Многоострийное зарядное устройство для униполярной зарядки аэрозольных наночастиц Российский патент 2024 года по МПК H01T23/00 B82B1/00 B03C3/38 

Настоящее изобретение относится к области нанотехнологий, в частности к устройствам униполярной зарядки аэрозольных наночастиц в поле коронного разряда. Униполярные зарядные устройства обеспечивают более высокую эффективность зарядки, чем биполярные, поскольку предотвращается рекомбинация заряженных наночастиц с ионами противоположной полярности. Данное изобретение необходимо в аддитивной технологии и других процессах, где заряженные аэрозольные наночастицы выступают в качестве функциональных материалов. Эффективная зарядка и устранение потерь наночастиц является важной коммерческой задачей при использовании дорогостоящих материалов, а также существенно ускоряет технологический процесс и увеличивает длительность непрерывной эксплуатации устройства без очистки.

В таких устройствах, как правило, используют два электрода из проводящего материала, между которыми возникает коронный разряд, приводящий к появлению высокой концентрации ионов, которую можно оценить по формуле:

где N_i - концентрация ионов в области коронного разряда, I - электрический ток коронного разряда, Z_i - электрическая подвижность ионов, Е - напряженность электрического поля, А - эффективная площадь поверхности анода, е - элементарный электрический заряд.

При прохождении аэрозольных наночастиц через область зарядки в устройстве, происходит их бомбардировка потоком заряженных ионов, в следствии чего наночастицы приобретают заряд. Как можно заметить из формулы (1), повышение электрического тока коронного разряда I или понижение напряженности электрического поля Е при неизменных прочих параметрах напрямую приводит к росту концентрации ионов N_i. С повышением концентрации ионов происходит увеличение среднего числа столкновений наночастиц с ионами, что приводит к более эффективной зарядке наночастиц. Как показало исследование [1], для достаточной зарядки концентрация ионов должна быть на 2-3 порядка больше, чем концентрация наночастиц. Основной проблемой аналогичных устройств являются потери наночастиц на пластине под воздействием электрического поля, которые возрастают при повышении напряжения на игле.

Аналогом является устройство для зарядки наночастиц, описанное в патенте US10177541B2. Данное изделие включает в себя корпус, имеющий продольную ось, проходящую между входом и выходом корпуса, при этом поток аэрозольных наночастиц течет под некоторым углом продольной оси. Внутри корпуса создается электрическое поле для направления потока униполярных ионов к выходному отверстию для зарядки потока аэрозольных наночастиц. Кроме того, между потоком аэрозольных наночастиц и корпусом подается обволакивающий поток воздуха для уменьшения потерь заряженных наночастиц внутри корпуса. Однако данное устройство имеет ряд недостатков: подача слишком большого потока обволакивающего газа сильно разбавляет концентрацию наночастиц, что ограничивает область применения устройства; большая длина выходного отверстия приводит к росту потерь заряженных наночастиц, выбранная форма заземленного электрода также обеспечивает дополнительные потери наночастиц.

Прототипом изобретения является устройство для зарядки наночастиц, описанное в патентах SU 927318 A2 и US 20110090611 A1. Данные устройства также состоит из корпуса, имеющего продольную ось, проходящую между входом и выходом корпуса, при этом поток аэрозольных наночастиц параллельно продольной оси. Недостатками устройств, как и в предыдущем случае, являются большая длина выходного отверстия, которая увеличивает потери, использование одноострийной иглы вынуждает повышать напряжение для достижения необходимой концентрации, форма заземленного электрода также способствует росту потерь наночастиц.

Технической задачей, решаемой в представленном изобретении, является создание устройства для получения высокой эффективности зарядки наночастиц.

Техническим результатом является обеспечение минимальных потерь частиц внутри устройства путем выбора оптимальной формы электродов.

Для достижения данной цели, настоящее зарядное устройство для наночастиц с высокоскоростным воздушным потоком в оболочке для дополнительного уменьшения потерь содержит корпус из диэлектрического материала с входными и выходными отверстиями для аэрозольного и обволакивающего потоков, катод в форме заземленной пластины и анод в форме многоострийной иглы. Повышение эффективности работы зарядного устройства достигается за счет изменения формы электродов, а именно одновременное увеличение количества острий на игле и выбор конической формы отверстия катода с расположением широкой части к выходу из устройства, которое приводит к уменьшению потерь наночастиц внутри устройства. Первой причиной уменьшения потерь является уменьшение напряженности поля, необходимого для достижения необходимой концентрации ионов. Это достигается путем увеличения числа острий на игле, что означает увеличение количества источников ионов, которое позволяет понизить напряжение на игле. Количество острий иглы анода составляет не менее трех. Второй причиной является изменение электрического поля на более неоднородное путем использования конической формы пластины. Благодаря этому, заряженные наночастицы, ввиду своей малой электрической подвижности по сравнению с ионами, покидают зарядное устройство, не успевая развернуться по направлению поля и достигнуть пластины.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена схема разработанного игольчатого зарядного устройства с многоострийной коронирующей иглой.

На фиг. 2 представлена схема эксперимента по определению характеристик зарядного устройства (потерь L_E, доли незаряженных наночастиц h и доли заряженных наночастиц на выходе η_extr).

На фиг. 3 представлена зависимость характеристик зарядного устройства (потерь L_E, доли незаряженных наночастиц h и доли заряженных наночастиц на выходе η_extr) при использовании иглы с одним острием (слева) и цилиндрическим отверстием в пластине и иглы с восьмью (справа) остриями и коническим отверстием в пластине при различных значениях обволакивающего потока Q_sh, равных 1, 2 и 3 л/мин.

Способ [1] определения оптимальных параметров установки представлен на фиг. 2. При помощи данного способа можно оценить эффективность зарядного устройства путем измерения концентраций аэрозоля без зарядки, с зарядкой и после удаления заряженных наночастиц с помощью электростатического поглотителя. Сравнивая полученные значения, можно вычислить долю потерь, долю заряженных наночастиц и долю незаряженных наночастиц на выходе устройства. По данной методике были проведены исследования эффективности предложенного зарядного устройства и аналогичного устройства с одноострийной иглой и цилиндрическим отверстием в пластине. Измерения проводились для наночастиц серебра, полученными методом искровой абляции, с размером 20-180 нм. Поток обволакивающего воздуха менялся от 1 до 3 л/мин, аэрозольный поток составлял 1 л/мин. Значение тока коронного разряда было постоянным 20 мкА, что обеспечивало достаточную концентрацию ионов. Напряжение на одноострийной игле было 2.1 кВ, на многоострийной игле заданный ток достигался при 1.8 кВ. Объяснение уменьшения напряжения на игле при изменении формы электродов представлены ранее. Результаты исследований представленные на фиг. 3. показывают, что для всех трех значений обволакивающего потока приведенное нами устройство с улучшенной формой электродов является предпочтительной и повышает долю заряженных наночастиц на выходе из устройства от 12% до 24%, максимальное значение которой составляет 59% для обволакивающего потока 3 л/мин. Доля потерь при этом составляет 20%.

Пример применения

Для получения наночастиц использовался генератор с импульсно-периодическим газовым разрядом, обеспечивающий высокую массовую производительность получения наночастиц размером 20-180 нм и концентрацией около 10⁷ см^-3.

Полученные наночастицы направлялись в зарядное устройство в аэрозольном потоке воздуха 1 л/мин. Между вольфрамовой многоострийной иглой и заземленной медной пластиной создавался коронный разряд с током 20 мкА путем подачи на иглу напряжения 1.8 кВ. Края пластины обдувались обволакивающим потоком 3 л/мин.

В результате на выходе из устройства около 59% от начальной концентрации наночастиц имели заряд. Около 20% наночастиц было потеряно внутри устройства, а 21% наночастиц не имело заряда.

Таким образом, данное устройство имеет высокую эффективность зарядки наночастиц, и обладает низкими их потерями, и подходит даже для высоких концентраций наночастиц. А также имеет настраиваемые параметры коронного разряда и потоков воздуха.

Источники информации

1. Alonso M., Martin M.I., Alguacil F.J. The measurement of charging efficiencies and losses of aerosol nanoparticles in a corona charger. Journal of Electrostatics. 2006;64(3):203-14. 10.1016/j.elstat.2005.05.008.

2. Патент US 20110090611 A1, опубл. 21.04.2011, МПК H05H1/48, Particle charger with sheath air flow for enhancing charging efficiency.

3. Патент US 10177541 B2, опубл. 08.01.2019, МПК H01T23/00, Concentric electrical discharge aerosol charger.

4. Патент SU 927318 A2, опубл. 1982.05.15, МПК B03C 3/38, Устройство для зарядки аэрозольных частиц.

5. Патент SU 1786496 A1, опубл. 1993.01.07, МПК G08B 17/00, Устройство зарядки аэрозольных частиц извещателя пожароопасной ситуации.

Изобретение относится к области нанотехнологий, в частности к устройствам униполярной зарядки аэрозольных наночастиц в поле коронного разряда. Технический результат – повышение эффективности зарядки аэрозольных наночастиц и уменьшение их потерь внутри устройства. Многоострийное зарядное устройство для униполярной зарядки аэрозольных наночастиц содержит корпус из диэлектрика, содержащий два сообщенных с внешним источником газа канала для пропускания потока ограждающего газа и сообщенный с внешним источником аэрозольных частиц канал для пропускания потока аэрозоля. Соосно корпусу расположены находящийся под высоким напряжением анод в форме иглы, имеющей не менее трёх острий, выходящих за границы корпуса, и заземленный катод в форме пластины с коническим отверстием, которое расширяется по мере удаления от корпуса. Катод вплотную прилегает к корпусу, а выходы каналов для потока ограждающего газа расположены в непосредственной близости от острия анода. 3 ил.

Многоострийное зарядное устройство для униполярной зарядки аэрозольных наночастиц, представляющее собой корпус из диэлектрика, содержащий два сообщенных с внешним источником газа канала для пропускания потока ограждающего газа и сообщенный с внешним источником аэрозольных частиц канал для пропускания потока аэрозоля, соосно которому расположен находящийся под высоким напряжением анод в форме иглы, имеющей не менее трёх острий, выходящих за границы корпуса, и заземленный катод в форме пластины с коническим отверстием, которое расширяется по мере удаления от корпуса, при этом катод вплотную прилегает к корпусу, а выходы каналов для потока ограждающего газа расположены в непосредственной близости от острия анода.