующей диэлектрической шайбы 8 с отверстиями наклоненными относительно главной оси устройства (относительно плоскости рисунка).The high-voltage plasmatron consists of a high-voltage power supply 1, a plasma torch body 2, a conical first electrode 3, a cylindrical ignition electrode 4 and an output electrode 5, centering dielectric washers 6 with holes parallel to the main axis 7, flow-forming dielectric washer 8 with holes inclined relative to the main axis of the device ( relative to the plane of the picture).

Кроме того на фиг.1 отмечен вентилятор для подачи воздуха 9, линия плазменного шнура 10.In addition, figure 1 marked fan for supplying air 9, the line of the plasma cord 10.

Высоковольтный плазмотрон работает следующим образом: Включение высоковольтного источника 1 приводит к электрическому пробою у основания конического электрода 3 на поджигающий электрод 4 и возникновению электрической дуги в узком зазоре между ними. Включение вентилятора 9 приводит, благодаря наклону отверстий потокоформирующей шайбы 8, к кручению потока воздуха вокруг конусного электрода 3. Поступательно-вращательное движение воздушного потока выносит электрическую дугу на верхнюю кромку конусного электрода, затем воздушный поток выдувает электрическую дугу в виде плазменного шнура 10 во внешнее пространство через внутреннее отверстие электрода 5. После ослабления воздушного потока во внешнем объеме плазменный шнур 10 шунтируется на верхней кромке электрода 5. Воздух, протекающий через отверстия 7 центрирующих шайб 6, отжимает плазменный шнур 10 от внутренней кромки электрода 5, тем самым препятствует раннему шунтированию шнура плазмы. Отверстия верхней шайбы 6 обеспечивают дополнительный поток для охлаждения элементов конструкции плазмотрона и способствуют стабилизации формы струи плазмы.The high-voltage plasmatron works as follows: Turning on the high-voltage source 1 leads to electrical breakdown at the base of the conical electrode 3 on the igniting electrode 4 and the appearance of an electric arc in a narrow gap between them. The inclusion of the fan 9 leads, due to the inclination of the holes of the flow-forming washer 8, to torsion of the air flow around the conical electrode 3. The translational-rotational movement of the air flow brings the electric arc to the upper edge of the conical electrode, then the air flow blows the electric arc in the form of a plasma cord 10 into the outer space through the internal hole of the electrode 5. After attenuation of the air flow in the external volume, the plasma cord 10 is bridged at the upper edge of the electrode 5. Air flowing through the holes 7 of the centering washers 6, the plasma cord 10 is pressed out from the inner edge of the electrode 5, thereby preventing the plasma cord from being shunted early. The openings of the upper washer 6 provide an additional flow for cooling the structural elements of the plasma torch and help stabilize the shape of the plasma jet.

Достижение технического результата - высокого КПД можно пояснить следующим образом. На фиг.2 приведена кривая электрического пробоя в газах [4], в том числе и воздухе. В отличие от известных устройств, работающих при больших токах и малых напряжениях - правая часть графика, предлагаемое устройство работает с плазменной струей в левой части графика. В этой зоне сопротивление воздушного промежутка в несколько раз выше, чем в правой зоне, следовательно, создавая высокое напряжение между электродами и малый ток, можно получить ту же выходную мощность плазменного потока при токах через электроды в несколько раз меньших, чем в известных схемах. Снижение тока через электроды высоковольтного плазмотрона ведет к пропорциональному снижению тепловых потерь в них, чем и объясняется повышение КПД предлагаемого устройства.The achievement of the technical result - high efficiency can be explained as follows. Figure 2 shows the curve of electrical breakdown in gases [4], including air. In contrast to the known devices operating at high currents and low voltages - the right side of the graph, the proposed device works with a plasma jet on the left side of the graph. In this zone, the resistance of the air gap is several times higher than in the right zone, therefore, by creating a high voltage between the electrodes and a small current, it is possible to obtain the same output power of the plasma stream at currents through the electrodes several times lower than in known circuits. The decrease in current through the electrodes of the high-voltage plasma torch leads to a proportional decrease in heat loss in them, which explains the increase in the efficiency of the proposed device.

Сниженный в несколько раз ток через электроды высоковольтного плазмотрона во столько же раз снижает эрозию этих электродов, а, следовательно, пропорционально увеличивается срок их службы. Дополнительно к уменьшению износа электродов ведет вращательное движение пятна возникновения плазменного шнура по верхней части конусного электрода 3 и пятна шунтирования плазменного шнура верхнего электрода 5. Применение высоковольтного источника питания с выходным напряжением в несколько килогерц облегчает перемещение пятен плазменного шнура по кольцевым образующим электродов.The current reduced by several times through the electrodes of the high-voltage plasma torch reduces the erosion of these electrodes by the same amount, and, consequently, their service life is proportionally increased. In addition to reducing wear on the electrodes, the rotational movement of the spot of the emergence of the plasma cord along the upper part of the conical electrode 3 and the spot of the bypass of the plasma cord of the upper electrode 5 is also possible. The use of a high-voltage power supply with an output voltage of several kilohertz facilitates the movement of the spots of the plasma cord along the ring forming electrodes.

На фиг.3 приведена фотография работающего опытного образца высоковольтного плазмотрона. При выходной мощности 1,5кВт ток электродов 1,5 А. Устройство не имеет жидкостного охлаждения, температура стальных электродов в установившемся режиме не превышает 400°С.Тепловой КПД плазмотрона около 85%, на 15-25% выше, чем у известных промышленных плазмотронов.Figure 3 shows a photograph of a working prototype of a high-voltage plasma torch. At an output power of 1.5 kW, the current of the electrodes is 1.5 A. The device does not have liquid cooling, the temperature of the steel electrodes in the steady state does not exceed 400 ° C. The thermal efficiency of the plasma torch is about 85%, 15-25% higher than that of known industrial plasmatrons .

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Электродуговые плазмотроны. Под ред. Чл.корр. АН СССР М.Ф.Жукова. Новосибирск, 1980. Институт теплофизики СО АН СССР.1. Electric arc plasmatrons. Ed. Corr. USSR Academy of Sciences M.F. Zhukov. Novosibirsk, 1980. Institute of Thermophysics SB RAS USSR.

2. Патент RU 2159022 С2 Н05H I/24. Плазмотрон линейной схемы, 2000.2. Patent RU 2159022 C2 H05H I / 24. Linear circuit plasmatron, 2000.

3. Патент RU 2343651 С1 Н05H I/25, В23К 10/00. Импульсно-периодический плазмотрон, 2007.3. Patent RU 2343651 C1 H05H I / 25, B23K 10/00. Pulse-periodic plasmatron, 2007.

4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ В ГАЗАХ - БСЭ, кривые Пашена для различных газов. 4. ELECTRIC DISCHARGES IN GASES - TSB, Paschen curves for various gases.

Claims

A high-voltage plasmatron containing a high-voltage power source connected to a conical first electrode and a cylindrical second electrode, characterized in that, in order to increase the efficiency and service life of the electrodes, the second cylindrical electrode is divided into two - ignition and output electrodes, a dielectric cylinder is added - the body of the product, in which the cylinders of the second electrode are inserted coaxially through two centering dielectric washers, in the ignition cylinder of the second electrode, coaxially black A conical first electrode is inserted without the flow-forming dielectric washer, the centering washers have openings parallel to the device axis for air passage, the flow-forming dielectric washer contains openings at an angle to the axis of the device for swirling the air flow, the high-voltage power supply operates continuously, generates an alternating voltage of increased frequency .