ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ УЛОВИТЕЛЬ МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВ Российский патент 1998 года по МПК B03C3/00 

Изобретение относится к технике улавливания мелких частиц, точнее к электростатическим уловителям субмикропорошков. Такие уловители последнее время разрабатываются в связи с развитием техники получения тонких немагнитных порошков.

Известно устройство для улавливания пыли [Патент РФ, N 1758934, B 03 C 3/00] , содержащее электродную систему с диэлектрическим покрытием, при этом толщина этого покрытия превышает пробивное для данного напряжения.

Недостаток устройства в том, что его электродная система создает однородное поле, в котором отсутствуют силы, действующие на незаряженные частицы.

Известно устройство для создания коронного разряда, которое может быть использовано для улавливания порошков и содержащее диэлектрическую оболочку, на внешней поверхности которой расположены проводники, а внутри нее установлен источник высокого напряжения, плюс которого заземлен, а минус соединен с проводниками.

Недостаток устройства в применении к улавливанию мелких порошков состоит в том, что возможен переход коронного разряда в искровой из-за наличия емкости проводников на землю и, следовательно, возможно возгорание частиц порошка в атмосфере воздуха или кислорода.

Наконец, известно устройство для электростатического улавливания диэлектрических и металлических порошков [Патент РФ N 1833207, B 03 C 3/30], содержащее осадительный цилиндрический электрод из диэлектрика, внутри которого установлен натиратель со щетками. Достоинство устройства в отсутствии источника питания. Недостатком этого технического решения является возможность искрения при достаточно большой диэлектрической проницаемости материала цилиндрического электрода и некоторые неудобства при работе с ним, связанные с механизмом натирания.

Задачей настоящего изобретения является улучшение прототипа в части, касающейся источника заряда, а также устранение искрения при диэлектрической проницаемости ε ≥ 50-100.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном уловителе мелкодисперсных порошков внутренняя поверхность осадительного электрода покрыта тонким слоем металла и на него от высоковольтного источника питания подается напряжение произвольной полярности, а наружняя поверхность этого электрода покрыта тонким слоем полупроводящего материала с удельным сопротивлением 1 - 2 ГОм•м.

Известно, что на незаряженную частицу в электрическом поле действует сила:

где
E - напряженность поля, X = координата, ρ - радиус частоты, ε - относительная диэлектрическая проницаемость.

Эта сила в 50 - 100 раз меньше электрической силы, действующей на заряженную частицу таких же размеров в поле такой же напряженности. Поэтому для максимального увеличения электростатических сил для случая незаряженных частиц необходимо максимально увеличивать E и, главное, создавать максимальный градиент этого поля dE/dX. Последнее достигается при небольших внешних диаметрах цилиндрического электрода ~1 - 2 см.

При использовании источника постоянного высокого напряжения необходимо запасти максимальную энергию в диэлектрике, для этого он должен иметь максимальную проницаемость ε_oтн. Однако, при этом резко возрастает опасность искрения при приближении к заземленной металлической поверхности из-за существования емкости внешней поверхности цилиндрического электрода на землю (источник питания другим полюсом соединен с землей). Налицо техническое противоречие, которое можно разрешить путем размещения на внешней поверхности цилиндрического электрода слоя полупроводящего материала с достаточно большим удельным сопротивлением. Толщина этого слоя должна быть достаточной для кратковременного выдерживания полного напряжения питания. Толщина диэлектрической стенки цилиндрического электрода должна быть не менее, чем достаточной для длительного выдерживания полного напряжения.

Удельное сопротивление материала, покрывающего наружнюю поверхность цилиндрического электрода, может находится в пределах 1 - 2 ГОм•м для напряжения питания 10 - 20 кВ. Такое соотношение ограничивает возможный удельный ток при разряде частичных емкостей на землю на уровне ~10^-7 А/см². При такой плотности тока может существовать только тихий разряд, а не коронный и, тем более, не искровой. Вследствие этого практически полностью отсутствует самоподжигание металлических порошков.

На фиг. 1 представлена схема уловителя, выполненного в виде щупа с удлиненной ручкой. Металлический слой 1 нанесен на внутреннюю поверхность стаканоподобного изолятора 2 со сферической донной частью. Наружняя поверхность этого изолятора покрыта полупроводящим слоем 3. Высоковольтный вывод источника питания присоединен изнутри к металлическому слою. Ручка снабжена фасонным ограничителем положения руки.

Устройство работает следующим образом. При включении питания проводящая обкладка 1 приобретает заряд, при этом вокруг цилиндрического электрода 2, выполненного из диэлектрика с проницаемостью, находящейся в пределах 10 - 1000, возникает неоднородное электрическое поле. Если в окрестности электрода оказывается частица порошка, то она втягивается по градиенту поля и оседает на наружней поверхности этого электрода, покрытого слоем 3. Слой порошка, который удерживается на поверхности электрода, не должен превышать 0,1 - 0,2D, где D - внешний диаметр электрода. При достижении этой толщины необходимо разгрузить уловитель легким встряхиванием или кисточкой при выключенном источнике питания. Затем процесс можно повторить.

Устройство проверено на микропорошках CuO размером 30 мкм, SiO₂ - 50 мкм, субмикропорошках Al₂O₃, Al + AlN и показало достаточную эффективность при отсутствии негативных моментов, в частности самовозгорания металлических микропорошков.

Изобретение может быть использовано при улавливании мелких частиц, конкретно электростатическом улавливании субмикропорошков. Цилиндрический осадительный электрод из диэлектрика покрыт тонким слоем полупроводящего материала. Изобретение решает задачу по улавливанию мелких до 20 нм частиц металла и диэлектрика, находящегося в зоне захвата устройства. 1 ил.

Электростатический уловитель мелкодисперсных порошков, содержащий осадительный цилиндрический электрод из диэлектрика, внутренняя поверхность которого заряжена от источника заряда, отличающийся тем, что внутренняя поверхность цилиндрического электрода покрыта слоем металла, а наружная поверхность этого электрода покрыта слоем полупроводящего материала с удельным сопротивлением 1^oC2 ГОм•м, при этом слой металла соединен с одним из выходов источника высокого напряжения произвольной полярности, а второй выход источника питания заземлен.