Способ получения потока плазмы из паров электролита и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к устройствам и способам получения, исследования и применения низкотемпературной плазмы и может быть использовано в плазмохимии, плазменной технике и плазменной обработке материалов. Способ получения потока плазмы из паров электролита заключается в зажигании тлеющего разряда между проточным жидким электролитом и металлическим водоохлаждаемым стержневым анодом, расположенным над электролитом. При этом стержневой анод устанавливается горизонтально с зазором 3-4 мм между ним и электролитом. После зажигания разряда ток повышается до тех значений, при которых плотность тока на жидком электролитном катоде была не менее 5 А/см². При этом уровень электролита поднимается так, чтобы разность высот конечного и первоначального уровней электролита была равна первоначальному зазору между металлическим стержневым анодом и электролитом. Устройство для получения потока плазмы из паров электролита содержит сосуд, имеющий отверстие для откачки электролита, токоподвод, установленный внутри сосуда ниже этого отверстия, электролит, налитый в сосуд выше уровня токоподвода, патрубок для подвода электролита и металлический водоохлаждаемый стержневой анод, расположенный над электролитом. Этот анод смонтирован горизонтально, параллельно поверхности электролита. Анод может иметь форму подковы, полукруга или других плоских изогнутых геометрических линий. Технический результат: увеличение энтальпии плазменного потока и увеличение его степени свободы. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к способам получения, исследования и применения низкотемпературной плазмы и может быть использовано в плазмохимии, плазменных технологиях обработки материалов и плазменной технике, в частности в плазмохимических реакторах.

Известен способ получения потока плазмы из паров электролита, при котором электролит поступает в разрядную область через пористый диэлектрик [1]. Недостатком этого способа является то, что энтальпия (теплосодержание) плазменного потока невысока, т.к. плотность тока на пористом электролитном катоде невозможно увеличить выше определенного предела. Это связано с тем, что при больших плотностях тока под действием реактивной силы потока плазмы электролит продавливается вовнутрь пористого тела катода и оголенные от электролита участки поверхности пористого тела катода разрушаются под тепловым воздействием плазмы.

Известен другой способ получения потока плазмы из паров электролита, заключающийся в зажигании разряда внутри диэлектрической трубки, нижний конец которой касается электролита, налитого в электролитическую ванну, а вблизи открытого верхнего конца устанавливается твердотельный анод [2]. Недостаток этого способа в том, что необходимо принимать дополнительные меры для защиты диэлектрической трубки от теплового воздействия электрического разряда. Тепловой поток от плазмы растет при повышении тока. Поэтому данный способ приемлем только для малых плотностей тока.

Прототипом устройства для осуществления способа выбрано устройство, содержащее электролитическую ванну, состоящую из открытого сосуда, снабженного токоподводом, и электролита, водоохлаждаемый анод в виде стержня, расположенного вертикально над электролитом, и систему подачи электролита [3]. Основной недостаток прототипа заключается в том, что поток плазмы направлен вдоль стержневого анода и поэтому плазменный поток трудно использовать для технологических целей.

Изобретение направлено на повышение энтальпии плазменного потока и увеличение его степени свободы, т.е. создание потока плазмы простирающееся дальше от электродов.

Это достигается тем, что в способе получения потока плазмы из паров электролита, заключающемся в зажигании тлеющего разряда между проточным жидким электролитом и металлическим водоохлаждаемым стержневым анодом, расположенным над электролитом, стержневой анод устанавливается горизонтально с зазором 3-4 мм между ним и электролитом и после зажигания разряда ток повышается до такого предела, чтобы плотность тока на электролитном катоде была не менее 0,5 А/см² , а уровень электролита поднимается так, чтобы разность высот конечного и первоначального уровней электролита была равна первоначальному зазору между металлическим стержневым анодом и электролитом.

Устройство для реализации способа (фиг.1) состоит из сосуда 1, который снабжен токоподводом 2, электролита 3, налитого в сосуд 1, и водоохлаждаемого стержневого анода 4, расположенного горизонтально под электролитом. Сосуд 1 через отверстие 5 на боковой стенке, которое находится выше токоподвода 2, соединен с системой откачки электролита. К сосуду 1 у стенки, находящейся против отверстия 3, смонтирован патрубок 6, через который сосуд 1 сообщается с системой подачи электролита. Электролит 3 служит жидким катодом.

Сечение стержневого анода может иметь различные геометрические формы, в частности прямоугольную форму с округлыми очертаниями (фиг.2). Сам анод может быть выполнен не только в виде прямого стержня, но и в форме различных плоских изогнутых линий, например, полукруга (фиг.3а) или подковы (фиг.3б).

Способ осуществляется следующим образом. Устанавливается режим течения электролита через сосуд так, чтобы зазор l между электролитом 3 и стержневым анодом 4 был равным 3-4 мм. Далее, подается высокое напряжение на электроды и известными способами зажигается разряд между электролитом 3 и анодом 4. Электролит приготовляется из водных растворов солей, щелочей и кислот. Его электропроводность должна находиться в пределах 10^-4-10^-2 Ом·см^-1. Такая электропроводность электролита обеспечивает горение разряда в тлеющем режиме (в диффузной, объемной форме).

Ток разряда поддерживается в течение 1-2 мин в пределах 3-4 А. После этого на анод 4 подается охлаждающая жидкость. Такая процедура в начале запуска устройства желательна для того, чтобы капли электролита, образованные за счет конденсации паров на первоначально холодной поверхности анода 4, стекая вниз, не замкнули разрядный промежуток l. Без этой процедуры зажигание разряда затрудняется. Однако, возможность зажигания разряда не исключается. В дальнейшем разряд выводится на режим с плотностью тока на жидком катоде не менее 0,5 А/см², после чего уровень электролита 3 в сосуде 1 поднимается на 3-4 мм. При этом реактивная сила паров электролита деформирует поверхность электролита 3 вовнутрь, как показано на фиг.2. Разряд 7 горит внутри углубления в электролите 3. Пары электролита испаряются с вогнутой поверхности. Благодаря этому происходит кумулятивный эффект. Пары электролита направляются практически полностью в разрядную область 7 и, проходя через нее, создают поток плазмы 8, направленный вверх. Этот поток обтекает стержневой анод 4 и простирается выше анода. Таким образом достигается положительный эффект предполагаемого изобретения. Поскольку поперечное сечение стержневого анода 4 небольшое, плазменная струя удаляется от анода 4 на значительное расстояние. Это способствует расширению технологических и иных возможностей практического применения потока плазмы. В частности, облегчается ввод обрабатываемого материала в плазменный поток.

Предлагаемое устройство отличается своей простотой. В нем отсутствуют конструктивные элементы (кроме анода), подвергаемые тепловому воздействию разряда. Поэтому плотность тока может быть увеличена до максимального предела, при котором еще реализуется тлеющий режим горения разряда. При этом получается плазменный поток с достаточно высокой энтальпией. В этом заключается еще один положительный эффект предполагаемого изобретения.

В экспериментах плотность тока на жидком катоде достигала 1,0 А/см². Электролит приготовлялся из водных растворов поваренной соли и пищевой соды. Анод был изготовлен из стали. Использовались аноды длиной 4-7 см. Поперечные размеры анода были в пределах 8-9 мм, т.е. длина анода была намного больше, чем максимальный размер его поперечного сечения. Визуально наблюдаемая длина плазменной струи в вертикальном направлении также была намного больше, чем размеры поперечного сечения анода.

Источники информации

1. Патент РФ №2169443. Способ создания электролитного разряда и устройство для его осуществления. Тазмеев Б.Х., Тазмеев Х.К. 2001, бюл. №17.

2. А.с. СССР №1088086. Гайсин Ф.М., Гизатуллина Ф.А., Даутов Г.Ю. Устройство для получения тлеющего разряда при атмосферном давлении. 1983.

3. Гайсин Ф.М., Гизатуллина Ф.А., Камалов P.P. Энергетические характеристики разрядов в атмосфере между электролитом и медным анодом. Физ-ХОМ. 1985, №4, с.58-64.

Формула изобретения

1. Способ получения потока плазмы из паров электролита, заключающийся в зажигании тлеющего разряда между проточным жидким электролитом и металлическим водоохлаждаемым стержневым анодом, расположенным над электролитом, отличающийся тем, что стержневой анод устанавливается горизонтально с зазором 3...4 мм между ним и электролитом и после зажигания разряда ток повышается до тех значений, при которых плотность тока на жидком электролитном катоде была не менее 5 А/см², а уровень электролита поднимается так, чтобы разность высот конечного и первоначального уровней электролита была равна первоначальному зазору между металлическим стержневым анодом и электролитом.

2. Устройство для получения потока плазмы из паров электролита, содержащее сосуд, имеющий отверстие на верхней части боковой стенки для откачки электролита; токоподвод, установленный внутри сосуда ниже отверстия на боковой стенке; электролит, налитый в сосуд выше уровня токоподвода; патрубок для подвода электролита, прикрепленный к сосуду напротив отверстия на боковой стенке, и металлический водоохлаждаемый стержневой анод, расположенный над электролитом, отличающееся тем, что металлический водоохлаждаемый стержневой анод смонтирован горизонтально, параллельно поверхности электролита в сосуде.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что водоохлаждаемый анод выполнен в виде подковы, полукруга или в форме других плоских изогнутых геометрических линий.

РИСУНКИ