RU2822375C1 - Multipoint charger for unipolar charging of aerosol nanoparticles - Google Patents
Multipoint charger for unipolar charging of aerosol nanoparticles Download PDFInfo
- Publication number
- RU2822375C1 RU2822375C1 RU2023135529A RU2023135529A RU2822375C1 RU 2822375 C1 RU2822375 C1 RU 2822375C1 RU 2023135529 A RU2023135529 A RU 2023135529A RU 2023135529 A RU2023135529 A RU 2023135529A RU 2822375 C1 RU2822375 C1 RU 2822375C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- housing
- nanoparticles
- aerosol
- charging
- flow
- Prior art date
Links
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 title claims abstract description 48
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 title claims abstract description 23
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 14
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FOIXSVOLVBLSDH-UHFFFAOYSA-N Silver ion Chemical compound [Ag+] FOIXSVOLVBLSDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000008204 material by function Substances 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к области нанотехнологий, в частности к устройствам униполярной зарядки аэрозольных наночастиц в поле коронного разряда. Униполярные зарядные устройства обеспечивают более высокую эффективность зарядки, чем биполярные, поскольку предотвращается рекомбинация заряженных наночастиц с ионами противоположной полярности. Данное изобретение необходимо в аддитивной технологии и других процессах, где заряженные аэрозольные наночастицы выступают в качестве функциональных материалов. Эффективная зарядка и устранение потерь наночастиц является важной коммерческой задачей при использовании дорогостоящих материалов, а также существенно ускоряет технологический процесс и увеличивает длительность непрерывной эксплуатации устройства без очистки. The present invention relates to the field of nanotechnology, in particular to devices for unipolar charging of aerosol nanoparticles in the field of a corona discharge. Unipolar chargers provide higher charging efficiency than bipolar chargers because charged nanoparticles are prevented from recombining with ions of opposite polarity. This invention is needed in additive manufacturing and other processes where charged aerosol nanoparticles act as functional materials. Effective charging and elimination of nanoparticle loss is an important commercial task when using expensive materials, and also significantly speeds up the technological process and increases the duration of continuous operation of the device without cleaning.
В таких устройствах, как правило, используют два электрода из проводящего материала, между которыми возникает коронный разряд, приводящий к появлению высокой концентрации ионов, которую можно оценить по формуле:In such devices, as a rule, two electrodes made of conductive material are used, between which a corona discharge occurs, leading to the appearance of a high concentration of ions, which can be estimated by the formula:
где N i - концентрация ионов в области коронного разряда, I - электрический ток коронного разряда, Z i - электрическая подвижность ионов, Е - напряженность электрического поля, А - эффективная площадь поверхности анода, е - элементарный электрический заряд. where N i is the concentration of ions in the corona discharge area, I is the electric current of the corona discharge, Z i is the electrical mobility of ions, E is the electric field strength, A is the effective surface area of the anode, e is the elementary electric charge.
При прохождении аэрозольных наночастиц через область зарядки в устройстве, происходит их бомбардировка потоком заряженных ионов, в следствии чего наночастицы приобретают заряд. Как можно заметить из формулы (1), повышение электрического тока коронного разряда I или понижение напряженности электрического поля Е при неизменных прочих параметрах напрямую приводит к росту концентрации ионов N i. С повышением концентрации ионов происходит увеличение среднего числа столкновений наночастиц с ионами, что приводит к более эффективной зарядке наночастиц. Как показало исследование [1], для достаточной зарядки концентрация ионов должна быть на 2-3 порядка больше, чем концентрация наночастиц. Основной проблемой аналогичных устройств являются потери наночастиц на пластине под воздействием электрического поля, которые возрастают при повышении напряжения на игле.When aerosol nanoparticles pass through the charging area in the device, they are bombarded with a flow of charged ions, as a result of which the nanoparticles acquire a charge. As can be seen from formula (1), an increase in the electric current of the corona discharge I or a decrease in the electric field strength E , with other parameters unchanged, directly leads to an increase in the concentration of ions Ni . As the ion concentration increases, the average number of collisions between nanoparticles and ions increases, which leads to more efficient charging of nanoparticles. As research has shown [1], for sufficient charging, the ion concentration must be 2-3 orders of magnitude greater than the concentration of nanoparticles. The main problem of similar devices is the loss of nanoparticles on the plate under the influence of an electric field, which increases with increasing voltage on the needle.
Аналогом является устройство для зарядки наночастиц, описанное в патенте US10177541B2. Данное изделие включает в себя корпус, имеющий продольную ось, проходящую между входом и выходом корпуса, при этом поток аэрозольных наночастиц течет под некоторым углом продольной оси. Внутри корпуса создается электрическое поле для направления потока униполярных ионов к выходному отверстию для зарядки потока аэрозольных наночастиц. Кроме того, между потоком аэрозольных наночастиц и корпусом подается обволакивающий поток воздуха для уменьшения потерь заряженных наночастиц внутри корпуса. Однако данное устройство имеет ряд недостатков: подача слишком большого потока обволакивающего газа сильно разбавляет концентрацию наночастиц, что ограничивает область применения устройства; большая длина выходного отверстия приводит к росту потерь заряженных наночастиц, выбранная форма заземленного электрода также обеспечивает дополнительные потери наночастиц. An analogue is a device for charging nanoparticles, described in patent US10177541B2. This product includes a housing having a longitudinal axis passing between the inlet and outlet of the housing, and the flow of aerosol nanoparticles flows at a certain angle of the longitudinal axis. An electric field is created inside the housing to direct a flow of unipolar ions to the outlet to charge the flow of aerosol nanoparticles. In addition, an enveloping air flow is supplied between the flow of aerosol nanoparticles and the housing to reduce the loss of charged nanoparticles inside the housing. However, this device has a number of disadvantages: supplying too much enveloping gas flow greatly dilutes the concentration of nanoparticles, which limits the scope of application of the device; a large length of the outlet hole leads to an increase in losses of charged nanoparticles; the selected shape of the grounded electrode also provides additional losses of nanoparticles.
Прототипом изобретения является устройство для зарядки наночастиц, описанное в патентах SU 927318 A2 и US 20110090611 A1. Данные устройства также состоит из корпуса, имеющего продольную ось, проходящую между входом и выходом корпуса, при этом поток аэрозольных наночастиц параллельно продольной оси. Недостатками устройств, как и в предыдущем случае, являются большая длина выходного отверстия, которая увеличивает потери, использование одноострийной иглы вынуждает повышать напряжение для достижения необходимой концентрации, форма заземленного электрода также способствует росту потерь наночастиц.The prototype of the invention is a device for charging nanoparticles, described in patents SU 927318 A2 and US 20110090611 A1. These devices also consist of a housing having a longitudinal axis passing between the entrance and exit of the housing, with the flow of aerosol nanoparticles parallel to the longitudinal axis. The disadvantages of the devices, as in the previous case, are the large length of the outlet, which increases losses, the use of a single-pointed needle forces an increase in voltage to achieve the required concentration, and the shape of the grounded electrode also contributes to an increase in losses of nanoparticles.
Технической задачей, решаемой в представленном изобретении, является создание устройства для получения высокой эффективности зарядки наночастиц.The technical problem solved in the present invention is to create a device for obtaining high charging efficiency of nanoparticles.
Техническим результатом является обеспечение минимальных потерь частиц внутри устройства путем выбора оптимальной формы электродов.The technical result is to ensure minimal loss of particles inside the device by choosing the optimal shape of the electrodes.
Для достижения данной цели, настоящее зарядное устройство для наночастиц с высокоскоростным воздушным потоком в оболочке для дополнительного уменьшения потерь содержит корпус из диэлектрического материала с входными и выходными отверстиями для аэрозольного и обволакивающего потоков, катод в форме заземленной пластины и анод в форме многоострийной иглы. Повышение эффективности работы зарядного устройства достигается за счет изменения формы электродов, а именно одновременное увеличение количества острий на игле и выбор конической формы отверстия катода с расположением широкой части к выходу из устройства, которое приводит к уменьшению потерь наночастиц внутри устройства. Первой причиной уменьшения потерь является уменьшение напряженности поля, необходимого для достижения необходимой концентрации ионов. Это достигается путем увеличения числа острий на игле, что означает увеличение количества источников ионов, которое позволяет понизить напряжение на игле. Количество острий иглы анода составляет не менее трех. Второй причиной является изменение электрического поля на более неоднородное путем использования конической формы пластины. Благодаря этому, заряженные наночастицы, ввиду своей малой электрической подвижности по сравнению с ионами, покидают зарядное устройство, не успевая развернуться по направлению поля и достигнуть пластины.To achieve this goal, the present nanoparticle charger with high-velocity air flow in a shell to further reduce losses contains a body of dielectric material with inlet and outlet openings for aerosol and enveloping flows, a cathode in the form of a grounded plate, and an anode in the form of a multi-pointed needle. Increasing the efficiency of the charger is achieved by changing the shape of the electrodes, namely, simultaneously increasing the number of points on the needle and choosing a conical shape of the cathode hole with the location of the wide part towards the exit of the device, which leads to a reduction in the loss of nanoparticles inside the device. The first reason for reducing losses is to reduce the field strength required to achieve the required ion concentration. This is achieved by increasing the number of points on the needle, which means increasing the number of ion sources, which allows the voltage on the needle to be lower. The number of anode needle points is at least three. The second reason is to change the electric field to a more non-uniform one by using a conical plate shape. Due to this, charged nanoparticles, due to their low electrical mobility compared to ions, leave the charger without having time to turn in the direction of the field and reach the plate.
Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг. 1 представлена схема разработанного игольчатого зарядного устройства с многоострийной коронирующей иглой.In fig. Figure 1 shows a diagram of the developed needle charger with a multi-edged corona needle.
На фиг. 2 представлена схема эксперимента по определению характеристик зарядного устройства (потерь L E, доли незаряженных наночастиц h и доли заряженных наночастиц на выходе ηextr).In fig. Figure 2 shows a diagram of the experiment to determine the characteristics of the charger (loss L E , the fraction of uncharged nanoparticles h and the fraction of charged nanoparticles at the output η extr ).
На фиг. 3 представлена зависимость характеристик зарядного устройства (потерь L E, доли незаряженных наночастиц h и доли заряженных наночастиц на выходе ηextr) при использовании иглы с одним острием (слева) и цилиндрическим отверстием в пластине и иглы с восьмью (справа) остриями и коническим отверстием в пластине при различных значениях обволакивающего потока Q sh, равных 1, 2 и 3 л/мин.In fig. Figure 3 shows the dependence of the characteristics of the charger (loss L E , the fraction of uncharged nanoparticles h and the fraction of charged nanoparticles at the output η extr ) when using a needle with one tip (on the left) and a cylindrical hole in the plate and a needle with eight (on the right) tips and a conical hole in plate at different values of the enveloping flow Q sh equal to 1, 2 and 3 l/min.
Способ [1] определения оптимальных параметров установки представлен на фиг. 2. При помощи данного способа можно оценить эффективность зарядного устройства путем измерения концентраций аэрозоля без зарядки, с зарядкой и после удаления заряженных наночастиц с помощью электростатического поглотителя. Сравнивая полученные значения, можно вычислить долю потерь, долю заряженных наночастиц и долю незаряженных наночастиц на выходе устройства. По данной методике были проведены исследования эффективности предложенного зарядного устройства и аналогичного устройства с одноострийной иглой и цилиндрическим отверстием в пластине. Измерения проводились для наночастиц серебра, полученными методом искровой абляции, с размером 20-180 нм. Поток обволакивающего воздуха менялся от 1 до 3 л/мин, аэрозольный поток составлял 1 л/мин. Значение тока коронного разряда было постоянным 20 мкА, что обеспечивало достаточную концентрацию ионов. Напряжение на одноострийной игле было 2.1 кВ, на многоострийной игле заданный ток достигался при 1.8 кВ. Объяснение уменьшения напряжения на игле при изменении формы электродов представлены ранее. Результаты исследований представленные на фиг. 3. показывают, что для всех трех значений обволакивающего потока приведенное нами устройство с улучшенной формой электродов является предпочтительной и повышает долю заряженных наночастиц на выходе из устройства от 12% до 24%, максимальное значение которой составляет 59% для обволакивающего потока 3 л/мин. Доля потерь при этом составляет 20%.Method [1] for determining optimal installation parameters is presented in Fig. 2. Using this method, it is possible to evaluate the efficiency of the charger by measuring aerosol concentrations without charging, with charging, and after removing charged nanoparticles using an electrostatic absorber. By comparing the obtained values, it is possible to calculate the fraction of losses, the fraction of charged nanoparticles, and the fraction of uncharged nanoparticles at the output of the device. Using this technique, studies were carried out on the effectiveness of the proposed charger and a similar device with a single-pointed needle and a cylindrical hole in the plate. The measurements were carried out for silver nanoparticles obtained by spark ablation with a size of 20-180 nm. The enveloping air flow varied from 1 to 3 l/min, the aerosol flow was 1 l/min. The corona discharge current was constant at 20 μA, which ensured a sufficient ion concentration. The voltage on a single-pointed needle was 2.1 kV; on a multi-pointed needle, the specified current was achieved at 1.8 kV. An explanation for the decrease in voltage on the needle when changing the shape of the electrodes was presented earlier. The research results are presented in Fig. 3. show that for all three values of the enveloping flow, our device with an improved form of electrodes is preferable and increases the proportion of charged nanoparticles at the exit from the device from 12% to 24%, the maximum value of which is 59% for an enveloping flow of 3 l/min. The share of losses in this case is 20%.
Пример примененияApplication example
Для получения наночастиц использовался генератор с импульсно-периодическим газовым разрядом, обеспечивающий высокую массовую производительность получения наночастиц размером 20-180 нм и концентрацией около 107 см-3.To obtain nanoparticles, a generator with a pulse-periodic gas discharge was used, providing high mass productivity for obtaining nanoparticles with a size of 20-180 nm and a concentration of about 10 7 cm -3 .
Полученные наночастицы направлялись в зарядное устройство в аэрозольном потоке воздуха 1 л/мин. Между вольфрамовой многоострийной иглой и заземленной медной пластиной создавался коронный разряд с током 20 мкА путем подачи на иглу напряжения 1.8 кВ. Края пластины обдувались обволакивающим потоком 3 л/мин. The resulting nanoparticles were sent to the charger in an aerosol air flow of 1 l/min. A corona discharge with a current of 20 μA was created between a tungsten multipoint needle and a grounded copper plate by applying a voltage of 1.8 kV to the needle. The edges of the plate were blown with an enveloping flow of 3 l/min.
В результате на выходе из устройства около 59% от начальной концентрации наночастиц имели заряд. Около 20% наночастиц было потеряно внутри устройства, а 21% наночастиц не имело заряда.As a result, at the exit from the device, about 59% of the initial concentration of nanoparticles had a charge. About 20% of the nanoparticles were lost inside the device, and 21% of the nanoparticles had no charge.
Таким образом, данное устройство имеет высокую эффективность зарядки наночастиц, и обладает низкими их потерями, и подходит даже для высоких концентраций наночастиц. А также имеет настраиваемые параметры коронного разряда и потоков воздуха. Thus, this device has high nanoparticle charging efficiency and low nanoparticle loss, and is suitable even for high nanoparticle concentrations. It also has customizable corona discharge and air flow parameters.
Источники информацииInformation sources
1. Alonso M., Martin M.I., Alguacil F.J. The measurement of charging efficiencies and losses of aerosol nanoparticles in a corona charger. Journal of Electrostatics. 2006;64(3):203-14. 10.1016/j.elstat.2005.05.008.1. Alonso M., Martin M.I., Alguacil F.J. The measurement of charging efficiencies and losses of aerosol nanoparticles in a corona charger. Journal of Electrostatics. 2006;64(3):203-14. 10.1016/j.elstat.2005.05.008.
2. Патент US 20110090611 A1, опубл. 21.04.2011, МПК H05H1/48, Particle charger with sheath air flow for enhancing charging efficiency.2. Patent US 20110090611 A1, publ. 04/21/2011, IPC H05H1/48, Particle charger with sheath air flow for enhancing charging efficiency.
3. Патент US 10177541 B2, опубл. 08.01.2019, МПК H01T23/00, Concentric electrical discharge aerosol charger.3. Patent US 10177541 B2, publ. 01/08/2019, IPC H01T23/00, Concentric electrical discharge aerosol charger.
4. Патент SU 927318 A2, опубл. 1982.05.15, МПК B03C 3/38, Устройство для зарядки аэрозольных частиц.4. Patent SU 927318 A2, publ. 1982.05.15, IPC B03C 3/38, Device for charging aerosol particles.
5. Патент SU 1786496 A1, опубл. 1993.01.07, МПК G08B 17/00, Устройство зарядки аэрозольных частиц извещателя пожароопасной ситуации.5. Patent SU 1786496 A1, publ. 1993.01.07, IPC G08B 17/00, Device for charging aerosol particles of a fire hazard detector.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2822375C1 true RU2822375C1 (en) | 2024-07-04 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU927318A2 (en) * | 1980-09-17 | 1982-05-15 | Дальневосточный Филиал Государственного Проектно-Изыскательского И Научно-Исследовательского Института "Аэропроект" | Device for charging aerosol particles |
RU2079199C1 (en) * | 1994-12-05 | 1997-05-10 | Научно-производственное предприятие "Полет" | Air ionizer |
US8779382B1 (en) * | 2013-05-16 | 2014-07-15 | National Chiao Tung University | Corona-wire unipolar aerosol charger |
JP2014145789A (en) * | 2010-03-10 | 2014-08-14 | Msp Corp | Electrical ionizer for aerosol charge conditioning and measurement |
US10177541B2 (en) * | 2012-12-28 | 2019-01-08 | Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs) | Concentric electrical discharge aerosol charger |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU927318A2 (en) * | 1980-09-17 | 1982-05-15 | Дальневосточный Филиал Государственного Проектно-Изыскательского И Научно-Исследовательского Института "Аэропроект" | Device for charging aerosol particles |
RU2079199C1 (en) * | 1994-12-05 | 1997-05-10 | Научно-производственное предприятие "Полет" | Air ionizer |
JP2014145789A (en) * | 2010-03-10 | 2014-08-14 | Msp Corp | Electrical ionizer for aerosol charge conditioning and measurement |
US10177541B2 (en) * | 2012-12-28 | 2019-01-08 | Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs) | Concentric electrical discharge aerosol charger |
US8779382B1 (en) * | 2013-05-16 | 2014-07-15 | National Chiao Tung University | Corona-wire unipolar aerosol charger |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2659257B1 (en) | Apparatus for monitoring particles in an aerosol | |
US20050083633A1 (en) | Aerosol charge altering device | |
US4734105A (en) | Process and device for the removal of solid or liquid particles in suspension from a gas stream by means of an electric field | |
WO1987006501A1 (en) | An arrangement for generating an electric corona discharge in air | |
US9091597B2 (en) | Electrode-assisted microwave-induced plasma spectroscopy | |
JP2014145789A (en) | Electrical ionizer for aerosol charge conditioning and measurement | |
JP3115326B2 (en) | Method and apparatus for treating gas carrier particles and use of the apparatus | |
US20160288138A1 (en) | Electrostatic precipitator structure | |
US4018577A (en) | Particle charging device for use in an electric dust collecting apparatus | |
Intra et al. | Design and evaluation of a high concentration, high penetration unipolar corona ionizer for electrostatic discharge and aerosol charging | |
US10177541B2 (en) | Concentric electrical discharge aerosol charger | |
RU2822375C1 (en) | Multipoint charger for unipolar charging of aerosol nanoparticles | |
JP4304342B2 (en) | Atmospheric pressure corona discharge generator | |
Seto et al. | Formation of highly charged nanodroplets by condensation–electrospray device | |
RU2411889C2 (en) | Instrument for hair care with ionisation device | |
Intra et al. | Evaluation of the performance in charging efficiencies and losses of ultrafine particles ranging in sizes from 15 to 75 nm in a unipolar corona-based ionizer | |
US4119416A (en) | Electrostatic precipitator | |
WO2020104488A1 (en) | An ionizing unit for negatively charging airborne particles present in an airflow, an air-purifying device and a vehicle-adapted device | |
Arsenov et al. | Influence of the operating parameters of the needle-plate electrostatic precipitator on the size distribution of aerosol particles | |
Thonglek et al. | Use of pulse-energized electrostatic precipitator to remove submicron particulate matter in exhaust gas | |
CN108204651A (en) | ion blowing device | |
Hoburg | Charge density, electric field, and particle charging in electrostatic precipitation with back ionization | |
WO2017195723A1 (en) | Particle charging device | |
CN114901397A (en) | Electric dust collector | |
RU2144433C1 (en) | Two-zone electric filter |