TWI581671B - Plasma torch device - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種電漿裝置，特別是指一種電漿火炬裝置。
電漿火炬裝置在工業界廣泛使用於金屬熔鍊、奈米級微細顆粒之噴塗、材料表面之改質，以及廢棄物的處理等。其中，所述廢棄物例如放射性汙產物、重金屬汙染物、焚化爐之爐渣等，並透過電漿火炬裝置以高溫火焰將所述廢棄物熔融、裂解或氣化處理，藉此除去毒性、減少體積。
一般電漿火炬裝置通常包含一個前電極與一個後電極，以及一個貫穿該前電極與該後電極的中央通道，該前電極與該後電極可被驅動而在該中央通道放電產生電弧。然而，一般電漿火炬裝置的後電極產生電弧時，電弧的弧根會固定停留在後電極的內壁面的局部區域，因此電弧的弧根的熱能容易集中而熔蝕後電極的內壁面。
由此可知，一般電漿火炬裝置在使用時，由於後電極的熱負荷劇烈，故後電極容易被電弧熔蝕導致壞損，因此一般電漿火炬裝置的壽命較短，而且還常常需要
進行維修更換，不僅不方便使用，其設備維護成本亦較高。
因此，本發明之目的，即在提供一種可提升使用壽命與維修周期進而降低設備維護成本的電漿火炬裝置。
於是，本發明電漿火炬裝置，包含：一個電極單元、一個氣流產生單元、一個前冷卻單元、一個後冷卻單元，以及一個移動磁座單元。
該電極單元包括相對設置的一個前電極與一個後電極，以及一個貫穿該前電極與該後電極的中央通道，該後電極具有一個圍繞該中央通道的後內側面。該氣流產生單元安裝於該前電極與該後電極之間，並可將氣體送入該中央通道。該前冷卻單元圍繞於該前電極之外而用於降低該前電極的溫度，而該後冷卻單元包括一個圍繞於該後電極之外的後冷卻套，以及一個位於該後冷卻套與該後電極之間且可降低該後電極的溫度的後冷卻空間。該移動磁座單元包括一個安裝於該後冷卻空間內且可移動地圍繞於該後電極之外的移動磁性座，以及一個用於驅動該移動磁性座相對該後電極移動的驅動機構。該前電極與該後電極可被驅動而在該中央通道內放電產生電弧，透過該移動磁性座相對該後電極移動，進而帶動電弧的弧根在該後電極之後內側面移動。
本發明之功效在於：透過該移動磁座單元的移
動磁性座可被該驅動機構驅動而移動，進而帶動電弧的弧根在該後電極之後內側面進行大面積往復式移動，藉此減緩電弧熔蝕該後電極的速率，不僅能使該電漿火炬裝置長時間穩定運行，更能提升該後電極之使用壽命、維修週期與可靠度，以有效達到降低該電漿火炬裝置運轉成本之目標。
1‧‧‧電極單元
11‧‧‧前電極
111‧‧‧前內側面
12‧‧‧後電極
121‧‧‧後內側面
13‧‧‧中央電極
131‧‧‧中央內側面
14‧‧‧中央通道
141‧‧‧前端口
142‧‧‧後端口
15‧‧‧透視件
2‧‧‧氣流產生單元
21‧‧‧第一進氣機構
210‧‧‧第一氣道
211‧‧‧第一套環件
212‧‧‧第一內環面
22‧‧‧第二進氣機構
220‧‧‧第二氣道
221‧‧‧第二套環件
222‧‧‧第二內環面
3‧‧‧前冷卻單元
31‧‧‧前冷卻套
32‧‧‧前冷卻空間
321‧‧‧進氣口
322‧‧‧出氣口
33‧‧‧水冷套
34‧‧‧水冷空間
341‧‧‧入口
342‧‧‧出口
4‧‧‧後冷卻單元
41‧‧‧後冷卻套
42‧‧‧後冷卻空間
5‧‧‧固定磁座單元
51‧‧‧固定座體
52‧‧‧磁鐵
6‧‧‧移動磁座單元
61‧‧‧移動磁性座
611‧‧‧移動座體
612‧‧‧磁鐵
613‧‧‧齒部
62‧‧‧驅動機構
621‧‧‧驅動件
622‧‧‧傳動件
623‧‧‧導桿件
9‧‧‧軸線
900‧‧‧電弧
900’‧‧‧電弧
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是本發明電漿火炬裝置之一第一較佳實施例之一側視剖視示意圖；圖2是一側視剖視示意圖，顯示該第一較佳實施例之一移動磁性座帶動電弧的弧根往後移動；圖3是一側視示意圖，單獨顯示該第一較佳實施例之一第一套環件；圖4是一側視示意圖，單獨顯示該第一較佳實施例之一第二套環件；及圖5是本發明電漿火炬裝置之一第二較佳實施例之一側視剖視示意圖。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖1、2，本發明電漿火炬裝置之第一較佳
實施例包含：一個電極單元1、一個氣流產生單元2、一個前冷卻單元3、一個後冷卻單元4、一個固定磁座單元5，以及一個移動磁座單元6。
本實施例的電極單元1包括相對設置的一個前電極11與一個後電極12、一個位於該前電極11與該後電極12之間的中央電極13，以及一個沿著一個軸線9長向延伸而貫穿該前電極11、該中央電極13與該後電極12的中央通道14。
該前電極11具有一個圍繞該中央通道14的前內側面111，該後電極12具有一個圍繞該中央通道14的後內側面121，而該中央電極13具有一個圍繞該中央通道14的中央內側面131。該前電極11、該後電極12與該中央電極13的材料可為電性良好之銅(Cu)、鉿(Hf)、鎢(W)、鋯(Zr)，或此等之一組合的合金。
在實施上，該電極單元1當然還包括一個可施予該前電極11、該後電極12與該中央電極13脈衝高電壓或射頻高壓電的激發產生器(圖未示)，藉此施予該前電極11與該中央電極13正電，而施予該後電極12負電。於是可透過該激發產生器驅動該前電極11與該後電極12，使該前電極11與該後電極12在該中央通道14內放電，並在該前內側面111與該後內側面121之間產生一電弧900。同時也透過該激發產生器驅動該中央電極13與該後電極12，使該中央電極13與該後電極12在該中央通道14內放電，並在該中央內側面131與該後內側面121之間產生一
電弧900’。至於該激發產生器的具體結構及其作用原理，非本發明改良的重點，不再詳細說明。
該中央通道14具有一個位於該前電極11之一端的前端口141，以及一個與該前端口141相反且位於後電極12之一端的後端口142。在實施上，該電極單元1還可包括一個安裝於該後端口142的透視件15，藉此可觀察該中央通道14內的電弧900、900’狀況，前述透視件15的材料可為石英玻璃。
參閱圖1、3、4，本實施例的氣流產生單元2安裝於該前電極11與該後電極12之間，並可將氣體送入該中央通道14。該氣流產生單元2包括一個第一進氣機構21與一個第二進氣機構22。
該第一進氣機構21具有一個安裝於該中央電極13與該後電極12之間且圍繞該中央通道14的第一套環件211，以及數個連通該中央通道14而可將氣體送入該中央通道14的第一氣道210。該第二進氣機構22具有一個安裝於該中央電極13與該前電極11之間且圍繞該中央通道14的第二套環件221，以及數個連通該中央通道14而可將氣體送入該中央通道14的第二氣道220。
該第一套環件211具有一個第一內環面212，而該等第一氣道210分別由該第一內環面212的切點向外延伸，以使送入該中央通道14內的氣體產生漩渦流，該第二套環件221具有一個第二內環面222，而該等第二氣道220分別由該第二內環面222的切點向外延伸，以使送入
該中央通道14內的氣體產生漩渦流。其中，本實施例透過氣體所產生的漩渦流可使電弧900、900’高速迴旋運動，藉此可避免電弧900、900’在該中央通道14之單一區域停留，而進而可減緩或避免該後電極12之後內側面121因為熱負荷過高所造成的熔蝕損傷。
在實施上，該第一套環件211與該第二套環件221皆由絕緣材料所製成，具體可為鐵氟龍(Polytetrafluoroethene，簡稱PTFE)、聚醚醚酮(Polyetheretherketone，簡稱PEEK)、陶瓷或石英等，不需限制。
參閱圖1、2，本實施例的前冷卻單元3包括一個圍繞於該前電極11之外的前冷卻套31，以及一個位於該前冷卻套31與該前電極11之間且可降低該前電極11的溫度的前冷卻空間32。本實施例的後冷卻單元4包括一個圍繞於該後電極12之外的後冷卻套41，以及一個位於該後冷卻套41與該後電極12之間且可降低該後電極12的溫度的後冷卻空間42。
在本實施例中，該前冷卻單元3與該後冷卻單元4皆為水冷裝置的形式，並分別透過一個泵浦(圖未示)將冷水注入該前冷卻空間32與該後冷卻空間42內，藉此冷卻該前電極11與該後電極12在放電引弧時所產生的高溫，並分別透過前述泵浦將被加熱的水抽離該前冷卻空間32與該後冷卻空間42，以維持連續性的冷水注入與熱水排出。至於前述水管線路設計並非本發明的重點，不再詳
述。當然在實施上，冷卻該前電極11與該後電極12的手段不限於本實施例前述之舉例，也可為透過空氣冷卻或是其他介質(例如油)，不需限制。
本實施例的固定磁座單元5安裝於該前冷卻空間32內且圍繞該前電極11而遠離該後電極12，並包括一個套設於該前電極11之外且鄰近該中央通道14之前端口141的固定座體51，以及數個安裝於該固定座體51內的磁鐵52。在實施上，只要該固定磁座單元5能夠提供磁力即可，其具體的結構、材料以及產生磁力的手段，皆不限於本實施例的舉例。
本實施例的移動磁座單元6包括一個安裝於該後冷卻空間42內且可移動地圍繞於該後電極12之外的移動磁性座61，以及一個用於驅動該移動磁性座61相對該後電極12前後往復移動的驅動機構62。
該移動磁性座61具有一個可移動地套設於該後電極12之外且可沿著該軸線9往復移動的移動座體611，以及數個安裝於該移動座體611內的磁鐵612。該驅動機構62與該後冷卻單元4結合安裝，並包括一個設置於該後冷卻套41上的驅動件621、一個連接於該驅動件621與該移動座體611之間且與該後電極12間隔平行的傳動件622，以及一個與該後電極12間隔平行的導桿件623，該移動座體611可移動地穿設該導桿件623。
在本實施例中，該驅動件621為馬達的形式，而該傳動件622為螺桿的形式，並且該移動座體611具有
一個與該傳動件622相嚙合的齒部613。因此，當該驅動件621驅動該傳動件622轉動時，便可帶動該移動座體611沿著該軸線9往復地前後移動，而該導桿件623則用於輔助引導該移動座體611，並提供該移動座體611在移動時支撐力。
需要說明的是，在實施上，只要該移動磁性座61能夠提供磁力即可，其具體的結構、材料以及產生磁力的手段，皆不限於本實施例的舉例。除此之外，只要該驅動機構62可以驅使該移動磁性座61相對該後電極12移動即可，該驅動機構62的具體結構以及驅使該移動磁性座61移動的手段，也同樣不限於本實施例所揭露的態樣。該驅動機構62驅動移動的手段具體也可為皮帶或氣油壓缸等傳動方式，不需限制。
本實施例在使用時，該前電極11與該後電極12可被驅動而在該中央通道14內放電產生電弧900，以及該中央電極13與該後電極12可被驅動而在該中央通道14內放電產生電弧900’，藉此產生高溫火焰而用於金屬熔鍊、奈米級微細顆粒之噴塗、材料表面之改質，以及廢棄物的處理等。
在此同時，透過該移動磁座單元6的移動磁性座61可被該驅動機構62驅動，進而沿著該軸線9相對該後電極12前後往復移動，並透過該移動磁性座61的磁力影響而帶動電弧900、900’的弧根在該後電極12之後內側面121往復移動，使電弧900、900’的弧根不會集中熔蝕於
該後電極12之後內側面121之局部區域而貫穿該後電極12。
換句話說，本實施例透過該移動磁座單元6的創新設計來帶動電弧900、900’移動，藉以避免電弧900、900’的弧根在相同位置停留，使電弧900、900’的弧根在該後電極12之後內側面121是做大面積往復之週期性移動，可分散該後電極12之後內側面121局部區域的熱負擔，藉此減緩該後電極12被熔蝕貫穿而壞損的速率，進而大幅延長該後電極12之使用壽命及維修週期，達到降低該電漿火炬裝置運轉成本，以及增加該電漿火炬裝置可靠度的目標。
值得一提的是，本實施例的電極單元1在該前電極11與該後電極12之間設置該中央電極13的嶄新結構，使得前電極11與該後電極12之間可產生電弧900，同時該中央電極13與該後電極12之間也可產生電弧900’，前述兩極引弧的設計不僅前所未見，同時配合在該中央電極13與該後電極12之間設置該第一進氣機構21以及在該中央電極13與該前電極11之間設置該第二進氣機構22的設計。此外，在使用上，本實施例的第一進氣機構21用於將電漿工作氣體送入該中央通道14內，並藉由高能電子轟擊而供形成電漿之用；另一方面，本實施例的第二進氣機構22用於將需要處理的氣體送入該中央通道14內，並透過該前電極11與該後電極12之間的電弧900而熱裂解前述氣體。在實施上，可因用途需求而通入不同氣體。
相較以往都是利用該電極單元1的前端口141所噴出的電漿焰來熱裂解需處理的氣體，由於火焰的溫度從該中央通道14內開始至該前端口141是逐漸降低，亦即，在該前端口141的火焰溫度最低，如此在進行裂解或解離氣體時，往往會因為溫度不夠高和滯留時間太短等因素而無法完全裂解，故裂解處理效果較差。反觀，本實施例的第二進氣機構22用於將需要處理的氣體送入該中央通道14內，並透過該前電極11與該後電極12之間的電弧900而處理前述氣體，由於氣體是直接在該中央通道14內被高溫電弧解離，特別是越鄰近該後電極12的電弧900、900’的弧根溫度越高，因而具有最佳的熱裂解效果。
更重要的是，前述兩極引弧的設計，當電弧900斷弧時，即可利用電弧900’引燃，故不需要重新建立電弧900，相當方便使用。除此之外，在實施上，該固定磁座單元5設置的位置，越靠近該前端口141為佳，藉此透過該固定磁座單元5的磁力將電弧900往外拉長，可增加反應路徑與反應時間，進而提升氣體裂解游離之效果。
進一步說明的是，本實施例的中央電極13的數量為一個，當然在實施上，所述中央電極13的數量也可為兩個以上，進而組裝構成一個多極式電漿火炬裝置，並可產生多極引弧。
除此之外，在本實施例中，該電極單元1的前端口141所噴出電漿焰是用來熱裂解需處理的氣體，然而以上說明僅為舉例，該電極單元1的前端口141所噴出電
漿焰也可用於金屬熔鍊、奈米級微細顆粒之噴塗、材料表面之改質，以及廢棄物的處理等，不需在此特別加以限制。
由以上說明可知，本實施例透過該移動磁座單元6的移動磁性座61可被該驅動機構62驅動而移動，進而帶動電弧900、900’的弧根在該後電極12之後內側面121進行大面積往復式移動，藉此避免電弧900、900’在單一位置放電所造成之損耗並能大幅減緩該後電極12被熔蝕的速率，不僅能使該電漿火炬裝置長時間穩定運行，更能提升該後電極12之使用壽命、維修週期與可靠度，以有效達到降低該電漿火炬裝置運轉成本之目標。
進一步地，本實施例兩極引弧的獨創設計，可透過該前電極11與該後電極12之間的電弧900而游離裂解前述大流量氣體，因而具有最佳的處理效果。另外，當電弧900斷弧時可透過電弧900’引燃，不需要重新點火而方便使用。
參閱圖5，本發明電漿火炬裝置之第二較佳實施例與該第一較佳實施例後段大致相同，兩者之間的差別在於：該前冷卻單元3的獨創熱回收結構。
本實施例的前冷卻單元3包括一個圍繞於該前電極11之外的水冷套33、一個位於該水冷套33與該前電極11之間的水冷空間34、一個圍繞於該水冷套33之外的前冷卻套31，以及一個位於該前冷卻套31與該水冷套33之間且可降低該水冷套33的溫度的前冷卻空間32。該水
冷空間34具有數個入口341，以及數個分別貫穿該前電極11而連通該中央通道14的出口342。該前冷卻空間32具有數個進氣口321，以及一個出氣口322。當然在實施上，所述入口341與出口342的數量也分別可為一個，不需限制。
在使用上，該前冷卻單元3可透過泵浦(圖未示)將水由該等入口341注入該水冷空間34，藉由水與該前電極11產生熱交換，一方面可透過水來冷卻該前電極11在放電引弧時的高溫，另一方面注入的水也可利用該前電極11所產生的廢熱加溫，進而將水加熱成水蒸氣而由該等出口342離開該水冷空間34而進入該中央通道14。此時，便可透過高能電場加速電子來撞擊水蒸氣中的水分子，使其激發、游離變成氫氣和氧氣，不但可供電漿火炬化學反應所需，同時也可提供該中央電極13與該後電極12所產生的電弧900’之用。進一步地，該前冷卻單元3還可透過另外的泵浦(圖未示)將空氣(例如氮)由該等進氣口321送入該前冷卻空間32，藉此冷卻該水冷套33，之後空氣再由該出氣口322離開該前冷卻空間32。
由以上說明可知，除了同樣具有該第一較佳實施例所述的功效之外，本實施例透過該水冷套33與該水冷空間34的設計，可利用該前電極11的廢熱而將水加熱成水蒸氣。換句話說，本實施例不需要額外設置一個水蒸氣產生器而可降低設備成本，也不需要額外消耗能源來對水加熱，所以可以更進一步地節省能源耗費而可降低成本。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1‧‧‧電極單元
11‧‧‧前電極
12‧‧‧後電極
121‧‧‧後內側面
13‧‧‧中央電極
14‧‧‧中央通道
141‧‧‧前端口
142‧‧‧後端口
2‧‧‧氣流產生單元
21‧‧‧第一進氣機構
22‧‧‧第二進氣機構
3‧‧‧前冷卻單元
31‧‧‧前冷卻套
32‧‧‧前冷卻空間
4‧‧‧後冷卻單元
41‧‧‧後冷卻套
42‧‧‧後冷卻空間
5‧‧‧固定磁座單元
6‧‧‧移動磁座單元
61‧‧‧移動磁性座
611‧‧‧移動座體
612‧‧‧磁鐵
62‧‧‧驅動機構
621‧‧‧驅動件
622‧‧‧傳動件
623‧‧‧導桿件
9‧‧‧軸線
900‧‧‧電弧
900’‧‧‧電弧
Claims (8)
- 一種電漿火炬裝置，包含：一電極單元，包括相對設置的一個前電極與一個後電極，以及一個貫穿該前電極與該後電極的中央通道，該後電極具有一個圍繞該中央通道的後內側面；一氣流產生單元，安裝於該前電極與該後電極之間，並可將氣體送入該中央通道；一前冷卻單元，圍繞於該前電極之外而用於降低該前電極的溫度，該前冷卻單元包括一個圍繞於該前電極之外的水冷套、一個位於該水冷套與該前電極之間的水冷空間、一個圍繞於該水冷套之外的前冷卻套，以及一個位於該前冷卻套與該水冷套之間且可降低該水冷套的溫度的前冷卻空間，該水冷空間具有至少一個入口，以及至少一個貫穿該前電極而連通該中央通道的出口；一後冷卻單元，包括一個圍繞於該後電極之外的後冷卻套，以及一個位於該後冷卻套與該後電極之間且可降低該後電極的溫度的後冷卻空間；及一移動磁座單元，包括一個安裝於該後冷卻空間內且可移動地圍繞於該後電極之外的移動磁性座，以及一個用於驅動該移動磁性座相對該後電極移動的驅動機構；該前電極與該後電極可被驅動而在該中央通道內放電產生電弧，透過該移動磁性座相對該後電極移動， 進而帶動電弧的弧根在該後電極之後內側面移動，當水由該水冷空間的入口注入該水冷空間時，可透過水來冷卻該前電極，同時該前電極所產生的廢熱也可使水加熱成水蒸氣而由該出口進入該中央通道。
- 如請求項1所述的電漿火炬裝置，其中，該中央通道沿著一個軸線長向延伸，而該移動磁性座可沿著該軸線往復移動，進而帶動電弧的弧根在該後電極之後內側面沿著該軸線往復移動。
- 如請求項2所述的電漿火炬裝置，其中，該氣流產生單元包括一個第一進氣機構，該第一進氣機構具有一個位於該前電極與該後電極之間且圍繞該中央通道的第一套環件，以及數個連通該中央通道而可將氣體送入該中央通道的第一氣道。
- 如請求項3所述的電漿火炬裝置，其中，該第一套環件具有一個第一內環面，而該等第一氣道分別由該第一內環面的切點向外延伸，以使送入該中央通道內的氣體產生漩渦流。
- 如請求項2所述的電漿火炬裝置，其中，該電極單元還包括一個位於該前電極與該後電極之間的中央電極，該中央通道貫穿該前電極、該中央電極與該後電極，而該前電極與該後電極可被驅動而在該中央通道內放電產生電弧，該中央電極與該後電極可被驅動而在該中央通道內放電產生電弧。
- 如請求項5所述的電漿火炬裝置，其中，該氣流產生單 元包括一個第一進氣機構與一個第二進氣機構，該第一進氣機構具有一個安裝於該中央電極與該後電極之間且圍繞該中央通道的第一套環件，以及數個連通該中央通道而可將氣體送入該中央通道的第一氣道，該第二進氣機構具有一個安裝於該中央電極與該前電極之間且圍繞該中央通道的第二套環件，以及數個連通該中央通道而可將氣體送入該中央通道的第二氣道。
- 如請求項6所述的電漿火炬裝置，其中，該第一套環件具有一個第一內環面，而該等第一氣道分別由該第一內環面的切點向外延伸，以使送入該中央通道內的氣體產生漩渦流，該第二套環件具有一個第二內環面，而該等第二氣道分別由該第二內環面的切點向外延伸，以使送入該中央通道內的氣體產生漩渦流。
- 如請求項1所述的電漿火炬裝置，其中，該前冷卻單元包括一個圍繞於該前電極之外的前冷卻套，以及一個位於該前冷卻套與該前電極之間且可降低該前電極的溫度的前冷卻空間，而該電漿火炬裝置還包含一個安裝於該前冷卻空間內且圍繞該前電極而遠離該後電極的固定磁座單元。
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