UA68275A - Plasma cathode - Google Patents

Abstract

The proposed hollow plasma cathode is made of copper and used in combination with a cylindrical additional anode. The additional anode is isolated from the cathode by an insulating insert.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Винахід відноситься до галузі електротехніки, тобто до електродугових генераторів низькотемпературної 2 плазми (плазмотронів) та може бути використаний в металургії, плазмохімії та аеродинамічних дослідженнях.The invention relates to the field of electrical engineering, i.e. to electric arc generators of low-temperature 2 plasma (plasmatrons) and can be used in metallurgy, plasma chemistry and aerodynamic research.

Найбільш близьким за технічною суттю є плазмовий катод, який містить послідовно встановлені додатковий анод та порожнистий циліндричний катод |див. Дандарон Г.-Н.Б. Тимошевский А.Н. Проблемь! создания сильноточньїх катодов для злектроплазменньїх устройств // Генерация потоков злектродуговой плазмь!. -The closest in terms of technical essence is a plasma cathode, which contains an additional anode and a hollow cylindrical cathode installed in series | see Dandaron G.-N.B. Timoshevsky A.N. Problem! creation of high-precision cathodes for electroplasma devices // Generation of streams of electroarc plasma!. -

Новосибирск: Ин-т теплофизики. -1987. -С.2511 - прототип.Novosibirsk: Institute of Thermal Physics. -1987. - S.2511 - prototype.

Недоліками відомого плазмового катода є застосування захисного газу (аргону) з масовою витратою до 1,5010Зкг/с для захисту катоду, виготовленого з вольфраму, від окислювального впливу основного плазмоутворюючого газу (повітря), невисока стабільність горіння допоміжної дуги, дороговізна та складність виготовлення. 75 В основу винаходу поставлено задачу удосконалення плазмового катода шляхом того, що додатковий анод виготовлений порожнистим циліндричним та відокремлений від порожнистого циліндричного катода, виготовленого з міді, міжелектродною вставкою, завдяки чому збільшується стійкість опорної катодної дуги та з'являється можливість заміни аргону повітрям.The disadvantages of the well-known plasma cathode are the use of shielding gas (argon) with a mass flow rate of up to 1.5010Zkg/s to protect the cathode made of tungsten from the oxidizing effect of the main plasma-forming gas (air), low stability of auxiliary arc combustion, high cost and complexity of manufacturing. 75 The invention is based on the task of improving the plasma cathode by the fact that the additional anode is made of hollow cylindrical and is separated from the hollow cylindrical cathode made of copper by an inter-electrode insert, thanks to which the stability of the supporting cathode arc increases and the possibility of replacing argon with air appears.

Поставлена задача досягається тим, що в плазмовому катоді, який містить послідовно встановлені 2 додатковий анод та порожнистий циліндричний катод, згідно з винаходом, додатковий анод виконано порожнистим циліндричним та відокремлено від порожнистого циліндричного катоду, виготовленого з міді, електронейтральною міжелектродною вставкою, причому відношення діаметрів розрядних каналів циліндричного катода та міжелектродної вставки дорівнює 12 т 15, 25 й , , , , й , « відношення діаметрів розрядних каналів додаткового анода та міжелектродної вставки дорівнюєThe task is achieved by the fact that in the plasma cathode, which contains 2 additional anodes and a hollow cylindrical cathode installed in series, according to the invention, the additional anode is made of a hollow cylindrical one and is separated from the hollow cylindrical cathode made of copper by an electroneutral interelectrode insert, and the ratio of the diameters of the discharge channels of the cylindrical cathode and the interelectrode insert is equal to 12 t 15, 25 y , , , , y , " the ratio of the diameters of the discharge channels of the additional anode and the interelectrode insert is equal

Яда 22,Poison 22,

В а відношення довжини міжелектродної вставки до довжини циліндричного катода знаходиться в межах ІС) зх їз, їч- де: с а,- діаметр розрядного каналу циліндричного катода; со а, - діаметр розрядного каналу міжелектродної вставки; с а да діаметр розрядного каналу додаткового аноду;In the ratio of the length of the inter-electrode insert to the length of the cylindrical cathode is within the limits of IC) zkh iz, where: с а, - the diameter of the discharge channel of the cylindrical cathode; со а, - the diameter of the discharge channel of the interelectrode insert; c a da diameter of the discharge channel of the additional anode;

Іє- довжина розрядного каналу міжелектродної вставки;Ie is the length of the discharge channel of the interelectrode insert;

Ікс" довжина розрядного каналу циліндричного катода. «X" is the length of the discharge channel of the cylindrical cathode. "

Застосування міжелектродної вставки, що розташована між додатковим анодом та порожнистим ші с циліндричним катодом, дозволяє збільшити стійкість горіння опорної катодної дуги. Виконання порожнистого "з циліндричного катоду з міді дозволяє виключити застосування аргону та замінити його повітрям. Особливістю " запропонованого плазмового катода є те, що він може працювати з плазмотроном осьової схеми будь-якої потужності, при цьому діаметр 4 розрядного каналу циліндричного катоду визначається з урахуванням 45. нище б» діаметра а. розрядного каналу основного анода та масовою витратою робочого газу С таким співвідношенням: -іде со Ок соо й т де - дБ колThe use of an inter-electrode insert, located between the additional anode and the hollow cylindrical cathode, allows to increase the burning stability of the reference cathodic arc. Making a hollow "from a cylindrical copper cathode allows you to eliminate the use of argon and replace it with air. The special feature of the proposed plasma cathode is that it can work with an axial circuit plasmatron of any power, while the diameter of the 4 discharge channel of the cylindrical cathode is determined taking into account 45 below b" diameter a. of the discharge channel of the main anode and the mass flow rate of the working gas with the following ratio:

Зазначені межи відношення геометричних розмірів розрядних каналів циліндричного катода, міжелектродної і вставки та додаткового анода обрані на підставі експериментальних даних. При відношенні діаметрів розрядних с каналів катода та міжелектродної вставки й, 2 спостерігається зрив опорної катодної дуги, а при д, 515 пл ІThe indicated limits of the ratio of the geometric dimensions of the discharge channels of the cylindrical cathode, interelectrode and insert, and additional anode are selected on the basis of experimental data. When the ratio of the diameters of the discharge channels of the cathode and the interelectrode insert is 2, the breakdown of the supporting cathode arc is observed, and at d, 515 pl I

Ве д спостерігається зниження ефективності стабілізації опорної катодної дуги внаслідок її радіальних коливань. 22 При відношенні діаметрів розрядних каналів додаткового анода та міжелектродної вставки дя «1 великаAlso, there is a decrease in the stabilization efficiency of the reference cathode arc due to its radial oscillations. 22 When the ratio of the diameters of the discharge channels of the additional anode and the inter-electrode insert is large

Р в, ймовірність прив'язки опорної катодної дуги до бокової поверхні додаткового анода, тобто не в порожнині, а приР in, the probability of binding the reference cathode arc to the side surface of the additional anode, that is, not in the cavity, but at

Од я «2 є ймовірною прив'язка дуги до бокової поверхні першої секції міжелектродної вставки, що не бажано. бо ЗOd i "2 is the probable attachment of the arc to the side surface of the first section of the interelectrode insert, which is not desirable. because Z

При відношенні довжини розрядного каналу міжелектродної вставки до довжини розрядного каналу циліндричного катоду І, г горіння опорної катодної дуги є нестабільним та спостерігається Її зрив, а при І, щеAt the ratio of the length of the discharge channel of the interelectrode insert to the length of the discharge channel of the cylindrical cathode I, g, the combustion of the reference cathode arc is unstable and its breakdown is observed, and with I, even

Їк Їх зростають теплові витрати, що призводить до зниження теплового ККД плазмового катода, й збільшується бо напруга на опорній катодній дузі, що ускладнює її збудження.As their heat consumption increases, which leads to a decrease in the thermal efficiency of the plasma cathode, and the voltage on the supporting cathode arc increases, which makes it more difficult to excite it.

Сутність винаходу пояснюється кресленням, де зображена схема плазмового катода. Плазмовий катод містить послідовно встановлені водоохолоджувальні мідний додатковий анод 1, з порожниною діаметром Удя міжелектродну вставку 2, виконану у вигляді електронейтральних мідних секцій, та порожнистого циліндричного катода 3, виконаного також з міді. Електронейтральність секцій 2 забезпечується встановленням ізоляторів з камерами катодної подачі газу (на кресленні не зображені) між секціями, а також між додатковим анодом 1 та першою секцією та між останньою секцією та циліндричним катодом 3. Порожнистий циліндричним катод З відокремлений від основного аноду 4 плазмотрона камерою подачі основного плазмоутворюючого газу, виготовленою із ізоляційного матеріалу (на кресленні не зображена).The essence of the invention is explained by the drawing, which shows the diagram of the plasma cathode. The plasma cathode contains sequentially installed water-cooled copper additional anode 1, an interelectrode insert 2 with a cavity diameter of Udya, made in the form of electroneutral copper sections, and a hollow cylindrical cathode 3, also made of copper. Electroneutrality of sections 2 is ensured by installing insulators with cathode gas supply chambers (not shown in the drawing) between the sections, as well as between the additional anode 1 and the first section and between the last section and the cylindrical cathode 3. The hollow cylindrical cathode C is separated from the main anode 4 of the plasmatron by the supply chamber of the main plasma-forming gas made of insulating material (not shown in the drawing).

Плазмовий катод працює таким чином.The plasma cathode works like this.

Після стикування плазмового катода з основним анодом 4 плазмотрона, подачі охолоджувальної води, газу з масовою витратою 1-(6-8).10 Укг/с через камери катодної подачі (на кресленні не зображені) основного плазмоутворюючого газу, подачі відповідних електричних потенціалів на додатковий анод 1 та циліндричний катод З одним з відомих способів між додатковим анодом 1 та циліндричним катодом З запалюють опорну 72 катодну слабкострумову електричну дугу. Завдяки встановленню міжелектродної вставки 2 збільшується стійкість горінні опорної катодної дуги. Потім подають відповідний електричний потенціал до основного анода 4 та запалюють основну сильнострумову електричну дугу. Наявність опорної катодної дуги в розрядному каналі плазмового катода сприяє створенню дифузного плазмового шару в області катодної прив'язки, за рахунок чого знижуються питомі теплові та струмові навантаження на поверхню розрядного каналу циліндричного катода З і збільшується його ресурс роботи.After connecting the plasma cathode to the main anode 4 of the plasmatron, supplying cooling water, gas with a mass flow rate of 1-(6-8).10 Ukg/s through the cathode supply chambers (not shown in the drawing) of the main plasma-forming gas, supplying the corresponding electric potentials to the additional anode 1 and the cylindrical cathode C, in one of the known ways, between the additional anode 1 and the cylindrical cathode C, the reference 72 cathode low-current electric arc is ignited. Thanks to the installation of the inter-electrode insert 2, the combustion resistance of the reference cathodic arc increases. Then the corresponding electric potential is applied to the main anode 4 and the main high-current electric arc is ignited. The presence of a supporting cathodic arc in the discharge channel of the plasma cathode contributes to the creation of a diffuse plasma layer in the area of the cathode binding, due to which the specific heat and current loads on the surface of the discharge channel of the cylindrical cathode Z are reduced and its service life is increased.

З метою збільшення теплового ККД плазмового катода міжелектродну вставку можно виготовляти з пористих матеріалів, пінокераміки (2ХМ9О02А1205305510» та інш.), композиційних матеріалів на основі вуглецю.In order to increase the thermal efficiency of the plasma cathode, the interelectrode insert can be made of porous materials, foam ceramics (2KHM9O02A1205305510, etc.), carbon-based composite materials.

Технічний результат від використання винаходу полягає в підвищенні стійкості опорної катодної дуги, заміні захисного газу (аргону) повітрям та збільшенні ресурсу роботи плазмового катода.The technical result of using the invention consists in increasing the stability of the supporting cathode arc, replacing the shielding gas (argon) with air, and increasing the service life of the plasma cathode.

Claims (1)

Формула винаходуThe formula of the invention Плазмовий катод, який містить послідовно встановлені додатковий анод та порожнистий циліндричний катод, МPlasma cathode, which contains an additional anode and a hollow cylindrical cathode installed in series, M 30 який відрізняється тим, що додатковий анод виконано порожнистим циліндричним та відокремлено від їч- порожнистого циліндричного катода, виготовленого з міді, електронейтральною міжелектродною вставкою, причому відношення діаметрів розрядних каналів циліндричного катода та міжелектродної вставки дорівнює: с да со се 515 в (Се)30, which differs in that the additional anode is hollow cylindrical and is separated from the hollow cylindrical cathode, made of copper, with an electroneutral interelectrode insert, and the ratio of the diameters of the discharge channels of the cylindrical cathode and the interelectrode insert is equal to: відношення діаметрів розрядних каналів додаткового анода та міжелектродної вставки дорівнює: 15 з коthe ratio of the diameters of the discharge channels of the additional anode and the inter-electrode insert is: 15 with co В «In " а відношення довжини міжелектродної вставки до довжини циліндричного катода знаходиться в межах: -and the ratio of the length of the interelectrode insert to the length of the cylindrical cathode is within: - , с їх 53 "» Їк " де 4 - діаметр розрядного каналу циліндричного катода; ає- діаметр розрядного каналу міжелектродної вставки; (22) Удя " діаметр розрядного каналу додаткового анода; (ее) Ік- довжина розрядного каналу міжелектродної вставки; ко |Ік" довжина розрядного каналу циліндричного катода., with their 53 "» Yik " where 4 is the diameter of the discharge channel of the cylindrical cathode; aye - the diameter of the discharge channel of the interelectrode insert; (22) Udya " the diameter of the discharge channel of the additional anode; (ee) Ik - the length of the discharge channel of the inter-electrode insert; ko |Ik" the length of the discharge channel of the cylindrical cathode. -і сл- and sl 60 б560 b5