[发明专利]等离子体设备和系统

说明书

相关申请的参见

本申请要求2006年11月28日提交的美国申请No.11/564,080的优先权，在此以参见的形式引入其公开内容。 

技术领域

本发明大体上涉及等离子体喷枪和等离子体系统，以及更具体的涉及用于材料的等离子体处理和等离子喷涂的双等离子体喷枪。 

背景技术

用于材料的等离子体处理和等离子喷涂的热等离子体系统的效率和稳定性可由各种参数影响。正确地建立等离子流并维持等离子流的工作参数可由例如形成与电极有可靠连接的稳定电弧的能力所影响。类似地，电弧的稳定性也可为电极腐蚀和/或等离子流轮廓或位置的稳定性的函数。等离子流的轮廓和位置的改变可导致由等离子体喷枪产生的等离子流的特性的变化。另外，等离子体的轮廓、位置和特性的这种变化可影响等离子体系统产生的等离子体处理材料或涂层的质量。 

在如示于图1的传统的双等离子体设备100中，阴极头和阳极头10、20通常布置成彼此成90度角。供给管道112，通常布置在头之间，可提供待被等离子体处理的材料。部件通常布置成提供封闭的处理区110，在该处理区中发生电弧耦合。彼此之间相对紧密的接近以及由其围封的小空间，通常会产生电弧不稳定的趋势，特别是在高压和/或低的等离子体气体流率时。在电弧优先地将其本身连接到较低电阻通路时会发生电弧的不稳定，通常称为“侧面起弧(side arcing)”。通常涉及使用屏蔽气体来企图防止侧面起弧，但是，这种方法通常导致设计更加复杂，并且导致等离子体的温度和焓较低。较低的等离子体的温度和焓从而导致更低的处理效率。 

附图说明

所要求保护的主题的特征和优点将从下文中与其一致的实施例的描述中变得明显，其中描述应该结合附图来考虑，其中： 

图1为传统的倾斜的双等离子体设备的实施例的详细示意图； 

图2为双等离子体设备的示意图； 

图3a-b分别示意性地描述了与本发明一致的阴极等离子体头和阳极等离子体头的实施例； 

图4为与本发明的一个方面一致的等离子体通道的实施例的详细视图，其中等离子体通道包括三个具有不同直径的圆柱形部分； 

图5为与本发明一致的具有形成模块的上游和下游部分的形成模块的实施例的详细示意图。 

图6示出了设置为将辅助等离子体气体输送到等离子体通道的实施例； 

图7a-b描述了与本发明一致的用于喷射辅助等离子体气体的装置的轴向和径向横截面和剖面视图； 

图8a-b示出了设置为轴向喷射材料的单个双等离子体喷枪的视图； 

图9a-c示出了设置为径向喷射材料的单个双等离子体喷枪； 

图10为包括两个双等离子体喷枪的等离子体喷枪组件的示意图； 

图11a-b为等离子体喷枪组件的顶视图和底视图，该等离子体喷枪组件包括设置为轴向喷射材料的两个双等离子体喷枪；以及 

图12a-b示出了喷枪定位成50°时，等离子体气体流率和电流对电弧电压的影响。 

具体实施方式

总的来说，本发明可提供双等离子体喷枪系统，双等离子体喷枪系统的模块和元件，等等，它们可在各种实施例中显示以下的一个或多个：相对宽的等离子体参数工作窗口，更稳定和/或更均匀的等离子流，以及更长的电极寿命。另外，本发明可提供可以控制待被等离子体处理或等离子喷涂的材料喷射进等离子流的工具。因为双 等离子体设备相对高的效率，其可在材料的等离子体处理、粉末球化、废物处理、等离子喷涂等等中得到广泛的应用。 

与本发明一致的双等离子体设备可提供基本上更高效率的材料等离子体处理。部分地，可由相对低的等离子体流率和速度和可为大概或低于大约700-100的相关雷诺数来实现更高的效率。与这种等离子体流率和速度一致，材料在等离子体流中的停留时间可足够长以允许等离子能量的有效利用，所期望的等离子体处理期间的材料转变可以以高的效率和生产率发生。另外，与本发明一致的双等离子体设备也可减少，或消除侧面起弧的发生，侧面起弧通常与高电压和/或低的雷诺数有关。 

参看图2，双等离子体设备100可在阳极等离子体头20和阴极等离子体头10之间产生电弧7，其中阳极等离子体头20和阴极等离子体头10相应地连接到DC电源的正极端子和负极端子。如图2所示，等离子体头10和20可布置成彼此成α角，轴的会聚提供等离子体头10、20的耦合区。