Устройство повышения теплопроводности газовой среды ионизацией

 

Изобретение предназначено для повышения теплопроводности газовой среды ионизацией. Устройство содержит источник сжатого газа, сопло обдува зоны охлаждения, регулируемый высоковольный источник напряжения, электрический разрядник, укрепленный внутри сопла и подключенный к высоковольтному источнику. В сопло вмонтировано несколько независимо друг от друга регулируемых по зазору и напряжению электрических разрядников. Последние подключены к соответствующим независимо регулируемым высоковольтным источникам напряжения. Электроды изолированы друг от друга диэлектрическими сетками. На выходе сопла установлен завихритель потока. В схему управления разрядниками введено два многоканальных коммутатора. Активные и пассивные электроды покрыты диэлектрическими сетками, расположены под углом друг к другу и имеют каналы для продувки воздухом. Такое выполнение устройства позволит расширить его технологические возможности. 4 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение предназначено для повышения теплопроводности газовой среды ионизацией.

Во многих технологических процессах, связанных с необходимостью эффективности отвода тепла, применяются различные устройства охлаждения (подвод охлаждающей среды через спрейеры, погружение в охлаждающую среду, обдув воздухом или газом и пр.). Наибольшей теплопроводностью после твердых тел обладают жидкие среды, которые широко используются для охлаждения в различных устройствах. Вместе с тем теплопроводность газовой среды, например воздуха, возможно увеличить за счет ионизации [1] и тем самым приблизить ее к теплопроводности жидкой среды. Особенно это важно при создании локальных очагов пластической деформации при дилатационном формообразовании с использованием точечного источника нагрева. При дилатационном формообразовании желательно приблизить скорость отвода тепла к скорости его распространения. Устройство повышения теплопроводности газовой среды ионизацией может оказаться полезным и в других случаях, когда необходимо интенсифицировать охлаждение обдувом воздухом или газом.

Как известно [2], наибольшая ионизация атомов и молекул газа происходит при вполне определенном потенциале напряжений, при напряжении меньшем или превышающем это значение эффективность процесса падает. При ионизации молекул воздуха одни начинают образовывать ионы при одном напряжении, другие при более высоком, которое для первых обычно перерастает в самостоятельный газовый разряд. Происходит пробой и эффективность падает. Процесс приходится прерывать. Для обеспечения эффективности этого процесса используют пульсирующие источники высоковольтного напряжения. В качестве примера такого устройства может служить устройство [3], в котором имеются: источники высоковольтного напряжения и сжатого газа; выпрямитель; сопло обдува зоны охлаждения; электрический разрядник, укрепленный внутри сопла и подключенный к высоковольтному источнику.

Основным недостатком известного устройства является прерывистость ионизации при непрерывной подаче воздуха, что уменьшает эффективность охлаждения, а также узость ионизированной области в зоне контакта охлаждаемой поверхности. Кроме того, не учитывается, что на теплопроводность охлаждающей среды влияет знак ионизации, при охлаждении одних материалов наибольший эффект достигается с помощью положительных ионов, в других - отрицательных.

Указанные недостатки устранены в предлагаемом устройстве повышения теплопроводности газовой среды ионизацией, содержащем: источник сжатого газа; сопло обдува зоны охлаждения; регулируемый высоковольтный источник напряжения; электрический разрядник, укрепленный внутри сопла и подключенный к высоковольтному источнику, тем, что в сопло вмонтировано несколько независимо друг от друга регулируемых по зазору и напряжению электрических разрядников, подключенных к соответствующим независимо регулируемым высоковольтным источникам напряжения, а также тем, что для создания многоточечного разряда электроды в активной зоне изолированы друг от друга диэлектрическими сетками, кроме того, тем, что для равномерного распределения ионов в потоке газа или воздуха на выходе сопла установлен завихритель потока, а также тем, что в схеме управления разрядниками введено два многоканальных коммутатора с задатчиками уровня напряжения на входах и выходах устройства каждого канала, и тем, что активные и пассивные электроды, покрытые диэлектрическими сетками, могут располагаться под углом у друг другу и иметь каналы для продувки воздухом (газом).

Электроды разрядников в активной зоне изолированы друг от друга диэлектрическими сетками. Запуск каждого высоковольтного источника и разряд электродов осуществляется последовательно командным коммутатором, допускающим либо перекрытия в их работе, либо независимую их работу. Установленный завихритель потока охлаждаемого газа и два многоканальных коммутатора с задатчиками уровня напряжения на входах и выходах каждого канала позволяют осуществить наиболее эффективное образование ионизированного облака и подачу его в зону охлаждения. Для улучшения теплообмена в зоне контакта предусмотрен насадок с вихревой камерой. Для охлаждения закрытых внутренних поверхностей используются насадки с соответствующими электродами. Устройство имеет возможность как ручной регулировки параметров работы, так и автоматической настройки параметров посредством интерфейсной связи с ЭВМ. Регулируются: амплитуда выходного высокого напряжения; порядок работы коммутатора; порядок подачи воздуха к электродам.

Устройство состоит: из ионизатора с воздушным распределителем и сменными насадками; электронного блока управления ионизатором.

На фиг. 1, 2 представлена конструктивная схема ионизирующей головки 1. Воздух поступает в канал 3 и проходит через ряд электродов 9, 10, 11, 12, покрытых изолирующей сеткой для обеспечения многоточечного разряда, и далее в сменную насадку 6. На фиг. 1 - 3 показаны вихревые насадки. Воздух в вихревую камеру 4 поступает через завихритель 5. Межэлектродные зазоры регулируются с помощью винтов 7 и 8 (фиг.1, 2), которые поджимают активные электроды к общему электроду, или смещением боковых электродов по стрелкам (фиг.3). Электроды соединяются с электронным блоком управления с помощью соответствующего разъема 2 (фиг.1, 2). На фиг.3 изолирующая сетка на электродах помечена номером 13. Боковые электроды размещены в перемычке 14.

На фиг. 4 изображена блок-схема электрической части устройства, где импульсный блок питания 15 (например, от телевизора "Рубин") подключен ко всем блокам, а именно от генератора опорной частоты блока 15 через конденсатор 16 и согласующий транзистор 17 включен импульсный трансформатор 18. Резистор 19 в цепи базы транзистора запирает его. Резистор 20 включен к выходу трансформатора 18 и через стабилатрон 21 с двойным ограничением на "землю". Кроме того, к выходу импульсного трансформатора 18 включены аноды тиристоров 22, 23, 24, эти тиристоры отпираются сигналами, подаваемыми на управляющие электроды A, B, C от коммутационного блока 25 выходного интерфейса 26. Транзисторы 27, 28, 29 каждого из трех каналов, соответствующих числу электродов, в исходном состоянии заперты включением в их базы резисторов 30, 31, 32 на "землю". Для лучшего согласования эти транзисторы включены по схеме эмиттерного повторителя с резисторами 33, 34, 35 в эмиттерных цепях. Для получения различных уровней напряжений на любом из выходов устройства регулируется напряжение на коллекторах транзисторов 27, 28, 29 в пределах 3 - 12 В с помощью управляемых стабилизаторов 36, 37, 38. Цепь управления каждого стабилизатора состоит из двух операционных усилителей и согласующего транзистора. Первые операционные усилители 39, 40, 41 являются усилителями переменного тока с соответственно резисторами 42, 43; 44, 45; 46, 47 и конденсаторами 48, 49, 50. На выходе усилителей включены детекторы 51, 52, 53 с фильтрующими конденсаторами 54, 55, 56 и резисторами 57, 58, 59, с помощью которых подбираются необходимый режим для поддержания заданного высокого напряжения, контролируемого трансформаторами тока 60, 61, 62. Выходы d, e, f трансформаторов тока подключены соответственно к выходам операционных усилителей.

Для усиления сигнала обратной связи предусмотрены вторые операционные усилители 63, 64, 65 с соответствующими цепями, определяющими режим их работы. Кроме того, к неинвертирующим входам этих усилителей подключены переменные резисторы 67, 68, 69, обеспечивающие индивидуальную ручную настройку выходного высокого напряжения. К этим же входам подключены выходы D, E, F цифрового аналогового преобразователя 70, который формирует напряжение управления для каждого канала в соответствии с командами микроЭВМ 71. Выходы каждого второго операционного усилителя подключены через резисторы 72, 73, 74 к базам согласующих транзисторов 75, 76, 77. Эмиттеры этих транзисторов подключены к управляющим электродам стабилизаторов 36, 37, 38, выходы которых подключены к коллекторам транзисторов 27, 28, 29. Эмиттеры последних подключены к базам мощных высоковольтных транзисторов 78, 79, 80, в коллекторную цепь которых включены высоковольтные трансформаторы 81, 82, 83. Диоды 84, 85, 86 предотвращает перегрузку транзисторов 78, 79, 80. На выходах высоковольных трансформаторов установлены трансформаторы тока 60, 61, 62 и высоковольтные переключатели 88, 89, 90, инициирующие электроды которых подключены к выходам ИЭ1, ИЭ2, ИЭ3 субблока 115 слаботочного интерфейса 26. Удвоители напряжения положительной и отрицательной полярности содержат диоды 91-102 и конденсаторы 103-108. На выходе каждого удвоителя включены балластные резисторы 109-114, предотвращающие перегрузку. К выходам удвоителей напряжения подключены высоковольтный провод, который в свою очередь подсоединен к соответствующему электроду, формирующему ионизированное облако.

Работает устройство следующим образом. После включения блока питания каждый из резисторов 67, 68, 69 или автоматически, подачей соответствующих напряжений по каналам D, E, F от интерфейса 26, устанавливают желаемые уровни выходных напряжений и последовательность их срабатывания. Появившееся на выходном проводе, например трансформатора 81, импульсное пульсирующее напряжение вырабатывает напряжение обратной связи с трансформатора тока 60, которое начнет поступать в операционный усилитель 39, будет удерживать выходное высоковольтное напряжение в заданных пределах. Выходное пульсирующее напряжение подается на балластный резистор 109 или 110 в зависимости от выбранной полярности в соответствии с сигналом, поступающим на инициирующий электрод ИЭ1 переключателя 88 от блока 115. Выбор полярности и амплитуды напряжений расширяет возможности выбора наиболее эффективного режима охлаждения.

Формула изобретения

1. Устройство повышения теплопроводности газовой среды ионизацией, содержащее источник сжатого газа, сопло обдува зоны охлаждения, регулируемый высоковольтный источник напряжения, электрический разрядник, укрепленный внутри сопла и подключенный к высоковольтному источнику, отличающееся тем, что в сопло вмонтировано несколько независимо друг от друга регулируемых по зазору и напряжению электрических разрядников, подключенных к соответствующим независимо регулируемым высоковольтным источникам напряжения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для создания многоточечного разряда электроды в активной зоне изолированы друг от друга диэлектрическими сетками.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для равномерного распределения ионов в потоке газа или воздуха на выходе сопла установлен завихритель потока.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в схеме управления разрядниками введено два многоканальных коммутатора с задатчиками уровня напряжения на входах и выходах устройства каждого канала.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что активные и пассивные электроды, покрытые диэлектрическими сетками, расположены под углом друг к другу и имеют каналы для продувки воздухом (газом).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4