УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ РАЗРЯДА Российский патент 1997 года по МПК H01T23/00 F24F3/16 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при конструировании электроустановок для создания объемного разряда, например, в лазерных установках, или для проведения химических реакций, таких, как получение озона, очистка газов и др.

Такие промышленные установки работают преимущественно на переменном токе с частотой 50 600 Гц. Для повышения производительности и КПД таких установок требуется повышение частоты по крайней мере на порядок, что проблематично на существующей элементной базе (например, коммутаторы, трансформаторы, имеющие в режимах работы подобных установок низкий КПД).

Известно устройство для осуществления разряда аппарат для ионизации воздуха, включающий источник высокого напряжения, соединенные с ним электроды, в котором с целью повышения эффективности между электродами дополнительно установлено устройство вторичной ионизации, выполненное в виде вращающейся на барабанах бесконечной полимерной ленты [1]
Эффективность подобного устройства невелика, так как протеканию электрического тока между электродами препятствует полимерная лента и энерговклад в разрядный промежуток из-за этого мал.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для управления срабатыванием разрядника со скользящим разрядом, содержащее высоковольтный и заземленный электроды, установленные на одной стороне диэлектрика, на другой стороне которого расположен токопроводящий элемент, соединенный с заземленным электродом, указанный элемент выполнен в виде металлического цилиндра, установленного с возможностью вращения вокруг своей оси, а указанный диэлектрик выполнен в виде неполярной замкнутой пленки, расположенной на внешней поверхности металлического цилиндра [2]
Это устройство не позволяет получить объемный разряд, так как электроды расположены непосредственно на поверхности диэлектрика и, следовательно, решить такие задачи, как проведение химических реакций в объеме газовой среды, в частности, озонирование.

Предлагаемое устройство обладает высоким коэффициентом преобразования электрической энергии в энергию химических реакций, просто в изготовлении и эксплуатации, не требует больших затрат энергии. Такой технический эффект достигнут благодаря увеличению производительности устройства за счет повышения частоты следования импульсов разряда до 10 20 Кгц, достигаемого простыми средствами, не связанными с энергозатратами.

Предлагаемое устройство для осуществления разряда включает источник питания, соединенные с ним электроды, один из которых выполнен изолированным в виде замкнутой поверхности, имеющей осевую симметрию, а другой выполнен неизолированным, в виде по крайней мере одной пары соединенных с полюсами указанного источника коронирующих элементов, разнесенных друг относительно друга, соразмерных по длине изолированному электроду и установленных параллельно его оси симметрии, причем один из коронирующих элементов непосредственно соединен с отрицательным полюсом источника питания, а электроды установлены с возможностью вращения друг относительно друга. Новым в устройстве является то, что коронирующие элементы расположены на расстоянии l₁ от диэлектрической поверхности изолированного электрода и на расстоянии l₂ друг от друга, другой из коронирующих элементов соединен с положительным полюсом источника питания через дополнительно введенный разрядник, а расстояния l₁ и l₂ выбраны в соотношениях
l₁ k₁•U/E; l₂k₂•U/E,
где U напряжение источника питания, кВ;
E пробивная напряженность электрического поля газовой среды, кВ/см;
k₁ и k₂ коэффициенты, выбранные в пределах
0,5 ≅ k₁ ≅ 3, k₂ ≥ 6.

С целью стабилизации частоты следования импульсов тока разряда поверхность изолированного электрода может быть выполнена в виде многогранника.

С целью упрощения конструкции поверхность изолированного электрода может быть выполнена в виде диэлектрической подложки, обмотанной изолированным проводом.

Традиционно химические реакции в объеме газовой среды, например озонирование, осуществляют с использованием барьерного разряда.

Известно, что эффективность вклада энергии в химические реакции в объемном разряде существенно выше, чем в барьерном разряде. Так эффективность образования озона в объемном самостоятельном разряде составляет 40 что существенно превышает максимальную величину 20 25 достигнутую в озонаторах с барьерным разрядом. Однако применение объемного самостоятельного разряда в промышленных установках представляется проблематичным из-за высокой технической сложности и ненадежности устройств с фотоионизацией, реализующих объемный самостоятельный разряд.

Было установлено, что и в барьерном разряде в воздухе при атмосферном давлении возможно получение объемного разряда, при этом поверхность диэлектрика на электродах заряжается равномерно. Этот режим реализуется в очень узком диапазоне напряжений и только при выполнении ряда условий: высокая однородность диэлектрика, строгая параллельность электродов, крутизна нарастания импульса напряжения не менее 10¹¹ В/с. Поэтому объемный режим барьерного разряда трудно реализовать даже в лабораторных условиях. Собственно барьерный разряд в воздухе при атмосферном давлении представляет собой многочисленные отдельные микроразряды. При этом диэлектрик на электродах заряжается неравномерно, на нем появляются локальные заряды. Локальный заряд имеет сложное строение: избыточный электрический заряд одного знака окружен полусферической оболочкой из электрического заряда другого знака, и может иметь и несколько разноименно заряженных оболочек. Время жизни локальных зарядов на несколько порядков превышает время жизни полученной в тех же условиях равновесной плазмы.

При выборе конструктивных решений устройства для осуществления разряда основывались на следующем:
1) возникшие на поверхности диэлектрика локальные заряды являются причиной перехода объемного разряда в режим многочисленных отдельных микроразрядов;
2) локальный заряд вследствие крупного избыточного электрического заряда своего центра является основной причиной высоковольтного пробоя диэлектрика;
3) возможна нейтрализация избыточного электрического заряда центра в локальном заряде противоположным зарядом оболочки, при этом электрическое поле будет сосредоточено в основном внутри локального заряда, либо он будет разрушен. Это исключит влияние локальных зарядов на объемный характер разряда и увеличит электрическую прочность диэлектрика.

Было показано, что возможно создание объемного разряда в устройстве с изолированным электродом благодаря конструктивным решениям и использованию источника питания с положительным и отрицательным напряжением, обеспечивающим перезарядку диэлектрика.

На чертеже представлена схема устройства, где источник 1 питания, электроды 2, 3, изолированный электрод 4 установлен на заземленной оси вращения 5. Электроды 2, 3 выполнены в виде коронирующих элементов и подсоединены к положительному и отрицательному полюсам источника 1 питания, при этом электрод 2 подсоединен через разрядник 6. Ось 5 имеет привод вращения 7.

Электроды 2, 3 для исключения бесполезных потерь на корону выполнены соразмерными электроду 4. Они должны быть установлены параллельно поверхности электрода 4, нарушение этого условия приводит к неоднородному вкладу энергии по длине разрядного промежутка. Расстояние l₁ находится из соотношения l₁ k₁•U/E, где 0,5 ≅ k₁ ≅ 3 и определяется применительно к решаемой задаче. Если предлагаемое устройство применяется в химической технологии и основные химические реакции происходят в объеме газовой среды, для k₁ целесообразно выбирать верхний предел значений, если химические реакции происходят с участием поверхности нижний.

Расстояние l₂ выбирают, чтобы отсутствовал искровой пробой между электродами 2 и 3.

Электрод 4 может быть выполнен в виде металлического цилиндра или многогранника и изолирован тонкопленочным диэлектрическим материалом. Изготовление электрода 4 в виде многогранника целесообразно для стабилизации частоты импульсов тока разряда. Для упрощения конструкции поверхность электрода 4 может быть выполнена в виде диэлектрической подложки, обмотанной изолированным проводом. Обмотка может быть выполнена "виток к витку" или с заданным шагом.

Пробойное напряжение U_пр разрядника 6 устанавливают на уровне U_пр (0,1-0,9)U. Оно задает частоту следования импульсов разряда.

Устройство работает следующим образом.

Включают источник 1 питания, в разрядном промежутке между электродами 3 и 4 возникает разряд. Благодаря тому, что электроды 2, 3 выполнены в виде коронирующих элементов, коронный разряд начинается при меньшем напряжении. Образующиеся при коронном разряде с электрода 3 отрицательные ионы при неподвижном электроде 4 резко уменьшают ток коронного разряда, поэтому практически одновременно с источником питания включают привод вращения 7. Отрицательные ионы связываются положительно поляризованной поверхностью на электроде 4 и благодаря его вращению выносятся из зоны разряда. Это увеличивает ток коронного разряда и превращает разряд в барьерный, так как возникающая в разряде плазма образует с металлом электрода 4 электрическую емкость, для заряда которой необходима энергия. Вследствие вращения электрода 4 отрицательно заряженная поверхность перемещается в область воздействия электрода 2, в результате чего к разряднику 6 прикладывается практически удвоенное напряжение. Это вызывает самопроизвольное срабатывание разрядника, отрицательно заряженная поверхность электрода 4 разряжается в импульсном режиме и перезаряжается положительно до напряжения источника питания.

Проведенные измерения показали, что в этом случае реализуются импульсы перезарядки поверхности с крутизной нарастания импульса напряжения 10¹¹ 10¹² В/с с высокочастотной составляющей тока порядка 2 3 МГц. В этих условиях в разрядном промежутке между электродами 2 и 4 имеет место объемный разряд.

Далее при вращении электрода 4 происходит перезарядка положительно заряженной поверхности в отрицательную в области воздействия электрода 3 и затем процесс перезарядки повторяется. Так как вследствие импульсного режима на электроде 2 поверхность электрода 4 заряжается неравномерно, разряд в промежутке между электродами 3 и 4 превращается в импульсный и также принимает объемный характер. В отсутствие разрядника 6 между электродами 2, 3 и 4 реализуется обычный барьерный разряд с нитевидной структурой плазмы разряда.

Так как заряды электродов 2, 3 и электрода 4 после импульса перезарядки имеют одинаковый знак, происходит взаимоотталкивание электродов, в результате чего получивший начальный импульс вращения электрод 4 может вращаться самостоятельно. Поэтому привод вращения 7 может быть выполнен с возможностью самоотключения.

Для получения максимальной частоты импульсов разряда межэлектродное расстояние разрядника 6 устанавливают так, что его U_пр 0,1U. При U_пр = 0,9U, частота импульса разряда снижается при существенном возрастании амплитуды тока разряда. При дальнейшем увеличении U_пр разрядника 6 происходит ухудшение объемных характеристик разряда. Поэтому выбор U_пр разрядника 6 также определяется применительно к решаемой задаче.

При любом выборе U_пр разрядника 6 имеется разброс в частоте импульсов разряда в пределах ±20 Для некоторых применений, например в лазерной технике, этот разброс может оказаться нежелательным. В этом случае электрод 4 выполняют в виде многогранника и вращают принудительно. Расстояние l₁ выбирают таким, что разряд с электрода 2 происходит на ребрах многогранника. При числе граней 20 24 легко реализуются частоты разряда примерно 1 кГц. При этом диаметр электрода 4 целесообразно увеличивать.

Когда электрод 4 выполнен в виде 3-4-гранника, крайне трудно обеспечить объемный характер разряда. В этом случае при принудительном вращении электрода 4 предлагаемое устройство можно применить для фотоионизации или для фотолиза газовой среды, так как в этом случае с ребер электрода 4 развиваются навстречу вращению скользящие искры. В этом единственном случае изоляция электрода 4 должна быть рассчитана на полное напряжение источника питания.

Для определения энерговклада в разряд нужно знать величину удельной поверхности емкости C_уд изоляции электрода. Ее можно оценить с помощью упрощенной формулы
,
где ε диэлектрическая постоянная изоляция электрода 4; d толщина изоляции, мм.

Было выполнено несколько вариантов предлагаемого устройства, на которых отрабатывалось различное выполнение узлов устройства и исследовались режимы его работы. Ток, напряжение и частота следования импульсов разряда измерялись осциллографически. В режиме работы без привода вращения измерялась также скорость вращения изолированного электрода.

1. Пример 1. Изолированный электрод цилиндр из металла диаметром 2000 мм, длиной 250 мм, изоляция из пленки полиэтилентерефталата толщиной 0,4 мм. Коронирующие элементы вольфрамовая проволока диаметром 0,2 мм, длиной 260 мм. Напряжение источника ±15 кВ, l₁ 6 мм, l₂ 70 мм, частота следования импульсов разряда, регулируемая разрядником 10 кГц, скорость вращения изолированного электрода 550 об/мин. Средняя мощность в разряде составила 25 Вт.

Устройство использовалось для разработки установки по обеззараживанию сточных вод. Кювета с обрабатываемой водой помещалась в зоне воздействия коронирующих электродов. Емкость кюветы 1 л. Время обработки 3 мин. Исходное микробное число воды 6•10⁷ см^-3. Микробное число после обработки 2,2•10³ см^-3. Поражение микроорганизмов составило 99,9
Пример 2. Изолированный электрод восьмигранник из диэлектрика, максимальный диаметр 210 мм, длина 520 мм, обмотан виток к витку проводом МГШВ на рабочее напряжение 500 В. Коронирующие элементы полосы стальной фольги толщиной 0,1 мм, обращенные ребром к поверхности электрода, длиной 515 мм. Напряжение источника питания ±25 кВ, l₁ 4 мм, l₂75 мм, скорость принудительного вращения изолированного электрода 1500 об./мин, частота разряда 200 Гц. Средняя мощность в разряде составила 115 Вт.

Устройство использовалось для замены блока предионизации в лазере с объемным самостоятельным разрядом. Выходные характеристики лазера не изменились, однако предлагаемое устройство в качестве блока предионизации проще в изготовлении и существенно надежнее в эксплуатации, чем блок предионизации с большим количеством искровых каналов. Ни одного случая пробоя изоляции отмечено не было.

Пример 3. Изолированный электрод цилиндр из диэлектрика диаметром 200 мм, длиной 250 мм обмотан виток к витку проводом МГШВ. Коронирующие элементы
вольфрамовая проволока диаметром 0,2 мм, длиной 250 мм. Напряжение источника питания ±18 кВ, l₁ 12 мм, l₂ 2 25 мм, частота следования импульсов разряда, регулируемая разрядником, 5 кГц, скорость вращения изолированного электрода 725 об./мин, частота разряда 200 Гц. Средняя мощность в разряде составила 40 Вт.

Устройство было использовано в качестве озонатора, дополнительно помещено в кожух и снабжено вентилятором.

Отбор проб и химический анализ проводился по стандартной методике. Удельная производительность озонатора в пересчете на 1 см² поверхности изолированного электрода оказалась такой же, как у озонатора фирмы "Дегремон". Однако для этих озонаторов обязательна предварительная осушка и обеспыливание воздуха, что требует таких же энергозатрат, как и процесс озонирования. Предлагаемое же устройство работало на обычном воздухе и не было оптимизировано именно на процесс озонирования. Кроме того, оно имеет широкие возможности для изменения характеристик разряда.

Устройство для осуществления разряда практически не имеет высоковольтной изоляции, что существенно удешевляет его производство, просто в изготовлении и эксплуатации.

Использование: для создания объемного разряда, например, в лазерных системах. Устройство для осуществления разряда включает источник питания и соединенные с ним электроды, один из которых изолирован и выполнен в виде замкнутой поверхности, имеющей осевую симметрию, причем неизолированный электрод выполнен в виде по крайней мере одной пары соединенных с положительным и отрицательным полюсами источника питания коронирующих электродов, которые установлены параллельно оси симметрии изолированного электрода. При этом изолированный электрод заземлен, а коронирующий электрод подсоединен к положительному полюсу источника питания через разрядник. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для осуществления разряда, содержащее источник питания, соединенные с ним электроды, один из которых выполнен изолированным в виде замкнутой поверхности, имеющей осевую симметрию, а другой неизолированным в виде по крайней мере одной пары соединенных с полюсами указанного источника питаниия коронирующих элементов, разнесенных относительно друг друга, соразмерных по длине изолированному электроду и установленных параллельно его оси симметрии, причем один из коронирующих элементов непосредственно соединен с отрицательным полюсом источника питания, а электроды установлены с возможностью вращения относительно друг друга, отличающееся тем, что коронирующие элементы расположены на расстоянии l₁ от диэлектрической поверхности изолированного электрода и на расстоянии l₂ друг от друга, другой из коронирующих элементов соединен с положительным полюсом источника питания через дополнительно введенный разрядник, а расстояния l₁ и l₂ выбраны в соотношениях l₁ k₁•U/E, l₂ k₂•U/E, где U напряжение источника питания, кВ, Е пробивная напряженность электрического поля газовой среды, кВ/см, k₁ и k₂ коэффициенты, выбранные в пределах 0,5 ≅ k₁ ≅ 3, K₂ ≥ 6. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поверхность изолированного электрода выполнена в виде многогранника. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поверхность изолированного электрода выполнена в виде диэлектрической подложки, обмотанной изолированным проводом.