CZ2013736A3

CZ2013736A3 - Zařízení s akusticky stabilizovaným elektrickým výbojem

Info

Publication number: CZ2013736A3
Application number: CZ2013-736A
Authority: CZ
Inventors: Rudolf Bálek; Milan Červenka
Original assignee: České vysoké učení technické v Praze - Fakulta elektrotechnická
Priority date: 2013-09-24
Filing date: 2013-09-24
Publication date: 2014-11-26
Also published as: CZ304836B6

Abstract

Zařízení s akusticky stabilizovaným elektrickým výbojem je tvořeno výbojovou komorou (1) opatřenou přívodem (2) a odvodem (3) zpracovávaného plynu. Ve výbojové komoře (1) je umístěna drátová elektroda (10) a nožová elektroda (11). Výbojová komora (1) je oboustranně připojena přes akustické vlnovody (6) a (7), reduktory (8) a (9) k elektroakustickým měničům (4) a (5), které jsou umístěny ve společné skříni (14) a jsou buzeny v protifázi pomocí zesilovače (15), který je buzen z generátoru (16). Drátová elektroda (10) je spojená s jedním potenciálem a nožová elektroda (11) je spojená s opačným potenciálem, přičemž jejich středy jsou umístěny ve středu výbojové komory (1), tedy symetricky v uzlu akustického tlaku. Nožová elektroda (11) je elektricky vodivě připojena přes odpor (12) s vysokonapěťovým zdrojem (13). Drátová elektroda (10) je elektricky spojená se zemním vodičem vně výbojové komory (1) a je tvořena vodičem kruhového průřezu umístěným rovnoběžně s osou válcové výbojové komory (1). Délka vodiče drátové elektrody (10) je větší než dvojnásobek délky nožové elektrody (11) a jeho průměr je alespoň desetkrát menší než vnitřní průměr válcové výbojové komory (1). Délka ostří nožové elektrody (11) je menší než dvojnásobek akustické výchylky vytvořené akustickou vlnou.

Description

Zařízení s akusticky stabilizovaným elektrickým výbojem

Oblast techniky

Předkládané řešení se týká zařízení, ve kterém dochází ke stabilizaci a ke zvětšení objemu elektrického výboje v akustické stojaté vlně za atmosférického tlaku. Zařízení je určeno pro zvýšení účinnosti plasma-chemických reakcí probíhajících v řadě environmentálních aplikací např. dekompozici těkavých organických sloučenin a generaci ozónu.

Dosavadní stav techniky

Environmentální aplikace např. generace ozónu, rozklad oxidů dusíku případně dekompozice těkavých uhlovodíků jsou založeny na využití chemických reakcí. Reakční rychlosti těchto reakcí závisí na teplotě, koncentraci a míšení reakčních komponent, přítomnosti katalyzátorů a tlaku. Kromě toho lze reakční rychlosti ovlivnit ionizací komponent do reakcí vstupujících. Ionizace lze nejjednodušeji dosáhnout elektrickými výboji, do kterých se komponenty/reagenty přivedou.

Pro praktické aplikace je vhodné výboj provozovat v co největších objemech při dosažení maximální dodané energie, čehož lze dosáhnout použitím víceelektrodových výbojů. S tím souvisí otázka řešení termální stability výboje. K udržení vhodné teploty výboje a výbojových elektrod se často používá chlazení proudícím plynem. Chladící plyn však ředí plyn zpracovávaný a zkracuje dobu, kterou mohou reaktanty v oblasti výboje strávit, čímž dochází k poklesu účinnosti uvedených procesů.

u

Je známé řešení podle patentu CZ 295(687, kde se výkonovým ultrazvukem buzeným pístovým měničem podstatně zvyšuje generace ozónu elektrickým výbojem, který hoří mezi jehlou/tryskou a kmitající rovinou ultrazvukového měniče a dochází k částečnému chlazení a stabilizaci výboje. Podstatnou nevýhodou je nutnost použití nákladného ultrazvukového generátoru a nízká účinnost přenosu ultrazvuku z měniče do vzduchu.

Pro zvětšení objemu výboje se nejčastěji používá víceelektrodové uspořádání, například soustava elektrod/jehel připojených k jednomu pólu zdroje napětí proti vodivé rovině spojené s opačným pólem. Nevýhodou je, že každá z elektrod/jehel musí mít svůj předřadný odpor, abychom alespoň částečně vyloučili hoření výboje pouze z jedné jehly, jak by tomu bylo, kdyby všechny jehly byly na stejném potenciálu. To značně komplikuje konstrukci zařízení zejména z hlediska elektrické izolace přívodů k jednotlivým elektrodám a z hlediska velkých rozměrů předřadných vysokonapěťových odporů.

Objem výboje z jedné jehly lze rozšířit vhodnou aplikací akustických vln. Je známo například rozšíření výboje typu vícejehlová elektroda - rovinná elektroda při umístění jehel do uzlu akustického tlaku a zároveň do roviny kolmé k tomuto uzlu v akustickém rezonátoru, jak je uvedeno v patentu CZ 301 823. Toto uspořádání je tvořeno komorou realizovanou elektricky nevodivou trubicí, zdrojem akustických vln, a pohyblivým reflektorem. Ve vzdálenosti jedné čtvrtiny vlnové délky akustického vlnění, λ/4, od reflektoru, tedy v uzlu akustického tlaku, je umístěn systém elektrod pro vytvoření výbojů, sestávající z uzemněné rovinné vodivé elektrody, například tvořené terčem o takovém průměru, aby se vzhledem k rozšíření výboje choval jako rovinná elektroda, a z druhé elektrody, tvořené řadou jehlových elektrod od terče přibližně stejně vzdálených, které mohou být na kladném nebo na záporném potenciálu vůči elektrodě rovinné. Elektrody jsou uspořádány symetricky v řadě, v rovině kolmé k rovině uzlu akustického tlaku. Jehly jsou společně připojeny ke zdroji vysokého napětí přes jediný společný předřadný odpor. Zpracovávaný plyn je vhodné přivádět do výbojového prostoru a jímat otvorem v reflektoru. V tomto provedení popisovaná rovinná elektroda neumožňuje symetrické a vydatné zaplnění vnitřního prostoru zejména u válcových rezonátorů.

Konstrukce rezonátoru kde výboj hoři mezi vícejehlovými elektrodami ve vzdálenosti λ/4 od posuvného reflektoru a drátovou elektrodou v ose rezonátoru je y popsána v patentu CZ^0q615. Ve výhodném provedení, kdy jsou vícejehlové elektrody umístěné kolem obvodu válcového rezonátoru symetricky k rovině uzlu akustického tlaku, dochází k velmi intenzivnímu zaplnění objemu válcového rezonátoru výbojem. Nevýhodou je, že mezi hroty jehlových elektrod, ze kterých výboj hoří, existuje prostor bez výboje. Další nevýhodou je, že veškerý výbojový proud prochází hroty jehlových elektrod, které jsou vystaveny velkým proudovým hustotám.

Konstrukce rezonátorů kde jehlové elektrody byly nahrazeny elektrodou nožovou a výboj hoří mezi touto elektrodou a elektrodou drátovou je popsána v užitném vzoru CZ24Í158. Výhodou je, že proudová hustota výboje je rovnoměrně rozprostřena po nožové elektrodě a je možno uspořádání využít pro výboje s větším výkonem.

Hlavní nevýhodou všech dosud popsaných konstrukcí je, že k dosažení velkých akustických výchylek prostředí, respektive vysokých akustických rychlostí v prostoru výbojových elektrod nutných k rozprostření a stabilizaci výboje je nutné v každém rezonátorů vybudit velké akustické tlaky dosahující několika tisíc Pa. Rezonátory jsou tedy zdrojem intenzivního hluku, který se zejména u rezonátorů pro nízké frekvence obtížné a neekonomicky odstraňuje. Rozměry akustických rezonátorů z důvodu splnění rezonančních podmínek jsou také velké, obvykle jedna polovina délky vlny.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky odstraňuje zařízení s akusticky stabilizovaným elektrickým výbojem podle předkládaného uspořádání. Toto zařízení je tvořeno válcovou výbojovou komorou s přívodem a odvodem zpracovávaného plynu. Ve výbojové komoře je umístěna uzemněná vodivá drátová elektroda, která je spojená s jedním potenciálem, a druhá elektroda, která je spojená s opačným potenciálem a jejíž střed je umístěn ve středu výbojové komory, tedy v uzlu akustického tlaku. Uzemněná vodivá drátová elektroda je elektricky spojená se zemním vodičem vně výbojové komory a je tvořena vodičem kruhového průřezu umístěným rovnoběžně s podélnou osou válcové výbojové komory. Střed drátové uzemněné vodivé elektrody leží proti středu druhé elektrody. Délka kruhového vodiče je větší než dvojnásobek délky druhé elektrody a jeho průměr je alespoň desetkrát menší než vnitřní průměr válcové výbojové komory. Druhá elektroda je elektricky propojená přes odpor s vysokonapěťovým zdrojem. Podstatou nového řešení je, že do výbojové komory je z jedné strany zaústěn první akustický vlnovod, který je přes první reduktor průřezu připojen k prvnímu elektroakustickému měniči, a z druhé strany je do výbojové komory zaústěn druhý akustický vlnovod, který je přes druhý reduktor průřezu připojen k druhému elektroakustickému měniči. První a druhý elektroakustický měnič jsou umístěny ve společné skříni měničů a jsou zapojeny v protifázi přes zesilovač s výstupem generátoru. Druhá elektroda je nožová elektroda a je situována symetricky naproti středu uzemněné vodivé drátové elektrody. Její ostří je umístěno v rovině, která prochází podélnou osou válcové komory, tedy v rovině kolmé k rovině uzlu akustického tlaku. Délka ostří je menší než dvojnásobek akustické výchylky vytvořené akustickou vlnou.

Ve výhodném provedení je vodič kruhového průřezu umístěn v podélné ose válcové výbojové komory, tedy v místě stejně vzdáleného od nožových elektrod.

V dalším provedení lze kolem vnitřního obvodu válcové výbojové komory, symetricky k rovině uzlu akustického tlaku, umístit libovolný počet dalších nožových druhých elektrod. Jejich ostří mají stejnou vzdálenost k uzemněné vodivé drátové elektrodě. Každá tato další nožová druhá elektroda je spojena s vysokonapěťovým zdrojem přes individuální odpor.

Za účelem oddělení systému elektroakustických měničů od výbojové komory lze mezi první elektroakustický měnič a první reduktor průřezu a současně i mezi druhý elektroakustický měnič a druhý reduktor průřezu umístit pružnou membránu.

Velmi výhodné je, že akustické vlnění tohoto uspořádáni stabilizuje výboje tak, že hoří rovnoměrně po celé délce ostří nožové elektrody, zároveň chladí ostří výbojové elektrody a neředí zpracovávaný plyn oproti řešení předloženému např. vJP57192721 (A)-1982-11-26. Rovněž tak je při použití akustického vlnění

Λ s alternujícím pohybem plynu výhodné, že nedochází k odtlačení výboje k jednomu konci nožové elektrody_xtak jak by to bylo v případě jednosměrného proudění plynu.

' i

Kombinací použití vhodně uspořádaných stojatých akustických vln ve výbojové komoře a elektrického výboje mezi elektrodami situovanými dle shora uvedeného popisu lze takto dosáhnout synergetického jevu chlazení a míchání reagentů při plasmachemických reakcích spojeného se stabilizací a objemovým ¢-.zvětšením výboje, který přináší nové perspektivy pro řadu výše uvedených praktických aplikací a řeší výše zmíněné nedostatky.

Mechanismus stabilizace výboje spočívá v homogenizaci prostředí výbojového prostoru akustickou vlnou. Podílí se na ní jak akustická výchylka, tak akustická rychlost, kterou jsou částice prostředí posouvány s periodou akustické vlny napřič rovině uzlu akustického tlaku, tak změny tlaku projevující se periodicky měnícím se zředěním a zhuštěním anti-symetricky v obou poloprostorech položených vůči rovině uzlu, ve které se zachovává atmosférický tlak. K rozšíření výboje dochází převážně v rovině nožové elektrody. Ionizované prostředí, ve kterém proběhne první výboj je akusticky posouváno po ostří nožové elektrody, výboj se rozšiřuje a dochází ke stabilizaci výbojů po celé délce ostří.

Příklad uspořádání zařízení s akustickou stabilizací výboje se zápornou nožovou elektrodou a uzemněnou drátovou elektrodou v ose rezonátoru je schematicky naznačen na$br. 1. V$br. 2 jsou ukázány snímky výbojů mezi ostřím nožové elektrody a drátovou elektrodou umístěnou rovnoběžně s osou rezonátoru v závislosti na akustické rychlosti při frekvenci 50 Hz a maximálním stejnosměrném napětí zdroje 25 kV na nožové elektrodě. Z důvodu lepší reprodukovatelnosti jsou snímky v inverzním provedení, tedy výboje se zobrazily jako tmavé čáry mezi světlými plochami elektrod.

prOVPteJizQl ‘

Příklady uskutecflon/vynálezu

Uspořádání na Obr. 1 je tvořeno válcovou výbojovou komorou 1 realizovanou elektricky nevodivou trubicí, do které je z jedné strany zaústěn první akustický vlnovod 6, který je přes první reduktor 8 průřezu připojen k prvnímu elektroakustickému měniči 4 a symetricky k němu, je z druhé strany do výbojové komory 1 zaústěn druhý akustický vlnovod 7, který je přes druhý reduktor 9 průřezu připojen k druhému elektroakustickému měniči 5.

Uprostřed výbojové komory 1 je umístěn střed uzemněné vodivé drátové elektrody 10, dále jen drátová elektroda 10, která je spojená vně výbojové komory 1 se zemním potenciálem. Tato drátová elektroda 10 kolmo vybíhá z roviny uzlu akustického tlaku rovnoběžně s osou válcové výbojové komory 1_. Drátová elektroda je tvořena vodičem kruhového průřezu. Drátovou elektrodou 10 zde je míněná její aktivní část ležící rovnoběžně s podélnou osou válcové výbojové komory 1. Střed této aktivní části, tedy střed drátové elektrody 10, leží proti středu druhé, nožové elektrody 11.. Části drátové elektrody 10, které jsou kolmé k podélné ose válcové výbojové komory 1 plní pouze funkci vyvedení elektrody z vnitřku výbojové komory 1 a její mechanickou fixaci. Délka vodiče drátové elektrody 10 v podélné ose válcové výbojové komory 1 je větší než dvojnásobek délky nožové elektrody 11 a jeho průměr je alespoň desetkrát menší než vnitřní průměr válcové výbojové komory 1.. To znamená, že drátová elektroda 10 má mít co nejmenší průměr, aby co nejméně ovlivňovala akustickou vlnu šířící se ve výbojové komoře 1 a vyhovovala požadavkům na proudovou hustotu vytvářenou výboji.

Nožová elektroda 11 je situována souběžně s osou výbojové komory 1 a symetricky vůči středu drátové elektrody 10, Její ostří má délku menší než dvojnásobek akustické výchylky vytvořené akustickou vlnou. Obě elektrody, drátová elektroda 10 i nožová elektroda H, jsou tedy v rovině, která prochází osou válcové komory 1, tedy v rovině kolmé k rovině uzlu akustického tlaku. Ostří nožové elektrody má od drátové elektrody 10 stejnou vzdálenost a může být vůči ní na kladném nebo na záporném potenciálu, vždy ale na opačném potenciálu. Nožová elektroda 11 je elektricky vodivě připojena přes odpor 12 s vysokonapěťovým zdrojem 13. Vstup a výstup zpracovávaného plynu jsou tvořeny přívodem 2 a odvodem 3, které jsou do prostoru výbojové komory 1 vyústěny poblíž drátové elektrody 10 a nožové elektrody H-

Podstata činnosti uvedeného uspořádání spočívá v tom, že elektrický výboj, vzniklý důsledkem vysokého napětí přivedeného přes odpor 12 ze svorky vysokonapěťového zdroje 13 k nožové elektrodě 11 a hořící mezi ostřím nožové elektrody 11 a drátovou elektrodou W, je akustickou vlnou termálně akusticky chlazen. Prostředí, v němž elektrický výboj hoří, je homogenizováno unášením ionizovaných i neutrálních částic prostředí akustickou vlnou s rychlostí, která má ve směru kolmém k rovině uzlu akustického tlaku největší velikost a v každé půlperiodě

Ί mění svůj směr ve směr opačný. Zároveň gradient akustického tlaku ve směru kolmém k rovině uzlu periodicky mění svou velikost a směr. Dráha výboje je tak na základě Meeksova kritéria posouvána do oblastí s nižším výsledným tlakem. Dochází tak k synergii účinků dvou fyzikálních veličin na výboj - akustické rychlosti a akustického tlaku. Stojatá akustická vlna je v prostoru výbojové komory 1 vytvořena elektroakustickými měniči 4_a 5, například reproduktory.

Mezi první elektroakustický měnič 4 a první reduktor 8 průřezu a současně i mezi druhý elektroakustický měnič 5 a druhý reduktor 9 průřezu lze umístit pružnou membránu pro oddělení systému elektroakustických měničů od výbojové komory 1, například při rozkladu vlhkých či horkých plynů.

i

Na ©br. 2 jsou uvedeny snímky výbojů v inverzním provedení mezi zápornou nožovou elektrodou 11 a drátovou elektrodou 10 ve výbojové komoře 1 v závislosti na změně akustické rychlosti vlny při frekvenci 50 Hz a konstantním stejnosměrném napětí do 20 kV. Na ®br. 2a je situace bez působení akustické vlny kdy výboj hoří jen z jednoho místa nožové elektrody 11 při hodnotách (7_D=-3,9 kV a /_D=1,7 mA, kde je stejnosměrné napětí mezi nožovou elektrodou 11 a drátovou elektrodou 10 a /□ je stejnosměrný proud výbojem. Na ©br. 2b je zobrazen streamerový výboj při působení akustické vlny s rychlostí 25 m/s, Ud =-8,4 kV a /d=33 mA, kde (J_D je efektivní hodnota napětí mezi nožovou elektrodou 11 a drátovou elektrodou 10 a /oje efektivní hodnota proudu výbojem. Na ^br. 2c je zobrazen výboj typu „glow“ při působení akustické vlny s rychlostí 7 m/s, t/_D =-5 kV a /d=3 mA, kde C/_D je efektivní hodnota napětí mezi nožovou elektrodou 11 a drátovou elektrodou 10 a /_D je efektivní hodnota proudu výbojem.

Je vidět, že bez působení akustického pole se výboj uzavírá pouze z jednoho místa ostří nožové elektrody 11., které má vůči společné drátové elektrodě 10 nejvyšší gradient elektrického pole, a který přechází do jiskry s následnou destrukcí inkriminované části nožové elektrody. Při akustickém buzení lze dosáhnout a stabilně udržet různá stádia výboje a stability hoření výboje v celé šířce ostří nožové elektrody

11.

. ϊ * ·. < - · ·* ‘ *

Za účelem studia ovlivňování výboje spočívajícím v interakci výboje s oscilacemi akustické vlny v oblasti výboje bylo vytvořeno experimentální zařízení, odpovídající schématu na Obr. 1. V tomto uspořádání byla vzdálenost mezi ostřím ocelové nožové elektrody H, kterou tvořila žiletka o tloušťce 0,15 mm, a drátovou elektrodou 10 o průměru vodiče 1,4 mm, rovna 10,7 mm a délka ostří 37 mm. Akustické vlna byla buzena elektroakustickými měniči BC 6MD38-8 z generátoru Agilent 33250A jehož, výkon byl zesílen pomocí zesilovače Mackie M 1400.

Uvedené uspořádání umožňuje umístit další nožové elektrody 11 symetricky k rovině uzlu akustického tlaku kolem vnitřního obvodu výbojové komory 1_, a drátovou elektrodou 10 umístit do osy výbojové komory 1. Ostří těchto nožových elektrod 11 pak má stejnou vzdálenost ke společné drátové elektrodě 10. Každá z nožových elektrod 11 je připojena k vysokonapěťovému zdroji 13 přes svůj vlastní odpor 12. Mechanismus funkce u dvou či více nožového uspořádání je naprosto stejný jako v již popsaném uspořádání typu jedna nožová elektroda 11 proti drátové elektrodě 10. Výhodou je podstatné zvětšení objemu výboje a větší zaplnění objemu rezonátoru výbojem.

Průmyslová využitelnost

Působením stojatých akustických vln generovaných ve výbojové komoře na prostředí ionizované výbojem vytvořeným mezi nožovou a drátovou elektrodou se zvyšuje proudový rozsah, pro který se výboj víceméně nemění, dovoluje podstatné zvýšení elektrického výkonu dodávaného do výboje a je zdrojem vysoce reaktivního plazmatu v komoře což přináší nové perspektivy pro uplatnění v environmentálních aplikacích jako je například rozklad těkavých organických sloučenin a generace ozónu.

Claims

1. Zařízení s akusticky stabilizovaným elektrickým výbojem je tvořeno válcovou výbojovou komorou (1) opatřenou přívodem (2) a odvodem (3) zpracovávaného plynu, kde ve výbojové komoře (1) je umístěna uzemněná vodivá drátová elektroda (10) spojená s jedním potenciálem a druhá elektroda spojená s opačným potenciálem, jejíž střed je umístěn ve středu výbojové komory (1), tedy v uzlu akustického tlaku, a uzemněná vodivá drátová elektroda (10) je elektricky spojená se zemním vodičem vně výbojové komory (1) a je tvořena vodičem kruhového průřezu umístěným rovnoběžně s podélnou osou válcové výbojové komory (1), kde střed této drátové uzemněné vodivé elektrody (10) leží proti středu druhé elektrody, přičemž délka kruhového vodiče je větší než dvojnásobek délky druhé elektrody a jeho průměr je alespoň desetkrát menší než vnitřní průměr válcové výbojové komory (1), přičemž druhá elektroda je elektricky propojená přes odpor (12) s vysokonapěťovým zdrojem (13)_zvyznačující se tím, že do výbojové komory (1) je z jedné strany zaústěn první akustický vlnovod (6), který je přes první reduktor (8) průřezu připojen k prvnímu elektroakustickému měniči (4) a z druhé strany je do výbojové komory (1) zaústěn druhý akustický vlnovod (7), který je přes druhý reduktor (9) průřezu připojen k druhému elektroakustickému měniči (5), kde první elektroakustický měnič (4) a druhý elektroakustický měnič (5) jsou umístěny ve společné skříni (14) měničů a jsou zapojeny v protifázi přes zesilovač (15) s výstupem generátoru (16), přičemž druhá elektroda je nožová elektroda (11) a je situována symetricky naproti středu uzemněné vodivé drátové elektrody (10) a její ostří je umístěno v rovině, která prochází podélnou osou válcové komory (1), tedy v rovině kolmé k rovině uzlu akustického tlaku a délka ostří je menší než dvojnásobek akustické výchylky vytvořené akustickou vlnou.

2. Zařízení podle nároku 1 /Vyznačující se tím, že vodič kruhového průřezu je umístěn v podélné ose válcové výbojové komory (1).

ř * ·

3. Zařízení podle nároků 1 nebo 2 .vyznačující se tím, že kolem vnitřního obvodu válcové výbojové komory (1) je symetricky křovině uzlu akustického tlaku umístěn libovolný počet dalších nožových elektrod (11), jejichž ostří mají stejnou vzdálenost k uzemněné vodivé drátové elektrodě (10) a každá další nožová elektroda (11) je spojena s vysokonapěťovým zdrojem (13) přes individuální odpor (12).

4. Zařízení podle kteréhokoli z nároků 1 až 3_; vyznačující se tím, že mezi první elektroakustický měnič (4) a první reduktor (8) průřezu a současně i mezi druhý elektroakustický měnič (5) a druhý reduktor (9) průřezu je umístěná pružná membrána.