Электродуговой плазмотрон

Авторы патента:

Грошев Виктор Федорович (RU)

Юсупов Дамир Ильдусович (RU)

Тюфтяев Александр Семенович (RU)

Исакаев Магомед-Эмин Хасаевич (RU)

Мордынский Виталий Брониславович (RU)

Леонов Алексей Алексеевич (RU)

Спектор Нина Ойзеровна (RU)

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 2539346:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) (RU)

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.

Известен двухкамерный линейный плазмотрон с трубчатым электродом, где для снижения удельной эрозии электродов дополнительно устанавливаются соленоиды, интесифицирующие перемещение опорных пятен дуги по внутренней поверхности цилиндрических электродов [Низкотемпературная плазма. Том 17. Электродуговые генераторы термической плазмы под редакцией Академика М.Ф. Жукова. Глава 7.2.2. стр.374].

Изменением расходов газа, подаваемого в вихревые камеры, можно перемещать плоскость вращения радиального участка дуги, что позволяет уменьшить эрозию электродов и увеличить ресурс работы плазмотрона.

Недостатком данного плазмотрона является наличие двух камер, что значительно усложняет конструкцию, а переменное соотношение расходов газов, подаваемого в вихревые камеры, вносит нестабильность в работу плазмотрона.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к описываемому изобретению является электродуговой плазмотрон, содержащий водоохлаждаемые цилиндрические внутренний анод и соосный ему наружный катод, а также расположенный в кольцевом канале между ними завихритель [Патент №JP 1999 368255, 24.12.1999, «Плазменная горелка для подогрева расплавленной стали в промежуточном ковше»].

Недостатком такого плазмотрона является нестабильность работы дуги и повышенная эрозия электродов из-за раскрытого выхода плазмообразующего газа (плазмы).

Предлагаемое изобретение позволяет решить задачу по увеличению силы тока и ресурса работы плазматрона.

Поставленная техническая задача достигается тем, что 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, а 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, причем диаметр входного сечения расширяющегося выходного канала наружного электрода меньше диаметра цилиндрической камеры внутреннего электрода.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется схемой, представленной на фиг.1.

Электродуговой плазмотрон содержит водоохлаждаемые цилиндрические внутренний электрод 1 и соосный ему наружный электрод 2, расположенный в кольцевом канале между ними завихритель 3. В торце внутреннего электрода 1 расположена вогнутая цилиндрическая камера 4, а наружный электрод выполнен в виде стакана с расширяющимся выходным каналом 5 на его дне, который соединен с полостью цилиндрической камеры внутреннего электрода через радиальный зазор между торцевыми поверхностями электродов 1 и 2, причем диаметр входного сечения расширяющегося выходного канала 5 наружного электрода 2 меньше диаметра цилиндрической камеры 4 внутреннего электрода 1.

Устройство работает следующим образом. Одним из известных способов возбуждается электрическая дуга между внутреннем электродом 1 и наружным электродом 2. Рабочий газ проходит через кольцевой канал между электродами 1 и 2, расположенный в нем завихритель 3 и радиальный зазор между торцевыми поверхностями электродов 1 и 2.

Наличие вогнутой цилиндрической камеры 4, расположенной в торце внутреннего электрода 1, создает следующее течение в ней газа: за счет того, что диаметр входного сечения расширяющегося выходного канала 5 наружного электрода 2 меньше диаметра цилиндрической камеры 4 внутреннего электрода 1, и вследствие падения статического давления вдоль радиуса в сечении камеры 4, происходит втекание в нее части рабочего газа. В связи с затуханием вращательного движения газа за счет трения его о стенки камеры 4 происходит увеличение давления на оси камеры 4 и образование осевого возвратного потока таза. Такая аэродинамика течения газа оказывает влияние на пространственное положение дуги в камере 4 внутреннего электрода 1, при котором происходит вращение и осевое перемещение дуги без привязки к стенкам и дну камеры.

Отсутствие эрозии электрода 1, а также выполнение наружного электрода с расширяющимся выходным каналом 5 на его дне позволяет увеличить силу тока и ресурс работы устройства, что необходимо для установок плазменного подогрева жидкого металла в промежуточном ковше МНЛЗ.

Пример конкретного исполнения устройства.

Характеристики разработанного плазмотрона: номинальная сила тока - 4000 А, мощность 400 кВт, ресурс работы быстро изнашиваемых частей - 10 ч, наружный диаметр 110 мм, длина 600 мм, критический диаметр сопла 16 мм. Использован в конвертерном цехе ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» при опробовании технологии непрерывной разливки стали с применением дополнительного плазменного нагрева ее в промежуточном ковше МНЛЗ.

Электродуговой плазмотрон, содержащий водоохлаждаемые цилиндрические внутренний и соосный ему наружный электроды, а также расположенный в кольцевом канале между ними завихритель, отличающийся тем, что в торце внутреннего электрода расположена вогнутая цилиндрическая камера, а 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, причем диаметр входного сечения расширяющегося выходного канала наружного электрода меньше диаметра цилиндрической камеры внутреннего электрода.

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.

Способ плазменно-электромагнитного воздействия на диэлектрический материал // 2537372

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.

Установка плазменного нанесения покрытий и способ покрытия или обработки поверхности подложки // 2536818

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).

Генератор электронного пучка (варианты) // 2535622

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).

Способ управления процессом модифицирования поверхности полимерных материалов // 2534790

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.

Сопло плазменной горелки, охлаждаемой жидкостью, а также головка плазменной горелки с соплом // 2533187

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.

Электродуговой шестиструйный плазматрон // 2529740

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.

Высоковольтный плазмотрон // 2529056

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.

Устройство с магнитным удержанием плазмы, типа "открытая ловушка с магнитными пробками" // 2528628

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.

Магнитный блок распылительной системы // 2528536

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.

Способ получения высокоэнергетических потоков частиц и устройство для его осуществления // 2539559

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.

Анодный узел вакуумно-дугового источника катодной плазмы // 2539881

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.

Ускоритель плазмы // 2540140

Ускоритель плазмы предназначен для получения тяги при перемещении космических объектов и в технологии для получения композитных порошков, напыления и обработки материалов. Технический результат - повышение эффективности ускорителя. Секции анода ускорителя выполнены из плоских трубок с отводами для подачи рабочего тела через анод. Трубки расположены шириной в радиальной плоскости с зазором между собой и направлены вдоль оси. Отводы направлены под углом меньше 90° к оси ускорителя. Торцами отводов с отверстиями образована рабочая поверхность анода. Основания трубок герметично соединены с коллектором. Коллектор и подвод рабочего тела установлены на подводе тока. Расстояние от среза катода до отводов больше половины диаметра анода. Снаружи анода установлен нейтральный экран. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

Высокоресурсный электродуговой генератор низкотемпературной плазмы с защитным наноструктурированным углеродным покрытием электродов // 2541349

Изобретение относится к области преобразования электрической энергии в тепловую посредством дугового разряда в генераторе низкотемпературной плазмы (плазмотроне) и может быть использовано в энергетике для розжига и подсветки пылеугольного факела в топочных устройствах, в металлургической и химической промышленности, для получения ультрадисперсной сажи, которая является сырьем для получения наноструктурированного технического углерода. Плазмотрон содержит наружный электрод, соосно расположенный внутренний электрод-катододержатель, вихревую камеру подачи плазмообразующего газа. Электроды изолированы и размещены в индукционных катушках. Внутренний электрод-катододержатель выполнен полым. Углеводороды метанового ряда подают в дуговой канал наружного электрода через выходные каналы и кольцевую полость. В прикатодную область углеводороды метанового ряда подают через трубу, расположенную по оси внутреннего электрода-катододержателя и полость, образованную расположением катода в полом электроде-катододержателе. Плазмотрон имеет не менее четырех каналов подачи углеводородного газа в прикатодную область дугового разряда. Расположены каналы равномерно по окружности. Суммарная площадь проходных сечений каналов обеспечивает скорость истечения газа порядка 0,3-0,5 от скорости звука при заданном полном давлении и температуре подаваемого газа. Подвод углеводородного газа в прикатодную область дугового разряда выполнен в трех вариантах. Технический результат изобретения - повышение ресурса работы электрода за счет устойчивого возобновления защитного углеродного наноструктурированного слоя. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Эрозионный импульсный плазменный ускоритель // 2542354

Изобретение относится к плазменной технике и к плазменным технологиям и может использоваться, в частности, в качестве электроракетного двигателя. Катод (1) и два электрически изолированных анода (2, 3) образуют ускорительный канал эрозионного импульсного плазменного ускорителя (ЭИПУ). Диэлектрические шашки, выполненные из аблирующего материала, установлены между первым анодом (2) и катодом (1). ЭИПУ содержит средство перемещения диэлектрических шашек, торцевой изолятор (4), устройство инициирования электрического разряда с электродами (7). Система электропитания включает два емкостных накопителя энергии (9, 10), токоподводы, соединяющие накопители энергии с разрядными электродами, и блок (8) электропитания устройства инициирования электрического разряда. Первый анод (2) расположен в ускорительном канале со стороны торцевого изолятора (4). Второй анод (3) расположен со стороны выходной части ускорительного канала. Первый накопитель энергии (9) подключен между вторым анодом (3) и катодом (1). Второй накопитель энергии (10) подключен к анодам (2, 3). С первым анодом (2) второй накопитель (10) соединен через управляющий токоподвод, выполненный в виде стержня (11). Управляющий токоподвод расположен со стороны торцевого изолятора (4) и электрически изолирован от ускорительного канала. Выполняющий функцию управляющего токоподвода стержень (11) расположен между первым анодом (2) и катодом (1) и ориентирован ортогонально по отношению к поверхности анода и к противоположной поверхности катода. Стержень (11) подключен ко второму емкостному накопителю (10) так, что протекающий по нему электрический ток IT одинаково направлен по отношению к току разряда IP между первым анодом (2) и катодом (1). Технический результат - упрощение конструкции ЭИПУ, повышение его надежности и увеличение ресурса, повышение управляемости и стабильности характеристик генерируемого плазменного потока за счет синхронизации процессов испарения и ускорения рабочего вещества. 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

Устройство генерирования плазмы и использование устройства генерирования плазмы // 2543049

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано при стерилизации товаров и/или дезинфекции поверхностей. Устройство генерирования плазмы содержит первый, запитанный, электрод и вторую конструкцию электрода, расположенную напротив первого электрода. Изолирующий слой помещается между первым электродом и конструкцией второго электрода. Конструкция второго электрода имеет множество частей второго электрода, определяющих части зазора между ними. Ширина частей зазора составляет w. Каждая часть второго электрода имеет переднюю поверхность, и каждая часть зазора имеет переднюю поверхность, разность высоты между передней поверхностью каждой части второго электрода и передними поверхностями смежных частей зазора составляет h, где h составляет не более 0,1 мм, а отношение w/h составляет по меньшей мере 10. Таким образом, передние поверхности частей второго электрода и передние поверхности частей зазора вместе обеспечивают гладкий рельеф. Плазма, сформированная устройством (в воздухе или другом газе, содержащем кислород), образует озон, который может быть использован, чтобы обрабатывать, например, продукты питания. Гладкий рельеф позволяет практически всю плазму генерировать внутри упаковки, стенка которой прижимается к конструкции второго электрода. Технический результат - повышение качества обработки поверхности. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 11 ил.

Способ создания импульсной плазменной антенны // 2543508

Изобретение относится к технике радиосвязи, в частности к способам создания плазменных антенн. Способ создания импульсной плазменной антенны включает облицовку внутренней поверхности выемки в заряде взрывчатого вещества, инициирование заряда взрывчатого вещества со стороны, противоположной выемке, и метание материала облицовки в окружающее пространство со скоростью, достаточной для ионизации ионизируемого материала при их движении в атмосфере, с формированием плазменной антенны. Облицовка выполняется из легких металлов, например алюминия или алюминиевых сплавов, сжимается продуктами детонации на ось симметрии заряда с формированием массивного компактного безградиентного или малоградиентного кумулятивного тела в окружающем пространстве, взаимодействия тела при его полете с атмосферой с формированием ударной волны и спутного следа, термической ионизацией воздуха, нагревом материала поверхности тела, его разрушением и поступлением в спутный след, при этом плазменная антенна формируется за высокоскоростным телом из ионизированного воздуха и ионизованных продуктов разрушения кумулятивного тела. Технический результат - увеличение длины формируемой антенны. 2 ил.

Плазменная пылеугольная горелка // 2543648

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для растопки пылеугольных котлов и стабилизации горения факела (подсветки), для воспламенения мелкодисперсного твердого топлива с предварительной электротермохимической подготовкой (ЭТХП). Плазменная пылеугольная горелка состоит из двух соосных, коаксиально расположенных труб различного диаметра, внутренней трубы 1 первой ступени и внешней трубы 2 второй ступени, со встроенным в торце внутренней трубы 1 электродуговым плазмотроном 4. Горелка дополнительно снабжена двумя отдельными регулируемыми каналами подачи воздуха: один - для подачи дополнительного воздуха во внутреннюю трубу 1 первой ступени, второй - для подачи дополнительного воздуха во внешнюю трубу 2 второй ступени. При этом каналы для подачи воздуха выполнены в виде труб 6 и 7 с тангенциальным входом, которые установлены перпендикулярно соосным трубам: внутренней 1 и внешней 2, и жестко соединены с ними. На выходе питателей 10 и 11 установлены шибера 18 и 19 с возможностью регулирования расходов аэросмеси. Электродуговой плазматрон 4 установлен вдоль горизонтальной оси внутренней трубы 1. Изобретение позволяет регулировать коэффициент избытка воздуха пылеугольной смеси в разделенных каналах подачи пылеугольной смеси за счет подачи дополнительного воздуха в эти каналы, а также регулировать процесс ЭТХПТ в горелке. 2 ил.

Плазменное устройство для cvd // 2545977

Изобретение относится к плазменному устройству для химического осаждения покрытия из паровой фазы (CVD) на подложку в виде пленки или листа. Устройство включает вакуумную камеру, пару роликов для напыления, расположенных в вакуумной камере, вокруг которых намотана подложка, которая является мишенью для осаждения, и генерирующую магнитное поле секцию, которая генерирует генерирующее плазму магнитное поле на поверхности роликов для напыления, формируя участок для осаждения, на котором напыляют покрытие на упомянутую подложку. Пара роликов для напыления включает первый ролик для напыления и второй ролик для напыления, отделенный от первого ролика для напыления промежутком таким образом, что оси упомянутых роликов параллельны. Генерирующая магнитное поле секция расположена таким образом, что первый участок для напыления сформирован в контрпространстве, которое представляет собой пространство между парой роликов для напыления. Второй участок для напыления сформирован на участке, смежном с поверхностью роликов для напыления. Данный участок находится вне контрпространства. Разработано устройство, обеспечивающее непрерывное осаждение покрытия методом CVD с высокой производительностью. 6 з.п. ф-лы,8 ил.

Плазматрон для нанесения покрытий в динамическом вакууме // 2546974

Изобретение относится к области плазменной обработки материалов, в частности для нанесения покрытий, и может найти применение в плазмометаллургии, плазмохимии и машиностроительной промышленности. Технический результат - повышение надежности работы плазматрона при нанесении покрытий из порошков веществ с различной температурой плавления, упрощение конструкции плазматрона и улучшение эксплуатационных и физико-механических характеристик покрытий. В плазматроне, содержащем катод с цилиндрической термоэмиссионной вставкой, сопло-анод, изолятор, завихрительный блок с тангенциальными отверстиями, систему водоохлаждения, канал одновременного ввода плазмообразующего газа и порошка, организуется работа дуги не в дозвуковой части, а в сверхзвуковой части сопла-анода. При этом цилиндрическая термоэмисионная вставка катода выполнена в виде центрального тела сопла-анода, суммарная площадь поперечных сечений тангенциальных отверстий завихрительного блока равна площади щелевого зазора между стенкой сопла-анода и цилиндрической термоэмиссионной вставкой катода, конец которой совпадает с началом расширяющейся сверхзвуковой части сопла-анода. 2 ил.