ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1994 года по МПК B08B9/04 

Изобретение относится к мощной импульсной технике и может быть использовано в электрогидравлической технологии при обработке различных материалов высоковольтными разрядами в жидкости.

Широко известны технологии, использующие электрогидравлические процессы при высоковольтных разрядах в жидкости, сопровождающихся воздействием на помещенные в жидкость материалы высокого импульсного давления, температуры, светового и звукового излучения, образующихся при этом окислов азота. Неотъемлемой частью устройств, осуществляющих эти технологии, является наличие электроразрядного устройства, включающего систему электродов, к которым подводится электропитание от генератора импульсного тока, размещенную в корпусе, наполненном жидкостью, в частности водой. Как правило, корпус выполняется металлическим (для прочности и электробезопаности), а высоковольтные электроды вводятся в корпус через проходные изоляторы.

Эффективность обработки материала в значительной степени зависит от длины канала разряда. Кроме роста энерговыделения с увеличением длины канала разряда наблюдается также и повышение бактерицидного воздействия на воду, так как имеет место увеличение интенсивности ультрафиолетового излучения, рост температуры, увеличение количества образующихся окислов азота. Увеличение длины канала разряда в жидкости требует увеличения межэлектродного зазора, что связано с необходимостью увеличения амплитуды выходного импульсного напряжения генератора импульсов тока. Увеличение напряжения ведет к резкому снижению ресурса генератора, подводящего кабеля и электроразрядного устройства.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является электроразрядное устройство в жидкости, содержащее высоковольтный электрод, установленный в металлическом корпусе, изолированный от последнего и соединенный с одним из выводов генератора импульсного тока одной из жил кабеля, причем корпус соединен с другим выводом генератора посредством другой жилы кабеля.

Недостатком такого устройства является сравнительно невысокая эффективность обработки материала, обусловленная малой длиной разрядного промежутка в жидкости.

Целью изобретения является повышение эффективности обработки материалов.

Это достигается тем, что в электроразрядное устройство в жидкости, содержащее высоковольтный электрод, установленный в металлическом корпусе изолированно от последнего и соединенный с одним из выводов генератора импульсного тока одной из жил кабеля, а корпус соединен с другим выводом генератора посредством другой жилы кабеля, введены два индуктора, расположенных соосно, так что межэлектродный зазор размещен симметрично между индукторами перпендикулярно их оси, а индукторы подключены к дополнительному генератору импульсов тока, причем генераторы импульсов тока соединены с таймером. Индукторов может быть несколько пар и включаться они могут поочередно. Направление тока в каждой паре индукторов от импульса к импульсу имеет обратную полярность по отношению к предыдущему импульсу в этой паре индукторов. Другим недостатком устройства по прототипу является низкий ресурс из-за сравнительно быстрого разрушения изолятора.

Целью изобретения является повышение ресурса устройства.

Это достигается тем, что в электроразрядном устройстве в жидкости изолятор высоковольтного электрода выполнен в виде пленки, например полиэтиленовой, намотанной в несколько слоев частично поверх твердого изолятора центральной жилы кабеля и частично поверх основания высоковольтного электрода, а высоковольтный электрод выполнен с рабочей частью в виде тела вращения, поверхность которого со стороны разрядного промежутка имеет положительную постоянную либо плавно изменяющуюся кривизну, например, в виде полусферы, а со стороны изолятора - плоскую грибообразную часть с цилиндрическим основанием, диаметр которого меньше диаметра полусферы на величину, по крайней мере не меньшую двойной толщины изолятора.

Многослойный пленочный изолятор может быть выполнен с межслойной пропиткой трансформаторным маслом, если наличие небольших количеств трансформаторного масла в жидкости не ухудшает свойств материала, помещенного в жидкость для обработки.

Известны способы увеличения длины канала разряда без увеличения напряжения, прикладываемого к электродам. Они связаны с инициированием разряда путем создания токопроводящей перемычки между электродами либо с помощью металлического проводника, либо импульсной струи токопроводящей жидкости, впрыскиваемой в межэлектродный зазор.

Недостатками этих способов являются трудность обеспечения работы с высокой частотой повторения и сложность подобных устройств.

Известны также электроразрядные устройства в жидкости, в которых в качестве изоляторов высоковольтных электродов использованы либо вакуумная резина, либо модификации полиэтилена, которые, обладая пружинистыми свойствами, оказываются более стойкими к ударным импульсным нагрузкам, чем другие типы изоляторов. Тем не менее радикального увеличения ресурса не достигается. Изоляторы из резины приходится делать значительно больших размеров из-за худших изоляционных свойств резины по сравнению с другими типами изоляторов. Поэтому разрушительные воздействия электрогидравлических разрядов имеют место на большей поверхности изолятора и вероятность разрушения возрастает. Кроме того, увеличение размеров изолятора из резины ведет к увеличению длины токовводов в разрядное устройство, тем самым - к увеличению индуктивности разрядного контура и связанному с этим уменьшению скорости нарастания тока в разряде и снижению эффективности процесса обработки материалов. Что же касается изоляторов из модификаций полиэтилена, то значительного увеличения ресурса не достигается, поскольку они не обладают достаточными пружинистыми свойствами и все же достаточно быстро разрушаются ударными воздействиями.

На чертеже приведена упрощенная конструкция устройства, выполненная согласно изобретению.

В металлический корпус 1, заполненный жидкостью 2, введен высоковольтный электрод 3, соединенный с центральной жилой 4 коаксиального кабеля 5. Другой электрод 6 соединен с корпусом 1. Оплетка 7 кабеля 5 соединена с корпусом 1. С другого конца кабель 5 подсоединен к выходным клеммам генератора 8 импульсного тока. Индукторы 9 и 10 расположены соосно внутри корпуса 1. Их ось перпендикулярна оси электродов 3 и 6. Индукторы 9 и 10 размещены симметрично относительно оси электродов 3 и 6. Индукторы 9 и 10 соединены между собой согласно и последовательно внутри корпуса и присоединены через проходные изоляторы 11 и 12 к выводам дополнительного генератора 13 импульсов тока, расположенного снаружи корпуса 1. Генераторы 8 и 13 импульсов тока соединены с таймером 14.

Высоковольтный электрод 3 имеет цилиндрическое основание и грибообразную рабочую часть, поверхность которой со стороны разрядного промежутка имеет форму, близкую к полусфере. Поверх части твердого изолятора 15 кабеля 5, отделяющего центральную жилу 4 от оплетки 7, и части цилиндрического основания высоковольтного электрода 3 размещен изолятор 16 в виде полиэтиленовой пленки, намотанной в несколько слов с межслойной пропиткой трансформаторным маслом. Диаметр полусферы превышает наружный диаметр многослойного пленочного изолятора.

Устройство работает следующим образом.

Сигналом с таймера 14 запускается генератор 13 импульсов тока. С его выхода подается импульс тока в индукторы 9 и 10. В момент достижения током в индукторах максимального значения сигналом с таймера 14 запускается генератор 8 импульсного тока и к электродам 3 и 6 через кабель 5 прикладывается импульс высокого напряжения, вызывающий электрический пробой межэлектродного промежутка. По мере нарастания тока в канале пробоя происходит взаимодействие между магнитным полем индукторов, включенных согласно, и током через межэлектродный промежуток, результатом чего является вытеснение канала разряда из центра рабочей части электродов на их периферию, вытягивание его и увеличение длины канала разряда, сопровождаемое увеличением энерговыделения в канале разряда и связанным с этим повышением воздействия на обрабатываемый материал. При этом воздействию искрового разряда подвергается значительно большая часть жидкости. Кроме того, вытеснение канала разряда на периферию рабочей части электродов уменьшает эрозию с центральной части поверхности электродов, делает ее более равномерной и тем самым повышает ресурс электродной системы. Подача импульсов тока в индукторы чередующейся полярности от импульса к импульсу вынуждает канал разряда смещаться от центра попеременно на противоположные периферийные участки электродов, что также увеличивает объем жидкости, взаимодействующей с каналом разряда, и уменьшает неравномерный износ электродов.

Подключение поочередно от импульса к импульсу различных пар индукторов позволяет смещать канал разряда на соответствующие соседние периферийные участки электродов, увеличивая еще более объем жидкости, взаимодействующей с каналом разряда. Это обеспечивает более эффективное перемешивание обработанной жидкости и помещенного в ней материала, уменьшение районов застойных зон, не охваченных обработкой, более высокую степень обработки материала, более равномерную эрозию поверхности электродов и связанное с этим повышение их ресурса. Форма рабочей части высоковольтного электрода 3 выполнена такой, что полусфера образует защитный экран от действия на изолятор 16 прямой ударной волны в жидкости из зоны разряда, а также от прямого воздействия световой вспышки от разряда, в спектральный состав которой входит и интенсивное ультрафиолетовое излучение, ведущее к ухудшению изоляционных свойств материала изолятора. Таким образом, на изолятор 16 воздействуют лишь отраженные волны. Тем самым снижается разрушительное воздействие высоковольтного искрового разряда в жидкости на изолятор. Выполнение изолятора 16 в виде многослойной пленки позволяет совместить в нем два полезных свойства: способность пружинить под действием ударных волн и иметь хорошие изоляционные свойства при небольших размерах. За счет многослойности длина изоляционной поверхности на торцах пленочного изолятора в значительной мере возрастает по сравнению с тем, если бы изолятор был твердым и гладким. Многослойность способствует и сохранению изоляционных свойств даже в случае начавшегося разрушения пленки на торцах, поскольку произвольные перемещения (хотя и в ограниченных пределах) слоев на разрушаемых торцах изолятора позволяют перекрывать пути для электрического пробоя по изолятору. Многослойность также позволяет выдерживать без разрушения многократные воздействия ударных нагрузок. Кроме того, многослойная пленочная изоляция предохраняет от разрушения твердую изоляцию центральной жилы кабеля, демпфируя электрогидравлические удары. Все эти обстоятельства способствуют повышению ресурса всего устройства. Испытания показали, что предлагаемая система электродов позволила увеличить ресурс устройства более чем на порядок. Испытания проводились в диапазоне коммутируемой энергии (50-400) Дж, амплитуде импульсного выходного напряжения 30-40 кВ, частоте импульсов 2-10 Гц. Ресурс такого изолятора до разрушения достигал до 10⁶-10⁷ импульсов.

Сущность изобретения: устройство содержит один металлический корпус 1, жидкость 2, один высоковольтный электрод 3, одну центральную жилу 4, один коаксиальный кабель 5, один электрод 6, один генератор импульсов тока 8, два индуктора 9, 10, четыре изолятора 11, 12, 15, 16, один дополнительный генератор импульсов тока 13, один таймер 14. 13 - 11 - 9, 13 - 12 - 10, 11 - 6 - 12, 14 - 8, 14 - 13. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее генератор импульсов тока, соединенный выходами посредством жил кабеля с электродом и изолированным высоковольтным электродом, расположенными в металлическом корпусе с жидкостью, отличающееся тем, что оно снабжено последовательно включенными таймером и дополнительным генератором импульсов тока и парой соосных индукторов, при этом поверхности разряда электрода, размещенного в жидкости, и изолированного высоковольтного электрода расположены симметрично между индукторами и перпендикулярно их оси, а выходы дополнительного генератора импульсов тока подключены к выводам индукторов, причем второй выход таймера связан с основным генератором импульсов тока. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно имеет дополнительные пары индукторов, при этом выходы дополнительного генератора импульсов тока поочередно подключены к выводам индукторов соответствующих пар. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что изолятор выполнен в виде пленки, например, полиэтиленовой, частично намотанной слоями вокруг центральной жилы кабеля и частично вокруг металлического основания высоковольтного электрода, поверхность разряда которого со стороны межэлектродного зазора выполнена в виде тела вращения с положительной постоянной или плавно изменяющейся величиной кривизны, например в виде полусферы, а со стороны металлического основания - в виде плоской грибообразной части с цилиндрическим корпусом, диаметр которого меньше диаметра полусферы тела вращения на величину, по крайней мере не меньшую двойной толщины центральной жилы кабеля. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в межслойном пространстве пленочного изолятора размещено трансформаторное масло.