Высоковольтный плазмотрон



Высоковольтный плазмотрон
Высоковольтный плазмотрон
Высоковольтный плазмотрон

 

H05H1/26 - Плазменная техника (термоядерные реакторы G21B; ионно-лучевые трубки H01J 27/00; магнитогидродинамические генераторы H02K 44/08; получение рентгеновского излучения с формированием плазмы H05G 2/00); получение или ускорение электрически заряженных частиц или нейтронов (получение нейтронов от радиоактивных источников G21, например G21B,G21C, G21G); получение или ускорение пучков нейтральных молекул или атомов (атомные часы G04F 5/14; устройства со стимулированным излучением H01S; регулирование частоты путем сравнения с эталонной частотой, определяемой энергетическими уровнями молекул, атомов или субатомных частиц H03L 7/26)

Владельцы патента RU 2529056:

Общество с ограниченной ответственностью "НИТ" (RU)

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для нагрева различных газов и в качестве поджигающего устройства пылеугольной горелки. Технический результат - повышение КПД устройства и увеличение ресурса рабочих электродов. Высоковольтный источник питания, формирующий в непрерывном режиме переменное напряжение высокой частоты, подключен к коническому первому электроду и второму цилиндрическому электроду, который разделен на два - поджигающий и выходной цилиндра. Вторые электроды крепятся соосно в диэлектрическом цилиндре - корпусе устройства - с помощью двух центрирующих диэлектрических шайб с отверстиями, параллельными главной оси устройства, для прохождения воздуха. Внутри поджигающего цилиндра второго электрода соосно через потокоформирующую диэлектрическую шайбу закреплен первый конический электрод. Потокоформирующая шайба имеет отверстия под углом к главной оси устройства для закручивания воздушного потока, проходящего через шайбу. 3 ил.

 

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к плазмотронам. Известны промышленные плазмотроны, построенные по традиционной схеме, например, ЭДП-147 [1] стр.34, предназначенные для нагрева различных газов. Недостатком плазмотрона является его низкий тепловой КПД, как следствие, необходимость использования жидкостного охлаждения. Также к недостаткам следует отнести низкий ресурс катода и необходимость применения для его длительной работы защитных газов. Все вышеназванное ведет к большим эксплуатационным расходам при использовании плазмотрона в промышленности.

Известен плазмотрон [2], в котором ресурс электрода (катода) увеличен в два раза за счет его симметричной конструкции и конструктивной возможности разворота на 180°. В данном решении используются более длинные медные электроды, в качестве плазмообразующего газа используется воздух. Но и в этом случае высокая эрозия медного катода за 150-170 часов работы приводит к необходимости его замены или разворота на 180°. Эксплуатационные затраты при использовании плазмотрона остаются высокими.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является импульсно-периодический плазмотрон [3]. Выходной канал плазмотрона выполнен в виде соосно расположенных электродов цилиндрической или конической формы, которые подключены к высоковольтному блоку питания. Из описания следует, что блок питания генерирует высоковольтные импульсы, благодаря чему выходной канал повышает энергию плазменного потока, выходящего из блока генерации и ввода плазмы, чем и достигается положительный эффект.

Недостаток устройства заключается в наличии блока регенерации и ввода плазмы по сути типового плазмотрона, как уже было сказано выше, требующего больших эксплуатационных затрат. Устройство, по сути, состоит из плазмотрона и ускорителя плазмы с высоковольтным импульсным источником. На практике потребуется устройство для сопряжения этих узлов, что в целом усложняет его обслуживание.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение КПД устройства и увеличение ресурса рабочих электродов высоковольтного плазмотрона.

Поставленная задача решается тем, что высоковольтный плазмотрон, содержащий высоковольтный источник питания, подключенный к коническому первому электроду и цилиндрическому второму электроду, отличающийся тем, что с целью повышения коэффициента полезного действия и срока службы электродов второй цилиндрический электрод разделен на два - поджигающий и выходной - электрода, добавлен диэлектрический цилиндр - корпус изделия, в котором соосно через две центрирующие диэлектрические шайбы вставлены цилиндры второго электрода, в поджигающий цилиндр второго электрода соосно через потокоформирующую диэлектрическую шайбу вставлен конический первый электрод, центрирующие шайбы имеют отверстия, параллельные оси устройства, для прохождения воздуха, потокоформирующая диэлектрическая шайба содержит отверстия под углом к оси устройства для закручивания потока воздуха, высоковольтный источник питания работает в непрерывном режиме, формирует переменное напряжение повышенной частоты.

Новым, по мнению авторов, является взаимное расположение электродов плазмотрона и формирующих воздушный поток диэлектрических шайб. Новым также является применение высоковольтного блока с токоограничивающей характеристикой. Высоковольтный блок формирует переменное напряжение высокой частоты, обеспечивая устойчивую работу плазмотрона в широком диапазоне скоростей воздушного потока внутри плазмотрона. По сравнению с известным устройством исключен блок генерации и ввода плазмы в виде отдельного плазмотрона направленного действия. В предлагаемом устройстве для возбуждения плазменного потока используется электрическая дуга, возникающая между коническим и поджигающим цилиндрическим электродами.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1), на котором представлено сечение общего вида высоковольтного плазмотрона.

Высоковольтный плазмотрон состоит из высоковольтного источника питания 1, корпуса плазмотрона 2, конического первого электрода 3, цилиндрического поджигающего электрода 4 и выходного электрода 5, центрирующих диэлектрических шайб 6 с отверстиями параллельно главной оси 7, потокоформирующей диэлектрической шайбы 8 с отверстиями, наклоненными относительно главной оси устройства (относительно плоскости рисунка).

Кроме того, на фиг.1 отмечен вентилятор для подачи воздуха 9, линия плазменного шнура 10.

Высоковольтный плазмотрон работает следующим образом.

Включение высоковольтного источника 1 приводит к электрическому пробою у основания конического электрода 3 на поджигающий электрод 4 и возникновению электрической дуги в узком зазоре между ними. Включение вентилятора 9 приводит, благодаря наклону отверстий потокоформирующей шайбы 8, к кручению потока воздуха вокруг конусного электрода 3. Поступательно-вращательное движение воздушного потока выносит электрическую дугу на верхнюю кромку конусного электрода, затем воздушный поток выдувает электрическую дугу в виде плазменного шнура 10 во внешнее пространство через внутреннее отверстие электрода 5. После ослабления воздушного потока во внешнем объеме плазменный шнур 10 шунтируется на верхней кромке электрода 5. Воздух, протекающий через отверстия 7 центрирующих шайб 6, отжимает плазменный шнур 10 от внутренней кромки электрода 5, тем самым препятствует раннему шунтированию шнура плазмы. Отверстия верхней шайбы 6 обеспечивают дополнительный поток для охлаждения элементов конструкции плазмотрона и способствуют стабилизации формы струи плазмы.

Достижение технического результата - высокого КПД - можно пояснить следующим образом. На фиг.2 приведена кривая электрического пробоя в газах [4], в том числе и воздухе. В отличие от известных устройств, работающих при больших токах и малых напряжениях - правая часть графика, предлагаемое устройство работает с плазменной струей в левой части графика. В этой зоне сопротивление воздушного промежутка в несколько раз выше, чем в правой зоне, следовательно, создавая высокое напряжение между электродами и малый ток, можно получить ту же выходную мощность плазменного потока при токах через электроды, в несколько раз меньших, чем в известных схемах. Снижение тока через электроды высоковольтного плазмотрона ведет к пропорциональному снижению тепловых потерь в них, чем и объясняется повышение КПД предлагаемого устройства.

Сниженный в несколько раз ток через электроды высоковольтного плазмотрона во столько же раз снижает эрозию этих электродов, а следовательно, пропорционально увеличивается срок их службы. Дополнительно к уменьшению износа электродов ведет вращательное движение пятна возникновения плазменного шнура по верхней части конусного электрода 3 и пятна шунтирования плазменного шнура верхнего электрода 5. Применение высоковольтного источника питания с выходным напряжением в несколько килогерц облегчает перемещение пятен плазменного шнура по кольцевым образующим электродов.

На фиг.3 приведена фотография работающего опытного образца высоковольтного плазмотрона. При выходной мощности 1,5 кВт ток электродов 1,5 А. Устройство не имеет жидкостного охлаждения, температура стальных электродов в установившемся режиме не превышает 400°С. Тепловой КПД плазмотрона около 85%, на 15-25% выше, чем у известных промышленных плазмотронов.

Литература

1. Электродуговые плазмотроны. Под ред. Чл.корр. АН СССР М.Ф.Жукова. Новосибирск, 1980. Институт теплофизики СО АН СССР.

2. Патент RU 2159022 С2, Н05HI/24. Плазмотрон линейной схемы, 2000.

3. Патент RU 2343651 C1, H05HI/25, В23К 10/00. Импульсно-периодический плазмотрон, 2007.

4. Электрическик разряды в газах - БСЭ, кривые Пашена для различных газов. Slovari.yandex.ru

Высоковольтный плазмотрон, содержащий высоковольтный источник питания, подключенный к коническому первому электроду и цилиндрическому второму электроду, отличающийся тем, что с целью повышения коэффициента полезного действия и срока службы электродов второй цилиндрический электрод разделен на два - поджигающий и выходной - электрода, добавлен диэлектрический цилиндр - корпус изделия, в котором соосно через две центрирующие диэлектрические шайбы вставлены цилиндры второго электрода, в поджигающий цилиндр второго электрода соосно через потокоформирующую диэлектрическую шайбу вставлен конический первый электрод, центрирующие шайбы имеют отверстия, параллельные оси устройства, для прохождения воздуха, потокоформирующая диэлектрическая шайба содержит отверстия под углом к оси устройства для закручивания потока воздуха, высоковольтный источник питания работает в непрерывном режиме, формирует переменное напряжение повышенной частоты.



 

Похожие патенты:
Заявленное изобретение относится к физике плазмы. В заявленном устройстве с магнитным удержанием плазмы типа «ловушка с магнитными пробками» рабочий объем заполнен плазмой из одного исходного изотопа, при этом ядра второго изотопа ускоряют до энергий (110÷700) кэВ и вводят плотными пучками, уравновешивающими давление получаемой плазмы со всех сторон.

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к конструкции магнитного блока распылительной системы, и может быть использовано в планарных магнетронах для вакуумного ионно-плазменного нанесения тонких пленок металлов и их соединений на поверхность твердых тел.

Изобретение относится к плазменной технике. Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов содержит главный кольцевой канал ионизации и ускорения, ограниченный конструкционными элементами из изолирующего материала и открытый на своем выходном конце.

Заявленное изобретение относится к электроду плазменной горелки. Заявленное устройство содержит продолговатый электрододержатель с передней поверхностью на острие электрода и сверлением, выполненным на острие электрода по средней оси через электрододержатель, и эмиссионную вставку, установленную в сверлении таким образом, что излучающая поверхность эмиссионной вставки остается свободной.

Группа изобретений относится к плазменной технике. Охлаждающая труба для плазменно-дуговой горелки включает в себя продолговатое тело с располагаемым в открытом конце электрода концом и проходящим через это тело каналом для охлаждающей среды, при этом на упомянутом конце стенка охлаждающей трубы имеет валикообразное, направленное внутрь и/или наружу утолщение.

Изобретение относится к области электротермической техники, а именно к устройствам плазменно-дуговых сталеплавильных печей. Плавильный плазмотрон включает водоохлаждаемый корпус, каналы для подачи плазмообразующего газа, расположенные параллельно оси плазмотрона и соединенные с вертикально расположенным водоохлаждаемым соплом, электрическую изоляцию, электрическую сеть, вольфрамовый электрод-катод, электрододержатель.

Система электростатического ионного ускорителя, содержащая ионизационную камеру (IK), которая имеет на одной стороне в продольном направлении отверстие для выхода струи, электродную систему, содержащую анодную систему (AN) и катодную систему (KA), которая создает в ионизационной камере электростатическое поле, ориентированное в продольном направлении, при этом анодная система расположена противоположно выходному отверстию у основания камеры.

Изобретение относится к области физики плазмы и систем ядерного синтеза, в частности к альтернативным способам удержания горячей плотной плазмы. В заявленном способе формирования компактного плазмоида возбуждение тороидального тока производят индуктивным аккумулятором (основной соленоид с подключенной конденсаторной батареей), затем этот ток прерывают, затем пропускают импульс тока через рабочее вещество в продольном направлении, по крайней мере, через один вспомогательный виток, проходящий в рабочем объеме в продольном направлении.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразованию электрической энергии в тепловую с помощью плазмотрона, и может быть использовано, в частности, в установках газификации отходов.

Изобретение относится к области электрореактивных двигателей, а именно, к широкому классу плазменных ускорителей (холловских, ионных, магнитоплазмодинамических и др.), использующих в своем составе катоды.

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано в области атомно-эмиссионного спектрального анализа, при термической обработке порошковых материалов, а также в качестве их атомизатора для корректировки траектории космических аппаратов. В устройстве заявленного шестиструйного плазматрона плазмообразующие медные головки, смонтированные на диэлектрических плато, жестко присоединены к кронштейнам с возможностью перемещения вдоль осей головок в направлении, перпендикулярном относительно трубчатых стоек. Над ними кольцеобразно размещены трубчатая камера подачи в головки аргона, защищающего электроды от окисления, и камера распределения рабочего газа. Над стойками аксиально вышеупомянутым камерам размещены камера ввода охлаждающей воды в секции головок из вертикального канала ввода воды и камера сброса воды в канал, связь которых с секциями головок осуществлена посредством гибких шлангов. Для охлаждения водяного потока предусмотрен радиатор. Стойки расположены на монтажном столе, между стойками жестко смонтирован патрубок, формирующий анализируемый газовый поток или обрабатываемый порошковый материал, и цилиндр, обеспечивающий синхронность изменения угла схождения шести головок посредством системы, в составе которой содержится плато с монтируемыми подвижно кронштейнами, обеспечивая изменение величины межэлектродного промежутка плазмообразующих головок. Техническим результатом является обеспечение возможности полного контроля любых газовых потоков при термической обработке любых порошковых материалов заданного фракционного состава с помощью плазменного потока с температурой выше 6000°С. 2 ил.

Изобретение относится к области плазменной техники. Сопло для плазменной горелки, охлаждаемой жидкостью, содержит сверление сопла для выхода струи плазменного газа на конце сопла, первый участок, внешняя поверхность которого выполнена цилиндрической, и примыкающий к нему, к концу сопла второй участок, внешняя поверхность которого суживается по направлению к концу сопла конически, причем предусмотрена/предусмотрены, по меньшей мере, одна канавка подвода жидкости и/или, по меньшей мере, одна канавка отвода жидкости и продолжаются через второй участок во внешней поверхности сопла (4) по направлению к концу сопла и причем канавка подвода жидкости или, по меньшей мере, одна из канавок подвода жидкости и/или канавка отвода жидкости или, по меньшей мере, одна из канавок отвода жидкости также продолжается/продолжаются через часть первого участка, а в первом участке находится, по меньшей мере, одна канавка, сообщающаяся с канавкой подвода жидкости или, по меньшей мере, с одной из канавок подвода жидкости или с канавкой отвода жидкости или, по меньшей мере, с одной из канавок отвода жидкости. Технический результат - снижение перегрева сопла. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к технологии модифицирования (обработки) поверхности полимерных материалов. Способ управления процессом модифицирования поверхности полимерных материалов в низкотемпературной плазме высокочастотного разряда при пониженных давлениях среды осуществляют путем изменения мощности разряда. В ходе процесса производят непрерывное измерение мощности разряда, текущее значение которой используют для расчета в режиме реального времени температурного поля в зоне разряда, а момент окончания процесса определяют автоматически - по достижении поверхностью полимерного материала заданной температуры (для полиэтилена 70°C). Способ по изобретению обеспечивает воспроизводимость приобретаемых адгезионных свойств поверхности - краевого угла смачивания и работы адгезии, а также обеспечивается устойчивость гидрофилизации поверхности. 1 ил., 3 табл.

Группа изобретений относится к области физической электроники и может использоваться как источник непрерывных или импульсных пучков электронов с энергией до 10-20 кэВ в газах среднего давления (0,1-10 кПа). В первом варианте изобретения катод (1) генератора выполнен в виде неохлаждаемого цилиндра, плотно вставленного в изолятор (2). Изолятор имеет в торцевой части соосное катоду отверстие, а вплотную к торцу изолятора установлен плоский металлический анод (3) с отверстием, соосным отверстию в изоляторе и образующим канал для электронного пучка от торца катода до выхода из генератора. Во втором варианте изобретения генератор электронного пучка содержит разрядную структуру, расположенную непосредственно в рабочем газе и состоящую из катода, изолятора и анода, катод генератора выполнен в виде неохлаждаемого цилиндра, торец изолятора расположен в одной плоскости с торцем катода, вплотную к торцу изолятора соосно с катодом установлена шайба, внутренний диаметр которой больше диаметра катода, а вплотную к шайбе установлен плоский металлический анод с отверстием, соосным шайбе и образующим канал для электронного пучка от торца катода до выхода из генератора. Катод как в первом, так и во втором варианте может быть закреплен в изоляторе клеевым соединением вдали от рабочей поверхности катода. Техническим результатом является обеспечение охлаждения катода и изолятора вблизи вывода пучка и достижение более высоких рабочих параметров - давления газа, напряжения и мощности. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области плазменного нанесения покрытий. Установка плазменного нанесения покрытий или обработки поверхности подложки (3) содержит рабочую камеру (2), которая является вакуумируемой и в которой может быть размещена подложка (3) и плазменная горелка (4) для создания плазменной струи (5) нагреванием технологического газа, причем плазменная горелка (4) имеет сопло (41), через которое плазменная струя (5) может выходить из плазменной горелки (4) и простираться вдоль продольной оси (А) в рабочей камере (2). Ниже по течению от сопла (41) в рабочей камере (2) предусмотрено механическое ограничивающее приспособление (12), которое простирается вдоль продольной оси (А) и защищает плазменную струю (5) от бокового нежелательного проникновения частиц. Технический результат - повышение качества покрытия. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к технологии термической обработки твердых диэлектрических тел, включая их разрушение, в частности тел с низким коэффициентом поглощения электромагнитного излучения (горные породы, строительные материалы и пр.), и может быть использовано в горном деле и строительстве. Способ плазменно-электромагнитного воздействия на диэлектрический материал заключается в том, что создают плазму плазмотроном, формируют из нее плазменный поток и направленно воздействуют им на поверхность материала, отличающийся тем, что плазму создают и формируют из нее плазменный поток плазмотроном с регулируемыми параметрами, при этом дополнительно создают управляемый поток электромагнитных волн с частотой 0,5-5 ГГц и направляют его в место контакта плазменного потока с поверхностью материала, при этом регулировкой параметров плазмотрона и/или управлением потоком электромагнитных волн обеспечивают и поддерживают температуру плазмы в ее скин-слое в месте контакта плазмы с поверхностью материала в диапазоне 3000-5000 К. В результате достигается повышение производительности разрушения твердых диэлектрических тел и расширение области применении. 6 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области исследования физических свойств вещества, в частности к исследованию процессов в газоразрядных приборах и плазме. Между электродами при фиксированном расстоянии между ними подается напряжение, возникающий ток плавит и испаряет тонкую проволочку, которая размещается между электродами. Расстояние от катода до анода выбирается таким, при котором разряд без проволочки самопроизвольно не возникает, а между электродами создаются условия для лавинного пробоя разрядного промежутка, возникающего при наличии в воздухе паров испаряющейся проволочки. При этом один конец проволочки помещается в отверстии внутри катодной поверхности и касается ее, а при подаче напряжения на разрядный промежуток из точки касания проволочки и катодной поверхности на катоде образуется канал, исходящий из точки касания в направлении от места соединения катода с отрицательным полюсом источника напряжения. Технический результат - обеспечивается создание каналов на катоде в несамостоятельном дуговом разряде, что повышает эффективность проведения научных исследований в технологиях микроэлектроники. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к области электрического нагрева газов дуговым разрядом, и может быть использовано в плазмотронах при проведении различных технологических процессов, в частности для подогрева расплава металла в промежуточном ковше МНЛЗ в металлургической промышленности, а также научных исследований высокотемпературных процессов. Технический результат - повышение ресурса работы плазмотрона и увеличение силы тока, проходящего через плазмотрон. В электродуговом плазмотроне, содержащем водоохлаждаемые цилиндрические внутренний и соосный ему наружный электроды, а также расположенный в кольцевом канале между ними завихритель, в торце внутреннего электрода расположена вогнутая цилиндрическая камера. Наружный электрод выполнен в виде стакана с расширяющимся выходным каналом на его дне, который соединен с полостью цилиндрической камеры внутреннего электрода через радиальный зазор между торцевыми поверхностями электродов. Диаметр входного сечения расширяющегося выходного канала наружного электрода меньше диаметра цилиндрической камеры внутреннего электрода. 1 ил.

Изобретение относится к области плазменных технологий и может быть использовано при разработке и создании источников высокоинтенсивных потоков частиц для научных и технологических применений. Способ получения высокоэнергетических потоков частиц в газах состоит в ускорении гетерогенного потока в сопле Лаваля. В дозвуковую часть сопла Лаваля вводят поток плазмы, обеспечивают ее ускорение до скорости звука и полную рекомбинацию плазмы до критического сечения сопла, а после критического сечения вводят в поток частицы и ускоряют гетерогенный поток газа в сверхзвуковой части сопла Лаваля. Устройство для получения высокоэнергетических потоков частиц содержит непрерывный источник плазмы, сопло Лаваля и систему ввода частиц. Устройство дополнительно содержит камеру высокого давления, матрицу из N непрерывных микроплазмотронов и систему подачи газа высокого давления. Длина дозвуковой части сопла Лаваля определяется из условия полной рекомбинации плазмы до критического сечения, а система ввода частиц обеспечивает ввод частиц после критического сечения по всему периметру сопла в сечении сопла с заданными параметрами - температурой и скоростью газа. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Предложен анодный узел вакуумно-дугового источника катодной плазмы. Изобретение может быть использовано в основном в прямолинейных источниках вакуумно-дуговой катодной плазмы с фильтрацией от макрочастиц в комплекте с различными вакуумно-дуговыми испарителями и с плазмоводами для транспортировки плазмы. Анодный узел содержит охваченный фокусирующей электромагнитной катушкой анод, выполненный в виде отрезка трубы. Внутри анода коаксиально ему размещена в электропроводящем кожухе отклоняющая электромагнитная катушка с направлением магнитного поля навстречу магнитному полю фокусирующей электромагнитной катушки. Внутри отклоняющей катушки, на ее оси вблизи ее торца, обращенного к входному отверстию анода, расположен постоянный отклоняющий магнит, магнитное поле которого сонаправлено магнитному полю отклоняющей электромагнитной катушки. Анодный узел отличается тем, что он включает расположенный внутри отклоняющей электромагнитной катушки, на ее оси вблизи ее торца, обращенного в сторону, противоположную входному отверстию анода, дополнительный постоянный магнит, магнитное поле которого направлено встречно магнитному полю постоянного отклоняющего магнита. При этом положительный полюс источника питания дуги электрически соединен как с анодом через обмотку фокусирующей электромагнитной катушки, так и с кожухом отклоняющей катушки через ее обмотку. Благодаря этому обеспечивается динамическое равновесие плазменных потоков, движущихся в промежутке между внутренней поверхностью анода и наружной поверхностью кожуха отклоняющей электромагнитной катушки, что существенно уменьшает потери плазмы. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх