Устройство импульсного генератора плазмы на переменном токе



Устройство импульсного генератора плазмы на переменном токе
Устройство импульсного генератора плазмы на переменном токе

 

H05H1/24 - 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 2558713:

Исрафилов Ирек Хуснемарданович (RU)
Саубанов Руслан Рашитович (RU)
Саубанов Рузиль Рашитович (RU)
Звездин Валерий Васильевич (RU)
Рахимов Радик Рафисович (RU)

Изобретение относится к устройствам для получения импульсной низкотемпературной плазмы и может быть использовано в плазмохимии, машиностроении и для экспериментальных исследований. Технический результат - повышение производительности производства и снижение себестоимости обработки в технологических процессах для поверхностного нанесения различных металлов плазменной струей в импульсном режиме без объемного нагрева и деформации, а также для плазменной очистки обрабатываемых поверхностей, позволяющей удалять коррозионный слой. Устройство содержит блок-камеру предварительной подготовки плазмообразующего газа с распределением потока на вход сужающего сопла, для создания ламинарного потока плазмообразующего газа. Сопло выполнено перфорированным, образующим внутренний канал с переменным сечением, направляющим поток непосредственно к поверхности электродов. Дополнительно введены четыре тангенциальных выхода, создающие в комплексе ламинарный поток газа непосредственно на поверхности электродов, вспомогательный импульсный источник старта дуги; электроды из металлических водоохлаждаемых трубок с токоподводом на изоляторах, расходящихся под углом 2°, с закругленными торцевыми поверхностями в сторону выхода плазменного потока. Внутренний канал данного устройства заканчивается водоохлаждаемым соплом, обжимающим поток плазмы, направленной на обрабатываемое изделие. 2 ил.

 

Изобретение относится к устройствам для получения импульсной низкотемпературной плазмы и может быть использовано в плазмохимии, машиностроении и для экспериментальных исследований. Целью изобретения является повышение производительности производства и снижение себестоимости обработки в технологических процессах для поверхностного нанесения различных металлов плазменной струей в импульсном режиме без объемного нагрева и деформации, а также для плазменной очистки обрабатываемых поверхностей, позволяющей удалять коррозионный слой и др.

Известны устройства для получения низкотемпературной плазмы, используемые в физических экспериментах, плазмохимии, металлургии, а также в установках по утилизации токсичных и бытовых отходов и т.д. (Патент RU 128953, 2013 г., Н05Н 1/24; Патент RU 2231936, 2002 г., Н05Н 1/26, Н05Н 1/34; Патент RU 2176833, 2000 г., H01J 9/04; Патент RU 2225686, 2002 г., Н05Н 1/24, Патент RU 2374791 С1, 2008 г., Н05Н 1/32).

Недостатками этих генераторов плазмы являются большие габариты, повышенная эрозия электродов, значительное энергопотребление, невозможность применять данные устройства для поверхностной термообработки технических изделий (из-за перегрева обрабатываемой поверхности и деформации всего изделия), использование сложных элементов конструкции электродов, корпуса и сопла плазмотрона.

За прототип взят плазмотрон (Патент RU 128953, 2013 г., Н05Н 1/24), который содержит: блок предварительной подготовки рабочего газа с распределением потока на вход сужающего сопла, образующий внутренний канал с переменным сечением, устройство поджига дуги в импульсном режиме; электроды из металлических водоохлаждаемых трубок с токоподводом на изоляторах. Внутренний канал данного устройства заканчивается водоохлаждаемым соплом.

Недостатком данного устройства является несовершенство блока предварительной подготовки газовой среды, заключающееся в том, что газ при истечении в камеру переходит в турбулентный режим, приводящий работу плазмотрона в различных режимах и с различными скоростями потока к срывам плазменной струи, а малая скорость газа у пристеночной поверхности разрядной камеры способствует нагреву стенок до критических значений температур. Снижение пропускной способности из-за малой площади проходного сечения в рабочую камеру и последующее торможение потока на входе в камеру ведет к снижению ресурса разрядной камеры и потере работоспособности всего устройства.

Изобретение направлено на разработку компактного устройства импульсного генератора плазмы на переменном токе, которое содержит блок-камеру подготовки плазмообразующего газа с измененной геометрией внутренних стенок с дополнительно введенными четырьмя тангенциальными выходами, позволяющих достигать оптимальных значений параметров потоков плазмы, необходимых для выполнения заданного технологического процесса, для определения физико-химических параметров электродов и снижает тепловую нагрузку на стенки плазмотрона, с увеличением теплового КПД.

Поставленная задача решается применением новых конструктивных элементов блок-камеры подготовки плазмообразующего газа с измененной геометрией внутренних стенок и дополнительно введенными четырьмя тангенциальными выходами газа, создающими в комплексе ламинарный поток газа непосредственно на поверхности электродов.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что устройство содержит блок-камеру предварительной подготовки плазмообразующего газа с распределением потока на вход сужающего сопла, для создания ламинарного потока плазмообразующего газа сопло выполнено перфорированным, образующий внутренний канал с переменным сечением, направляющий поток непосредственно к поверхности электродов, и дополнительно введены четыре тангенциальных выхода, создающие в комплексе ламинарный поток газа непосредственно на поверхности электродов, вспомогательный импульсный источник старта дуги; электроды из металлических водоохлаждаемых трубок с токоподводом на изоляторах, расходящихся под углом 2°, с закругленными торцевыми поверхностями в сторону выхода плазменного потока. Внутренний канал данного устройства заканчивается водоохлаждаемым соплом, обжимающим поток плазмы, направленной на обрабатываемое изделие.

Суть изобретения поясняется фиг. 1 и 2. На фиг. 1 представлен чертеж конструкции устройства для плазменной термообработки материалов из стали, на фиг. 2 представлен разрез плазмотрона.

Конструкция включает в себя: блок-камеру подготовки плазмообразующего газа 1, которая оснащена штуцерами 9 для подачи плазмообразующего газа; корпус 2, в котором закреплены три электрода 3; сопловую часть 4 для обжатия плазмы; вспомогательный импульсный источник старта дуги 5; керамические втулки изоляторы 6; штуцера 7 в количестве 10 штук для подвода охлаждающей среды, как в корпусе 2, так и сопловой части 4, сужающее сопло блок-камеры 8, которое выполнено перфорированным, и дополнительно введены четыре тангенциальных выхода потока газа, которые совместно служат для формирования плазмообразующей среды в устройство старта дуги основного плазменного потока. Оно обеспечивает направленный ламинарный поток газа на поверхность электродов, а часть - на стенки камеры для уменьшения тепловой нагрузки на ее стенки.

Блок-камера имеет закругленные углы, которые способствуют лучшему распределению плазмообразующего газа в камере. За счет этого повышается тепловой КПД устройства, снижается влияние температуры плазмы на стенки камеры, формируется более горячий фронт к центру устройства, что уменьшает нагрев стенок камеры. Электроды плазмотрона 3 образуют воронкообразную трехлучевую форму и располагаются под углом 2° к оси плазмотрона. Межэлектродный зазор увеличивается от начала электродов к выходу плазменного потока, что увеличивает стабилизацию тока дуги и тепловых характеристик плазмотрона, что подтверждено экспериментальными исследованиями. Расположение электродов под углом относительно друг друга объясняется необходимостью увеличения стабилизации тока дуги, что позволяет устранить эффект лавинообразного пробоя (короткое замыкание внутри плазмотрона). Время между пробоями на стартовых электродах - есть время импульса суммарной энергии работы плазмотрона за единицу времени, то есть плазматрон работает в импульсном режиме. Для материала электродов подобрана трубка из меди диаметром 10 мм. На конце плазмотрона находится водоохлаждаемое формообразующее сопло выхода плазмы.

Плазмотрон работает следующим образом: с помощью импульсного источника возбуждают электрическую дугу между электродами 3. Электрическая дуга возникает между электродами, рельсотронный эффект заставляет электрическую дугу двигаться вдоль электродов в сторону сопла, что увеличивает ее длину.

Рабочий газ последовательно проходит через блок-камеру подготовки плазмообразующего газа 1, корпус плазмотрона 2, сопловая часть 4 преобразует поток плазмы и производит нагрев поверхности изделия. Вначале осуществляется подача газа в блок-камеру подготовки плазмообразующего газа 1 через штуцера 9, затем давление в разрядной камере подниматься до (1-2)·102 кПа, за счет соплообразного выходного канала, основной поток газа будет направлен непосредственно в начало электродов 3. Данный способ подачи плазмообразующего газа повышает температуру плазмы, так как основной объем газа контактирует с нагретой поверхностью электродов и соответственно с самой дугой. Также при данном способе уменьшается тепловая нагрузка на внутренние стенки корпуса плазмотрона, что в свою очередь приводит к увеличению ресурса работы электродов. Образовавшаяся плазма движется вдоль продольной оси устройства и выходит через сопло 4 на деталь для термообработки.

Рабочим инструментом при плазменной обработке является технологический плазмотрон (фиг. 1), содержащий корпус 2 с тремя трубчатыми электродами 3, блок-камеру для подготовки плазмообразующего газа 1 и сопловую часть 4, формирующую плазменную струю. Рабочие электроды и сопло, находясь в непосредственном контакте с низкотемпературным плазменным потоком, подвергаются интенсивному нагреву и эрозии, что приводит к повышенному износу электродов и увеличению эксплуатационных затрат, снижению производительности обработки и качества термообработки изделий.

Одним из основных способов повышения долговечности технологических плазмотронов является создание условий интенсивного отвода тепла от рабочих поверхностей электродов и соплового устройства.

Техническим результатом является: технологичность и энергоэффективность данного типа конструкции, а также использование переменного питающего напряжения без преобразователей. Конструкция плазмотрона позволяет стабилизировать параметры плазмы. Использование предложенного способа подачи плазмообразующего газа увеличивает КПД устройства за счет оптимального распределения температуры плазмообразующего газа в камере. При данном способе уменьшается тепловая нагрузка на внутренние стенки корпуса плазмотрона, что в свою очередь приводит к увеличению ресурса работы, а износостойкость электродов повышается за счет принудительного охлаждения водой.

В данном изобретении за счет выбранной конструкции разрядной камеры достигается увеличение функциональных возможностей устройства, повышение КПД и относительно простая конструкция.

Устройство импульсного генератора плазмы на переменном токе, содержащее блок-камеру предварительной подготовки плазмообразующего газа с распределением потока на вход сужающего сопла, выполненного перфорированным для создания ламинарного потока плазмообразующего газа, образующий внутренний канал с переменным сечением; устройство поджига дуги в импульсном режиме; электроды из металлических водоохлаждаемых трубок, заканчивающиеся водоохлаждаемым соплом, обжимающим поток плазмы, который направлен на обрабатываемое изделие, отличающееся тем, что содержит блок-камеру подготовки плазмообразующего газа с измененной геометрией внутренних стенок, заключающейся в закруглении угловых переходов стенок блок-камеры, для исключения возникновения турбулентных потоков газа, искажающих ламинарное истечение газа в область электродов, и дополнительно введенными четырьмя тангенциальными выходами газа, создающими в комплексе ламинарный поток газа непосредственно на поверхности электродов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к физике плазмы. Технический результат состоит в повышении надежности.

Изобретение относится к области плазменной техники. Электрод для дуговой плазменной горелки содержит наружную стенку в целом цилиндрической формы, торцевую стенку и выступ.

Изобретение относится к области исследования физических свойств вещества, в частности к исследованию процессов в газоразрядных приборах и плазме. Технический результат - возможность зажигания самостоятельного дугового разряда в открытом свободном пространстве.

Изобретение относится к источникам нейтронного излучения и предназначено для использования при разработке нейтронных и рентгеновских генераторов. Заявленный импульсный нейтронный генератор содержит размещенные коаксиально в герметичном корпусе (1), залитом жидким диэлектриком, нейтронную трубку (2), накопительный конденсатор (9) и высоковольтный трансформатор с многорядной вторичной обмоткой (5) и межрядной изоляцией, выступающей за пределы рядов, выполненной на каркасе в виде полого цилиндра из феррита с металлическим дном (4).

Изобретение относится к многофорсуночной трубообразной плазменной горелке-осадителю для производства заготовок для изготовления оптических волокон. К горелке подводится поток среды, содержащий стеклянный исходный материал и газ-носитель, и создается перпендикулярная ориентация продольной оси горелки относительно центральной оси подложки.

Изобретение относится к области плазменной техники и может быть использовано в полупроводниковой и других отраслях промышленности, где необходима модификация поверхностей материалов.

Изобретение относится к области электроракетных двигателей, а именно, к широкому классу плазменных ускорителей (холловских, ионных, магнитоплазмодинамических и др.), составной частью которых является катод как генератор плазмы.

Изобретение относится к области лазерных технологий. Способ получения оптического разряда в газе состоит в оптическом пробое газа с образованием поглощающей плазменной области и ее поддержании в луче лазера в течение длительности его воздействия.

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к электроразрядным устройствам типа “плазменный фокус”, и может быть использовано в качестве генератора разовых импульсов рентгеновского и нейтронного излучений для исследовательских и прикладных задач.

Изобретение относится к области плазменной обработки материалов, в частности для нанесения покрытий, и может найти применение в плазмометаллургии, плазмохимии и машиностроительной промышленности.

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к плазмотронам, использующимся в плазмохимии и металлургии для проведения различных плазмохимических процессов. Комбинированный индукционно-дуговой плазмотрон дополнительно снабжен четырьмя подвижными электродами, попарно установленными в противоположно расположенных секциях газоразрядной камеры. Поджиг индукционного разряда осуществляют при атмосферном давлении путем одновременной подачи плазмообразующего газа и напряжения на первичную обмотку и электроды. После поджига индукционного разряда один из дуговых разрядов отключают, а второй используют для проведения плазмохимических реакций. Дополнительный дуговой разряд позволяет поднять локально напряженность электрического поля и энерговклад до нужного уровня, обеспечивая возможность проведения широкого спектра плазмохимических процессов, требующих повышенной мощности и повышенного значения напряженности электрического поля в зоне проведения плазмохимических реакций. Технический результат - повышение энергоэффективности. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к средству для высокочастотной хирургии/терапии. Многофункциональный элемент для осуществления хирургических/терапевтических вмешательств включает устройство подачи окислительного средства, устройство подачи газа и электрод для получения плазмы. Причем устройство подачи окислительного средства содержит трубку, снабженную каналом подачи окислительного средства и по меньшей мере одним отверстием, сообщающимся с каналом подачи газа в устройстве подачи газа. Электрод содержит отверстие для выпуска только окислительного средства, проходящего через канал подачи окислительного средства, или только газа, проходящего через канал подачи газа и по меньшей мере одно отверстие, или смеси окислительного средства и газа, созданной в канале подачи окислительного средства. Использование изобретения позволяет повысить удобство обращения и оптимальность лечения пациента. 9 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к источникам электрической энергии переменного и постоянного тока. Источник содержит электроразрядную камеру 1 активации рабочего вещества и устройство активации рабочего вещества, включающее высоковольтный накопитель 2 электрической энергии и стабилизатор 3 плазмы в рабочей камере 1. Камера 1 снабжена термостойкой диэлектрической втулкой 4, доходящей до центральной части камеры 1. В диэлектрической втулке 4 подвижно установлен электроразрядный электрод 5. Электрод 5 кинематически соединен с реверсивным механизмом 6 и электрически - с токосъемным положительным электродом (выходной шиной) 7 непосредственно и через электронный коммутатор 8 - с положительным полюсом накопителя 2. Отрицательный полюс накопителя 2 выполнен заземленным и электрически соединен с металлическим корпусом 9 рабочей камеры 1 и с токосъемным электродом (отрицательной выходной шиной) 10. Электрические шины 7 и 10 нагружены на потребителя электрической энергии постоянного напряжения и через преобразователь 23 постоянного напряжения в переменное трехфазное напряжение с потребителями переменного напряжения. Технический результат - повышение надежности работы. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области плазменной техники. Плазменная горелка содержит каскад между катодом и анодом. Каскад является межэлектродной вставкой. Внутренняя область каскада имеет такую форму, что диаметр внутренней области последовательно увеличивается на множестве ступеней со стороны катода в сторону анода. Выходная мощность плазменной горелки обеспечивается не за счет увеличения электрического тока, а за счет увеличения электрического напряжения дуги. Таким образом, срок службы каждого из электродов, т.е. катода и анода, заметно увеличивается. Кроме того, поскольку во внутренней области каскада генерируется квазиламинарный поток плазмы, флуктуация выходной мощности плазменной струи снижается. На выходной стороне анода формирующего сопла предусмотрен модуль боковой защиты, генерирующий защитную газовую струю, которая является коаксиальной, кольцевой и низкоскоростной. Это позволяет генерировать плазменную струю, имеющую низкое число Рейнольдса плазмообразующего газа, с квазиламинарным потоком, издающую низкий шум, диаметр поперечного сечения которой увеличивается стабильным образом, имеющую большую длину плазмы и содержащую аргон, азот и водород. Технический результат - повышение эффективности плазменной обработки. 17 з.п. ф-лы, 11 ил., 2 табл.

Изобретение относится к двигательным установкам (ДУ) малой тяги для коррекции орбит космических аппаратов (КА). ДУ содержит размещенные друг над другом ускорители плазмы (УП) с ускоряющими электродами: катодом (3) и анодом (4), а также узлами подачи рабочего тела: шашек (7), снабженных пружинными толкателями (8). Для инициирования плазмообразующего разряда служат электроды (9) в отверстии катода (3). Между электродами (3, 4) выполнен торцевой керамический изолятор (ТКИ). С электродами связан через анодную и катодную шины (на панели (15)) блок (13) накопительных конденсаторов (14). Отвод тепла от УП осуществляется тепловыми трубами (ТТ). Испарительная часть (22) ТТ примыкает к электродам (3, 4) и ТКИ, а конденсационная часть (23) ТТ закреплена на раме крепления ДУ к корпусу КА. В окне этой рамы размещена теплонапряженная плоская стенка блока питания и управления. Техническим результатом изобретения является повышение надежности и тяговой эффективности ДУ за счет улучшенной системы теплоотвода. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к устройству для плазменной обработки газообразной среды. Устройство содержит генерирующее плазму устройство для создания в газообразной среде плазмы, диэлектрическую структуру, сформированную в виде трубки из плавленого кварца, причем плазма способна переноситься в диэлектрическую структуру, и камеру взаимодействия, включающую внутреннее пространство и стенку. Изобретение обеспечивает эффективную обработку газообразной среды и снижение потребления энергии. 7 н. и 20 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к области электротехники, конкретно к плазменным источникам электрической энергии, использующим воду и/или дымовые (СО2 - 80%) газы в качестве рабочего вещества. Устройство для генерации шаровой молнии содержит электроразрядную камеру и устройство активации рабочего вещества, включающее высоковольтный накопитель электрической энергии с электродами для электродугового пробоя рабочего вещества, стабилизатор плазмы в рабочей камере, стабилизатор плазмы выполненный в виде генератора электромагнитных волн (ЭМВ), соединенного с рабочей камерой через соответствующий волновод, токосъемные электроды, при этом корпус электроразрядной камеры выполнен металлическим, положительный электрод высоковольтного накопителя электрической энергии выполнен тугоплавким, установлен в термостойкой диэлектрической втулке, закрепленной в металлическом корпусе рабочей камеры и электрически соединен с одним из токосъемных электродов, другой из которых соединен с металлическим корпусом рабочей камеры, электрически соединенной с отрицательным электродом накопителя электрической энергии. Положительный электрод высоковольтного накопителя закреплен неподвижно в термостойкой диэлектрической втулке и выполнен в виде трубы, один конец которой заглушен тугоплавкой насадкой, а другой - жестко закреплен в металлической насадке, при этом полость трубы разделена на две половинки металлической перегородкой, один конец которой закреплен в металлической насадке, а между вторым концом металлической перегородки и тугоплавкой насадкой имеется зазор с возможностью перетекания жидкости из одной половинки полости трубы во вторую ее полость, в металлической насадке имеется два проникающих в полости трубы отверстия, первое из которых выполнено с возможностью протока жидкости в первую половинку полости трубы, а второе - с возможностью стока жидкости из второй половинки полости трубы. Технический результат - увеличение ресурса непрерывной работы устройства, надежности и эффективности. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для диагностики неоднородного слоя плазмы, контроля параметров плазмы в технологических установках, в исследованиях по моделированию плазмы ионосферы. Способ включает следующие операции: устанавливают в плазму по крайней мере два идентичных зонда, при этом расстояние между зондами выбирают из условия отсутствия влияния друг на друга областей возмущения от установки зондов; осуществляют зондирование плазмы путем одновременного приложения одинакового импульса напряжения ко всем зондам; с помощью устройств регистрации, к которым подключают соответствующие зонды независимо друг от друга и которые работают от автономных источников питания и снабжены средствами изоляции от сети переменного напряжения, регистрируют ток; зарегистрированные сигналы передают на персональный компьютер для обработки и построения вольт-амперных характеристик с определением концентрации электронов в областях установки зондов; по полученным результатам определяют пространственно-временное распределение параметров плазмы и динамизм ее состояния. Технический результат - повышение точности определения состояния плазмы путем определения пространственно-временного распределения ее параметров в одном импульсе плазмы. 5 ил.

Изобретение относится к области переработки твердых отходов и может быть использовано на промышленных предприятиях, а также в коммунальном хозяйстве. Электродуговой плазмотрон постоянного тока для установок плазменной переработки отходов включает соосные полые цилиндрические водоохлаждаемые электроды (анод и катод), выполненные с возможностью вихревой подачи плазмообразующего газа в зазор между анодом и катодом через форсунку, выполненную из изолирующего термостойкого материала, соосной с анодом и катодом с отверстиями для подачи газа, при этом отверстия выполнены в плоскости, перпендикулярной оси электродов по касательной к внутренней поверхности форсунки. Анод имеет внутренний диаметр канала da, длину канала lа от 4·da до 12·da. Катод выполнен в виде стакана с внутренним диаметром dc от da до 2·da и глубиной lc от dc до 3·dc. Внутренний диаметр форсунки di составляет от 2·dc до 2,5·dc, толщина стенки hw форсунки, в которой выполнены отверстия в количестве от 4 до 12 для подачи газа, составляет от 0,2·dc до 0,4·dc, отверстия в форсунке выполнены с диаметром dh от 0,08·dа до 0,12·da и выполнены равномерно расположенными по окружности форсунки. Анод плазмотрона включает соосный постоянный кольцевой магнит с индукцией магнитного поля на торцевой поверхности анода от 0,1 до 0,4 Тл. Технический результат - увеличение срока службы плазмотрона и расширение диапазона его рабочих характеристик. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области авиационной техники. Электрохимический генератор низкотемпературной плазмы для поджига, стабилизации и оптимизации работы сверхзвуковой камеры сгорания содержит термохимический реактор со штуцером для подвода газа с химически активным компонентом. Термохимический реактор стыкуется со сверхзвуковой камерой сгорания. Генератор снабжен плазматроном, последовательно с которым соединен термохимический реактор. Изобретение позволяет обеспечить надежное воспламенение, а также стабилизировать горение углеводородных топлив в прямоточных сверхзвуковых камерах сгорания. 1 ил.
Наверх