Нагнетательное насосное устройство с диэлектрическим барьером и способ формирования такого устройства

Изобретение относится к устройствам для нагнетания текучей среды. Нагнетательный насос с диэлектрическим барьером для ускорения потока текучей среды содержит первый диэлектрический слой, в который встроен первый электрод, и второй диэлектрический слой, в который встроен второй электрод. Первый и второй диэлектрические слои отстоят друг от друга с образованием воздушного зазора между ними. В воздушном зазоре перед первым и вторым электродами относительно направления потока текучей среды, по меньшей мере частично, размещен третий электрод. Сигнал высокого напряжения подается на третий электрод от источника высокого напряжения. Указанные электроды взаимодействуют для получения в воздушном зазоре противолежащих асимметричных плазменных полей, которые создают индуцированный воздушный поток внутри указанного зазора. Индуцированный воздушный поток ускоряет поток текучей среды при его перемещении через указанный воздушный зазор. Технический результат - ускорение потока текучей среды внутри трубопровода. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к насосам, более конкретно к нагнетательному насосному устройству с диэлектрическим барьером и способу формирования такого устройства, которое обеспечивает создание потока текучей среды путем создания асимметричного плазменного поля и в котором не используются движущиеся части, обычно присутствующие в гидравлических насосах.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Настоящий раздел включает вводную информацию, относящуюся к настоящему изобретению, и может не описывать уровень техники.

Во многих случаях существует необходимость ускорения потока текучей среды (например, воздушного потока, выхлопного потока, потока газа, и т.д.) внутри трубопровода или в ограниченной области другой формы, через которую протекает текучая среда, или формирования струи текучей среды для выталкивания, инжекции или смешивания текучих сред, а также для аэродинамического управления или обеспечения поступательного перемещения. В некоторых случаях это может быть особенно затруднительным при использовании традиционных насосов или подобных им устройств. Например, существуют трудности при монтаже насоса внутри трубопровода или канала. Другая проблема состоит в том, что насос может иметь такие габаритные размеры, которые существенно препятствуют прохождению потока текучей среды через трубопровод, или приводят к необходимости использования трубопровода или канала недопустимо большого диаметра. Кроме того, традиционный насос, который может приводиться в действие электродвигателем, обычно содержит различные движущиеся части. Присутствие движущихся частей в двигателе или в самом насосе приводит к необходимости периодического обслуживания и/или ремонта, которые могут оказаться затруднительными и трудоемкими, если насос установлен в трубопроводе или канале. Традиционные насосы также могут создавать высокий уровень шума и иметь значительную массу, что ограничивает их использование.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к нагнетательному устройству с диэлектрическим барьером и способу формирования такого устройства, которое лучше всего подходит для использования в качестве насоса внутри трубопровода, через который протекает текучая среда (например, воздушный поток, газовый поток, выхлопной поток, и т.д.). Согласно одному из вариантов реализации указанное устройство содержит первый диэлектрический слой, в который встроен первый электрод. В воздушном зазоре перед первым электродом относительно направления потока текучей среды по меньшей мере частично расположен второй электрод. Сигнал высокого напряжения на второй электрод подает источник высокого напряжения. Указанные электроды взаимодействуют для получения в воздушном зазоре асимметричного плазменного поля, которое создает индуцированный воздушный поток внутри указанного воздушного зазора. Индуцированный воздушный поток ускоряет поток текучей среды при его перемещении через указанный воздушный зазор.

Согласно различным вариантам реализации используются по меньшей мере два отстоящих друг от друга диэлектрических слоя, в каждом из которых встроен по меньшей мере один электрод. В воздушном зазоре между диэлектрическими слоями расположен открытый электрод. Для ускорения потока, протекающего через воздушный зазор, создаются два асимметричных противолежащих плазменных поля. В настоящем изобретении также описан способ формирования насоса для потока текучей среды, ускоряющего поток текучей среды, протекающий через трубопровод. Согласно предложенному способу первый электрод по меньшей мере частично размещают внутри первого диэлектрического слоя; указанный первый диэлектрический слой размещают внутри указанного трубопровода; второй электрод по меньшей мере частично размещают внутри второго диэлектрического слоя; указанный второй диэлектрический слой размещают внутри трубопровода так, что он по существу обращен к указанному первому диэлектрическому слою, при этом между первым и вторым диэлектрическими слоями формируется воздушный зазор; внутри трубопровода размещают третий электрод так, что третий электрод расположен по меньшей мере частично внутри указанного воздушного зазора в направлении переднего относительно направления потока текучей среды через воздушный зазор конца диэлектрических слоев; электрически возбуждают третий электрод для получения в указанном воздушном зазоре с использованием третьего электрода, первого электрода и второго электрода противолежащих асимметричных электрических полей и создания, таким образом, индуцированного потока через воздушный зазор. Индуцированный поток обеспечивает ускорение потока текучей среды при ее протекании через воздушный зазор.

Согласно другим вариантам реализации для формирования нескольких отстоящих друг от друга воздушных зазоров, ускоряющих протекающий через них поток текучей среды, может быть использовано большее количество электродов.

Другие области применения станут очевидными из представленного ниже описания. Следует отметить, что настоящее описание и примеры приведены лишь для иллюстрации изобретения и не предназначены для ограничения объема настоящего изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Показанные чертежи приведены лишь для иллюстрации, а не ограничения настоящего изобретения.

На фиг.1 схематически показан один из вариантов реализации ускоряющего устройства для ускорения потока текучей среды, в соответствии с настоящим изобретением;

На фиг.1A схематически показан еще один вариант реализации указанного устройства с одним встроенным электродом;

На фиг.1B схематически показан еще один вариант реализации устройства, который подходит для использования там, где отсутствует полностью сформированный трубопровод;

На фиг.2 показан двумерный вид сбоку ускоряющей системы для ускорения потока текучей среды с использованием девяти ускоряющих устройств, показанных на фиг.1;

На фиг.3 показано трехмерное сечение ускоряющей системы для ускорения потока текучей среды, в которой использованы несколько ускоряющих устройств, показанных на фиг.1; и

На фиг.4 показана блок-схема операций формирования системы, показанной на фиг.1.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Нижеследующее описание приведено для примера и не ограничивает настоящее изобретение. На приведенных чертежах одинаковыми ссылочными номерами обозначены одинаковые детали или элементы.

На фиг.1 показано ускоряющее устройство 10 для ускорения потока текучей среды. Ускоряющее устройство в соединении с контроллером 12 образует ускоряющую систему 14 для ускорения потока текучей среды. Устройство 10 может быть расположено внутри трубопровода 16, канала или внутри любого компонента или конструкции, в которых протекает ограниченный или полуограниченный поток текучей среды и в которых требуется обеспечить ускорение потока текучей среды.

Далее, как видно из фиг.1, устройство 10 включает первый диэлектрический слой 18, прикрепленный к внутренней стенке трубопровода 16, и второй диэлектрический слой 20, также прикрепленный к внутренней стенке трубопровода, причем указанные диэлектрические слои обращены друг к другу (т.е. расположены напротив друг друга). Первый диэлектрический слой 18 включает первый электрод 22, по существу встроенный в слой 18. Второй диэлектрический слой 20 включает второй электрод, по существу встроенный в слой 20. Расположенные таким образом, диэлектрические слои 18 и 20 формируют между собой воздушный зазор 26. Предпочтительно воздушный зазор 26 имеет ширину примерно от 0,1 дюйма до 1,0 дюйма (3 мм - 25 мм), хотя эта ширина также может быть изменена в зависимости от конкретного применения. Для установки диэлектрических слоев 18 и 20 на внутренней поверхности трубопровода 16 в них может быть выполнена выемка, или они могут быть расположены внутри отверстий, сформированных в стенке трубопровода 16. В рамках настоящего изобретения может использоваться любой способ монтажа.

Устройство 10 дополнительно содержит источник 28 высокого напряжения переменного тока (ПТ), который предпочтительно создает выходное напряжение примерно от 1 кВ ПТ до 100 кВ ПТ, в зависимости от электрической прочности и толщины диэлектрика. Выход 30 источника 28 напряжения ПТ подсоединяют к третьему (т.е. невстроенному) электроду 32. Третий электрод 32 установлен в трубопроводе 16 любым подходящим способом, например, с использованием по меньшей мере одной радиальной распорки (не показана). Третий электрод 32 также расположен рядом с передними концами 34 диэлектрических слоев 18 и 20. "Передним концом" обозначено место на передней относительно направления потока текучей среды 36 через трубопровод 16 стороне диэлектрических слоев 18 и 20. Поскольку в этом примере текучая среда 36 протекает через трубопровод 16 слева направо, передний конец 34 диэлектрических слоев 18 и 20 расположен на левой стороне диэлектрических слоев 18 и 20. Несмотря на то, что третий электрод 32, как показано на фиг.1, расположен полностью внутри воздушного зазора 26 (т.е. внутри области, ограниченной диэлектрическими слоями 18 и 20), указанный третий электрод 32 также может быть расположен частично снаружи воздушного зазора 26, т.е. за пределами области, ограниченной диэлектрическими слоями 18 и 20.

Работой источника 28 напряжения ПТ управляет контроллер 12. Контроллер может управлять источником 28 напряжения ПТ с обеспечением образования указанным источником 28 импульсов высокого напряжения заданной частоты. Форма волны источника высокого напряжения может быть синусоидальной, квадратной, зубчатой, или представлять собой короткий (наносекундный) импульс или любую комбинацию таких импульсов. В зависимости от конкретного применения, может быть осуществлена любая другая схема управления.

Как видно из фиг.1 диэлектрические слои 18 и 20 имеют одинаковую толщину и длину, однако это не является обязательным. Толщина и длина диэлектрических слоев 18 и 20 могут различаться в зависимости от конкретного применения. В показанном на фиг.1 варианте реализации толщина каждого диэлектрического слоя 18 и 20 составляет предпочтительно примерно от 0,01 дюйма до 0,5 дюйма (от 0,254 мм до 0,127 мм). Длина каждого диэлектрического слоя 18 и 20 также может быть изменена для соответствия потребностям конкретного применения, однако в большинстве случаев должна быть по меньшей мере немного больше длины электрода (22 или 24), который встроен в указанный слой. Для примера, длина каждого электрода 22 и 24 может быть примерно от 0,5 дюйма до 3 дюймов (от 13 мм до 75 мм), а длина каждого диэлектрического слоя 18 и 20 может быть в пределах примерно от 1,0 дюйма до 4,0 дюймов (от 25,4 мм до 101,6 мм). Диэлектрические слои 18 и 20 могут быть выполнены из таких материалов, как ТЕФЛОН®, КАПТОН®, кварц, сапфир, или любого другого подходящего изолирующего материала с хорошей электрической прочностью. Электроды 22 и 24 могут быть выполнены из меди, алюминия или любого другого материала, который обеспечивает формирование подходящего проводника.

При работе источник 28 напряжения ПТ подает сигнал высокого напряжения на выходную линию 32, который электрически возбуждает третий электрод 32. Это приводит к тому, что третий электрод 32, первый электрод 22 и второй электрод 24 совместно формируют пару асимметричных ускоряющих плазменных полей 38 и 40. Указанная "асимметричность" обеспечена тем, что усилие воздействия на плазменное поле увеличивается в направлении назад, как показано на чертеже, на что указывает сужающаяся форма полей 38 и 40, которые проходят к задним концам 42 диэлектрических слоев 18 и 20. Асимметричные плазменные поля 38 и 40 создают индуцированный воздушный поток 44 через воздушный зазор 26. Индуцированный воздушный поток 44 ускоряет поток текучей среды 36, протекающей через трубопровод 16. Текучая среда 36 может быть отработанным газом, воздушным потоком, или может содержать фактически любой ионизируемый газ. На основании представленного выше описания могут быть созданы различные варианты реализации устройства 10. Например, как видно из фиг.1A, устройство 10' может быть выполнено в виде половины устройства 10, показанного на фиг.1. В этом случае открытый электрод 32' встроен в диэлектрический слой 42', который может формировать одну из внутренних стенок трубопровода 16', или полностью/частично покрывать ее. На фиг.1B показан другой вариант реализации устройства 10'' с открытым электродом 32'' и электродом 24'', встроенным в диэлектрический слой 42''. Устройство 10'' может выполняться и использоваться без полностью сформированного трубопровода. В этом примере открытый электрод 32' должен поддерживаться некоторой внешней опорой или распоркой для его удержания на заданном расстоянии от диэлектрического слоя 42''.

На фиг.2 показано двумерное изображение ускоряющей системы 100 для ускорения потока, в которой в общей сложности использованы, например, девять ускоряющих устройств 10' и 10a для ускорения потока. Система 100 образует трехступенчатую двунасосную систему. Каждое из ускоряющих устройств 10' имеет конструкцию, идентичную конструкции ускоряющего устройства 10, показанного на фиг.1, за исключением того, что каждое ускоряющее устройство 10' включает свои электроды 22' и 24', полностью встроенные в диэлектрические слои 18' и 20' соответственно. Одинаковые компоненты, показанные на фиг.1 и 2, обозначены одинаковыми ссылочными позициями, но на фиг.2 ссылочные позиции приведены со штрихом.

В системе 100, показанной на фиг.2, использованы два внутренних диэлектрических слоя 20' и 18', и три электрода 32a для формирования трех расположенных в центре устройств 10a. Электроды 32a идентичны по конструкции электродам 32 и 32'. Для упрощения чертежа, источник 28 напряжения ПТ и выходные линии, которые соединяют источник 28 напряжения ПТ с каждым из невстроенных электродов 32' и 32a, не показаны. Контроллер 12 также не показан. В системе 100, показанной на фиг.2, сформированы три воздушных зазора 26a, 26b и 26c, через которые может протекать текучая среда. Каждый из диэлектрических слоев 18' и 20' имеет достаточную длину для охвата электродов 22' с обеспечением зазоров между расположенными рядом в продольном направлении электродами 22' устройств 10' и 10a так, что невстроенный электрод (32' или 32a) одного устройства (10' или 10a) не касается расположенного рядом в продольном направлении устройства 10' или 10a. Устройства 10' и 10a могут быть электрически возбуждены в последовательном порядке, например слева направо, как показано на чертеже, или в любом другом заданном порядке.

На фиг.3 показано трехмерное изображение ускоряющей системы 200 для ускорения потока. Система 200 образует, например, четырехступенчатую трехнасосную систему, подобную системе 100, но также включает дополнительные устройства 10', которые могут быть расположены с боковым смещением относительно устройств 10'. Под "боковым смещением" понимается расположение устройств 10a в плоскости Z в месте, отличном от места расположения устройств 10'. Таким образом, может быть сформировано трехмерное множество путей 26' потока. Смещенное расположение обеспечивает возможность более эффективного уплотнения активирующих ступеней в меньшем объеме и на меньшей длине.

На фиг.4 показана блок-схема 300, иллюстрирующая способ формирования ускоряющей системы для ускорения потока, такой как система 14, с использованием нагнетательного насосного устройства с диэлектрическим барьером, такого как устройство 10. На этапе 302 внутри трубопровода размещают диэлектрические слои с возможностью формирования воздушного зазора между ними, причем каждый слой имеет встроенный электрод. На этапе 304 невстроенный электрод размещают рядом с передними концами встроенного электрода. На этапе 306 источник высокого напряжения ПТ соединяют с невстроенным электродом. На этапе 308 невстроенный электрод электрически возбуждают для получения противолежащих асимметричных плазменных полей в воздушном зазоре. Плазменные поля обеспечивают индуцированный воздушный поток в воздушном зазоре, который служит для ускорения текучей среды, протекающей через трубопровод.

Согласно различным вариантам реализации, описанным в настоящем описании, предложены ускоряющие средства для ускорения потока текучей среды, в которых на использованы устройства, имеющие движущиеся части. Таким образом, согласно различным вариантам реализации, раскрытым в настоящем описании, предложены ускоряющие системы для ускорения потока, которые значительно надежнее, легче и дешевле известных систем, использующих насосы, которые содержат движущиеся части.

В настоящем описании приведены различные варианты реализации, однако для специалистов очевидны модификации или изменения, которые могут быть осуществлены без выхода за рамки настоящего изобретения. Приведенные примеры иллюстрируют различные варианты реализации и не предназначены для ограничения настоящего изобретения. Таким образом, настоящее описание и формулу изобретения следует интерпретировать широко с теми лишь ограничениями, которые вытекают из соответствующего уровня техники.

1. Нагнетательный насос с барьером из диэлектрического элемента для ускорения потока текучей среды, содержащий диэлектрический слой, в который встроен первый электрод,
второй электрод, расположенный, с точки зрения направления потока текучей среды, перед указанным первым электродом и установленный на расстоянии от диэлектрической поверхности указанного диэлектрического слоя с формированием воздушного зазора между ними и
источник высокого напряжения для подачи сигнала высокого напряжения на второй электрод,
причем второй электрод и первый электрод взаимодействуют с образованием в указанном зазоре плазменного поля, которое создает в нем индуцированный воздушный поток, обеспечивающий ускорение указанного потока текучей среды при перемещении последнего через указанный зазор.

2. Насос по п.1, в котором указанное плазменное поле включает асимметрично ускоряющее плазменное поле.

3. Насос по п.1, в котором открытый электрод соединен со второй стенкой или встроен в нее с формированием более длинного трубопровода.

4. Насос по п.1, дополнительно содержащий заземляющий экран, электрически соединенный с указанными первым и вторым электродами.

5. Насос по п.1, в котором указанный источник высокого напряжения включает источник высокого напряжения переменного тока примерно от 1 кВ ПТ до 100 кВ ПТ.

6. Насос по п.1, в котором указанный воздушный зазор имеет ширину примерно от 0,1 дюйма до 1,0 дюйма (от 2,54 мм до 25,4 мм).

7. Насос по п.1, дополнительно содержащий третий электрод, встроенный в дополнительный диэлектрический слой и установленный на расстоянии от первого электрода и указанного диэлектрического слоя, а также установленный на расстоянии от второго электрода с формированием между ними второго зазора.

8. Насос по п.7, дополнительно содержащий четвертый электрод, расположенный в указанном диэлектрическом слое, и пятый электрод, встроенный в дополнительный диэлектрический слой и отстоящий в продольном направлении от второго электрода, причем за указанным зазором сформирован дополнительный зазор между четвертым и пятым электродами; причем внутри указанного дополнительного зазора по меньшей мере частично расположен шестой электрод, а указанные четвертый, пятый и шестой электроды выполнены с возможностью электрического возбуждения указанным источником напряжения переменного тока для формирования дополнительных противолежащих плазменных полей между указанными четвертым и пятым электродами с целью создания дополнительного индуцированного потока текучей среды для дополнительного ускорения указанного потока текучей среды при протекании последнего через указанный дополнительный зазор.

9. Насос по п.7, в котором каждый из указанных диэлектрических слоев расположен на паре по существу параллельных, отстоящих друг от друга поверхностей.

10. Способ формирования насоса для ускорения текучей среды, протекающей через трубопровод, согласно которому:
первый электрод, по меньшей мере, частично размещают внутри первого диэлектрического слоя;
указанный первый диэлектрический слой размещают внутри указанного трубопровода;
второй электрод, по меньшей мере, частично размещают внутри второго диэлектрического слоя;
второй диэлектрический слой размещают внутри указанного трубопровода так, что он по существу обращен к первому диэлектрическому слою, при этом между первым и вторым диэлектрическими слоями оказывается сформирован воздушный зазор;
размещают внутри указанного трубопровода третий электрод, так что третий электрод оказывается расположен, по меньшей мере, частично внутри указанного воздушного зазора в направлении переднего, с точки зрения направления потока указанной текучей среды через указанный воздушный зазор, конца указанных диэлектрических слоев; и
электрически возбуждают третий электрод для получения в указанном воздушном зазоре с использованием третьего электрода, первого электрода и второго электрода противолежащих асимметричных электрических полей и создания, таким образом, индуцированного потока через указанный воздушный зазор, обеспечивающего ускорение указанной текучей среды при протекании потока указанной текучей среды через указанный воздушный зазор.

11. Способ по п.10, согласно которому третий электрод размещают полностью внутри указанного воздушного зазора.

12. Способ по п.10, согласно которому электрическое возбуждение третьего электрода осуществляют напряжением переменного тока в диапазоне примерно от 1 кВ ПТ до 100 кВ ПТ.

13. Способ по п.12, согласно которому в указанном трубопроводе в месте, расположенном за указанным насосом потока текучей среды относительно направления потока указанной текучей среды, дополнительно формируют дополнительный насос для потока текучей среды.