专利名称：长寿命双重点火的等离子体点火枪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种长寿命双重点火的等离子体点火枪，属于等离子体发生器技术领域。
背景技术：
目前在大气压条件下能够产生的等离子体有两种，一种是热等离子体，其特征是气体温度往往很高，大约10000K量级，主要用于等离子体喷涂、切割、焊接、废物处理、材料表面加工等领域。另一种是冷等离子体，其特征是气体温度很低(接近室温)，但电子温度很高，因此具有很高的化学活性，属于非平衡等离子体。但是，常温常压下，将空气电离以产生等离子体需要的电压较大，通常需要几千伏的高压。而采用现有技术中的升压电路，要产生这么高的电压，则需要器件的耐压性较高，同时电极的寿命较短。
发明内容
本发明的目的在于提供一种长寿命双重点火的等离子体点火枪，其电极的使用寿命长。为实现所述发明目的，本发明提供一种长寿命双重点火的等离子体点火枪，所述点火枪包括柱状的内电极I、筒状的外电极2、绝缘套筒3、第一高压直流电源5、高压射频电源16和线圈15，其中，所述柱状的内电极I固定于绝缘套筒3的中心通孔上以将柱状的内电极I设置于筒状的外电极2中心轴线上并与外电极绝缘，所述的第一高压直流电源5的两输出端分别接于内电极I和外电极2上，以给内电极I和外电极2之间提供一高压直流电源以电离内电极I和外电极2之间的腔体内的空气，所述的线圈缠绕在外电极上，线圈的两端接高压射频电源16的两输出端，所述外电极2的筒状体为由内层和外层的双层结构，内层和外层的双层之间形成供冷却水流爱的间隙，外层上设有进水管17和出水管18，其特征在于，等离子体点火枪还设有冷却系统，所述有冷却系统包括主泵23、三向阀20和热交换系统，主泵驱动冷却水流入三向阀20的第一端，而后经三向阀的第二端流入外电极的进水管17，冷却水经外电极变热而后从出水管18流出，冷却水还经三向阀20的第三端流经热交换系统以降温。优选地，出水管18上设有出水温度传感器21以检测出水温度，如果出水温度低于下限，调节三向阀20，使热交换系统流量减小；温度高于上限，调节三向阀20，使热交换系统流量增大。 优选地，冷却系统还设有副泵24，所述三向阀20的入水管处设有水压传感器22以检测冷却水流量，如果流量正常，保持主泵23工作；如果流量不正常，启用副泵24。与现有技术相比，本发明提供的长寿命双重点火的等离子体点火枪，点火速度快，电极的使用寿命长。
图I是本发明提供的长寿命双重点火的等离子体点火枪的示意图；图2是本发明提供的高压直流电源的示意图；图3是本发明提供的高压直流电源一种情况下的瞬时电压的波形图；图4是本发明提供的高压直流电源另一种情况下的瞬时电压的波形图。图5是本发明提供的等离体点火枪冷却系统的示意图
具体实施例方式下面结合附图详细说明本发明。相同的附图标记表示相同的部件。图I是本发明提供的长寿命双重点火的等离子体点火枪的示意图。如图I所示，所述点火枪包括柱状的内电极I、筒状的外电极2、绝缘套筒3、第一高压直流电源5、高压射频电源16、高频线圈15、控制系统6和人机接口 14，其中，所述柱状的内电极I固定于绝缘套筒3的中心通孔上以将柱状的内电极I设置于筒状的外电极2中心轴线上并与外电极缘缘，所述的第一高压直流电源5的两输出端分别接于内电极I和外电极2上，以给内电极I和外电极2之间提供一高压直流电源以电离内电极I和外电极2之间的腔体内的空气形成等离子体流，所述的高频线圈缠绕在外电极，高频线圈的两端接高压射频电源16的两输出端以进一步使等离子体流的温度升高。所述的外电极下端设有供高温等离子体流喷出的喷嘴以将高温等离子体喷出腔外以点燃可燃物质，如煤、混合气体等。所述的高压射频电源16包括频率合成器10、射频放大器11、匹配调谐器12、耦合输出器13以及第二高压直流电源，其中，频率合成器10用于产生一高频小信号，射频放大器11用于将高频小信号进行功率放大，匹配调谐器用于调谐及阻抗变换以使射频放大器输出的高频大功率信号的工作频率与高频小信号的工作频率相等并将耦合输出器的输入阻抗变换为射频放大器输出最大功率时的阻抗，耦合输出器将高频大功率信号耦合到高频线圈上以进一步使内电极I和外电极2之间的腔体内的等离子体流的温度升高。第二高压直流电源用于给射频放大器11及频率后成器10提供电能。用户通过人机接口 14设定控制系统6。控制系统6根据采集的高压射频电源16包括频率合成器10、射频放大器11、匹配调谐器12或者耦合输出器13输出的信号来控制它们的工作状态。图2是本发明提供的高压直流电源的示意图。以第一高压直流电源为例来进行说明。如图2所示，所述第一高压直流电源5包括n级直流电压单元Mc^M1, Mn，各直流电压单元通过N个续流线圈Lc^LmL23...级联，控制系统6能够远程控制各直流电压单元的通断以给内电极和外电极施加所需要直流电能，所述n为大于或者等于4的整数，且n =N+1。所述外电极2设置有通风管4，以将空气等注入到内、外电极之间的腔体内。所述的控制系统6包括一个控制器和n个光发射器OTc^OTpOT2…和0Tn。所述的第一高压电源5还包括变压器和n个光接收器OIV OR1^ OR2…和ORn，所述变压器包括一个初级线圈和n个次级线圈，以将220V的交流工频电压变换成所需要的电压。所述的光发射器将控制器输出的控制信号转换成光信号以通过光纤传输到对应的光接收器。所述的光接收器接收对应的光发射器发射来的光信号，并将接收的光信号转换成控制驱动级的电信号以此实现处于悬浮电压之上的各级直流电压单元与低电平控制部分的高电压隔离。第一个直流电压单元M0包括变压器次级的第一个线圈U、一个整流器&、一个续流二极管Dtl、一个电子开关和一个驱动级Ptl,电子开关为CMOS管CMOStl,所述整流器Rtl的正极连接于变压器次级的第一个线圈Ltl的第一端，整流器Rtl的负极连接到续流二极管的负极；续流二极管Dtl的正极连接到CMOS管CMOStl的漏极，CMOS管CMOStl的源极连接到变压器次级的第一个线圈Ltl的第二端，CMOS管CMOStl的栅极连接到驱动级Ptl,由驱动级Ptl根据光接收器ORtl所接收的控制器7所发出的控制指令控制CMOS管CMOStl的通断。CMOS管CMOStl工作于开关状态，当CMOS管CMOStl的栅极输入一个高电位时，CMOS管CMOStl导通，第一个线圈Ltl的第二端相当于接到续流二极管Dtl的正极。整流器Rtl将第一个线圈Ltl输出的交流电压Utl整流转换直流电压U0。续流二极管Dtl两端的电压为U0,上正，下负。当CMOS管CMOStl的栅极输入一个低电位时，CMOS管CMOStl截止。续流二极管Dtl两端的电压为二极管结电压。同理，第二个直流电压单元M1包括变压器次级的第二个线圈L1、一个整流器R1、一个续流二极管D1、一个电子开关和一个驱动级P1,电子开关为CMOS管CMOS1,所述整流器R1的正极连接于变压器次级的第二个线圈L1的第一端，整流器R1的负极连接到续流二极管D1的负极；续流二极管D1的正极连接到CMOS管CMOS1的漏极，CMOS管CMOS1的源极连接到变压器次级的第二个线圈L1的第二端，CMOS管CMOS1的栅极连接到驱动级P1,由驱动级P1根据光接收器OR1所接收的控制器7所发出的控制指令控制CMOS管CMOS1的通断。CMOS管CMOS1工作于开关状态，当CMOS管CMOS1的栅极输入一个高电位时，CMOS管CMOS1导通，第二个线圈L1的第二端相当于接到续流二极管D1的正极。整流器R1将第二个线圈L1输出的交流电压U1整流转换直流电压Up续流二极管D1两端的电压为U1，上正，下负。当CMOS管CMOS1的栅极输入一个低电位时，CMOS管CMOS1截止。续流二极管D1两端的电压为二极管结电压。第三个直流电压单元M2包括变压器次级的第二个线圈L2、一个整流器R2、一个续流二极管D2、一个电子开关和一个驱动级P2,电子开关为CMOS管CMOS2,所述整流器R2的正极连接于变压器次级的第三个线圈L2的第一端，整流器R2的负极连接到续流二极管的负极；续流二极管D2的正极连接到CMOS管CMOS2的漏极，CMOS管CMOS2的源极连接到变压器次级的第三个线圈L2的第二端，CMOS管CMOS2的栅极连接到驱动级P2,由驱动级P2根据光接收器OR2所接收的控制器7所发出的控制指令控制CMOS管CMOS2的通断。MOS管CMOS2工作于开关状态，当CMOS管CMOS2的栅极输入一个高电位时，CMOS管CMOS2导通，第三个线圈L2的第二端相当于接到续流二极管D2的正极。整流器R2将第三个线圈L2输出的交流电压U2转换直流电压U2。续流二极管D2两端的电压为U2,上正，下负。当CMOS管CMOS2的栅极输入一个低电位时，CMOS管CMOS2截止。续流二极管D2两端的电压为二极管结电压。依次类推，第n个直流电压单元Mn包括变压器次级的第n个线圈Ln、一个整流器Rn、一个续流二极管Dn、一个电子开关和一个驱动级PN，电子开关为CMOS管CMOSn,所述整流器Rn的正极连接于变压器次级的第n个线圈Ln的第一端，整流器Rn的负极连接到续流二极管的负极；续流二极管Dn的正极连接到CMOS管CMOSn的漏极，CMOS管CMOSn的源极连接到变压器次级的第n个线圈Ln的第二端，CMOS管CMOSn的栅极连接到驱动级PN，由驱动级Pn根据光接收器ORn所接收的控制器7所发出的控制指令控制CMOS管CMOSn的通断。MOS管CMOSn工作于开关状态，当CMOS管CMOSn的栅极输入一个高电位时，CMOS管CMOSn导通，第 n个线圈Ln的第二端相当于接到续流二极管Dn的正极。整流器Rn将第n个线圈Ln输出的交流电压％转换直流电压Un伏。续流二极管Dn两端的电压为Un，上正，下负。当CMOS管CMOSn的栅极输入一个低电位时，CMOS管CMOSn截止。续流二极管Dn两端的电压为二极管结电压。
第I个直流电压单元Mtl与第2个直流电压单元札之间用续流线圈Ltll相连接，第2个直流电压单元M1与第3个直流电压单元M2之间用续流线圈L12相连接，依次类推，第3个直流电压单元M2与第4个直流电压单元M3之间用续流线圈L23相连接。如此，如果每个直流电压单元…、Mn的电子开关均同时导通的情况下，高压电源5总的输出总电压为U总=WU2+"*+Un。第一高压电源5还包括滤波电感L和滤波电容C，以将滤除U总中的开关频率成分。本发明提供的等离子点火枪，在时钟脉冲控制下，控制系统6经过取样电路(电阻分压)得到的输出电压样值与参考信号的电压进行比较，采样电压小于设定电压时，控制器发出指令，开启一个直流单元，使高压电源输出电压升高；在下一个时钟周期，如果采样电压仍小于参考信号电压，控制器发出指令，再开启一个直流单元，继续使高压电源输出电压升高；直到采样电压大于设定电压，控制器发出指令，关闭一个直流单元，使高压电源输出电压降低，直到采样电压等于设定电压。本发明提供的等离子点火枪，还能够在时钟脉冲控制下，控制系统6使其中一部分直流电压单元(假如总直流电压单元为12，即n = 12的情况下)，如使Mc^M1…和M5在一个时钟周期T的第一个时间段[ti，t2]工作，使其中另一部分直流电压单元M5、M6…和M11在一个时钟周期T的第二个时间段[t2, t3]工作，其中，t3-t2 = t2-t1； t3-t! = T,则在每一级
的输出电压都相同的情况下，高压电源的输出电压约为3。如图3所示，本发明提供的等
离子点火枪，还能够在时钟脉冲控制下，控制系统6使其中一部分直流电压单元，如Mc^M1-M5在一个周期T的第一个时钟段[ti，t2]前半段时间工作，在第一个时间时钟段[ti，t2]后半段时间截止；使其中另一部分直流电压单元M5、M6…和M11在一个周期T的第二个时间段[t2，t3]前半段时间时钟工作，在第二个时间段[t2，t3]后半段时间时钟截止，其中，t3-t2 =
Vt1, t3-t1 = T，则在每一级的输出电压都相同的情况下，高压电源的输出电压约为4。
4如果控制系统6使其中一部分直流电压单元(假如总直流电压单元为12，即n =12的情况下)，如MQ、Mr"M3在一个周期T的第一个时间段[tp t2]工作，使其中第二部分直流电压单元M4、M^ M7在一个周期的第二个时间段[t2，t3]工作，使其中第三部分直流电压单元M8、MfM11在一个周期T的第三个时间段[t3, t4]工作，其中，t4-t3 = t3-t2 = t2-t1；
t4-t: = T，则在每一级的输出电压都相同的情况下，高压电源的输出电压约为$。如图4所
示，本发明提供的等离子点火枪，还能够在时钟脉冲控制下，控制系统6使其中一部分直流电压单元，如凡、M^-M3在一个周期T的第一个时间段[tp t2]前半时间段内工作，在第一个时间段[ti，t2]后半时间段内截止；使其中第二部分直流电压单元M4、M^M7在一个周期的第二个时间段[t2，t3]的前半时间段内工作，在第二个时间段[t2，t3]的后半时间段内截止；使其中第三部分直流电压单元M8、Mf M11在一个周期T的第三个时间段[t3，t4]前半时间段内工作，在第二个时间段[t3，tj后半时间段内截止，其中，t4_t3 = t3_t2 = t2-t1 t4-tx
=T，则在每一级的输出电压都相同的情况下，高压电源的输出电压约为。
6本发明提供的等离子点火枪，对直流电压单元的开关控制遵循以下规则需要开启一个直流单元时，总是开启处于关闭状态的时间最久的那个直流电压单元；需要关闭一个直流电压单元时，总是关闭处于开启状态的时间最久的那个直流电压单元。这样的开关控制规则带来两个好处(1)每个开关模块工作时间区域均等，等效负荷均衡；(2)对一定的时钟脉冲频率，每个直流电压单元的电子开关的开关频率大幅度降低。以直流参考信号为例，如果时钟脉冲频率为f，高压电源由n个直流电压单元构成，则每个直流电压单元电子开关的实际开关频率为f/n。
本发明中在高压电源中引入续流二极管，使得各个直流电压单元的电子开关可以独立控制，无需同时导通或截止。某个直流单元的电子开关导通时，其输出电压是串联接A ;电子开关截止时，其它直流单元通过续流二极管向外电路输出电压(电流)，即续流二极管的作用是在电子开关的截止状态，提供电流通路。续流线圈的作用是抑制电子开关导通或截止瞬间的暂态脉冲干扰；另一方面，所有续流线圈的等效自感系数，也参与构成后级滤波电路。高压射频电源16中的第二高压直流电源的电路结构和工作过程与第一第二高压直流电源类似，第二高压直流电源包括m级直流电压单元，各直流电压单元通过续流线圈级联，控制系统6能够远程控制各直流电压单元的通断以给内电极和外电极施加所需要直流电能，所述m为大于或者等于4的整数。m可以与n相等，根据设计。由于本发明提供的高压直流电源和高压射频电源可以通过控制器软件编程其输出任意电压值，所以等离子点火枪的火焰温度可以根据需要进行设定。而产生高电压的直流电源是通过多级级联而成的，故可以采用耐压值较低的元器件来完成低电压到高电压的变换。另外，CMOS管可以用晶体管、可控硅等电子开关代替。图5是本发明提供的等离体点火枪冷却系统的示意图。如图5所示，所述冷却系统包括主泵23、副泵24、三向阀20和热交换系统，主泵23驱动冷却水流入三向阀20的第一端，而后经三向阀20的第二端流入外电极的进水管17，冷却水在外电极2中变热而后从出水管18流出，冷却水还经三向阀20的第三端流经热交换系统19，所述热交换系统19为冷凝器。出水管18设有出水温度传感器21以检测出水温度，如果出水温度低于下限，调节三向阀20，使热交换系统流量减小；温度高于上限，调节三向阀，使热交换系统流量增大。所述下限和上限值根据等离子体电极的性能要求进行人为设定。所述三向阀20的入水管处设有水压传感器22以检测冷却水流量，如果流量正常，保持主泵23工作；如果流量不正常，启用副泵24。主泵23支路的入水管处设有隔离阀31和用于过滤水中杂物的滤清器29，出水管处设有安全阀25和隔离阀27，设置隔离阀31和29的目的是在维修主泵23时保持冷却系统中冷却水的畅通。安全阀25是用于调节冷却系统中水的压力。副泵24支路的入水管处设有隔离阀32和用于过滤水中杂物的滤清器30，出水管处设有安全阀26和隔离阀28。设置隔离阀32和28的目的是在维修副泵24时保持冷却系统中冷却水的畅通。安全阀26是用于调节冷却系统中水的压力。冷却系统中还设有微水压调节支路，微水压调节支路包括密闭的容器36、补水阀33和34以及安全阀35，密闭的容器36的中心处设有膨胀气囊37。膨胀气囊37中气体的压力根据需要设定，密闭的容器36中水的压力与膨胀气囊37中气体的压力相等时，膨胀气囊37的体积保持不变，密闭的容器36中水的压力减小时，膨胀气囊37膨胀，气体压力减小，则通过补水阀33或者34给冷却系统加注入冷却水，密闭的.容器36中水的压力增大时，膨胀气囊37体积缩小，气体压力增大，安全阀35、25和26释放.气体，使冷却系统中的压力减小。如此保持冷却系统的压力恒定。本发明以外电极的冷却进行了说明，但是等离子体点火枪的内电极也可以做成供冷却水流通的中空结构，以用本发明提供的冷却系统进行冷却，以提高内电极的使用寿命。虽然以上已结合附图对按照本发明目的的构思和实例作了详尽说明，但本领域技术人员应当认识到，在没有脱离本发明构思的前提下，任何基于本发明作出的改进和变换仍然属于本发明保护范围内的内容。
权利要求
1.一种长寿命双重点火的等离子体点火枪，所述点火枪包括柱状的内电极(I)、筒状的外电极(2)、绝缘套筒(3)、第一高压直流电源(5)、高压射频电源(16)和高频线圈(15)，其中，所述柱状的内电极(I)固定于绝缘套筒(3)的中心通孔上以将柱状的内电极(I)设置于筒状的外电极(2)中心轴线上并与外电极绝缘，所述的第一高压直流电源(5)的两输出端分别接于内电极⑴和外电极⑵上，以给内电极⑴和外电极⑵之间提供一高压直流电源以电离内电极(I)和外电极(2)之间的腔体内的空气，所述的高频线圈缠绕在外电极上，高频线圈的两端接高压射频电源(16)的两输出端，所述外电极(2)的筒状体为由内层和外层的双层结构，内层和外层的双层之间形成以供冷却水流通的间隙，外层上设有进水管(17)和出水管(18)，其特征在于，等离子体点火枪还设有冷却系统，所述有冷却系统包括主泵(23)、三向阀(20)和热交换系统，主泵驱动冷却水流入三向阀的第一端，而后经三向阀的第二端流入外电极的进水管(17)，冷却水经外电极变热而后从出水管(18)流出，冷却水还经三向阀(20)的第三端流经热交换系统以降温。
2.根据权利要求I所述的的等离子体点火枪，其特征在于，出水管(18)上设有出水温度传感器(21)以检测出水温度，如果出水温度低于下限，调节三向阀(20)，使热交换系统流量减小；温度高于上限，调节三向阀，使热交换系统流量增大。
3.根据权利要求2所述的的等离子体点火枪，其特征在于，冷却系统还设有副泵(24)，所述三向阀(20)的入水管处设有水压传感器(22)以检测冷却水流量，如果流量正常，保持主泵(23)工作；如果流量不正常，启用副泵。
全文摘要
本发明提供一种长寿命双重点火的等离子体点火枪，属于等离子产生技术领域。所述点火枪包括柱状的内电极、筒状的外电极、绝缘套筒、第一高压直流电源、高压射频电源、线圈和控制系统，其中，所述柱状的内电极固定于绝缘套筒的中心通孔上以将柱状的内电极设置于筒状的外电极中心轴线上并与外电极绝缘，所述的第一高压直流电源的两输出端分别接于内电极和外电极上，以给内电极和外电极之间提供一高压直流电源以电离内电极和外电极之间的腔体内的空气，所述的线圈缠绕在外电极上，线圈的两端接高压射频电源的两输出端。本发明提供的等离子体点火枪的电极使用寿命长。
文档编号H05H1/28GK102625559SQ20121008886
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月30日 优先权日2012年3月30日
发明者舒小明 申请人:安徽航天环境工程有限公司