Способ ионизации газа

Изобретение относится к технике генерирования ионов для выведения в замкнутое пространство и может быть использовано для повышения эффективности работы систем, где требуется очистка, снижение токсичности и т.п. Способ ионизации газа основан на формировании нестационарного пробоя между игольчатыми электродами при приложении к ним высоковольтного импульсного напряжения. В межэлектродной зоне формируется устойчивый нестационарный лавинный (искровой) пробой за счет того, что энергия каждого импульса напряжения, прикладываемого к игольчатым электродам, больше минимальной энергии пробоя ионизируемого газа. Одновременно для устранения рекомбинации ионов зона пробоя продувается со скоростью, равной f·d, где f - частота повторения импульсов, d - расстояние между электродами. Технический результат: повышение эффективности ионизации. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Заявляемое техническое решение относится к технике, использующей электрические газовые разряды, в частности к технике генерирования ионов для выведения в замкнутое пространство, и может быть использовано для повышения эффективности работы и экологичности двигателей внутреннего сгорания, в системах дезинфекции жидкостных и газовых сред, в технологиях утилизации отходов и других системах, где требуется очистка, снижение токсичности и т.п.

Известны способы ионизации газа путем формирования стационарного электрического разряда (коронного или дугового), а также нестационарного нелавинного (неискрового) разряда при подаче на проводящие электроды высокого напряжения (соответственно, постоянного или импульсного) с одновременной продувкой камеры ионизации (см., например, заявки WO №№2005069460, 2005025022, МКИ Н01Т 23/00, ЕР №1531531 А2 МКИ Н01Т 23/00, а.с. №1264259 МКИ Н01Т 23/00, патент РФ №2215172, МКИ Н01Т 19/04).

Известны способы ионизации газа путем облучения его жестким ультрафиолетовым излучением от специальной лампы с одновременной продувкой камеры ионизации (ионизатор воздуха AirComfort XJ 2100, Italy).

Все перечисленные выше способы не позволяют обеспечить высокий коэффициент полезного действия преобразования подводимой электрической энергии в энергию низкотемпературной плазмы, т.к. в каждом из них реализуется только один из возможных физических механизмов ионизации (электрическая ионизация либо радиационная ионизация).

Ближайшим по технической сущности, принятым за прототип, является способ ионизации газа путем формирования нестационарного пробоя между игольчатыми электродами при приложении к ним высоковольтного импульсного напряжения с одновременной продувкой зоны пробоя вдоль оси электродов (см. заявку WO №2005076424, МКИ Н01T 19/04). В указанном способе ионизация осуществляется за счет нелавинного разряда в межэлектродном пространстве.

Эффективность ионизации при использовании известного способа ограничена, т.к. для нее используется только один физический механизм ионизации - электрическая ионизация.

Кроме того, режим нелавинного пробоя обычно реализуется с использованием токозависимых резисторов, и при этом большая часть энергии тратится на ограничение тока в разряде, что также является причиной снижения коэффициента полезного действия.

Техническая задача, решаемая заявляемым изобретением, - формирование одновременно нескольких механизмов ионизации (электрический, тепловой и радиационный).

Указанная задача решается тем, что в способе ионизации газа путем формирования нестационарного пробоя между игольчатыми электродами при приложении к ним высоковольтного импульсного напряжения с одновременной продувкой зоны пробоя вдоль оси электродов энергия каждого импульса напряжения, прикладываемого к игольчатым электродам, должна быть больше минимальной энергии искрового пробоя ионизируемого газа.

Указанное условие позволяет сформировать устойчивый нестационарный лавинный (искровой) пробой в межэлектродном пространстве, который обеспечивает:

- в начальной фазе электрическую ионизацию (ионизацию за счет разрыва межатомных связей высокой напряженностью электрического поля);

- тепловую ионизацию газа, т.к. температура внутри стримера искрового пробоя может превышать 10000К;

- радиационную ионизацию газа (при таких температурах диапазон излучаемых волн находится в основном в области ультрафиолетового и рентгеновского спектра).

При наращивании энергии искрового пробоя радиационная составляющая ионизации возрастает, а начиная с некоторых значений становится преобладающей.

При этом продувку зоны пробоя проводят со скоростью V, равной f-d, где f - частота повторения электрических импульсов, a d - расстояние между электродами, обеспечивая тем самым освобождение зоны пробоя от ионизированного газа за время между подачами двух импульсов пробойного напряжения, что позволяет поддерживать постоянными электрические параметры газовой среды в зоне пробоя.

На чертеже представлено устройство, иллюстрирующее заявленный способ.

Устройство состоит из рабочей камеры 1, представляющей собой аэродинамическую трубу, в которой соосно с ней расположены игольчатые электроды 2, подключенные к источнику высоковольтного импульсного напряжения 3. Рабочая камера 1 выполнена из электроизоляционного материала, электроды из жаропрочного металла с игольчатыми наконечниками. Продувку рабочей камеры вдоль ее оси могут обеспечивать известные центробежные вентиляторы на входе и осевые вентиляторы - на выходе, устанавливаемые для снижения противодавления воздуха. Возможно также использование различных устройств компрессии - декомпрессии газа. Источник импульсного напряжения 3 обеспечивает подачу на электроды 2 импульсного напряжения зажигания для формирования искрового пробоя. В частности, для воздуха, находящегося при нормальных условиях (температура 25 град. С, давление 1атм., влажность 90%), величина напряжения зажигания (при напряжениях более 1кВ) зависит практически линейно от расстояния между электродами U=Kd, где K - коэффициент пропорциональности, равный 1 кВ/мм, d - расстояние между электродами в мм.

Для развития лавинного пробоя после зажигания энергия каждого импульса должна превышать минимальную энергию пробоя ионизируемого газа.

Для воздуха (при нормальных условиях) величина энергии пробоя должна превышать 10 мДж.

В случае использования емкостного накопителя в источнике импульсного напряжения 3 для формирования импульса энергия Э=CU²/2 должна быть больше 10 мДж (С - емкость накопительного конденсатора). В случае использования индуктивного накопителя энергия Э=LI²/2 также должна быть больше 10 мДж (I - ток в катушке индуктивности, L - индуктивность накопителя).

При этом условии между игольчатыми электродами возникает нестационарный лавинный плазменный канал, который, помимо собственной электрической и тепловой ионизации, является источником мощного ионизирующего излучения, лежащего в основном в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах частот, что позволяет дополнительно ионизировать окружающую среду.

Используя совокупность механизмов ионизации, можно значительно (более чем в 2 раза) повысить эффективность ионизации газа.

1. Способ ионизации газа путем формирования пробоя между противолежащими электродами при приложении к ним высоковольтного импульсного напряжения с одновременной продувкой вдоль зоны пробоя, отличающийся тем, что энергия каждого импульса напряжения, прикладываемого к двум соосным игольчатым электродам, больше минимальной энергии искрового пробоя ионизируемого газа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что продувку ведут со скоростью, равной f·d, где f - частота повторения импульсов, d - расстояние между электродами.