等离子体发生器

等离子体发生器

创建时间：2008-08-02

等离子体发生器(plasma generator)

等离子体是电离的气态物质，是离子体。例如不是H2而是H++e。但就宏观讲，它的电性是中和的，故称等离子体。产生等离子体的装置，俗称等离子枪。等离子体也不一定是高温的，例如高空的电离层、辉光放电、人体血液等。就等离子体分类说，冶金用等离子体属低温等离子体中的热等离子体，其重粒子温度在3×103～3×104K。从其产生途径讲则是电弧等离子体或高频等离子体。

一般特性等离子体是由电能转换出来的高温新能源。主要特性有：(1)能量高度集中，形成高温。例如非转移弧发生器的等离子体火炬的焓值常在16000～32000kJ／m3，比高炉热风的焓值高出10～20倍。至于转移弧，其焓值将更高。(2)氧位可调。可以是氧、氩直到氢的等离子体。(3)由于是气体电弧，传热可以是辐射也可以有对流。(4)电系统可用交流或直流，但常用直流，故有高的功率因数。

分类通常等离子体发生器可分为两类：(1)高频等离子体发生器。它类似高频感应炉，但它的频率较高，常处于无线电波范围，例如20MHz。但这类装置功率小、效率低，功率常只有数十千瓦。多用于球化、超细粉制备等。(2)冶金工业常用的电弧等离子体发生器。它是将气体吹过电弧，迅速吸收能量，使之离子化，一旦离开电极，气体又极快复合成分子状态而放出能量。它又有两类，基本结构形式如图1，一种(图1a)称为转移弧，在启动时是负电极与中间正电极(此电极常用不同名称，如校准器等)起弧，再经转移开关将正电极转移到工件上形成等离子体电弧故名；另一种(图1b)为非转移弧，发生器本身就具有正负两极，直接起弧，这电弧又被等离子气体吹出形成等离子体火炬。前者常作为熔池加热器，后者则作为气体加热器使用。不论哪一类装置，其简单启动方式是，在电极间连一细铜丝，通电熔断铜丝生成火花而起弧，也可有专用的高频发生器在电极间施放高频火花而起弧，方法是多样的。

阴极阴极

a b

图1两类等离子弧发生器

a转移弧；6非转移弧

装置等离子体发生器由电极、电弧和电源组成。

电极等离子体发生器的电极有两种基本类型，一种是难熔金属制成，是为热阴极，例如钨制品，加入少量的钍或铈的氧化物以提高其电子发射能力；另一种是水冷铜电极(冷阴极)，它常和管弧结合。由于去离子的冷却水在高压下高速流过狭窄通道，冷却效果良好。设计良好的水冷铜电极的寿命常可达数百小时。

电弧为了延长等离子体发生器的寿命和稳定电弧，等离子体弧柱要求能被压缩，弧根要旋转。压缩电弧并使之旋转的方式有(1)冷壁压缩。这也是电弧被压缩的自然手段，近器壁的电弧被壁冷却而不导电，于是弧柱变细，由于输入功率不变，热量就更为集中，电弧更稳定而又不因附壁而烧毁电极。(2)流体压缩。这是工业装置最有效的办法，等离子气体由切线方向供入，它不但造成电弧旋转、压缩，冷的附壁气流又是一种包容电弧的有效方法。(3)磁压缩。等离子体电弧可看成一束载流的平行导线，因此它自然和四周的磁场相互作用而转动，即使只有自身的磁场，也会使这束“平行导线”本身受力而愈箍愈紧，形成对电弧的压缩。

电源电弧等离子体发生器一般用直流电源，要求有陡降的伏安特性，因发生器一旦导通，其电阻值常降达1Ω以下，因而要求电源电压也急剧下降，从而使电流维持近乎一个定值。另外大功率的发生器应具有防止产生谐波的措旋。一般地说等离子体电源结构和直流电弧炉的相似，只是参数不同，但等离子体发生器电源电压较高。常见的系统如图2。

应用冶金工业中能有效使用的等离子体成型于20世纪70年代，用于钢包(熔池)加热和铁与铁合金冶炼(气体加热)。它的标志第一是大功率，例如功率达兆瓦级，第二是长寿命，例如电极寿命达数百小时或更高。中国航天部空气动力学研究所3．5MW的非转移弧、固定弧长的等离子体发生器在1986年通过航天部部级鉴定。