具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-8所示，本发明提供一种高热效率管式电弧加热器，包括通过连接法兰1依次串联连接的后端盖2、电极3和旋气室4；其中，所述后端盖2包括第一基体5和设置在所述第一基体5上的互不连通的第一高压气道和第一冷却水道6；所述电极3包括第二基体7和设置在所述第二基体7上的互不连通的第二高压气道和第二冷却水道；所述旋气室4包括第三基体8和设置在所述第三基体8上的互不连通的第三高压气道和第三冷却水道。

本发明的电弧加热器将核心组件后端盖2、电极3和旋气室4进行一体化设计，并且每个组件分别具有独立的、互不连通的高压气道和冷却水道，使用时将各组件通过连接法兰1串联装配即可，减少了制造加工的工时工序，简化了组件的安装拆卸流程。运行时，电极3通过旋气室4注入的氩气引弧导通，起弧后氩气切换成空气，同时接通后端盖2的第一高压气道，形成自旋稳定的电弧。其中，从旋气室4通入的高压冷气是整个电弧加热器的主要工作气体，经第三高压气道在第三基体8内腔形成贴壁环形冷气膜，并依靠气压差将电弧压缩在内腔轴线附近；从电极3通入的高压冷气是电极3内壁面的主要保护气体，沿第二高压气道进入第二基体7并沿第二基体7内壁面形成连续的环形冷气膜；从后端盖2通入的高压冷气是调节弧根位置的辅助气体，经第一高压气道在第一基体5端面形成螺旋形喷流，对弧根落点位置及驻留时间加以调控。因此，旋气室4内第三高压气道和第三冷却水道的设计，降低了旋气室4的冗余体积，减少无益能量损失，提高旋气室4在工作状态下的力学性能；电极3中第二冷却水道的设计减少了电极3烧损，延长了电极3寿命，第二高压气道通入的冷气可对电极3进行气膜保护，降低电极3烧蚀率，减少热损失，提高加热器的运行热效率；而后端盖2中第一高压气道和第一冷却水道6可优化辅助旋气能力，从而提高电弧的旋转能力，减轻电弧加热器电极3右侧端面的冷却负担，并推离电弧弧根，有效抑制后端盖2电弧击穿现象。此外，本发明使用金属3D打印增材制造技术，使各组件内部复杂结构的加工也成为了可能，克服了传统机械加工的局限性，优化了加热器的结构设计，降低了结构冗余体积，减少密封件的使用，并提高各组件结构强度，提高了电极3在工作状态下的可靠性。

在上述技术方案的基础上，进一步，所述第一基体5为圆盘状结构；所述第一高压气道包括多条第一气道分支9，每条所述第一气道分支9均匀分布在所述第一基体5的轴心处，且呈螺旋形贯穿于所述第一基体5的左右端面；所述第一冷却水道6呈回龙盘形环绕于所述第一高压气道的外侧，且呈串联相通的同心圆环均匀分布于所述第一基体5的左右端面；所有所述第一气道分支9均与所述第一冷却水道6互不连通。

具体地，第一基体5为圆盘状结构，第一高压气道在第一基体5的轴心处开孔，形成多条第一气道分支9，每条第一气道分支9绕轴线呈螺旋形贯穿于第一基体5的左右端面，并且每条第一气道分支9旋气方向与电弧旋转方向一致，而第一冷却水道6呈回龙盘形环绕于第一高压气道的外侧，并且呈串联相通的同心圆环均匀分布于第一基体5的左右端面之间。在电弧加热器工作时，高压旋转电弧电离气体工质所形成的高温内环境将作用于第一基体5的右侧端面，一方面通过多条第一气道分支9注入的与电弧旋转方向相同的冷气，可提高辅助旋气性能，增强电弧的旋转速率，降低电极3内壁面单点电弧的驻留时间，减轻电弧加热器电极3的冷却负担；另一方面，高压冷却水通过多条串联相通的第一冷却水道6对第一基体5受热侧表面进行冷却，减少壁面的烧损，提高后端盖2的冷却性能。然而，由于后端盖2中第一基体5内多条第一气道分支9呈特定的螺旋形状，且与第一冷却水道6互不连通，独立运行的特点，后端盖2中的第一基体5、第一冷却水道6和多条第一气道分支9均需采用金属3D打印增材制造技术进行加工。并且通过该制造技术，可完成上述复杂构型的设计加工，实现后端盖2冷却性能的提高及辅助旋气性能的优化，并实现整体结构的一体化成型，简化后端盖2的加工与安装。

当电弧加热器工作电压较高时，向后端盖2多条第一气道分支9中通入较强的辅助旋气，可增强电弧自旋稳定性，并推离因电压增高而变长的电弧弧根，抑制后端盖2电弧击穿现象。

为确保产生强度足够、均匀有效的高速冷却喷流，所有所述第一气道分支9与所述第一基体5端面的倾斜角度不小于30°；且所有所述第一气道分支9的最小内径不大于1mm，且不小于0.5mm。

而为确保第一基体5右侧端面得到足够的冷却，所述第一冷却水道6与所述第一基体5右侧端面的距离不大于1mm；且所述第一冷却水道6的等效通径不小于3mm。

在上述技术方案的基础上，进一步，所述第二基体7为圆柱体套筒形结构；所述第二冷却水道包括多条沿所述第二基体7的周向均匀分布的第二水道分支10；所述第二高压气道包括多段均匀分布于所述第二水道分支10外侧的第二气道分支11。

第二基体7为圆柱体套筒形结构，并采用金属3D打印增材制造技术加工一体化成型，而第二冷却水道包括多条沿第二基体7的周向均匀分布的第二水道分支10，第二高压气道包括多段均匀分布于所述第二水道分支10外侧的第二气道分支11。当电弧加热器处于工作状态时，高压电弧处于第二基体7的内腔中，将第二基体7内腔中的高压气流加热至高温状态，冷却水通过多条第二水道分支10对电极3进行冷却，电弧弧根落于电极3内壁某处，并高速旋转，形成弧根面。通过电弧电压判断电弧位置，并通过位于弧根上游出的多段第二气道分支11注入高压冷气，在第二基体7的内壁附近形成冷气膜，进而在不降低电弧加热器运行效率的前提下减轻电极3烧损情况，延长电弧加热器使用寿命，提高电弧加热器运行效率。此外，由于电极3中第二基体7内的第二冷却水道和第二高压气道具有交错排列、相互隔离的特点，电极3需采用3D打印金属增材制造技术进行设计加工，通过3D打印金属增材制造可以将现有的内外套形式的电弧加热器电极3改变为一体成型式，缩短电极3的加工工时，简化电极3的装配工序，并使电极3省略了传统的密封圈密封方式，提高电极3在工作状态下的可靠性。

在上述技术方案的基础上，进一步，所有所述第二水道分支10均包括依次连通的第二水道入口12、第二入口集水环13、第二筋槽14、第二出口集水环15和第二水道出口16；其中，所述第二水道入口12和所述第二水道出口16分别开设在所述第二基体7两端的外壁上，且所述第二水道入口12与所述第二水道出口16不在同一纵向截面内；所述第二入口集水环13和第二出口集水环15均呈圆环状结构，且分别与所述第二基体7同轴布设在所述第二基体7两端的内腔与外壁之间；所述第二筋槽14设置在所述第二基体7的内壁之外。

具体地，所有第二水道分支10均包括依次连通的第二水道入口12、第二入口集水环13、第二筋槽14、第二出口集水环15和第二水道出口16，其中，第二水道入口12和第二水道出口16分别开设在第二基体7两端的外壁上，第二水道入口12和第二水道出口16处均设置有分置入水和出水的第二入口集水环13和第二出口集水环15；而多个第二筋槽14均匀分布于第二基体7的内壁之外，第二筋槽14结构的设置可降低水流湍流流度，减少流阻系数，增强弧根处局部的换热效率，减少烧损，延长电极3寿命。

在上述技术方案的基础上，进一步，所有所述第二气道分支11均包括第二气道进气孔17、第二气道集气环18和多个第二切向进气孔19；所述第二气道进气孔17沿所述第二基体7的径向方向开设在所述第二基体7的外壁上；所述第二气道集气环18呈圆环状结构，且同轴布设在所述第二基体7的内腔与外壁之间；所有所述第二切向进气孔19均开设在所述第二基体7的内壁上，并沿所述第二基体7的内壁周向均匀布设；其中，所述第二气道进气孔17通过所述第二气道集气环18与所有所述第二切向进气孔19连通。

具体地，第二高压气道包括多段均匀分布于第二水道分支10外侧的第二气道分支11，而每段第二气道分支11均包括第二气道进气孔17、第二气道集气环18和多个第二切向进气孔19，其中，第二气道进气孔17通过第二气道集气环18与所有所述第二切向进气孔19连通。多段互不连通的切向气道，可通过改变进气组合方式及进气量，研究在不同电流和电压赋值条件下，保持电弧加热器高热效率的最佳配气方式。

优选地，每段第二气道分支11中，第二切向进气孔19的数量不少于4个，以确保冷气保护膜具有足够的连续性，具体数量视第二基体7的内径尺寸而定。而每段第二气道分支11中，第二气道进气孔17的数量也不限于1个，且，当第二气道进气孔17的数量多于1个时，应沿第二基体7的周向均匀布设，具体数量视第二基体7的结构与第二切向进气孔19的数量而定。

为确保第二基体7内腔壁面得到足够冷却，在上述技术方案的基础上，进一步，所有所述第二筋槽14与所述第二基体7的内壁之间的距离不大于1mm，且其等效通径不小于3mm。

在上述技术方案的基础上，进一步，所有所述第二切向进气孔19的方向均与所述第二基体7中电弧旋转方向一致，且所述第二切向进气孔19呈拉瓦尔喷管型结构，所述第二切向进气孔19中部最小截面的直径小于等于1mm。

为确保第二基体7内腔内可产生均匀有效的冷气保护膜，所有第二切向进气孔19的方向均与第二基体7中电弧旋转方向一致；而为进一步确保冷气保护膜具有足够强度的同时，减少冷气膜与电弧加热器内工作气体间的占比。

为确保在每个第二切向进气孔19处形成有效的声速截面，每段所述第二气道分支11中，所述第二气道进气孔17的截面积等于所述第二气道集气环18的截面积，并大于所有所述第二切向进气孔19的截面积之和。

在上述技术方案的基础上，进一步，所述第三基体8为圆柱体套筒形结构；所述第三高压气道和所述第三冷却水道呈环形依次布设于所述第三基体8的内外壁之间，并与所述第三基体8同轴布设。

第三基体8为圆柱体套筒形结构，采用金属3D打印增材制造技术设计加工一体化成型，而第三冷却水道与第三高压气道呈环形依次排列于第三基体8内外壁之间，两者互不相通，并与第三基体8环形内腔同轴。因此，由于旋气室4中第三基体8内的第三冷却水道和第三高压气道具有主路同轴、支路交错的特点，旋气室4中第三基体8需要采用金属3D打印增材制造技术进行设计与加工。通过该制造技术可将现有水道和气道套装式的电弧加热器旋气室4转变成一体化成型式，简化了旋气室4加工与安装工序工时，降低了冷却水道和高压气道的冗余体积，并省略了传统套装式旋气室4的焊接工序，提高了旋气室4的力学性能及使用寿命。

在上述技术方案的基础上，进一步，第三冷却水道包括第三环形水道20、多个第三水道入口21和多个第三水道出口22；其中，所述第三环形水道20布设于所述第三高压气道的外侧；所述第三水道入口21通过所述第三环形水道20与所述第三水道出口22连通，且每对第三水道入口21与所述第三水道出口22呈对角方向布设于所述第三基体8的外壁上。

具体地，第三冷却水道包括第三环形水道20、多个第三水道入口21和多个第三水道出口22，其中，第三环形水道20布设于第三高压气道的外侧；第三水道入口21通过第三环形水道20与第三水道出口22连通，且每对第三水道入口21与第三水道出口22呈对角方向布设于第三基体8的外壁上。高压冷却水通过旋气室4的第三环形水道20对内腔壁面进行冷却，减少内腔壁面的烧损，提高旋气室4的冷却性能与使用寿命，共同实现对电弧加热器旋气室4的整体热防护。

在上述技术方案的基础上，进一步，所述第三高压气道包括第三气道进气孔23、第三集气环24和多个第三切向进气孔25；所述第三气道进气孔23沿所述第三基体8的径向方向开设在所述第三基体8的外壁上；所述第三集气环24呈圆环状结构，且同轴布设在所述第二基体7的内腔与外壁之间；所有所述第三切向进气孔25均开设在所述第三基体8的内壁上，并沿所述第三基体8的内壁周向均匀布设；其中，所述第三气道进气孔23通过所述第三集气环24与所有所述第三切向进气孔25连通。

第三高压气道包括第三气道进气孔23、第三集气环24和多个第三切向进气孔25，第三气道进气孔23经第三集气环24后进入多个第三切向进气孔25，多个第三切向进气孔25穿过第三环形水道20上预留的空隙，沿第三基体8内壁切线进入第三基体8内腔中。当电弧加热器处于工作状态时，所形成的高压旋转电弧将注入到电弧加热器腔内的气流电离，产生高温高压流场，气流顺流场方向经过第三基体8内腔。一方面，工作气体持续地从第三气道进气孔23进入第三集气环24中，并通过多个第三切向进气孔25注入到第三基体8内腔中，可在第三基体8内腔壁面附近形成冷气膜，降低内腔壁面与高温气流间的温度梯度，减少第三环形水道20中冷却水与高温气流间的热交换，提高电弧加热器热效率与旋气室4使用寿命。另一方面，高压冷却水通过旋气室4第三环形水道20对内腔壁面进行冷却，减少内腔壁面的烧损，提高旋气室4的冷却性能与使用寿命，共同实现对电弧加热器旋气室4的整体热防护。

为确保第三基体8的内腔壁面得到足够的冷却，所述第三环形水道20与第三基体8的内壁之间的距离不大于1mm，且所述第三环形水道20的等效通径不小于3mm。

为确保注入第三基体8内腔的工作气体时电弧加热器运行时的主要工质，且具有足够的压力梯度能将电弧压缩在第三基体8的内腔轴线附近，所有所述第三切向进气孔25的方向均与所述第三基体8中电弧旋转方向一致，且所述第三切向进气孔25呈拉瓦尔喷管型结构，所述第三切向进气孔25中部最小截面的直径小于等于2mm。

在上述技术方案的基础上，进一步，还包括绝缘环26和绝热环27；所述绝缘环26和所述绝热环27均设置在所述第二基体7和所述第三基体8之间，并通过连接法兰1压紧固定。

具体地，绝缘环26和绝热环27分别采用绝缘材料和高温陶瓷材料制成，装配时通过连接法兰1压力方式固定，绝缘绝热安全可靠。而本发明所使用的连接法兰1的内套材料均由绝缘材料制成，装配时通过螺栓拉紧固定，绝缘安全可靠。

在上述技术方案的基础上，进一步，多条第一气道分支9、多条第二气道分支11和第三高压气道均与电弧加热器内的工作气体相同，以确保工作气体不会掺入杂质。

如图8所示，本发明还公开了一种电极高压气道使用电弧加热器内壁气膜的保护方法，该保护方法所使用的电极包括基体、进气孔、集气环和多个切向进气孔，其中进气孔沿基体的径向方向开设在基体的外壁上，集气环呈圆环状结构，且与电弧加热器同轴布设在基体的内腔与外壁之间，数个切向进气孔均开设在基体的内壁上，并沿基体的内壁周向均匀布设，进气孔通过集气环与所有切向进气孔连通。

当电弧加热器工作时，电弧弧柱位于基体中心轴线附近，加热器内工作气体被电弧加热为高温气体，并同时具有沿轴向的速度和绕中心轴线的旋转速度。高压冷气持续由进气孔进入集气环中，并通过切向进气孔进入基体内，在电弧加热器内壁面形成冷气膜。将以上截面结构在基体中沿轴向数次排列后可形成连续的冷气膜，并可将高温气体包裹在其中，使高温气体不会直接与电弧加热器内壁接触，从而降低电弧加热器内壁的温度，减轻电弧加热器内壁的烧损状况，进而提高电弧加热器使用寿命，同时还减少了电弧加热器内气体中的金属蒸气杂质，提高气体纯净度。此外，冷气膜的存在还降低了高温工作气体与电弧加热器之间的热传递，减少了在加热器结构上的热损耗，进而提高了电弧加热器的运行效率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。