CZ24158U1 - Zvukový rezonátor se stabilizovaným elektrickým výbojem - Google Patents

Description

Předkládané řešení se týká zařízení, ve kterém dochází k interakci výkonového akustického pole s elektrickými výboji. Zařízení je určeno pro environmentální aplikace jako generace ozónu, rozklad oxidů dusíku a dekompozice těkavých uhlovodíků.

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. Chladicí plyn však ředí plyn zpracovávaný, čímž dochází k poklesu účinnosti uvedených procesů.

Je známé řešení podle patentu CZ 295687, 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 jedné polaritě napětí proti vodivé rovině spojené s polaritou opačnou. 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 isolace přívodů k jednotlivým jehlám 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 ve zvukovém rezonátoru, jak je uvedeno v patentu CZ 301823. 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 hoří mezi vícejehlovými elektrodami ve vzdálenosti λ/4 od posuvného reflektoru a drátovou elektrodou v ose rezonátoru je popsána v užitném vzoru CZ 23227 U. Ve výhodném provedení, kdy jsou vícejehíové elektrody umístěné kolem obvodu válcového rezonátoru symetricky k rovině uzlu akustického tlaku, dochází k velmi intenzivnímu

-1 CZ 24158 Ul 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.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky odstraňuje zvukový rezonátor se stabilizovaným elektrickým výbojem podle předkládaného uspořádání. Zařízení je tvořeno výbojovou komorou s přívodem zpracovávaného plynu. Do výbojové komory je z jedné strany zaústěn zdroj akustických vln a z druhé strany posuvný reflektor, který má ve svém středu otvor pro odvod zpracovávaného plynu. Posuvný reflektor je spojen s posuvným mechanismem, umožňujícím libovolné nastavení jeho po10 lohy po celé délce výbojové komory. Dále zvukový rezonátor obsahuje uzemněnou vodivou elektrodu, která je zaústěná do výbojové komory a je spojená s jedním potenciálem a druhou elektrodu, spojenou s opačným potenciálem. Střed druhé elektrody je umístěn ve výbojové komoře ve vzdálenosti λ/4 od posuvného reflektoru, tedy v uzlu akustického tlaku. Tato druhá elektroda je elektricky vodivě připojena přes odpor s vysokonapěťovým zdrojem. Výbojová ko15 mora je válcová a uzemněná vodivá elektroda je drátová elektroda, která je elektricky spojená se zemním vodičem vně výbojové komory. Drátovou elektrodou zde je míněná její aktivní část ležící v podélné ose válcové komory zvukového rezonátoru, která je tvořena vodičem kruhového průřezu. Střed této aktivní části, tedy střed drátové elektrody, leží proti středu druhé elektrody. Části drátové elektrody, které jsou kolmé k podélné ose válcové výbojové komory zvukového rezonátoru plní pouze funkci vyvedení elektrody z vnitřku rezonátoru. Délka vodiče v podélné ose válcové výbojové komory je větší než dvojnásobek délky druhé elektrody a jeho průměr je alespoň desetkrát menší než vnitřní průměr válcové výbojové komory. To znamená, že drátová elektroda má mít co nejmenší průměr, aby co nejméně ovlivňovala zvukový rezonátor a vyhovovala požadavkům na proudovou hustotu vytvářenou výboji. Podstatou nového řešení je, že druhá elektroda je nožová elektroda tvořená ostřím, které je rovnoběžné s podélnou osou válcové výbojové komory rezonátoru. Střed tohoto ostří leží proti středu drátové elektrody a délka ostří je menší než 0,03 λ.

Ve výhodném provedení je kolem obvodu válcové komory válcového rezonátoru symetricky k rovině uzlu akustického tlaku umístěn libovolný počet dalších nožových elektrod, jejichž ostří mají stejnou vzdálenost k uzemněné drátové elektrodě. Každá nožová elektroda je spojena s vysokonapěťovým zdrojem přes svůj odpor a má délku ostří menší než 0,03 λ.

Velmi výhodné je, že akustické vlnění tohoto uspořádání stabilizuje výboje tak, že hoří po celé délce ostří nožové elektrody, zároveň chladí ostří výbojové elektrody a neředí zpracovávaný plyn. Rovněž tak je výhodné, že proud tekoucí do výboje je rovnoměrně rozložen po délce ostří nožové elektrody a na tomto ostří je nižší proudová hustota než například na hrotech jehel v již známém uspořádání a při stejném proudu, viz užitný vzor CZ 23227 U.

Kombinací použití vhodně uspořádaných stojatých akustických vln v rezonátoru a elektrického výboje lze takto dosáhnout synergetického jevu spojeného se stabilizací výboje, který přináší nové perspektivy pro řadu výše uvedených praktických aplikací a řeší uvedené nedostatky.

Mechanismus stabilizace výboje spočívá v homogenizaci prostředí výbojového prostoru akustickým polem. Podílí se na ní jak akustická výchylka, kterou jsou částice prostředí posouvány s periodou akustické vlny napříč rovině uzlu akustického tlaku, tak změny tlaku projevující se periodicky měnícím se zředěním a zhuštěním antisymetricky v obou poloprostorech položených vůči rovině uzlu, ve které se zachovává atmosférický tlak. K rozšíření výboje dochází 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.

-2CZ 24158 Ul

Objasnění výkresů

Příklad uspořádání rezonátoru se zápornou nožovou elektrodou a uzemněnou drátovou elektrodou v ose rezonátoru je schematicky naznačen na obr. 1.; na obr. 2 jsou ukázány snímky výbojů mezi ostřím nožové elektrody a drátovou elektrodou umístěnou v ose rezonátoru v závislosti na zvyšujícím se akustickém tlaku P při frekvenci 500 Hz a konstantním stejnosměrném napětí Us - -25 kV; a obr. 3 znázorňuje uspořádání rezonátoru se dvěma zápornými nožovými elektrodami a uzemněnou elektrodou v ose rezonátoru.

Příklady uskutečněni technického řešeni

Uspořádání na obr. 1 je tvořeno výbojovou komorou 10 realizovanou elektricky nevodivou trubiio cí, do které je z jedné strany zaústěn zdroj 7 akustických vln, zde elektroakustický měnič, a z druhé strany posuvný reflektor 2, který má ve svém středu otvor I pro odvod zpracovávaného plynu. Polohu posuvného reflektoru 2 lze libovolně nastavit pomocí posuvného mechanismu 1_1 po celé délce výbojové komory 10. Ve vzdálenosti λ/4 od posuvného reflektoru 2, to je v uzlu akustického tlaku, je umístěn střed uzemněné vodivé elektrody, která je tvořena drátovou elek15 trodou 3 spojenou vně výbojové komory 10 se zemním potenciálem. Tato drátová elektroda 3 kolmo vybíhá z roviny uzlu akustického tlaku v ose válcové výbojové komory 10. Drátová elektroda 3 je tvořena vodičem kruhového průřezu umístěným v podélné ose válcové výbojové komory 10 rezonátoru. Druhá elektroda je nožová elektroda 4 a je situována symetricky naproti středu drátové elektrody 3. Její ostří má délku menší než 0,03 λ a je umístěno v rovině, která prochází osou válcové komory 10, tedy v rovině kolmé k rovině uzlu akustického tlaku. Ostří nožové elektrody 4 má od drátové elektrody 3 stejnou vzdálenost, leží proti středu drátové elektrody a může být vůči ní na kladném nebo na záporném potenciálu, vždy ale na opačném potenciálu. Nožová elektroda je elektricky vodivě připojena přes společný odpor 5 s vysokonapěťovým zdrojem 6. Délka vodiče drátové elektrody 3 v podélné ose válcové výbojové komory 10 je větší než dvojnásobek šířky nožové elektrody 4 a jeho průměr je alespoň desetkrát menší než vnitřní průměr válcové výbojové komory 10. Vstup zpracovávaného plynuje tvořen přívodem 8, kterýje do prostoru výbojové komory JJ) vyústěn pod výbojovými elektrodami 3 a 4.

Podstata činnosti uvedeného uspořádání spočívá v tom, že elektrický výboj, vzniklý důsledkem vysokého napětí přivedeného přes odpor 5 ze svorky vysokonapěťového zdroje 6 k nožové elek30 trodě 4 a hořící mezi ostřím nožové elektrody 4 a drátovou elektrodou 3, je akustickou vlnou termálně akusticky chlazen. Prostředí, v němž elektrický výboj hoří, je homogenizováno unášením ionizovaných částic prostředí akustickou vlnou s rychlostí, která má ve směru kolmém k rovině uzlu akustického tlaku největší velikost a v každé půlperiodě 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 synergíi účinků dvou fyzikálních veličin na výboj akustické rychlosti a akustického tlaku. Zpracovávaný plyn je do prostoru výboje vpouštěn pomocí přívodu 8. Stojaté akustické pole jev prostoru výbojové komory 10 vytvořeno elektroakustickým zdrojem 7, například reproduktorem, a je vyladěno posuvným reflektorem 2, čímž se z výbojové komory JO stane rezonátor násobící velikosti amplitud akustických rychlostí a tlaků.

Na obr. 2 jsou uvedeny snímky výbojů mezi zápornou nožovou elektrodou 4 a drátovou elektrodou 3 v ose akustického rezonátoru v závislosti na zvyšujícím se akustickém tlaku při frekvenci 500 Hz a konstantním stejnosměrném napětí U$ = -25 kV. Na obr. 2a je situace při hodnotách P = 700 Pa, U& = -3,7 kV, kde Pje amplituda akustického tlaku a U_D je stejnosměrné napětí mezi nožovou elektrodou a drátovou elektrodou. Tyto hodnoty jsou na obr. 2b P = 2500 Pa, C/d-4 kV a na obr. 2c P = 5500 Pa, ř/_D - -6,5 kV. Je demonstrován tvar a struktura stabilizovaného výboje v navrhovaném uspořádání téměř bez působení akustického pole, obr. 2a, a při zvyšujícím se akustickém tlaku, obr. 2b, a obr. 2c.

-3CZ 24158 Ul

Je vidět, že bez působení akustického pole se výboj uzavírá pouze z jednoho místa ostří nožové elektrody 4, které má vůči společné drátové elektrodě 3 nejvyšší gradient elektrického pole, a který brzy přechází do jiskry s následnou destrukcí in krimi no váné Části nožové elektrody. Pri maximálním akustickém buzení výboj hoří stabilně v celé šířce ostří nožové elektrody 4.

Za účelem studia ovlivňování výboje v rezonátoru spočívajícím v interakci výboje s oscilacemi akustických výchylek a tlaku v ionizační oblasti výboje bylo vytvořeno experimentální zařízení, odpovídající schématu na obr. 1. V tomto uspořádání byla vzdálenost mezi ostřím ocelové nožové elektrody 4, kterou tvořila žiletka o tloušťce 0,15 mm, a drátovou elektrodou 3 o průměru vodiče 1,6 mm rovná 10 mm a délka ostří 19 mm. Akustické pole bylo buzeno elektroakustickým ío měničem BMS 4591 z generátoru Agilent 33250A, jehož výkon byl zesílen pomocí zesilovače Mackie M 1400. V uzlu akustického tlaku dosahovaly akustické rychlosti amplitud kolem 10 m/s při pracovní frekvenci 500 Hz.

Uvedené uspořádání umožňuje umístit další nožové elektrody 4 symetricky k rovině uzlu akustického tlaku kolem obvodu rezonátoru. Ostří těchto nožových elektrod 4 mají stejnou vzdálenost k drátové elektrodě 3. Příklad umístění dvou takových nožových elektrod 4 vůči drátové elektrodě v ose rezonátoru je ukázán v obr. 3. Každá z nožových elektrod 4 je připojena k vysokonapěťovému zdroji 6 přes odpor 5. Mechanismus funkce u dvou či více nožového uspořádání je naprosto stejný jako v již popsaném uspořádání typu jedna nožová elektroda 4 proti drátové elektrodě 3. Výhodou je podstatné zvětšení objemu výboje a větší zaplnění objemu rezonátoru vý20 bojem.

Průmyslová využitelnost

Působením stojatých akustických vln generovaných v rezonátoru na prostředí ionizované výbojem vytvořeným mezi nožovou a drátovou elektrodou lze dosáhnout synergetického jevu, který přináší nové perspektivy pro uplatnění v environmentálních aplikacích jako je například gene25 race ozónu, rozklad oxidů dusíku a rozklad těkavých organických uhlovodíků.

Claims (2)

NÁROKY NA OCHRANU

1. Zvukový rezonátor se stabilizovaným elektrickým výbojem je tvořen výbojovou komorou (10) opatřenou přívodem (8) zpracovávaného plynu, do výbojové komory (10) je z jedné strany zaústěn zdroj (7) akustických vln a z druhé strany posuvný reflektor (2), který má ve svém středu

30 otvor (1) pro odvod zpracovávaného plynu a kterýje spojen s posuvným mechanismem (11) pro libovolné nastavení jeho polohy po celé délce výbojové komory (10), a dále tento zvukový rezonátor obsahuje uzemněnou vodivou elektrodu zaústěnou do výbojové komory (10) a spojenou s jedním potenciálem a druhou elektrodu spojenou s opačným potenciálem, jejíž střed je umístěn ve výbojové komoře (10) ve vzdálenosti (λ/4) od posuvného reflektoru (2), tedy v uzlu akustic35 kého tlaku, a tato druhá elektroda je elektricky vodivě připojena přes odpor (5) s vysokonapěťovým zdrojem (6), přičemž výbojová komora (10) je válcová a uzemněná vodivá elektroda je drátová elektroda (3), která je elektricky spojená se zemním vodičem vně výbojové komory (10) a je tvořena vodičem kruhového průřezu umístěným v ose válcové výbojové komory (10) rezonátoru, kde střed drátové elektrody (3) leží proti středu druhé elektrody, přičemž délka vodiče v

40 podélné ose válcové výbojové komory (10) je větší než dvojnásobek délky druhé elektrody a jeho průměr je alespoň desetkrát menší než vnitřní průměr válcové výbojové komory (10), vyznačující se tím, že druhá elektroda je nožová elektroda (4), která je situována symetricky naproti středu drátové elektrody (3) a její ostří je umístěno v rovině, která prochází podélnou osou válcové komory (10), tedy v rovině kolmé k rovině uzlu akustického tlaku, a

45 délka ostří je menší než 0,03 λ.

-4CZ 24158 Ul

2. Zvukový rezonátor podle nároku 1, vyznačující se tím, že kolem obvodu válcové výbojové komory (10) je symetricky k rovině uzlu akustického tlaku umístěn libovolný počet dalších nožových elektrod (4), jejichž ostří mají stejnou vzdálenost k drátové elektrodě (3) a každá nožová elektroda (4) je spojena s vysokonapěťovým zdrojem (6) přes svůj odpor (5).