ВЗРЫВНОЙ ПЬЕЗОГЕНЕРАТОР Советский патент 1997 года по МПК H02N2/00 H01L41/113 

Изобретение относится к сильноточной импульсной технике, конкретно к пьезогенераторам одиночных импульсов, и может быть использовано при создании исполнительного механизма в системах однократного действия (использования).

Необходимость в простых и удобных в обращении источниках электрического импульса однократного действия возникает всякий раз, когда применение переносных или стационарных установок многоразового действия оказывается затруднительным или вообще невозможным, а применение импульсного источника однократного действия достаточным. Такая необходимость может возникать в полевых условиях или в космосе, в других труднодоступных местах. В частности, источники импульса однократного действия могут применяться, когда необходимо задействовать лазерную или рентгеновскую установку, либо когда необходимо инициировать большое количество электродетонаторов при проведении взрывных работ.

Известны импульсные генераторы тока или высокого напряжения многократного действия, построенные на принципе предварительного запасания энергии в накопительной электрической емкости [1]
Составными частями этих генераторов являются: устройство преобразования низковольтных электрических напряжений в высоковольтные напряжения; накопительное высоковольтное устройство на основе электрического конденсатора; устройство управления низковольтными цепями генератора, обеспечивающее заряд накопительного конденсатор до рабочего напряжения, высоковольтный импульсный трансформатор; устройство управления высоковольтными цепями генератора, обеспечивающее передачу накопленной энергии в виде электрического импульса в нагрузку генератора.

Подобные устройства строятся на основе различного рода электромеханических, электротехнических или электронных элементов (реле, трансформаторы, дроссели, конденсаторы, сопротивления, диоды, триоды, переключатели и т.д.). Общее количество таких элементов, в зависимости от конструкции генератора, может варьироваться от нескольких десятков до нескольких сотен штук.

Наличие в конструкции генератора большого количества элементов требует регламентных проверок в процессе хранения и эксплуатации генератора, снижает надежность его работы в целом. В ряде случаев возможность применения такого рода генераторов оказывается ограниченной сроком годности применяемых для их задействования источников питания. Все это определяет необходимость разработки более простых в эксплуатации источников импульса тока одноразового действия, когда для решения научной или технической задачи наличие такого рода источников оказывается достаточным.

Наиболее близким к предложенному является взрывной пьезогенератор, содержащий генератор ударной волны, пьезоэлектрический преобразователь энергии ударной волны в электрическую энергию с электродами на двух противоположных гранях, параллельных направлению распространения ударной волны [2]
В отличие от импульсных генераторов многоразового действия, принцип работы которых основан на предварительном запасании энергии в накопительной электрической емкости, этот генератор обладает максимальной простотой, не нуждается в источниках питания, не требует регламентных проверок в процессе хранения и эксплуатации.

В основу работы этого генератора положен принцип преобразования механической энергии ударной волны (УВ) в электрическую энергию в объеме ударно-нагружаемого пьезоэлектрического преобразователя.

Генерирование электрического импульса в нагрузке генератора происходит после взрыва содержащегося в генераторе УВ взрывчатого вещества (ВВ) при прохождении фронта УВ по преобразователю.

Известный взрывной пьезогенератор не позволяет существенно повысить амплитуду тока или напряжения генерируемого им электрического импульса без одновременной потери компактности конструкции и быстродействия генератора. Анализ особенностей его работы показывает, что значения амплитуды тока J₀ и напряжения V₀ генерируемого в нагрузке электрического импульса однозначно связаны между собой. Так, например, для нагрузки, представленной омическим сопротивлением R (R нагрузка), эта связь определена законом Ома в виде V₀ J₀R. (1)
Значения тока J₀ и напряжения V₀ могут быть выражены через параметры сегнетоэлектрического материала, из которого пластина изготовлена, и геометрические размеры пластины. Действительно:
J₀ PUy₀, (2)
V₀ E₀•X₀, (3)
где P поляризация сегнетоэлектрика; U скорость УВ; E₀ - напряженность рабочего электрического поля в сегнетоэлектрике; X₀ - толщина пластины 2, равная расстоянию между его электродами 3, и y₀ - длина сечения электрода фронтом УВ 6, см. фиг. 2; вектор поляризации перпендикулярен электродам 3. Из соотношений (2) и (3) видно, что значения тока J₀ и напряжения V₀ генерируемого электрического импульса, при заданных параметрах PU и E₀ сегнетоэлектрического материала, однозначно определяются размерами Y₀ и X₀ пьезоэлектрического преобразователя.

Конструкция взрывного пьезогенератора сохраняет свою компактность лишь при условии, что размеры X₀ и Y₀ пьезоэлектрической пластины преобразователя близки, а следовательно, близки между собой и габаритные размеры генератора по соответствующим им измерениям, параллельным плоскости фронта нагружающей пластину УВ. Наиболее компактный вид конструкция ВПГ имеет в случае, когда размеры X₀ и Y₀ пластины равны. В этом случае параметры сегнетоэлектрического материала связаны с током J₀ и напряжением V₀ электрического импульса соотношенем
I_o= V_oPUE-1o

. (4)
В случае, когда требуется получить амплитуду тока электрического импульса, превышающую величину V_oPUE-1o в десятки и сотни раз, необходимо увеличить, в соответствии с (2), длину Y₀ сечения электрода фронтом УВ. Это, в свою очередь, ведет к потере компактности конструкции генератора, поскольку ее габаритный размер, отвечающий длине Y₀, должен быть также увеличен в десятки и сотни раз по сравнению с габаритным размером, связанным с толщиной пластины X₀.

В случае, когда необходимо получить амплитуду напряжения электрического импульса, превышающую величину J₀E₀/PU в десятки и сотни раз, необходимо увеличить, в соответствии с (2), толщину X₀ пьезоэлектрической пластины, которая однозначно определяет величину напряжения V₀. Это, в свою очередь, ведет к потере компактности конструкции генератора, поскольку ее габаритный размер, отвечающий толщине пластины X₀, должен быть в десятки и сотни раз увеличен по сравнению с габаритным размером, связанным с длиной Y₀ сечения электрода фронтом УВ.

Очевидно, что подобная разница в габаритных размерах взрывного пьезогенератора по указанным измерениям нежелательно, поскольку сопровождается потерей компактности конструкции генератора и увеличением в десятки и сотни раз времени его работы. Время работы генератора УВ при условии постоянства скорости детонации ВВ (D const) определяется характерным его размером ≈X₀.

Таким образом, конструктивная схема известного генератора целесообразна лишь при условии близости геометрических размеров пьезоэлектрического преобразователя X₀ и Y₀ и не позволяет повысить параметры электрического импульса без увеличения габаритов, т.е. повысить удельный энергосъем.

Целью изобретения является повышение удельного энергосъема.

Поставленная цель достигается тем, что во взрывном пьезогенераторе, содержащем генератор ударной волны и соединенный с ним преобразователь энергии ударной волны в электрическую энергию с электродами на двух противоположных гранях, параллельных направлению распространения ударной волны, преобразователь выполнен в виде вписанного в цилиндрическую поверхность блока прямоугольных пластин с векторами поляризации, перпендикулярными электродам на больших гранях пластин, установленных вплотную одна к другой гранями с однополярными электродами, и соединенных электрически параллельно, а грани пластин, обращенные к генератору ударной волны, выполненному плосковолновым, лежат в одной плоскости.

Выполняя преобразователь энергии из нескольких пьезоэлементов, установленных вплотную друг к другу, набирают необходимую суммарную длину пьезоэлектрических пластин
(5)
равную длине одиночной пластины Y₀, найденную с помощью соотношения (2) Y₀ J₀(PU)^-1 (6) и обеспечивающую формирование электрического импульса с амплитудой тока J₀ при сохранении равенства габаритных размеров генератора по измерениям, параллельным плоскости фронта УВ или, что то же самое, выходной поверхности генератора УВ, торцовой поверхности пьезоэлектрического преобразователя энергии.

В другом варианте выполнения пьезогенератора пьезоэлектрические пластины в блоке установлены так, что грани соседних пластин с разнополярными электродами образуют двугранные углы, а грани, перпендикулярные ребрам двугранных углов, лежат в одной плоскости.

Выполняя преобразователь энергии из нескольких пластин, установленных под углом друг к другу, набирают необходимую суммарную толщину пьезоэлектрических пластин преобразователя
(5)
равную толщине одиночной пьезоэлектрической пластины X₀, найденной с помощью соотношения (2) X₀ V₀/E₀, (6) и обеспечивающую формирование электрического импульса с амплитудой напряжения V₀ при сохранении равенства габаритных размеров генератора по измерениям, параллельным плоскости фронта УВ или, что то же самое, -- выходной поверхности генератора УВ, торцовой поверхности пьезоэлектрического преобразователя.

Генератор УВ должен быть выполнен плосковолновым для обеспечения одновременности нагружения пластин пьезопреобразователя в блоке.

Таким образом в случае, когда требуемый размер пьезоэлектрической пластины Y₀(X₀) для получения требуемой амплитуды электрического импульса J₀ (V₀) в десятки и сотни раз превосходит размер X₀ (y₀), предложенное техническое решение позволяет сохранить компактность конструкции ВПГ, т.е. повысить удельный энергосъем.

На фиг. 1 показан пьезоэлектрический преобразователь энергии первого варианта ВПГ; на фиг. 2 ВПГ (первый вариант) в разрезе; на фиг. 3 и 4 - пьезоэлектрический преобразователь энергии второго варианта ВПГ; на фиг. 5 - ВПГ (второй вариант) в разрезе.

ВПГ состоит из двух основных частей: пьезоэлектрического преобразователя энергии УВ в электрическую энергию 1 (фиг. 1) и плосковолнового генератора УВ 2 (фиг. 2).

Пьезоэлектрический преобразователь энергии 1 согласно первому варианту технического решения выполнен в виде блока прямоугольных пластин 3, изготовленных из сегнетоэлектрической пьезокерамики, например пьезокерамики ЦТС-36. Этот блок пластин заливается эпоксидным компаундом (например, ЭЗК-7) для обеспечения защиты от поверхностного электрического пробоя так, чтобы пьезоэлектрический преобразователь 1 размещался в центральной части полученного цилиндрического блока 4. Радиус цилиндрической поверхности, в которую вписан блок пластин 3, должен равняться минимальному радиусу выходной поверхности 5 генератора УВ 2 (фиг. 2). В свою очередь, минимальный радиус торцовой поверхности цилиндрического блока 4 должен быть таким, чтобы обеспечивалась защита преобразователя 1 от поверхностного электрического пробоя в процессе работы генератора за счет толщины слоя эпоксидного компаунда.

Вектор поляризации в соседних пластинах блока пластин направлен встречно, т.е. соседние пластины установлены вплотную одна к другой большими гранями с однополярными электродами, а грани пластин, обращенные к генератору УВ, лежат в одной плоскости 6, параллельной торцовой поверхности 7 цилиндрического блока 4 и выходной поверхности 5 генератора УВ 2 (фиг. 2). Одноименные (положительные и отрицательные) электроды 8 пластин 3 в блоке 1 соединяются электрически между собой с помощью проводников (например, провода марки МГТФ), и от них делаются общие выводы "плюс" и "минус" к соответствующим клеммам 9 и 10, к которым подключается нагрузка 11 (фиг. 2). Таким образом, во взрывном пьезогенераторе пьезоэлектрические пластины соединяются электрически параллельно.

Генератор УВ 2 представляет собой аксиально симметричную конструкцию и состоит из четырех основных элементов: конического алюминиевого лайнера 12 с цилиндрическим фланцем 13, конического слоя взрывчатого вещества (ВВ) 14 из сплава тротила и гексогена в отношении 1:1, конической алюминиевой крышки 15 и детонатора 16. К цилиндрическому фланцу крепят как цилиндрический блок 4 с преобразователем 1, так и крышку генератора УВ 2. При этом выходная поверхность 5 генератора УВ 2 совпадает с торцовой поверхностью цилиндрического блока 4.

После подключения нагрузки 11 к выходным клеммам 9 и 10 преобразователя энергии 1 ВПГ готов к работе.

Во втором варианте выполнения ВПГ ( см.фиг. 3 5) пьезоэлектрический преобразователь 17 размещается в центральной части цилиндрического блока 18 из эпоксидного компаунда (например, эпоксидный компаунд ЭЗК-7) и выполнен в виде "гармошки" (см. фиг 4), так что тех их меньшие грани, на которых нанесены разнополярные электроды 19, образуют двугранные углы, а противолежащие грани пластин 20, перпендикулярные ребрам двугранных углов, расположены в двух плоскостях, параллельных между собой, торцовой поверхности 21 цилиндрического блока 19 и выходной поверхности 5 генератора УВ 2 (на фиг. 5).

Устройства работают следующим образом. При срабатывании детонатора 16 в вершине конического слоя ВВ возбуждается детонация, которая затем распространяется с постоянной скоростью D 7,6 км•с^-1 от вершины слоя к его основанию. За счет выбора угла δ в вершине конического лайнера при заданных толщинах лайнера 12, слоя ВВ 17 и крышки 15 генератора УВ 2 обеспечивается одновременный удар лайнера 12 по торцовой поверхности 7 (21) цилиндрического блока 4 (18) и возбуждение в нем плоской ультразвуковой волны (УВ).

Образовавшаяся в объеме цилиндрического блока 4 (18) плоская УВ движется по нему со скоростью U 5 км•с^-1 и ударно нагружает содержащийся в нем пьезоэлектрический преобразователь 1 (17). Длительность T генерируемого электрического импульса определяется временем ударного нагружения пластин, которое зависит от высоты пластин Z₀, определяемой в направлении движения фронта УВ и от скорости U перемещения фронта УВ 6 (см. фиг. 2). T Z₀•U^-1. (7)
После выхода фронта УВ за пределы пластин взрывной пьезогенератор перестает генерировать электрический импульс.

Ток J(t) и напряжения V(t) в нагрузке для моментов времени 0<t<T ударного нагружения пьезопластин и после его завершения, t>T определяют для первого варианта выполнения ВПГ (фиг. 1 и 2) соответственно соотношениям

где C электрическая емкость параллельно соединенных пластин преобразователя энергии; RC характерное время изменения J(t) и V(t) в R₁ нагрузке (RC/T<1 для пьезокерамики ЦТС-36).

Размеры преобразователя могут быть определены расчетным путем, если известны параметры: P поляризация пьезокерамики (ПК); E₀ и - рабочие напряженности электрического поля в ПК и окружающем ее компаунде; U - скорость УВ; J₀ и T амплитуда тока и длительность электрического импульса; R сопротивление нагрузки. Расчет размеров отдельных элементов преобразователя в целом выполняется в следующем порядке:
1. Рассчитывают толщину пластин X₀, суммарную длину сечения электрода фронтом УВ и высоту пластин Z₀ по формулам X₀ J₀R/E₀, (12)
I_Σ= I_o/PU; (13)
Z₀ UT. (14)
2. Предполагая число пластин в преобразователе четным и состоящим из попарно равных пластин, находят радиус r внутреннего цилиндрического объема, в который указанные пластины вписаны. Для этого используют соотношение
(15)
где n равно значению i, при котором принимает минимальное положительное значение.

3. Используя найденное значение радиуса r, определяют длины отдельных пластин преобразователя
(16)
4. Радиус и высоту цилиндрического блока 4 из эпоксидного компаунда, в котором размещен пьезоэлектрический преобразователь 1, находят с помощью соотношения

5. Высоту генератора УВ 2 в направлении, перпендикулярном плоскости выходной поверхности генератора УВ, а также его объем определяют из соотношений


где радиус цилиндрического блока 4, равный радиусу генератора УВ 2; угол в вершине конического лайнера 12; d_Ф радиальная толщина цилиндрического фланца лайнера 13; d_л, d_ВВ и d_к толщины лайнера 12, слоя ВВ 14 и крышки 15 соответственно.

Напряжение V(t) и ток J(t) в нагрузке для второго варианта ВПГ для моментов времени 0<t<T ударного нагружения пьезопластин и после его завершения (t>T) определяют соответственно с помощью соотношений

где C электрическая емкость последовательно соединенных пластин преобразователя энергии; RC характерное время изменения V(t) и J(t) в R - нагрузке (RC/T<1 для пьезокерамики ЦТС-36).

Размеры преобразователя энергии могут быть определены расчетным путем, если известны параметры: P поляризация ПК; E₀ и рабочие напряженности электрического поля в ПК и компаунде; U скорость УВ; V₀ и T амплитуда напряжения и длительность электрического импульса; R - сопротивление нагрузки.

Расчет размеров отдельных элементов преобразователя и преобразователя в целом выполняют в следующем порядке.

1. Рассчитывают суммарную толщину пьезопластин , длину Y₀ сечения электрода фронтов УВ и высоту пластин по формулам

2. Угол между гранями пьезопластин, перпендикулярных фронту УВ, и параллельных вектору их поляризации (см.фиг. 4) рассчитывают по формуле
(28)
3. Предполагая число пластин в преобразователе четным и состоящим из набора попарно равных пластин, находят радиус r внутреннего цилиндрического объема, в который указанные пластины вписаны. Для этого используют формулу
(29)
При этом число n в (16) равно максимальной величине индекса j в выражении для параметра β_j= π-(2j-1), (30) при котором β_j имеет минимальное положительное значение.

4. Используя найденное значение радиуса r внутреннего цилиндрического объема, в который вписан преобразователь, определяют значения толщин отдельных пластин преобразователя X_oi ( см.фиг. 4).

4.1. Для первой пары пластин, расположенной в центре внутреннего цилиндра с радиусом r, толщину вычисляют по формуле
(31)
4.2. Для остальных пар вычисления проводят по формуле
x_oi= 2r•cos(α+γ_i-1), (32)
где параметр γ_i определяют для второй и последующих пар пластин соответственно в виде

Расчет значений x_oi и γ_oi продолжается последовательно до тех пор, пока величина X_oi не достигнет минимального положительного значения.

5. Радиус и высоту цилиндрического блока 18 из эпоксидного компаунда с размещенным в нем преобразователем находят с помощью соотношений

6. Высоту генератора УВ 2 в направлении, перпендикулярном плоскости его выходной поверхности 5, см. фиг. 5, а также его объем определяют из соотношений

где радиус цилиндрического блока, равный радиусу генератора УВ;
угол в вершине конического лайнера 12;
d_л, d_ВВ, d_к толщины лайнера 12, слоя ВВ 14 и крышки 15 генератора УВ 2;
d_ф радиальная толщина цилиндрического фланца лайнера 13.

Предложенный взрывной пьезогенератор (его варианты) представляют собой простой и удобный в обращении источник одноразового действия. Он может быть использован всякий раз, когда применение переносных или стационарных установок оказывается затруднительным или вообще невозможным, а применение импульсного источника тока одноразового действия достаточным. Такая необходимость может возникать, например, в полевых условиях, в труднодоступных местах в космосе или в случае, когда источник должен быть использован после длительного хранения (в течение нескольких лет) без предварительных регламентных проверок и технического обслуживания. В частности, подобного рода источники могут быть использованы, когда необходимо задействовать лазерную, рентгеновскую или подобную им аппаратуру.

По сравнению с известным ВПГ (2) первый вариант предложенного пьезогенератора при том же объеме позволяет увеличить амплитуду тока в 2,5 раза, а удельный энергосъем в 4,6 раза, а по сравнению с базовым объектом (1) в 50 раз.

Второй вариант предложенного пьезогенератора при том же объеме позволяет увеличить амплитуду высоковольтного импульса в 1,5 раза, а удельный энергосъем примерно в 2 раза, а по сравнению с базовым объектом примерно на порядок.

1. Взрывной пьезогенератор, содержащий генератор ударной волны и пьезоэлектрический преобразователь энергии ударной волны в электрическую энергию с электродами на двух противоположных гранях, параллельных направлению распространения ударной волны, отличающийся тем, что, с целью повышения удельного энергосъема, преобразователь выполнен в виде вписанного в цилиндрическую поверхность блока прямоугольных пластин, с векторами поляризации, перпендикулярными электродам, расположенным на больших гранях пластин, установленных вплотную одна к другой гранями с однополярными электродами и соединенных электрически параллельно, а грани пластин, обращенные к генератору ударной волны, выполненному плосковолновым, лежат в одной плоскости.

2. Взрывной пьезогенератор, содержащий генератор ударной волны в пьезоэлектрический преобразователь энергии ударной волны в электрическую энергию с электродами на двух противоположных гранях, параллельных направлению распространения ударной волны, отличающийся тем, что, с целью повышения удельного энергосъема, преобразователь выполнен в виде вписанного в цилиндрическую поверхность блока прямоугольных пластин с векторами поляризации, перпендикулярными электродам, расположенным на меньших гранях пластин так, что грани соседних пластин с разнополярными электродами образуют двугранные углы, а грани, перпендикулярные ребрам двугранных углов и обращенные к генератору ударной волны, выполненному плосковолновым, лежат в одной плоскости.

1. Взрывной пьезогенератор, содержащий генератор ударной волны и пьезоэлектрический преобразователь энергии ударной волны в электрическую энергию с электродами на двух противоположных гранях, параллельных направлению распространения ударной волны, отличающийся тем, что, с целью повышения удельного энергосъема, преобразователь выполнен в виде вписанного в цилиндрическую поверхность блока прямоугольных пластин, с векторами поляризации, перпендикулярными электродам, расположенным на больших гранях пластин, установленных вплотную одна к другой гранями с однополярными электродами и соединенных электрически параллельно, а грани пластин, обращенные к генератору ударной волны, выполненному плосковолновым, лежат в одной плоскости. 2. Взрывной пьезогенератор, содержащий генератор ударной волны в пьезоэлектрический преобразователь энергии ударной волны в электрическую энергию с электродами на двух противоположных гранях, параллельных направлению распространения ударной волны, отличающийся тем, что, с целью повышения удельного энергосъема, преобразователь выполнен в виде вписанного в цилиндрическую поверхность блока прямоугольных пластин с векторами поляризации, перпендикулярными электродам, расположенным на меньших гранях пластин так, что грани соседних пластин с разнополярными электродами образуют двугранные углы, а грани, перпендикулярные ребрам двугранных углов и обращенные к генератору ударной волны, выполненному плосковолновым, лежат в одной плоскости.