RS49706B - Jednosmerni lučni plazma generator sa ulaznom volt- amperskom karakteristikom - Google Patents

Description

Oblast tehnike na ko. iu se pronalazak odnosi

Pronalazak pripada oblasti elektrotehnike odnosno oblasti tehnike plazme, posebno njene proizvodnje a odnosi se na jednosmerni lučni plazma generator sa uzlaznom volt-amperskom karakteristikom.

Prema Međunarodnoj klasifikaciji patenata (MKP)5 oznaka je:

H 05H 1/24; H 05H 1/26 i H 05H 1/32.

Tehnički problem

Pronalazak rešava problem konstrukcije jeđnosmernog lučnog generatora plazme, jednostavne a savremene konstrukcije koji će ra-diti sa zapaženom uzlaznom volt-amperskom karakteristikom, odno-

sa napon-struja, kojim će se proizvoditi jenosmerna plazma sa visokim toplotnim sadržajem (entalpijom) i visokom jonizacijom, koja će iz generatora izbijati relativno velikom brzinom u obliku mlaza pogodnog za primenu u npr. plazmohemiji, a pri čemu će to-plotni gubici unutar plazma generatora biti minimalni.

S t an j e t ehnik e

Iz nepatentne literature poznato je da se za generisanje nis-kotemperaturske plazme u obliku mlaza, danas koriste ugavnom tri varijante generatora i to: radiofrekventni izvori plazme, jednosmerni lučni generatori kao i trofazni naizmenični.

Generatori plazme sa jednosmernom strujom u koje spada i predmet ovog pronalaska, proizvode plazmu prolaskom jednosmerne struje kroz gas. Postoje dve osnovne varijante ovih. Kod prve varijante električni se luk uspostavlja između katode u oblikn šiljka (elektrode) i anode sa cilindričnim otvorom (mlaznika) koji su električki izolovani međusobno. Radni gas se uvodi tangencijalno između katode i anode a prolaskom jednosmerne struje kroz njega zagreva se formirajući plazmu koja izbija iz otvora anode u slobo-dan prostor. Nedostaci ovog rešenja ogledaju se kod do sada ko-mercijalno dostupnih rešenja u vidu kratkog mlaza izlazne plazme pri niskom radnom naponu (ispod 100V) koji zahteva visoku struju (reda 1000 A) sa hiperbolički opadajućom karakteristikom krive napon-struja.

Kod druge variajante radi se o^rešenju sa dve elektrode sa cil-indričnim otvorima, pri čemu je to u jednoj elektrodi slepi otvor a elektrode su električki rastavljene na međusobnom dodiru prstenom kroz koji se tangencijalno uvodi gas. Kroz formirani luk se sada uvodi radni gas koji se dovodi u stanje plazme koja izbija iz cilindričnog otvora jedne od elektroda. Nedostaci kod ovog re-šenja ogledaju se u tome što je potreban znatno veći protok gasa npr. u odnosu na prvo opisano rešenje, kako bi se obezbedio stabi-lan rad. Iz ovog razloga, opisano rešenje se uglavnom koristi kod specijalnih industrijskih postrojenja. Istovremeno, ovo rešenje ni-je pogodno da se kao generator plazme koristi kod tzv. sprej po-stupka nanošenja materijala na neku površinu.

Od relevantnih rešenja u odnosu na predmet pronalaska, u paten-ntoj dokumentaciji potrebno je navesti patentni spis No.5,519,183 isto kao i spis No.5,620,616 i No.5,628,924. iz US patentnog fonda. U US patentnom spisu No.5,243,169 opisano je rešenje tzv. dvostrujnog tipa kod koga su primenjena dva generatora plazme postavljena pod uglom od 90 stepeni, koji formiraju zajednički iz-lazni plazmeni snop.

U US patentnom spisu No.5,500,501 opisana je konstrukcija kod koje su katoda i anoda u varijanti dve koaksijalno postavljene ce-vaste elektrode.

U US" patentnom spisu No. 5,514,848 opisano je rešenje koje pre-dstavlja pokušaj da se profilisanjem izlaznog kanala plazme, utiče na brzinu njenog isticanja.

Najzad, u US patentnom spisu No. 5,406,046 prikazano je reše-nje sa tri katode i povečenim rastojanjem između katode i anode uz umetanje nekoliko međusobno električki izolovanih segmenata.

Analiziraju u celini navedene patentne spise iz US patentnog fonda, zaključuje s e da sva opisana rešenja iisaju nedostatke iz kojih proizilazi predložena definicija tehničkog problema koji se želi resiti predmetom ovog pronalaska, isto kao i nedostatke opi-sanih rešenje poznatih iz nepatentne literature.

Izlaganje' suštine pronalaska

Osnovne intencije pri konstrukciji plazma generatora danas su da se proizvede plazma sa što većim toplotnim sadržajem (entalpijom), pri što manjoj eroziji elektroda. Visoka entalpija plazme obezbeđuje visoku temperaturu plazme, visok stepen jonizacije plazme i njenu veliku izlaznu brzinu. Sve ove karakteristike plaz-menog mlaza važne su za primenu plazme u plazmohemiji gde se koristi kao medijum za inicijaciju hemijskih procesa i za primenu u plazma sprej procesima u kojima se plazma koristi za topljenje i za ubrzavanje čestica materijala unetih u plazmu.

Radi naprednavedenog kao i u cilju otklanjanja nedostataka uo-čenih kod napredopisanih rešenja, rešenje prema pronalasku se od-likuje specifičnom konstrukcijom anodnog seta. Ovaj obuhvata tri dela od kojih svaki ima središni otvor oblika kanala, a koji su konstrukcijski odgovarajuće međusobno spojeni obezbeđujući ide-alnu koaksijalnost uz jednostavnu montažu. Prvi anodni segment tzv. prikatodni najbliži je katodi i uvrtanjem svoje zavojnice

u odgovarajućem zavojnom otvoru, zajedno priteže katodu i uvodnik gasa vršeći pri tome funkciju pomoćne elektrode za propaljivanje. Središni anodni segment postavljen je između oba krajnja i od ov-ih je električki izolovan. Treći segment je sama anoda električki povezana sa nosečim delom kućišta. Anodni segmenti su pri tome

međusobno električki izolovani pomoću izolacionih prstenova u kojima su izvedeni tangencijalni otvori za uvođenje sekundarnog ga-sa a koji ima dodatnu funkciju hlađenje anodnog seta.

Specifičnom geometrijom segmenata i njihovim rasporedom anodnog seta ostvarena je uzlazna volt-amperaka karakteristika plazma generatora prema pronalasku. U ovom cilju zajednički središni otvor svih segmenata anodnog seta u sklopu, idući od katode prema izlaznom otvoru anode ima profil Lavalovog mlaznika čime je obez-beđena ekspanzija kroz njega protičućeg radnog gasa koji postiže maksimalnu brzinu.

Prednost rešenja prema pronalasku je prvenstveno u tome što omogućava rad ovako izvedenog generatora plazme sa naponom od sv-ega nekoliko stotina volti, pri čemu je omogućeno znatno dizanje snage uređaja u odnosu na analogne konstrukcije sličnih gabarita. Pri radu uređaja prema pronalasku, formirana plazma postiže svoj puni razvoj usled dugačkog puta električnog luka od katode do anode, a što čini da plazma izlazi iz generatora većom brzinom nego kod generatora sa kraćim lukom. Smanjenje toplotnih gubitaka koje nastaje boljom oduvanosti lučnog anodnog špota, omogućava,dobija-nje visokoentalpijske plazme a ujedno znatno produžava radni vek anode. Konačno uzlazna volt-amperska karakteristika omogućava znatno uprošćenu kontrolu struje u kolu generatora plazme.

Kratak opis slika nacrta

Pronalazak je detaljno opisan na primeru načina izvođenja pr-ikazanom na nacrtu na kome: Slika 1-prikazuje uzdužni presek sklopa generatora jednosmerne lučne plazme.

D etaljan oras<p>ronalaska

Jednosmerni lučni plazma generator sa uzlaznom volt-amperskom karakteristikom, prema Slici 1 obuhvata dvodelno kućište 1 sa no-sečim delom 101 kao i donjim konusnim delom 2 koji su cilindričnog oblika izrađeni najpovoljnije od elektroprodljivog materijala npr. livenog mesinga. N0seči deo>101 izveden je sa cilindričnim otvorom 102 u kome je u presovanom sklopu postavljena izolaciona čau-ra 103 najpovoljnije od plastike. Unutar ove izolacione čaure 103 u presovanom sklopu postavljen je srednji deo 104 nosečeg dela sa svojim središnim otvorom 105 u kome je zatim u presovanom sklopu postavljena srednja izolaciona čaura 106 takođe najpovoljnije od plastlkre. Na kraju je unutar ove čaure 106, u presovanom sklopu postavljena metalna provodna čaura 107 sa unutrašnjim otvorom 108 u obliku kanala za dovođenje vode za hlađenje generatora.

Sa donje čeone strane obeju čaura 106 i 107, u produžetku unut-rašnjeg otvora 108, zahvatajući i srednji deo 104 nosečeg dela ku-ćišta, izveden je cilindrični otvor 110 nastavljen konusnim otvorom 109 završen cilindričnim otvorom 111 sa unutrašnjom zavojnico;m i ravnom površinom lila zajedničkom sa krajem čaure 103. Ova ravna površina lila na nosečem delu 101 nastavljena je unutrašnjim konusom 112 koji prelazi u vertikalni usek 113 a završen je unutraš-njim otvorom'114 sa zavojnicom u kojoj je svojom zavojnicom uvrnut donji konusni deo 2 kućišta, omogućavajući lak i brz pristup komponentama generatora la. Donji konusni deo 2 kućišta izveden je sa cilindričnim usekom 201 u kome je postavljena anoda 4 sa svojim zaptivnim 0 prstenom 420 završena proširenjem 417 a u kojoj je izveden koaksijalni konusni divergentni otvor 418 oblika kanala.

Istovremeno, u pomenutom cilindričnom otvoru 110 umetnuta je katoda 3, najpovoljnije od volframa, sa svojim zaptivnim 0 prstenom 301, na koju je pritisnuto oslonjen uvodnik 302 gasa sa diver-gentim konusnim otvorom 304 kao i bočnim tangencijalnim otvorima 303 za uvod gasa. Ovaj uvodnik 302 gasa je pri tome pritisnut prikatodnim segmentom 404 sa zaptivnim 0 prstenom 405, koji je svojom komplementarnom zavojnicom uvrnut u zavojnom cilindričnom otvoru 111 dela 104 kućišta. Prikatodni segment 404 je pri tome izveden sa konvergentnim konusnim unutrašnjim otvorom 406 oblika kanala sa proširenjem 407 na svom kraju u vidu prirubnice za prihvat srednjeg anodnog segmenta 408 sa svojim parom zaptivnih 0 prstenova 409. Istovremeno, u prikatodnom segmentu 404 izveden je plitki u-rez za prihvat izolacionog prstena 410 u čijem su središnom otvoru izvedeni tangencijalni kanali sa otvorima 411 za uvođenje radnog gasa, dok je bočno u odnosu na otvor 406 u segmentu izveden prolazni otvor 412 takođe za plolaz gasa.

Nalegnuti pod pritiskom,u otvoru 114 sa zavojnicom uvrnutog donjeg konusnog dela 2 kućišta, na izolacioni prsten 410, srednji anodni segment 408 izveden je sa koaksijalnim konusnim otvorom 413 oblika divergentnog kanala, kao i sa perifernim prolaznim otvorom 414 za gas.

Ha donju čeonu stranu srednjeg anodnog segmenta 408 pritisnuto je nalegnut donji izolacioni prsten 415 sa otvorima 416 u središ-njem otvoru završenih tangencijalnih kanala za uvod gasa. Ovaj izolacioni prsten 415 je pri tome umetnut u plitkom urezu izvedenim u ranije pomenutom proširenju 417 anode 4 sa na suprotnoj st-rani izvedenim proširenjem 419 za oslanjanje na donju stranu useka 201 donjeg konusnog dela 2 kućišta.

Od na opisani način postavljenih koaksijalno međusobno priti-snutih anodnih segmenata 404 i 408 kao i same anode 4 zajedno sa izolacionim prstenovima 410 i 415, formiran je Lavalov mlaznik sa konvergentno divergentnim konusnim otvorima 406,413,418 sa tač-no određenim zahvatnim uglovima.

U cilju nesmetanog funkcionisanja plazma generatora la prema pronalasku, izvedeni su odgovarajući otvori i kanali za protok vo-de za hlađenje. Iako je sa ranije pomenutim unutrašnjim otvorom 108 unutrašnje čaure 107 spojen radijalni kanal 115 koji se uliva u prstenasti uliveni kanal 116, koji je preko vertikalnih kanala 117 spojen sa prostorom vertikalnog useka 113 nosečeg dela 101 ku-ćišta. Ovaj je prostor pri tome u sklopu povezan sa u zidu donjeg konusnog dela 2 kućišta izvedenim prolaznim kanalima 203 za vodu čiji donji otvori izlaze u njegovom donjem delu.

Isto tako unutar kućišta 1 odnosno njegovog nosečeg dela 101, izveden je uliveni kružni kanal 118 koji je spojen sa priključnim otvorom 119 sa zavojnicom. Istovremeno, sa kanalom 118 spojeno je više periferijskih vertikalnih kanala 120 čiji je slobodni otvor završen na raestu unutrašnjeg konusa 112 sa ravnom površinom lila.

U nos ečem delu 101 kućišta 1 generatora la, unutar njegovog srednjeg dela 104, izveden je i vertikalni kanal 121 sa priključnim otvorom 122 sa unutrašnjom zavojnicom, za gas, čiji drugi slobodni otvor izlazi na prošireni konusni otvor 109.

Za napajanje jednosmernom električnom strujom na potrebnom naponu, postavljen je generator 5 sa prekidačem 501. Ovaj generator 5 priključen je svojim (+) polom na uvodnik unutar priključnog otvora 119 sa zavojnicom, za odvod vode za hlađenje. Istovremeno je (-) pol generatora 5 priključen na provodnu čauru 107 sa ot-voromlO.8 za dovod vode za hlađenje. Pored ovoga, ( + ) pol generatora 5 je preko prekidača 501 priključen na uvodnik unutar priklj-učnog otvora 122 za dovod radnog gasa.

Jednosmerni lučni plazma generator sa uzlaznom volt-ampeskom karakteristikom prema pronalasku funkcioniše tako, što se prvo uspostavi cirkulacija vode za hlađenje unutar kućišta 1 i njegovog donjeg konusnog dela 2. Pri ovome, voda za hlađenje se dovodi kroz unutrašnji otvor 108 oblika kanala gde hladi katodu 3. Istovremeno ova se voda preko radijalnih kanala 115, prtenastog ulivenog kanala 116, vertikalnih kanala 117 i kanala 203 dovodi

u donji deo donjeg konusnog dela 2 kućišta gde hladi anodu 4

a zatim krećući se prema gore, hladi anodne segmente 408 i 404

kao i preko ovih uvodnik 302 gasa i izolacione prstenove 410 i 415. Najzad, hladeći srednji deo kućišta 104 vertikalnim periferijskim kanalima 120 dovodi se u kružni kanal 118 odakle se preko priključnog otvora 119 odvodi iz plazma generatora.

Po uspostavljanju stabilne cirkulacije vode za hlađenje, u kućište 1 generatora, preko priključnog otvora 122 uvodi se radni gas, pri čemu se uključuje i generator 5 jednosmerne struje sa zatvorenim prekidačem 501. Radni gas se kanalom 121 dovodi do uvo-dnika 302 gasa a takođe kanalima 412 i 414 do izolacionih prstenova 410 i 415, iz kojih otvorima 303,411 i 416 tangencijalno struji u konusne otvore 304,406,413 i 418. Pri uključenom generatoru 5 jednosmerne struje i uspostavljenoj struji radnog gasa, nastaje između katode 3 i anodnog segmenta 404 propaljivanje plazme pri če-mu j e katoda 3, preko metalne provodne čaure 107 priključena na

(-) pol dok je prikatodni anodni segment 404, najpovoljnije izra-đen odbakra, preko prekidača 501 priključen na (+) pol pomenutog generatora 5 jednosmerne struje. Po naštalom propaljivanju plazme, prekidač 501 se otvara i (+) napon anodnog segmenta 404 se isklju-čuje a električki luk se dalje održava između katode 3 i anode 4 unutar konvergentno divergentnog kanala otvora 406,413 i 418 anodnog seta pri čemu se vrši uvođenje sekundarnog gasa kanalima 412

i 414 kroz otvore 411 i 416. Uz to, srednji anodni segment 408 os-taje uvek električki izolovan.

Da bi generator plazme radio stabilno sa ž.eljenom uzlaznom vo-lt-amperskom karakteristikom, potrebno je konstrukcijski prema pronalasku obezbediti odnos rastojanja od vrha katode 3 do početka anode 4*odnosno početka njenog unutrašnjeg konusnog otvora 418, mereno duž konusnih unutrašnjih otvora 406 i 413 anodnih segmenata 404 i 408, prema izlazu konusnog otvora 418, veči od 3, pri če-mu dužina srednjeg anodnog segmenta 408, merena u istom smeru, ne-sme biti manja od dvostrukog prečnika istog početnog konusnog otvora 418 anode 4.

Način industrijske ili druge primene pronalaska

Način primene pronalaska proističe na očigledan način iz pret-hodnog teksta opisa kao i priloženog nacrta, te ga nije potrebno posebno opisivati. Ipak potrebno je ovde naglasiti da je plazma generator prema pronalasku, svojom konstrukcijom /koja obezbeđuje proizvodnju plazme sa visokom entalpijom na visokoj temperaturi, sa visokim stepenom jonizacije i velikom izlaznom brzinom, pogo-dan za primenu u plazmohemiji gde se mlaz plazme koristi kao me-di jum za inicijaciju hemijskih procesa i za primenu u plazma sprej procesima u kojima se p3m,zma koristi za topljenje i ubrzavanje čestica materijala unetih u plazmu.

Sve konstrukcijske i funkcionalne karakteristike navedene u opisu pronalaska, pronalazač je proverio na realizovanom proto-tipu.

Claims (6)

1. Jednosmemi lučni plazma generator sa uzlaznom volt-amperskom karakteristikom, sa priključkom na generator (5) jednosmerne struje sa prekidačem (501) kao i sa priključcima na otvoru (108) čaure (107) i otvoru (119) kučišta dovoda i odvoda vode za hlađe-nje a sa priključkom na otvoru (122) dela (104) kućišta za radni gas, naznačen time, što obuhvata dvodelno kućište (l) koje se sastoji od nosečeg dela (101) u kome je sa donje strane izveden cilindrični otvor (114) sa unutrašnjom zavojnicom u kojoj je svojom komplementarnom zavojnicom uvrnut drugi, donji konusni deo (2) kučišta sa zaptivnim 0 prstenovima (202) i donjim ci-lindričnim usekom (201) u čijem je otvoru postavljena anoda (4) sa konusnim otvorom (418) oblika divergentnog kanala, a cilindrični otvor (114) nosečeg dela nastavljen je vertikalnim usekom (113) čija je unutrašnja strana izvedena nastavljena konusom (112) za-vršenim donjom ravnom površinom (lila) koja prelazi u cilindrični otvor (102) u kome je u presovanom sklopu postavljena izolaciona čaura (103) u kojoj je opet u presovanom sjclopu postavljen srednji deo (104) nosečeg dela kučišta, u kome je opet u presovanom sklopu u njegovom otvoru (105) postavljena izolaciona čaura (106) sa upresovanom provodnom čaurom (107) sa unutrašnjim otvorom (108), i što je srednji deo (104) kučišta, na mestu kraja provodne čaure (107) kao i izolacione čaure (106) izveden u vidu cilindričnog otvora (110) koji je nadole nastavljen konusnim otvorom (109) a za-vršen cilindričnim otvorom (111) sa unutrašnjom zavojnicom, pri čemu je u cilindričnom otvoru (110) umetnuta katoda (3) sa zaptivnim 0 prstenom (301), na koju je nalegnut uvodnik (302) gasa sa divergentnim konusnim otvorom (304) i otvorima (303) tangencijalnih kanala pritisnutu otvoru (lll) sa unutrašnjom zavojnicom uvrnutim prikatodnim segmentom( 404) sa zaptivnim 0 prstenom (405), izvedenim sa donjim proširenjem (407), konusnim unutrašnjim otvorom (406) oblika konvergentnog kanala kao i bočnim prolaznim otvorom (412) i usekom u proširenju (407) u kome je postavljen izolacioni prsten (410) sa otvorima (411) svojih tangencijalnih kanala, dok je na prstenu (410) pritisnuto nalegnut srednji anodni segment (408) sa konusnim unutrašnjim otvorom (413) oblika divergentnog kanala i bočnim prolaznim otvorom (414) kao i parom zaptivnih 0 prstenova (409) pritisnuto oslonjen na izolacionom prstenu (415) sa ot vorima (416) tangencijalnih kanala, umetnut u useku proširenja (417) anode (4).

2. Jednosmerni lučni plazma generator, prema zahtevu 1, n a-značen time, što su u zidu donjeg dela (2) kučišta izvedeni prolazni kanali (203) za vodu, dok su u sklopu nosečeg de-la (101) kučišta sa upresovanim izolacionim Saurama (103,106), i srednjim delom (104) kučišta sa provodnom čaurom (107), izvedeni kružni kanal (118) sa priključnim otvorom (119) i vertikalnim periferijskim kanalima (120) za vodu, kao i kružni kanal (116) sa radijalnim kanalima (115) kao i sa vertikalnim kanalima (117) za vodu, i što je izveden vertikalni kanal (121) sa priključnim otvorom (122) za radni gas.

3. Jednosmerni lučni plazma generator, prema zahtevima 1 i 2, naznač en time, štoje središna provodna čaura (107) izvedena sa priljučkom na (-) pol generatora (5) jednosmerne struje dok su priključni otvori (119) i (122) izvedeni za priklju-čak na (+) pol istog generatora (5) pri čemu je priključni otvor (122) priključen preko prekidača (501).

4. Jednosmerni lučni plazma generator, prema zahtevu 1, n a-značen time, što su konvergentni konusni otvor (406) kao i divergentni konusni otvori (413) i (418) zajedno sa otvorima u izolacionim prstenovima (410) i (415) anodnog seta, pos-tavljeni strogo koaksijalno formirajući konvergentno-divergentni Lavalov mlaznik.

5. Jednosmerni lučni plazma generator, prema zahtevima 1 i 4, naznačen time, što je konstrukcijski određeni odnos rastojanja od vrha katode (3) do početka anode (4) odnosno do po-četka njenog otvora (418) divergentnog kanala, mereno duž konusnih otvora (406,413) divergentno-konvergentnih kanala anodnih segmenata (408,404) prema izlazu, veći od 3.

6. Jednosmerni lučni plazma generator, prema zahtevima 114, naznačen time, što je konstrukcijski određena dužina srednjeg anodnog segmenta (408) jednaka ili veća od dvostrukog prečnika početnog otvora (418) divergentnog kanala anode (4).