PL192177B1 - Piorunochron z przyspieszoną jonizacją powietrza - Google Patents

Abstract

1. Piorunochron z przyspieszoną jonizacją powietrza, wokół jego ostrza zaopatrzony w elektrodę Franklina połączoną z ziemią i układem elektronicznym, znamienny tym, że posiada dodatkową elektrodę zapłonową (4) zakończoną ostrzem (5), połączoną elektrycznie poprzez układ jonizacyjny (6) i cewkę indukcyjną (7) z elektrodą główną (1) zakończoną ostrzem (2).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest piorunochron z przyspieszoną jonizacją powietrza, zabezpieczający budowle przed wyładowaniami atmosferycznymi.

W pewnych warunkach atmosferycznych tworzą się chmury z nagromadzonym w sobie ładunkiem elektrycznym ujemnym skierowanym w kierunku ziemi. W przypadku gdy ładunek ten jest zbyt duży, a wytworzone przez niego natężenie pola elektrycznego przekroczy pewien próg, to następuje wyładowanie elektryczne zupełne, czyli przeskok iskrowy. Pierwszy taki przeskok powoduje zjonizowanie atomów powietrza na długości rzędu 10 - 20 m, po czym sukcesywnie następują kolejne przeskoki jonizując kolejne atomy, doprowadzając do jonizacji lawinowej, a po dotarciu do ziemi następuje gwałtowne rozładowanie i przepływ ładunków dodatnich zgromadzonych w ziemi w kierunku chmury z ładunkami ujemnymi.

Celem ukierunkowania wyładowania elektrycznego i kontroli przepływu tego ładunku z powstałej chmury w kierunku ziemi stosowane są piorunochrony o różnych rozwiązaniach konstrukcyjnych.

Znany powszechnie piorunochron Franklina o najprostszej konstrukcji stanowi zaostrzony na jednym końcu pręt metalowy połączony z ziemią. Ostrze tego pręta umieszczone w silnym polu elektrycznym powoduje jonizację powietrza w przestrzeni otaczającej to ostrze. Jego zasada działania polega na tym, że tworzą się dwa kanały przewodzące powstałe jony - pierwszy ujemny od chmury w kierunku ziemi i drugi dodatni z pewnym opóźnieniem od ostrza piorunochronu w kierunku chmury, przy czym im wyżej nastąpi ich spotkanie tym skuteczność tego piorunochronu jest większa. Jednocześnie stwierdzono, że skuteczność piorunochronu jest tym większa im szybciej nastąpi jonizacja wokół jego ostrza, dając początek wytwarzania się drugiego kanału przewodzącego w kierunku chmury, przy czym istniej ą różne znane metody podniesienia tej skuteczności.

Jedna z tych metod polega na jonizowaniu powietrza za pomocą źródła radioaktywnego, mającego na celu wytworzenie wolnych ładunków elektrycznych wokół ostrza piorunochronu. Wadą tego rozwiązania jest to, że w momencie uderzenia pioruna następuje rozerwanie się elementu radioaktywnego powodując skażenie radioaktywne atmosfery.

Inna znana metoda powodująca przyspieszenie jonizacji powietrza polega na jonizacji za pomocą piezoelektryka połączonego z ziemią, w który zaopatrzony jest zaostrzony zwód piorunochronu oraz dodatkowy przewód elektryczny. Zasada działania tego piorunochronu polega na przetwarzaniu ruchów mechanicznych wywołanych siłą wiatru zwodu piorunochronu w impulsy wysokiego napięcia jonizujące powietrze pod wpływem nacisków tego zwodu na piezoelektryk. Jednakże piorunochron ten spełnia swoją funkcję tylko w przypadku występowania wiatru.

Znana jest również metoda przyspieszonej jonizacji powietrza za pomocą impulsów elektrycznych wokół ostrza piorunochronu, które odizolowane jest od ziemi kondensatorem z układem elektronicznym. Przy tej metodzie ostrze piorunochronu ładuje się elektrycznie w czasie burzy, a zebrany ładunek elektryczny jest gromadzony w kondensatorze układu elektronicznego, po czym jest on przetwarzany na impuls wysokonapięciowy, podnoszący potencjał elektryczny ostrza, przyspieszając wokół niego jonizację powietrza, a w momencie wyładowania pioruna następuje wyładowanie elektryczne pomiędzy elektrodami kondensatora. Wadą tego piorunochronu jest to, że elektrody kondensatora nie są połączone z sobą elementem metalowym, w związku z czym w przypadku uszkodzenia układu elektronicznego piorunochron ten staje się zupełnie nieskuteczny.

Znana jest także metoda przyspieszenia jonizacji powietrza wokół ostrza piorunochronu stanowiącego elektrodę główną za pomocą dodatkowych dwóch elektrod usytuowanych poniżej ostrza, w której elektrody i ostrze połączone są z ziemią poprzez układ elektroniczny zawierający elektrody zbierające. Elektrody te zbierają ładunki elektryczne przetwarzane przez układ elektroniczny w wysokie napięcie dostarczone do elektrod bocznych powodujących jonizację powietrza w pobliżu ostrza elektrody głównej. W metodzie tej następuje jonizowanie powietrza przez elektrody boczne poniżej elektrody głównej (ostrza) piorunochronu uniemożliwiając dostęp wszystkich ładunków elektrycznych w otoczenie ostrza elektrody głównej, co ogranicza skuteczność działania tego piorunochronu.

Celem wynalazku jest opracowanie konstrukcji piorunochronu umożliwiającej zwiększanie jonizacji powietrza z równoczesnym zabezpieczeniem przed jego zniszczeniem.

Piorunochron według wynalazku posiada dodatkową elektrodę zapłonową zakończoną ostrzem połączoną poprzez układ jonizacyjny i cewkę indukcyjną z elektrodą główną zakończoną ostrzem, przy czym układ jonizacyjny tego piorunochronu stanowi elektroda iskrownika, której ostrze usytuowane jest naprzeciw i w pobliżu elektrody stanowiącej drugi koniec elektrody zapłonowej,

PL 192 177 B1 natomiast odległość pomiędzy ostrzem elektrody iskrownika i drugim końcem elektrody zapłonowej wynosi 0,1 -5,0 mm, korzystnie 0,5 -2,0 mm.

Z kolei elektroda zapłonowa pochylona jest względem i w kierunku osi elektrody głównej pod kątem a = 20 -70°, korzystnie 45°, natomiast ostrze elektrody zapłonowej usytuowane jest w odległości L = 10 - 60 mm, korzystnie 30 mm od ostrza elektrody głównej oraz na poziomie równym poziomowi ostrza tej elektrody. Ostrze elektrody zapłonowej usytuowane jest na wysokości H wynoszącej -30 do +50 mm w stosunku do wierzchołka ostrza elektrody głównej. Dolna część elektrody zapłonowej oraz górna część elektrody głównej wraz z układem jonizacyjnym oraz z cewką indukcyjną zaopatrzoną w rdzeń ferrytowy umieszczone są w osłonie izolacyjnej zalanej tworzywem izolacyjnym.

Podstawową zaletą piorunochronu według wynalazku jest to, że jonizowanie powietrza odbywa się w przestrzeni nad ostrzem elektrody głównej, dzięki czemu jest wytworzony wstępny kanał przewodzący prąd, a w momencie właściwego rozładowania się pioruna elektroda zapłonowa piorunochronu nie jest niszczona przez wytworzony duży prąd elektryczny, gdyż dzięki cewce indukcyjnej następuje przerzucenie kanału zjonizowanego powietrza z elektrody zapłonowej na elektrodę główną piorunochronu, zabezpieczając w ten sposób przed zniszczeniem elektrody zapłonowej i elektrody iskrownika tego piorunochronu.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunkach, na których fig. 1 przedstawia piorunochron z elektrodą zapłonową w ujęciu schematycznym, a fig. 2 i 3 zasadę działania tego piorunochronu.

Piorunochron z elektrodą zapłonową składa się z metalowej elektrody głównej 1 (Franklina) zakończonej ostrzem 2, połączonej z ziemią 3 oraz metalowej elektrody zapłonowej 4, zakończonej ostrzem 5 połączonej elektrycznie poprzez układ jonizacyjny 6 i cewkę indukcyjną 7, zaopatrzoną w rdzeń ferrytowy 8 zwiększający indukcyjność tej cewki z elektrodą główną piorunochronu.

Układ jonizacyjny 6 stanowi elektroda iskrownika 9, którego ostrze 10 usytuowane jest pobliżu elektrody płaskiej 11w odległości A = 0,1 -5 mm, korzystnie 0,5 -1,0 mm stanowiącej drugi koniec elektrody zapłonowej 4. Cewka indukcyjna 7 o napięciu rzędu 10 KV i oporności 100 - 500 W umieszczona jest w żłobkach 12 korpusu izolacyjnego 13, przy czym zarówno ten korpus jak i układ jonizacyjny 6 wraz z dolnym końcem elektrody zapłonowej 4 i górnym końcem elektrody głównej 1 wraz z częścią jej ostrza 2 umieszczone są w osłonie izolacyjnej 14 zalanej tworzywem izolacyjnym 15, korzystnie żywicą lub silikonem, przy czym górna powierzchnia tej osłony posiada karby 16, chroniące ją przed zabrudzeniem i wodą.

Elektroda zapłonowa 4 pochylona jest pod kątem a wynoszącym 20 - 70°, korzystnie 45° względem i w kierunku osi 17 elektrody głównej 1, natomiast ostrze 5 elektrody zapłonowej4 usytuowane jest w odległości L od ostrza 2 elektrody głównej 1 wynoszącej 10 - 60 mm, korzystnie 30 mm, oraz na poziomie równym poziomowi ostrza lub na wysokości H nieco wyższej lub niższej w stosunku do wierzchołka ostrza 2 wynoszącej -30 do +50 mm.

Korzystnym jest, gdy średnica D elektrody głównej 1 wynosi około 15 mm, średnica D1 elektrody zapłonowej 4 około 4 mm, a średnica D2 elektrody iskrownika 9 wynosi około 3 mm.

Zasada działania piorunochronu z elektrodą zapłonową polega na tym, że w narastającym polu elektrycznym spowodowanym przemieszczaniem się kanału zjonizowanego 17 od chmury 18 do ziemi 3, następuje gromadzenie się ładunku elektrycznego. Wówczas rozkład pól elektrycznych jest taki, że największe natężenie pola elektrycznego jest w pobliżu ostrza 10 elektrody iskrownika 9, gdyż jest to pole wytworzone pomiędzy metalowym ostrzem 10 i elektrodą płaską 11 (płytą metalową) elektrody zapłonowej 4, które powodują dwukrotne zwiększenie pola elektrycznego w porównaniu do pola elektrycznego wytwarzanego przez samo ostrze w przestrzeni bez elektrody płaskiej 11.

Wytworzone podwójne pole elektryczne powoduje zjonizowanie powietrza w przestrzeni elektrody iskrownika 9, pomiędzy jego ostrzem 10 i elektrodą płaską 11. Wytworzone wówczas ładunki dodatnie Qw⁺ osiadają na elektrodzie płaskiej 11 i powiększają ilość ładunków dodatnich na elektrodzie zapłonowej 4, a tym samym na jej ostrzu 5 zwiększając jednocześnie natężenie pola elektrycznego 19 w pobliżu tego ostrza, co w konsekwencji powoduje rozpoczęcie się wyładowania elektrycznego wokół elektrody zapłonowej 4 dużo wcześniej niż nastąpiłoby ono tylko przez samo ostrze 2 elektrody głównej 1. Rozpoczęty proces powoduje intensyfikację jonizowania powietrza wytwarzając początek kanału zjonizowanego powietrza od ostrza 5 elektrody zapłonowej 4 w kierunku chmury 18.

PL 192 177B1

Narastający proces jonizacji lawinowej powoduje gwałtowne zwiększenie prądu elektrycznego płynącego w zjonizowanym powietrzu, przy czym w momencie przyrostu tego prądu, który w pierwszej fazie prawie w całości płynie przez elektrodę zapłonową 4 i cewkę indukcyjną 7, cewka ta zachowa się analogicznie jak bardzo duża oporność zastępcza (impedancja). Powstały efekt powoduje zmianę kierunku przepływu kanału zjonizowanego powietrza w kierunku ostrza 2 elektrody głównej 1 piorunochronu.

Claims (7)

Zastrzeżenia patentowe

1. Piorunochron z przyspieszoną jonizacją powietrza, wokół jego ostrza zaopatrzony w elektrodę Franklina połączoną z ziemią i układem elektronicznym, znamienny tym, że posiada dodatkową elektrodę zapłonową (4) zakończoną ostrzem (5), połączoną elektrycznie poprzez układ jonizacyjny (6) i cewkę indukcyjną (7) z elektrodą główną (1)zakończoną ostrzem (2).

2. Piorunochron według zastrz. 1, znamienny tym, że układ jonizacyjny (6) stanowi elektroda iskrownika (9), której ostrze (10) usytuowane jest naprzeciw i w pobliżu elektrody (11) stanowiącej drugi koniec elektrody zapłonowej (4).

3. Piorunochron według zastrz. 1, znamienny tym, że cewka indukcyjna (7) zaopatrzona jest w rdzeń ferrytowy (8).

4. Piorunochron według zastrz. 1 albo 3, znamienny tym, że odległość A pomiędzy ostrzem (10) elektrody iskrownika (9) i końcem elektrody płaskiej (11) elektrody zapłonowej (4) wynosi 0,1 - 5,0 mm, korzystnie 0,5 -2,0 mm.

5. Piorunochron według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że elektroda zapłonowa (4) pochylona jest względem i w kierunku osi (17) elektrody głównej (1) pod kątem a = 20 -70°, korzystnie 45°, natomiast ostrze (5) elektrody zapłonowej (4) usytuowane jest w odległości L = 10 - 60 mm, korzystnie 30 mm, oraz na poziomie równym poziomowi ostrza (2) elektrody głównej (1).

6. Piorunochron według zastrz. 1albo 2, albo 3, znamienny tym, że ostrze (5) elektrody zapłonowej (4) usytuowane jest na wysokości H równej -30 do +50 mm w stosunku do wierzchołka ostrza (2) elektrody głównej (1).

7. Piorunochron według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że dolna część elektrody zapłonowej (4) oraz górna część elektrody głównej (1) wraz z układem jonizacyjnym (6) oraz z cewką indukcyjną (7) zaopatrzoną w rdzeń ferrytowy (8) umieszczone są w osłonie izolacyjnej (14) zalanej tworzywem izolacyjnym (15).