RU2294281C1

RU2294281C1 - Device for plasma working of metal surface

Info

Publication number: RU2294281C1
Application number: RU2005127864/12A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Семенович Стребков (RU); Дмитрий Семенович Стребков; Алексей Иосифович Некрасов (RU); Алексей Иосифович Некрасов; Антон Алексеевич Некрасов (RU); Антон Алексеевич Некрасов; Алексей Борисович Сивцов (RU); Алексей Борисович Сивцов; Владимир Захарович Трубников (RU); Владимир Захарович Трубников
Priority date: 2005-09-07
Filing date: 2005-09-07
Publication date: 2007-02-27

Abstract

FIELD: working of metals .

SUBSTANCE: device comprises power source, controlled frequency converter, step-up high-frequency resonance transformer with working needle electrode, and gas-dynamic unit with gas duct and nozzle for supplying the gas to the treatment zone. The output of the controlled frequency converter is connected with the high-voltage electrical gas discharging unit of plasma generators having the step-up high-frequency transformers. The low-voltage windings of the transformers are interconnected in parallel and are connected with the controlled frequency converter. The high-voltage windings are connected with the needle electrodes concentrating electromagnetic energy. The electrodes are axially aligned and are mounted inside the nozzle. The nozzles provide the ionized agent to be homogeneously distributed over the surface of the material mounted on the receiving drum that is actuated from the electric motor with the voltage control.

EFFECT: expanded functional capabilities.

5 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для обработки поверхностей материалов высокочастотным электрическим разрядом в газовой среде и может быть использовано для модификации структуры поверхности полимерных пленок, для антисептирования, очистки и обеззараживания поверхностей материалов.The invention relates to devices for treating surfaces of materials with a high-frequency electric discharge in a gaseous medium and can be used to modify the surface structure of polymer films, to antiseptic, clean and disinfect surfaces of materials.

Известно устройство для обработки поверхностей тканей высокочастотным электрическим разрядом, содержащее источник питания с генератором высокочастотного переменного напряжения и преобразователь частоты, соединенный с обмоткой плазмотрона, имеющего рабочий игольчатый электрод, а также газодинамический блок для поддува газа (патент РФ №2100013 по кл. А 61 В 17/39 от 11.04.1995).A device for treating tissue surfaces with a high-frequency electric discharge, comprising a power source with a high-frequency alternating voltage generator and a frequency converter connected to a winding of a plasma torch having a working needle electrode, as well as a gas-dynamic unit for gas blowing (RF patent No. 2100013 according to class A 61 V 17/39 from 04/11/1995).

Недостатком этого устройства являются узкие функциональные возможности, малая производительность из-за невозможности обработки больших поверхностей материалов. Прохождение поддуваемого газа внутри катушки через обмотки трансформатора, находящиеся под напряжением в сильном высокочастотном электрическом поле снижает надежность устройства и может привести к нарушению изоляции и преждевременному выходу плазмотрона из строя. Наличие сопла уменьшает обзор участка обрабатываемой поверхности, а размещение игольчатого электрода в сопле при длительной работе приводит к подгоранию сопла с образованием нагара на выходной части сопла, что ухудшает функциональные свойства прибора.The disadvantage of this device is the narrow functionality, low productivity due to the inability to process large surfaces of materials. The passage of blown gas inside the coil through the transformer windings, which are energized in a strong high-frequency electric field, reduces the reliability of the device and can lead to insulation failure and premature plasma torch failure. The presence of a nozzle reduces the overview of the area of the treated surface, and the placement of the needle electrode in the nozzle during prolonged operation leads to burning of the nozzle with the formation of soot on the outlet of the nozzle, which impairs the functional properties of the device.

Известно устройство для обработки материалов высокочастотным электрическим разрядом, содержащее генератор переменного напряжения регулируемый преобразователь частоты, работающий в резонансном режиме с высокочастотным трансформатором, потенциальный вывод которого связан с игольчатым рабочим электродом, расположенным в сопле и создающим плазменную зону обработки материала с поддувом газа или без него в воздушной среде (патент РФ №2191113 по кл. В 29 В 13/08, В 05 D 3/14 от 20.10.2002).A device is known for processing materials by high-frequency electric discharge, comprising an alternating voltage generator, an adjustable frequency converter operating in resonance mode with a high-frequency transformer, the potential output of which is connected to a needle working electrode located in the nozzle and creating a plasma zone for processing the material with or without gas injection air environment (RF patent No. 2191113 according to class B 29 B 13/08, B 05 D 3/14 dated 10/20/2002).

Недостатками этого устройства являются недостаточные функциональные возможности, малая производительность, точечность воздействия рабочего электрода на обрабатываемую поверхность, отсутствие возможности дозирования воздействия разряда на материал, а также пропускание газа через преобразователь, что снижает надежность установки и увеличивает расход газа, продолжающего поступать в рабочую зону обработки материала и при отсутствии электрического разряда.The disadvantages of this device are insufficient functionality, low productivity, the accuracy of the impact of the working electrode on the surface to be treated, the inability to dose the discharge effect on the material, as well as the transmission of gas through the converter, which reduces the reliability of the installation and increases the flow of gas that continues to enter the working area of the material processing and in the absence of an electric discharge.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей, повышение производительности и точности обработки поверхности материалов, снижение расхода газа, повышение надежности и эффективности работы установки.The objective of the invention is to expand the functionality, increase productivity and accuracy of surface treatment of materials, reduce gas consumption, increase the reliability and efficiency of the installation.

В результате использования предлагаемого изобретения расширяются функциональные возможности, повышается производительность и точность обработки, снижается расход газа, повышается надежность и эффективность работы установки.As a result of the use of the invention, the functionality is expanded, productivity and accuracy of processing are increased, gas consumption is reduced, reliability and efficiency of the installation are increased.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в устройстве для электрогазоразрядной обработки поверхностей материалов, содержащем источник питания, регулируемый преобразователь частоты, повышающий высокочастотный резонансный трансформатор с рабочим игольчатым электродом и газодинамический блок с газопроводом и соплом для поддува газа в зону обработки материала, к выходу регулируемого преобразователя частоты подключен высоковольтный электрогазоразрядный блок плазмогенераторов, содержащих повышающие высокочастотные резонансные трансформаторы, низковольтные обмотки которых соединены между собой параллельно и связаны с регулируемым преобразователем частоты, а высоковольтные обмотки своим высокопотенциальным выводом соединены с концентрирующими электромагнитную энергию игольчатыми электродами, коаксиально расположенными в соплах, имеющих общий, снабженный ротаметром газоподвод от газодинамического блока, обеспечивающих образование сплошной равномерной ионизированной среды на поверхности обрабатываемого материала, размещаемого на приемном барабане, получающем заданную технологией обработки стабильную частоту вращения от электродвигателя с регулятором напряжения.The above technical result is achieved by the fact that in the device for electric-gas discharge surface treatment of materials containing a power source, an adjustable frequency converter, a high-frequency resonant transformer with a working needle electrode and a gas-dynamic unit with a gas pipeline and a nozzle for blowing gas into the material processing zone, to the output of the adjustable converter a high-voltage electric-gas-discharge block of plasma generators containing increasing high-frequency ones is connected resonant transformers, the low-voltage windings of which are connected in parallel and connected to an adjustable frequency converter, and the high-voltage windings are connected with their high-potential output to needle-type electrodes concentrating electromagnetic energy, coaxially located in nozzles having a common gas supply from the gas-dynamic unit, equipped with a flowmeter, ensuring the formation of a continuous uniform ionized medium on the surface of the processed material placed on the receiving a drum receiving a stable rotational speed from a motor with a voltage regulator specified by the processing technology.

В устройстве для электрогазоразрядной обработки поверхностей материалов, содержащем источник питания, регулируемый преобразователь частоты, повышающий высокочастотный резонансный трансформатор с рабочим игольчатым электродом, газодинамический блок с газопроводом и соплом для поддува инертного газа в зону обработки материала, повышающий высокочастотный резонансный трансформатор с разомкнутым ферритовым сердечником ручного плазмогенератора снабжен полым трубчатым игольчатым электродом, соединенным с высоковольтной обмоткой и газоподводящей трубкой, которые размещены в одном изолированном фторопластовом корпусе с трансформатором, причем газоподводящая трубка и двужильный электрический провод плазмогенератора помещены в общую гибкую оболочку из электроизоляционного материала и соединены с блоком питания и газодинамическим блоком.In a device for electric-gas discharge surface treatment of materials containing a power source, an adjustable frequency converter, increasing a high-frequency resonant transformer with a working needle electrode, a gas-dynamic unit with a gas line and a nozzle for blowing inert gas into the material processing zone, increasing a high-frequency resonant transformer with an open ferrite core of a manual plasma generator equipped with a hollow tubular needle electrode connected to a high voltage winding and g zopodvodyaschey tube, which are arranged one insulated from the transformer housing polyacetal, wherein the gas supply tube and a two-core electric wire placed in the plasma generator common flexible envelope of electrically insulating material and connected to the power supply and gas dynamic block.

В устройстве для электрогазоразрядной обработки поверхностей материалов рабочий игольчатый электрод выполнен в виде полых электрогазоподводящих игл различной длины и радиуса кривизны, установленных к обрабатываемой поверхности под углом 90°.In the device for electric-gas discharge surface treatment of materials, the working needle electrode is made in the form of hollow electric-gas supply needles of various lengths and radii of curvature installed at a 90 ° angle to the surface to be treated.

В устройстве для электрогазоразрядной обработки поверхностей материалов рабочий электрод выполнен в виде полого электроизолированного запаянного цилиндра из материала высокой электрической прочности с металлическим покрытием внутренней поверхности или наполненного под давлением электропроводящими парами металла, соединенного со встроенным контактом, причем рабочий электрод имеет длину, соответствующую ширине поверхности обрабатываемого материала, соединен с высокопотенциальным выводом высоковольтной обмотки повышающего высокочастотного трансформатора и установлен параллельно над электропроводящим металлическим подпружиненным вращающимся цилиндром, причем поддув газа из сопел осуществляется под цилиндрический рабочий электрод со стороны движения материала.In the device for electric-gas discharge surface treatment of materials, the working electrode is made in the form of a hollow electrically insulated sealed cylinder made of high-strength material with a metal coating on the inner surface or pressure-filled metal with electrically conductive pairs connected to an integrated contact, the working electrode having a length corresponding to the width of the surface of the material being processed connected to the high potential terminal of the high voltage winding raising high frequency transformer and is installed in parallel above the electrically conductive metal spring-loaded rotating cylinder, and the gas is blown out from the nozzles under a cylindrical working electrode on the material movement side.

В устройстве для электрогазоразрядной обработки поверхностей материалов блок питания плазмогенератора имеет "основной" и "мягкий" режимы работы и снабжен переключателем для фиксации "основного" и "мягкого" режимов работы.In a device for electric-gas-discharge treatment of surfaces of materials, the power supply unit of the plasma generator has “main” and “soft” operating modes and is equipped with a switch for fixing the “main” and “soft” operating modes.

Сущность предлагаемого устройства и принцип его работы поясняются чертежами, где:The essence of the proposed device and the principle of its operation are illustrated by drawings, where:

на фиг.1 представлен общий вид устройства;figure 1 presents a General view of the device;

на фиг.2 - вид устройства с цилиндрическим рабочим электродом;figure 2 is a view of a device with a cylindrical working electrode;

на фиг.3 - вид устройства для обработки рифленой поверхности;figure 3 is a view of a device for processing a corrugated surface;

на фиг.4 - вид устройства для ручного пользования.figure 4 - view of the device for manual use.

Предлагаемое устройство (фиг.1) содержит источник питания 1 и регулируемый преобразователь частоты 2, образующих блок питания 3, который соединен с высоковольтным электроразрядным блоком 4, повышающих высокочастотных резонансных трансформаторов 5, с незамкнутыми сердечниками 6, низковольтные обмотки 7 которых соединены между собой параллельно и подключены к преобразователю частоты 2 блока питания 3, а высоковольтные обмотки 8 своими потенциальными выводами 9 соединены с игольчатыми электродами 10, а другие выводы 11 высоковольтных обмоток 8 разомкнуты. Газодинамический блок 12 с баллоном 13 плазмообразующего газа, редуктором 14 и изолированным шлангом 15 соединен через ротаметр 16 с соплами 17, расположенными у обрабатываемой поверхности 18 материала, подаваемого с барабана 19 (фиг.2) и собираемого после обработки на приемном барабане 20, получающем вращение от электродвигателя 21, соединенного с регулятором напряжения 22, установленного на раме 23.The proposed device (figure 1) contains a power source 1 and an adjustable frequency converter 2, forming a power supply 3, which is connected to a high-voltage electric-discharge block 4, increasing high-frequency resonant transformers 5, with open cores 6, low-voltage windings 7 of which are connected in parallel and connected to the frequency converter 2 of the power supply 3, and the high-voltage windings 8 with their potential leads 9 are connected to the needle electrodes 10, and the other leads 11 of the high-voltage windings 8 r connected. The gas-dynamic unit 12 with a cylinder 13 of plasma-forming gas, a reducer 14 and an insulated hose 15 is connected through a rotameter 16 with nozzles 17 located at the machined surface 18 of the material supplied from the drum 19 (Fig. 2) and collected after processing on the receiving drum 20 receiving rotation from an electric motor 21 connected to a voltage regulator 22 mounted on the frame 23.

В другом варианте (фиг.2) при обработке ровной поверхности эластичного материала (пленки) 18 рабочий электрод выполнен в виде полого цилиндра 24, из электроизоляционного материала высокой электрической прочности (например, стекла), с металлическим покрытием внутренней поверхности или наполненного парами металла 25 под давлением, соединенными с встроенным контактом 26, а под пленкой 18 и полым цилиндром 24 установлен металлический подпружиненный вращающийся цилиндр 27. Поддув газа осуществляется из сопла 17 под полый цилиндрический рабочий электрод 24 со стороны движения материала. Обрабатываемая пленка 18 с подающего барабана 19 собирается на приемный барабан 20, получающий заданную частоту вращения от регулируемого привода, состоящего из электродвигателя 21 и регулятора напряжения 22.In another embodiment (Fig. 2), when processing a flat surface of an elastic material (film) 18, the working electrode is made in the form of a hollow cylinder 24, of an electrical insulation material of high electric strength (for example, glass), with a metal coating on the inner surface or filled with metal vapor 25 under pressure connected to the built-in contact 26, and under the film 18 and the hollow cylinder 24 a metal spring-loaded rotating cylinder 27 is installed. The gas is blown from the nozzle 17 under the hollow cylindrical working elec race 24 by the movement of the material. The processed film 18 from the feed drum 19 is collected on the receiving drum 20, which receives a given speed from an adjustable drive consisting of an electric motor 21 and a voltage regulator 22.

При обработке материалов с рифленой поверхностью (фиг.3) применяют полые трубчатые электроды 28 с острием 29, совмещающие функции иглы и сопла и расположенные под углом 90° к обрабатываемой поверхности 18. Поддув газа к полым трубчатым электродам осуществляется от газодинамического блока 12 по изолированному шлангу 15.When processing materials with a corrugated surface (Fig. 3), hollow tubular electrodes 28 with a tip 29 are used, combining the functions of the needle and nozzle and located at an angle of 90 ° to the work surface 18. Gas is blown to the hollow tubular electrodes from the gasdynamic unit 12 through an insulated hose fifteen.

В электроплазмогенераторе ручного пользования (фиг.4) в одном малогабаритном корпусе 30 размещен повышающий высокочастотный резонансный трансформатор 5 с разомкнутым ферритовым сердечником 6, низковольтной обмоткой 7 и высоковольтной обмоткой 8, соединенной с полым трубчатым электродом 28 с острием 29, а также помещена газоподводящая трубка 31. Подключение ручного электроплазмогенератора к блоку питания 3 и газодинамическому блоку 12 осуществляется благодаря двужильному изолированному электрическому проводу 32 и газоподводящей трубке 31, помещенным в общую гибкую оболочку 33 из электроизоляционного материала.In the manual electric plasma generator (Fig. 4), in one small-sized case 30, a step-up high-frequency resonant transformer 5 with an open ferrite core 6, a low-voltage winding 7 and a high-voltage winding 8 connected to a hollow tubular electrode 28 with a tip 29 is placed, and a gas supply tube 31 is placed The connection of a manual electroplasma generator to the power supply unit 3 and the gas-dynamic unit 12 is carried out thanks to a two-core insulated electric wire 32 and a gas supply tube 31, eschennym a common flexible envelope 33 of an electrically insulating material.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

При включении источника питания 1 блока питания 3 напряжение подается на преобразователь частоты 2, который генерирует напряжение повышенной частоты, равной собственной частоте колебаний системы высоковольтного электроразрядного блока 4, состоящего из повышающих резонансных трансформаторов 5. Одновременно с включением источника питания 1 включается электродвигатель 21 регулируемого электропривода приемного барабана 20 для перемещения обрабатываемого материала 18, а от газодинамического блока 12, в заданном ротаметром 16 объеме, через сопла 17 подается плазмообразующий газ в зону действия рабочего электрода с образованием области ионизированного газа синего цвета на поверхности материала.When you turn on the power source 1 of the power supply 3, the voltage is supplied to the frequency converter 2, which generates a voltage of increased frequency equal to the natural frequency of the oscillations of the system of the high-voltage electric discharge unit 4, which consists of step-up resonant transformers 5. Simultaneously with the inclusion of the power source 1, the motor 21 of the adjustable receiving electric drive is turned on drum 20 for moving the processed material 18, and from the gas-dynamic block 12, in the volume specified by the rotameter 16, through 17 and the plasma gas supplied to the working electrode to form a coverage area region of ionized gas in blue on the surface of the material.

Электрическая энергия низковольтных обмоток 7 преобразуется благодаря повышающим высокочастотным резонансным трансформаторам 5 высоковольтного электроразрядного блока 4 и электрические заряды концентрируются на потенциальных выводах 9 высоковольтных разомкнутых обмоток 8, соединенных с рабочим игольчатым электродом с возникновением в рабочем промежутке высоковольтного высокочастотного электрического разряда, воздействующего на обрабатываемый материал. Электрическая схема задающего генератора преобразователя частоты обеспечивает автоматическую подстройку частоты преобразователя, которая соответствует частоте высоковольтного электроразрядного блока, обеспечивающего стабильный режим обработки, который визуально определяется появлением тонкого высокочастотного холодноплазменного пучка синего цвета между электродом и обрабатываемым материалом, сопровождающегося легким потрескиванием при разряде в воздухе или более обширной светящейся областью ионизации подаваемого к обрабатываемой поверхности газа, образующих сплошную светящуюся область синего цвета. Регулирование подаваемой мощности, осуществляется изменением напряжения, а степень и глубина обработки поверхности материала - перемещением обрабатываемого материала при помощи регулируемого электропривода, а также частично скоростью и объемом подаваемого газа. Применение полого цилиндрического рабочего электрода с внутренним металлическим покрытием или наполненного под давлением парами металла, соединенных через металлический контакт с высоковольтной обмоткой, создает появление барьерного разряда и обеспечивает высокую равномерность "мягкой" обработки по всей ширине поверхности материала электрическим разрядом.The electrical energy of the low-voltage windings 7 is converted due to increasing high-frequency resonant transformers 5 of the high-voltage electric discharge unit 4 and the electric charges are concentrated on the potential terminals 9 of the high-voltage open windings 8 connected to the working needle electrode with the appearance of a high-voltage high-frequency electric discharge in the working gap, which acts on the material being processed. The electric circuit of the driving generator of the frequency converter provides automatic adjustment of the frequency of the converter, which corresponds to the frequency of a high-voltage electric-discharge unit, which provides a stable processing mode, which is visually determined by the appearance of a thin high-frequency cold-plasma beam of blue color between the electrode and the processed material, accompanied by slight crackling when discharged in air or more extensive luminous ionization area fed to the processing Vai surface gas forming region a continuous luminous blue. The control of the supplied power is carried out by changing the voltage, and the degree and depth of the surface treatment of the material - by moving the processed material using an adjustable electric drive, and also partially by the speed and volume of the supplied gas. The use of a hollow cylindrical working electrode with an internal metal coating or pressure-filled metal vapor connected through a metal contact to a high-voltage winding creates the appearance of a barrier discharge and ensures high uniformity of “soft” processing over the entire width of the surface of the material by electric discharge.

Применение полых трубчатых игольчатых электродов, объединяющих функции сопла и электрода, имеющих разную длину и изогнутость к обрабатываемой поверхности, позволяют осуществить обработку различных частей или всей площади рифленой поверхности, с высокой степенью направленности и точной дозировкой ротаметром подаваемого газа в зону обработки, что значительно снижает непроизводительный расход газа и обеспечивает экономию подаваемого газа.The use of hollow tubular needle electrodes, combining the functions of a nozzle and an electrode, having different lengths and curvatures to the surface to be machined, allows the processing of various parts or the entire area of the corrugated surface, with a high degree of directivity and accurate metering of the supplied gas with the rotameter, which significantly reduces unproductive gas consumption and provides savings in the supplied gas.

Малогабаритный портативный ручной плазмогенератор предназначен для применения в медицине для обработки раневых поверхностей тканей ("мягкий" режим работы) или удаления тканевых новообразований ("основной" режим работы). Подача электроэнергии и газа осуществляется по одному гибкому подводящему шлангу, в котором помещены электрический провод и газоподводящая трубка. Полый трубчатый электрод, имеющий серебряную иглу, соединенный с высоковольтной обмоткой и газоподводящей трубкой, позволяет производить тонкие специализированные операции по обработке мелких участков поверхностей при наличии аэроионов серебра, обладающих высокой бактерицидностью. При этом возможен также режим работы устройства в обычной воздушной среде без поддува газа. Питание ручного плазмогенератора может осуществляется от электросети через адаптер или от аккумуляторов.The small-sized portable manual plasma generator is intended for use in medicine for treating wound surfaces of tissues ("soft" mode of operation) or removal of tissue neoplasms ("main" mode of operation). Electricity and gas are supplied through one flexible supply hose, in which the electric wire and gas supply pipe are placed. A hollow tubular electrode having a silver needle connected to a high-voltage winding and a gas supply tube allows you to perform thin specialized operations for processing small sections of surfaces in the presence of silver ions having high bactericidal properties. Moreover, it is also possible operating mode of the device in ordinary air without gas injection. The manual plasma generator can be powered from the mains via an adapter or from batteries.

Claims

1. Device for electric-gas discharge surface treatment of materials, containing a power source, an adjustable frequency converter, step-up high-frequency resonant transformer with a working needle electrode and a gas-dynamic unit with a gas pipe and a nozzle for blowing gas into the material processing zone, characterized in that it is connected to the output of the adjustable frequency converter high-voltage electric-gas discharge unit of plasma generators containing step-up high-frequency resonant transformers, low whose windings are connected in parallel with each other and connected to an adjustable frequency converter, and the high-voltage windings are connected with their high-potential output to needle-type electrodes concentrating electromagnetic energy, coaxially located in nozzles having a common gas supply from the gas-dynamic unit, providing a continuous uniform ionized medium on the surface processed material placed on a receiving drum receiving a given technol By processing a stable speed from an electric motor with a voltage regulator.

2. Device for electric-gas discharge surface treatment of materials, containing a power source, an adjustable frequency converter, step-up high-frequency resonant transformer with a working needle electrode and a gas-dynamic unit with a gas line and a nozzle for blowing inert gas into the material processing zone, characterized in that the step-up high-frequency resonant transformer with the open ferrite core of the manual plasma generator is equipped with a hollow tubular needle electrode connected to a high a voltage winding and a gas supply tube, which are placed in one insulated fluoroplastic case with a transformer, the gas supply tube and two-core electric wire of the plasma generator are placed in a common flexible sheath of electrical insulating material and are connected to the power supply and gas-dynamic unit.

3. The device according to claim 1, characterized in that the working needle electrode is made in the form of hollow electrogas-feeding needles of various lengths and radii of curvature installed at a 90 ° angle to the surface to be treated.

4. The device according to claim 1, characterized in that the working electrode is made in the form of a hollow electrically insulated sealed cylinder of high electric strength material with a metal coating of the inner surface or pressure-filled metal-conductive pairs of metal connected to the built-in contact, the working electrode having a length corresponding to the width of the surface of the processed material, connected to the high-potential output of the high-voltage winding of the step-up high-frequency transformer and anovlen parallel over the electrically conductive metal spring-loaded rotating cylinder, the blowing of gas from the nozzles is carried out under cylindrical working electrode by the motion of the material.

5. The device according to claim 2, characterized in that the plasma generator power supply has “main” and “soft” operating modes and is equipped with a switch for fixing the “main” and “soft” operating modes.