Устройство для получения униполярного коронного разряда при малых межэлектродных расстояниях без прокачки газа

Полезная модель относится к технической физике, в частности к аппаратам электронно-ионной технологии, а именно к устройствам для получения ионов любого знака или озона из кислорода воздуха или их смесей и может быть широко использовано в различных областях техники для стерилизации воздуха в помещениях, замкнутых объемах, в медицине, а также компенсации электростатического заряда в микроэлектронике. Сущность предлагаемого устройства заключается в использовании плохопроводящего электрический ток (с определенным удельным сопротивлением) материала, покрывающего некоронирующий электрод и устраняющего неуправляемый переход коронного разряда в искровой при малых (менее 3 мм) межэлектродных расстояниях без прокачки газа. Причем в качестве материала, плохо проводящего электрический ток, используют керамический материал, например, карбид кремния или нитрид кремния или двуокись циркония, легированные металлом. Устройство для получения униполярного коронного разряда позволяет в широких пределах эффективно стабилизировать плотность тока разряда с естественной турбулентностью воздушной среды в ионизируемом пространстве без дополнительного обдува (охлаждения) среды при малых межэлектродных расстояниях, а также обладает высокой надежностью и стабильностью выходных рабочих характеристик

Полезная модель относится к технической физике, в частности к аппаратам электронно-ионной технологии, а именно к устройствам для получения ионов любого знака или озона из кислорода воздуха или их смесей и может быть широко использовано в различных областях техники для стерилизации воздуха в помещениях, замкнутых объемах, в медицине для стерилизации и при обработке ран, а также компенсации электростатического заряда в микроэлектронике.

Известно, что коронный разряд между металлическими (хорошо проводящими) электродами без прокачки газа при межэлектродных промежутках менее 3 мм неуправляемо переходит в искровой режим [1, 2, 3, 5]. Это обстоятельство ограничивает применение коронного разряда в большинстве приложений, поскольку основным параметром является ток короны, величина которого определяется напряжением на разрядном промежутке. Невозможность реализации устойчивого коронного разряда при малых разрядных промежутках (менее 3 мм) приводит к завышению рабочего напряжения и потребляемой мощности. Для стабилизации коронного разряда обычно используется дополнительное (балластное) сопротивление в несколько десятков МОм (подбирается экспериментально) и обдув разрядного промежутка потоком газа со скоростью в несколько десятков м/с. Использование сосредоточенного сопротивления влияет на процессы в разряде только как стабилизирующий элемент электрической цепи. Обдув разрядного промежутка обеспечивается за счет внешнего компрессора с давлением 2-3 атм, что усложняет конструкцию электроразрядного устройства, использующего коронный разряд.

Известен ионизатор воздуха (JP 2007188852 (А), работающий в условиях высоких температур, в котором коронирующий электрод выполнен из полупроводника - карбида кремния, и выполняющий функцию предотвращения разрушения коронирующего электрода в условиях работы в режиме высокого напряжения с дополнительным обдувом (использованием воздействия воздушной струи в зоне межэлектродного пространства).

Известен озонатор воздуха (JP 2006156276 (А), работающий также в режиме высокого напряжения с дополнительным воздушным обдувом для предотвращения искрового разряда между электродами.

Ионизаторы, выполненные в соответствии с данными изобретениями, характеризуются сложностью конструкции и их высокой стоимостью, обусловленное повышенным рабочим напряжением и наличием дополнительного воздушного охлаждения.

По мнению заявителя, наиболее близким к данному изобретению по технической сущности и достигаемому результату при использовании является устройство для получения униполярного коронного разряда (RU 2050654), содержащий, параллельно расположенные коронирующий многоострийный электрод, связанный с высоковольтными постоянным и переменным источниками питания, заземленный противоэлектрод-пластину, внешний электрод зоны генерации, выполненный в виде системы металлических полос в диэлектрических оболочках, экранирующую сетку, соединенную с низковольтным источником питания, электромагнит в виде адиабатической магнитной ловушки.

Данное техническое решение не позволяет конструктивно осуществлять работу в условиях малых межэлектродных промежутков в связи с возникновением искрового разряда при одновременном снижении величины напряжения источника питания.

Технический результат предлагаемой полезной модели: снижение энергоемкости устройства путем создания условий работоспособности в режимах низкого (небольшого) напряжения при малых межэлектродных промежутках (менее 3 мм) без применения дополнительного воздушного обдува (без прокачки газа через межэлектродный промежуток) при достаточно высокой надежности.

Технический результат достигается тем, что в устройство для получения униполярного коронного разряда при малых межэлектродных расстояниях без прокачки газа через межэлектродный промежуток, содержащее коронирующий и некоронирующий электроды, соединенные с источником высокого напряжения, дополнительно для стабилизации коронного разряда некоронирующий электрод содержит покрытие из материала, плохо проводящего электрический ток с проводимостью (10^-5 ÷10^-4) (Ом·м)^-1 и имеет форму и размер, исключающие возможность возникновения искрового разряда, при этом отношение расстояния между электродами (Н) и удельной проводимостью () покрытия некоронирующего электрода находится в интервале Н/=(0,2-1,2) мм/(Ом·м).

Причем в качестве материала, плохо проводящего электрический ток, используют керамический материал, например, карбид кремния или нитрид кремния или двуокись циркония, легированные металлом.

Сущность полезной модели поясняется чертежами - на фигурах 1-6 приведены разрезы возможных конструкций электродных систем при величине межэлектродного расстояния (h) менее 3 мм, где:

фиг.1 - конструкция устройства «игла-плоскость»;

фиг.2 - конструкция устройства «игла-кольцо»;

на фиг.3 показаны сечения двумерной электродной системы, имеющей произвольный размер в плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа;

на фиг.3-5 показана конструкция коронирующего электрода, выполненного в виде тонкой проволоки;

на фиг.4, 6 показан коронирующий электрод, выполненный в виде тонкой металлической фольги, которая может быть закреплена на изоляторе.

На фиг.7, 8 приведены устойчивые вольт-амперные характеристики коронного разряда.

Устройство для получения униполярного коронного разряда (фиг.1-6) содержит коронирующий электрод 1, некоронирующий электрод, герметичный корпус с вмонтированным в него преобразователем напряжения питающей сети в высоковольтное постоянное напряжение (на чертежах не показаны). Коронирующий электрод 1 соединен через резистор с отрицательным или положительным полюсом высоковольтного напряжения и имеет форму, например, иглы, тонкой проволоки или плоскости из тонкой металлической фольги. Некоронирующий электрод 2 содержит покрытие 3 из материала, плохо проводящего электрический ток с проводимостью (10^-5 ÷10^-4) (Ом·м)^-1 Некоронирующий электрод 2 закреплен на изоляторе 4, Н - межэлектродный промежуток. По определению длиной межэлектродного промежутка Н считается минимальное расстояние от поверхности коронирующего электрода в точке с минимальным радиусом кривизны до поверхности плохопроводящего материала. Это условие должно обеспечиваться соответствующим рисунком максимально точным относительным расположением коронирующего и некоронирующего (с покрытием) электродов в реальной конструкции.

На фиг.1 показана конфигурация игла-плоскость, на фиг.2 игла-кольцо, на фиг.3 показаны сечения двумерных электродных систем, имеющих произвольный размер в плоскости перпендикулярной рисунку. На фиг.3-5 коронирующий электрод выполнен в виде тонкой проволоки, на фиг.4, 6 в виде тонкой металлической фольги, которые могут быть закреплены на изоляторе (4). На всех рисунках характерный размер разрядного промежутка Н<3 мм.

Оценка сопротивления, образованного плохопроводящим материалом, может быть сделана, только для конфигурации фиг.1, т.к. для этого случая можно оценить характерный размер области растекания зарядов при возникновении коронирующего разряда. Диаметр пятна на плоскости в этом случае составляет 1,5 H [3]. Если задать толщину плохопроводящего материала равной Н (межэлектродному расстоянию), то сопротивление (R) цилиндра диаметром 1,5 Н и длиной Н будет равно:

Для приведенных ранее величин удельной проводимости () и Н менее 3 мм, величина такого сопротивления составит несколько десятков МОм. Для конфигураций, показанных на фиг.2-6, уточненные размеры дополнительного сопротивления должны подбираться экспериментально.

Для стабилизации коронного разряда при малых разрядных промежутках (менее 3 мм) в качестве дополнительного (балластного) сопротивления предлагается использовать объемное сопротивление из плохопроводящего материала, покрывающего некоронирующий электрод. Удельное сопротивление этого материала выбирается из следующих соображений. Известно [3], что искровой разряд имеет характерное время развития в интервале _i=50÷100 нс. Если время электростатической индукции плохопроводящего материала =₀/, (где: ₀ - относительная диэлектрическая проницаемость вакуума, - диэлектрическая проницаемость материала, - удельная проводимость) превышает _i, тогда плохопроводящий материал с такими параметрами замедляет развитие искры. В качестве плохопроводящего материала предлагается использовать диэлектрик с металлической априсадкой. Учитывая, что типичные величины диэлектрической проницаемости материалов =2÷3, можно определить необходимую удельную проводимость плохопроводящего материала из условия ~_i в пределах 10^-510^-4 Ом^-1·м^-1. При большей проводимости возникает искра, а при меньшей у коронного разряда увеличивается рабочее напряжение.

В качестве плохопроводящего материала возможно использование электротехнических керамик, например, карбид кремния или нитрид кремния [4] или двуокись циркония, легированные металлом.

Характерные размеры объемного сопротивления из плохопроводящего материала подбираются так, чтобы обеспечить общее дополнительное сопротивление цепи в несколько десятков МОм. Разрезы возможных конфигураций электродных систем приведены схематически на фиг.1-6.

Принцип работы устройства основан на генерации носителей заряда коронным разрядом переменного или постоянного тока в межэлектродном промежутке устройства.

Известно, что существуют в основном три типа слаботочного газового разряда: тлеющий, коронный и искровой. Проведенные исследования показали, что наибольшее выделение, например, озона происходит при осуществлении коронного разряда. Заявителем были исследованы и установлены математические зависимости основных характерных параметров устройства от расстояния между электродами и удельной проводимостью покрытия некоронирующего электрода. Экспериментально подтверждены интервалы этих параметров, в которых генерация озона наиболее максимальна. Так были установлены оптимальные интервалы отношений: расстояния между электродами (Н) и удельной проводимостью () покрытия некоронирующего электродаа которые составили соответственно: (0,2-1,2) мм/(Ом.м) при межэлектродном расстоянии менее 3 мм. В этих соотношениях нижний и верхний пределы определяют соответственно нижний и верхний предел возникновения и прекращения устойчивого коронного разряда, а следовательно, начала и окончания процесса генерации озона.

Использование в устройстве материала, плохо проводящего электричество, обусловлено их электрическими функциями.

Говоря об электрических функциях материала, имеют в виду в первую очередь проводимость, обусловленную только движением электронов и обнаруживаемую, когда вещество находится в контакте с другими электронными проводниками. Отсутствие свободных электронов служит причиной того, что керамики, как правило, плохо проводят электричество и тепло, включая возможность обеспечивать соединения с металлами. Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а также от условий их эксплуатации может изменяться в пределах 10^-5-10 ^-8 Ом·м.

Устройство работает следующим образом.

Условия эксперимента в лабораторных условиях: температура 20±5°С, давление 1 атм, влажность воздуха 40%.

Пример 1.

Исследовалась конфигурация электродов согласно фиг.1. В качестве металлических электродов использовались: 1 - игла в виде цилиндрической проволоки из нержавеющей стали диаметром 0,6 мм, имеющая конический участок длиной 3 мм оканчивающийся полусферой радиуса 0,04 мм; 2 - некоронирующий электрод в виде плоской квадратной 10x10 мм медной пластины толщиной 0,5 мм; 3 - квадратная 20×20 мм пластина из ферритовой керамики (удельное сопротивление 10⁴ Ом·м) толщиной 3 мм. Оси всех указанных элементов совпадали. На фиг.7 приведены устойчивые вольт-амперные характеристики отрицательного (минус на игле) и положительного (плюс на игле) коронного разряда для трех разрядных промежутков 0,5; 1 и 1,5 мм без прокачки газа. При отсутствии прокладки 3 при тех же промежутках коронного разряда не реализуется, т.к. при напряжениях на промежутке 800 900 вольт сразу возник искровой разряд.

Пример 2.

Исследовалась конфигурация электродов согласно фиг.2. В качестве коронирующего электрода использовалась игла описанная в примере 1. Прокладка 3 выполнена из ферритовой керамики (удельное сопротивление 5·10⁴ Ом·м) в виде трубки с внутренним диаметром 4 мм, внешним диаметром 8 мм, длиной 6 мм. На внешней цилиндрической поверхности закреплен некоронируующий электрод в виде кольца из медной проволоки диаметром 0,5 мм, установленного на конце трубки, удаленном от иглы. Игла (1) и трубка (3) располагались соосно за счет тщательной взаимной юстировки. Угловая несоосность была в пределах ±5°. Центровка иглы осуществлялась по визуальному контролю разрядного промежутка.

На фиг.8 приведены устойчивые вольт-амперные характеристики отрицательного и положительного коронного разряда для расстояния (вдоль оси) между кончиком иглы и торцом трубки из плохопроводящего материала, равным 1 мм. Для металлических электродов аналогичного размера, коронный разряд также не реализуется, т.к. при напряжении 600 В сразу возникает искровой разряд.

Предлагаемое техническое решение по сравнению с известными аналогами обеспечивает следующие преимущества: устройство имеет упрощенную конструкцию - использование керамического покрытия с определенными электрическими свойствами позволяет в широких пределах эффективно стабилизировать плотность тока разряда с естественной турбулентностью воздушной среды в ионизируемом пространстве без дополнительного обдува (охлаждения) среды при малых межэлектродных расстояниях, а также обладает высокой надежностью и стабильностью выходных рабочих характеристик

Использование предлагаемого технического решения позволит при уменьшении затрат значительно повысить экономический эффект при эксплуатации устройства.

Литература:

1. Н.А.Капцов Электрические явления в газах и вакууме ГИТТЛ,М. 1950 гл XX.

2. Дж.Мик, Дж.Крэгс Электрический пробой в газах ИИЛ, М. 1960 гл III стр.200.

3. В.В.Смирнов Ионизация в тропосфере Гидрометеоиздат, СПб, 1992, гл YII.

4. Х.С.Валеев Электротехническая керамика. Справочник по электротехническим материалам под ред. Ю.В.Корицкого, В.В.Пасынкова, Б.М.Тареева т.2 М. 1987 стр.211-256.

5. Plasma Sources Sci. Technol. 18. 0355016. 2009. «Atmosphenic pressure dc corona discharges: operating regimes and potential applications)). D.S.Antao, D.A.Staack, A.Fridman, B.Farouk.

1. Устройство для получения униполярного коронного разряда при малых межэлектродных расстояниях без прокачки газа через межэлектродный промежуток, содержащее коронирующий и некоронирующий электроды, соединенные с источником высокого напряжения, отличающееся тем, что для стабилизации коронного разряда некоронирующий электрод содержит покрытие из материала, плохо проводящего электрический ток с удельной проводимостью (10^-5÷10^-4 ) (Ом·м)^-1, при этом отношение расстояния между электродами (Н) и удельной проводимостью () покрытия некоронирующего электрода находится в интервале Н/=(0,2÷1,2) мм/(Oм·м).

2. Устройство для получения униполярного коронного разряда по п.1, отличающееся тем, что в качестве материала, плохо проводящего электрический ток, используют керамический материал, например карбид кремния, или нитрид кремния, или двуокись циркония, легированные металлом.