一种基于旋流半导体的低压滑动弧点火器

本发明主要应用于等离子体点火助燃、等离子体裂解、等离子体废气处理等领域，具体涉及一种旋流半导体的低压滑动弧点火器。

背景技术：

1、与常规火花放电不同，滑动弧放电是非热电弧放电的一种典型代表，滑动弧放电不仅能够释放高温等离子体，而且能够产生较多的活性粒子。在工作过程中存在伴随击穿模式和稳定滑动模式两种工作模式。滑动弧放电点火器广泛应用于材料的表面处理、有毒废物清除、点火助燃、裂解等领域。滑动弧放电分为三个阶段：第一阶段是击穿空气，形成等离子体放电通道；第二阶段是在旋流气体的驱动下，发展成等离子体放电通道；第三阶段是电弧熄灭，在电弧熄灭的同时会有新的电弧形成，周而复始，最终形成滑动弧。

2、目前滑动弧激励系统通常采用空气间隙放电，利用高电压击穿空气形成导电通道，为形成滑动弧创造条件。由于空气没有击穿前属于绝缘体，整个激励系统呈现高阻抗特点。为达到可靠击穿，滑动弧的电源系统初始阶段必须提供一个高电压。但是一旦空气击穿，空气间隙电阻迅速降低，整个激励系统呈现低阻抗特点。此时电弧压降迅速减小。但为了保证滑动弧稳定，需要提供一个大电流。因此，此时滑动弧电源需要提供一个低压大电流。

3、综上，由于目前滑动弧点火器的击穿过程和稳定放电过程的阻抗存在较大差异，导致电源需在两种工作模式之间切换工作，增加了电源设计的复杂性，导致电源体积和重量增加。

技术实现思路

1、有鉴于此，为解决现有滑动弧点火器工作过程中阻抗变化大导致电源设计难度增加的问题，本发明提出一种基于旋流半导体的低压滑动弧点火器，包括射流孔101、外壳102、外部引气管103、安装螺纹104、阴极105、绝缘体106、阳极107、气流通道108、半导体旋流器109、进气孔110、定位台阶111、进气通道112；其中

2、外壳102整体呈空心圆柱体形状，具有上端面，端面中央打孔；外壳102内部下端处设有内螺纹，该内螺纹与安装螺纹104配合固定；

3、外部引气管103自外壳102下部、靠近外壳102内螺纹上部的位置与外壳102固定连接，外部引气管103不接触外壳102内螺纹，外部引气管103自下而上斜插入外壳102；外壳102在外部引气管103引入处打通孔，用以通过外部引气管103引入外部气体；

4、阴极105为中空圆柱体，头尾两端开放，阴极105外部为圆柱体形状，阴极105外壁面沿圆周方向与外壳102内壁面之间留有间隙，形成进气通道112；阴极105内腔分为头部、中部、尾部三段，阴极105头部内腔朝头部出口处逐渐收拢，半径逐渐减小；阴极105内腔中部直径小于尾部直径，中间自然形成一个台阶；在阴极105内部的尾部加工定位台阶111，用于卡住绝缘体106，定位台阶111下端面与阴极105下端面保持一定间距；

5、阴极105内腔靠近头部的通孔与外壳102头部的通孔共同形成射流孔101；

6、在阴极105外部的尾部加工安装螺纹104；安装螺纹104位于进气孔110下方，与进气孔110保持一定间距；

7、阴极105内腔中部靠近头部处布置一上一下两组进气孔110，每组进气孔包括沿圆周均匀分布的多个进气孔，这些进气孔均为贯穿阴极105内外壁面的通孔，进气孔110与进气通道112、气流通道108和射流孔101均相通；

8、绝缘体106是位于阴极105和阳极107之间的一个空心结构体，围绕点火器轴线呈旋转对称结构；绝缘体106外壁分为上、中、下三段圆柱体结构，从上至下直径依次增大；上段圆柱体外壁面与阴极105内壁面保持一定间距；中段圆柱体与上段圆柱体紧邻处向外凸出形成凸台，凸台位于两组进气孔110之下，与阴极105内腔中部内壁面处于过盈配合状态；中段圆柱体与下段圆柱体交界处形成的台阶恰与阴极105中部和尾部之间形成的台阶形状相应，从而使下段圆柱体与阴极105内壁紧密接触；绝缘体106的内部空腔形成两个直径不同的空心圆柱体结构，上方空心圆柱体直径小于下方空心圆柱体结构，二者共同形成通孔；绝缘体106上端面与阴极105上端面保持一定距离，绝缘体106上端面低于阴极105上端面；绝缘体106下端面与定位台阶111的上端面齐平；

9、阳极107由半球形放电端、细实心圆柱体和粗实心圆柱体三部分一体化形成；头部为半球形放电端，从绝缘体106上端面向上凸出，靠近射流孔101布置；头部下面是细实心圆柱体，该圆柱体直径与头部半球直径相等；细实心圆柱体下面是粗实心圆柱体，粗实心圆柱体的直径大于细实心圆柱体的直径；阳极107的半球形放电端和粗细实心圆柱体长棒自下而上插入绝缘体106下部大孔中，穿过该孔进入绝缘体106上部小孔中；阳极107头部半球形放电端与阴极105之间、在径向上留有间隙；阳极107的外壁面与绝缘体106的外壁面之间形成顺滑连接；阳极107与阴极105之间形成的气流通道、绝缘体106与阴极105之间形成的气流通道共同构成气流通道108；

10、半导体旋流器109由中空圆柱体和固定于其外的多个沿径向均匀分布的扇形叶片构成，中空圆柱体的内径与阳极107细实心圆柱体的外径相等，半导体旋流器109通过中空圆柱体紧固安装于阳极107的外壁面上，由此嵌入阴极105与阳极107半球形头部之间，轴向位于绝缘体106上端位置，但不与绝缘体106接触；半导体旋流器109只遮挡气流通道108的少部分。

11、在本发明的一个实施例中，一组进气孔110数量为3～6个；进气孔110直径为1～5mm；第一组进气孔110与点火器头部端面的距离为15～40mm；第二组进气孔110与点火器头部端面的距离为30～60mm；安装螺纹104与进气孔110之间的距离为60～180mm。

12、在本发明的一个具体实施例中，一组进气孔110数量为4个；进气孔110直径为2mm；第一组进气孔110与点火器头部端面的距离为20mm；第二组进气孔110与点火器头部端面的距离为35mm；安装螺纹104与进气孔110之间的距离为80mm。

13、在本发明的另一个实施例中，绝缘体106上端面距离阴极105上端面10～40mm，绝缘体106的外径为5～25mm；绝缘体106上方空心圆柱体的直径为1～7mm；下方空心圆柱体直径为4～15mm。

14、在本发明的另一个具体实施例中，绝缘体106上端面距离阴极105上端面25mm，绝缘体106用三氧化二铝陶瓷加工而成；绝缘体106上方空心圆柱体的直径为4mm；下方空心圆柱体直径为9mm。

15、在本发明的又一个实施例中，阳极107头部半球直径为1～8mm，底部长棒最大径向长度为4～10mm；阳极107头部半球形放电端与阴极105之间在径向上间隙为0.5～3mm。

16、在本发明的又一个具体实施例中，阳极107由镍合金加工而成，头部半球直径为4mm，底部长棒最大径向长度为7mm；阳极107头部半球形放电端与阴极105之间在径向上间隙为1.5mm。

17、在本发明的再一个实施例中，外壳102的外径为20～30mm；外部引气管103的倾斜角度范围为15～80度；外部引气管103的内径为5～15mm；

18、在外部引气管103处布置法兰盘，法兰盘与所述点火器共轴；

19、射流孔101直径为6～12mm；

20、定位台阶111距阴极105内部的尾部端面为2-5mm。

21、在本发明的再一个具体实施例中，

22、外壳102的外径为25mm；外部引气管103的倾斜角度为60度；外部引气管103的内径为6mm；

23、半导体旋流器109遮挡气流通道108的圆心角度不超过10°，半导体旋流器109材料为半导体特性的陶瓷；

24、射流孔101直径为8mm；

25、定位台阶111距阴极105内部的尾部端面为3mm。

26、上述基于旋流半导体的低压滑动弧点火器的工作过程如下：电源系统提供的高压通过线缆连接点火器的阳极107，电源系统接地端及阴极105接地；通电时，由于点火器半导体旋流器109一端与阴极105相接触，另一端与阳极108相接触，因此其两端电压升高，半导体旋流器109位于阴极105和阳极107之间的空隙位置，随着阴极105和阳极107两端之间电压的升高，由于半导体的低电阻特性，会随机出现闪络现象，从而产生引弧作用，使得阴极105和阳极107从闪络处开始起弧；起弧的同时，外部引气通过外部引气管103进行引气，引气经由外部引气管103进入外壳102和阴极105之间的进气通道112，之后进入进气孔110，随后进入气流通道108，用以点火，形成滑动弧，在气动作用下，滑动弧在射流孔101内滑动，最终形成滑动弧激励输出。

27、本发明在传统滑动弧点火器基础上引入半导体起弧器件。利用半导体的低压起弧特性，解决现有滑动弧点火器需要高压击穿的难题。同时，半导体器件在没有实现表面低压起弧前，整体呈现为千欧姆量级。利用半导体的这些独特优势，基于旋流半导体的低压滑动弧点火器能够有效降低对于电源设计的要求，提高工程实用性，降低电源系统的体积重量。