專利名稱：長壽命雙重點火的等離子體點火槍的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種長壽命雙重點火的等離子體點火槍，屬于等離子體發(fā)生器技術領域。
背景技術：
目前在大氣壓條件下能夠產生的等離子體有兩種，一種是熱等離子體，其特征是氣體溫度往往很高，大約10000K量級，主要用于等離子體噴涂、切割、焊接、廢物處理、材料表面加工等領域。另一種是冷等離子體，其特征是氣體溫度很低(接近室溫)，但電子溫度很高，因此具有很高的化學活性，屬于非平衡等離子體。但是，常溫常壓下，將空氣電離以產生等離子體需要的電壓較大，通常需要幾千伏的高壓。而采用現(xiàn)有技術中的升壓電路，要產生這么高的電壓，則需要器件的耐壓性較高，同時電極的壽命較短。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種長壽命雙重點火的等離子體點火槍，其電極的使用壽命長。為實現(xiàn)所述發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種長壽命雙重點火的等離子體點火槍，所述點火槍包括柱狀的內電極I、筒狀的外電極2、絕緣套筒3、第一高壓直流電源5、高壓射頻電源16和線圈15，其中，所述柱狀的內電極I固定于絕緣套筒3的中心通孔上以將柱狀的內電極I設置于筒狀的外電極2中心軸線上并與外電極絕緣，所述的第一高壓直流電源5的兩輸出端分別接于內電極I和外電極2上，以給內電極I和外電極2之間提供一高壓直流電源以電離內電極I和外電極2之間的腔體內的空氣，所述的線圈纏繞在外電極上，線圈的兩端接高壓射頻電源16的兩輸出端，所述外電極2的筒狀體為由內層和外層的雙層結構，內層和外層的雙層之間形成供冷卻水流愛的間隙，外層上設有進水管17和出水管18，其特征在于，等離子體點火槍還設有冷卻系統(tǒng)，所述有冷卻系統(tǒng)包括主泵23、三向閥20和熱交換系統(tǒng)，主泵驅動冷卻水流入三向閥20的第一端，而后經(jīng)三向閥的第二端流入外電極的進水管17，冷卻水經(jīng)外電極變熱而后從出水管18流出，冷卻水還經(jīng)三向閥20的第三端流經(jīng)熱交換系統(tǒng)以降溫。優(yōu)選地，出水管18上設有出水溫度傳感器21以檢測出水溫度，如果出水溫度低于下限，調節(jié)三向閥20，使熱交換系統(tǒng)流量減??；溫度高于上限，調節(jié)三向閥20，使熱交換系統(tǒng)流量增大。 優(yōu)選地，冷卻系統(tǒng)還設有副泵24，所述三向閥20的入水管處設有水壓傳感器22以檢測冷卻水流量，如果流量正常，保持主泵23工作；如果流量不正常，啟用副泵24。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提供的長壽命雙重點火的等離子體點火槍，點火速度快，電極的使用壽命長。


圖I是本發(fā)明提供的長壽命雙重點火的等離子體點火槍的示意圖；圖2是本發(fā)明提供的高壓直流電源的示意圖；圖3是本發(fā)明提供的高壓直流電源一種情況下的瞬時電壓的波形圖；圖4是本發(fā)明提供的高壓直流電源另一種情況下的瞬時電壓的波形圖。圖5是本發(fā)明提供的等離體點火槍冷卻系統(tǒng)的示意圖
具體實施例方式下面結合附圖詳細說明本發(fā)明。相同的附圖標記表示相同的部件。圖I是本發(fā)明提供的長壽命雙重點火的等離子體點火槍的示意圖。如圖I所示，所述點火槍包括柱狀的內電極I、筒狀的外電極2、絕緣套筒3、第一高壓直流電源5、高壓射頻電源16、高頻線圈15、控制系統(tǒng)6和人機接口 14，其中，所述柱狀的內電極I固定于絕緣套筒3的中心通孔上以將柱狀的內電極I設置于筒狀的外電極2中心軸線上并與外電極緣緣，所述的第一高壓直流電源5的兩輸出端分別接于內電極I和外電極2上，以給內電極I和外電極2之間提供一高壓直流電源以電離內電極I和外電極2之間的腔體內的空氣形成等離子體流，所述的高頻線圈纏繞在外電極，高頻線圈的兩端接高壓射頻電源16的兩輸出端以進一步使等離子體流的溫度升高。所述的外電極下端設有供高溫等離子體流噴出的噴嘴以將高溫等離子體噴出腔外以點燃可燃物質，如煤、混合氣體等。所述的高壓射頻電源16包括頻率合成器10、射頻放大器11、匹配調諧器12、耦合輸出器13以及第二高壓直流電源，其中，頻率合成器10用于產生一高頻小信號，射頻放大器11用于將高頻小信號進行功率放大，匹配調諧器用于調諧及阻抗變換以使射頻放大器輸出的高頻大功率信號的工作頻率與高頻小信號的工作頻率相等并將耦合輸出器的輸入阻抗變換為射頻放大器輸出最大功率時的阻抗，耦合輸出器將高頻大功率信號耦合到高頻線圈上以進一步使內電極I和外電極2之間的腔體內的等離子體流的溫度升高。第二高壓直流電源用于給射頻放大器11及頻率后成器10提供電能。用戶通過人機接口 14設定控制系統(tǒng)6。控制系統(tǒng)6根據(jù)采集的高壓射頻電源16包括頻率合成器10、射頻放大器11、匹配調諧器12或者耦合輸出器13輸出的信號來控制它們的工作狀態(tài)。圖2是本發(fā)明提供的高壓直流電源的示意圖。以第一高壓直流電源為例來進行說明。如圖2所示，所述第一高壓直流電源5包括n級直流電壓單元Mc^M1, Mn，各直流電壓單元通過N個續(xù)流線圈Lc^LmL23...級聯(lián)，控制系統(tǒng)6能夠遠程控制各直流電壓單元的通斷以給內電極和外電極施加所需要直流電能，所述n為大于或者等于4的整數(shù)，且n =N+1。所述外電極2設置有通風管4，以將空氣等注入到內、外電極之間的腔體內。所述的控制系統(tǒng)6包括一個控制器和n個光發(fā)射器OTc^OTpOT2…和0Tn。所述的第一高壓電源5還包括變壓器和n個光接收器OIV OR1^ OR2…和ORn，所述變壓器包括一個初級線圈和n個次級線圈，以將220V的交流工頻電壓變換成所需要的電壓。所述的光發(fā)射器將控制器輸出的控制信號轉換成光信號以通過光纖傳輸?shù)綄墓饨邮掌鳌Ｋ龅墓饨邮掌鹘邮諏墓獍l(fā)射器發(fā)射來的光信號，并將接收的光信號轉換成控制驅動級的電信號以此實現(xiàn)處于懸浮電壓之上的各級直流電壓單元與低電平控制部分的高電壓隔離。第一個直流電壓單元M0包括變壓器次級的第一個線圈U、一個整流器&、一個續(xù)流二極管Dtl、一個電子開關和一個驅動級Ptl,電子開關為CMOS管CMOStl,所述整流器Rtl的正極連接于變壓器次級的第一個線圈Ltl的第一端，整流器Rtl的負極連接到續(xù)流二極管的負極；續(xù)流二極管Dtl的正極連接到CMOS管CMOStl的漏極，CMOS管CMOStl的源極連接到變壓器次級的第一個線圈Ltl的第二端，CMOS管CMOStl的柵極連接到驅動級Ptl,由驅動級Ptl根據(jù)光接收器ORtl所接收的控制器7所發(fā)出的控制指令控制CMOS管CMOStl的通斷。CMOS管CMOStl工作于開關狀態(tài)，當CMOS管CMOStl的柵極輸入一個高電位時，CMOS管CMOStl導通，第一個線圈Ltl的第二端相當于接到續(xù)流二極管Dtl的正極。整流器Rtl將第一個線圈Ltl輸出的交流電壓Utl整流轉換直流電壓U0。續(xù)流二極管Dtl兩端的電壓為U0,上正，下負。當CMOS管CMOStl的柵極輸入一個低電位時，CMOS管CMOStl截止。續(xù)流二極管Dtl兩端的電壓為二極管結電壓。同理，第二個直流電壓單元M1包括變壓器次級的第二個線圈L1、一個整流器R1、一個續(xù)流二極管D1、一個電子開關和一個驅動級P1,電子開關為CMOS管CMOS1,所述整流器R1的正極連接于變壓器次級的第二個線圈L1的第一端，整流器R1的負極連接到續(xù)流二極管D1的負極；續(xù)流二極管D1的正極連接到CMOS管CMOS1的漏極，CMOS管CMOS1的源極連接到變壓器次級的第二個線圈L1的第二端，CMOS管CMOS1的柵極連接到驅動級P1,由驅動級P1根據(jù)光接收器OR1所接收的控制器7所發(fā)出的控制指令控制CMOS管CMOS1的通斷。CMOS管CMOS1工作于開關狀態(tài)，當CMOS管CMOS1的柵極輸入一個高電位時，CMOS管CMOS1導通，第二個線圈L1的第二端相當于接到續(xù)流二極管D1的正極。整流器R1將第二個線圈L1輸出的交流電壓U1整流轉換直流電壓Up續(xù)流二極管D1兩端的電壓為U1，上正，下負。當CMOS管CMOS1的柵極輸入一個低電位時，CMOS管CMOS1截止。續(xù)流二極管D1兩端的電壓為二極管結電壓。第三個直流電壓單元M2包括變壓器次級的第二個線圈L2、一個整流器R2、一個續(xù)流二極管D2、一個電子開關和一個驅動級P2,電子開關為CMOS管CMOS2,所述整流器R2的正極連接于變壓器次級的第三個線圈L2的第一端，整流器R2的負極連接到續(xù)流二極管的負極；續(xù)流二極管D2的正極連接到CMOS管CMOS2的漏極，CMOS管CMOS2的源極連接到變壓器次級的第三個線圈L2的第二端，CMOS管CMOS2的柵極連接到驅動級P2,由驅動級P2根據(jù)光接收器OR2所接收的控制器7所發(fā)出的控制指令控制CMOS管CMOS2的通斷。MOS管CMOS2工作于開關狀態(tài)，當CMOS管CMOS2的柵極輸入一個高電位時，CMOS管CMOS2導通，第三個線圈L2的第二端相當于接到續(xù)流二極管D2的正極。整流器R2將第三個線圈L2輸出的交流電壓U2轉換直流電壓U2。續(xù)流二極管D2兩端的電壓為U2,上正，下負。當CMOS管CMOS2的柵極輸入一個低電位時，CMOS管CMOS2截止。續(xù)流二極管D2兩端的電壓為二極管結電壓。依次類推，第n個直流電壓單元Mn包括變壓器次級的第n個線圈Ln、一個整流器Rn、一個續(xù)流二極管Dn、一個電子開關和一個驅動級PN，電子開關為CMOS管CMOSn,所述整流器Rn的正極連接于變壓器次級的第n個線圈Ln的第一端，整流器Rn的負極連接到續(xù)流二極管的負極；續(xù)流二極管Dn的正極連接到CMOS管CMOSn的漏極，CMOS管CMOSn的源極連接到變壓器次級的第n個線圈Ln的第二端，CMOS管CMOSn的柵極連接到驅動級PN，由驅動級Pn根據(jù)光接收器ORn所接收的控制器7所發(fā)出的控制指令控制CMOS管CMOSn的通斷。MOS管CMOSn工作于開關狀態(tài)，當CMOS管CMOSn的柵極輸入一個高電位時，CMOS管CMOSn導通，第 n個線圈Ln的第二端相當于接到續(xù)流二極管Dn的正極。整流器Rn將第n個線圈Ln輸出的交流電壓％轉換直流電壓Un伏。續(xù)流二極管Dn兩端的電壓為Un，上正，下負。當CMOS管CMOSn的柵極輸入一個低電位時，CMOS管CMOSn截止。續(xù)流二極管Dn兩端的電壓為二極管結電壓。
第I個直流電壓單元Mtl與第2個直流電壓單元札之間用續(xù)流線圈Ltll相連接，第2個直流電壓單元M1與第3個直流電壓單元M2之間用續(xù)流線圈L12相連接，依次類推，第3個直流電壓單元M2與第4個直流電壓單元M3之間用續(xù)流線圈L23相連接。如此，如果每個直流電壓單元…、Mn的電子開關均同時導通的情況下，高壓電源5總的輸出總電壓為U總=WU2+"*+Un。第一高壓電源5還包括濾波電感L和濾波電容C，以將濾除U總中的開關頻率成分。本發(fā)明提供的等離子點火槍，在時鐘脈沖控制下，控制系統(tǒng)6經(jīng)過取樣電路(電阻分壓)得到的輸出電壓樣值與參考信號的電壓進行比較，采樣電壓小于設定電壓時，控制器發(fā)出指令，開啟一個直流單元，使高壓電源輸出電壓升高；在下一個時鐘周期，如果采樣電壓仍小于參考信號電壓，控制器發(fā)出指令，再開啟一個直流單元，繼續(xù)使高壓電源輸出電壓升高；直到采樣電壓大于設定電壓，控制器發(fā)出指令，關閉一個直流單元，使高壓電源輸出電壓降低，直到采樣電壓等于設定電壓。本發(fā)明提供的等離子點火槍，還能夠在時鐘脈沖控制下，控制系統(tǒng)6使其中一部分直流電壓單元(假如總直流電壓單元為12，即n = 12的情況下)，如使Mc^M1…和M5在一個時鐘周期T的第一個時間段[ti，t2]工作，使其中另一部分直流電壓單元M5、M6…和M11在一個時鐘周期T的第二個時間段[t2, t3]工作，其中，t3-t2 = t2-t1； t3-t! = T,則在每一級
的輸出電壓都相同的情況下，高壓電源的輸出電壓約為3。如圖3所示，本發(fā)明提供的等
離子點火槍，還能夠在時鐘脈沖控制下，控制系統(tǒng)6使其中一部分直流電壓單元，如Mc^M1-M5在一個周期T的第一個時鐘段[ti，t2]前半段時間工作，在第一個時間時鐘段[ti，t2]后半段時間截止；使其中另一部分直流電壓單元M5、M6…和M11在一個周期T的第二個時間段[t2，t3]前半段時間時鐘工作，在第二個時間段[t2，t3]后半段時間時鐘截止，其中，t3-t2 =
Vt1, t3-t1 = T，則在每一級的輸出電壓都相同的情況下，高壓電源的輸出電壓約為4。
4如果控制系統(tǒng)6使其中一部分直流電壓單元(假如總直流電壓單元為12，即n =12的情況下)，如MQ、Mr"M3在一個周期T的第一個時間段[tp t2]工作，使其中第二部分直流電壓單元M4、M^ M7在一個周期的第二個時間段[t2，t3]工作，使其中第三部分直流電壓單元M8、MfM11在一個周期T的第三個時間段[t3, t4]工作，其中，t4-t3 = t3-t2 = t2-t1；
t4-t: = T，則在每一級的輸出電壓都相同的情況下，高壓電源的輸出電壓約為$。如圖4所
示，本發(fā)明提供的等離子點火槍，還能夠在時鐘脈沖控制下，控制系統(tǒng)6使其中一部分直流電壓單元，如凡、M^-M3在一個周期T的第一個時間段[tp t2]前半時間段內工作，在第一個時間段[ti，t2]后半時間段內截止；使其中第二部分直流電壓單元M4、M^M7在一個周期的第二個時間段[t2，t3]的前半時間段內工作，在第二個時間段[t2，t3]的后半時間段內截止；使其中第三部分直流電壓單元M8、Mf M11在一個周期T的第三個時間段[t3，t4]前半時間段內工作，在第二個時間段[t3，tj后半時間段內截止，其中，t4_t3 = t3_t2 = t2-t1 t4-tx
=T，則在每一級的輸出電壓都相同的情況下，高壓電源的輸出電壓約為。
6本發(fā)明提供的等離子點火槍，對直流電壓單元的開關控制遵循以下規(guī)則需要開啟一個直流單元時，總是開啟處于關閉狀態(tài)的時間最久的那個直流電壓單元；需要關閉一個直流電壓單元時，總是關閉處于開啟狀態(tài)的時間最久的那個直流電壓單元。這樣的開關控制規(guī)則帶來兩個好處(1)每個開關模塊工作時間區(qū)域均等，等效負荷均衡；(2)對一定的時鐘脈沖頻率，每個直流電壓單元的電子開關的開關頻率大幅度降低。以直流參考信號為例，如果時鐘脈沖頻率為f，高壓電源由n個直流電壓單元構成，則每個直流電壓單元電子開關的實際開關頻率為f/n。
本發(fā)明中在高壓電源中引入續(xù)流二極管，使得各個直流電壓單元的電子開關可以獨立控制，無需同時導通或截止。某個直流單元的電子開關導通時，其輸出電壓是串聯(lián)接A ;電子開關截止時，其它直流單元通過續(xù)流二極管向外電路輸出電壓(電流)，即續(xù)流二極管的作用是在電子開關的截止狀態(tài)，提供電流通路。續(xù)流線圈的作用是抑制電子開關導通或截止瞬間的暫態(tài)脈沖干擾；另一方面，所有續(xù)流線圈的等效自感系數(shù)，也參與構成后級濾波電路。高壓射頻電源16中的第二高壓直流電源的電路結構和工作過程與第一第二高壓直流電源類似，第二高壓直流電源包括m級直流電壓單元，各直流電壓單元通過續(xù)流線圈級聯(lián)，控制系統(tǒng)6能夠遠程控制各直流電壓單元的通斷以給內電極和外電極施加所需要直流電能，所述m為大于或者等于4的整數(shù)。m可以與n相等，根據(jù)設計。由于本發(fā)明提供的高壓直流電源和高壓射頻電源可以通過控制器軟件編程其輸出任意電壓值，所以等離子點火槍的火焰溫度可以根據(jù)需要進行設定。而產生高電壓的直流電源是通過多級級聯(lián)而成的，故可以采用耐壓值較低的元器件來完成低電壓到高電壓的變換。另外，CMOS管可以用晶體管、可控硅等電子開關代替。圖5是本發(fā)明提供的等離體點火槍冷卻系統(tǒng)的示意圖。如圖5所示，所述冷卻系統(tǒng)包括主泵23、副泵24、三向閥20和熱交換系統(tǒng)，主泵23驅動冷卻水流入三向閥20的第一端，而后經(jīng)三向閥20的第二端流入外電極的進水管17，冷卻水在外電極2中變熱而后從出水管18流出，冷卻水還經(jīng)三向閥20的第三端流經(jīng)熱交換系統(tǒng)19，所述熱交換系統(tǒng)19為冷凝器。出水管18設有出水溫度傳感器21以檢測出水溫度，如果出水溫度低于下限，調節(jié)三向閥20，使熱交換系統(tǒng)流量減小；溫度高于上限，調節(jié)三向閥，使熱交換系統(tǒng)流量增大。所述下限和上限值根據(jù)等離子體電極的性能要求進行人為設定。所述三向閥20的入水管處設有水壓傳感器22以檢測冷卻水流量，如果流量正常，保持主泵23工作；如果流量不正常，啟用副泵24。主泵23支路的入水管處設有隔離閥31和用于過濾水中雜物的濾清器29，出水管處設有安全閥25和隔離閥27，設置隔離閥31和29的目的是在維修主泵23時保持冷卻系統(tǒng)中冷卻水的暢通。安全閥25是用于調節(jié)冷卻系統(tǒng)中水的壓力。副泵24支路的入水管處設有隔離閥32和用于過濾水中雜物的濾清器30，出水管處設有安全閥26和隔離閥28。設置隔離閥32和28的目的是在維修副泵24時保持冷卻系統(tǒng)中冷卻水的暢通。安全閥26是用于調節(jié)冷卻系統(tǒng)中水的壓力。冷卻系統(tǒng)中還設有微水壓調節(jié)支路，微水壓調節(jié)支路包括密閉的容器36、補水閥33和34以及安全閥35，密閉的容器36的中心處設有膨脹氣囊37。膨脹氣囊37中氣體的壓力根據(jù)需要設定，密閉的容器36中水的壓力與膨脹氣囊37中氣體的壓力相等時，膨脹氣囊37的體積保持不變，密閉的容器36中水的壓力減小時，膨脹氣囊37膨脹，氣體壓力減小，則通過補水閥33或者34給冷卻系統(tǒng)加注入冷卻水，密閉的.容器36中水的壓力增大時，膨脹氣囊37體積縮小，氣體壓力增大，安全閥35、25和26釋放.氣體，使冷卻系統(tǒng)中的壓力減小。如此保持冷卻系統(tǒng)的壓力恒定。本發(fā)明以外電極的冷卻進行了說明，但是等離子體點火槍的內電極也可以做成供冷卻水流通的中空結構，以用本發(fā)明提供的冷卻系統(tǒng)進行冷卻，以提高內電極的使用壽命。雖然以上已結合附圖對按照本發(fā)明目的的構思和實例作了詳盡說明，但本領域技術人員應當認識到，在沒有脫離本發(fā)明構思的前提下，任何基于本發(fā)明作出的改進和變換仍然屬于本發(fā)明保護范圍內的內容。
權利要求
1.一種長壽命雙重點火的等離子體點火槍，所述點火槍包括柱狀的內電極(I)、筒狀的外電極(2)、絕緣套筒(3)、第一高壓直流電源(5)、高壓射頻電源(16)和高頻線圈(15)，其中，所述柱狀的內電極(I)固定于絕緣套筒(3)的中心通孔上以將柱狀的內電極(I)設置于筒狀的外電極(2)中心軸線上并與外電極絕緣，所述的第一高壓直流電源(5)的兩輸出端分別接于內電極⑴和外電極⑵上，以給內電極⑴和外電極⑵之間提供一高壓直流電源以電離內電極(I)和外電極(2)之間的腔體內的空氣，所述的高頻線圈纏繞在外電極上，高頻線圈的兩端接高壓射頻電源(16)的兩輸出端，所述外電極(2)的筒狀體為由內層和外層的雙層結構，內層和外層的雙層之間形成以供冷卻水流通的間隙，外層上設有進水管(17)和出水管(18)，其特征在于，等離子體點火槍還設有冷卻系統(tǒng)，所述有冷卻系統(tǒng)包括主泵(23)、三向閥(20)和熱交換系統(tǒng)，主泵驅動冷卻水流入三向閥的第一端，而后經(jīng)三向閥的第二端流入外電極的進水管(17)，冷卻水經(jīng)外電極變熱而后從出水管(18)流出，冷卻水還經(jīng)三向閥(20)的第三端流經(jīng)熱交換系統(tǒng)以降溫。
2.根據(jù)權利要求I所述的的等離子體點火槍，其特征在于，出水管(18)上設有出水溫度傳感器(21)以檢測出水溫度，如果出水溫度低于下限，調節(jié)三向閥(20)，使熱交換系統(tǒng)流量減小；溫度高于上限，調節(jié)三向閥，使熱交換系統(tǒng)流量增大。
3.根據(jù)權利要求2所述的的等離子體點火槍，其特征在于，冷卻系統(tǒng)還設有副泵(24)，所述三向閥(20)的入水管處設有水壓傳感器(22)以檢測冷卻水流量，如果流量正常，保持主泵(23)工作；如果流量不正常，啟用副泵。
全文摘要
本發(fā)明提供一種長壽命雙重點火的等離子體點火槍，屬于等離子產生技術領域。所述點火槍包括柱狀的內電極、筒狀的外電極、絕緣套筒、第一高壓直流電源、高壓射頻電源、線圈和控制系統(tǒng)，其中，所述柱狀的內電極固定于絕緣套筒的中心通孔上以將柱狀的內電極設置于筒狀的外電極中心軸線上并與外電極絕緣，所述的第一高壓直流電源的兩輸出端分別接于內電極和外電極上，以給內電極和外電極之間提供一高壓直流電源以電離內電極和外電極之間的腔體內的空氣，所述的線圈纏繞在外電極上，線圈的兩端接高壓射頻電源的兩輸出端。本發(fā)明提供的等離子體點火槍的電極使用壽命長。
文檔編號H05H1/28GK102625559SQ20121008886
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月30日 優(yōu)先權日2012年3月30日
發(fā)明者舒小明 申請人:安徽航天環(huán)境工程有限公司