WO2013070108A1 - Способ плазменно-электромагнитного воздействия на диэлектрический материал - Google Patents

Способ плазменно-электромагнитного воздействия на диэлектрический материал Download PDF

Info

Publication number
WO2013070108A1
WO2013070108A1 PCT/RU2011/000870 RU2011000870W WO2013070108A1 WO 2013070108 A1 WO2013070108 A1 WO 2013070108A1 RU 2011000870 W RU2011000870 W RU 2011000870W WO 2013070108 A1 WO2013070108 A1 WO 2013070108A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
plasma
stream
electromagnetic waves
flow
contact
Prior art date
Application number
PCT/RU2011/000870
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Игорь Анатольевич ЛЕОНТЬЕВ
Георгий Васильевич ЛЫСОВ
Юрий Михайлович ЯШНОВ
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Твинн"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Твинн" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Твинн"
Priority to PCT/RU2011/000870 priority Critical patent/WO2013070108A1/ru
Publication of WO2013070108A1 publication Critical patent/WO2013070108A1/ru

Links

Classifications

    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21CMINING OR QUARRYING
    • E21C37/00Other methods or devices for dislodging with or without loading
    • E21C37/18Other methods or devices for dislodging with or without loading by electricity

Definitions

  • the invention relates to a technology for influencing dielectric bodies, including thermal destruction of solids, in particular, bodies with a low absorption coefficient of electromagnetic radiation (rocks, building materials, etc.).
  • Dielectric bodies in particular rocks, are brittle materials, therefore, if the mechanical stresses ⁇ arising in them exceed the tensile strength ⁇ ⁇ , then the bodies crack and collapse.
  • a known method of destruction of dielectric bodies by electromagnetic radiation in which, acting on the body by radiation, for example, in the high-frequency range, it is heated. Since the absorption of radiation in the body, as a rule, occurs nonuniformly in its volume, thermomechanical stresses arise in it because of the resulting temperature difference between the parts of the body, the magnitude of which exceeds the tensile strength (see Polytechnical Dictionary. Ed. I. I. Artobolevsky. M., "Soviet Encyclopedia", 1976, p. 93). The disadvantages of this method are the limitations of its application and uncontrolled process.
  • the method works effectively if the radiation absorption coefficient is significant, and for most dielectric bodies it becomes such only at a very high temperature> 1000 K, when the dielectric exhibits noticeable electrical conductivity (see Eroshev V.K., Kozlov Yu.A., Pavlova V. D., Design and manufacturing technology of brazed metal-ceramic units, part 1, M., Central Research Institute “Electronics", 1988, p. 43).
  • the closest to the invention in technical essence and the achieved result is a destruction method based on plasma heating of a dielectric solid, including the creation of a plasma, the formation of a plasma stream from it directed from the outside to the surface of the solid and acting on it (see patent RU, Jfe2365731, class - E21B7 / 15, 08.27.2009).
  • the disadvantages of this method are the low heating efficiency due to the low heat transfer coefficient characteristic of heating the body with hot gas, the role of which is played by the plasma, and the limited application; bodies with high thermal conductivity are excluded, since in them the heat equalizes faster than it is supplied (see Kutateladze S.S. Heat transfer and hydrodynamic resistance. - M .: Energoatomizdat, 1990, - 367s).
  • the problem to which the present invention is directed is the creation of a plasma-electromagnetic method of acting on dielectric bodies, including thermal destruction of solids with a low absorption coefficient of electromagnetic radiation, allowing you to effectively destroy bodies even with increased thermal conductivity.
  • the technical result of the invention is to increase productivity when exposed to dielectric bodies and the expansion of the scope.
  • the method of plasma-electromagnetic action on a dielectric material is to create a plasma with a plasmatron, form a plasma stream from it and direct it to the surface of the material, and the plasma is created and formed from it by a plasma torch with adjustable parameters, while additionally creating a controlled flow of electromagnetic waves with a frequency of 0.5-5 GHz and directing it to the point of contact of the plasma stream with the surface m Therians, wherein the adjustment parameters of the plasma torch and / or flow control electromagnetic waves provide and maintain the plasma temperature in its skin layer in place of plasma contact with the surface of the material in the range of 3000 to 5000K.
  • the flow of electromagnetic waves is supplied to the skin of the plasma at the point where the plasma contacts the surface of the material from the bulk of the material.
  • An additional stream of electromagnetic waves may be applied towards the main stream of electromagnetic waves.
  • the plasma torch After the plasma torch forms a plasma flow, the latter can be reduced, and the power of the electromagnetic wave flux is increased and thus maintain a temperature in the range of 3000-5000K in the skin layer at the point of contact of the plasma with the surface of the material, using a plasmatron in the form of an RF plasmatron, a microwave plasmatron, or a hybrid plasmatron.
  • a plasma stream can be generated in a pulsed mode and / or an electromagnetic wave stream is generated in a pulsed mode, and the pulse modes of the plasma stream and the electromagnetic wave stream are synchronized for operation in antiphase.
  • FIG. 1 schematically shows the effect of a plasma stream and a stream of electromagnetic waves on a destructible dielectric body.
  • a plasma stream 1 is created, directing it directly to the surface of the dielectric material 2.
  • the plasma in contact with it, transfers its energy to the dielectric material 2, heating it.
  • the flow of electromagnetic waves 3 generated, for example, by a microwave generator.
  • the flow of electromagnetic waves 3 is absorbed in a narrow skin layer 4 of the plasma in contact with the surface of the dielectric material 2, and releases its energy in it, intensifying the heating of the dielectric material 2.
  • the flow of electromagnetic waves 3 is supplied externally to its surface opposite to the surface in contact with the plasma.
  • the flow of electromagnetic waves 3, passing without loss through the dielectric material 2, from the inside of the dielectric material 2 enters the contact zone of the plasma stream 1 with the dielectric material 2 and is completely absorbed in the narrow skin layer 4 of the plasma directly in contact with the surface of the dielectric material 2.
  • the flow of electromagnetic waves 3, directed towards the plasma stream 1 is formed in the volume of the dielectric material 2 using electrodes (antennas) previously located in the dielectric material 2.
  • pulsed modes synchronize the plasma stream 1 and the electromagnetic wave stream 3 for operation in antiphase.
  • the present invention can be used in mining and construction of civil and industrial facilities in the mountains, as well as for intensive heating various kinds of dielectric materials in other industries.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Furnace Details (AREA)

Abstract

Изобретение относится к технологии воздействия на диэлектрические тела, включая разрушение твердых тел, а частности тел с низким коэффициентом поглощения электромагнитного излучения (горные породы, строительные материалы и пр.), и может быть использовано в горном деле и строительстве. Способ плазменно-электромагнитного воздействия на диэлектрический материал заключается в том, что создают плазму плазмотроном, формируют из нее плазменный поток и направленно воздействуют им на поверхность материала, отличающийся тем, что плазму создают и формируют из нее плазменный поток плазмотроном с регулируемыми параметрами, при этом дополнительно создают управляемый поток электромагнитных волн с частотой 0,5-5ГГц и направляют его в место контакта плазменного потока с поверхностью материала, при этом регулировкой параметров плазмотрона и/или управлением потоком электромагнитных волн обеспечивают и поддерживают температуру плазмы в ее скин-слое в месте контакта плазмы с поверхностью материала в диапазоне 3000-5000К. В результате достигается повышение производительности разрушения твердых диэлектрических тел и расширение области применении.

Description

СПОСОБ ПЛАЗМЕННО-ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО
ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ.
Область применения
Изобретение относится к технологии воздействия на диэлектрические тела, включая термическое разрушение твердых тел, в частности, тел с низким коэффициентом поглощения электромагнитного излучения (горные породы, строительные материалы и пр.).
Предшествующий уровень техники
Диэлектрические тела, в частности горные породы, являются хрупкими материалами, поэтому, если возникающие в них механические напряжения σ превысят предел прочности σπ, то тела растрескиваются и разрушаются. Одним из способов создания в теле напряжений является его неоднородный нагрев, при котором вследствие перепада температуры ΔΤ в теле возникают напряжения, равные σ = αΔΤΕ, где Е - модуль Юнга, а - коэффициент термического расширении.
Таким образом, создание в теле перепада температуры ΔΤ > σπ/ αΕ, обеспечивает разрушение тела.
Известен способ разрушения диэлектрических тел электромагнитным излучением, в котором, воздействуя на тело излучением, например, в ВЧ-диапазоне, производят его нагрев. Поскольку поглощение излучения в теле, как правило, происходит неоднородно по его объему, то из-за возникающей разницы температур между частями тела в нем возникают термомеханические напряжения, величина которых превосходит предел прочности (см. Политехнический словарь. Гл. ред. И. И. Артоболевский. М., «Советская энциклопедия», 1976г., с. 93). Недостатками этого способа являются ограниченность его применения и неуправляемость процессом. Способ эффективно работает, если коэффициент поглощения излучения существенен, а для большинства диэлектрических тел он становится таковым лишь при очень высокой температуре > 1000К, когда у диэлектрика появляется заметная электропроводность (см. Ерошев В.К., Козлов Ю.А., Павлова В.Д., Конструирование и технология изготовления паянных металлокерамических узлов, часть 1, М., ЦНИИ «Электроника», 1988, с.43).
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ разрушения, основанный на плазменном нагреве диэлектрического твердого тела, включающий создание плазмы, формирование из нее плазменного потока, направленного извне к поверхности твердого тела и воздействующего на нее (см. патент RU, Jfe2365731, кл- Е21В7/15, 27.08.2009).
Недостатками этого способа являются низкая эффективность нагрева вследствие малого коэффициента теплопередачи, характерного для нагрева тела горячим газом, роль которого играет плазма, и ограниченность применения; исключаются тела с высокой теплопроводностью, так как в них тепло выравнивается быстрее, чем подводится (см. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. - М.: Энергоатомиздат, 1990, - 367с).
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание плазменно-электромагнитного способа воздействия на диэлектрические тела, включая термическое разрушение твердых тел с низким коэффициентом поглощения электромагнитного излучения, позволяющего эффективно разрушать тела даже с повышенной теплопроводностью.
Техническим результатом изобретения является повышение производительности при воздействии на диэлектрические тела и расширение области применении.
Задача решается, а технический результат достигается тем, что способ плазменно-электромагнитного воздействия на диэлектрический материал заключается в том, что создают плазму плазмотроном, формируют из нее плазменный поток и направленно воздействуют им на поверхность материала, причем плазму создают и формируют из нее плазменный поток плазмотроном с регулируемыми параметрами, при этом дополнительно создают управляемый поток электромагнитных волн с частотой 0,5-5ГГц и направляют его в место контакта плазменного потока с поверхностью материала, при этом регулировкой параметров плазмотрона и/или управлением потоком электромагнитных волн обеспечивают и поддерживают температуру плазмы в ее скин-слое в месте контакта плазмы с поверхностью материала в диапазоне 3000- 5000К.
Предпочтительно поток электромагнитных волн подают в скин- слой плазмы в месте контакта плазмы с поверхностью материала из объема материала.
Может быть подан дополнительный поток электромагнитных волн навстречу основному потоку электромагнитных волн.
После формирования плазмотроном плазменного потока последний может быть уменьшен, а мощность потока электромагнитных волн увеличена и таким образом поддерживают температуру в диапазоне 3000- 5000К в скин-слое в месте контакта плазмы с поверхностью материала, при этом используют плазмотрон в виде ВЧ плазмотрона, СВЧ плазмотрона или гибридного плазмотрона.
Плазменный поток может быть сформирован в импульсном режиме и/или поток электромагнитных волн создают в импульсном режиме, а импульсные режимы плазменного потока и потока электромагнитных волн синхронизируют для работы в противофазе.
В ходе проведенного исследования выявлено, что сочетание создания управляемого потока электромагнитных волн с частотой 0,5- 5'ГТц, направленного в место контакта плазменного потока с поверхностью материала, и поддержка температуры плазмы в месте контакта с поверхностью материала в диапазоне 3000-5000К с одновременной регулировкой плазменного потока путем изменения параметров плазмотрона и/или управлением потоком электромагнитных волн позволяет менять глубину проникновения тепла, а тем самым управлять геометрией разрушения, поскольку, как только температура поверхности диэлектрического материала подрастает на величину ΔΤ = σΒ/αΕ, в теле появляются трещины и оно разрушается. При этом установлено, что сочетание указанных выше параметров плазмы и потока электромагнитных волн позволяет резко сократить время нагрева диэлектрического материала и повысить производительность процесса разрушения диэлектрического материала.
Положительный эффект достигается тем, что вследствие увеличения плотности мощности потока q тепла в диэлектрический материал снижается время его нагрева τ, необходимое для разрушения породы: ΔΤ ~ q x (см. Сканави Г. И., Физика диэлектриков, М, Физматгиз, 1958г.). При этом суммарные энергозатраты W падают, так как W = qi ~(ΔΤ) /q - const/q, а это позволяет эффективнее разрушать диэлектрический материал, в частности горную породу.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 схематически показано воздействие плазменного потока и потока электромагнитных волн на разрушаемое диэлектрическое тело.
Лучший вариант осуществления изобретения
С помощью плазмотрона создают плазменный поток 1, направляя его непосредственно на поверхность диэлектрического материала 2. Плазма, контактируя с ней, передает диэлектрическому материалу 2 свою энергию, нагревая его. В место контакта плазменного потока 1 с поверхностью диэлектрического материала 2 подают поток электромагнитных волн 3, генерируемый, например, СВЧ генератором. Поток электромагнитных волн 3 поглощается в узком скин-слое 4 плазмы соприкасающемся с поверхностью диэлектрического материала 2, и выделяет в нем свою энергию, интенсифицируя нагрев диэлектрического материала 2.
Если диэлектрический материал 2 имеет ограниченные размеры, то поток электромагнитных волн 3 подают извне на его поверхность, противоположную поверхности, контактирующей с плазмой. Поток электромагнитных волн 3, проходя без потерь сквозь диэлектрический материал 2, изнутри диэлектрического материала 2 поступает в зону контакта плазменного потока 1 с диэлектрическим материалом 2 и полностью поглощается в узком скин-слое 4 плазмы, непосредственно контактирующей с поверхностью диэлектрического материала 2. Это существенно повышает удельную плотность мощности, выделяемой на поверхности диэлектрического материала 2, причем представляется возможность подавать дополнительный поток электромагнитных волн (не показан на чертеже) навстречу основному потоку электромагнитных волн 3 и, кроме того, после формирования плазмотроном плазменного потока 1 последний уменьшать, а мощность потока электромагнитных волн 3 увеличивать и таким образом поддерживать температуру в диапазоне 3000-5000К в скин-слое 4 в месте контакта плазмы с поверхностью материала 2, что расширяет возможности по регулировке процесса воздействия на диэлектрические материалы 2 и позволяет повысить производительность при проведении такого воздействия.
Если диэлектрический материал 2 имеет неограниченные размеры
(полуплоскость), или доступ к его противоположной стороне затруднен, то поток электромагнитных волн 3, направленный навстречу плазменному потоку 1 , формируют в объеме диэлектрического материала 2 с помощью электродов (антенны), предварительно расположенных в диэлектрическом материале 2.
На расширение возможности регулирования воздействия на диэлектрические материалы 2 и, как следствие, расширение области применения и повышение производительности при разрушении твердых диэлектрических тел 2 направлено формирование плазменного потока 1 в импульсном режиме и/или создание потока электромагнитных волн 3 в импульсном режиме, причем предпочтительно импульсные режимы плазменного потока 1 и потока электромагнитных волн 3 синхронизовать для работы в противофазе.
Промышленная применимость
Настоящее -изобретение может быть использовано в горной промышленности и строительстве гражданских и промышленных объектов в горной местности, а также для интенсивного нагрева различного рода диэлектрических материалов в других отраслях промышленности.

Claims

Формула изобретения
1. Способ плазменно-электромагнитного воздействия на диэлектрический материал, заключающийся в том, что создают плазму плазмотроном, формируют из нее плазменный поток и направленно воздействуют им на поверхность материала, отличающийся тем, что плазму создают и формируют из нее плазменный поток плазмотроном с регулируемыми параметрами, при этом дополнительно создают управляемый поток электромагнитных волн с частотой 0,5-5ГГц и направляют его в место контакта плазменного потока с поверхностью материала, при этом регулировкой параметров плазмотрона и/или управлением потоком электромагнитных волн обеспечивают и поддерживают температуру плазмы в ее скин-слое в месте контакта плазмы с поверхностью материала в диапазоне 3000-5000К.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток электромагнитных волн подают в скин-слой плазмы в месте контакта плазмы с поверхностью материала из объема материала.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что подают дополнительный поток электромагнитных волн навстречу основному потоку электромагнитных волн.
4. Способ по п.2, отличающийся тем, что после формирования плазмотроном плазменного потока последний уменьшают, а мощность потока электромагнитных волн увеличивают и таким образом поддерживают температуру в диапазоне 3000-5000К в скин-слое в месте контакта плазмы с поверхностью материала.
5. Способ по любому из п.п.1-4, отличающийся тем, что используют плазмотрон в виде ВЧ плазмотрона, СВЧ плазмотрона или гибридного плазмотрона.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что формируют плазменный поток в импульсном режиме и/или создают поток электромагнитных волн в импульсном режиме.
7. Способ по п.6, отличающийся тем, что импульсные режимы плазменного потока и потока электромагнитных волн синхронизируют для работы в противофазе.
PCT/RU2011/000870 2011-11-09 2011-11-09 Способ плазменно-электромагнитного воздействия на диэлектрический материал WO2013070108A1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2011/000870 WO2013070108A1 (ru) 2011-11-09 2011-11-09 Способ плазменно-электромагнитного воздействия на диэлектрический материал

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2011/000870 WO2013070108A1 (ru) 2011-11-09 2011-11-09 Способ плазменно-электромагнитного воздействия на диэлектрический материал

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2013070108A1 true WO2013070108A1 (ru) 2013-05-16

Family

ID=48290360

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2011/000870 WO2013070108A1 (ru) 2011-11-09 2011-11-09 Способ плазменно-электромагнитного воздействия на диэлектрический материал

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2013070108A1 (ru)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU848634A1 (ru) * 1979-06-28 1981-07-23 Предприятие П/Я В-2572 Устройство дл электротермомехани-чЕСКОгО РАзРушЕНи гОРНыХ пОРОд
RU2083823C1 (ru) * 1994-05-25 1997-07-10 Краснотурьинский филиал акционерного общества открытого типа "Уралстальконструкция" Способ и устройство разрушения искусственных минеральных образований
JP2000248872A (ja) * 1999-03-02 2000-09-12 Korean Accelerator & Plasma Res Assoc パルスパワーシステム
WO2003069110A1 (en) * 2002-02-12 2003-08-21 University Of Strathclyde Plasma channel drilling process
WO2009082655A1 (en) * 2007-12-20 2009-07-02 Massachusetts Institute Of Technology Millimeter-wave drilling and fracturing system
RU2365731C1 (ru) * 2008-03-17 2009-08-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова (технический университет)" Устройство для термомеханического бурения твердых горных пород

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU848634A1 (ru) * 1979-06-28 1981-07-23 Предприятие П/Я В-2572 Устройство дл электротермомехани-чЕСКОгО РАзРушЕНи гОРНыХ пОРОд
RU2083823C1 (ru) * 1994-05-25 1997-07-10 Краснотурьинский филиал акционерного общества открытого типа "Уралстальконструкция" Способ и устройство разрушения искусственных минеральных образований
JP2000248872A (ja) * 1999-03-02 2000-09-12 Korean Accelerator & Plasma Res Assoc パルスパワーシステム
WO2003069110A1 (en) * 2002-02-12 2003-08-21 University Of Strathclyde Plasma channel drilling process
WO2009082655A1 (en) * 2007-12-20 2009-07-02 Massachusetts Institute Of Technology Millimeter-wave drilling and fracturing system
RU2365731C1 (ru) * 2008-03-17 2009-08-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова (технический университет)" Устройство для термомеханического бурения твердых горных пород

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9822588B2 (en) Multimodal rock disintegration by thermal effect and system for performing the method
DK2965594T3 (en) PROCEDURE FOR THE GENERATION OF AN ARC THAT DIRECT, SURFACE, THERMAL AND MECHANICAL IMPACT ON A MATERIAL, AND DEVICE FOR GENERATION OF THE ARCH
Dikhtyar et al. Fireball ejection from a molten hot spot to air by localized microwaves
US20140041940A1 (en) System and method for drilling in rock using microwaves
Bara et al. Combined effects of electronic trapping and non-thermal electrons on the expansion of laser produced plasma into vacuum
Jerby et al. A silent microwave drill for deep holes in concrete
US3589351A (en) Cutting of rocks, glass and the like
Zhao et al. Coulomb explosion and early plasma generation during femtosecond laser ablation of silicon at high laser fluence
Jerby et al. Drilling into hard non-conductive materials by localized microwave radiation
RU2537372C2 (ru) Способ плазменно-электромагнитного воздействия на диэлектрический материал
WO2013070108A1 (ru) Способ плазменно-электромагнитного воздействия на диэлектрический материал
WO2011037546A2 (en) Method of disintegrating materials and device for performing the method
Novikov et al. Processing of finely dispersed zirconium silicate powder in a high-frequency induction plasmatron jet.
Hassani et al. Microwave assisted drilling and its influence on rock breakage a review
George et al. A feasibility study on drilling of metals through microwave heating
Chanturiya et al. Mechanisms of disintegration of mineral media exposed to high-power electromagnetic pulses
Bansal et al. Advances in Microwave Processing for Engineering Materials
Mora Physics of relativistic laser-plasmas
Basiev et al. High-speed ablation of ultradeep channels by a phase-conjugate dynamically controlled passively Q-switched Nd: YAG laser
Xu et al. Selective triggering of phase change in dielectrics by femtosecond pulse trains based on electron dynamics control
KR20060036077A (ko) 계산된 방사점 길이를 갖는 편평한 세라믹 제품의 분리방법
Medvedev et al. Generation of a laser-plasma ion flow in a microwave cavity
Wylie et al. A microwave plasma drill
Lefebvre et al. Ion acceleration with high-intensity lasers and application to isochoric heating
Vasin Combined effect of microwave field and focused laser radiation on dielectrics

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 11875469

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 11875469

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1