等离子枪和包括等离子枪的加热装置 |
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| 申请号 | CN201480010858.4 | 申请日 | 2014-02-25 | 公开(公告)号 | CN105075401A | 公开(公告)日 | 2015-11-18 |
| 申请人 | HHO加热系统私人有限公司; | 发明人 | 兰伯特斯·约翰内斯·西奥多勒斯·范·费尔德霍芬; 理查德·阿里·尼古拉斯·维塞; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种等离子枪，用于加热气体，更特别为位于加热空间内的空气，该等离子枪包括 喷嘴 ，所述喷嘴包括喷嘴壁和位于所述喷嘴壁内的喷嘴开口，所述喷嘴开口的截面的最大直径关于所述喷嘴开口的第一长度的比例大于2。此外，本发明涉及一种加热装置，包括加热空间和这种等离子枪，其中所述等离子枪被设置用于加热气体，更特别为空气，该气体位于所述加热空间内。另外，本发明涉及这样一种加热装置，其中所述等离子枪包括 阴极 、位于阴极和所述喷嘴壁之间的空间、以及用于在该空间的方向上引导 水 或含水液体的通道，并且所述加热装置进一步包括用于将所述等离子枪连接至供水系统的连接机构。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种等离子枪(1)，用于加热气体，更特别为位于加热空间(2)内的空气，该等离子枪(1)包括喷嘴(3)，所述喷嘴(3)包括喷嘴壁(4)和在所述喷嘴壁(4)内的喷嘴开口(5)，所述等离子枪(1)的特征在于，所述喷嘴开口(5)的截面的最大直径(6)关于所述喷嘴开口(5)的第一长度(8)的比例大于2。 |
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| 说明书全文 | 等离子枪和包括等离子枪的加热装置技术领域[0001] 本发明涉及一种等离子枪，用于加热气体，更具体来说用于加热位于加热空间内的空气，该等离子枪包括喷嘴，该喷嘴包括喷嘴壁和位于该喷嘴壁内的喷嘴开口。此外，本发明涉及包括加热空间和等离子枪的加热装置。 背景技术[0002] 加热装置的热源一般基于燃料的燃烧，燃料通常为天然气。最近，增多量的研究已经集中在替代热源的使用上。在加热装置的一个公开和可能能够用作用于加热装置的热源的装置的一些公开中，等离子枪的使用起到作用。 [0003] 等离子枪时能够产生等离子弧的装置，等离子弧从电连接至电压源的阴极延伸。在产生非转移等离子弧的等离子枪中，等离子弧在阴极和阳极之间的空间中产生，阳极为等离子枪的一部分，一般为喷嘴壁。为了产生和保持等离子弧，高电位差是必要的。由于形成等离子的离子化分子，等离子弧是可见的。等离子枪一般包括通道，用于将等离子气体供应至阴极和阳极之间的空间。高电位差的结果是，在等离子弧中的或附近的的等离子气体被转换为等离子，即离子化等离子气体分子。因为等离子气体随后的供应，等离子弧的体积将提高，并且因此在等离子弧中的和周围的温度将提高。传统上，等离子气体为氩气、或氦气、或氢气、或者这些气体的混合物。等离子气体储存在合适的加压气瓶中。许多等离子枪包括单独的、封闭的、水基冷却系统，以保护阴极和等离子枪的其他部分免受等离子的高温。但是，水基冷却系统中的水不直接接触等离子弧。在又一其他等离子枪中，水蒸气或水在阳极至阴极的方向上被引导朝向等离子弧用于产生高速蒸气，参见US2010/0252537。在该专利文件中公开的等离子枪使用氩气的等离子气体代替水蒸气产生等离子弧。产生非转移等离子弧的传统的等离子枪的喷嘴开口的截面一般为具有0.2-0.6mm直径的圆形。喷嘴直径的此特征允许等离子弧聚焦、热量集中。等离子枪主要用于焊接或切割金属物体，US专利5,360,495公开了一种等离子枪，产生宽的、但仍然直的、延伸通过喷嘴开口的等离子“束”。喷嘴开口的长度为使得磁体能够沿喷嘴开口定位。在此专利文件中公开的喷嘴开口的截面为椭圆形，使得等离子弧能够被磁体操纵，使得生成宽的等离子“束”。此喷嘴开口被设计为将等离子弧集中、而不是分散，以产生尖锐的切割边缘。 [0004] CA1 242 000公开了一种装置，包括用于加热高容量空气的等离子枪，该装置可能够用作用于加热装置的热源。这里，等离子弧在椭圆形空间内延伸，椭圆形空间由位于该空间后部附近的电极和位于该空间前部附近的另一电极限定。通过将大量的空气导引通过此空间，等离子弧的热量被释放，并且等离子枪、更具体地是其阴极被保护免受可能的破坏性的高温。此文件没有公开等离子气体被用于供给至等离子弧。可能的是使用了传统的等离子气体。传统的等离子气体被储存在气瓶中，需要重要的安全措施。因此使用在此文件中公开的装置的加热装置不适合用在用于家庭用途的加热装置中，例如用于加热房子。除了传统的气体储存不安全的事实以外，传统的等离子气体的成本本身能够增加整体成本。结果，这种加热装置关于使用成本是不利的。这种系统的另一缺点在于只有高容量空气能够被加热。因此，此系统难于被连接至属于房子中的加热装置的现存的水管道系统。又一缺点在于这种等离子枪包括两个单独的通道系统，一个用于冷却装置的水，一个用于保持等离子弧和提高等离子弧中以及周围的温度的等离子气体。单独的通道系统的生产成本增加了整体的生产成本。而且，此文件没有公开系统的效率的评价。换句话说，其没有公开用于加热高容量空气的潜在使用成本。因此，这种加热装置关于使用成本是否能够与传统的加热装置竞争是不清楚的。 [0005] UA81989公开了一种包括等离子枪的蒸汽发生器。此蒸汽发生器可能够用作用于加热装置的热源。在此情况下，代替等离子弧的蒸汽将提供热源。也就是，在此蒸汽发生器中，冷水被引导沿着由等离子枪产生的等离子弧，主要目标是生成水蒸气或高速蒸汽。将水的体积转化为水蒸气所需的能量减小了系统的效率。另一缺点在于相对大量的冷凝水需要被丢弃。此文件没有公开所使用的等离子气体。因此，能够假设使用传统的等离子气体，以上提到的关于用于家庭用途的加热装置的缺点是相关的。 [0006] DE3735341公开了一种加热装置，其中热源是基于等离子枪。加热装置包括单独的水通道系统，其中水被用作冷却剂，但是不直接接触等离子弧。其包括用于将水供应至燃烧空间的机构，等离子弧延伸通过该燃烧空间。根据以上提到的此专利的发明者，燃烧空间中的水被转化为蒸汽，且热分解以形成氢气。氢气随后被燃烧。此文件没有公开所使用的等离子气体。因此，能够假设使用传统的等离子气体，以上提到的关于用于家庭用途的加热装置的缺点是相关的。在此文件中公开了燃烧空间中的温度能够高达1200℃。但是，可假设当等离子弧产生时，温度将高出许多倍，并能够达到导致材料破坏的温度。也就是，等离子弧中的温度能够高达8000℃。因为水的分解产生氢气，且此氢气在燃烧空间中燃烧，可假设水和/或水蒸气的供应不具有实质的冷却效果。此文件没有提到保护加热装置的冷却措施。提高燃烧空间的尺寸不能解决问题，因为这将降低用于燃烧的氢气的浓度。而且，此文件没有公开加热装置的效率的评估。因此，这种加热装置关于使用成本是否能够与使用天然气的传统的加热装置竞争是不清楚的。 [0007] 当设计用于加热装置或用于与等离子枪结合的加热装置的等离子枪时，产生的问题在不同的方式中涉及温度。重要的是，等离子弧中和等离子弧周围的高温不造成加热装置或等离子枪自身的破坏。提高加热装置中的加热空间的体积不是优选的，因为这将阻止加热装置与传统的加热装置定位在相同的位置。因此重要的是，等离子弧的强度被控制。但是，操作等离子弧的可能性是有限的。必须考虑的约束是，阴极和阳极之间的距离太大，其结果是更加难以生成和/或保持等离子弧，等离子枪内侧和外侧传输热量的有限的可能性，生成和/或保持等离子弧所需的大量的电能，其结果是热效率降低，等等。一方面，应当保证等离子枪的冷却能力能够防止材料破坏和不稳定的电弧，并且另一方面，应当保证产生的热量和使用电能的比例仅可能高。与温度无关的另一问题是如传统使用的氩气、氦气、和/或氢气的等离子气体的储存是不安全的。 发明内容[0008] 因此，本发明的目的在于提供一种等离子枪或者包括等离子枪的加热装置，不使用储存在气瓶中的等离子气体。此外，本发明的目的在于提供一种加热装置，呈现的使用成本等于或低于使用天然气的传统的加热装置的使用成本。此外，本发明的目的在于提供一种加热装置，适于家庭用途，例如用于加热房子，且能够被成本有效地制造并能够被连接至现存的供水系统。 [0009] 为了实现这些目的中的至少一个，本发明提供一种等离子枪，用于加热气体，更特别为，位于加热空间内的空气，该等离子枪包括喷嘴，该喷嘴包括喷嘴壁和位于该喷嘴壁内的喷嘴开口，其中喷嘴开口的截面的最大直径关于喷嘴开口的第一长度的比例大于2。 [0010] 在本发明的一实施例中，以上提到的比例在2-3的范围内。在另一实施例中，以上提到的比例在3-4的范围内。 [0011] 如上描述的包括喷嘴的等离子枪的主要优点在于，其能够产生高度发散的等离子弧。因此，由等离子弧产生的热量的扩散被提高，将这种等离子枪使用在用于家庭用途的加热装置中所需的措施更少。当使用传统的等离子枪时，从喷嘴开口至环绕加热空间的壁的相对的壁部分的距离应当相对高，从而防止该壁部分的破坏。由于所需的此大距离，与用于家庭用途的加热装置结合使用传统的等离子枪是不现实的。但是，根据本发明的等离子枪的一个优点是发散的等离子弧使得用于家庭用途的加热装置中的加热空间的现实尺寸成为可能。 [0012] 如这里关于喷嘴开口使用的术语“长度”旨在包含由喷嘴壁的截面限定的喷嘴开口的平均尺寸，该尺寸平行于等离子弧延伸通过喷嘴开口的主方向。 [0013] 如这里关于喷嘴开口使用的术语“截面”旨在包含横截等离子弧延伸通过喷嘴开口的主方向的截面。 [0014] 在根据本发明的等离子枪的示例性实施例中，喷嘴壁的厚度基本等于喷嘴开口的第一长度，且不超过3mm。 [0016] 在根据本发明的等离子枪的示例性实施例中，喷嘴开口具有非圆形的截面。 [0017] 已发现，非圆形的喷嘴开口有利于提高等离子弧的扩散，和随后的源于等离子弧的热量的扩散，换句话说，用于加宽等离子弧，同时另外用于获得稳定的等离子弧。 [0018] 优选地，喷嘴壁包括具有椭圆形截面的喷嘴开口，其中，截面的第二长度大于截面的宽度至少1.3倍。在不希望被理论束缚的情况下，宽度能够足够保持等离子弧，而第二长度使得其等离子弧的扩散被提高。 [0019] 在根据本发明的等离子枪的另一示例性实施例中，喷嘴壁包括具有椭圆形截面的喷嘴开口，喷嘴开口的截面具有在3-5mm范围内的第二长度和在1-2.5mm范围内的宽度。 [0020] 在根据本发明的等离子枪的又一示例性实施例中，其进一步包括阴极、位于阴极和喷嘴壁之间的空间、以及用于在空间的方向上引导水或含水液体的通道。 [0021] 使用用于根据本发明的等离子枪的水或含水液体的优点在于，在使用等离子枪期间，在空间的方向上引导通过通道的一部分水或含水液体在紧邻等离子弧处由于等离子弧产生的热量被转化成蒸汽。蒸汽非常有力地驱动等离子弧通过喷嘴开口。因为等离子弧能够在等离子枪外侧的大范围内延伸，并例如延伸至加热空间内，由等离子弧产生的热量能够被最佳地利用，例如加热在加热装置中的介质。蒸汽的另一优点在于，因为等离子弧内和等离子弧周围的非常高的温度，水分子被分解为氢气和氧气。氢气被用作等离子气体，在等离子弧中产生的离子化氢原子提高了等离子弧的体积并提高了等离子弧内和等离子弧周围的温度。因此，当在加热装置中使用根据本发明的等离子枪时，储存在气瓶中的传统的等离子气体的使用是不需要的和能够被省略的。驱动等离子弧通过喷嘴开口的蒸汽的另一优点，以及拉长和加宽等离子弧的结果是，由于过高的温度造成的阴极和喷嘴壁的材料破坏能够避免。优选地，通道至少部分地延伸通过等离子枪并在紧邻阴极处终止。 [0022] 优选地，阴极在远离喷嘴开口的方向上延伸通过通道。 [0023] 这种等离子枪的优点在于，水或含水液体能够被用于产生蒸汽，以使得等离子弧更宽和更有力，以及用于冷却阴极。不需要用于等离子气体和用于冷却的单独的系统，其结果是包括这种等离子枪的加热装置的制造成本能够被限制。由于由等离子弧产生的热量，水或含水液体经历环绕阴极的涡流运动，从而提高了水或含水液体的冷却效率并保护阴极。优选地，通道为管状的，并且为了最佳的冷却效率阴极被关于通道同心定位。 [0024] 如这里使用的术语“阴极”旨在包含形成关于导电性和导热性的一个实体的等离子枪的一部分。在紧邻喷嘴壁处产生等离子弧的阴极部分为该实体的一部分。 [0025] 在根据本发明的等离子枪的再一示例性实施例中，其包括由玻璃或石英玻璃构成的管形部件，管形部件具有大于或等于阴极的最大外径的内径，其中，在安装状态下，管形部件被插入通道中，阴极被插入管形部件中，使得在运行状态下，通道内的水或含水液体能够从管形部件内侧至管形部件的外侧来回移动。 [0026] 管形部件用作主要环绕阴极的电隔离层，并有效地允许阴极和用作阳极的喷嘴壁的部分之间恒定的电位差。管形部件进一步导致有利于冷却阴极的特定分段。由于高温和高速蒸汽的产生导致的压力提高的结果是，管形部件中的水或含水液体被搅动。此搅动能够为涡流运动。由于当存在于管形部件的内侧时水或含水液体吸收阴极的热量、当存在于管形部件的外侧时随后将此热量释放至环境的能力，其能够有效地冷却阴极。优选地，冷却阴极的能力足以防止材料破坏。 [0027] 在根据本发明的等离子枪的又一示例性实施例中，其包括贮液器，贮液器适于容纳水或含水液体、且与通道流体连接。 [0028] 贮液器能够填充软化水，来自公共用水系统的自来水，或者水和另一液体、例如酒精等的混合物。优选地，自来水或软化水用作加热装置中的液体，因为在那种情况下没有有害的蒸汽或物质将被释放，因此将不需要安全措施。贮液器可为可连接至供水系统，可能地插入包括阀等的配量系统。优选地，等离子枪被配置为使得其液体使用为30-1,000ml/hr。 [0029] 进一步地，本发明提供一种加热装置，包括加热空间和根据本发明的等离子枪，等离子枪用于加热气体，更特别为空气，该气体位于加热空间内。 [0030] 在这种加热装置中，热源为由等离子枪产生的等离子弧，该等离子弧是发散的，使得加热空间的尺寸能够使得加热装置能够容易地建立在私宅或小型工业中。 [0031] 在此加热装置使用水或水蒸气作为等离子气体的情况下，除了用于产生和保持等离子弧所消耗的电能，还需要水或含水液体的供应的简单引入。此外，在加热装置操作期间，没有有害的物质将被释放。 [0032] 此外，本发明提供一种根据本发明的加热装置，包括加热空间和等离子枪，其中等离子枪包括阴极、位于阴极和喷嘴壁之间的空间、以及用于在空间的方向上引导水或含水液体的通道，并且加热装置进一步包括连接机构，用于将等离子枪连接至供水系统。 [0033] 这种加热装置的优点在于其能够被设计为使得供水系统的水能够在空间的方向上被连续地引导。优选地，连接机构包括配量系统，例如包括阀等，使得水的配量通道是可能的，且供水与供水系统中的现存压力无关。优选地，通道至少部分地延伸通过等离子枪并在紧邻阴极处终止。 [0034] 在示例性实施例中，连接机构包括用于在通道中产生压力的压力调节器，压力在800mbar-1300mbar的范围内。供水系统中的平均压力为约3bar。此压力过高，且不适于产生或至少保持稳定的等离子弧。在此情况下，压力应当减小。另一方面，平均环境压力对于等离子枪的最佳功能来说太低。在此情况下，水或含水液体源应当加压。发明者已经通过实验示出从800mbar至1300mbar的范围内的水压导致稳定的等离子弧。 [0035] 优选地，根据本发明的加热装置的加热空间被管道系统环绕，管道系统使得例如水的液体介质能够流动靠近加热空间。优选地，热交换器的管道系统可连接于加热装置的现存的管道系统，例如可连接于属于传统的加热装置的引导通过房子的房间的现存的水管道系统。 [0036] 见上文，根据本发明的加热装置与UA81989和DE3735341中公开的装置的区别在于，在根据本发明的加热装置中，水在阴极和喷嘴壁之间的空间的方向上被引导，且喷嘴开口相对宽。因此，形成的蒸汽能够使得等离子弧更宽。随后，氢气将被形成并将被用作等离子气体以加强等离子弧。在UA81989和DE3735341中公开的装置中，在蒸汽形成的加热空间的方向上引导水不能影响等离子弧的强度和形状。此外，可能形成的氢气不存在于其能够被用作等离子气体的位置处。 [0037] 在根据本发明的加热装置的示例性实施例中，喷嘴壁被配置为至少部分用作阳极，并且加热装置还包括电压源，在安装状态下，该电压源可连接至阴极且被配置为提供阴极和喷嘴壁的用作阳极的部分之间的160-190伏特的直流电。 [0038] 优选地，加热装置包括控制机构，以将此直流电保持在160和190伏特之间。电位差应当足够高以保持稳定的等离子弧，但是应当足够低，以导致使用最少量电能的有效的加热装置。在本发明的示例性实施例中，电流强度以4和9安培之间的恒定的电位差变化。作为替代，或另外，加热装置可包括用于控制电流强度的控制机构。因此，电压源能够基于恒定的电流和变化的电位差来工作，优选地在160和190伏特之间。 [0039] 已发现，包括这种喷嘴壁的等离子枪产生高度扩散的等离子弧，换句话说，与由传统的等离子枪产生的等离子弧相比更加发散。此为，等离子弧保持稳定，且能够在大范围中突出至加热空间内。 [0040] 见上文，因为喷嘴开口与传统的等离子枪的喷嘴开口不同的事实，更多的蒸汽能够被驱使通过喷嘴开口，其结果是等离子弧的扩散增加，并随后因此导致热量增加。因此，从等离子弧向加热空间中的介质的热传导被提高。这有利于使得等离子枪能够有效地加热介质。然而，其也有利于防止材料破坏以及有利于设计具有实用尺寸的加热空间。 [0041] 根据本发明的等离子枪的意外的优点在于，与包括传统的喷嘴的类似的等离子枪相比，其消耗更少的电能。可能地，喷嘴开口的特殊形状提高阴极和喷嘴壁的用作阳极的部分之间的电阻。 [0042] 在根据本发明的加热装置的示例性实施例中，加热能力与使用天然气的传统的加热装置的加热能力类似。发明者已经发现，考虑到天然气目前的价格，与使用天然气的传统的加热装置相比，根据本发明的加热装置的示例性实施例关于使用成本更加有利。也可在章节：附图的详细描述的结尾看到此示例性实施例的描述。 [0043] 在根据本发明的加热装置的示例性实施例中，加热空间由壁限定，该壁包括至少一个孔，其中孔的截面的最小尺寸大于等离子枪的面向孔的端部的最大截面的最大尺寸至少2倍。此相对宽的孔有利于控制由等离子弧产生的热量。 [0044] 在根据本发明的加热装置的又一示例性实施例中，等离子枪突出通过限定加热空间的壁中的孔，使得其主要位于加热空间外侧，并且喷嘴开口被定位为紧邻孔。 [0045] 优选地，等离子枪的位于加热空间外侧的部分包括在远离喷嘴开口的方向上延伸通过通道的阴极的大部分，使得源自阴极并由水或含水液体吸收的热量能够由于水或含水液体从管形部件内侧至管形部件外侧来回移动而随后被释放至加热空间外侧的区域。发明者已经发现，当等离子枪大部分位于加热空间中时，等离子枪内的温度超出阈值，该阈值被设定为了防止材料破坏。 [0046] 在示例性实施例中，加热空间的本性为使得加热空间的截面的一个尺寸不超出150cm。优选地，加热空间的截面的一个尺寸不超出75cm。由于根据本发明的等离子枪的等离子弧是发散的，且热量能够充分地扩散这一事实，加热空间能够具有实际的尺寸是可能的。由于等离子弧的发散形状，热量更少地集中，且限定加热空间的加热空间壁的材料将不暴露于过度的温度。这种加热空间的优点是整个加热装置的外型尺寸、其中加热空间是容量最大的，与使用天然气的传统的加热装置的外型尺寸是可比较的。因此，根据本发明的加热装置能够不困难地替代传统的加热装置。 附图说明[0047] 现在，本发明将参照如附图所示的其示例性实施例更详细地描述，其中： [0048] 图1示出了根据本发明的加热装置的示例性实施例的等离子枪的截面的示意图； [0049] 图2示出了根据本发明的加热装置的示例性实施例的截面的示意图； [0050] 图3示出了根据本发明的加热装置的示例性实施例的喷嘴壁的俯视示意图； [0051] 图4示出了根据本发明的加热装置的示例性实施例的喷嘴壁的截面的示意图。 具体实施方式[0052] 图1示出了等离子枪(1)，其为图2中示例性示出的根据本发明的加热装置(10)的示例性实施例的热源。等离子枪(1)包括喷嘴壁(4)、阴极(13)和贮液器(17)。阴极(13)同心地插入由玻璃或石英玻璃构成的管形部件(16)中，管形部件(16)随后被插入存在于等离子枪(1)中的通道(15)中。水能够被引入通道(15)中。其显示为管形部件(16)关于通道(15)和阴极(13)定位，使得水被允许存在于阴极(13)和管形部件(16)之间、以及管形部件(16)和限定通道(15)的等离子枪(1)的加热空间壁之间。阴极被提供有连接机构(19)，用于将阴极关于管形部件固定，在此示例性实施例中，其为具有突起的橡皮护套。指示连接机构(19)的箭头指向这些突起。 [0053] 图2示出了等离子枪(1)关于加热空间(2)定位的方式。例如水能够流动通过环绕加热空间(2)的水管(20)。优选地，水管(20)可连接于能够与传统的加热装置结合使用的现有的供水系统。显示出，非常示意性表示的等离子弧被驱使至加热空间内，且能够释放其热量。见上文，本发明的概要指出，根据本发明的等离子枪产生发散的等离子弧，并且由等离子弧产生的热量能够相应地扩散。因此，防止了材料破坏。为了使得存在于通道(15)内的水或含水液体能够充分地冷却阴极(13)，阴极(13)和管形部件(16)延伸穿过的等离子枪的部分被定位在加热空间(2)外侧。 [0054] 在图3和图4中，示意性示出喷嘴(3)的放大图。图3示出了喷嘴(3)的俯视图，其示出了在图2中也可见的扁平边缘。图4是图3所示的喷嘴壁(4)的A-A截面并放大。对于示出的喷嘴(3)，图3示出喷嘴开口(5)的截面的第二长度(11)大于喷嘴开口(5)的截面的宽度(12)的1.7倍。图4清楚地示出喷嘴开口(5)的截面的最大直径(6)关于喷嘴开口(5)的第一长度(8)的比例大于2。更具体地，此比例大约为4。 [0055] 在根据本发明的加热设备的优选示例性实施例中，布局如图2中所示，等离子枪如图1中所示，喷嘴如图3和图4中所示。当保持160-190伏特的直流电时，关于其加热能力，此示例性实施例等于使用天然气的传统加热装置。对于此示例性实施例，连续工作的等离子弧所需的电力，即当加热装置为“开启”时，在0.6kW-1.7kW的范围内。当考虑目前的气体价格时，此示例性实施例的使用成本低于使用天然气的传统的加热装置。除了低的使用成本，这种加热装置的制造成本也非常低。 |
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