CN112470401A - 脉冲放电装置 - Google Patents

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Abstract

一种液体中的脉冲放电装置(1A、1B)，所述装置(1A、1B)包括：至少一对电极(10)，所述至少一对电极被配置为在将预定电压施加在所述电极(10)之间时浸入所述液体中并在所述液体中产生电弧，至少一个加热单元(20)，所述至少一个加热单元被配置为将所述液体加热一段所谓的“加热”持续时间，至少一个放电单元(30)，所述至少一个放电单元被配置为将放电电压施加在所述至少一对电极(10)的电极(10)之间，以及至少一个控制单元(40)，所述至少一个控制单元被配置为控制所述至少一个加热单元(20)以使所述加热单元(20)将所述液体加热一段所述加热持续时间，并被配置为在所述加热持续时间结束时控制至少一个放电单元(30)以使所述至少一个放电单元(30)将依所述预定施加。

Description

脉冲放电装置
技术领域
本发明涉及电力电子领域，具体来讲，涉及一种用于在液体中脉冲放电的装置及其方法。该方法和装置尤其适用于电液压成形、地震工具、油井增产或碎石术。
背景技术
在电力电子器件中，已知使用脉冲放电装置，该脉冲放电装置能够在非常高的电压下瞬时使非常高强度的电流在浸入液体中的两个电极之间传递。两个电极之间的电压由外部电源(例如1到40kV之间)供电，该外部电源包括电容模块，该电容模块用于存储电能并将其恢复为非常高的电压(在非常高的电压下)。
通过已知的方式，在水中高压脉冲放电的情况下，存在两个阶段：第一阶段为所谓的“预放电”阶段，随后为第二阶段，即所谓的“击穿”阶段。通过在第一高电压值(例如20kV)上接通一个电极来触发预放电阶段，同时另一个电极则连接到设置电势基准(例如0kV)的接地端。在预放电阶段期间，两个电极之间定义的电压使水能够加热到沸点，从而形成气体通道，从而产生击穿条件。在该水温上升期间，电极两端的电压缓慢下降到发生击穿阶段的第二电压值。该击穿阶段对应于在气体通道中传播并产生电弧的放电现象，该电弧使电流在两个电极之间流动。
然而，该类装置有一些缺陷，尤其是在金属零件的电液压成型中的应用时。首先，不控制产生电弧时的电压电平。因此，能量集中在电极之间，然后转换为压力波，从而从一次发射到下一次发射就不稳定。结果，从一个测试到下一个测试，施加到工件上的成型压力是不同的。但是，这种成型差异可能太大，以致于所生产的某些零件不符合要求。另外，在使用几对电极进行成形的情况下，产生电弧所需的时间范围为冲击波的传播顺序。但是击穿时间之间的平均偏差可能证明是很大的，因此不能确保触发不同冲击波的同步性，并且零件的成型会表现出不均匀性，这是主要的缺点。
发明内容
本发明的目的在于通过提供功率放大器的简单、可靠和有效的解决方案来至少部分克服这些缺陷。
为此，本发明的一个目的首先在于液体(优选水中)中的脉冲放电装置，所述装置包括：
至少一对电极，所述至少一对电极被配置为在将预定电压施加在所述电极之间时浸入所述液体中并在所述液体中产生电弧，
至少一个加热单元，所述至少一个加热单元被配置为将所述液体加热一段所谓的“加热”持续时间，以及
至少一个放电单元，所述至少一个放电单元被配置为将放电电压施加在所述至少一对电极的电极之间，
至少一个控制单元，所述至少一个控制单元被配置为控制所述至少一个加热单元以使所述加热单元将所述液体加热一段所述加热持续时间，并被配置为在所述加热持续时间结束时控制至少一个放电单元以使所述至少一个放电单元将所述预定电压施加在所述至少一对电极的电极之间且从而在所述液体中产生放电。
根据本发明的装置能够在预定的时间点触发电极之间的放电，使得从一个发射到下一个发射期间放电是完全相同的。因此，在将其应用于电液压成形中时，本发明可确保从一次发射到另一次发射的可靠性和准确性，以实现产品之间的均匀性。本发明能够设置不同的参数以优化放电效率，比如，增加电极间的距离，从而提高能量供应的质量或降低液体介质的电导率，以便使电弧触发更加稳定。根据本发明的装置不需要复杂的外部布线，因此可用于车载应用，例如用于地震应用的井下。
优选地，加热单元的数量等于放电单元的数量。替代地，所述装置可包括数量上大于加热单元数量的多个放电单元。
还优选地，所述装置包括单个控制单元，所述单个控制单元连接至所有的加热和放电单元，以简化所述装置的架构。
在一个实施例中，每个加热单元包括连接至至少一对电极中的一个所述电极电容模块(例如，包括一个或多个电容)和所谓的“加热”开关，所述“加热”开关一方面连接至所述电容模块且另一方面连接至所述一对电极中的另一个所述电极。
在一个实施例中，每个放电单元包括连接至至少一对电极中的一个所述电极电容模块(例如，包括一个或多个电容)和所谓的“放电”开关，所述“加热”开关一方面连接至所述电容模块且另一方面连接至所述一对电极中的另一个所述电极。
优选地，预定所述加热持续时间，以使所述放电触发从一次发射固定到另一次发射并使所述装置简单有效。
根据本发明的一个方面，所述至少一个控制单元包括计数器，并被配置为在所述至少一个控制单元激活所述至少一个加热单元时触发所述计数器且在所述计数器已达到所述加热持续时间时激活所述至少一个放电单元。该计数器代表用于测量所述预定加热持续时间的简单装置。
有利地，所述加热持续时间在5到500毫秒之间，以使所述放电能够可靠且有效地得到触发。
替代地或另外，所述装置尤其是所述至少一个控制单元可被配置为在所述加热电压已达到反映能量转移的预定阈值时监测所述加热电压的变化并中断所述至少一个加热单元对电极之间液体的加热，所述能量转移等于在所述电极之间达到沸腾温度并能产生脉冲放电所需的能量。所述所需的能量是待加热的水量的函数，并取决于所述电极的几何形状。所述能量值可使用下列公式来进行确定：
E＝ρx Cp x V x(Te–Ti)
其中，E是达到所述电极之间的所述沸腾温度所需的能量，ρ是所述液体的密度，Cp是所述液体的等压热容，V是所述电极之间待加热的水量，Te是所述液体的沸腾温度，且Ti是所述液体的初始温度(即加热之前)。
替代地或另外，所述装置尤其是所述至少一个控制单元可被配置为在电流的强度已达到反映所述能量转移的预定阈值时时监测在所述至少一对电极的电极之间流动的所述电流的强度的变化并中断所述至少一个加热单元对所述电极之间的液体的加热，所述能量转移等于达到所述电极之间沸腾温度并产生脉冲放电所需的能量，如上所述。
根据本发明的一个特征，所述至少一个加热单元被配置为在所述电极之间传递加热电压以加热所述液体，在所述电极之间施加电压的使用是加热所述液体的简单有效的手段。
有利地，所述加热电压在0.1到5kV之间。
有利地，所述放电电压在1到40kV之间。
根据本发明的一个方面，所述装置包括单对电极。
在所述装置的一个实施例中，所述装置包括单对电极、单个加热单元、单个放电单元和单个控制单元。
在所述装置的另一个实施例中，所述装置包括单对电极、多个加热单元、多个放电单元和单个控制单元。使用多个加热单元可减少所述加热持续时间。多个放电单元的使用能够在所述电极之间增加所述电流放电的功率，特别是在用于精确且有效地形成复杂的金属部件时。
在一个特定实施例中，所述装置包括一对电极、两个加热单元、两个放电单元和控制单元。
在另一个特定实施例中，所述装置包括一对电极、三个加热单元、三个放电单元和一个控制单元。
本发明涉及一种从脉冲放电装置来在液体中产生放电的方法，所述方法包括以下步骤：将所述液体加热一段加热持续时间，在所述加热持续时间结束时所述液体已达到预定温度；以及一旦所述加热持续时间过去，则包括触发脉冲放电。
本发明的其他特征和优点将在以下关于附图的描述中给出。并且以非限制性示例的方式给出，并且其中对相似的对象给出相同的参考。
附图说明
图1示意性地示出了根据本发明的脉冲放电装置的第一实施例。
图2示意性地示出了根据本发明的电脉冲放电装置的第二实施例。
图3示意性地示出了根据本发明的方法的一个实施例。
具体实施方式
根据本发明的装置使得可在液体中进行脉冲放电，所述液体例如是水(成形、油勘探...)或血液(碎石术)。根据本发明的装置尤其可用于进行电液压成形、通过产生地震波进行地球物理勘探、改善油井产量或通过碎石术治疗肾结石。
根据本发明的装置包括至少一对电极、至少一个加热单元、至少一个放电单元和至少一个控制单元。
每对电极被配置为在将预定电压施加在所述一对电极之间时浸入液体中并在液体中产生电弧，
每个加热单元被配置为通过在每对电极的电极之间提供电压来将液体加热一段所谓的“加热”持续时间。
每个放电单元被配置为将放电电压施加在至少一对电极的电极之间。
优选地，但不限于，所述装置包括单个控制单元。控制单元被配置为同时控制加热装置，以使所述加热单元在加热持续时间内加热液体。控制单元还被配置为在所述加热持续时间结束时控制放电单元，以便所述放电单元在至少一对电极的电极之间施加预定电压，从而在液体中产生放电。
优选地，当存在多个加热单元和多个放电单元时，至少一个控制单元被配置为一方面同步地控制加热单元且另一方面同步地控制放电单元。
图1示出了根据本发明的装置1A的第一实施例，图2示出了根据本发明的装置1B的第二实施例。在第一实施例中，装置1A包括单对电极10、单个加热单元20、单个放电单元30和单个控制单元40；在第二实施例中，装置1B包括单对电极10、两个加热单元20、两个放电单元30和单个控制单元40。
一对电极10被配置为浸没在液体中，其中，期望进行一次或多次的脉冲放电。具体地，一对电极10被配置为接收施加在一对电极10中的两个电极10之间的电压，以在满足某些条件时在液体中产生电弧，如下所述。
在一次发射期间，电荷从一对电极中的一个电极10的末端传播到一对电极中另一个电极10的末端，它们之间的液体和气体的量也是如此。例如，电极10可具有大致中空的圆柱形、旋转对称的形状。优选地，电极10进行“端对端”对准，即，布置成使得它们各自的纵轴(未示出)重合且它们具有以预定的固定距离隔开的自由端，该预定的固定距离例如在1mm与50mm之间，优选在1mm与25mm之间(电极10之间的距离的增加使得可增加在所述电极10之间沉积的且在轴向方向(对称轴的方向)上彼此面对的能量)。在脉冲放电期间，在这些自由端之间会产生电弧，这些自由端的相对的环形端面基本上是平面的(在横向平面中)。如图1和图2所示，电极的相对的轴向端(称为连接端)分别一方面连接至至少一个加热单元20且另一方面连接至至少一个放电单元30。
在图1和图2的实施例中的每个实施例中，每个加热单元20被配置为将所述液体加热一段所谓的“加热”持续时间。可预定该加热持续时间，例如，通过根据液体来进行选择，或通过例如监视电极10两端的电压变化而实时地进行调整。
加热持续时间确保在至少一个放电单元30施加所谓的“放电”电压时液体的温度足以在两个电极10之间产生脉冲放电。例如，加热持续时间可选择为加热直到电极之间的液体体积蒸发所需的持续时间。
可通过以下参数中的一个或多个来加热液体：时间、电流或电压，以便确定加热持续时间。类似地，加热持续时间可对应于将液体转化为气相例如将液态水转化为水蒸气所需的时间。这是因为从液相到气相的相变改变了介质的电阻率，从而改变了在电极之间流动的电流。
在图1和图2的实施例中的每个实施例中，控制单元40(例如微控制器的计算器)可例如在所述电流或电压的强度达到预定阈值(例如1kA或5kV)时监测在电极10之间流动的电流或在电极10之间限定的电压并控制至少一个放电单元30，在该预定阈值下，电极10之间的液体温度足以在所述两个电极10之间产生脉冲放电。
为此，优选地，每个加热单元20包括加热发生器21，该加热发生器被配置为在一对电极10的电极之间传递所谓的“加热”电压，以加热液体。该加热发生器21的形式可以是多个电容器或恒流电压发生器。多个电容器使得可在很短的时间(例如大约10ms)内提供几千伏的电压，而恒流电压发生器则可在更长的时间(例如，大约100ms)内产生几百伏的较低电压。例如，加热电压可在100V到5kV之间。每个加热单元20还包括所谓的“加热”开关22，该开关由控制单元40来控制开或关。
在图1和图2的实施例中的每个实施例中，每个放电单元30倍配置为在一对电极10的端子之间施加放电电压。该放电电压触发两个电极10之间的脉冲放电的产生。例如，放电电压的值可在20kV的范围内。为了产生放电电压，每个放电单元30包括放电发生器31(例如，多个电容的形式)和所谓的“放电开关”32(由控制单元40来控制开和关)。
应注意，加热发生器21和放电发生器22可以是两个不同的物理实体，也可以是单个实体，该单个实体被配置为分别输送不同值的电压以加热液体并在所述液体中产生脉冲放电。
加热单元20和放电单元30由控制单元40控制。更精确地，控制单元40被配置为控制加热单元20，以便加热单元20在加热持续时间内加热液体并在所述加热持续时间结束时控制放电单元30，使得所述放电单元30在电极10上施加预定电压，从而在液体中产生电弧。
因此，换句话说，控制单元40，即在加热期间，首先激活加热单元20直到液体达到足以产生脉动放电的温度为止，然后，在一旦液体被加热的情况下，就中断加热单元20的操作并优选同时触发放电单元30，以便在两个电极10之间产生脉冲放电。
当预定了加热持续时间时，控制单元40可包括计数器(未示出)，当控制单元40激活加热单元20且控制单元40监控时触发该计数器，以便当计数器达到加热持续时间时停止加热单元20的操作。当未预定加热持续时间时，一旦已激活了加热单元20，则控制单元40可在加热电压达到预定阈值时监测加热电压的变化并停止加热单元20的运行，该预定阈值在一旦放电单元30已达到电极10之间的放电电压的情况下反映了等于达到电极之间沸腾温度所需的能量的能量转移并反映了能够产生脉冲放电。
在图2所示的实施例中，两个加热单元20并联连接，且一方面连接至控制单元40，另一方面连接至一对电极10。类似地，两个放电单元30并联连接，且一方面连接至控制单元40，另一方面连接至一对电极10。每个加热单元20包括加热发生器21和加热开关22。每个放电单元30包括放电发生器31和放电开关32。
通过将加热单元20并联连接在一起，可更快速地加热液体。通过将放电单元30并联连接在一起，可容易地且可变地增加提供给一对电极10的功率，且在确保同时在电极10之间提供电力的同时，放电单元30因此可彼此同步。
应注意，可通过将这些分别添加到现有装置的一个或多个加热单元20和一个或多个放电单元30而容易地将两个以上的加热单元20以及两个以上的放电单元30并联连接，以进一步在需要时增加功率。优选地，使用相同数量的加热单元和放电单元，而不限制本发明的范围。
该装置1B在用于液压成型的应用中特别有效，对于该液压成型而言，成型所需的功率非常高，且需要并行布置多个放电单元30。
现在将在所述装置1A、1B浸入液体中时参照图3针对装置1A、1B的第一实施例和第二实施例的本发明的实施例来描述本发明。
首先，当要进行脉冲放电时，在步骤E1中，控制单元40将控制加热单元20，使得所述加热单元20加热电极10之间的液体。
为此，控制单元40关闭加热单元20的加热开关22，使得加热发生器21在加热持续时间内将加热电压传递到一对电极10。
当预定了加热持续时间，控制单元40在关闭加热单元21的加热开关22的同时触发计数器，且一旦加热持续时间过去，则打开加热开关22。当未提前知道加热持续时间，控制单元40监测整个相应的一对电极10上的电压，以便在观察到的电压达到预定的电压阈值时激活放电单元30，该阈值表征了电极10之间的液体中的能量累积足以进行放电。控制单元40还可控制电压(例如，100V到5kV之间)和电流(例如，10A到1kA之间)，以计算实际沉积在液体中的能量(例如在几百焦耳至10kJ量级之间的能量)，并在达到所需能量时激活放电单元30。
一旦加热持续时间已过去(即预定持续时间已过去或达到预定电压阈值)，则在步骤E2中，控制单元40激活放电单元30，使得所述放电单元30触发电极10之间的脉冲放电。
为此，在加热单元20的加热开关22打开的同时或之后立即打开(例如在所述打开之后的5至500毫秒之间)(请注意，例如可能需要等待几秒钟，以为电容器充电)，控制单元40关闭放电单元30的放电开关32，以便放电单元30的放电发生器31在电极10之间施加例如大约20kV的放电电压，从而在一对电极10中的两个电极10之间产生脉冲放电。
然后，由该放电产生的波将用于预期的应用，例如形成可以是金属或塑料材料的零件。
因此，本发明有利地确保了精确地加热液体以在可预测的瞬间触发脉冲放电，从而使该方法具有可重复性和同样的可再生性。特别地，在具有多个放电单元的装置1B中，本发明使得可在单个瞬间以这种方式触发单个高功率脉冲放电，这不同于现有技术的具有需要同步的几对电极的装置，而同步的操作可能证明是复杂且不准确的。
应注意，本发明不限于上述示例，并且本领域技术人员可想到许多替代方案。

Claims (10)

1.一种液体中的脉冲放电装置(1A、1B)，其特征在于，所述装置(1A、1B)包括：
至少一对电极(10)，所述至少一对电极被配置为在将预定电压施加在所述电极(10)之间时浸入所述液体中并在所述液体中产生电弧，
至少一个加热单元(20)，所述至少一个加热单元被配置为将所述液体加热一段所谓的“加热”持续时间，
至少一个放电单元(30)，所述至少一个放电单元被配置为将放电电压施加在所述至少一对电极(10)的电极(10)之间，以及
至少一个控制单元(40)，所述至少一个控制单元被配置为控制所述至少一个加热单元(20)以使所述加热单元(20)将所述液体加热一段所述加热持续时间，并被配置为在所述加热持续时间结束时控制所述至少一个放电单元(30)以使所述至少一个放电单元(30)将所述预定电压施加在所述至少一对电极(10)的电极(10)之间且从而在所述液体中产生放电。
2.根据权利要求1所述的装置(1A、1B)，其特征在于，所述加热持续时间是预定的。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的装置(1A、1B)，其特征在于，所述至少一个控制单元(40)包括计数器，并且所述至少一个控制单元(40)被配置为在所述至少一个控制单元(40)激活所述至少一个加热单元(20)时触发所述计数器且在所述计数器已达到所述加热持续时间时激活所述至少一个放电单元(30)。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的装置(1A、1B)，其特征在于，所述加热持续时间在5到500毫秒之间。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的装置(1A、1B)，其特征在于，所述至少一个加热单元(20)被配置为在所述电极(10)之间传递加热电压以加热所述液体。
6.根据前述权利要求所述的装置(1A、1B)，其特征在于，所述加热电压在0.1到5kV之间。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的装置(1A、1B)，其特征在于，所述放电电压在1到40kV之间。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的装置(1A、1B)，其特征在于，所述装置包括单对电极(10)、单个加热单元、单个放电单元和单个控制单元。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的装置(1A、1B)，其特征在于，所述装置包括单对电极(10)、多个加热单元、多个放电单元和单个控制单元。
10.一种从根据前述权利要求中的任一项所述的电脉冲放电装置(1A、1B)来在液体中产生放电的方法，其特征在于，所述方法包括：步骤E1，即将所述液体加热一段加热持续时间，在所述加热持续时间结束时所述液体已达到预定温度；以及一旦所述加热持续时间过去，则包括步骤E2，即触发脉冲放电。
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