直流電弧等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵技術(shù)研究

曹修全，何潤(rùn)東，陳林

直流電弧等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵技術(shù)研究

曹修全，何潤(rùn)東，陳林

（四川輕化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 自貢 643000）

本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外各類等離子體發(fā)生器的分析，結(jié)合在等離子體發(fā)生器設(shè)計(jì)領(lǐng)域的最新研究成果，首先對(duì)等離子體技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)基本概念進(jìn)行了闡述與說(shuō)明；然后基于相應(yīng)研究成果，對(duì)直流電弧等離子體發(fā)生器設(shè)計(jì)過(guò)程中常見(jiàn)的三類關(guān)鍵技術(shù)：電弧產(chǎn)生、大尺度分流現(xiàn)象、雙弧現(xiàn)象進(jìn)行了概略性分析；接著基于直流電弧等離子體發(fā)生器的發(fā)展歷程，分析了典型等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)；最后提出直流電弧等離子體發(fā)生器的發(fā)展趨勢(shì)。

直流電弧等離子體發(fā)生器；電弧產(chǎn)生機(jī)理；大尺度分流；雙弧現(xiàn)象

直流電弧等離子體射流具有熱轉(zhuǎn)換效率高、對(duì)工作環(huán)境要求低、溫度高、運(yùn)行成本低、適應(yīng)性廣等優(yōu)異特性[1-2]，因而被廣泛應(yīng)用于危廢處理[3-4]、工件表面處理（噴涂、淬火、熔敷等）[5-7]、粉末球化[8-9]、納米材料合成[10-11]等領(lǐng)域。為適應(yīng)各類應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)等離子體射流特性的特殊需求，國(guó)內(nèi)外科研工作者研制出了各種類型與形式的等離子體發(fā)生器，并重點(diǎn)研究了等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)。

本文旨在分析直流電弧等離子體發(fā)生器（以下簡(jiǎn)稱等離子體發(fā)生器）的典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵技術(shù)。首先介紹等離子體技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)基本概念，然后綜述國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)等離子體發(fā)生器設(shè)計(jì)中關(guān)鍵技術(shù)的研究，最后結(jié)合典型案例對(duì)等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

1 等離子體基本概念及其分類

1.1 等離子體基本概念

（1）等離子體

等離子體（Plasma）又被稱為電漿，是物質(zhì)除“固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)”外存在的第四種形態(tài)，由部分電子被剝奪后的原子及原子團(tuán)被電離后產(chǎn)生的正負(fù)離子組成的離子化氣體狀混合物質(zhì)。從宏觀角度分析，因其正負(fù)離子總數(shù)相等，故其呈宏觀電中性；從微觀的角度分析，因其蘊(yùn)含大量帶負(fù)電的自由電子和帶正電的離子，故具有導(dǎo)電性能。本文中指工作氣體吸收直流電能的能量而失去電子后形成的由電子、離子、中子、工作氣體分子等共同組成的氣體狀高溫混合體。

（2）等離子體發(fā)生系統(tǒng)

等離子體發(fā)生系統(tǒng)如圖1所示，主要由電源子系統(tǒng)、供氣子系統(tǒng)、冷卻子系統(tǒng)和等離子體發(fā)生器組成。電源子系統(tǒng)將380 V交流電轉(zhuǎn)換為直流恒流電源，可根據(jù)等離子體發(fā)生器工作要求調(diào)整電流大小，且其通常集成自動(dòng)引弧功能；供氣子系統(tǒng)通常由氣源和氣體質(zhì)量流量控制器組成，根據(jù)需要為等離子體發(fā)生器供給制定流量的工作氣體；冷卻子系統(tǒng)通常由工業(yè)冷水機(jī)及其管道構(gòu)成，主要為電源子系統(tǒng)和等離子體發(fā)生器提供指定溫度的冷卻水，保障系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

（3）等離子體發(fā)生器

等離子體發(fā)生器是利用直流電能電離工作氣體而產(chǎn)生等離子體射流的裝置，其至少由陰極和陽(yáng)極組成。

（4）等離子體電弧

等離子體電弧是指在直流電能的作用下，工作氣體電離而在等離子體發(fā)生器內(nèi)形成的供工作電流流過(guò)的通道，通常存在于等離子體發(fā)生器陰極與陽(yáng)極之間。

（5）等離子體射流

等離子體射流是指在直流電能的作用下形成的等離子體從等離子體發(fā)生器陽(yáng)極噴射而出形成的高溫束流。

圖1 等離子體發(fā)生系統(tǒng)示意圖

1.2 等離子體發(fā)生器分類

按照不同的劃分原則，直流電弧等離子體發(fā)生器可以被劃分為不同的類型，通常主要有以下兩種劃分方式。

1.2.1 按電弧位置劃分

（1）轉(zhuǎn)移弧等離子體發(fā)生器，如圖2（a）所示，在等離子體發(fā)生器工作時(shí)，工件被當(dāng)做等離子體發(fā)生器的陽(yáng)極，即等離子體電弧在等離子體發(fā)生器陰極和工件間產(chǎn)生；

（2）非轉(zhuǎn)移弧等離子體發(fā)生器，如圖2（b）所示，等離子體電弧只在等離子體發(fā)生器陰極與陽(yáng)極之間產(chǎn)生而不依賴于工件本身；

（3）混合型等離子體發(fā)生器，如圖2（c）所示，等離子體電弧既存在于等離子體發(fā)生器陰極與陽(yáng)極之間，又存在于陰極與工件之間。

1.2.2 按等離子體射流形態(tài)劃分

（1）湍流等離子體發(fā)生器，產(chǎn)生的湍流等離子體射流如圖3（a）所示，其對(duì)空氣卷吸嚴(yán)重，長(zhǎng)徑比小、工作噪聲大、軸向溫度梯度大；

（2）層流等離子體發(fā)生器，產(chǎn)生的層流等離子體射流如圖3（b）所示，其對(duì)空氣的卷吸小，具有長(zhǎng)徑比大（可超過(guò)50）、工作噪聲較小、長(zhǎng)度可超過(guò)500 mm、軸向溫度梯度小等優(yōu)異特性。

圖2 不同等離子體發(fā)生器類型示意圖

圖3 等離子體射流形態(tài)圖

2 等離子體發(fā)生器設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 引弧過(guò)程分析

引弧過(guò)程是等離子體電弧從無(wú)到有后逐漸穩(wěn)定在陽(yáng)極上而持續(xù)不斷產(chǎn)生等離子體射流的過(guò)程，是等離子體發(fā)生器正常工作的先決條件。因只有陰極和陽(yáng)極兩個(gè)電極的等離子體發(fā)生器產(chǎn)生的等離子體電弧陽(yáng)極弧根直接落在陽(yáng)極上而不需要進(jìn)行轉(zhuǎn)移，而具有中間插入電極的分段式等離子體發(fā)生器產(chǎn)生的等離子體電弧陽(yáng)極弧根則需要從一個(gè)電極上逐漸轉(zhuǎn)移到陽(yáng)極上，因此分段式等離子體發(fā)生器的引弧過(guò)程更為復(fù)雜與困難。

在該方面，Solonenko O P et al[8]和Ghorui S et al[12]等先后對(duì)分段式等離子體發(fā)生器產(chǎn)生等離子體電弧的過(guò)程和原理進(jìn)行了探索性的研究，但未對(duì)其開(kāi)展進(jìn)一步的研究工作。曹修全等[13]借助圖4所示模型，將等離子體電弧產(chǎn)生過(guò)程劃分為引弧階段、轉(zhuǎn)弧階段和穩(wěn)弧階段，并將各階段對(duì)應(yīng)的物理結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為電學(xué)模型，對(duì)其產(chǎn)生過(guò)程及原理開(kāi)展較為深入的研究，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)對(duì)應(yīng)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，最終得出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：陰極與引弧電極間的距離建議保證在2～3 mm，且當(dāng)引弧電極與陽(yáng)極間的距離超過(guò)100 mm時(shí)應(yīng)考慮增加第二引弧電極。針對(duì)曹修全等的研究，等離子體電弧產(chǎn)生各階段簡(jiǎn)要分析如下。

（1）引弧階段：即原始電弧的產(chǎn)生階段，在引弧模塊供給的高頻高壓作用下，陰極與引弧電極之間的工作氣體被擊穿，形成電流通路（即原始電弧），此后電源供給電流維持原始電弧。

（2）轉(zhuǎn)弧階段：原始電弧產(chǎn)生后，因其產(chǎn)生的等離子體通路與陽(yáng)極之間形成電勢(shì)差，在該電勢(shì)差的作用下，等離子體通路與陽(yáng)極之間的工作氣體在某一時(shí)刻被擊穿，進(jìn)而形成了陰極與陽(yáng)極之間的電流通路（即主電?。?，此時(shí)開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)，原始電弧消失，保證所有電流通過(guò)主電弧通路，陽(yáng)極弧根從引弧電極轉(zhuǎn)移到陽(yáng)極上。

（3）穩(wěn)弧階段：陽(yáng)極弧根轉(zhuǎn)移到陽(yáng)極后，在氣動(dòng)力、電磁力等的綜合作用下，主電弧陽(yáng)極弧根穩(wěn)定在陽(yáng)極某一范圍內(nèi)。至此，等離子體發(fā)生器引弧過(guò)程順利完成。

圖4 等離子體發(fā)生器引弧原理圖

2.2 大尺度分流現(xiàn)象

當(dāng)?shù)入x子體發(fā)生器陽(yáng)極軸向長(zhǎng)度超過(guò)某一值時(shí)，影響電弧穩(wěn)定性最普遍的電特征便是分流現(xiàn)象，其簡(jiǎn)化模型如圖5所示。通常存在三種分流現(xiàn)象：電弧與陽(yáng)極內(nèi)表面的大尺度分流和小尺度分流、電弧之間的分流。這三種分流現(xiàn)象是影響等離子體射流波動(dòng)和決定陽(yáng)極燒蝕速率與范圍的主要因素，而大尺度分流現(xiàn)象其主導(dǎo)作用。

圖5 兩極式等離子體發(fā)生器中的分流模型

為了抑制大尺度分流現(xiàn)象，ZhuKov M F et al[14]和曹修全等[15]基于圖6所示的模型較為深入地剖析了大尺度分流產(chǎn)生機(jī)理，并提出抑制大尺度分流現(xiàn)象的措施。

為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，假設(shè)：①電場(chǎng)強(qiáng)度為常數(shù)；②陰陽(yáng)極區(qū)電壓降為0；③以陰極端點(diǎn)為軸零點(diǎn)。

基于上述假設(shè)，如圖6所示，假定在某一時(shí)刻，等離子體電弧占據(jù)圖中位置。此時(shí)，電弧沿著軸的電勢(shì)分布如曲線1所示。同時(shí)，電弧與陽(yáng)極壁發(fā)生擊穿所需的電勢(shì)U(z)沿著軸方向分布如曲線3所示。此時(shí)，曲線1始終處于曲線3的下方，電弧與陽(yáng)極壁之間的電勢(shì)差無(wú)法小于擊穿電壓，不會(huì)發(fā)生擊穿現(xiàn)象。

在氣動(dòng)力和電磁力的綜合作用下，陽(yáng)極弧根沿著軸運(yùn)動(dòng)，在接下來(lái)的某一時(shí)刻，電弧占據(jù)了位置。此時(shí)，電弧沿著軸的電勢(shì)分布如曲線2所示，與擊穿曲線3存在共同點(diǎn)。因此，當(dāng)電弧占據(jù)此位置時(shí)滿足電弧擊穿條件，電弧與陽(yáng)極壁面發(fā)生擊穿并產(chǎn)生新的電弧通道，電弧沿著軸方向的電勢(shì)分布曲線4所示。隨著新的電弧通道的產(chǎn)生，原始電弧通道逐漸消失。隨后在氣動(dòng)力和電磁力的作用下，新電弧段繼續(xù)沿著軸運(yùn)動(dòng)，大尺度分流過(guò)程開(kāi)始循環(huán)。

通過(guò)對(duì)大尺度分流現(xiàn)象的研究，相關(guān)研究人員提出了以下抑制大尺度分流現(xiàn)象的措施：

（1）增大電弧與陽(yáng)極壁面的擊穿電壓，使擊穿電壓分布曲線上移：增大工作氣體流量或陽(yáng)極內(nèi)徑、優(yōu)化陽(yáng)極冷等措施卻可在一定程度上增加電弧與陽(yáng)極壁面間的冷氣層厚度，從而適當(dāng)增大其擊穿電壓。

圖6 大尺度分流模型示意圖

（2）限制陽(yáng)極弧根在軸的最大運(yùn)動(dòng)范圍，使電弧沿軸線的電勢(shì)分布曲線始終不滿足擊穿條件：采用臺(tái)階式陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，基于空氣動(dòng)力學(xué)原理將陽(yáng)極弧根穩(wěn)定遠(yuǎn)離陰極的臺(tái)階上。

（3）限制陽(yáng)極壁面在軸方向的帶電長(zhǎng)度，縮小擊穿電壓分布曲線作用范圍，并在其作用范圍內(nèi)不滿足擊穿條件：限制陽(yáng)極的軸向尺寸而通過(guò)在陰極與陽(yáng)極之間增加不帶電的中間電極達(dá)到延長(zhǎng)電弧的目的，即采用分段式等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)。

2.3 雙弧現(xiàn)象

在分段式等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)中，當(dāng)較大軸向尺寸的中間電極工作于較小氣流量時(shí)，通常發(fā)生快速燒蝕的現(xiàn)象，即產(chǎn)生了雙弧現(xiàn)象。為此，曹修全等[16]基于以下假設(shè)和模型對(duì)雙弧現(xiàn)象產(chǎn)生過(guò)程進(jìn)行了分析，并提出相應(yīng)的抑制措施。

假設(shè)：①分段式等離子體發(fā)生器共有段中間電極，第段中間電極的軸向?qū)挾葘?duì)應(yīng)為l，第段絕緣層的軸向厚度為l，電弧在陽(yáng)極段對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度為l；②電弧在段中間電極上發(fā)生雙弧現(xiàn)象，且陽(yáng)極壓降均為V，陰極壓降均為c，等離子體電弧電場(chǎng)強(qiáng)度為。

當(dāng)分段式等離子體發(fā)生器不發(fā)生雙弧現(xiàn)象時(shí)的模型如圖7所示，電弧只在陰極與陽(yáng)極之間穩(wěn)定運(yùn)行，此時(shí)等離子體電弧弧壓為：

假定在某種情況下，等離子體電弧在某一中間電極對(duì)應(yīng)區(qū)域的電勢(shì)差達(dá)到擊穿電壓值且產(chǎn)生擊穿，即產(chǎn)生雙弧現(xiàn)象，簡(jiǎn)化模型如圖8所示。此時(shí)等離子體電弧弧壓為：

圖7 分段式等離子體發(fā)生器不發(fā)生雙弧現(xiàn)象示意圖

圖8 分段式等離子體發(fā)生器發(fā)生雙弧現(xiàn)象時(shí)示意圖

由最小電壓原理，則不產(chǎn)生雙弧現(xiàn)象的條件為：

合并同類項(xiàng)后得不產(chǎn)生雙弧現(xiàn)象的充分條件為：

基于上述分析，可通過(guò)以下措施抑制雙弧現(xiàn)象的產(chǎn)生：

（1）增加冷氣膜擊穿電壓U：①優(yōu)化PT冷卻通道，改善其對(duì)弧室壁的冷卻效果；②增大工作氣體流量，從而增強(qiáng)對(duì)電弧的壓縮作用；③增大電弧通道內(nèi)徑，從而增加電弧與弧室壁的間距。

（2）任意中間電極的軸向尺寸均滿足：

3 等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如前所述，湍流等離子體發(fā)生器是利用直流電流電離工作氣體而形成湍流等離子體射流的裝置。早在1808年，Davy和Ritter等第一次在兩個(gè)碳電極之間引燃了等離子體電弧，形成了如圖9所示的最早的等離子體發(fā)生器[17]。該類等離子體發(fā)生器僅是在兩根碳棒之間產(chǎn)生電弧形成等離子體，不太適合工業(yè)化應(yīng)用。

為了有效利用等離子體發(fā)生器產(chǎn)生的等離子體射流，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，優(yōu)化出如圖10所示的等離子體發(fā)生器。該類等離子體由一個(gè)棒狀陰極和一個(gè)圓柱狀陽(yáng)極兩個(gè)電極及其他輔件組成，因此也被稱為兩極式等離子體發(fā)生器。Sulzer Metco公司Anthony等[18]、Thermal Dynamics Corporation公司Joseph等[19]及國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者均已研制出該類型等離子體發(fā)生器，并已成功將其商業(yè)化應(yīng)用。

然而，由于該類型等離子體發(fā)生器本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所限，存在以下有待改進(jìn)之處：

（1）射流穩(wěn)定性較差。其陽(yáng)極一般較長(zhǎng)，容易導(dǎo)致陽(yáng)極段內(nèi)的電弧與陽(yáng)極內(nèi)壁產(chǎn)生較大的電勢(shì)差，擊穿冷氣層，產(chǎn)生大尺度分流現(xiàn)象，引起等離子體射流的脈動(dòng)。

圖9 原始湍流等離子體發(fā)生器示意圖

1.陰極2.陽(yáng)極3.電弧

（2）電極燒蝕較嚴(yán)重。該類型等離子體發(fā)生器主要部件只有陰極和陽(yáng)極，其陰陽(yáng)極間距離小，在大尺度分流作用的限制下，電弧長(zhǎng)度短，導(dǎo)致電弧弧壓較低，一般低于70 V。因此，為了獲得更大功率以滿足應(yīng)用需要，只能采取增加電流的方式（一般工作電流為400～1000 A），而電流的增加必然增大弧根電流密度，從而加劇電極的燒蝕。

（3）應(yīng)用于噴涂時(shí)粉末注入難。在進(jìn)行粉末處理（如噴涂、球化等）時(shí)，由于該類型等離子體發(fā)生器產(chǎn)生的等離子體射流速度較大，粉末難以注入射流中心。

為優(yōu)化上述兩極式等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)，Zhukou等[14]、Sokobebko等[20]及王雨勃等[21]將圓柱狀陽(yáng)極優(yōu)化為如圖11所示的臺(tái)階式陽(yáng)極，充分利用空氣動(dòng)力學(xué)等因素，將陽(yáng)極弧根限制在臺(tái)階處。經(jīng)優(yōu)化后，該類等離子體發(fā)生器既適當(dāng)延長(zhǎng)了等離子體電弧長(zhǎng)度，又限制了陽(yáng)極弧根的運(yùn)動(dòng)范圍，一定程度地提高了等離子體射流的穩(wěn)定性。

然而，臺(tái)階式等離子體發(fā)生器延長(zhǎng)電弧的長(zhǎng)度有限，只能適當(dāng)增大等離子體發(fā)生器工作弧壓，當(dāng)需要產(chǎn)生大功率等離子體射流時(shí)仍然需要較大工作電流，且未對(duì)兩極式等離子體發(fā)生器其他缺陷予以改善。

1.陰極2.陽(yáng)極3.電弧

為了解決兩極式等離子體發(fā)生器存在的不足之處，學(xué)者們從兩方面著手研制出新型等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)，即多極式等離子體發(fā)生器。

（1）Felix[22]、SMarqués[23]、Schein[24]、嚴(yán)建華[25]等提出了多陰極或多陽(yáng)極式等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)，其中多陰極式等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)如圖12所示。該類結(jié)構(gòu)形式采用多個(gè)陰極或陽(yáng)極同時(shí)工作的方式代替單個(gè)電極的工作方式，以在相同功率條件下，成倍降低了單個(gè)電極弧根的電流密度，從而減緩電極的燒蝕速率。

1.陰極2.陽(yáng)極3.電弧

（2）Ghorui[12]、Tyuftyaev[26]、李裔紅[27]等提出如圖13所示的分段式等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)，即在陰極和陽(yáng)極之間增加多個(gè)中間電極，延長(zhǎng)等離子體電弧物理通道以提高等離子體電弧弧壓，從而在相同功率下降低等離子體發(fā)生器工作電流，延長(zhǎng)電極使用壽命。

多極式等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)形式不僅解決了兩極式等離子體發(fā)生器電極燒蝕嚴(yán)重問(wèn)題，還有利于扼制大尺度分流現(xiàn)象的產(chǎn)生，從而提高等離子體射流穩(wěn)定性。然而，大多數(shù)多極式等離子體發(fā)生器仍存在以下有待改進(jìn)之處：

（1）為了以較少的中間電極數(shù)量獲得較大的工作弧壓，中間電極軸向尺寸往往較長(zhǎng)，這極易引起導(dǎo)致雙弧現(xiàn)象的產(chǎn)生，造成中間電極的燒蝕和等離子體射流的波動(dòng)；

1.陰極2.中間電極3.電弧4.陽(yáng)極

（2）為避免雙弧現(xiàn)象的產(chǎn)生，工作于大氣流量下，從而產(chǎn)生的等離子體射流往往具有射流長(zhǎng)徑比小、對(duì)空氣的卷吸嚴(yán)重、工作噪聲大等缺點(diǎn)。

為了進(jìn)一步優(yōu)化等離子體發(fā)生器的結(jié)構(gòu)，Solonenko[20,28]、Osaki[29]、潘文霞[30-31]以及余德平[15, 32]等基于分段式等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)提出了如圖14所示的層流等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)形式。該類型等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)嚴(yán)格限制中間電極的軸向尺寸，通過(guò)增加中間電極的數(shù)量以延長(zhǎng)等離子體電弧通道，從而有效避免其產(chǎn)生雙弧現(xiàn)象。

雖然國(guó)內(nèi)外部分科研單位已研制出層流等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)，但仍存在諸多有待進(jìn)一步優(yōu)化完善的地方，尤其在大功率層流等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，還有諸多工作亟待完成。

綜合上述分析，在國(guó)內(nèi)外學(xué)者們的共同努力下，等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，正在逐步走向完善。然而，層流等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究工作還停留于實(shí)驗(yàn)室研究階段，還沒(méi)有形成較為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論。

4 展望與結(jié)論

湍流等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正在逐漸趨于成熟，各式各樣的湍流等離子體發(fā)生器已經(jīng)被成功商業(yè)化應(yīng)用，但層流等離子體技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，因此等離子體技術(shù)將往以下幾方面發(fā)展：

（1）大功率等離子體發(fā)生器的研制。目前湍流等離子體發(fā)生器功率主要集中在幾千瓦到幾百千瓦的范圍，僅有少數(shù)單位研制出兆瓦級(jí)等離子體發(fā)生器，但目前仍存諸如電極燒蝕等問(wèn)題；層流等離子體發(fā)生器功率則更集中于幾千瓦到幾十千瓦，因此大功率等離子體發(fā)生器的研制必然是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

（2）等離子體射流穩(wěn)定性研究。湍流等離子體射流因自身特點(diǎn)所限，穩(wěn)定性相對(duì)較差，而層流等離子體射流雖一定程度上提高了其穩(wěn)定性，但仍無(wú)法滿足高精密加工應(yīng)用場(chǎng)合的精確控制需求，因此應(yīng)注重等離子體射流穩(wěn)定性的研究工作，促進(jìn)層流等離子體射流的工業(yè)化應(yīng)用。

1.陰極2.中間電極3電弧. 4.陽(yáng)極

（3）等離子體射流產(chǎn)生機(jī)理研究。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在湍流等離子體射流的產(chǎn)生機(jī)理方面開(kāi)展了較多的研究工作，而對(duì)層流等離子體射流的產(chǎn)生機(jī)理研究還有待進(jìn)一步深入。在未來(lái)的研究中，應(yīng)注重結(jié)合等離子體物理、電磁學(xué)理論、空氣動(dòng)力學(xué)理論、流體力學(xué)理論等多學(xué)科交叉，借助于COMOSOL、ANSYS等仿真軟件，輔助于實(shí)驗(yàn)，深入探索層流等離子體射流產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)理。

本文對(duì)等離子體技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)基本概念進(jìn)行了闡述與說(shuō)明，綜述了直流電弧等離子體發(fā)生器設(shè)計(jì)過(guò)程中常見(jiàn)的三類關(guān)鍵技術(shù)：電弧產(chǎn)生、大尺度分流現(xiàn)象、雙弧現(xiàn)象，分析了各類典型等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)，展望了直流電弧等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。旨在為初入直流電弧等離子體技術(shù)領(lǐng)域的學(xué)者提供一定的參考基礎(chǔ)，指導(dǎo)其完成直流電弧等離子體發(fā)生器原型機(jī)的設(shè)計(jì)。

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Study on the Design and Key Technologies of DC Plasma Torches

CAO Xiuquan，HE Rundong，CHEN Lin

( School of Mechanical Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong643000, China )

All kinds of plasma torches at home and abroad have been analyzed and the latest research achievements in the field of plasma torch design have been discussed. Firstly, some basic concepts about plasma technology have been discussed and explained firstly. Then, based on the previous researches, some key design technology of DC plasma torch, including generation mechanism of DC plasma arc, large scale shunting phenomenon and double arc phenomenon, were introduced. Sequently, based on the development history, the typical DC plasma torches have been analyzed to get some design suggestions. Lastly, the develop tendency of DC plasma torch would be discussed.

DC plasma torch；generation mechanism of plasma arc；large scale shunting phenomenon；double arc phenomenon

O536

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.05.008

1006－0316 (2020) 05－0045－09

2019－12－05

四川理工學(xué)院“2017年第二批人才引進(jìn)項(xiàng)目”（2017RCL37）；自貢市科技局重點(diǎn)支撐項(xiàng)目（2018YYJC13）；過(guò)程裝備與控制工程四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（GK201802）

曹修全（1989－），男，重慶人，博士，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造裝備設(shè)計(jì)、CAD/CAE、等離子體技術(shù)與應(yīng)用研究，E-mail：cao_comeon@126.com。