ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО Советский патент 1995 года по МПК H01T9/00 B22D27/08 

Изобретение относится к электрофизической технике, использующей электрогидравлический эффект, возникающий при электрическом разряде в жидкости, и может быть применено для вибрационного воздействия на объекты с высокой температурой, как, например, в устройствах для виброимпульсной обработки жидкого металла, раскаленных слитков и проката, расплавов веществ и т.п.

Известно устройство для виброимпульсной обработки жидкого металла, состоящее из цилиндрической разрядной камеры, являющейся одним из электронов, и расположенного в ней коаксиально другого изолированного электрода. Камера и электрод проточно охлаждаются рабочей жидкостью - водой, подаваемой и выводимой через отверстия в крышке. Возникающие при разряде между электродами в камере ударные волны передаются через дно камеры волноводному стержню, с помощью которого они вводятся в расплав.

Недостатком устройства является его низкий ресурс, обусловленный ограниченной стойкостью изолятора центрального электрода, который подвержен разрушающему воздействию со стороны стримерных каналов, образующихся на поверхности изолятора при подаче напряжения на электроды, а также воздействию ударных волн и гидропотоков от близких к изолятору каналов боковых (на стенки камеры) разрядов, возможных в устройстве.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является устройство, предназначенное для виброимпульсной обработки расплавов. Оно содержит коаксиальные внутренний центральный изолированный с осевым каналом и наружный цилиндрический электроды с разрядным зазором между их рабочими концами, помещенные в разрядную камеру, заполненную рабочей жидкостью и снабженную системой проточного охлаждения этой жидкостью.

Устройство недостаточно эффективно в работе, так как ударные волны, образующиеся при разряде, отражаются от дна и стенок разрядной камеры, поглощаются в ней, в результате чего уменьшается доля их энергии, воздействующей на объект обработки - расплав. Кроме того, имеют место значительные потери энергии разряда на его предпробойной стадии из-за отсутствия условий для надежного формирования канала разряда в преимущественном направлении. Ресурс устройства также недостаточен по причине низкой стоимости изолятора центрального электрода, не защищенного от воздействия стримерных каналов, ударных волн и гидропотоков.

Цель изобретения - повышение эффективности и ресурса устройства.

Указанная цель достигается тем, что в электроразрядном устройстве, содержащем коаксиальные внутренний центральный изолированный с осевым каналом и наружный цилиндрический электроды с разрядным зазором между их рабочими концами, помещенные в разрядную камеру, заполненную рабочей жидкостью и снабженную системой проточного охлаждения этой жидкостью, наружный цилиндрический электрод снабжен днищем, расположенным так, что внутренняя полость рабочего электрода образует разрядную камеру, а разрядный зазор выполнен между внутренней стороной днища и рабочим концом центрального электрода, при этом в систему охлаждения введена рубашка охлаждения, охватывающая боковую поверхность наружного электрода, стенки которого у днища под рубашкой снабжены сквозными каналами, направленными скошенно к окружности днища.

Конструкция электроразрядного устройства, без генератора импульсных токов, представлена схематично на фиг. 1 и 2. Электроразрядное устройство предназначено преимущественно для обработки объектов с высокой температурой (на фиг. 1 высокотемпературный поток обозначен стрелкой с символом Т^о), например кристаллизующегося металла. Оно содержит коаксиальные внутренний центральный изолированный электрод, состоящий из токоподводов основного 1, промежуточного 2 и смежного 3, помещенных в изолятор 4 с наконечником 5, и наружного цилиндрического электрода 6. Токоподвод 1 центрального электрода и крышка 7 электрода 6 подключены к генератору импульсных токов (на чертеже не показан). Токоподвод 1 имеет осевой канал 8 для подачи охлажденной воды, который через отверстия 9, кольцевой паз 10 между основным 1 и промежуточным токоподводом 2, выполненным в виде стакана, и продольные каналы 11 соединен с кольцевым зазором 12, отделяющим наконечник 5 от сменного токоподвода 3. Электрод - камера 6 снабжен рубашкой 13 с патрубком 14, отводящим нагретую воду 15 и днищем 16. Для формирования стабильного охлаждающего потока воды 15 стенки электрода - камеры 6 у днища 16 перфорированы скошенными каналами 17, показанными в разрезе на фиг. 2. Выступ 18 на днище 16 также способствует формированию потока и определяет место искрового разряда. Отверстие 19 малого сечения в крышке 7 препятствует образованию газовой подушки под ней. Особое значение имеет водяной конус 20, обращенный вершиной к концу сменного токоподвода 3 и обладающий повышенной температурой по отношению к окружающей воде 15 в камере 6.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. В исходном состоянии вода подается по каналу 8 к лабиринту из отверстий 9, паза 10 и продольных каналов 11 в кольцевой зазор 12. Поток охлаждающей воды выходит из зазора 12 и расходится конусом, вписываясь в боковую поверхность выступа 18 и днища 16. Основной отбор воды происходит через косые каналы 17, благодаря которым происходит закручивание растекающегося потока, а следовательно, его стабилизация и улучшение съема тепла с поверхности днища 16. Кроме того, наличие каналов 17 препятствует распространению тепла вверх по стенкам камеры 6. Частично отбор нагретой воды 15 вместе с пузырьками газа происходит через отверстие 19. Проходя под охлаждающей рубашкой 13, вода выводится через патрубок 14 в систему отбора воды 15. Поступление теплового потока через днище 16 и описанная выше циркуляция воды 15 обеспечивают застойную зону в виде конуса 20 с состоянием воды в нем, близким к метастабильному. При подаче высоковольтного напряжения на токоподвод 1 и крышку 7 между внутренней поверхностью днища 16 камеры 6 и сменным токоподводом 3 протекает импульсный разрядный ток. Наибольшей плотности токи ионной поверхности будут достигать в конусе 20, имеющем повышенную электропроводность, обусловленную перегревом воды 15 в нем. В результате этого на конце токоподвода 3 происходит взрывное вскипание воды 15, образование стримеров и их локальное развитие в пределах конуса 20. Причем длительность достримерной стадии, а следовательно, и потери энергии на ней резко сокращаются. Предварительный нагрев локальной зоны - конуса 20 ускоряет рост стримеров, одновременно ограничивая их ветвиcтость, что также способствует снижению потерь энергии на стримерной предпробойной стадии. Наличие потока воды пониженной температуры в зазоре 12 исключает стримерообразование у поверхности наконечника 5 изолятора 4. Выступ 18 дополнительно локализует искровой разряд в конусе 20, и масса его рассчитывается по электроэрозионному износу на определенное количество разрядов. После замыкания стримерами разрядного промежутка между токоподводом 3 и выступом 19 образуется канал разряда, а затем - парогазовая полость. Поток воды 15, вытекающей из зазора 12, деформирует расширяющуюся парогазовую полость, препятствуя ее последующему схлопыванию на наконечнике 5 и обеспечивая тем самым его высокий срок службы. Развитие парогазовой полости приводит к интенсивному перемешиванию воды 15 в камере 6. Вслед за ее полным распадом указанный температурный режим вновь восстанавливается и устройство готово к последующему разряду. На объект обработки воздействуют ударные волны, образованные при расширении канала разряда и схлопывании парогазовой полости, а также импульсное нагружение - квазиметаллическое давление, возникающее во время роста парогазовой полости и передаваемое днищем 16, выполняемым в виде мембраны.

Применение предлагаемого изобретения повысит срок службы устройства за счет устранения искрового разряда возле наконечника изолятора и схлопывания парогазовой полости на нем. Эффективность работы устройства возрастает в результате снижения предпробойных потерь энергии и получения возможности уменьшения объема камеры, что влечет за собой увеличение квазистатического давления в нем. Перечисленные положительные эффекты достигнуты благодаря использованию по новому назначению ранее нежелательного фактора - теплового потока от обрабатываемого объекта в сочетании с направленным воздействием циркулирующей воды.

ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее коаксиальные внутренний центральный изолированный с осевым каналом и наружный цилиндрический электроды с разрядным зазором между их рабочими концами, помешенные в разрядную камеру, заполненную рабочей жидкостью и снабженную системой проточного охлаждения этой жидкостью, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности и ресурса устройства, наружный цилиндрический электрод снабжен днищем, расположенным так, что внутренняя полость наружного электрода образует разрядную камеру, а разрядный зазор выполнен между внутренней стороной днища и рабочим концом центрального электрода, при этом в систему охлаждения охватывающая боковую поверхность наружного электрода, стенки которого у днища под рубашкой снабжены сквозными каналами, направленными скошенно к окружности днища.